THIẾT KẾ XE NANG HẠ HÀNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH
VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ
_______________________________

ĐỒ ÁN I
Đề tài:

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG NÂNG HẠ
CHO XE NÂNG HÀNG CỠ NHỎ

Giảng viên hướng dẫn: ThS. Hồ Sỹ Phương
Sinh viên thực hiện: Hoàng Trung Hiệp
MSSV:
165TDV200300
Lớp:
57K - KTĐK - TĐH

Nghệ An,11/2020


MỤC LỤC

2


DANH MỤC HÌNH

3


LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gển đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưa
lại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá của
mỗi đất nước. Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về
điều khiển cũng lẩn lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các
nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp.
Trong những năm gần đây do sự bùng nổ của tiến bộ khoa học kỹ thuật
trong lĩnh vực truyền động điện điện trở tin học, đã dẫn đến sự thay đổi trong
nền công nghiệp nói chung và ngành điện nói riêng. Sự thay đổi này tác động rất
lớn đến các hệ thống sản xuất tự động trong các xí nghiệp và các nhà máy sản
xuất. Việc nghiên cứu thiết kế hệ truyền động cho các cơ cấu nói riêng và các
dây truyền lớn là một yếu tố rất quan trọng, nó đảm bảo chất lượng, độ tin cậy
theo yêu cầu của từng công nghệ sản xuất. Chính vì vậy, “Tính toán thiết kế hệ
thống nâng hạ cho xe nâng hàng cỡ nhỏ” là đề tài mà em nghiên cứu trong bộ
môn “Đồ Án 1” này.
Đây là đề tài có tính thực tiễn cao và đáng chú ý vì nước ta đang trong
thời kỳ phát triển đòi hỏi các loại xe chuyên dung trong các nhà máy, xí nghiệp,
bến cảng, kho hàng lớn, tính năng hoạt động tối ưu, kết cấu nhỏ gọn,.. Đó cũng
là yếu tố thúc đẩy em thực hiện đề tài của mình.
Sinh viên thực hiện

Hoàng Trung Hiệp

4


Chương 1
ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU CHUYỂN ĐỘNG

1.1

Giới thiệu về máy nâng hạ
Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước việc cải tiến quy
trình công nghệ, áp dụng máy móc trang thiết bị kỳ thuật hiện đại vào sản xuất
đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Trong đó ngành xếp dỡ hàng hóa là một ví
dụ điển hình Ngày nay, tại các công ty, xí nghiệp, nhà ga, bến cảng... trang bị rất
nhiều phương tiện vận tải hiện đại, việc bốc xếp hàng hóa từ khu vực này đến
khu vực khác chủ yếu dựa vào các loại xe chuyên dụng, mà loại xe nâng hạ là
loại xe chính đảm nhiệm vai trò này.
Việc áp dụng các phương tiện vận tải chuyên dụng để thay thế sức lao
động con người đã giúp cho luân chuyển hàng hóa ngày càng nhanh chóng, tăng
năng suất lao động và hiệu quả kinh tế ngày càng cao. Một trong những phương
tiện vận chuyển, xếp dở không thể thiếu đó là xe nâng hàng. Loại xe này có tính
linh hoạt cao có thể làm việc tại khu vực có diện tích nhỏ như trong nhà kho hay
trong các dây chuyền sản xuất, lắp ráp.

