Nghiên cứu giái pháp điều khiển động cơ điện truyển động cho xe nâng chuyển tự hành luận văn thạc sỹ

-1-

Mở đầu
1. Lý do chon đề tài
Hiện nay trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp, các phân xởng hay
các công trờng xây dựngHệ thống nâng - vận chuyển đóng vai trò hết sức
quan trọng. Với nhiều hình thức và phơng tiện đa dạng từ thô sơ đến hiện đại
nh: thang máy, cầu trục, xe cầu, xe con, băng chuyền, băng tải.v.v. đ nâng
cao năng suất vận chuyển và giảm thiểu sức lao động cho con ngời. Xe nâng
chuyển tự hành đ xuất hiện từ lâu và hiện nay nó là một trong những phơng
tiện vận chuyển hàng hoá rất thuận lợi và hiệu quả. Xe có thể nâng chuyển
nhiều chủng loại hàng hoá khác nhau với yêu cầu chất lợng nâng chuyển khá
cao. Đây là loại phơng tiện rất linh hoạt, di chuyển nâng tải không theo một
lộ trình nhất định mà do con ngời điều khiển, vì thế xe nâng tự hành có thể di
chuyển đến những nơi mà các phơng tiện vận tải khác không thể đến đợc.
Với u việt đó nên xe nâng tự hành liên tục đợc các nhà sản xuất trong nớc
và trên thế giới không ngừng cải tiến nâng cấp từ đặc tính kỹ thuật đến mẫu
m Tuy nhiên khi thiết kế loại phơng tiện này ngời ta đặc biệt quan tâm
đến các vấn đề nh sử dụng năng lợng gì. Tiêu hao về năng lợng thế nào và
ảnh hởng của nó đối víi m«i tr−êng sèng cđa con ng−êi. HiƯn nay cã nhiều
loại xe nâng nhng loại xe nâng điện đợc đánh giá là có triển vọng tốt trong
tơng lai vì nó đợc sử dụng nguồn năng lợng sạch và môi trờng hoạt động
của nó khá đa dạng. Tuy vậy nó gặp phải vấn đề là sử dụng nguồn điện từ
ăcquy, có công suất nhỏ phải nạp điện thờng xuyên, trong khi đó các hệ
thống truyền động điện cho loại xe này hiện nay còn sử dụng các bộ biến trở
để khởi động và điều chỉnh tốc độ xe, làm gây tổn thất năng lợng điện rất lớn
trên các biến trở. Nh vậy làm thế nào để hạn chế tối đa năng lợng tổn thất
đó, đồng thời nâng cao đặc tính kỹ thuật của hệ thống. Đây là vấn đề cần
đợc giải quyết, vì vậy em quyết định chọn đề tài. "Nghiên cứu giải pháp điều
khiển động cơ điện truyền động cho xe nâng chuyển tự hành".

-2-

2. Mục đích chon đề tài
Nâng cao đặc tính kỹ thuật và giảm năng lợng tiêu hao trong quá trình
hoạt động của xe nâng chuyển tự hành hiện nay.
3. Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
Là hệ điều khiển động cơ điện một chiều truyền động cho xe nâng tự
hành. Phạm vi nghiên cứu với tất cả với các loại xe nâng điện tự hành hiện
nay.
4. Nội dung nghiên cứu
Với mục đích và đối trợng trên thì đề tài gồm 3 néi dung chÝnh.
- Tỉng quan vỊ xe n©ng tù hành và xe nâng tự hành điện hiện nay.
- Điều khiển động cơ điện một chiều theo phơng pháp điều chỉnh
xung điện áp một chiều.
- Xây dựng sơ đồ điều khiển động cơ điện truyền động di chuyển xe
nâng tự hành.
5. Phơng pháp nghiên cứu
Từ khảo sát thực tiển, đánh giá vấn đề còn tồn tại và cần đợc khắc
phục. Tìm giải pháp hợp lý cho hệ thống điện truyền động cho xe và cuối
cùng là đi xây dựng sơ đồ điều khiển và mô phỏng hệ thống vừa thiết kế.
6. ý nghĩa khoa học và thc tiển của đề tài
- Nâng cao tính năng kỹ thuật cho hệ truyền động xe nâng nhằm đáp
ứng tốt hơn nữa yêu cầu chất lợng trong quá trình nâng vận chuyển hàng hoá.
- Giảm đợc tổn hao năng lợng rất lớn mà các hệ truyền động điện cho
xe nâng hiện nay còn mắc phải, làm tăng năng suất nâng vận chuyển của xe.
- Vì sữ dụng nguồn năng lợng sạch nên gần nh không gây ô nhiểm
môi trờng, không gây tiếng ồn nh các loại xe nâng truyền động bằng động
cơ diezen. Điều đó làm cho xe có khả năng thích nghi với nhiều môi trờng và
điều kiện hoạt động khác nhau, dần thay thế các loại xe nâng chạy bằng nhiên

liêu xăng hoặc dầu mà nguồn nhiên liệu này ngày một cạn kiÖt.


-3-

Chơng 1. Tổng quan về xe nâng tự hành và
xe nâng tự hành điện
1.1. Giới thiệu chung
Xe nâng tự hành là một dạng của máy nâng - vận chuyển. Đợc dùng để
nâng và vận chuyển các loại hàng đống kiện, hàng bao gói, có khối lợng lớn
ở các siêu thị, phòng thí nghiệm, kho, cảng biển... Nó có thể dùng để nâng và
vận chuyển gỗ, sắt, thép, vật liệu xây dựng (vật liệu đợc đóng thành bao hoặc
thành khối) ở các nhà máy, công xởng, các công trình xây dựng...Hiện nay
có rất nhiều chủng loại xe nâng tự hành, mỗi loại đợc sử dụng cho mục đích
và công việc khác nhau trong những điều kiện môi trờng thích hợp. chính vì
vậy nên cấu tạo của các loại xe nâng tự hành cũng rất đa dạng và tiện lợi. Sau
đây giới thiệu một số chủng loại xe nâng tự hành.

1.1.1. Xe nâng tự hành bằng tay
Xe nâng tự hành bằng tay đợc di chuyển và nâng hàng bằng lực của tay
ngời điều khiển thông qua hệ thống thuỷ lực. Tải trọng nâng không lớn, di
chuyển chậm, làm việc trong phạm vi hẹp. Phải cần đến sức ngời. Loại xe
nâng này đợc dùng ở các phân xởng, nhà máy sản xuất nh: Phân xởng
sản xuất giấy, nhà máy đờng, nhà máy dệt...
- Bánh xe đơn hoặc kép bằng nhựa PU(poly uretne) hoặc Nylon.
- Càng nâng và kích thứôc càng nâng đợc thiết kế đa dạng, nhiều kiểu
dáng phù hợp với từng loại xe nâng chuyên biệt.
- Chất liệu của xe đợc làm bằng thép chống rỉ rét, có sơn tĩnh điện để có
thể hoạt động ở những nơi môi trờng khắc nghiệt.

-4-

Bảng 1.1. Một số thông số kỹ thuật của xe nâng tự hành bằng tay của
h ng CE hàn quốc.
Model

PT20S/L

PT25S/L

PT30S/L

PT35S/L

Kg

2000

2500

3000

3500

Chiều cao

H1

75/85

75/85

75/85

75/85

nâng thấp

(mm)

190/200

190/200

190/200

190/200

1150/1220

1150/1220

1150/1220

1150/1220

Tải trọng
nâng

nhất
Chiều cao

H2

nâng cao

(mm)

nhất
Chiều dài

L

càng nâng

(mm)

Chiều rộng

W

520/685

520/685

520/685

520/685

A

74x70/82x70

74x70/82x70

74x70/82x70

74x70/82x70

180x50/200x50

180x50/200x50

180x50/200x50

180x50/200x50

càng nâng
Đờng kính
bánh trớc
Đờng kính
bánh sau

(mm)
B
(mm)

- Xe nâng tự hành bằng tay siêu thấp
Tay nâng

Bánh xe

Hình 1.1. Xe nâng tự hành bằng tay siêu thấp

Càng nâng


-5-

- Xe nâng tự hành bằng tay cao
Càng nâng
Tay nâng
Bánh xe

Hình 1.2. Xe nâng tự hành bằng tay cao

1.1.2. Xe nâng truyền động bằng động cơ diezent
Với loại xe nâng này nhằm phục vụ cho nâng - vận chuyển ở ngoài trời
nh cảng biển, công trình xây dựng, sân bay... có khả năng nâng với tải trọng
lớn. Kết cấu của xe tơng đối lớn chắc chắn, có đầy đủ các chức năng gần nh
của ôtô nh: Động cơ Diezen truyền động chính cho xe. Hệ thống khởi động
Càng nâng
xe bằng nguồn một chiều từ ăcquy - Điamô, có vôlăng điều khiển, có hệ thống
phanh h m đảm bảo h m dừng êm, có các tín hiệu còi, đèn chiếu sáng, Xe
chạy bằng bánh lốp.
Tuy nhiên với loại xe nâng tự hành này nếu hoạt động ở những nơi nh:
Siêu thị, khách sạn, phòng thí nghiệm, th viện, kho lu trữ... sẽ rất không phù
hợp, bởi gây tiếng ồn lớn, đặc biệt là làm ô nhiễm môi trờng do khí đốt từ
động cơ diezen của nó thải ra. Điều này đ làm hạn chế phạm vi hoạt động

của nó.
- Một dạng của xe nâng chuyển sử dụng động cơ Diezen truyền ®éng:


-6-

Vôlăng điều khiển

Đèn pha + đền tín
hiệu

Khung nâng

Bánh lốp

Càng nâng

Hình 1.3. Xe nâng tự hành đợc truyền động
bằng động cơ Diezen

1.1.3. Xe nâng tự hành bằng điện
Xe nâng tự hành bằng điện đợc sử dụng khá phổ biến hiện nay đặc biệt
là ở những nơi cần yên tĩnh trong lao động. Đảm bảo môi trờng không bị ô
nhiễm, sạch sẽ. Ngoài ra còn đợc sử dụng ở những nơi có nguồn điện dồi dào
mà nguồn xăng dầu bị hạn chế nhất là hiện nay xăng, dầu không ngừng tăng
giá do biến động của thị trờng trên thế giới và sự cạn kiệt của nguồn năng
lợng tự nhiên. Vì thế việc chuyển sử dụng nguồn năng lợng tự nhiên sang
nguồn năng lợng nhân tạo là một xu thế cấp bách hiện nay và đ đợc nhiều
tổ chức, nhiều quốc gia trên thế giới đa vào chơng trình chiến lợc của thế
kỷ míi.

-7-

Xe nâng tự hành điện đợc truyền động bằng động cơ một chiều kích từ
nối tiếp. Nguồn năng lợng chính cấp cho xe di chuyển và nâng hạ đợc lấy từ
nguồn điện một chiều nạp sẵn trong ăcquy. Với loại xe nâng chuyển này có
thể thực hiện nâng tải trọng lến đến 2 ữ 5 tấn. Thờng sử dụng nguồn ăcquy
có điện áp từ 24v đến 110v Xe nâng bằng điện có loại bán tự động tức là chỉ
thực hiện truyền động nâng hoặc chỉ thực hiện truyền động cho chạy xe, nhằm
hạn chế tổn hao năng lợng.
u điểm của loại xe này là có thể giải quyết đợc những hạn chế của xe
truyền động bằng động cơ diezen đó là ít gây tiếng ồn, ít gây ô nhiễm môi
trờng lại sạch sẽ, rất phù hợp với môi trờng làm việc trong nhà. Một vấn đề
rất quan trọng nữa là nó sử dụng nguồn năng lợng nhân tạo rất có triển vọng
trong tơng lai nguồn năng lợng này sẽ dồi dào hơn. Một dạng của xe nâng
chuyển tự hành bằng điện đợc sử dụng động cơ điện truyền động:
- Xe nâng điện bán tự động
Càng nâng

Xích kéo

ắcquy
24vữ 72v

Hình 1.4. Loại xe nâng điện bán tự động.


-8-

- Nguồn điện một chiều từ ắcquy đợc cấp cho động cơ, Động cơ đợc
dùng để nâng không có động cơ dùng di chuyển xe.
- Tải trọng nâng từ 100kg ®Õn vµi tÊn.
- Tù träng xe tõ 396 kg ®Õn 475 kg.
- Xe nâng tự hành điện tự động

Xe nâng điện tự động Đài loan:
- Moden: FB20 - 3s/4.5M.
- Tải träng n©ng:2000Kg.
- ChiỊu cao n©ng cao nhÊt: 4.5 m.
- Sư dụng ăcquy tiêu chuẩn: 48v - 550Ah
- Công suất môtơ nâng: 7.5 Kw.
- Kiểu lốp: hơi
- Có hệ thống thuỷ lực.

Hình 1.5. Xe nâng tự hành đợc truyền động
bằng động c¬ mét chiỊu KTNT


-9-

- Xe nâng điện tự động hiệu FEELER Đài Loan
Bảng 1.2. Một số thông số kỹ thuật của xe nâng - chuyển bằng điện hiệu
FEELER - Đài loan.
Model
Tải trọng nâng
Chiều cao nâng thấp nhất

FEELER

FEELER

FEELER

Kg

2950

3850

4010

H1(mm)

3000-6000

3000-6000

3000-6000

(option)

(option)

(option)

Chiều cao ca bin xe

H3(mm)

2130

2180

2180

Chiều dài xe

L2(mm)

1150/1220

1150/1220

1150/1220

Tốc độ xe nâng

Km/h

13/15

13/15

13/15

Động cơ chạy xe

KW

5

6.3

6.3

Động cơ nâng

Kw

8.2

8.6

11

V

48

48

48

Điện áp nguồn ăcquy

Vôlăng điều khiển

Trụ nâng

Hộp đựng
ăcquy

Càng nâng

Bánh hơi
Hình 1.6. Xe nâng tự hành đợc truyền động bằng
động cơ một chiều KTNT


- 10 -

Hình 1.7. Kích thớc và đồ thị xe nâng tự hành đợc truyền
động bằng động cơ một chiều KTNT
- Các thiết bị cơ bản của xe nâng tự hành đợc truyền động bằng động cơ
một chiều KTNT
Xích kéo

ắcquy

Động cơ
chạy xe

Động cơ chạy
xe nâng

Động cơ nâng
Hình 1.8. Các thiết bị cơ bản của xe nâng - chuyển đợc
truyền động bằng động cơ một chiều KTNT

- 11 -

1.2. Cấu tạo chung - đặc điểm đặc trng cho chế độ làm việc
và yêu cầu cơ bản của xe nâng tự hành
Xe nâng tự hành thờng đợc hoạt động, trang bị trong các nhà xởng,
nhà máy hoặc để ở ngoài trời. Môi trờng làm việc của xe rất nặng nề, đặc
biệt là ngoài hải cảng, các nhà m¸y ho¸ chÊt. C¸c xÝ nghiƯp lun kim. C¸c
khÝ cơ, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và trang bị điện cho các xe
nâng tự hành phải tin cậy trong mọi điều kiện nghiệt ng của môi trờng,
nhằm nâng cao năng suất, an toàn vận hành và nâng chuyển.
Xe nâng tự hành là một dạng của máy vận chuyển. Điều kiện làm việc
của xe tơng tự nh các máy nâng vận chuyển thông thờng. Tải trọng của xe
nâng tự hành dùng trong công nghiệp và trong các công trình xây dựng có thể
nâng có tải trọng từ 3 ữ 15 tấn, hiện nay có loại có thể nâng đợc tới 40 tấn.
Chiều cao nâng từ 3 ữ 7.5 mét có khi đến 15 ữ 20 mét. Tốc độ nâng từ 0.12 ữ
0.16 m/s. Với tốc độ chuyển động trên nên chúng có thể đạt đến giá trị
46Km/giờ.
1.2.1. Cấu tạo chung
Xe nâng tự hành có 2 bộ phận chính: Bộ phận chuyển động và bộ phận
nâng hàng.
Bộ phận chuyển động t thc vµo tõng kÕt cÊu cđa xe nh−: Xe truyền
động bằng tay, xe truyền động bằng động cơ diezen, xe truyền động bằng
động cơ điện một chiều KTNT.. Xe bán tự động hoặc xe tự động không có cầu
khác với xe có cầu. Tuy nhiên bộ phận chuyển động có các bộ phận chính nh
sau: Động cơ, ăcquy, hộp số, cầu sau, các bánh xe trớc, bánh xe sau, hệ
thống điều khiển, hệ thống đèn và tín hiệu báo. Động cơ, ăcquy của xe nâng
tự hành có trọng lợng lớn nên thờng đợc bố trí phía sau xe, còn càng nâng
và trụ nâng đặt phía trớc nhằm cân bằng cho xe khi xe nâng tải.
Bộ phận nâng hàng gồm: có khung chính và khung phụ, bàn trợt

đợc

truợt trên khung phụ. Khung chính đứng yên khung phụ đợc trợt trong


- 12 -

khung chính. Trên bàn trợt đợc gắn 2 càng nâng hình chữ L dùng để nâng
và chuyển hàng. Ngoài ra còn có khung xe để gắn liền 2 bộ phận chuyển động
vá bộ phận nâng hàng.
Để giảm bớt chiều dài của càng nâng ngời ta làm cho khung chính
nghiêng về phía sau kho ng 100. Để hạ thấp càng nâng xuống đất khi cần lấy
hàng, ngời ta làm cho khung chÝnh cã thĨ nghiªng ra phÝa tr−íc kho ng 30.
ở bộ phận nâng hạ có một xilanh thuỷ lực đợc đặt ở giữa thanh ngang
của khung chính. Một đầu cố định còn đầu kia (cần pittông) đợc nối với
thanh ngang trên khung phụ. Ngoài ra có đĩa xích đợc treo vào đầu trên của
khung phụ, nên truyền động từ động cơ qua hệ thống thuỷ lực đến xích và đĩa
xích làm cho càng nâng - hạ lên xuống. Tuy nhiên hiện nay về cấu tạo hình
dáng khá đa dạng nó phụ thuộc vào từng h ng, từng nớc sản xuất.
1.2.2. Đặc điểm đặc trng cho chế độ làm việc của xe nâng tự hành
Qua quá trình khảo sát và phân tích ta rút ra một số đặc điểm đặc trng
cho chế độ làm việc của xe nâng tự hành nh sau:
- Tải trọng không cố định động cơ truyền động cho xe mômen thay đổi
theo tải trọng rất rõ rệt.
- Trong hệ truyền động các cơ cấu của xe nâng yêu cầu quá trình tăng tốc
và giảm tốc xảy ra phải êm, đặc biệt là đối với các loại xe dùng để vận chuyển
hàng hoá trong các phòng thí nghiệm, siêu thị...Bởi vậy mômen động trong
quá trình quá độ phải đợc hạn chế theo yêu cầu của kỹ thuật an toàn.
- Năng suất của xe nâng quyết định bởi hai yêu tố: Tải trọng của thiết bị

và số chu kỳ nâng trong một giờ. Số lợng hàng hoá để nâng trong một chu kì
không nh nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức, cho nên phụ tải đối với động
cơ nâng củng nh động cơ di chuyển xe chỉ đạt từ (60 ữ 70)%. Công suất định
mức của ®éng c¬.


- 13 -

- Điều kiện làm việc của xe nâng thờng làm việc trong chế độ quá tải.
Nên xe đợc chế tạo độ bền cơ khí cao, các thiết bị điện có khả năng làm việc
quá tải lớn.
- Xe nâng hoạt động không cố định. Không theo một quy luật nào, mà
phụ thuộc vào ngời vận hành. Yêu cầu cần có độ linh hoạt cao trong di
chuyển. Vì thế việc trang bị điện cho hệ truyền động xe nâng phải đợc độc
lập với các hệ thống điện xung quang. Thờng truyền động cho xe nâng là
động cơ xăng, động cơ diezden, động cơ điện một chiều. Đối với xe truyền
động bằng động cơ đốt trong chỉ dùng hoạt động ở điều kiện ngoài trời, vì
nhợc điểm là nó gây tiếng ồn tổn hao nhiều nhiên liệu xăng dầu. Đặc biệt là
nó thải khí gây ô nhiễm môi trờng. Điều này không thích hợp cho xe nâng
hoạt động ở các nơi nh. Các siêu thị, th viện, phòng thí nghiệm, khách sạn...
Chính vì thế ngời ta thay thế động cơ đốt trong bằng động cơ điện để truyền
động cho xe nâng, cải thiện những nhợc điểm của động cơ đốt trong. Tuy
nhiên nguồn năng lợng để cấp cho động cơ phải là nguồn độc lập, và cụ thể
đó là đợc lấy từ nguồn điện ăcquy. Nguồn điện này cần có thiết bị lu trữ độc
lập. Có công suất không lớn nên phải nạp điện thờng xuyên trong một thời
gian nhất định. Một vấn đề đặt ra hiện nay đối với hệ thống truyền động điện
cho xe nâng này là làm thế nào để một lợng công suất điện nhất định có thể
chạy xe nâng với qu ng đờng dài nhất và thể nâng đợc nhiều hàng nhất.
- Hiện nay truyền động điện cho xe nâng sử dụng phổ biến là hệ truyền
động động cơ đốt trong và hệ truyền động động cơ một chiều, đặc biệt là động

cơ một chiều kích tõ nèi tiÕp. V× cã tÝnh kinh tÕ cao, Ých ô nhiễm, phù hợp yêu
cầu về đặc tính khởi động cũng nh đặc tính điều chỉnh.
- Để đáp ứng yêu cầu an toàn, độ tin cậy khi làm việc dài hạn của hệ
truyền động điện của xe nâng, nâng cao tuổi thọ của các khí cụ điều khiển. Nên
dùng các khí cụ phi tiếp điểm thay cho các khí cụ tiếp điểm (rơ le, công tắc tơ)
các khí cụ phi tiếp điểm đó có thể là các phần tử điện từ, điện tử và bán dẫn.


- 14 -

- Những năm gần đây do sự phát triển nhanh của kỹ thuật bán dẫn, kỹ
thuật biến đổi điện năng công suất lớn, các hệ truyền động điện cho máy vận
chuyển nói chung và cho xe nâng tự hành nói riêng đ có ứng dụng với các bộ
biến ®ỉi kh¸c nhau thay thÕ cho c¸c hƯ cỉ ®iĨn nh điều chỉnh bằng điện trở,
máy khuyếch đại, máy khuyếch đại từ... Vì có những u điểm vợt trội nh:
quán tính nhỏ, độ nhạy cao, kích thớc và trọng lợng bé hơn, và đặc biệt đối
với xe nâng có thể giảm khoảng 35% điện năng tiêu thụ so với hệ truyền động
bằng điện trở cổ điển cho phép chế tạo những hệ truyền động có các chỉ tiêu
kinh tế cao.

1.2.3. Những yêu cầu cơ bản của hệ truyền động cho xe nâng
Từ các đặc điểm trên có thể, có thể đa ra những yêu cầu cơ bản đối với
hệ truyền động chạy xe nâng tự hành nh sau:
- Cấu tạo của hệ điều khiển đơn giản, tổn hao năng lợng ít nhất.
- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay
thế dễ dàng.
- Truyền động nâng hạ bằng động cơ một chiều thông qua hƯ thèng
thđy lùc.
- Trun ®éng di chun b»ng ®éng cơ một chiều KTNT thông qua
hộp giảm tốc.

- Xe có khả năng ổn định tốc độ và điều chỉnh tốc độ vô cấp.
- Mạch điều khiển phải có các hình thức bảo vệ, quá tải, ngắn mạch.
- Quá trình mở máy, h m dừng và đảo chiều xe êm.
- Điều khiển từng động cơ riêng biệt. (Một động cơ chạy xe nâng và
một động cơ nâng) xe có thể vừa di chuyển vừa nâng hàng.
Nh đ giới thiệu và phân tích ở trên để giải quyết các vấn đề nh «
nhiƠm m«i tr−êng, tiÕng ån trong s¶n xt hiƯn nay thì loại xe nâng điện tự
hành sẽ đợc lựa chọn. Tuy nhiên đối với loại xe nâng điện tự hành lại gặp
phải những vấn đề cần giải quyết đó là nguồn năng lợng ăcquy có hạn. Trong


- 15 -

khi đó các hệ thống trang bị điện cho loại xe này còn có nhiều nhợc điểm
nh khởi ®éng vµ ®iỊu chØnh tèc ®é cđa xe b»ng ®iƯn trở, và điều này đ gây
tổn hao một lợng năng lợng điện đáng kể trên điện trở. Dẫn đến nguồn năng
lợng phục vụ cho truyền động chính của xe bị hạn chế. Ngoài ra đặc tính kỹ
thuật của xe còn cha đáp ứng đợc yêu cầu nh: Điều chỉnh tốc độ xe còn bị
giật, không ổn định đợc tốc độ...Vì vậy vấn đề đặt ra ở đây là cần có một giải
pháp hợp lý nhằm điều khiển động cơ chạy xe nâng mà năng lợng ít bị tổn
hao nhất đồng thời đáp ứng các chỉ tiêu về ô nhiễm

môi trờng và tiếng ồn.

Vì vậy giải pháp mà đề tài này ®Ị cËp ®Õn ®ã lµ thiÕt kÕ bé ®iỊu chÕ ®é réng
xung ®Ĩ ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng c¬ trun động chạy xe nâng điện tự hành
thay cho bộ điều chỉnh bằng điện trở cổ điển. Nếu đợc nó sẽ giúp ta giải
quyết vấn đề tổn hao năng lợng lớn trên các điện trở khi hệ thống làm việc.
Ngoài ra nó đáp ứng đợc các yêu cầu kỹ thuật mà xe nâng đặt ra, giải quyết
đợc vấn đề môi trờng, tiếng ồn và đặc biệt là chuyển đổi sử dụng nguồn

năng lợng tự nhiên sang nguồn năng lợng nhân tạo.
Vậy hệ thống truyền động điện cho xe nâng tự hành có động cơ điện một
chiều KTNT là đối tợng đợc điều khiển, trong luận văn này sẽ đề cập đến
những vấn đề cụ thể sau:
- Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.
- Hệ điều chỉnh xung điện áp một chiều.
- Khảo sát hệ thống truyền động hiện tại và nghiên cứu giải pháp hợp lý
điều khiển động cơ truyền động chạy xe nâng điện.
- Mô phỏng hệ thống mới thiết kế, đồng thời so sánh đánh giá.


- 16 -

1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp
U

Động cơ điện một chiều KTNN có cuộn
kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng
nh sơ đồ nguyên lý ở hình (1.9)

.

Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích
từ bằng dòng điện phần ứng, nên cuộn dây
kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số

I

E

Ikt

Rp

Hình 1.9. Sơ đồ nguyên
lý động cơ điện một
chiều kích từ nối tiếp.

vòng dây ít. Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng phần ứng( tức là phụ
thuộc vào tải).
= k. I

(1.1)


bh

Trong đó: k Hệ số phụ thuộc vào cuộn
dây kích từ của từng loại động cơ, phụ thuộc
vào dòng điện tải.
Biểu thức (1.1) cho biết: từ thông phụ
thuộc vào dòng điện phần ứng. Khi mạch từ
không b o hoà I<( 0,8 ữ 0,9)

Iđm. K' coi

nh là hằng số

I

0

Hình 1.10. Từ thông động cơ
điện một chiều kích từ nối tiếp
phụ thuộc vào dòng điện phần
ứng( cũng là dòng điện kích từ)

1.3.1. Phơng trình đặc tính cơ
Xuất phát từ các phơng trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói
chung:
U = E + I−R−Σ

(1.2)

E = kφω

(1.3)

M = kφI− = k.k'.I−2

(1.4)

Ta cã thĨ t×m đợc phơng trình đặc tính cơ của động cơ điện mét chiÒu
kÝch tõ nèi tiÕp.


- 17 -

Thay (1.1) vµo (1.3) råi thay tiÕp vµo (1.2), ta rót ra:

ω=

R uΣ
U
−
k .k , I u k .k ,

(1.5)

Rót I− tõ (1.4) thay vµo ( 1.5) sÏ đợc phơng trình đặc tính cơ:

U

=

k .k

,


M

Ru
k .k ,

(1.6)

Biễu thức (1.5) và (1.6) chỉ có tính lý thuyết không dùng đợc trong thực
tế vì rất khó xác định k' khi từ thông thay đổi. Do đó phải dùng các đặc tính
thí nghiệm do nhà chế tạo cung cấp.

1.3.2. Đờng đặc tính cơ
Hình 1.5 biểu diễn đờng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ
nối tiếp.
Khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đờng hyperbol và mềm, còn khi tải lớn
(Trên định mức) đặc tính có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đ b o
hoµ (φ = const)

.

Khi MC = 0 (I− = 0), theo (1.6) thì trị số sẽ vô cùng lớn. Trong thùc tÕ
khi Ikt = 0 vÉn cßn cã tõ d (d 0) nên khi không tải MC 0, tốc độ động cơ
sẽ là:

0 =

U
( 5 ữ 6 ) dm
k . du

(1.7)

Tốc độ này đủ để phá hỏng động cơ. Vì vậy không đợc để động cơ một
chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng
không tải. Không dùng động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp với các bộ
truyền đai hoặc các bộ ly hợp ma sát Thông thờng, tải tối thiểu của động
cơ là khoảng(10 ữ 20)% định mức. Chỉ những động cơ có công st rÊt nhá (
vµi chơc Watt) míi cã thĨ cho phép chạy không tải.


- 18 -

ω
RP1 RP2 RP = 0
nt
nt2 nt1
Mmm M
H×nh 1.11. Đặc tính cơ của động cơ
điện một chiều kích từ nối tiếp.
Do đờng đặc tính cơ mềm nên tốc độ động cơ một chiều kích từ nối tiếp
biến động mạnh theo phụ tải. ở vùng tải lớn thì độ cứng đặc tính cơ cứng hơn,
do đó tốc độ ít bị thay đổi mạnh theo tải.
Phơng trình đặc tính cơ tự nhiên suy từ (1.2)với R = (R.+ RKt)= Rđ

U

=

k .k

,


M

Rd
k .k ,

(1.8)

Đặc tính cắt trục hoành tại điểm Mmm Hình (1.8)

TrÞ sè Mnm suy tõ (1.2)khi cho ω = 0
2

M nm
Trong ®ã:

I nm =

U 
= k .k ,   = kk , I 2 nm
 Ru 

(1.9)

U
Ru

1.3.3. ¶nh h−ëng của các thông số điện đối với đặc tính cơ
- Phơng trình đặc tính cơ cho thấy: Đặc tính cơ = f(M) của động cơ
điện một chiều kích từ nối tiếp bị ảnh hởng bởi điện trở mạch động cơ.
- Đặc tính cơ tự nhiên (tn) cao nhất ứng với điện trở RP = 0. Các đặc tính
cơ nhân tạo (nt) ứng với RP 0. Đặc tính càng thÊp khi RP cµng lín.


- 19 -

- ở động cơ một chiều kích từ nối tiếp, dòng điện phần ứng củng là dòng
điện kích từ nên khả năng tải của động cơ hầu nh không bị ảnh hởng bởi
điện áp.
Qua phân tích ta thấy ®éng c¬ ®iƯn mét chiỊu kÝch tõ nèi tiÕp cã nhiều

đặc điểm phù hợp với đặc tính cơ của loại máy nâng vận chuyển. Vì vậy trong
đề tài này ta lựa chọn loại động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp làm động cơ
truyền động di chuyển cho xe nâng tự hành.

1.4. Phơng pháp Tính chọn công suất động cơ truyền động xe
nâng tự hành
Sơ đồ lực của xe nâng tự hành truyền động chạy xe bằng động cơ điện
một chiều KTNT.
F

G + Go

Hình 1.12. Sơ đồ lực của xe nâng tự hành truyền
động chạy xe bằng động cơ một chiều KTNT.
Phụ tải tĩnh của cơ cấu là do lực cản chuyển động gây ra. Lực đó bao
gồm hai thành phần chính : lực ma sát lăn trên đờng đi F1 và lực ma sát lăn
trên cổ trục bánh xe Fct.
Thành phần F1 đợc xác định theo biểu thức :

F1 =

G0 + G
Rb

[N]

Trong đó : G0 Trọng lợng bản thân cơ cấu. [N]
G Trọng lợng tải trọng. [N]
Rb – B¸n kÝnh b¸nh xe. [cm]
f – HƯ sè ma sát lăn. [cm]

(1.10)


- 20 -

Thành phần lực Fct đợc xác định theo biểu thức :
Fct = (G + G0).à

[N]

(1. 11)

Nếu dời điểm đặt của lực này về vành bánh xe thì tính theo biÓu thøc :
F ct' = ( G + G 0 . µ .

R ct
Rb

[N]

(1. 12)

G0 + G
( µ .Rct + f ) [N]
Rb

(1. 13)

Trong đó : à là hệ số ma sát trợt :

Rct bán kính cổ trục [cm].
Toàn bộ lực đặt lên bánh xe là :
Fc = F1 + Fct' =

Nếu xe di chuyển trên đờng dốc có góc nghiêng , toàn bộ lực cản Fc
đợc tÝnh theo biĨu thøc :
Fc'' =

G + G0
( µ .Rct + f ). cos α = (G + G0 ). sin
Rb

[N]

(1. 14)

Đối xe làm việc ngoài trời, cần phải tính thêm lực cản của gió


Fg = C. .q.v 2 + 0,1q.v ∑2
g

[N]

(1.15)

Trong ®ã : C – hƯ sè kinh nghiệm = (0,8 ữ 0,9)
trọng lợng riêng của không khí, (12N/m3)
q diện tích cản gió (m2)
g gia tèc träng tr−êng (9,8m/s2)

vΣ – tèc ®é tỉng cđa cơ cấu và gió (ms)

.

Công suất và momen trên trục của động cơ đợc tính theo biểu thức sau :
Pc =

Fc .v
[kW]
60.1000.η

(1.16)

Fc .Rb
[Nm]
i.η

(1.17)

Mc =


- 21 -

Trong đó :
- Pc, Mc là công suất và mômen cản trên trục động cơ
- Rb là bán kính bánh xe, [m]
- i là tỉ số truyền
- là hiệu suất của cơ cấu
- v là tốc độ di chuyển theo phơng ngang của xe, [m/ph]

- Để kiểm nghiệm công suất động cơ đ chọn,cần phải xây dựng biểu đồ
phụ tải chính xác.
Xác định đợc chế độ làm việc dài hạn, hay ngắn hạn, hay ngắn hạn lặp
lại, từ đó có các biễu thức tính chọn chính xác.
Tóm lại:
ở chơng 1 này chúng ta đ có khái niệm về xe nâng tự hành với công
dụng, cấu tạo, đặc điểm đặc trng của nó. Đồng thời đ phân tích u nhợc
điểm của từng loại xe nâng. Qua đó ta thấy xe nâng tự hành điện có nhiều thế
mạnh để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của xe, phù hợp với nhiều điều kiện nơi
làm việc và quan trọng là giải quyết đợc về vấn năng lợng, môi trờng và cả
kinh tế trong tơng lại. Đây là cơ sở cần thiết để lập phơng án truyền động,
tính toán lựa chọn các thiết bị điều khiển cho xe nh: Động cơ ®iƯn trun
®éng di chun xe, bé ®iỊu khiĨn ®éng c¬, hệ thống bảo vệ...Chơng tiếp theo
sẽ đi sâu khảo sát và tìm giải pháp cho hệ điều khiển động cơ điện truyền
động chính di chuyển xe nâng tự hành.


- 22 -

Chơng 2.

Điều khiển động cơ điện một chiều theo
phơng pháp điều chỉnh xung điện áp

2.1. Đặt vấn đề
Những năm gần đây ngời ta đ hoàn thiện và sản xuất ra các linh kiện
điện tử công suất nh IGBT, GTO, MOS, GTR, MOSFET...Nên việc ứng dụng
chúng vào điều khiển động cơ một chiều theo phơng pháp điều chỉnh xung
áp mét chiỊu tá ra cã nhiỊu −u ®iĨm lín so với các phơng pháp trớc đó vì
các lý do sau:

- Mạch điện chính đơn giản, các linh kiện công suất ít.
-Tần số đóng mở cao, dòng điện dể giữ đợc liên tục, sóng hài ít, tổn hao
và phát nhiệt của động cơ khá nhỏ.
- Có khả năng vận hành ở tốc độ thấp, độ chính xác cao khi tốc độ ổn
định, vì vậy phạm vi điều tốc rộng.
- Dải tần cđa hƯ thèng réng, tÝnh thÝch nghi nhanh nh¹y rÊt tốt, khả năng
chống nhiễu trạng thái động mạnh.
- Các linh kiện của mạch làm việc ở trạng thái đóng mở, tổn hao khi mở
thông nhỏ, hiệu suất thiết bị khá cao.
Để có cơ sở lý thuyết luận văn đi phân tích một số vấn đề cơ bản của bộ
điều chỉnh xung điện áp một chiều đó là: phân tích mạch điện điển hình của
bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều. Phân tích đờng đặc tính cơ mạch vòng
hở của hƯ thèng ®iỊu tèc b»ng bé ®iỊu chØnh xung ®iƯn áp một chiều. Mạch
điện điều khiển cho bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều. Cuối chơng nêu
ra các vấn đề đặc biệt về bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều và hàm truyền
đạt của nó.


- 23 -

2.2. Bộ điều chỉnh xung áp một chiều
Bộ điều chỉnh xung điện áp một chiều (ĐAMC) đợc sử dụng khi có sẵn
nguồn một chiều cố định mà cần đợc điều chỉnh điện áp ra tải. Các bộ
ĐAMC hoạt động theo nguyên tắc đóng ngắt nguồn với tải một cách chu kỳ
theo một số luật khác nhau. Phần tử thực hiện nhiệm vụ đó là các van bán dẫn,
song do chúng làm việc trong mạch một chiều nên khi dùng loại tiristor thông
thờng nó không đợc khoá lại một cách tự nhiên của giai đoạn âm của điện
áp nguồn nh khi làm việc với nguồn xoay chiều. ở đây buộc phải có một
mạch chuyên dụng để khoá tiristor gọi là "Mạch khoá cỡng bức", gây nhiều
khó khăn trong thực tế. Vì vậy, hiện nay đ sử dụng các loại van điều khiển cả

đóng và ngắt nh phần đầu chơng đ nói.
Sự hạn chế các bộ điều chỉnh xung áp một chiều hiện nay ở chỗ chỉ đợc
dùng ở hệ thống công suất nhỏ và vừa. Theo đà phát triển của công nghiệp
điện tử, lĩnh vực ứng dụng của nó ngày một mở rộng, chẳng hạn nh trình độ
sản xuất tiristor cực điều khiển khoá đợc đ đạt tới 4500V, 2500A, có thể
dùng để khởi động động cơ hàng nghìn KW.
Số lợng các sơ đồ điều chỉnh xung áp một chiều rất đa dạng. Tuy nhiên ta
có thể phân ra làm 2 loại đó là: Bộ điều chỉnh đảo chiều và bộ điều chỉnh
không đảo chiều, bộ biến đổi đảo chiều lại có kiểu Điốt, một cực và kiểu một
cực bị hạn chế, dới đây với yêu cầu đề tài ta sẽ đi nghiên cứu phân tích một
số mạch đặc trng cho các loại trên.

2.2.1. Bộ điều chỉnh xung điện áp không đảo chiều
Sơ đồ nguyên lý mạch điện chính của bộ ĐAMC không đảo chiều.
U id

Ud
VT

Ub
t
0

US
C

Ub

US

Ud

E

M

E
Id
t

a) VD
b)
Hình 2.1. Mạch điện của bộ ĐAMC không đảo chiều đơn giản


- 24 -

Hình 2.1.a là sơ đồ nguyên lý mạch điện chính của bộ ĐAMC không đảo
chiều đơn giản. Đợc dùng Trazitor điều khiển toàn chu kỳ, để thay thế cho
tiristor đóng mở cỡng bức, tần số đóng mở đạt tới 1ữ 4 kHZ và so với tiristor
thông thờng đ tăng lên một cấp. Điện áp nguồn US thờng đợc cấp nguồn
điện chỉnh lu không điều khiển đợc, dùng tụ có điện dung lớn để lọc sóng,
khi Transitor VT bị khoá, Điốt VD là mạch hồi dòng điện do điện cảm giải
phóng ra trong mạch điện phần ứng.
Cực gốc của Tranzito VT đợc điều khiển bằng điện áp xung Ub (điều
khiển theo phơng pháp điều chế độ rộng xung). Trong mét chu kú ®ãng më
khi o ≤ t < t on ,U b là dơng, VT b o hoà mở thông, điện áp nguồn thông qua VT
áp vào hai đầu mạch điện phần ứng động cơ. Lúc t on t < T , Ub là âm hoặc
bằng 0, VT bị khoá, mạch phần ứng mất nguồn điện, nhng dòng qua Điôt
VD tiếp tục chảy. Điện áp trung bình mà động cơ nhận đợc là:

Ud =

t on
U s = U s
T

Trong ®ã: ρ = t on T = U d

Us

(2.1)
- là hệ số phân áp của ĐAMC.

ton - Thời gian mở thông của VT. US - Điện áp nguồn.
T - chu kỳ đóng ngắt.
Thay đổi

Ud- Điện áp trung bình.

(o 1 ) là có thể điều khiển đợc điện áp đầu ra từ không

đến định mức.
Hình 2.1.b vẽ điện áp xung Ud của mạch phần ứng ở trạng thái ổn định,
điện áp trung bình của mạch phần ứng Ud và đồ thị dòng điện mạch rôto id. Từ
hình vẽ có thể thấy, dòng điện id có dạng xung, trị số trung bình của nó bằng
dòng điện phụ tải. IdL = TL/Cm. với (TL - là mômen phụ tải. Cm - Hệ số mômen
động cơ một chiều với từ thông định mức).
Bởi vì VT trong một chu kỳ có hai trạng thái đóng và mở, phơng trình
cân bằng mạch điện áp của mạch điện cũng phân thành hai giai đoạn.

- 25 -

Trong thêi gian 0 ≤ t < t on :
U s = Rid + L

did
+E
dt

(2.2)

Trong thêi gian t on ≤ t < T :
0 = Rid + L

did
+E
dt

(2.3)

Trong đó: R, L - Là điện trở và điện cảm của mạch điện rôto.
E - Sức điện động của động cơ.
id - Dòng điện mạch phần ứng.
Do tần số đóng mở cao, biên độ xung của dòng điện sẽ không thể rất lớn,
ảnh hởng trở lại đến tốc độ quay n và sức điện động E cũng sẽ rất nhỏ, để
làm rõ vấn đề này, có thể bỏ qua các vấn đề đó, coi U và E là không đổi.
Trong mạch điện không đảo chiều đơn giản nh hình 2.1 dòng điện id
không đổi chiều, vì thế cần phải lắp thêm Tranzitor điều khiển đờng đi ngợc
chiều trong mạch, và vì thế tạo nên mạch điện đan chéo nhau bởi hai tranzito

VT1 và VT2 nh trên hình 2.2.a. Hệ thống điều tốc ĐAMC do loại mạch điện
này tạo nên có thể vận hành ở phần góc toạ độ 1 và 2.
Độ lớn điện áp điều khiển VT1 và VT2 bằng nhau nhng ngợc chiều
nhau, nghĩa là Ub1= -Ub2. Lúc động cơ điện vận hành ở trạng thái động cơ,
dòng điện trung bình phải là dơng, trong một chu kỳ phân ra hai giai đoạn
biến đổi. Khi 0 t < t on (ton là thời gian mở thông của VT1) Ub1 là dơng, VT1
b o hoà mở thông. Ub2 âm VT2 đóng. Lúc này điện áp nguồn Us đặt vào hai
đầu mạch phần ứng, và dòng điện id chảy trong mạch điện số 1 nh hình vẽ.
Khi t on t < T , cùc tÝnh cđa Ub1 vµ Ub2 lần lợt đổi chỗ cho nhau, VT1đóng lại,
nhng VT2 vẫn không đợc mở thông, bởi vì id chảy trong mạch điện số 2 qua
điốt VD2, hai đầu của VD2 tạo ra sự sụt áp (cực tính của nó nh trên hình
2.2.a) đặt vào VT2 không bao giờ mở thông.