Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển của xe vận chuyển tự hành

Đồ án tốt ngiệp
BỘ LAO ĐỘNG -TB VÀ XÃ HỘI CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHSPKT VINH Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Nguyễn Văn Thăng Hệ đào tạo: Chính quy.
Lớp: ĐHLT Điện A – K2 Ngành: Công nghệ Kỹ Thuật Điện.
Khoa: Điện.
1.Tên đề tài:
“Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di
chuyển của xe vận chuyển tự hành”.
2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
2.1. Số liệu cho ban đầu: Được lấy từ quá trình khảo sát máy.
2.2. Nội dung thực hiện:
2.2.1. Tổng quan về xe vận chuyển tự hành.
2.2.2. Phân tích lựa chọn phương án truyền động và bộ biến đổi điện tử công suất
cho xe vận chuyển tự hành.
2.2.3. Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất cho truyền động di chuyển cho xe vận
chuyển tự hành theo bảng số liệu.
2.2.4. Xét đặc tính ổn định của hệ truyền động.
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp: Ngày 8 tháng 2 năm 2011.
Trưởng bộ môn Giáo viên hướng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
Nhiệm vụ Đồ án tốt nghiệp đã được hội đồng thi tốt nghiệp của khoa thông qua.
Ngày tháng 4 năm 2011
Chủ tịch hội đồng
5
Đồ án tốt ngiệp
Bảng thông số xe nâng tự hành điện tự động hiệu FEELER - Đài Loan
Tải trọng nâng Kg 2950
Chiều cao nâng thấp nhất H1(m) 3- 6
Chiều cao cabin xe H3(m) 2,13

Chiều dài xe L2(m) 1,15 - 1,22
Tốc độ xe nâng Km/h 13 - 15
Động cơ nâng Kw 8,2
Điện áp nguồn ắc quy V 48
Động cơ chạy xe 5Kw - 48V - 60A
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
6
Đồ án tốt ngiệp
Trang
Chương I. TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 16
Hình 1.1. Xe nâng tự hành bằng tay siêu thấp 16
Hình 1.2. Xe nâng tự hành bằng tay cao 17
Hình 1.3. Xe nâng tự hành được truyền động bằng động cơ Diezel 18
Hình 1.4. Xe nâng điện bán tự động 19
Hình 1.5. Xe nâng tự hành điện tự động 19
Hình 1.6. Xe nâng tự hành điện 20
Hình 1.7. Kích thước và đồ thị xe nâng tự hành được truyền động bằng động
cơ một chiều kích từ nối tiếp 22
Hình 1.8. Các thiết bị cơ bản của xe nâng chuyển được truyền động bằng động
cơ một chiều kích từ nối tiếp 22
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều KTNT 26
Hình 1.10. Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là dòng kích
từ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 26
Hình 1.11. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 27
Hình 1.12. Ảnh hưởng của mạch phần ứng tới đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều 28
Chương II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG VÀ BỘ BIẾN ĐỔI
ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH 30
Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý mạch điện khống chế hệ truyền động di chuyển
xe nâng điều khiển bằng điện trở 31

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động di chuyển xe nâng điều chỉnh
tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng 32
Hình 2.3. Đặc tính khởi động động cơ một chiều kích từ nối tiếp qua 2 cấp
điện trở phụ 32
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ nối tiếp 33
Hình 2.5. Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 33
Hình 2.6. Sơ đồ cấu trúc Matlab hệ truyền động di chuyển xe nâng khởi động
và điều chỉnh tốc độ bằng điện trở mạch phần ứng 35
7
Đồ án tốt ngiệp
Hình 2.7. Đường đặc tính tốc độ và dòng điện khi động cơ khởi động
qua 2 cấp điện trở phụ 35
Hình 2.8. Đường đặc tính tốc độ và dòng điện phần ứng khi động cơ
làm việc với cấp điện trở Rf
1
trong mạch phần ứng 36
Hình 2.9. Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC) 37
Hình 2.10. Băm xung một chiều nối tiếp 39
Hình 2.11. Băm xung một chiều song song 40
Hình 2.12. Băm xung một chiều nối tiếp – song song 42
Hình 2.13. Băm xung một chiều đảo chiều sơ đồ cầu 44
Hình 2.14. Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển riêng 45
Hình 2.15. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng 46
Hình 2.16. Băm xung một chiều đảo chiều điều khiển đối xứng 47
Hình 2.17. Băm xung một chiều đảo chiều, điều khiển không đối xứng luật
điều khiển tạo chiều dòng điện tải dương 48
Hình 2.18. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều đảo chiều
sử dụng phương pháp điều khiển không đối xứng 49
Chương III. THIẾT KẾ MẠCH LỰC 50
Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch BXMC nối tiếp 51

