Tính toán và thiết kế truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục

Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
------    ------

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG
ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO
CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC
GVHD: Thầy Lê Thanh Lâm
Nhóm:
Lớp:

04
17642TKS1

1


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………… Ngày…...tháng…...năm 2017
…………………………………………
Giáo viên hướng dẫn ký tên
…………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………………………………………………….

2


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
………….
Ngày…...tháng…...năm 2017
Giáo viên phản biện ký tên

3

Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC
NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
Hãy tính toán và thiết kế truyền động điện cho một cơ cấu nâng hạ cầu trục
dùng động cơ điện là:
Động cơ DC kích từ song song.
CÁC SỐ LIỆU NHƯ SAU:
Động cơ DC kích từ song song.

Pđm (kW )

U đm (V )

I đm ( A)

I ktđt ( A)

nđm (v / p )

93

203

523

5,6

600

Yêu cầu tính toán và thiết kế như sau:
1.

Động cơ mở máy qua 3 cấp điện trở phụ, tính các điện trở phụ mở máy

2.

bằng phương pháp đồ thị phụ tải.
Tính toán điện trở phụ cần thiết đóng vào mạch rotor để nâng tải với tốc

3.

độ lần lượt là:
nđm
a. n = 1/2
nđm
b. n = 1/4
Tính toán điện trở phụ cần thiết đóng vào rotor khi hạ tải với tốc độ lần
lượt là:
a.

n = 1/2

nđm
nđm

n = 1/4
nđm

c. n = 2
Thiết kế sơ đồ nguyên lý điều khiển để mở máy nâng hạ tải: mạch động
b.

4.

lực.

4


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

MỤC LỤC
LỜi CẢM ƠN…………………………………………………..…………. 1
LỜI MỞ ĐẦU …………………………………………………..…...….
2
PHẦN A: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG
SONG…….
3
CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÍCH TỪ SONG
SONG…………………………………………………………………....... 3
1.1. Phương
trình
đặc
tính
cơ
của

động
cơ…………………………..
1.2. Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ………………..
1.3. Đường đặc tính cơ khi đảo chiều……………………………..
1.4. Tính điện trở mở máy bằng phương pháp đồ thị……………
1.5. Hãm máy…………………………………….…………………
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ

3
6
11
14
17

CẦU TRỤC DÙNG ĐỘNG CƠ ĐC KÍCH TỪ SONG SONG
2.1. Tính toán điện trở phụ mở máy………………………………
2.2. Các biện pháp để nâng tải lên với tốc độ làm việc khác nhau….
2.3. Các biện pháp để hạ tải với nhiều tốc độ khác nhau…………
2.4. Vẽ mạch động lực và mạch điều khiển của động cơ theo yêu

27
27
29
32

cầu 2.1, 2.2, 2.3 (theo role, contactor, zen hay PLC của
OMRON)…

39

LỜI CÁM ƠN
Chúng em xin cảm ơn thầy Lê Thanh Lâm là người trực tiếp hướng dẫn,
giúp đỡ và chỉ bảo chúng em trong đồ án truyền động điện này. Thầy đã giúp
chúng em giải quyết những vấn đề nảy sinh trong quá trình làm chuyên đề thực
5


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

tế và hoàn thành đề tài đúng thời gian quy định ban đầu. Đặc biệt là học hỏi
những kinh nghiệm và phong cách làm việc chuyên nghiệp của thầy để chúng
em áp dụng sau này.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khoa Điện – Điện tử của
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, đã tận tình giảng dạy
truyền đạt cho chúng em những kiến thức về chuyên ngành nói chung và bộ môn
truyền động điện nói riêng. Đó là những kiến thức vô cùng quý báu mà chúng
em đã học được trong thời gian qua.
Một lần nữa chúng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến quý thầy cô đã
giúp đỡ chúng em đã hoàn thành chuyên đề thực tế này.
Kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe.

