Đồ án Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục

Đồ án: Thiết kế hệ truyền động cho cơ
cấu nâng hạ cầu trục
Lời nói đầu
Trong ngành công nghiệp nói chung để giải quyết một số công việc khó khăn
với con người như việc vận chuyển các nguyên vật liệu, hàng hóa nặng nhọc,trong
môi trường khắc nghiệt thì rất cần đến sự trợ giúp của các loại máy móc công
nghiệp như: băng tải, cần cẩu, cầu trục.
Ở học kỳ này em đã được giao cho đồ án II với đề tài: “Thiết kế hệ truyền động
cho cơ cấu nâng hạ cầu trục” với các thông số yêu cầu như sau:










Chiều cao nâng:
10 m
Tốc độ nâng hạ:
0,35 m/s
Trọng lượng tải:
4000 kg
Trọng lượng móc câu:
50 kg
Đường kính puli:
0,5 m
Tỉ số truyền:
50

Hiệu suất bộ truyền:
0,85
Momen quán tính cơ cấu: 0,1kg/𝑚2
Chu kỳ làm việc:
360s

Với sự cố gắng của bản thân cùng sự chỉ bảo tận tình của cô Nguyễn Thị Liên
Anh, em đã hoàn thành xong đồ án này. Dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức của
bản thân còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai xót nên em mong các
thầy cô chỉ bảo thêm. Em xin chân thành cảm ơn!

1


Chương 1. Giới thiệu đặc điểm về cầu trục
1.Giới thiệu chung
Cầu trục là một kết cấu dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấu nâng.
Dầm cầu có thể chạy trên các đường ray đặt trên cao dọc theo nhà xưởng, còn xe
con có thể chạy dọc theo dầm cầu trục, nhờ vậy mà có thể di chuyển vật đến mọi vị
trí trong xưởng.
Cầu trục được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau như
trong các nhà máy, xí nghiệp, công trường xây dựng, hải cảng...
Phân loại cầu trục:
 Theo tải trọng:
- Loại nhẹ: từ 5 đến 10 tấn
- Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn
- Loại nặng: trên 15 tấn
 Theo chế độ làm việc:
- Loại nhẹ : hệ số tiếp điện TĐ% = 10 - 15%, số lần đóng máy trong một
giờ là 60

- Loại trung bình : TĐ=15 - 25 %, số lần đóng máy trong một giờ là 120
- Loại nặng : TĐ% = 40 - 60 %, số lần đóng máy trong một giờ >240
 Theo chức năng:
- Cầu trục vận chuyển : dùng rộng rãi, yêu cầu chính xác không cao
- Cầu trục lắp ráp : phần lớn nằm trong các nhà máy, xí nghiệp , dùng để
lắp ráp các chi tiết máy móc có yêu cầu độ chính xác cao

2.Cấu tạo của cầu trục
Cầu trục được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính: xe cầu, xe con và cơ cấu nâng hạ

2


 Xe cầu: có hai dầm chính hoặc khung dầm chính làm bằng thép, đặt cách
nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách bánh xe của xe con. Hai đầu
cầu được liên kết cơ khí với hai dầm quay ngang tạo thành khung hình chữ
nhật trong mặt phẳng ngang.
Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung hình
chữ nhật , tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suốt phân xưởng.
 Xe con: là thiết bị được đặt trên xe cầu và dịch chuyển trên chiều dài của xe
cầu.
 Cơ cấu nâng hạ: được đặt trên xe con và đóng vai trò nâng hạ hang hóa.
Nhờ cấu tạo như trên mà cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3 phương phủ kín
mặt bằng nhà xưởng:
- Chuyển động dọc theo phân xưởng , nhờ chuyển động của xe cầu
- Chuyển động ngang theo phân xưởng , nhờ chuyển động của xe con
- Chuyển động theo phương thẳng đứng, nhờ chuyển động của cơ cấu nâng hạ

3.Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động của cầu trục
Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề, đặc biệt là ở hải cảng, trong

các nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim . . . Các khí cụ điện, thiết bị điện trong
hệ truyền động và trang bị điện cầu trục phải đảm bảo làm việc tin cậy trong điều
kiện nghiệt ngã của môi trường.
Các cơ cấu truyền động cầu trục thường thay đổi mô men theo tải trọng. Nhất
là cơ cấu nâng hạ , mô men thay đổi rõ rệt. Khi không có tải trọng mô men động cơ
không vượt quá (15 - 20 )% 𝑀đ𝑚 . Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục ngoạm đạt
tới 50%𝑀đ𝑚 . Đối với đông cơ di chuyển xe con bằng (30-50)% 𝑀đ𝑚 . Đối với động
cơ di chuyển xe con bằng (30-35 )% 𝑀đ𝑚 , đối với động cơ di chuyển xe cầu bằng
(50 - 55 )% 𝑀đ𝑚 .
Trong các hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục yêu cầu quá trình tăng và
giảm tốc xảy ra rất êm. Bởi vậy mô men động trong quá trình quá độ phải được
hạn chế theo kĩ thuật an toàn.
Năng suất cầu trục được quyết định bởi hai yếu tố : tải trọng của các thiết bị và
số chu kì bốc xúc trong một giờ. Số lượng hành hoá bốc xúc trong mỗi một chu kì
3


không như nhau và nhỏ hơn tải trọng định mức nên phụ tải với động cơ chỉ đạt
(60 - 70 )% công suất của động cơ.
Các động cơ truyền động điện đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có tần số
đóng điện lớn. Đa số các cầu trục đều làm việc trong điều kiện môi trường nặng nề,
chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy , hãm và đảo chiều.
Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đươc xác định từ yêu cầu công nghệ ,
chức năng của cầu trục trong dây chuyền sản xuất . Cấu tạo và kết cấu của cầu trục
rất đa dạng. Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệ thống truyền động
điện phải phù hợp với từng loại cụ thể.
Từ những đặc điểm trên ta có những yêu cầu cơ bản với hệ thống truyền động
cho các cơ cấu của cầu trục như sau:
- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản
- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ

dàng
- Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, quá tải và ngắn
mạch
- Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật được định sẵn
- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt,độc lập
- Có công tắc hành trình hạn chế quá trình tiến,lùi cho xe cẩu , xe con và hạn
chế hành trình lên xuống của cơ cấu nâng hạ
- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp
- Tự động cắt nguồn cấp khi có người làm việc trên xe cầu.

4.Đặc điểm của cơ cấu nâng hạ cầu trục
Momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay
của động cơ thay đổi thế nào. Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc
loại momen cản thế năng, có đặc tính Mc = constant và không phụ thuộc vào chiều
quay. Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải
gây ra. Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngược
chiều quay. Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, tức là
nó hướng theo chiều quay của động cơ.
Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau:
4


Khi nâng tải động cơ làm việc ở chế độ động cơ
Khi hạ tải có thể có hai chế độ: hạ động lực và hạ hãm
- Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ, khi đó mômen do tải trọng gây ra
không đủ để thắng mômen ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ
động cơ.
- Hạ hãm thực hiện khi tải trọng lớn, khi đó mômen do tải trọng gây ra rất lớn.
Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng được hạ với tốc
độ ổn định.

Đặc điểm hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ: làm việc ở chế độ ngăn hạn lặp
lại, thường xuyên phải dừng máy và không đòi hỏi đảo chiều ngay lập tức mà
thường có trễ sau một thời gian nhất định.

5


Chương 2. Lựa chọn phương án truyền động
1.Lựa chọn loại động cơ
1.1.Động cơ điện xoay chiều không đồng bộ
- Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc; so với động cơ
một chiều thì động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc
chắn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ có thể dùng trực tiếp lưới điện xoay
chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo.
- Nhược điểm: điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn;
riêng với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn so với
động cơ điện một chiều.
1.2.Động cơ điện một chiều
- Ưu điểm: khả năng chịu quá tải lớn, có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng,
cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất
lượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng.
- Nhược điểm: so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một
chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn, do cấu tạo có hệ thống chổi than cổ góp
nên việc bảo dưỡng phải thường xuyên hơn.
*Kết luận: qua những phân tích so sánh ở trên em chọn phương án sử dụng động
cơ điện một chiều vì những ưu điểm nổi bật trong việc điều chỉnh tốc độ, khả năng
chịu quá tải.

2.Tính chọn công suất động cơ
2.1.Xác định phụ tải tĩnh

- khi nâng có tải:
Mn1 =

(4000 + 50). 0,25.9,81
G + G0
Rt =
= 233,7 (N. m)
u. i. μc
1.50.0,85

- khi nâng không tải:
6


Mn0 =

G0
50.0,25.9,81
Rt =
= 2,89 (N. m)
u. i. μc
1.50.0,85

- khi hạ có tải:
(G + G0 )R t
(4000 + 50). 0,25.9,81
1
1
(2 − ) =
(2 −

)
u. i
μc
1.50
0.85
= 163,6(N. m)

Mh1 =

- khi hạ không tải:
Mh0 =

G0 R t
1
50.0,25.9,81
1
(2 − ) =
(2 −
) = 2,02 (N. m)
u. i
μc
1.50
0.85

Ta có tốc độ nâng hạ là 0.35m/s nên tổng thời gian làm việc là:
h 4.10
= 114.3 (s)
∑ t i = 4. =
v 0.35
-momen đẳng trị:

∑ni Mi2 t i
(233,72 + 2,892 + 163,62 + 2,022 )28.6
Mđt = √
=√
= 142,65 (N. m)
∑ ti
114,3
2.2.Xác định hệ số tiếp điện 𝜺%
Hệ số tiếp điện tương đối:
ε% =

∑ Tlvi 114,3
=
= 23%
Tck
500

2.3. Lựa chọn động cơ
Tốc độ góc của động cơ:
𝜔=

2𝑣
2.0,35
𝑖=
. 50 = 70 (𝑟𝑎𝑑/𝑠)
𝐷
0.5

7

Tốc độ quay của động cơ:
n=

ω
70
. 60 =
. 60 = 668,45 (vg/ph)
2π
2π

Công suất động cơ:
Ptt = Mđt . ω = 142,65.70 = 9986 (W)
Ta chọn động cơ có công suất:
Pđm ≥ 1,3. Ptt = 1,3.9986 = 12981,8 (W)
Từ các số liệu tính toán,tra bảng phụ lục 4 sách “Các đặc tính của động cơ trong
truyền động điện-Bùi Đình Tiếu” chọn động cơ kích từ song song kiểu Mπ − 42
với các số liệu như sau:
Uđm=220 (V)
Pđm= 16 (kW)
Iđm = 84 (A)
n= 700 (vg/ph)
ε% = 25%
rư + rcp = 0,168 (Ω)
rcks = 81 (Ω)
Dòng điện định mức của cuộn kích từ song song: 1,97 (A)

3.Chọn phương án truyền động
Trong phạm vi đồ án này em sử dụng hệ truyền động chỉnh lưu tiristor-động cơ
một chiều T-Đ vì những ưu điểm nổi bật của nó: mạch lực đơn giản, kích thước

gọn nhẹ, tác động nhanh, không gây ồn và dễ tự động hóa do các van bán dẫn có
hệ số khuyếch đại công suất cao, điều đó rất thuận tiện cho việc thiết lập các hệ tự
động điều chỉnh để nâng cao chất lượng tĩnh và động của hệ thống.
8


3.1.Chỉnh lưu cầu một pha

Đồ thị áp-dòng trên tương ứng với trường hợp tải RL hoặc RLE ở chế độ dòng
tải liên tục. Để đưa dòng điện ra tải luôn cần có hai van cùng dẫn vì vậy xung điều
khiển phải đưa tới hai van cùng thời điểm để T1 cùng dẫn với T2; T3 cùng dẫn với
T4. Khi van T1,T2 dẫn sẽ có dòng id chảy qua tải và chưa kịp tắt thì van T3,T4 đã
được phát xung mở trở lại như vậy dòng tải sẽ liên tục. Coi điện cảm L đủ lớn để
dòng điện id có độ gợn sóng không đáng kể, nên id =Id là giá trị không đổi.
+Ưu điểm: có thể không cần sử dụng máy biến áp, khi điện áp ra tải phù hợp với
cấp điện áp nguồn xoay chiều thì có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện
+Nhược điểm: có hai van tham gia dẫn dòng, như vậy sẽ có sụt áp do hai van gây
ra, chính vì vậy khiến cho mạch cầu không thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp
dưới 10V khi dòng tải lớn.
9


3.2.Chỉnh lưu ba pha hình tia

Đồ thị áp-dòng trên tương ứng với trường hợp tải RL hoặc RLE ở chế độ dòng
tải liên tục. Điểm tính góc điều khiển không phải điểm qua 0 mà chậm pha hơn
một góc 30° điện, tương ứng với điểm giao nhau của điện áp nguồn. Xung điều
khiển các van lệch nhau một phần ba chu kỳ, tức 120° điện.
Với điện cảm L đủ lớn có thể coi id = Id là giá trị không đổi. Dạng điện áp ud
bằng điện áp phía nguồn có van đang dẫn. Giá trị điện áp Udα tuân theo qui luật:

Udα = Ud0 . cosα
với Ud0 = 1,17U2
+Ưu điểm: sụt áp trong mạch van nhỏ do dòng chỉ chạy qua một van, sử dụng
nguồn ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều. mặt khác độ đập mạch
của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộ lọc cũng nhỏ đi.
+Nhược điểm: cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải, mà công suất
biến áp này lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần.

10


3.3.Chỉnh lưu cầu ba pha

Đồ thị áp-dòng trên tương ứng với trường hợp tải RL hoặc RLE ở chế độ dòng
tải liên tục. Mạch van được đấu thành hai nhóm: nhóm van đánh số lẻ đấu chung
katôt, nhóm van đánh số chẵn đấu chung anôt. Để điều khiển van cần tuân thủ một
số quy luật sau:
 Với tiristor của nhóm đấu katôt chung, điểm mốc để tính góc điều khiển là
điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp
dương.
 Với tiristor của nhóm đấu anôt chung, điểm mốc để tính góc điều khiển là
điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp
âm.
 Xung điều khiển được phát theo đúng thứ tự đánh số từ T1 đến T6 cách nhau
60° điện, còn trong mỗi nhóm thì xung phát cách nhau 120°.
11


 Để thông mạch điện tải cần hai van cùng dẫn, trong đó mỗi nhóm phải có
một van tham gia, do đó hai van có thứ tự cạnh nhau phải được phát xung

cùng lúc. Vì vậy dạng xung là xung kép: xung thứ nhất được xác định theo
góc điều khiển cần có, xung thứ hai là đảm bảo điều kiện thông mạch, thực
tế là xung của van khác gửi đến.
Quy luật điều chỉnh (chế độ dòng liên tục): Udα = Ud0 . cosα
với Ud0 = 2,34U2
+Ưu điểm: cho phép đấu thẳng vào lưới điện ba pha; độ đập mạch rất nhỏ; sử dụng
nguồn ba pha nên công suất lớn, công suất máy biến áp cũng chỉ xấp xỉ công suất
tải.
+Nhược điểm: sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì luôn có hai van dẫn để đưa
dòng điện ra tải, nên sẽ không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V.
*Kết luận: từ các phân tích về ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu nói trên,
với tải là động cơ một chiều có công suất 16kW thì việc sử dụng chỉnh lưu cầu ba
pha là hợp lý nhất. Đồng thời do đặc điểm hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ là
thường xuyên phải dừng máy và không đòi hỏi đảo chiều ngay lập tức mà thường
có trễ sau một thời gian nhất định nên em sẽ sử dụng một bộ biến đổi chuyển mạch
phần ứng.

12


Chương 3. Tính toán mạch lực
1.Sơ đồ nguyên lý mạch

Phương trình đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập:
13


ω=

UĐ

R
−
kΦđm (kΦđm )2

Từ phương trình trên ta thấy có thể thay đổi tốc độ động cơ bằng cách thay đổi
điện áp đặt vào phần ứng của động cơ UĐ .
Điện áp phần ứng của động cơ lại phụ thuộc vào điện áp một chiều sau chỉnh lưu
Ud . Mặt khác, điện áp chỉnh lưu với chỉnh lưu cầu 3 pha được xác định bởi công
thức: Ud = 2,34. U2 . cosα (U2 là điện áp phía thứ cấp máy biến áp phụ thuộc
vào điện áp của lưới và hệ số máy biến áp).
Chính vì vậy ta có thể điều chỉnh tốc độ của động cơ thông qua việc thay đổi
góc điều chỉnh 𝛼. Việc thay đổi góc điều chỉnh 𝛼 này sẽ được đề cập đến ở chương
sau.
Vấn đề thay đổi chiều quay của động cơ sẽ được thực hiện bằng việc đóng mở
các tiếp điểm T và N. Khi nâng tải,cấp điện cho động cơ đồng thời đóng tiếp điểm
T, mở tiếp điểm N, động cơ sẽ quay để nâng tải lên (quy ước đây là chiều quay
thuận). Động cơ sẽ quay ngược khi hạ tải với tải trọng nhỏ hơn momen ma sát của
cơ cấu, thực hiện điều này bằng cách đóng tiếp điểm N, mở tiếp điểm T.

2.Tính toán máy biến áp lực
2.1. Tính các thông số của máy biến áp
Điện áp một chiều tổng quát tương ứng tải định mức:
Udđm = UĐđm + ΣΔUV + ΔUba + ΔULd
=UĐđm + ΣΔU
Trong đó:
- ΣΔU là tổng các sụt áp khi tải định mức
- UĐđm là điện áp một chiều ra tải định mức UĐđm = 220 V
- ΣΔUV tổng sụt áp trên van, trong sơ đồ cầu 3 pha mỗi thời điểm có 2 van
dẫn nên Σ∆UV =2 ∆UV (sụt áp trên van các van thông thường nằm trong
khoảng (1÷2,6) V, chọn ∆UV =1,75 V). Do đó:

Σ∆UV =2 ∆UV =2.1,75=3,5 (V)
14


- ΔUba là sụt áp trên biến áp khi có tải, nằm trong khoảng (5÷ 10%)UĐđm ,
chọn ΔUba =8%. UĐđm =8%.220=17,6 (V)
- ΔULd là sụt áp trên bộ lọc một chiều, nằm trong khoảng (5÷ 10%)UĐđm ,
chọn ΔULd = 6%. UĐđm = 6%. 220 = 13,2 (V)
Từ đó, điện áp một chiều sau chỉnh lưu là:
Udđm = 220 + 3,5 + 17,6 + 13,2 = 254,3 (V)
Mặt khác điện áp chỉnh lưu với chỉnh lưu cầu 3 pha được xác định bởi công thức:
Ud = 2,34. U2 . cosα
với Udđm = 2,34. U2 . cosαmin
Chọn αmin = 10°, do đó điện áp thứ cấp định mức:
U2 =

Udđm
254,3
=
= 110,4 (V)
2,34. cosαmin 2,34. cos10°

Ta có: Pd = Udđm Id = 254,3.84 = 21361 (W)
Sba = 1,05Pd = 1,05.21361 = 22429 (VA)
Biến áp nguồn đấu theo kiểu Y/Y, điện áp pha của lưới U1 =220 V
Hệ số máy biến áp:
k ba =

U1
220

=
= 1,99
U2 110,4

Dòng điện cuộn thứ cấp: I2 = 0,816Id = 0,816.84 = 68,5 (A)
Dòng điện cuộn sơ cấp:
I1 =

I2
68,5
=
= 34,4 (A)
k ba 1,99

Tiết diện trụ của lõi thép biến áp có thể được tính theo công thức:
Sba
22429
𝑄𝐹𝑒 = 1,0√
= 1,0√
= 86,5 (𝑐𝑚2 )
𝑚
3
15


2.2.Tính toán dây quấn biến áp
Số vòng dây của mỗi cuộn được tính bởi công thức:
𝑈. 104
𝑊=
4,44. 𝑓. 𝑄𝐹𝑒 . 𝐵

Trong đó: U – điện áp cuộn dây cần tính
B – từ cảm, thường chọn trong khoảng (1,0÷ 1,8) Tesla. Chọn B=1,4
𝑄𝐹𝑒 - tiết diện lõi thép
f – tần số lưới điện xoay chiều f=50Hz
Số vòng dây của cuộn sơ cấp là:
𝑈1 . 104
220. 104
𝑊1 =
=
= 81,8
4,44. 𝑓. 𝑄𝐹𝑒 . 𝐵 4,44.50.86,5.1,4
=>𝑊1 =82 vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp là:
𝑊2 =

𝑊1
82
=
= 41,2
𝑘𝑏𝑎 1,99

=>𝑊2 =42 vòng
Tính tiết diện dây:
𝑆𝐶𝑢 =

𝐼
𝐽

Trong đó: I – dòng điện chạy qua cuộn dây
J – mật độ dòng điện trong biến áp, thườn chọn trong khoảng (2÷ 2,75)

A/𝑚𝑚2 . Chọn J= 2,4 A/𝑚𝑚2
Tiết diện dây sơ cấp:

16


𝑆𝐶𝑢1 =

𝐼1 34,4
=
= 14,3 (𝑚𝑚2 )
𝐽
2,4

𝑆𝐶𝑢2 =

𝐼2 68,5
=
= 28,5 (𝑚𝑚2 )
𝐽
2,4

Tiết diện dây thứ cấp:

Do không có kích thước dây tròn phù hợp nên sử dụng dây hình chữ nhật
Chọn loại dây dẫn phù hợp cho từng loại (kể cả lớp cách điện) là:
Với dây sơ cấp: a x b=2,8 x 5,2=14,56 (𝑚𝑚2 )
Với dây thứ cấp: a x b=4,0 x 7,4= 29,6 (𝑚𝑚2 )
2.3. Tính kích thước mạch từ

Chọn sơ bộ các kích thước cơ bản của mạch từ:
Chọn trụ hình chữ nhật có kích thước 𝑄𝐹𝑒 =a.b
Theo kinh nghiệm thường chọn l=b/a=1÷ 1,5
Ta chọn l=1,5 nên b=1,5a
Do đó: 𝑄𝐹𝑒 =a.b=1,5𝑎2 =86,5 (𝑐𝑚2 )
Suy ra:
17


86,5
𝑎=√
= 7,6 (𝑐𝑚)
1,5
b=1,5a=1,5.7,6=11,4 (cm)
Chọn lá thép, thường chọn lá thép bề dày 0,35mm và 0,5mm. Chọn loại 0,5mm
Diện tích cửa sổ cần có: 𝑄𝑐𝑠 = 𝑄𝑐𝑠1 + 𝑄𝑐𝑠2 =𝑘𝑙đ . 𝑊1 . 𝑆𝐶𝑢1 +𝑘𝑙đ . 𝑊2 . 𝑆𝐶𝑢2
𝑘𝑙đ là hệ số lấp đầy thường chọn 2,0÷ 3,0. Chọn 𝑘𝑙đ =2,8
Do đó kích thước cửa sổ:
𝑄𝑐𝑠 = 3.82.14,3 + 3.42.28,5 = 7109 (𝑚𝑚2 )
Các kích thước cơ bản thường chọn dựa vào hệ số phụ: m=h/a
Theo kinh nghiệm thường chọn: m=2,2
Do đó: h=m.a=2,2.7,6=16,7 (cm)
=> c=𝑄𝑐𝑠 /h=71,2/16,7=4,3(cm)
Chiều rộng toàn bộ mạch từ: C=2c+3a=2.4,3+3.7,6=31,4 (cm)
Chiều cao mạch từ: H=h+2.a=16,7+2.7,6=31,9 (cm)
2.4.Kết cấu dây quấn
Số vòng dây trên mỗi lớp:
𝑊𝑙 =

ℎ − ℎ𝑔

𝑏𝑛

Trong đó: h – chiều cao cửa sổ
ℎ𝑔 – khoảng cách cách điện, thường chọn trong khoảng (2÷ 10)mm,
chọn ℎ𝑔 =5 mm
𝑏𝑛 – chiều rộng dây quấn chữ nhật kể cả cách điện
Do đó:
18


Số vòng dây trên mỗi lớp sơ cấp là:
𝑊𝑙1 =

ℎ − ℎ𝑔 167 − 5
=
= 31,2 (𝑣ò𝑛𝑔)
𝑏𝑛1
5,2

Như vậy một lớp dây sơ cấp quấn được 31 vòng.
Số vòng dây trên một lớp thứ cấp là:
𝑊𝑙2 =

ℎ − ℎ𝑔 167 − 5
=
= 21,9 (𝑣ò𝑛𝑔)
𝑏𝑛2
7,4

Như vậy một lớp thứ cấp quấn được 21 vòng.

Số lớp dây của cuộn sơ cấp trong cửa sổ:
𝑆𝑙𝑑1 =

𝑊1 82
=
= 2,6
𝑊𝑙1 31

=>cuộn sơ cấp có 3 lớp dây.
Số lớp dây của cuộn thứ cấp trong cửa sổ:
𝑆𝑙𝑑2 =

𝑊2 42
=
=2
𝑊𝑙2 21

=>cuộn thứ cấp có 2 lớp dây.
Bề dày của mỗi cuộn dây là:
𝐵𝑑𝑐𝑡 = 𝑎𝑛 . 𝑆𝑙𝑑 + 𝑐𝑑. 𝑆𝑙𝑑
Trong đó: cd - bề dày bìa cách điện , có các độ dày: 0,1 ; 0,3 ; 0,5; 1,0 ; 2,0 ; 3,0
Chọn cd=0,5
𝑎𝑛 – chiều cao của dây dẫn
Bề dày cuộn sơ cấp: 𝐵𝑑1 = 2,8.3 + 0,5.3 = 9,9(𝑚𝑚)
Bề dày cuộn thứ cấp: 𝐵𝑑2 = 4,0.2 + 0,5.2 = 9(𝑚𝑚)
Tổng bề dày các cuộn dây: Bd=𝐵𝑑1 + 𝐵𝑑2 + 2. 𝑐𝑑 =9,9+9+0,5.2=19,9 (mm)
19


Có 2.BD=19,9.2=39,8 (mm) < c=43 mm nên kích thước cửa sổ đã chọn là hợp lý.

3.Tính chọn van mạch lực
3.1.Chọn van theo chỉ tiêu dòng điện
Cần chọn van theo nguyên tắc dòng điện của van được chọn phải thỏa mãn: Iv >
k iv . Itbv
Trong đó:
 Iv - dòng trung bình của van được chọn
 k iv - hệ số dự trữ về dòng điện cho van. Tải ở đây là động có dòng điện lớn
nên hệ số dự trữ nằm trong khoảng (1,5÷ 2). Chọn K iv = 1,5
Với chỉnh lưu cầu 3 pha dòng trung bình qua mỗi Tiristor:
Itbv =

Id 84
=
= 28 (A)
3
3

Do đó cần chọn van có dòng trung bình thỏa mãn:
Iv > k iv . Itbv = 1,5.28 = 42 (A)
Tuy nhiên trị số dòng điện cho phép đi qua van trong sổ tay tra cứu chỉ đúng khi
van làm việc ở các điều kiện tiêu chuẩn nên cần phải hiệu chỉnh lại.
Trong tất cả các mạch chỉnh lưu, van đều dẫn dòng theo chu kỳ lưới điện xoay
chiều, là qui chuẩn khi dòng qua van có dạng hình sin và kéo dài đúng nửa chu kỳ
nguồn điện (λ = 180°). Với chỉnh lưu cầu 3 pha khoảng dẫn của van là: λ = 120°
Nên giá trị dòng cho phép trên van cũng giảm đi và bằng 0,8 Icp
Vậy phải chọn van có dòng trung bình thỏa mãn:
Iv > 0,8.42 = 33,6 (𝑉)
3.2.Chọn van theo chỉ tiêu điện áp
Tương tự với chọn van theo chỉ tiêu dòng điện, chọn van theo chỉ tiêu điện áp

cũng theo nguyên tắc điện áp của van được chọn phải thỏa mãn điều kiện:
20


Uv > k uv . Ungmax
Trong đó:
 k uv – hệ số dự trữ về điện áp cho van, thương lấy trong khoảng (1,7÷2,2).
Chọn k uv =1,6
 Ungmax - điện áp ngược max trên van, được tính bởi công thức:
Ungmax = 2,45U2 = 2,45.110,4 = 270,5 (V)
Do đó tiristor cần phải chịu được điện áp ngược cực đại là:
UTmax = 1,6.270,5 = 432,8 (V)
Từ các thông số trên tra phụ lục 2 sách “Hướng dẫn thiết kế điện tử công suấtPhạm Quốc Hải” chọn tiristor loại T10-40 cấp 5 có các thông số:
Itb =40 (A)
Umax = 500 (V)
ΔU=1,75 (V)
Do thực tế làm việc van có sụt áp nên khi làm việc với dòng điện tải lớn, công
suất phát nhiệt của bản than van rất lớn. Do đó cần phải có biện pháp làm mát cho
van. Với van có các thông số như đã chọn thì cần sử dụng biện pháp làm mát bằng
quạt gió, số cánh tản nhiệt là 4 với tổng diện tích bề mặt tản nhiệt khoảng 7𝑑𝑚2 .

4.Tính toán thiết kế bộ lọc
4.1.Tính chọn tham số bộ lọc
Mục đích của việc tính toán bộ lọc là xác định các trị số cần thiết của điện cảm
lọc và tụ lọc sao cho thỏa mãn hệ số đập mạch cho trước đồng thời hiệu chỉnh để
có kích thước vừa phải. Các bộ lọc một chiều thường dùng hệ số san bằng 𝑘𝑠𝑏 để
đánh giá hiệu quả của bộ lọc:
k sb =

k đmv

k đmr

Trong đó :
21


 k đmv - hệ số đập mach đầu vào, thường là của sơ đồ chỉnh lưu đứng trước bộ
lọc.
 k đmr - hệ số đập mạch đầu ra, đặc trưng cho khả năng giảm độ đập mạch
của bộ lọc. Vì bộ lọc phải có tác dụng giảm độ đập mạch do đó phải có
k đmr < k đmv , nghĩa là bộ lọc có k sb càng lớn thì càng hiệu quả.
Cả hai hệ số đập mạch này đều tính theo biểu thức định nghĩa: k đm =

U1m
Ud

Trong đồ án này em sử dụng lọc điện cảm mắc nối tiếp với tải.
Cần xác định hệ số đập mạch vào lớn nhất tương ứng với góc điều khiển αmax
Khi đó điện áp trên động cơ là nhỏ nhất, ứng với tốc độ góc nhỏ nhất:
ωĐmin =

ωĐđm nđm . 2π 700.2π
=
=
= 24,4 (rad/s)
D
D. 60
3.60

Ta có điện áp định mức của động cơ xác định bởi:

UĐđm = kΦđm ωĐđm + IĐ R ưĐ
⇒ kΦđm =

UĐđm − IĐ R ưĐ 220 − 84.0,168
=
= 2,81 (Wb)
ωĐđm
73,3

Điện áp nhỏ nhất trên động cơ là:
UĐmin = kΦđm ωĐmin + IĐ R ưĐ = 2,81.24,4 + 84.0,168 = 82,7 (V)
Lại có:
Udmin = 2,34U2 cosαmax = UĐmin + ΣΔU
⇒ cosαmax =

UĐmin + ΣΔU 82,7 + 34,3
=
= 0,45
2,34U2
2,34.110,4

Tra đồ thị ta được độ đập mạch tương đối ứng với cosαmax = 0,45 là:
k ∗đm = 0,31
Hệ số đập mạch tương ứng với góc điều khiển αmax là:

22


k đmvmax

k ∗đm
0,31
=
=
= 0,69
cosαmax 0,45

Chọn yêu cầu hệ số đập mạch ra không lớn hơn 0,1
Khi đó hệ số san bằng của bộ lọc là:
k đmv 0,69
k sb =
=
= 6,9
k đmr
0,1
Sử dụng bộ lọc điện cảm, giá trị của điện cảm lọc:
L=

Rd
k
mđm ωf sb

Trong đó:
- R d là tổng tất cả các điện trở tải
Ud 254,3
Rd =
=
= 3,03 (Ω)
Id
84

- mđm là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu mđm = 6
- ωf là tần số góc của điện áp xoay chiều ωf = 2πf = 2π. 50 = 314 (rad/s)
Thay vào công thức trên ta được:
L=

3,03.6,9
= 11,1. 10−3 (H) = 11,1 mH
6.314

4.2.Tính toán thiết kế cuộn kháng lọc một chiều
Trước tiên ta cần xác định các số liệu cần thiết cho việc thiết kế như sau:
- Giá trị điện cảm lọc L=11,1mH
- Dòng điện một chiều trung bình qua cuộn cảm Id =84 A
- Sụt áp một chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng ΔUm , thường nằm trong
khoảng (5÷ 10%) điện áp ra tải. Chọn ΔUm =6%UĐđm =6%.220=13,2V
- Sụt áp xoay chiều tối đa cho phép trên cuộn kháng ΔU~ =6V
- Tần số đập mạch của sóng hài bậc 1 của điện áp chỉnh lưu
fđm =m.f=6.50=300 (Hz)
- Nhiệt độ môi trường nơi đặt cuộn kháng Tmt =40ο C
23


- Chênh lệch nhiệt độ tối đa cho phép giữa nhiệt độ cuộn dây điện cảm và
nhiệt độ môi trường ΔT=50ο C
Các bước tính toán cụ thể như sau:
 Các kích thước của lõi thép:

4

4

a=2,6√LId2 =2,6√0,007.842 =6,89 (cm) . Chọn a=9cm
b=1,2a=1,2.9=10,8 (cm)
c=0,8a=0,8.9=7,2 (cm)
h=3a=3.9=27 (cm)
Tiết diện lõi thép: Sth =a.b=9.10,8=97,2 (cm2 )
Diện tích cửa sổ: Scs = h. c = 27.7,2 = 194,4 (cm2 )
Độ dài trung bình đường sức: Ith =2(a+h+c)=2.(9+27+7,2)=86,4 (cm)
Độ dài trung bình dây quấn: Idq =2(a+b)+πc=2(9+10,8)+ 7,2π=62,22 (cm)
Thể tích lõi thép: Vth =2ab(a+h+c)=2.9.10,8(9+27+7,2)=8398 (cm3 )
 Điện trở dây quấn ở nhiệt độ 20𝜊 C đảm bảo độ sụt áp cho phép:
Δ𝑈𝑚 /𝐼𝑑
13,2/84
𝑟20 =
=
1 + 4,26. 10−3 (𝑇𝑚𝑡 + Δ𝑇 − 20𝜊 𝐶) 1 + 4,26. 10−3 (40 + 50 − 20)
=0,121 (Ω)
 Số vòng dây của cuộn cảm:
𝑟20 𝑆𝑐𝑠
0,121.194,4
𝑤 = 414√
= 414√
= 254,6
𝐼𝑑𝑞
62,22
24












⟹ w=255 vòng
Tính mật độ từ trường:
100𝑤𝐼𝑑 100.255.84
𝐻=
=
= 24792(𝐴/𝑚)
𝐼𝑡ℎ
86,4
Tính cường độ từ cảm:
Δ𝑈~ . 104
6. 104
𝐵=
=
= 0,0063 (𝑇)
4,44𝑤. 𝑓đ𝑚 . 𝑆𝑡ℎ 4,44.74.300.97,2
Tính hệ số 𝜇 theo H và B . Vì B>0,005 T nên:
24792 −0,75
𝜇 = 542(
)
. 10−6 = 48,8. 10−6 (𝐻/𝑚)
1000
Tính trị số điện cảm nhận được:

𝜇𝑤 2 𝑆𝑡ℎ 48,8. 10−6 . 2552 . 97,2
𝐿𝑡𝑡 =
=
= 3,57. 10−4 (𝐻) = 35,7 𝑚𝐻
100𝐼𝑡ℎ
100.86,4
Trị số này lớn hơn 5% giá trị yêu cầu nên chấp nhận được
Tiết diện dây quấn:
𝐼𝑑𝑞 𝑆𝑐𝑠
62,22.194,4
𝑠 = 0,072√
= 0,072√
= 22,8 (𝑚𝑚2 )
𝑟20
0,121









Chọn dây tiết diện chữ nhật có kích thước: a x b=4,1 x 5,9 ; s=23,3 𝑚𝑚2
Xác định khe hở tối ưu:
𝐼𝑘𝑘 = 1,6. 10−3 𝑤𝐼𝑑 = 1,6. 10−3 . 255.84 = 34,3 (𝑚𝑚)
Vì vậy miếng đệm sẽ có độ dày :
𝐼đệ𝑚 = 0,5𝐼𝑘𝑘 = 0,5.34,3 = 17,2 (𝑚𝑚)
Tính kích thước cuộn dây

Chọn lõi cuốn dây có độ dầy 5mm, nên độ cao sử dụng để quấn dây sẽ là:
ℎ𝑠𝑑 = ℎ − 2∆𝑐 = 27 − 2.0.5 = 26 (𝑐𝑚)
Số vòng dây trong một lớp:
ℎ𝑠𝑑
26
𝑤′ =
=
= 44,1
ℎ𝑑
0,59
Như vậy một lớp dây quấn được 44 vòng
Tính số lớp dây
𝑤 255
𝑛=
=
= 5,8
𝑤′
44
Vậy cần quấn 6 lớp
25