Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng cần trục sử dụng động cơ điện một chiều

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.2 MB, 63 trang )

Mục Lục
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................................................. 4
Chương 1. Tổng quan về cầu trục ................................................................................................................. 5
1.1. Khái quát chung ................................................................................................................................. 5
1.1.1. Cấu tạo ........................................................................................................................................ 5
1.1.2. Phân loại ..................................................................................................................................... 6
1.1.3. Đặc điểm công nghệ.................................................................................................................... 6
1.2. Đặc tính phụ tải .................................................................................................................................. 7
1.2.1. Momen động cơ nâng hạ ............................................................................................................. 7
1.2.2. Trạng thái làm việc của động cơ................................................................................................. 8
1.3. Yêu cầu của hệ truyền động sử dụng trong cầu trục .......................................................................... 9
Chương 2. Tính chọn động cơ .................................................................................................................... 11
2.1. Thông số cơ cấu nâng hạ.................................................................................................................. 11
2.2. Phụ tải tĩnh cơ cấu nâng hạ .............................................................................................................. 13
2.2.1. Phụ tải tĩnh khi nâng ................................................................................................................. 13
2.2.2. Phụ tải tĩnh khi hạ ..................................................................................................................... 13
2.3. Tính chọn động cơ ........................................................................................................................... 14
Chương 3. Lựa chọn phương pháp truyền động ......................................................................................... 17
3.1. Lựa chọn phương pháp chỉnh lưu .................................................................................................... 17
3.1.1. Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha .......................................................................................... 17
3.1.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha .................................................................................................................. 19
3.2. Lựa chọn phương án đảo chiều ........................................................................................................ 22
3.2.1. Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách dùng công tắc tơ .................................................... 22
3.2.2. Đảo chiều dòng điện phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu triristor mắc song song ngược........ 23
3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động ....................................................................... 24
3.3.1. Sơ đồ mạch lực .......................................................................................................................... 24
3.3.2. Nguyên lí làm việc của mạch động lực ..................................................................................... 24
Chương 4. Thiết kế mạch động lực ............................................................................................................. 26
4.1. Tính chọn thyristor ........................................................................................................................... 26
4.2. Thiết kế cuộn kháng lọc ................................................................................................................... 27
4.2.1. Xác định điện cảm cuộn kháng lọc ........................................................................................... 27

1

4.2.2. Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc ................................................................................................ 28
4.3. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực................................................................................... 32
4.3.1. Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn...................................................................................... 32
4.3.2. Bảo vệ quá dòng điện cho van .................................................................................................. 32
4.3.3. Bảo vệ quá điện áp cho van ...................................................................................................... 33
Chương 5: Thiết kế mạch phát xung điều khiển ......................................................................................... 34
5.1. Khâu đồng bộ .................................................................................................................................. 34
5.1.1 Mạch đồng pha .......................................................................................................................... 34
5.1.2. Mạch xung nhịp......................................................................................................................... 34
5.2. Mạch tạo xung răng cưa ................................................................................................................... 35
5.3. Khâu so sánh .................................................................................................................................... 36
5.4. Khâu tạo xung chùm ........................................................................................................................ 37
5.5. Khâu tách xung ................................................................................................................................ 37
5.6. Khâu trộn xung và khuếch đại xung ................................................................................................ 38
5.7. Tổng hợp mạch tạo xung điều khiển ................................................................................................ 40
5.7.1. Tính toán khâu đồng pha .......................................................................................................... 42
5.7.2. Tính toán khâu tạo điện áp răng cưa ........................................................................................ 42
5.7.3. Tính toán khâu so sánh ............................................................................................................. 43
5.7.4. Tính toán khâu tạo xung chùm .................................................................................................. 44
5.7.5. Tính toán biến áp xung.............................................................................................................. 44
5.7.6. Tính toán khối khuếch đại xung ................................................................................................ 45
5.8. Nguồn nuôi mạch điều khiển ........................................................................................................... 46
Chương 6. Tổng hợp bộ điều khiển tự động và mô phỏng truyền động điện cơ cấu nâng hạ .................... 48
6.1. Mô hình toán học động cơ 1 chiều ................................................................................................... 48
6.1.1. Chế độ xác lập .......................................................................................................................... 48
6.1.2. Chế độ quá độ ........................................................................................................................... 49

6.2. Mô hình phản hồi dòng điện ............................................................................................................ 50
6.3. Mô hình bộ phản hồi tốc độ ............................................................................................................. 51
6.4. Mô hình bộ biến đổi điện áp ............................................................................................................ 52
6.5. Tổng hợp hệ điều khiển vòng kín .................................................................................................... 53
6.5.1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện ................................................................................................ 54
6.5.2. Tổng hợp mạch vòng tốc độ ...................................................................................................... 56
6.6. Mô phỏng ......................................................................................................................................... 57
2

