THIẾT kế hệ TRUYỀN ĐỘNG cơ cấu NÂNG hạ cầu TRỤC

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

Lời nói đầu
Truyền động điện là công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất. Trong dây
truyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động đóng chiếm tỷ trọng lớn trong chi phí bất
biến của vốn đầu t ban đầu mặt khác truyền động cũng góp vai trò quan trọng trong việc
nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm. Ngày nay, cùng với sự bùng nổ những tiến bộ
của kỹ thuật điện tử công suất và tin học, các hệ truyền động cũng ngày càng phát triển và
có nhiều thay đổi đáng kể nhờ việc áp dụng những tiến bộ trên. Cụ thể là các hệ truyền
động hiện đại không những đáp ứng đợc độ tác động nhanh, độ chính xác điều chỉnh cao
mà còn có giá thành hạ hơn nhiều thế hệ cũ, đặc điểm này rất quan trọng trong việc đ a
những kết quả nghiên cứu trong kỹ thuật vào thực tế sản xuất.Nh vậy lĩnh vực truyền động
đang là một thử thách nhng đồng thời cũng là mảnh đất màu mỡ cho sinh viên .Xuất phát từ
thực tiễn đó việc học tập và nghiên cứu môn học Truyền động điện có ý nghĩa rất to lớn đối
với sinh viên ngành Tự động hóa,đặc biẹt khi chúng em cồn đợc làm đồ án môn học này.
Sau thời gian nghiên cứu học tập môn Tự động điều chỉnh truyển động điện em đợc giao đề tài thiết kế môn học với nội dung:
Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục
Nội dung của đồ án chia làm 6 chơng, cụ thể nh sau:
Chơng I: Tổng quan về công nghệ. Nội dung cơ bản của chơng này đề cập tới
những nét cơ bản nhất của công nghệ truyền động nâng hạ cầu trục và có sự khảo sát kỹ
đặc tính phụ tải. Tất cả những thiết kế sau này đểu bám sát những đặc điểm này.
Chơng II: Chọn động cơ truyền động. Nội dung cơ bản của chơng này sẽ trình bày
cách chọn công suất động cơ truyền động, loại động cơ.
Chơng III: Chọn phơng án truyền động. Nội dung của chơng này trình bày các phơng án truyền động cho loại động cơ đã chọn ở chơng II, đa ra các phơng án khả thi rồi
cuối cùng có so sánh giữa các phơng án khả thi đề chọn ra phơng án phù hợp nhất. Tất cả
đều có sự phân tích cụ thể khi quyết định chọn phơng án tốt nhất.
Chơng IV: Thiết kế mạch lực. Nội dung của chơng này đi khảo sát những nét cơ
bản của các bộ biến đổi công suất sử dụng trong phơng án truyền động và tính chọn các
phần tử sử dụng trong sơ đồ.
Chơng V: Tổng hợp hệ thống. Nội dung của chơng này sẽ đi tổng hợp cấu trúc cũng
nh các tham số của các bộ điều chỉnh theo luật điều chỉnh đã chọn.

Chơng VI: Thiết kế mạch điều khiển. Nêu lên nguyên lý điều chỉnh và thiết kế sơ
bộ các mạch điều khiển các bộ biến đổi.
Em xin chân thành cảm ơn tới thầy Nguyễn Quang Địch đã hớng dẫn em rất nhiệt
tình và các bạn đồng môn đã giúp đỡ trong thời gian em thực hiện bản đồ án.
Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhng do kiến thức có hạn nên chắc chắn không
tránh khỏi những hạn chế nhất định, mong các thầy đóng góp ý kiến để đồ án đợc hoàn
thiện hơn.
Sinh viên thực hiện.

Nguyễn Văn Tá

GVHD:nguyễn quang địch

1

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


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

chơng I

Tổng quan về công nghệ

Cầu trục là thiét bị nâng hạ đợc sử dụng trong nhiều nghành kinh tế khác nhau nh các
phân xởng lắp ráp cơ khí, xí nghiệp luyện kim, công trờng xây dựng, cầu cảng... Chúng đợc
sử dụng trong các nghành sản xuất trên để giải quyết các việc nâng bốc vận chuyển tải
trọng, phối liệu, thành phẩm ... Có thể nói rằng, nhịp độ làm việc của máy nâng chuyển góp
phần quan trọng, nhiều khi có tính quyết định đến năng suất của cả dây chuyền sản xuất ở
các nghành nói trên. Vì vậy, thiết kế hệ truyền động cần trục ở cơ cấu nâng hạ cần phải

tuân thủ chặt chẽ các quy trình kỹ thuật đồng thời cũng phải đảm bảo tính kinh tế. Trớc khi
đi vào thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ cầu trục, trong chơng này ta đi tìm hiểu
một số đặc điểm công nghệ cùng với việc phân tích những nét chính trong yêu cầu truyền
động cầu trục.
I. Giới thiệu chung về cầu trục.
Do đặc tính hữu ích của mình mà cầu trục đang dợc ứng dụng rộng rãi trong các
nghành kinh tế quốc dân và càng ngày chức năng của nó càng đa dạng.Tuy vậy về cơ bản
tất cả các cầu trục đều có những đặc điểm về công nghệ chung sau
Cần trục thờng có ba chuyển động:


Chuyển động nâng hạ (của bộ phận nâng tải ).



Chuyển động ngang của xe trục.



Chuyển động dọc của xe cầu.

H2. Sơ đồ cơ cấu nâng-hạ cần trục

GVHD:nguyễn quang địch

2

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47

Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
Trong khuôn khổ đồ án này chỉ tập chung thiết kế hệ truyền động cho riêng cơ cấu nâng hạ.
Để có thể đa ra những phơng án hợp lý cho hệ truyền động cơ cấu nâng hạ, trớc hết ta đi
phân tích khát quát những điểm cơ bản về yêu cầu trong truyền động của cơ cấu nâng hạ
cần trục.


Thứ nhất, về loại phụ tải: Đặc điểm của các động cơ truyền động trong cơ cấu cần
trục nói chung là đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có số lần (tần số) đóng
điện lớn.



Thứ hai, về yêu cầu đảo chiều quay: Động cơ truyền động cần trục, nhất là cơ cấu
nâng hạ, phải có khả năng đảo chuyền quay, có mômen thay đổi theo tải trọng rất rõ
rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng (không tải) mômen động cơ
không vợt quá (15 ữ 20)%Mđm; đối với cơ cấu nâng của cần trục ngoặm đạt tới 50%
Mđm



Thứ ba, yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ truyền động các cơ cấu của
máy nâng, yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm, đặc biệt đối với thang
máy và thang chuyên chở khách. Bởi vậy, mômen động trong quá trình hạn chế quá
độ phải đợc hạn chế theo yêu cầu của kỹ thuật an toàn. ở các máy nâng tải trọng,
gia tốc cho phép thờng đợc quy định theo khả năng chịu đựng phụ tải động của các
cơ cấu. Đối với cơ cấu nâng hạ cần trục, máy xúc gia tốc phải nhỏ hơn khoảng 0,2
m/s2 để không giật đứt dây cáp. Ngoài ra, động cơ truyền động trong cơ cấu này
phải có phạm vi điều chỉnh đủ rộng và có các đờng đặc tính cơ thoả mãn yêu cầu
công nghệ. Đó là các yêu cầu về dừng máy chính xác, nên đòi hỏi các đờng đặc tính

cơ thấp, có nhiều đờng đặc tính trung gian để mở hãm máy êm.