Hình 1.1. Sơ đồ tổng quát xe nâng hạ hàng
Trong đó: 1- Càng nâng
2- Giá nâng

4-Cáp kéo nâng
5-Động cơ 3 pha

3- Khung nâng

6- Cầu trước

Xe nâng hạ thường có hai chuyển động chính: Chuyển động cầu nâng hạ
5

(của bộ phận nâng tải) và chuyển động của xe. Các động cơ đều làm việc ở chế
độ ngắn hạn lặp lại. Điều kiện môi trường nặng nề, đặc biệt là máy nâng hạ ở
các nhà máy hoá chất và luyện kim.
Các thiết bị của máy nâng hạ phải đảm bảo yêu cầu năng suất, an toàn và
đơn giản đảm bảo yêu cầu về năng suất an toàn và đơn giản trong các thao thác.
Các động cơ chuyển động phải có khả năng đảo chiều quay, phạm vi điều
chỉnh tốc độ rộng và có các đặc tính cơ bản thoả mãn yêu cầu công nghệ. Việc
điều chỉnh tốc độ các cơ cấu đều thực hiện bằng phương pháp điện.
Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện điện từ để giữa chặt
các trục chuyển động khi động cơ mất điện ở các cầu trục di chuyển kim loại
nóng chảy để an toàn người ta dùng phanh hãm điện từ trên trục động cơ.
Mạng điện cung cấp cho máy không vượt quá 500V. Mạng điện xoay
chiều: 220V, 380V, mạng điện một chiều là 220V, 440V. Điện áp chiếu sáng
không vượt quá 220V, điện áp sửa chữa phải nhỏ hơn 36V. Không được dùng
máy biến áp tự ngẫu để cung cấp điện cho mạch chiếu sáng và sửa chữa.
Các mạch điện và các động cơ phải được bảo vệ ngắn mạch và quá tải
bằng rơ le dòng điện cực đại. Không dùng rơle nhiệt vì các động cơ làm việc ở
chế độ ngắn hạn lặp lại. Trong việc không chế phải bố trí khâu bảo vệ không để
động cơ tự khởi động khi điện áp lưới tợ phục hồi.
Để đảm cho người và thiết bị vận hành trong sơ đồ khống chế phải có
công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi lên vị trí
giới hạn (Đối với cơ cấu nâng chỉ hạn chế hành trình nâng mà không cần hạn
chế hành trình hạ).
Gia tốc của bộ phận nâng hạ là một thông số hết sực quan ưọng. Hầu hết
bộ phận nâng hạ có hạn chế gia tốc. Ở bộ phận nâng hạ có yêu cầu hạn chế gia
tốc. Ở bộ phận nâng hạ cầu gia tốc cho phép thường được quy định theo khả
năng chịu đựng phụ tải động cơ của cơ cấu.
6

1.2

Đặc điểm công nghệ
a. Đặc tính tải
Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là phụ tải thế năng. Động cơ cho truyền động
nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Có đảo chiều.
b. Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động
Đối với truyền động nâng hạ tải gia tốc khởi động nhỏ nhất là t kd > 5v (s)
với V - tốc độ nâng tải (m/s)
c. Yêu cầu về hàm và dừng khẩn cấp
Sử dụng phanh hãm để hạn chế tốc độ khi chuẩn bị dừng và khi mất điện
phanh hãm phải dừng truyền động ở hiện trạng tránh rơi tự do.
Dừng chính xác tại nơi lấy và trả tải.
d. Độ chính xác
Dải điều chỉnh tốc độ

D=

ωmax
ωmin

e. Những yêu cầu khác
Vấn đề tính chọn công suất động cơ.
Đảm bảo chiều quay.
Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trước động cơ không bị đốt
nóng quá mức.
Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy
định.
Không cho phép tăng công suất động cơ lên quá lớn:
- Tăng công suất lên quá lớn làm cho tăng gia tốc nâng hạ (cơ cấu nâng

hạ) có thể dẫn tới tải bị giật mạch.
Phải thiết kế để cơ cấu làm việc an toàn ở chế độ nặng nề nhất.
Các thiết bị nâng hạ phải đảm bảo làm việc an toàn ở điện áp bằng 85%
điện áp định mức.
Khi không có tải lượng (không tải) mô men của động cơ không vượt quá
(15+20)% Mđm, đối với động cơ di chuyển xe con bằng (50+55)% Mto.
7