6.6.1. Mô phỏng hệ thống điều khiển trên Matlab Simulink ............................................................... 57
6.6.2. Kết quả mô phỏng ..................................................................................................................... 59
Tài Liệu Tham Khảo ................................................................................................................................... 63

3

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 - tự động hóa, nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng
ngày. Máy móc ngày càng được sử dụng rộng rãi và mức độ càng ngày càng hiện đại.
Trong đó, bộ phận máy thiết bị nâng và xếp dỡ đóng vai trò rất quan trọng trong sản xuất
và vận hàng hóa, thiết bị nâng hạ đã góp phần làm giải phóng sức lao động, tăng nhanh
năng suất lao động.
Cầu trục là 1 thiết bị nâng hạ được sử dụng rộng rãi trong các nhà xưởng, do nó có
nhiều ưu điểm và kết cấu nhỏ gọn phù hợp với không gian nhà xưởng. Cầu trục được sử
dụng trong xây dựng công trình công nghiệp, trong các nhà máy luyện kim, nhà máy cơ
khí, cảng biển… Đặc biệt trong nhà máy cơ khí, nhóm máy thiết bị cầu trục đóng vai trò
rất quan trọng, góp phần lớn vào năng suất lao động và hiệu quả kinh doanh.
Gắn liền với việc sử dụng cầu trục là quá trình điều khiển kết hợp giữa các cơ cấu sao cho

đạt hiệu quả sản xuất cao nhất. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoa học kĩ thuật,
nhóm thiết bị này ngày càng được hoàn thiện, có tính ưu việt hơn, đáp ứng tốt các yêu
cầu vận hành như công suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành an toàn và hiệu quả…
Trong quá trình làm đồ án chuyên ngành em được giao đề tài: “Thiết kế hệ truyền

động cho cho cơ cấu nâng cần trục sử dụng động cơ điện một chiều”.
Em xin cảm ơn cô GVC. Nguyễn Thị Liên Anh đã giúp em hoàn thành bài đồ án này.
Do giới hạn về kiến thức nên nghiên cứu còn có nhiều hạn chế và thiếu xót. Em kính
mong được sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy, cô để bài đồ án được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, tháng 5 năm 2015

Sinh viên thực hiện:
Hoàng Tiến Dũng

4

Chương 1. Tổng quan về cầu trục
1.1. Khái quát chung
Cầu trục là các máy chuyển động trên 2 đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc
tường cao để vận chuyển vật trong khoảng không gian giữa 2 dường ray đó.
1.1.1. Cấu tạo

Hình 1.1. Cầu trục

Cơ cấu nâng-hạ: Là bộ phận của cầu trục bao gồm động cơ truyền động, bộ truyền và
hệ kéo cáp vật lên, hạ vật xuống theo phương thẳng đứng (palang điện hoặc palang tay).
Bộ phận lấy hàng có thể là móc câu, gầu hoặc nam châm điện. Tùy theo công dụng của
cầu trục mà trên xe con có 1 hoặc 2, 3 cơ cấu nâng hạ, gồm 1 cơ cấu nâng chính và 1

hoặc 2 cơ cấu nâng phụ. Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm. Phanh dùng trong cầu trục
thường có 3 loại: phanh đĩa, phanh guốc và phanh đai.
Xe cầu: Là một khung thép hình chữ nhật, được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm 1
dầm chính bao quanh là dàn khung. Hai đầu dầm chính liên kết cơ khí với 2 dầm ngang
tạo thành khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe cầu trục được thiết
kế trên các dầm ngang của khung để xe cầu có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ
dàng.
Xe con: Là bộ phận di chuyển trên đường ray trên xe cầu, trên đó có cơ cấu nâng hạ
và cơ cơ cấu di chuyển cho xe con.
5

Kết hợp 2 chuyển động vuông góc của xe cầu và xe con với chuyển động lên xuống
của bộ phận lấy hàng, ta có thể di chuyển vật ở mọi điểm ở trong không gian của phân
xưởng. Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn điện động. Dẫn động bằng tay
chủ yếu dùng trong phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xuyên,
không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao.
1.1.2. Phân loại
Theo bộ phận lấy hàng và mục đích sử dụng:
-

Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn.
Cầu trục dùng gầu ngoạm.
Cầu trục dùng nam châm điện.

Theo chế độ làm việc:
-

Loại nhẹ: TĐ% = 10÷15%, số lần đóng cắt trong 1 giờ là 60.
Loại trung bình: TĐ% = 15÷25%, số lần đóng cắt trong 1 giờ là 120.

