Đồ án Nghiên cứu biến tần Altiva71 trong công nghệ cầu trục theo phương pháp SPWM

hi tải tăng hệ số công suất cũng lên. Khi động cơ làm việc với hệ số công suất nhở hơn 1, dòng điện trong động cơ không hoàn toàn sin. Điều này cũng làm giảm chất lượng công suất nguồn, ảnh hưởng đến các thiết bị khác dùng chung nguồn với động cơ. Trong quá trình làm việc, nhiều lúc cần dừng khẩn cấp hoặc đảo chiều động cơ. Độ chính xác trong tốc độ, khả năng dừng chính xác, đảo chiều tốt làm tăng năng suất lao động cũng như chất lượng sản phẩm. Trong các ứng dụng trước đây các phương pháp hãm cơ được sử dụng. Lực ma sat giữa phần cơ và má phanh có tác dụng hãm. Tuy nhiên việc hãm này rất kém hiệu quả và tổn hao nhiệt lớn. Trong nhiều ứng dụng, công suất đầu vào là một hàm phụ thuộc vào tốc độ như quạt, máy bơm. Ở những tải loại này, momen cản tỷ lệ với bình phương tốc đô, công suất tỷ lệ với lập phương của tốc độ. Do đó việc điều chỉnh tốc độ, điều này phụ thuộc vào tải, có thể tiết kiệm điện năng. Tính toán cho thấy việc giảm 20% tốc độ động cơ có thể tiết kiệm được 50% công suất đầu vào. Mà điều này là không thể thực hiện được đối với những động cơ sử dụng trực tiếp điện áp lưới. Khi lưới điện cấp cho động cơ có hệ số công suất nhỏ hơn đơn vị, dòng điện trong động cơ chứa nhiều thành phần điều hòa bậc cao. Điều này làm tăng tổn thất trong động cơ dẫn đến giảm tuổi thọ của động cơ. Momen sinh ra bởi động cơ bị gợn sóng. Các thành phần điều hòa bậc cao có thể loại bỏ khi hoạt động ở tần số cao bởi tính chất cảm của động cơ. Nhưng ở tần số thấp động cơ chạy sẽ bị rung, làm ảnh hưởng đến các vòng đồng của roto. Động cơ làm việc ở lưới nguồn không ổn định nếu không được bảo vệ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ. Từ những phân tích trên ta thấy rằng cần phải có một hệ điều khiển thông minh. Sự phát triển của các van công suất, công nghệ sản xuất IC tích hợp cao cho ra đời những bộ vi xử lý có tốc độ xử lý ngày càng nhanh và sự phát triển của kỹ thuật tính toán đã dẫn đến việc điều khiển động cơ không đồng bộ có thể đạt được chất lượng cao. 2. 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 phương pháp nói tầng Điều chỉnh bằng cách thay đổi tần số nguồn f1 Trong các phuơng 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. 3. Điều chỉnh 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: (2-1) Mà ta lại có, tốc độ của roto động cơ quan hệ với tốc độ đồng bộ theo công thức: (2-2) Do đó bằng việc thay đổi tần số nguồn f1 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 f1. 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 đuợc hết công 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 Φ1, 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) 4. Phương pháp điều chỉnh U/f = const Sdd của cuộn dây stato E1 tỷ lệ với từ thông Φ1 và tần số f1 theo biều thức: (2-3) Từ (2-3) nếu bỏ qua sụt áp trên tổng trở stato Z1, ta có E1 ≈ U1, do đó: (2-4) Như vậy để giữ từ thông không đổi ta cần giữ tỷ số U1/f1 không đổi. Trong phương pháp U/f = const thì tỷ số U1/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 dó 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: (2-5) Và momen tới hạn: (2-6) Khi hoạt động ở định mức: (2-7) (2-8) Ta có công thức sau: (2-9) Với f1 – là tần số làm việc của động cơ, f1dm – là tần số định mức. Theo luật U/f= const : (2-10) Ta thu được: (2-11) Phân tích tương tụ, ta cũng thu được ωo = aωodm; X1 = aX1dm; X’2 = aX’2dm . Thay các giá trị trên vào (2-5) và (2-6) ta thu được công thức tính momen và momen tới hạn của động cơ ở tần số khác định mức: (2-12) (2-13) Dựa theo công thức trên ta thấy, các giá trị X1 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 (X1 + 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 R1/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 (2-14) 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 > fdm ), 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: Hình 2-1:Đồ thị biểu thị mối quan hệ giữa momen và điện áp theo tần số theo luật điều khiển U/f=const Từ (hình 2-1) 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. CHƯƠNG 3:GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ CẦU TRỤC 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 1. Cấu tạo a. Cấu tạo của cầu trục. Hinh3.1 cấú tạo cầu trục Cấu tạo của cầu trục gồm 3 bộ phận chính. + Xe cầu: Gồm hai dầm chính hoặc khung dàn chính được chế tạo bằng thép có độ cứng không gian 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 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 nhà xưởng. + Xe con: Trên xe con đặt cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển xe con. Tuỳ theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai cơ cấu nâng. Xe con có thể di chuyển dọc trên xe cầu tạo điều kiện cho cầu trục có thể di chuyển được trong suốt chiều ngang phân xưởng. + Cơ cấu nâng hạ: Thường có tang cắt thành rãnh xoắn hai chiều để cuộn cáp nâng và hạ. Cuối hai đầu dây cáp mắc palăng kép để đảm bảo nâng hạ tải trọng theo phương thẳng đứng. Toàn bộ cơ cấu tang, hộp biến tốc, động cơ được đặt trên xe con. Gph 3 2 1 Nc + Cơ cấu phanh hãm Hình 3.2 Cơ cấu phanh hãm Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu trục. Phanh dùng trong cầu trục thường có 3 loại: Phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai. Nguyên lý hoạt động cơ bản giống nhau mô tả cơ cấu phanh đai gồm 1.Má phanh, 2.Cuộn dây nam châm phanh ( hoặc dùng động cơ bơm thuỷ lực tạo lực đóng mở); 3.Đối trọng phanh. Khi động cơ của cơ cấu đóng vào lưới điện thì đồng thời động cơ phanh cũng có điện bơm thuỷ lực mở má phanh giải phóng trục động cơ để động cơ làm việc. Khi động cơ ngừng làm việc thì động cơ phanh mất điện ép chặt má phanh vào trục động cơ để hãm. Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục loại nặng thường người ta dùng 2 phanh để đảm bảo an toàn. *Nhờ đặc điểm cấu tạo như trên cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3 phương phủ kín mặt bằng nhà xưởng. - Chuyển động theo phương thẳng đứng là chuyển động chính nhờ có cơ cấu nâng hạ đặt trên xe con. - Chuyển động dọc theo phân xưởng là nhờ hệ thống chuyển động đặt trên xe cầu. - Chuyển động ngang theo phân xưởng nhờ hệ thống truyền động trên xe con (xe trục). b. 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 ¸ 20)%Mđm; đối với cơ cấu nâng của cần trục ngoặm đạt tới 50% Mđm¼ 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 £ 3:1;ở các cần trục lắp ráp (D= 10 ¸ 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 ¸ 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. 2. 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 H3-4: 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. 3. 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. a.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: H3-5. 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’ = ¼ = 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=i1i2¼in : là tỷ số truyền chung của bộ truyển. h=h1h2¼hn: 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: Þ (6) So sánh (5) và (6) Þ 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) A.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) PHẦN II:BIẾN TẦN CHƯƠNG 1: BIẾN TẦN 1. Biến tần và tầm quan trọng của biến tần trong công nghiệp Với sự phát triển như vũ bão về chủng loại và số lượng của các bộ biến tần, ngày càng có nhiều thiết bị điện – điện tử sử dụng các bộ biến tần, trong đó một bộ phận đáng kể sử dụng biến tần phải kể đến chính là bộ biến tần điều khiển tốc độ động cơ điện. Trong thực tế có rất nhiều hoạt động trong công nghiệp có liên quan đến tốc độ động cơ điện. Đôi lúc có thể xem sự ổn định của tốc độ động cơ mang yếu tố sống còn của chất lượng sản phẩm, sự ổn định của hệ thống… Ví dụ: máy ép nhựa làm đế giầy, cán thép, hệ thống tự động pha trộn nguyên liệu, máy ly tâm định hình khi đúc… Vì thế, việc điều khiển và ổn định tốc độ động cơ được xem như vấn đề chính yếu của các hệ thống điều khiển trong công nghiệp. Điều chỉnh tốc độ động cơ là dùng các biện pháp nhân tạo để thay đổi các thông số nguồn như điện áp hay các thông số mạch như điện trở phụ, thay đổi từ thông … Từ đó tạo ra các đặc tính cơ mới để có những tốc độ làm việc mới phù hợp với yêu cầu của phụ tải cơ. Có hai phương pháp để điều chỉnh tốc độ động cơ: Biến đổi các thông số của bộ phận cơ khí tức là biến đổi tỷ số truyền chuyển tiếp từ trục động cơ đến cơ cấu máy sản xuất. Biến đổi tốc độ góc của động cơ điện. Phương pháp này làm giảm tính phức tạp của cơ cấu và cải thiện được đặc tính điều chỉnh, đặc biệt linh hoạt khi ứng dụng các hệ thống điều khiển bằng điện tử. Vì vậy, bộ biến tần được sử dụng để điều khiển tốc độ động cơ theo phương pháp này. Khảo sát cho thấy: Chiếm 30% thị trường biến tần là các bộ điều khiển moment. Trong các bộ điều khiển moment động cơ chiếm 55% là các ứng dụng quạt gió, trong đó phần lớn là các hệ thống HAVC (điều hòa không khí trung tâm), chiếm 45% là các ứng dụng bơm, chủ yếu là trong công nghiệp nặng. Nâng cấp cải tạo các hệ thống bơm và quạt từ hệ điều khiển tốc độ không đổi lên hệ tốc độ có thể điều chỉnh được trong công nghiệp với lợi nhuận to lớn thu về từ việc tiết giảm nhiên liệu điện năng tiêu thụ.   