thiết kế nâng cấp hệ thống truyền động cơ cấu di chuyển xe cầu cho cầu trục 3 tấn

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………………… 1
Chương 1- ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN, TRANG BỊ ĐIỆN CẦU TRỤC ……………………………………………… 2
1.1 Tổng quan ……………………………………………………………………… 2
1.2 Đặc điểm và phân loại cầu trục ………………………………………………… 3
1.3 Yêu cầu hệ truyền động điện và trang bị điện cầu trục ………………………… 4
1.3.1 Yêu cầu chung ………………………………………………………… 4
1.3.2 Yêu cầu cụ thể ……………………………………………………………. 5
Chương 2- LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ ĐỘNG CƠ……………………. 6
2.1 Tổng quan về động cơ không đồng bộ …………………………………………. 6
2.1.1 Cấu tạo ………………………………………………………………… 6
2.1.2 Ưu nhược điểm của động cơ KĐB …………………………………… 8
2.1.3 Đặc tính làm việc của động cơ KĐB …………………………………… 9
2.1.4 Mở máy động cơ KĐB …………………………………………………. 13
2.2 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB bằng thay đổi tần số .………… 14
2.2.1 Quy luật điều khiển …………………………………………………… 14
2.2.2 Bộ biến đổi tần số ………………………………………………………. 16
Chương 3- TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT VÀ XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ
ĐỘNG CƠ XE CẦU ………………………………………………………………… 20
3.1 Tính chọn công suất động cơ xe cầu ………………………………………… 20
3.2 Xây dựng đặc tính cơ của động cơ xe cầu …………………………………… 23
3.2.1 Đặc tính cơ ở tần số định mức …………………………………………. 24
3.2.2 Đặc tính cơ của động cơ ở các tần số khác nhau ………………………. 26
3.2.3 Đặc tính cơ với quy luật bù điện áp ……………………………………. 28
Chương 4- SƠ ĐỒ ĐIỂU KHIỂN XE CẦU CÓ SỬ DỤNG BIẾN TẦN ………… 31
4.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến tần MM440 ……………………… 31
4.1.1 Sơ đồ cấu tạo …………………………………………………………… 31
4.1.2 Các đầu dây điều khiển 32
4.1.3 Sơ đồ nguyên lý ……………………………………………………… 33
4.1.4 Bảng điều khiển tùy chọn (BOP/AOP) ………………………………… 34

4.1.5 Cài đặt mặc định ……………………………………………………… 35
4.1.6 Cài đặt ứng dụng ……………………………………………………… 36
4.2 Điều khiển tốc độ động cơ xe cầu ……………………………………………… 41
4.2.1 Mạch điều khiển ……………………………………………………… 41
4.2.2 Cài đặt thông số cho biến tần ………………………………………… 44
KẾT LUẬN …………………………………………………………………………46
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………… 47
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với sự phát triển của KH-KT ngành tự động hóa XNCN cũng phát triển
mạnh mẽ cả về chiều rộng lẫn chiều sâu, ngày càng hoàn thiện và hiện đại hóa. Có thể kể
đến những lĩnh vực tác động của ngành như : dây chuyền sản xuất tự động, luyện kim, cơ
khí chế tạo máy, hóa chất, khai thác hầm mỏ, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ v.v
Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu tự động hóa càng cao. Do vậy nhiệm vụ
đặt ra cho ngành là nghiên cứu vận hành, lắp đặt các thiết bị máy móc có mức độ tự động
hóa ngày càng cao, để nâng cao năng suất lao động và hiệu quả kinh tế.
Là một sinh viên ngành tự động hóa XNCN. Sau khi đã được các thầy cô truyền
thụ và giảng dạy những kiến thức chuyên ngành. Em đã được thầy Nguyễn Mạnh Tiến
nhận hướng dẫn làm đồ án tốt nghiệp với tên đề tài là: “Thiết kế nâng cấp hệ thống
truyền động cơ cấu di chuyển xe cầu cho cầu trục 3 tấn”.
Nội dung của đề tài gồm 4 chương như sau:
Chương 1: Đặc điểm công nghệ và yêu cầu hệ truyền động, trang bị điện cầu trục.
Chương 2: Lý thuyết điều khiền tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Chương 3: Tính chọn công suất và xây dựng đặc tính cơ động cơ xe cầu.
Chương 4: Sơ đồ điều khiển xe cầu có sử dụng biến tần.
Với thời gian tìm hiểu có hạn, sự hạn chế về kiến thức và kinh nghiệm. Bản trình
bày đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em mong các thầy cô giúp đỡ
và chỉ bảo thêm những thiếu sót để cho bản đồ án của em được hoàn thiện tốt hơn.
Hà nội, ngày 05 tháng 04 năm 2013
Sinh viên thực hiện