1.3 Cấu trúc của hệ truyền động điện trong điều khiển nâng hạ.

Hình 1.2. Cấu trúc hệ truyền động
Cấu trúc của hệ truyền động điều khiển nâng hạ gồm các thành phần như
sau:
BBĐ: Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điên (xoay chiều thành một
chiều hoặc nguợc lại), biến đổi loại nguổn (nguổn áp thành nguổn dòng hoặc
nguợc lại), biến đổi mức điên áp (hoặc dòng điên), biến đổi số pha, biến đổi tần
số...
Các BBĐ thuờng dùng là máy phát điên, hê máy phát - động cơ (hê F-Đ),
các chỉnh lưu không điều khiển và có điều khiển, các bộ biến tần...
Đ: Động cơ điện, dùng để biến đổi điên năng thành cơ năng hay cơ năng
thành điên năng (khi hãm điên).
Các động cơ điên thuờng dùng là: động cơ xoay chiều KĐB ba pha rôto
dây quấn hay lổng sóc, động cơ điên một chiều kích từ song song, nối tiếp hay
kích từ bằng nam châm vĩnh cữu, động cơ xoay chiều đổng bộ...
TL: Khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điên đến cơ cấu sản
xuất hoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (quay thành tịnh tiến hay lắc)
hoặc làm phù hợp về tốc độ, mômen, lực.
Để truyền lực, có thể dùng các bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đai
truyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điên từ...

CCSX: Cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiên các thao tác sản
xuất và công nghệ (gia công chi tiết, nâng - hạ tải trọng, dịch chuyển...).
8


ĐK: Khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển bộ biến đổi BBĐ,
động cơ điện Đ, cơ cấu truyền lực
1.4 Đặc điểm của cơ cấu nâng hạ.
Đặc tính cơ biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ quay và mômen quay:
� = f(M) hoặc n = F(M)
Trong đó: � - Tốc độ góc (rad/s).
n - Tốc độ quay (vg/ph).
M - Mômen (N.m).
Đặc tính cơ của máy sản xuất là quan hệ giữa tốc độ quay và mômen cản
của máy sản xuất: Mc = f(�).
Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng, tuy nhiên phần lớn chúng được
biếu diễn dưới dạng biểu thức tổng quát:
M c = M c 0 + ( M dm − M c 0 )(

ω α
)
ωdm

Trong đó:

Mc là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ �.
Mco là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ � = 0.
Mđm là mômen cản của cơ cấu SX ứng với tốc độ định mức � đm
Momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng, có đặc
tính Mc = constant và α=0 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:

Hình 1.3. Mối quan hệ giữa momen và tốc độ góc
9


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.

10


Chương 2
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
Chọn phương án truyền động là chọn phương pháp điều chỉnh động cơ
của máy nâng hạ là tối ưu nhất đảm bảo mọi yêu cầu về công nghệ của máy.
Chế độ nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có đảo chiều quay. Động cơ
dùng cho máy có thể là động cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều. Ở đây ta

đưa ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.
2.1 Hệ truyền động điện một chiều
2.1.1 Hệ chuyển động máy phát - động cơ điện (F-Đ)
Trong hệ thông F -Đ nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ biến đổi máy
điện (máy điện một chiều kích từ độc lập).
Động cơ Đ truyền động máy sản xuất MSX được cấp điện phần ứng từ
máy phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ
điện không đồng bộ ĐK. Động cơ ĐK cũng kéo luôn máy phát kích từ K để cấp
điện áp cho động cơ Đ và máy phát F. Biến trở R kk dùng để điều chỉnh dòng kích
từ của máy phát tự kích K nghĩa là để điều chỉnh điện áp phát ra cấp cho các
cuộn kích từ nmáy phát KTF và cuộn kích từ động cơ KT Đ. Biến trở RKP dùng
để điều chỉnh dòng kích từ máy phát F do đó điều chỉnh điện áp phát ra của máy
phát F đặt vào phần ứng động cơ Đ. Biến trở R KĐ dùng để điều chỉnh dòng kích
từ động cơ, do đó thay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi tờ thông.
Phương trình đặc tính cơ của hệ F-Đ:

ϖ=

R + RuF
EF
− uD
M = ϖ 0 − ∆ϖ
K Φ D ( K φD ) 2

Ưu điểm: Phạm vi điều chỉnh tăng lên. Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng
trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên
tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giẩn. Trạng thái làm việc linh hoạt khả năng quá
tải lớn. Có thể thực hiện hãm điện.
Nhược điểm: Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá
11

