Điều chỉnh tốc độ cho hệ thống thang máy sử dụng biến tần bằng phương pháp uf

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

LỜI NÓI ĐẦU
Động cơ không đồng bộ ngày nay được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thay cho
các động cơ khác vì nó có nhiều ưu điểm như khởi động đơn giản, vận hành tin cậy, rẻ
tiền và kích thước gọn nhẹ. Nhược điểm của nó là đực tính cơ phi tuyến mạnh nên trước
đây, với các phương pháp điều khiển còn đơn giản, loại động cơ này phải nhường chỗ
cho động cơ điện một chiều. Nhưng với việc phát triển của các ký thuyết điều khiển,
truyền động với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật như kỹ thuật vi xử lý, điện tử công suất
nên đã hạn chế được nhược điểm trên, đưua động cơ không động bộ trở nên phỏ biến.
Trước đây thường điều khiển động cơ bằng cách điều chỉnh điện áp. Đây là phương
pháp đơn giản nhưng chất lượng điều chỉnh kể cả tĩnh lẫn động đều không cao. Để điều
khiển được chính xác và hieeuj quả phải nói đến phương pháp thay đổi tần số điện áp
nguồn cung cấp. Do tốc độ động cơ không đồng bộ xấp xỉ tốc độ đồng bộ nên động cơ
làm việc với chế dộ trượt nhỏ và tổn hao công suất trượt trong mạch rotor nhỏ. Tuy
nhiên phương pháp này còn khá phức tập và đắt tiền. Thiết bị để biến đổi tần số là các bộ
nghịch lưu, có thể là nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp. Ta có thể sử dụng bộ biến tần là
một thiết bị tích hợp cả chỉnh lưu, nghịch lưu lẫn điều khiển. Luật điều khiển trong mỗi
biến tần tùy thuộc vào nhà sản xuất.
Hiện nay để điều khiển động cơ đã có nhiều biến tần bán sẵn trên thị trường, ít khi
còn phải thiết kế theo phương pháp kinh điển nữa. Các nhà sản xuất lựa chọn biến tần
nhiều hơn bảng điều khiển sao – tam giác hoặc điện trở phụ hoặc các thiết bị điều khiển
khác vì nó gọn nhẹ, điều khiển chính xác, tin cậy, đáp ứng được nhu cầu tự động hóa và
từng bước hiện đại hóa xí nghiệp của họ. Biến tần đơn giản thường điều khiển tốc độ
theo luật U/f để đảm bảo động cơ sinh momen tốt nhưng cho các hệ truyền động yêu cầu
cao hơn thì có biến tần điều khiển theo vecto. Với mục đích như vậy trong bản đồ án này
ta sẽ điều chỉnh tốc độ cho hệ thống thang máy sử dụng biến tần bằng phương pháp U/f.
Trong quá trình thực hiện em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của thầy cô giáo trong
bộ môn đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Quang Địch, em xin chận thành cảm ơn.

Hà Nội 12/2012
Sinh viên
***

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



1


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Chương 1:

TÌM HIỂU CHUNG VỀ THANG MÁY
1.1. Giới thiệu thang máy
Thang máy là một thiết bị chuyên dùng để vận chuyển người, hàng hóa, vật liệu…
theo phương thẳng đứng, được sử dụng nhiều trong các khách sạn, công sở, chung cư,
bệnh viện, các đài quan sát, tháp truyền hình, trong các nhà máy, công xưởng, v..v..Đặc
điểm vận chuyển bằng thang máy so với các phương tiện khác là thời gian vận chuyển
của một chu kỳ vận chuyển bé, tần suất vận chuyển lớn, đóng mở máy liên tục. Ngoài ý
nghĩa vận chuyển, thang máy còn là một trong những yếu tố làm tăng vẻ đẹp và tiện nghi
của công trình.
Hiện nay cùng với sự tăng trưởng mạnh mẽ của nền kinh tế quốc gia kéo theo như cầu
về đô thị hóa tăng cao. Các dự án đầu tư lớn về cơ sở hạ tầng, chung cư cao cấp, trung tâm
thương mại được xây dựng ngày càng nhiều. Một yếu tố không thể thiếu thể hiện sự bề thế,
sang trọng của tòa nhà là những thang máy lắp đặt bên trong. Vì vậy thang máy là một phần

không thể thiếu và đóng góp vai trò rất quan trọng cũng như làm tăng thêm sự sang trọng
cho tòa nhà. Chính vì những yếu tố trên nên sự cần thiết phải trang bị, lựa chọn một hệ thống
thang máy sao cho không những đảm bảo được tính thẩm mỹ, tiện dụng và an toàn cho
người sử dụng mà phải có kích thước phù hợp với kiến trúc của tòa nhà.
Vấn đề đảm bảo an toàn cho người sử dụng luôn luôn là tiêu chí hàng đầu khi thiết
kế thang máy. Hệ thống các tín hiệu an toàn giúp việc lường trước được những tình
huống có thể xảy ra khi vận hành, đồng thời có thể khắc phục sự cố một cách nhanh
nhất. Với các thang máy hiện đại ngày nay, các thiết bị an toàn phải được trang bị đầy
đủ, hiện đại, có độ tin cậy cao. Việc bảo vệ các trường hợp sự cố được kiểm soát chặt
chẽ và có các đầu ra điều khiển các thiết bị chấp hành khác. Toàn bộ các hoạt động của
thang máy được thực hiện theo sự điều khiển của phần mềm trung tâm như: phần mềm
điều khiển cho modul thiết bị trung tâm; phần mềm cho vi xử lý thực hiện và truyền
thông; phần mềm bảo vệ, cảnh báo và xử lý khi gặp sự cố; phần mềm điều khiển nâng hạ
êm, chính xác buồng thang; phần mềm mô phỏng toàn bộ hoạt động của thang máy; …
Các phần mềm đó một mặt giúp chúng ta hiểu sâu hơn về nguyên lý hoạt động của thang
máy, cách vận hành và điều khiển động cơ, buồng thang, nguyên lý điều khiển kết hợp
của thang máy… Mặt khác còn xử lý vấn đề quá tải đảm bảo tính an toàn và bảo vệ thiết
bị cho thang cũng như người sử dụng thang máy.
1.2. Trang thiết bị của thang máy
Mặc dù thang máy có kết cấu đa dạng nhưng trang bị chính của thang máy gồm có:
buồng thang, tời nâng, cáp treo buồng thang, đối trọng, động cơ truyền động, phanh hãm
điện từ và các thiết bị điều khiển.
Tất cả các thiết bị được bố trí trong giếng buồng thang (khoảng không gian từ trần của
tầng cao nhất đến mức sâu tầng 1), trong buồng máy (trên trần của tầng cao nhất) và hố