Trương văn Thịnh
1
Chương 1. Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động điện, trang bị điện cầu trục
Chương 1
ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU TRUYỀN ĐỘNG
ĐIỆN, TRANG BỊ ĐIỆN CẦU TRỤC
1.1 Tổng quan
Máy nâng chuyển là các loại máy công tác dùng để thay đổi vị trí của đối tượng công tác
nhờ thiết bị mang vật trực tiếp, sự ra đời và phát triển của nó gắn liền với yêu cầu về kinh tế kĩ
thuật của ngành công nghiệp nhằm giảm tối đa sức người trong lao động.
Đặc điểm làm việc của các cơ cấu máy nâng là ngắn hạn, lặp đi lặp lại và có thời
gian dừng. Chuyển động chính của máy là nâng hạ vật theo phương thẳng đứng, ngoài ra
còn một số các chuyển động khác để dịch chuyển vật trong mặt phẳng ngang như chuyển
động quay quanh trục máy, di chuyển máy, chuyển động lắc quanh trục ngang. Bằng sự
phối hợp giữa các chuyển động, máy có thể dịch chuyển vật đến bất cứ vị trí nào trong
không gian làm việc của nó.
Để đáp ứng yêu cầu và đòi hỏi của các ngành công nghiệp khác nhau, kĩ thuật nâng
vận chuyển cũng xuất hiện nhiều loại máy nâng vận chuyển mới, luôn cải tiến và hợp lí
hóa phương pháp phục vụ, nâng cao hơn độ tin cậy làm việc, tự động hóa các khâu điều
khiển, tiện nghi và thỏa mãn yêu cầu của người sử dụng. Tùy theo kết cấu và công dụng,
máy nâng chuyển được chia thành các loại: kích, bàn tời, palăng, cần trục, cầu trục, cổng
trục, thang nâng.v.v
Cầu trục là loại máy trục kiểu cầu. Loại này di chuyển trên đường ray đạt trên cao
dọc theo nhà xưởng. Có ba bộ phận chính: Cơ cấu nâng hạ di chuyển hàng hóa theo
phương thẳng đứng, xe con (mang theo cơ cấu nâng hạ) di chuyển theo phương nằm
ngang của nhà xưởng, xe cầu giúp toàn bộ hệ thống cầu trục được di chuyển dọc theo nhà
xưởng. Với ba cơ cấu chính này giúp cầu trục có thể di chuyển hàng hóa tới bất cứ mọi
điểm nào trong không gian nhà xưởng.
Cầu trục được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân với các
thiết bị mang vật rất đa dạng như móc treo, thiết bị cặp, nam châm điện. Đặc biệt cầu trục

được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp chế tạo máy, luyện kim và xây dựng với
các thiết bị mang vật chuyên dụng.

2
Chương 1. Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động điện, trang bị điện cầu trục
1.2. Đặc điểm và phân loại cầu trục
Cầu trục là một loại máy trục có phần kết cấu thép (dầm chính) liên kết với hai dầm
ngang (dầm cuối), trên hai dầm ngang này có 4 bánh xe để di chuyển trên hai đường ray
song song đặt trên vai cột nhà xưởng hay trên dàn kết cấu thép. Cầu trục được sử dụng rất
rộng rãi và tiện dụng để nâng hạ vật nâng, hàng hoá trong các nhà xưởng, phân xưởng cơ
khí, nhà kho bến bãi. Dầm chính thường có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể có một hoặc hai
dầm, trên đó có xe con và cơ cấu nâng di chuyển qua lại dọc theo dầm chính. Hai đầu của
dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm cuối, trên mỗi dầm cuối có hai cụm
bánh xe, cụm bánh xe chủ động va cụm bánh xe bị động.
Hình 1-1. Cầu trục dẫn động điện
Dẫn động 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. Dẫn động bằng điện cho các loại cầu có tải trọng nâng và
tốc độ nâng lớn sử dụng trong các phân xưởng lắp ráp và sửa chữa lớn.
Cầu trục được chế tạo với tải trọng nâng từ 1÷500 tấn; khẩu độ dầm cầu đến 32m;
chiều cao nâng đến 16m; tốc độ nâng vật từ 2÷40 m/ph; tốc độ di chuyển xe con đến
60m/ph và tốc độ di chuyển cầu trục đến 125 m/ph. Có những cầu trục được trang bị hai
3
Chương 1. Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động điện, trang bị điện cầu trục
hoặc ba cơ cấu nâng vật: một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng
phụ.Tải trọng nâng của loại cầu trục này thường được ký hiệu bằng một phân số với tải
trọng nâng chính và phụ, ví dụ: 15/3 t; 20/5 t; 150/20/5 t; v.v
Chúng ta có thể phân loại cầu trục theo các cách sau: Theo dạng kết cấu thép của
cầu trục: Cầu trục một dầm, cầu trục hai dầm. và cầu trục dạng dàn. Theo bộ phận mang
hàng ta có: bộ phận mang bằng móc câu, bộ phận mang sử dụng cơ cấu nam châm, bộ