Loại nặng: TĐ% = 40÷60%, số lần đóng cắt trong 1 giờ là trên 240.

Theo trọng tải:
-

Loại nhẹ: dưới 10 tấn.
Loại trung bình: từ 10÷15 tấn.
Loại nặng: trên 15 tấn.

Theo chức năng:
-

Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, yêu cầu chính xác không cao.
Cầu trục lắp ráp: Sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, yêu cầu độ chính xác cao.

1.1.3. Đặc điểm công nghệ
- Do phải thường xuyên làm việc trong môi trường có điều kiện khắc nghiệt như các
bến cảng, nhà máy xí nghiệp, hay các phân xưởng luyện kim nên yêu cầu chế độ đóng cắt
cao, đặc biệt là đối với cầu trục dùng để lắp ghép các các chi tiết máy trong phân xưởng
cơ khí.
- Các thiết bị trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao năng suất, an toàn
trong vận hành và khai thác.
- Các thành phần cấu tạo lên hệ thống phải đơn giản, dễ thay đổi, sữa chữa và bảo
dưỡng.
- Trong hệ thống phải có thiết bị bảo vệ điện áp, bảo vệ quá tải và ngắn mạch khi có
yêu cầu cần thiết.
6

-

Có thiết bị han chế hành trình cho xe con, xe cầu, cơ cấu nâng hạ.
Có thể tự động cắt nguồn khi có người làm việc trên xe cầu.

1.2. Đặc tính phụ tải
1.2.1. Momen động cơ nâng hạ
Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta thấy rằng, khi nâng tải, momen thế năng có tác động
cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay. Khi hạ tải, momen thế năng lại là
momen gây ra chuyển, tức là nó hướng theo chiều quay động.
Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ:
ω

-Mc

0

Mc

M

Hình 1.2. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ.

Từ đặc tính của cơ cấu nâng hạ ta có nhận xét:
Hạ hãm: Tải trọng lớn thì momen tải trọng Mc đủ lớn để thắng momen ma sát Mms
của hệ truyền động và tải tự tụt xuống. Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì
Mđ là momen hãm để ghìm giữ tải trọng tụt xuống đều với tốc độ cho phép, Mc là momen
gây chuyển động.
Hạ động lực: Tải trọng nhỏ thì momen tải trọng không đủ để thắng momen ma sát
của hệ truyền động và động cơ phải làm việc đẩy xuống. Cả 2 momen tải trọng và động
cơ đều gây momen 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
nâng hạ cầu trục có thể biến đổi từ 0 đến giá trị lớn nhất.

7

1.2.2. Trạng thái làm việc của động cơ
 Góc phần tư thứ I:
Máy điện làm việc ở chế độ động cơ (đường 1)
Mđ = Mc + Mms
Với: Mđ – Momen động cơ sinh ra
Mc – Momen cản do tải trọng gây ra
Mms – Momen cản do ma sát gây ra
Đối với động cơ nâng hạ làm việc ở chế độ nâng hàng.
 Góc phần tư thứ II:
Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu cơ cấu nâng hạ thực hiện hãm
động năng ( đường 3).
 Góc phần tư thứ III:
Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Đối với cơ cấu nâng hạ:
Mc < Mms
Mđ = Mms - Mc
Chế độ này gọi là hạ động lực.
 Góc phần tư thứ IV:
Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu nâng hạ:
Mc > Mms
Mđ = Mc - Mms
Hàng sẽ được thả do trọng lượng của nó. Còn động cơ đóng điện nâng để hãm tốc độ
hạ hàng. Lúc này động cơ làm việc ở trạng thái hãm ngược (đường 4).

8

Hình 1.3. Chế độ làm việc động cơ cầu trục

1.3. Yêu cầu của hệ truyền động sử dụng trong cầu trục
Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ có chế độ làm việc 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 trọng tải rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế khi không có tải trọng, momen
động cơ Mđ không vượt quá (15÷20%)Mđm. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu
ngoạm tới 50%Mđm.
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 thật an toàn.
Ở các máy nâng tải. gia tốc thường được quy định theo khả năng chịu phụ tải của từng
động cơ. Đối với cơ cấu hạ cầu trục gia tốc phải nhỏ hơn 0,5m/s2 để không làm đứt cáp.
Thời gian khởi động nhỏ nhất là 2s. Sử dụng phanh ham khi chuẩn bị dừng và khi mất
điện điện phanh hãm phải dừng ở giá trị hiện trạng, tránh rơi tự do, phải dừng chính xác
tại nơi lấy, hạ tải và phải dừng ở tốc độ thấp.

