Nghiên cứu ứng dụng hệ truyền động xoay chiều động cơ không đồng bộ dùng biến tần ma trận cho cơ cấu nâng hạ

..

bộ giáo dục và đào tạo
trường đại học bách khoa hà nội
-----------------------------------------

luận văn thạc sỹ khoa học

NGHIấN CU NG DNG BIẾN TẦN KIỂU
MA TRẬN CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ SỬ DỤNG
ĐỘNG CƠ KHƠNG ĐỒNG BỘ BA PHA
RƠ-TO LỒNG SĨC

ngµnh : Tự động hoá

PHM VN BCH

Người hướng dẫn khoa học: PGS.ts bùi quốc khánh

hà nội 2008


2

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của các nhân tôi dưới sự
hướng dẫn của PGS.TS Bùi Quốc Khánh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được
liệt kê. Tơi khơng sao chép cơng trình của các nhân khác dưới bất kỳ hình thức
nào. Nếu có tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.
Người cam đoan

Phạm Văn Bách


3

MỤC LỤC
Cam đoan
Mục lục
Mở đầu ……………………………………………………………………… 8
Chương 1. BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO
CƠ CẤU NÂNG HẠ …………………………………………… 10
1.1 Giới thiệu biến tần kiểu ma trận ……………………………...

10

1.1.1 Khái Quát chung ………………………………………… 10
1.1.2 Các dạng cấu hình của MC ……………………………… 10
1.2 Cơ cấu nâng hạ và vấn đề trao đổi năng lượng hệ truyền
động cơ cấu nâng hạ………………………………………….

14

1.3 Các hệ truyền động điện tiêu biểu cho cơ cấu nâng hạ sử
dụng động cơ không đồng bộ rô-to lồng sóc ………………..

21

1.4 Các ưu điểm từ việc sử dụng biến tần ma trận cho cơ cấu
nâng hạ………………………………………………………… 26
1.5 Kết luận chương 1……………………………………………….. 27

Chương 2. NGHIÊN CỨU BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA RƠ-TO LỒNG SĨC
…………………………………………………………………….. 29
2.1 Các phương pháp điều chế sử dụng trong MC…………………. 29
2.2 Điều khiển động cơ KĐB bằng biến tần kiểu ma trận dựa
trên phương pháp SVM………………………………………. 32
2.2.1 Xác định vector không gian………………………………… 32
2.2.2 Tổng hợp vector điện áp ra và vector dòng điện vào ……… 38
2.2.3 Xác định các hệ số biến điệu……………………………….. 39
2.2.4 Quy luật biến điệu với cosφ bằng 1……………………… 40

2.2.5 Thuật toán biến điệu……………………………………. 44
2.2.6 Các kết quả mơ phỏng trên máy tính……………………. 44
2.3 Điều khiển động cơ KĐB bằng biến tần kiểu ma trận dựa


4

trên phương pháp DTC……………………………………….

49

2.3.1 Sơ đồ cấu trúc MC-DTC chỉ sử dụng véc-tơ điện áp
biên……………………………………………………………. 49
2.3.2 Sơ đồ cấu trúc MC-DTC sử dụng kết hợp véc-tơ
điện áp biên và véc-tơ điện áp nhỏ…………………….

52

2.3.3 Các kết quả mô phỏng trên máy tính………………….

55

2.4 Bù thời gian trễ do q trình chuyển mạch và bù điện áp rơi
trên BDS…………………………………………………………… 59
2.5 Kết luận chương 2…………………………………………………. 62
Chương 3. THỰC NGHIỆM ………………………………………………. 63
3.1 Thực nghiệm với phương pháp U/F điều khiển động cơ không đồng bộ
rô-to lồng sóc sử dụng biến tần kiểu ma trận……………………… 63
3.1.1 Cấu trúc U/F sử dụng phương pháp SVM…………………... 63
3.1.2 Kết quả thực nghiệm với cấu trúc U/F sử dụng phương
pháp SVM…………………………………………………… 69
3.2 Thực nghiệm với phương pháp DTC điều khiển động cơ
khơng đồng bộ rơ-to lồng sóc sử dụng biến tần kiểu ma trận………...75
3.2.1 Cấu trúc điều khiển sử dụng phương pháp DTC……………… 75
3.2.2 Kết quả thực nghiệm sử dụng phương pháp DTC ……………. 77
3.3 Kết luận chương 3………………………………………………….. 79
Kết luận – Đề xuất . ………………………………………………………...80
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… 81
Phụ lục………………………………………………………………………...82