Tính hữu dụng của biến tần trong các ứng dụng bơm và quạt Điều chỉnh lưu lượng tương ứng với điều chỉnh tốc độ Bơm và Quạt. Điều chỉnh áp suất tương ứng với điều chỉnh góc mở của van. Giảm tiếng ồn công nghiệp. Năng lượng sử dụng tỉ lệ thuận với lũy thừa bậc ba của tốc độ động cơ. Giúp tiết kiệm điện năng tối đa. Như tên gọi, bộ biến tần sử dụng trong hệ truyền động, chức năng chính là thay đổi tần số nguồn cung cấp cho động cơ để thay đổi tốc độ động cơ nhưng nếu chỉ thay đổi tần số nguồn cung cấp thì có thể thực hiện việc biến đổi này theo nhiều phương thức khác, không dùng mạch điện tử. Trước kia, khi công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn chưa phát triển, người ta chủ yếu sử dụng các nghịch lưu dùng máy biến áp. Ưu điểm chính của các thiết bị dạng này là sóng dạng điện áp ngõ ra rất tốt (ít hài) và công suất lớn (so với biến tần hai bậc dùng linh kiện bán dẫn) nhưng còn nhiều hạn chế như: Giá thành cao do phải dùng máy biến áp công suất lớn. Tổn thất trên biến áp chiếm đến 50% tổng tổn thất trên hệ thống nghịch lưu. Chiếm diện tích lắp đặt lớn, dẫn đến khó khăn trong việc lắp đặt, duy tu, bảo trì cũng như thay mới. Điều khiển khó khăn, khoảng điều khiển không rộng và dễ bị quá điện áp ngõ ra do có hiện tượng bão hoà từ của lõi thép máy biến áp. Ngoài ra, các hệ truyền động còn nhiều thông số khác cần được thay đổi, giám sát như: điện áp, dòng điện, khởi động êm (Ramp start hay Soft start), tính chất tải … mà chỉ có bộ biến tần sử dụng các thiết bị bán dẫn là thích hợp nhất trong trường hợp này. 2. Phân loại biến tần Biến tần thường được chia làm hai loại: Biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp Biến tần trực tiếp Biến tần trực tiếp là bộ biến đổi tần số trực tiếp từ lưới điện xoay chiều không thông qua khâu trung gian một chiều. Tần số ra được điều chỉnh nhảy cấp và nhỏ hơn tần số lưới ( f1 < flưới ). Loại biến tần này hiện nay ít được sử dụng. 2.2. Biến tần gián tiếp Các bộ biến tần gián tiếp có cấu trúc như sau: Hình 4-1: Sơ đồ cấu trúc của biến tần gián tiếp Như vậy để biến đổi tần số cần thông qua một khâu trung gian một chiều vì vậy có tên gọi là biến tần gián tiếp. Chức năng của các khối như sau: a) Chỉnh lưu: Chức năng của khâu chỉnh lưu là biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. Chỉnh lưu có thể là không điều chỉnh hoặc có điều chỉnh. Ngày nay đa số chỉnh lưu là không điều chỉnh, vì điều chỉnh điện áp một chiều trong phạm vi rộng sẽ làm tăng kích thước của bộ lọc và làm giảm hiệu suất bộ biến đổi. Nói chung chức năng biến đổi điện áp và tần số được thực hiện bởi nghịch lưu thông qua luật điều khiển. Trong các bộ biến đổi công suất lớn, người ta thường dùng chỉnh lưu bán điều khiển với chức năng làm nhiệm vụ bảo vệ cho toàn hệ thống khi quá tải. Tùy theo tầng nghịch lưu yêu cầu nguồn dòng hay nguồn áp mà bộ chỉnh lưu sẽ tạo ra dòng điện hay điện áp tương đối ổn định. b) Lọc: Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp sau chỉnh lưu. c) Nghịch lưu: Chức năng của khâu nghịch lưu là biến đổi dòng một chiều thành dòng xoay chiều có tần số có thể thay đổi được và làm việc với phụ tải độc lập Nghịch lưu có thể là một trong ba loại sau: Nghịch lưu nguồn áp: trong dạng này, dạng điện áp ra tải được định dạng trước (thường có dạng xung chữ nhật) còn dạng dòng điện phụ thuộc vào tính chất tải. Nguồn điện áp cung cấp phải là nguồn sức điện động có nội trở nhỏ. Trong các ứng dụng điều kiển động cơ, thường sử dụng nghịch lưu nguồn áp. Nghịch lưu nguồn dòng: Ngược với dạng trên, dạng dòng điện ra tải được định hình trước, còn dạng điện áp phụ thuộc vào tải. Nguồn cung cấp phải là nguồn dòng để đảm bảo giữ dòng một chiều ổn định, vì vậy nếu nguồn là sức điện động thì phải có điện cảm đầu vào đủ lớn hoặc đảm bảo điều kiện trên theo nguyên tắc điều khiển ổn định dòng điện. Nghịch lưu cộng hưởng: Loại này dùng nguyên tắc cộng hưởng khi mạch hoạt động, do đó dạng dòng điện (hoặc điện áp) thường có dạng hình sin. Cả điện áp và dòng điện ra tải phụ thuộc vào tính chất tải. 3. Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần Hình 4-2 Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần Tín hiệu vào là điện áp xoay chiều một pha hoặc ba pha. Bộ chỉnh lưu có nhiệm biến đổi điện áp xoay chiều thành một chiều. Bộ lọc có nhiệm vụ san phẳng điện áp một chiều sau chỉnh lưu. Nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số có thể thay đổi được. Điện áp một chiều được biến thành điện áp xoay chiều nhờ việc điều khiển mở hoặc khóa các van công suất theo một quy luật nhất định. Bộ điều khiển có nhiệm vụ tạo tín hiệu điều khiển theo một luật điều khiển nào đó đưa đến các van công suất trong bộ nghịch lưu. Ngoài ra nó còn có chức năng sau: Theo dõi sự cố lúc vận hành Xử lý thông tin từ người sử dụng Xác định thời gian tăng tốc, giảm tốc hay hãm Xác định đặc tính – momen tốc độ Xử lý thông tin từ các mạch thu thập dữ liệu Kết nối với máy tính. … Mạch kích là bộ phận tạo tín hiệu phù hợp để điều khiển trực tiếp các van công suất trong mạch nghịch lưu. Mạch cách ly có nhiệm vụ cách ly giữa mạch công suất với mạch điều khiển để bảo vệ mạch điều khiển. Màn hình hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ hiển thị thông tin hệ thống như tần số, dòng điện, điện áp,… và để người sử dụng có thể đặt lại thông số cho hệ thống. Các mạch thu thập tín hiệu như dòng điện, điện áp nhiệt độ,… biến đổi chúng thành tín hiệu thích hợp để mạch điều khiển có thể xử lý được. Ngài ra còn có các mạch làm nhiệm vụ bảo vệ khác như bảo vệ chống quá áp hay thấp áp đầu vào… Các mạch điều khiển, thu thập tín hiệu đều cần cấp nguồn, các nguồn này thường là nguồn điện một chiều 5, 12, 15VDC yêu cầu điện áp cấp phải ổn định. Bộ nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện thích hợp đó. Sự ra đời của các bộ vi xử lý có tốc độ tính toán nhanh có thể thực hiện các thuật toán phức tạp thời gian thực, sự phát triển của các lý thuyết điều khiển, công nghệ sản xuất IC có mức độ tích hợp ngày càng cao cùng với giá thành của các linh kiện ngày càng giảm dẫn đến sự ra đời của các bộ biến tần ngày càng thông minh có khả năng điều khiển chính xác, đáp ứng nhanh và giá thành rẻ. 4. Phương thức điều khiển 4.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nội dung của phương pháp điều chế độ rộng xung là tạo ra một tín hiệu sin chuẩn có tần số bằng tần số ra và biên độ tỷ lệ với biên độ điện ra nghịch lưu. Tín hiệu này sẽ được so sánh với một tín hiệu răng cưa có tần số lớn hơn rất nhiều tần số của tín hiệu sin chuẩn. Giao điểm của hai tín hiệu này xác định thời điểm đóng mở van công suất. Điện áp ra có dạng xung với độ rộng thay đổi theo từng chu kỳ. Hình 4-3: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung (vo1 là thành phần sin cơ bản, v ilà điện một chiều vào bộ nghịch lưu, vo là điện áp ra ) Trong quá trình điều chế, người ta có thể tạo xung hai cực hoặc một cực, điều biến theo độ rộng xung đơn cực và điều biến theo độ rộng xung lưỡng cực. Trong đề tài này em sử dụng phương điều chế độ rộng xung đơn cực. Có hai phương pháp điều chế cơ bản là: Điều chế theo phương pháp sin PWM (SPWM) Điều chế vectơ Điều chế theo phương pháp SPWM Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu xung tam giác vtri (gọi là sóng mang) đem so sánh với một tín hiệu sin chuẩn vc (gọi là tín hiệu điều khiển). Nếu đem xung điều khiển này cấp cho bộ nghich lưu một pha, thì ở ngõ ra sẽ thu được dạng xung điện áp mà thành phần điều hòa cơ bản có tần số bằng tần số tín hiệu điều khiển vc và biên độ phụ thuộc vào nguồn điện một chiều cấp cho bộ nghịch lưu và tỷ số giữa biên độ sóng sin mẫu và biên độ sóng mang. Tần số sóng mang lớn hơn rất nhiều tần số tín hiệu điều khiển. Hình 3-3 miêu tả nguyên lý của của phương pháp điều chế SPWM một pha: Hình 4-4: Nguyên lý điều chế SPWM một pha Khi: vc > vtri , VA0 = Vdc/2 vc < ttri , VA0 = -Vdc/2 Đối với nghịch lưu áp ba pha có sơ đồ như hình 3-4. Để tạo ra điện áp sin ba pha dạng điều rộng xung, ta cần ba tín hiệu sin mẫu. Hình 4-5: Nghịch lưu áp ba pha Nguyên lý điều chế và dạng sóng như sau: Hình 4-6: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha Hệ số điều chế biên độ ma được định nghĩa là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điều khiển với biên độ của sóng mang: (3-1) ma - hệ số điều biến Vc - biên độ sóng điều khiển Vtri - biên độ sóng mang Trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1), biên độ của thành phần sin cơ bản VA01 (điện áp pha) trong dạng sóng đầu ra tỷ lệ với hệ số điều biến theo công thức: (3-2) Đối với điện áp dây là: (3-3) Như vậy trong phương pháp này biên độ điện áp dây đầu ra bộ nghịch lưu chỉ có thể đạt 86,67% điện áp một chiều đầu vào trong vùng tuyến tính (0 < ma < 1). Hệ số điều chế tỷ số mf là tỷ số giữa tần số sóng mang và tần số tín hiệu điều khiển: (3-4) mf - hệ số điều chế tỷ số ftri - tần số sóng mang, bằng tần số PWM fc - tấn số tín hiệu điều khiển Giá trị của mf được chọn sao cho nên có giá trị dương và lẻ. Nếu mf là một giá trị không nguyên thì trong dạng sóng đầu ra sẽ có các thành phần điều hòa phụ (subharmonic). Nếu mf không phải là một số lẻ, trong dạng sóng đầu ra sẽ tồn tại thành phần một chiều và các hài bậc chẵn. Giá trị của mf nên là bội số của 3 đối