phận mang là gầu ngoạm. Theo cách dẫn động, ta có: cầu trục dẫn đông bằng tay, cầu
trục dẫn động bằng động cơ điện.Ngoài ra, ta có thể phân loại cầu trục theo chế độ làm
việc, theo tải trọng nâng, theo khẩu độ, …
1.3. Yêu cầu hệ truyền động và trang bị điện cầu trục
1.3.1 Yêu cầu chung
Mỗi loại cầu trục được cấu thành từ hai bộ phận cơ bản: kết cấu thép và bộ phận cơ
khí. Ngoài hai bộ phận trên còn có phần trang bị điện, các bộ phận điều khiển, các cơ cấu
bảo vệ an toàn,…
Phần kết cấu thép có hình dạng, kích thước ngoài khác nhau, phù hợp với không
gian, tính chất công việc và đối tượng mà chúng phục vụ cũng như điều kiện kinh tế kỹ
thuật khác. Kết cấu thép là xương sống, là bộ phận chịu tải của cả máy trục mà trong quá
trình làm việc trọng lượng các cơ cấu cơ khí, tải trọng nâng chuyền đến.
Các cơ cấu cơ khí được lắp đặt trực tiếp trên bộ phận kết cấu thép và thực hiện chức
năng nâng hạ, di chuyển hoặc quay máy trục, thay đổi tầm với. Người ta phối hợp các
chức năng của các cơ cấu trên để nâng hạ, di chuyển vật trong không gian mà máy trục
có thể thao tác.
Bộ phận cơ cấu cơ khí là tập hợp các bộ truyền dẫn động từ động cơ đến bộ công
tác. Các bộ phận này có thể là cơ khí, thuỷ lực, khí nén hoặc hỗn hợp của các loại đó. Đại
đa số các máy trục sử dụng truyền động cơ khí mà kết cấu của chúng là: động cơ, hộp
giảm tốc, trong đó có các trục, khớp nối, ổ bi, các cặp bánh răng, cáp hoặc xích truyền
động, tang cuốn cáp, puli, phanh,… được xắp xếp theo một thứ tự và quy luật truyền
động nhất định. Tính toán các cơ cấu truyền động là tính toán chức năng của máy (động
học, động lực học như là số vòng, tốc độ, phương chiều chuyển động, lực tác động…),
sức bền các cơ cấu để từ đó định ra kích thước hình học, công suất động cơ và các thông
4
Chương 1. Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động điện, trang bị điện cầu trục
số khác nhằm làm cho máy trục đặt được các yêu cầu kỹ thuật phù hợp với yêu cầu thực
tế đòi hỏi đặt ra.
Trong tính toán thiết kế nâng cấp cho cầu trục 3 tấn cần thoả mãn các yêu cầu sau:
- Phải phục vụ tốt cho việc di chuyển cột điện bê tông ly tâm trong nhà xưởng.

- Hình dạng, kích thước của các kết cấu phải phù hợp loại vật mang và không gian
nhà xưởng.
- Phải đạt được tính kỹ thuật và kinh tế cao: nghĩa là thiết bị sau khi nâng cấp phải
là tối ưu nhất.
- Kích thước các chi tiết, kết cấu của cầu trục phải nhỏ gọn mà vẫn đảm bảo được
các tính năng của nó.
- Thiết bị phải dễ chế tạo hoặc nằm trong giới hạn tiêu chuẩn và dễ lắp đặt trong
phân xưởng.
- Sử dụng đơn, làm việc phải có độ tin cậy cao, ít hỏng hóc và bị sự cố ở mỗi chế độ
nâng chuyển.
- Phải đảm bảo cho việc bảo dưỡng và sửa chữa trang thiết bị được dễ dàng trong
những trường hợp cần thiết.
- Thiết bị phải đạt tuổi bền cần thiết.
1.3.2 Yêu cầu cụ thể
 Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản.
 Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng.
 Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch mạch bảo vệ điện áp “không”, quá tải và
ngắn mạch.
 Quá trình mở máy diễn ra theo một luật được định sẵn.
 Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt, độc lập.
 Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến, lùi cho xe cầu, xe con; hạn chế
hành trình lên xuống của cơ cấu nâng hạ.
 Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp.
 Tự động cắt nguồn cấp khi có người làm việc trên xe cầu.
5
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Chương 2
LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TẦN SỐ
ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA
2.1. Tổng quan về động cơ không đồng bộ

2.1.1 Cấu tạo
Hình 2-1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ
Giống như các máy điện quay khác, động cơ không đồng bộ (KĐB) gồm có các
phần chính sau:
a) Phần tĩnh (phần cảm) hay stato
- Vỏ máy: Có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. Vỏ
máy thường được làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000 kW)
thường dùng thép tấm hàn lại làm thành vỏ. Tùy theo cách làm nguội máy mà dạng vỏ
cũng khác nhau.
- Lõi sắt: Là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên để giảm tổn
hao, lõi sắt được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm ép lại. Mỗi lá thép kỹ
thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây
nên. Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành một khối. Nếu lõi sắt dài quá thì thường ghép
thành từng tấm thếp ngắn, mỗi thếp dài 6÷8 cm đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt.
Mặt trong của lá thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
- Dây quấn: Dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với
lõi sắt.
6
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
b) Phần quay (phần ứng) hay rôto
- Lõi sắt: Nói chung thì người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato. Lõi sắt được
ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh
để đặt dây quấn.
- Rôto và dây quấn rôto:
Có thể phân loại động cơ KĐB theo hai loại: Rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc.
+ Loại rôto kiểu dây quấn (hình 2-2): Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato. Trong
các động cơ có công suất trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì
bớt được những đầu dây nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Trong động cơ có công
suất nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba pha của rôto thường
được đấu hình sao, còn ba đầu kia nối vào ba vành trượt thường làm bằng đồng đặt cố

