nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp container. thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần pwm cho cơ cấu nâng hạ hàng

LỜI NÓI ĐẦU
Trong công cuộc xây dựng chủ nghĩa xã hội, từng bước công nghiệp hoá -
hiện đại hoá đất nước, nước ta đã thu được những thành tựu to lớn về kinh tế, xã
hội. Gắn liền với sự phát triển kinh tế là sự phát triển liên tục của giao thông vận
tải nói chung và vận tải thuỷ nói riêng. Trong sự phát triển đó, các hải cảng đóng
vai trò rất quan trọng.
Trong các hình thức vận tải thì hình thức vận chuyển hàng hoá bằng container
là một hình thức vận chuyển tiên tiến, được áp dụng rộng rãi trên thế giới.
Với tầm quan trọng như vậy, việc tìm hiệu nắm vững nguyên tắc hoạt động
cũng như quy trình vận hành cầu giàn container là một nhiệm vụ rất quan trọng
đối với những cán bộ quản lí, phụ trách kĩ thuật, từ đó có thể đưa ra các phương
án khai thác, bảo dưỡng hợp lí các thiết bị trong hệ thống.
Trong quá trình học tập môn trang bị điện em đã được giao đề tài thiết kế môn
học: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp container.
Thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu nâng hạ hàng ”.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Hoàng Xuân Bình và các thầy cô giáo
trong khoa cùng sự giúp đỡ của các bạn, em đã hoàn thành bản thiết kế này.
Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng có hạn nên
bản thiết kế không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được sự
chỉ bảo đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để bản thiết kế được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày 10 tháng 5 năm 2010
Sinh viên thực hiện

Phạm Quang minh
Môc lôc
Trang
LỜI NÓI ĐẦU 1
1
Chương 1: Tổng quan về cầu trục 3

1.1 Giới thiệu chung về cầu trục 3
1.2 Phân loại cầu trục 3
1.3 Khái quát chung về hệ thống điều khiển truyền động điện cho
cầu trục
4
Chương 2: Tổng quan về trang bị điện - điện tử cho cơ cấu nâng
hạ cầu trục giàn bốc xếp container
6
2.1 Các hệ truyền động điện cho cầu trục 6
2.2 đặc điểm và yêu càu công nghệ của cơ cấu nâng hạ cần trục 13
2.3 xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng 16
2.4 thiết kế hệ truyền động điện dung biến tần PWM cho cơ cấu
nâng hạ hàng
21
2.5 các sơ đồ 27
Chương 3: Thiết kế điều khiển cho cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn
bốc xếp container
26
3.1. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ không đồng bộ roto
dây quấn , là động cơ nâng hạ chính trong cơ cấu
29
3.2. Mô hình mô phỏng hệ thống cơ cấu nâng hạ 30
3.3. Mô hình tính toán phụ tải động 31
3.4. Đặc tính mômen và tốc độ động cơ truyền động chính 31
3.5. Đặc tính mômen phụ tải động khi nâng
3.6 Đặc tính mômen phụ tải động khi hạ 33
3.7. Mô hình mômen cản khi nâng hạ với Q1=10T, Q2=20T,
Q3=40T
3.8. Đặc tính mômen cản khi nâng và hạ 43
KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45
Chương 1: Tổng quan về cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp
container
1.1. Giới thiệu chung về cầu trục
2
Cầu trục và cần trục làm nhiệm vụ chuyển dịch hàng hoá,vật tư,thiết bị từ chỗ
này sang chỗ khác. Thí dụ trong xây dựng công trình công nghiệp cầu trục nâng
các thiết bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp đặt dây chuyền sản xuất. Trong
nhà máy luyện kim cầu trục vận chuyển cuộn thép, phôi thép hoặc các thùng
nóng chảy để vào khuôn đúc Trong các nhà máy cơ khí cầu trục vận chuyển
các phôi gia công để gá lắp lên máy hay vận chuyển các chi tiết được gia công
xong đưa sang công đoạn khác. Trong cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng từ trên tàu
xuống kho bãi hay vận chuyển hàng hoá xuất khẩu từ kho bãi xuống tầu, vận
chuyển các container, các máy móc xuất nhập khẩu qua đường biển.Như vậy
cầu trục và cần trục giúp cho con người cơ khí hoá, tự động hoá bốc xếp làm
giảm sức lao động, tăng năng suất và chất lượng.
Điều này cho thấy trong bất kì lĩnh vực sản xuất nào cũng có sự tham gia cầu
trục và cần trục.Vì tính đa dạng của nó nên cấu tạo của cần trục và cầu trục cũng
rất khác nhau.Tuy nhiên chúng có đặc điểm và các cơ cấu chung thí dụ : cầu trục
có ba cơ cấu chính:cơ cấu nâng hạ, cơ cấu dịch chuyển dọc, cơ cấu dịch chuyển
ngang và một số cơ cấu phụ để lấy và giữ hàng.
1.2. Phân loại cầu trục
1.2.1. Phân loại theo cấu trúc điều khiển
a. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ 1 chiều.
b. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng
bộ rôto lồng sóc.
c. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng
bộ rôto dây quấn.
d. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐT - động cơ không đồng bộ.
e. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – PWM - động cơ không đồng bộ

f. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐ - động cơ điện – phụ tải
động
1.2.2. Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá
a. Cầu trục có tải trọng nhỏ: Trọng tải nâng chuyển từ 1-5 tấn
b. Cầu trục có tải trọng trung bình: Trọng tải nâng chuyển từ 10-30 tấn
c. Cầu trục có tải trọng lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 30-60 tấn
d. Cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80-1200 tấn
3
1.2.3. Phân loại theo đặc điểm công tác
a) Cầu trục trang bị cho kho bãi và nhà xưởng
Cầu trục chạy trên ray trang bị cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí.Cầu trục
này có các cơ cấu điều khiển chuyển động chính: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di
chuyển xe con,cơ cấu di chuyển giàn các cầu trục này thường được thiết kế điều
khiển tại chỗ và từ xa.
b) Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray
Cầu trục khung dầm thép dạng hộp chạy trên đường ray được trang bị cho
cảng biển, các nhà máy đóng tàu biển. Loại này thường được thiết kế có trọng
tải nâng lớn, làm việc trong phạm vi quy định. Gồm 3 cơ cấu điều khiển chuyển
động: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn.
c) Cầu trục bốc xếp container
Cầu trục giàn bánh lốp xếp container có các cơ cấu điều khiển chuyển động
chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn.
Việc cấp nguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezen lai máy phát điện đồng
bộ. Đặc điểm làm việc của cầu trục giàn bánh lốp là tính cơ động, năng suất cao.
d) Cầu trục chạy trên đường ray bốc xếp container có các cơ cấu điều khiển
chuyển động chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di
chuyển giàn và cơ cấu nâng hạ giàn (nâng hạ côngson). Đặc điểm công tác nổi
bật của loại này là có tầm với và trọng tải nâng lớn,năng suất bốc xếp rất cao,
được trang bị cho các cầu cảng chuyên dụng bốc xếp container.
1.3. Cấu tạo cầu trục

4
Hình 1.1: Cấu tạo cầu trục.
Cấu tạo đơn giản của một cầu trục gồm: Palăng, móc treo tải, dầm trục chính,
đường ray, bảng điều khiển, ray chạy dọc.
Cầu trục gồm có 3 bộ phận chính:
- Xe cầu: Gồm dầm chính và khung giàn chính được chế tạo bằng thép đặt
cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách bánh xe của xe con. Hai đầu
cầu được liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành khung chữ nhật trong mặt
phẳng ngang. Các bánh xe của các cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang
của khung chữ nhật tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suất nhà xưởng.
- Xe con: Trên xe con đặt cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển xe con. Tùy
theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoạc hai cơ cấu nâng. Xe
con có thể di chuyển dọc trên xe cầu tạo điều kiện cho cầu trục có thể di chuyển
được trong suất chiều ngang phân xưởng.
- Cơ cấu nâng hạ: Thường có tang cắt thành rãnh xoắn hai chiều để cuộn
cáp nâng và hạ. Cuối hai đầu cáp thường mắc palăng để đảm bảo nâng hạ trọng
tải theo phương thẳng đứng. Toán bộ cơ cấu tang, hộp biến tốc, động cơ được
đặt trên xe con.
- Cơ cấu phanh hãm:
5

Hình 1.2: Cơ cấu phanh hãm.
Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu trục.
Phanh dùng trong cầu trục có ba loại: Phanh gốc, phanh đĩa và phanh đai.
Nguyên lí hoạt động của ba loại phanh này tương đối giống nhau. Phanh đai
được mô tả như sau:
1. Má phanh
2. Cuộn dây nam châm phanh
3. Đối trọng phanh.
Nhờ những đặc điểm trên cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3 phương

phủ kín mặt bằng nhà xưởng.
- Chuyển động theo phương thẳng đứng là chuyển động nhờ cơ cấu nâng
hạ đặt trên xe con.
- Chuyển động dọc theo phân xưởng là chuyển động của xe cầu.
- Chuyển động ngang theo phân xưởng là hệ thống chuyển động đặt trên
xe con.
1.4. Những đặc điểm cơ bản của hệ truyền động điện cầu trục và cần trục
Phần lớn các cơ cấu của cần trục và cầu trục được truyền động bởi các
động cơ điện, cung cấp điện cho hệ thống có ba dạng:
- Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định, loại này thường
dùng đối với cầu trục và cần trục phân xưởng.
- Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện, loại này thường dùng với
cầu trục và cần trục di chuyển đường ray trên mặt đất.
6
- Cung cấp điện từ máy phát diezen thường dùng cho loại cầu trục di
động trên ôtô.
Môi trường làm việc
Phần lớn môi trường làm việc của cần trục rất khắc nghiệt. Thí dụ trong
các nhà máy cơ khí luyện kim môi trường làm việc việc cầu trục nóng ẩm nhiều
bụi. Trên cảng biển cầu trục phải làm việc ngoài trời. Chế độ làm việc cầu trục
là chế độ ngắn hạn lặp lại, khởi động hãm thường xuyên.
Yêu cầu về điều khiển
- Tất cả chuyển động cho cơ cấu đều phải điều chỉnh tốc độ, lực và gia
tốc. Hàng hóa được dịch chuyển theo quỹ đạo trong không gian, cho nên
thường phải phối hợp hai hoặc ba truyền động một lúc.
- Chuyển dịch hàng hóa không gây va đập và không dao động quá mức,
phụ tải vượt số truyền động, mômen quán tính thay đổi do thay đổi tầm
với và góc nâng cầu. Điều này dẫn đến cần cảnh báo khi tầm với xa và góc
nâng lớn. Sự biến đổi phụ tải gây nên tác động kênh giữa các cơ cấu như
nâng hạ quay cần và thay đổi tầm với.

Yêu cầu về phụ tải
Đối với cơ cấu nâng hạ: Mômen không tải khi nâng móc cẩu M
co
(15-
20%) M
đm
còn khi gầu ngoạm M
co
cỡ +50% M
đm
. Khi hạ tải do tác động của lực
ma sát nên phụ tải sẽ biến đổi từ -(15-20%) đến +80% M
đm
Đối với cơ cấu dịch chuyển , do mô men cản tĩnh và tự trọng lượng gây
nên, vì vậy mô men cản không tải là:
M
c0
= (30-50%) M
đm
đối với xe con
M
c0
= (50-55%) M
đm
đối với xe cầu
Đối với truyền động điện cho các cơ cấu di chuyển của cầu trục, cần trục
phải đảm bảo khởi động động cơ ở chế độ toàn tải. Đặc biệt mùa đông khi môi
trường làm tăng tính mô men ma sát trong các ổ đỡ dẫn đến làm tăng đáng kể
mô men cản tĩnh M
c0.

Trên hình 1.14, biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc giữa mô
men cản tĩnh và tốc độ động cơ: Mc = f(ω).
7
Trên đồ thị ta thấy khi ω = 0 thì Mc lớn hơn 2 ÷ 2,5 lần ứng với tốc độ
định mức.
Đối với các động cơ truyền động cho các cơ cấu nâng hạ hàng mô men
thay đổi theo tải rất rõ rệt. Khi không có tải trọng (khi không tải), mô men động
cơ không vượt quá (15-20%) M
đm
, đối với cơ cấu nâng của cần trục gầu ngoạm
đạt tới 50% M
đm
,

đối với cơ cấu di chuyển xe con bằng (30-50%) M
đm
, đối với
cơ cấu di chuyển xe cầu bằng (50-55%) M
đm
.
Trong các hệ truyền động của cần trục cầu trục, yêu cầu quá trình tăng
tốc và giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với các cầu trục cần trục thiết kế
cho nâng chuyển container và bốc xếp hàng hóa, lắp ráp thiết bị máy móc. Bởi
vậy mô men động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹ
thuật an toàn.
Năng suất của cần trục cầu trục được quyết định bởi hai yếu tố: Tải trọng
của thiết bị và chu kỳ bốc xếp trong một giờ. Thường số lượng hàng hóa bốc
xếp trong một chu kỳ không như nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức, cho nên
phụ tải của động cơ chỉ đạt (60-70) % công suất định mức của động cơ.
Do điều kiện làm việc của cần trục cầu trục hết sức nặng nề, thường xuyên

làm việc trong chế độ quá tải vì vậy cần trục cầu trục được chế tạo có độ bền và
hệ số dự trữ của các cơ cấu cơ khí lớn để chịu quá tải.
8
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO CƠ CẤU
NÂNG HẠ CẦU TRỤC
2.1. Các hệ truyền động điện cho cầu trục
Trên cầu trục bao gồm có 3 cơ cấu chính truyền động độc lập với nhau. Khi
kết hợp điều khiển 3 cơ cấu này hoạt động hoặc điều khiển hoạt động riêng rẽ
từng cơ cấu sẽ đạt được quỹ đạo bốc xếp hàng hóa theo mong muốn.
Các cơ cấu của cầu trục bao gồm :
1. Truyền động cho cơ cấu nâng hạ hàng.
2. Truyền động cho cơ cấu di chuyển xe con.
3. Truyền động cho cơ cấu di chuyển giàn.
Điều khiển chuyển động cho các cơ cấu này có thể được thực hiện là các hệ
truyền động điện hoặc truyền động điên - thủy lực.
Tuy nhiên các hệ truyền động điện thuần tuý khi sử dụng động cơ truyền động
là: các động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc hoặc dây quấn
sẽ cho đặc tính điều chỉnh tốt nhất. Chúng ta sẽ phân tích các hệ truyền động
điện dùng cho cầu trục .
Cấu trúc của hệ thống điện dùng cho cầu trục được đưa ra với hai dạng phổ
biến trình bày trên hình 2.1. Trên hình 2.1a, bao gồm các phần tử chính của hệ
thống động lực:
1. Động cơ điện truyền động cho các cơ cấu.
2. Phanh hãm điện từ .
3. Bộ truyền cơ khí .
4. Có thể là trống tời quấn cáp của cơ cấu nâng hạ hàng .
5. Phanh hãm an toàn cho cơ cấu nâng hạ hàng .
9
Với cấu trúc như trên hình 2.1a, động cơ thực hiện có thể là động cơ một
chiều điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng và mạch kích từ.

Cần chú ý rằng cuộn kích từ nối tiếp được sử dụng để hỗ trợ mômen của động
cơ trong điều khiển ở chiều nâng hạ là khác nhau.Việc đổi chiều quay của động
cơ điện một chiều được thay đổi chủ yếu bằng cách thay đổi chiều điện áp phần
ứng. Hệ thống cấp nguồn của động cơ một chiều có thể là máy phát điện một
chiều có nhiều mạch phần ứng ( hệ F- Đ) hoặc bộ biến đổi tiristor - động cơ điện
một chiều ( T-Đ).Với cấu trúc trên hình 2.1a , động cơ thực hiện là động cơ
không đồng bộ rôto lồng sóc loại có nhiều cuộn dây quấn trên stato, các tốc độ
khác nhau đuợc tạo ra bằng cách đổi nối các cuộn dây hoặc thay dổi điện áp, tần
số nguồn cung cấp cho cuộn dây stato. Việc đổi chiều quay cho các động cơ
xoay chiều không đồng bộ thường thực hiện bằng phương pháp đổi thứ tự pha
điện áp nguồn cung cấp .
Ưu điểm cơ bản của hệ truyền động điện trên hình 2.1a: Kết cấu hệ thống dơn
giản thường xây dựng theo nguyên tắc dùng tay điều khiển kết hợp với trạm từ.
Đồng thời dạng này cũng cho phép phạm vi điều chỉnh tốc độ rất lớn, đầu tư ban
đầu thấp.
Nhược điểm của hệ thống là độ trơn điều chỉnh không cao, có thể gây nên lực
giật trong quá trình làm việc của cầu trục.Vì vậy bền vững không cao và chỉ ứng
dụng cho các cầu trục khi yêu cầu đặc tính công nghệ nâng chuyển không cao.
Để khắc phục các nhược điểm trên trong các hệ thống điều khiển chuyển
động cho các cơ cấu, ngày nay đã ứng dụng các hệ thống truyền động điện hiện
đại sử dụng bộ biến tần - động cơ không đồng bộ với thiết bị điều khiển PLC.
Dạng hệ thống này cho kết quả tốt về điều chỉnh tốc độ, tính linh hoạt trong điều
khiển và giám sát, cũng như hiệu quả kinh tế cao.
Trên hình 2.1b biểu diễn dạng cấu trúc động lực của hệ thống truyền động
điện đã được ứng dụng cho mhiều loại cần trục và cầu trục.
Trong hệ thống bao gồm:
1. Động cơ truyền động
2. Phanh điện từ hãm dừng.
10
3. Bộ truyền cơ khí.

4. Phụ tải động dùng để điều chỉnh tốc độ của hệ thống bằng máy hãm
đồng bộ hoặc máy phát điện một chiều hoặc các dạng phanh hãm điện từ.
5. Cơ cấu thực hiện có thể là trống tời cáp của cơ cấu nâng hạ.
6. Phanh an toàn .
b)
5
12
3
4
6
6
a)
5
5
4
3
2 1
Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện cho cầu trục
Đặc điểm cơ bản của hệ thống ở hình 2.1 là ở chỗ cấu phanh hãm điều chỉnh
tốc độ 4 có thể điều chỉnh được mômen hãm theo yêu cầu và kết hợp với đặc
tính của động cơ điện để cho ra được đặc tính của hệ thống thoả mãn được công
nghệ nâng vận chuyển cho các loại cầu trục .Đặc biệt thích hợp với cầu trục
dùng trong công nghệ lắp máy, xây dựng và các cầu trục để bốc xếp container ở
các biển. Dạng hệ thống trên hình 2.1b thường được ứng dụng cho các hệ thống
có phạm vi công suất lớn sử dụng động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ
rôto dây quấn.
Ưu điểm của hệ thống trên hình 2.1b là có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt , độ
trơn điều chỉnh sâu cả hai phía nâng hạ, trái phải.
Nhược điểm của hệ là : Hệ thống điều khiển thường phức tạp và là hệ kín, giá
thành tổng thể cao hiệu suất vùng điều chỉnh thấp.

Cấu trúc hệ điều khiển cho các hệ truyền động điện biểu diễn trên hình 2.1 có
thể được xây dựng trên nguyên tắc hệ hở hoặc hệ kín điều chỉnh tốc độ.
11
Sơ đồ cấu trúc điều khiển độc lập hệ thống truyền động điện điều khiển
chuyển động cho các cơ cấu của cầu trục được trình bày trên hình 2.2.
Hình 2.2. Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu dùng PLC - bộ biến tần - động
cơ không đồng bộ cho cầu trục.
Chức năng cơ bản của các khâu như sau:
- Tay điều khiển: Tạo ra tín hiệu điều khiển hệ thống tương ứng với 3 trạng
thái của tay điều khiển.Vị trí “0” hệ thống sẵn sàng hoạt động; Khi tay điều
khiển được dịc chuyển về phía”UP- DOWN” đối với các cơ cấu nâng hạ hàng;
về phía” L- P” đối với cơ cấu di chuyển giàn và xe con, cơ cấu di chuyển tay
điều khiển tạo ra tín hiệu chọn chiều cho hệ thống bằng cảm biến vị trí liên động
với tay điều khiển. Đồng thời tay điều khiển được nối liên động với trục của
encoder sử dụng các tín hiệu dạng số điều khiển giá trị tốc độ quay của động cơ.
Thông thường các Encoder sử dụng hiện nay tạo ra tín hiệu điều khiển 8 bít.
Như vậy tay điều khiển sẽ tạo ra 10 bit tín hiệu điều khiển (2 bit chiều và 8 bit
tốc độ).
- Bộ mã hoá: Bộ mã hóa tín hiệu vị trí tay điều khiển nhằm nâng cao công
suất tín hiệu điều khiển, tăng khả năng chống nhiễu, truyền tín hiệu đi xa.
- Bộ điều khiển PLC: Bao gồm CPU, các modul đầu vào DI, và các modul
đầu ra DO kết nối cới các hệ thống điều khiển. Để đảm bảo tính tác động nhanh
cho hệ thống PLC biến đổi tín hiệu từ tay điều khiển dạng digital thành tín hiệu
12
analog điều khiển biến tần. Đông thời thông qua PLC cung cấp thông tin giám
sát sự hoạt động của toàn bộ hệ thống.
- Thiết bị đóng cắt: Các công tắc tơ MC dùng để đóng cắt nguồn cung cấp cho
bộ biến tần, động cơ không đồng bộ và các thiết bị thực hiện khác.
- Bộ biến đổi: Bộ biến tần dùng để đièu khiển điện áp, tần số cấp cho động cơ
theo luật điều khiển được thiết kế và lưu dữ trong CPU của biến tần, đồng thời

thông qua biến tần có thể quan sát và đặt thông số bảo vệ động cơ . . .
- Động cơ điện: Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng để truyền động
cho hệ thống.
- Thiết bị quan sát: Máy phat tốc độ PG là thiết bị đo tốc độ động cơ cho tín
hiệu dạng xung.
- Máy tính kết nối hệ thống: Chức năng chính của PC là để điều khiển và
giám sát hệ thống.
Các hệ thống điều khiển trên hình 2.2 có nhiều ưu điểm như tạo ra nhiều cấp
tốc độ. Vì vậy hệ thống hoạt động êm, độ giật nhỏ, khả năng tự động hóa cho
từng cầu trục cũng như toàn bộ hệ thống điều khiển khu vực cảng trong khu vực
bốc xếp hàng hoá. Dạng hệ thống này ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho hệ
thống điều khiển cầu trục.
*Nhận xét:
Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới
hoá, tự động hoá. Qua việc xem xét các hệ thống điều khiển trên thì chúng ta đã
thấy rõ được các ưu điểm và nhược điểm của từng hệ thống điều khiển truyền
động.
+Ưu điểm chung là: Tạo ra nhiều cấp tốc độ, hệ thống hoạt động êm, độ giật
nhỏ.
+Nhược điểm chính là: chưa đề cập đến vẫn đề tự động hoá , tức là các hệ
thống phải điều khiển trực tiếp bằng tay.
2.2. Đặc điểm và yêu cầu công nghệ của cơ cấu nâng hạ cầu trục
2.2.1. Đặc điểm công nghệ
13
Các động cơ truyền động cho cơ cấu nâng hạ đều làm việc ở chế độ ngắn hạn
lặp lại. Số lần đóng cắt điện lớn, điều kiện môi trường nặng nề, đặc biệt là cầu
trục ngoài trời, hải cảng trên mặt nước, 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 đường
đặc tính cơ cứng có đường đặc tính cơ thấp có nhiều đường đặc tính trung gian
để mở và hãm êm. Việc điều chỉnh tốc độ các cơ cấu đều thực hiện bằng phương
pháp điện.
Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện điện từ để giữ chặt các trục
chuyển động khi động cơ mất điện ở các cầu trục di chuyển kim loại nóng chảy
để an toàn người ta dùng phanh hãm điện từ trên trục động cơ.
Mạng điện cung cấp cho trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều:
220V, 380V, mạng điện một chiều là 220V, 440V. Điện áp chiếu sáng không
vượt quá 220V, điện áp sửa chữa phải nhỏ hơn 36V. Không được 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 được 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 lưới tợ phục hồi.
Để đảm cho người 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
phận nâng hạ cầu trục gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng
14
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 để không bị giật đứt dây cáp.
2.2.2. 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
kd
5v (s)
với v - tốc độ nâng tải (m/s)
Thời gian hãm cũng được tính tương tự như 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

max
min
D
ω
ω
=
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 trước 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 tư ban đầu.
15

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 vượt quá
(15÷20)% Mđm, đối với cơ cấu nâng của cầu trục gầu ngoạm đạt tới 50% Mđm,
đối với động cơ di chuyển xe con bằng (50÷55)% Mđm.
Trên đây là một số những đặc điểm và yêu cầu cơ bản nhất của cơ cấu nâng hạ
cần trục. Quá trình thiết kế sau này sẽ đi sát vào các đặc điểm đó.
2.3. Xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng
Như đã tìm hiểu ở trên, động cơ truyền động trong cơ cấu nâng làm việc với
phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm máy nhiều. Do đó, khi chọn công suất
động cơ cần xét đến phụ tải tĩnh và động.
Sau đây ta sẽ khảo sát các đặc tính phụ tải khi nâng và hạ tải trọng.
2.3.1 Xác định phụ tải tĩnh
Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng chủ yếu do tải trọng của bản thân cơ cấu và vật
nâng gây ra. Thường có thể chia làm hai loại cơ cấu: loại có dây cáp một đầu và
loại có dây cáp hai đầu. Trong khuôn khổ đồ án này chỉ đề cập tới loại dùng cáp
một đầu được sử dụng rộng rãi trong các cần trục, palăng trong các phân xưởng
lắp ráp.
a. Phụ tải tĩnh khi nâng tải.
Giả sử có cơ cấu nâng hạ như sau:
16

Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của cơ cấu nâng hạ
Xét một cơ cấu nâng có palăng với bội số u; hiệu suất η
p
; bộ truyền trung
gian có tỷ số truyền chung là i và hiệu suất η
o
.

Khi động cơ quay theo chiều tương ứng, vật được nâng lên với vận tốc v
n
.
Lực căng của các nhánh dây nếu không tính mất mát:
T
0
’ = T
1
’ = T
2
’ = … =
u
GG )(
0
+
Thực tế, do có các lực cản phụ, lực căng trong các nhánh dây cuốn lên tang
nên:

pp
u
G
T
T
ηη
.
'
0
0
==
Momen do vật nâng gây ra trên tang:

p
t
p
v
u
RGG
u
DGGD
TM
ηη
.
).(
.2
).(
2
.
0000
0
+
=
+
==

17
Momen trên trục cuối cùng của bộ truyền trung gian (trục III) là:

tpt
v
u

GGM
M
ηηη

)(
0
3
+
==
(η
t
: là hiệu suất của tang, hệ số này tính đến do việc: muốn nâng vật lên ta phải
đặt vào trục III (trục tang) một momen lớn hơn momen M
n
trên tang ,
vì còn phải thắng lực cản trên tang do độ cứng của dây và do ma sát trong ổ
trục).
Tương tự, momen trên trục II sẽ là

22
0
22
3
2

).(
.
ηηηη
tp
t

iu
RGG
i
M
M
+
==
và momem trên trục I:
2121
0
11
2
1

).(
.
ηηηηη
tp
t
iiu
RGG
i
M
M
+
==
Tổng quát:
tpnn
t
iiiu

RGG
M
ηηηηη
.) ).( (
).(
2121
0
1
+
=
Ta đặt:
i=i
1
i
2
…i
n
: là tỷ số truyền chung của bộ truyển.
η=η
1
η
2
…η
n
: là hiệu suất chung của bộ truyền
η
c
=η
P
η

t
η là hiêu suất chung của cơ cấu.
c
t
iu
RGG
M
η

)(
0
1
+
=⇒
(N.m)
Vậy muốn nâng được vật lên, động cơ phải phát ra momen nâng khắc phục
được momem trên trục động cơ.

c
t
n
iu
RGG
MM
η

)(
0
1
+

==
(N.m) (1)
Công suất của động cơ cần thiết để nâng vật:

c
nnn
n
vGGM
P
η
ω
.102.60
).(
1000
.
0
+
==
(kW) (2)
Trong các công thức (1), (2) thì:
G - trọng lượng của tải trọng (kg).
G0 – trọng lượng bản thân cơ cấu nâng (kg).
18
R
t
– bán kính tang nâng (m).
η
c
– hiệu suất của cơ cấu nâng.
u – bội số của ròng rọc (palăng)

i – Tỉ số truyển chung của cơ cấu truyền trung gian.
n
t
vu
nR
i
.
2
π
=
n – Tốc độ động cơ (v/phút)
v
n
– tốc độ nâng tải (m/phút)
Từ (1) & (2) dễ dàng suy ra momen và công suất của động cơ phát ra lúc nâng
không tải:

c
t
n
iu
RG
M
η

.
0
0
=

c
n
n
vG
P
η
.102.60
.
0
0
=
b. Phụ tải tĩnh khi hạ tải.
Có thể có hai trạng thái hạ tải.
+ Hạ động lực
+ Hạ hãm.
Hạ động lực được dùng khi hạ những tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải
trọng sinh ra không đủ để thắng lực ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở
chế độ động cơ.
Hạ hãm được dùng khi hạ những tải trọng lớn. Khi đó momen do tải trọng sinh
ra lớn hơn mô men ma sát nên gây ra chuyển động của hệ thống. Máy điện phải
làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng rơi với vận tốc ổn định (tức là
chuyển động không có gia tốc).
Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng sinh ra khi không có mất mát là
momen tải trọng:
iu
RGG
M
t
t
.

).(
0
+
=
Khi hạ tải, năng lượng được truyền từ phía tải trọng về phía cơ cấu truyền và
động cơ, nên:
htth
MMMM
η
.=∆−=
19
trong đó: M
h
– momen trên trục động cơ khi hạ tải.
∆M – mất mát trong cơ cấu truyền.
η
h
– hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải.
Nếu M
t
> ∆M ta có trạng thái hạ ham; còn nếu M
t
< ∆M ta có trạng thái hạ
động lực.
Nếu coi mất mát trong cơ cấu khi nâng và khi hạ tải là như nhau thì:
)1
1
( −=−=∆
c
tt

c
t
MM
M
M
ηη
→
)
1
2(
.
).(
)
1
2.()1
1
(
0
c
t
c
t
c
tth
iu
RGG
MMMM
ηηη
−
+

=−=−−=
So sánh (5) và (6) →
c
h
η
η
1
2 −=
Đối với những tải trọng tương đối lớn (tương ứng với η
c
> 0,5), ta có
η
h
>0, Mh >0. Điều này có nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momen
phụ tải, động cơ làm việc ở trạng thái hãm (hạ hãm). Khi tải trọng tương đối nhỏ
η
c
<0,5 thì η
h
< 0; Mh <0. Điều này có nghĩa là momen động cơ cùng chiều với
momen phụ tải để cùng khắc phục lực ma sát trong cơ cấu truyền lực.
Từ (6) ta suy ra momen hạ không tải:
)12.()
1
2(
.
.
0
0
0

−=−=
cn
c
t
h
M
iu
RG
M
η
η
Từ đó tính được công suất trên trục động cơ khi hạ tải:
1000
.
hh
h
M
P
ω
=
(kW)
1000
.
0
hho
h
M
P
ω
=

(kW)
2.3.2 Tổng kết các công thức cần thiết dùng trong tính toán cơ cấu nâng-hạ
Từ phân tích đặc điểm công nghệ của cơ cấu cần trục nâng-hạ, ta nhận thấy
chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng thường bao gồm các giai đoạn: Hạ không tải,
nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Giữa các gia đoạn đó có những thời gian nghỉ.
Dựa vào nhiệm vụ cụ thể của cơ cấu mà xác định chu kỳ làm việc. Dưới đây xin
tổng kết lại các công thức cần thiết trong tính toán cơ cấu này.
20
Giai đoạn hạ không tải:
)
1
2(
.
.
0
0
c
t
h
iu
RG
M
η
−=
(N.m)
1000
.
0
0
hh

h
M
P
ω
=
(kW).
Giai đoạn nâng có tải:
c
t
n
iu
RGG
M
η

).(
0
+
=
(N.m);
c
n
n
vGG
P
η
.6120
).(
0
+

=
(kW)
Giai đoạn hạ có tải:
)
1
2(
.
).(
0
c
t
h
iu
RGG
M
η
−
+
=
(N.m)
1000
.
hh
n
M
P
ω
=
(kW)
Giai đoạn nâng không tải:

c
t
n
iu
RG
M
η

.
0
0
=
(N.m)
c
n
n
vG
P
η
.6210
.
0
0
=
(kW)
2.4. Thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu nâng hạ
hàng
2.4.1. Chọn công suất động cơ
Chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động là một khâu quan
trọng trong quá trình tiến hành thiết kế hệ thống. Việc chọn công suất động cơ

bao hàm cả việc chọn loại động cơ.
*Chọn loại động cơ
Phân tích vấn đề chọn loại động cơ trong truyền động cần trục liên quan đến
giá thành lắp đặt, khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
Trong lĩnh vực truyền động cần trục trước kia, động cơ điện một chiều kích
thích nối tiếp được dùng rất phổ biến trong cần trục. Sở dĩ như vậy là bản thân
loại động cơ này có những ưu điểm mà các loại động cơ không đồng bộ và đồng
bộ không có được, đặc biệt là những yêu cầu rất đặc trưng của một số lĩnh vực
truyền động. Trước hết vì nó dùng nguồn một chiều nên nó yêu cầu số lượng
thanh trượt ít so với các loại động cơ khác. Đối với truyền động nâng, động cơ
này đảm bảo được những tốc độ hạ ổn định (hoặc lớn hoặc nhỏ) cho mọi tải
trọng.
21
Tuy nhiên hiện nay, được sự hỗ trợ của các thiết bị công suất, cùng với những
đặc điểm như: rẻ, cấu tạo đơn giản, tin cậy, hiệu suất cao thì động cơ không
đồng bộ đã thay thế hầu hết các loại động cơ điện một chiều trong lĩnh vực này.
Thực vậy, nhờ những tiến bộ sâu sắc của lĩnh vực vi điện tử và điện tử công suất
mà càng có nhiều thiết bị cho phép khắc phục nhược điểm của động cơ không
đồng bộ, cụ thể là người ta đã tạo ra được tất cả những đặc tính cơ thoả mãn hầu
hết quá trình công nghệ khắt khe nhất, đồng thời lại cho phép hạ giá thành vận
hành và lắp đặt. Mặt khác, việc dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng
tiện lợi do việc dùng nguồn xoay chiều 3 pha vốn sẵn có trong công nghiệp.
Từ những lý do trên ta chọn loại động cơ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ là
loại động cơ không đồng bộ.
*Chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động
Như đã biết, động cơ muốn kéo được tải thì cần phải sinh ra một momen M
d
có khả năng khắc phục được momen tải của cơ cấu sản xuất,tức là: M
d
≥ M

pt
Muốn xác định được công suất động cơ, cũng tức là tìm được M
d
, cần phải có
điều kiện ban đầu. Đó là các điều kiện:
+ Phải có biểu đồ phụ tải tĩnh của cơ cấu sản xuất mà động cơ sẽ phục vụ dưới
dạng: I
c
=f(t), M
c
=f(t) hoặc P
c
=f(t) đã tính quy đổi về trục động cơ.
+ Phải có biểu đồ phụ tải biến thiên tốc độ trong quá trình làm việc.
Theo kết quả phân tích ở trên, chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng-hạ thường
gồm: hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Dựa vào các công thức đã
nêu ở muc 1.3 tiến hành các bước tính toán.
2.3.2. Kiểm nghiệm công suất động cơ
Từ công suất chọn sơ bộ ta chọn động cơ rotor lồng sóc thỏa mãn:
P
đmĐ

≥
P
cqđ

n
đmĐ

≥

n
a. Kiểm tra điều kiện phát nóng
22
Để kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng ta phải tiến hành xây dựng
đồ thị phụ tải toàn phần, bao gồm phụ tải tĩnh và phụ tải động. Tức là tính đến
các giai đoạn quá độ như thời gian mở máy, hãm máy.
b. Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải
Kiểm nghiệm điều kiện quá tải, đối với động cơ không đồng bộ, cần xét đến
hiện tượng sụt áp của lưới điện. Thông thường, cho phép sụt áp 10%, nên mô-
men tới hạn của động cơ trong tính toán kiểm nghiệm chỉ còn:
M”
th
=(90%)2.M
th
=0,81.M
th
(M
th
_ là mô-men tới hạn theo số liệu của động cơ).
Từ số liệu tra được của động cơ đã chọn ta tính được:
+ Mô-men định mức của động cơ là:

9550
dm
dm
dm
P
M
n
×

=
+ Mô-men lớn nhất của động cơ là:

max
0,81. .3
D dm
M M=
Giá trị mô-men này phải lớn lơn giá trị mô-men cản lớn nhất khi nâng tải định
mức thì động cơ đã chọn thoả mãn điều kiện quá tải mô-men.
c.Kiểm nghiệm theo điều kiện khởi động
Điều khiện về khởi động
max.ckd
MM ≥

Ta có:
3,3
kd dm
M M= ×
c
t
n
iu
RGG
M
η

).(
0
+
=

(N.m);
c
n
n
vGG
P
η
.6120
).(
0
+
=
(kW)
2.4.3. Tính toán và chọn cơ cấu phanh hãm:
*Giới thiệu chung về cơ cấu phanh hãm:
Phanh hãm là một bộ phận không thể thiếu trong các cơ cấu chính của cầu
trục. Phanh dùng trong cầu trục thường có ba loại: phanh guốc, phanh đĩa, phanh
đai.Nguyên lý hoạt động của các loại phanh trên về cơ bản giống nhau. Khi
động cơ của cơ cấu đóng vào lưới điện thì đồng thời cuộn dây của nam châm
23
phanh hãm cũng có điện. Lực hút của nam châm thắng lực cản của lò xo,giải
phóng trục động cơ để động cơ làm việc. Khi cắt điện, cuộn dây nam châm cũng
mất điện, lực căng của lò xo sẽ ép chặt má phanh vào trục động cơ để hãm.
Phanh hãm điện từ thường chế tạo theo hai kiểu: hành trình phần ứng dài
(hàng trục mm) và hành trình phần ứng ngắn (vài mm). Loại hành trình dài yêu
cầu lực hút nhỏ, nhưng kết cấu cơ khí cồng kềnh và phức tạp. Thực tế thường
dùng phanh hãm hành trình ngắn.
Sơ đồ động học của phanh đai và phanh guốc giới thiệu trên hình vẽ
NC
G

pb
G
nc
G
L
l
2
l
1
L
F
s
2
a
L
F
s
1
A
a
24
NC
G
pb
G
nc
G
L
l
2

l
1
c
L
A
F
1
F
2
c
b
a
L

Hình 2.4. Sơ đồ động học của phanh đai và phanh guốc
+Nguyên lý hoạt động:
Khi cuộn dây của nam châm có điện, lực hút của nam châm sẽ nâng cánh tay
đòn L lên, làm cho đai phanh (hoặc guốc phanh) không ép chặt vào trục động
cơ. Khi mất điện, do tự trọng của nam châm G
nc
và đối trọng của phanh G
ph
,
cánh tay đòn hạ xuống và đai phanh ghì chặt vào trục động cơ.
Khi chọn cơ cấu phanh cần chú ý đến 3 thông số cơ bản: điện áp làm việc, hệ
số tiếp điện tương đối (TĐ%) và độ dài hành trình của phần ứng (hoặc trị số góc
quay lớn nhất).

*Tính toán và lựa chọn phanh cho cơ cấu nâng - hạ:
Lực tác dụng lên trục động cơ khi phanh phụ thuộc vào trị số mômen của cơ cấu

phanh và chế độ làm việc của cơ cấu nâng - hạ.
Mômen cản tĩnh khi hạ tải với định mức:
25