Thiết kế bộ truyền động cho thang máy chở người nhà cao tầng

điều chỉnh cao mà còn có giá thành hạ hơn nhiều thế hệ cũ, đặc điểm này rất quan trọng trong việc đưa những kết quả nghiên cứu trong kỹ thuật vào thực tế sản xuất. Sau thời gian nghiên cứu học tập môn Tự động điều chỉnh truyển động điện em được giao đề tài thiết kế môn học với nội dung: Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục Được sự hướng dẫn trực tiếp và tận tình của GS – TS. Bùi Quốc Khánh , em đã hoàn thành đồ án được giao. Nội dung của đồ án chia làm 6 chương, cụ thể như sau: Chương I: Tổng quan về công nghệ. Nội dung cơ bản của chương này đề cập tới những nét cơ bản nhất của công nghệ truyền động nâng hạ cầu trục và có sự khảo sát kỹ đặc tính phụ tải. Tất cả những thiết kế sau này đểu bám sát những đặc điểm này. Chương II: Chọn động cơ truyền động. Nội dung cơ bản của chương này sẽ trình bày cách chọn công suất động cơ truyền động, loại động cơ. Chương III: Chọn phương án truyền động. Nội dung của chương này trình bày các phương án truyền động cho loại động cơ đã chọn ở chương II, đưa ra các phương án khả thi rồi cuối cùng có so sánh giữa các phương án khả thi đề chọn ra phương án phù hợp nhất. Tất cả đều có sự phân tích cụ thể khi quyết định chọn phương án tốt nhất. Chương IV: Thiết kế mạch lực. Nội dung của chương này đi khảo sát những nét cơ bản của các bộ biến đổi công suất sử dụng trong phương án truyền động và tính chọn các phần tử sử dụng trong sơ đồ. Chương V: Tổng hợp hệ thống. Nội dung của chương này sẽ đi tổng hợp cấu trúc cũng như các tham số của các bộ điều chỉnh theo luật điều chỉnh đã chọn. Chương VI: Thiết kế mạch điều khiển. Nêu lên nguyên lý điều chỉnh và thiết kế sơ bộ các mạch điều khiển các bộ biến đổi. Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhưng do kiến thức có hạn nên chắc chắn không tránh khỏi những hạn chế nhất định, mong các thầy đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn. Sinh viên thực hiện. Trần Bình Dương chương I Tổng quan về công nghệ Cầu trục nói chung được sử dụng trong nhiều nghành kinh tế khác nhau như các phân xưởng lắp ráp cơ khí, xí nghiệp luyện kim, công trường xây dựng, cầu cảng... Chúng được sử dụng trong các nghành sản xuất trên để giải quyết các việc nâng bốc vận chuyển tải trọng, phối liệu, thành phẩm ... Có thể nói rằng, nhịp độ làm việc của máy nâng chuyển góp phần quan trọng, nhiều khi có tính quyết định đến năng suất của cả dây chuyền sản xuất ở các nghành nói trên. Vì vậy, thiết kế hệ truyền động cần trục ở cơ cấu nâng hạ cần phải tuân thủ chặt chẽ các quy trình kỹ thuật đồng thời cũng phải đảm bảo tính kinh tế. Trước khi đi vào thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ cầu trục, trong chương này ta đi tìm hiểu một số đặc điểm công nghệ cùng với việc phân tích những nét chính trong yêu cầu truyền động cầu trục. I. Đặc điểm chung của cơ cấu nâng-hạ cầu trục. Cần trục thường có ba chuyển động: Chuyển động nâng hạ (của bộ phận nâng tải ). Chuyển động ngang của xe trục. Chuyển động dọc của xe cầu. Trong khuôn khổ đồ án này chỉ tập chung thiết kế hệ truyền động cho riêng cơ cấu nâng hạ. Để có thể đưa ra những phương án hợp lý cho hệ truyền động cơ cấu nâng hạ, trước hết ta đi phân tích khát quát những điểm cơ bản về yêu cầu trong truyền động của cơ cấu nâng hạ cần trục. Thứ nhất, về loại phụ tải: Đặc điểm của các động cơ truyền động trong cơ cấu cần trục nói chung là đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có số lần (tần số) đóng điện lớn. Thứ hai, về yêu cầu đảo chiều quay: Động cơ truyền động cần trục, nhất là cơ cấu nâng hạ, phải có khả năng đảo chuyền quay, có mômen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng (không tải) mômen động cơ không vượt quá (15 á 20)%Mđm; đối với cơ cấu nâng của cần trục ngoặm đạt tới 50% Mđmẳ Thứ ba, yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ truyền động các cơ cấu của máy nâng, yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm, đặc biệt đối với thang máy và thang chuyên chở khách. Bởi vậy, mômen động trong quá trình hạn chế quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu của kỹ thuật an toàn. ở các máy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chịu đựng phụ tải động của các cơ cấu. Đối với cơ cấu nâng hạ cần trục, máy xúc gia tốc phải nhỏ hơn khoảng 0,2 m/s2 để không giật đứt dây cáp. Ngoài ra, động cơ truyền động trong cơ cấu này phải có phạm vi điều chỉnh đủ rộng và có các đường đặc tính cơ thoả mãn yêu cầu công nghệ. Đó là các yêu cầu về dừng máy chính xác, nên đòi hỏi các đường đặc tính cơ thấp, có nhiều đường đặc tính trung gian để mở hãm máy êm. Thứ tư, phạm vi điều chỉnh không lớn, ở các cần trục thông thường D Ê 3:1;ở các cần trục lắp ráp (D= 10 á 1) hoặc lớn hơn. Độ chính xác điều chỉnh không yêu cầu cao, thường trong khoảng ±5%. Thứ năm, yêu cầu về bảo vệ an toàn khi có sự cố: Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ, để giữ chặt các trục khi mất điện, bảo đảm an toàn cho người vận hành và các bộ phận khác trong hệ thống sản xuất. Để đảm bảo an toan cho người và thiết bị khi vận hành, trong sơ đồ không chế có các công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi đến các vị trí giới hạn. Đối với cơ cấu nâng-hạ thì chỉ cần hạn chế hành trình lên mà không cần hạn chế hành trình hạ. Thứ sáu, yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cần trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 220V, 380V; mạng một chiều là 220V, 44V. Điện áp chiếu sáng không vượt quá 220V. Không được dùng biến áp tự ngẫu để cung cấp cho mạng chiếu sáng sửa chữa. Do đa số đều làm việc trong môi trường nặng nề, đặc biệt ở các hải cảng, nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim , sửa chữa...Nên các khí cụ điện trong hệ thống truyền động và trang bị điện của các cơ cấu nâng hạ cần trục yêu cầu phải làm việc tin cậy, bảo đảm về năng suất, an toàn trong mọi điều kiện khắc nghiệt của môi trường, hơn nữa lại phải đơn giản trong thao tác. Năng suất của máy nâng quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị và số chu kỳ bốc, xúc trong một giờ. Số lượng hàng bốc xúc trong mỗi chu kỳ không như nhau và nhỏ hơn tải định mức, cho nên phụ tải đối với động cơ chỉ đạt (60 á 70%) công suất định mức của động cơ. Trên đây là một số những đặc điểm và yêu cầu cơ bản nhất của cơ cấu nâng hạ cần trục. Quá trình thiết kế sau này sẽ đi sát vào các đặc điểm đó. II. Khảo sát đặc tính phụ tải. Khảo sát đặc tính của phụ tải hay của cơ cấu mà động cơ truyền động có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra những lựa chọn hợp lý giữa phương án truyền động cũng như cân nhắc khi lựa chọn động cơ. Vì trạng thái làm việc của truyền động phụ thuộc vào momen quay (Mđ) do động cơ sinh ra và momen cản tĩnh (Mc) của phụ tải của máy quyết định. Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta thấy rằng: Momen cản của cơ cấu sản xuất luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ có thay đổi thế nào. Nói cách khác momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng có đặc tính Mc=const 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 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. Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau: w M H2: Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng-hạ MC Từ đặc tính cơ của cơ cấu phụ tải ta có một số nhận xét sau: + Khi hạ tải ứng với trạng thái máy phát của động cơ thì Mđ là mômen hãm, Mc là mô men gây chuyển động. + Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai mômen đều gây chuyển động. Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng, hạ tải thì động cơ cần phải được điều 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 của cần trục có thể biến đổi từ 0 (khi hạ hoặc nâng móc câu không tải) đến những giá trị rất lớn. Phức tạp lớn hơn cả là các điều kiện hạ tải. Khi hạ không tải, trọng lượng của móc câu không đủ để bù lại các lực ma sát trong truyền động, nên động cơ phải sinh ra một momen nhỏ theo chiều hạ. Khi hạ những tải trọng lớn, không những các lực ma sát được khắc phục hết mà động cơ còn bị tải trọng kéo quay theo chiều tác dụng của nó. Khi đó, muốn hạn chế và điều chỉnh tốc độ, ta phải sử dụng các phương tiện nhất định. III. Xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng. Như đã tìm hiểu ở trên, động cơ truyền động trong cơ cấu nâng làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm máy nhiều. Do đó, khi chọn công suất động cơ cần xét đến phụ tải tĩnh và động. Sau đây ta sẽ khảo sát các đặc tính phụ tải khi nâng và hạ tải trọng. Xác định phụ tải tĩnh. Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng chủ yếu do tải trọng của bản thân cơ cấu và vật nâng gây ra. Thường có thể chia làm hai loại cơ cấu: loại có dây cáp một đầu và loại có dây cáp hai đầu. Trong khuôn khổ đồ án này chỉ đề cập tới loại dùng cáp một đầu được sử dụng rộng rãi trong các cần trục, palăng trong các phân xưởng lắp ráp. Phụ tải tĩnh khi nâng tải. Giả sử có cơ cấu nâng hạ như sau: H2. Sơ đồ cơ cấu nâng-hạ cần trục Xét một cơ cấu nâng có palăng với bội số u; hiệu suất hP ; bộ truyền trung gian có tỷ số truyền chung là i và hiệu suất h0. Khi động cơ quay theo chiều tương ứng, vật được nâng lên với vận tốc vn. Lực căng của các nhánh dây nếu không tính mất mát: T0’ = T1’ = T2’ = ẳ = Thực tế, do có các lực cản phụ, lực căng trong các nhánh dây cuốn lên tang nên: Momen do vật nâng gây ra trên tang: Momen trên trục cuối cùng của bộ truyền trung gian (trục III) là: (ht: là hiệu suất của tang, hệ số này tính đến do việc: muốn nâng vật lên ta phải đặt vào trục III (trục tang) một momen lớn hơn momen Mn trên tang , vì còn phải thắng lực cản trên tang do độ cứng của dây và do ma sát trong ổ trục). Tương tự, momen trên trục II sẽ là; và momem trên trục I: Tổng quát: Ta đặt: i=i1i2ẳin : là tỷ số truyền chung của bộ truyển. h=h1h2ẳhn: là hiệu suất chung của bộ truyền hc=hPhth là hiêu suất chung của cơ cấu. (N.m) Vậy muốn nâng được vật lên, động cơ phải phát ra momen nâng khắc phục được momem trên trục động cơ. (N.m) (1) Công suất của động cơ cần thiết để nâng vật: (kW) (2) Trong các công thức (1), (2) thì: G - trọng lượng của tải trọng (kg). G0 – trọng lượng bản thân cơ cấu nâng (kg). Rt – bán kính tang nâng (m). hc – hiệu suất của cơ cấu nâng. u – bội số của ròng rọc (palăng) i – Tỉ số truyển chung của cơ cấu truyền trung gian. n – Tốc độ động cơ (v/phút) vn – tốc độ nâng tải (m/phút) Từ (1) & (2) dễ dàng suy ra momen và công suất của động cơ phát ra lúc nâng không tải: (3) (4) Phụ tải tĩnh khi hạ tải. Có thể có hai trạng thái hạ tải. + Hạ động lực + Hạ hãm. Hạ động lực được dùng khi hạ những tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải trọng sinh ra không đủ để thắng lực ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Hạ hãm được dùng khi hạ những tải trọng lớn. Khi đó momen do tải trọng sinh ra lớn hơn mô men ma sát nên gây ra chuyển động của hệ thống. Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng rơi với vận tốc ổn định (tức là chuyển động không có gia tốc). Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng sinh ra khi không có mất mát là momen tải trọng: Khi hạ tải, năng lượng được truyền từ phía tải trọng về phía cơ cấu truyền và động cơ, nên: trong đó: Mh – momen trên trục động cơ khi hạ tải. DM – mất mát trong cơ cấu truyền. hh – hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải. Nếu Mt > DM ta có trạng thái hạ hãm; còn nếu Mt < DM ta có trạng thái hạ động lực. Nếu coi mất mát trong cơ cấu khi nâng và khi hạ tải là như nhau thì: ị (6) So sánh (5) và (6) ị Đối với những tải trọng tương đối lớn (tương ứng với hc > 0,5), ta có hh >0, Mh >0. Điều này có nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải, động cơ làm việc ở trạng thái hãm (hạ hãm). Khi tải trọng tương đối nhỏ hc <0,5 thì hh < 0; Mh <0. Điều này có nghĩa là momen động cơ cùng chiều với momen phụ tải để cùng khắc phục lực ma sát trong cơ cấu truyền lực. Từ (6) ta suy ra momen hạ không tải: (7) Từ đó tính được công suất trên trục động cơ khi hạ tải: (kW) (9) (kW) (10) Tổng kết các công thức cần thiết dùng trong tính toán cơ cấu nâng-hạ: Từ phân tích đặc điểm công nghệ của cơ cấu cần trục nâng-hạ, ta nhận thấy chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng thường bao gồm các giai đoạn: Hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Giữa các gia đoạn đó có những thời gian nghỉ. Dựa vào nhiệm vụ cụ thể của cơ cấu mà xác định chu kỳ làm việc. Dưới đây xin tổng kết lại các công thức cần thiết trong tính toán cơ cấu này. Giai đoạn hạ không tải: (N.m) (kW). Giai đoạn nâng có tải: (N.m); (kW) Giai đoạn hạ có tải: (N.m) (kW) Giai đoạn nâng không tải: (N.m) (kW) Chương II tính công suất động cơ truyền động Chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động là một khâu quan trọng trong quá trình tiến hành thiết kế hệ thống. Việc chọn công suất động cơ bao hàm cả việc chọn loại động cơ. Chọn loại động cơ. Phân tích vấn đề chọn loại động cơ trong truyền động cần trục liên quan đến giá thành lắp đặt, khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ. Trong lĩnh vực truyền động cần trục trước kia, động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được dùng rất phổ biến trong cần trục. Sở dĩ như vậy là bản thân loại động cơ này có những ưu điểm mà các loại động cơ không đồng bộ và đồng bộ không có được, đặc biệt là những yêu cầu rất đặc trưng của một số lĩnh vực truyền động. Trước hết vì nó dùng nguồn một chiều nên nó yêu cầu số lượng thanh trượt ít so với các loại động cơ khác. Đối với truyền động nâng, động cơ này đảm bảo được những tốc độ hạ ổn định (hoặc lớn hoặc nhỏ) cho mọi tải trọng. Tuy nhiên hiện nay, được sự hỗ trợ của các thiết bị công suất, cùng với những đặc điểm như: rẻ, cấu tạo đơn giản, tin cậy, hiệu suất cao thì động cơ không đồng bộ đã thay thế hầu hết các loại động cơ điện một chiều trong lĩnh vực này. Thực vậy, nhờ những tiến bộ sâu sắc của lĩnh vực vi điện tử và điện tử công suất mà càng có nhiều thiết bị cho phép khắc phục nhược điểm của động cơ không đồng bộ, cụ thể là người ta đã tạo ra được tất cả những đặc tính cơ thoả mãn hầu hết quá trình công nghệ khắt khe nhất, đồng thời lại cho phép hạ giá thành vận hành và lắp đặt. Mặt khác, việc dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng tiện lợi do việc dùng nguồn xoay chiều 3 pha vốn sẵn có trong công nghiệp. Từ những lý do trên ta chọn loại động cơ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ là loại động cơ không đồng bộ. II. Chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động. Như đã biết, động cơ muốn kéo được tải thì cần phải sinh ra một momen MĐ có khả năng khắc phục được momen tải của cơ cấu sản xuất. MĐ ³ Mpt. Muốn xác định được công suất động cơ, cũng tức là tìm được MĐ, cần phải có điều kiện ban đầu. Đó là các điều kiện: + Phải có biểu đồ phụ tải tĩnh của cơ cấu sản xuất mà động cơ sẽ phục vụ dưới dạng: IC=f(t), MC=f(t) hoặc PC=f(t) đã tính quy đổi về trục động cơ. + Phải có biểu đồ phụ tải biến thiên tốc độ trong quá trình làm việc. Vì vậy, trước hết ta đi tiến hành xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh. Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh. Theo kết quả phân tích ở trên, chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng-hạ thường gồm: hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Dựa vào các công thức đã thiết lập ở phần trên ta tiến hành các bước tính toán. Khi tải trọng nâng là định mức Gđm=20T. + Mô men động cơ khi nâng tải: + Mô men động cơ khi hạ tải: Khi không tải, tức là động cơ khi đó chỉ nâng một lượng tải trọng là của chính bản thân cơ cấu. Ta có: trong đó: ị ị Từ kết quả tính momen hạ lúc không tải ta cũng thấy rõ là Mh0 < 0; nghĩa là khi đó cơ cấu làm việc ở trạng thái hạ tải động lực. Từ đó ta xây dựng sơ bộ biều đồ phụ tải như sau: Từ kết quả khảo sát chu kỳ làm việc của cơ cấu cần trục, ta thấy thời gian Tck làm việc của nó khoảng 10 phút (Tck = 10 phút).Với các số liệu cho trước: + Vận tốc nâng: vn= 18 m/phút = 0,3 m/s. + Chiều cao nâng: H=12m. Trong giai đoạn tính toán sơ bộ để chọn động cơ ta bỏ qua thời gian mở và hãm máy. Mặt khác nếu coi tốc độ làm việc của cả 4 giai đoạn trên là như nhau thì: + Tổng thời gian làm việc trong chu kỳ được tính như sau: + Hệ số đóng điện tương đối: + Momen đẳng trị: Từ vận tốc nâng ta tính được tốc độ góc của động cơ khi nâng: ị Công suất của động cơ khi hệ số đóng điện tương đối là: e=33%. Từ kết quả tính toán ở trên ta lựa chọn sơ bộ loại động cơ xoay chiều rô to dây quấn, làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có thời gian đóng điện tương đối tiêu chuẩn e = 40%. Do đó, công suất quy đổi tương ứng: Chương III Chọn phương án truyền động Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một phương án khả thi đáp ứng được cả yêu cầu về đặc tính kỹ thuật và kinh tế với công nghệ đặt ra. Lựa chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động là một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động. Để giải quyết vấn đề trên, trước hết ta đi phân tích các đặc tính kinh tế kỹ thuật của các phương pháp điều chỉnh động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha. Khảo sát các phương án truyền động Hệ điều chỉnh điện áp động cơ. a. Nguyên lý: Theo lý thuyết máy điện, ta có quan hệ giữa mô-men và điện áp đặt vào Stato động cơ như sau: Như vậy, ở một tần số nhất định, mô-men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào phần cảm (stato). Do đó, ta có thể điều chỉnh tốc độ đ/c KĐB bằng cách điều chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số. Để thực hiện được điều này người ta dùng các bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC). Thực tế, hầu hết các động cơ KĐB có tốc độ trượt tới hạn (ứng với đặc tính cơ tự nhiên) nhỏ, khi dùng điều chỉnh tốc độ sẽ bị hạn chế vì dải điều chỉnh hẹp. Ngoài ra, khi giảm áp, mô-men động cơ còn bị giảm nhanh theo bình phương điện áp. Vì lý do này mà phương pháp này ít được dùng cho động cơ KĐB roto lồng sóc mà thường kết hợp với việc điều chỉnh mạch roto đối với động cơ KĐB roto dây quấn nhằm mở rộng dải điều chỉnh. b. Đánh giá về phạm vi ứng dụng: + Vì việc giảm điện áp đặt vào stato động cơ, trong khi giữ f=const không làm thay đổi tốc độ không tải lý tưởng, nên khi tăng điện trở phụ ở roto, tốc độ động cơ giảm, độ trượt tới hạn tăng lên kéo theo tăng tổn hao công suất trượt của động cơ: + Cùng với lý do trên, do phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị điện trở phụ đưa vào mạch roto nên yêu cầu đối với hệ cần phạm vi điều chỉnh rộng sẽ mâu thuẫn với việc giảm tổn thất điều chỉnh đối với tất cả các hệ truyền động. Tốc độ động cơ càng thấp (s càng lớn), nhất là trong trường hợp điều chỉnh sâu tốc độ, thì tổn hao công suất trượt càng lớn. Do có nhiều hạn chế như trên nên vấn đề điều chỉnh điện áp stato để điều khiển tốc độ động cơ chỉ được ứng dụng hạn hẹp. Hiện nay, nó thường ứng dụng làm bộ khởi động mềm (softstartor) với mục đích thay thế các bộ khởi động có cấp dùng rơ-le, công-tắc-tơ cho các động cơ công suất lớn và rất lớn so với lưới tiêu thụ chung. Trong phạm vi này nó cho phép tạo ra các đường đặc tính khởi động êm, tránh việc gây sụt áp lưới, làm ảnh hưởng đến các tải khác khi các động cơ công suất lớn khởi động. Trong ứng dụng vào điểu chỉnh nó chỉ phù hợp với hệ truyền động với các phụ tải có mô-men là hàm tăng theo tốc độ (như quạt gió, bơm ly tâm). Lý thuyết chứng minh là đối với hệ truyền động có mô-men tải không đổi (Mc=const) thì tổn thất sẽ rất lớn khi điều chỉnh. Vì vậy, việc xem xét phương án truyền động dùng phương pháp điều chỉnh điện áp stato đối với hệ truyền động nâng-hạ cần trục là không có ý nghĩa; điều đó có nghĩa là phương án dùng điều chỉnh điện áp bị loại bỏ trong đồ án này. Hệ điều chỉnh công suất trượt động cơ. a. Nguyên lý điều chỉnh: Theo kết quả nghiên cứu máy điện không đồng bộ thì công suất điện lấy ra từ mạch roto, được gọi là công suất trượt, tỷ lệ với độ trượt s. Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh thì công suất này bằng: Như vậy theo biểu thức trên thì nếu ta bảo đảm giữ công suất đưa và mạch stato là không đổi, thì công suất điện từ Pđt cũng không đổi. Khi đó bằng cách nào đó ta thay đổi được tổn hao công suất trong mạch roto thì ta sẽ thay đổi được độ trượt s; tức là ta điều chỉnh được tốc độ động cơ. Đây chính là tinh thần của việc điều chỉnh công suất trượt. Trong thực tế việc thay đổi DPs có nhiều cách, đơn giản nhất là sử dụng điện trở phụ đưa và mạch roto làm tăng tổn thất. Việc này đối với các hệ thống truyền động công suất nhỏ thì không có vấn đề gì, nhưng với hệ truyền động công suất lớn thì các tổn hao là đáng kể. Vì vậy để tận dụng công suất trượt người ta dùng các sơ đồ nối tầng nhằm đưa công suất trượt trở lại lưới hoặc biến thành cơ năng hữu ích quay trục động cơ nào đó, khi đó ta có hệ truyền động nối cấp đồng bộ. Dưới đây xin giới thiệu một sơ đồ nguyên lý của một hệ nối cấp: Trong sơ đồ này thì sức điện động roto được chỉnh lưu thành điện áp một chiều qua bộ chỉnh lưu cầu diode và qua điện kháng lọc cho nguồn dòng cấp cho bộ nghịch lưu phụ thuộc.Nghịch lưu làm việc với góc điều khiển từ 90o đến khoảng 140o , điều chỉnh góc điều khiển a trong khoảng này ta sẽ điều chỉnh được sức điện động chỉnh lưu trong mạch roto; tức là điều chỉnh được tốc độ không tải lý tưởng của động cơ. Đặc tính cơ điều chỉnh của hệ nối tầng van điện được dựng qua việc thay đổi góc điều khiển a của nghịch lưu được dựng như hình vẽ; trong đó do ảnh hưởng của điện trở stato, điện trở mạch một chiều và điện kháng tản của máy biến áp (MBA) cũng như sụt áp do chuyển mạch của nghịch lưu và chỉnh lưu nên các đặc tính có độ cứng và mô-men tới hạn nhỏ hơn độ cứng và mô-men tới hạn của đặc tính tự nhiên. ĐC MBA CL điot NL phụ thuộc H3.2: Sơ đồ nguyên lý nối tầng van điện b. Đánh giá và phạm vi ứng dụng: + Như đã phân tích ở trên việc sử dụng sơ đồ nối cấp chỉ có ý nghĩa trong hệ truyền động với công suất lớn (thường cỡ trên 500kW), vì khi đó công suất trượt đưa về mới là đáng kể và việc đầu tư cho các bộ biến đổi mới thoả đáng, không lãng phí. + Việc tái sử dụng công suất trượt rõ ràng làm tăng hiệu suất của hệ thống lên; việc điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh lượng công suất đưa về có thể đạt được những chỉ tiêu điều chỉnh tốt như êm,dải điều chỉnh khá rộng; tuy có hạn chế là mô-men tới hạn có suy giảm so với tự nhiên, mô-men của động cơ bị giảm khi tốc độ thấp. + Một vấn đề nữa là đối với các hệ thống công suất lớn vấn đề quan trọng là khởi động động cơ, thường dùng điện trở phụ kiểu chất lỏng để khởi động động cơ đến vùng tốc độ làm việc sau đó mới chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trượt. Vì vậy mà việc sử dụng