định ở một đầu trục, và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bên ngooài. Đặc
điểm của loại động cơ điện rôto kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở
phụ vào mạch điện rôto để cải thiện hệ số công suất của máy. Khi máy làm việc bình
thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch.
Hình 2-2 Rôto kiểu dây quấn
+ Loại rôto kiểu lồng sóc (hình 2-3): Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với dây quấn
stato. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi
lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm
thành một cái lồng gọi là lồng sóc.
Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính năng mở
máy, trong động cơ công suất tương đối lớn rãnh rôto có thể làm thành những rãnh sâu
hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc (hay còn gọi là lồng sóc kép). Trong động cơ công suất
nhỏ, rãnh rôto thường được làm chéo đi một góc so với tâm trục.

7
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
c) Khe hở
Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong động cơ KĐB rất nhỏ (từ
0,2 ÷ 1 mm trong động cơ công suất cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ
lưới vào. Và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của động cơ cao hơn.
Hình 2-3 Rôto kiểu lồng sóc
2.1.2 Ưu nhược điểm của động cơ KĐB
Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ và nhiều chủng
loại nên động cơ không đồng bộ là một loại máy được dùng rộng rãi nhất trong các ngành
kinh tế quốc dân. Với công suất từ vài chục đến hàng ngàn k W. Ví dụ như trong công
nghiệp thường được dùng làm nguồn động lực cho các loại máy cán thép, máy công cụ ở
nhà máy và ở các công trường xây dựng vv. Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt
gió. Trong nông nghiệp dùng làm mới bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời
sống hằng ngày được sử dụng phổ biến như: quạt gió, máy quay, động cơ trong tủ lạnh…
vv. Tóm lại theo sự phát triển của nền sản xuất tự động hóa và sinh hoạt hằng ngày, phạm

vi ứng dụng của động cơ KĐB ngày càng rộng rãi hơn
8
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Tuy vậy động cơ KĐB còn có những hạn chế như cosϕ mở máy thường không cao và
đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên trong một số trường hợp dùng động cơ không
đồng bộ không tiện lợi về mặt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật. Để khắc phục được những
yếu điểm này ngày nay người ta đã nghiên cứu ra các phương pháp cải tiến nâng cao hệ
số công suất cosϕ, tối ưu hóa việc mở máy động cơ và điều chỉnh tốc độ động cơ có sử
dụng thêm bộ biến tần.
2.1.3 Đặc tính làm việc của động cơ KĐB
Ðể thành lập phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ, ta sử dụng sơ đồ thay
thế như ở hình 2-4.
Hình 2-4 Sơ đồ thay thế một pha của động cơ không đồng bộ
Khi nghiên cứu ta đưa ra một số giả thiết sau:
+ Ba pha của động cơ là đối xứng
+ Các thông số của động cơ không đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trở
của Rôto, mạch từ không bão hòa nên điện kháng , không đổi .
+Tổng dẫn mạch từ hóa không thay đổi, dòng điện từ hóa không phụ thuộc tải mà chỉ
phụ thuộc điện áp đặt vào stato động cơ.
+Bỏ qua các tổn thất ma sát, tổn thất trong lõi thép.
+Ðiện áp lưới hoàn toàn hình sin và đối xứng ba pha.
Với những giả thiết trên, ta có sơ đồ thay thay thế ở hình 2-4, trong đó :
+ U
f1
: là trị số hiệu dụng của điện áp stato
+ I
µ
, I
1
, I’

2
: là các dòng điện từ hóa, Stato và dòng điện rôto đã quy đổi về Stato
9
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
+ x
µ
, x
1
, x’
2
: là các điện kháng mạch từ hóa, điện kháng tải stato và điện kháng tải rôto
đã quy đổi về stato.
+ R
µ
, R
1
, R’
2
: Các điện trở tác dụng của mạch từ hóa của cuộn dây Stato và Rôto đã
quy đổi về stato.
+ s là độ trượt của động cơ (2.1)
+
1
là tốc độ góc của từ trường quay, còn gọi là tốc độ đồng bộ:
(2.2)
Trong đó :
f
1
: Tần số của điện áp nguồn đặt vào stato
p : Số đôi cực từ động cơ

ω : Tốc độ góc của động cơ
Phương trình đặc tính động cơ có dạng:
2 '
1 2
2
'
2
2
1 1
3. .
. .
f
nm
U R
M
R
s R x
s
ω
=
 
 
+ +
 
 ÷
 
 
 
(2.3)
+ Biểu thức (2.3) là phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ

+ Nếu biểu diễn đặc tính cơ trên đồ thị ta sẽ được đường cong như hình 2-5.
10
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Hình 2-5 Ðồ thị đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ
Có thể xác định các điểm cực trị của đường cong M =f(s) ở công thức (2.3) bằng
cách giải phương trình :
0
dM
ds
=
ta sẽ được trị số của M và s tại điểm cực trị ký hiệu là
M
th
và s
th
(mômen và độ trượt tới hạn) cụ thể là :
'
2
2 2
1
th
nm
R
s
R x
= ±
+
(2.4)
Thay (2.4) vào (2.3) ta có M
th

là :
( )
2
1
2 2
1 1 1
3.
2
f
th
nm
U
M
R R x
ω
= ±
± +
(2.5)
+ Trong hai biểu thức trên, dấu (+) tương ứng với trạng thái động cơ (Ð) , dấu (-) ứng
với trạng thái máy phát (F).
Ngoài ra khi nghiên cứu các hệ truyền động với động cơ không đồng bộ, người ta
quan tâm nhiều đến trạng thái làm việc của động cơ nên các đường đặc tính lúc này
thường biểu diễn trong khoảng tốc độ 0 ≤ s ≤ s
th
.
Ðường đặc tính cơ của động cơ làm việc ở chế độ động cơ được thể hiện trên hình
2-6.
11
ω
S

1
0
M


s = 0


Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Hình 2-6 Ðồ thị đặc tính cơ tự nhiên và nhận tạo của động cơ KÐB 3 pha
Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ có thể biểu diễn thuận tiện
hơn bằng cách lập tỷ số giữa (2.3) và (2.5), sau khi biến đổi, ta được phương trình đặc
tính cơ:
2. .(1 . )
2. .
th th
th
th
th
M a s
M
s
s
a s
s s
+
=
+ +
(2.6)
Trong đó: (2.7)

Từ phương trình (2.3) hay (2.6) ta thấy có thể thành lập phương trình đặc tính cơ
bằng thực nghiệm dựa vào các số liệu động cơ đã cho ban đầu có dạng là M=f(s) hay M =
f(ω).
Khi cho thông số độ trượt s thay đổi trong khoảng 0÷1 ta sẽ xây dựng được đường
đặc tính cơ của động cơ.
+ Ðường đặc tính cơ tự nhiên ứng với R
‘
2f
=R
‘
f
=0 , tức là R
’
2
không đổi .
+ Ðường đặc tính cơ nhân tạo (đặc tính cơ biến trở) ứng với R
‘
2f
=R
‘
f
≠0
+ Các điểm đặc biệt ứng với các giá trị của s là : s=0, s=1, s
đm
, s
th
.
12
ω S
0

0 1
M
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
2.1.4 Mở máy động cơ KĐB
Trong quá trình mở máy động cơ điện, mômen mở máy là đặc tính quan trọng
nhất trong các đặc tính của quá trình mở máy. Muốn cho máy quay được thì mômen mở
máy phải lớn hơn mômen tải tĩnh và mômen masát tĩnh hay tổng chung là mômen cản
M
C
. Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động về mômen như sau:
.
c
d
M M J
dt
ω
− =
(2.8)
Trong đó J là hằng số quán tính của động cơ (hay mômen quán tính của rôto : Kg.m
2
).
Từ biểu thức (2.8) ta thấy muốn đảm bảo tăng tốc thuận lợi, trong quá trình mở
máy phải giữ được
0
d
dt
ω
>
, nghĩa là M > M
c

.
Với một quán tính như nhau M – M
c
càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh. Ngược lại
những máy có quán tính lớn thì thời gian mở máy lâu. Đối với những trường hợp có yêu
cầu mở máy nhiều lần thì thời gian mở máy ảnh hưởng nhiều đến năng suất lao động.
Khi bắt đầu mở máy thì rôto đang đứng yên, hệ số trượt s=1 nên trị số dòng điện
mở máy có thể tính theo mạch điện thay thế như sau:
( ) ( )
1
2 2
' '
1 1 2 1 1 2
. .
f
kd nm
U
I I
R C R x C x
= =
+ + +
(2.9)
Trong đó
1
1
1
x
C
x
µ

≈ +
Trên thực tế, do mạch từ tản bão hòa rất nhanh, điện kháng giảm xuống nên dòng
điện mở máy còn lớn hơn so với trị số tính được ở công thức (2.9). Ở điện áp định mức,
thường dòng điện mở máy bằng 4÷7 lần dòng điện định mức. Với dòng điện quá lớn
không những làm cho bản thân máy bị nóng mà còn làm cho điện áp lưới giảm sút rất
nhiều, nhất là đối với những lưới điện công suất nhỏ.
Theo yêu cầu của sản xuất, động cơ điện KĐB lúc làm việc thường phài mở máy
và ngừng nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới điện mà yêu cầu về
mở máy của động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn, có khi
cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ
điện phải có tính năng mở máy thích ứng.
13
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Khi mở máy một động cơ điện cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau:
 Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải.
 Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
 Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn.
 Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt.
Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi dàng điện mở
máy nhỏ thì thường làm cho mômen mở máy iảm theo hoặc cần thiết bị đắt tiền. Vì vậy
cần phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọn phương pháp mở máy thích hợp.
2.2. Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ KĐB bằng thay đổi tần số nguồn
cấp
2.2.1 Quy luật điều khiển
Công thức thay đổi tốc độ động cơ theo tần số:

1
1
2 2
(1 ) (1 ) (1 )

f f
s s s
p p
π π
ω ω
= − = − = −
(2.10)
Ngoài ra khi điều chỉnh tần số, điện áp phải thay đổi theo để đảm bảo chỉ tiêu năng
lượng cao và động cơ không bị bão hòa từ.
Quan hệ U
f1
(f) gọi là quy luật điểu khiển tần số. Trong thực tế hai quy luật điều
khiển tần số được sử dụng rộng rãi là: Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi
(hay luật điều khiển tần số cơ bản), luật điều chỉnh bù điện áp. Mục này ta chỉ xét theo
quy luật điều khiển tần số cơ bản.
Phương pháp điều khiển tần số cơ bản là một phương pháp điều chỉnh bằng phẳng,
động cơ điện có thể quay với bất cứ tốc độ nào. Với điều kiện khả năng quá tải không đổi
có thể tìm ra được quan hệ giữa điện áp U
f1
, tần số f và mômen M.
Trong công thức (2.5) tính mômen tới hạn của động cơ, ta thay
1
2 . f
p
π
ω
=
và
2 . .
nm nm

x f L
π
=
ta được:

2
1
2 2
1 1
3. .
2 . .[ (2 . . ) ]
f
th
nm
pU
M
f R R f L
π π
=
+ +
(2.11)
14
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Khi coi R
1
≈0 và L
nm
= const thì ta có M
th
tỉ lệ với điện áp pha U

f1
2
theo biểu thức:
2
1
2
.
f
th
U
M C
f
=
(2.12)
Trong đó C là hệ số tỉ lệ.
Điều khiển điện áp-tần số cơ bản phải đảm bảo khả năng quá tải không đổi với mọi
tần số khác nhau:
λ=M
th
/M
c
=Const ∀f (2.13)
Với giả thiết khi tần số nguồn cấp là f
’
động cơ sẽ có U
‘
f1

và mômen M
’

C
, M’
th
. Khi
đó ta có tỉ số M
C
/M
th
= M’
C
/M’
th
. Suy ra :

' 2
' '
2
1
2 '2
1
.
f
C th
C th f
U
M M
f
M M U f
= =
(2.14)

Từ công thức (2.14) biến đổi ta được:

'
'
'
1
1
.
f
C
f C
U
M
f
U f M
=
(2.15)
Trong quy luật điều khiển tần số cơ bản cũng như trong thực tế (ví dụ máy cắt gọt
kim loại) yêu cầu về mômen định mức cũng như mômen cản của động cơ là không đổi
khi tần số nguồn cấp thay đổi. Vì vậy trong công thức (2.15) ở trên ta coi như M’
C
≈M
C
,
từ đó ta có quan hệ :

1 1
( )
f f dm
dm

U U
const
f f
= =
(2.16)
Trong công thức (2.5) tính mômen tới hạn của động cơ, ta thay
1
2 . f
p
π
ω
=
và
2 . .
nm nm
x f L
π
=
ta được:
2
' 2
'
2 1 1
2
2 2
' '
2 2 2
2 2
1 1
2 2

3. . .
3. .
.
2 . . 4. . .
2 . 4. . .
f f
nm
nm
p R U U
p R
M
f
R R
f s R f L R
s s
s f L
f
π π
π π
 
= =
 ÷
   
 
   
+ + +   
 ÷  ÷
   
   
 

+
 
 
 
 
(2.17)
Khi thay đổi tần số f của nguồn cấp để điều chỉnh tốc độ ta phải đồng thời điều
chỉnh cả điện áp pha U
f1
theo một quy luật quan hệ tuyến tính U
f1
/f=const.
Cũng từ biểu thức (2.17) ta thấy đặc tính mômen của động cơ thay đổi theo độ truợt s và
tần số f của nguồn cấp.
15
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
2.2.2 Bộ biến đổi tần số
Để thay đổi tần số của nguồn xoay chiều đặt vào từng động cơ, ngày nay người ta
dùng các bộ biến tần trực tiếp hoặc biến tần gián tiếp qua trung gian điện áp một chiều
dùng nghịch lưu dòng hoặc nghịch lưu áp.
Ưu điểm của bộ biến tần trực tiếp là điện áp ra gần như hình sin, hiệu suất cao và
khả năng hãm tái sinh động cơ điện. Tuy nhiên do có nhược điểm sử dụng nhiều triristo
khiến mạch điều khiển phức tạp và đắt. Hơn nữa tần số ra hạn chế trong khoảng từ 0÷f/3
nên nó chỉ thích hợp với truyền đông ở tần số thấp, công suất lớn. Hiện nay bộ biến tần
loại này đã ít được sử dụng.
Với bộ biến tần qua trung gian điện áp một chiều, sử dụng bộ nghịch lưu dòng cho
phép điều khiển tần số từ 0÷f dùng cho động cơ có công suất từ vài kW đến hàng ngàn
kW. Bộ biến tần nghịch lưu áp cho điện áp ra trên tải dạng xung vuông (hình 2-7). Nó
cũng cho phép phép điều khiển tần số từ 0÷f dùng cho động cơ có công suất dưới 100
kW.

Sơ đồ mạch động lực của một biến tần nguồn áp như sau :
Hình 2-7 Sơ đồ mạch lực biến tần
Một bộ biến tần bao gồm các khối chức năng chính như : Khối chỉnh lưu , mạch
lọc và nghịch lưu độc lập nguồn áp . Nghịch lưu độc lập nguồn áp bao gồm 06 khoá bán
dẫn S
1
S
6
điều khiển hoàn toàn và 06 diot nối song song ngược với các khoá bán dẫn
Nguyên lý của việc tạo điện áp xoay chiều ba pha đối với một bộ biến tần nguồn
áp được chỉ ra trên đồ thị (Hình 2-8).
16
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Đồ thị mô tả quy luật chuyển mạch của các khoá bán dẫn để tạo thành điện áp
xoay chiều ba pha, mỗi khóa dẫn trong khoảng một nửa chu kỳ chuyển mạch . Điện áp
dây của nghịch lưu có dạng xung chữ nhật với độ rộng xung là 2/3 chu kỳ và thoả mãn
điều kiện phân tích thành chuỗi điều hòa .
2 3 1
( ) sin
6
ab d e
k
U t U k t
k
π
ω
π
∞
−∞
 

= +
 ÷
 
∑
(2.18)
Trong đó k = 1 6 ; c =
0, 1, 2 , 2 /3
e
ω π
± ± =
. Giá trị hiệu dụng của chuỗi điều hoà là
U
ab
= 0,816U
d
(2.19)
Thành phần sóng điều hoà bậc 1 có biên độ được xác định như sau :
1
2 3
1,103
abm d d
U U U
π
= =
(2.20)
17
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha
Hình 2-8 Sơ đồ nguyên lý tạo điện áp xoay chiều của biến tần
18
Chương 2. Lý thuyết điều khiển tần số động cơ không đồng bộ 3 pha

Để cải thiện những hạn chế của bộ biến tần nguồn áp ngày nay người ta thường sử
dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM ) như sau:
Trong biến tần nguồn áp 3 pha cùng một lúc có ba van mạch lực dẫn dòng , các tín
hiệu đặt mang thông về điện áp ba pha gọi là các sóng sin chuẩn
* * *
, ,
a b c
U U U
được so sánh
với sóng mang U
rc
có dạng răng cưa tam giác lưỡng cực . Đầu ra của các bộ so sánh
,
a
U
điều khiển các van S1 và S4 ,
,
b
U
điều khiển các van S3 và S6 ,
,
c
U
điều khiển các van S5
và S2 . Chuyển mạch như trên tạo ra điện áp pha có 6 bước trong một chu kỳ với biên độ
của sóng bậc 1:
1.6
2
d
b

U
U
π
=
(2.21)
Nếu như thành phần sóng bậc một là U
1
thì chỉ số điều chế được xác định như sau :
1
1.6b
U
m
U
=
(2.22)
Trên hình 2-9 có thể thấy chỉ số điều chỉnh m
max
= π/4 = 0,785 đạt được tại điểm khi biên
độ của song mang bằng biên độ của sóng sin chuẩn.
Hình 2-9 Điều chế PWM kinh điển
a) m = m
max
b) m = 0,5
Phương pháp điều chế độ rộng xung còn tồn tại các nhược điểm sau :
+ Không sử dụng hết khả năng của điện áp một chiều
+ Đáp ứng của nghịch lưu không đủ nhanh
Để giải quyết các vấn đề trên thường sử dụng các thuật toán điều chế biến thể , quá điều
chế hoặc điều chế véc tơ điện áp không gian.
19
Chương 3. Tính chọn công suất và xây dựng đặc tính cơ động cơ xe cầu

Chương 3
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT VÀ XÂY DỰNG
ĐẶC TÍNH CƠ ĐỘNG CƠ XE CẦU
3.1 Tính chọn công suất động cơ xe cầu
Từ công thức (2.25) tính công suất động cơ theo phương di chuyển nằm
ngang cho xe cầu ở trang 14 sách trang bị điện điện tử máy công nghiệp dùng
chung. Ta có biểu thức tính lực cản chuyển động của xe cầu gây ra khi nó mang
trọng tải lớn nhất là:
0
0
( )
. .( . ).cos ( ).sin
c ct
b
G G
F k R f G G
R
µ α α
+
= + + +
(3.1)
Thay các thông số thực nghiệm vào biểu thức (3.1) gồm:
k=2,54 (tra bảng với động cơ dùng ổ trựot)
G
0
: Trọng lượng toàn cơ cấu ≈ 43000 (N)
G : Trọng tải nâng tối đa = 30000 (N)
R
b
: Bán kính bánh xe = 17,5 (cm)

R
ct
: Bán kính cổ trục = 6 (cm)
µ : Hệ số ma sát trong ổ trục lãn của bánh xe là 0,02
f : Hệ số ma sát lãn trên đường ray = 0,8 (cm)
α= 0.001 (Rad) => Sin α≈ α ≈ 0.001 và Cos α = 1
Như vậy ta có:
0
0
( )
. .( . ). ( ).
(43000 30000)
2,54. .(0,02.6 8). (43000 30000).0,001 9821( )
17,5
c ct
b
G G
F k R f G G
R
N
µ α
+
= + + + =
+
+ + + =
Công suất tải tĩnh của động cơ khi mang tải lớn nhất sẽ là:

.
60.1000.
C c

C
dc
F V
P
η
=
(3.2)
Trong đó: V
c
=

18 m/ph là vận tốc xe cầu ,
d
c=0,85 là hiệu suất của toàn bộ cơ cấu
di chuyển xe cầu. Thay các số liệu vào biểu thức (3.2) ta được:
9821.18
3,47( )
60.1000.0,85
C
P kW= =
20
Chương 3. Tính chọn công suất và xây dựng đặc tính cơ động cơ xe cầu
Tương tự ta tính được công suất tải tĩnh của động cơ xe cầu khi di chuyển
không tải là:
(3.3)
Bây giờ ta xây dựng giản đồ làm việc của động cơ xe cầu trong một chu kỳ
bốc giở hàng hóa của của cầu trục như sau:
Đầu tiên ta tính thời gian nâng (cũng như hạ tải) theo công thức :
( ở đây trong thiết kế nâng cấp ta cho vận tốc nâng hạ tăng lên 10,5 m/ph).
Coi thời gian chờ móc tải (cũng như tháo tải) là : t

2
=30 (s)
Thời gian di chuyển xe cầu:
3
.60 60.60
200( )
18
c
d
t s
V
= = =
Đồng thời xem như trong một lần bốc dở tải của cầu trục xe con không làm
việc. Nên một chu kỳ làm việc của cầu trục gồm các giai đoạn sau:
GĐ 1: Hạ không tải móc treo (đến xuống gần sát đất)
GĐ 2: Móc hàng
GĐ 3: Nâng có tải (lên cao nhất)
GĐ 4: Mở máy động cơ xe cầu (di chuyển có tải) đến nơi tháo hàng (rồi tắt
máy).
GĐ 5: Hạ có tải (đến gần sát đất)
GĐ 6: Tháo hàng
GĐ 7: Nâng không tải (lên cao nhất)
GĐ 8: Mở máy động cơ xe cầu di chuyển về vị trí lấy hàng ban đầu rồi dừng
kết thúc một chu kỳ làm việc của cầu trục.
21
Chương 3. Tính chọn công suất và xây dựng đặc tính cơ động cơ xe cầu
Ta xây dựng được đồ thị phụ tải của xe cầu trên hình 3-1.

Hình 3-1 Ðồ thị phụ tải làm việc của xe cầu
Trong đó :

1 1 2 1
2 3
3 1 2 1
4 3
26 30 26 82( )
200( )
26 30 26 82( )
200( )
t t t t s
t t s
t t t t s
t t s
∆ = + + = + + =
∆ = =
∆ = + + = + + =
∆ = =
Để tính chọn công suất động cơ cho xe cầu ta sử dụng phương pháp đẳng trị.
Ta có công thức tính công suất đẳng trị chính xác cho động cơ theo các công suất tải
tĩnh là :
(3.4)
Hệ số tiếp điện tương đối của động cơ:
2.200
.100% 71%
82 200 82 200
lv
th
ck
t
TD
T

= = ≈
+ + +
(3.5)
Khi chọn động cơ có hệ số tiếp điện tiêu chuẩn TD
tc
=40% thì công suất động cơ
được tính về tiêu chuẩn là:
71
. 2,85. 3,8( )
40
th
tc dtcx
tc
TD
P P kW
TD
= = ≈
(3.6)
Tiếp theo ta tính tốc độ của động cơ:
Ta có tốc độ vòng bánh xe là :
18
16,4( / )
2 . 2.3,14.0,175
c
bx
b
V
n vg ph
R
π

= = =
Chọn tỷ số truyền chung từ trục động cơ đến trục bánh xe là i = 54
Nên ta có tốc độ động cơ là :
. 54.16,4 885( / )
dc bx
n i n vg ph
= = =
22
Chương 3. Tính chọn công suất và xây dựng đặc tính cơ động cơ xe cầu
Ta chọn hai động cơ điện cho xe cầu, mỗi động cơ có các thông số sau :
U
đm
=220 V, f=50 Hz, TD
tc
=40%,
Pđ
m=2,2 kW,
nd
m=895(vg/ph)
Mã hiệu động cơ là MTKM 1_11_6
3.2. Xây dựng đặc tính cơ của động cơ xe cầu
Các số liệu tương ứng ban đầu của động cơ là :
Pđ
m=2,2 kW ,
nd
m=895(vg/ph) , TD
tc
= 40%,
Ud
đ

m=380 V, f
1
=50 Hz=>
Uf
1=220 V, do
động cơ mắc Y, và số đôi cực p=3, động cơ 3 KĐB pha mã hiệu MTKM1_11_6:
Mt
h / M
đm
=2,8
Mk
đ / M
đm
=2,6
I
1kđ
/ I
đm
=3,8
Hệ số cosϕ
kđ
=0,88
Hệ số cosϕ
đm
=0,78
Hệ số cosϕ
kt
=0,13
I
1đm

=6,3 (A)
I
1kt
=4,25 (A)
R
1
=4,33 (Ω)
x
1
=2,61 (Ω)
I
’
2đm
=4,4 (A)
R
‘
2
=4,3 (Ω)
x
‘
2
=1,88 (Ω)
Hệ số quy đổi điện trở :
k
r=
k
e
2=3,88.1
04
;

Momen quán tính của roto :J=0.046 (Kg.m
2
) ;
Khối lượng động cơ : m=70 (Kg) ;
23