THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN PWM CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG

MỤC LỤC

LỜI NĨI ĐẦU
Trong cơng 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 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 nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp container.
Thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu nâng hạ hàng ”.
Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Phạm Văn Tồn 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 hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hải Phòng, ngày 10 tháng 5 năm 2013
Sinh viên thực hiện
1


Nguyễn Khắc Luận

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ CƠ CẤU
NÂNG HẠ CẦU TRỤC GIÀN XẾP CONTAINER
1.1. TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC GIÀN XẾP DỠ

CONTAINER
1.1.1. Cấu tạo cầu trục

Hình 1.1. Cấu tạo cầu trục.
Cấu tạo đơn giản của một cầu trục gồm: Palăng, móc treo tải, dầm trục chính,
đường ray, bảng điều khiển, ray chạy dọc.
Cầu trục gồm có 3 bộ phận chính:
- Xe cầu: Gồm dầm chính và khung giàn chính được chế tạo bằng thép đặt cách
nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách bánh xe của xe con. Hai đầu cầu
được liên 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.
2


- 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 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 khơng 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.

3


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.
1.1.2. Đặc điểm cấu trúc và thông số kĩ thuật của cầu trục giàn RTG
a) Đặc điểm chung
Cầu trục giàn RTG chuyển tải Mitsui Paceco là loại cầu trục bánh lốp tự hành,
hoạt động độc lập, sử dụng động cơ điezel lai máy phát điện. Nó được dùng trong
xếp dỡ tại các bãi container.
Người vận hành có thể nhìn thấy tất cả từ cabin lái. Một tấm gương treo dưới
khung càng cabin sẽ tăng cường khả năng quan sát. Mọi chức năng vận hành được
thực hiện bởi người vận hành từ cabin lái. Động cơ điezel lai máy phát cấp nguồn
được khởi động sau khi người vận hành đã kiểm tra các điều điều kiện làm việc của
cầu trục. Cầu trục RTG được trang bị kỹ thuật điều khiển hiện đại, độ tin cậy và
năng suất cao.
b) Cấu trúc giàn và vị trí lắp đặt thiết bị của cầu trục RTG
Cấu trúc giàn của cầu trục RTG được thể hiện trên hình 5.2 gồm các bộ phận chính
sau đây:

4

Hình 1.3. Vị trí các thiết bị trên giàn
1 , 2 , 3 , 4 - chân của cầu trục; 5 - xà đỡ cho cơ cấu xe con và nâng hạ hàng;
6 - xe con; 7 - Buồng lắp đặt thiết bị điều khiển chính; 8 - Kẹp dây cấp nguồn cho
các cơ cấu lắp phía trên; 9 - Buồng điều khiển xe con; 10 - Buồng Diêzel – Máy
phát; 11 - Hộp đấu dây; M1,M2 - Động cơ di chuyển giàn.
c) Các thông số kĩ thuật của cầu trục giàn RTG
* Các thơng số chính
Loại cầu trục: Cầu trục cổng bánh lốp tự hành, loại có xe con di chuyển.
Sức nâng lớn nhất khi dùng khung cẩu: 35,6 tấn.
Chế độ thử tải: 125% sức nâng lớn nhất.
Loại container: ISO 40 FEET (IAA, 1AAA).
ISO 20 FEET (ICC);
Khung cẩu

: Khung cẩu kiểu ống lồng 20’, 40’

Hành trình xe con : 19,07m
Chiều cao nâng

: 15,24
5


Cơ sở xe (khoảng cách trục bánh xe) : 6,4 m
Số lượng bánh xe cầu trục

: 8 bánh (2 bánh/cụm chân)

Áp lực lên bánh xe (khi khơng có tải trọng gió)

Với tải trọng danh định (35,6 tấn)

: xấp xỉ 26,9 tấn/bánh

Khi không tải

: xấp xỉ 18,8 tấn/bánh

* Tốc độ vận hành
1. Tốc độ nâng:
Với tải lớn nhất

: 20 m/phút

Chỉ với khung cẩu : 45 m/phút
2. Tốc độ di chuyển xe con

: 70 m/phút

3. Tốc độ di chuyển giàn: 135 m/phút (khơng gió, khơng dốc, khơng tải).
* Nguồn điện
1. Cầu trục được cung cấp bởi hệ thống điezel – máy phát điện.
2. Động cơ điezel chính

: Cummins

- Loại động cơ

: kiểu NTA855-G2

- Loại vận hành

: 4 kỳ, làm mát bằng nước và quạt gió tự lai.