nghịch lưu áp ba pha vì trong điện áp dây đầu ra sẽ triệt tiêu các hài bậc chẵn và hài là bội số của ba. Như vậy, nếu điện áp một chiều đầu vào không đổi, để điều chỉnh biên độ và tần số của điện áp đầu ra ta chỉ việc điều chỉnh biên độ và tần số của tín hiệu sin chuẩn vc. Đặc trưng cơ bản của phương pháp này là thành phần sóng điều hòa của điện áp ra. Muốn giảm các sóng điều hòa bậc cao cần phải tăng tần số sóng mang hay tần số PWM. Tuy nhiên càng tăng tần số PWM thì tổn hao chuyển mạch lại tăng lên. Phương pháp điều chế vectơ không gian (SVPWM) Phương pháp điều chế vectơ không gian khác với các phương pháp điều chế độ rộng xung khác. Với phương pháp điều chế PWM khác, bộ nghịch lưu được xem như ba bộ biến đổi đẩy kéo riêng biệt với ba điện áp pha độc lập nhau. Đối với phương pháp điều chế vectơ không gian, bộ nghịch lưu được xem như một khối duy nhất với 8 trạng thái đóng ngắt từ 0 đến 7. 4.1.2.1. Thành lập vectơ không gian Đối với nguồn áp ba pha cân bằng, ta luôn có phương trình sau: (3-5) Và bất kỳ ba hàm số nào thỏa mãn phương trình trên đều có thể chuyển sang hệ tọa độ hai chiều vuông góc. Ta có thể biểu diễn phương trình trên dưới dạng ba vectơ gồm [ua 0 0]T, trùng với trục x, vectơ [0 ub 0]T lệch một góc 120o và vectơ [0 0 ua]T lệch một góc 240o so với trục x, như hình vẽ sau: Hình 3-6: biểu diễn vectơ không gian trong hệ tọa độ x0y Từ đó ta xây dựng được phương trình của vectơ không gian trong hệ tọa độ phức như sau: (3-6) Trong đó 2/3 là hệ số biến hình. Phân tích u(t) trong phương trình trên thành phần thực và phần ảo. (3-7) Ta xây dựng được công thức chuyển đổi hệ tọa độ từ ba pha abc sang hệ tọa độ phức x-y bằng cách cân bằng phần thực và phần ảo trong phương trình (3-6), ta có: (3-8) Tiếp theo hình thành tọa độ quay α-β bằng cách cho hệ tọa độ x-y quay với vận tốc góc ωt. Ta có công thức chuyển đổi hệ tọa độ như sau: (3-9) Nguồn áp ba pha tạo ra là cân bằng và sin nên ta có thể viết lại phương trình điện áp pha như sau: (3-10) Từ phương trình (3-9) ta xây dựng được phương trình sau: (3-11) Thể hiện vectơ không gian có biên độ Vr quay với vận tốc góc ωt quanh gốc tọa độ 0. Phương trình điện áp dây theo phương trình (3-8) như sau: (3-11) Trong đó để chuyền từ giá trị biên độ sang giá trị hiệu dụng, để chuyển giá trị điện áp pha thành điện áp dây. Vectơ điện áp dây sẽ sớm pha hơn vectơ điện áp pha một góc π/6. Nếu lồng ghép các trạng thái có thể có của q1, q3 và q5 vào phương trình (3-11) ta thu được phương trình điện áp dây (trị biên độ) theo các trạng thái của các khóa. (3-12) Với n = 0,1,2,…,6 ta thành lập được 6 vectơ không gian V1 – V6 và hai vectơ 0 là V0 và V7 như hình sau: Hình 4-7: Các vectơ không gian từ 1 đến 6 Hình 4-8: Trạng thái đóng ngắt của các van Bảng 4-1: Giá trị điện áp các trạng thái đóng ngắt và vectơ không gian tương ứng (Ghi chú: độ lớn điện áp phải nhân với Vdc) Tính toán thời gian đóng ngắt Xét trường hợp vectơ Vr nằm trong vùng 1 như hình sau: Hình 4-9: Vectơ không gian Vr trong vùng 1 Giả sử tần số băm xung fPWM đủ cao để trong suốt chu kỳ điều rộng xung Ts, vectơ Vr không thay đổi vị trí. Nhờ đó ta có thể phân tích Vr theo các vectơ V1, V2 và vectơ V0 hoặc V7 như phương trình sau: (3-13) Với: Ts là chu kỳ điều rộng xung Tn là thời gian duy trì ở trạng thái Vn Chuyển sang hệ tọa độ vuông góc, ta có phương trình sau – suy ra từ phương trình (3-11) và (3-12): (3-14) Cân bằng phần thực và phần ảo, ta có: (3-15) Giải phương trình trên để tìm T1 và T2: (3-16) Suy ra: (3-17) Trong đó: m - tỷ số điều biên Ts - chu kỳ điều rộng xung θ - góc lệch pha giữa Vr và Vn Ta nhận thấy việc giải phương trình (3-13) để tìm T1, T2 và Ts không phụ thuộc vào hai vectơ giới hạn vùng đó: Hình 4-10:Vectơ không gian Vr trong vùng bất kỳ Dựa trên kết quả trên phương trình (3-17), ta xây dựng công thức tổng quát trong phương trình (3-18) sau đây: (3-18) Phân bố các trạng thái đóng ngắt Vẫn xét trường hợp Va nằm trong vùng 1, với kết quả từ phương trình (3-17): (3-18) Kỹ thuật thực hiện vectơ không gian Thông thường một trong những tiêu chuẩn để lựa chọn giản đồ đóng kích linh kiện là giảm thiểu tối đa số lần chuyền mạch của linh kiện, để giảm tổn hao trong quá trình đóng cắt của chúng. Số lần chuyển mạch sẽ ít nếu ta trình tự điều khiển sau: Hình 4-11: Giản đồ đóng cắt linh kiện 4.1.2.5. Giản đồ đóng cắt các khóa để tạo ra vectơ Vs trong từng sectơ: Các van công suất trong từng nhánh đóng ngắt đối nghịch nhau. Để đơn giản hóa sơ đồ, ta chỉ vẽ trạng thái của 3 van công suất phía trên. Ba van còn lại có trạng thái đối nghịch với ba van trên theo từng cặp: S0 – S1 S2 - S3 S4 – S5 Hình 4-12: Vectơ Vs trong các vùng từ 0-6 Nhận xét: Dạng điện áp đầu hoặc dòng điện đầu ra của phương pháp SVPWM ít bị méo hơn do chứa ít các thành phần điều hòa hơn so với phương pháp SPWM. Hiệu suất sử dụng điện áp đầu vào của phương pháp SVPWM cao hơn so với phương pháp SPWM 4.