Chương IV. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 52
Hình 4.1. Nguyên lý điều khiển băm áp một chiều 53
Hình 4.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu PWM 54
Hình 4.3. Sơ đồ tạo xung tam giác một cực tính 55
Hình 4.4. Mạch so sánh hai cổng bằng KĐTT 57
Hình 4.5. Driver M57957L dùng cho điều khiển IGBT 59
Hình 4.6. Điện trở hạn chế dòng điều khiển 59
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ di chuyển xe nâng tự hành 61
Chương V. XÉT ĐẶC TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG 61
Hình 5.1. Đặc tính cơ bộ băm áp một chiều (dòng điện liên tục) 62
Hình 5.2. Sơ đồ khối của hệ thống với các khâu phản hồi 64
Hình 5.3. Sơ đồ khối của hệ thống khi chỉ có khâu phản hồi âm tốc độ 64
8
Đồ án tốt ngiệp
Hình 5.4. Đặc tính quá độ dòng điện 67
Hình 5.5. Hệ điều tốc hai mạch vòng tốc độ quay và dòng điện 68
Hình 5.6. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống 68
Hình 5.7. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều tốc
hai mạch vòng 70
Hình 5.8. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng dòng điện 70
Hình 5.9. Mạch vòng dòng điện kín 71
Hình 5.10. Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay và xử
lý gần đúng của nó (bỏ qua nhiễu phụ tải) 72
Hình 5.19. Sơ đồ cấu trúc Matlab của hệ thống 74

DANH MỤC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
9
Đồ án tốt ngiệp
TT KÝ HIỆU GIẢI THÍCH
1. BXMC Băm xung một chiều

2. Tr Tranzitor
3. PWM Bộ điều chế độ rộng xung
4. IGBT Tranzitor có cực điều khiển cách ly
5. U
cđ
Điện áp chủ đạo
6. U
rc
Điện áp tựa răng cưa
7. U
đk
Điện áp điều khiển
8. KĐTT Khuếch đại thuật toán
9. PI Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ
10. ĐC Động cơ
11. BT Tranzitor công suất
12. KTNT Kích từ nối tiếp
MỤC LỤC
Trang
TÀI LIỆU THAM KHẢO 79
10
Đồ án tốt ngiệp
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, các phân xưởng hay các
công trường xây dựng…Hệ thống nâng – vận chuyển đóng vai trò hết sức quan
trọng. Với nhiều hình thức và phương tiện đa dạng từ thô sơ đến hiện đại như thang
11
Đồ án tốt ngiệp
máy, cầu trục, xe cẩu, xe con, băng chuyền, băng tải… đã nâng cao năng suất vận
chuyển và giảm thiểu sức lao động cho con người. Xe nâng chuyển tự hành đã xuất

hiện từ lâu và hiện nay nó là một trong những phương tiện vận chuyển hàng hóa rất
thuận lợi và hiệu quả. Xe có thể nâng nhiều chủng loại hàng hoá khác nhau với yêu
cầu chất lượng nâng chuyển khá cao. Đây là loại phương tiện rất linh hoạt, di
chuyển nâng tải không theo một lộ trình nhất định mà do con người điều khiển, vì
thế xe nâng tự hành có thể di chuyển đến những nơi mà các phương tiện vận tải
khác không thể đến được. Với những ưu việt đó nên xe nâng tự hành liên tục được
các nhà sản xuất trong nước và trên thế giới không ngừng cải tiến và nâng cấp từ
đặc tính kỹ thuật đến mẫu mã. Tuy nhiên khi thiết kế loại phương tiện này người ta
đặc biệt quan tâm đến các vấn đề như sử dụng năng lượng gì, tiêu hao về năng
lượng thế nào và ảnh hưởng của nó tới môi trường sống của con người. Có nhiều
loại xe nâng nhưng loại xe nâng điện được đánh giá là có triển vọng tốt trong tương
lai vì nó được sử dụng nguồn năng lượng sạch và môi trường hoạt động của nó khá
đa dạng. Tuy vậy nó gặp phải vấn đề là sử dụng nguồn điện từ ắc quy, có công suất
nhỏ, phải nạp điện thường xuyên, trong khi đó các hệ thống truyền động điện cho
loại xe này hiện nay còn sử dụng các bộ biến trở để khởi động và điều chỉnh tốc độ
xe, làm tổn thất năng lượng điện rất lớn.
Việc hạn chế tối đa tổn thất năng lượng, nâng cao đặc tính kỹ thuật của hệ
thống, đáp ứng được yêu cầu công nghệ hiện nay là vấn đề đang được quan tâm.
Xuất phát từ yêu cầu thực tế đó, em được giao đồ án tốt ngiệp với nhiệm vụ
“Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho truyền động di chuyển của
xe nâng chuyển tự hành ”.
Nội dung đồ án được chia làm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về xe nâng chuyển tự hành.
Chương 2: Lựa chọn phương án truyền động và bộ biến đổi điện tử công suất
cho xe nâng chuyển tự hành.
Chương 3: Thiết kế mạch lực.
Chương 4: Thiết kế mạch điều khiển.
Chương 5: Xét đặc tính ổn định của hệ truyền động.
12
Đồ án tốt ngiệp

