Đồ án: thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục pptx

TRƯỜNG …………………
KHOA………………………

BÁO CÁO TỐT NGHIỆP
Đề tài:
TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC
MỤC LỤC
1
TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC 1
Chương 1: 2
TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC 2
1.1. Khái quát chung 2
1.1.1. Khái niệm 2
Chương 2: 11
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ 11
2.1.Tính toán phụ tải chính 11
Chương 3: 18
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 18
Chương 4: 38
TÍNH TOÁN MẠCH LỰC 38
4.1. Tính toán máy biến áp nguồn 38
Chương 5: 55
TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU CHỈNH 55
5.1. Mô hình toán học động cơ điện một chiều 55
Chương 1:
TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ 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.

2
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.
+ 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:
3
- 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.
+ Xe con
4
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.
5
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
6
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.
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
7
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 ).
+ 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 ).
8
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.
9
+ 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.
+ 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
10
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.
Chương 2:
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
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.
11
Hình 2.1. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng – hạ.
2.1.1. Phụ tải tĩnh khi nâng tải
+ Momen trục động cơ khi có tải:
M
n
=
c
t
iu
RGG
η

)(
0
+
( Nm ) [2 – 1]
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
η
c
- là hiệu suất của cơ cấu
i - là tỉ số truyền
n
t
vu
nR
i
.
2
π
=
[2 – 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 η
c
lấy bằng định mức khi tải bằng định mức. Ứng
với các tải trọng khác định mức, η
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
)(
η
nđm
vGG
+
+ Khi nâng không tải:
M
no
=

c
t
iu
RG
η

.
.0
[2 – 3]
Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải:
12
P
no
=
c
n
vG
η
.1000
.
0
2.1.2. 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
=
iu
RGG
t
.
).(
0
+
(Nm) [2 – 4]
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
[2 – 5]
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
η
- M
t
= M
t
.(
c
η
1
- 1) [2 – 6]
Do đó:
M
h
=M
t
– M

t
(
c
η
1
- 1) = M
t.
( 1-
c
η
2
) =
iu
RGG
t
.
).(
0
+
( 2-
c
η
1
) [2 – 7]
So sánh [2 – 5] và [2 – 7] ta có:
13
η
h
= 2 -
c

η
1
Đối với những tải trọng tương đối lớn (η
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.
Momen hạ không tải:
M
ho
=









−
c
t
iu
RG
η
1
2
.
.
0
 Công suất động cơ khi hạ có tải và không tải:
P
h
=








−
+
c
h
vGG

η
1
2
1000
).(
0
P
ho
=








−
c
ho
vG
η
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

= 2m/s
M
n
=
c
t
iu
RGG
η

)(
0
+
=
85,0.28.2
81,9.5,0).505000( +
= 521 ( Nm )
P
n
=
c
0
.1000
)(
η
n
vGG
+
=
85,0.1000

81,9.2,0).505000( +
= 11,67( KW )
+ Khi hạ tải: v
h
= 0,3 m/s
M
h
=
iu
RGG
t
.
).(
0
+
( 2-
c
η
1
) =
)
85.0
1
2(
28.2
81,9.5,0).505000(
−
+
= 364,3 ( Nm )
P

h
=
1000
).(
0 h
vGG
+
( 2-
c
η
1
) =
)
85.0
1
2(
1000
81,9.3,0).505000(
−
+
= 12,14 ( KW )
Khi hạ không tải hoặc nâng không tải, công suất động cơ thay đổi.
Hệ số mang tải:
14
K =
đm
GG
G
+
0

0
=
500050
50
+
= 0,01
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
= 0,21
+ Khi nâng không tải:
M
no
=
co
t
iu
RG
η

.
.0
=
85,0.28.2
81,9.5,0.50
= 20,85 ( Nm )
P

no
=
co
n
vG
η
.1000
.
0
=
21,0.1000
81,9.5,0.50
= 1,168 ( KW )
+ Khi hạ không tải:
M
ho
=
iu
RG
t
.
.
0
( 2-
co
η
1
) =
)
85,0

