Đồ án truyền động điện quang thắng lộc

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC............................................................3
1.1 Giới thiệu chung...................................................................................................3
1.2 Cấu tạo của cầu trục.............................................................................................3
1.3 Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động của cầu trục...................................5
1.4 Đặc điểm của cơ cấu nâng hạ cầu trục..................................................................6
CHƯƠNG 2 : TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ....................................................................7
2.1 Tính toán phụ tải chính.........................................................................................7
2.1.1 Tính toán tĩnh khi nâng tải.............................................................................7
2.1.2. Phụ tải tĩnh khi hạ tải.....................................................................................8
2.2 Tính chọn động cơ................................................................................................9
2.2.1. Lựa chọn các thông số.................................................................................10
2.2.2. Xác định phụ tải tĩnh...................................................................................10
2.2.3 Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha dây quấn kiểu KQ112L6..........14
CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN................................18
3.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha..................18
3.2 Lựa chọn phương án truyền động.......................................................................22
3.2.1 Phương án truyền động trực tiếp ( Bộ điều khiển đảo chiều quay của động cơ
ba pha bằng khởi động từ kép)..............................................................................22
3.2.2 Phương án truyền động sử dụng biến tần.....................................................25
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH LỰC.....................................................................31

1


LỜI NÓI ĐẦU
Trong ngành công nghiệp nói chung để giải quyết một số công việc khó khăn với
cona người như việc vận chuyển các nguyên vật liệu, hàng hóa nặng nhọc,trong môi
trường khắc nghiệt thì rất cần đến sự trợ giúp của các loại máy móc công nghiệp như:
băng tải, cần cẩu, cầu trục.

Trong đồ án Truyền Động Điện em đã được giao cho đồ án 21 với đề tài: “Thiết kế
hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục” với các thông số yêu cầu như sau:
 Chiều cao nâng:
10 m
 Tốc độ nâng hạ:
0,35m/s
 Trọng lượng tải:
500 kg
 Trọng lượng móc câu:
50 kg
 Tỷ số truyền:
i = 40
 Hiệu suất bộ truyền:
η = 0,82
 Đường kính puli:
0,5 m
 Bán kính tay nâng:
0,25m
 Moomen quán tính cơ cấu: 0,1 kg/m2
 Chu kỳ làm việc:
360s
Do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn
nên bản đồ án không khỏi có những sai sót. Em mong nhận được sự góp xây dựng của
các thầy, cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Trong quá trình
làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô
giáo cũng như sự góp ý xây dựng của các bạn bè. Đặc biệt là sự giúp đỡ của Thạc sỹ
Phạm Hoàng Nam và các thầy cô giáo công tác trong Viện kỹ thuật và công nghệ
Em xin chân thành cảm ơn !

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC
1.1 Giới thiệu chung
Cầu trục là một trong những thiết thiết bị nâng hạ gồm hai chuyển động chính
(ngang, dọc trên cao nhà xưởng) để đảm bảo các thao tác nâng hạ, di chuyển tải trong
không gian làm việc của cầu trục trong nhà xưởng.
Việc sử dung cầu trục rất tiện lợi cho việc bốc, xếp hàng hóa các vật có tải trọng
lớn, kích thước cồng kềnh (sắt, thép, bê tông...).
Cầu trục được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau như trong
các nhà máy, xí nghiệp, công trường xây dựng, hải cảng...
Phân loại cầu trục:
 Theo tải trọng:
- Loại nhẹ: từ 5 đến 10 tấn
- Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn
- Loại nặng: trên 15 tấn
 Theo chế độ làm việc:
- Loại nhẹ : hệ số tiếp điện TĐ% = 10 - 15%, số lần đóng máy trong một giờ
là 60
- Loại trung bình : TĐ=15 - 25 %, số lần đóng máy trong một giờ là 120
- Loại nặng : TĐ% = 40 - 60 %, số lần đóng máy trong một giờ >240
 Theo chức năng:
- Cầu trục vận chuyển : dùng rộng rãi, yêu cầu chính xác không cao
- Cầu trục lắp ráp : phần lớn nằm trong các nhà máy, xí nghiệp , dùng để lắp
ráp các chi tiết máy móc có yêu cầu độ chính xác cao
1.2 Cấu tạo của cầu trục
Là một khung sắt hình chữ nhật,được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm một dầm
chính chế tạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách của
bánh xe con, bao quanh là một dàn khung. Hai dầm cầu được liên kết cơ khí với hai
dầm ngang tạo thành một khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe

của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung để cầu trục có thể chạy dọc
suốt nhà xưởng một cách dễ dàng