9

Phạm vi điều chỉnh: Trong cơ cấu nâng hạ cầu trục thì phạm vi điều chỉnh không
cao. Ở cầu trục thông thường thì D < 3, ở cầu trục lắp giáp D > 10. Độ chính xác điều
chỉnh không cao khoảng 5%. Các cơ cấu điều khiển truyền động cầu trục ít nhất phải có 3
cấp tốc độ. Cấp độ cao là cấp độ tối ưu cho từng cơ cấu. Cấp tốc độ thấp để thỏa mãn
công nghệ khi nâng và hạ hàng chạm đất. Cấp độ trung bình thỏa mãn yêu cầu bốc xếp
hàng hóa và ổn định của cầu trục.

Khả năng rút ngắn thời gian quá độ: Đây là biện pháp cơ bản để nâng cao năng suất
do các cơ cấu điều khiển truyền động trên cầu trục làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại.
Nhằm rút ngắn thời gian quá độ, người ta thường sử dụng phương pháp: chọn động cơ có
momen khởi động lớn, dùng động cơ điện có tốc độ không cao, giảm momen quán tính
của các bộ phận quay.
Yêu cầu đối với truyền động trong trạng thái bất thường như hãm khẩn, đảo chiều
quay tức thời hay hãm đột ngột: Các bộ phận phải có phanh hãm điện từ để giữ chặt các
trục, khi mất điện hay sự cố đảm bảo an toàn cho người và thiết bị . Để dảm bảo điều này,
trong sơ đồ điều khiển phải có công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu.
Khi hãm khẩn cấp hay hãm đột ngột phải dừng chính xác.
Yêu cầu về nguồn và trang bị: Điện áp cung cấp cho cơ cấu cầu trục không vượt quá
500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 380/220V, mạng điện 1 chiều hay dùng là
220V, 440V. 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 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.

10

Chương 2. Tính chọn động cơ
2.1. Thông số cơ cấu nâng hạ

Hình 2.1. Sơ đồ 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. Động cơ điện
Chiều cao nâng: 10 [m]
Tốc độ nâng hạ (v): v= 0,1÷0,5 [m/s], phạm vi điều khiển tốc độ D = 0,5/0,1 = 5.
Trọng lượng tải (G): 2000 [kg]
Trọng lượng móc câu (G0): 50 kg

11

Bán kính puli (Rt): 0,25 [m]
Tỉ số truyền (i): 50
i=

2 Rt n
60uv

n – Tốc độ động cơ, [vg/s]
u – Bội số hệ số ròng rọc.
Hiệu suất bộ truyền định mức (ηc): 0,85
Mô men quán tính cơ cấu :Jcc = 0,1 Kgm2
Chu kỳ làm việc (Tck): 180 s
Trong đó, hiệu suất cơ cấu (c ) sẽ là là định mức khi tải trọng là định mức. Với các tải
trọng khác định mức thì xác định theo hình.

Hình 2.2. Quan hệ phụ thuộc ηc vào tải trọng

Hệ số mang tải không tải:
K=

G0
50
=
= 0,024
Gdm  G0
50  2000

Dựa vào đường đặc tính quan hệ giữa hệ số mang tải và hiệu suất (hình 2.2), ta có hệ
số bộ truyền không tải η0 = 0,25.
12

2.2. Phụ tải tĩnh cơ cấu nâng hạ
2.2.1. Phụ tải tĩnh khi nâng
Momen động cơ khi nâng vật:
(G  Gn ) Rt
(2000  50)9,81.0, 25
=
= 118,3 (N.m)
uic
1.0,85.50

Mn =

Công suất động cơ cần thiết để nâng vật:
Pnc 

(G0  G )v
(2000  50)9,81.0,5
=
= 11,8 (kW)
1000c
1000.0,85

Khi nâng không tải:
M n0 

G0 Rt
50.9,81.0, 25
=
= 9,81 (N.m)
ui0
1.0, 25.50

Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải:
Pn 0 

G0v
50.9,81.0,5
=
= 0,98 (kW)
10000
1000.0, 25

2.2.2. Phụ tải tĩnh khi hạ
Như đã giới thiệu trong chương 1, ta có 2 chế độ hạ tải tùy thuộc vào tải trọng G lớn
hay nhỏ là hạ động lực và hạ hãm.Khi hạ tải, trong cả 2 trường hợp thì năng lượng đều
truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên momen động cơ khi hạ là:
Mh = Mt – ΔMh = Mtηh
ηh là hiệu suất cơ cấu khi hạ.
Ta thấy rằng, Mt > ΔMh ứng với Mđ > 0 là hạ hãm, Mt < ΔMh ứng với Mđ < 0 là hạ
động lực
Momen tải trọng: Mt =