5

Danh mục hình vẽ
Cấu hình cơ bản của MC…………………………………………… 11
Sơ đồ MC gián tiếp…………………………………………………... 12
Sơ đồ MC gián tiếp dạng ít van (SMC)…………………………… 13
Sơ đồ MC gián tiếp dạng rất ít van (USMC)…………………………… 14
Cầu trục……………………………………………………………….. 16

Cần trục sải…………………………………………………………… 17
Cần trục tháp…………………………………………………………. 17
Đồ thị đặc tính điều khiển của thang máy………………………… 18
Cấu trúc điều khiển đóng cắt dùng cơng tắc tơ………………….. 21
Cấu trúc sử dụng biến tần gián tiếp……………………………….. 22
Cấu trúc sử dụng biến tần 4Q……………………………………… 24
Hình 2.1
Sơ đồ cấu trúc của MC……………………………………………………….. 32
Hình 2.2
Các tổ hợp van trong matrix converter…………………………………….. 34
Hình 2.3
Vector khơng gian điện áp đầu ra…………………………………………... 36
Hình 2.4
Vector khơng gian điện áp ra……………………………………………….. 38
Hình 2.5 Tổng hợp vector khơng gian điện áp ra và dịng điện vào từ các
vector biên chuẩn…………………………………………………… 42
Hình 2.6
Mơ hình mơ phỏng MC – Động cơ KĐB theo phương pháp SVM……… 45
Hình 2.7
Mơ hình mơ phỏng khối điều khiển (Control Block)……………………… 45
Hình 2.8
Mơ hình mô phỏng khối PWM và phát xung tới van BDS……………….. 46
Hình 2.9
Tín hiệu đầu ra khâu điều chế véc-tơ khơng gian ( PWM1 – PWM4)….. 47
Hình 2.10 Các khoảng thời gian dẫn d0 – d4………………………………………….. 47
Hình 2.11 Đặc tính dịng điện và điện áp đầu vào/đầu ra MC………………………. 48
Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc hệ thống MC-DTC……………………………………….. 49
Hình 2.13 Vectơ khơng gian trong sơ đồ DTC cơ bản…………………………….. 50
Hình 2.14 Vectơ khơng gian của MC………………………………………………… 51
Hình 2.15 Khâu từ trễ sai lệch mơ men có 4 giá trị đầu ra…………………. 54

Hình 2.16 Véc-tơ điện áp và 12 séc-tơ điện áp đầu vào…………………….. 54
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11

Hình 2.17
Hình 2.18
Hình 2.19
Hình 2.20
Hình 2.21

Mơ hình mô phỏng MC – DTC điều khiển động cơ KĐB rơ-to lồng
sóc…………………………………………………………………………….
Khối lựa chọn tín hiệu mở các van BDS…………………………………
Từ thơng, mơ men, Dịng điện và điện áp pha đầu vào MC, Dòng
điện đầu ra đầu ra của MC………………………………………………..
Điện áp đầu ra MC (x1/2)…………………………………………………
So sánh đặc tính mơ men a) DTC chỉ sử sụng điện áp biên, b) DTC
sử dụng kết hợp điện áp biên và điện áp nhỏ……………………...
Chuyển mạch 4 bước giữa BDS1 và BDS2, iA>0……………………….

57

57
58
58

59
Hình 2.22
60
Hình 2.23 Đặc tính đầu ra của IGBT CM600HA-24H………………………. 61
Hình 2.24 Đặc tính đầu ra của Đi-ốt/ IGBT CM600HA-24H………………. 61


6

Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
Hình 3.11
Hình 3.12
Hình 3.13
Hình 3.14
Hình 3.15