3. Mạch động cơ xoay chiều

: AC 440V, 60Hz, 3 pha.

4. Mạch điều khiển : AC 100V, 60Hz, 1 pha
: AC 200V, 60Hz, 3 pha
5. Điện áp sự cố và chiếu sáng

: AC 220V, 60Hz, 3 pha
: AC 100V, 60Hz, 1 pha

6. Máy điều hồ khơng khí

: AC 220V, 60Hz, 1 pha

7. Bộ sấy nóng

: AC 220V, 50Hz, 1 pha
6


8. Nguồn năng lượng dự phòng

: AC 220V, 50Hz, 1 pha

* Cáp thép

Cáp thép cho cơ cấu nâng chính

: 4 sợi cáp /cầu trục

Đường kính cáp

: 25 mm

ứng suất

: 1770 N/mm2

Cáp thép sử dụng cho chống lắc khung cẩu - hàng
Đường kính cáp

: 10 mm

Ứng suất

: 1770 N/mm2

Tải trọng phá huỷ

: 67,5 KN

* Phanh hãm
Bảng 1.1. Các phanh được sử dụng cho cầu trục RTG
Công dụng
Cơ cấu nâng hạ

Số lượng
1

Loại
Phanh đĩa điện thuỷ lực xoay
chiều

Cơ cấu di chuyển xe con

1

Phanh đĩa điện từ 1 chiều

Cơ cấu di chuyển cầu trục

1

Phanh đĩa điện từ 1 chiều

Cơ cấu nghiêng

1

Phanh đĩa điện từ xoay chiều

*) Thông số kĩ thuật cơ bản của máy phát điện xoay chiều và động cơ điện sử
dụng trên cầu trục RTG
Bảng 1.2: Các thông số kĩ thuật của máy phát điện và động cơ .
7

Cơng

Cơng

Tốc độ

Điện

Đặc

Nắp Sự

dụng

suất ra

(vg/ph)

áp

tính

đậy

450

cấp

440

Loại

1800

kVA

Số
lượng

Liên

điện
Chốn Vật

Đồng

tục

g

liệu

bộ

thấm

MFĐ

(V)

AC

cách

cách

nguồn
cho
động cơ

1

điện
cấp F

điện
ĐC cơ 150

1000/

AC

Liên

cấu

2250

440

tục

kW

nâng
ĐC cơ
cấu

1750

1

Sóc

AC

60%E

TEF

D

C

“

40%E

TEF

“

“

D

C

AC

Liên

TEF

“

“

440

tục

C

AC

30

440

phút

1

“

AC

di 45

chuyển

Lồng

440

kW

xe con
ĐC cơ
cấu

“

C

di 37

chuyển

TEF

1533/

kW

2300

5,5

1800

440

2

cầu trục
ĐC
bơm

thuỷ lực kW

1

khung
cẩu
ĐC cơ 2,2
cấu
chống

kW

1800

TEN

Cấp

V

E

“

1

nghiêng
8


ĐC của 5,5
bơm hệ kW

AC
1800

Liên

440

tục

Cấp

V

thống

TEN

B

lái
ĐC
4,4

xoắn

kgm

lắc

2

Động

mơmen
chống

“

AC
1800

Liên

Chốn Cấp F cơ có

440

tục

g

Mo

thấm

men

4

lớn

1.2.GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẤP NGUỒN CHO CẨU GIÀN
1.2.1. Hệ thống điều khiển cấp nguồn cho các phụ tải của cầu trục giàn RTG

9

Hình 1.4. Sơ đồ điện nguyên lý cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục RTG.

a) Chức năng các phần tử của hệ thống điều khiển cấp nguồn

10

ex

acg

*p

dc converter

*p

dc converter

*p

dc converter

fm

v

wl

uv

a

db resistor

db resistor

vector inverter

dcl

vector inverter

dcl

m

db resistor

mcb1

mcb2

vector inverter

dcl

pt

fu

avr

dc24v

acg cont
rol
engine cont
rol
*x

1800rpm ac450v

ac generator

pg

pg

pg

im

im

im

mcb8

gant
ry motor

45kw 1800v/p

gantry motor
45kw 1800v/p

hoist motor

mcb5

mcb7

mcb6

rol power
inv cont
ac440v*p

mcb4

mcb3

v

pg

im

m

m

mcb

mcb

mcb

mcb

mcb9

trolley motor 37kw 1800v/p

fu

pt

fu

wl

tr

m

m

m

mcb

m

m

l

r

m

m

mcb

ol

ol

ol

ol

ol

ol

ol

ol

ol

ol

b

b

m

m

m

m

m

m

m

m

m

m

b

m

m

m

b
mcb12

220vac

shore power

trolley brake

hoist brake

sperader hyd, pump
3,7kw

hoist blowr

motor cooling fan

anti - sway torque

motor

tr

440/200v

anti - sway torque

skew motor
2,2kw

tr

440/200v

tr

440/200,100v

mcb11

steering pump
motor 5.5kw*2

gantry brake

b

mcb10

mcb

mcb

mcb

mcb

mcb

mcb

mcb

mcb

m

m

m

mcb

mcb

mcb

mcb

mcb

dc/dc
conv

intercom sys

spare

flood light

spare

aux

trolley panel
lighting

recep

cab. light

cab. cooler

space heater

spare

gan t
ry w arning light

cont panel lighting
ac200v recep

panel coolor

panel coolor

cont power ac100v

cab. distbd

cont panel
m

con trol desk

mcb

mcb

mcb

m

m

solenoid power ac100v

plc power ac200v

main cont power ac200v

Sơ đồ nguyên lý điều khiển cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục RTG được biểu
diễn trên hình 1.4. Chức năng của các thiết bị điều khiển chính như sau:
ACG: Máy phát xoay chiều.
DE: Động cơ Diezel lai máy phát.
EX: Cuộn kích từ.
AVR: Thiết bị điều chỉnh tự động dịng kích từ.
FU: cầu chì bảo vệ ngắn mạch.
TR: máy biến áp.
PT: biến áp đo lường.
WL: Đèn tín hiệu.
V: Vơnmét.
A: Ampemet.
FM: Đồng hồ đo tần số.
UV: Cuộn dây của rơ le bảo vệ thấp áp.
PMW: các bộ biến tần dùng điều chỉnh tốc độ động cơ.
IM: Các động cơ truyền động chính.
PG: Cảm biến tốc độ.
B: Phanh hãm dừng.
M: Các động cơ phụ.
MCB: Các cầu dao.
11


OL: Các rơle nhiệt.
b) Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển cấp nguồn cho các phụ tải
Để đưa tồn bộ hệ thống vào làm việc thì trước hết ta phải khởi động máy phát
điện xoay chiều ACG. Khi máy phát đã làm việc ổn định thì ta đóng cầu dao
MCB1 để kiểm tra điện áp, tần số do máy phát phát ra, đồng thời cấp nguồn cho bộ
điều khiển máy phát xoay chiều. Tiếp đến đóng cầu dao MCB2 cấp nguồn cho hệ
thống đo lường gồm máy biến dịng, máy biến điện áp, vơnkế, ampekế. Khi các