(G  G0 ) Rt
(2000  50).9,81.0, 25
=

= 100,55(Nm)
ui
1.50

Momen tổn hao khi nâng:
ΔMn = Mn – Mt =

Mt

c

1


 1
 c 

- Mt = Mt 

13

Coi tổn thất khi nâng và hạ tải (ΔMh = ΔMn) là như nhau nên:
1



1
 1  = Mt  2   = Mt η h
 c 

 c 

Mh = Mt - ΔMh = Mt - Mt 


Mhc = Mt  2 


1
1 

 = 100,55  2 
 = 82,8 (N.m)
c 
0.85 


Suy ra: ηh = 2 

1

c

Đối với những tải trọng tương đối lớn (ηc > 0,5), ta có ηh > 0 và Mh > 0. Điều đó có
nghĩa momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải, động cơ làm việc ở chế độ hạ
hãm. Khi tải trọng tương đối nhỏ (ηc < 0,5), ta có ηh < 0 và Mh < 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 h0 

G0 Rt
ui


1  50.9,81.0, 25 
1 
2 =
2
 = -4,9 (N.m)
50.1
0.25 

 0 

Do đó công suất động cơ khi hạ có tải và không tải:
Phc 

(G  G0 )v 
1
(2000  50)9.81.0,5 
1 
2
2  =

 = 8,28 (kW)
1000  c 
1000
0.85 


Ph 0 

G0 v 
1  50.9.81.0,5 
1 
2
2 =

 = -0,49 (kW)
1000  0 
1000 
0.25 

2.3. Tính chọn động cơ
Thời gian nâng có tải: tnc = 20s
Thời gian nâng không tải: tn0 = 20s
Thời gian hạ có tải: thc = 20s
Thời gian nâng không tải: th0 = 20s
Thời gian làm việc của động cơ: tlv = th0 + tnc + thc + tn0 = 80s
Thời gian của 1 chu kì làm việc là tck: 180s
14

M(N.m)
118,3

82,28

9,81
0

-4,9

t(s)
th0

20

tn1

40

tnc

60

90

tn2

thc

110

tn3

130

tn0

150

tn4

180

Hình 2.4. Đồ thị phụ tải

Mtb =

Ptb =

M nc2 .tnc  M no2 .tn 0  M h20 .th 0  M hc2 .thc
= 72,4 (N.m)
tlv
Pnc2 .tnc  Pno2 .tn 0  Ph20 .th 0  Phc2 .thc
= 7,23 (N.m)
tlv

Hệ số tiếp điện:
TĐth% =

tlv
= 44,44 (%)
tck

Ta có các hệ số tiếp điện chuẩn TĐtc% (15%, 25%, 40%, 60%). Trong bài này, ta sử
dụng động cơ có hệ số tiếp điện là 40%. Vậy, momen tính toán động cơ:
Mtt = M tb

44, 44

TDth %
= 72, 4
= 76,3 (N.m)
40
TDtc %

Tốc độ động cơ: n =

60uvi 60.1.0,5.50
=
= 955 (vòng/phút)
2 Rt
2 .0, 25

Động cơ được chọn phải có Mđm > Mtt, Pđm > Ptt.

15

Sau khi tra danh sách động cơ, ta chọn động cơ 1 chiều kích từ song song loại Д-32,
có các thông số như sau:
-

Công suất định mức: Pdm = 12 kW.
Điện áp định mức: Uddm = 440V.
Tốc độ động cơ định mức: n = 1240vg/phút.
Dòng điện định mức: Iddm = 31,5A;
Điện trở phần ứng: Rud = 0.534Ω;
Điện trở phần kích từ: Rck = 36Ω;
Số thanh dẫn tác dụng của phần ứng: N = 738

Số nhánh song song của phần ứng: 2a = 2
Số vòng dây 1 cực của cuộn song song: Wck = 1140
Từ thông hữu ích của một cực: Φ = 57mWb
Dòng kích từ định mức: ikt = 4,3A
Momen quán tính: J = 0,425 kgm2

16

Chương 3. Lựa chọn phương pháp truyền động
3.1. Lựa chọn phương pháp chỉnh lưu
Nguồn điện cấp cho cơ cấu nâng hạ là điện áp lưới: U1 = 220V xoay chiều. Theo
phương pháp truyền động T-Đ, để cung cấp nguồn 1 chiều cho phần ứng động cơ một
chiều kích từ độc lập, ta phải sử dụng một mạch chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng
điện xoay chiều U1 thành năng lượng dòng điện 1 chiều. Thực tế có rất nhiều phương án
có thể sử dụng được, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta
cần xét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu. Với yêu cầu thay đổi được điện áp đặt
vào phần ứng động cơ thì các bộ chỉnh lưu điốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta
chỉ xét các mạch chỉnh lưu điều khiển.
3.1.1. Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha
a. Sơ đồ mạch điện
Chỉnh lưu tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấu sao có trung tính,
3 đầu katốt của 3 van bán dẫn nối cùng cực tính để nối tới tải, ba đầu Anốt nối tới các pha
biến áp, tải được nối giữa đầu nối chung của van bán dẫn với trung tính như hình vẽ.