Sơ đồ khối điều khiển U/F Matrix Converter theo phương pháp

SVM……………………………………………………………………
Giản đồ xung trên mỗi PWM và khoảng dẫn di………………….
Mơ hình thí nghiệm biến tần kiểu ma trận………………………..
Tín hiệu điều khiển chuyển mạch 4 bước giữa 2 van BDS (4
IGBT)…………………………………………………………………..
Điện áp dây đầu ra biến tần kiểu ma trận (6 chu kỳ)…………...
Điện áp dây đầu ra biến tần kiểu ma trận (1 chu kỳ điện áp
lưới 20ms)……………………………………………………………..
Dòng điện đầu ra biến tần kiểu ma trận và tín hiệu điều khiển
UGS của một IGBT……………………………………………………
Điện áp và dòng điện pha đầu vào biến tần kiểu ma trận
(dạng sóng)……………………………………………………………
Điện áp và dịng điện pha đầu vào biến tần kiểu ma trận
(phân tích thành phần sóng hài)…………………………………….
Cấu trúc MC – DTC………………………………………………….
Mơ hình thực nghiệm MC – DTC chạy trên card điều khiển
DSP - ds1103………………………………………………………….
Mô men điện của động cơ – Điện áp và dòng điện pha đầu vào
Và Dòng điện đầu ra của biến tần kiểu ma trận………………….
Mô men điện của động cơ – Dòng điện động cơ khi đảo dấu
mơ men…………………………………………………………………
Mơ men điện của động cơ – Dịng điện động cơ (ổn định)……...
Mô men điện của động cơ – Điện áp và dòng điện pha đầu vào
Và Dòng điện đầu ra của biến tần kiểu ma trận………………….

64
68
69
70
70

72
72
73
74
75
76
77
77
78
78


7

Danh mục bảng
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 2.3
Bảng 2.4
Bảng 2.5

Các tổ hợp van và giá trị của các vector chuẩn theo U0 và Ii……..
Thứ tự chuyển mạch tương ứng của các tổ hợp dòng vào, áp ra
Bảng chọn vectơ trong DTC cơ bản……………………………
Bảng chọn các vectơ cho DTC khi sử dụng MC…………………
Bảng lựa chọn véc-tơ điện áp chuẩn bao gồm cả véc-tơ điện áp
biên và véc-tơ điện áp nhỏ………………………………………….

37
43

50
51
55


8

MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Cơ cấu nâng hạ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống
như thang máy, bốc rỡ hàng hóa trong hàng hải, trong các nhà máy công
nghiệp, trong các nhà máy hạt nhân, trong xây dựng … Chúng đều được đặc
trưng bởi cơ cấu chuyển động chính, đúng với tên gọi của nó là cơ cấu chuyển
động nâng và hạ, tuy nhiên bên cạnh đó cịn có rất nhiều cơ cấu phụ trợ khác
như đối trọng (trong thang máy), cơ cấu dịch chuyển ngang, cơ cấu gắp hàng,
nhả hàng (trong các hệ thống cần – cầu trục), cơ cấu quay (cần trục) …
Nhìn ở góc độ năng lượng thì việc điều khiển cho cơ cấu truyền động chính
là truyền động nâng và hạ trong các hệ thống nâng hạ (Hoist System) cơ bản là
giống nhau bởi tải của chúng đều là tải dạng thế năng. Điều đó có nghĩa là
mơmen tải hầu như khơng đổi trong mỗi quá trình nâng hay hạ, khi cơ cấu làm
việc ở chế độ nâng thì động cơ truyền động chính sẽ lấy năng lượng từ lưới điện
để thực hiện quá trình nâng, và ngược lại trong quá trình hạ mà thực chất là quá
trình hãm thì năng lượng sinh ra sẽ được đưa ngược trở về lưới qua các bộ biến
đổi hoặc tiêu tán theo các dạng khác nhau.
Trong khuôn khổ của bản luận văn sẽ chỉ tập trung giải quyết vấn đề là ứng
dụng biến tần kiểu ma trận (MC) cho các cơ cấu nâng hạ sử dụng động cơ
khơng đồng bộ rơ-to lồng sóc.
Biến tần dạng ma trận được xây dựng trên các khoá bán dẫn hai chiều, có
khả năng trao đổi cơng suất qua lại với lưới, dịng đầu vào sin, hệ số cơng suất
điều chỉnh được. MC có thể được xây dựng thuần bán dẫn, kích thước nhỏ gọn,

chịu được nhiệt độ làm việc cao. Vấn đề lớn nhất đặt ra đối với biến tần kiểu
ma trận là hệ thống điều khiển phức tạp đang được dần dần giải quyết với việc
ứng dụng các cơng cụ tính tốn, điều khiển hiện đại nhất.