Nhóm sinh viên thực hiện đồ án:

LỜI MỞ ĐẦU
Ở nước ta hiện nay, do yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế,
với những cơ hội thuận lợi và khó khăn thách thức lớn. Sự phát triển nhanh
6

Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

chóng của khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực truyền động điện nói
riêng. Ngày càng xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự động
hóa cao với những khâu truyền động hiện đại. Truyền động là khâu quan trọng
trong dây chuyền sản xuất. Đóng góp trực tiếp trong việc nâng cao năng suất và
chất lượng sản phẩm nhằm tăng cạnh tranh với các nước khác trên thế giới.
Ngày nay do ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điều khiển
tự động nên các khâu ngày càng phát triển theo hướng hiện đại hóa. Nâng cao
mức độ tự động hóa tác động nhanh, độ chính xác cao và còn giảm kích thước
và hạ giá thành chi phí cho doanh nghiệp.
Một trong những khâu truyền động phổ biến là nâng hạ cầu trục. Nâng hạ
cầu trục là khâu truyền động cơ bản của bộ môn truyền động điện. Hiện nay
được sử dụng rất phổ biến tại các hải cảng, khu công nghiệp đến các nhà máy xí
nghiệp và công trường xây dựng. Giúp con người nâng hạ các vật nặng một cách
dễ dàng mà không cần sử dụng đến sức người. Đồng thời góp phần đẩy nhanh
quá trình vận chuyển và đảm bảo an toàn cho người lao động. Trong bối cảnh
đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiển trong quá trình điều khiển và vận
hành đòi hỏi các kỹ sư phải có kiến thức về chuyên ngành và bộ môn truyền
động điện.
Nội dung của đồ án này là trình bày những kiến thức cơ bản về truyền động
điện. Bao gồm phân tích đặc tính của hệ thống nâng hạ cầu trục. Tính toán và
thiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từ
song song.

PHẦN A: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ
SONG SONG

7


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÍCH TỪ SONG
SONG
1.1.

Phương trình đặc tính cơ của động cơ.

Hình 1.1. ĐCĐ một chiều kích từ song song
Ta có: Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều.

(phương trình đặc tính tốc độ tự nhiên)
Trong đó:
n: Tốc độ quay của động cơ
: điện áp định mức của ĐCĐ một chiều
: hệ số điện động của động cơ
: từ thông kích từ dưới một cực từ
: điện trở mạch phần ứng
8


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

: dòng điện mạch phần ứng
: điện trở phụ mạch phần ứng
Nếu thêm điện trở phụ mạch phần ứng thì ta có phương trình đặc tính tốc
độ nhân tạo.

Khi : là tốc độ không tải lý tưởng của động cơ
: là hệ số gốc hay độ dốc của đường đặc tính tốc độ tự nhiên
: là độ sụt tốc độ trên đường đặc tính tự nhiên
Hình 1.3. Đặc tính cơ tự nhiên

: tốc độ không tải lý tưởng
: tốc độ làm việc của đường đặc tính cơ tự nhiên
: độ sụt tốc độ

Ta có:
Moment điện từ của động cơ được xác định bởi công thức:

9


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Thay vào phương trình đặc tính tốc độ ta được:
: Phương trình đặc tính cơ tự nhiên
Trong đó: M là moment điện từ của động cơ
: hệ số điện động của động cơ
: hệ số cấu tạo của động cơ

Hay:

1.2.

Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ.
Ta có phương trình đặc tính cơ nhân tạo:

Đặt: : tốc độ không tải lý tưởng
: hệ số góc hay độ dốc của đặc tính cơ tự nhiên
: độ sụt tốc độ của đường đặc tính cơ tự nhiên

10


Đồ án truyền động điện
1.2.1.

GVHD: Lê Thanh Lâm

Ảnh hưởng của điện trở phụ gắn vào mạch phần ứng

Sơ đồ nguyên lý khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng.
Giả sử
= const
thay đổi
Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối them điện trở phụ vào mạch
phần ứng.
Phương trình đặc tính cơ:

Khi điện trở thay đổi thì





Hệ số góc nhân tạo:
Độ dốc nhân tạo:

Kết luận: Họ các đặc tính cơ là chùm đường thẳng xuất phát từ

11


Đồ án truyền động điện

1.2.2.

GVHD: Lê Thanh Lâm

Ảnh hưởng của điện áp lên mạch phần ứng

Giả sử:
= const

Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với ta có:

Khi giảm điện áp thì:


Tốc độ n giảm theo




12


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Như vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta được một họ đặc
tính cơ song song với đường đặc tính cơ tự nhiên.
Khi giản điện áp thì momet ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ
giảm ứng với một phụ tải nhất định. Do đó, phương pháp này cũng được áp
dụng để điều chỉnh tốc độ đọng cơ và hạn chế dòng điện khi khởi động.