Với sự cố gắng của bản thân cùng sự hướng dẫn của các thầy cô giáo trong
bộ môn, đặc biệt là thầy giáo - Thạc sỹ Trần Duy Trinh đã trực tiếp hướng dẫn giúp
đỡ em hoàn thành đồ án này. Mặc dù đã hết sức cố gắng để cuốn đồ án được hoàn
chỉnh, song chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận
được sự góp ý của thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên
Nguyễn Văn Thăng
Chương I. TỔNG QUAN VỀ XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH
1.1. Giới thiệu chung
Xe nâng tự hành là một dạng của máy nâng - vận chuyển, được dùng để
nâng và vận chuyển các loại hàng đóng kiện, hàng bao gói, có khối lượng lớn ở các
13
Đồ án tốt ngiệp
siêu thị, phòng thí nghiệm, kho, cảng biển…Nó có thể dùng để nâng và vận chuyển
gỗ, sắt, thép, vật liệu xây dựng ở các nhà máy và công xưởng, các công trường xây
dựng… Hiện nay, có rất nhiều chủng loại xe nâng tự hành, mỗi loại được sử dụng
cho mục đích và công việc khác nhau trong những điều kiện môi trường thích hợp.
Chính vì vậy nên cấu tạo của các loại xe nâng tự hành cũng rất đa dạng.
1.1.1. Xe nâng tự hành bằng tay
Xe nâng tự hành bằng tay di chuyển và nâng hàng bằng lực của tay người
điều khiển thông qua hệ thống thủy lực. Tải trọng nâng không lớn, di chuyển chậm,
làm việc trong phạm vi hẹp, phải cần đến sức người. Loại xe nâng này được dùng ở
các phân xưởng, nhà máy sản xuất như: phân xưởng sản xuất giấy, nhà máy đường,
nhà máy dệt…Loại xe này có bánh xe đơn hoặc kép bằng nhựa PU hoặc Nylon;
càng nâng và kích thước càng nâng được thiết kế đa dạng, nhiều kiểu dáng phù hợp
với từng loại xe nâng chuyên biệt; chất liệu của xe được làm bằng thép rỉ sét, có
sơn tĩnh điện để có thể hoạt động ở môi trường khắc nghiệt.
Càng nâng
Tay nâng

Bánh xe
Hình 1.1. Xe nâng tự hành bằng tay siêu thấp
14
Đồ án tốt ngiệp
Bảng 1.1. Một số thông số kỹ thuật của xe nâng tự
hành bằng tay của hãng CE Hàn Quốc
MODEL PT20S/L PT25S/L PT30S/L PT35S/L
Tải trọng
nâng
KG 2000 2500 3000 3500
Chiều cao
nâng thấp
nhất
H
1
(mm)
75/85 75/85 75/85 75/85
Chiều cao
nâng cao
nhất
H
2
(mm)
190/200 190/200 190/200 190/200
Chiều dài
càng nâng
L
(mm)
1150/1220 1150/1220 1150/1220 1150/1220
Chiều rộng

càng nâng
W
(mm)
520/685 520/685 520/685 520/685
Đường kính
bánh trước
A
(mm)
φ74×70/82×70 φ74×70/82×70 φ74×70/82×70 φ74×70/82×70
Đường kính
bánh sau
B
(mm)
φ180×50/200×50 φ180×50/200×50 φ180×50/200×50 φ180×50/200×50
1.1.2. Xe nâng truyền động bằng động cơ diezel
Bánh xe
Càng nâng
Tay nâng
Hình 1.2. Xe nâng tự hành bằng tay cao
15
Đồ án tốt ngiệp
Xe nâng loại này phục vụ cho nâng - vận chuyển ở ngoài trời như cảng biển,
công trình xây dựng, sân bay…có khả năng nâng với tải trọng lớn. Kết cấu của xe
tương đối chắc chắn, có đầy đủ chức năng gần như của ô tô như động cơ truyền
động chính cho xe. Hệ thống khởi động xe bằng nguồn một chiều từ ắc quy-
Điamô, có vô lăng điều khiển, có hệ thống phanh hãm đảm bảo hãm dừng êm, có
các tín hiệu còi, đèn chiếu sáng, xe chạy bằng bánh lốp.
Tuy nhiên với loại xe nâng tự hành này nếu hoạt động ở những nơi như: Siêu
thị, khách sạn, phòng thí nghiệm, thư viện, kho lưu trữ sẽ rất không phù hợp bởi
gây tiếng ồn lớn, đặc biệt là làm ô nhiễm môi trường do khí đốt từ động cơ diezel

thải ra. Điều này làm hạn chế phạm vi hoạt động của xe.
Hình 1.3 Xe nâng tự hành được truyền động bằng động cơ Diezel
1.1.3. Xe nâng tự hành bằng điện
Càng nâng
Vô lăng điều khiển
Đèn pha + Đèn tín hiệu
Bánh lốp
B¸nh lèp
Khung nâng
16
Đồ án tốt ngiệp
Xe nâng tự hành bằng điện được sử dụng khá phổ biến đặc biệt là ở những
nơi cần yên tĩnh trong lao động, đảm bảo môi trường không bị ô nhiễm. Ngoài ra
còn được sử dụng ở những nơi có nguồn điện dồi dào mà nguồn xăng dầu bị hạn
chế nhất là hiện nay xăng, dầu không ngừng tăng giá do biến động thị trường trên
thế giới và sự cạn kiệt của nguồn năng lượng tự nhiên. Việc chuyển từ sử dụng
nguồn năng lượng tự nhiên sang nguồn năng lượng nhân tạo là một xu thế cấp bách
hiện nay và đã được nhiều tổ chức, nhiều quốc gia trên thế giới đưa vào chương
trình chiến lược của thế kỷ mới.
Xe nâng tự hành điện được truyền động bằng động cơ một chiều kích từ nối
tiếp. Nguồn năng lượng chính cấp cho xe di chuyển và nâng hạ được lấy từ nguồn
điện một chiều nạp sẵn trong ắc quy. Loại xe này có thể thực hiện nâng tải trọng từ
2 – 5 tấn. Thường sử dụng nguồn ắc quy có điện áp từ 24V đến 110V. Xe nâng
bằng điện có loại bán tự động tức là chỉ thực hiện truyền động nâng hoặc chỉ thực
hiện truyền động cho xe chạy nhằm hạn chế tổn hao năng lượng.
Ưu điểm của loại động cơ này là có thể giải quyết được những hạn chế của
xe truyền động bằng động cơ diezel đó là ít gây tiếng ồn, ít gây ô nhiễm môi
trường, rất phù hợp với môi trường làm việc trong nhà. Một vấn đề rất quan trọng
nữa là nó sử dụng nguồn năng lượng nhân tạo rất có triển vọng, trong tương lai
nguồn năng lượng này sẽ dồi dào hơn.

Một số xe nâng chuyển tự hành bằng điện sử dụng động cơ điện truyền
động:
Xe nâng điện bán tự động:
Nguồn điện một chiều từ ắc quy được cấp cho động cơ, động cơ được dùng
để nâng, không có động cơ dùng để di chuyển xe. Tải trọng nâng từ 100 Kg đến vài
tấn, tải trọng xe từ 396 Kg đến 475 Kg.
Xe nâng tự hành điện tự động:
- Xe nâng điện tự động Đài Loan:
Model FB20 – 3s/4,5M; Tải trọng nâng 2 tấn;
Chiều cao nâng cao nhất 4,5m;
Sử dụng ắc quy tiêu chuẩn 48V- 550A;
17
Đồ án tốt ngiệp
Công suất động cơ nâng 7,5 Kw;
Kiểu lốp hơi; Có hệ thống thủy lực.
Hình 1.5. Xe nâng điện tự động Đài Loan
- Xe nâng điện tự động hiệu FEELER Đài Loan
Hình 1.4. Xe nâng điện bán tự động
Càng nâng
Ắc quy
24v ÷ 72v
Xích kéo
18
Đồ án tốt ngiệp
Bảng 1.2. Một số thông số kỹ thuật của xe nâng
chuyển bằng điện hiệu FEELER - Đài Loan
Model FEELER FEELER FEELER
Tải trọng nâng Kg 2950 3850 4010
Chiều cao nâng thấp nhất H1(mm) 3000-6000
(option)

3000-6000
(option)
3000-6000
(option)
Chiều cao cabin xe H3(mm) 2130 2180 2180
Chiều dài xe L2(mm) 1150/1220 1150/1220 1150/1220
Tốc độ xe nâng Km/h 13/15 13/15 13/15
Động cơ chạy xe KW 5 6.3 6.3
Động cơ nâng Kw 8.2 8.6 11
Điện áp nguồn ắc quy V 48 48 48
Hộp đựng
ắc quy
Càng nâng
Trụ nâng
V«l¨ng
®iÒu
khiÓn
Hép ®ùng
¨cquy
Cµng
B¸nh h¬i
H×nh 1.6.
Xe n©ng
tù hµnh ®-
îc truyÒn
®éng b»ng
®éng c¬
mét chiÒu
KTNT
Bánh hơi

Vô lăng điều khiển
Hình 1.6. Xe nâng tự hành được truyền động bằng động cơ một chiều KTNT
19
Đồ án tốt ngiệp
Hình 1.7. Kích thước và đồ thị xe nâng tự hành được
truyền động bằng động cơ một chiều KTNT
Xích kéo
Động cơ di
chuyển xe
Ắc quy
Động cơ chạy
xe nâng
Động cơ nâng
Hình 1.8. Các thiết bị cơ bản của xe nâng - chuyển
được truyền động bằng động cơ một chiều KTNT
20
Đồ án tốt ngiệp
1.2. Cấu tạo chung – đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc và yêu cầu cơ
bản của xe nâng tự hành.
Xe nâng tự hành thường được hoạt động, trang bị trong các nhà xưởng, nhà
máy hoặc để ở ngoài trời. Môi trường làm việc của xe rất nặng nề, đặc biệt là ngoài
hải cảng, các nhà máy hóa chất, các xí nghiệp luyện kim. Các khí cụ, các thiết bị
trong hệ thống truyền động và trang bị điện cho các xe nâng tự hành phải tin cậy
trong mọi điều kiện khắc nghiệt của môi trường, nhằm nâng cao năng suất, an toàn
vận hành và nâng chuyển.
Điều kiện làm việc của xe nâng tự hành tương tự như các máy nâng vận
chuyển thông thường. Tải trọng của xe nâng tự hành dùng trong công nghiệp và
trong các công trình xây dựng có thể nâng tải trọng từ 3 - 15 tấn, hiện nay có loại
có thể nâng tới 40 tấn. Chiều cao nâng từ 3 - 7,5 m có khi đến 15 - 20 m. Tốc độ
nâng từ 0,12 - 0,16m/s.

1.2.1. Cấu tạo chung
Xe nâng tự hành có 2 bộ phận chính : Bộ phận chuyển động và bộ phận nâng
hàng. Bộ phận chuyển động tùy vào từng kết cấu của xe như xe truyền động bằng
tay, xe truyền động bằng động cơ diezel, xe truyền động bằng động cơ kích từ nối
tiếp. Xe bán tự động hoặc xe tự động không có cầu khác với xe có cầu, tuy nhiên
bộ phận chuyển động có các bộ phận chính sau: Động cơ, ắc quy, hộp số, cầu sau,
các bánh xe trước, bánh xe sau, hệ thống điều khiển, hệ thống đèn và tín hiệu báo.
Động cơ, ắc quy của xe nâng tự hành có trọng lượng lớn nên thường được bố trí
phía sau xe, còn càng nâng và trụ nâng nằm phía trước nhằm cân bằng cho xe khi
xe nâng tải.
Bộ phận nâng hàng gồm: khung chính và khung phụ, bàn trượt được trượt
trên khung phụ. Khung chính đứng yên, khung phụ được trượt trong khung chính.
Trên bàn trượt được gắn 2 càng nâng hình chữ L dùng để nâng và chuyển hàng.
Ngoài ra còn có khung xe để gắn liền hai bộ phận chuyển động và bộ phận nâng
hàng. Để giảm bớt chiều dài của càng nâng người ta làm cho khung chính nghiêng
về sau khoảng 10°. Để hạ thấp càng nâng xuống đất khi cần lấy hàng, người ta làm
cho khung chính có thể nghiêng ra phía trước khoảng 3°. Ở bộ phận nâng hạ có một
21
Đồ án tốt ngiệp
xi lanh thủy lực được đặt ở giữa thanh ngang của khung chính. Một đầu cố định
còn đầu kia (cần pittông) được nối với thanh ngang trên khung phụ. Ngoài ra có đĩa
xích được treo vào đầu trên của khung phụ nên truyền động từ động cơ qua hệ
thống thủy lực đến xích và đĩa xích làm cho càng nâng nâng, hạ lên xuống. Hiện
nay xe nâng tự hành có cấu tạo hình dáng khá đa dạng phụ thuộc vào từng hãng,
từng nước sản xuất.
1.2.2. Đặc diểm đặc trưng cho chế độ làm việc của xe nâng tự hành
Một số đặc điểm đặc trưng cho chế độ làm việc của xe:
Tải trọng không cố định, động cơ truyền động cho xe có mômen thay đổi
theo tải trọng rất rõ rệt.
Trong hệ truyền động, các cơ cấu của xe nâng yêu cầu quá trình tăng tốc và

giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với các loại xe dùng để vận chuyển hàng
hóa trong các phòng thí nghiệm, siêu thị…Bởi vậy mô men động trong quá trình
quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn.
Năng suất của xe nâng quyết định bởi 2 yếu tố: Tải trọng của thiết bị và số
chu kỳ nâng trong một giờ. Số lượng hàng hóa để nâng trong một chu kỳ không
như nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức cho nên phụ tải đối với động cơ nâng cũng
như động cơ di chuyển xe chỉ đạt từ 60 – 70% công suất định mức của động cơ.
Điều kiện làm việc của xe thường là ở trong chế độ quá tải nên xe được chế
tạo với độ bền cơ khí cao, các thiết bị điện làm việc có khả năng quá tải lớn.
Xe nâng hoạt động không cố định, không theo một quy luật nào mà phụ
thuộc vào người vận hành. Yêu cầu có độ linh hoạt cao trong di chuyển. Vì thế việc
trang bị điện cho hệ truyền động xe nâng phải được độc lập với các hệ truyền động
xung quanh. Thường truyền động cho xe là động cơ xăng, động cơ diezel, động cơ
điện một chiều. Đối với xe truyền động bằng động cơ đốt trong chỉ dùng hoạt động
ở điều kiện ngoài trời vì nó gây tiếng ồn, tổn hao nhiều nhiên liệu xăng dầu, đặc
biệt là nó thải khí gây ô nhiễm môi trường. Điều này không thích hợp cho xe nâng
hoạt động ở các siêu thị, thư viện, phòng thí nghiệm, khách sạn… Chính vì thế
người ta thay thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện để truyền động cho xe nâng,
cải thiện nhược điểm của động cơ đốt trong. Tuy nhiên nguồn năng lượng để cấp
22
Đồ án tốt ngiệp
cho động cơ phải là nguồn năng lượng độc lập – từ nguồn điện ắc quy. Nguồn điện
này cần có thiết bị lưu trữ độc lập, có công suất không lớn nên phải nạp điện
thường xuyên trong một thời gian nhất định. Một vấn đề đặt ra hiện nay đối với hệ
thống truyền động điện cho xe nâng là làm thế nào để một lượng công suất điện
nhất định có thể chạy xe nâng với quảng đường dài nhất và có thể nâng được nhiều
hàng nhất.
Truyền động điện cho xe nâng hiện nay sử dụng phổ biến là hệ truyền động
động cơ đốt trong và hệ truyền động động cơ một chiều, đặc biệt là động cơ một
chiều kích từ nối tiếp vì có tính kinh tế cao, ít ô nhiễm, phù hợp đặc tính khởi động

và đặc tính điều chỉnh.
Để đáp ứng yêu cầu an toàn, độ tin cậy khi làm việc dài hạn của hệ truyền
động điện xe nâng, nâng cao tuổi thọ của các khí cụ điều khiển nên dùng các khí cụ
phi tiếp điểm thay cho các khí cụ tiếp điểm (rơ le, công tắc tơ). Các khí cụ phi tiếp
điểm đó có thể là các phần tử điện từ, điện tử và bán dẫn.
Những năm gần đây do sự phát triển nhanh của kỹ thuật bán dẫn, kỹ thuật
biến đổi điện năng công suất lớn, các hệ truyền động cho máy vận chuyển nói
chung và cho xe tự hành nói riêng đã có ứng dụng với các bộ biến đổi khác nhau
thay thế cho các hệ cổ điển như điều chỉnh bằng điện trở, máy khuếch đại, máy
khuếch đại từ…Vì có những ưu điểm vượt trội: Quán tính nhỏ, độ nhạy cao, kích
thước và trọng lượng bé hơn và đặc biệt đối với xe nâng có thể giảm 35% điện
năng tiêu thụ so với hệ truyền động bằng điện trở cổ điển, cho phép chế tạo những
hệ truyền động có các chỉ tiêu kinh tế cao.
1.2.3. Những yêu cầu cơ bản của hệ truyền động cho xe nâng
- Cấu tạo của hệ điều khiển đơn giản, tổn hao năng lượng ít.
- Các phần tử có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng.
- Truyền động nâng hạ bằng động cơ một chiều thông qua hệ thống thủy lực.
- Truyền động di chuyển bằng động cơ một chiều KTNT thông qua hộp giảm tốc.
- Xe có khả năng ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ vô cấp.
- Mạch điều khiển phải có các hình thức bảo vệ quá tải, ngắn mạch.
- Quá trình mở máy, hãm dừng và đảo chiều xe êm.
23
Đồ án tốt ngiệp
- Điều khiển từng động cơ riêng biệt (một động cơ chạy xe nâng, một động cơ
nâng), xe có thể vừa di chuyển vừa nâng hàng.
Qua phân tích có thể thấy xe nâng điện tự hành sẽ được lựa chọn vì nó giải
quyết được các vấn đề về môi trường. Tuy nhiên với loại xe nâng này lại gặp phải
những vấn đề đó là nguồn năng lượng ắc quy có hạn.
Xe nâng điện tự hành sử dụng động cơ điện một chiều cho truyền động, vì
vậy trước hết ta khảo sát động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Hình 1.9. Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều KTNT
Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với
cuộn dây phần ứng (h1.9), nên cuộn dây kích từ có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, số
vòng dây ít, chế tạo dễ dàng.
Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng (tức là phụ thuộc vào
tải):
'k
=
φ
I
ư
(1.1)
Trong đó : k’ – hệ số phụ thuộc vào cuộn dây kích từ của từng loại động cơ, phụ
thuộc vào dòng điện tải. Khi mạch từ không bão hòa I
ư
< ( 0,8-0,9) I
đm
, k’ coi như là
hằng số.
Hình 1.10. Sự phụ thuộc giữa từ thông và dòng phần ứng (cũng là
dòng kích từ) động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
1.3.1. Phương trình đặc tính cơ
Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều:
24
Đồ án tốt ngiệp
U = E + I
ư
R
ư

Σ

( 1.2)
E = k.φ.ω ( 1.3)
M = kφI
ư
( 1.4)
Ta rút ra phương trình đặc tính cơ điện:
φφ
ω
k
RI
k
U
uu
∑
−=
(1.5)
Trong công thức từ thông phụ thuộc vào dòng điện kích từ chính là dòng
điện phần ứng ( I
kt
= I
ư
) quan hệ giữa từ thông và dòng điện là quan hệ phi tuyến
theo đường cong từ hóa do đó để đơn giản cho việc tính toán ta tuyến tính hóa đoạn
đường cong để Φ =f(I
kt
) là quan hệ tuyến tính, khi đó Φ = k’I, thay vào (1.4) ta có:
M = k.Φ.I
ư

= k.k’.
2
u
I
, thay vào (1.5) ta có thể tìm được phương trình đặc tính cơ
của động cơ một chiều kích từ nối tiếp:
'.
'.
kk
R
Mkk
U
u
∑
−=
ω
(1.6)
1.3.2. Đường đặc tính cơ
Thực tế, động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bảo hòa ở
vùng tải định mức. Do vậy, khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hypebol bậc 2
và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì
mạch từ đã bão hoà (φ = const).
Hình 1.11 - Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
25
Đồ án tốt ngiệp
Khi M
c
= 0 (I
ư
= 0), theo phương trình đặc tính cơ (1.6) thì trị số ω sẽ vô

cùng lớn. Thực tế do có lực ma sát ở cổ trục động cơ và mạch từ khi I
kt
= 0 vẫn còn
có từ dư (φ
dư
# 0) nên khi không tải M
c
≈ 0, tốc độ động cơ lúc đó sẽ là:
du
k
U
Φ
=
0
ω
(1.7)
Tốc độ này không phải lớn vô cùng nhưng do từ dư φ
dư
nhỏ nên
0
ω
cũng lớn
hơn nhiều so với trị số định mức (5- 6)ω
đm
và có thể gây hại và nguy hiểm cho hệ
truyền động điện. Vì vậy không được để động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm
việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Không dùng động cơ một
chiều kích từ nối tiếp với các bộ truyền đai hoặc ly hợp ma sát... Thông thường, tải
tối thiểu của động cơ là khoảng (10 - 20)% định mức. Chỉ những động cơ công suất
rất nhỏ (vài chục Watt) mới có thể cho phép chạy không tải.

1.3.3. Ảnh hưởng của các thông số điện đối với đặc tính cơ
Ở động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng cũng là dòng
điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu như không bị ảnh hưởng bởi điện áp.
Phương trình đặc tính cơ ω = f(M) (1.6) của động cơ điện một chiều kích từ nối
tiếp cho thấy đặc tích cơ bị ảnh hưởng bởi điện trở mạch động cơ (mạch phần ứng
và cũng là mạch kích từ).
Đặc tính cơ tự nhiên cao nhất ứng với điện trở phụ R
p
= 0. Các đặc tính cơ
nhân tạo ứng với R
p
≠ 0. Đặc tính càng thấp khi R
p
càng lớn.
Hình 1.12. Ảnh hưởng của mạch phần ứng tới đặc tính cơ
của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
Trị số M
mm
suy ra từ phương trình (1.6) khi cho ω = 0
26
Đồ án tốt ngiệp
M
mm
= k.k’
2







u
R
U
= k.k’
2
mm
I
(1.8), với
u
mm
R
U
I
=
Qua phân tích ta thấy động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có nhiều đặc
điểm phù hợp với đặc tính cơ của loại máy nâng vận chuyển. Vì vậy trong đề tài
này ta chọn loại động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp làm động cơ truyền động
di chuyển xe nâng tự hành.
1.4. Tính chọn công suất động cơ truyền động cho xe nâng tự hành
Chuyển động của xe nâng tự hành là trên mặt phẳng nằm ngang nên phụ tải
tĩnh đặt vào động cơ là do lực cản chuyển động gây ra, bao gồm 2 thành phần
chính: lực ma sát lăn trên đường đi (F
ms
) và lực ma sát trong cổ trục bánh xe (F
ct
).
Lực ma sát tính theo biểu thức:
( )
b