9

PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Về lý thuyết: Nghiên cứu hệ truyền động cơ cấu nâng hạ và nghiên cứu
các cấu trúc và phương pháp điều khiển biến tần kiểu ma trận, lựa chọn cấu trúc
và phương pháp điều khiển đơn giản và tin cậy nhất sử dụng điều khiển động cơ
truyền động chính trong cơ cấu nâng hạ là động cơ khơng đồng bộ rơ-to lồng
sóc. Xây dựng mơ hình mơ phỏng trên máy tính thể hiện tính đúng đắn của lý
thuyết.
Về thực nghiệm: Xây dựng mơ hình thí nghiệm cho các cấu trúc điều
khiển đã được mô phỏng trên máy tính nhằm kiểm chứng khả năng ứng dụng
thực tiễn của các phương pháp đã nghiên cứu.
Nội dung bản luận văn được trình bày trong 3 chương. Chương 1, Biến
tần kiểu ma trận và hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ, Giới thiệu biến tần kiểu
ma trận, vấn đề trao đổi năng lượng trong truyền động cơ cấu nâng hạ và trình
bày các ưu điểm của việc sử dụng biến tần kiểu ma trận mang lại khi sử dụng
cho truyền động nâng hạ. Chương 2, Nghiên cứu biến tần kiểu ma trận điều
khiển động cơ không đồng bộ rô-to lồng sóc, trình bày hai phương pháp điều
khiển chính là điều chế véc-tơ không gian trực tiếp (SVM) và phương pháp điều
khiển trực tiếp mô men (DTC) điều khiển động cơ khơng đồng bộ rơ-to lồng
sóc sử dụng MC. Chương 3, Thực nghiệm, xây dựng mơ hình thực nghiệm cho
hai phương pháp điều khiển (SVM, DTC) động cơ không đồng bộ sử dụng biến
tần kiểu ma trận đã được nghiên cứu trong chương 2.
Cuối cùng là phần Kết luận và các đề xuất của luận văn.
Để có thể hồn thành bản luận văn này, em đã có sự hướng dẫn chỉ bảo

tận tình của thầy giáo PGS. TS Bùi Quốc Khánh và sự giúp đỡ của các đồng
nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ cao - Trường Đại học
Bách khoa Hà nội.


10

Chương 1. BIẾN TẦN KIỂU MA TRẬN VÀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO
CƠ CẤU NÂNG HẠ
1.1 Giới thiệu biến tần kiểu ma trận
1.1.1 Khái Quát chung
Khái niệm về Matrix converter (MC), là bộ biến đổi trực tiếp AC/AC sử dụng
các van bán dẫn điều khiển hồn tồn, với các đặc tính cơ bản như điện áp hình sin,
dịng vào sin, điều chỉnh được hệ số công suất, tần số ra không bị giới hạn, lần đầu
tiên được đưa ra bởi Venturini (1980), Alesina và Venturini (1981). Thuận toán do
Ventirini đưa ra cho tỷ số biến đổi điện áp lớn nhất là 0,5. Năm 1989, Alesina và
Venturini tiếp tục đưa ra thuật toán cải tiến, nâng tỷ số truyền áp lên tới 0.866. Từ
những năm 1990 đến nay lý thuyết cũng như những đề xuất về mơ hình MC đã có
những bước phát triển khơng ngừng.

1.1.2 Các dạng cấu hình của MC
1.1.2.1 Cấu hình cơ bản của MC

Cấu hình của một MC được thể hiện trên hình 1.1. Bộ phận cơ bản của MC
là ma trận 3x3, gồm 9 khóa hai chiều S11, S12, …, S33. Các khóa hai chiều này
nối các pha đầu ra A, B, C với các pha điện áp đầu vào a, b, c theo một quy luật
nhất định để tạo ra điện áp đầu ra. Bộ lọc Lf Cf làm cho dòng đầu vào trở nên
liên tục và gần với dạng sin. Mạch Clamp có tác dụng bảo vệ quá điện áp. MC
không sử dụng các phần tử phản kháng như tụ điện, điện cảm nào để làm các
khâu trung gian dự trữ năng lượng.

11

Lf

BDS

Ua

S11

S21

S31

Ub

S12

S22

S32

S13

S23

S33

Uc

Cf

Input
filter

A

B

C

Clamp
M

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản của MC.

Yêu cầu đặt ra đối với quy luật điều khiển ma trận khóa hai chiều là:
1. Tổng hợp điện áp đầu ra có dạng sin từ các điện áp đầu vào với tần số theo

yêu cầu, dưới và trên tần số điện áp lưới. Dòng tải sẽ do phụ tải quyết định.
2. Dòng điện đầu vào được tổng hợp từ dòng điện ra và cũng có dạng sin.
3. Năng lượng có thể trao đổi giữa tải với lưới theo cả hai chiều.
4. Hệ số cơng suất đầu vào có thể điều chỉnh được, khơng phụ thuộc tải và

tính chất của tải.
Các u cầu 2, 3, 4 nhằm tạo ra các đặc tính ưu việt của MC mà các biến
tần truyền thống không thể có được.