thơng số đo được ở trạng thái bình thường thì cho phép đóng cầu dao MCB3: cấp
nguồn cho các bộ biến tần INV1, INV2, INV3. Bộ biến tần INV1, INV2 cấp
nguồn cho các động cơ nâng hạ và di chuyển xe cầu. Bộ biến tần INV3 cấp nguồn
cho động cơ di chuyển xe con.
Cầu dao MCB4 đóng cấp nguồn cho các cơ cấu phụ. Đóng cầu dao MCB6
qua các bộ chỉnh lưu cấp điện cho cơ cấu phanh hãm dừng. Cầu dao MCB7 cấp
nguồn cho các động cơ bơm hơi cho hệ thống lái. Đóng MCB8, MCB9 cấp nguồn
cho hệ thống chống lắc, nếu lắc bên trái thì bộ tiếp điểm R tác động để kéo lệch về
bên phải và ngược lại. Qua các cầu dao phụ MCB = 1 cấp nguồn tới các quạt làm
mát, các động cơ chống lắc, quạt gió cho động cơ nâng, bơm thuỷ lực, phanh cho
cơ cấu nâng và xe con…
Đóng cầu dao MCB10, MCB11, MCB12 cấp nguồn cho: nguồn điều khiển
chính 200V, nguồn PLC 200V, cuộn điều khiển, bộ điều khiển AC100V, bàn điều
khiển các thiết bị làm mát, các thiết bị chiếu sáng, đèn báo cho cầu trục, nguồn dự
phòng, chiếu sáng cabin, xe con.
Hệ thống điều khiển động cơ Diezel dùng nguồn một chiều DC24V. Hệ
thống điều khiển động cơ Diezel được thiết kế hồn tồn tự động bao gồm: Chương
trình khởi động, kiểm tra, báo động và bảo vệ.
1.2.2. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện cấp nguồn cho cầu trục
12


Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện cấp nguồn cho cầu trục

a) Chức năng các phần tử của hệ thống điều khiển máy phát điện
Toàn bộ điện nguồn của cẩu trục RTG được cung cấp từ tổ máy phát đồng
bộ, động cơ sơ cấp là diesel. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện được biểu
biễn trên hình 5.4.
ACG: Máy phát điện đồng bộ ba pha có các thơng số kỹ thuật sau:
Cơng suất: 450 kVA.

Tốc độ: 1800 vg/ph.
13


Điện áp: AC 460 V. 60 Hz
Loại: đồng bộ.
Cấp cách điện: F.
Số lượng: 01.
AVR: Bộ tự động điều chỉnh điện áp.
R2: Chiết áp điều chỉnh độ lớn điện áp ra.
PTQA,B: 2 máy biến áp 1 pha 440/110; 50 VA được mắc với nhau cấp nguồn 3
pha 110/60 Hz cho mạch đo lường.
WL1: Đèn báo nguồn.
1 VM: Vôn kế.
1 FM: Fa gơ mét.
1 WHM: Oát kế.
CT1, CT2: Máy biến dòng đo lường 600/5A.
ACF-6: Ampe kế.
UV: Rơ le kiểm tra điện áp.
PB1, N2: 2 trục đấu dây cấp nguồn DC 24V cho mạch điều khiển.
1 MCB: Aptomat chính cấp nguồn động lực từ máy phát tới các cơ cấu.
2 MCB: Aptomat cấp điện cho mạch đo lường.
Có 2 tiếp điểm thường mở đóng chậm 1T(02-2C); 1T(02-5B).
GB: Rơle một chiều điều khiển bật AVR, có một tiếp điểm thường mở
GB(01-4C).
14


GBT: Rơle thời gian một chiều có 2 tiếp điểm thường mở đóng chậm
GBT(02-4B); GBT(02-4C): Khống chế thời gian đóng AVR.

FAL: Rơle một chiều báo sự cố có 1 tiếp điểm thường mở FAL(02-5A);
2 tiếp điểm thường đóng FAL(02-5D); FAL(02-2C).
RL1: Đèn báo sự cố.
Các tiếp điểm đặc biệt của các rơle trong mạch điều khiển diesel:
Tiếp điểm thường mở 13L(02-2B) đóng khi tốc độ diesel đạt 1530vg/ph.
13L(102-4D):
- Tiếp điểm thường mở 15U cuộn dây 15U(101-7D).
- Đóng ở chế độ có tải (RATED), mở ở chế độ không tải IDLE.
- Tiếp điểm thường đóng 5Z (cuộn dây 5Z) mở khi dừng diesel.
- PB1: Nút ấn RESET.

b) Nguyên lý làm việc sơ đồ điện nguyên lý điều khiển máy phát đồng bộ
Sau khi thực hiện những thao tác khởi động động cơ diesel lai máy phát. Khi
tốc độ động cơ diesel đạt 1530 vg/ph thì tiếp điểm 13L đóng cấp điện 24V-DC cho
rơle thời gian 1T, đồng thời lúc này áp suất dầu bơi trơn đã đủ nên tiếp điểm 15U
cũng đóng lại đưa hệ thống vào trạng thái sẵn sàng hoạt động.
Khi máy phát đã làm việc ổn định tần số điện áp ra nằm trong khoảng từ 90%
đến 110% tần số định mức thì lúc đó các cảm biến LV, OV chưa tác động nên các
tiếp điểm thường mở LV(01- 4D) = 0, OV(01- 4D) = 0. Mặt khác khi Ura >
15


85%Uđm thì cuộn UV khơng tác động làm cho tiếp điểm thường mở của nó là
UV(01-5D) = 0 cho nên FAL = 0 đưa hệ thống vào làm việc bình thường.
Khi rơle 1T có điện thì sau 5s đặt trước tiếp điểm 1T(02-2D) đóng lại cấp điện
cho rơle thời gian GBT và các rơle trung gian GB, sau một khoảng thời gian đã
được đặt trước thì tiếp điểm GBT(02-3D) và tiếp điểm GB(02-3D) đóng lại cấp
điện cho bộ điều chỉnh điện áp kích từ AVR, lúc này máy phát được kích thích bởi
cuộn kích từ EX, cuộn EX được cấp nguồn bởi bộ điều chỉnh AVR. Điện áp đầu
vào AVR được lấy từ máy phát và điện áp này được so sánh, điều chỉnh với một

đại lượng đặt sẵn trong AVR. Nếu điện áp ra của máy phát cao hơn đại lượng cho
phép thì bộ điều chỉnh AVR điều khiển cuộn kích từ EX giảm kích từ máy phát với
mục đích làm giảm điện áp ra của máy phát, ngược lại, nếu điện áp ra nhỏ hơn đại
lượng cho phép thì cuộn EX tăng kích từ cho máy phát.
Rơle sự cố FAL(02- 4D) có điện khi điện áp ra của các pha lệch nhau, tiếp
điểm OV, LV đóng hoặc khi tần số điện áp ra thấp, tiếp điểm UV đóng. Rơle FAL
(02- 4D) có điện ngắt nguồn của rơle GB qua tiếp điểm FAL(02-2D). Ngắt AVR ra
khỏi hệ thống.
Nếu hệ thống khơng có sự cố, điện áp ra của máy phát là 470V/60Hz cấp điện
tới trụ đấu dây JB -7(03 -1A) chờ cấp nguồn động lực cho toàn bộ phụ tải của cầu
trục.

16


CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN
PWM CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG
2.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG
2.1.1. Xây dựng các cơng thức cần thiết cho tính tốn cơ cấu nâng hạ
a. Xác định phụ tải tĩnh
Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng chủ yếu do tải trọng của bản thân cơ cấu và vật
nâng gây ra. Thường có thể chia làm hai loại cơ cấu: loại có dây cáp một đầu và
loại có dây cáp hai đầu. Trong khn khổ đồ án này chỉ đề cập tới loại dùng cáp
một đầu được sử dụng rộng rãi trong các cần trục, palăng trong các phân xưởng lắp
ráp.
*) Phụ tải tĩnh khi nâng tải
Giả sử có cơ cấu nâng hạ như sau:

Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc của cơ cấu nâng hạ
Xét một cơ cấu nâng có palăng với bội số u; hiệu suất ηp ; bộ truyền trung

gian có tỷ số truyền chung là i và hiệu suất ηo.
Khi động cơ quay theo chiều tương ứng, vật được nâng lên với vận tốc vn.
17


Lực căng của các nhánh dây nếu khơng tính mất mát:

T0 ' = T1 ' = T2 ' = .... =

(G + G 0 )
u
(2.1)

Thực tế, do có các lực cản phụ, lực căng trong các nhánh dây cuốn lên tang nên:
T0 =

T0 '
G
=
η p u.η p

(2.2)

Momen do vật nâng gây ra trên tang:
M v = T0 .

D0 (G + G0 ).D0 (G + G0 ).Rt
=
=
2

2u.η p
u.η p

(2.3)

Momen trên trục cuối cùng của bộ truyền trung gian (trục III) là:
M3 =

M v (G + G0 )
=
ηt
u.η p .ηt

(2.4)

(ηt: là hiệu suất của tang, hệ số này tính đến do việc: muốn nâng vật lên ta phải đặt
vào trục III (trục tang) một momen lớn hơn momen Mn trên tang, vì còn phải thắng
lực cản trên tang do độ cứng của dây và do ma sát trong ổ trục).
Tương tự, momen trên trục II sẽ là
M2 =

M3
(G + G0 ).Rt
=
i 2 .η 2 u.i2 .η p .η t .η 2

M1 =

và momem trên trục I:

(G + G0 ).Rt
M2
=
i1 .η1 u.i1 .i2 .η p .η t .η1 .η 2

(2.5)

(2.6)
18


M1 =

(G + G 0 ).R t
u.(i1i 2 ...in ).(η1η2 ...ηn ).ηp .ηt

Tổng quát:

(2.7)

Ta đặt:
i=i1i2…in: là tỷ số truyền chung của bộ truyền.
η=η1η2…ηn: là hiệu suất chung của bộ truyền
ηc=ηPηtη là hiệu suất chung của cơ cấu.
⇒ M1 =

(G + G0 ) Rt
u.i.η c

(N.m)

(2.8)

Vậy muốn nâng được vật lên, động cơ phải phát ra momen nâng khắc phục
được momem trên trục động cơ.
M n = M1 =

(G + G0 ) Rt
u.i.η c

(N.m)

(2.9)

Công suất của động cơ cần thiết để nâng vật:
Pn =

M n .ω n (G + G0 ).v n
=
1000
60.102.η c

(kW)

(2.10)

Trong các cơng thức (2.9), (2.10) thì:
G - trọng lượng của tải trọng (kg).
G0 – trọng lượng bản thân cơ cấu nâng (kg).
Rt – bán kính tang nâng (m).

19


ηc – hiệu suất của cơ cấu nâng.
u – bội số của ròng rọc (palăng)
i – Tỉ số truyển chung của cơ cấu truyền trung gian.
i=

2π .Rt .n
u.v n

n – Tốc độ động cơ (v/phút)
vn – tốc độ nâng tải (m/phút)
Từ (2.9) & (2.10) dễ dàng suy ra momen và công suất của động cơ phát ra lúc nâng
không tải:
M n0 =

Pn 0 =

G0 .Rt
u.i.η c

G0 .v n
60.102.η c

(2.11)

(2.12)

*) Phụ tải tĩnh khi hạ tải.

Có thể có hai trạng thái hạ tải.
+ Hạ động lực
+ Hạ hãm
Hạ động lực được dùng khi hạ những tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải
trọng sinh ra không đủ để thắng lực ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế
độ động cơ.
Hạ hãm được dùng khi hạ những tải trọng lớn. Khi đó momen do tải trọng
sinh ra lớn hơn mô men ma sát nên gây ra chuyển động của hệ thống. Máy điện
20


phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng rơi với vận tốc ổn định (tức là
chuyển động khơng có gia tốc).
Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng sinh ra khi khơng có mất mát là
Mt =

momen tải trọng:

(G + G0 ).Rt
u.i

(2.13)

Khi hạ tải, năng lượng được truyền từ phía tải trọng về phía cơ cấu truyền và
động cơ, nên:

M h = M t − ∆M = M t .η h

(2.14)

Trong đó:
Mh – momen trên trục động cơ khi hạ tải.
∆M – mất mát trong cơ cấu truyền.
ηh – hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải.
Nếu Mt >∆M ta có trạng thái hạ hãm; cịn nếu Mt < ∆M ta có trạng thái hạ động lực.
Nếu coi mất mát trong cơ cấu khi nâng và khi hạ tải là như nhau thì:
∆M =

Mt
1
− M t = M t ( − 1)
ηc
ηc

=> M h = M t − M t (
= M t .(2 −

(2.15)

1
− 1)
ηc

1
(G + G 0 ).R t
1
)=
(2 − )
ηc
u.i

ηc

(2.16)

So sánh (2.13) và (2.14)

21


=> ηh = 2 −

1
ηc

Đối với những tải trọng tương đối lớn (tương ứng với ηc > 0,5)
Ta có : ηh >0, Mh >0. Điều này có nghĩa là momen động cơ ngược chiều với
momen phụ tải, động cơ làm việc ở trạng thái hãm (hạ hãm). Khi tải trọng tương
đối nhỏ ηc <0,5 thì ηh < 0; Mh <0. Điều này có nghĩa là momen động cơ cùng chiều
với momen phụ tải để cùng khắc phục lực ma sát trong cơ cấu truyền lực.
Từ (2.16) ta suy ra momen hạ không tải:
M h0 =

G0 .Rt
1
(2 − ) = M n 0 .( 2η c − 1)
u.i
ηc

(2.17)

Từ đó tính được công suất trên trục động cơ khi hạ tải:
Ph =

Ph 0 =

M h .ω h
1000

M ho .ω h
1000

(kW)

(2.18)

(kW)

(2.19)

*) Tổng kết các cơng thức cần thiết dùng trong tính tốn cơ cấu nâng-hạ
Từ phân tích đặc điểm cơng nghệ của cơ cấu cần trục nâng-hạ, ta nhận thấy
chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng thường bao gồm các giai đoạn: Hạ không tải, nâng
tải, hạ tải và nâng không tải. Giữa các gia đoạn đó có những thời gian nghỉ. Dựa
vào nhiệm vụ cụ thể của cơ cấu mà xác định chu kỳ làm việc. Dưới đây xin tổng
kết lại các cơng thức cần thiết trong tính tốn cơ cấu này.
Giai đoạn hạ không tải:

22

M h0 =

G0 .Rt
1
(2 − )
u.i
ηc

Ph 0 =

(N.m)

M h 0 .ω h
1000

(kW)

(2.20)

Giai đoạn nâng có tải:
Mn =

(G + G0 ).Rt
u.i.η c

(G + G0 ).v n
6120.η c

Pn =

(N.m)

(kW)

(2.21)

Giai đoạn hạ có tải:
Mh =

(G + G0 ).R t
1
(2 − )
u.i
ηc

Ph =
(N.m);

M h .ωh
1000

(kW) (2.22)

Giai đoạn nâng không tải:
M n0 =

G0 .Rt
u.i.η c

Pn 0 =

(N.m)

G0 .v n
6210.η c

(kW)

(2.23)

2.1.2. Chọn công suất động cơ
Chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động là một khâu quan
trọng trong quá trình tiến hành thiết kế hệ thống. Việc chọn công suất động cơ bao
hàm cả việc chọn loại động cơ.
a. Chọn loại động cơ
Phân tích vấn đề chọn loại động cơ trong truyền động cần trục liên quan đến
giá thành lắp đặt, khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ.

23


Trong lĩnh vực truyền động cần trục trước kia, động cơ điện một chiều kích
thích nối tiếp được dùng rất phổ biến trong cần trục. Sở dĩ như vậy là bản thân loại
động cơ này có những ưu điểm mà các loại động cơ không đồng bộ và đồng bộ
không có được, đặc biệt là những yêu cầu rất đặc trưng của một số lĩnh vực truyền
động. Trước hết vì nó dùng nguồn một chiều nên nó yêu cầu số lượng thanh trượt ít
so với các loại động cơ khác. Đối với truyền động nâng, động cơ này đảm bảo được
những tốc độ hạ ổn định (hoặc lớn hoặc nhỏ) cho mọi tải trọng.
Tuy nhiên hiện nay, được sự hỗ trợ của các thiết bị công suất, cùng với những
đặc điểm như: rẻ, cấu tạo đơn giản, tin cậy, hiệu suất cao thì động cơ khơng đồng

bộ đã thay thế hầu hết các loại động cơ điện một chiều trong lĩnh vực này. Thực
vậy, nhờ những tiến bộ sâu sắc của lĩnh vực vi điện tử và điện tử công suất mà càng
có nhiều thiết bị cho phép khắc phục nhược điểm của động cơ không đồng bộ, cụ
thể là người ta đã tạo ra được tất cả những đặc tính cơ thoả mãn hầu hết q trình
cơng nghệ khắt khe nhất, đồng thời lại cho phép hạ giá thành vận hành và lắp đặt.
Mặt khác, việc dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng tiện lợi do việc dùng
nguồn xoay chiều 3 pha vốn sẵn có trong cơng nghiệp.
Từ những lý do trên ta chọn loại động cơ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ là
loại động cơ không đồng bộ.
b. Chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động
Như đã biết, động cơ muốn kéo được tải thì cần phải sinh ra một momen M d
có khả năng khắc phục được momen tải của cơ cấu sản xuất,tức là: Md≥ Mpt
Muốn xác định được công suất động cơ, cũng tức là tìm được M d, cần phải có
điều kiện ban đầu. Đó là các điều kiện:
+ Phải có biểu đồ phụ tải tĩnh của cơ cấu sản xuất mà động cơ sẽ phục vụ dưới
dạng: Ic=f(t), Mc=f(t) hoặc Pc=f(t) đã tính quy đổi về trục động cơ.
+ Phải có biểu đồ phụ tải biến thiên tốc độ trong quá trình làm việc.
24


Theo kết quả phân tích ở trên, chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng-hạ thường
gồm: hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Dựa vào các công thức đã
nêu ở muc 2.1.1 tiến hành các bước tính tốn.
c. Kiểm nghiệm cơng suất động cơ
Từ cơng suất chọn sơ bộ ta chọn động cơ rotor lồng sóc thỏa mãn:
PđmĐ
nđmĐ

≥
≥

Pcqđ
n

*) Kiểm tra điều kiện phát nóng
Để kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng ta phải tiến hành xây dựng
đồ thị phụ tải toàn phần, bao gồm phụ tải tĩnh và phụ tải động. Tức là tính đến các
giai đoạn quá độ như thời gian mở máy, hãm máy.
*). Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải
Kiểm nghiệm điều kiện quá tải, đối với động cơ không đồng bộ, cần xét đến
hiện tượng sụt áp của lưới điện. Thông thường, cho phép sụt áp 10%, nên mô-men
tới hạn của động cơ trong tính tốn kiểm nghiệm chỉ cịn:
M”th =(90%)2.Mth =0,81.Mth
(Mth _ là mô-men tới hạn theo số liệu của động cơ).
Từ số liệu tra được của động cơ đã chọn ta tính được:
+ Mơ-men định mức của động cơ là:
M dm =

9550 × Pdm
ndm

+ Mơ-men lớn nhất của động cơ là:
M max D = 0,81.M dm .3

25