hệ thống này chỉ phù hợp với các hệ truyền động có số lần khởi động, dừng máy và đảo chiều ít hoặc tốt nhất là không có đảo chiều. Từ những đánh giá trên, đối chiếu với đặc điểm của hệ truyền động nâng hạ cần trục nêu ở chương đầu cùng với kết quả tính công suất động cơ ở chương hai ta loại bỏ việc sử dụng phương án này cho hệ truyền động của ta. Cụ thể là có hai lý do cơ bản sau: + Hệ truyền động của ta làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có đảo chiêu quay + Công suất động cơ tính ra thuộc loại không lớn nên vấn đề đầu tư cả hệ nối tầng là không hiệu quả về mặt kinh tế. Hệ điều chỉnh xung điện trở rôto. a. Nguyên lý điều chỉnh: Trước hết cần phải nói rằng việc điều chỉnh điện trở roto chỉ áp dụng được với động cơ roto dây quấn chứ không sử dụng được cho động cơ roto lồng sóc. Như đã biết, với động cơ roto dây quấn, ta có thể thay đổi được độ cứng của đường đặc tính cơ bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch roto động cơ. Thực chất của phương pháp này là điều chỉnh công suất trượt; công suất trượt ở đây được lấy bớt ra và được biến thành tổn hao nhiệt năng vô ích trên điện trở. + Vì độ trượt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở roto nên: Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ, tức là đoạn có độ trượt từ s=0 á sth, là tuyến tính thì khi điều chỉ điện trở roto ta có thể viết: trong đó: s0 _ là độ trượt tới hạn khi điện trở roto là R2 (tức điện trở tự nhiên ở mạch roto); còn s _ là độ trượt khi điện trở roto là Rrd=R2+Rf. Theo biểu thức mô-men thì: Như vậy, khi thay đổi điện trở roto, nếu giữ dòng roto I2 không đổi thì mo-men không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì vậy, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở roto rất thích hợp với hệ truyền động có mô-men tải không đổi (x=0). Thực tế, việc thay đổi điện trở roto dùng cấp điện trở ngày nay ít dùng, vì vừa có hiệu suất thấp, độ trươn điều chỉnh kém, đặc tính điều chỉ lại dốc. Vì thế điều chỉnh xung điện trở roto dùng van bán dẫn với các mạch vòng điều chỉnh sẽ tạo được đặc tính điều chỉnh cứng và đủ rộng; mặt khác lại dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Nguyên lý cơ bản của bộ điều chỉnh xung điện trở roto như sau: Rtd t w M H3.2: Sơ đồ nguyên lý, hoạt động và các đặc tính điều chỉnh bằng phương pháp xung điện trở roto. Hoạt động đóng cắt của khoá bán dẫn S tương tự như mạch điều chỉnh xung áp một chiều: + Khi S đóng: R0 bị loại ra khỏi mạch phần ứng, dòng roto tăng lên. + Khi S ngắt: R0 được đưa vào mạch, dòng roto lại giảm. Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ điện cảm L mà dòng roto coi như không đổi và ta có một giá trị điện trở tương đương Rtd trong mạch. Điện trở tương đương Rtd trong mạch một chiều được tính quy đổi về mạch xoay chiều ba pha ở roto theo nguyên tắc bảo toàn công suất. Kết quả tính quy đổi được: Như vậy, điều chỉnh chu kỳ đóng ngắt của S ta thay đổi được r và từ đó thay đổi được Rf. Cho r=0 á 1, ta dựng được họ các đặc tính cơ tương ứng quét gần như mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf=R0/2. b. Đánh giá và phạm vi ứng dụng: Có thể nói việc sử dụng phương pháp xung điện trở roto trong điều chỉnh truyền động, về mặt lý thuyết, là một phương pháp đơn giản nhất, dễ thực hiện và vận hành; mạch điều chỉnh cũng rất đơn giản là gồm hai mạch vòng điều chỉnh (tốc độ và dòng điện). + Phương pháp này như đã phân tích ở trên cũng rất phù hợp với phụ tải có mô-men không đổi như cơ cấu nâng-hạ cần trục. Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có mô-men khởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto trong giai đoạn khởi động; cho phép điều chỉnh trơn và dải điều chỉnh rộng nếu ta tăng điện trở R0 kết hợp với việc dùng một tụ bổ trợ cho việc mở rộng phạm vi điều chỉnh. Mặt khác, việc điều chỉnh được tiến hành ở mạch roto nên không gây ảnh hưởng đến công suất động cơ tiêu thụ đưa vào stato; tức là không gây ảnh hưởng đến lưới điện và tải khác khi động cơ khởi động như ở phương pháp điều chỉnh điện áp stato. + Tuy vậy, như đã đề cập ở trên, thực chất của phương pháp cũng dựa vào việc điều chỉnh công suất trượt nên tổn hao trong khi điều chỉnh không thể tránh khỏi. So với phương pháp nối cấp nó có cấu trúc đơn giản hơn, ít vốn đầu tư hơn, nhưng lại có tổn thất khi điều chỉnh lớn hơn lại bị tiêu hao vô ích nên nó chỉ sử dụng cho các động cơ có công suất nhỏ và trung bình (dưới 100kW). Phân tích ưu và nhược điểm của phương án dùng điều chỉnh xung điện trở roto cho hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cần trục ta thấy rằng đây là một phương án khả thi, ta sẽ xem xét khả năng sử dụng khi so sánh với phương pháp biến tần sẽ được trình bày dưới đây. Hệ điều chỉnh tần số động cơ KĐB. Nguyên lý điều chỉnh: Theo lý thuyết máy điện ta có biểu thức: ị điều đó có nghĩa là thay đổi tần số sẽ làm tốc độ từ trường quáy và do đó dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi. Dạng đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi tần số được trình bày dưới hình vẽ sau: fđm H3.3: Đặc tính cơ của động cơ KĐB khi điều chỉnh tần số. M w + Từ đặc tính cơ ta thấy khi tần só tăng ( f>fđm), thì mô-men tới hạn lại giảm (với điện áp giữ không đổi), cụ thể là: + Trong trường hợp tần số giảm, nếu giữ nguyên điện áp thì dòng điện động cơ tăng (do f giảm ị X=2pfL cũng giảm ị I tăng), gây ảnh hưởng xấu đến các chỉ tiêu của động cơ. Vì vậy để bảo đảm một số chỉ tiêu mà không làm động cơ bị quá dòng cần phải điều chỉnh cả điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng với việc giảm tần số theo quy luật nhất định. b. Đánh giá và phạm vi ứng dụng + Từ đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh nguồn ta có nhận xét là: Nếu đảm bảo được luật điều chỉnh điện áp – tần số thì ta có mọi đường đặc tính cơ mong muốn khi giảm tần số. Nghĩa là phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp kết hợp với việc điều chỉnh điện áp stato mở ra khả năng áp dụng cho mọi yêu cầu truyền động. + Do có khả năng linh hoạt trong việc điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tưởng và tốc độ trượt tới hạn; cụ thể là khi tốc độ trượt giảm thì tốc độ không tải cũng giảm với tỷ lệ tương ứng nên phương pháp này cho phép tổn thất điều chỉnh nhỏ nhất. + Vì việc điều chỉnh tần số yêu cầu phải điều chỉnh cả điện áp nên việc tìm ra quy luật điều chỉnh và trang bị thiết bị điều chỉnh , biến đổi công suất phức tạp ; nói chung giá thành các bộ biến tần có đắt hơn giá thành của các bộ biến đổi trang bị cho các phương pháp điều chỉnh khác. Từ những phân tích đánh giá trên ta thấy rằng việc chọn phương án truyền động dùng phương pháp điều chỉnh tần số là hoàn toàn có cơ sở vì tính kinh tế khi vận hành cũng như đáp ứng được yêu cầu truyền động cần trục. So sánh giữa các phương án khả thi ở phần trên ta đã đi khảo sát những nét đặc thù của mỗi phương pháp truyền động cho hệ xoay chiều ba pha và đã đi đến kết luận là chỉ có hai phương án là phù hợp với yêu cầu truyền động cần trục. Đó là: Phương án truyền động bằng phương pháp xung điện trở roto dùng động cơ roto dây quấn. Phương án truyền động bằng phương pháp biến tần sử dụng động cơ roto lồng sóc. Để chọn ra một phương án thích hợp về tính kinh tế và kỹ thuật cũng như chi phí vận hành dưới đây ta sẽ đi so sánh từng mặt của mỗi phương án. Về tính đơn giản trong điều chỉnh. Về mặt này rõ ràng phương pháp xung điện trở roto chiếm ưu thế hơn. Như nguyên lý đã đề cập ở phần trên thì ta chỉ việc thiết kế bộ điều chỉnh xung để đóng cắt mạch điện trở ro to là có thể điều chỉnh được tốc độ động cơ. Với ._.