UA
Ub
UB
Uc

L

T1
T2

+

Đ

T3

KT

Ua

-

UC

Hình 3.1. Mạch chỉnh lưu tia 3 pha

b. Nguyên lý hoạt động
Giả sử trong 1/3 chu kỳ đầu tiên điện áp trên Anot của thyristor T1 dương nhất, khi
cấp xung điều khiển cho T1 thì T1 mở dòng qua T1 qua R, L và chạy về nguồn. Trong 1/3
chu kỳ tiếp theo T2 phân cực thuận giải thích tương tự như trên thì dòng sẽ qua T2 qua R,
L và chạy về nguồn. Tương tự 1/3 chu kỳ cuối dòng qua T3 qua R, L và về nguồn (chú ý:
các van trên chỉ hoạt động khi được cấp xung điều khiển và phân cực thuận).
Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dẫn sẽ vẫn dẫn khi
điện áp âm mà van còn lại chưa mở. Ví dụ, Van T1 đang dẫn, do suất điện động cảm ứng
nên T1 vẫn dẫn điện cho đến thời điểm t2. Khi đưa xung vào mở T2 thì sẽ xuất hiện một

17

điện áp ngược đặt vào T1, làm T1 khoá lại và quá trình khoá T1 là quá trính khoá cưỡng
bức. Từ thời điểm t2÷t 3 thì T2 dẫn điện, thời điểm t4 là khi chúng ta đưa xung mở T3.
Các tham số chính:
Giá trị trung bình của điện áp trên tải:
Ud 

3 6
U 2 cos   1,17U 2 cos 
2

Giá trị điện áp ngược: U ng  6U 2
Dòng điện trung bình chảy qua Thyristor: Iv = Id/3
Số lần đập mạch trong 1 chu kỳ: 3
Công suất của máy biến áp: Sba = 1,35Pd

Hình 3.2. Đồ thị điện áp và dòng điện chỉnh lưu hình tia 3 pha

18

c. Đánh giá mạch chỉnh lưu
Ưu điểm:
So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt
hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, do chỉ có
một van dãn nên sụt áp trên van là nhỏ  công suất tiêu thụ của van nhỏ.Việc điều khiển
các van tương đối đơn giản.

Nhược điểm:
Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm. Điện áp ra có
độ đập mạch lớn nên xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao. Hiệu suất sử dụng
máy biến áp không cao.
3.1.2. Chỉnh lưu cầu 3 pha
a. Sơ đồ mạch điện
Ub

Uc

T4

T1

T6

T3

T2

T5

L
+

Đ

KT

Ua

-

Hình 3.3. Mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha

Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng gồm có 6 thyristor chia thành 2 nhóm:
-

Nhóm katốt chung gồm 3 triristor: T1 ,T3 ,T5.
Nhóm anốt chung gồm 3 triristor: T2 ,T4 ,T6.

Điện áp các pha thứ cấp MBA có phương trình:
U a  2U 2 sin 
2 

U a  2U 2 sin   

3 


4 

U a  2U 2 sin   

3 

19

Góc mở α được tính từ giao điểm của hai điện áp pha.

b. Nguyên lý hoạt động
Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua.
Khi   1 


6



cho xung điều khiển mở T1. Thyristor này mở vì U0 > 0. Sự mở

của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U2a > U2c. Lúc này T6 và T1 cho dòng
đi qua. Điện áp ra trên tải: Ud = Uab = U2a – U2b.
Khi   1 

3
  cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mở vì T6 dẫn dòng nó
6

đặt Ub2 lên catốt T2 mà U2b > U2c. Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên vì
U2b > U2c.
Các xung điều khiển lệch nhau


được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các
3

thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,...Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó sẽ khoá
ngay tristor trước nó, như trong bảng sau.
Bảng 3.1. Các thời điểm mở, khóa của thyristor