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC: Direct Torque Moment) Sự khác nhau giữa phương pháp điều chế SVPWM và phương pháp DTC là phương pháp DTC không sử dụng khuôn mẫu chuyển mạch cố định (fixed switching pattern). Phương pháp này chuyển mạch bộ nghịch lưu theo yêu cầu của tải. Vì không sử dụng khuôn mẫu chuyển mạch cố định, phương pháp này đáp ứng cực nhanh theo sự biến động của tải. Độ chính xác vận tốc của phương pháp này lên tới 0,5%, mặc dù không cần phải sử dụng một thiết bị phản hồi nào. Trái tim của phương pháp này là khâu thích ứng động cơ. Khâu thích ứng này dựa trên mô hình toán học cơ bản của động cơ. Khâu thích ứng yêu cầu thông tin về rất nhiều thông số động cơ, như điện trở stato, điện cảm tương hỗ, hệ số bão hòa,.. Thuật toán này lấy các thông tin này về động cơ lúc khởi động mà không làm quay động cơ. Nhưng việc làm quay động cơ trong vòng vài giây sẽ giúp cho việc điều chỉnh của khâu thích ứng. Hiệu chỉnh càng tốt, việc điều khiển tốc độ và momen càng có độ chính xác càng cao. Từ điện áp một chiều, dòng điện dây và vị trí chuyển mạch hiện thời, khâu thích ứng này tính toán ra từ thông và momen thực tế của động cơ. Những giá trị này được đưa tới bộ so sánh hai lớp từ thông và momen tương ứng. Đầu ra của các bộ so sánh này là tín hiệu tham chiếu momen và từ thông cho bảng lựa chọn chuyển mạch tối ưu. Vị trí chuyển mạch được lựa chọn được đưa thẳng tới bộ nghịch lưu mà không cần điều chế do đó có đáp ứng rất nhanh. Tín hiệu tham chiếu tốc độ đặt từ bên ngoài được giải mã để tạo ra từ thông và momen tham chiếu. Vì thế, trong phương pháp điều khiển trực tiếp momen, từ thông và momen động cơ là những biến được điều khiển trực tiếp vì thế có tên là điều khiển trực tiếp momen. Ưu điểm của phương pháp này tốc độ đáp ứng rất nhanh, không cần các thiết bị phản hồi, giảm được sử hỏng hóc về cơ khí, hiệu suất gần bằng máy điện một chiều mà không có phản hồi. Nhước điểm của phương pháp này là sự trễ vốn có của bộ so sánh dẫn đến từ thông và momen bị nhấp nhô. Vì chuyển mạch được thực hiện ở tần số thấp nên câc thành phần điều hòa bậc thấp tăng lên CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU BIẾN TẦN SCHNEIDER-ALTIVAR 71 Họ biến tần ALTIVAL 2. Các cài đặt mặc định Altivar 71 được cài đặt mặc định cho các điều kiện hoạt động thông dụng nhất : Hiển thị : BKĐ sẳn sàng (rdY) khi động cờ dừng và tần số động cơ khi đồng cơ chạy. Tần số động cơ (bFr) : 50Hz. Ứng dụng duy trì moment cố định bằng điều khiển thông lượng không cần cảm biến. Chế độ dừng bình thường trên hàm tăng tốc (Stt=rMP). Chế độ dừng khi có lỗI : tự do Các hàm tuyến tính (ACC, dEC) : 3 giây. Tốc độ thấp (LSP) : 0Hz. Tốc độ cao (HSP) : 50Hz. Dòng nhiệt động cơ (ItH) = dòng động cơ danh định (giá trị này phụ thuộc vào công suất BKĐ). Dòng hãm động cơ (SdC) = 0.7x dòng BKĐ danh định cho 0,5 giây. Tự động chuyển sang hàm giảm tốc trong trường hợp quá áp lúc hãm. Không tự động khởI động sau khi bị lỗi. Tần số đóng cắt 4kHz. Các ngõ vào logic : LI1, LI2 (2 chiều) : điều khiển 2-dây theo trạng thái, LI1=thuận, LI2=nghịch. Chưa gán chức năng đốI vớI ATV71xxxxxxA. LI3, LI4 : 4 tốc độ đặt trước (tốc độ 1= tốc độ tham chiếu hoặc bằng 0, tốc độ 2 = 10Hz, tốc độ 3 = 15Hz, tốc độ 4 = 20Hz). LI5-LI6 : chưa gán. Các ngõ vào analog : AI1 : tham chiếu tốc độ 0-10V, chưa gán đốI vớI ATV71xxxxxxA. AI2 : tham chiếu tốc độ tổng 0-10V. AI3 : 4-20mA chưa gán. Relay R1 : tiếp điểm hở khi có lỗI (hoặc BĐK dừng). Relay R2 : chưa gán. Ngõ ra analog AOC : 0-20mA chưa gán. Dãy ATV71xxxxxxA Khi xuất ra khỏI nhà máy, BKĐ ATV71xxxxxxA mặc định vớI kiểu điều khiển cục bộ : phím RUN, STOP và nút chỉnh tốc độ được chọn. Các ngõ vào logic LI1 và LI2 và ngõ vào analog AI1 chưa được gán. Nếu những giá trị trên phù hợp vớI ứng dụng, thì BKĐ có thể được dùng mà không cần cài đặt. Cài đặt – Các chỉ dẫn ATV71 Trước khi bật nguồn và cấu hình BKĐ. Kiểm tra xem nguồn cung cấp có phù hợp vớI điện áp của BKĐ không. BKĐ sẽ bị hỏng nếu sử dụng điện áp không đúng. Đảm bảo các ngõ vào logic đang ở trạng thái 0 để ngăn việc khởI động thình lình. Nếu không một ngõ vào được gán lệnh RUN sẽ làm cho động cơ khởI động bất thình lình dựa theo menu đã cấu hình sẳn. Đóng cắt nguồn bằng Contactor Tránh dùng contactor đóng cắt nguồn thường xuyên (chóng làm hỏng tụ lọc). Dùng các ngõ vào LI1 