đồ án điện cơ thiết kế bộ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục 20 tấn

Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Mục lục 1
Lời nói đầu 3
Đề bài 4
Chơng I.Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động
1.1 Giới thiệu cầu trục 5
1.2 Đặc điểm công nghệ 6
1.3 Yêu cầu công nghệ 7
a Truyền động ăn dao 7
b Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động 7
c Yêu cầu về hàm và dừng khẩn cấp 7
d Độ chính xác 7
e Những yêu cầu khác 7
Chơng II.Lựa chọn phơng án truyền động
2.1 Hệ truyền động một chiều 7
2.1.1 Hệ truyền động máy phát động cơ điên (F-Đ) 8
2.1.2 Hệ truyền động máy phát động cơ (T-Đ) 8
2.2 Hệ truyền động xoay chiều 9
2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi
điện trở mạch rotor 9
2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phơng pháp tần số 10
2.2.2.1 Nguyên lý điều chỉnh tần số 10
2.2.2.2 Các loại biến tần 10
Chơng III.Tính chọn công suất động cơ
3.1 Tính chọn công suất động cơ 13
3.2 Tính phụ tải tĩnh 13
3.3 Tính hệ số tiếp điện tơng đối TĐ% 14
3.4 Chọn sơ bộ công suất động cơ theo hệ số tiếp điện tơng đối 14
3.5 Kiểm nghiệm công suất động cơ 14
Chơng IV.Tính toán mạch lực
4.1 Tính toán bộ nghịch lu 17

19
4.2 Tính toán bộ chỉnh lu 18
4.3 Tính toán các tham số cho tổng hợp 18
1
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
4.4 Tính các thiết bị đo 20
4.4.1 Máy phát tốc 20
4.4.2 Phản hồi dòng 20
Chơng V.Tổng hợp hệ điều chỉnh
5.1 Luật điều chỉh từ thông không đổi 22
5.2 Sơ đò cấu trúc và khai triển mạch vòng dòng điện 24
5.3 Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 25
5.4 Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá 27
5.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 28
5.6 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 29
Chơng VI.Thiết kế nguyên lý mạch điều khiển
6.1 Mạch điều khiển chỉnh lu 35
6.2 Mạch điều khiển nghịch lu 36
6.3 Các mạch bảo vệ 41
Kết luận 42
Tài liệu tham khảo 42
2
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
lời nói đầu
Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đa lại những
ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá của mỗi đất n-
ớc.Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về điều khiển cũng
lần lợt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý điều khiển tối u
các hệ thống truyền động trong công nghiệp.Là một nớc đang trong quá trình xây dựng
nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm vụ hiện nay là thực hiện thành công quá

trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đất nớc ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những
ứng dụng manh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đa
lại năng suất lao động cao hơn, cạnh tranh đợc với các nớc trong khu vực và thế giới.
Từ trớc đến nay cầu trục luôn đợc sử dụng phổ biến trong các nhà máy xí nghiệp,
kho, bến bãi, hải cảng Nhng để đa ra giải pháp điều khiển giúp tối u cho các chỉ tiêu
chất lợng của hệ truyền động cầu trục thì ta cần quan tâm mấy điểm sau đây: Động cơ
không đồng bộ ba pha thuộc loại động cơ đợc sử dụng rộng rãi hơn động cơ một
chiều vì có giá thành rẻ, vận hành an toàn sử dụng trực tiếp lới điện công nghiệp. Mặt
khác, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật vi điện tử đã
tăng khả năng sử dụng động cơ điện KĐB ba pha ngay cả khi yêu cầu cần điều chỉnh
tự động truyền động trong phạm vi rộng có độ chính sác cao mà trớc đây phải dùng
động cơ điện một chiều. Điều này càng đặc biệt có ý nghĩa khi hệ thống làm liệc trong
mối trờng có hoá chất ăn mòn, bịu bẩn, cháy nổ. Trong môi trờng này sử dụng động cơ
KĐB rotor lồng sóc sẽ an toàn và tin cậy hơn nhiều.so với động cơ một chiều. Mặt
khác phơng pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc bằng cách thay đổi
tần số dòng điện stator có u điểm nổi bật so với phơng pháp khác là:
Tốc độ đợc điều chỉnh trong phạm vi rộng
Độ cứng đặc tính cơ đảm bảo yêu cầu
Do đó ta thiết kế đồ án với hệ truyền động bằng bộ biến tần nguồn dòng có các
nhiệm vụ chính là:
-Giới thiệu về công nghệ của cầu trục.
-Tổng hợp hệ thống( bao gồm tổng hợp mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng
điện)
-Thiết kế mạch điều khiển cho hệ truyền động.
Trong quá trình tính toán thiết kế còn sử dụng phần mềm mô phỏng Simulink, là
phần mềm có tính năng rất mạch trong việc mô phỏng các hệ truyền động điện.
Qua một thời gian tơng đối ngắn với số lợng công việc cũng đáng kể do đó đồ án
này chắc chắn còn có những thiếu sót, với sự nổ lực của bản thân em rất mong nhận đ-
ợc ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo.
Hà Nội, ngày 28 tháng 6 năm 2002

Sinh viên thực hiện
Phạm Gia Điềm
3
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Trờng Đại Học Bách Khoa Hà Nội
Bộ môn Tự Động Hoá
thiết kế môn học
truyền động điện
Tên đề tài:
Thiết kế môn học truyền động điện.
Nội dung:
Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục 20 tấn
Số liệu kỹ thuật:
Tải trong định mức của tải G
đm
= 20 Tấn
Tải trọng định mức của cẩu G
0
= 1 Tấn
Bán kính tay nâng R
t
= 0,4 m
Bội số của hệ thống ròng rọc u = 1
Tỉ số truyền i = 75
Hiệu suất cơ cấu truyền động
c
= 0,82
Thầy giáo hớng dẫn: PGS-PTS Bùi Quốc Khánh
Sinh viên thực hiện: Phạm Gia Điềm
Lớp: Tự Động Hoá 3_K43

4
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Chơng I
Đặc điểm công nghệ và yêu cầu chuyển
động
1.1 Giới thiệu cầu trục:
Cầu trục điện đợc sử dụng trong nhiều ngành kinh tế khác nhau nh các nhà
máy cơ khí, xí nghiệp luyện kim, công trờng xây dựng, hải cảng, kho bãi Nó
bao gồm nhiều loại, nhiều kiểu khác nhau: Loại mono ray, loại cầu trục chạy trên
dầm treo, loại cầu trục chạy trên nhà xởng, loại cổng trục, loại cầu trục quay, loại
cầu trục không cần ray chạy Theo một số loại palang
Palăng một tốc độ:
Loại tiêu chuẩn 0,5 ữ 15 tấn
Loại thân ngắn 1 ữ 3 tấn
Loại dầm đôi 3 ữ 50 tấn
Palăng hai tốc độ:
Loại tiêu chuẩn 0,5 ữ 15 tấn
5
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Loại thân ngắn 1 ữ 3 tấn
Loại dầm đôI 3 ữ 50 tấn
Cấu tạo đơn gian một cầu trục gồm có: Palăng, móc treo tải, dầm trục
chính, đờng ray, bảng điều khiển, ray chạy dọc
3
2
1
1.2 Đặc điểm công nghệ:
Cầu trục thờng có ba chuyển động chính: Chuyển động nâng hạ( của bộ
phận nâng tải ) chuyển động ngang của xe cần. Các động cơ đều làm việc ở chế
độ ngắn hạn lặp lại. Số lần đóng cắt điện lớn, điều kiện môi trờng nặng nề, đặc

biệt là cầu trục ngoài trời, hải cảng trên mặt nớc, ở các nhà máy hoá chất và
luyện kim.
Các thiết bị điện cầu trục phải đảm bảo yêu cầu năng suất, an toàn và đơn
giản đảm bảo yêu cầu về năng suất an toàn và đơn giản trong các thao thác.
Các động cơ chuyển động phải có khả năng đảo chiều quay, phạm vi điều
chỉnh tốc độ rộng và có các đặc tính cơ bản thoả mãn yêu cầu công nghệ VD:
Các cầu trục lắp ráp phải thoả mãn yêu cầu về dờng chính xác nên đòi hỏi các đ-
ờng đặc tính cơ cứng có đờng đặc tính cơ thấp có nhiều đờng đặc tính trung gian
để mở và hãm êm. Việc điều chỉnh tốc độ các cơ cấu đều thực hiện bằng phơng
pháp điện.
Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện điện từ để giữa chặt các
trục chuyển động khi động cơ mất điện ở các cầu trục di chuyển kim loại nóng
chảy để an toàn ngời ta dùng phanh hãm điện từ trên trục động cơ.
Mạng điện cung cấp cho trục không vợt quá 500V. Mạng điện xoay chiều:
220V, 380V, mạng điện một chiều là 220V, 440V. Điện áp chiếu sáng không vợt
quá 220V, điện áp sửa chữa phải nhỏ hơn 36V. Không đợc dùng máy biến áp tự
ngẫu để cung cấp điện cho mạch chiếu sáng và sửa chữa.
Các mạch điện và các động cơ phải đợc bảo vệ ngắn mạch và quá tải trên
200% bằng rơ le dòng điện cực đại. Không dùng rơle nhiệt vì các động cơ làm
việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Trong việc không chế phải bố trí khâu bảo vệ
không để động cơ tự khởi động khi điện áp lới tợ phục hồi.
Để đảm cho ngời và thiết bị vận hành trong sơ đồ khống chế phải có công
tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi lên vị trí giới hạn
( Đối với cơ cấu nâng chỉ hạn chế hành trình nâng mà không cần hạn chế hành
trình hạ ).
Gia tốc của cầu trục là một thông số hết sực quan trọng. Hầu hết cầu trục
có hạn chế gia tốc. ở bộ phận nâng hạ cầu trục có yêu cầu hạn chế gia tốc. ở bộ
6
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
phận nâng hạ cầu trục gia tốc cho phép thờng đợc quy định theo khả năng chịu

đựng phụ tải động cơ của cơ cấu. VD: đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục gia tốc
phải nhỏ hơn 0,2
2
s
m
để không bị giật đứt dây cáp.
1.3 Yêu cầu công nghệ:
a. Đặc tính tải:
Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là phụ tải thế năng. Động cơ cho truyền động
nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Có đảo chiều.
b. Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động:
Đối với truyền động nâng hạ tải gia tốc khởi động nhỏ nhất là t
kđ


5v (s)
với v - tốc độ nâng tải (m/s)
Thời gian hãm cũng đợc tính tơng tự nh trên
c. Yêu cầu về hàm và dừng khẩn cấp:
Sử dụng phanh hãm để hạn chế tốc độ khi chuẩn bị dừng và khi mất điện
phanh hãm phải dừng truyền động ở hiện trạng tránh rơi tự do.
Dừng chính xác tại nơi lấy và trả tải.
d. Độ chính xác:
Dải điều chỉnh tốc độ
1
30
05,0
5,1
D
min

max
==


=
e. Những yêu cầu khác:
Vấn đề tính chọn công suất động cơ.
Đảm bảo chiều quay
Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trớc động cơ không bị đốt nóng
quá mức.
Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy
định
Không cho phép tăng công suất động cơ lên quá lớn:
Tăng công suất lên quá lớn làm cho tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu
nâng hạ) có thể dẫn tới tải bị giật mạch và có thể đứt dây treo.
Tăng vốn đầu t ban đầu.
Phải thiết kế để cơ cấu làm việc an toàn ở chế độ nặng nề nhất.
Các thiết bị cầu trục phải đảm bảo làm việc an toàn ở điện áp bằng 85%
điện áp định mức.
Khi không có tải trọng (không tải) mô men của động cơ không vợt quá
(15ữ20)% M
đm
, đối với cơ cấu nâng của cầu trục gầu ngoạm đạt tới 50% M
đm
, đối
với động cơ di chuyển xe con bằng (50ữ55)% M
đm
.
7
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43

Chơng ii
Lựa chọn phơng án truyền động
Chọn phơng án truyền động là chọn phơng pháp điều chỉnh động cơ của
cầu trục là tối u nhất đảm bảo mọi yêu cầu về công nghệ của cầu trục. Cầu trục
làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có đảo chiều quay. Động cơ dùng cho cầu
trục có thể là động cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều. ở đây ta đa ra các ph-
ơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
2.1 Hệ truyền động điện một chiều:
2.1.1 Hệ chuyển động máy phát - động cơ điện(F-Đ):
Trong hệ thông F-Đ nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ biến đổi máy
điện (máy điện một chiều kích từ độc lập)
Động cơ Đ truyền động máy sản xuất MSX đợc cấp điện phần ứng từ máy
phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện
không đồng bộ ĐK. Động cơ ĐK cũng kéo luôn máy phát kích từ K để cấp điện
áp cho động cơ Đ và máy phát F. Biến trở R
kk
dùng để điều chỉnh dòng kích từ
của máy phát tự kích K nghĩa là để điều chỉnh điện áp phát ra cấp cho các cuộn
kích từ nmáy phát KT
F
và cuộn kích từ động cơ KT
Đ
. Biến trở R
KF
dùng để điều
chỉnh dòng kích từ máy phát F do đó điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát F
đặt vào phần ứng động cơ Đ. Biến trở R
KĐ
dùng để điều chỉnh dòng kích từ động
cơ, do đó thay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi tờ thông.

Phơng trình đặc tính cơ của hệ F-Đ
=

+


=
0
2
M
)K(
RR
k
E
D
uFuD
D
F
Ưu điểm: Phạm vi điều chỉnh tăng lên. Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng
trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên
tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giẩn. Trạng thái làm việc linh hoạt khả năng quá
tải lớn. Có thể thực hiện hãm điện.
Nhợc điểm: Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá
75%), cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn. Công suất đặt máy lớn. Vốn
đầu t ban đầu cao. Điều chỉnh sâu bị hạn chế.
2.1.2 Hệ truyền động chỉnh lu - động cơ (T-Đ)
Hệ truyền động T-Đ là hệ truyền động cơ điện một chiều kích từ độc lập,
điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc đặt
vào phần cảm của động cơ thông qua các bộ BĐ chỉnh lu thyristor
8

Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Ưu điểm: Hệ thống T-Đ có khả năng điều trơn ( ~ 1) và phạm vi điều
chỉnh rộng ( D ~ 10
2
ữ 10
3
). Hệ có độ tin cậy cao quán tính nhỏ hiệu suất lớn
không gây ồn.
Nhợc điểm: hệ T-Đ là trị số cos thấp, nhất là khi điều chỉnh sâu. Dòng
điện chỉnh lu có biên độ đạp mạch cao, gây ra tổn hao phụ trong động cơ và có
thể sấu điện áp nguồn.
2.2 Hệ thống truyền động xoay chiều:
2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện trở mạch
rotor:
Động cơ KĐB có thể điều chỉnh tốc độ KĐB bằng cách điều chỉnh điện
trở mạch rotor, trong mục này chúng khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trơn điện
trở mạch rotor bằng các van bán dẫn, u thế của phơng pháp này là dễ tự động hoá
việc điều chỉnh.
Điện trở trong mạch rotor động cơ KĐB Rr = Rrd+Rf
Trong đó Rrd điện trở dây quấn rotor
Rf điện trở ngoài mắc thêm vào rotor
Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rotor thì mômen tới hạn của động cơ KĐB
không thay đổi và độ trợt tới hạn thì tỷ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi đoạn đặc
tính làm việc của động cơ KĐB tức là đoạn có độ trợt từ s = 0 tới s = sth là thẳng
thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết0
Trong đó s là độ trợt khi điện trở mạch rotor là Rr
s
i
là độ trợt khi điện trở mạch roto là Rrd

Nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mômen cũng không đổi và phụ
thuộc vào tốc độ động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng phơng pháp điều chỉnh điện
trở mạch rotor cho truyền động có mômen tải không đổi
Mạch điều khiển gồm điện trở Ro nối song song với khoá bán dẫn T1.
Khóa T1 sẽ đợc đóng ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị điện trở trung
bình của toàn mạch. Khi T1 đóng điện trở Ro bị loại ra khỏi mạch dòng điện
rotor tăng lên. Khi T1 ngắt điện trở Ro lại đợc đa vào mạch dòng điện rotor lại
giảm xuống. Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện
rotor coi nh không đổi và có một giá trị điện trở tơng đơng Re trong mạch. Thời
gian ngắt tn = T-tđ
Nếu điều chỉnh trơn tỉ số giữa thời gian đóng và thời gian ngắt ta điều
chỉnh trơn giá trị điện trở trong mạch rotor
9
i
s
rd
R
I
2
r
3
M
ì
ì
=
rd
R
r
R
i

ss
=
Ro
T
td
Ro
tntd
td
RoRe
==
+
=
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Điện trở tơng đơng trong mạch 1 chiều tính đổi về mạch xoay chiều ở
rotor theo qui tắc bảo toàn công suất tổn hao trong mạch rotor.
Cơ sở để tính tổn hao công suất là nh nhau.
Khi dùng chỉnh lu cầu ba pha thì điện trở tính đổi là:
Khi có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng dợc đặc tính cơ theo phơng pháp
thông thờng, họ đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ
tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf = 0,5Ro
Để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen có thể nối tiếp điện trở
Ro với một tụ điện có điện dung đủ lớn.
Ưu điểm: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, có khả năng điều chỉnh trơ tốc
độ.
Nhợc điểm: Chỉ sử dụng đợc với yêu cầu không cao về điều chỉnh tốc độ,
chỉ thích hợp với tải có mô men không đổi, tổn hao trên điện trở lớn.
2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phơng pháp tần số:
Phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần nguồn áp,
cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công
nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của

hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói
riêng. Trớc hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động
cơ cùng một lúc nh các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn ph-
ơng pháp này còn đợc ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu
có yêu cầu tốc tốc độ cao nh máy ly tâm, máy mài. Đặc biệt là hệ thống điều
chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ
KĐB rotor lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc giá thành hạ có thể làm
việc trong nhiều môi trờng
Nhợc điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp.
Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lới chung mà từ một bộ
biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc
lập với nhau. Trong phần này đề cập đến hai nội dung: Nguyên lý điều chỉnh tốc
độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong hệ
truyền động biến tần - động cơ KĐB
2.2.2.1 Nguyên lý điều chỉnh tần số:
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi
của điện áp stato đợc rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB
s = 2..fs
Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từ
thông: Es = C..fs
Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stato tức coi
Vậy đồng thời với việc điều chỉnh tần số ta phải điều chỉnh cả điện áp
nguồn cung cấp. Từ công thức trên ta thấy khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên
điện áp nguồn Us không đổi thì từ thông động cơ sẽ biến thiên
10
fsCEsUs
X
s
R
s

IsUs

=+=
0
22
2
0
R
e
R
2
1
f
R
ì=ì=
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
*Khi s giảm từ thông của động cơ lớn lên làm cho mạch từ bão hoà và dòng
điện từ hoá lớn lên. Do các chỉ tiêu năng lợng xấu đi và đôi khi nhiều động cơ
còn phát năng lợng quá mức cho phép.
*Khi s tăng từ thông của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không
đổi thì theo biểu thức M = k..I.n.cos ta thấy dòng điện rotor Ir phải tăng
lên.Vậy trong trờng hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép thì phải
non tải. Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen cho phép và khả năng quá tải của
động cơ giảm xuống.
Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất là khi điều chỉnh
tốc độ bằng phơng pháp biến đổi tần số ngời ta còn phải điều chỉnh cả điện áp và
dòng điện theo hàm của tần số và phụ tải
Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máy sản xuất có thể đ-
ợc thực hiện trong hệ kín. Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần
cho trớc nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải

Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điều chỉnh tần số đảm bảo
độ cứng đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và
phụ tải ngoài ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối u trong chế độ tĩnh
2.2.2.2 Các loại biến tần :
Gồm hai loại: Biến tần trực tiếp
Biến tần gián tiếp
Biến tần trực tiếp:
Điện áp vào BT có điện áp U
1
và tần số f
1
chỉ qua một mạch van là ra ngay tải với
tần số f
2
,U
2
.
Đặc điểm:
Hiệu suất biến đổi năng lợng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng
.Thực hiện hãm tái sinh năng lợng mà không cần mạch điện phụ.
Hệ số công suất thấp,tần số đIều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn
cung cấp.Thờng dùng cho hệ truyền động công suất lớn,tốc độ làm việc thấp.
Biến tần gián tiếp:
Biến tần nguồn áp:
Đặc điểm là điện áp ra trên tải đợc định hình sẵn còn dạng dòng điện tải
lại ít phụ thuộc vào tính chất tải .Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải đợc
thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lu .Phơng
pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lới
11
BT

U
1
,f
1
U
2
,f
2
U
2
,f
2
U
1
,f
1
L
C
CL
NL
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Biến tần nguồn dòng :
Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng đợc sử dụng rộng rãi để điều
khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rotor lồng sóc. Sơ đồ gồm một cầu chỉnh
lu và một cầu biến tần, mỗi tiristor đợc nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôt
chặn.
Tóm lại: Qua phân tích ở trên ta phơng án điều khiển Động cơ không
đồng bộ rotor lồng sóc bằng biến tần.
12
L

CL
NL
U
1
,f
1
U
2
,f
2
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Chơng iiI
Tính chọn công suất động cơ
Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ
3.1 Các thông số của hệ thống:
Tải trong định mức của tải G
đm
= 20 Tấn
Tải trọng định mức của cẩu G
0
= 1 Tấn
Bán kính tay nâng R
t
= 0,4 m
Bội số của hệ thống ròng rọc u = 1
Tỉ số truyền i = 75
Hiệu suất cơ cấu truyền động
c
= 0,82
Chọn vận tốc nâng: v

nâng
= 15 m/phút = 0,25 m/s
3.2 Tính phụ tải tĩnh:
Tỷ số truyền:
p/v716
4,0.14,3.2
24.75
R2
iv
n
v
nR2
i
t
t
==

=

=
Mômen khi nâng không tải (

= 0,258)
m.N202kGm67,20
75.82,0
1000.4,0.1
ui
RG
M
t0

no
==

=
13
7
1
2
3
4
Fcáp
5
6
G
G
0
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Mômen khi hạ không tải
m.N5,97kGm96,9)
258,0
1
2(
1.75
1000.4,0.1
)
1
2(
u.i
RG
M

t0
h
0
==

=
Mômen trên trục động cơ khi nâng tải định mức:
m.N1340kGm5,136
82,0.1.75
1000.4,0)120(
iu
R)GG(
M
c
t0
n
==
+
=

+
=
Mômen trên trục động cơ khi hạ với tải bằng định mức

+
=










+
=
82,0
1
2
1.75
1000.4,0).120(1
2
i.u
R)GG(
M
c
t0
h
= 87 kGm = 850 N.m
Mômen hạ không tải
0
h

M
< 0 có nghĩa là cơ cấu làm việc ở chế độ hạ động lực.
3.3 Tính hệ số tiếp điện t ơng đối TĐ%:
Khi tính toán hệ số tiếp điện tơng đối ta có thể bỏ qua thời gian mở máy
và hãm máy.
Chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ bao gồm 4 giai đoạn chính: Hạ không
tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Giữa các giai đoạn trên còn có thời gian
nghỉ.
Giả thiết tốc độ làm việc và chiều cao nâng hạ trong các giai đoạn nh sau:

== s3060
V
H
4T
lv
Giả sử vận tốc xe cầu là 100m/phút và giả thiết lấy tải từ đầu phân xởng
đến cuối phân xởng.
=>

== s9060.
v
l
.2T
nghi
=>

=+=+= s1209030TTT
nghilvCK
Hệ số tiếp điện tơng đối.
%25100.

120
30
%100.
T
T
%TD
CK
lv
===
3.4 Chọn sơ bộ công suất động cơ theo hệ số tiếp điện t ơng đối:
Chọn sơ bộ công suất động cơ theo phụ tải đẳng trị kết hợp với hệ số tiếp
điện tơng đối:
)m.N(400
120
5.7)5,972028501340(
T
tM
M
2222
kc
i
2
i
dt
=
+++
==

Công suất động cơ chọn sơ bộ sẽ là:
kW30

9550
720400
9550
n.M
P
dmdt
c
=
ì
==
Công suất quy đổi tơng đối ứng với hệ số tiếp điện chuẩn 25%
kW30
25
25
30
%TD
%TD
PP
tc
Ccqd
===
3.5 Kiểm nghiệm công suất động cơ:
Từ công suất chọn sơ bộ ta chọn động cơ rotor dây quấn có các thông số
sau:
14
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
MTKb 512-8 380/220V 50Hz TĐ 25%
P
đm
= 37 kW

dm
th
M
M
= 3,6
dm
kd
M
M
=3,3
U
đm
=380 V; n
đm
= 720v/p
I
stdm
= 104A; R
s
= 0,08; X
s
= 0,17; R
r
= 0,19; X
r
= 0,16
J = 1,32 kgm
2
Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác.

Xét đến thời gian mở máy, hãm
máy và thời gian nghỉ của động cơ
t
1
: thời gian hạ không tải t
3
: thời gian hạ tải định mức
t
01
: thời gian lấy tải t
03
: thời gian lấy tải
t
2
: thời gian nâng tải định mức t
4
: thời gian nâng không tải
t
02
: thời gian di chuyển dọc t
04
: thời gian di chuyển dọc
Trong đồ thị phụ tải trên thời gian khả động khi hạ tải sẽ rất nhỏ và có thể
coi xấp xỉ bằng 0 vì lúc đó mômen thế năng của tải và mômen cực đại của động
cơ sẽ có trị số rất lớn.
Tính thời gian khởi động khi nâng và hạ tải định mức:
Đối với truyền động hạ tải gia tốc không đợc vợt quá 0,2 m/s
2
. Suy ra thời
gian khởi động nhỏ nhất là:

V5t
kd

Trong trờng hợp này chọn t
kd
là nhỏ nhất là: 5x0,4 = 2s.
Tơng tự đối với hãm t
h
= 2s


t
n
=
sttt
hmmdlv
10=++

t
no
= 7s
t
h
= 8s
t
ho
= 6s

TĐ%=
%8,25

120
31
=
120
65,9772028850101340
M
2222
dt
ì+ì+ì+ì
=
= 448 N.m
15
t
1
t
2
t
01
t
02
t
3
t
4
t
0 3
t
04
t
M W

M(t)
w(t)
0
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43

P
đcơ
=
9550
720448ì
=33,8 kW
Quy đổi về TĐ% = 25%
25
8,25
8,33P
c
=
= 34,3kW
Mômen động cơ =
720
955037 ì
= 490 N.m > M
dt
=>Theo diều kiện chọn công suất động cơ và yêu cầu truyền động cầu trục ta
chọn động cơ MTKB 512-8

16
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Chơng iV
Tính toán mạch lực

Sơ đồ mạch lực:
Các tham số động cơ:
U
fđm
= 220V; I
fđm
= 91A;
dm
cos
= 0,72; P=37kW
4.1 Tính toán bộ nghịch l u:
V370
cos63U
U
cos
U
63
U
A7,116
6
.I
I
6
II
1s
d
1
d
1s
1s

dd1s
=


=


=
=

=

=
Dòng chảy qua các van T
1


T
6
và D
1

D
6
chính bằng dòng chảy qua
các pha của stato động cơ I = 91A.
Điện áp ngợc mở van phải chịu là: U
d
= 370 V
Chọn hệ số dự trữ về dòng và áp k = 2

=ì=
=ì=
V740V3702U
A182912I
c
c
Dùng để chọn cả T và D

Chọn Diôt loại B - 200 có các thông số sau:
LoạI I
tb
(A) U
im
(V)
U(V)
Tốc độ quạt(m/s)
B-200 200 750 0.7 12

Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau:
Loại I(A) U
im
(V)
U(V) T
off
(às)
I

g
(V) U
g
(V)
du/dt(V/às)
TL.250 250 750 0,82 70-250 0,4 8 20-200
Tụ chuyển mạch C1 - C6 đợc tính theo công thức
17
L
T1 T3
T5
T4 T6 T2
A
B
C
T1 T3 T5
C1
C2
C3
D1 D3 D5
D4 D6 D2
C4
C5
C6
T4 T6 T2
Id
Ud
Is
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
2

mn
m
maxm
1m
max
L
If
U
202,0L
fU
fI
91,0666,0C






+=
Trong đó:
- f
n
: tần số định mức 50Hz
- f
max
: tần số cực đại 100Hz
- I
m
: dòng từ hoá
A5,63)(cos191I

2
m
==
- I
n
: dòng định mức 91A
- L: điện cảm một pha (rôto+stato) = 2x7,3.10
-3
H
- U
m
: biên độ cực đại điện áp dây = 380V
2
33
max
10.6,14
50.5,63
380
202,010.6,14
100.380
50.5,63
91,0666,0C






+=

=212
à
F
Chọn C = 200
à
F
Quận kháng L
d
d
d
I.
U
3
134,0
L


ì
=
Trong đó I
d
=(0,05 - 0,1) I
d

)H(028,0
7,11605,0314
5,370
3
134,0
L =

ìì
ì

ì
=
4.2 Tính toán bộ chỉnh l u:
Theo tính toán phần trên ta có:
I
d
= 116,7 (A); U
d
= 370 (V)
Khi lấy điện áp cung cấp từ trớc ~380V

có thể không cần sử dụng
MBA.
Ta có:
41,0
U63
U
coscos
U63
U
2
d
2
d
=
ì
=

=

=65,3
0
- Dòng trung bình chảy qua T
1
-T
0
)A(9,38
3
7,116
3
I
I
d
tb
===
- Điện áp ngợc đặt lên mỗi van:
)V(8,930U6U
2ng
==
- Chọn K
I
=2; K
U
=1,6
I
C
=2x38,9=78,980 (A)

U
C
=1,6x930,81500 (V)

Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau:
Loại I(A) U
im
(V)
U(V) T
off
(às)
I
g
(V) U
g
(V)
du/dt(V/às)
T.250 250 1500 1 150-250 0,3 5 20-500
4.3 Tính toán các tham số cần thiết cho tổng hợp:
18
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43

sq
I

r
s
r
R

U
N
=220V P
N
=37kW n=720v/p
I
N
=91A f=50Hz cos=0,78
4.3.1 Tính dòng kích từ danh định.
)A(1,6872,01912cos1I2I
NsdN
=ì==
4.3.2 Tính dòng danh định tạo mômen quay I
sqN
.
)A(2,109II2I
2
sdN
2
NsqN
=
4.3.3 Hằng số thời gian roto T
r
ở chế độ danh định.
s01822,0
1,689,87
7,113
I
I

T
sdNrN
sqN
r
=
ì
=

=
s/rad9,87
60
n3
f2
NrN
=






=
4.3.4 Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần X

ở chế độ danh định.
N
N
sqN
sdN
I3

U
I
I
cossinX








=


=

= 342,0
91.3
220
2,109
1,68
72,062,0
4.3.5 Tính điện kháng phức X
h
.
===

296,2342,0
1,68.3
220.2
X
I
U
3
2
X
sdN
N
h
)H(022,0
3/314
7,2X
LL.X
s
h
mmsh

==

==
4.3.6 Tính hệ số tiêu tán tổng

và T
s
.
19
s
R
s
L

I
sd
L
m
U
s
R
C
R
T
W
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
s09125,0
08,0
0073,0
R

L
T
)(08,0
2,109314
296,21,689,87
If2
XI
RR
)H(0073,0
f2
X
L
149,0
296,2
342,0
X
X
s
s
s
sqNN
nsdNrN
rs
N
n
s
n
===
=
ì

ìì
=


=
=

=
===

4.3.7 Điện cảm tản stato động cơ
)H(00054,0
314
17,0
X
L
e
s
s
==

=

4.4 Tính các thiết bị đo:
4.4.1 Máy phát tốc:
Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động . Mạch nguyên lý
đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều.
Khi từ thông máy phát
tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc
Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc

K hệ số tỷ lệ K = U/ U = 10V
f là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms
Chọn f = 0,001s = 1ms
Hàm truyền máy phát tốc:
4.4.2 Phản hồi dòng:
20
=


.
K
U
( )
( )
Pj1
K
P
P
P
fF
U
F
+

==


1326,0
4,75
10

Ks/rad4,75
60
ndm.2
dm
==

=

( )
P001,01
1326,0
p
F
ft
+
=
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo đợc trình bày trên hình
vẽ
Nguyên lý hoạt động: Dòng Id sau mạch chỉnh lu đợc cho qua điện trở
Rsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trong khoảng từ 0-75mV.ĐIện áp vi
sai này đợc đa vào đầu vào của khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại tạo ra đIện
áp ra tỉ lệ với dòng Id.
Chọn điện áp vào vi sai bằng 75mV.
điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V
=>hệ số khuyếch đại của OA bằng:
Chọn R1=1k => R2=133k
Chơng V
21
_

+
r2
r1
75mV
10v
r
sun
i
d
1R
2R
133
075.0
10
Uv
Ur
K ====
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Tổng hợp hệ điều chỉnh
5.1 Luận điều chỉnh từ thông không đổi:
I
s
/I
sđm
w
sth
O
w
s
Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy

hoặc từ thông stator
s

không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần số và
mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Nếu coi R
S
= 0 thì:
const
UU
dm0
sdm
0
S
S
=

=

=
Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stator có
thể so sánh đợc sụt áp trên điện cảm mạch stator khi đồng thời từ thông cũng
giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm đi.
Có thể thiết lập đợc chiến lợc điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotor
không đổi:
const
r
=
. ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ
thay thế ta có thể tính đợc từ thông rotor và phơng trình cân bằng mạch rotor ở

dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:







++=
++=
+=
+=


rxsryryr
rysrxrxr
ryrsymry
rxrsxmrx
pi.R0
pi.R0
i.LiL
i.LiL
Nếu giữ đợc biên độ vector từ thông
const
r
=
thì
r
p
=0 và

,0pp
ryrx
==
và ta có phơng trình cân bằng mạc rotor:







=
+=
rxssymry
r
ryssxmix
r
)iL(
T
1
0
)iL(
T
1
0
trong đó:
r
r
r
R

L
T


=
Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phơng 2 vế của từng
phơng trình và cộng hai phơng trình với nhau, đồng thời để ý rằng:





=+
=+
2
p
2
ry
2
rx
2
1
2
sy
2
sx
Iii
Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng:
2
sr

m
rdm
s
).T(1
L
I +

=

22
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Vậy khi giữ biên độ từ thông rotor không đổi thì vector từ thông rotor luôn
vuông pha với vector dòng điện rotor và do đó momen điện từ của động cơ hoàn
toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện rotor.
Điều chỉnh từ thông là trờng hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng giá
trị từ thông định mức, nh vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của động cơ
KĐB.
Trong thiết kế môn học này chọn phơng pháp điều khiển tần số thông qua
từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thông không đổi qua quan hệ dòng chính
lu I
d
và tần số trợt f
2
.
Bản chất của phơng pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng
điện stato I
1
và tần số trợt f
2
sao cho từ thông của máy điện đợc giữ không đổi.

Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I
1
(f
2
).
Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển:
Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng
điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu đầu ra của bộ
điều khiển tốc độ R

là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín
hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng I
d
.
Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ:
m21
fff +=
Trongđó f
m
: tần số quay
r
f
2
: tần số trợt
Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R

đợc đa
qua khâu đạo hàm phi tuyến
( )
22d

fffI =
Ta có quan hệ:
2*
2
2
2
2
22
1
f1
*f1
I
+
+
=
trong đó
21
2
m
2
2dm1
2
LL
L
1
R
L.
=

=

23
Đ
R

R
I
a CL
NL
f
1
A
D
D
A
F
+fm
f
2
I
dw
U
w
U

I
d
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện R
i
và tốc độ

R

ta giả thiết rằng:
Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ đợc đề cập đến ở ch-
ơng 5. Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện R
i
và bộ điều
chỉnh tốc độ R

theo kênh 1.
Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập đ-
ợc sơ đồ cấu trúc của hệ thống:
)(FT1
L
I
si
2
s
2
r
m
rdm
S
=+

=
2
SsMM
2
r

2
s
2
ss
r
2
m
I).(F.K
T1
I.
R
L
2
3
M =
+

=
5.2 Sơ đồ cấu trúc và khai triển của mạch vòng dòng điện:
Sơ đồ cấu trúc tổng quát mạch vòng dòng điện:
Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
Trong đó L
d
, R
d
: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc.
L
1t
, R
1

: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato.
L
2t
, R
2
: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato.
s: hệ số trợt.
CL+ĐK: Khối chỉnh lu và điều khiển .
Ta có hàm truyền đạt bộ chính lu:
24
I
d
R
i
CL+ĐK
Phụ tải
NL+ĐC KĐB
I
d
U
đk
L
d
I
rđ
U
d
U
đk
CL+ĐK

R
i
L
d
R
d
2L
1t
2R
1
2L
2t
2R
2
/S
o
I
d
I
đo
Đồ án tổng hợp điện cơ Phạm Gia Điềm Lớp TĐH3-K43
CL
CL
dk
d
dkcr
pT1
K
U
U

W
+
==
+
Trong đó: U
d
: điện áp đầu ra CL
U
dk
: điện ạp điều khiển chính lu
K
CL
, T
CL
: hệ số điều khiển và hằng số thời gian bộ chỉnh lu.
Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phần
điện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc vào hệ số trợt s Do đó một cách gần
đúng ta bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tán qui đổi từ rotor về
stato.
Ta đặt:
t1d
d
L2LL
R2RR
+=
+=


Ta có:
d

d
r
U.
pT1
R/1
pLR
U
I



+
=
+
=

Trong đó:



=
R
L
T
Từ đó ta thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng dạng khai triển mạch vòng dòng
điện.
5.3 Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ:
Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng
2
r

2
s
2
ss
2
2
m
T1
I
.
R
L
'p
2
3
M
+

=

Trong đó:
s
là tốc độ trợt của động cơ
T
r
: hằng số thời gian mạch rotor
=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ
25
I
S

2
+
-
M
C
I
S
-U

U
iđ
I
d

S
U
đ
R
i
R

( )
( )


++
pT1pT1
R/K
CL
CL

32
F
M
X
X
r
2
m
R
L
2
3
Jp
1


+
pT1
K
K
do
U
ud
U
uđk
U
ir
U
iđ

+


+
pT1
R/1
-
U
iđo
U
id
i
R
CL
CL
pT1
K
+
K
đo