Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếp container thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu di chuyển xe con

Mục lục
Chương 1. Tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu truc giàn xếp
container........................................................................................................3
1.1. Giới thiệu về cầu trục giàn xếp container.....................................3
1.2. Trang bị điện điện tử cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc
xếp bốc xếp Container...................................................................................6
1.3. Sơ đồ điện của cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn.................8
1.4. Kết luận chương 1........................................................................12
Chương 2. Thiết kế điều khiển cơ cấu di chuyển xe con.......................13
2.1. Lựa chọn phương án cấp nguồn...................................................13
2.2. Xây dựng bộ biến tần PWM........................................................16
2.3. Kết luận chương 1........................................................................25
Chương 3. Tổng hợp mạch vịng điều khiển và mơ phỏng hệ truyền
động PWM - Động cơ...................................................................................26
3.1. Tổng hợp mạch vòng điều khiển hệ truyền động
PWM – Động cơ...........................................................................................26
3.2. Mô phỏng hê ̣ truyề n đô ̣ng điê ̣n PWM - Động cơ........................37
3.3. Kết quả mô phỏng hê ̣truyề n đô ̣ng điên PWM - Động cơ..................42
̣
3.4. Đánh giá kết quả mô phỏng................................................................45
Kết luận....................................................................................................46
Tài liệu tham khảo...................................................................................46

1


Lời giới thiệu
Trong công cuộc xây dựng chủ nghĩa xã hội, từng bước cơng nghiệp hố hiện đại hố đất nước, nước ta đã thu được những thành tựu to lớn về kinh
tế, xã hội. Gắn liền với sự phát triển kinh tế là sự phát triển liên tục của giao
thơng vận tải nói chung và vận tải thuỷ nói riêng. Trong sự phát triển đó, các
hải cảng đóng vai trị rất quan trọng.

Trong các hình thức vận tải thì hình thức vận chuyển hàng hố bằng
container là một hình thức vận chuyển tiên tiến, được áp dụng rộng rãi trên
thế giới.
Với tầm quan trọng như vậy, việc tìm hiệu nắm vững nguyên tắc hoạt
động cũng như quy trình vận hành cầu giàn container là một nhiệm vụ rất
quan trọng đối với những cán bộ quản lí, phụ trách kĩ thuật, từ đó có thể đưa
ra các phương án khai thác, bảo dưỡng hợp lí các thiết bị trong hệ thống.
Trong q trình học tập mơn trang bị điện em đã được giao đề tài thiết kế
môn học: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn
bốc xếp container thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ
cấu di chuyển xe con”
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Hồng Xn Bình và các thầy cô
giáo trong khoa cùng sự giúp đỡ của các bạn, em đã hoàn thành bản thiết kế
này. Trong quá trình làm đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng có
hạn nên bản thiết kế khơng thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong
nhận được sự chỉ bảo đóng góp của các thầy, cơ giáo và các bạn để bản thiết
kế được hồn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN ĐIỆN TỬ CƠ CẤU
DI CHUYỂN XE CON CẦU TRỤC GIÀN BỐC XẾP CONTAINER
1.1. Giới thiệu về cầu trục giàn bốc xếp Container
1.1.1. Khái quát chung về cầu trục giàn bốc xếp Container
Cầu trục và cần trục làm nhiệm vụ chuyển dịch hàng hố,vật tư, thiết bị từ
chỗ này sang chỗ khác. Thí dụ trong xây dựng cơng trình cơng nghiệp cầu
trục nâng các thiết bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp đặt dây chuyền sản
xuất. Trong nhà máy luyện kim cầu trục vận chuyển cuộn thép, phôi thép

hoặc các thùng nóng chảy để vào khn đúc... Trong các nhà máy cơ khí cầu
trục vận chuyển các phơi gia cơng để gá lắp lên máy hay vận chuyển các chi
tiết được gia công xong đưa sang công đoạn khác. Trong cảng biển cầu trục
bốc dỡ hàng từ trên tàu xuống kho bãi hay vận chuyển hàng hoá xuất khẩu
từ kho bãi xuống tầu, vận chuyển các container, các máy móc xuất nhập
khẩu qua đường biển.Như vậy cầu trục và cần trục giúp cho con người cơ
khí hố, tự động hố bốc xếp làm giảm sức lao động, tăng năng suất và
chấtlượng.
Điều này cho thấy trong bất kì lĩnh vực sản xuất nào cũng có sự tham gia
cầu trục và cần trục.Vì tính đa dạng của nó nên cấu tạo của cần trục và cầu
trục cũng rất khác nhau.Tuy nhiên chúng có đặc điểm và các cơ cấu chung
thí dụ : cầu trục có ba cơ cấu chính:cơ cấu nâng hạ, cơ cấu dịch chuyển dọc,
cơ cấu dịch chuyển ngang và một số cơ cấu phụ để lấy và giữ hàng.
1.1.2. Phân loại cấu tạo cầu trục
*) Phân loại theo cấu trúc điều khiển
a. Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ 1 chiều.
b. Điều khiển cơ cấu chính bằng các cơngtắctơ, rơle, động cơ khơng
đồng bộ rơto lồng sóc.

3


c. Điều khiển cơ cấu chính bằng các cơngtắctơ, rơle, động cơ không
đồng bộ rôto dây quấn.
d. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐT - động cơ khơng đồng
bộ.
e. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – PWM - động cơ khơng đồng
bộ
f. Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐ - động cơ điện – phụ tải
động

*) Phân loại theo trọng tải nâng chuyển hàng hoá
a. Cầu trục có tải trọng nhỏ: Trọng tải nâng chuyển từ 1-5 tấn
b. Cầu trục có tải trọng trung bình:Trọng tải nâng chuyển từ 10-30 tấn
c. Cầu trục có tải trọng lớn:Trọng tải nâng chuyển từ 30-60 tấn
d. Cầu trục có tải trọng rất lớn: Trọng tải nâng chuyển từ 80-1200 tấn
*) Phân loại theo đặc điểm công tác
a) Cầu trục trang bị cho kho bãi và nhà xưởng
Cầu trục chạy trên ray trang bị cho kho hàng, các phân xưởng cơ khí.Cầu
trục này có các cơ cấu điều khiển chuyển động chính: cơ cấu nâng hạ hàng,
cơ cấu di chuyển xe con,cơ cấu di chuyển giàn các cầu trục này thường được
thiết kế điều khiển tại chỗ và từ xa.
b) Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray
Cầu trục khung dầm thép dạng hộp chạy trên đường ray được trang bị cho
cảng biển, các nhà máy đóng tàu biển. Loại này thường được thiết kế có
trọng tải nâng lớn, làm việc trong phạm vi quy định. Gồm 3 cơ cấu điều
khiển chuyển động: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di
chuyển giàn.
c) Cầu trục bốc xếp container
Cầu trục giàn bánh lốp xếp container có các cơ cấu điều khiển chuyển
động chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di
chuyển giàn. Việc cấp nguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezen lai
4


máy phát điện đồng bộ. Đặc điểm làm việc của cầu trục giàn bánh lốp là tính
cơ động, năng suất cao.
d) Cầu trục chạy trên đường ray bốc xếp container có các cơ cấu điều
khiển chuyển động chính là: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con,
cơ cấu di chuyển giàn và cơ cấu nâng hạ giàn (nâng hạ côngson).Đặc điểm
công tác nổi bật của loại này là có tầm với và trọng tải nâng lớn,năng suất

bốc xếp rất cao. Được trang bị cho các cầu cảng chuyên dụng bốc xếp
container.
1.1.3. Cấu tạo cầu trục

Hình 1.1: Cấu trúc cần trục.

Cấu tạo cầu trục gồm 3 bộ phận chính:
-

Xe cầu: Gồm dần chính và khung giàn chính được chế tạo bằng thép

có độ cứng khơng gian đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng
cách bánh xe của xe con. Hai đầu cầu được lien kết cơ khí với hai dầm
ngang tạo thành khung chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của
các cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung chữ nhật tạo điều
kiện cho cầu trục chạy dọc suất nhà xưởng.
-

Xe con: Trên xe con đặt cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển xe con. Tùy

theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoạc hai cơ cấu nâng. Xe
5


con có thể di chuyển dọc trên xe cầu tạo điều kiện cho cầu trục có thể di
chuyển được trong suất chiều ngang phân xưởng.
-

Cơ cấu nâng hạ: Thường có tang cắt thành rãnh xoắn hai chiều để

cuộn cáp nâng và hạ. Cuối hai đầu cáp thường mắc palăng để đảm bảo nâng
hạ trọng tải theo phương thẳng đứng. Toán bộ cơ cấu tang, hộp biến tốc,
động cơ được đặt trên xe con.
-

Cơ cấu phanh hãm:

Hình 1.2: Cơ cấu phanh hãm.
Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu
trục. Phanh dùng trong cầu trục có ba loại: Phanh gốc, phanh đĩa và phanh
đai. Nguyên lí hoạt động của ba loại phanh này tương đối giống nhau. Phanh
đai được mô tả như sau:
1. Má phanh
2. Cuộn dây nam châm phanh
3. Đối trọng phanh.
Nhờ những đặc điểm trên cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3
phương phủ kín mặt bằng nhà xưởng.
- Chuyển động theo phương thẳng đứng là chuyển động nhờ cơ cấu
nâng hạ đặt trên xe con.
- Chuyển động dọc theo phân xưởng là chuyển động của xe cầu.
- Chuyển động ngang theo phân xưởng là hệ thống chuyển động đặt
trên xe con.
1.2. Trang bị điện điện tử cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếp
bốc xếp Container

6


1.2.1. Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu

Hình 1.3: Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu dung PLC- bộ biến tần –động
cơ không đồng bộ cho cầu trục.
1.Tay điều khiển: Tạo ra tín hiệu điều khiển tương ứng với 3 trạng thái điều
khiển
2. Bộ mã hoá: Bộ mã hố tín hiệu vị trí tay điều khiển nhằm nâng cao cơng
suất tín hiệu điều khiển, tăng khả năng chống nhiễu và truyền đi xa.
3. Bộ PLC: Bao gồm CPU, các đầu vào DI, các đầu ra DO kết nối với các
hệ điều khiển..
4. Thiết bị đóng cắt: Các cơngtắctơ MC dung để đóng cắt cấp nguồn cho bộ
biến tần động cơ không đồng bộ và các thiết bị thực hiện khác.
7


5. Bộ biến đổi: Bộ biến tần dung để điều khiển điện áp, tần số cấp cho động
cơ theo luật điều khiển được thiết kế và lưu dữ trong CPU của biến tần…
6. Động cơ điện: Động cơ điện không đồng bộ Rơto lồng sóc dung để điều
khiển truyền động cho hệ thống.
7. Thiết bị quan sát: Máy phát tốc PG là thiết bị đo tốc độ cho tín hiệu dạng
xung.
8. Máy tính kết nối với hệ thống: Chức năng của PC là để điều khiển và
giám sát hệ thống.
1.2.2. Trang bị điện cơ cấu di chuyển xe con
Trên thực tế có rất nhiều cầu trục giàn bốc xếp Container như RTG,
QC… Dưới đây ta chỉ phân tích trang bị điện cơ cấu di chuyển xe con của
cầu trục giàn RTG.
Các thơng số chính:
Hành trình của xe con: 19.07m
Tốc độ di chuyển của xe con: 70m/phút
Nguồn điện cấp cho động cơ: AC 440V, 60Hz, 3pha
Phanh hãm: Phanh đĩa điện từ 1 chiều.

Thông số động cơ di chuyển xe con
Công suất: 37KW
Tốc độ: 1750 vg/phút
Điện áp cấp: AC440V
Đặc tính: 60%ED
Nắp đậy TEFC
Sứ cách điện: Vật liệu cách điện cấp F
Loại: Lồng sóc
Số lượng: 1

8


1.3. Sơ đồ điện

Hình 1.4: Sơ đồ ngun lí động cơ di chuyển xe con cầu trục RTG.
3MCB
a(20-4B)

AC220V

AC440V
POWER
SOURCE
EMX1
24MCB
a(32-6B)
b(32A-6B)
9-14A
EMX2

26M SC-03
(33-3D)

2M

1M
3CR

BR

4CR
1MA

TROLLEY MOTOR
BRAKE 0.55A

5CR

7CR

HELS

20CR

HOS

Hình 1.5: Sơ đồ ngun lí điều khiển động cơ di chuyển xe con cầu trục giàn RTG

1.3.1. Chức năng phần tử trong sơ đồ điện

9


Cơ cấu di chuyển xe con có động cơ truyền động được cấp nguồn từ
bộ biến tần FRN37VG7S-4, đặc điểm của cơ cấu này là động cơ hoạt động
cơ chế độ ngắn hạn lặp lại, điều khiển động cơ được thực hiện bằng tay trang
trong cabin điều khiển chính phía bên trái lựa chọ chế độ là việc bằng các
nút nhất tại bàn điều khiển.
INV3: Bộ biến tần số 3(FRN37VG7S-4).
IM: Động cơ truyền động chính là động cơ dị bộ rơto lồng sóc
PG: Máy phát xung
THR3: Nhiệt điện trở
BRT: Phanh thủy lực
24M: Tiếp điểm Congtắctơ 24M cấp nguồn cho phanh thủy lực
IM: Cơngtắctơ cấp nguồn chính cho bộ biến tần
MC-T: Tay điều khiển 11 vị trí
EMX1, EMX2: Dừng khẩn cấp
2M: Tiếp điện phụ Côngtắctơ cấp nguồn cho bộ biến tần
3MCB: Tiếp điểm phụ của cầu dao cấp nguồn cho động cơ di chuyển xe con
EPB3, EPB4, EPB1, EPB2: Các nút dừng khẩn cấp
4MCB: Tiếp điểm phụ cầu dao dừng cấp nguồn cho bộ biến tần
034: Cơngtắc giới hạn vị trí cuối hành trình
TFS, TRS: Rơle trung gian của xe con
RST2: Đặt chế độ làm việc cho bộ biến tần IVN3
20CR: Công tắc giới hạn chiểu cao nâng
33.1: Cảm biến tư
7CR: Rơle trung gian làm việc ở chế độ chạy trình tự
TFE, TRE: Rơle trung gian của xe con
INV1, INV2, INV3: Là tiếp điểm phụ kiểm tra trạng thái hoạt động của biến

tần
10


3CR, 4CR, 5CR: Các Rơle trung gian
PL: Tiếp điểm cho phép làm việc trình tự
2: Bảo vệ nâng dưới định mức
HOS: Rơle bảo vệ tốc độ nâng định mức.
32: Dừng khẩn cấp khi nâng
HELS: Rơle trung gian bảo vệ dừng khẩn cấp khi có sự cố.
24M: Cơng tắc cấp nguồn cho phanh xe con.
1.3.2. Nguyên lí hoạt động cơ cấu dịch chuyển xe con
Sau khi thực hiện đầy đủ các thao tác cấp nguồn cho toàn bộ cầu trục
và xác định trạng thái có thể làm việc bằng các đèn hiệu trên bàn điều
khiển, nếu khơng có sự cố gì thì nguồn điện điều khiển, động lực được cấp
để chờ hoạt động.
Đưa tay điều khiển MC-T tiến hay lùi tương ứng với chiều dịch
chuyển của xe con => đầu vào B206 hoặc B207. PLC xử lí cấp tín hiệu điều
khiển biến tần PWM để lấy điện áp ra tương ứng với tốc độ dịch chuyển của
xe con, lúc này nếu khơng có sự cố từ biến tần, các cảm biến hành trình thì
các tiếp điểm EMX1, EMX2,3CR,4CR,5CR,7CR,HOS,HELS,IM =1 cấp
nguồn cho Cơngtắctơ 1M, 24M bên mạch động lực đóng lại cấp nguồn cho
bộ biến tần hoạt động , đồng thời cấp nguồn cho cơ cấu phanh sẵn sàng họat
động. Máy phát xung PG lúc này nhận thong tin xử lí từ PLC phát xung
tương ứng để điều khiển biến tần cấp điện cho động cơ hoạt động. Đồng thời
tiếp điểm phụ 24M đóng lại cấp nguồn cho cơ cấu phanh.
Khi đưa tay trang điều khiển lên mức tốc độ cao hơn thì bộ mã hóa
8bít nhận thong tin này qua xư lí được truyền tới đầu vào của PLC (B208…
B20F). PLC xử lí cấp tín hiệu ra điều khiển biến tần sao cho đầu ra của biến
tần có điện áp và tần số phù hợp với tốc độn đặt. Để tăng tính chính xác hệ

11


thộng được xây dựng theo sơ đồ mạch kín với máy phát xung PG đóng vai
trị phản hồi tốc độ.
Khi giảm từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp(xảy ra quá trình hãm tái
sinh ), bộ điều khiển PLC thu nhận thơng tin và tự động cấp tín hiệu ngắt
Cơngtắctơ 1M và cấp điện cho Côngtắctơ 2M để trả năng lượng về nguồn.
1.4. Kết luận chương 1
Trong chương 1 đồ án đã giới thiệu tổng quan về cầu trục giàn bốc
xếp Container. Đi sâu phân tích trang bị điện cơ cấu dịch chuyển xe con
cầu trục giàn RTG.

12


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU DI CHUYỂN XE
CON
2.1. Lựa chọn phương án cấp nguồn
Hệ truyền động cho cơ cấu dịch chuyển xe con cần đảm bảo các điều
yêu cầu sau:
- Cần đảm bảo tốc độ nâng chuyển với tải định mức
Tốc độ chuyển động tối ưu của hàng hoá được nâng chuyển là điều kiện
trước tiên để nâng cao năng suất bốc xếp hàng hoá, đưa lại hiệu quả kinh tế
kĩ thuật tốt nhất cho sự hoạt động của cầu trục. Nếu tốc độ nâng hạ thiết kế
q lớn sẽ địi hỏi kích thước, trọng lượng của các bộ truyền cơ khí lớn, điều
này dẫn tơí giá thành cao. Mặt khác tốc độ nâng hạ tối ưu đảm bảo cho hệ
thống điều khiển chuyển động của các cơ cấu thoả mãn các yêu cầu về thời
gian đảo chiều, thời gian hãm, thời gian làm việc liên tục trong chế độ quá

độ , gia tốc và độ giật thoả măn yêu cầu.Ngược lại nếu tốc độ quá thấp sẽ
ảnh hưởng tới năng suất bốc xếp hàng hố.
- Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng
Phạm vi điều chỉnh tốc độ của các cơ cấu điều khiển chuyển động là điều
kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp đồng thời thoả mãn các yêu cầu
cơng nghệ bốc xếp với nhiều chủng loại hàng hố.
Số cấp tốc độ cho cầu trục ít nhất phải là 3 cấp tốc độ. Cấp tốc độ thấp
nhằm thoả mãn công nghệ khi nâng hạ hàng chạm đất, cấp tốc độ cao là tốc
độ tối ưu cho từng cơ cấu, giữa hai cấp tốc độ này thường được thiết kế thêm
các tốc độ trung gian để thoả mãn công nghệ bốc xếp hàng hố .
- Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ.

13


Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục làm việc ở trong chế độ
ngắn hạn lặp lại, vì vậy mà thời gian quá độ chiếm hầu hết thời gian cơng
tác. Do đó việc rút ngắn thời gian q độ là biện pháp cơ bản để nâng cao
năng suất .
- Có trị số hiệu suất cao và cos ϕ
Cơng tác khai thác hợp lí cầu trục trong bốc xếp hàng hố là một yếu tố để
nâng cao tính kinh tế của hệ thống điều khiển. Như chúng ta đã biết hệ thống
truyền động điện của các cầu trục thường không sử dụng hết khả năng công
suất, hệ số tải thường trong khoảng 0,3 – 0,4. do vậy khi chọn động cơ phải
chọn loại có cos ϕ cao và ổn định trong phạm vi rộng.
- Đảm bảo an toàn hàng hố
Bảo đảm an tồn cho hàng hố, cho thiết bị và an tồn cho cơng nhân bốc
xếp là u cầu cao nhất trong công tác khai thác, vận hành cầu trục.
- Điều khiển thuận lợi và đơn giản
Để đảm bảo thuận lợi cho người điều khiển việc thiết kế cabin điều khiển

cùng với các thiết bị điều khiển phải được bố trí thuận tiện và thống nhất
giữa các loại cầu trục. Đồng thời người điều khiển cầu trục có thể sử dụng
các lệnh khẩn cấp một cách thuận tiện và dễ dàng .
- Ổn định nhiệt cơ
Các cầu trục thông thường được lắp ráp để vận hành ngoài trời. Các khu
vực làm việc thơng thường có nhiệt độ biến đổi theo mùa rõ rệt. Ngoài ra các
cầu trục cảng biển chiụ ảnh hưởng của hơi nước mặn, vì vậy các thiết bị
điện, kết cấu cơ khí phải được chế tạo thích hợp với các mơi trường cơng
tác.
- Tính kinh tế và kĩ thuật cao
Thiết bị chắc chắn , kết cấu đơn giản, trọng lượng và kích thước nhỏ, giá
thành hạ. Chi phí bảo quản và chi phí năng lượng hợp lí.
14


2.1.1. Hệ truyền động cơ một chiều
Ưu điểm của hệ truyền động động cơ điện một chiều là khả năng điều
chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng dễ tạo đường đặc tính cơ học phù hợp với
yêu cầu của máy, có khả năng quá tải cao. Tóm lại hệ truyền động một chiều
đạt được các đặc tính điều chỉnh lí tưởng của một hệ truyền động. Tuy nhiên
lại cần phải có nguồn cấp riêng và giá thành đắt.
Các phương pháp điều chỉnh tốc độ khi sử dụng hệ truyền động một chiều.
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng hệ truyền động máy
phát- động cơ.
Hệ truyền động máy phát động cơ là hệ truyền động mà bộ biến đổi là
một máy phát điện một chiều kích từ độc lập, máy phát này được lai bởi
động cơ KĐB 3 pha.
Ưu điểm: Sự chuyển trạng thái làm việc linh hoạt và khả năng quá tải lớn..
Nhược điểm: Sử dụng nhiều máy điện quay có ít nhất là hai máy điện một
chiều nên gây ra tiếng ồn lớn.

2. Hệ chỉnh lưu Thyristo- động cơ một chiều
Hệ truyền động sử dụng bộ biến đổ là các van bán dẫn
Ưu điểm: Không gây tiếng ơn, khả năng tự động hóa cao do sử dụng các van
bán dẫn.
Nhược điểm: Bán dẫn có tính phi tuyến, nên dạng điện áp chỉnh lưu có biên
độ đập mạch cao.
2.1.2. Hệ truyền động động cơ xoay chiều
1. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp xung
điện trở.
Tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện trở mạch roto.
Nhược điểm: Gây ra tổn hao năng lượng trên các điện trở được đưa vào
mạch Roto. Dải điều chỉnh không láng.
15


2. Điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ bằng phương pháp tần
số.
Tốc độ động cơ KĐB có thể được thay đổi bằng cách thay đổi tần số điện áp
cấp.
Ưu điểm: Dải tốc độ điều chỉnh trơn, nâng cao được khả năng động học của
hệ thống điều khiển
Nhược điểm: Mạch điều khiển rất phức tạp
2.2. Xây dựng bộ biến tần PWM
2.2.1. Giới thiệu bộ biến tần PWM
- Bộ biến tần gián tiếp PWM điều chế độ rộng xung.
Trong công nghiệp ngày nay khi q trình cơng nghiệp hố hiện đại hố
ngày càng phát triển mạnh mẽ thì trong xản suất cơng nghiệp lại càng địi
hỏi có những hệ thống truyền động điện có khả năng thay đổi tốc độ thường
xuyên, liên tục, dễ dàng với độ chính xác cao. Vấn đề điều chỉnh tốc độ là
một trong những vấn đề chính của truyền động điện, nó có ý nghĩa quan

trọng đối với q trình cơng nghệ và sản xuất tiên tiến.
Việc điều chỉnh tốc độ của hệ thống có thể tiến hành bằng nhiều phương
pháp như: phương pháp thủy lực, cơ khí và điều khiển tần số là một phương
pháp điều khiển hiện đại nó cho phép điều khiển tốc độ động cơ không đồng
bộ một cách trơn láng, phạm vi điều chỉnh rộng và đạt được hiệu quả cao.
Ngày nay, việc sử dụng biến tần gián tiếp điều chế độ rộng xung để điều
chỉnh điện áp và tần số cấp cho động cơ có nhiều ưu điểm:
- Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị đặt mong muốn
- Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thơng khe hở
khơng đổi trong vịng điều chỉnh mơmen.
- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

16


- Độ tin cậy cao, với kỹ thuật tin học và điện tử công suất ngày càng phát
triển, các thiết bị bán dẫn và kỹ thuật biến đổi điện năng cơng suất lớn được
đưa vào sử dụng phổ biến thì ngày càng làm cho kỹ thuật điều chỉnh tốc độ
đạt được chỉ tiêu về chất lượng và kinh tế.
Việc sử dụng bộ biến tần gián tiếp điều chế độ rộng xung trong các thiết
bị nâng hạ, hệ thống cần cẩu đảm bảo quá trình mở máy êm, dải điều chỉnh
tốc độ rộng, điều khiển trơn, hãm dừng chính xác.
- Nguyên lý hoạt động nói chung của bộ biến tần gián tiếp PWM.
- Thiết bị biến tần
Bộ biến tần là bộ biến đổi năng lượng điện từ tần số công nghiệp (50 Hz)
sang nguồn có tần số thay đổi cung cấp cho động cơ điện xoay chiều. BBT
chia làm 2 loại: Bộ biến tần trực tiếp (cycloconverter) và bộ biến tần gián
tiếp (có khâu trung gian một chiều).
Bộ biến tần trực tiếp: biến đổi trực tiếp năng lượng điện xoay chiều có
tần số, điện áp này (U1, f1) thành nguồn năng lượng điện có tần số, điện áp

khác (U2, f2). Bộ biến tần trực tiếp thường được sử dụng ở những hệ thống
có cơng suất cao.
Bộ biến tần gián tiếp: Điện áp xoay chiều có tần số cơng nghiệp (50Hz)
được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu không điều khiển
hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu sẽ biến đổi
thành điện áp 3 pha có tần số, điện áp biến đổi cung cấp cho động cơ.
- Bộ biến tần có điều biến độ rộng xung
Là bộ biến tần gián tiếp, điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu được lọc nhờ
tụ điện có trị số khá lớn, điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch
lưu điều biến độ rộng xung ( Pulse Width Modulation - PWM). Các mạch
nghịch lưu bằng các tranzito ( MOSFET, IGBT ) được điều khiển theo

17


nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp cho động cơ có dạng hình sin
nhất.
- Ngun lý cơ bản của mạch nghịch lưu
Xét một mạch nghịch lưu một pha có sơ đồ khối như ở hình 2.14a, điện
áp ra U0 được lọc sao cho có dạng hình sin. Tải của nghịch lưu là động cơ,
mang tính cảm kháng, nên dòng điện i 0 sẽ chậm pha so với điện áp U 0 như ở
hình 2.14b. Trong khoảng 1, điện áp U0 và dòng điện i0 đều mang dấu
dương, trong khi ở khoảng 3 chúng đều mang dấu âm, nên công suất tức thời
sẽ được truyền từ mạch một chiều tới mạch xoay chiều, tương ứng với chế
độ nghịch lưu của bộ biến đổi. Ngược lại trong khoảng 2, 4 điện áp U 0
ngược dấu với điện áp i0, dòng công suất sẽ truyền từ mạch xoay chiều về
một chiều, tương ứng với chế độ chỉnh lưu. Như vậy, mạch nghịch lưu hình
2.14a sẽ phải có khả năng làm việc ở góc phần tư trên mặt phẳng (i 0OU0)
trong một chu kỳ điện áp lưới như minh họa trên hình 2.14c

+

i0
Ud

-

i0
Nghịch luu
1pha
và bộ lọc

+

U0
-

a)

2

U0
i0

1

chỉnh luu

Nghịch luu

1
Nghịch luu

2
chỉnh luu

t

0
4

1

2

3

c)

b)

Hỡnh 2.1: Nguyờn tắc cơ bản của nghịch lưu 1 pha
18


a) Sơ đồ mạch điện
b) Dạng điện áp và dòng điện
c) Các chế độ làm việc trong mặt phẳng
Nghịch lưu điều biến độ rộng xung được sử dụng để tạo điện áp đầu ra
của nghịch lưu có dạng hình sin với tần số đặt trước. Nguyên lý điều biến độ

rộng xung như sau: Tín hiệu điều khiển hình sin có tần số mong muốn sẽ
được so sánh với các xung hình tam giác. Tần số chuyển mạch của nghịch
lưu (fcm) bằng tần số xung tam giác (f cm) có giá trị khơng đổi. Tần số xung
tam giác cịn gọi là tần số sóng mang. Tần số tín hiệu điều khiển (f đk) có tên
là tần số điều biến sẽ xác định tần số cơ bản của điện áp ra nghịch lưu.
a. Sơ đồ một pha.

+

+

Ud / 2

TA+

§A+

TB+

§ B+

U0=U A0-U B0

+
Ud / 2
-

TA-

§A-

T B-

§ B-

-

Hình 2.2: Sơ đồ nghịch lưu cầu 1 pha
Các phần tử trong sơ đồ hình 2.15:
TA+, TA_, TB+, TB_ : các phần tử chuyển mạch.
TA+, TA_ : được điều khiển mở bằng cách so sánh giữa điện áp răng cưa
Urc và điện áp điều khiển Uđk.
TB+, TB_ : được điều khiển mở bằng cách so sánh giữa điện áp răng cưa
Urc và điện áp điều khiển (- Uđk).
Ud, id: điện áp và dòng điện ra của bộ chỉnh lưu.
U0: điện áp ra tải.
19


Dạng xung chuyển mạch PWM được biểu diễn trên hình 3.5

U

UX

Udk

t

-Udk

TB+ më
-Udk >UX

TB+ më
Udk >UX

Ud
Ud

U0 = UAN - UBN
U0
t

-Ud

Hình 2.3: Dạng xung ra chuyển mạch PWM
- Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển.
- Điện áp đầu ra nghịch lưu.
Ưu điểm của sơ đồ nghịch lưu điều biến độ rộng xung điện áp đơn cực là
tần số điện ra gấp đôi tần số chuyển mạch và điện áp đầu ra khi chuyển
mạch thay đổi với trị số Ud so với 2Ud ở sơ đồ chuyển mạch điện áp lưỡng
cực. Do tần số điện áp ra gấp đôi tần số chuyển mạch nên dải tần số thành

20


phần sóng hài gấp đơi so với sơ đồ nghịch lưu điều biến với chuyển mạch
điện áp lưỡng cực.
b. Mạch nghịch lưu 3 pha.
Sơ đồ nghịch lưu 3 pha được biểu diễn trên hình 2.17, gồm 3 nhánh, mỗi

nhánh tương tự như một nhánh của sơ đồ nghịch lưu một pha hình 2.15.

+

+
Ud / 2

TA+

§A+

+
§A-

§B+
TC+

TB-

TA-

Ud / 2

§B+
TB+

TC§B-

§B-

A

B

C

Hình 2.4: Sơ đồ nghịch lưu ba pha
Phương pháp điều biến độ rộng xung cho phép định hình và điều khiển cả
biên độ và tần số điện áp tải khi nghịch lưu được cấp từ một điện áp một
chiều Ud không đổi. Để nhận được điện áp đối xứng ba pha, các điện áp điều
khiển hình sin đối xứng ba pha lệch nhau 120 o được so sánh với cùng một
điện áp răng cưa. Các phần tử chuyển mạch được điều khiển theo phương
pháp điều biến điện áp đơn cực. Dạng điện áp của sơ đồ nghịch lưu 3 pha
được biểu diễn trên hình 2.18.

21


U

UX

UdkA

UdkB

UdkC

0

t

UAB = UAN - UBN

Sống cơ bản
0

Ud
t

Hỡnh 2.5: Dng in áp của sơ đồ nghịch lưu 3 pha
2.2.2. Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu dịch chuyển xe con dùng biến
tần PWM
Do đồ án không đi sâu vào thiết kế biến tần PWM dùng để truyền động
cho động cơ, mà đi sâu mô phỏng hệ truyền động cho cơ cấu dịch chuyển xe
con dung biến tần PWM, nên đồ án sẽ dựa trên hệ truyền động PWM – Động
22


cơ của cầu trục RTG, đi sâu phân tích hệ truyền động, và mô phỏng hệ truyền
động.
1. Sơ đồ cấu trúc của hệ truyền động PWM – ĐC

Từ hình1.4 sơ đồ hệ truyền động biến tần PWM – ĐC ta suy ra được sơ
đồ cấu trúc như sau
CLPWM

Filter

NL

R
S

IM

C

T

TH
RH

R(i)

PG

R(w)

CLPWM: Khối chỉnh lưu theo nguyên tắc điều chế độ rộng xung PWM.
Filter: Bộ lọc gồm 1 tụ C
NL: Khối nghịch lưu
IM: Động cơ xoay chiều 3 pha là động co tryuền động chính của xe con
PG: Máy phát tốc xung để đo tốc độ.
R(w): Bộ điều chỉnh tốc độ nó sẽ so sánh tốc độ do máy phát tốc phản hồi về và tốc
độ đặt và đưa ra tín hiệu điều khiển.
R(i): Bộ điều chỉnh dịng nhận tín hiệu phản hồi dịng về, kết hợp vơi tín hiệu do bộ
điều chỉnh tốc độ đưa tới và phát ra tín hiệu điều khiển đóng mở các van IGBT.
Khối hãm(Braking Chopper): Gồm một IGBT và một điện trở hãm khối này hoạt
động khi động năng của động cơ không đồng bộ chuyển về mạch một chiều qua cầu Diode

ngược làm cho điện áp UDC sẽ dâng cao. Dùng IGBT TH và điện trở Rh đóng cắt theo tần
số nhất định sẽ dập được động năng đốt nóng điện trở.

23


2. Các thông số.
Qua tham khảo một số loại cầu trục cần trục giàn bốc xếp ta chọn
được bộ thông số như sau:
Hành trình của xe con: 19.07m
Tốc độ di chuyển của xe con: 70m/phút
Nguồn điện cấp cho động cơ: AC 440V, 60Hz, 3pha
Phanh hãm: Phanh đĩa điện từ 1 chiều.
Thông số động cơ di chuyển xe con
Công suất: 37KW
Tốc độ: 1750 vg/phút
Điện áp cấp: AC440V
3. Sơ đồ mạch điện
- Sơ đồ mạch chỉnh lưu:

Q1
G

G

G

Q2
G

Q5

Q3

Q4
G

Q6
G

- Sơ đồ mạch nghịch lưu

24


+
Q1
G

G

Q2
G

Q5

Q3
G

Q4

G

Q6
G

-

2.3. Kết luận chương 2

25