1
2(
28.2
5,0.50
−
= -24,2 ( Nm )
15
P
ho
=
1000
.0 ho
vG
( 2 -
co
η
1
) =
)
85.0
1
2(
1000
81.9.5,0.50
−
= -0,68 ( KW )
M
ho
< 0 chứng tỏ động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực.
+ Thời gian nâng hạ:

- Thời gian nâng tải:
t
n
=
n
v
h
=
2,0
10
= 50 s
- Thời gian hạ tải:
t
h
=
h
v
h
=
3.0
10
= 33,33 s
- Thời gian nâng và hạ không tải:
t
no
= t
ho
=
no
v

h
=
5,0
10
= 20 s
Vậy thời gian làm việc:
T
lv
= 50 + 33,33 + 2.20 = 123,33 s
Từ kết quả trên chọn T
ck
= 200 s
Hệ số tiếp điện:
TĐ% =
ck
lv
T
T
=
200
33,123
= 61,67 %
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
Thay số vào ta có:
16
M
tb
= k.
ck
ii
T
tM .
=
200
20.2,2420.85,2033.33.4,36450.521
.2,1
−++
= 229,5 ( Nm )
Động cơ được chọn phải có M
đ
> M
tb
.
Vậy ta chọn động cơ điện một chiều loại Π - 41, chế độ 60ph và TĐ 100%, có các
thông số như sau:
- P
đm
: 16 KW
- Tốc độ quay : 690 vòng/phút

- I
đm
: 86 A
- R
ư
+ R
cp
: 0,17 Ω
- R
cks
: 70 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 ) : 17
- Dòng kích từ định mức i
đm
(A ) : 2,20
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
.
=
200
20.2,2420.85,2033,33.3,36450.521
222.2
+++
= 299,7 ( Nm )
Momen định mức của động cơ:
M
đm
= P
đc
.ω
đc
.
Trong đó: ω
đc
=
Φ
−
Φ
.
.
. K

IR
K
U
u
=
55,9
n
Vậy: M
đc
= P
đc
.
55,9
đm
n
= 16.
55,9
690
≈ 1156 (Nm) ≥ M
đt
.
Do M
đc
> M
đt
nên động cơ Π - 41đã chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng.
17
+ Kiểm nghiệm quá tải về momen:
Momen cản lớn nhất: M
c max

= M
n
= 521 (Nm )
Momen định mức của động cơ M
đc
= 1156 (Nm) > M
c max
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
= 2.521 = 1041 ( Nm )
Ta có: M
kd
= 2.M
đc
= 2.1156 ≈ 2312 (N.m) > M
c mở máy
.
Động cơ Π – 41 đã chọn thỏa mãn yêu cầu.
Chương 3:
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:
18
IKI
a
pN
M
Φ=Φ=
π
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.
+ 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
19
Sức điện động E
ư
của động cơ được xác định theo biểu thức:
E
ư
= KΦω [ 3 – 2]
Trong đó: K =
a
pN
π
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
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
=
π
Vì vậy E
ư
=
n
a
pN
Φ
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
.
φφ
ω
+
−=
[3 – 4]
Mặt khác momen điện từ của động cơ được xác định bởi:
M
đt
= KΦI
ư
Suy ra : I
ư
=
ΦK
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
φ
φ
ω
+
−=
[3 – 5]
20
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.
3.1.2. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm:
a) 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
ω
ođ
>
ω
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.
21
Hình 3.3. Đặc tính hãm tái sinh.
(a) Ứng với tải thế năng.
(b) Trong trường hợp cơ cấu nâng – hạ.
b) 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.
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.
22
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.

c) Hãm động năng:
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ
23
tích lũy trong quá trình làm việc trước đó biến nhiệt năng tiêu tán dưới dạng nhiệt trong quá
trình hãm.
- 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.
24
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
3.1.3. Ảnh hưởng của các tham số tới đặc tính cơ.
+ Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:
Giả thiết U
ư
= U
đm
, Φ = Φ

đm
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng, ta nối thêm điện trở phụ R
f
vào mạch phần
ứng. Trong trường hợp này, tốc độ không tải lí tưởng:
φ
ω
K
U
đm
=
0
= const
Độ cứng đặc tính cơ:
fu
RR
K
d
dM
+
−==
2
)(
φ
ω
β
25