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



2

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

buồng thang (dưới mức sàn tầng). Bố trí các thiết bị của thang máy được biểu diễn như
Hình 1.1
1. Đối trọng
2. Công tắc hành trình
3. Buồng thang
4. Dây cáp truyền
5. Puli
6. Động cơ dẫn động
7. Giá treo
8. Đế cabin
9. Thanh ray
10. Xích hạn chế tốc độ
11. Tầng hầm
12. Tủ điều khiển

Hình 1.1: Kết cấu và bố trí thiết bị của thang máy
1.2.1. Thiết bị lắp trong buồng máy
a.Cơ cấu nâng
Trong buồng máy có lắp đặt hệ thống tời nâng, hạ buồng thang, tạo ra lực kéo
chuyển động buồng thang và đối trọng. Cơ cấu nâng gồm có các bộ phận :
●Bộ phận kéo cáp (puli hoặc tang quấn cáp)
●Phanh hãm điện từ
●Động cơ truyền động
Tất cả các bộ phận trên được lắp đặt trên tấm đế bằng thép. Trong thang máy

thường có hai cơ cấu nâng:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



3


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

●Cơ cấu nâng có hộp tốc độ
●Cơ cấu nâng không có hộp tốc độ
b.Tủ điện
Trong tủ điện lắp ráp cầu dao tổng, cầu chì các loại, công tắc tơ và role trung
gian. c.Puli dẫn hướng
d. Bộ phận hạn chế tốc độ
Làm việc phối hợp với phanh bảo hiểm bằng cáp liên động để hạn chế tốc độ
di chuyển của buồng thang.
1.2.2.Thiết bị lắp trong giếng thang máy
a. Buồng thang
Buồng thang di chuyển dọc theo các thanh dẫn hướng. Trên nóc buồng thang có lắp
đặt thanh bảo hiểm, động cơ truyền động đóng, mở cửa buồng thang. Trong buồng thang
lắp đặt hệ thống nút bấm điều khiển,hệ thống đèn báo, đèn chiếu sáng buồng thang, công
tắc điện liên động với sàn buồng thang và điện thoại liên lạc với người ngoài trong
trường hợp mất điện. Cung cấp điện cho buồng thang bằng dây cáp mềm. b. Hệ thống
cáp treo
Là hệ thống cáp hai nhánh,một đầu nối với buồng thang và đầu còn lại nối với đối

trọng cùng với puli dẫn hướng.
c. Bộ phận cảm biến vị trí
Dùng để chuyển đổi tốc độ động cơ, dừng buồng thang ở mỗi tầng và hạn chế hành
trình nâng hạ của thang máy.
1.2.3. Thiết bị lắp trong hố giếng thang máy
Trong hố giếng thang máy lắp đặt hệ thống giảm sóc là hệ thống giảm xóc và giảm
xóc thủy lực, tránh sự va đập của buồng thang và đối trọng xuống sàn của giếng thang
máy trong trường hợp công tắc hành trình hạn chế hành trình xuống bị sự cố (không hoạt
động)
1.2.4. Các thiết bị chuyên dùng trong thang máy
a. Phanh hãm điện từ
Về kết cấu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động giống như phanh hãm điện từ dùng trong
các cơ cấu của cầu trục.
b. Phanh bảo hiểm (phanh dù)
Có nhiệm vụ hạn chế tốc độ di chuyển của buồng thang vượt quá giới hạn cho phép
và giữ chặt buồng thang tại chỗ bằng cách ép vào hai thanh dẫn hướng trong trường hợp
bị đứt cáp treo. Về kết cấu và cấu tạo,phanh bảo hiểm có 3 loại :
●Phanh bảo hiểm kiểu nêm dùng để hãm khẩn cấp
●Phanh bảo hiểm kiểu kìm dùng để hãm êm
●Phanh bảo hiểm kiểu lệch tâm dùng để hãm khẩn cấp
c. Cảm biến vị trí

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



4


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Các bộ cảm biến vị trí dùng để :
●Phát lệnh dừng buồng thang ở mỗi tầng
● Chuyển đổi tốc độ động cơ truyền động từ tốc độ cao sang tốc
độ thấp khi buồng thang lên gần đến tầng cần dừng, để nâng cao
độ dừng chính xác
●Xác định vị trí buồng thang
Hiện nay trong sơ đồ khống chế thang máy thường dùng 3 loại cảm biến:
●Cảm biến vị trí kiểu cơ khí (công tắc chuyển đổi tầng)
●Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng
1.3. Phân loại thang máy
1.3.1. Phân loại theo chức năng
a. Thang máy chở người
●Gia tốc tối đa: a  2m / s2
●Tốc độ trung bình hoặc lớn, đòi hỏi vận hành êm, an toàn, có tính mỹ thuật
●Được dùng trong các tòa nhà cao tầng, bệnh viện, hầm mỏ,xí nghiệp…
b. Thang máy chở hàng
●Đòi hỏi co về việc dừng chính xác buồng thang
●Được dùng rộng rãi trong công nghiệp, kinh doanh…

1.3.2. Phân loại theo tốc độ dịch chuyển
a. Thang máy tốc độ thấp
●Tốc độ :v< 1m/s
b. Thang máy tốc độ trung bình
●Tốc độ trung bình :v= 1÷2,5 m/s
●Thường dùng trong các tòa nhà có từ 6÷12
tầng c. Thang máy tốc độ cao
●Tốc độ trung bình :v= 2,5÷4 m/s

●Thường dùng trong các tòa nhà có số tầng :m>16
tầng d. Thang máy tốc độ rất cao
●Tốc độ trung bình :v> 5m/s
●Thường dùng trong các tòa tháp cao tầng
1.3.3. Phân loại theo tải trọng
a. Thang máy loại nhỏ :Q< 160kg
b. Thang máy loại trung bình :Q= 500÷2000kg
c. Thang máy loại lớn :Q> 2000kg

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



5


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

1.4. Yêu cầu công nghệ
1.4.1. An toàn
Đặt vấn đề là an toàn, tức là đưa ra mọi khả năng, mọi tình huống có thể xảy ra trong khi
sử dụng thang máy để tính toán, có biện pháp đề phòng và xử lý thích hợp,nhanh chóng.
Có thể chia thành hai trạng thái hoạt động của thang máy : ●Thang máy hoạt động bình
thường
●Thang máy có sự cố
a. Thang máy hoạt động bình thường
Cửa thang máy phải đóng kín khi cabin đang chuyển động chưa dừng hẳn
Sau khi mở cửa tại tầng có yêu cầu để khách ra vào, cửa cabin chỉ đóng lại nếu chưa

quá tải và không còn khách nào hay hàng hóa nào di chuyển qua cửa cabin. Lực đóng
cửa nhỏ để đảm bảo không gây tổn thương cho hành khách hay hư hỏng hàng hóa. b.
Thang máy gặp sự cố
Khi mất điện: cabin được đưa xuống tầng gần nhất bằng nguồn phụ. Cửa cabin và
cửa tầng có kết cấu thích hợp, cho phép mở ra trong trường hợp xảy ra sự cố và thang
máy phải đang dừng đúng tầng nào đó. ếu cabin bị đứt cáp phải có bộ phận hãm bảo
hiểm không cho thang máy rơi tự do. abin phải có cửa thoát hiểm để sử dụng trong
trường hợp xấu nhất.
1.4.2 Độ tin cậy
Độ tin cậy của thang máy thể hiện ở :
●Tuổi thọ làm việc của các bộ phận cao,ít hư hỏng
●Xử lý đúng,đáp ứng chính xác các yêu cầu do người sử dụng đưa ra
●Sự phối hợp hoạt động của các thiết bị, các thành phần trong thang máy
được điều khiển đồng bộ, thống nhất.
1.4.3. Độ chính xác dừng tầng
Buồng thang máy phải được dừng chính xác so với mặt bằng của tầng cần dừng sau
khi có lệnh dừng. Nếu buồng thang dừng không chính xác sẽ xảy ra các hiện tượng sau :
●Đối với thang máy chở khách :làm khách ra vào khó khăn,giảm hiệu suất
phục vụ của thang.
Để dừng chính xác buồng thang, cần tính đến nửa hiệu số của hai quãng đường khi
trượt phanh buồng thang đầy tải và phanh buồng thanh không tải theo cùng một hướng
di chuyển. Các yếu tố ảnh hưởng đến dừng chính xác các buồng thang bao gồm :
●Momen của cơ cấu phanh
●Momen quán tính của buồng thang
1.5. Yêu cầu về truyền động và điều khiển
1.5.1. Tốc độ
Tốc độ di chuyển của buồng thang quyết định đến năng suất của thang máy và có ý
nghĩa quan trọng nhất là đối với các nhà cao tầng. Với các tòa nhà cao tầng, nếu quãng

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung

6


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

đường di chuyển của thang máy càng dài thì tốc độ tối ưu của thang máy càng cao (thang
máy cao tốc), nhưng việc tăng tốc lại dẫn đến tăng thêm chi phí đầu tư và vận hành. Nếu
tăng tốc độ của thang máy từ v=0,75(m/s) lên v=3,5(m/s) thì giá thành sẽ tăng lên
4÷5(lần),bởi vậy tùy vào độ cao của tòa nhà mà phải chọn thang máy có tốc độ phù hợp
với tốc độ tối ưu.
1.5.2. Gia tốc
Vấn đề khó khăn là gia tốc sẽ gây cảm giác khó chịu cho hành khách (chóng
mặt,ngạt thở…). Thường gia tốc tối ưu: a  2m / s2
1.5.3. Độ giật
Độ giật là đại lượng đặc trưng cho tốc độ tăng của gia tốc khi mở máy và độ giảm
của gia tốc hãm (là đạo hàm bậc nhất của gia tốc và đạo hàm bậc hai của vận tốc). Độ
giật có ảnh hưởng lớn tới độ êm dịu của cabin. Khi gia tốc a  2m / s2 thì độ giật cho phép
ρ= 20( m / s3 )

1.5.4. Đặc điểm phụ tải của thang máy
a. Thang máy là phụ tải có tính chất thế năng
Tùy vào loại thang máy mà phụ tải có thể ổn định hoặc không. Do là thang máy chở
người cho tòa nhà 10 tầng nên phụ tải thường không ổn định, thay đổi theo số tầng
Phương trình đặc tính cơ của máy sản xuất :
M C  M C 0   M đm  M C 0

ω

α



ω

Trong đó :
● M C : momen ứng với tốc độ ω

đm

●

M Co : momen ứng với tốc độ ω=0

●

M đm : momen ứng với tốc độ định mức ωđm

Khảo sát cơ cấu nâng hạ thang máy ta thấy momen cản của cơ cấu luôn không đổi,
không phụ thuộc vào chiều quay của động cơ. Hay nói cách khác, momen cản của cơ cấu
nâng hạ thang máy thuộc loại momen cản thế năng,không phụ thuộc chiều quay nên α=0.
Do đó biểu thức đặc tính cơ của thang máy:
Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải trọng
gây ra. Khi tăng dự trữ thế năng (nâng tải), momen thế năng có tác dụng cản trở chuyển
động, tức là hướng ngược chiều quay động cơ. Khi giảm thế năng (hạ tải), momen thế
năng lại là momen gây ra chuyển động, nghĩa là nó hướng theo chiều quay động cơ.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



7


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Hình 1.2: Đồ thị biểu diễn quá trình nâng và hạ tải của thang máy
Đặc tính M c ω  nằm cả bốn góc phần tư.

Hình 1.3 :Đồ thị đặc tính cơ của thang máy
Như vậy trong mỗi giai đoạn nâng, hạ tải thì độ ng cơ cần phải được đ iều khiển để
làm việc đúng với các trạng thái làm việc ở chế độ máy phát hay động cơ sao cho phù
hợp với đặc tính tải. Phụ tải có thể biến đổi trong một dải lớn, thay đổi theo số khách có
trong cabin. Mu ốn hạn chế và điều chỉnh tốc độ thang máy, ta phải sử dụng các phương
tiện nhất định.
b.Thang máy làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại
Phụ tải mang tính chất lặp lại thay đổi, thời gian làm việc và nghỉ xen kẽ nhau. Nhiệt
phát nóng của động cơ chưa đạt đến mức bão hòa đã giảm do mất tải, nhiệt độ suy giảm
chưa tới giá trị ban đầu lại tăng lên do tải.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung

8


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Hình 1.4 :Đồ thị phát nhiệt của động cơ
c.Sự thay đổi chế độ làm việc của động cơ
Động cơ trong mỗi lần hoạt động đều thực hiện đầy đủ các quá trình khởi động, kéo
tải ổn định và hãm dừng. Nghĩa là có sự chuyển đổi liên tục từ chế độ động cơ sang chế
độ máy phát.
Thang máy khởi động đạt đến tố c độ định mức sau đó chuyển động ổn định với tốc
độ đó trong một lần chuyển động, do đó không có yêu cầu về điều chỉnh tốc độ. d.Ảnh
hưởng của các tham số đối với hệ truyền động thang máy

Hình 1.5 :Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của quãng đường s,gia tốc a và độ giật ρ theo
thời gian
Trị số tốc độ của buồng thang quyết định năng xuất của thang máy, nó có ý nghĩa đặc
biệt quan trọng đối vớ i thang máy trong các nhà cao tầng. Những thang máy tốc độ cao phù
hợp với chi ều cao nâng lớn, số lần dừng ít. Trong trường hợp này thời gian khi tăng tốc và
giảm tốc r ất nhỏ so với thời gian di chuy ển của buồng thang với tốc độ cao, trị số tốc độ
trung bình của thang máy gần đạt bằng trị số tốc độ định mức của thang máy.
Trị số tốc độ di chuyển trung bình của thang máy có thể tăng bằng cách giả m thời
gian t ăng tốc củ a hệ truyền động thang máy, có nghĩa là tăng gia tốc. Nhưng khi buồng
thang di chuyển với gia tốc quá lớn sẽ gây ra cảm giác khó chịu cho hành khách. Do đó
2
trị số gia tốc tối ưu được chọn a = 2m/s
Độ giật củ a thang máy quyết định sự di chuyển êm của buồng thang.Nó là tốc độ
tăng của gia tốc khi mở máy và tốc độ giảm của gia tốc khi hãm máy.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



9


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Biểu đồ làm việc tối ưu của thang máy với tốc độ trung bình và tốc độ cao được thể
hiện như Hình 1.5. Biểu đồ có thể phân làm 5 giai đoạn theo tính chất thay đổi của tốc độ
di chuyển buồng thang: tăng tốc, di chuyển với tốc độ ổn định, hãm xuống tốc độ thấp,
buồng thang đến tầng và hãm dừng.
Biểu đồ tối ưu sẽ đạt được nếu dùng hệ truyền động điện 1 chiều hoặc dùng hệ biến
tần - động cơ xoay chiều. N ếu dùng hệ truy ền động xoay chiều v ới động cơ không
đồng bộ rotor lồng sóc hai cấp tốc độ, biểu đồ làm việc đạt được gần với biểu đồ tối ưu.
Đối với thang máy tốc độ chậ m,biểu đồ làm việc chỉ có giai đoạn: thời gian tăng tốc
(mở máy), di chuyển với tốc độ ổn định và hãm dừng.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



10


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Chương 2 :
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG VÀ TÍNH CHỌN
CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
2.1.Tính chọn công suất động cơ
Yêu cầu của hệthống:
Hệ truyền động thang máy làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm
nhiều. Do đó khi tính chọn công suất động cơ cần xét đến phụ tải tĩnh và động. Hình 2.1
dưới đây thể hiện hệ thống dây cáp, cabin, đối trọng và puli của thang máy

Hình 2.1. Hệ thống dây cáp, cabin, đối trọng và puli của thang máy
2.1.1.Xác định phụ tải tĩnh
Phụ tải tĩnh là phụ tải do trọng lượng Cabin, trọng lượng tải trọng, trọng lượng đối
trọng, và trọng lượng của cáp gây nên ở trạng thái tĩnh, thông qua puli, hộp giảm tốc, tác
dụng lên trục của động cơ.
Các lực tác động lên puli chủ động theo các nhánh cáp là:
F1 = G0 + G + gc (H − hcb )g

(N)

F2 = [G dt + g c ( H − hđt g
Lực tổng tác động lên puli chủ động:

(N)

+Khi nâng tải: Fn = F1 − F2 = G0 + G − Gđt g + gc hđt − hcb g (N)
+Khi hạ tải: Fh = F2 − F1 = Gđt − G0 − Gg + gc hcb − hdt g(N)
Trong đó:

G0 : khối lượng Cabin (kg)
G : khối lượng tải trọng (kg)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



11


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

= hcb . Thay vào trên ta được:

(N)
(N)
Gđt : khối lượng đối trọng(kg)
gc : khối lượng một đơn vị dài dây cáp(kg/m)
hđt và hcb : chiều cao đói trọng và cabin (m)

 : gia tốc trọng trường m / s2 
Để đơn giản, giả sử rằng hđt
Fn = G0 + G − Gđt g
Fh = Gđt − G0 − Gg

Mục đích của đối trọng là giảm phụ tải của cơ cấu, do đó giảm được công suất động
cơ truyền động. Điều kiện chọn đối trọng là tạo ra phụ tải tĩnh của động cơ nhỏ nhất.
Trọng lượng đối trọng được chọn theo công thức: Gđt = G0 + αGđm

Trong đó: Gđm là tải định mức
Với thang máy chở người thì α  0.35  0.4
Chọn α = 0.35
Thay vào (1) ta được:
(N) (2)
Fn = G − αGđm g
Fh = αGđm − Gg

(N) (3)

Khi tính toán công suất động cơ, ta xét động cơ luôn làm việc với tải định mức.
Tức là G = Gđm . Thay vào (2) và (3):
Fn = Gđm − αGđm g (N) ⇒ Fn > 0
Fh = αGđm − Gđm g (N) ⇒ Fh < 0
Như vậy, để cho thang máy chạy đều với vận tốc V thì công suất trên trục động cơ khi
thang lên, xuống là:
P = FnV = Gđm − αGđm gV
(N.m)
(4)
1000.ηc
1000.ηc
P đm = FhV = αGđm − Gđm gV
1đm

2

1000.η c

(N.m)

(5)

1000

Trong đó:
P1đm ứng với trường hợp máy điện làm việc ở chế độ động cơ (nâng tải)
P2đm ứng với trường hợp máy điện làm việc ở chế độ máy phát (hạ tải)
η c - hiệu suất của cơ cấu 0.5 ÷ 0.8 . Ta chọn ηc =
0.75 Thay số liệu vào (4) và (5) ta được:


P1đm

= 500 − 0.35*500*9.81*1.5 =





6.38 kW

1000* 0.75

0.35*500 − 500*9.81*1.5
P

=

= −4.78kW 

2.1.2. Xác định hệ số đóng mạch tương đối ε %

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



12


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Để xác định hệ số đóng điện tương đối, ta phải vẽ được đồ thị phụ tải tĩnh của cơ
cấu.Để làm được điều này, ta cần xác định khoảng thời gian làm việc cũng như thời gian
nghỉ của thang máy trong một chu kỳ lên xuống. Xét thang máy luôn làm việc với tải định
mức Gđm  500kg (khoảng 6 người). Để đơn giản, ta cho rằng qua mỗi tầng thang chỉ
dừng một lần để đón, trả khách.Ta có các thời gian giả định như sau:
- Thời gian vào/ra buồng thang được tính gần đúng 1s/1người.
- Thời gian mở cửa buồng thang là 1s.
- Thời gian đóng cửa buồng thang là 1s
- Giả sử ở mỗi tầng có một người ra và một người vào, do đó thời gian nghỉ là
tn  4s .
Ta có đồ thị vận tốc gần đúng của thang máy (Hình 2.2):

Hình 2.2. Đồ thị vận tốc gần đúng của thang máy
Với tkđ  th  1.8 s (Theo bảng 3.1 sách trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng
chung) ⇒ tkđ  th  0.9 s
Quãng đường đi được trong khoảng thời gian mở máy và thờ i gian hãm là:
S  Sh  a.t 2  1.5*0.92  0.6m

kđ
2
2
Thời gian buồng thang di chuyển với vận tốc đều v=1,5(m/s) ở giữa hai tầng kế tiếp là:

 =h −S
0

kđ

−S

h

=

4.5 − 0.6 − 0.6

= 2.2 s

v1.5
Thời gian làm việc của buồng thang ở hai tầng kế tiếp là:
tlv  tkđ  t  th  0.9  2.2  0.9  4 s
Khi lên đến tầng trên cùng (tầng 6), giả sử cả 6 người trong thang ra hết, ngay sau đó
6 người khác vào để xuống các tầng dưới. Như vậy thời gian nghỉ ở giai đoạn này là:
t01  0.9  6.1  6.1  0.9  14 s
Khi xuống v và a không đổi nên tlv và tn giống khi đi lên. Khi xuống đến tầng dưới
 14 s
cùng , giả sử cả 6 người trong thang ra hết, ngay sau đó 6 người khác vào để lên các tầng

trên. Như vậy thời gian nghỉ ở giai đoạn này là: t01  t02


Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



13


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Vậy ta có đồ thi phụ tải trong một chu kỳ lên xuống như hình 2.3, với chu kỳ làm việc:
Tck  10.tlv  8.tn  2.t0  10 * 4  8 * 4  2 *14  100 s

Hình 2.3. Đồ thị phụ tải trong một chu kỳ lên xuống
Từ đồ thị phụ tải ta tìm được hệ số đóng điện tương đối:
ε đđ % 

t

10* 4


*100% 
40% Tck 100
lv

2.1.3.Chọn sơ bộ động cơ
Để chọn công suất động cơ ta tính công suất đẳng trị gây nên trên trục động cơ :
Pđt  P 2 *t   6.382 *4*5  4.782 *4*4  3.57kW 
i
lvi
T

ck

100

Vậy phụ tải thang máy có ε đđ %  40% (Đây là hệ số đóng điện tiêu chuẩn).Do đó ta
chọn công suất động cơ: Pđmchon Pđt  3.57kW 
Ta chọn động cơ KĐB rotor lồng sóc của ABB như trong bảng sau:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



14


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
• Tên đông cơ

:

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ
M3AA112MB

•Điện áp dây định mức

:

•Tần số định mức

:

•Công suất định mức

:

•Số đôi cực

:

•Tốc độ định mức

:

•

Hiệu suất

:

nđm = 1455 vòng/phút
η = 86.7%

•Hệ số công suất

:

cosϕ = 0.775 ⇒ sinϕ = 0.632

•Dòng Stator định mức

:

I

•

Dòng khởi động

:

I = 8.8*7.3 = 64.24A
kđ

•

Mômen định mức

:

M đm = 26.4Nm

•

Momen khởi động

:

M kđ = 26.4 * 3.1 = 81.84Nm

•Mô men tới hạn

:

M th = 26.4 * 3.4 = 89.76Nm

•

Mômen quán tính

:

•

Khối lượng

U đm = 400V
f = 50Hz
Pđm = 4kW
p=2

sđđ

= 8.8A

J  0.0126 kgm
: m = 34 kg

2

2.1.4.Kiểm nghiệm công suất động cơ
a)Xác định mômen cực đại trên tải

P

M c max = max
ω yc .η
Trong đó: Pmax = 6.38kW 
ω yc = 2. = 2*1.5 = 7.5rad / s
v
D
0.4
3
=
6.38
*10
⇒M
= 1134.2 Nm
c max
7.5*0.75
b)Xác định mômen cực đại quy về trục động cơ
ω = 2Π * nđm = 2 * 3.14 *1455
Ta có:
= 152.3rad / s

đc
⇒ Tỉ số truyền: i =

ω

đc

ω

60
60
= 152.3 = 20

7.5
Từ đó suy ra mômen tải cực đại quy về trục động cơ:
M
= M c max = 1134.2 = 56.7 Nm
yc

c max qđ

i

Ta có:

20

M kdđd = 81.84 Nm > M c max qđ = 56.7 Nm

Như vậy động cơ đã chọn là thỏa mãn

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



15


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

2.1.5.Tính toán các tham số của động cơ

Hình 2.4.Sơ đồ thay thế một pha động cơ không đồng bộ
Ở sơ đồ thay thế trên coi Rμ = 0 Công
suất định mức đưa vào động cơ:

P = 3.U1đm .I1đm .cosϕ
vđđ
=

P

4

đm

=

η

0.867

= 4.6kW 

Tốc độ đồng bộ:
n0 = 60 f = 60*50 = 1500 (vòng/phút)
p
Hệ số trượt định mức:

2
Sđm = n0 − nđm = 1500 − 1455 = 0.03
U

Z=

n0

1đm

Tổng trở một pha:

1500
400 = 26.2Ω
= 3 *8.8

3.I1đm
Mômen trên trục đông cơ: M = 2.M th .1 + a.Sth 
s + sth + 2.a.sth

s

th

s

2



Trong đó: M th =

2

3 pU1 đm
2

R1 + X nm

2



= 89.76 Nm ⇒R1+

2

R +X

4.π . f1. R1 + +

1
Khi s = sđm = 0.03 ta có mômen định mức:
M = 2.M th .1 + a.Sth  = 2 *89.76 * 1 + a.Sth  = 26.4 Nm
đm
s đm + s th + 2asth 0.03 + S th + 2.a.S th
s
S
s
0.03
th
th
đm
Khi s=1 ta có mômen khởi động của động cơ:
M = 2.M th .1 + a.Sth  = 2 *89.76 * 1 + a.Sth  = 81.84 Nm
kđ
s S th
1 S th
S + + 2.a.Sth
S + 1 + 2.a.Sth
th
th
s

= 5.67Ω

(2)

(3)

Giải hệ phương trình (1) và (2) ta được:

Sth = R2' = 0.35

(4)

X
nm

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung

(1)

nm



16


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
a = R1 = 1.23

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ
(5)

R2 '
Giải hệ phương trình (10, (4) và (5) ta được:
Rs = 2Ω

Ta lấy X sδ ≈ X rδ

)
= 4.57 = 2.85Ω
nm

≈ X

⇒

Lsδ = Lrδ = 0.018 H 

2
2
Ở chế độ định mức: s = sđm = 0.03; Z = 26.2Ω Ta có:
.

Re Z

R1 + R2'
s
=

= Z cosϕ = 26.2 * 0.775

R'

1

2

X μ + X nm

2

2

Xμ

.R
1

+

s

⇒ X μ = 44.9Ω ⇒ Lμ
Mômen quán tính quy đổi: J qđ = đ
J

2

+

Xμ
= 0.285H 
+ JT + m
i2

ρ2

T

Trong đó: ρ =

ωđ = 152.3 = 101.53; i

= 20
T

v
1.5
Mômen quán tính của tang trống (coi tang trống là khối trụ đặc): JT =π ρ.LR4
2
Với L là chiều dài tang trống, chọn L=1m ; R=D/2 =0.2m; r=0
π
⇒JT = 2 *101.5 *1* 0.24 = 0.26kg.m2 
J = 0.0126 +0.26 + 34 = 0.0166kg.m2 
⇒
qđ
101.5
20
2

2

2.2.Lựa chọn phương án truyền động
Theo yêu cầu của đề bài thì phương án thiết kế được sửdụng là hệ truyền động động
cơ xoay chiều dùng phương pháp điều chỉnh tần số. Để cấp nguồn cho động cơ ta sử dụng
bộ biến tần bởi vì biến tần hoạt động tin cậy, chắc chắn, giúp cho việc điều chỉnh tốc độ trở
nên trơn hơn và dễ dàng cài đặt tham số điều khiển.
Trước hết ta đi lựa chọn loại biến tần để cấp nguồn cho động cơ.

2.2.1.Lựa chọn loại biến tần
Biến tần được chia làm 2 loại loại lớn : Biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp
a)Biến tần trực tiếp
Biến tần trực tiếp có sơ đồcấu trúc nhưhình 2.5 dưới đây :


Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



17


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Hình 2.5.Sơ đồ cấu trúc biến tần trực tiếp
Loại biến tấn này có ưu điểm là: Hiệu suất biến đổi năng lượng cao.
Bên cạnh đó là một số nhược điểm như: Sơ đồmạch van phức tạp, số lượng van lớn, việc
thay đổi tần số ra khó khăn.
b)Biến tần gián tiếp
Điểm khác biệt của biến tần gián tiếp so với biến tần trực tiếp là nó có khâu trung gian
mọt chiều và tùy thuộc vào khâu trung gian một chiều mà phân ra thành biến tần nguồn
dòng và biến tần nguồn áp.
+Biến tần nguồn dòng
Sơ đồcấu trúc của biến tần nguồn dòng được thểhiện nhưhình 2.6:

Hình 2.6.Sơ đồ biến tần nguồn
dòng Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng Lđ.

Biến tần nguồn dòng có ưu điểm là có thể trả năng lượng về lưới. Biến tần loại này
phù hợp cho dải công suất lớn.
Nó có các nhược điểm sau:
- Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải
- Ở dải công suất nhỏ thì nó có hiệu suất thấp
Với động cơ đã chọn có công suất 4 kW ta sẽ không dùng loại biến tần này để thiết kế
hệ truyền động cho thang máy.
+Biến tần nguồn áp
Sơ đồ nguyên lí mạch lực của biến tần nguồn áp được mô tả như trên hình 2.8 bao gồm
các khối chức năng chính sau đây: Nguồn một chiều, mạch lọc, nghịch lưu độc lập nguồn áp

Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lí mạch lực của biến tần nguồn áp

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



18


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

Biến tần nguồn áp có các ưu điểm như: Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ
thuộc tải , hệ số công suất. Bên cạnh đó nó còn có nhược điểm đó là: Không có khả năng
trả được năng lượng về lưới.
Biến tần nguồn áp phù hợp với với tải nhỏ(<30kW)
Đến đây ta thấy việc lựa chọn biến tần nguồn áp là tốt nhất để thiết kế hệ truyền động.
Khi đã sử dụng biến tần thì động cơ roto lồng sóc sẽ được sử dụng bởi vì động cơ KĐB

roto lồng sóc có kết cấu đơn giản, vững chắc, không có tiếp xúc điện – cơ nên hầu như
không phải bảo trì thường xuyên.
2.2.2.Lựa chọn phương pháp điều khiển
Sau khi đã lựa chọn được loại biến tần cho động cơta sẽlần lượt phân tích những ưu và
nhược điểm của ba dạng điều khiển tần số động cơkhông đồng bộ, đó là: Điều khiển vô
hướng (U/f), điều khiển vec tơ theo trường rotor FOC và điều khiển trực tiếp mô men
DTC. Để từ đó đưa ra phương án điều khiển phù hợp.
a) Phương pháp điều khiển vô hướng (U/f)
Nội dung chính của phương pháp là ta cần phải điều chỉnh cả điện áp U và tần số f
theo luật điều khiển : U/f = const
Ưu điểm của phương pháp:
- Cấu trúc điều khiển rất đơn giản, dễ thực hiện.
- Độ tin cậy cao.
- Thóa mãn các yêu cầu điều khiển cơ bản.
Nhược điểm:
- Ổn định tốc độ thấp gặp khó khăn.
b) Phương pháp điều khiển tựa từ thông rotor – FOC
Đây là phương pháp được hãng Siemens đề xuất năm 1971.Tinh thần của phương pháp là
dùng công cụ biến đổi vectơ để ước lượng đại lượng vectơ từ thông ψ r và điều chỉnh nó.

Còn mômen động cơ điều chỉnh thông qua thành phần vec tơ dòng I
s

Ưu điểm của phương pháp:

- Có thể làm việc ổn định rất tốt ở chế độ cận
không Nhược điểm:
- Nhạy với sựbiến thiên thông sốcủa động cơ.
- Đô tác động nhanh không cao do mô hình phức tạp, phải thực hiện phép quay
tọa độvà vẫn phải điều khiển gián tiếp mômen thông qua việc điều khiển các

thành phần dòng điện.
c)Phương pháp điều khiển trực tiếp mômen DTC
Tinh thần của phương pháp này là điều khiển vị trí của vectơ từ thông stator ψ s

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



19


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

để điều khiển mômen động cơ. Để xác định vị trí và độlớn của vectơ ψ s ta cần dựa trên
phép biến đổi vectơ, thay đổi vec tơ điện áp stator U s để thay đồi vịtrí véc tơ ψ s .
Ưu điểm của phương pháp :
- Đáp ứng mômen nhanh
- Mô hình đơn giản do chỉ cần quan tâm đến các đại lượng vectơ stator, không
cần xác định vị trí rotor.
Nhược điểm :
- Đáp ứng ở tốc độthấp kém, đáp ứng mômen không trơn.
Trên cơ sở những ưu nhược điểm của từng phương pháp đã trình bày như trên trong
đồ án này sẽ sử dụng phương pháp điều khiển vô hướng U/f bởi các lí do sau:
- Phương pháp điều khiển vô hướng U/f có cấu trúc điều khiển rất đơn giản, dễ
thực hiện.
- Phương pháp điều khiển vô hướng U/f có độ tin cậy cao ,chi phí thấp.
2.2.3.Tính chọn các van mạch lực và mạch lọc
a.Chọn van cho mạch chỉnh lưu

- Sơ đồnguyên lí phần chỉnh lưu :

Hình 2.8.Sơ đồ nguyên lí phần chỉnh
lưu Điện áp đầu vào chỉnh lưu: U f  220V 
⇒ Điện áp đàu ra chỉnh lưu: U d  2.34U f  2.34 * 220  514.8V 
Dòng điện một chiều trung bình:
P
4000
P
đm
Id 

vđđ

Ud

 η 
 8.97A
0.867 * 514.8
Ud

⇒ Dòng điện cực đại qua diode: I D max

I

 3d 

8. 97
3  2.99 A

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên diode: U ng max  2.45U f  2.45 * 220  539V 
Ta sử dụng phương pháp làm mát bằng quạt gió để thoát nhiệt cho van, do đó hệ số dự trữ
về dòng điện cho van: Ki  3 và hệ số dự trữ về điện áp cho van: Kv  1.8
⇒ Các thông số để lựa chọn diode như sau:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



20


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đồ án tổng hợp hệ điện cơ

I D max  2.99 * 3  8.97  A
U ng max  539 *1.8  970.2 V 
Trên cơ sở đó ta chọn diode C4D10120A

của hãng Digi-Key có các thông số thể

hiện ở bảng sau:
Itbmax
14A
b. Chọn van cho mạch nghịch lưu

Ungmax
1200V

- Sơ đồnguyên lí phần nghịch lưu :

Hình 2.9.Sơ đồ nguyên lí phần nghịch lưu của biến tần
0

Với góc dẫn van λ=180 ta có sơ đồ điện áp ra sau nghịch lưu:

Hình 2.10.Sơ đồ điện áp ra sau nghịch lưu với λ=180

0

Giá trị dòng điện cực đại chạy qua diôt:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



21


ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ
 2U d sinϕ  2 *514.8 * 0.632  8.3  A
I
D max

3* 26.2
3z
Theo sốliệu động cơ ta có dòng điện định mức stator của động cơ: I đm = 8.8 (A)
Ở đây ta sẽchọn van IGBT theo 2 chỉ tiêu:

¾ Chỉ tiêu dòng điện: Động cơ có các chế độ làm việc mà dòng điện lớn hơn
dòng định mức, do đó chọn hệ số dự trữlà 2.5: Itbv  2.5 *8.8  22  A
¾ Chỉ tiêu điện áp: Cả IGBT và điốt đều phải chịu điện áp có giá trị: E=
514.8(V) ta sử dụng phương pháp làm mát bằng quạt gió để thoát nhiệt cho
van, do đó hệ số dự trữ về điện áp cho van: Kv  1.8
⇒ Ta chọn IGBT và diôt với cấp điện áp: U v  Kv .E  1.8 * 514.8  926.6 V 
Trên những chỉ tiêu trên ta chọn 6 van IGBT 1MBH25D-120 của hãng Fuji Electric
có các thông sốnhư sau:
VCemax

1200(V)

VGemax

±20(V)

0

38(A)

ICmax(25 )

0

25(A)

Công suất tiêu thụ max

455(W)

IDmax(Diotnguoc)

25(A)

ton/toff

1.5μs /1.2μs

ICmax(25 )

C.Chọn bộ lọc LC
Bộ lọc LC cho phép thành phần một chiều đi qua và ngăn chặn thành phần xoay
chiều ( Hình 2.11)

Hình 2.11. Bộ lọc LC

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Trung



22