Thứ t, phạm vi điều chỉnh không lớn, ở các cần trục thông thờng D 3:1;ở các cần
trục lắp ráp (D= 10 ữ 1) hoặc lớn hơn. Độ chính xác điều chỉnh không yêu cầu cao,
thờng trong khoảng 5%.



Thứ năm, yêu cầu về bảo vệ an toàn khi có sự cố: Các bộ phận chuyển động phải có
phanh hãm điện từ, để giữ chặt các trục khi mất điện, bảo đảm an toàn cho ngời vận
hành và các bộ phận khác trong hệ thống sản xuất. Để đảm bảo an toan cho ngời và
thiết bị khi vận hành, trong sơ đồ không chế có các công tắc hành trình để hạn chế
chuyển động của cơ cấu khi chúng đi đến các vị trí giới hạn. Đối với cơ cấu nâng-hạ
thì chỉ cần hạn chế hành trình lên mà không cần hạn chế hành trình hạ.



Thứ sáu, yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cần trục không vợt quá 500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 220V, 380V; mạng một chiều là
220V, 44V. Điện áp chiếu sáng không vợt quá 220V. Không đợc dùng biến áp tự
ngẫu để cung cấp cho mạng chiếu sáng sửa chữa. Do đa số đều làm việc trong môi
trờng nặng nề, đặc biệt ở các hải cảng, nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim , sửa
chữa...Nên các khí cụ điện trong hệ thống truyền động và trang bị điện của các cơ
cấu nâng hạ cần trục yêu cầu phải làm việc tin cậy, bảo đảm về năng suất, an toàn
trong mọi điều kiện khắc nghiệt của môi trờng, hơn nữa lại phải đơn giản trong thao
tác.

Thứ bảy, phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng chủ yếu do tải trọng của bản thân cơ cấu và
vật nâng gây ra. Thờng có thể chia làm hai loại cơ cấu: loại có dây cáp một đầu và
loại có dây cáp hai đầu. Trong khuôn khổ đồ án này chỉ đề cập tới loại dùng cáp
một đầu đợc sử dụng rộng rãi trong các cần trục, palăng trong các phân xởng lắp
ráp.



Thứ tám, năng suất của máy nâng quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị và
số chu kỳ bốc, xúc trong một giờ. Số lợng hàng bốc xúc trong mỗi chu kỳ không
nh nhau và nhỏ hơn tải định mức, cho nên phụ tải đối với động cơ chỉ đạt (60 ữ
70%) công suất định mức của động cơ.
Trên đây là một số những đặc điểm và yêu cầu cơ bản nhất của cơ cấu nâng hạ cần
trục. Quá trình thiết kế sau này sẽ đi sát vào các đặc điểm đó.
II. Khảo sát đặc tính phụ tải.

GVHD:nguyễn quang địch

3

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
Khảo sát đặc tính của phụ tải hay của cơ cấu mà động cơ truyền động có ý nghĩa
quan trọng trong việc đa ra những lựa chọn hợp lý giữa phơng án truyền động cũng nh cân
nhắc khi lựa chọn động cơ. Vì trạng thái làm việc của truyền động phụ thuộc vào momen
quay (Mđ) do động cơ sinh ra và momen cản tĩnh (Mc) của phụ tải của máy quyết định.
Khảo sát cơ cấu nâng hạ ngời ta thấy rằng: Momen cản của cơ cấu sản xuất luôn
không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ có thay đổi thế nào. Nói

cách khác momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng có đặc tính
Mc=const 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 trọng gây ra. Khi tăng dự trữ thế năng (nâng tải) momen thế
năng có tác dụng cản trở chuyển động; tức là hớng ngợc chiều quay động cơ. Khi giảm thế
năng (hạ tải), momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, nghĩa là nó hớng theo
chiều quay động cơ.
Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ nh sau:



MC
M

H2: Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nângTừ đặc tính cơ củahạcơ cấu phụ tải ta có một số nhận xét sau:
Có thể có hai trạng thái hạ tải.
+ Hạ động lực
+ Hạ hãm.
Hạ động lực đợc dùng khi hạ những tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải trọng sinh ra
không đủ để thắng lực ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ động cơ.
Hạ hãm đợc dùng khi hạ những tải trọng lớn. Khi đó momen do tải trọng sinh ra lớn
hơn mô men ma sát nên gây ra chuyển động của hệ thống. Máy điện phải làm việc ở chế độ
hãm để giữ cho tải trọng rơi với vận tốc ổn định (tức là chuyển động không có gia tốc).


Khi hạ tải ứng với trạng thái máy phát của động cơ thì M đ là mômen hãm, Mc là mô
men gây chuyển động.



Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai mômen đều gây chuyển động.

Ta có : h = 2

1
c

Do vậy :
Đối với những tải trọng tơng đối lớn (tơng ứng với c > 0,5), ta có h >0, Mh >0. Điều
này có nghĩa là momen động cơ ngợc chiều với momen phụ tải, động cơ làm việc ở
trạng thái hãm (hạ hãm). Khi tải trọng tơng đối nhỏ c <0,5 thì h < 0; Mh <0. Điều này
có nghĩa là momen động cơ cùng chiều với momen phụ tải để cùng khắc phục lực ma
sát trong cơ cấu truyền lực.

GVHD:nguyễn quang địch

4

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
Nh vậy, trong mỗi giai đoạn nâng, hạ tải thì động cơ cần phải đợc điều khiển để làm
việc đúng với các trạng thái làm việc ở chế độ máy phát hay động cơ sao cho phù hợp với
đặc tính tải. Phụ tải của cần trục có thể biến đổi từ 0 (khi hạ hoặc nâng móc câu không tải)
đến những giá trị rất lớn. Phức tạp lớn hơn cả là các điều kiện hạ tải. Khi hạ không tải,
trọng lợng của móc câu không đủ để bù lại các lực ma sát trong truyền động, nên động cơ
phải sinh ra một momen nhỏ theo chiều hạ. Khi hạ những tải trọng lớn, không những các
lực ma sát đợc khắc phục hết mà động cơ còn bị tải trọng kéo quay theo chiều tác dụng của
nó. Khi đó, muốn hạn chế và điều chỉnh tốc độ, ta phải sử dụng các phơng tiện nhất định.
III.Các công thức cần thiết dùng tính toán cơ cấu nâng-hạ
Từ phân tích đặc điểm công nghệ của cơ cấu cần trục nâng-hạ, ta nhận thấy chu kỳ

làm việc của cơ cấu nâng thờng bao gồm các giai đoạn: Hạ không tải, nâng tải, hạ tải và
nâng không tải. Giữa các gia đoạn đó có những thời gian nghỉ. Dựa vào nhiệm vụ cụ thể
của cơ cấu mà xác định chu kỳ làm việc. Dới đây xin tổng kết lại các công thức cần thiết
trong tính toán cơ cấu này.


Giai đoạn hạ không tải:
M h0 =



M h 0 . h
(kW).
1000

(G + G0 ).Rt
u.i. c

(N.m);

Pn =

(G + G0 ).v n
(kW)
6120. c

Pn =

M h . h
(kW)

1000

Pn 0 =

G0 .v n
(kW)
6210. c

Giai đoạn hạ có tải:
Mh =



Ph 0 =

Giai đoạn nâng có tải:
Mn =



G0 .Rt
1
(2 ) (N.m)
u.i
c

(G + G0 ).R t
1
(2 ) (N.m)
u.i

c

Giai đoạn nâng không tải:
M n0 =

G0 .Rt
(N.m)
u.i. c

GVHD:nguyễn quang địch

5

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


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

GVHD:nguyễn quang địch

6

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


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

Chơng II

tính công suất động cơ truyền động

Chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động là một khâu quan trọng
trong quá trình tiến hành thiết kế hệ thống. Việc chọn công suất động cơ bao hàm cả việc
chọn loại động cơ.
I.
Chọn loại động cơ.
Phân tích vấn đề chọn loại động cơ trong truyền động cần trục liên quan đến giá
thành lắp đặt, khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.
Trong lĩnh vực truyền động cần trục trớc kia, động cơ điện một chiều kích thích nối
tiếp đợc dùng rất phổ biến trong cần trục. Sở dĩ nh vậy là bản thân loại động cơ này có
những u điểm mà các loại động cơ không đồng bộ và đồng bộ không có đợc, đặc biệt là
những yêu cầu rất đặc trng của một số lĩnh vực truyền động. Trớc hết vì nó dùng nguồn một
chiều nên nó yêu cầu số lợng thanh trợt ít so với các loại động cơ khác. Đối với truyền động
nâng, động cơ này đảm bảo đợc những tốc độ hạ ổn định (hoặc lớn hoặc nhỏ) cho mọi tải
trọng.
Tuy nhiên hiện nay, đợc sự hỗ trợ của các thiết bị công suất, cùng với những đặc điểm
nh: rẻ, cấu tạo đơn giản, tin cậy, hiệu suất cao thì động cơ không đồng bộ đã thay thế hầu
hết các loại động cơ điện một chiều trong lĩnh vực này. Thực vậy, nhờ những tiến bộ sâu sắc
của lĩnh vực vi điện tử và điện tử công suất mà càng có nhiều thiết bị cho phép khắc phục
nhợc điểm của động cơ không đồng bộ, cụ thể là ngời ta đã tạo ra đợc tất cả những đặc tính
cơ thoả mãn hầu hết quá trình công nghệ khắt khe nhất, đồng thời lại cho phép hạ giá thành
vận hành và lắp đặt. Mặt khác, việc dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng tiện lợi
do việc dùng nguồn xoay chiều 3 pha vốn sẵn có trong công nghiệp.
Từ những lý do trên ta chọn loại động cơ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ là loại động
cơ không đồng bộ.
II. Chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động.
Ta có số liệu cho trớc :
- Trọng lợng của tải trọng : Gđm =90 tấn
- Trọng lợng của bộ lấy tải : G0 = 0,5 tấn
- Bán kính của tang nâng :Rt = 0.4 m .
- Tốc độ di chuyển : v=0,06 ữ 0,6 m/s

-

Hiệu suất cơ cấu : =0,8

- Tỉ số truyền : i=80
- Chọn chiều dài cần vận chuyển là L=100 m
Nh đã biết, động cơ muốn kéo đợc tải thì cần phải sinh ra một momen M Đ có khả
năng khắc phục đợc momen tải của cơ cấu sản xuất. MĐ Mpt.
Muốn xác định đợc công suất động cơ, cũng tức là tìm đợc MĐ, cần phải có điều kiện
ban đầu. Đó là các điều kiện:
+ Phải có biểu đồ phụ tải tĩnh của cơ cấu sản xuất mà động cơ sẽ phục vụ dới dạng:
IC=f(t), MC=f(t) hoặc PC=f(t) đã tính quy đổi về trục động cơ.
+ Phải có biểu đồ phụ tải biến thiên tốc độ trong quá trình làm việc.
Vì vậy, trớc hết ta đi tiến hành xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh.
1. Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh.
Theo kết quả phân tích ở trên, chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng-hạ thờng gồm: hạ
không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Dựa vào các công thức đã thiết lập ở
phần trên ta tiến hành các bớc tính toán.
Khi tải trọng nâng là định mức Gđm=90T.
+ Mô men động cơ khi nâng tải:

GVHD:nguyễn quang địch

7

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
(G + G0 ).Rt (90 + 0,5).0,4.1000

=
= 565,6 KGm = 5548,5 Nm
i.u.c
80.1.0,8
+ Mô men động cơ khi hạ tải:
Mn =

(G + G0 ).Rt
1
(90 + 0,5).0,4.1000
1
(2 ) =
(2
) = 339,4 KG.m = 3329,5 N .m
i.u
c
80.1
0,8
Khi không tải, tức là động cơ khi đó chỉ nâng một lợng tải trọng là của chính
bản thân cơ cấu.
Ta có dựa theo đồ thị quan hệ c theo tải trọng: c 0 = 0,21
G0 .Rt 0,5.0,4.1000
=
= 11,9 KG.m = 116,7 N .m
M n0 =
i. c 0
80.0,21
G0 .Rt
1
0,5.0,4.1000

1
(2
)=
(2
) = 6,9 KG.m = 67,7 N .m
M h0 =
i
c0
80
0,21
Từ kết quả tính momen hạ lúc không tải ta cũng thấy rõ là Mh0 < 0; nghĩa là khi
đó cơ cấu làm việc ở trạng thái hạ tải động lực.
Từ đó ta xây dựng sơ bộ biều đồ phụ tải nh sau:
Mh =

+ Vận tốc nâng: vn = 0,06 ữ 0,6 m/s.Do đó ta chọn tốc độ năng vn = 0,3 m/s
+ Chiều cao nâng: H=8 m.
+ Chiều dài phân xởng Là L=100 m .
+ Chọn vận tốc của xe cầu là 1 m/s .
Trong giai đoạn tính toán sơ bộ để chọn động cơ ta bỏ qua thời gian mở và hãm máy.
Mặt khác nếu coi tốc độ làm việc của cả 4 giai đoạn trên là nh nhau thì:
Chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ bao gồm 4 giai đoạn chính: Hạ không tải, nâng
tải, hạ tải và nâng không tải. Giữa các giai đoạn trên còn có thời gian nghỉ.
+ Tỷ số truyền:
i=

2Rt n
iv
80.1.0,3.60
n=

=
= 573v / ph
v
2Rt
2. .0,4

Giả thiết tốc độ làm việc và chiều cao nâng hạ trong các giai đoạn nh sau:
H
8
=4
= 107 s
V
0.3
Thời gian xe cầu chuyển động chính là thời gian nghỉ caủa chuyển động nâng hạ cầu trục

T

lv

:

T

nghi

=4

l
100
= 2. . = 2.

= 200 s
v
1

TCK = Tlv + Tnghi = 107 + 200 = 307 s

GVHD:nguyễn quang địch

8

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
Hệ số tiếp điện tơng đối.
TD% =

Tlv
107
.100% =
.100 = 34,85%
TCK
307

Vậy ta chọn hệ số tiếp điện TD% = 25 %
Mô men đẳng trị tính trên trục động cơ:
4

M dt =
m

M
i =1

2
i

.t i

Tck

=

N
(5548,5 2 + 3329,5 2 + 116,7 2 + 67,7 2 ).26,7
= 1908,7
307

+ Công suất động cơ chọn sơ bộ sẽ là:

M dt .ndm 1908,7 ì 573
=
= 114,5kW
9550
9550
Từ kết quả tính toán ở trên ta lựa chọn sơ bộ loại động cơ xoay chiều rô to dây
quấn, làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có thời gian đóng điện tơng đối tiêu
chuẩn =25%. Do đó, công suất quy đổi tơng ứng:
Pc =

Pqd = Pdc .

% pt
% tc

= 114,5.

GVHD:nguyễn quang địch

25%
= 114.5kW
25%

9

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


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

Chơng III

Chọn phơng án truyền động
Chọn phơng án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn
công suất động cơ, từ đó tìm ra một phơng án khả thi đáp ứng đợc cả yêu cầu về đặc tính kỹ
thuật và kinh tế với công nghệ đặt ra. Lựa chọn phơng án truyền động tức là phải xác định
đợc loại động cơ truyền động là một chiều hay xoay chiều, phơng pháp điều chỉnh tốc độ
phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động.
Để giải quyết vấn đề trên, trớc hết ta đi phân tích các đặc tính kinh tế kỹ thuật của các
phơng pháp điều chỉnh động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha.

I. Khảo sát các phơng án truyền động
Việc xây dựng một hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ càu trục khá đa dạng ,có bao
nhiêu phơng án truyền động cho động cơ thì có bấy nhiêu phơng án xây dựng truyền động
cho cơ cấu nâng hạ của cầu trục .Đây cũng là nguyên nhân giảI thích sự đa dạng của hệ
thống cầu trục hiện nay,mỗi phơng án đều có những u nhợc điểm riêng của nó do đó mỗi
phơng án có khả năng khả thi riêng.Cho nên ở đây chúng ta chỉ khảo sát mang tính tơng đối
các phơng án có thể có đối với đề tài đợc giao.
1. Hệ điều chỉnh điện áp động cơ.
a. Nguyên lý:
Theo lý thuyết máy điện, ta có quan hệ giữa mô-men và điện áp đặt vào Stato động cơ
nh sau:
2

M=

3.U f 1 .R 2 '
2


R2 '
1 R1 +
+ X n.m 2 .s
s



Nh vậy, ở một tần số nhất định, mô-men của động cơ KĐB tỷ lệ với bình phơng điện
áp đặt vào phần cảm (stato). Do đó, ta có thể điều chỉnh tốc độ đ/c KĐB bằng cách điều
chỉnh điện áp stato trong khi giữ nguyên tần số. Để thực hiện đợc điều này ngời ta dùng
các bộ biến đổi điện áp xoay chiều (ĐAXC).

Thực tế, hầu hết các động cơ KĐB có tốc độ trợt tới hạn (ứng với đặc tính cơ tự
nhiên) nhỏ, khi dùng điều chỉnh tốc độ sẽ bị hạn chế vì dải điều chỉnh hẹp. Ngoài ra, khi
giảm áp, mô-men động cơ còn bị giảm nhanh theo bình phơng điện áp. Vì lý do này mà
phơng pháp này ít đợc dùng cho động cơ KĐB roto lồng sóc mà thờng kết hợp với việc
điều chỉnh mạch roto đối với động cơ KĐB roto dây quấn nhằm mở rộng dải điều chỉnh.
b. Đánh giá về phạm vi ứng dụng:
+ Vì việc giảm điện áp đặt vào stato động cơ, trong khi giữ f=const không làm thay
đổi tốc độ không tải lý tởng, nên khi tăng điện trở phụ ở roto, tốc độ động cơ giảm, độ
trợt tới hạn tăng lên kéo theo tăng tổn hao công suất trợt của động cơ:
Ps = M c ( 1 ) = Pdt .s
+ Cùng với lý do trên, do phạm vi điều chỉnh phụ thuộc vào giá trị điện trở phụ đa
vào mạch roto nên yêu cầu đối với hệ cần phạm vi điều chỉnh rộng sẽ mâu thuẫn với việc
giảm tổn thất điều chỉnh đối với tất cả các hệ truyền động. Tốc độ động cơ càng thấp (s
càng lớn), nhất là trong trờng hợp điều chỉnh sâu tốc độ, thì tổn hao công suất trợt càng
lớn.
Do có nhiều hạn chế nh trên nên vấn đề điều chỉnh điện áp stato để điều khiển tốc độ
động cơ chỉ đợc ứng dụng hạn hẹp. Hiện nay, nó thờng ứng dụng làm bộ khởi động mềm
(softstartor) với mục đích thay thế các bộ khởi động có cấp dùng rơ-le, công-tắc-tơ cho
các động cơ công suất lớn và rất lớn so với lới tiêu thụ chung. Trong phạm vi này nó cho
phép tạo ra các đờng đặc tính khởi động êm, tránh việc gây sụt áp lới, làm ảnh hởng đến
các tải khác khi các động cơ công suất lớn khởi động. Trong ứng dụng vào điểu chỉnh nó
chỉ phù hợp với hệ truyền động với các phụ tải có mô-men là hàm tăng theo tốc độ (nh
quạt gió, bơm ly tâm).

GVHD:nguyễn quang địch

10

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47

Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
Lý thuyết chứng minh là đối với hệ truyền động có mô-men tải không đổi (M c=const)
thì tổn thất sẽ rất lớn khi điều chỉnh. Vì vậy, việc xem xét phơng án truyền động dùng
phơng pháp điều chỉnh điện áp stato đối với hệ truyền động nâng-hạ cần trục là không
có ý nghĩa; điều đó có nghĩa là phơng án dùng điều chỉnh điện áp bị loại bỏ trong đồ án
này.
2. Hệ điều chỉnh công suất trợt động cơ.
a. Nguyên lý điều chỉnh:
Theo kết quả nghiên cứu máy điện không đồng bộ thì công suất điện lấy ra từ mạch
roto, đợc gọi là công suất trợt, tỷ lệ với độ trợt s. Theo cách tính tổn thất khi điều chỉnh
thì công suất này bằng:
Ps = M c .( 1 ) = M c . 1 .s = Pdt .s


s=

Ps
Pdt

Nh vậy theo biểu thức trên thì nếu ta bảo đảm giữ công suất đa và mạch stato là
không đổi, thì công suất điện từ Pđt cũng không đổi. Khi đó bằng cách nào đó ta thay đổi
đợc tổn hao công suất trong mạch roto thì ta sẽ thay đổi đợc độ trợt s; tức là ta điều
chỉnh đợc tốc độ động cơ. Đây chính là tinh thần của việc điều chỉnh công suất trợt.
Trong thực tế việc thay đổi Ps có nhiều cách, đơn giản nhất là sử dụng điện trở phụ
đa và mạch roto làm tăng tổn thất. Việc này đối với các hệ thống truyền động công suất
nhỏ thì không có vấn đề gì, nhng với hệ truyền động công suất lớn thì các tổn hao là
đáng kể. Vì vậy để tận dụng công suất trợt ngời ta dùng các sơ đồ nối tầng nhằm đa
công suất trợt trở lại lới hoặc biến thành cơ năng hữu ích quay trục động cơ nào đó, khi
đó ta có hệ truyền động nối cấp đồng bộ. Dới đây xin giới thiệu một sơ đồ nguyên lý của

một hệ nối cấp:
Trong sơ đồ này thì sức điện động roto đợc chỉnh lu thành điện áp một chiều qua bộ
chỉnh lu cầu diode và qua điện kháng lọc cho nguồn dòng cấp cho bộ nghịch lu phụ
thuộc.Nghịch lu làm việc với góc điều khiển từ 90o đến khoảng 140o , điều chỉnh góc
điều khiển trong khoảng này ta sẽ điều chỉnh đợc sức điện động chỉnh lu trong mạch
roto; tức là điều chỉnh đợc tốc độ không tải lý tởng của động cơ. Đặc tính cơ điều chỉnh
của hệ nối tầng van điện đợc dựng qua việc thay đổi góc điều khiển của nghịch lu đợc
dựng nh hình vẽ; trong đó do ảnh hởng của điện trở stato, điện trở mạch một chiều và
điện kháng tản của máy biến áp (MBA) cũng nh sụt áp do chuyển mạch của nghịch lu và
chỉnh lu nên các đặc tính có độ cứng và mô-men tới hạn nhỏ hơn độ cứng và mô-men tới
hạn của đặc tính tự nhiên.

ĐC

CL điot

MBA

NL phụ thuộc

b. Đánh giá và phạm viH3.2:
ứng dụng:
Sơ đồ nguyên lý nối tầng van
điện
+ Nh đã phân tích ở trên
việc sử dụng sơ đồ nối cấp chỉ có ý nghĩa trong hệ truyền
động với công suất lớn (thờng cỡ trên 500kW), vì khi đó công suất trợt đa về mới là
đáng kể và việc đầu t cho các bộ biến đổi mới thoả đáng, không lãng phí.

GVHD:nguyễn quang địch

11

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
+ Việc tái sử dụng công suất trợt rõ ràng làm tăng hiệu suất của hệ thống lên; việc
điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh lợng công suất đa về có thể đạt đợc những chỉ
tiêu điều chỉnh tốt nh êm,dải điều chỉnh khá rộng; tuy có hạn chế là mô-men tới hạn có
suy giảm so với tự nhiên, mô-men của động cơ bị giảm khi tốc độ thấp.
+ Một vấn đề nữa là đối với các hệ thống công suất lớn vấn đề quan trọng là khởi
động động cơ, thờng dùng điện trở phụ kiểu chất lỏng để khởi động động cơ đến vùng
tốc độ làm việc sau đó mới chuyển sang chế độ điều chỉnh công suất trợt. Vì vậy mà
việc sử dụng hệ thống này chỉ phù hợp với các hệ truyền động có số lần khởi động,
dừng máy và đảo chiều ít hoặc tốt nhất là không có đảo chiều.
Từ những đánh giá trên, đối chiếu với đặc điểm của hệ truyền động nâng hạ cần trục
nêu ở chơng đầu cùng với kết quả tính công suất động cơ ở chơng hai ta loại bỏ việc sử
dụng phơng án này cho hệ truyền động của ta. Cụ thể là có hai lý do cơ bản sau:
+ Hệ truyền động của ta làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có đảo chiêu quay
+ Công suất động cơ tính ra thuộc loại không lớn nên vấn đề đầu t cả hệ nối tầng là
không hiệu quả về mặt kinh tế.

GVHD:nguyễn quang địch

12

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47

Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
3. Hệ điều chỉnh tần số động cơ KĐB.
a. Nguyên lý điều chỉnh:
2f 1
điều đó có nghĩa là thay đổi
p
tần số sẽ làm tốc độ từ trờng quáy và do đó dẫn đến tốc độ động cơ thay đổi. Dạng
đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi tần số đợc trình bày dới hình vẽ sau:
+ Từ đặc tính cơ ta thấy khi tần só tăng
( f>fđm), thì mô-men tới hạn lại giảm (với điện
áp giữ không đổi), cụ thể là:
Theo lý thuyết máy điện ta có biểu thức: : 1 =

M th

1
f1

fđm

2

+ Trong trờng hợp tần số giảm, nếu giữ
nguyên điện áp thì dòng điện động cơ tăng (do
f giảm X=2fL cũng giảm I tăng), gây
ảnh hởng xấu đến các chỉ tiêu của động cơ. Vì
M
vậy để bảo đảm một số chỉ tiêu mà không làm
động cơ bị quá dòng cần phải điều chỉnh cả
điện áp động cơ, cụ thể là giảm điện áp cùng

với việc giảm tần số theo quy luật nhất định.
H3.3: Đặc tính cơ của động cơ KĐB
b. Đánh giá và phạm vi ứng dụng
khi điều chỉnh tần số.
+ Từ đặc tính cơ của động cơ khi điều chỉnh
nguồn ta có nhận xét là: Nếu đảm bảo đợc luật
điều chỉnh điện áp tần số thì ta có mọi đờng đặc tính cơ mong muốn khi giảm tần số.
Nghĩa là phơng pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp kết hợp với việc điều chỉnh điện
áp stato mở ra khả năng áp dụng cho mọi yêu cầu truyền động.
+ Do có khả năng linh hoạt trong việc điều chỉnh cả tốc độ không tải lý tởng và tốc
độ trợt tới hạn; cụ thể là khi tốc độ trợt giảm thì tốc độ không tải cũng giảm với tỷ lệ tơng ứng nên phơng pháp này cho phép tổn thất điều chỉnh nhỏ nhất.
+ Vì việc điều chỉnh tần số yêu cầu phải điều chỉnh cả điện áp nên việc tìm ra quy
luật điều chỉnh và trang bị thiết bị điều chỉnh , biến đổi công suất phức tạp ; nói chung
giá thành các bộ biến tần có đắt hơn giá thành của các bộ biến đổi trang bị cho các phơng pháp điều chỉnh khác.
Từ những phân tích đánh giá trên ta thấy rằng việc chọn phơng án truyền động dùng
phơng pháp điều chỉnh tần số là hoàn toàn có cơ sở vì tính kinh tế khi vận hành cũng nh
đáp ứng đợc yêu cầu truyền động cần trục.

GVHD:nguyễn quang địch

13

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
4. Hệ điều chỉnh xung điện trở rôto.
a. Nguyên lý điều chỉnh: Trớc hết cần phải nói rằng việc điều chỉnh điện trở roto chỉ
áp dụng đợc với động cơ roto dây quấn chứ không sử dụng đợc cho động cơ roto lồng
sóc.

Nh đã biết, với động cơ roto dây quấn, ta có thể thay đổi đợc độ cứng của đờng đặc
tính cơ bằng cách đa điện trở phụ vào mạch roto động cơ. Thực chất của phơng pháp này
là điều chỉnh công suất trợt; công suất trợt ở đây đợc lấy bớt ra và đợc biến thành tổn
hao nhiệt năng vô ích trên điện trở.
+ Vì độ trợt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở roto nên:

s 0th
R2
R
=
= 2
sth
R2 + R f
Rrd

Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ, tức là đoạn có độ trợt từ s=0 ữ sth, là
tuyến tính thì khi điều chỉ điện trở roto ta có thể viết:
s 0 s 0th
R
R
=
= 2 s = s 0 . rd
s
sth
Rrd
R2
trong đó: s0 _ là độ trợt tới hạn khi điện trở roto là R2 (tức điện trở tự nhiên ở mạch
roto); còn s _ là độ trợt khi điện trở roto là Rrd=R2+Rf.
Theo biểu thức mô-men thì:
2

M =

3U 1 f .

R2 '
s

2

3I .R
= 2 rd
1 .s 0

R2 '
2
) + X n.m ]
s
Nh vậy, khi thay đổi điện trở roto, nếu giữ dòng roto I2 không đổi thì mo-men không
đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì vậy, phơng pháp điều chỉnh tốc độ động
cơ bằng cách thay đổi điện trở roto rất thích hợp với hệ truyền động có mô-men tải
không đổi (x=0). Thực tế, việc thay đổi điện trở roto dùng cấp điện trở ngày nay ít dùng,
vì vừa có hiệu suất thấp, độ trơn điều chỉnh kém, đặc tính điều chỉ lại dốc. Vì thế điều
chỉnh xung điện trở roto dùng van bán dẫn với các mạch vòng điều chỉnh sẽ tạo đợc đặc
tính điều chỉnh cứng và đủ rộng; mặt khác lại dễ tự động hoá việc điều chỉnh.

.[( R1 +

GVHD:nguyễn quang địch

14

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
Nguyên lý cơ bản của bộ điều chỉnh xung điện trở roto nh sau:
Rtd

t



M

Hoạt động đóng
cắt Sơ
củađồ
khoá
bán dẫn
S tơng
tự nh
điềutính
chỉnh
xung áp một
H3.2:
nguyên
lý, hoạt
động
vàmạch

các đặc
điều
chiều:
chỉnh bằng phơng pháp xung điện trở roto.
+ Khi S đóng: R0 bị loại ra khỏi mạch phần ứng, dòng roto tăng lên.
+ Khi S ngắt: R0 đợc đa vào mạch, dòng roto lại giảm.
Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ điện cảm L mà dòng roto coi nh không đổi và ta
có một giá trị điện trở tơng đơng Rtd trong mạch.
Rtd = R0 .

td
t
= R0 . d = .R0
t d + t ng
Tck

Điện trở tơng đơng Rtd trong mạch một chiều đợc tính quy đổi về mạch xoay chiều ba
pha ở roto theo nguyên tắc bảo toàn công suất. Kết quả tính quy đổi đợc:
R
1
R f = .Rtd = . 0
2
2
Nh vậy, điều chỉnh chu kỳ đóng ngắt của S ta thay đổi đợc và từ đó thay đổi đợc Rf.
Cho =0 ữ 1, ta dựng đợc họ các đặc tính cơ tơng ứng quét gần nh mặt phẳng giới hạn
bởi đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf=R0/2.

GVHD:nguyễn quang địch

15

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
b. Đánh giá và phạm vi ứng dụng:
Có thể nói việc sử dụng phơng pháp xung điện trở roto trong điều chỉnh truyền động,
về mặt lý thuyết, là một phơng pháp đơn giản nhất, dễ thực hiện và vận hành; mạch điều
chỉnh cũng rất đơn giản là gồm hai mạch vòng điều chỉnh (tốc độ và dòng điện).
+ Phơng pháp này nh đã phân tích ở trên cũng rất phù hợp với phụ tải có mô-men
không đổi nh cơ cấu nâng-hạ cần trục. Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có
mô-men khởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto
trong giai đoạn khởi động; cho phép điều chỉnh trơn và dải điều chỉnh rộng nếu ta tăng
điện trở R0 kết hợp với việc dùng một tụ bổ trợ cho việc mở rộng phạm vi điều chỉnh.
Mặt khác, việc điều chỉnh đợc tiến hành ở mạch roto nên không gây ảnh hởng đến công
suất động cơ tiêu thụ đa vào stato; tức là không gây ảnh hởng đến lới điện và tải khác
khi động cơ khởi động nh ở phơng pháp điều chỉnh điện áp stato.
+ Tuy vậy, nh đã đề cập ở trên, thực chất của phơng pháp cũng dựa vào việc điều
chỉnh công suất trợt nên tổn hao trong khi điều chỉnh không thể tránh khỏi. So với phơng
pháp nối cấp nó có cấu trúc đơn giản hơn, ít vốn đầu t hơn, nhng lại có tổn thất khi điều
chỉnh lớn hơn lại bị tiêu hao vô ích nên nó chỉ sử dụng cho các động cơ có công suất nhỏ
và trung bình .
Phân tích u và nhợc điểm của phơng án dùng điều chỉnh xung điện trở roto cho hệ
truyền động cơ cấu nâng hạ cần trục ta thấy rằng đây là một phơng án khả thi, ta sẽ xem
xét khả năng sử dụng khi so sánh với phơng pháp biến tần sẽ đợc trình bày dới đây.
II. So sánh giữa các phơng án khả thi
ở phần trên ta đã đi khảo sát những nét đặc thù của mỗi phơng pháp truyền động cho
hệ xoay chiều ba pha và đã đi đến kết luận là chỉ có hai phơng án là phù hợp với yêu cầu
truyền động cần trục. Đó là:

Phơng án truyền động bằng phơng pháp xung điện trở roto dùng động cơ roto dây quấn.



Phơng án truyền động bằng phơng pháp biến tần sử dụng động cơ roto lồng sóc.
Để chọn ra một phơng án thích hợp về tính kinh tế và kỹ thuật cũng nh chi phí vận
hành dới đây ta sẽ đi so sánh từng mặt của mỗi phơng án.
1.Về tính đơn giản trong điều chỉnh.
Về mặt này rõ ràng phơng pháp xung điện trở roto chiếm u thế hơn. Nh nguyên lý
đã đề cập ở phần trên thì ta chỉ việc thiết kế bộ điều chỉnh xung để đóng cắt mạch
điện trở ro to là có thể điều chỉnh đợc tốc độ động cơ. Với phơng pháp điều chỉnh tần
số ta còn phải kết hợp với điều chỉnh điện áp theo một quy luật nhất định; điều này
làm phức tạp lên rất nhiều so với phơng pháp xung điện trở.
2.Về hiệu suất điều chỉnh, dải điều chỉnh và khả năng khởi động, khả năng đảo chiều.
Nh đã biết phơng pháp điều chỉnh điện trở roto thực chất là phơng pháp điều
chỉnh công suất trợt, nhng ở đây công suất mạch roto không đợc đa tái sinh về nguồn
hoặc sử dụng hữu ích mà lại bị tiêu tốn vô ích trên điện trở roto. Vì vậy ph ơng pháp
này thực tế cho hiệu suất điều chỉnh thấp (chỉ đạt cỡ 10%); dải điều chỉnh D =10 ữ 1;
đặc biệt hiệu suất điều chỉnh lại tỷ lệ nghịch với vùng điều chỉnh. Còn phơng pháp
điều chỉnh tần số có khả năng giữ cho tổn thất công suất là hằng nên tổn thất điều
chỉnh nói chung là thấp nhất trong các phơng pháp áp dụng cho hệ truyền động xoay
chiều.
Cả hai phơng pháp đều cho phép có đợc momen khỏi động lớn, đều có khả năng
khởi động với momen bằng momen tới hạn làm việc nhịp nhàng ở hai góc phần t (I &
IV); tức là có khả năng đảo chiều và hãm tái sinh. Nhng với phơng pháp dùng biến
tần ta có thể điều khiển việc đảo chiều kết hợp với việc điều chỉnh xung mở các van
bán dẫn trong bộ biến đổi nên khả năng tự động hoá điều chỉnh cao hơn.
3.Về tính kinh tế của phơng pháp truyền động.
Phơng án dùng bộ biến tần để điều chỉnh động cơ roto lồng sóc thực tế là phơng án

truyền động kinh tế. Mặc dù giá thành các bộ biến đổi tần số có đắt hơn so với giá
đầu t cho bộ điều chỉnh xung; nhng bù lạ động cơ kéo tải lại dùng động cơ roto lồng
sóc với tín đơn giản về kết cấu, vận hành tin cậy giá thành hạ hơn so với động cơ roto

