Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Hệ thống thang cuốn là thiết bị vận chuyển hành khách và hàng hóa theo phương thức liên tục, được ứng dụng rộng rãi tại các không gian công cộng có mật độ lưu thông cao như siêu thị, trung tâm thương mại, ga tàu hỏa, sân bay, khách sạn và các công trình dân dụng nhiều tầng. Trong các hệ thống thang cuốn truyền thống, động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ thường được cấp nguồn trực tiếp từ lưới điện hoặc sử dụng các phương pháp mở máy gián tiếp cũ. Điều này dẫn đến nhiều vấn đề kỹ thuật:
- Dòng điện khởi động trực tiếp rất lớn (thường gấp 4 đến 6 lần dòng định mức), gây sụt áp lưới cục bộ, làm nóng cuộn dây stato/roto và giảm tuổi thọ lớp cách điện.
- Khi hoạt động non tải hoặc không có người, hệ số công suất của động cơ sụt giảm nghiêm trọng (xuống mức xấp xỉ 0,1), gây lãng phí điện năng do tiêu thụ công suất phản kháng lớn.
- Khả năng điều chỉnh tốc độ vô cấp và hãm dừng chính xác bị hạn chế; việc sử dụng phanh hãm cơ khí thuần túy gây mài mòn má phanh và phát sinh tổn hao nhiệt cao.
Trước các yêu cầu về tối ưu hóa năng lượng và nâng cao độ êm dịu vận hành, việc ứng dụng bộ biến tần bán dẫn kết hợp thuật toán điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha cho thang cuốn là một giải pháp kỹ thuật cần thiết.
Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm:
- Tìm hiểu tổng quan về cấu tạo, phân loại và nguyên lý làm việc của hệ thống cầu thang cuốn trong công trình hiện đại.
- Khảo sát đặc tính kỹ thuật, các đại lượng cơ bản và các phương pháp khởi động, điều chỉnh tốc độ của động cơ không đồng bộ ba pha.
- Nghiên cứu cấu trúc, nguyên lý nghịch lưu áp và các phụ kiện bảo vệ của bộ biến tần công nghiệp.
- Tính toán phụ tải cơ học và xác định công suất trục động cơ thang cuốn ứng với các cấp tải trọng vận chuyển: 0, 1000, 3000 và 5000 người/giờ.
- Lựa chọn động cơ không đồng bộ ba pha và bộ biến tần công nghiệp có thông số định mức phù hợp.
- Xây dựng sơ đồ kết nối phần cứng và mô hình hóa hệ thống truyền động trên phần mềm MATLAB để khảo sát đáp ứng tốc độ và mô-men khi tải trọng biến thiên theo thời gian.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền động điện và điều khiển tốc độ thang cuốn sử dụng biến tần kết hợp động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc.
- Phạm vi không gian và thông số kỹ thuật: Mô hình thang cuốn tiêu chuẩn có chiều cao nâng $H = 3{,}5\text{ m}$, góc nghiêng $\alpha = 30^\circ$, vận tốc định mức $v = 0{,}5\text{ m/s}$, năng lực vận chuyển thiết kế tối đa đạt 5000 người/giờ.
- Phạm vi thực nghiệm: Nghiên cứu thực hiện tại Bộ môn Điện Công nghiệp, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 12/2022); kiểm chứng động học thông qua mô phỏng số trên môi trường MATLAB/Simulink.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu được xây dựng dựa trên các lý thuyết kỹ thuật điện và cơ sở truyền động máy công nghiệp:
- Lý thuyết máy điện không đồng bộ ba pha: Khảo sát quá trình hình thành từ trường quay stato với tốc độ đồng bộ $n_1 = \frac{60f}{p}$, hiện tượng cảm ứng điện từ sinh ra sức điện động $E_2$ và dòng điện $I_2$ trong thanh dẫn rotor, sự tạo thành lực điện từ và mô-men quay kéo rotor quay với tốc độ $n_2 = n_1(1-s)$. Phân tích phương trình đặc tính cơ $M = f(s)$, sức điện động tĩnh $E_{20} = 4{,}44 K_2 f_1 W_2 \Phi_m$, sức điện động động $E_{2s} = s E_{20}$ và hệ số trượt tới hạn $s_{th}$.