3


1.
1
2
3
4
5
6
7

Dầm dọc
Bát chặn dọc
Ray dọc
Dầm biên
Cao su giảm chấn
Dầm ngang
Ray ngang
Cấp điện ngang

Hình 1.1 Cấu tạo cầu trục
8 Nút bấm điều khiển
9 Móc cẩu
10 Palăng
11 Cấp điện dọc
12 Bát dầm ngang

13 Tủ điều khiển
14 Hành lang bảo dưỡng
15 Lan can an toàn

Cầu trục được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính: xe cầu, xe con và cơ cấu nâng hạ.
 Xe cầu: có hai dầm chính hoặc khung dầm chính làm bằng thép, đặt cách nhau
một khoảng tương ứng với khoảng cách bánh xe của xe con. Hai đầu cầu được
liên kết cơ khí với hai dầm quay ngang tạo thành khung hình chữ nhật trong
mặt phẳng ngang.
Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung hình chữ
nhật , tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suốt phân xưởng.
 Xe con: là thiết bị được đặt trên xe cầu và dịch chuyển trên chiều dài của xe
cầu.
 Cơ cấu nâng hạ: được đặt trên xe con và đóng vai trò nâng hạ hàng hóa.
Nhờ cấu tạo như trên mà cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3 phương phủ kín mặt
bằng nhà xưởng:
- Chuyển động dọc theo phân xưởng , nhờ chuyển động của xe cầu
- Chuyển động ngang theo phân xưởng , nhờ chuyển động của xe con
- Chuyển động theo phương thẳng đứng, nhờ chuyển động của cơ cấu nâng hạ
1.3 Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động của cầu trục
Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề, đặc biệt là ở hải cảng, trong các
nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim . . . Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ

4


truyền động và trang bị điện cầu trục phải đảm bảo làm việc tin cậy trong điều kiện
nghiệt ngã của môi trường.
Các cơ cấu truyền động cầu trục thường thay đổi mô men theo tải trọng. Nhất là
cơ cấu nâng hạ , mô men thay đổi rõ rệt. Khi không có tải trọng mô men động cơ

không vượt quá (15 - 20 )% . Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục ngoạm đạt tới 50%.
Đối với đông cơ di chuyển xe con bằng (30-50)%. Đối với động cơ di chuyển xe con
bằng (30-35 )%, đối với động cơ di chuyển xe cầu bằng (50 - 55 )%.
Trong các hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục yêu cầu quá trình tăng và giảm
tốc xảy ra rất êm. Bởi vậy mô men động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo
kĩ thuật an toàn.
Năng suất cầu trục được quyết định bởi hai yếu tố : tải trọng của các thiết bị và
số chu kì bốc xúc trong một giờ. Số lượng hành hoá bốc xúc trong mỗi một chu kì
không như nhau và nhỏ hơn tải trọng định mức nên phụ tải với động cơ chỉ đạt (60 70 )% công suất của động cơ.
Các động cơ truyền động điện đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có tần số
đóng điện lớn. Đa số các cầu trục đều làm việc trong điều kiện môi trường nặng nề,
chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy , hãm và đảo chiều.
Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đươc xác định từ yêu cầu công nghệ ,
chức năng của cầu trục trong dây chuyền sản xuất . Cấu tạo và kết cấu của cầu trục rất
đa dạng. Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệ thống truyền động điện phải
phù hợp với từng loại cụ thể.
Từ những đặc điểm trên ta có những yêu cầu cơ bản với hệ thống truyền động cho
các cơ cấu của cầu trục như sau:
- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản
- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng
- Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, quá tải và ngắn
mạch
- Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật được định sẵn
- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt,độc lập
- Có công tắc hành trình hạn chế quá trình tiến,lùi cho xe cẩu , xe con và hạn chế
hành trình lên xuống của cơ cấu nâng hạ
- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp
- Tự động cắt nguồn cấp khi có người làm việc trên xe cầu.
1.4 Đặc điểm của cơ cấu nâng hạ cầu trục
Momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay

của động cơ thay đổi thế nào. Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc
loại momen cản thế năng, có đặc tính Mc = constant và không phụ thuộc vào chiều
quay. Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải gây
ra. Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều
5