GVHD:nguyễn quang địch

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47

16


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
dây quấn sử dụng với bộ điều chỉnh xung. Với môi trờng làm việc nặng nề của động
cơ truyền động cần trục thì việc xem xét khả năng sử dụng động cơ roto lồng sóc là
hợp lý.Ngợc lại phơng pháp điều chỉnh công suất trợt động cơ lại hữu dụng đối với
phụ tảI nhỏ và đơn giản.
4.Về lĩnh vực ứng dụng, tính tin cậy trong vận hành.
Do khả năng điều chỉnh tần số đa đến khả năng có mọi đặc tính cơ mong muốn
nên thực tế phơng pháp điều chỉnh tần số có thể áp dụng cho mọi yêu cầu truyền
động. Điều đó có nghĩa là việc sử dụng nó cho truyền động cần trục là điều hiển
nhiên.
Xét về mặt lý thuyết thì phơng pháp điều chỉnh xung điện trở dùng ít thiết bị hơn
trong bộ biến đổi nên có tính tin cậy hơn. Nhng thực tế các van sử dụng trong bộ
xung áp phải làm việc với tần số đóng mở lớn, lại chịu dòng roto thực tế không bằng
phẳng nên luôn làm việc ở chế độ quá độ do vậy mà khả năng hỏng là tăng lên độ
an toàn tin cậy kém.Nhợc diểm này trớc đây là một trở ngại lớn ,tuy nhiên hiện nay
khi mà các thiết bị điện tử công suất đang có những bớc phát triển mạnh thì nhợc
điểm này đang dần đợc hạn chế và không đáng lo ngại.
Phơng án dùng biến tần không chỉ cho phép vận hành tin cậy nhờ sử dụng động cơ
roto dây quấn mà ngay bản thân bộ biến tần nhờ những tiến bộ đột phá của thiết bị

công suất hiện nay dẫn đến khả năng làm việc tin cậy hơn. Tuy giá thành của các bộ
biến tần hiện nay đã rẻ đi rất nhiều so với thời kỳ đầu, nhng vẫn còn cao, đặc biệt là
khi xẩy ra hỏng hóc việc sửa chũa là rất tốn kém và thờng làm giảm chất lợng của bộ
biến tần

KL: Từ những so sánh trên cùng với việc xem xét khả năng thực tế hiện
nay có thể quyết định chọn phơng án truyền động dùng xung điện trở roto

I. Chọn động cơ truyền động.
1. Chọn sơ bộ loại động cơ.
Từ kết quả phân tích và kết quả tính toán ở chơng II, tra theo catalog, ta tra đợc
các thông số của động cơ cần chọn theo điều kiện:
PđmĐ Pqđ = 114,5 kW.
nđmĐ n=573 v/ph.
đc=25% ; tc=25% ;
Loại động cơ: MTH 713-10, roto dây quấn , phục vụ cần trục:
=25% ; Pđm=160kW ; nđm=587 v/ph ; cosđm=0,68 ; coskhông tải=0,04
I1.đm=395A;I1.không tải=285A;r1=0,012 ;x1=0,061;
r2=0,022
M th
= 2,8
M dm

;x2=0,098 ;J=15 kgm2
M kd
= 2,3
M dm

I2=235A

;G=1900kg;

kr=ke2=0,842 .

I kd
n
= 7,5 ; 0 dm = 2,5
I 1dm
ndm

2. Kiểm nghiệm lại động cơ.
Việc tích chọn công suất động cơ ở trên là việc tính chọn sơ bộ, vì ở đó ta bỏ qua giai
đoạn mở và hãm máy. Để có thể khẳng định chắc chắn loại động cơ với các thông số ở trên
có đáp ứng đợc yêu cầu truyền động hay không ta cần phải tiến hành kiểm tra lại.

GVHD:nguyễn quang địch

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47

17


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
Yêu cầu của kiểm tra về tính chọn công suất nói chung thờng gồm các bớc sau:
+ Kiểm tra điều kiện khởi động.
+ Kiểm tra điều kiện phát nóng
+ Kiểm nghiệm quá tải mômen.
a. Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng.
Để kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng ta phải tiến hành xây dựng đồ
thị phụ tải toàn phần, bao gồm phụ tải tĩnh và phụ tải động. Tức là tính đến các giai

đoạn quá độ nh thời gian mở máy, hãm máy. Phụ tải động của động cơ phát sinh
trong quá trình quá độ và đợc xác định từ quan hệ:
d
dt
Trớc hết ta xác định mômen quán tính của chuyển động thẳng quy đổi sang trục
động cơ:
M dg = J c

365.G.v 2 365.1,9.10 3.0,3 2
GD n =
=
= 0,18kg.m 2 0.86
2
2
n
587
Mô-men quán tính của mỗi cặp bánh xe khía phân bố trên trục của động cơ là
2kGm2.
Vì gia tốc lớn nhất của cơ cấu nâng không đợc quá 0,2 m/s2, do đó thời gian mở
máy nhỏ nhất tơng ứng là:
tmm=vn/a = 5.vn = 5.0,3 =1,5 (s).
trong đó: vn _ là vận tốc nâng (m/s); a _ là gia tốc của cơ cấu khi khởi động (m/s2).
2

Đối với giai đoạn hạ, thì cho phép gia tốc khởi động khi hạ nhỏ hơn 0,6 ữ 0,7
(m/s2). Do đó thời gian hãm máy khi hạ không tải tơng ứng là:
tmh = v/a =5.0,3 = 1,5 (s).
Từ đó ta tính đợc mô-men d khi nâng tải định mức là:
Md =

1,2(15 + 0,18 + 2) ì 587
= 21,5kG.m
M,375
P ì 1,5

Mô-men cản lớn nhất của động cơ: Mmax = 565 + 21,5 = 586,5 kG.m = 5753,6 N.m
Mô-men d khi hạ không tải: Md.h0 = 586,5 6,9 =576,6kG.m
Mô-men d khi nâng không tải: Md.n0= 586,5 11,9 =574,kG.m
Thời gian mở máy khi hạ không tải:
t h0 =

1,2.(15 + 0,19 + 2) ì 587
= 0,056( s )
375 ì 576,6
t

và thời gian mở máy khi nâng không tải:
t n0 =

1,2(15 + 0,18 + 2) ì 587
= 0,056( s)
375 ì 574,6



t

GVHD:nguyễn quang địch

18

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


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

H3.4. Biểu đồ phụ tải M(t), P(t) và (t)

GVHD:nguyễn quang địch

19

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
b. Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải.
Kiểm nghiệm điều kiện quá tải, đối với động cơ không đồng bộ, cần xét đến hiện
tợng sụt áp của lới điện. Thông thờng, cho phép sụt áp 10%, nên mô-men tới hạn của
động cơ trong tính toán kiểm nghiệm chỉ còn:
Mth =(90%)2.Mth =0,81.Mth
(Mth _ là mô-men tới hạn theo số liệu của động cơ).
Từ số liệu tra đợc của động cơ đã chọn ta tính đợc:
+ Mô-men định mức của động cơ là:
M dm =

9550 ì Pdm 9550 ì 160
=
= 2603,1N .m
n dm

587

+ Mô-men lớn nhất của động cơ là:
M max D = 0,81 ì 2603,1 ì 2,8 = 5903,75 N .m
Giá trị mô-men này lớn lơn giá trị mô-men cản lớn nhất khi nâng tải định mức là
5753,6 N.m
Vậy động cơ đã chọn thoả mãn điều kiện quá tải mô-men.
c. Kiểm nghiệm theo điều kiện khởi động.
Ta có: M kd = 2,3 ì M dm = 2,3 ì 2603,1 = 5987,13 Nm
Trong khi đó mô-men cản tĩnh lớn nhất lúc khởi động là: Mc.max =5753,6 Nm.
Vậy: M kd M c. max , nghĩa là thoả mãn điều khiện về khởi động.

