TRANG BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ MÁY CÔNG NGHIỆP DÙNG CHUNG (TÁI BẢN LẦN THỨ HAI)

vũ QUANG HỒI

TRANG BỊ■ ĐIỆ■ N - ĐIỆ■ N TỬ

MÁY CÔNG NGHIỆP DÙNG CHUNG

(Tái bản lần thứ hai)

NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM

LỜI NÓI ĐẦU

Cuốn sách "Trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung" được biên soạn để
làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành Tự động hố Xí nghiệp Công nghiệp của Trường Đại
học Bách khoa Hà Nội và làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ hoạt động trong lĩnh vực Tự
động hoá từ năm 1994. Cuốn sách cũng đã được sử dụng ở một số trường Đại học kỹ thuật
khác và đã giúp ích cho các cán bộ kỹ thuật làm việc trực tiếp hoặc gián tiếp với những máy đã
được đề cập trong sách.

Sau hơn mười năm, với nhiều ý kiến đóng góp về nội dung của các cán bộ giảng dạy và
bạn đọc, tác giả đã điều chỉnh lại nội dung cuốn sách cho phù hợp hơn với yêu cầu thực tiễn.
Cuốn sách đã được biên soạn lại với những kiến thức cơ bản nhất nhưng vẫn cập nhậtđược sự
tiến bộ của khoa học kỹ thuật và thực tế sản xuất.

Cuốn sách được viết theo hướng mở và cô' gắng gợi ra những ứng dụng củanội dung.
Sách gồm 4 chương, nội dung đề cập tới trang bị điện - điện tử của các máy:

Chương 1. Trang bi điện - điện tử các máy nâng vận chuyển.
Chương 2. Trang bị điện - điện tử lò điện.
Chương 3. Trang bị điện - điện tử máy hàn điện.

Chương 4. Trang bị điện - điện tử các máy thuỷ khí.
Mỗi loại máy đều được giới thiệu và phân tích q trình cơng nghệ, đặc tính kỹ thuật, ứng
dụng cơ bản, cơ sở lý luận và tính chọn cơng suất, loại động cơ truyền động cũng như gợi ý về
hệ truyền động và phân tích một số sơ đổ điều khiển điển hình.
Mặc dù biên soạn lại nhưng cuốn sách cũng khơng thể tránh được các sai sót. Rất mong
các thầy, cơ giáo và bạn đọc góp ý để lần xuất bản sau cuốn sách được hoàn thiện hơn.
Các ý kiến đóng góp xin gửi về Công ty c ổ phần Sách Đại học - Dạy nghề (HEVO BCO),
Nhà xuất bản Giáo dục, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội.

1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG
Các máy nâng - vận chuyển (MN-VC) là các máy dùng đe vậnchuyểnngười và

hàng hoá từ nơi này đến nơi khác, lên cao hoặc xuống thấp trong một phạm vihẹp.
Chúng không bao gồm các máy hoặc thiết bị chuyên chở xa như các phương tiện vận tải
tham gia giao thông.

Các MN-VC đóng một vai trị rất quan trọng trong việc cơ giới hoá và tự động hố các
q trình sản xuất cũng như các phương tiện tạo tiện nghi. Chúng đảm nhận vận chuyển
một khối lượng lớn hàng hoá, vật liệu, ngùyên liệu, sản phẩm trong mộl phân xưởng, giữa
các phân xưởng cùa một nhà máy hoặc một dây chuyền sản xuất tự động v.v...

Trong khai thác khoáng sản, trên các cơng trình thuỷ lợi, thuỷ điện, trong xây dựng,
tron« các nhà máy chế tạo cơ khí, sản suất ơtơ, máy bay,... MN -V C đóng góp rất lớn
vào việc tăng năng suất lao động, giảm thời gian thi công, giảm lao động thủ cơng nặng
nhọc, thay đổi hình thức lao động.

Trong các nhà ở cao tầng, các văn phòng tập trung, các sicu thị, nhà ga máy bay,
nhà ga xe điện ngầm, các máy nâng - vận chuyển giúp vận chuyển hành khách - hàng
hoá nhanh chóng, thuận tiện.

Như vậy, các máy nâng - vận chuyển là các máy mà hiện nay không thể thiếu được
trong mọi ngành sản suất cũng như trong sinh hoạt hàng ngày.

1.1.1. Phân loại các máy nâng - vận chuyển

Có nhiều cách phân loại MN - v c (lùnh 1.1)

1.1.1.1. Theo phương vận chuyển hàng hoá
a) Theo phương thẳng đứng: thang máy, máy nâng.
b) Theo phương nằm ngang: băng chuyền, băng tải, thang chuyền.
c) Theo phương nghiêng: xe kíp, băng chuyền, băng tải.
d) Theo phương kết hợp: cần trục, cầu trục, máy xúc...