12

1.1.2.2

Dạng MC gián tiếp
Id+

a
b

A
B
C

c

Ud

M

IdR=[SA,SB,SC]

I=[Sa,Sb,Sc]T

Hình 1.2 Sơ đồ MC gián tiếp.

Ngồi dạng MC cơ bản cịn có các dạng MC gián tiếp (Indirect Matrix
Converter-IMC), trong đó có sự phân chia giữa phần chỉnh lưu và phần nghịch
lưu, như được thể hiện trên hình 1.2. Sự khác biệt của dạng MC này so với biến

tần thông thường là trong phần điện áp một chiều khơng dùng tụ làm kho tích
trữ điện. Sơ đồ IMC gồm 6 van một chiều ở phần nghịch lưu, do đó mạch lực
đơn giản hơn, có thể sử dụng những module chuẩn đang được phổ biến rộng rãi.
Phần chỉnh lưu đầu vào dùng các khóa bán dẫn hai chiều để đảm bảo năng lượng
trao đổi được theo cả hai chiều. Với phương pháp biến điệu vectơ không gian
gián tiếp (ISVM) hệ thống điều khiển khá phức tạp [TM].
1.1.2.3

Dạng MC gián tiếp ít van (SMC)

Các IMC cịn có thể làm cho đơn giản hơn nữa khi trong các khóa BDS
phía chỉnh lưu bỏ bớt đi một IGBT. Sơ đồ dạng này, được thể hiện trên hình 1.3,
gọi là IMC ít van (Sparse Matrix Converter-SMC). Vai trò thay thế của van được
làm rõ qua ví dụ với pha đầu vào A. Van SA kết hợp với các van SA+, SA- tạo
nên hai van BDS cho nhánh trên và nhánh dưới của pha A. Đối với nhánh trên


13

dòng đi vào từ pha A sẽ đi qua DA+ và SA+ (nét gạch đứt đoạn), dòng đi ra sẽ đi
qua điôt nhánh trên, SA, DA- (nét chấm gạch). Tương tự như vậy đối với nhánh
dưới và các pha còn lại. Van SA sẽ phải làm việc nhiều hơn các van SA+ và SA.
Id+
SA+

DA+

A
B
C

SA

Ud

a
b
c

M

DA-

SA-

Id-

Hình 1.3 Sơ đồ MC gián tiếp dạng ít van (SMC).
1.1.2.4

Dạng MC gián tiếp rất ít van (USMC)

Khi chiều năng lượng chỉ cần từ phía nguồn ra phía tải thì sơ đồ IMC cịn có
thể đơn giản hơn nữa, gọi là sơ đồ MC rất ít van (Ultra Sparse Matrix ConverterUSMC). Sơ đồ USMC biểu diễn trên hình 1.4. Vai trị của van SA vẫn giống như
ở sơ đồ trên, tuy nhiên các nhánh van phía trên và phía dưới chỉ cịn là điơt.
Dịng một chiều bây giờ chỉ có thể chạy theo một hướng như một chỉnh lưu
thơng thường. Q trình điều chế thơng qua van SA có tác dụng làm cho dịng
đầu vào có dạng sin.

14

Id+

a
A
B
C

Ud

b
c

M

Id-

Hình 1.4 Sơ đồ MC gián tiếp dạng rất ít van (USMC).

1.2 Cơ cấu nâng hạ và vấn đề trao đổi năng lượng hệ truyền động cơ cấu
nâng hạ
Cơ cấu nâng hạ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời
sống hàng ngày. Trong công nghiệp, cơ cấu nâng hạ thường là cầu trục, cần trục,
thang máy vận chuyển. Trong đời sống hàng ngày, thang máy là một hệ cơ cấu
nâng hạ được sử dụng phổ biến để vận chuyển người và hàng hóa.
Tùy vào từng ứng dụng cụ thể mà có các yêu cầu chất lượng truyền động
khác nhau. Nếu như thang máy sử dụng vào việc vận chuyển bệnh nhân trong
các bệnh viện có yêu cầu chất lượng điều khiển (gia tốc và độ giật) rất nghiêm
ngặt thì thang máy vận chuyển hàng hóa và các thiết bị trong các nhà máy cơng

nghiệp thường có u cầu chất lượng điều khiển không cao.
Về mặt truyền động, cơ cấu nâng hạ được cấu tạo bởi truyền động chính
và các truyền động phụ. Các truyền động chính thường được thực hiện bởi động
cơ điện một chiều hoặc động cơ điện xoay chiều ba pha.
Đúng nghĩa với tên gọi của nó, truyền động chính trong cơ cấu nâng hạ
thực hiện chức năng nâng và hạ. Một cách tổng quát, trong quá trình nâng, động


15

cơ truyền động chính nhận năng lượng từ lưới điện để duy trì một lực nâng cần
thiết vận chuyển tải theo hướng đi lên với một tốc độ mong muốn. Trong q
trình hạ, động cơ truyền động chính phải thực hiện chức năng ngược lại là giải
phóng năng lượng từ tải (hạ), nói một cách khác là động cơ truyền động chính
làm việc như một máy phát điện phát ra năng lượng điện tỷ lệ thuận với tải trọng
và tốc độ hạ của tải.
Ngày nay do tiến bộ của công nghệ bán dẫn công suất và kỹ thuật xử lý tín
hiệu số, các động cơ truyền động chính thường được sử dụng là các động cơ điện
xoay chiều ba pha không đồng bộ. Như vậy vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ
thuật mà lại đem lại lợi ích về mặt kinh tế.
Một cách gần đúng, ta có thể chia cơ cấu nâng hạ thành 3 loại sau:
a) Thang máy, được sử dụng để vận chuyển con người hay hàng hóa lên
xuống theo các độ cao khác nhau và chủ yếu được sử dụng trong các tịa
nhà, cơng trường xây dựng hay trong các nhà máy công nghiệp.
b) Cầu trục, được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp, hình
1.5. Loại này bao gồm hai cơ cấu truyền động là truyền động trên mặt
phẳng ngang (xy) và truyền động chính (truyền động nâng hạ). Tải được
nâng hạ bởi động cơ chính thơng qua một dây cáp, khi đó cơ cấu tải –
dây cáp đóng vai trị như một con lắc, chiều dài dây cáp thay đổi liên tục
trong suốt quá trình nâng/hạ tải. Các truyền động ngang và truyền động

chính có thể được hiện lần lượt hay đồng thời.
c) Cần trục, có thể chia thành hai loại là cần trục loại sải và cần trục loại
tháp được thể hiện trên các hình 1.6 và hình 1.7. Trong đó, loại sải
thường được sử dụng phục vụ trong các công trường xây dựng, còn loại


16

tháp thường được sử dụng trong nghành hàng hải để bốc dỡ hàng hóa
trên các tàu biển.

Hình 1.5 Cầu trục


17

Hình 1.6 Cần trục sải

Hình 1.7 Cần trục tháp


18

Vấn đề điều khiển
Thang máy: Thang máy là một hệ thống có u cầu về an tồn rất nghiêm
ngặt cũng như các yêu cầu kỹ thuật khác. Một trong những yêu cầu cơ bản
đối với hệ truyền động thang máy là phải đảm bảo cho buồng thang
chuyển động êm, các thơng số chính đặc trưng cho chế độ làm việc của
thang máy là: Tốc độ di chuyển (m/s), gia tốc (m/s2) và độ giật (m/s3).
Hình 1.8 là đồ thị đặc tính điều khiển tốc độ của thang máy.

s (m)

v
(m/s)
p(m/s^3)
a (m/s^2)
0
t

Hình 1.8 Đồ thị đặc tính điều khiển của thang máy


19

Trên đồ thị đặc tính điều khiển tốc độ của thang máy trên hình 1.8 được chia
thành 5 giai đoạn: Giai đoạn mở máy, giai đoạn ổn định tốc độ, giai đoạn hãm
xuống tốc độ thấp và giai đoạn hãm dừng.
Tốc độ di chuyển của buồng thang quyết định năng suất của thang máy, có ý
nghĩa đặc biệt quan trọng, đặc biệt khi chiều cao nâng hạ lớn. Tốc độ di
chuyển trung bình của thang máy có thể tăng bằng cách giảm thời gian mở
máy và hãm máy (gia tốc). Tuy nhiên khi gia tốc lớn sẽ gây ra cảm giác khó
chịu cho hành khách hay khơng đảm bảo điều kiện vận chuyển. Một đại
lượng nữa ảnh hưởng tới sự di chuyển êm của buồng thang là tốc độ
tăng/giảm của gia tốc khi mở/dừng máy.
Cần – cầu trục: Khi thiết kế các bộ điều khiển trong các cơ cấu cần – cầu
trục thì một trong các yếu tố đặc trưng cơ bản nhất và cũng là khó khăn
nhất mà chúng ta hay gặp phải đó là việc phi tuyến mạnh của các mơ hình
của cơ cấu nâng hạ, đặc biệt gây ra bởi lực ma sát Coulomb. Giả sử chúng
ta thiết kế các bộ điều khiển dựa trên mơ hình tuyến tính của cơ cấu cần