75%), cồng kềnh, tốn diện tích lắp đạt, gây ồn lớn. Công suất đạt máy lớn. Vốn
đầu tư ban đầu cao. Điều chỉnh sâu bị hạn chế.
2.1.2 Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ (T -Đ)
Hê truyền động T-Đ là hệ truyền động cơ điện một chiều kích từ độc lập,
điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc đặt
vào phần cảm của động cơ thông qua các bộ biến đổi chỉnh lưu thyristor.
Ưu điểm: Hệ thống T-Đ có khả năng điều trơn (
chỉnh rộng (D ~ 102

÷

ϕ

~ 1) và phạm vi điều

103 ). Hệ có độ tin cậy cao, quán tính nhỏ hiệu suất lớn

không gây ồn.
Nhược điểm: Hệ T-Đ có trị số

cos ϕ

thấp, nhất là khi điều chỉnh sâu.

Dòng điện chỉnh lưu có biên độ đạp mạch cao, gây ra tổn hao phụ trong động cơ
và có thể xấu điện áp nguồn.
2.2 Hệ truyền động xoay chiều
2.2.1. Điều chỉnh điện áp stator dùng thyristor

Khi điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ thì các thông số còn lại không
thay đổi và độ trượt s= const, phương pháp này có phạm vi điều chỉnh tốc độ và
momen hẹp nên ngày nay ít sử dụng.
2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ (KĐB) bằng cách thay
đổi điện trở mạch rotor
Động cơ KĐB có thể điều chỉnh tốc độ KĐB bằng cách điều chỉnh điện
trở mạch rotor, trong mục này chúng ta khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trơn
điện trở mạch rotor bằng các van bán dẫn, ưu thế của phương pháp này là dễ tự
động hoá việc điều chỉnh.
Điện trở trong mạch rotor động cơ KĐB:
Trong đó:

Rr = Rrd + R f
Rrd

: là điện trở dây quấn rotor.

12


Rf

: là điện trở ngoài mắc thêm vào rotor.

Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rotor thì mômen tới hạn của động cơ
KĐB không thay đổi và độ trượt tới hạn thì tỷ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi
đoạn đặc tính làm việc của động cơ KĐB tức là đoạn có độ trượt từ s = 0 tới
s = sth là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết:

s = si

Rr
Rrd

Trong đó:
s: là độ trượt khi điện trở mạch rotor là

si

: là điện trở kh diện trở mạch roto là

Rr
Rrd

Nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mômen cũng không đổi và phụ
thuộc vào tốc độ động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh
điện trở mạch rotor cho truyền động có mômen tải không đổi
Mạch điều khiển gồm điện trở
Khóa

T1

R0

nối song song với khoá bán dẫn

T1

.

sẽ được đóng ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị diện trở trung

bình của toàn mạch. Khi
rotor tăng lên. Khi

T1

T1

đóng điện trở

ngắt điện trở

R0

R0

bị loại ra khỏi mạch dòng điện

lại được đưa vào mạch dòng điện rotor lại

giảm xuống. Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện
rotor coi như không đổi và có một giá trị điện trở tương đương
Thời gian ngắt

Re

trong mạch.

tn = T − td

Nếu điều chỉnh tỉ số giữa thời gian đóng và thời gian ngắt ta điều chỉnh
giá trị điện trở trong mạch rotor
13


Re = R0

td
td + tn

Điện trở tương đương trong mạch 1 chiều tính đổi về mạch xoay chiều ở
rotor theo qui tắc bảo toàn công suất tổn hao trong mạch rotor.
Cơ sở đổ tính tổn hao công suất là như nhau.
Khi dùng chỉnh lưu cầu ba pha thì điện trở tính đổi là:

Rf =

1
Re
2

Khi có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng dược đặc tính cơ theo phương pháp
thông thường, họ đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính

cơ tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ

R f = 0,5 Ro

Để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen có thể nối tiếp điện trở