Hình 1.6. Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng

1.2.3

. Ảnh hưởng của từ thông

Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý khi thêm điện trở phụ kích từ
Khi thêm nối tiếp với cuộn kích từ thì:
giảm xuống
13


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

giảm xuống

Đối với đặc tính tốc độ:
Xét phương trình đặc tính tốc độ:

+ Khi mở máy:

+ Khi động cơ không tải:

Khi giảm tăng và

Họ đặc tính tốc độ khi thay đổi từ thông
Đối với đường đặc tính cơ:
Xét phương trình đặc tính cơ

Moment khi mở máy:
14


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Với
Khi giảm thì: tăng và giảm

Thông thường để đảm bảo tuổi thọ động

cơ thì

giảm => n tăng (vòng/phút)

Họ đặc tính cơ khi thay đổi thừ thông
1.3.

Đường đặc tính cơ khi đảo chiều động cơ
1.3.1 . Đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng
Sơ đồ nguyên lý khi đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng

15


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Việc thay đổi cực tính đặt lên phần ứng nhờ các tiếp điểm T, N của các
Contactor
Khi T hoạt động (N >0)

Ta có phương trình đặc tính cơ:

Khi N hoạt động cực tính điện áp được đảo ta có: n < 0

Khi tiến đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng thì dòng điện qua phần ứng
là nên moment điện từ của phần ứng đảo chiều.

Ta có phương trình đặc tính cơ:



Đường biểu điễn đặc tính cơ

16


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Đặc tính cơ khi đảo cực tính điện áp phần ứng.
1.3.2.

Đảo chiều dòng điện qua cuộn kích từ.

Sơ đồ nguyên lý khi đảo chiều dòng điện qua cuộn kích từ
Việc đảo chiều dòng điện qua cuộn kích từ được thực hiện nhờ tiếp điểm T,
N của các Contactor
Khi T hoạt động :

Phương trình đặc tính cơ:

Khi N hoạt động: Từ thông được đảo cực (chiều dòng điện qua cuận kích
từ được đảo).

Moment điện từ:

Phương trình đặc tính cơ:

17


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Đường biểu diễn đặc tính cơ cũng có dạng như khi ta đảo chiều bằng cách
đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng:

1.4.

Tính điện trở mở máy bằng phương pháp đồ thị.
Ta có: Dòng điện mở máy phần ứng:

Khi mở máy: dòng điện mở máy .
Vì điện áp phần ứng lúc mở máy

Tác hại của dòng mở máy khi dòng mở máy lớn:
+ Cháy cách điện dây quấn.
+ Gây sụt áp lớn trên lưới điện.
18


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

+ Lực điện động lớn có thể gây biến dạng kết cấu cơ khí của rãnh.

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý ĐC khi mở máy bằng điện trở phụ.
Dựa vào các thông số động cơ và đặc tính vạn năng vẽ được đặc tính cơ
điện tự nhiên.
Chọn dòng điện giới hạn

và tính điện trở tổng của mạch phần ứng khi

khởi động:

Chọn dòng điện chuyển khi khởi động:
nếu
nếu
Gióng lên đặc tính cơ tự nhiên có giá trị từ đó xác định giảm (b) trên đặc
tính khởi động với giá trị dòng .

Kẻ đường thẳng qua ab trên đặc tính cơ tự nhiên kẽ đường thẳng qua gh.
Hai đường này cắt nhau tại .
Từ dựng đường đặc tính khởi động hình tia thỏa mãn điều kiện:
Đảm bảo đúng số cấp khởi động yêu cầu.
Từ điểm f kẽ đường song song với trục hoành và phải cắt đặc tính tự nhiên
đúng ở điểm g.
19


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Nếu không thỏa mãn điều kiện trên ta phải chọn lại giá trị để xây dựng lại
đặc tính khởi động.

Hình 1.17: Đặc tính cơ của ĐC DC kích từ song song khi mở máy.
Gọi điện trở mắc vào mạch phần ứng khi khởi động là
Ta có:
Điện trở khởi động trong từng cấp là:

1.5.

Hãm máy.
Trạng thái động cơ quay thuận:

20


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Vì

Phương trình đặc tính cơ:

nhận năng lượng tiêu thụ (tiêu thụ năng lượng điện)

Sơ đồ nguyên lý ĐC quay thuận.
Trạng thái hãm máy: Là trạng thái mad tốc độ n và moment ngược chiều.
+ Cần dừng nhanh động cơ.
+ Giữ cho tải thế năng được hạ xuống với tốc độ không đổi.
+ Giữ cho một tải trọng đứng yên trên cao khi có khuynh hướng rơi
xuống đất.

1.5.1.

Hãm thuận.

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay n và moment quay ngược chiều và
Có hai phương pháp hãm tái sinh:
Hãm bằng phương pháp giảm điện áp.
21


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Hạ tải thế năng bằng phương pháp đảo ngược cực tính điện áp phần ứng đặt
lên phần ứng.


Giảm tốc bằng phương pháp giảm tốc

Đặc tính cơ khi giảm tốc độ bằng phương pháp giảm điện áp.
Xét điểm B:
Do quán tính (động cơ quay theo chiều cũ)

B là điểm bắt đầu quá trình hãm tái sinh.
Đoạn giản xuống nhưng vẫn lớn hơn 0.

Ta có: và


là đoạn đặc tính hãm tái sinh
22


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Khi n giảm tốc => giảm giảm.
: Trả ngược năng lượng về nguồn.
Phương trình đặc tính cơ:

Hãm tái sinh được gọi là hãm máy phát.
Tại

Tại :

Đoạn : là đoạn đặc tính động cơ quay thuận giảm tốc độ vì nên hệ thống
giảm tốc.
Khi n giảm => tăng => tăng. Tăng đến C thì cân bằng với (hệ thống làm
việc ổn định).
Hệ thống đang làm việc nâng tải tại điểm A. Người ta tiến hành giảm điện
áp xuống còn , lúc này do quán tính tốc độ vẫn quay theo chiều cũ, nhưng dòng
điện và moment đã đảo chiều. Quá trình hãm tái sinh diễn ra ở góc phần tư thứ 2
làm giảm nhanh tốc độ về Đến = 0. Trên trục động cơ còn moment cản ngược
chiều với n nên nó tiếp tục làm cho động cơ giảm tốc, đồng thời tăng dần cho
đến C thì cân bằng . Hệ thống sẽ làm việc ổn định ở tốc độ thấp.
Khi hạ tải thế năng bằng phương pháp đảo cực tính điện áp đặt lên
phần ứng:
Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Lúc này

nếu moment do tải gây ra lớn hơn moment ma sát trong cái bộ phận chuyển
động của cơ cấu, động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trên hình trên.
23


Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Khi hạ tải, để hạn chế dòng khởi động ta đóng thêm điện trở phụ vào mạch phần
ứng. Tốc độ động cơ tăng lên dần. Khi tốc tốc độ gần đạt đến giá trị ta cắt điện
trở phụ, động cơ tăng tốc trên đường đặc tính cơ tự nhiên. Khi tốc độ vượt quá ,
moment điện từ của động cơ đổi dấu thành moment hãm đến điểm A moment ,
tải trọng được hạ với tốc độ ổn định , trạng thái hãm tái sinh.
1.5.2.

Hãm ngược.

Định nghĩa: Hãm ngược là hãm xảy ra khi rotor của động cơ chuyển động
do động năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do tải thế năng mà
quay ngược chiều với moment điện từ của động cơ.
Có hai cách để thực hiện hãm ngược:
Hãm ngược bằng cách đảo cực tính điện áp đặt lên mạch phần ứng.
Phương trình đặc tính cơ của đường số (1)

Phương trình đặc tính cơ của đường số (2):

24

Đồ án truyền động điện

GVHD: Lê Thanh Lâm

Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo cực tính điện áp đặt lên phần
ứng.
Giả sử hệ thống đang làm việc ổn định tại điểm A, để hạ tải người ta tiến
hành đảo ngược cực tính điện áp đặt lên phần ứng của động cơ (kết hợp đóng
thêm điện trở phụ để hạn chế dòng điện hãm ban đầu không vượt quá ), để làm
việc chuyển từ A sang . Lúc này do quán tính tốc độ n vẫn quay theo chiều cũ
nhưng và đảo chiều. Qúa trình hãm ngược diễn ra làm giảm nhanh tốc độ động
cơ về 0, đoạn gọi là đoạn đặc tính động cơ hãm ngược bằng cách đảo chiều điện
áp đặt lên phần ứng.
Tại n = 0 nhưng do cùng chiều nên chúng sẽ kéo rotor ngay ngược theo
chiều của chúng, động cơ bắt đầu quá trình mở máy theo chiều ngược lại và tăng
tốc do có sự hỗ trợ của , đoạn gọi là đoạn đặc tính động cơ quay ngược.
Tại , moment động cơ cùng chiều với n nên hệ thống tiếp tục tăng tốc vượt
khỏi , khi đó đảo chiều quá trình hãm tái sinh diễn ra nên đoạn lớn dần cho
đến điểm thì cân bằng , tải thế năng được hạ xuống với tốc độ không đổi là .

25