THIẾT kế hệ TRUYỀN ĐỘNG CHO XE cầu của cầu TRỤC

Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

Trờng đại học bách khoa
Khoa điện
Bộ môn tự động hoá xncn

Đại học

Bách khoa

đồ án môn học
tổng hợp hệ điện cơ
đề Tài: thiết kế hệ truyền động cho xe cầu của cầu trục

Giáo viên hớng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Mã hiệu:
Lớp:

nguyễn mạnh tiến

Hà Nội 10/2003
Mục lục.

Page 1 of 38

Trang


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Chơng I:

Tổng quan về công nghệ và các yêu cầu công nghệ

1. Cấu tạo.

4
4

2. Đặc điểm công nghệ
Chơng II : Phân tích lựa chọn phơng án
1. Các phơng án.

5
8
8

2. Kết luận chọn phơng án đảm bảo tính kỹ thuật và tính khả thi
Chơng III: Thiết kế mạch lực
1. Chọn công suất động cơ

13
14
14

2. Chọn thiết bị mạch lực
Chơng IV: Thiết kế mạch điều khiển

14
22

1. Tổng hợp các bộ điều chỉnh

22

2. Sơ đồ mạch điều khiển

28

3. Sơ đồ mô phỏng

38

4. Kết quả mô phỏng

39

Chơng I: Tổng quan về công nghệ và các yêu cầu về công
nghệ

I.Cấu tạo cầu trục

Page 2 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Sự phát triển của mmõi nớc phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự
động hoá các quá trình sản xuất. Trong quá trình sản xuất, máy nâng vận chuyển
đóng vai trò khá quan trọng. Máy nâng vận chuyển là cầu nối giữa các phân xởng
trong 1 nhà máy, giữa các máy công tác trong 1 dây chuyền sản xuất.
Việc sử dụng các máy nâng vận chuyển trong các hạng mục công trình lớn sẽ

làm giảm đáng kể thời gian xây dựng, giảm bớt số lợng công nhân.
Hiện nay hệ truyền động sử dụng máy nâng vận chuyển sử dụng phổ biến là hệ
truyền động với động cơ xoay chiều và 1 chiều. Cầu trục là 1 loại máy nâng vận
chuyển đợc sử dụng rộng rãi trong các phân xởng luyện kim. cầu tàu, hải cảng.
2

1
3

Cấu tạo của cầu trục gồm 3 bộ phận chính.
1. Xe cầu: Gồm hai dầm chính hoặc khung dàn chính đợc chế tạo bằng thép
có độ cứng không gian đặt cách nhau một khoảng tơng ứng với khoảng cách bánh
xe của xe con. Hai đầu cầu đợc liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành khung
hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang.
Các bánh xe của cầu trục đợc thiết kế trên các dầm ngang của khung hình chữ nhật
tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suốt nhà xởng.
2. Xe con: Trên xe con đặt cơ cầu nâng và cơ cấu di chuyển xe con. Tuỳ theo
công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai cơ cấu nâng. Xe con có thể
di chuyển dọc trên xe cầu tạo điều kiện cho cầu trục có thể di chuyển đợc trong suốt
chiều ngang phân xởng.
3. Cơ cấu nâng hạ: Thờng có tang cắt thành rãnh xoắn hai chiều để cuộn cáp
nâng và hạ. Cuối hai đầu dây cáp mắc palăng kép để đảm bảo nâng hạ tải trọng theo
phơng thẳng đứng. Toàn bộ cơ cầu tang, hộp biến tốc, động cơ đợc đặt trên xe con.
+ Cơ cấu phanh hãm
1

2
Nc
3

Page 3 of 38
Gph


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu trục. Phanh
dùng trong cầu trục thờng có 3 loại: Phanh guốc, phanh dĩa và phanh đai. Nguyên lý
hoạt động cơ bản giống nhau mô tả cơ cấu phanh đai gồm
1.Má phanh,
2.Cuộn dây nam châm phanh ( hoặc dùng động cơ bơm thuỷ lực tạo lực đóng
mở);
3.Đối trọng phanh. Khi động cơ của cơ cấu đóng vào lới điện thì đồng thời
động cơ phanh cũng có điện bơm thuỷ lực mở má phanh giải phóng trục động cơ để
động cơ làm việc. Khi động cơ ngừng làm việc thì động cơ phanh mất điện ép chặt
má phanh vào trục động cơ để hãm. Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục loại nặng thờng
ngời ta dùng 2 phanh để đảm bảo an toàn.
*Nhờ đặc điểm cấu tạo nh trên cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3 phơng
phủ kín mặt bằng nhà xởng.
- Chuyển động theo phơng thẳng đứng là chuyển động chính nhờ có cơ cấu
nâng hạ đặt trên xe con.
- Chuyển động dọc theo phân xởng là nhờ hệ thống chuyển động đặt trên xe
cầu.
- Chuyển động ngang theo phân xởng nhờ hệ thống truyền động trên xe con
(xe trục).

II. Đặc điểm công nghệ.
- Cầu trục làm việc trong môi trờng rất nặng nề nh ngoài hải cảng, các nhà
máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim v.v...
- Làm việc ở chế độ đóng, cắt cao.