- Lý thuyết điện tử công suất và biến tần: Mô hình biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều qua bộ chỉnh lưu cầu Diode và dàn tụ lọc DC Bus; chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều ba pha biến tần/biến áp thông qua mạch nghịch lưu sử dụng van bán dẫn công suất IGBT điều chế độ rộng xung (PWM).
- Khung tính toán phụ tải cơ học máy vận chuyển liên tục: Ứng dụng các công thức tính toán công suất truyền động băng tải, hệ số dự trữ công suất và hiệu suất truyền động của các bộ truyền cơ khí từ các tài liệu chuyên ngành: Trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung (Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị Liên Anh) và Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí - Tập 1 (Trịnh Chất, Lê Văn Uyển).
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Phân tích so sánh các giải pháp mở máy (trực tiếp, nối điện kháng stato, biến áp tự ngẫu, đổi nối $Y-\Delta$, điện trở phụ rotor, khởi động mềm thyristor, biến tần) và các giải pháp điều chỉnh tốc độ (phía stato, mạch rotor, thay đổi tần số).
- Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Thiết lập mô hình giải tích xác định thời gian di chuyển của một bậc thang ($STEP$), số bậc thang vận hành trong một giờ, mật độ người trên mỗi bậc thang ($n$), công suất tĩnh trên trục tải ($P$) và công suất yêu cầu của động cơ điện ($P_{dc}$).
- Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống truyền động thang cuốn trên MATLAB/Simulink với thông số động cơ $7{,}5\text{ kW}$ (10 HP, 400V, 50Hz, 1450 RPM), cài đặt giá trị đặt tốc độ và đưa tín hiệu nhiễu tải mô-men biến thiên theo các khoảng thời gian (5s, 10s, 15s, 20s) để thu thập đường đặc tính đáp ứng tốc độ và mô-men.
Nguồn dữ liệu: Dữ liệu tính toán cơ học thang cuốn tiêu chuẩn, thông số kỹ thuật động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc $7{,}5\text{ kW}$, bảng tra cứu hiệu suất các bộ truyền động cơ khí và catalogue kỹ thuật dòng biến tần LS SV075IG5A-4 (IG5A series).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về cầu thang cuốn
Chương 1 trình bày khái niệm, phạm vi ứng dụng và cấu tạo cơ học của thang cuốn. Cầu thang cuốn được định nghĩa là thiết bị vận chuyển người và hàng hóa dạng băng tải, bao gồm hệ thống các bước thang chuyển động liên tục luân phiên khép kín theo quỹ đạo thẳng hoặc xoắn ốc. Cấu trúc hoàn chỉnh của thang cuốn gồm các thành phần:
- Hệ thống cơ khí và truyền động: Xích dẫn động bậc thang, xích lăn nối bậc thang, bánh răng động cơ, khe hở bậc thang.
- Hệ thống thiết bị an toàn: Thiết bị an toàn xích dẫn động, thiết bị an toàn răng lược, thiết bị bảo vệ dọc lối đi, thiết bị an toàn xích truyền động, rơ-le bảo vệ quá tải, thiết bị bảo vệ sự chuyển động của bậc bước, nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop).
Nguyên lý làm việc của thang cuốn được phân loại theo hai chế độ:
- Chế độ tự động: Cảm biến phát hiện hành khách bố trí ở đầu thang gửi tín hiệu điều khiển cấp nguồn cho động cơ thông qua bộ biến tần để kéo xích bậc thang quay; khi hành khách đi qua cảm biến ở cuối thang, bộ điều khiển nhận tín hiệu cắt nguồn hoặc chuyển sang chế độ chờ.
- Chế độ bằng tay: Vận hành trực tiếp thông qua bảng điều khiển với các nút bấm Start, Up, Down, Stop và nút dừng khẩn cấp.
Chương 2: Tổng quan về động cơ không đồng bộ
Chương 2 phân tích cấu tạo, nguyên lý vận hành và đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ:
- Cấu tạo: Stato gồm lõi thép kỹ thuật điện dập rãnh (hình quả lê hoặc hình thang), dây quấn 3 pha lệch nhau $120^\circ$ điện và vỏ máy bằng gang hoặc thép tấm; Roto phân loại thành roto dây quấn (có vành trượt và chổi than) và roto lồng sóc (các thanh dẫn nhôm/đồng nối ngắn mạch ở hai đầu).
- Nguyên lý: Phân tích chi tiết quá trình từ trường quay stato tạo lực tiếp tuyến kéo roto quay với hệ số trượt $s = \frac{n_1 - n_2}{n_1}$ ($0 < s < 1$).
- Đánh giá 6 phương pháp khởi động: Đóng trực tiếp (dòng mở máy lớn); hạ áp bằng cuộn kháng stato (mô-men giảm theo bình phương tỷ số hạ áp); hạ áp bằng biến áp tự ngẫu (dòng lấy từ lưới giảm $k_T^2$ lần); đổi nối $Y-\Delta$ (dòng pha mở máy giảm 3 lần, mô-men giảm 3 lần); thêm điện trở phụ mạch roto (chỉ dùng cho roto dây quấn); khởi động mềm bằng 3 cặp Thyristor song song ngược; mở máy bằng biến tần (hạn chế dòng khởi động, duy trì mô-men mở máy cao).
- Đánh giá các phương pháp điều chỉnh tốc độ: Thêm điện trở stato (dải điều chỉnh hẹp), điều chỉnh điện trở roto qua xung kích IGBT (tổn hao nhiệt lớn), giảm điện áp stato bằng SCR (giảm 10% điện áp làm giảm 19% mô-men cực đại), và điều chỉnh tần số nguồn cấp $f_1$ (phương pháp tối ưu cho dải điều chỉnh rộng và duy trì hiệu suất cao).
Chương 3: Tổng quan về biến tần
Chương 3 trình bày cấu trúc, nguyên lý điều khiển và các thiết bị phụ trợ của bộ biến tần:
- Nguyên lý hoạt động: Nguồn điện xoay chiều được nắn phẳng qua bộ chỉnh lưu Diode và dàn tụ điện tạo thành điện áp DC Bus mức cao. Mạch nghịch lưu sử dụng các khóa bán dẫn IGBT đóng ngắt tuần tự theo phương pháp PWM để tái tạo hệ thống điện áp xoay chiều ba pha đối xứng có tần số và biên độ điều khiển được.
- Khối điều khiển: Vi xử lý chính tiếp nhận tín hiệu từ cổng vào analog ($4-20\text{ mA}$ hoặc $0-10\text{ V}$), cổng vào số (digital inputs) và xuất tín hiệu qua cổng ra analog/digital để giám sát, cảnh báo lỗi.
- Các phụ kiện bổ trợ:
- Cuộn kháng xoay chiều (AC Reactor): Lắp ở đầu vào biến tần để giảm méo sóng hài, triệt tiêu xung gai điện áp, bảo vệ tụ điện DC Bus.
- Cuộn kháng một chiều (DC Reactor): Lắp trước tụ lọc giúp ổn định thanh cái DC Bus, chống sụt áp nguồn cấp cho IGBT khi hoạt động toàn tải.
- Điện trở xả (Braking Resistor): Tiêu tán năng lượng tái sinh từ động cơ đưa về biến tần trong các chế độ hãm dừng nhanh.
- Lợi ích kỹ thuật: Giảm dòng mở máy xuống dưới $1{,}5$ lần dòng định mức; tiết kiệm $20-30%$ điện năng; nâng cao hệ số công suất $\cos\varphi \ge 0{,}96$; cho phép nâng tần số vận hành lên $54-60\text{ Hz}$ (tương ứng $1800\text{ vòng/phút}$).
Chương 4: Thiết kế và điều khiển hệ thống thang cuốn
Chương 4 là phần tính toán kỹ thuật và kiểm chứng mô phỏng:
- Xác lập các thông số cơ học của thang cuốn: Vận tốc $v = 0{,}5\text{ m/s}$, góc nghiêng $30^\circ$, chiều cao $3{,}5\text{ m}$, khối lượng trung bình mỗi người $m = 70\text{ kg}$, gia tốc trọng trường $g = 9{,}8\text{ m/s}^2$, bề rộng bước thang $0{,}6\text{ m}$, chiều cao bước thang $0{,}2\text{ m}$.
- Tính toán tải trọng: Thời gian qua 1 bậc thang $STEP = \frac{0{,}6}{0{,}5} = 1{,}2\text{ s/bậc}$; số bậc thang chuyển động trong 1 giờ là $3000\text{ bậc/h}$. Ứng với lưu lượng cực đại 5000 người/h, mật độ tải trọng đạt $1{,}67\text{ người/bậc}$, công suất tải cực đại trên trục đạt $P = 5{,}01\text{ kW}$.
- Tính chọn công suất động cơ với hệ số an toàn $k_3 = 1{,}2$ và hiệu suất tổng thể của hệ dẫn động cơ khí $\eta = 0{,}84$, thu được $P_{dc} = 7{,}145\text{ kW}$. Lựa chọn động cơ tiêu chuẩn $7{,}5\text{ kW}$ ($10\text{ HP}$, $1450\text{ vòng/phút}$, 220V/380V) và bộ biến tần tương ứng LS SV075IG5A-4 ($7{,}5\text{ kW}$).
- Thiết lập sơ đồ khối điều khiển, sơ đồ đấu nối chân biến tần và tiến hành mô phỏng quá trình biến thiên tải trên phần mềm MATLAB.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống truyền động và điều khiển thang cuốn được thiết kế chi tiết thông qua các bước tính toán công suất cơ điện, xác định mô-men xoắn và lựa chọn thiết bị công nghiệp:
Tính toán phụ tải cơ học và mô-men trục động cơ
Công suất tải trọng trên trục cơ khí ($P$) ứng với từng mức lưu lượng hành khách được xác định theo phương trình:
$$P = \frac{m \cdot g \cdot n \cdot H \cdot v}{1000 \cdot R_S \cdot \sin\alpha}$$
Công suất động cơ yêu cầu ($P_{dc}$) được tính toán có xét đến hệ số dự trữ $k_3 = 1{,}2$ và hiệu suất truyền động tổng $\eta$:
$$\eta = \eta_K \cdot \eta_{ol} \cdot \eta_{br} \cdot \eta_x \cdot \eta_{ot} = 0{,}99 \cdot 0{,}99 \cdot 0{,}97 \cdot 0{,}93 \cdot 1 \approx 0{,}84$$
$$P_{dc} = \frac{k_3 \cdot P}{\eta} = \frac{1{,}2 \cdot 5{,}01}{0{,}84} = 7{,}145\text{ kW}$$
Mô-men xoắn trên trục động cơ ($T$) được tính toán theo biểu thức:
$$T = 9{,}55 \cdot \frac{P_{dc}}{n}$$
(trong đó $n = 1450\text{ vòng/phút}$ là tốc độ định mức của động cơ).
| Lưu lượng hành khách (người/giờ) |
Mật độ tải $n$ (người/bậc) |
Công suất tải $P$ (kW) |
Công suất động cơ $P_{dc}$ (kW) |
Mô-men động cơ $T$ (N.m) |
| 0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| 1000 |
0,33 |
1,00 |
1,43 |
9,42 |
| 3000 |
1,00 |
3,00 |
4,29 |
28,26 |
| 5000 |
1,67 |
5,01 |
7,145 |
47,06 |
Thông số thiết bị động lực và điều khiển được lựa chọn
| Hạng mục thiết bị |
Thông số kỹ thuật lựa chọn |
Căn cứ tính toán và tiêu chuẩn |
| Động cơ điện xoay chiều |
Động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, công suất định mức $7{,}5\text{ kW}$ (10 HP), điện áp 220V/380V, tần số $50\text{ Hz}$, $2p = 4$, tốc độ $1450\text{ vòng/phút}$, $\eta = 84%$, $\cos\varphi = 0{,}84$. |
Đáp ứng công suất tính toán $P_{dc} = 7{,}145\text{ kW}$ (tra cứu phụ lục giáo trình dẫn động cơ khí). |
| Bộ biến tần |
LS SV075IG5A-4 (Series IG5A), công suất định mức $7{,}5\text{ kW}$, nguồn cấp 3 pha $380-480\text{ V}$. |
Thang cuốn là thiết bị vận chuyển liên tục (chế độ tải dài hạn), chọn biến tần cùng cấp công suất động cơ. |
Cấu trúc kết nối và mô hình mô phỏng
Hệ thống điều khiển được thiết kế bao gồm:
- Khối nguồn và bảo vệ: Nguồn lưới 3 pha $380\text{V} - 50\text{Hz}$, CB đóng cắt, cuộn kháng AC và DC lọc nhiễu sóng hài.
- Khối điều khiển biến tần: Bo mạch IC xử lý tín hiệu nhận lệnh chạy/dừng từ nút ấn và cảm biến quang điện ở đầu/cuối thang, xuất các xung kích điều biến độ rộng PWM tới 6 van IGBT.
- Khối mô phỏng MATLAB: Khối nghịch lưu kết nối mô hình động cơ $10\text{ HP} - 400\text{V} - 50\text{Hz} - 1450\text{ RPM}$, đầu vào tốc độ đặt định mức $1450\text{ vòng/phút}$, đầu vào mô-men cản thay đổi dạng bậc thang theo các mốc thời gian $5\text{s}$, $10\text{s}$, $15\text{s}$ và $20\text{s}$.
Kết quả và đóng góp
Kết quả ghi nhận từ mô phỏng MATLAB
Quá trình kiểm chứng mô hình truyền động thang cuốn sử dụng biến tần khi thay đổi lưu lượng người trên thang cho kết quả cụ thể:
| Khoảng thời gian mô phỏng |
Mức tải trọng đưa vào |
Mô-men cản ($T$) |
Đáp ứng dao động tốc độ của động cơ |
Thời gian xác lập ổn định ($t_{xl}$) |
| 5 – 10 giây |
1000 người/giờ |
$9{,}42\text{ N.m}$ |
Xảy ra dao động quá độ khi bắt đầu đóng tải |
$\approx 4\text{ giây}$ |
| 10 – 15 giây |
5000 người/giờ (toàn tải) |
$47{,}06\text{ N.m}$ (cực đại $47{,}46\text{ N.m}$) |
Tốc độ động cơ sụt giảm tức thời xuống $\approx 1410\text{ vòng/phút}$ |
$\approx 2\text{ giây}$ |
| 15 – 20 giây |
50% tải định mức |
$\approx 23{,}7\text{ N.m}$ |
Tốc độ vọt lố tức thời lên $\approx 1465\text{ vòng/phút}$ |
$\approx 1{,}6\text{ giây}$ |
| 20 – 30 giây |
3000 người/giờ |
$28{,}26\text{ N.m}$ |
Tốc độ dao động quanh mức $\approx 1445\text{ vòng/phút}$ |
$\approx 1\text{ giây}$ |
Quy luật rút ra từ kết quả: Mức độ thay đổi tải trọng càng lớn thì biên độ dao động tốc độ tức thời của hệ thống càng cao và thời gian để hệ truyền động ổn định trở lại tốc độ đặt càng kéo dài.
Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất
- Điều khiển thang cuốn chạy ở chế độ tự động có cảm biến nhận diện hành khách kết hợp biến tần: thang tự động giảm tốc độ hoặc dừng khi không có người và tăng tốc êm dịu khi có người bước vào, giúp tiết kiệm $20-30%$ điện năng so với phương thức cấp nguồn trực tiếp.
- Sử dụng phối hợp cuộn kháng đầu vào AC Reactor, cuộn kháng DC Bus và điện trở xả hãm để triệt tiêu sóng hài bậc cao, hạn chế gai nhọn điện áp và giải phóng năng lượng tái sinh khi hãm dừng khẩn cấp.
Đóng góp của đề tài
- Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết về tính toán phụ tải cơ học cho hệ thống cầu thang cuốn tiêu chuẩn chiều cao $3{,}5\text{ m}$.
- Xây dựng quy trình chọn lựa chính xác dung lượng động cơ không đồng bộ ba pha ($7{,}5\text{ kW}$) và biến tần công nghiệp ($7{,}5\text{ kW}$) căn cứ trên các bảng tra hiệu suất cơ khí và chế độ làm việc dài hạn.
- Mô hình hóa thành công hệ thống truyền động trên MATLAB/Simulink, cung cấp dữ liệu định lượng về đáp ứng mô-men và thời gian quá độ của hệ thống khi chịu các xung tải trọng đột ngột.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Đồ án mới dừng lại ở mức độ tính toán lý thuyết và mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink, chưa tiến hành lắp đặt thử nghiệm trên mô hình thang cuốn phần cứng thực tế có tải thật. Cấu trúc điều khiển trong mô phỏng là cấu trúc cơ bản, chưa tích hợp các thuật toán điều khiển vector tựa từ thông (FOC) hay bộ điều khiển mờ/PID thích nghi để giảm thiểu độ sụt tốc độ tức thời khi đổi tải.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Triển khai lắp ráp mô hình thực nghiệm ghép nối biến tần LS SV075IG5A-4 với bộ điều khiển lập trình PLC và cảm biến công nghiệp.
- Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán điều khiển nâng cao nhằm rút ngắn thời gian quá độ hồi phục tốc độ về dưới $1\text{ giây}$ khi tải trọng thay đổi đột ngột từ 0 lên 5000 người/giờ.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:
- Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Điện Công nghiệp, Tự động hóa và Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học Truyền động điện, Trang bị điện hoặc Đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống băng tải, thang cuốn và thang máy.
- Kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E) cần quy trình mẫu về tính toán công suất động cơ dẫn động theo lưu lượng hành khách, phương pháp tính chọn biến tần tải dài hạn và giải pháp lắp đặt cuộn kháng bảo vệ đường dây.
Phần nội dung có giá trị sử dụng cao gồm:
- Phương pháp tính toán giải tích phụ tải thang cuốn và xác định hiệu suất hệ dẫn động tại Chương 4.
- Bảng số liệu mô-men trục động cơ theo các mức tải và dữ liệu khảo sát thời gian quá độ ổn định tốc độ trên MATLAB.
Câu hỏi thường gặp
1. Công suất động cơ và biến tần trong đồ án được tính toán và lựa chọn cụ thể là bao nhiêu?
Công suất tính toán trên trục tải thang cuốn ở mức cực đại 5000 người/giờ là $5{,}01\text{ kW}$. Sau khi tính thêm hệ số dự trữ $k_3 = 1{,}2$ và hiệu suất tổng của hệ dẫn động cơ khí $\eta = 0{,}84$, công suất động cơ yêu cầu là $P_{dc} = 7{,}145\text{ kW}$. Tác giả đã lựa chọn động cơ không đồng bộ ba pha $7{,}5\text{ kW}$ ($10\text{ HP}$, tốc độ $1450\text{ vòng/phút}$, điện áp 220/380V) và bộ biến tần công nghiệp LS SV075IG5A-4 có công suất định mức $7{,}5\text{ kW}$.
2. Công suất tải và mô-men trục động cơ thay đổi như thế nào theo lưu lượng hành khách?
Dữ liệu tính toán trong đồ án xác định:
- Khi tải trọng là $0\text{ người/h}$: Công suất tải $0\text{ kW}$, mô-men $0\text{ N.m}$.
- Khi tải trọng là $1000\text{ người/h}$: Công suất tải $1\text{ kW}$, công suất động cơ $1{,}43\text{ kW}$, mô-men $9{,}42\text{ N.m}$.
- Khi tải trọng là $3000\text{ người/h}$: Công suất tải $3\text{ kW}$, công suất động cơ $4{,}29\text{ kW}$, mô-men $28{,}26\text{ N.m}$.
- Khi tải trọng là $5000\text{ người/h}$: Công suất tải $5{,}01\text{ kW}$, công suất động cơ $7{,}145\text{ kW}$, mô-men $47{,}06\text{ N.m}$ (mô phỏng đạt đỉnh $47{,}46\text{ N.m}$).
3. Kết quả mô phỏng trên MATLAB cho thấy tốc độ động cơ phản ứng ra sao khi thay đổi tải trọng đột ngột lên 5000 người/giờ?
Khi chuyển đổi mức tải từ 1000 lên 5000 người/giờ ở giây thứ 10, tốc độ động cơ bị sụt giảm tức thời xuống khoảng $1410\text{ vòng/phút}$. Hệ thống điều khiển biến tần mất khoảng $2\text{ giây}$ để điều chỉnh tốc độ quay trở lại mức định mức $1450\text{ vòng/phút}$. Khi giảm tải từ 100% xuống 50% ở giây thứ 15, tốc độ vọt lố lên $1465\text{ vòng/phút}$ và mất $1{,}6\text{ giây}$ để ổn định.
4. Vì sao việc sử dụng biến tần cho thang cuốn lại giúp tiết kiệm 20–30% năng lượng so với phương pháp khởi động truyền thống?
Biến tần cho phép điều khiển vô cấp tần số và điện áp cấp cho động cơ theo sát nhu cầu phụ tải thực tế, giữ hệ số công suất $\cos\varphi \ge 0{,}96$ (giảm dòng phản kháng chạy trên đường dây). Đồng thời, khi kết hợp với cảm biến phát hiện người ở chế độ tự động, hệ thống có thể chuyển sang trạng thái chạy chậm hoặc dừng khi không có khách, loại bỏ hoàn toàn tổn thất điện năng ở chế độ không tải.
5. Các phụ kiện AC Reactor, DC Reactor và điện trở xả có chức năng gì trong hệ thống biến tần thang cuốn?
- Cuộn kháng xoay chiều (AC Reactor): Đặt trước đầu vào biến tần để giảm thiểu méo sóng hài dòng điện trên lưới và triệt tiêu các gai nhọn điện áp.
- Cuộn kháng một chiều (DC Reactor): Đặt trước tụ lọc DC Bus để ổn định điện áp một chiều và chống sụt áp nguồn nuôi IGBT khi hệ thống mang toàn tải.
- Điện trở xả (Braking Resistor): Tiêu tán năng lượng tái sinh sinh ra từ động cơ khi thang cuốn giảm tốc nhanh hoặc hãm dừng khẩn cấp.
Kết luận
Đồ án đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán kỹ thuật phụ tải cơ học, lựa chọn động cơ không đồng bộ ba pha $7{,}5\text{ kW}$ và bộ biến tần LS SV075IG5A-4 cho hệ thống thang cuốn chiều cao $3{,}5\text{ m}$ với công suất vận chuyển 5000 người/giờ. Kết quả mô phỏng trên MATLAB đã kiểm chứng được tính ổn định của hệ truyền động, phản ánh rõ quy luật biến thiên mô-men từ $0$ đến $47{,}46\text{ N.m}$ và xác định thời gian quá độ hồi phục tốc độ dao động từ $1$ đến $4\text{ giây}$ tùy theo biên độ thay đổi tải. Đây là công trình tham khảo có tính hệ thống cao, kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết truyền động điện công nghiệp và phương pháp mô phỏng số.