quay. Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, tức là nó hướng
theo chiều quay của động cơ.
Khi nâng tải động cơ làm việc ở chế độ động cơ
Khi hạ tải có thể có hai chế độ: hạ động lực và hạ hãm
- Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ, khi đó mômen do tải trọng gây ra
không đủ để thắng mômen ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ
động cơ.
- Hạ hãm thực hiện khi tải trọng lớn, khi đó mômen do tải trọng gây ra rất lớn.
Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng được hạ với tốc độ
ổn định.
Đặc điểm hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ: làm việc ở chế độ ngăn hạn lặp lại,
thường xuyên phải dừng máy và không đòi hỏi đảo chiều ngay lập tức mà thường có
trễ sau một thời gian nhất định.

6


CHƯƠNG 2 : TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ
2.1 Tính toán phụ tải chính
Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu do tải trọng quyết định. Để xác định phụ
tải tĩnh phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ.
2.1.1 Tính toán tĩnh khi nâng tải
Momen trục động cơ khi có tải

Trong đó:
G
- là trọng lượng của tải
- là trọng lượng của bộ lấy tải
- là bán kính tang nâng
u
- là bội số của hệ thống ròng rọc
- là hiệu suất cơ cấu
i
- là tỉ số truyền
Trong đó:
- là tốc độ nâng tải
n
- là tốc độ quay của động cơ
Công suất động cơ cần thiết để nâng vật:
Trong các công thức trên, hiệu suất lấy bằng định mức khi tải bằng định mức.
Ứng với các tải trọng khác định mức, xác định theo hệ số mang tải:

7


Hình 2.1.1 Quan hệ phụ thuộc theo tải trọng
Khi nâng không tải
Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải:
2.1.2. Phụ tải tĩnh khi hạ tải
Có hai chế độ hạn tải:
- Hạ động lực
- Hạ hãm
Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải trọng gây ra không
đủ để thắng ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ động cơ.

Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn. Khi đó, momen do tải trọng gây ra rất lớn.
Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng hạ với tốc độ ổn định ( hạ
không có gia tốc ).
Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là Mt thì:
(1)
Khi hạ tải trọng, năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền
động nên:
Trong đó:
: momen trên trục động cơ khi hạ tải
: tổn thất momen trong cơ cấu truyền động
:hiệu suất cơ cấu khi hạ tải
Nếu
: hạ hãm
: hạ động lực
Coi tổn thất trong cơ cấu nâng hạ khi nâng tải và hạ tải là như nhau thì:
(2)
Do đó:

So sánh (1) và (2) ta có:
Đối với những tải trọng tương đối lớn (ta có , Mh > 0. Điều này có nghĩa là
momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm.
Khi tải trọng tương đối nhỏ () thì ηh < 0, , momen động cơ cùng chiều với momen
phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực.
Momen hạ không tải:
8


Do đó công suất động cơ khi hạ có tải và không tải:

2.2 Tính chọn động cơ

Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ
- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ
một chiều thì động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc
chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay
chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
-

Nhược điểm: điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn;
riêng với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với động
cơ điện một chiều.

Động cơ điện một chiều
-

Ưu điểm: khả năng chịu quá tải lớn, có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng, cấu
trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng điều
chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.

Nhược điểm: so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều
cùng cỡ thì giá thành đắt hơn, do cấu tạo có hệ thống chổi than cổ góp nên việc bảo
dưỡng phải thường xuyên hơn.
Kết luận : Từ những phân tích nêu trên em chọn loại động cơ xoay chiều không
đồng bộ vì những ưu điểm cấu tạo đơn giản,vận hành tin cậy và chắc chắn và đặc biệt
là có thể dùng trực tiếp lưới xoay chiều ba pha
2.2.1. Lựa chọn các thông số
+ Các thông số
Trọng lượng của tải trọng:
G= 500 kg
Trọng lượng móc câu :
=50 kg

Chiều cao nâng tải:
h= 10m
Tốc độ nâng tải:
=
Tốc độ hạ tải:
Chế độ làm việc:
Chế độ trung bình
+ Lựa chọn các thông số:
Do hệ thống làm việc ở chế độ trung bình nên chọn các thông số cần
thiết cho tính toán như sau:
Hiệu suất cơ cấu:
= 0,82
Tỉ số truyền:
i= 40
Bán kính pang nâng:
=0,25 m
9