ms
R
fGG
F
0
+
=
(1.9)
Trong đó: G – trọng lượng tải trọng, [N]
G
0
– trọng lượng bản thân cơ cấu, [N]
R
b
– bán kính bánh xe, [cm]
f – hệ số ma sát lăn, [cm]
Thành phần lực F
ct
được xác định theo biểu thức:
µ
)(
0
GGF
ct
+=
[N] (1.10)
Nếu dời điểm đặt của lực này về vành bánh xe thì tính theo biểu thức:
b
ct
ct

R
R
GGF
µ
)(
0
'
+=
[N] (1.11)
Trong đó: R
ct
– bán kính cổ trục, [cm]
µ - hệ số ma sát trượt,
Toàn bộ lực đặt lên trục bánh xe là:
).(
0
'
fR
R
GG
FFF
ct
b
ctmsc
+
+
=+=
µ
[N] (1.12)
Nếu xe di chuyển trên đường dốc có góc nghiêng α, toàn bộ lực cản được

tính theo biểu thức:
27
Đồ án tốt ngiệp
ααµ
sin).(cos)..(
0
0
''
GGfR
R
GG
F
ct
b
c
+±+
+
=
(1.13)
Đối với xe làm việc ngoài trời, cần phải tính thêm lực cản của gió:
F
gió
= C.
g
γ
.q.
2
∑
v
+ 0,1q.

2
∑
v
[N]
(1.14)
Trong đó:
C – hệ số kinh nghiệm (0,8- 0,9)
γ - trọng lượng riêng của không khí, (12 N/
2
m
)
q - diện tích cản gió, (
2
m
)
g - gia tốc trọng trường, (9,8 m/
2
s
)
∑
v
- tốc độ tổng của xe và gió, (m/s)
Công suất cản và mô men cản trên trục động cơ:
[ ]
KW
vF
P
c
c
η

1000.600
.
=
(1.15)
[ ]
mN
i
RF
M
bc
c
.
.
.
η
=
(1.16)
Trong đó: i – tỷ số truyền
η - hiệu suất của hệ truyền động;
v - tốc độ di chuyển theo phương ngang của xe.
Chương II. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG VÀ BỘ BIẾN
ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT CHO XE NÂNG CHUYỂN TỰ HÀNH

Xe nâng chuyển tự hành có hai dạng truyền động chính: Truyền động chạy
xe và truyền động nâng hạ.
Những yêu cầu cơ bản của hệ truyền động cho xe nâng là:
- Cấu tạo của hệ điều khiển đơn giản, tổn hao năng lượng ít.
- Các phần tử có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng.
28
Đồ án tốt ngiệp

- Truyền động nâng hạ bằng động cơ một chiều thông qua hệ thống thủy lực.
- Truyền động di chuyển bằng động cơ một chiều kích từ nối tiếp thông qua hộp
giảm tốc.
- Xe có khả năng ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ vô cấp.
- Mạch điều khiển phải có các hình thức bảo vệ quá tải, ngắn mạch.
- Quá trình mở máy, hãm dừng và đảo chiều xe êm.
- Điều khiển từng động cơ riêng biệt (một động cơ chạy xe nâng, một động cơ
nâng), xe có thể vừa di chuyển vừa nâng hàng.
Từ những yêu cầu cơ bản đó ta phải lựa chọn phương án truyền động phù
hợp với yêu cầu công nghệ của loại xe này.
Sau đây giới thiệu một số bộ biến đổi ứng dụng cho truyền động di chuyển
của xe nâng tự hành.
2.1. Hệ truyền động di chuyển xe nâng điều khiển bằng điện trở
2.1.1. Sơ đồ nguyên lý
Chú thích:
M1 – Động cơ truyền động nâng tải (thông qua hệ thống thuỷ lực).
M2 – Động cơ truyền động chạy xe nâng được điều chỉnh tốc độ bằng điện
trở nối tiếp với phần ứng động cơ và được hãm bằng phanh hãm điện từ (FĐT).
U
N
- Nguồn một chiều cấp cho hệ thống bằng nguồn điện ắc quy có điện áp
từ 24 ÷ 72V.
R
f1
, R
f2
- Các cấp điện trở khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ xe.
FĐT – Phanh hãm điện từ.
K, K1, K2, K3, K4, - Các công tăc tơ khống chế động cơ.
U

N
= 72v
K
K
1
K
1
K
2
K
2
FĐT
K
4
K
3
CK§1
CK§2
Động cơ
nâng
Đc xe
M1
M2
29