Báo cáo đồ án: Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng (cầu trục) nâng hàng

ĐỒ ÁN
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO VẬN THĂNG
NÂNG HÀNG

Giảng viên hướng dẫn :
Nhóm sinh viên

:

Lớp

:

Khóa

:

2018 - 2023


NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Họ và tên :
Ngành

:

Lớp

:

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Đề tài: Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng nâng hàng
1. Nhiệm vụ: Các thành viên trong nhóm cùng nhau xây dựng, đóng góp và
nghiên cứu nội dung để hồn thành đồ án tốt nhất có thể, cụ thể là:
2. Ngày giao đồ án:
3. Ngày hoàn thành đồ án:
4. Người hướng dẫn:
, ngày … tháng … năm 2021
TRƯỞNG BỘ MÔN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN


NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN VỀ ĐỒ ÁN
Họ và tên :
Ngành

:

Lớp

:

Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Đề tài: Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng nâng hàng
Nhận xét chung:

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Phần đánh giá:
-

Ý thức thực hiện:

-

Nội dung thực hiện:

-

Hình thức trình bày:

-

Tổng hợp kết quả (điểm bằng số và bằng chữ):
+ Điểm chuyên cần:
+ Điểm giữa kỳ:
, ngày … tháng…. năm 2021
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC
MỤC LỤC...................................................................................................................................................4
1.1.2. Đặc điểm cơ cấu nâng hạ..........................................................................................................8
CHƯƠNG II..............................................................................................................................................15
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN BỘ TRUYỀN ĐỘNG................................15
2.1. Chọn động cơ.................................................................................................................................15
2.1.1. Chọn loại động cơ điều khiển.................................................................................................15
2.1.2. Xây dựng đồ thị phụ tải cơ cấu nâng hạ.................................................................................16
2.1.3. Tính chọn cơng suất động cơ..................................................................................................17
2.1.4. Kiểm nghiệm động cơ.............................................................................................................21
3.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG................................................................................................................23
3.3. NGUYÊN TẮC CHUNG.....................................................................................................................23
3.5. MÔ PHỎNG MATLAP SIMULINK.....................................................................................................28
3.5.1. Mạch lực..................................................................................................................................28
3.5.2. Mạch điều khiển.....................................................................................................................28
3.5.3. Kết quả mô phỏng...................................................................................................................29
KẾT LUẬN...............................................................................................................................................30
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................................31


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay Cơng nghiệp hố – Hiện đại hố đang đóng một vai trị rất quan
trọng trong việc nâng cao năng xuất lao động. Những thành tựu của cuộc cách
mạng khoa học kỹ thuật được áp dụng rộng rãi vào nền kinh tế đưa đến những
thay đổi chưa từng có trong lịch sử lồi người. Nhận thức được tầm quan trọng
của khoa học cơng nghệ có ảnh hưởng quyết định đến chiến lược phát triển đất
nước, nhà nước ta đã ra sức đào taoh nghiên cứu khoa học kỹ thuật, khuyến
khích đầu tư nhằm phát triển nhanh nền khoa học kỹ thuật nước nhà.

Là sinh viên chuyên ngành Tự Động Hoá , việc học tập nghiên cứu và áp
dụng vào những vấn đề thực tế là rất quan trọng và góp phần củng cố lý thuyết
đã được học, giúp có thêm kiến thức cho cơng việc sau khi ra trường.
Vận thăng là một thiết bị nâng hạ quan trọng được sử dụng rộng rãi trong
xây dựng, công nghiệp. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế công nghiệp hiện
đại, các trung tâm công nghiệp và thương mại xuất hiện nhiều, phát sinh nhu cầu
lớn về xây dựng các nhà cao tầng, việc sử dụng vân thăng vào q trình xây
dựng nhằm nâng cao năng suất, tính hiệu quả, an toàn gần như thiết yếu.
Từ cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển
tần số, nội dung của đồ án: “Thiết kế hệ thống truyền động cho vận thăng
nâng hàng” đã đề xuất ra cách tính chọn cơng suất động cơ và bộ điều khiển để
đảm bảo tính hiệu quả, kinh tế cho cơ sở sử dụng. Do thời gian và kiến thức vẫn
còn hạn chế nên đồ án này còn nhiều thiếu sót, mong các thầy và các bạn đọc
góp ý thêm để đồ án này hoàn thiện hơn.