Gia tốc cực đại khi nâng:
Bội số của hệ thống ròng rọc:

=0,5
u=2

2.2.2. Xác định phụ tải tĩnh.
+ Khi nâng có tải: =0,35
Momen trục động cơ khi nâng có tải là:
Công suất động cơ phát ra khi nâng có tải là:
+ Khi hạ có tải:

Momen trục động cơ khi hạ có tải là:
= 52,64 (N.m)
+ Khi nâng không có tải:
Momen trục động cơ khi nâng không tải là:
Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải là:
Với: (
+ Khi hạ không có tải
Momen trục động cơ khi hạ không tải:
Công suất động cơ phát ra khi hạ không tải là:
+ Thời gian nâng có tải:
+ Thời gian hạ có tải:

+ Thời gian nâng,hạ không tải:
Vậy tổng thời gian làm việc là:
Từ kết quả trên chọn:
Momen trung bình:
Trong đó: k=(1,2 đến 1,3) hệ số phụ thuộc vào đồ thị phụ tải,tần số mở
máy,hãm máy.

10


Hình 2.2.2 Đồ thị phụ tải
Từ đồ thị phụ tải ta chọn hệ số: k=1,2
Vậy momen trung bình :

=48,3497 (N.m)
Hệ số tiếp điện tương đối:
Momen đẳng trị:
= 52,3 (N.m)

Từ các số liệu được tính toán ở trên em chọn động cơ điện không đông bộ 3 pha
dây quấn kiểu KQ112L6 tra được trong bảng đặc tính kỹ thuật động cơ của Công ty

11


TNHH động cơ điện Việt Hung với các số liệu như sau:

-Công suất định mức:
-Điện áp định mức:
-Dòng điện định mức:
-Tốc độ vòng quay:
-Hiệu suất:
-Hệ số công suất:

Pđm = 2,5 (KW)
Uđm = 220-380 (V)
Iđm = 13,7 (A)
n = 980 (vòng/phút)
µ = 82.5 %
cos = 0,74

M max
 
M
dm
-Tỷ số momen cực đại:
2,8
M kd
 

-Tỷ số momen khởi động: M dm 2
I kd
7
I dm
-Tỷ số dòng khởi động:

-Trọng lượng:
63(kg)
Động cơ điện không đồng bộ 3 pha dây quấn kiểu KQ112L6 là loại động cơ
điện không đồng bộ 3 pha kiểu kín lắp đặt kiểu chân đế, chiều cao từ chân đế đến trục
động cơ là 200(mm), kích thước lắp đặt dọc trục chân đế loại trung bình và chỉ số đối
cực của động cơ là 2p=2 (p=1).
12


Hình 2.2.1b Động cơ không đồng bộ 3pha kiểu KQ112L6
2.2.3 Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ 3 pha dây quấn kiểu KQ112L6
2.2.3.1 Cấu tạo

Hình 2.2.3.1 a,Cấu tạo của động cơ không đồng bộ
Phần tĩnh ( stato)

Hình 2.2.3.1b Stato máy điện không đồng bộ
13


- Vỏ máy: để cố định lõi thép và dây quấn, không dùng làm mạch dẫn
từ.Thường làm bằng gang hay thép tấm hàn lại
- Lõi thép: là phần dẫn từ,được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,350,5mm ép lại
Phần quay ( Roto)

Lõi thép: dẫn từ, làm bằng những lá thép kỹ thuật điện, phía ngoài có xẻ rãnh.
Dây quấn:
Roto dây quấn: quấn giống stato.
2.2.3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 3 pha dây quấn
kiểu KQ112L6
Khi ta cho dòng điện ba pha tần số vào dây quấn stato sẽ tạo ra từ trường quay
với tốc độ

n1 

60.f1
p . Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây quấn roto và cảm ứng

nên sức điện động e2 . Vì vậy dây quấn roto nối kín mạch nên sức điện động cảm ứng
sẽ sinh ra dòng điện I 2 trong các thnah dẫn roto.Dòng điện I 2 trong từ trường chịu tác
động của lực điện từ F và sinh ra moment quay làm roto quay với tốc độ n.
- Các thông số định mức của động cơ không đồng bộ 3 pha dây quấn kiểu
KQ112L6
Momen định mức ở đàu trục của động cơ là:
M đm 

Pđm
Pđm
2,5.1000


 24,36( N .m)
2 .980
đm 2 .n đm

60
60

Dòng điện định mức là:
I đm 

Pđm
2,5.1000

 6, 2( A)
3.U1. .cos 3.220.0,825.0, 74

( Với U1 là điện áp pha)
Tốc độ đồng bộ:

14


� 60. f 60.50
n

 3000  vòng / phút 
�
p
1
�
�
�   2 f1  2 .50  100 (rad / s )
1
�

p
1
�
Hệ số trượt định mức:
S đm 

-

n  nđm 3000  980

 0.6733
n
3000

Đặc tính cơ của động cơ
Phương trình đặc tính cơ:
Theo lý thuyết máy điện, khi coi động cơ và lưới điện là lý tưởng, nghĩa là ba

pha của động cơ đối xứng, các thông số dây quấn như điện trở và điện kháng không
đối, tổng trở mạch từ hóa không đổi, bỏ qua tổn thất ma sát và tổn thất trong lõi thép
và điện áp lưới hoàn toàn đối xứng.
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ biểu diễn mối quan hệ giữa
momen quay và tốc độ của động cơ có dạng:

M

3U12 R '2
2
�
�

R '2 � 2 �
so �
R1 
�
� X nm �
s
�
�
�
�
�
�

U1

Trị số hiệu dụng của điện áp pha (V)

X nm

Điện kháng ngắn mạch
Với

-

X1, X 2

Điện kháng

R1 , R2

Điện trở

Đường đặc tính cơ:

15

X nm  X 1  X 2

 Nm 


Với những giá trị khác nhau, phương trình cho những giá trị của M. Đường biểu
diễn M= f(s) trên trục tọa độ, đó là đường đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều
không đồng bộ ba pha.

Hình 2.2.3.2 Đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ 3 pha
Đường đặc tính cơ có điểm cực trị gọi là điểm tới hạn K. Tại điểm đó:

dM
0
ds
Giải phương trình ta có:

sth  �

R2
R12  X nm 2

Thay vào phương trình đặc tính cơ ta có:

M th 

3U12
2
2o (R1 � R12  X nm
)

Vì ta đang xem xét trong giới hạn 0 ≤ s ≤ 1 ( chế độ động cơ ) nên giá trị s th và
Mth của đặc tính cơ trên hình ứng với dấu (+).
Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều KĐB là một đường cong phức tạp có
hai đoạn AK và BK, phân bởi điểm tới hạn K. Đoạn AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn
này momen động cơ tăng khi tốc độ giảm và ngược lại. Do vậy động cơ làm việc trên
đoạn này sẽ ổn định. Đoạn BK cong với độ dốc dương. Trên đoạn này động cơ làm
việc không ổn định.
  0  s  1
Trên đường đặc tính cơ tự nhiên, điểm B ứng với tốc độ
và
momen mở máy:
16


3U12 R '2
M mm 
' 2
2
o �
�(R1  R 2 )  X nm �
�
Điểm A ứng với momen cản bằng 0 ( Mc = 0 ) và tốc độ đồng bộ:

o 

2f1
p

CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
3.1 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha
Có nhiều phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ như:
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở phụ trong mạch roto Rf
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp stato
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi số đôi cực từ
- Điều chỉnh bằng cuộn kháng bão hòa
- Điều chỉnh bằng cách điều chỉnh công suất trượt
- Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1
Trong các phương pháp trên thì phương pháp điều chỉnh bằng cách thay đổi tần
số cho phép điều chỉnh cả momen và tốc độ với chất lượng cao nhất, đạt đến mức độ
tương đương như điều chỉnh động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần
ứng. Ngày nay các hệ truyền động sử dụng động cơ không đồng bộ điều chỉnh tần số
đang ngày càng phát triển. Sau đây xin trình bày phương pháp điều chỉnh động cơ
không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn f1.
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng cách thay đổi tần số nguồn.
Như ta đã biết, tốc độ đồng bộ của động cơ phụ thuộc vào tần số nguồn và
số đôi cực từ theo công thức:

o 

2f1
p

Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công

Công thức

  o (1  s)
Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f 1 hoặc thay đổi số đôi cực từ có thể điều
chỉnh được tốc độ của động cơ không đồng bộ. Khi động cơ đã được chế tạo thì số đôi
cực từ không thể thay đổi được do đó chỉ có thể thay đổi tần số nguồn f 1. Bằng cách
thay đổi tần số nguồn có thể điều chỉnh được tốc độ của động cơ. Nhưng khi tần số
giảm, trở kháng của động cơ giảm theo ( X=2πfL ). Kết quả là làm cho dòng điện và từ
thông của động cơ tăng lên. Nếu điện áp nguồn cấp không giảm sẽ làm cho mạch từ bị
bão hòa và động cơ không làm việc ở chế độ tối ưu, không phát huy được hết công
17


suất. Vì vậy người ta đặt ra vấn đề là khi thay đổi tần số cần có một luật điều khiển nào
đó sao cho từ thông của động cơ không đổi. Từ thông này có thế là từ thông stato Φ 1,
từ thông của roto Φ2, hoặc từ thông tổng của mạch từ hóa Φµ. Vì momen động cơ tỉ lệ
với từ thông trong khe hở từ trường nên việc giữ cho từ thông không đổi cũng làm giữ
cho momen không đổi. Có thể kể ra các luật điều khiển như sau:
- Luật U/f không đổi: U/f = const
- Luật hệ số quá tải không đổi: λ = Mth/Mc = const
- Luật dòng điện không tải không đổi: Io = const
- Luật điều khiển dòng stato theo hàm số của độ sụt tốc: I1 = f(Δω)
2. Phương pháp điều chỉnh U/f = const
Sức điện động của cuộn dây stato E 1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo
biều thức:
& &
&f  U
E&  K
IZ
1

1 1

1

1

1

Từ (1-14) nếu bỏ qua trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó:

1  K

U1
f1

Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U 1/f1 không đổi. Trong phương
pháp U/f = const thì tỷ số U 1/f1 được giữ không đổi và bằng tỷ số này ở định mức. Cần
lưu ý khi momen tải tăng, dòng động cơ tăng làm tăng sụt áp trên điện trở stato dẫn
đến E1 giảm, nghĩa là từ thông động cơ giảm. Do đó động cơ không hoàn toàn làm việc
ở chế độ từ thông không đổi.
Ta có công thức tính momen cơ của động cơ như sau:
M

3U12 R '2 / s
R '2 2
0 [(R 1  )  (X1  X 2' ) 2 ]
s

Và momen tới hạn:

M th 

3U12
20 (R1  R12  (X1  X '2 ))

Khi hoạt động ở chế độ định mức:

M dm 

M thdm 

2
3U1dm
R '2 / s
R '2 2
0dm [(R1  )  (X1dm  X '2dm )2 ]
s

2
3U1dm

20dm (R1  R12  (X1dm  X '2dm ) 2 )

Ta có công thức sau:

U1 U1dm
U
f


� 1  1 a
f1
f1dm
U1dm f dm
Với f1 – là tần số làm việc của động cơ, f1dm – là tần số định mức. Theo luật
18


U/f= const :
Ta thu được:

U1  aU1dm
f1  af1dm
Phân tích tương tự, ta cũng thu được ωo = aωodm; X1 = aX1dm; X’2 = aX’2dm . Thay
các giá trị trên vào (1-16) và (1-17) ta thu được công thức tính momen và momen tới
hạn của động cơ ở tần số khác định mức:

�
�
R '2
2
U
1dm
�
�
3
a.s
M
�
�

o �R1 R '2 2
' 2�
( 
)  (X1  X 2 )
� a a.s
�
2
3
U1dm
M th 
2
2o R
R
�
�
1
 � 1 � (X1  X '2 ) 2
a
�a �

Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X 1 và X’2 phụ thuộc vào tần số trong
khi R1 lại là hằng số. Như vậy khi hoạt động ở tần số cao, giá trị (X 1 + X’2) >> R1/a, sụt
áp trên R1 rất nhỏ nên giá trị E suy giảm rất ít dẫn đến từ thông được giữ gần như
không đổi. Momen cực đại của động cơ gần như không đổi.
Tuy nhiên khi hoạt động ở tần số thấp thì giá trị điện trở R 1/a sẽ tương đối lớn so
với giá trị của (X1 + X’2) dẫn đến sụt áp nhiều trên điện trở stato khi momen tải lớn.
Điều này làm cho E bị giảm, dẫn đến suy giảm từ thông momen cực đại.
Để bù lại sự suy giảm từ thông ở tần số thấp, ta sẽ cung cấp thêm cho động cơ
điện một điện áp Uo để từ thông của động cơ định mức khi f = 0. Từ đó ta có quan hệ
sau:

