Đồ án cẩu giàn trong nhà máy môn kĩ thuật điều kiển động cơ ĐH GTVT TP HCM

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
MÔN HỌC: KĨ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ
ĐỀ TÀI: CẨU GIÀN

TP.Hồ Chí Minh 2017

Nhận xét của giáo viên:


.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................
.........................................................................................................................................

Page 2


PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

Nội dung báo cáo
1. Giới thiệu đề tài..........................................................................................................5
1.1

Nội dung đề tài.....................................................................................................5
Page 3


1.2

Giới thiệu về hệ thống cấu giàn............................................................................5

1.3

Những đặc điểm và yêu cầu của cẩu giàn.............................................................6

1.4

Xây dựng đặc tính cơ............................................................................................7

1.5

Sơ đồ giải pháp.....................................................................................................8

2. Tính tốn và chọn động cơ..........................................................................................9
2.1

Tính tốn và chọn động cơ cơ cấu nâng hạ...........................................................9

2.1.1

Tính tốn phụ tải tĩnh.....................................................................................9

2.1.2

Tính tốn hệ số tiếp điện phụ tải:.................................................................11

2.1.3

Tính tốn cơng suất động cơ nâng hạ...........................................................12

2.1.4

Tính tốn chọn phanh cho cơ cấu nâng hạ...................................................12

2.2

Tính tốn cơ cấu chạy ngang..............................................................................13

3. Chọn thiết bị cho cơ cấu nâng hạ và chạy ngang :.....................................................14
3.1

Cơ cấu nâng hạ :.................................................................................................14

3.1.1

Chọn động cơ:..............................................................................................15

3.1.2

Chọn biến tần và các thiết bị bảo vệ.............................................................17

3.2

Cơ cấu chạy ngang:.............................................................................................28

3.2.1

Chọn động cơ cho cơ cấu chạy ngang..........................................................28

3.2.2

Chọn biến tần và các thiết bị bảo vệ.............................................................31

4. Chọn thiết bị cho mạch điều khiển............................................................................39
4.1.

Chọn MCCB.......................................................................................................35

4.2.

Chọn MCB..........................................................................................................39

4.3.

Chọn rơ le trung gian..........................................................................................39

4.4.

Chọn nút nhấn.....................................................................................................40

4.5.

Nút nhấn dừng khẩn cấp.....................................................................................41

4.6.

Đèn báo Mục đích...............................................................................................41

4.7.

Cáp điện điều khiển Mục đích............................................................................41

5. Mơ tả hoạt động.........................................................................................................42
6. Cài đặt các thông số...................................................................................................44
6.1.

Các thông số dành cho động cơ..........................................................................44

6.1.1.

Động cơ nâng hạ..........................................................................................44
Page 4


6.1.2.
6.2.

Động cơ chạy ngang.....................................................................................44

Cài đặt các thông số dành cho biến tần...............................................................45

6.2.1.

Biến tần nâng hạ...........................................................................................45

6.2.2.

Biến tần chạy ngang.....................................................................................46

Mục lục hình ảnh
Hình 1 Giới thiệu hệ thống cẩu giàn...................................................................................5
Hình 2 Sơ đồ cơ cấu nâng hạ..............................................................................................9
Hình 3 Động cơ nâng hạ...................................................................................................15
Page 5


Hình 4 AC Rearctor..........................................................................................................22
Hình 5 Cầu chì.................................................................................................................25
Hình 6 Bản vẽ loadcell.....................................................................................................27
Hình 7 Động cơ chạy ngang.............................................................................................28

Hình 8 AC Rearctor-cơ cấu chạy ngang...........................................................................34
Hình 9 Cầu chì-cơ cấu chạy ngang...................................................................................37
Sơ đồ 1 Đặc tính cơ nâng-hạ..............................................................................................7
Sơ đồ 2 Dịng khởi động của tải có momen khơng đổi.......................................................7
Sơ đồ 3 Sơ đồ giải pháp......................................................................................................8
Bảng 1 Chọn động cơ nâng hạ..........................................................................................16
Bảng 2 Thông số động cơ nâng hạ...................................................................................16
Bảng 3 Chọn phanh cho động cơ nâng hạ.......................................................................17
Bảng 4 Chọn biến tần động cơ nâng hạ............................................................................18
Bảng 5 Chọn nguồn phanh...............................................................................................19
Bảng 6 Chọn điện trở hãm................................................................................................19
Bảng 7 Chọn Dc chokes...................................................................................................20
Bảng 8 Chọn EMC Filter..................................................................................................21
Bảng 9 Chọn AC Rearctor................................................................................................22
Bảng 10 Chọn MCCB......................................................................................................23
Bảng 11 Chọn Contactor..................................................................................................24
Bảng 12 Chọn cầu chì......................................................................................................25
Bảng 13 Chọn cáp điện cơ cấu nâng hạ............................................................................26
Bảng 14 Chọn loadcell.....................................................................................................27
Bảng 15 Chọn động cơ chạy ngang..................................................................................29
Bảng 16 Thông số động cơ chạy ngang............................................................................29
Bảng 17 Chọn phanh cho động cơ chạy ngang.................................................................30
Bảng 18 Chọn biến tần cho động cơ chạy ngang..............................................................31
Bảng 19 Chọn điện trở hãm cho biến tần động cơ chạy ngang.........................................32
Bảng 20 Chọn DC chokes - cơ cấu chạy ngang................................................................32
Bảng 21 Chọn EMC Filter-cơ cấu chạy ngang.................................................................33
Bảng 22 Chọn AC Rearctor-cơ cấu chạy ngang...............................................................34
Bảng 23 Chọn MCCB-cơ cấu chạy ngang........................................................................35
Bảng 24 Chọn contactor-cơ cấu chạy ngang....................................................................36
Bảng 25 Chọn cầu chì-cơ cấu chạy ngang........................................................................37

Bảng 26 Chọn cáp-cơ cấu chạy ngang..............................................................................38
Page 6


Bảng 27 Chọn cơng tắc hành trình...................................................................................39
Bảng 28 Chọn MCB.........................................................................................................39
Bảng 29 Chọn nút nhấn....................................................................................................40
Bảng 30 Chọn nút dừng khẩn cấp....................................................................................41
Bảng 31 Chọn đèn báo.....................................................................................................41
Bảng 32 Chọn cáp điều khiển...........................................................................................42
Bảng 33 Cài đặt thông số động cơ nâng hạ......................................................................44
Bảng 34 Cài đặt thông số động cơ chạy ngang.................................................................44
Bảng 35 Cài đặt thông số biến tần nâng hạ.......................................................................45
Bảng 36 Cài đặt thông số biến tần chạy ngang.................................................................46

1. Giới thiệu đề tài
1.1 Nội dung đề tài
 Cẩu trong nhà máy bao gồm khâu nâng hạ và chạy ngang, tải M = 5 tấn, vận tốc
nâng hạ 0.5 m/s, vận tốc chuyển động ngang, 0.9 m/s
 Điều khiển cẩu giàn chạy ngang và nâng hạ bằng nút ấn không giữ
 Cơ cấu nâng hạ có điều khiển q trình thắng cơ khi khi nâng và hạ
 Cơ cấu nâng hạ và cơ cấu chạy ngang có bảo vệ hành trình hai đầu khơng cho thiết
bị chạy quá hành trình
 Điều khiển cẩu bằng hộp nút ấn cầm theo có nút ấn tự nhả: nút đi lên, nút đi xuống,
nút qua phải, nút qua trái, nút dừng khẩn cấp
1.2 Giới thiệu về hệ thống cấu giàn

Page 7

Hình 1 Giới thiệu hệ thống cẩu giàn (Nguồn: Internet)

 Trong cơng nghiệp cẩu giàn có nhiệm vụ di chuyển hàng hóa, vật tư, thiết bị từ vị trí
này sang vị trí khác trong các phân xưởng, nhà máy. Cẩu giàn tự động hóa các trình nâng
hạ, bốc xếp hàng hóa, thiết bị làm giảm sức lao động, tăng nâng suất và chất lượng lao
động
 Cấu tạo của cẩu giàn gồm 3 cơ cấu chính: cơ cấu nâng hạ, cơ cấu di chuyển xe con
và cơ cấu di chuyển xe cẩu

 phân loại theo tải trọng :
 Loại nhẹ: dưới 10 tấn
 Loại trung bình: từ 10 – 15 tấn
 Loại nặng: trên 15 tấn
 phân loại theo chế độ làm việc :
 Loại nhẹ TĐ% = 15% , số lần đóng cắt trong một giờ là 60
 Loại trung bình TĐ% = 25 %, số lần đóng cắt trong một giờ là 120
 Loại nặng TĐ% = 40 – 60%, số lần đóng cắt trong một giờ là trên 240
1.3 Những đặc điểm và yêu cầu của cẩu giàn
 Về môi trường làm việc: cẩu giàn thường được lắp đặt trong nhà xưởng hoặc để
ngồi trời, do vậy mơi trường làm việc của cẩu giàn là rất nặng nề, đặc biệt vào mùa đông
Page 8


nhiệt độ môi trường giảm làm cho mômen ma sát trong các ổ đỡ tăng lên do đó làm tăng
mơmen cản tĩnh
 Về chế độ làm việc: cầu giàn làm việc bốc dỡ hàng hóa nhiều lần nên chế độ làm
việc của cầu giàn là chế độ ngắn hạn lặp lại và chế độ làm việc của cơ cấu cầu giàn là cực
kỳ nặng nề: tần số đóng cắt lớn, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảo
chiều liên tục
 Về yêu cầu công nghệ: từ các đặc điểm trên có thể rút ra các yêu cầu đối với hệ

truyền động cầu giàn là:
- Cấu trúc hệ truyền động phải đơn giản
- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản, dễ thay thế
- Cần có mạch bảo vệ quá tải và ngắn mạch
- Cần hạn chế hành trình của xe cầu, xe con, hành trình lên của cơ cấu nâng hạ
- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp

1.4 Xây dựng đặc tính cơ
Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ:

Sơ đồ 1 Đặc tính cơ nâng-hạ
(Nguồn:Bài giảng cơ sở truyền động
điện ĐH.GTVT)
Page 9


Khi nâng tải tốc độ động cơ nhỏ hơn tốc độ không tải lý tưởng nên động cơ
hoạt động ở góc phần tư thứ I
Khi hạ tải dưới tác động của tải trọng tốc độ của động cơ lớn hợn tốc độ không
tải lý tưởng động cơ chuyển sang làm việc ở góc phần tư thứ IV

Sơ đồ 2 Dịng khởi động của tải có momen khơng đổi
(Nguồn: Slide bài giảng KTĐK động cơ)

- Tải mômen không đổi CT cần mơmen khởi động lớn lúc ban đầu
- Dịng khởi động đạt tới hơn 150% định mức trong 1 phút.
- Nếu động cơ khơng khởi động được, hoặc dịng khởi động > 150% quá 1 phút, biến
tần sẽ “trip”.
- Yêu cầu biến tần điều khiển vector
1.5 Sơ đồ giải pháp

Bộ điều khiển
Biến tần chạy
ngang

Biến tần nâng hạ

Động cơ

Hộp số + phanh

Load cell

LW

Page 10

Tải

Động cơ

Hộp số + phanh


LW

LW

Sơ đồ 3 Sơ đồ giải pháp

- Hướng giải quyết:
 Chọn động cơ nâng hạ và chạy ngang của hãng siemens phù hợp với cơng suất
tính tốn
 Chọn biến tần hãng schneider kèm phụ kiện biến tần
 Dùng công tắc hành trình bảo vệ hai đầu
 Chọn các thiết bị bảo vệ cho mạch động lực và mạch điều khiển của hãng ABB
 Thiết kế bản vẽ mạch động lực và mạch điều khiển
 Cài đặt thông số động cơ, biến tần

2. Tính tốn và chọn động cơ
2.1 Tính tốn và chọn động cơ cơ cấu nâng hạ
2.1.1 Tính tốn phụ tải tĩnh
 Sơ đồ cơ cấu nâng hạ:

Hình 2 Sơ đồ cơ cấu nâng hạ
Page 11


(Nguồn: Bài giảng cơ sở truyền động điện ĐH.GTVT)

-

Tỉ số truyền của động cơ
i = = 47.12

Với: bán kính tang trống =150mm
N tốc độ động cơ = 1500(vòng/phút)
tốc độ nâng tải =30(m/phút)

Tính cơng suất và moment:



- Trọng lượng vật nâng : G=5000kg=(50000N)
- Trọng lượng cơ cấu nâng vật ( chọn theo tiêu chuẩn của Nga)
Go=0,25G=5000*0,25=1250kg=(12500N)
-

Momen nâng có tải :
Mn = 221 (N.m)
Trong đó: u: số nhánh của cơ cấu nâng
ŋ: hiệu suất của cơ cấu

-

Cơng suất nâng có tải :
Pn= 34.7 (kw)

-

Momen nâng khơng tải:

-

Momen hạ có tải:
Page 12


-

Momen hạ không tải:

* Các công thức được lấy từ Giáo trình cơ khí – Máy nâng chuyển

2.1.2 Tính tốn hệ số tiếp điện phụ tải:
-

Chiều cao nâng

: H=8m

-

Vận tốc nâng

: v=0,5m/s

=> Thời gian nâng vật

- Nếu coi thời gian của 4 giai đoạn : nâng có tải, hạ có tải ,nâng không tải và hạ
không tải là như nhau => tổng thời gian làm việc (s)
-

Chiều dài di chuyển xe con theo chiều ngang

: L=8m

-

Vận tốc di chuyển xe con theo chiều ngang

: v=0.9m/s

=> Thời gian di chuyển xe con trong chu kỳ làm việc:

- Tổng thời gian móc + dỡ hàng :
=> Tổng thời gian làm việc trong một chu kỳ:

-

Hệ số tiếp điện phụ tải tính theo công thức :
Page 13


- Hằng số thời gian đóng mạch tương đối của động cơ theo tiêu chuẩn tương ứng với
chế độ làm việc nặng nề :
Hệ số tiếp điện tiêu chuẩn: 15%, 25%, 40%, 60%
* Các cơng thức tính tốn được lấy từ chương V sách bài giảng truyền động điệnĐHGTVT

2.1.3Tính tốn cơng suất động cơ nâng hạ
Ta có :
=> + 15% quá tải = 35.7 + 5.3 = 41 (kw)

 Vận tốc tang cuống :

2.1.4 Tính tốn chọn phanh cho cơ cấu nâng hạ
Trong quá trính hoạt động, nếu xảy ra xự cố bất thường như tuột cáp, vật nâng đang di
chuyển bị va đập chướng ngại vật hoặc trường hợp cần dừng khẩn cấp. vì vậy chúng ta
cần phải có thiết bị hãm để dừng chuyển động của hệ thống lại để tránh gây hư hại cho
các bộ phận khác hoặc tránh gây tai nạn xảy ra

-

Trong đó:

Momen của hệ thống:

Gđm : tải trọng định mức
Go : trọng lượng của cơ cấu bốc hàng
Page 14


Rt : bán kính của tang trống
i : tỉ số truyền
u : số mạch nhánh của ròng rọc

Momen của cơ cấu phanh:
(Chọn k = 2)
Với hệ số k : 1.5

: chế độ làm việc nhẹ

1.75

: chế độ làm việc trung bình

2

: chế độ làm việc nặng

2.5

: chế độ làm việc rất nặng

 Dựa vào các số liệu tính tốn được ta chọn được động cơ theo yêu cầu sau:






Động cơ 4 cực,tốc độ rotor :1500 (v/p)
Động cơ có cơng suất :41 (kw)
Tỉ số truyền của động cơ :47.12
Tốc độ đầu ra của động cơ : 32 (v/p)
Momen phanh :354 N.m

2.2 Tính tốn cơ cấu chạy ngang
- Tải trọng nâng:

G= 5000kg = 50000N

-

Trọng lượng xe con (kể cả bộ phận mang vật):

G0 = 200kg = 2000N

-

Vận tốc di chuyển xe con:

v = 0.9m/s = 54m/p

-

Bán kính bánh xe:

r bx = 65mm => Dbx = 130mm

-

Bán kính cổ trục bánh xe:

r ct = 20mm

-

Tốc độ quay của bánh xe:
nbx = = = 132,2v/p

-

Tỷ số truyền hộp giảm tốc:
Page 15


igt = = = 11,34
-

Lực cản chuyển động của xe:

F =(kt . vct’+f)kbr = 6192N
Trong đó:
+ g = 10m/s2 (gia tốc trọng trường)
+ kt = 8.10-4; f: hệ số ma sát lăn: 5.10-4
+ kbr = 1,5: hệ số ma sát bánh xe và ray(1,25-1,65)

-

Bán kính cổ trục:

rct= 0.02

-

Momen động cơ sinh ra để thắng lực cản chuyển động:

M = = = 39,4N.m
 Công suất động cơ sinh ra để thắng lực cản chuyển động:
P = = 6,2kw
 Dựa vào các số liệu tính tốn được,ta chọn động cơ gắn liền hộp giảm tốc theo u cầu
sau:
-Động cơ có cơng suất thấp nhất là 6,2kw
- Tốc độ đầu ra của động cơ sau hộp số là 132 v/p
- Tỉ số truyền của động cơ là 11.34
- Momen quay 39.4 N.m
- Động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại
- Động cơ có tích hợp hộp số.
* Các cơng thức được lấy từ Giáo trình cơ khí – Máy nâng chuyển

Page 16

3. Chọn thiết bị cho cơ cấu nâng hạ và chạy ngang :
3.1 Cơ cấu nâng hạ :
3.1.1 Chọn động cơ:
Yêu cầu






Động cơ 4 cực,tốc độ rotor :1475 (v/p)
Động cơ có cơng suất :41 (kw)
Tỉ số truyền của động cơ :47.12
Tốc độ đầu ra của động cơ : 32 (v/p)
Momen phanh :354 N.m

Theo tính tốn nhóm chọn động cơ nâng hạ của hãng siemens gắn liền với hộp số giảm
tốc, loại động cơ bánh răng trục song song với động cơ
Động cơ có mã hiệu FZ.168B-LG225ZM4E có các thơng số sau

Page 17


Công suất
Tốc độ định mức
Tỉ số truyền
Điện áp định mức
Tốc độ đầu ra

Dịng định mức
Hệ số cơng suất

45 kw
1475 v/p
45.25
400v
33 v/p
80 A
0.87

Hình 3 Động cơ nâng hạ
(Nguồn: catalog động cơ trang
13)

Page 18


Bảng 1 Chọn động cơ nâng hạ (Nguồn: catalog động cơ trang 310)

Bảng 2 Thông số động cơ nâng hạ (Nguồn: catalog động cơ trang 926)

Page 19


Chọn phanh theo khuyến cáo của nhà sản suất:
Ứng với động cơ momen định mức là 291 N.m thì chọn phanh có mã L400/300 với
momen phanh là 300N.m ứng với kích thước motor là 225 (catalogue động cơ trang
868)

Bảng 3 Chọn phanh cho động cơ nâng hạ (Nguồn: catalogue động cơ trang 868)

3.1.2 Chọn biến tần và các thiết bị bảo vệ.
3.1.2.1 Chọn biến tần:
- Là biến tần điều khiển vector.
- Dùng để điều khiển động cơ.
- Phù hợp với cơng suất động cơ

NHĨM CHỌN BIẾN TẦN CỦA HÃNG SCHNEIDER
Page 20


 Yêu cầu: dựa vào động cơ đã chọn ta chọn biến tần phù hợp với yêu cầu sau:
• Biến tần chuyên dùng cho thiết bị nâng hạ
• Biến tần có cơng suất 45 KW
• Biến tần điều khiển vector
Dựa vào yêu cầu ta chọn được biến tần ATV71 của hãng schneider mã hiệu
ATV71WD45N4

Bảng 4 Chọn biến tần động cơ nâng hạ (Nguồn: catalog biến tần trang 21)

 Điện áp : 3 Pha 380AC
- Cơng suất : 45KW
- Dịng định mức đầu vào: 104A
- Dòng định mức đầu ra :94A
 Chọn card I/O mở rộng
- Mục đích: để điều khiển phanh động cơ
- Nhóm chọn card I/O mã VW3 A3E 201 của hãng Schneider (catalog biến
tần trang 55)

 Nguồn phanh cấp cho cấu nâng hạ và chạy ngang

Page 21


Bảng 5 Chọn nguồn phanh (Nguồn: catalog động cơ trang 870)

Theo khuyến cáo của NSX ta chọn bộ nguồn có điện áp ra là 24v dc có tên mã C66

3.1.2.1 Chọn các thiết bị bảo vệ
 Chọn điện trở hãm, phanh hãm theo catalog của biến tần.
- Điện trở hãm có chức năng:giúp biến tần xả bớt năng lượng dư thừa lúc này động
cơ chuyển thành máy phát.
- Được chọn theo hướng dẫn của biến tần
Điện trở hãm có giá trị 5 ohm


Bảng 6 Chọn điện trở hãm (Nguồn: catalog biến tần trang 68)

 Dc chokes (cuộn kháng dc)
- Giúp ổn định dòng ra
- Giảm nhiễu cho dòng
- Hạn chế dòng khởi động,dòng ngắn mạch
Page 22


Dựa vào catalog của biến tần ta chọn cuộn cảm kháng có mã hiệu VW3A4511 (
catalog biến tần trang 79)

Bảng 7 Chọn Dc choke (Nguồn: ( catalog biến tần trang 79)

 EMC Filter (bộ lọc sóng điện từ)
Dùng để lọc sóng điện từ đầu vào biến tần
Dựa vào catalog của biến tần ta chọn EMC Filter có mã hiệu VW3A4408 ( catalog biến
tần trang 87)

Page 23


Bảng 8 Chọn EMC Filter (Nguồn: catalog biến tần trang 87)

 Chọn AC reactor
→Yêu cầu:
• Chọn AC reactor để giảm sóng hài cho biến tần (theo khuyến cáo của nhà sản
xuất)
→ Giải pháp : Nhóm chọn AC reactor co tên mã KDRF2L. Có dịng định mức đầu
ra là 65A.
(Catalog AC Reactor trang 2)
Page 24


Hình 4 AC Rearctor (Nguồn:
catalog AC Reactor trang 1)

Bảng 9 Chọn AC Reactor (Nguồn: Catalog AC Reactor trang 2)

 Chọn MCCB: Dùng để bảo vệ quá tải và ngắn mạch cho mạch động lực
 Yêu cầu :
- Iđm của MCCB >=1,2 Iđm của biến tần
- Dòng ngắn mạch cực đại In > hoặc = 36KA

 Giải pháp:
- Ở đây nhóm chọn MCCB của hãng ABB ( catalog MCCB trang 6 ) mã sản phẩm
1SDA050923R1

Page 25