Ro với một tụ điện có điện dung đủ lớn.
Ưu điểm: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, có khả năng điều chỉnh trơ
tốc độ.
Nhược điểm: Chỉ sử dụng được với yêu cầu không cao về điều chỉnh tốc
độ, chỉ thích hợp với tải có mô men không đổi, tổn hao trên điện trở lớn.
2.2.3. Điều chỉnh công suất trượt
Phương pháp này thực hiện với động cơ rotor dây quấn. Thực chất của
phương pháp này là công suất điện được cấp 100% cho động cơ phía stator, với
phụ tải định trước, để điều chỉnh giảm tốc độ, ta lấy bớt công suất phía rotor
được biến đổi trả lại lưới.
Đặc điểm:
Hiệu suất của hệ cao hơn so với phương pháp điều chỉnh xung điện trở
rotor.
Mạch phức tạp về cấu trúc.
Độ chính xác của phương pháp thường không cao.
Giá thành của hệ cao.
14


2.2.4 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số
Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn áp, cho
phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp.
Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ
thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói
riêng. Trước hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều
động cơ cùng một lúc như các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh
lăn... phương pháp này còn được ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là
những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao như máy ly tâm, máy mài. Đặc biệt là hê
thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho
động cơ KĐB rotor lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc giá thành hạ có

thể làm việc trong nhiều môi trường.
Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp.
Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lưới chung mà từ một
bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách
độc lập với nhau. Trong phần này đề cập đến hai nội dung: Nguyên lý điều chỉnh
tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong
hệ truyền động biến tần - động cơ KĐB
2.2.4.1 Nguyên lý điều chỉnh tần số:
Xuất phát từ công thức:
n = (1 − s)

s=

60 f
pp

ω1 − ω
ω1

Với:
S là độ trượt

ω1

ω

là tốc độ góc của từ trường quay
là tốc độ động cơ
15

f là tần số của điện áp nguồn đặt vào stator

pp

là số đôi cực từ của động cơ

Do vậy khi tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ.
2.2.4.2 Điều khiển vô hướng
Phương pháp điều khiển vô hướng dựa trên việc điều khiển từ thông stato

ψs

thông qua các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stator. Thực

tế được ứng dụng trong công nghiệp có hai loại:
- Điều khiển điện áp -tần số sao cho từ thông stato

ψs

tải, phương pháp này dễ thực hiện, có hiệu quả là tổn thất

là hàm của momen
∆P

nhỏ, lượng tiêu

thụ công suất phản kháng luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng
định mức. Tuy vậy ổn định tốc độ thấp gặp khó khăn.
- Điều chỉnh điện áp tần số hoặc tần số dòng điện sao cho từ thông stator

ψs

luôn luôn không đổi ở toàn dải điều chỉnh.Phương pháp này dễ thực hiện, tuy

vậy tổn thất công suất

∆P

và lượng tiêu thụ công suất phản kháng Q không phải

là nhỏ. Ổn định tốc độ khó khăn, do vậy điều khiển vô hướng được sử dụng
trong công nghiệp khi yêu cầu không điều chỉnh sâu tốc độ.
2.2.4.3. Điều khiển vecto tựa từ thông rotor
Phương pháp này dùng công cụ biến đổi vecto để ước lượng đại lượng
vecto từ thông

ψr

và điều chỉnh nó. Còn momen động cơ điều chỉnh qua thành

phần vecto dòng stato

Is

. Như vậy phương pháp này coi rotor là phần cảm,

stator là phần ứng và được phân ly với nhau giống như máy điện một chiều kích
từ độc lập. Phương pháp này đđ̣i hỏi phức tạp nên yêu cầu công cụ điều khiển số
mạnh, độ tác động không cao do mô hình phức tạp phải thực hiện phép quay tọa
độ và vẫn phải điều khiển momen gián tiếp qua điều khiển các thành phần dòng

16


điện. Động cơ làm việc ổn định rất tốt ở tốc độ cận không.
2.2.4.4 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen
Phương pháp này dựa trên điều khiển vị trí vecto từ thông stato

ψs

để

điều khiển momen động cơ. Để thực hiện phương pháp này cần dựa trên phép
biến đổi vecto để xác định độ lớn và vị trí vecto
Us

để thay đổi vị trí vecto

ψs

ψs

, thay đổi vecto điện áp stator

.

Phương pháp này có ưu điểm là chỉ cần quan tâm tới các đại lượng vecto
stator, không cần xác định vị trí rotor nên đơn giản, điều khiển vị trí vecto

ψs

thông qua hàm đóng cắt tranzito lực của nghịch lưu nên đáp ứng momen nhanh.
Nhược điểm của phương pháp này là do bộ điều chỉnh từ thông và momen là
ON/OFF hai hoặc ba vị trí dẫn đến các xung momen động cơ, nên khi làm việc
ở tốc độ thấp khó ổn định.
Kết luận: Do yêu cầu công nghệ của cầu trục là tốc độ đáp ứng momen
nhanh, không cần đáp ứng momen phẳng và ổn định, do đó phương pháp điều
khiển trực tiếp momen (DTC) là phương pháp điều khiển phù hợp nhất.
Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC)
Biểu thức tính momen trong hệ tọa độ tĩnh, gắn chặt với trục dây quấn
stator(

α, β

):
M=

3 pp
2

Ψ s .is = K m Ψ r . Ψ s .sin δ

Trong đó
Ψs
is

là từ thông stator
là dòng điện stator (cả hai được gắn với hệ tham chiếu cố định
gắn với stator)
17

pp

là số đôi cực.

Vecto từ thông rotor thường biến thiên chậm hơn vecto từ thông stator, do
đó có thể đạt được giá trị momen yêu cầu bằng cách quay vecto từ thông stator
càng nhanh càng tốt theo hướng nào đó, làm thay đổi nhanh góc

δ

,gọi là góc

momen.
Nếu sụt áp trên điện trở được bỏ qua cho đơn giản, thỡ điện áp stator tác
động trực tiếp tới từ thông stator theo đúng phương trình sau:

Us =

dψ s
dt

hay

∆ψ s = U s .∆t

2
U s = U dc ( S a + a.Sb + a 2 .Sc )
3

a=e

2π
3

Trong đó Udc là điện áp một chiều đưa vào biến tần, Sa,Sb,Sc là hàm
đóng cắt của tranzisto trên pha tương ứng của mạch lực biến tần.Quỹ đạo được
chia thành sáu vector khác nhau: Các véc tơ điện áp được chọn lựa dựa trên sai
lệch của từ thông stator và mômen điện từ với các giá trị đặt. Tuỳ thuộc vào
trạng thái sai lệch của từ thông và mô men điện từ, một véc tơ điện áp tối ưu đó
định trước được chọn để điều chỉnh đại lượng về đúng với lượng đặt. Một biến
tần ba pha đơn giản có thể cung cấp 8 véc tơ điện áp chuẩn, trong đó có 2 véc tơ
module 0 và 6 véc tơ module khác 0. Biểu diễn quỹ đạo động của từ thông stator
và nó có sự thay đổi khác nhau phụthuộc vào việc chọn trạng thái VSI. Quỹ đạo
được chia thành sáu vector khác nhau:

18


Hình 2.1. Quỹ đạo từ thông stator
Từ hình trên ta có thể lập bản chọn cho điều khiển trực tiếp momen, với k
là số vector:

Các giá trị đặt của biên độ từ thông stato và của momen được so sánh với
các giá trị thực của chúng, các giá trị sai lệch được đưa vào các khối trạng thái
có trễ tương ứng hai mức và ba mức.Đầu ra của các khối trạng thái trễ lấy các
trạng thái gián đoạn được đưa cùng với vị trí của vectơ từ thông stator vào bảng
tra.Sai số của modun từ thông stator và momen nằm trong dải trễ tương ứng, độ
rộng của dải này quyết định độ chính xác điều khiển.

Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ
19


Để ước lượng được từ thông stator và momen thực, có thể sử dụng mô
hình khác nhau, ở đây đưa ra một kiểu mô hình đơn giản nhất:

Ψ s = ψ sα 2 + ψ sβ 2
M=

3p
(ψ sα .isβ −ψ sβ .isα )
2

υ s = cos −1

ψ sα
ψs

Vị trí Sx có thể được suy ra từ

υs

υs

, vớ dụ nếu (-30 < <30) thỡ vecto từ

thông stator nằm ở mảnh S1.
2.3. Tính toán chọn động cơ
2.3.1. Tính chọn công suất động cơ

Động cơ một chiều có ưu điểm điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng,độ
chính xác cao khả năng chịu được quá tải lớn tuy nhiên giá thành của động cơ
một chiều cao hơn so với xoay chiều, nguồn sử dụng là một chiều phải thông
qua bộ biến đổi.
Động cơ xoay chiều có ưu điểm cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ roto
lồng sóc. So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ,
vận hành tin cậy, chắc chắn hơn. Ngoài ra động cơ không đồng bộ cơ 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 của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ
và khống chế các quá tŕnh khó khăn.
Dựa vào những yêu cầu về công nghệ, truyền động của cầu trục như là:
làm việc ở chế độ ngắn hạn lắp lại, động cơ trong quá tŕnh làm việc đảo chiều
quay liên tục, yêu cầu về độ chính xác không quá cao…và những ưu,nhược
điểm của các động cơ vừa nêu trên, ta lựa chọn hệ truyền động cho cơ cấu nâng
- hạ là động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha, cụ thể là động cơ không đồng
bộ roto lồng sóc.
Để xác định công suất của động cơ của cơ cấu nâng hạ ta sẽ sử dụng
20


phương pháp đại lượng đẳng trị.VV́ động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ làm việc
ở chế độ ngắn hạn lặp lại nên việc tính chọn công suất động cơ phải xác định cả
phụ tải tĩnh và phụ tải động.
2.3.2. Phụ tải tĩnh khi nâng
Có tải:
Mn =

(G + G0 ) Rt
uiηc

(N.m)

Trong đó:
G là trọng lượng của tải trọng, (N)
G0 là trọng lượng móc, (N)
Rt là bán kính tang nâng (m)
u là bội số của hệ thống ròng rọc, thay đổi theo kết cấu và cách
quấn cáp.
ηc

là hiệu suất toàn bộ cơ cấu, được xác định theo tải trọng như
hình:

Hình 2.3. Quan hệ phụ thuộc
i là tỷ số truyền được xác định như sau:
i=

2π .Rt .n
u.v

Trong đó
21

ηc

theo tải trọng


n là tốc độ động cơ (vòng/s)
v là tốc độ nâng tải (m/s)

2.3.3. Phụ tải tĩnh khi hạ
Tùy thuộc vào tải trọng G lớn hay nhỏ mà có hai chế độ hạ tải như ở
phần yêu cầu phụ tải đă nêu:
- Hạ động lực
- Hạ hãm
Mt =

Mô men do tải trọng gây ra không có tổn thất:

(G + G0 ) Rt
u.i

(N.m)

Khi hạ tải, năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền
động nên:
M h = M t − ∆M = M t .ηh

(N.m)

Trong đó:
Mh là mô men trên trục động cơ khi hạ tải(N.m)
∆M

ηh

là hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải

Nếu
Mt

là tổn thất mô men trong cơ cấu truyền động (N.m)

<

Mt

>

∆M

∆M

: hạ hãm

: hạ động lực

Coi tổn thất trong cơ cấu nâng - hạ khi nâng tải và hạ tải là như nhau thì:
∆M =

Mt
1
− M t = M t ( − 1)
ηc
ηc

1
M h = M t − ∆M = M t − M t ( − 1)
ηc
= M t (2 −

=

1
)
ηc

(G + G0 ) Rt
1
(2 − )
ui
ηc

22


ηh = 2 −

Suy ra:

1
ηc

Chế độ làm việc của động cơ phụ thuộc vào hiệu suất cơ cấu khi hạ tải:
+ Khi

ηc

ηh

<0,5 -> <0, động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực (momen

động cơ cùng chiều momen tải trọng)
+ Khi

ηc

ηh

>0,5-> >0, động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm (momen động cơ

ngược chiều momen tải trọng).
2.4 Phân tích chọn biến tần
2.4.1 Phân tích các loại biến tần
Do yêu cầu điều chỉnh trơn tốc độ nên ta dùng bộ biến tần để cấp nguồn
cho động cơ. Hơn nữa, việc dùng biến tần cho ta dễ dàng mở rộng dải điều
chỉnh, dễ dàng áp đặt các kỹ thuật điều khiển hiện đại, áp đặt nhanh và chính xác
momen, điều chỉnh trơn và ổn định tốc độ. Ngoài ra, biến tần hoạt động tin cậy
và chắc chắn, dễ dàng cài đặt tham số điều khiển, có thể dùng 1 biến tần cho
nhiều loại truyền động. Do đó, việc sử dụng biến tần đó trở thành một chuẩn
công nghiệp. Có nhiều hãng lớn sản xuất biến tần rất nổi tiếng như ABB,
Siemens,… với các sản phẩm rất nổi tiếng trên thị trường, tuy nhiên ở đây, ta sẽ
thiết kế lại bộ biến tần để phục vụ cho bài toán yêu cầu mà không sử dụng biến
tần sẵncó.
Biến tần có 2 loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp phân biệt nhau
bởi khâu trung gian một chiều giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu. Sau đây sẽ
phân tích ưu nhược điểm của từng loại để chọn ra loại biến tần thớch hợp nhất
với ứng dụng của ta.
Biến tần trực tiếp

Điện áp vào BT có điện áp U| và tần số f| chỉ qua một mạch van là ra ngay
23


tải với tần số f2,u2.

Hình 2.3 Biến tần trực tiếp sơ đồ tia 3 pha
+ Ưu điểm:
-

Mạch chỉ cần dùng van Tiristor thông thường, quá trình chuyển mạch theo điện
áplưới.

-

Bộ biến tần khụng sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu suất rấtcao.

-

Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sựcố.

-

Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW.
+ Nhược điểm:

-

Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phứctạp.

-

Hệ số cụng suấtthấp.
Tóm lại, với ứng dụng là hệ truyền động cho máy mài,ta không dùng loại
biến tần này.
Biến tần gián tiếp
Biến tần gián tiếp khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian một
chiều. Nhờ có khâu trung gian một chiều này mà khâu chỉnh lưu và khâu nghịch
lưu là cách ly nhau và điều chỉnh độc lập với nhau.Tần số đầu ra nhờ đó có thể
được điều chỉnh mà không phụ thuộc tần số đầu vào.Tùy thuộc vào khâu trung
gian một chiều mà phân ra thành biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp.

a)

Biến tần nguồn dòng

Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng được sử dụng rộng rãi để điều
khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rotor lồng sóc. Sơ đồ gồm một cầu chỉnh
lưu và một cầu biến tần, mỗi tiristor được nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôt
24


chặn.

Hình 2.4 Biến tần nguồn dòng
Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng Lf, thực hiện chức năng nguồn
dòng cho bộ nghịch lưu.
+ Ưu điểm:
-

Có khả năng trả năng lượng về lưới.
- Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ không đổi.

-

Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100 kW
+ Nhược điểm:

-

Hiệu suất kẽm ở dải công suất nhỏ.

-

Cồng kềnh vì có cuộn kháng.

-

Hệ số cụng suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải nhất là khi tải nhỏ.
Do đó, với ứng dụng máy mài với tải chỉ vào khoảng 2,2kW của ta, biến
tần nguồn dòng rừ ràng là không phù hợp.

b)

Biến tần nguồn áp

Đặc điểm là điện áp ra trên tải được định hình sẵn còn dạng dòng điện tải
lại ít phụ thuộc vào tính chất tải. Việc điều chỉnh tần số điện áp ra ưên tải được
thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lưu. Phương
pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lưới.

25