U1 =Uo + Kf1
Với K là một hằng số được chọn sao cho giá trị U1 cấp cho động cơ U=Udm tại
f = fdm . Khi a > 1 (f > f dm ), điện áp được giữ không đổi và bằng định mức. Khi đó
động cơ hoạt động ở chế độ suy giảm từ thông. Sau đây là đồ thị biểu thị mối quan hệ
giữa momen và điện áp theo tần số trong phương pháp điều khiển U/f=const:

19


Hình 2.6 Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật
điều khiển U/f=const
Từ (hình 2.6) ta có nhận xét sau:
- Dòng điện khởi động yêu cầu thấp hơn
- Vùng làm việc ổn định của động cơ tăng lên. Thay vì chỉ làm việc ở tốc độ
định mức, động cơ có thể làm việc từ 5% của tốc độ đồng bộ đến tốc độ định mức.
Momen tạo ra bởi động cơ có thể duy trì trong vùng làm việc này.
- Chúng ta có thể điều khiển động cơ ở tần số lớn hơn tần số định mức bằng
cách tiếp tục tăng tần số. Tuy nhiên do điện áp đặt không thể tăng trên điện áp định
mức. Do đó chỉ có thể tăng tần số dẫn đến momen giảm. Ở vùng trên vận tốc cơ bản
các hệ số ảnh hưởng đến momen trở nên phức tạp.
- Việc tăng tốc giảm tốc có thể được thực hiện bằng cách điều khiển sự thay đổi
của tần số theo thời gian.
3.2 Lựa chọn phương án truyền động
3.2.1 Phương án truyền động trực tiếp ( Bộ điều khiển đảo chiều quay của động
cơ ba pha bằng khởi động từ kép).
Bộ điều khiển đảo chiều quay của động cơ ba pha bằng khởi động từ kép
là bộ đảo chiều quay động cơ 1 cách nhanh chóng bằng nút ấn 2 tầng tiếp điểm.
Sơ đồ nguyên lý.
Mạch điều khiển:

20


0ff

0N1

0N2

K1

OLR

K23

K12

K2

K13

K22

`
Hình 2.7a Sơ đồ mạch điều khiển
Nguyên lý làm việc:
Đóng CB cấp điện cho mạch. Muốn động cơ quay theo chiều thuận ấn ON1,
công tắc tơ K1 có điện, đóng tiếp điểm K12 tự duy trì, mở tiếp điểm K13 tránh sự tác
động đồng thời của công tắc tơ K2. Đồng thời các tiếp điểm K11 ở mạch động lực
đóng lại cấp điện cho động cơ M quay theo chiều thuận.

Muốn động cơ quay theo chiều ngược lại ấn ON2,công tắc tơ K2 có điện đóng
tiếp điểm K22 tự duy trì, mở tiếp điểm K23 tránh sự tác động đồng thời của công tắc
tơ K1.Đồng thời các tiếp điểm K21 ở mạch động lực đóng lại cấp điện chơ độngc ơ
quay theo chiều ngược lại.
Muốn dừng động cơ, ấn nút OFF, công tắc tơ K1 (hoặc K2) mất điện, động cơ
được cắt ra khỏi nguồn và dừng tự do.
L1
L2

Hình 2.7b Sơ đồ
Chọn thiết bị cho
1,Aptomat
Dòng

L3

mạch động lực

N

phương án truyền động:
nguồn
điện làm việc:

CB
Fuse

K21

K11

OLR

M

I lv 

Pđm
2,5.1000

 5,133( A)
3.U 2 cos
3.380.0, 74
21


Từ đó ta chọn Aptomat MCB A9F74310 của hãng Schneider sản xuất:

Hình 2.8 Aptomat MCB A9F74310 của hãng Schneider
Thông số kỹ thuật :
- Kí hiệu : A9F74310
- Tên hang sản phẩm : Schneider electric
- Điện áp định mức ghi trên aptomat là : 400V
- Dòng đóng cắt : 10A
- Dòng ngắn mạch : 6 Ka
- Số pha : 3P
- Tiêu chuẩn : IEC 898, IEC 947-2
2. Công tắc tơ
Dòng điện làm việc:
I lv 