trục thì chúng ta sẽ thấy rằng ảnh hưởng của ma sát là rất lớn, chính lực
ma sát này sẽ gây ra sai số khơng nhỏ của bộ điều khiển vị trí kể cả trong
trạng thái xác lập. Vì vậy các bộ điều khiển được thiết kế trên mơ hình
tuyến tính là khơng thích hợp cho các hệ thống thực trừ khi chúng ta đưa
them mạch vòng điều khiển thực hiện chức năng bù ma sát. Để thực hiện
được chức năng này thì trước hết ta phải ước lương được thành phần ma
sát sau đó đưa trở lại mạch vòng điều khiển để thực hiện chức năng bù.
Trong thực tế yêu cầu điều khiển thì cơ cấu nâng hạ được sử dụng để di
chuyển tải kiểu điểm – điểm trong một thời gian ngắn nhất mà vẫn đảm bảo hiện


20

tượng lắc hay rung giật là nhỏ nhất. Để giải quyết vấn đề này, nhiều nghiên cứu
đã đưa ra các thuật toán điều khiển để vận hành tự động các cơ cấu nâng hạ.
Điển hình trong cơ cấu cần – cầu trục, hầu hết các cấu trúc điều khiển đều
chưa đưa ra một kết quả tối ưu trong thực tế, cũng chính vì lý do đó cộng thêm
đặc thù về môi trường làm việc mà hầ hết các cơ cấu cần – cầu trục trong cơng
nghiệp có mức độ tự động hóa khơng cao, phụ thuộc chính vào gười vận hành và
do vậy chất lượng điều khiển chủ yếu do người vận hành quyết định, điều này
nhiều khi gây nguy hiểm trong môi trường sản xuất.
Về cơ bản, việc vận hành cơ cấu cần – cầu trục được chia thành năm bước:
gắp tải, nâng tải, di chuyển, hạ tải và nhả tải. Việc tự động hóa tồn bộ các bước
này hồn tồn có thể làm được. Đã có nhiều đề tài nghiên cứu về vấn đề này.
Tuy nhiên ta có thể tổng hợp thành hai hướng tiếp cận sau:
1. Người vận hành vẫn đóng một vai trị nhất định trong vòng điều khiển của
hệ, tuy nhiên được sự hỗ trợ tối đa từ việc tính tốn mơ hình động của tải.
2. Người vận hành khơng đóng vai trị trong mạch vịng điều khiển, tự động
hóa hồn tồn tất cả năm bước của mỗi q trình. Có vài phương án được
đưa ra để giải quyết vấn đề này. Phương án thứ nhất thực hiện bằng cách

phát ra một quỹ đạo dịch chuyển của tải giữa điểm đầu và điểm đích nhằm
đạt được góc lắc là nhỏ nhất. Phương án thứ hai được dựa trên việc phản
hồi vị trí và góc lắc. Phương án thứ ba là sử dụng hai bộ điều khiển :bộ
điều khiển chống lắc và bộ điều khiển bám vị trí.
Như đã trình bày ở trên, điều khiển cần – cầu trục là điều khiển dịch chuyển
điểm – điểm trong khoảng thời gian ngắn nhất và góc lắc nhỏ nhất. Thơng
thường thì bộ điều khiển được thiết kế nhằm đạt đồng thời cả hai chỉ tiêu này.
Theo đó, để đạt được chỉ tiêu góc lắc nhỏ nhất người ta sử dụng bộ điều khiển