- Ngoài ra tuỳ vào quá trình công nghệ mà cầu trục phục vụ ta có thêm một số
yêu cầu công nghệ khác nh:
- Cầu trục vận chuyển đợc dùng rộng rãi yêu cầu về độ chính xác không cao
- Cầu trục lắp ráp phần lớn đợc dùng trong các nhà máy xí nghiệp nhất là
trong các nhà máy cơ khí. Nó dùng để lắp ghép các chi tiết máy móc yêu cầu
làm việc của nó yêu cầu độ chính xác cao, cụ thể là quá trình mở máy phải êm, dải
điều chỉnh tốc độ rộng, dừng chính xác nơi lấy trả hàng.
- Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và trang bị điện
của cầu trục phải làm việc tin cậy trong điều kiện làm việc để nâng cao năng suất,
an toàn trong vận hành và khai thác.
Có thể phân loại cầu trục theo nhiều cách:
1) Theo đặc điểm cấu tạo, cầu trục đợc chia thành:
+ Cầu trục kiểu cầu- cần trục.
Page 4 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
+ Cầu trục hình cổng
+ Cầu trục hình tháp
+ Cầu trục hình cáp
+ Cầu trục ôtô
2) Theo trọng tải:
+ Loại nhỏ 5ữ10T
+ Trung bình: 10ữ15 T
+ Nặng >15T
3) Theo chế độ làm việc:
+ Loại nhẹ: Tần số đóng điện tơng đối %=15ữ25% số lần đóng điện
trong 1 giờ h <69.
+ Loại trung bình: %=15ữ25%; số lần đóng điện trong 1 giờ h <120
+ Loại nặng:%=25ữ40%; h<240

+ Loại rất nặng:%=40ữ60%;h<300ữ600;
Quá trình chuyển động của cầu trục gồm có 3 chuyển động:
- Chuyển động nâng hạ: Là chuyển đọng của bộ phận nâng hạ tải trọng
- Chuyển động ngang của xe trục
- Chuyển động dọc của xe cầu.
Trong đó chuyển động dọc của xe cầu gồm 2 bớc: Chuyển động khi có phụ tải
và không có phụ tải. Mỗi loại chuyển động đợc thực hiện bởi 1 động cơ riêng, các
cơ cấu đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Các cơ cấu của cầu trục làm việc
trong chế độ cực kỳ nặng nề. Tần số đóng điện lớn, chế độ xẩy ra nhanh, khi mở
máy, hảm, đảo chiều. Sự thay đổi tốc độ trơnn, êm, gia tốc không quá lớn.
Từ những đặc điểm trên ta có những yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động và
trang bị điện cho các cơ cấu của cần trục:
a. Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản, các phần tử cấu thành cso
độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dành.
b. Chiều quay: Các động cơ truyền động phải có khả năng đảo chiều quay
trong 2 chu trình chuyển động thuận ngợc, phạm vi điều chỉnh tốc độ dủ rộng và có
đặc tính cơ thoã mãn điều kiện công nghệ, các thết bị điên cầu trục phải đảm bảo
các yêu cầu về năng suất đơn giản trong thao tác, phải thoã mãn điều kiện dừng máy
chính xác, hãm êm, việc điều chỉnh tốc độ quay đợc thực hiện bằng phơng pháp
điện, trong phạm vi rộng:
D 3:1 đối với cầu trục thông thờng
D 10:1 Đối với cầu trục lớn
c. Khởi động , hãm: Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ đối
với loại cầu trục di chuyển loại nặng, để an toàn, ngời ta dùgn 2 phanh hãm trên 1
trục động cơ. Quá trình mở máy và điều chỉnh tốc độ nhờ điện trở phụ, quá trình mở
máy và hãm phải xảy ra chính xác, thời gian quá độ ngắn, gia tốc không lớn qúa
d. Yêu cầu về hệ truyền động:
Để truyền động cho các cơ cấu cầu trục, ngời ta thờng dùng đông cơ không
đồng bộ rô to dây quấn hoặc động cơ một chiều. Đối với động cơ không đồng bộ
mở máy và điều chỉnh tốc độ nhờ điện trở phụ trong mạch rôto, tuy nhiên dạng

Page 5 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
truyền động này có nhợc điểm lớn về chỉ tiêu năng lợng ( tổn hao lớn khi mở máy,
hãm máy và điều chỉnh tốc độ) nhng nó có u điểm là sử dụng nguồn điện thông
dụng, hệ điều chỉnh đơn giản. Đối với hệ một chiều: Có u điểm là điều chỉnh tốc độ
trơn, dễ dàng tuy nhiên bộ điều chỉnh cồng kềnh, sử dụng nguồn điện không thông
dụng.
Dùng phanh hảm để giữ các bộ phận di chuyển ở vị trí nhất định, hãm các cơ
cấu khi có sự cố mất điện góp phần làm giảm thời gian hãm máy.
e. Yêu cầu về độ chính xác :
- Độ chính xác không cao <5%
Sai lệch tĩnh %=/đm*100 < 5%
- Vùng điều chỉnh không lớn 10:1
f. Giản đồ phụ tải:
Cần trục làm việc với chế độ ngắn hạn lặp lại, yêu cầu phải đảo chiều, điều
chỉnh tốc độ êm nên yêu cầu đặc tính cơ cứng.
Để máy có đợc năng suất tối đa và chất lợng sản xuất tối u thì ứng với mỗi chế
độ làm việc phaỉ có 1 tốc độ nhất định.
Đặc tính phủ tải của động cơ có dạng nh sau:
Mc

t



t
g. Cấp điện và mạch bảo vệ:
Đối với động cơ xoay chiều dùng mạng 220V, 380V,

Động cơ một chiều dùng mạng : 220V, 440V;
Các động cơ và mạch điện phải đợc bảo vệ ngắn mạch và quá tải trên 200% bằng
các rơle dòng cực đại, không dùng bảo vệ nhiệt vì động cơ làm việc ở chế độ ngắn
hạn lặp lại. Trong mạch khống chế phải bố trí khâu bảo vệ không để loại trừ hiện
tợng động cơ khởi động khi điện áp lới phục hồi.

Page 6 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

chơng II: Phân tích - lựa chọn phơng án
Nh trên đã phân tích , động cơ dùng để kéo xe lớn trong cầu trục là loại động cơ
có điều chỉnh tốc độ và có đảo chiều quay (Quá trình chạy cò tải và quá trình chạy
không tải) . Nh vậy, để thực hiện đợc truyền động trong cầu trục chúng ta có thể có
2 phơng án chính sau :
+ Dùng hệ truyền động chỉnh lu - triristo, động cơ 1 chiều có đảo chiều quay.
Page 7 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
+ Dùng hệ truyền động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ
Sau đây chúng ta sẽ đi vào phân tích u nhợc điểm hai loại hệ truyền động này để từ
đó chọn ra 1 phơng án truyền động phù hợp nhất dùng trong đồ án.
I / 1. Hệ Truyền Động Chỉnh Lu - Triristo có đảo chiều quay.
Hệ Truyền Động T-Đ có đảo chiều quay đợc xây dựng trên hai nguyên tắc cơ
bản :
- Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ của động cơ .
- Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng
Từ hai nguyên tắc cơ bản này ta có năm loại sơ đồ chính :

Sơ đồ 1 : <Hình 3.1>Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo
chiều quay bằng đảo chiều dòng kích từ.
Loại sơ đồ này dùng cho công suất lớn và rất ít đảo chiều .

Hình 3.1

Sơ đồ 2 : <Hình 3.2> Truyền động dùng 1 bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo
chiều quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng ( từ thông giữ không đổi)
Loại này dùng cho công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp .

Sơ đồ 3 : <Hình 3.3> Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều
khiển riêng. Hệ này có u điểm là Hình
dùng 3.2
cho mọi dải công suất, có tần số đảo chiều
lớn

Hình 3.3

Page 8 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

Sơ đồ 4 : <Hình 3.4> Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối song song ngợc điều
khiển chung Loại này dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn, thực hiện đợc công
việc đảo chiều êm hơn.

Hinh 3.4

Sơ đồ 5 : <Hình 3.5>Truyền động dùng hai bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều

khiển chung. Sơ đồ dùng cho mọi dải công suất vừa và lớn thực hiện việc đảo chiều
êm .Tuy nhiên kích thớc cồng kềnh, vốn đầu t và tổn thất lớn.
Mạch điều khiển của 5 loại sơ đồ này có thể chia làm hai loại chính :

Hình 3.5

Điều khiển riêng :
Nguyên tắc : Khoá các bộ biến đổi mạch phần ứng để cắt dòng, sau đó tiến hành
chuyển mạch, nh vậy khi điều khiển sẽ tồn tại một thời gian gián đoạn, sơ đồ 1,2,3
đợc điều khiển theo nguyên tắc này .
Khi điều khiển riêng có hai bộ diều khiển làm việc riêng rẽ với nhau .
Tại một thời điểm thì chỉ có một bộ biến đổi có xung điều khiển còn bộ biến đổi
kia bị khoá do không có xung điều khiển. Trong một khoảng thời gian thì BĐ1 bị
khóa hoàn toàn và dòng phần ứng bị triệt tiêu, tuy nhiên suất điện động phần ứng E
Page 9 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
vẫn còn dơng. Sau khoảng thời gian này thì phát xung 2 mở bộ biến đổi 2 đổi chiều
dòng phần ứng động cơ đợc hãm tái sinh.
Hệ truyền động có van đảo chiều điều khiển riêng có u điểm là làm việc an toàn
không có dòng cân bằng chảy giữa các bộ biến đổi song cần có 1 khoảng thời gian
trễ trong đó dòng điện động cơ bằng không .
Điều khiển chung :
Nguyên tắc : Tại một thời điểm thì cả hai bộ biến đổi BĐ1 và BĐ2 đều nhận đợc
xung mở nhng chỉ có một bộ biến đổi cấp dòng cho nghịch lu còn bộ biến đổi kia
làm việc ở chế độ đợi. Sơ đồ 4, 5 thực hiện theo nguyên tắc này.Trong phơng pháp
điều khiển chung mặc dù đảm bảo Ed2 =Ed1 tức là không xuất hiện giá trị dòng
cân bằng song giá trị tức thời của suất điện động của các bộ chỉnh lu là ed1(t) và
ed2(t) luôn khác nhau do đó vẫn xuất hiện thành phần xoay chiều của dòng điện cân

bằng và để hạn chế dòng điện cân bằng này thờng dùng các cuộn kháng cân bằng
Lcb
II / 2. Hệ Truyền Động xoay chiều có điều chỉnh tốc độ.
Hệ truyền động này dùng động cơ không đồng bộ 3 pha. Loại động cơ này đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác. Ngày
nay do sự phát triển công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin
học động cơ không đồng bộ mới khai thác đợc hết các u điểm của mình. Nó trở
thành hệ truyền động cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động chỉnh lu - triristo.
Không giống nh động cơ một chiều, động cơ KĐB có cấu tạo phần cảm và phần
ứng không tách biệt. Từ thông động cơ cũng nh mô men động cơ sinh ra phụ thuộc
nhiều vào tham số.
Do vậy hệ điều chỉnh tự động truyền động diện động cơ không đồng bộ là hệ điều
chỉnh nhiều tham số có tính phi tuyến mạnh .
Trong công nghiệp thờng sử dụng bốn hệ điều chỉnh tốc độ :
a. Điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ dùng bộ biến đổi Tiristo.
Nguyên tắc của phơng pháp này là mô men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình phơng điện áp stato.
Do đó có thể điều chỉnh đợc mô men và tốc độ của động cơ bằng cách điều chỉnh
giá trị điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số
b. Điều chỉnh điện trở mạch rô to .
Phơng pháp này đợc thực hiện theo nguyên tắc điều chỉnh trơn điện trở rô to bằng
các van bán dẫn.
Ưu điểm của phơng pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh.
Điện trở trong mạch rô to của động cơ KĐB :
Rr = Rrd + Rf
Trong đó : Rrd : điện trở dây quấn rô to
Rf : điện trở ngoài mắc thêm vào mạch stato
Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rô to thì mô men tới hạn của động cơ không
thay đổi và độ trợt tới hạn tỉ lệ bậc nhất với điện trở :
Page 10 of 38

Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
3I 2r R rd
Mô men M =
S i
Si : Độ trợt khi điện trở mạch rô to là Rrd
Nếu giữ cho Ir = const thì M = const và không phụ thuộc tốc độ động cơ .
Vì thế mà có thể ứng dụng phơng pháp điều chỉnh điện trở mạch rô to cho truyền
động có mô men tải không đổi .
Phơng pháp điều chỉnh trơn điện trở mạch rô to bằng phơng pháp xung :
td
t
Re = R0
= R 0 d = R 0 .
td + tn
T
Re là điện trở tơng đơng trong mạch rô to đợc tính theo thời gian đóng td và thời
gian ngắt tn của một khoá bán dẫn cho phép một điện trở R0 vào mạch hay không .
c. Phơng pháp điều chỉnh công suất trợt
Đối với các hệ truyền động công suất lớn, tổn hao Ps là lớn. Vì vậy để diều
chỉnh đợc tốc độ vừa tận dụng đợc công suất trợt ngời ta dùng các sơ đồ điều chỉnh
công suất trợt.
Ps = M c .( 1 ) = M c 1s = Pdt s
Ps
Pdt
d. Phơng pháp biến đổi tần số
Phơng pháp này điều chỉnh tốc độ động cơ dựa trên nguyên tắc điều chỉnh tần số
f1 sang tần số f2 .
Khi điều chỉnh tần số động cơ KĐB thờng kéo theo cả việc điều chỉnh điện áp,
dòng điện hoặc cả từ thông mạch stato.Do vậy đây là một phơng pháp phức tạp phải
dùng nhiều thiết bị .

Có hai loại biến tần :
Biến tần trực tiếp : Loại này có sơ đồ cấu trúc rất đơn giản
s=

f1

f2
Mạch van

Hình 6
Điện áp vào xoay chiều U1 (tần số f1 ) qua một mạch van là ra ngay tải với tần số f 2.
Bộ biến tần này có hiệu suất biến đổi năng lợng cao tuy nhiên thực tế sơ đồ mạch
van khá phức tạp, có số lợng van lớn nhất với mạch 3 pha. Việc thay đổi tần số ra f 2
khó khăn và phụ thuộc nhiều vào tần số f1


Biến tần gián tiếp : Có cấu trúc nh sau :
U1;f1

Chỉnh
lưu

U

U

Nghịch lưu
Lọcc
độc lập
c

Page 11 of 38
Hình 7

U1;f1


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

Điện áp xoay chiều đợc biến thành một chiều nhờ bộ chỉnh lu, qua bộ lọc rồi đợc
biến đổi thành U2 với tần số f2 sau khi qua bộ nghịch lu độc lập.
Hiệu suất biến tần loại này thấp song cho phép thay đổi dễ dàng f 2 mà không phụ
thuộc f1 .

2.Kết Luận Chọn phơng án đảm bảo tính kỹ thuật và tính khả thi :

Qua phân tích hai loại hệ truyền động trên chọn phơng án dùng loại Hệ Truyền
Động Chỉnh Lu Tiristo - Động Cơ Có Đảo Chiều Quay vì:
+ Độ tác động của hệ này nhanh và cao, không gây ồn và dễ tự động hoá do các van
bán dẫn công suất có hệ số khuyếch đại công suất rất cao. Điều này thuận tiện cho
việc thiết lập hệ thống điều chỉnh tự động nhiều vòng để nâng cao chất lợng các đặc
tính tĩnh và đặc tính động của hệ thống.
+ Trong hệ truyền động một chiều này, ta sẽ sử dụng mạch lực là sơ đồ chỉnh lu TD có đảo chiều điều khiển riêng. bởi vì loại này có u điểm là dùng cho mọi dải
công suất, có tần số đảo chiều lớn. Đồng thời hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều
khiển riêng hoạt động đóng mở độc lập với nhau, làm việc an toàn và không có
dòng chảy giữa các bộ biến đổi.
+ Sử dụng hệ truyền động chỉnh lu Tiristo - Động cơ có đảo chiều quay sẽ đạt đợc
đồ thị tốc độ tối u (đối với loại truyền động xoay chiều thì chỉ đạt đợc dạng đồ thị
gần giống mà thôi ).
Nh vậy, loại động cơ sử dụng trong hệ truyền động là loại động cơ một chiều

Chơng III: Thiết kế mạch lực
I.Tính chọn công suất động cơ
Thông số ban đầu cho tính toán:
- Trọng lợng xe cầu :
- Trọng tải :
- Tốc độ dịch chuyển :
- Lực cản chuyển động khi tải định mức :
- Lực cản truyền động khi không tải :
- Hiệu suất cơ cấu :
- Tỉ số truyền :

Page 12 of 38

G0 = 1 (T)
Gđm= 100 (T)
v = 0.05ữ0.5 (m/s)
Fc = 6480 (N)
Fco= 3240 (N)
= 0.82
i=18


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
- Đờng kính bánh xe cầu :

Db=0,35 (m)

Công suất tính trên trục động cơ khi tải bằng định mức:

PC =

Fc ì v
6480 ì 0.5
=
= 4(kW )
1000 ì dm 1000 ì 0.82

Công suất cản tĩnh khi xe cầu chạy không tải, Ta có hiệu xuất = 0.78 khi tải bằng
1/2 (theo đồ thị 2-2 trang 10 tài liệu Trang bị điện-điện tử máy công nghiệp dùng
chung ) :

PCO =

Fco ì v
3240 ì 0.5
=
= 2,07(kW )
1000 ì dm 1000 ì 0.78

Chọn công suất động cơ theo công suất trung bình :

Pdm = k .

Pc .t + Pco .t
4+2
= 1,5.
= 4,5(kW )
2t
2

Tốc độ động cơ đợc tính từ tốc độ của bánh xe:

ndc =

v.i
0.5 ì 60 ì 18
=
= 491(v / p )
Db
3.14 ì 0.35

Theo đề bài ra với phụ tải 100 THệ số tiếp điện tơng đối trung bình khoảng
35%Công suất động cơ khi quy đổi ra hệ số tiếp điện chuẩn (%=25%)là:

P'dm = Pdm =

TDtd %
35
= 4,5.
= 5,32(kW )
TDtc %
25

Trọng tải Gđm=100T (cầu trục thuộc loại có trọng tải nặng ) động cơ làmviệc ở
chế độ ngắn hạn lặp lại .Do đó nên chọn động cơ một chiều vì động cơ này có khả
năng điều chỉnh trơn tốt ,êm (động cơ yêu cầu thờng xuyên mở máy và hãm máy )
Chọn động cơ một chiều
Điện áp định mức
Uđm= 220(V)
Công suất định mức

P = 6.5 (Kw).
Tốc độ định mức
nđm = 720 (v/p).
Dòng điện định mức
Iđm = 32 (A)
Điện trở mạch phần ứng R = 0,5 ()
I.

Sơ đồ mạch lực và nguyên lý hoạt động của hệ T_Đ đảo chiều:

Page 13 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
~3x380(V)

b1

FX1

BĐ2

I1L
U

SI1

LOG
SI2

I2L

FX2

BĐ2

b2

Đ
-

+

Mạch gồm hai bộ biến đổi riêng rẽ nhau BĐ1 và BĐ2
Hai bộ này làm việc riêng rẽ với nhau . Cùng với hai bộ biến đổi này có các mạch
phát xung điều khiển tơng ứng là FX1 và FX2 , trật tự hoạt động của các bộ phát
xung này đợc quy định bởi các tín hiệu lôgic b1 và b2.
Quá trình hãm và đảo chiều đợc mô tả bằng đồ thị thời gian .
Trong khoảng thời gian từ 0 ữ t1 , BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lu với góc

1

< /2 còn BĐ2 khoá . Tại t 1 phát lệnh đảo chiều bởi i Lđ góc điều khiển 1 tăng đột
biến đến > /2 dòng phần ứng giảm dần về không , lúc này cắt xung điều khiển để
khoá BĐ1 , thời điểm t 2 đợc xác định bởi cảm biến dòng điện không SI 1 . Trong
Page 14 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
khoảng thời gian trễ = t3 - t2 BĐ1 bị khoá hoàn toàn , dòng điện phần ứng bị triệt

tiêu , tại t3 sức điện động E vẫn còn dơng tín hiệu lôgic b2 kích cho FX2 mở bộ BĐ2
với 2 > /2 và sao cho dòng điện phần ứng vợt quá giá trị cho phép , động cơ đợc
hãm tái sinh , nếu nhịp điệu giảm 2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy
trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngợc không đổi , điều này đợc thực
hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống . Trên sơ đồ của
khối lôgic LOG iLđ , iL1 ,iL2 là các tín hiệu lôgic đầu vào còn b 1 và b2 là các tín
hiệu đầu ra để khoá bộ phát xung điều khiển.
ilđ = 1 phát xung đều khiển mở BĐ1 .
ilđ = 0 phát xung đều khiển mở BĐ2 .
i1L(i2L) = 1 có dòng điện chảy qua BĐ1 (BĐ2)
b1(b2) = 1 khoá bộ phát xung điều khiển FX1(FX2)

II.Tính chọn mạch biến đổi
Vì hệ truyền động xe lớn cầu trục là T-D đảo chiều, nên ta chọn mạch biến đổi
điện áp tới động cơ gồm 2 bộ chỉnh lu cầu 3 pha Thyristor điều khiển riêng. Còn
mạch kích từ động cơ cũng có một bộ chỉnh lu cầu 3 pha Điốt.
1.Mạch biến đổi nguồn cấp cho động cơ: Sơ đồ chỉnh lu điều khiển cầu 3 pha.

Trong đó:
BAN : Biến áp nguồn lấy điện từ lới cấp cho động cơ.
Uv0 : Điện áp dây hiệu dụng thứ cấp biến áp nguồn BAN.
T
: 6 Tiristor của mạch chỉnh lu cùng loại.
Lck
: Cuộn kháng san bằng.
L , R : cảm kháng, điện trở phần ứng động cơ. R = r + rcp = 0.5 ()

Page 15 of 38

Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Bộ biến đổi chỉnh lu Tiristor cần có giá trị điện áp không tải Ud0 phải đảm bảo cấp
cho phần ứng động cơ một chiều có các tham số : sức điện động định mức động cơ
Eđm , sụt áp tổng ở mạch khi dòng phần ứng cực đại Imax .
Cụ thể thoả mãn phơng trình sau:
1Ud0cosmin = 2Eđm + Uv + ImaxR + Umax
(1)
Trong đó:

Ud0 : điện áp không tải của chỉnh lu.

1 : hệ số tính đến sự suy giảm lới điện; 1 = 0,95.

2 : hệ số dự trữ BAN; 2 = 1,04 ữ 1,06. Chọn 2 = 1,04.

min : góc điều khiển cực tiểu. Sơ đồ có đảo chiều, và m = 6 xung
nên ta chọn
min = 12o .
Uv : tổng sụt áp trên van. Mỗi thời điểm chỉ có 2 van dẫn, nên :
Uv = 2Uv 2.1,6 = 3,2 (V).
Imax : dòng cực đại phần ứng động cơ. Imax = (2 ữ 2,5).Iđm
Chọn
Imax = 2Iđm = 2.32 = 64(A).
Eđm = Uđm - R Iđm = 220 - 0,5 . 32 = 204 (V).
Umax : sụt áp cực đại do trùng dẫn đợc tính:
I u max I udm
Umax = Uđm . I
.
.
udm I ddm

Có Idđm = Iđm
và Imax = 2Iđm
Umax = 2Uđm = 2Ud0UkYk
với Uk là điện áp ngắn mạch: Uk(%) = 5% Uk = 0,05

U
= 0,5
và Yk =
U %
k

Vậy:

Ud0 =

E

2 udm

+ U + R

cos
1

(Tra bảng bộ chỉnh lu cầu 3 pha)

v

min

I

u u max

2Y U
k

k

=

1,04.204 + 3,2 + 0,5.64
0,95 cos12 2.0,5.0,05

Ud0 281,1 (V)
Uv0 = Ud0/1,35 208.22 (V)
a,Tính chọn biến áp nguồn BAN:
BAN đấu theo kiểu /Y. Điện áp lới UL = 380V.

U
Tỷ số biến áp:

kBAN = U

l

vo

3

380
= 208,22 3,16
3

Page 16 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Dòng hiệu dụng thứ cấp BAN:
I2 =

2 I =
d
3

2 . 32 26,13(A)
3

dòng hiệu dụng sơ cấp BAN:
I1 =

1
1
I2 =
26,13 8,27(A)
3,16
K BAN

Công suất định mức BAN:

SBAN = 1,05 .Ud0Idđm = 1,05 . 281,1 . 32 = 9444.96 (VA).
Tra sổ tay, ta chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm = 10 (kVA).
b,Tính chọn các Tiristor trong mạch chỉnh lu:
Ta có bộ chỉnh lu là cầu 3 pha. Tra sổ tay, ta tính đợc các thông số sau:
Dòng trung bình qua mỗi Thyristor:
ITth =

1
1
Idđm = . 32 10,67(A).
3
3

Dòng cực đại qua mỗi Thyristor:
ITM =

1
1
Idmax = . 2.32 21,33(A).
3
3

Điện áp ngợc cực đại mỗi Thyristor phải chịu:
Ungmaxth = 2 Uv0 = 2 . 208,22 294.46(V).
Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các Thyristor là:
Ku = 1,6 và Ki = 1,5
Vậy Tiristor phải chịu đợc điện áp ngợc cực đại là:
Ungmax = Ku . Ungmaxth = 1,6. 294.46 471,15(V),
Và chịu đợc dòng trung bình khi dẫn là:
IT = Ki . ITth =1,5. 10,67 16(A),

Vậy ta chọn đợc loại Thyristor dùng cho bộ chỉnh lu cấp nguồn cho động cơ:

Mã
T_25

It.b
(A)
25

Ui.m
(V)
600

U
(V)
1.5

toff

Ig

(às)
50

0.3

(A)

Ug
(v)

5

Du/dt di/dt
(V/às)

(A/às)

20

10

Trong đó:
It.b
: Dòng trung bình ở trạng thái dẫn của Thyristor.
VRRM : Điện áp ngợc cực đại của Thyristor.



Page 17 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

IDM
Ug ,Ig
U
Toff
du/dt
di/dt

: Dòng cực đại ở trạng thái khoá.
: Điện áp, dòng điện điều khiển.
: Độ sut áp trên van.
: Thời gian khôi phục tính chất điều khiển của van.
: Tốc độ tăng tới hạn của điện áp ở trạng thái khoá.
: Tốc độ tăng tới hạn của dòng điện ở trạng thái dẫn.

c, Tính cuộn kháng san bằng:
Công thức gần đúng tính điện cảm phần ứng động cơ 1 chiều kích từ độc lập:
L KL

U udm
I udm Z p n dm (H)

(Truyền động điện - Trang 273).

Trong đó : KL = 1,4 ữ 1,9 (máy có bù) ; chọn KL = 1,4.
Uđm = 220(V)
, Iđm = 32(A),
Zp(số đôi cực) = 4 và nđm =720(vòng/phút).
L = 1,4.

220

L 5,3472 (mH).
2.4.720

d,Tính toán mạch bảo vệ quá áp
Ta có sơ đồ mạch bảo vệ hoàn chỉnh nh sau:
Mạch R1C1 bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích:
(Điện tử công suất - Nguyễn Bính - trang 261)

Đ

Vậy ta có thể chọn các giá trị chuẩn: R1 = 47() và C1 = 0,6(àF)
+Tính chọn Diod:
Điện áp ngợc đặt lên Diod
Ung=Udmax=284 (V)
Dòng điện chọn
Ichọn=2.I=2.32=64 (A)

Page 18 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

Chơng 4:tổng hợp hệ điều khiển
1. Tổng hợp các bộ điều chỉnh
a.Sơ đồ cấu trúc toàn hệ thống T-Đ đảo chiều :
Trong hệ truyền động T-Đ đảo chiều điều khiển riêng ta cần quan tâm đến 2
thông số :
+ Tốc độ góc .
+ Mô men M .
Ta phải quan tâm đến sự thay đổi của và mô men M . Nh vậy ta phải thiết lập hệ

điều chỉnh 2 yếu tố này .
Tốc độ góc đợc diều chỉnh và hạn chế bởi mạch vòng tốc độ R.
Mô men M đợc diều chỉnh và hạn chế bởi mạch vòng dòng điện Ri.
Ta có sơ cấu trúc mạch điều chỉnh động cơ điện một chiều T-Đ:
Kđm

Bộ BĐ

Uiđ

Uđ

Ri

R

U

-

Kbd
1+ pTvo

Ud

-E

Ui

1 / Ru

1 + pTu

M

I

1
Jp

Kđm



-Mc
Ki
1 + pTi

Si

K
1+ pT

S

Hình 14

b.Mạch vòng điều chỉnh dòng điện :
Khi động cơ khởi động ,đặc tính làm việc của hệ cho bộ Ri ,còn bộ R hoàn
toàn bị bão hoà .
Page 19 of 38

Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ
Lợng đặt đầu vào của bộ điều chỉnh Ri là đầu ra của bộ R ,nhng do bộ R bị
bão hoà ,do dó có thể tách riêng mạch Ri . Xét tối u mạch vòng này:
Ki
1 + Tfi. p

Ud
+ Ri

Kcl
1 + Tcl. p

K

1
Ru (1 + Tu. p )

1
J. p

(-)
Ed
K

Si

Uiđ
Ui

1 / Ru
1 + pTu

Ri

Iư

Ki

1 + pTi

Hình 15

dm =

n
720
=
= 75,39(rad / s.)
9,55 9,55

Hằng số thời gian điện từ của phần ứng động cơ
L 5.10 3
Tu = =
= 0,01( s )
R
0,5

Hằng số thời gian cơ học:

Tc =

Ru .J
= 0,338( s )
(Cu ) 2

Ta thấy hằng số thời gian cơ học Tc=0,338 (s) rất lớn so với hằng số thời gian điện
từ của phần ứng động cơ T = 0,001 (s) nên ta có thể coi sức điện động của động cơ
không ảnh hởng tới quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện.
Chọn mức điện áp chuẩn cho các tín hiệu sau các khâu của mạch điều khiển là 10V
* Xét hàm truyền của mạch chỉnh lu:
+ Hệ số bộ biến đổi chỉnh lu:

Page 20 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

K cl =

UN
220
=
= 22
U dk
10

UN điện áp nguồn
Uđk điện áp mạch điều khiển
Các hằng số thời gian Tvo, Ti là rất nhỏ so với hằng số thời gian điện từ T .

Hằng số thời gian của mạch chỉnh lu:
tmax =20 (v/às) ; tmin = 0.
lấy tcl = ttb = (tmax - tmin )/2 =10(v/às) .
Do chỉnh lu cầu 3 pha tc l = 0.00166 (s).
Vậy ta có hàm truyền của bộ biến đổi gần đúng là một khâu quán tính bậc
nhất :

Wcl ( p) =

22
.
1 + 0.00166 p

* Hàm truyền của khâu phản hồi dòng:
+Hệ số của senso đo dòng điện Si:
Ki =

U dk
10
=
= 0,12
.I mã 32.2,5

Rs :điện trở đo dòng, Rs =1
I :dòng điện định mức động cơ, I =32 A
Hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng:
chọn Tph =1 (v/às) = 0.001 (s).
Nh vậy hàm truyền của khâu phản hồi dòng :

Wph( p) =

0,12
.
1 + 0,001 p

*Ta có hàm truyền của đối tợng:
S oi =

K i K bd / Ru
(1 + pTvo )(1 + pTu )(1 + pTi )

Hệ hữu sai (hệ bậc 0).

Đặt Ts = Tvo+Ti =0.00166 + 0.001 =0.00266 (do các hằng số thời gian là
nhỏ).
Nh vậy sơ đồ hình 15 sẽ có dạng nh sau:

Soi
Uiđ

Ri

-

K i K cl / Ru
(1 + pTs )(1 + pTu )

Ui

Page 21 of 38

I


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

Hình 16

S oi
S oi =

K i K cl / Ru
22.0,12 / 0,5
=
=
(1 + pTs )(1 + pTu ) (1 + 0,00266 p).(1 + 0,01 p)

5,28
(1 + 0,0266 p)(1 + 0,1 p)

Tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn tối u môđun thì bộ điều chỉnh có hàm truyền :
Ri = K .
R

Với K R =

Tu

1 + pTR
TR p

2K s .ts

=

(Khâu tỷ lệ tích phân PI)

0.01
= 0.365
2.5,28.0,0026

TR = T =0.01 .
Vậy bộ điều chỉnh dòng điện Ri là một khâu PI, có hàm truyền đạt:
Ri ( p ) = 0.365.