Pđm
3.U 2 cos



2,5.1000
 5,133( A)
3.380.0, 74

Dòng công tắc tơ : ICT = Ilv . Hệ số khởi động (1,2-1,4)
=> ICT = 5,133.1,4 = 7,1826 (A)
Từ đó ta chọn công tắc tơ LC1D09 của hãng Schneider

Hình 2.9. Công tắc tơ LC1D09 của hãng Schneider
Thông số kỹ thuật :
- Điện áp: 3 pha 380-400 V
- Dòng điện: 9 A
- Công suất: 4 KW
22


- Khởi động từ loại LC1D, dùng cho điều khiển động cơ có công suất lên tới
75 KW, tải AC3
- Cuộn dây điều khiển có điện áp điều khiển AC, DC hoặc loại DC tiêu thụ
ít năng lượng
- Tích hợp 2 tiếp điểm phụ, 1 NO và 1 NC
-Độ bền cơ khí với độ bền điện cao - 30 triệu lần đóng cắt cho congtactor từ
9 - 38A
3. Rơle nhiệt

Dòng điện làm việc:
I lv 

Pđm



2,5.1000
 5,133( A)
3.380.0, 74

3.U 2 cos
4.
Dòng Rơle nhiệt : IRLN = Ilv . Hệ số khởi động (1,2-1,4)
=> IRLN = 5,133.1,4 = 7,1826 (A)
Từ đó ta chọn Rơle nhiệt LRD14 của hãng Schneider

Hình 2.10 Rơle nhiệt LRD14 của hãng Schneider
Thông số kỹ thuật :
- Số cực : 3 cực
- Điện áp cách điện định mức : 690V
- Điện áp chịu xung định mức : 6Kv
- Tần số : 0-400Hz
- Dải dòng điện cài đặt : 7-10A
- Class 10A tiêu chuẩn IEC 947-4-1
3.2.2 Phương án truyền động sử dụng biến tần
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều ở tần số này thành dòng điện
xoay chiều ở tần số khác có thể điều chỉnh được.
Nguyên lý làm việc của biến tần:
- Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành

nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode
và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ
thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch
23


lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện
thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế
độ rộng xung (PWM).
- Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển
mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm
tổn thất trên lõi sắt động cơ.
- Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số
vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển. - Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật
nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển. Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp tần số là không đổi. Tuy vậy với tải bơm và quạt, quy luật này lại là hàm bậc 4. Điện
áp là hàm bậc 4 của tần số. Điều này tạo ra đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ
phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt do bản thân mô men cũng lại là hàm bậc hai của
điện áp.
- Ngoài ra, biến tần ngày nay đã tích hợp rất nhiều kiểu điều khiển khác nhau
phù hợp hầu hết các loại phụ tải khác nhau. Ngày nay biến tần có tích hợp cả bộ PID
và thích hợp với nhiều chuẩn truyền thông khác nhau, rất phù hợp cho việc điều khiển
và giám sát trong hệ thống SCADA.
Tiết kiệm điện.
Hiệu suất chuyển đổi nguồn của các bộ biến tần rát cao vì sử dụng các linh
kiện bán dẫn công suất chế tạo theo công nghệ hiện đại. Chính vì vậy năng lượng tiêu
thụ cũng xấp xỉ bằng năng lượn yêu cầu của hệ thống.
Qua tính toán với các dữ liệu thực tế với các chi phí thực tế thì một động cơ sơ
cấp khoảng 100kW, thời gian thu hồi vồn đầu tư cho một biến tần là khoảng 3 đến 6
tháng.
Với giải pháp tiết kiệm năng lượng bên cạnh việc nâng cao tính năng điều khiển

hệ thống, các bộ biến tần hiện nay đang được coi là một ứng dụng chuẩn cho các hệ
thống truyền động.
Nhờ tính năng kỹ thuật cao với công nghệ điều khiển hiện đại nhất ( điều khiển
tối ưu về năng lượng ) các bộ biến tần đang và sẽ làm hài lòng nhiều nhà đầu tư trong
nước, trong khu vực và trên thế giới.
1. Phân loại biến tần.
Biến tần máy điện quay: Biến tần quay là máy phát điện xoay chiều
220/380V
50HZ
I kt
Ukt

Biến tần trực tiếp 3 pha:

24


Biến tần công nghiệp
Biến tần đầu vào một pha và ra một pha

Biến tần đầu vào ba pha và ra ba pha

Cấu tạo.

Hình 2.9 Cấu tạo cơ bản của biến tần
25