21

chống lắc dựa trên việc phản hồi thơng tin góc lắc (giá trị và tốc độ góc). Để đạt
được thời gian dịch chuyển giữa điểm đầu và điểm cuối là ngắn nhất, ta sử dụng
một bộ điều khiển bám vị trí (theo một quỹ đạo đặt trước), vị trí và tốc độ
nâng/hạ tải là hai đại lượng phản hồi. Bộ điều khiển vị trí thường được sử dụng
là bộ điều khiển PD kinh điển [1], bộ điều khiển mờ FLC [2].
Với bộ điều khiển chống lắc thì thường được thiết kế theo một vài phương pháp
khác như sử dụng khâu phản hồi vị trí có trễ [3]. Tuy nhiên, việc kết hợp cả hai
bộ điều khiển vẫn còn nhiều vấn đề cần giải quyết, khơng ít tác giả đã và đang
nghiên cứu vấn đề này.
1.3 Các hệ truyền động điện tiêu biểu cho cơ cấu nâng hạ sử dụng động cơ
khơng đồng bộ rơ-to lồng sóc
1.3.1 Điều khiển 2 cấp tốc độ bằng hệ thống đóng cắt cơng tắctơ.

Mạch
Logíc
Điều
khiển

CƠNG TẮC TƠ

M

M

TẢI

Hình 1.9. Cấu trúc điều khiển đóng cắt dùng cơng tắc tơ


22

Động cơ truyền động nâng hạ là động cơ không đồng bộ rơto lồng sóc hai cấp
tốc độ có hai bộ dây quấn stato độc lập. Nâng cao độ chính xác khi dừng bằng
cách chuyển từ tốc độ cao sang tốc độ thấp.
Hạn chế dịng trong q trình chuyển đổi tốc độ động cơ (động cơ làm việc ở chế
độ máy phát thực hiện hãm tái sinh) từ tốc độ cao sang tốc độ thấp được thực
hiện bằng cách đưa thêm điện trở phụ R vào trong một pha của dây quấn stato
động cơ.
1.3.2 Sử dụng biến tần gián tiếp kết hợp với hệ thống điện trở hãm.

~

Điều
khiển
cấp trên

=
|

+

=
~

E

M

TẢI

Hình 1.10. Cấu trúc sử dụng biến tần gián tiếp
a) Khi cơ cấu nâng hạ không sử dụng đối trọng: Trong quá trình nâng,
động cơ làm việc ở chế độ động cơ. Trong quá trình hạ tải (hãm)


23

động cơ làm việc ở chế độ máy phát với nguồn năng lượng phát là
tải thế năng của tải, khi đó tần số góc quay ω trên trục động cơ lớn
hơn tần số góc quay ω1 của điện áp đặt lên cuộn dây stato, tốc độ hạ
tải tỷ lệ thuận với năng lượng tiêu tán trên điện trở hãm.
b) Khi cơ cấu nâng hạ có sử dụng đối trọng:
• Khi nâng (ω > 0)
+ M > Mđt => Mt = M – Mđt > 0, => Mt*ω > 0. Động cơ làm việc
ở chế độ động cơ.
+ M < Mđt => Mt = M – Mđt < 0, => Mt*ω < 0. Động cơ làm việc
ở chế độ máy phát. ω
Cơng

suất tiêu
tán trên
điện trở
hãm
Mt
Mt<0

•

0

Mt>0

Khi hạ (ω < 0)
+ M > Mđt => Mt = M – Mđt > 0, => Mt*ω < 0. Động cơ làm việc
ở chế độ máy phát.
+ M < Mđt => Mt = M – Mđt < 0, => Mt*ω > 0. Động cơ làm việc
ở chế độ động cơ.


24

ω
Mt>0

Mt<0
0

Mt
Cơng

suất tiêu
tán trên
điện trở
hãm

1.3.3 Sử dụng biến tần bốn góc phần tư.

~

Điều
khiển
cấp trên

=
|

+

=
~

E

M

Hình 1.11. Cấu trúc sử dụng biến tần 4Q

TẢI

25

* Đặc điểm cấu tạo:
 Bộ lọc đầu vào: Boost (nâng) áp, lọc thành phần sóng hài.
 Chỉnh lưu: Chỉnh lưu tích cực, sử dụng các van bán dẫn điều
khiển hoàn toàn (như IGBT, GTO, …).
 Khâu một chiều (DC-Link): Tụ hóa
 Nghịch lưu: Nghịch lưu 3 nhánh van.
* Đặc điểm làm việc:
 Dịng điện đầu vào hình Sin (hình 1.12).
 Hệ số cos(φ) có thể điều chỉnh được tới gần bằng 1.
 Năng lượng có thể được truyền theo cả hai chiều do vậy rất thích
hợp khi làm việc với tải nâng hạ.

Hình 1.12 Dịng điện và điện áp pha đầu vào của biến tần 4Q khi chuyển từ chế
độ động cơ sang chế độ hãm tái sinh