1 + 0.01 p
0.01. p

Và hàm truyền kín của mạch vòng dòng điện là:
1
Fk ( p ) =
1 + 2Ts p + 2Ts2 p 2
Thay số ta có :

Fk ( p) =

1
1 + 2.0,0026 p + 2.0,0026 2 p 2

Uid

R1

Ui

R1

Ta có mạch tạo nên khâu PI:

C1

R2

+

Page 22 of 38

PI


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

Với:
2 K cl K i
Ts
Ru

R1C =
và

R2C = T

c. Mạch vòng điều chỉnh tốc độ :
F1
Uđ

1
1
Ki 1 + 2Ts p + 2Ts2 p 2

R

-

Kđm

M

1
Jp



- Mc

U

S

K

1+ pT

Hệ có 2 đầu vào :Udw ,Mc .
a.Xét mạch khi Uđ 0 và Mc = 0 (mạch không có nhiễu loạn):
*Hàm truyền đạt của đối tợng điều chỉnh:
Fs =

K.K
1
.
Ki.J . p.(1 + Tf . p ) 1 + 2.Ti . p + 2.T 2 i . p 2

Hệ vô sai cấp 1 (hệ bậc 1).

Vì Ti nhỏ ,một cách gần đúng ta coi
1

Ksw

Fs = T .p . 1 + pTw
c
Trong đó :
T=Tf +2Ti
Tc =

J .Ru
( K ) 2

, K s =

Ru
.K
K i K

Tổng hợp mạch theo tiêu chuẩn môđun tối u ,ta xác định đợc hàm truyền của khâu
điều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ P :

Page 23 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

FR =

Tc
. = KR
K s .T



Fs =

1
1 + 2T . p + 2T2 p 2

Theo tiêu chuẩn môdul tối u đối xứng ta xác định đợc hàm truyền của bộ điều chỉnh
tốc độ là khâu PI :
FR =

Tc

1 + 4T . p
.
2.K s .4T 4T . p

Fk ( ) =

;

4.t
1 + .4.t . p
1 + 4.t . p + 8.t 2 . p 2 + 8.t 3 . p 3

Ta thấy ở tử số của hàm chuẩn tối u đối xứng có thành phần đạo hàm nên độ quá
điếu chỉnh là lớn (43%).
* Khâu phản hồi tốc độ:

W =.

K
1 + Tf . p

U 10
10
=
=
= 0,132
dm 75,39
Chọn Tf= 0.001s
K =

* Thay số vào bộ điều chỉnh tốc độ
0,132
W =
1 + 0,001 p

FR =

Tc
1 + 4T . p
.
2 K s .4T 4T . p

T=2Ti+Tf=2.0,00266+0,001=0,0063(s)
J .Ru
2.0,5
Tc =
=
= 0,137( s.)
2
( K )
2,7 2
0,137.0,5
= 0,211
0,12.2,7
0,137(1 + 4.0,0063 p )
=
2.0,206.4.0,0063.4.0.0063 p

K s =

FR

Error! Not a valid link.

Ta có sơ đồ mạch vòng của hệ thống:
Page 24 of 38


Đồ án Tổng Hợp Hệ Điện Cơ

2. Sơ đồ của mạch điều khiển

Tiristo chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dơng đặt trên anốt và có
xung áp dơng đặt vào cực điều khiển. Sau khi Tiristo đã mở thì xung điều khiển
không còn tác dụng gì nữa, dòng điện chạy qua Tiristo do thông số của mạch quyết
định.
Mạch điều khiển có các chức năng sau:
Điều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dơng của điện áp
đặt trên anôt- catôt Tiristo.
Tạo ra đợc các xung đủ điều kiện mở đợc Tiristo, (xung điều khiển thờng có biên
độ từ 2 đến 10 vôn, độ rộng xung t x=20ữ100 đối với thiết bị chỉnh lu, tx 10 đối với
thiết bị biến đổi tần số cao ).
Độ rộng xung đợc xác định theo biểu thức
di
= tx
di / dt
Trong đó :Idt-dòng duy trì của Tiristo.
di/dt-tốc độ tăng trởng của của dòng tải.
Cấu trúc của mạch điều khiển một Tiristo đớc trình bày trên Hinh.
Ucm: Là điện áp điều khiển, điện áp một chiều .

Ur: Là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ
với điện áp của anôt-catốt của Tiristo.
Hiệu điện áp Ucm - Ur đợc đa vào khâu so sánh 1, làm việc nh một trigơ lật trạng
thái, ở đầu ra của nó ta nhận đợc một chuỗi xung dạng 'sinus chữ nhật '.
Khâu 2 là điện áp hài một trạng thái ổn định .
Khâu 3 là khâu khuếch đại xung.
Khâu 4 là biến áp xung .
Bằng cách tác động vào Ucm , có thể diều chỉnh đợc vị trí xung điều khiển,
cũng tức là điều chỉnh góc .

Hình H.5-1 Cấu trúc mạch điều khiển một thyristor

a.
Hệ
thống điều
khiển thiết
bị chỉnh lu
- Nguyên tắc điều khiển :
Trong việc điều khiển chỉnh lu thì việc tạo thời điểm để phát xung mở Tiristor
là một khâu rất quan trọng. Việc điều khiển chỉnh lu thờng sử dụng hai nguyên tắc
đó là nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính và nguyên tắc điều khiển thẳng
đứng arccos để điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dơng của điện áp đặt lên
Tiristor.
Page 25 of 38