GVHD:nguyễn quang địch

20

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


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

Chơng IV

Thiết kế mạch lực
Chơng trớc chúng ta ta đã chọn phơng án truyền động là sử dụng xung điện trở roto với
việc sử dụng động cơ roto dây quấn do Nga sản xuất.Trong chơng này chúng ta sẽ tiếp tục
hoàn thiện với việc đi giải quyết phân tích chi tiết về sơ đồ mạch lực đợc chọn và tính các
phần tử dung trong mạch lực .
I. Mô tả toán học hệ điều chỉnh xung điện trở roto.
1.Phơng pháp điều chỉnh mạch điện trở mạch Roto truyền thống.

Đây là phơng pháp chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ Roto dây quấn, nhờ nối tiếp
cuộn dây Roto và điện trở nhờ bộ biến đổi mạch ngoài.
Rf

Shto

R2

Sht1

R2+Rf1
R2+Rf2

R2+Rf3

R2

0

Mc

Mth

M

Rf

Hình 3.1- Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở Roto và đặc tính cơ của động cơ KĐB
Ta có tổng trở một pha của mạch Roto là:
R = R 2 + R f

Trong đó:
R2:
Điện trở dây quấn của một pha Roto.
Rf:
Điện trở nối tiếp một pha Roto.
Phơng pháp này cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm. Độ ổn định của phơng pháp
này kém. Khi tốc độ giảm thì tốc độ đặc tính cơ tăng.
R2
Ta có: S th =
R12 + m2
S tho R 2
=
S th1 R
Nếu coi đoạn làm việc ổn định của đặc tính từ S = 0 đến S = S th là đờng thẳng thì ta
có thể vẽ lại độ trợt ứng với mômen nâng nh sau:
Vậy:

GVHD:nguyễn quang địch

21

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


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

C
S1
Sth1

A

S2

ShtE2

B

0

Mc

M

Hình vẽ 3.3

Xét hai tam giác CAD và CBE ta có:
S1
Mc
S
=
= 2
S th1 M max S th 1

S 2 S th 2 R
=
=
S 1 S th1 R 2
R
Suy ra: S2 = S1.

R2
Trong đó:
S1 độ trợt khi mạch Roto không có điện trở phụ.
S2 độ trợt khi mạch Roto có điện trở phụ.
Từ biểu thức
3 U 12f . R'
hay

2


R2
2
S 0 R S +
+ X nm

S


Ta nhận thấy rằng nếu giữ nguyên dòng điện Roto thì khi thay đổi mạch điện trở
R
Roto thì tỉ số 2 giữ không đổi có nghĩa là Momen không đổi khi tốc độ động cơ thay đổi
S
chỉ phụ thuộc vào điện áp. Do vậy phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay
đổi điện trở mạch Roto là phù hợp với cơ cấu nâng hạ.

M=

GVHD:nguyễn quang địch

22

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
2.Phơng pháp xung điện trở Roto.

R

Ro

t

CL

L
Ro

T

1
Ro
1

t

(b)

(a)

Hình 3-4. Xung điện trở Roto
a) Sơ đồ nguyên lý
b) Phơng pháp điều chỉnh
Nguyên lý làm việc:
Khi khoá K đóng điện trở trong mạch sẽ là R = R0
Khi khoá K mở thì điện trở trong mạch Roto là R Rt = 0. Nếu thời gian đóng cắt đợc
xác định là:
1
1
f=
=
tk + td T
Thì điện trở tơng đơng của mạch là:
t
t
Re = R 0 . K = R 0 . K = . R 0
tK + td
T
Trong đó:
tk:
là thời gian đóng khoá
td:
là thời gian dẫn (mở)
Vậy khi ta điều chỉnh tỷ số thời gian khoá tk và thời gian truyền động ta sẽ điều
chỉnh trơn giá trị điện trở trong mạch Roto.
Quá trình làm việc khi = 1 ( td = T) thì khoá K mở Rf = 0. Động cơ làm việc trên
đờng đặc tính cơ tự nhiên.
Khi = 0 (td = 0) thì khoá K đóng Rf = R0 động cơ làm việc trên đờng đặc tính cơ
nhàn tạo thấp nhất.

Nhận xét:
Việc thay đổi thời gian khoá, mở của van bán dẫn làm cho việc điều chỉnh dễ dàng
chuyển từ điều khiển có cấp sang vô cấp.

GVHD:nguyễn quang địch

23

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


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


f=1

f=0

0

độ

Mth

M

Hình 3-5: Đặc tính cơ của hệ điều chỉnh xung điện trở Roto.
Để mở rộng vùng điều chỉnh ngời ta mắc nối tiếp với điện trở một tụ C.
Giả thiết dung lợng tụ C là lớn để khi khoá K đóng thì Uc nhỏ.
Từ hệ phơng trình ta rút ra đợc.

t
Rtb = R0 . d
tk
Vậy ta có:
- Khi td = 0 thì Rtb = 0
- Khi tk = 0 thì Rtb =
Khi đó vùng điều chỉnh sẽ đợc giới hạn bởi đờng đặc tính cơ tự nhiên và các trục toạ



f=1

0

Mth

M

.
Hình 3-6: Đặc tính cơ khi điều chỉnh xung điện trở có tụ C

GVHD:nguyễn quang địch

24

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47


Thiết kế hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục
II.Tính toán mạch lực

1. Tính điện trở điều chỉnh: Việc tính toán điện trở điều chỉnh sẽ phụ thuộc rất nhiều vào
dải điều chỉnh tốc độ của phơng pháp điều chỉnh. Ta chọn trong đồ án này dải điều chỉnh là
D = 10 : 1
W
A

=1

B

M
=0

C
D

Hình 3-7: Đặc tính điều chỉnh xung điện trở Roto.
Giả sử bình thờng động cơ sẽ làm việc trên đờng đặc tính cơ tự nhiên. Khi điều
chỉnh động cơ sẽ làm việc trên toàn giải điều chỉnh với giới hạn đặc tính cơ điều chỉnh thấp
nhất (đờng 5)
Ta có tốc độ tại điểm B là nB:
nB = nđm/10 nB = 1467,5/10 = 146,75 (v/p)
Mômen tại điểm A là:
3I 2 .R
M= 2 2
1 . dm
Khi động cơ làm việc tại điểm B ta có:
3I 2 ( R + R f ) / S B
M= 2 2
1

Vì mômen của cơ cấu nâng hạ trong quá trình điều chỉnh là nh nhau M = const nên
ta có:
2
3I 22 R 2 3I 2 ( R 2 + R f )
=
1 S dm
1 S B
( R2 + R f )
R2
R .S
Suy ra:
=
R f = 2 B R2
1 S dm
1 S B
S dm
Trong đó:
R2 - điện trở Roto của động cơ (R2 = 0,022 )
n n B 1500 1467,5
=
= 0,022
Sđm = 1
n1
1500
n n B 1500 (1467,5)
=
=1,978
SB = 1
n1
1500

0,022.1,978
0,022 = 1,956()
Vậy ta có:
Rf =
0,022

GVHD:nguyễn quang địch

25

SVTH:Nguyễn Văn Tá - TĐH2.K47