Thời điểm
  1 




6
3
  1 

6
5
  1 

6
7
  1 

6
9
  1 

6
11
  1 

6

Mở

T1

Khóa
T5

T2

T6

T3

T1

T4

T2

T5

T3

T6

T4

Các thông số chính:
-

Điện áp trung bình trên tải:
Điện áp ngược cực đại đặt lên van: Ungmax = 2,45.U2

Số lần đập mạch trong 1 chu kỳ: 6
Dòng điện chảy qua các van là: IT = Id / 3
Công suất của máy biến áp: Sba = 1,05.Pd
20

Hình 3.4. Đồ thị điện áp và dònkg điện chỉnh lưu hình cầu 3 pha

c. Đánh giá mạch điện
Ưu điểm: Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt. Hiệu suất sử
dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng. Điện áp ngược trên van là
lớn nhưng do Udo = 2,34U2. Vì vậy, nó có thể được sử dụng với điện áp khá cao.
Nhược điểm: Cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha nên rất phức tạp.
Sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên cũng không phù hợp với cấp điện áp ra
tải dưới 10 V. Nó gây khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa.
Lựa chọn: Từ yêu cầu thiết kế về chất lượng điện áp một chiều tốt để có thể cung cấp
cho phần ứng động cơ điện một chiều kích từ song song, đảm bảo phù hợp yêu cầu công
nghệ cơ cấu nâng hạ cầu trục, nên ta chọn sử dụng mạch chỉnh lưu dùng sơ đồ cầu 3 pha
điều khiển đối xứng là hợp lý hơn cả.
21

3.2. Lựa chọn phương án đảo chiều
Quá trình đảo chiều chuyển động bàn máy cũng có rất nhiều phương pháp, nhưng
chung quy có 2 phương pháp:
-

Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng kích từ.
Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng phần ứng.

Tuy nhiên sử dụng phương pháp đảo chiều dòng kích từ có nhiều hạn chế, do cuộn
cảm có hệ số tự cảm lớn (quán tính từ lớn) nên làm tăng thời gian đảo chiều, không thoả
mãn cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục. Vì vậy ta chỉ xét quá trình đảo chiều động
cơ bằng đảo chiều dòng phần ứng.
Với hệ truyền động T-Đ để đảo chiều dòng phần ứng động cơ có hai cách cơ bản:
-

Đảo chiều nhờ các tiếp điểm công tắc tơ đặt trên mạch phần ứng.
Đảo chiều quay nhờ hai BBĐ triristor mắc song song ngược.

3.2.1. Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách dùng công tắc tơ
Sơ đồ truyền động:

BBĐ1

BBĐ2
T

N
CKĐ

Đ

~ 3 pha
N

~ 3 pha

T

Hình 3.5. Sơ đồ truyền động đảo chiều động cơ bằng công tắc tơ

Trên hình 3.5 cuộn kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi một bộ chỉnh lưu BBĐ2. Bộ
chỉnh lưu BBĐ1 tạo ra dòng điện một chiều có chiều không đổi ở phía đầu ra, trước khi
đưa vào phần ứng động cơ, người ta bố trí các tiếp điểm công tắc tơ T và N sao cho khi
điều khiển các công tắc tơ này đóng tiếp điểm thì đảo được chiều dòng điện phần ứng,
dẫn đến đảo được chiều quay động cơ.
Phương pháp này chỉ sử dụng cho các truyền động công suất nhỏ vì dòng hồ quang
phát ra giữa các tiếp điểm lớn. Mặt khác do quán tính cơ điện của các khí cụ lớn nên tần
số đảo chiều không cao, không phù hợp cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục.

22

3.2.2. Đảo chiều dòng điện phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu triristor mắc song song
ngược
Sơ đồ truyền động:
~ 3 pha

BBĐ1

BBĐ2

BBĐ3
CKĐ

Đ

~ 3 pha

Hình 3.6. Sơ đồ truyền động đảo chiều động cơ bằng chỉnh lưu

Cuộn dây kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi CL3 với dòng điện có chiều không đổi.
Phần ứng động cơ được cấp nguồn bởi 2 bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 mắc song song ngược.
Muốn đảo chiều quay động cơ, ta đưa tín hiệu điều khiển vào 2 bộ chỉnh lưu sao cho CL1
hoặc CL2 mở để thay đổi chiều dòng điện phần ứng iưT và iưN. Phương pháp này vì sử
dụng các khí cụ không tiếp điểm nên quá trình đảo chiều êm, diễn ra nhanh, nhưng đòi
hỏi mạch lực phức tạp hơn. Quá trình đảo chiều còn phụ thuộc vào việc lựa chọn phương
pháp điều khiển, đó là phương pháp điều khiển chung hay riêng.
Phương pháp điều khiển chung: Tại một thời điểm cả 2 BBĐ nhận được xung mở,
nhưng chỉ có một BBĐ cấp dòng cho nghịch lưu, còn BBĐ kia làm việc ở chế độ chờ.
Phương pháp này có các đặc tính cơ của hệ thống ở chế độ động và chế độ tĩnh rất tốt.
Nhưng nó lại làm xuất hiện dòng cân bằng tiêu tán năng lượng vô ích và luôn tồn tại do
đó cần phải có cuộn kháng san bằng để làm giảm dòng cân bằng. Với sơ đồ hình cầu 3
pha mắc song song ngược thì cần phải có 4 cuộn kháng san bằng. Phương pháp này điều
khiển phức tạp.
Phương pháp điều khiển riêng: Khi điều khiển riêng 2 BBĐ làm việc riêng rẽ nhau.
Tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào 1 BBĐ còn bộ kia bị khoá do không có
xung điều khiển. Phương pháp này, đặc tính đảo chiều của nó không tốt bằng phương
pháp điều khiển chung, do có một khoảng thời gian trễ để dòng qua bộ van đang làm việc
giảm về bằng 0 thì mới cho bộ van thứ hai mở. Tuy nhiên nó lại có ưu điểm hơn là làm
việc an toàn vì không có dòng cân bằng chạy qua giữa các BBĐ và hệ thống điều khiển
đỡ phức tạp hơn.
23

Từ hai phương pháp điều khiển trên, do đặc điểm và yêu cầu công nghệ của cơ cấu
nâng hạ cầu trục, thấy rằng phương pháp đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng
phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu thyristor mắc song song ngược là phù hợp nhất nên
em lựa chọn phương pháp này và sử dụng phương pháp điều khiển riêng để điều khiển

các bộ chỉnh lưu Thyristor.

3.3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động
3.3.1. Sơ đồ mạch lực
Trên sơ đồ: ATM là áp tô mát nguồn, làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn. BI là bộ biến
dòng, cấp phản hồi âm dòng điện đưa tín hiệu đến khâu điều khiển dòng điện. BBĐ1,
BBĐ2: là 2 bộ biến đổi (chỉnh lưu) thyristor mắc song song ngược (cầu kép 3 pha) cấp
nguồn cho phần ứng động cơ Đ (Đ: là động cơ 1 chiều, kích từ độc lập, nâng hạ cầu trục).
C - R: Là các tụ điện và điện trở, chức năng để bảo vệ cho các thyristor khỏi bị đánh
thủng do quá gia tốc điện áp (du/dt) khi xảy ra quá độ trong mạch (như quá trình chuyển
mạch) của các tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hoặc khi đóng cắt không tải của máy biến áp.
Ngoài ra mạch R-C còn có tác dụng rẽ mạch dòng điện ngược đối với các thyristor. Để
bảo vệ quá gia tốc dòng (di/dt) trong sơ đồ ta lợi dụng các cuộn cảm là cuộn kháng lọc
san bằng và các cuộn dây thứ cấp máy biến áp động lực. FT: Là máy phát tốc chức năng
để lấy tín hiệu phản hồi âm tốc độ. Tín hiệu điện áp trên mạch phần ứng của máy FT
được lấy ra có trị số tỷ lệ với tốc độ động cơ sử dụng làm tín hiệu phản hồi âm tốc độ.
AT: Là áptômát bảo vệ khởi động từ.
3.3.2. Nguyên lí làm việc của mạch động lực
Hoạt động của các BBĐ: Khi điều khiển riêng 2 BBĐ làm việc riêng rẽ nhau. Tại một
thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào 1 BBĐ còn bộ kia bị khoá, do không có xung
điều khiển. Phương pháp này, đặc tính đảo chiều của nó không tốt bằng phương pháp
điều khiển chung, do có một khoảng thời gian trễ để dòng qua bộ van đang làm việc giảm
về bằng 0 thì mới cho bộ van thứ hai mở. Tuy nhiên nó lại có ưu điểm hơn là làm việc an
toàn vì không có dòng cân bằng chạy qua giữa các BBĐ và hệ thống điều khiển đỡ phức
tạp hơn.
Để khởi động, đóng AT cấp điện cho các BBĐ thyristor cấp nguồn cho phần ứng
động cơ và bộ chỉnh lưu điốt cấp nguồn cho cuộn kích từ động cơ CKĐ. Ta đồng thời cấp
xung điều khiển cho 1 BBĐ1 khi cầu trục làm việc ở chế độ nâng hoặc hạ hãm; khi
BBĐ2 khi cầu trục làm việc ở chế độ hãm động lực. Động cơ Đ được cấp nguồn, quay
kéo theo máy phát tốc (FT) quay đưa tín hiệu phản hồi âm tốc độ về mạch điều khiển để