1.1.1.2. Theo cách di chuyển
a) Đặt cố định: máy nâng, thang máy, thang chuyền, bãng tải, băng chuyền...
b) Di chuyển thẳng: cầu trục cảng, cần trục, cầu trục...
c) Quay trịn một góc: cần trục xây dựng (cần cẩu tháp).
d) Chuyển động phối hợp: máy xúc, cần cẩu cảng...

5

1.1.1.3. Theo c ơ cấu bốc hàng

a) Cơ cấubốc hàng là thùng, cabin, gầu treo, gầu ngoạm.

b) Cơ cấubốc hàng là móc, xích treo, băng

c) Cơ cấubốc hàng là nam châm điện.

a)

b)

d)

h)
9)

ỉ

<Ể= è. y

V

Hình 1.1. Các loại máy nâng - vận chuyển
a) Cầu trục móc hàng; b) cổng trục; c) Cần cẩu con dê; d) cần trục cảng; e) Cần cẩu tháp
g) Thang máy; h) Máy xúc gàu thuận; i) cầu trục xưởng thép; k) Máy xúc gàu treo (!) Băng tải

6

1.1.1.4. Theo c h ế độ làm việc
a) Chế độ làm việc dài hạn: băng tải, băng chuyền, thang chuyền...
b) Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại: máy xúc, thang máy, cần trục, cầu trục...

1.1.2. Đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc hệ truyền động các máy nâng •
vận chun

1.1.2.1. Điêu kiện làm việc khó khăn

Điều kiện làm việc của các MN-VC rất khắc nghiệt dù ở trong nhà hay ngồi trời,

địi hỏi các thiết bị điện phải chịu đựng và làm việc tin cậy trong những điều kiện đó,
đảm bảo an tồn, nãng suất cao, tần suất đóng cắt lớn.

Ví dụ: cần cẩu, máy trục, máy xúc... làm việc ngồi trời phải chịu mưa, gió, bụi,
hơi muối ớ cảng biển, ẩm, nhiệt độ cao...

Các M N-VC làm việc trong các nhà,máy có thể phải chịu ẩm, nhiệt độ cao, bụi
(nhà máy luyện kim), chịu axit, bazơ (nhà máy hoá chất), chịu bụi (nhà máy khai thác,
tuyển quặng)...

1.1.2.2. Mômen thay đổi theo tốc độ
Các M N-VC thường phải mở máy với

tải lớn nên mômcn mở máy yêu cầu phải
lớn. Mômen cản tĩnh lúc 1T1Ở máy cũng tăng
mạnh khi nhiệt độ môi tnrờng giảm vào
mùa lạnh làm tãng mômen ma sát trong các
ổ đỡ, nhất là đối với băng chuyền, bãng tải
có lất nhiều con lăn ổ bi. Hình 1.2 cho mối
quan hệ phụ thuộc giữa mơmen cản tĩnh
của động cơ truyền động và tốc độ của nó
M = f(co) trong các M N-VC.

Khi (0 = 0, mômen cản tĩnh gấp (2 -ỉ- 2,5)
Mc?ở tốc độ định mức.

1.1.2.3. Mômen thay đối theo tải Hình 1.3. Đồ thị M = f(G) Gđm

Trong M N -V C, mơmen CỊĨ1 phụ thuộc 1. Động cơ di chuyển xe cầu; 2. Động cơ
vào tải, nhất là đối với cơ cấu nâng - hạ di chuyển xe con; 3. Động cơ nâng - hạ.

(hình 1.3).

Như hình 1.3, cơ cấu nâng - hạ của cầu
trục khi khơng tải (khơng có tải trọng) sẽ
chiếm M„ = (15 - 25)%Mdm. Khi đầy tải là
100% MJm. Riêng đối với cơ cấu nâng của
cần trục gàu ngoạm lại đạt tới 50% Mjm.
Đối với cơ cấu di chuyển xe con, mang theo
cơ cấu nâng hạ thì đạt M„= (35 - 50)% MJm.
Đối với xe cầu mang theo xe con thì đạt tới
M,,= (55 -í- 65)% MJm.

7

1.1.2.4. Yêu cẩu về quá trình quá độ
Yêu cầu về quá trình quá độ của M N-VC là phải hạn chế gia tốc dương khi tăng

tốc và gia tốc âm khi giảm tốc ớ mức tối đa cho phép để chuyển động của M N -VC xảy
ra êm nhằm tránh trao lắc nguy hiểm (cho hàng hoá), giật máy (gây đứl cáp, vỡ bánh
răng) hoặc gây khó chịu cho người (đi thang máy, thang chuyền).

1.1.2.5. Yêu cẩu về độ bển cơ khí, vê khả năng chịu quá tái
Năng suất của M N-VC phụ thuộc hai yếu tố: tải trọng và tần suất bốc, xúc. Thường

tải trọng mỗi lần bốc, xúc khơng như đhau và nhỏ hơn giá trị định mức nên hiệu suất
máy chỉ đạt 60 -70% định mức.

Nhưng với máy xúc lại hay bị q tải vì người vận hành khơng lường được tải trọng
và khơng biết phía dưới đất đá có gì vướng nên địi hỏi chế tạo phải có độ bền lớn và có
khả năng chịu quá tải tốt.

1.1.3. Xu hưỏng phát triển các hệ truyền động dùng trong máy nâng - vận chuyển

Các hệ truyền động dùng cho M N-VC thuờng là hệ truyền động động cơ điện một
chiểu và độnsỉ cơ điện xoav chiều.

Động cơ điện xoay chiều với ưu điểm rẻ, hiệu quả kinh tế cao, sử dụng ngay điện
lưới, đáp ứng được các yêu cầu (không quá khắt khe) về mở máy và điều chỉnh trong
các MN - v c nên được sử dụng ưu tiên hơn động cơ điện một chiều. Động cơ điện một
chiều phức tạp hơn về cấu tạo và sử dụng cần các nguồn một chiều kích từ và cấp cho
phần ứng. Do vậy, nó chỉ được sử dụng khi có yêu cầu mà nếu dùng động cơ điện xoay
chiều thì khơng dáp ứng được.

Nhờ kỹ thuật điện tử và kỹ thuật chế tạo các linh kiện bán dẫn công suất lớn, chịu

điện áp cao ngày càng phát triển, hoàn thiện hơn nên các bộ nguồn một chiéu dùng máy

điện quay hoặc nguồn chỉnh lưu bán dẫn không điều chỉnh đã dần được thay thế bởi

nguồn chỉnh lưu bán dẫn thyristo có điều khiển với nhiều ưu điểm nổi trội: dộ tác động

nhanh, độ nhậy cao, gọn, nhẹ và rẻ. *

Cũng nhờ kỹ thuật điện tử và bán dẫn phát triển mà các phần tử đóng - cắt mạch
khơng tiếp điểm đã dần chiếm ưu thế và thay cho các phần tử đóng - cắt có tiếp điểm
(rơ le, cơng tắc tơ). Nhờ đó đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về làm việc tin cậy an toàn
tuổi thọ cao hơn, duy tu bảo dưỡng ít hơn.

Hiện nay, trong truyền động các MN - v c , tuỳ yêu cầu và công suất, hai loại động
cơ điện một chiều và xoay chiều vẫn được sử dụng. Khi sử dụng động cơ điên môt

chiều, nguồn cấp là các bộ chỉnh lưu có điều khiển dùng thyristo. Khi sử dụno động cơ
điện xoay chiều, việc thay đổi tốc độ nhờ bộ điều áp xoay chiều dùng thyristo (hoãc
triac) cấp cho phần cảm động cơ, còn phần ứng nếu là động cơ dây quấn sẽ /dùne bộ
biến đổi xung điện trở 1’ôto.

Các luật điều khiển, lộnh điều khiển trong các MN - v c cũng được tạo lâp và thưc
hiện nhờ các máy vi tính tại chỗ, các PLC kết hợp với nhiều chức nãng khác nhất là
trons các dây chuyển sản xuất tự động.

8

1.2. TRANG B■ Ị Đ■IỆN - Đ■IỆN TỬ CẦU TR■ỤC
1.2.1. Chế độ làm việc của động cơ truyền động và các yêu cầu cho hệ truyền
động cẩu trục

Cầu trục thường được sử dụng trong các phân xưởng chế tạo cơ khí, nấu thép, lắp
ráp ơ tó v.v... (hình l.la và i) hoặc sử dụng ngoài trời tại các bến bãi, kho tàng dưới
dạng cổng trục (hình l.lb ). Cầu trục có 3 phần chính (hình 1.4):

- Cơ cấu nâng - hạ 1 là bộ phận chính của cầu trục bao gồm động cơ truyền động,
bộ truyền và hệ kéo cáp hàng lên, hạ hàng xuống theo phương thẳng đứng. Bộ phận lấy
hàng có thể là móc 4, gầu hoặc nam châm điện.

- Xe con: Bộ phận di chuyển 2 mang theo.cơ cấu nâng - hạ, qua lại được dọc theo
dầm cầu 3.

- Xe cầu: Dầm cầu 3 có bánh xe 5 chạy qua lại được trên hai ray đặt dọc hai bên
xưởng... Xe cầu mang theo xe con.

Kết hợp 2 chuyển động vng góc của xe cầu và xe con với chuyển động lên xuống

của móc 4 thì cầu trục có thể móc để di chuyển hàng ở mọi điểm trong không gian của
phân xưởng.

Cấp điện cho cầu trục qua hệ thống tiếp điện (trôlây) 6. Điều khiển cầu trục tại cabin 7.
Chê'độ làm việc của các động cơ truyền động cầu trục là ngắn hạn lặp lại, 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.
Điều kiện làm việc của cầu trục 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 cạo; rơto dài với đường kính nhỏ để có mơmen qn tính bé, giảm tổn hao
năng lượng trong q trình thay đổi tốc độ; có khả năng chịu quá tải cao.
Yêu cầu cho hệ truyền động cầu trục là:
- Các phần tử cấu thành phải đơn giản về cấu tạo, tin cậy cao và dễ dàng thay thế.
- Mạch điều khiển cần có bảo vệ điện áp “0”, quá tải và ngắn mạch.
- Các quá trình quá độ (mở máy, tăng giảm tốc độ, hãm máy) xảy ra theo một luật
định sẵn phù hợp với hoạt động của cầu trục.
- Mỗi hệ truyền động (nâng - hạ, xe con, xe cầu) có sơ đồ riêng.

9

- Các chuyển động lên - xuống của cơ cấu nâng - hạ, di chuyển của xe con. xe cầu
phải có cơng tắc hạn chế hành trình.

- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp.
- Khơng cho cầu trục hoạt động khi có người làm việc trên xe cầu.

1.2.2. Tính chọn cơng suất động cơ truyền động cầu trục
1.2.2.1. Động cơtruyén động cơ cấu nâng - hạ

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 lưu ý cả phụ tải tĩnh và phụ tải động.

Hình 1.5. Sơ dồ động học của cơ cấu nâng - hạ dùng móc
1. Trục vít; 2. Bánh vít; 3. Bánh răng; 4. Tang nâng; 5. Puli; 6. Móc;

7. Cáp; 8. Điểm cố định cáp; 9. Động cơ điện.

Dựa vào sơ đồ động học (như hình 1.5) có thể tính phụ tải động cơ.

a)Phụ tải tĩnh khi nâng. Mômen động cơ khi nâng:

w (G + G ìR , (1.1)
M n =■■■„. (1.2)

uir|c

trong đó: G - trọng lượng tải trọng, [N]
G„ - trọng lượng móc, [N]
R ,- bán kính tang nâng, [m]

r |. - hiệu suất toàn bộ cơ cấu
i - tỷ số truyền

27ĩ.R,.n
i = -—

u.v

n - tốc độ động cơ, [vg/s]
V - tốc độ nâng tải, [m/s]

u - bội số của hệ thống ròng rọc.

10

Bội số ròng rọc thay đổi theo kết cấu và cách quấn cáp. Hình 1.6 cho bội số rịng
rọc của một vài kết cấu.

Hình 1.6. Bội sơ' rịng rọc của một vài cơ cấu móc

Hiệu suất cơ cấu trong biểu thức (1.1) sẽ là định mức khi tải trọns là định mức. Với

các tải trọng khác định mức thì xác định r|ctheo hình 1.7.

Khi khơng tải, thay G = 0 vào (1.1)
b) Phụ tải tĩnh khi hạ
Khi hạ tải, tuỳ thuộc tải trọng G lớn hay nhỏ mà có hai chế độ hạ tải. Đó là:

- Hạ động lực: khi tải trọng nhỏ thì
mơmen tải trọng khơng đủ để thắng mômen
ma sát của hệ truyền động và động cơ phải
làm việc đế đẩy xuống. Mômen động cơ
cùng chiều với mômen tải trọng.

- Hạ hãm: khi tải trọng lớn thì mơmen
tải trọng đủ lớn để thắng mômen ma sát của
hộ truyền động và tải trọng tự tụt xuống.
Động cơ phải làm việc ở chế độ hạ hãm (kéo
lên với mơmen nhỏ) để ghìm giữ tải trọng tụt
xuống đều với tốc độ cho phép. Mômen động
cơ ngược chiều với mômen tải trọng.

Khi hạ tải, trong cả 2 trường hợp thì năng Hình 1.7. Quan hệ phụ thuộc Tic
lượng đều truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu vào tải trọng
truyền động nên mômen động cơ khi hạ là:

Mh= M ,- AM

Hay viết qua hiệu suầ't cơ cấu khi hạ r|h

M h = M t - A M = M,T|h (1.3)

Rõ ràng, hạ hãm khi Mt> AM ứng với Mh> 0.
Hạ động lực khi M, < AM ứng với Mh< 0.
Trong đó M, là mơmen tải trọng gây ra trên trục động cơ khi không kể tổn hao:

11