tớI LI6 để điều khiển BKĐ. Chỉ dẫn này quan trọng cho các chu kỳ <60s, nếu không điện trở tảI sẽ bị hỏng. Điều chỉnh và mở rộng các chức năng Nếu cần thiết, phần hiển thị và các phím có thể dùng để hiệu chỉnh các cài đặt và mở rộng các chức năng được mô tả trong các trang sau. Việc quay trở lạI trạng thái mặc định rất dễ dàng bằng cách dùng thông số FCS trong menu drC-, I-O-, CtL- và Fun- (đặt Int để kích hoạt chức năng). Có 3 loạI thông số : Hiển thị : các giá trị được hiển thị. Cài đặt : có thể thay đổI được trong quá trình hoạt động hoặc lúc dừng. Cấu hình : có thể được hiệu chỉnh khi động cơ dừng và không ở trạng thái thắng. Nó có thể được hiển thị trong quá trình hoạt động. Phải kiểm tra các thay đổI liên quan đến các cài đặt hiện tạI không gây nguy hiểm gì. Nên thực hiện các thay đổI lúc động cơ dừng. Chạy thử trên động cơ công suất nhỏ hoặc không có động cơ. Theo mặc định, việc phát hiện “mất pha trên động cơ” được kích hoạt. Để kiểm tra BKĐ trong trường hợp bảo dưỡng không cầndùng động cơ hoặc dùng BKĐ có công suất lớn hơn, đặt việc phát hiện “ mất pha động cơ” bằng NO (OPL=NO). Cấu hình tỉ số điện áp/tần số : Uft = L (menu drC-) Bảo vệ nhiệt động cơ sẽ không được dùng nếu dòng của động cơ nhỏ hơn 0.2 lần dòng danh định của BKĐ. Dùng các động cơ đấu song song. Cấu hình tỉ số điện áp/ tần số : Uft= L (menu drC-). Bảo vệ nhiệt động cơ không còn dùng được nữa. PhảI sử dụng biện pháp bảo vệ nhiệt trên từng động cơ. Các chức năng cơ bản Bảo vệ nhiệt BKĐ Các chức năng : Bảo vệ nhiệt bằng que PTC được lắp trên miếng tản nhiệt hoặc được tích hợp trong module công suất. Bảo vệ gián tiếp BKĐ chống quá tảI bằng cách ngắt hiện tượng quá dòng. Các điểm ngắt thông thường : Dòng động cơ = 185% dòng BKĐ danh định : 2 giây. Dòng động cơ = 150% dòng BKĐ danh định : 60 giây. Dòng động cơ/ BKĐ In Th ờI gian (gi ây) Thông gió cho BKĐ Quạt hoạt động khi BKÐ được cấp nguồn rồI tắt sau 10 giây nếu không có lệnh RUN. Quạt được cấp nguồn tự động khi BKĐ không khóa (chiều hoạt động + tham chiếu). Nó được ngắt nguồn vài giây sau khi BKĐ bị khóa (tốc độ < 0.2Hz và chu trình thắng hoàn tất). Các chức năng hiển thị và các phím. Led DC bus ON” Bốn LED 7 đoạn Trở về menu hoặc thông số trước, hoặc tăng giá trị hiển thị TớI menu hoặc thông số kế tiếp, hoặc giảm giá trị hiển thị 2 LED trạng thái CANopen Thoát khỏI menu hoặc thông số hoặc xóa giá trị trở về giá trị trước đó. Vào một menu hoặc thông số hoặc lưu giá trị của thông số. Nhấn phím hoặc chưa lưu các lựa chọn. - Nhấn và giữ phím (>2s) hoặc để cuốn dự liệu nhanh. Để lưu các lựa chọn : nhấn phím ENT Giá trị hiển thị sẽ nháy khi dữ liệu được lưu. Hiển thị bình thường, không có lỗI hoặc không khởI động : 43.0 : hiển thị thông số được chọn trong menu SUP- (chọn lựa mặc định là tần số động cơ). In chế độ hạn dòng, hiển thị nháy. Init : khởI động. RdY : BKĐ sẳn sàng. Dcb : chu trình thắng bằng dòng một chiều. NSt : dừng tự do. FSt : dừng nhanh. TUn : chu trình tự điều chỉnh. Hiển thị nháy để chỉ rằng đang có lỗi Truy cập vào menu Cấp nguồn Tần số động cơ (mặc định chỉ nhìn thấy lần đầu khi BKĐ được cấp nguồn Hiển thị Truyền thông Lỗi Điều khiển động cơ Chức năng Điều khiển I/O Cài đặt Me Hiển thị trạng thái BKĐ Vài thông số có thể được truy cập trong một số menu để tăng sự tiện dụng. Nhập các cài đặt. Trở về mặc định. Phục hồI và lưu cấu hình. Một dấu gạch ngang xuất hiện sau tên menu và munu con để phân biệt vớI tên các thông số. Ví dụ : menu Fun-, thông số ACC. Lập trình Truy cập các thông số menu Để lưu và cất một lựa chọn : Màn hình nháy khi một giá trị được lưu. VÍ dụ : Menu Thông số Giá trị hoặc gán Thông số kế 1 nháy (lưu) Tất cả menu đều là dạng cuốn. Nếu ta tiếp tục nhấn khi ở thông số cuốI cùng ta sẽ trở về thông số đầu và ngược lạI, ta có thể từ thông số đầu đến thông số cuốI bằng cách nhấn Nếu sau khi hiệu chính một thông số thứ n, ta thoát khỏI menu này và trở lạI menu này mà không truy cập một menu nào khác, thì ta sẽ vào trực tiếp menu thứ n lúc nãy. Nếu ta đã truy cập một menu nào khác hoặc khởI động lạI hệ thống thì ta sẽ luôn phảI bắt đầu từ thông số thứ 1. Cấu hình của thông số bFr Thông số này chỉ có thể hiệu chỉnh ở chế độ dừng mà không có lệnh RUN. Mã Diễn giảI Phạm vi đặt Mặc định bFr Tần số động cơ tiêu chuẩn 50 Thông số này chỉ nhìn thấy lần đầu khi BKĐ được cấp nguồn. Nó có thể được thay đổI bất cứ lúc nào trong menu drC-. 50Hz : IEC 60HZ : NEMA Thông số này làm thay đổI các thông số HSP, Ftd, FrS và tFr. Sự tương thích các chức năng Các chức năng không tương thích Các chức năng sau sẽ không thể truy cập được hoặc không có tác dụng : Tự động khởI động Chức năng chỉ có tác dụng trong điều khiển 2-dây (tCC=2C và tCt= LEL hoặc PFO). Tự khởI động bắt theo tải. Chức năng chỉ có tác dụng trong điều khiển 2-dây (tCC=2C và tCt= LEL hoặc PFO). Chức năng này khóa nếu dòng hãm được cấu hình là DC (AdC=Ct). Đảo chiều Chỉ trên ATV71xxxA, chức năng này bị khóa nếu điều khiển cục bộ được chọn (tCC=LOC). Bảng tương thích chức năng Sự lựa chọn các chức năng ứng dụng có thể bị giớI hạn bởI số I/O và bởI một số chức năng không tương thích vớI nhau. Các chức năng không liệt kê ra sau đây đều hoàn toàn tương thích. Nếu có một trong các chức năng không tương thích, thì chức năng đầu sẽ cấm chức năng sau. chưa kể ứng dụng đặc biệt vớI kênh tham chiếu Fr2 các chức năng không tương thích các chức năng tương thích không sử dụng Các chức năng ưu tiên (các chức năng mà không thể sử dụng đồng thờI). Chức năng được chỉ bằng dấu mũi tên có mức ưu tiên hơn chức năng còn lại. Chức năng dừng (stop) có mức ưu tiên hơn chức năng RUN. Tham chiếu tốc độ theo lệnh logic có mức ưu tiên hơn tham chiếu analog. Các chức năng ứng dụng ngõ vào logic và analog. MỗI chức năng trong các trang sau có thể được gán cho một ngõ vào . Một ngõ vào có thể được gán cho vài chức năng cùng một lúc (chiều đảo và hàm dốc thứ 2 chẳng hạn). Vì thế ngườI sử dụng phảI chắc chắn là các chức năng này tương thích. Menu SUP- hiển thị (thông số LIA và AIA) có thể dùng để hiển thị các chức năng gán cho mỗI ngõ vào để kiểm tra tính tương thích. Danh sách các chức năng có thể được gán cho các ngõ vào/ra. Các ngõ vào logic Trang Mã Mặc định ATV31xxx ATV31xxxA Chưa gán - - LI5-LI6 LI1-LI2 LI5-LI6 Thuận - - LI1 2 tốc độ đặt trước 44 PS2 LI3 LI3 4 tốc độ đặt trước 44 PS4 LI4 LI4 8 tốc độ Đặt trước 44 PS8 16 tốc độ đặt trước 45 PS16 2 tham chiếu PI đặt trước 51 Pr2 4 tham chiếu PI đặt trước 51 Pr4 + tốc độ 48 USP - tốc độ 48 DSP Hoạt động lắc (jog) 46 JOG Chuyển hàm dốc 38 RPS Chuyển sang giớI hạn dòng thứ 2 55 LC2 Dừng nhanh bằng ngõ vào logic 39 FSt Hãm dòng DC bằng ngõ vào logic 39 DC1 Dừng tự do bằng ngõ vào logic 40 NSt Đảo chiều 23 RrS LI2 LỗI từ bên ngoài 61 EtF RESET (reset lỗI) 60 RSF Chế độ cục bộ 63 FLO Đóng cắt tham chiếu 34 Rfc Đóng cắt kênh điều khiển 35 CCS Đóng cắt động cơ 56 CHP GiớI hạn chuyển động chiều thuận (công tắc hành trình) 58 LAF GiớI hạn chuyển động chiều nghịch (công tắc hành trình) 58 Lar Cấm lỗI 62 InH Các ngõ vào analog Trang Mã Mặc định ATV31xxx ATV31xxxA Chưa gán - - AI3 AI1-AI3 Tham chiếu 1 33 Fr1 AI1 AIP (tham chiếu) Tham chiếu 2 33 Fr2 Tổng ngõ vào 2 42 SA2 AI2 AI2 Tổng ngõ vào 3 42 SA3 Phản hồI PID 51 PID Ngõ ra logic/analog Trang Mã Mặc định Chưa gán - - AOC/AOV Dòng động cơ 24 Ocr Tần số động cơ 24 RFr Moment động cơ 24 OLO Nguồn được cung cấp bởI BKĐ 24 Opr LỗI BKĐ (dữ liệu logic) 24 Flt Chạy BKĐ (dữ liệu logic) 24 RUn Đạt ngưỡng tần số 24 FtA Đạt ngưỡng tốc độ cao (HSP) 24 FlA Đạt ngưỡng dòng 24 CtA Đạt tham chiếu tần số 24 SrA Đạt ngưỡng nhiệt động cơ 24 TSA Chu trình thắng 54 BLC PHẦN III: THIẾT KẾ CHI TIẾT ỨNG DỤNG BIẾN TẦN TRONG ĐIỀU KHIỂN CẤU TRỤC 74 CHƯƠNG 1: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN CHO CẦU TRỤC 74 Relay Trang Mã Mặc định Chưa gán - - R2 LỗI BKĐ 24 FLt R1 Chạy BKĐ 24 RUN Đạt ngưỡng tần số 24 FtA Đạt ngưỡng tốc độ cao (HSP) 24 FLA Đạt ngưỡng dòng 24 CtA Đạt ngưỡng tần số 24 SrA Đạt ngưỡng nhiệt động cơ 24 TSA Chu trình thắng 54 BLC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mạnh Tiến, "Bài giảng: Điều khiển tần số động cơ không đồng bộ", 2001. [2] Nguyễn Mạnh Tiến, "Chuyên đề tiến sĩ: Điều chỉnh tự động truyền động điện", năm 1998. [3] Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Nguyễn Văn Liễn, Dương Văn Nghi,"Điều chỉnh tự động truyền động điện",1998 [4] Nguyễn Phùng Quang,"Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha",1998. [5] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công và Trần Văn Thịnh. Điện tử công suất. Nhà suất bản khoa học và kỹ thuật. [6] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải và Trần Trọng Minh. Điện tử công suất. Nhà suất bản khoa học và kỹ thuật, 2007. [7] Cyril W.Lander. Điện tử công suất và điều khiển động cơ điện. Nhà suất bản khoa học và kỹ thuật, 1997. [8] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải và Dương Văn Nghi. Điều chỉnh tự động truyền động điện. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2008. [9] Prof. Ali Keyhani. Lecture 25, Pulse - width modulation (PWM) technique. Department of Electrical and Computer Engineering, The Ohio State University. [10] Dr. Zainal Salam. Power Electronics and Drivers (Version 2). 2002 Các trang web: