đồ án môn học '''' thiết kế hệ thống điện cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng ''''

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện


ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRANG BỊ ĐIỆN


THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO
TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG
HẠ CẦU TRỤC PHÂN XƯỞNG



GVHD: Trần Duy Trinh
SVTH: Trưowng Văn Dân

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 1 - SVTH: Trương Văn Dân
1. Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

2. Lời nhận xét của giáo viên phản biện

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 2 - SVTH: Trương Văn Dân
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 4
Chương 1 5
TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC 5
1.1 Khái quát chung 5
1.1.1. Khái niệm 5
1.1.2. Đặc điểm cấu tạo của cầu trục 5
1.1.3. Phân loại 5
1.1.4. Cấu tạo 6
1.2. Đặc điểm công nghệ 8
1.3. Yêu cầu truyền động 8
1.3.1. Đặc tính phụ tải 8
1.3.2. Chế độ làm việc của động cơ truyền động 9
1.3.3. Yêu cầu truyền động 10
Chương 2 12
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG 12

2.1.Tính toán phụ tải chính 12
2.1.1. Lựa chọn các thông số 12
2.1.2. Phụ tải tĩnh khi nâng tải 13
2.1.3. Phụ tải tĩnh khi hạ tải. 14
2.2. Chọn sơ bộ công suất động cơ. 15
2.2.1. Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh. 15
2.2.2. Kiểm nghiệm động cơ 17
Chương 3 19
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 19
3.1. Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều 19
3.1.1. Khái quát về động cơ điện một chiều 19
3.1.2. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm 22
3.1.3. Ảnh hưởng của các tham số tới đặc tính cơ. 25
3.2. Lựa chọn phương án truyền động 27
3.2.1. Phương án 1: Hệ thống truyền động máy phát-động cơ(F-Đ) 27
3.2.2. Hệ thống máy phát động cơ F - Đ với các phản hồi có sử dụng máy điện khuyếch
đại từ trường ngang (MKĐ) 28
3.2.3 Đánh giá hệ thống F- Đ 30
3.3 Phương án 2: Hệ truyền động Thyristor – Động cơ (T-Đ) 30
3.3.1 Sơ đồ hệ thống 31
3.3.2 Đánh giá về hệ thống 31
3.4. Lựa chọn phương án truyền động 32
Chương 4 33
TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 33
4.1. Tính chọn thiết bị mạch lực 33
4.1.1. Lựa chọn sơ đồ nối dây mạch lực 33
4.1.2. Lựa chọn phương án đảo chiều 38
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện

GVHD: Trần Duy Trinh - 3 - SVTH: Trương Văn Dân
4.1.3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động 40
4.1.4. Tính chọn các thiết bị mạch động lực 42
4.2. Tính chọn các thiết bị mạch điều khiển 53
4.2.1. Khái quát chung 53
4.2.2. Thiết kế mạch cụ thể 56
4.2.3. Khâu tạo xung: 64
4.2.4. Mạch tạo điện áp chủ đạo 71
4.2.5. Mạch lấy tín hiệu phản hồi dòng điện có ngắt 71
4.2.6. Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ 72
4.2.7. Thiết kế mạch nguồn nuôi một chiều 73
Chương 5 74
ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 74
5.1. Tính toán các thông số cơ bản 74
5.1.1. Các tham số cơ bản 74
5.1.2. Hệ số khuếch đại của động cơ 74
5.1.3. Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi k
b
74
5.1.4. Hệ số khuếch đại trung gian 75
5.1.5. Hệ số khuếch đại yêu cầu (k
yc
) của toàn hệ thống 76
5.2. Khảo sát chế độ tĩnh của hệ thống 77
5.2.1. Khái niệm chung 77
5.2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ở chế độ tĩnh 77
5.2.3. Kiểm tra sự ổn định của hệ thống ở chế độ tĩnh 78
5.3. Khảo sát chế độ động của hệ thống 79
5.3.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc 79
5.3.2. Xác định hàm truyền của hệ thống phản hồi tốc độ 81

5.3.3. Kiểm tra sự ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn Routh 83
KẾT LUẬN 85







Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 4 - SVTH: Trương Văn Dân


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói
chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay
đổi từng ngày. Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản
xuất đòi hỏi những người Kĩ Sư Điện tương lai phải được trang bị những kiến thức
chuyên ngành một cách sâu rộng.
Trong quá trình học môn Trang Bị Điện em được nhận đề tài: Thiết kế hệ thống
điện cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng
Do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên
bản đồ án không khỏi có những sai sót. Em mong nhận được sự góp xây dựng của các
thầy, cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Trong quá trình làm đồ
án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo cũng
như sự góp ý xây dựng của các bạn bè. Đặc biệt là sự giúp đỡ của Thầy giáo Trần Duy
Trinh và các thầy cô giáo công tác trong khoa điện.
Em xin chân thành cảm ơn !

Vinh, 26 tháng 09 năm 2012
Sinh Viên

Trương Văn Dân

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 5 - SVTH: Trương Văn Dân
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC
1.1 Khái quát chung
1.1.1. Khái niệm
Cầu trục là tên gọi chung của các máy trục chuyển động trên hai đường ray cố định
trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật phẩm trong khoảng không (
khẩu độ ) giữa hai đường ray đó.
Các cơ cấu của đảm bảo 3 chuyển động:
- Nâng hạ vật.
- Di chuyển xe con.
- Di chuyển xe cầu.
1.1.2. Đặc điểm cấu tạo của cầu trục
Dầm cầu được gọi là dầm chính, thường có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể có một
hoặc hai dầm. Trên dầm có xe con và cơ cấu di chuyển qua lại dọc theo dầm chính. Hai
đầu dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm đầu. Trên mỗi dầm đầu có hai cụm
bánh xe: cụm bánh xe chủ động và cụm bánh xe bị động.
Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn động điện. Dẫn động bằng tay chủ
yếu dùng trong các phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xuyên,
không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao.
Cầu trục thường được chế tạo với các thông số:
- Tải trọng nâng: Q = 1 ÷ 500 tấn

- Chiều cao nâng: H
max
= 16 m
- Vận tốc nâng: V
n
= 2 ÷ 40 m/phút
- Vận tốc di chuyển xe con: V
xmax
= 60 m/phút
- Vận tốc di chuyển cầu trục: V
cmax
= 60 m/phút
Cầu trục có Q > 10 tấn thường được trang bị hai hoặc ba cơ cấu nâng, gồm một cơ
cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ, được lắp trên xe con.
1.1.3. Phân loại
+ Theo hình dạng bộ phận nâng hạ và mục đích sử dụng:
- Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn.
- Cầu trục dùng gầu ngoạm.
- Cầu trục dùng nam châm điện.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 6 - SVTH: Trương Văn Dân
+ Theo tải trọng:
- Loại nhẹ: dưới 10 tấn.
- Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn
- Loại nặng: trên 15 tấn.
+ Theo chế độ làm việc:
- Loại nhẹ: TĐ%= 10÷15%, số lần đóng cắt trong một giờ là 60.
- Loại trung bình: TĐ%= 15÷25% , số lần đóng cắt trong một giờ là 120.

- Loại nặng: TĐ%= 40÷60%, số lần đóng cắt trong một giờ là trên 240.
+ Theo chức năng:
- Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, yêu cầu độ chính xác không cao.
- Cầu trục lắp ráp: sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, yêu cầu độ chính
xác cao.
1.1.4. Cấu tạo

Hình 1.1. Cấu tạo cầu trục.
Cấu tạo cầu trục được thể hiện trên hình 1.1, gồm 3 bộ phận chính:
+ Xe cầu
Là một khung sắt hình chữ nhật,được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm một dầm
chính chế tạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách của bánh
xe con, bao quanh là một dàn khung. Hai dầm cầu được liên kết cơ khí với hai dầm ngang
tạo thành một khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của cầu trục
được thiết kế trên các dầm ngang của khung để cầu trục có thể chạy dọc suốt nhà xưởng
một cách dễ dàng.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 7 - SVTH: Trương Văn Dân
+ Xe con
Là bộ phận chuyển động trên đường ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ
và cơ cấu di chuyển cho xe con. Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một
hoặc hai, ba cơ cấu nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng
phụ. Xe con di chuyển trên xe cầu và xe cầu di chuyển dọc theo phân xưởng hoặc nhà
máy sẽ đáp ứng việc vận chuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xưởng.
+ Cơ cấu nâng - hạ
Có hai loại chính:
- Loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay. Palăng điện hay
palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật. Các loại palăng

này được chế tạo theo tải trọng và tốc độ nâng yêu cầu.
- Đối với các loại dầm thông thường, các cơ cấu nâng hạ được chế tạo và đặt trên
xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính. Trên xe con có từ một đến ba cơ cấu nâng
hạ.
Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm (hình 1.2). Phanh dùng trong dùng trong cầu
trục có ba loại: phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai. Nguyên lí hoạt động của các loại
phanh này cơ bản giống nhau. Cơ cấu phanh hãm gồm có:
- Má phanh.
- Cuộn dây nam châm phanh.
- Đối trọng phanh.

Hình 1.2. Cấu tạo cơ cấu phanh hãm.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 8 - SVTH: Trương Văn Dân
1.2. Đặc điểm công nghệ
Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề như ngoài hải cảng, các nhà máy,
xí nghiệp luyện kim.
Làm việc ở chế độ đóng cắt rất cao.
Ngoài ra, tùy theo quá trình công nghệ mà ta có một số yêu cầu như:
- Cầu trục vận chuyển được sử dụng rộng rãi, yêu cầu về độ chính xác không cao.
- Cầu trục lắp ráp thường được sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, dùng để lắp
ghép các chi tiết cơ khí nên yêu cầu độ chính xác cao.
- Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao
năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác.
Từ những đặc điểm trên có thể đưa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống và
trang bị điện của cơ cấu:
- Các phần tử cấu thành của hệ thống phải đơn giản, dễ thay thế, sửa chữa, độ tin
cậy cao.

- Trong mạch điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, bảo vệ quá tải và
ngắn mạch.
- Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật định sẵn.
- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ rieng biệt, độc lập.
- Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến lùi cho xe cầu, xe con, hạn chế
hành trình lên của cơ cấu nâng hạ.
- Đảm bảo hạ hang ở tốc độ thấp.
- Tự động cắt nguồn khi có người làm việc trên xe cầu.
1.3. Yêu cầu truyền động
1.3.1. Đặc tính phụ tải
Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta nhận thấy rằng 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 M
c
=
constant và không 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.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 9 - SVTH: Trương Văn Dân
Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau:

Hình 1.3. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng – hạ.
Từ đặc tính của cơ cấu nâng hạ ta có nhận xét:
- Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì M
đ
là momen hãm, M

c
là
momen gây chuyển động.
- Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai momen đều gây chuyển động.
Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng hay hạ thì động cơ phải được điều khiển để
đảm bảo làm việc đúng với trạng thái làm việc của nó, phù hợp với đặc tính tải. phụ tải
của cầu trục có thể biến đổi từ 0 tới những giá trị rất lớn.
1.3.2. Chế độ làm việc của động cơ truyền động
+ Ở góc phần tư thứ nhất:
Máy điện làm việc chế độ động cơ ( đường 1)
M = M
c
+ M
đm
Với: M - momen do động cơ sinh ra
M
c
- momen cản do tải trọng gây ra
M
đms
- momen cản do ma sát gây ra
Đối với động cơ nâng hạ làm việc ở chế độ nâng hàng, còn đối với động cơ di
chuyển làm việc ở chế độ chạy tiến.
+ Ở góc phần tư thứ II:
Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu di chuyển, đường 1 thực
hiện hãm tái sinh khi có ngoại lực tác dụng cùng chiều với chuyển động của cơ cấu. Còn
đối với cơ cấu nâng hạ thực hiện hãm động năng ( đường 3 ).
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện

GVHD: Trần Duy Trinh - 10 - SVTH: Trương Văn Dân
+ Ở góc phần tư thứ III:
Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Đối với cơ cấu di chuyển tương ứng với chạy
lùi. Còn đối với cơ cấu nâng hạ:
M
c
< M
m
M = M
ms
- M
c

Chế độ này được gọi là chế độ hạ động lực.
+ Ở góc phần tư thứ IV:
Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu nâng hạ:
M
c
> M
ms

M = M
c
– M
ms

Hàng sẽ được hạ do tải trọng của nó. Còn động cơ đóng điện ở nâng đề hãm tốc độ
hạ hàng. Lúc này động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược ( đường 2 ).
Khi thực hiện hạ động lực, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh ( máy phát ) với
tốc độ hạ lớn hơn tốc độ đồng bộ ( đường 4 ).

Hình 1.4. Trạng thái làm việc của động cơ truyền động cầu trục.
1.3.3. Yêu cầu truyền động
+ Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung có chế độ
làm việc là ngắn hạn lặp lại, có tần số đóng cắt lớn.
+ Vấn đề đảo chiều: Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen
thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng,
momen động cơ không vượt quá ( 15÷20% )M
đm
. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu
ngoạm tới 50%M
đm.

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 11 - SVTH: Trương Văn Dân
+ Yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ thống truyền động của cơ cấu nâng
hạ nói chung và cầu trục nói riêng, yêu cầu về quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm. Bởi
vậy, momen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kĩ thuật an toàn.
Ở các máy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chiu
đựng phụ tải của từng động cơ. Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục thì gia tốc phải nhỏ hơn
0,5m/s
2
để không làm đứt cáp. Thời gian khởi động nhỏ nhất là 2s. Sử dụng phanh hãm
khi chuẩn bị dừng và khi mất điện phanh hãm phải dừng hệ truyền động ở hiện trạng,
tránh rơi tự do. Phải dừng chính xác tại nơi lấy tải và hạ tải hay dừng chính xác ở tốc độ
thấp.
+ Phạm vi điều chỉnh: Trong cơ cấu nâng hạ cầu trục thì phạm vi điều chỉnh không
cao. Ở các cầu trục thông thường thì D < 3, ở các cầu trục lắp ráp thì D > 10. Độ chính

xác điều chỉnh cũng yêu cầu không cao, khoảng 5%.
+ Yêu cầu đối với truyền động trong trạng thái bất bình thường, như hãm khẩn cấp,
đảo chiều quay tức thời hay hãm đột ngột.
Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ để giữ chặt các trục, khi mất
điện hay xảy ra sự cố đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị. Để đảm bảo điều
này, trong sơ đồ điều khiển phải có các công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của
cơ cấu. Khi hãm khẩn cấp hay hãm đột ngột thì phải dừng chính xác.
+ Yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cơ cấu cầu trục không
vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 380/220V, mạng một chiều hay dùng
là 220V, 44V. Điện áp chiếu sang không vượt quá 220V. Đa số làm việc trong môi trường
nặng nề, đặc biệt trong các hải cảng, nhà máy, xí nghiệp luyện kim, phân xưởng sửa chữa
…. nên các khí cụ trong hệ thống truyền động và trang bị điện cơ cấu yêu cầu phải làm
việc tin cậy, đảm bảo an toàn, năng suất trong mọi điều kiện khắc nghiệt, đơn giản trong
thao tác.




Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 12 - SVTH: Trương Văn Dân
Chương 2
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG
2.1.Tính toán phụ tải chính
Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu do tải trọng quyết định. Để xác định phụ
tải tĩnh phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ.

Hình 2.1. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng – hạ.
2.1.1. Lựa chọn các thông số

+ Các thông số đã cho:
Trọng lượng của tải trọng: 150000N
Trọng lượng bộ phận mang tải: 2500N
Chiều cao nâng tải: h = 10m
Tốc độ nâng tải: V
n
= 14,5m/ph
Chế độ làm việc: Chế độ trung bình
+ Lựa chọn các thông số:
Do hệ thống làm việc ở chế độ trung bình nrrn chọn các thông số cần thiết
cho tính toán như sau:
Hiệu suất cơ cấu: 8,0



Tỉ số truyền: i = 10
Dường kính culi: R
t
= 0,7m
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 13 - SVTH: Trương Văn Dân
Gia tốc cực đại khi nâng: 0,5(m/s
2
)
Bội số của hệ thống rang rọc(u): 2
2.1.2. Phụ tải tĩnh khi nâng tải
+ Momen trục động cơ khi có tải:
M

n
=
c
t
iu
RGG


)(
0

( Nm )
Trong đó:
G - là trọng lượng của tải trọng.
G
0
- là trọng lượng của bộ lấy tải
R
t
- là bán kính tang nâng
u - là bội số của hệ thống ròng rọc

c
- là hiệu suất của cơ cấu
i - là tỉ số truyền
n
t
vu
nR
i

.
2


Trong đó:
v
n
- là tốc độ nâng tải
n - là tốc độ quay của động cơ
Trong các công thức trên, hiệu suất 
c
lấy bằng định mức khi tải bằng định mức.
Ứng với các tải trọng khác định mức, 
c
xác định theo hệ số mang tải:
K =
cdm
c
P
P
=
đm
GG
GG


0
0

Công suất động cơ cần thiết để nâng vật:

P
n
=
c
0
.1000
)(

nđm
vGG


+ Khi nâng không tải:
M
no
=
c
t
iu
RG


.
.0

Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải:
P
no
=
c

n
vG

.1000
.
0

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 14 - SVTH: Trương Văn Dân
2.1.3. Phụ tải tĩnh khi hạ tải.
Có hai chế độ hạ tải:
- Hạ động lực
- Hạ hãm
Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải trọng gây ra không
đủ để thắng ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ động cơ.
Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn. Khi đó, momen do tải trọng gây ra rất lớn.
Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng hạ với tốc độ ổn định ( hạ
không có gia tốc ).
Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là M
t
thì:
M
t
=
i
u
RGG
t

.
).(
0

(Nm) (*)
Khi hạ tải trọng, năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động
nên:
M
h
=M
t
+∆M = M
t
.η
h


Trong đó:
M
h
: momen trên trục động cơ khi hạ tải.
∆M : tổn thất momen trong cơ cấu truyền động.
η
h
: hiệu suất 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 =
c
t
M

- M
t
= M
t
.(
c

1
- 1) (**)
Do đó:
M
h
=M
t
– M
t
(
c

1
- 1) = M
t.
( 1-

c

2
) =
i
u
RGG
t
.
).(
0

( 2-
c

1
) [2 – 7]
So sánh (*) và (**) ta có:

h
= 2 -
c

1

Đối với những tải trọng tương đối lớn (
c
> 0,5 ), ta có η
h
>0, M

h
> 0. Điều này có
nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải. Động

cơ làm việc ở chế độ hạ
hãm. Khi tải trọng tương đối nhỏ ( η
c
<0,5 ) thì η
h
< 0, M
h
<0, momen động cơ cùng chiều
với momen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 15 - SVTH: Trương Văn Dân
Momen hạ không tải:
M
ho
=










c
t
iu
RG

1
2
.
.
0

Do đó công suất động cơ khi hạ có tải và không tải:
P
h
=










c
h
vGG

1

2
1000
).(
0

P
ho
=









c
ho
vG

1
2
1000
.0

2.2. Chọn sơ bộ công suất động cơ.
2.2.1. Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh.
+ Khi nâng tải: v
n

= 14,5m/ph = 0,242m/s
M
n
=
c
t
iu
RGG


)(
0

=
)(09,65451
8,0.10.2
81,9.7,0).2500150000(
Nm


P
n
=
c
0
.1000
)(

n
vGG


=
)(5,452
8,0.1000
81,9.242,0).2500150000(
kW


Hệ số mang tải:
K =
đm
GG
G

0
0
=
0164,0
150000
2500
2500




Hình 2.2. Quan hệ phụ thuộc η
c
theo tải trọng
Dựa vào đường đặc tính quan hệ giữa hệ số mang tải và hiệu suất (hình 2.2), ta có:
η

c
= 0,31
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 16 - SVTH: Trương Văn Dân
+ Khi nâng không tải:
M
no
=
co
t
iu
RG


.
.0
=
)(5,4087
21,0.10.2
81,9.7,0.2500
Nm

P
no
=
co
n
vG


.1000
.
0
=
)(26,28
21,0.1000
81,9.242,0.2500
kW

+ Thời gian nâng :
t
n
=
n
v
h
=
)(3,41
242,0
10
s

- Thời gian nâng không tải:
t
no
=
no
v
h

=
)(3,41
242,0
10
s

Vậy thời gian làm việc:
T
lv
= 2.41,3 = 82,6s
Từ kết quả trên chọn T
ck
= 100 s
Hệ số tiếp điện:
TĐ% =
ck
lv
T
T
= %6,82
100
6,82

Đồ thị phụ tải:

Hình 2.3. Đồ thị phụ tải.
Momen trung bình:
M
tb
= k.

ck
ii
T
tM .

Trong đó: k =(1,2÷1,3) – hệ số phụ thuộc vào đồ thị phụ tải, tần số mở máy, hãm
máy. Chọn k = 1,2
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 17 - SVTH: Trương Văn Dân
Thay số vào ta có:
M
tb
= k.
ck
ii
T
tM .
= )(4,28733
100
32,41.5,408732,41.09,65451
.2,1 Nm


Động cơ được chọn phải có M
đ
> M
tb
.

Vậy ta chọn động cơ điện một chiều loại Π – 710, chế độ 60ph và TĐ 100%, có
các thông số như sau:
- P
đm
: 30 kW
- Tốc độ quay : 600 vòng/phút
- I
đm
: 251,2 A
- R
ư
+ R
cp
: 0,23 Ω
- R
cks
: 90 Ω
- Số thanh dẫn tác dụng N : 492
- Số nhánh song song 2a : 2
- Số vòng dây một cực của cuộn song song ( w
cks
) : 1480
- Từ thông hữu ích của một cực Φ (mWb ) : 67,2
- Dòng kích từ định mức i
đm
(A ) : 110
2.2.2. Kiểm nghiệm động cơ
+ Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng:
Phương pháp kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng gián tiếp là mômen
được suy ra từ phương pháp dùng điện đẳng trị, khi mômen tỉ lệ với dòng điện:

Momen đẳng trị:
M
đt
=
ck
n
ii
T
tM

1
2
.
= )(14,42144
100
3,41.5,40873,41.09,65451
2.2
Nm


Momen định mức của động cơ:
M
đm
= P
đc
.ω
đc
.
Trong đó: ω
đc

=



.
.
.
K
IR
K
U
u
=
55,9
n

Vậy: M
đc
= P
đc
.
55,9
đm
n
= 30.
55,9
600
≈ 2324,6.10
3
(Nm) ≥ M

đt
.
Do M
đc
> M
đt
nên động cơ Π – 812 đã chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng.
+ Kiểm nghiệm quá tải về momen:
Momen cản lớn nhất: M
c max
= M
n
= 65451,09(Nm )
Momen định mức của động cơ M
đc
= 2324,6.10
3
(Nm) > M
c max
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 18 - SVTH: Trương Văn Dân
Vậy, động cơ đã chọn thỏa mãn điều kiện quá tải về mommen.
+ Kiển nghiệm về momen khởi động của động cơ:
M
c mở máy
= 2M
c max
= 2.65451,9 = 131.10

3
( Nm )
Ta có: M
kd
= 2.M
đc
= 2.2324,6.10
3
≈ 4649,2.10
3
(N.m) > M
c mở máy
.
Động cơ Π – 710 đã chọn thỏa mãn yêu cầu.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 19 - SVTH: Trương Văn Dân
Chương 3
PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
3.1. Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
3.1.1. Khái quát về động cơ điện một chiều
Động cơ điện một chiều là động cơ hoạt động với dòng điện một chiều. Trong
công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu momen mở máy
lớn và điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng.
Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính: stato và roto. Stato của
động cơ thường là nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện. Roto có các cuộn dây quấn
và được nối với nguồn một chiều. Một bộ phận quan trọng của động cơ điện một chiều là
bộ phận chỉnh lưu. Nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của
roto là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm 1 cổ góp và 1 chổi than tiếp xúc với cổ

góp.
+ Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều:
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp U
k
nào đó, trong dây quấn kích từ sẽ xuất
hiện dòng điện kích từ I
k
. Dòng kích từ này sẽ sinh ra từ thông Φ chạy trong mạch từ của
động cơ. Nếu ta đặt lên mạch phần ứng của động cơ một điện áp U thông qua hệ thống
chổi than và cổ góp thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác
giữa dòng điện phần ứng I và từ thông kích từ Φ sẽ sinh ra một momen điện từ. Giá trị
của momen điện từ được tính như sau:

IKI
a
pN
M 

2

Với K là hệ số kết cấu của động cơ.
Momen điện từ này kéo phần ứng của động cơ quay quanh trục.
Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến
góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như
không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của roto.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 20 - SVTH: Trương Văn Dân
+ Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

Hình 3.1. Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập
+ Từ sơ đồ thay thế của động cơ ( Hình 3.1 ), ta có phương trình cân bằng điện áp:
U
ư
= E
ư
+ ( R
ư
+ R
f
)I
ư
[3 – 1]
Trong đó:
U
ư
- điện áp phần ứng
E
ư
- suất điện động phần ứng
R
ư
- điện trở phần ứng
R
f
- điện trở phụ mạch phần ứng
Với R
ư
= r

ư
+ r
cf
+ r
i
+ r
cl

r
ư
- điện trở cuộn dây phần ứng
r
cf
- điện trở cuộn cực từ phụ
r
i
- điện trở cuộn bù
r
cl
- điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp
+ Sức điện động E
ư
của động cơ được xác định theo biểu thức:
E
ư
= KΦω [ 3 – 2]
Trong đó: K =
a
pN


2
- hệ số cấu tạo của động cơ
p – số đôi cực từ chính
N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng
a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng
Φ – từ thông kích thích dưới một cực từ
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 21 - SVTH: Trương Văn Dân
+ Nếu biểu diễn sức điện động theo tốc độ quay n ( vòng/phút )
E
ư
= K
e
. Φ. n [3 – 3]
Với ω =
55,960
2 nn



Vì vậy E
ư
=
n
a
pN

60

K
e
=
a
pN
60
: hệ số sức điện động của động cơ
Từ ( 3 – 1 ) và ( 3 – 2 ta có phương trình đặc tính cơ điện:
I
K
RR
K
U
fu
u
.




[3 – 4]
+ Mặt khác momen điện từ của động cơ được xác định bởi:
M
đt
= KΦI
ư

Suy ra : I
ư

=

K
M
đt

Thay giá trị I
ư
vào ( 3 – 4 ) ta được phương trình đặc tính cơ:
M
K
RR
K
U
fu
u
.
)(
2





[3 – 5]
+ Từ các biểu thức trên, ta vẽ được dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

Hình 3.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện

GVHD: Trần Duy Trinh - 22 - SVTH: Trương Văn Dân
3.1.2. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm
3.1.2.1. Hãm tái sinh:
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay động cơ lớn hơn tốc độ không tải lí tưởng. Khi
hãm tái sinh, U
ư
< E
ư
, động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. Dòng
hãm và momen hãm đã đổi chiều và có giá trị:
I
h
=
R
EU
uu

< 0
M
h
= KΦI
h
< 0
Trị số hãm lớn dần cho đến khi cân bằng với momen phụ tải của cơ cấu sản xuất
thì hệ thống làm việc ổn định với

ođ
>


0
. Đường đặc tính cơ ở chế độ hãm tái sinh nằm
trong góc phần tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng tọa độ.
Trong thực tế, với cơ cấu nâng hạ cầu trục, khi nâng tải, động cơ được đấu theo
cực tính thuận và làm việc trong góc phần tư thứ I. Khi hạ tải trọng, ta phải đảo chiều điện
áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này, nếu momen do tải trọng gây ra lớn hơn momen ma
sát trong các cơ cấu của hệ thống, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh.
a) b)
Hình 3.3. Đặc tính hãm tái sinh.
(a) Ứng với tải thế năng. (b) Trong trường hợp cơ cấu nâng – hạ.
3.1.2.2. Hãm ngược:
Trạng thái hãm ngược của động cơ xảy ta khi phần ứng dưới tác dụng của các bộ
phận chuyển động hoặc do momen thế năng quay ngược chiều với momen của động cơ.
Momen của động cơ khi đó chống lại sự chuyển động của cơ cấu sản xuất.
Có 2 trường hợp hãm ngược:
- Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng
Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a. Ta đưa
một điện trở đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc tại điểm
b trên đặc tính biến trở.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 23 - SVTH: Trương Văn Dân
Tại điểm b, momen do động cơ sinh ra nhỏ hơn momen cản nên động cơ giảm tốc
nhưng tải vẫn theo chiều nâng lên. Đến điểm c, tốc độ bằng không nhưng vì momen động
cơ nhỏ hơn momen tải nên dưới tác dụng của tải trọng, động cơ quay theo chiều ngược
lại. tải trọng được hạ xuống với tốc độ tăng dần. Đến điểm d, momen động cơ bằng với
momen cản nên hệ ổn định với tốc đôh hạ không đổi. Sức điện động lúc này đổi dấu.
Như vậy, trong trạng thái hãm ngược, sức điện động cùng chiều với điện áp lưới.
Động cơ làm việc như một máy phát điện nối tiếp với lưới, biến điện năng nhận được từ

lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở, vì vậy tổn thất năng lượng
lớn.
- Đảo chiều điện áp phần ứng:
Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên, ta đảo chiều
điện
áp phần ứng và đưa vào một điện trở phụ đủ lớn. Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm
b trên đặc tính cơ biến trở. Tại b momen đã đổi chiều, chống lại chiều quay của động cơ
nên tốc độ động cơ giảm theo đoạn bc. Tại c, tốc độ bằng 0. Nếu ta cắt điện áp đặt vào
phần ứng động cơ, động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện áp đặt vào động cơ,
động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d. Đoạn bc chính là
đặc tính hãm ngược.
a) b)
Hình 3.4. Đặc tính cơ khi hãm ngược
a) Khi đưa R
f
vào mạch phần ứng, b)Đảo cực tính điện áp phần ứng.
3.1.2.3. Hãm động năng:
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động
cơ tích lũy trong quá trình làm việc trước đó biến nhiệt năng tiêu tán dưới dạng nhiệt
trong quá trình hãm.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


GVHD: Trần Duy Trinh - 24 - SVTH: Trương Văn Dân
 Hãm động năng kích từ độc lập:
Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập, ta cắt
phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích
từ vẫn được nối như cũ.
Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng
của động cơ tích lũy đc nên công suất tiêu tốn chỉ ở trên mạch kích từ.

Đặc tính cơ của trạng thái hãm động năng kích từ độc lập:

Hình 3.5. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ độc lập
 Hãm động năng kích từ tự kích:
Nhược điểm của hãm động năng kích từ độc lập là mất điện lưới thì không thực
hiện hãm được do cuộn dây kích từ vẫn phải nối với nguồn. Muốn khắc phục nhược điểm
này, người ta sử dụng phương pháp hãm động năng kích từ tự kích.
Hãm động năng kích từ tự kích xảy ra khi động cơ đang quay, ta cắt cả phần ứng
lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm.
Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần, do đó dòng kích từ
cũng giảm dần và là hàm số của tốc độ, vì vậy đặc tính cơ có dạng phi tuyến.

Hình 3.6. Đặc tính cơ hãm động năng kích từ tự kích