DANH MỤC HÌNH VẼ


CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẬN THĂNG NÂNG HÀNG
1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬN THĂNG NÂNG HÀNG
1.1.1. Khái niệm chung
Vận thăng nâng hàng là loại máy móc được sử dụng phổ biến trong các
cơng trình xây dựng hiện nay để nâng hạ hàng hóa, vật tư lên xuống giữa các
tầng xây dựng, tầng kho hàng.
Cấu tạo gồm có: bàn nâng hàng, khung thân, pully dẫn hướng cáp, tang
quán cáp, motor, hộp giảm tốc, đế thang, cáp tải, tủ điều khiển,…
Nguyên lý hoạt động của vận thăng: điều khiển lên xuống bằng hộp điều
khiển. Truyền động bằng cách nâng dây cáp thơng qua motor, hộp giảm tốc và

trục vít – bánh vít.

Hình 1.1. Cấu tạo vận thăng nâng hàng


Ưu điểm:
- Độ an toàn cao.
- Tốc độ nâng hạ nhanh, tiết kiệm thời gian và công việc.
- Trọng tải lớn.
1.1.2. Đặc điểm cơ cấu nâng hạ
Momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều
quay của động cơ 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 khơng phụ thuộc
vào chiều quay. Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do
trọng lực của tải gây ra. Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động,
tức là hướng ngược chiều quay. Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra
chuyển động, tức là nó hướng theo chiều quay của động cơ.
Khi nâng tải động cơ làm việc ở chế độ động cơ.
Khi hạ tải có thể có hai chế độ: hạ động lực và hạ hãm.
- Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ, khi đó mômen do tải trọng gây ra
không đủ để thắng mômen ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ
động cơ.
- Hạ hãm: thực hiện khi tải trọng lớn, khi đó mơmen do tải trọng gây ra rất
lớn. Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng được hạ với tốc
độ ổn định.

Hình 1.2. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ


Đặc điểm hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ: làm việc ở chế độ ngăn hạn

lặp lại, thường xuyên phải dừng máy và khơng địi hỏi đảo chiều ngay lập tức
mà thường có trễ sau một thời gian nhất định.
1.2. YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬN THĂNG NÂNG HẠ
1.2.1. Yêu cầu phụ tải
Đối với cơ cấu nâng hạ: Momen không tải khi nâng móc cầu Mc0 = 15-20%
Mđm cịn khi gầu ngoạm Mc0 bằng khoảng 50% Mđm. Khi hạ tải do tác dụng của
lực ma sát nên phụ tải sẽ biến đổi từ (15-20%) đến 80% Mđm.

Hình 1.3. Đặc tính phụ tải của cơ cấu nâng hạ
Đối với cơ cấu dịch chuyển, do momen cản tĩnh và trọng lượng gây nên, vì
vậy momen cản khơng tải là:
Mc0 = (30-50%) Mđm đối với xe con.
Mc0 = (50-55%) Mđm đối với xe cầu.

Hình 1.4. Đặc tính phụ tải cơ cấu dịch chủn


Các cơ cấu truyền động cầu trục thường thay đổi mô men theo tải trọng.
Nhất là cơ cấu nâng hạ , mơ men thay đổi rõ rệt. Khi khơng có tải trọng mô men
động cơ không vượt quá (15 - 20 )% Mđm. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục
ngoạm đạt tới 50% Mđm. Đối với đông cơ di chuyển xe con bằng(30-50)% Mđm.
Đối với động cơ di chuyển xe cầu bằng (50 - 55 )% Mđm.
Các động cơ truyền động điện đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có tần
số đóng điện lớn. Đa số các cầu trục đều làm việc trong điều kiện môi trường
nặng nề, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảo chiều.
Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đươc xác định từ yêu cầu công
nghệ, chức năng của cầu trục trong dây chuyền sản xuất. Cấu tạo và kết cấu của
cầu trục rất đa dạng. Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệ thống
truyền động điện phải phù hợp với từng loại cụ thể.
Từ những đặc điểm trên ta có những yêu cầu cơ bản với hệ thống truyền

động cho các cơ cấu của cầu trục như sau:
- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản.
- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ
dàng.
- Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp khơng, q tải và
ngắn mạch.
- Q trình mở máy diễn ra theo một quy luật được định sẵn.
- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt, độc lập.
- Có cơng tắc hành trình hạn chế q trình tiến, lùi cho xe cẩu , xe con và
hạn chế hành trình lên xuống của cơ cấu nâng hạ.
- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp.
Năng suất được quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của các thiết bị và số
chu kì bốc xúc trong một giờ. Số lượng hành hoá bốc xúc trong mỗi một chu kì
khơng như nhau và nhỏ hơn tải trọng định mức nên phụ tải với động cơ chỉ đạt
(60 - 70)% công suất của động cơ.


1.2.2. Chế độ cấp điện
Cơ cấu nâng hạ của vận thăng luôn phải di chuyển nên để cấp điện cho các
thiết bị điện, người ta có 3 cách:
-Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định, loại này thường là
cầu trục phân xưởng.
-Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện, loại này thường dùng đối với
cầu trục dịch chuyển theo đường ray trên mặt đất.
- Cung cấp điện từ máy phát diezen thường cho loại cầu trục di động trên
ôtô.
1.2.3. Điều kiện làm việc
Điều kiện làm việc của vận thăng là nặng nề, tần suất đóng cắt lớn, thường
xuyên làm việc ở chế độ quá độ. Do vậy, động cơ truyền động cầu trục cần có:
cách điện có độ chịu nhiệt cao, roto dài với đường kính nhỏ để có momen qn

tính bé, giảm tổn hao năng lượng trong quá trình thay đổi tốc độ, có khả năng
chịu q tải cao. Mơi trường làm việc rất khắc nghiệt dù trong nhà hay ngoài
trời, làm việc ngồi trời phải chịu mưa gió, bụi, hơi muối các cảng biển, ẩm,
nhiệt độ cao,… Trong các nhà máy có thể phải chịu ẩm, nhiệt độ cao, bụi, chịu
axit, bazơ…
1.2.4. Chế độ làm việc
Chế động làm việc của các động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ là ngắn
hạn lặp lại. Trong một chu kì, quy trình các cơng việc lần lượt được diễn ra như
sau: hạ bàn → căng cáp → nâng → dịch chuyển → hạ → tháo tải → nâng bàn.
Mở máy, đảo chiều và hãm liên tục với quá trình chuyển đổi tốc độ xảy ra êm,
dải điều chỉnh tốc độ rộng, dừng chính xác đúng nơi lấy hàng và trả hàng.
1.3. PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
1.3.1. Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ
1.3.1.1. Điều chỉnh điện áp stator dùng thyristor
Khi điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ thì các thơng số cịn lại khơng thay
đổi và độ trượt s = const, phương pháp này có phạm vi điều chỉnh tốc độ và
momen hẹp nên ngày nay ít sử dụng.
1.3.1.2. Điều chỉnh xung điện trở mạch roto


Phương pháp này điều chỉnh điện trở phụ nối vào rotor của động cơ khơng
đồng bộ roto dây quấn, có kết cậu mạch lực và mạch điều khiển đơn giản, dễ
thực hiện.
Đặc điểm :
- Momen khởi động lớn.
- Hiệu suất thấp.
1.3.1.3.Điều chỉnh công suất trượt
Phương pháp này thực hiện với động cơ roto dây quấn. Thực chất của
phương pháp này là công suất điện được cấp 100% cho động cơ phía stato, với
phụ tải định trước, để điều chỉnh giảm tốc độ, ta lấy bớt cơng suất phía roto

được biến đổi trả lại lưới.
Đặc điểm:
- Hiệu suất của hệ cao hơn so với phương pháp điều chỉnh xung điện trở
roto.
- Mạch phức tạp về cấu trúc.
- Độ chính xác của phương pháp thường không cao.
- Giá thành của hệ cao.
1.3.1.4. Điều chỉnh tần số
Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cungcấp được sử dụng cho động cơ
không đồng bộ cho đến nay vẫn là phương pháp tốt nhất, vì nó điều chỉnh trực
tiếp công suất điện đầu vào động cơ, đặc tính cơ có độ cứng khơng thay đổi
trong dải điều chỉnh rộng. Với sự phát triển công nghiệp điện tử công suất, giá
thành các bộ biến đổi ngày càng hạ, tính năng kỹ thuật ngày càng nâng cao, nên
hệ điều khiển tần số được sử dụng phổ biến nhất hiện nay.
1.3.2. Các phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ roto
lồng sóc
1.3.2.1. Khái quát nguyên lý điều chỉnh tần số động cơ KĐB
Xuất phát từ công thức:

n = (1 − s)

60 f
pp


Trong đó: s là độ trượt:
ω1

s=

ω1 − ω
ω1

là tốc độ góc của từ trường quay.

ω là tốc độ động cơ.

f là tần số của điện áp nguồn đặt vào stator.
p p là số đôi cực từ của động cơ.

Do vậy khi tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ.
1.3.2.2. Điều khiển vô hướng
Phương pháp điều khiển vô hướng dựa trên việc điều khiển từ thông stato
ψ s thông qua các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stato. Thực

tế được ứng dụng trong cơng nghiệp có hai loại gồm:
-

Điều khiển điện áp – tần số sao cho từ thông stato ψ s là hàm của momen

tải, phương pháp này dễ thực hiện, có hiệu quả là tổn thất ∆P nhỏ, lượng tiêu thụ
công suất phản kháng luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng định
mức. Tuy vậy ổn định tốc độ thấp gặp khó khăn.
- Điều chỉnh điện áp tần số hoặc tần số dòng điện sao cho từ thơng stator
ψ s ln ln khơng đổi ở tồn dải điều chỉnh. Phương pháp này dễ thực hiện,

tuy vậy tổn thất công suất ∆P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng Q khơng
phải là nhỏ. Ởn định tốc độ khó khăn, do vậy điều khiển vơ hướng được sử dụng
trong công nghiệp khi yêu cầu không điều chỉnh sâu tốc độ.
1.3.2.3. Điều khiển vecto tựa từ thông roto

Phương pháp này dùng công cụ biến đổi vecto để ước lượng đại lượng
vecto từ thơng ψ r và điều chỉnh nó. Cịn mơmen động cơ điều chỉnh qua thành
phần vecto dịng stato I s . Như vậy phương pháp này coi roto là phần cảm, stato
là phần ứng và được phân ly với nhau giống như máy điện một chiều kích từ độc
lập. Phương pháp này đòi hỏi phức tạp nên yêu cầu công cụ điều khiển số mạnh,
độ tác động khơng cao do mơ hình phức tạp phải thực hiện phép quay tọa độ và


vẫn phải điều khiển momen gián tiếp qua điều khiển các thành phần dòng điện.
Động cơ làm việc ổn định rất tốt ở tốc độ cận không.
1.3.2.4. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen
Phương pháp này dựa trên điều khiển vị trí vecto từ thơng stato ψ s để điều
khiển momen động cơ. Để thực hiện phương pháp này cần dựa trên phép biến
đổi vecto để xác định độ lớn và vị trí vectoψ s , thay đổi vecto điện áp stator U s
để thay đổi vị trí vecto ψ s .
Phương pháp này có ưu điểm là chỉ cần quan tâm tới các đại lượng vecto
stato, không cần xác định vị trí roto nên đơn giản, điều khiển vị trí vecto ψ s
thơng qua hàm đóng cắt tranzito lực của nghịch lưu nên đáp ứng momen nhanh.
Nhược điểm của phương pháp này là do bộ điều chỉnh từ thông và momen là
ON/OFF hai hoặc ba vị trí dẫn đến các xung momen động cơ, nên khi làm việc ở
tốc độ thấp khó ổn định.
⇒ Kết luận: Do yêu cầu công nghệ của cầu trục là tốc độ đáp ứng momen

nhanh, không cần đáp ứng momen phẳng và ổn định, do đó phương pháp điều
khiển trực tiếp momen (DTC) là phương pháp điều khiển phù hợp nhất.


CHƯƠNG II
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN BỘ TRUYỀN
ĐỘNG

Đồ án I với đề tài: “Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng nâng hàng” với
các thông số yêu cầu như sau:
• Chiều cao nâng:
• Tốc độ nâng:
• Tốc độ hạ:
• Trọng lượng tải:
• Trọng lượng móc câu:
• Bán kính puli:
• Tỉ số truyền:
• Hiệu suất bộ truyền:
• Momen qn tính cơ cấu:
• Chu kỳ làm việc:

8m
0,2 m/s
0,3 m/s
10000 kg
1000 kg
0,4 m
75
0,85
1,85 kg/m2
179s

2.1. Chọn động cơ
2.1.1. Chọn loại đợng cơ điều khiển
Động cơ một chiều có ưu điểm điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, độ
chính xác cao khả năng chịu được quá tải lớn tuy nhiên giá thành của động cơ
một chiều cao hơn so với xoay chiều, nguồn sử dụng là một chiều phải thông
qua bộ biến đổi.

Động cơ xoay chiều có ưu điểm cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ roto
lồng sóc. So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ,
vận hành tin cậy, chắc chắn hơn. Ngồi ra động cơ khơng đồng bộ cơ thể dùng
trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị
biến đổi kèm theo. Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ
và khống chế các q trình khó khăn.
Dựa vào những yêu cầu về công nghệ, truyền động của cầu trục như là: làm
việc ở chế độ ngắn hạn lắp lại, động cơ trong quá trình làm việc đảo chiều quay
liên tục, u cầu về độ chính xác khơng quá cao và những ưu, nhược điểm của


các động cơ vừa nêu trên, ta lựa chọn hệ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ cầu
trục là động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha, cụ thể là động cơ khơng đồng
bộ roto lồng sóc.
2.1.2. Xây dựng đồ thị phụ tải cơ cấu nâng hạ
Giả sử chiều cao của phân xưởng là 8m, cần di chuyển một vật từ vị trí A
đến vị trí B, coi thời gian di chuyển của xe cầu và xe con là 60s, thời gian để
tháo hoặc lắp tải trọng khi nâng hoặc hạ là 10s.

Hình 2.1. Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ
Tốc độ khi nâng tải định mức là Vn = 0,2 m/s.
Tốc độ khi hạ tải định mức là Vh = 0,3 m/s
Tốc độ khi nâng-hạ không tải là 0,5 m/s
Vậy thời gian nâng với tải định mức là
tn =

h
8
=
= 40 s

Vn 0, 2

Thời gian hạ với tải định mức là:
th =

h
8
=
= 27 s
Vh 0, 3


Thời gian nâng hạ không tải là:
tn 0 = th 0 =

h
8
=
= 16 s
V0 0,5

Tổng thời gian vận chuyển trong một chu kì sẽ là: Tck = 179 s
2.1.3. Tính chọn công suất động cơ
Để xác định công suất của động cơ của cơ cấu nâng hạ ta sẽ sử dụng
phương pháp đại lượng đẳng trị. Vì động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ làm
việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại nên việc tính chọn cơng suất động cơ phải xác
định cả phụ tải tĩnh và phụ tải động.
2.1.3.1. Phụ tải tĩnh khi nâng
Có tải:
Mn =

(G + G0 ) Rt
uiηc

Trong đó:
G là trọng lượng của tải trọng (N).
G0 là trọng lượng móc (N).
Rt là bán kính tang nâng (m).
u là bội số của hệ thống ròng rọc, thay đổi theo kết cấu và cách quấn
cáp.
i là tỷ số truyền được xác định như sau:
i=

2π .Rt .n
u.v

η c là hiệu suất toàn bộ cơ cấu, được xác định theo tải trọng như hình

dưới:


Hình 2.2. Quan hệ phụ thuộc η c theo tải trọng
Khi khơng có tải:
M n0 =

G0 .Rt
u.i.ηc

2.1.3.2. Phụ tải tĩnh khi hạ
Tùy thuộc vào tải trọng G lớn hay nhỏ mà có hai chế độ hạ tải như ở phần

yêu cầu phụ tải đã nêu:
- Hạ động lực.
- Hạ hãm.
Mô men do tải trọng gây ra khơng có tổn thất :
Mt =

(G + G0 ) Rt
(N.m)
u.i

Khi hạ tải, năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền
động nên:
M h = M t − ∆M = M t .η h (N.m)

Trong đó:
Mh là mơ men trên trục động cơ khi hạ tải (N.m).
∆M là tổn thất mô men trong cơ cấu truyền động (N.m).

η h là hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải.

Nếu: M t > ∆M → Hạ hãm
M t < ∆M → Hạ động lực

Coi tổn thất trong cơ cấu nâng hạ khi nâng tải và hạ tải là như nhau thì:


∆M =

Mt
1

− M t = M t ( − 1)
ηc
ηc

1
M h = M t − ∆M = M t − M t ( − 1)
ηc
= M t (2 −
=

1
)
ηc

(G + G0 ) Rt
1
(2 − )
ui
ηc

Suy ra:

ηh = 2 −

1
ηc

Chế độ làm việc của động cơ phụ thuộc vào hiệu suất cơ cấu khi hạ tải:
- Khi η c <0,5 → η h <0, động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực (momen
động cơ cùng chiều momen tải trọng).

- Khi η c >0,5 → η h >0, động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm (momen động cơ
ngược chiều momen tải trọng).
2.1.3.3. Tính tốn chi tiết
Với các thơng số: tải trọng riêng G0 = 1T, tải trọng nâng 10T, bán kính tang
nâng 0,4m; tỉ số truyền i = 75; bội số rịng rọc µ = 1, hiệu suất η = 0,85. Ta lần
lượt đi xác định các giá trị momen và công suất động cơ.
Momen trên trục động cơ khi nâng tải bằng định mức:
Mn =

(G + G0 ) Rt (10 + 1).0, 4.1000.10
=
= 690 (N.m)
uiηc
75.1.0,85
G +G

1

0
Phụ tải khi nâng không tải: G = 0 → G + G = 1 + 10 = 0, 09
0
đm

Dựa vào đồ thị quan hệ phụ thuộc η c vào tải trọng, ta xác định được η c =
0,45.
Momen khi nâng không tải:
M n0 =

G0 Rt
iuη c

=

1.0, 4.10.1000
= 119 (N.m)
75.1.0, 45

Momen trên trục động cơ hạ với tải bằng định mức:


Mh =

(G0 + G ) Rt
ui

(2 −

1
(1 + 10).0, 4.1000.10
1
)=
(2 −
) = 483 (N.m)
ηc
75.1
0,85

Momen hạ không tải là:
M h 0 = -12 (N.m)

Momen đẳng trị:
n

M dt =

∑M
i =1

2
i

.ti

Tck

6902.40 + 119 2.16 + 4832.27 + 12 2.16 = 378 (N.m)
=
179

Tốc độ quay lớn nhất của động cơ là tốc độ khi khơng có tải:
n = ωn 0 = ωh 0 =

i.u.v0 75.1.0,5
=
= 14,9 vòng/s = 895 vòng/ phút
2π .Rt
2π .0, 4

Chọn động cơ khơng đồng bộ có tốc độ quay n = 1000 vịng/phút:
Cơng suất đẳng trị của động cơ là:

Pdt = M dt .

2π n
= 39,6 KW
60

Vậy động cơ cần chọn có cơng suất định mức lớn hơn 39,6 KW.
Dựa vào catalog động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc của ABB, ta chọn
được động cơ với các thông số sau:
Tên máy: M3BP 280 SMA 3GBP 283 210-G
- Công suất định mức: Pđm = 45kW
- Tốc độ định mức: n = 990 vòng/phút
- Điện áp dây định mức: Uđm = 400V
- Tần số định mức: f = 50Hz
- Hệ số cơng suất: cos = 0,84
- Dịng stator định mức: 82,7A
- Dòng stator khởi động: 82,7.7 = 578,9A
- Momen định mức: M đm = 434 Nm
- Momen khởi động định mức: Ms = 434.2,5 = 1085 Nm
- Momen tới hạn: M th = 434.2,5 = 1085 Nm


- Momen quán tính: J = 1,85 kg.m

2

- Khối lượng: 605 kg
2.1.4. Kiểm nghiệm động cơ
Giả sử thời gian để thay đổi vận tốc của mỗi quá trình nâng hạ là t = 2s. Mô
men trên trục động cơ gồm hai thành phần là momen cản tĩnh M c và một thành

phần momen gia tốc J

dω
.
dt

M = Mc + J

dω
dt

Trong đó J là momen qn tính quy đổi về trục động cơ:
J = J đc +

2
J ht
1,85
= 1,85 + 2 =1,9 (kg.m )
2
i
75

Ta có tốc độ góc quy đổi về trục động cơ trong các quá trình nâng hạ:

ω=

i.v
Rt

Do vậy, tốc độ góc khi nâng (hạ) khơng tải:

ωn 0 = ωh 0 =

75.0,5
= 93, 75 (rad/s)
0, 4

Tốc độ góc khi nâng tải định mức:
ωn =

75.0, 2
= 37,5 (rad/s)
0, 4

Tốc độ góc khi hạ tải định mức:

ωh =

75.0,3
= 56, 25 (rad/s)
0, 4

Ta lập được bảng giá trị momen cho từng thời điểm trong một chu kì làm
việc của cơ cấu nâng hạ như sau:
M1

M2

M3

M4

690

119

483

-12


t1

t2

t3

t4

38

14

25

14

Từ kết quả đó, ta tính được momen đẳng trị quân bình bình phương:
n

M đt =

∑M
i =1

2
i

.ti

Tck

=

379,1 (N.m)

Kiểm tra điều kiện phát nóng của động cơ theo phương pháp momen đẳng
trị:
M đt =379.1 (N.m) < M đm = 434 (N.m) (thỏa mãn)

Kiểm tra điều kiện quá tải động cơ:
M max =947,8 (N.m) < 2,5. 434 = 1085 (N.m) (thỏa mãn)
⇒ Kết luận: Vậy động cơ đã chọn đáp ứng các yêu cầu truyền động.


CHƯƠNG III
THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG BIẾN TẦN
4.1. GIỚI THIỆU BIẾN TẦN
Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện một chiều hoặc xoay chiều thành dòng
điện xoay chiều có tần số và điện áp có thể điều chỉnh.

Cấu tạo:
+ Bộ chỉnh lưu: biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều
+ Bộ lọc: hỗ trợ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu để cho ra dòng điện thích hợp
+ Bộ nghịch lưu: biến đổi dịng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều
3.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Nguồn điện AC được chỉnh lưu và lọc thành nguồn DC bằng phẳng, điện
áp DC sau đó sẽ được biến đổi nghịch lưu thành điện áo xoay chiều ba pha đối
xứng.
Lúc đầu điện áp một chiều được tạo ra sẽ lưu trữ trong giàn tụ điện. Tiếp
theo thơng qua q trình tự kích hoạt thích hợp transistor điều khiển IGBT sẽ tạo
ra một điện áp xoay chiều ba pha bằng phương pháp điều chế độ rộng xung
PWM

3.3. NGUYÊN TẮC CHUNG
Nghịch lưu áp ba pha thường dùng chủ yếu với biện pháp biến đổi bề mặt
xung đảm bảo điện áp có dạng gần hình sin. Để đảm bảo điện áp ra có dạng
không phụ thuộc vào tải ta dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính như vậy
mỗi pha của sơ đồ ba pha có thể được điều khiển độc lập với nhau


Trong biến điệu bề rộng xung ba pha là phải có ba sóng sin chuẩn có biên
độ chính xác bằng nhau và lệch pha nhau 120o trong toàn bộ giải điều chỉnh.
Giản đồ kích đóng khóa bán dẫn của bộ nghịch lưu dựa trên cơ sở sánh
hai tín hiệu cơ bản:
- Sóng mang U RC có tần số cao
- Sóng khiển U dk hoặc sóng điều chế dang sin
Sóng mang có thế ở dạng tam giác, tần số sóng mang càng cao, lượng sóng
hài bậc cao bị khử càng nhiều. Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát
sinh do q trình đóng ngắt tăng
Sóng điều khiển U dk mang thông tin về độ lớn, trị số hiệu dụng và tần số

sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra

3.4. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIÊP MOMEN (DTC)
Biểu thức tính momen trong hệ tọa độ tĩnh, gắn chặt với trục dây quấn stato
( α , β ).
M =

3 pp
2

Ψ s .is = K m Ψ r . Ψ s .sin δ


Trong đó Ψ s là từ thơng stator, is là dòng điện stator (cả hai được gắn với
hệ tham chiếu cố định gắn với stator), p p là số đôi cực.
Vector từ thông roto thường biến thiên chậm hơn vecto từ thơng stator, do
đó có thể đạt được giá trị momen yêu cầu bằng cách quay vecto từ thông stato
càng nhanh càng tốt theo hướng nào đó, làm thay đổi nhanh góc δ , gọi là góc
momen.
Nếu sụt áp trên điện trở được bỏ qua cho đơn giản, thì điện áp stator tác
động trực tiếp tới từ thông stator theo đúng phương trình sau:
Us =

dψ s hay
∆ψ s = U s .∆t
dt

2
U s = U dc ( S a + a.Sb + a 2 .Sc )
3

a=e

2π
3

Trong đó Udc là điện áp một chiều đưa vào biến tần Sa, Sb, Sc là hàm đóng
cắt của tranzisto trên pha tương ứng của mạch lực biến tần. Quỹ đạo được chia
thành sáu vector khác nhau. Các véc tơ điện áp được chọn lựa dựa trên sai lệch
của từ thông stator và mômen điện từ với các giá trị đặt. Tuỳ thuộc vào trạng
thái sai lệch của từ thông và mômen điện từ, một vectơ điện áp tối ưu đã định
trước được chọn để điều chỉnh đại lượng về đúng với lượng đặt. Một biến tần ba
pha đơn giản có thể cung cấp 8 vectơ điện áp chuẩn, trong đó có 2 véc tơ
module 0 và 6 véc tơ module khác 0. Biểu diễn quỹ đạo động của từ thơng stator
và nó có sự thay đổi khác nhau phụ thuộc vào việc chọn trạng thái VSI.
Quỹ đạo được chia thành sáu vector khác nhau: