MỤC LỤC
Trang
Mục lục .............................................................................................................................. 1
Danh mục hình ảnh ........................................................................................................... 3
Lời cảm ơn ........................................................................................................................ 5
Lời mở đầu ........................................................................................................................ 6
Chương 1: Tổng quan công nghệ, các yêu cầu, lên phương án truyền động và tính chọn
động cơ .............................................................................................................................. 7
1.1.

Giới thiệu chung về hế thống cầu trục ................................................................ 7
1.1.1. Cấu tạo của cầu trục ..................................................................................... 8
1.1.2. Đặc điểm của cơ cấu nâng hạ cầu trục ........................................................ 9

1.2.

Yêu cầu công nghệ ........................................................................................... 10
1.2.1. Yêu cầu phụ tải .......................................................................................... 10
1.2.2. Chế độ cấp điện ......................................................................................... 12
1.2.3. Điều kiện làm việc ..................................................................................... 12
1.2.4. Chế độ làm việc ......................................................................................... 13

1.3.

Phương án truyền động ..................................................................................... 13
1.3.1. Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ đồng cơ không đồng bộ .............. 13
1.3.1.1.

Điều chỉnh điện áp áp stator dùng thyristor .................................. 13

1.3.1.2.

Điều chỉnh xung điện trở mạch roto.............................................. 13

1.3.1.3.

Điều chỉnh công suất trượt ............................................................ 13

1.3.1.4.

Điều chỉnh tần số ........................................................................... 14

1.3.2. Các phương pháp điều chỉnh tần số động không đồng bộ roto lổng sóc ... 14
1.3.2.1.

Khái quát lý thuyết điều chỉnh tần số động cơ KĐb ..................... 14

1.3.2.2.

Điều khiển vô hướng ..................................................................... 14

1.3.2.3.

Điều khiển vecto từ thông roto ...................................................... 15

1.3.2.4.

Điều khiển trực tiếp momen .......................................................... 15

1.3.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) ..................................... 16
1.4.


Chọn động cơ .................................................................................................... 18
1.4.1. Chọn loại động cơ điều khiển .................................................................... 18
1.4.2. Xây dựng đồ thị phụ tải cơ cấu nâng hạ .................................................... 19
1


1.4.3. Tính chọn cơng suất động cơ ..................................................................... 20
1.4.3.1.

Phụ tải tĩnh khi nâng...................................................................... 21

1.4.3.2.

Phụ tải tĩnh khi hạ.......................................................................... 22

1.4.3.3.

Tính tốn chi tiết ........................................................................... 23

1.4.4. Kiểm nghiệm động cơ ............................................................................... 25
1.4.5. Tính chọn thơng số động cơ ...................................................................... 26
Chương 2: Tính toán và thiết kế mạch lực cho hệ truyền động ...................................... 28
2.1.

Lựa chọn biến tần và tính điện trở hãm cho biến tần ....................................... 28
2.1.1. Khái niệm biến tần ..................................................................................... 28
2.1.2. Phần mạch lực ............................................................................................ 29
2.1.3. Phần mạch điều khiển ................................................................................ 31


2.2.

Tính tốn chọn mạch lực .................................................................................. 32
2.2.1. Chọn van cho mạch nghịch lưu ................................................................. 33
2.2.2. Chọn van cho mạch chỉnh lưu ................................................................... 33
2.2.3. Chọn tụ cho khâu trung gian một chiều ..................................................... 34
2.2.4. Chọn biến tần ............................................................................................. 35
2.2.5. Tính điện trở hãm cho biến tần .................................................................. 36

Chương 3: Mô phỏng hệ điều khiển tốc độ động cơ ....................................................... 38
3.1.

Mô phỏng SolidWorks...................................................................................... 38

3.2.

Mô phỏng điều khiển tốc độ bằng Matlab Simulink ........................................ 39
3.2.1. Sơ đồ khối điều khiển ................................................................................ 39
3.2.2. Khối demux thu thập dữ liệu ra tín hiệu scope .......................................... 39
3.2.3. Cấu trúc bộ điều khiển DTC ...................................................................... 40

3.3.

Kết quả mô phỏng ............................................................................................. 40

Kết luận ........................................................................................................................... 43
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 44

2



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Trang
Hình 1.1. Cầu trục một dầm .............................................................................................. 7
Hình 1.2. Cầu trục hai dầm ............................................................................................... 7
Hình 1.3. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ ....................................................................... 10
Hình 1.4. Đặc tính phụ tải của cơ cấu nâng hạ ............................................................... 10
Hình 1.5. Đặc tính phụ tải cơ cấu dịch chuyển ............................................................... 11
Hình 1.6. Momen động cơ phụ thuộc vào tải trọng ........................................................ 12
Hình 1.7. Quỹ đạo từ thơng stato .................................................................................... 17
Hình 1.8. Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ khơng đồng bộ ............. 18
Hình 1.9. Đồ thị đặc tính phụ tải của cơ cấu nâng hạ ..................................................... 19
Hình 1.10. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ dùng móc ............................................. 20
Hình 1.11. Quan hệ phụ thuộc c theo tải trọng ............................................................ 21
Hình 1.12. Đồ thị phụ tải ................................................................................................. 24
Hình 2.1. Sơ đồ biến tần gián tiếp nguồn áp ................................................................... 28
Hình 2.2. Sơ đồ mạch lực biến tần gián tiếp nguồn áp ................................................... 28
Hình 2.3. Sơ đồ mạch động lực ....................................................................................... 29
Hình 2.4. Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha ..................................................................... 29
Hình 2.5. Hình dạng điện áp đầu ra của bộ chỉnh lưu ..................................................... 30
Hình 2.6. Khối nghịch lưu ............................................................................................... 31
Hình 2.7. Sơ đồ của hệ thống điều khiển ........................................................................ 32
Hình 2.8. Catalogue biến tần LS ..................................................................................... 35
Hình 2.9. Hình dạng biến tần .......................................................................................... 36
Hình 2.10. Sơ đồ tủ điện ................................................................................................. 36
Hình 3.1. Mơ phỏng SolidWorks .................................................................................... 38
Hình 3.2. Khối điều khiển ............................................................................................... 39
Hình 3.3. Khối demux thu thập dữ liệu ra tín hiệu scope ............................................... 39
Hình 3.4. Cấu trúc bộ điều khiển DTC ........................................................................... 40
Hình 3.5. Tốc độ roto khi tải định mức ........................................................................... 40

Hình 3.6. Tốc độ roto khi nâng khơng tải ....................................................................... 41
Hình 3.7. Tốc độ roto khi hạ tải định mức ...................................................................... 41
3


Hình 3.8. Tốc độ roto khi hạ khơng tải ........................................................................... 42

4


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy Hồ Sỹ Phương cùng các thầy phụ trách hướng
dẫn đồ án 1 đã nhiệt tình giúp đỡ và đóng góp ý kiến để nhóm có thể hồn thành đồ án lần
này.
Trong thời gian làm đồ án 1, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến
và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cơ và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Hồ
Sỹ Phương người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm đồ án. Em
cũng xin chân thành cảm ơn các thầy bộ môn kỹ thuật điều khiển và tự động hóa đã hướng
dẫn cho em kiến thức về cách trình bày và nội dung đồ án, giúp em có được cơ sở lý thuyêt
và tạo điều kiện gúp đỡ em trong quá trình làm đồ án môn học. Tuy vậy, với kinh nghiệm
và kiến thức cịn thiếu sót nên bản đồ án của em cịn chưa được hồn thiện lắm, em mong
được sử chỉ dẫn chân thành của các thầy.
Do kinh nghiệm, kiến thức cịn có phần hạn chế nên đồ án lần này chắc chắn sẽ
khơng tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy để
em tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện hơn trong quá trình học tập và làm việc sau này.
Em xin chân thành cảm ơn.

5



LỜI MỞ ĐẦU
Trong thời đại cơng nghiệp cơng nhiệp hóa – hiện đại hóa như ngày nay các sản
phẩm cơng – nông nghiệp ngày càng nhiều, việc xây dựng cần giảm bớt chi phí nhân cơng,
chính vì vậy việc vận chuyển các hàng hóa là bài tốn được các kĩ sư chú trọng đến rất
nhiều. Một trong những cơ cấu giúp cho việc vận chuyển được diễn ra dễ dàng đó là cầu
trục. Cầu trục có mặt hầu hết trong các nhà máy, xí nghiệp, trong các cơng trường, hải cảng.
Nhờ có cầu trục mà năng suất lao động của con người được nâng cao, đồng thời cũng an
toàn hơn. Để có những kiến thức thực tiễn cũng như lý thuyết chúng em đã tìm hiểu đề tài
Thiết kế hệ điều khiển truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục. Với những u cầu cơng
nghệ và truyền động nhóm em quyết định sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ ba
pha cho hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ và sử dụng phương pháp điều khiển momen
trực tiếp để điều khiển động cơ.
Nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Hồ Sỹ Phương cùng với sự nỗ lực của
các thành viên trong nhóm, chúng em đã hoàn thành đề tài này. Do năng lực cũng như thời
gian có hạn, nên trong q trình tìm hiểu chúng em sẽ khơng tránh khỏi sai sót, rất mong
nhận được sự đóng góp của thầy và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Nghệ An, ngày 25 tháng 01 năm 2021
Nhóm sinh viên thực hiện
(Ký và ghi rõ họ tên)

Lê Hoài Nam
Nguyễn Xuân Nam

6


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ, CÁC YÊU CẦU, LÊN PHƯƠNG ÁN
TRUYỀN ĐỘNG VÀ TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ

1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG CẦU TRỤC
Cầu trục là một kết cấu dầm hộp hoặc dàn, trên đó đặt xe con có cơ cấu nâng. Dầm
cầu có thể chạy trên các đường ray đặt trên cao dọc theo nhà xưởng, còn xe con có thể
chạydọc theo dầm cầu trục, nhờ vậy mà có thể di chuyển vật đến mọi vị trí trong xưởng.
Cầu trục được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau như trong các
nhà máy, xí nghiệp, cơng trường xây dựng, hải cảng...
➢

Phân loại cầu trục:

• Theo kiểu dáng kết cấu
- Cầu trục một dầm

Hình 1.1. Cầu trục một dầm
- Cầu trục hai dầm

Hình 1.2. Cầu trục hai dầm
7


• Theo tải trọng:
- Loại nhẹ: từ 5 đến 10 tấn.
- Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn.
- Loại nặng: trên 15 tấn.
• Theo chế độ làm việc:
- Loại nhẹ : hệ số tiếp điện TĐ% = 10 - 15%, số lần đóng máy trong 1 giờ là 60.
- Loại trung bình : TĐ% =15 - 25%, số lần đóng máy trong 1 giờ là 120.
- Loại nặng : TĐ% = 40 - 60%, số lần đóng máy trong 1 giờ > 240.
• Theo chức năng:
- Cầu trục vận chuyển : dùng rộng rãi, u cầu chính xác khơng cao.

- Cầu trục lắp ráp : phần lớn nằm trong các nhà máy, xí nghiệp, dùng để lắp ráp các
chi tiết máy móc có u cầu độ chính xác cao.
Ở học kỳ này em đã được giao cho đồ án I với đề tài: “Thiết kế hệ truyền động cho
cơ cấu nâng hạ cầu trục” với các thông số yêu cầu như sau:
•

Chiều cao nâng:

8m

•

Tốc độ nâng:

0,2 m/s

•

Tốc độ hạ:

0,3 m/s

•

Trọng lượng tải:

10000 kg

•


Trọng lượng móc câu:

1000 kg

•

Bán kính puli:

0,4 m

•

Tỉ số truyền:

75

•

Hiệu suất bộ truyền:

0,85

•

Momen qn tính cơ cấu: 1,85 kg/m2

•

Chu kỳ làm việc:


179s

1.1.1. Cấu tạo của cầu trục
Cầu trục được cấu tạo bởi 3 bộ phận chính: xe cầu, xe con và cơ cấu nâng hạ.
• Xe cầu: có hai dầm chính hoặc khung dầm chính làm 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 quay ngang tạo thành khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh
8


xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung hình chữ nhật, tạo điều kiện
cho cầu trục chạy dọc suốt phân xưởng.
• Xe con: là thiết bị được đặt trên xe cầu và dịch chuyển trên chiều dài của xe cầu.
• Cơ cấu nâng hạ: được đặt trên xe con và đóng vai trị nâng hạ hang hóa.
Nhờ cấu tạo như trên mà cầu trục có thể di chuyển phụ tải theo 3 phương phủ kín mặt
bằng nhà xưởng:
- Chuyển động dọc theo phân xưởng, nhờ chuyển động của xe cầu.
- Chuyển động ngang theo phân xưởng, nhờ chuyển động của xe con.
- Chuyển động theo phương thẳng đứng, nhờ chuyển động của cơ cấu nâng hạ.
Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề, đặc biệt là ở hải cảng, trong các nhà
máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim... Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ truyền động và
trang bị điện cầu trục phải đảm bảo làm việc tin cậy trong điều kiện nghiệt ngã của môi
trường.
1.1.2. Đặc điểm của cơ cấu nâng hạ cầu trục
Momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của
động cơ thay đổi thế nào. Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen
cản thế năng, có đặc tính Mc = const và khơng 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.

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 mơmen 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 mơmen 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.

9


Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau:

Hình 1.3. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ
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 khơng địi hỏi đảo chiều ngay lập tức mà thường có trễ sau
một thời gian nhất định.
1.2. YÊU CẦU CÔNG NGHỆ
1.2.1. Yêu cầu phụ tải
Đối với cơ cấu nâng hạ: Momen khơng tải khi nâng móc cầu Mc0 = 15-20% Mđm còn
khi gầu ngoạm Mc0 bằng khoảng 50% Mđm. Khi hạ tải do tác dụng của lực ma sát nên phụ
tải sẽ biến đổi từ (15-20%) đến 80% Mđm.

Hình 1.4. Đặc tính phụ tải của cơ cấu nâng hạ
Đối với cơ cấu dịch chuyển, do momen cản tĩnh và trọng lượng gây nên, vì vậy momen
cản khơng tải là:
Mc0 = (30-50%) Mđm đối với xe con.
Mc0 = (50-55%) Mđm đối với xe cầu.
10



Hình 1.5. Đặc tính phụ tải cơ cấu dịch chủn
Các cơ cấu truyền động cầu trục thường thay đổi mô men theo tải trọng. Nhất là cơ
cấu nâng hạ , mơ men thay đổi rõ rệt. Khi khơng có tải trọng mô men động cơ không vượt
quá (15 - 20 )% Mđm. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục ngoạm đạt tới 50% Mđm. Đối
với đông cơ di chuyển xe con bằng(30-50)% Mđm. Đối với động cơ di chuyển xe cầu bằng
(50 - 55 )% Mđm.
Các động cơ truyền động điện đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có tần số đóng
điện lớn. Đa số các cầu trục đều làm việc trong điều kiện môi trường nặng nề, chế độ quá
độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảo chiều.
Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đươc xác định từ yêu cầu công nghệ, chức
năng của cầu trục trong dây chuyền sản xuất. Cấu tạo và kết cấu của cầu trục rất đa dạng.
Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệ thống truyền động điện phải phù hợp với
từng loại cụ thể.
Từ những đặc điểm trên ta có những yêu cầu cơ bản với hệ thống truyền động cho các
cơ cấu của cầu trục như sau:
- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản.
- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng.
- Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp khơng, q tải và ngắn mạch.
- Q trình mở máy diễn ra theo một quy luật được định sẵn.
- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt, độc lập.
- Có cơng tắc hành trình hạn chế quá trình tiến, lùi cho xe cẩu , xe con và hạn chế
hành trình lên xuống của cơ cấu nâng hạ.
- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp.
11


Năng suất cầu trục được quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của các thiết bị và số chu
kì bốc xúc trong một giờ. Số lượng hành hoá bốc xúc trong mỗi một chu kì khơng như nhau
và nhỏ hơn tải trọng định mức nên phụ tải với động cơ chỉ đạt (60 - 70)% cơng suất của
động cơ.


Hình 1.6. Momen động cơ phụ thuộc vào tải trọng
1 – Động cơ di chuyển xe cầu, 2 – Động cơ di chuyển xe con, 3 – Động cơ nâng hạ
1.2.2. Chế độ cấp điện
Xe cầu và xe con trong cầu trục luôn phải di chuyển nên để cấp điện cho các thiết bị
điện, người ta có 3 cách:
- Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định, loại này thường là cầu trục
phân xưởng.
- Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện, loại này thường dùng đối với cầu trục
dịch chuyển theo đường ray trên mặt đất.
- Cung cấp điện từ máy phát diezen thường cho loại cầu trục di động trên ôtô.
1.2.3. Điều kiện làm việc
Điều kiện làm việc của cầu trục là nặng nề, tần suất đóng cắt lớn, thường xuyên làm
việc ở chế độ quá độ. Do vậy, động cơ truyền động cầu trục cần có: cách điện có độ chịu
nhiệt cao, roto dài với đường kính nhỏ để có momen qn tính bé, giảm tổn hao năng lượng
12


trong q trình thay đổi tốc độ, có khả năng chịu quá tải cao. Môi trường làm việc rất khắc
nghiệt dù trong nhà hay ngoài trời, làm việc ngoài trời phải chịu mưa gió, bụi, hơi muối các
cảng biển, ẩm, nhiệt độ cao,… Trong các nhà máy có thể phải chịu ẩm, nhiệt độ cao, bụi,
chịu axit, bazơ…
1.2.4. Chế độ làm việc
Chế động làm việc của các động cơ truyền động cầu trục là ngắn hạn lặp lại. Trong
một chu kì, quy trình các cơng việc lần lượt được diễn ra như sau: hạ móc → căng cáp →
nâng → dịch chuyển → hạ → tháo tải → nâng móc. Mở máy, đảo chiều và hãm liên tục
với quá trình chuyển đổi tốc độ xảy ra êm, dải điều chỉnh tốc độ rộng, dừng chính xác đúng
nơi lấy hàng và trả hàng.
1.3. PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG
1.3.1. Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

1.3.1.1. Điều chỉnh điện áp stator dùng thyristor
Khi điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ thì các thơng số cịn 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.
1.3.1.2. Điều chỉnh xung điện trở mạch roto
Phương pháp này điều chỉnh điện trở phụ nối vào rotor của động cơ không đồng bộ
roto dây quấn, có kết cậu mạch lực và mạch điều khiển đơn giản, dễ thực hiện.
➢

Đặc điểm :
-

Momen khởi động lớn.

-

Hiệu suất thấp.

1.3.1.3. Điều chỉnh công suất trượt
Phương pháp này thực hiện với động cơ roto dây quấn. Thực chất của phương pháp
này là công suất điện được cấp 100% cho động cơ phía stato, với phụ tải định trước, để điều
chỉnh giảm tốc độ, ta lấy bớt cơng suất phía roto được biến đổi trả lại lưới.
➢

Đặc điểm:
-

Hiệu suất của hệ cao hơn so với phương pháp điều chỉnh xung điện trở roto.

-


Mạch phức tạp về cấu trúc.

-

Độ chính xác của phương pháp thường không cao.
13


-

Giá thành của hệ cao.

1.3.1.4. Điều chỉnh tần số
Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cung cấp được sử dụng cho động cơ không
đồng bộ cho đến nay vẫn là phương pháp tốt nhất, vì nó điều chỉnh trực tiếp cơng suất điện
đầu vào động cơ, đặc tính cơ có độ cứng không thay đổi trong dải điều chỉnh rộng. Với sự
phát triển công nghiệp điện tử công suất, giá thành các bộ biến đổi ngày càng hạ, tính năng
kỹ thuật ngày càng nâng cao, nên hệ điều khiển tần số được sử dụng phổ biến nhất hiện
nay.
1.3.2. Các phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ roto lồng sóc
1.3.2.1. Khái quát nguyên lý điều chỉnh tần số động cơ KĐB
Xuất phát từ công thức:
𝑛 = (1 − 𝑠)

60𝑓
𝑝

Trong đó:
𝜔1 −𝜔


-

s là độ trượt: 𝑠 =

-

1 là tốc độ góc của từ trường quay.

-

 là tốc độ động cơ.

-

f là tần số của điện áp nguồn đặt vào stator.

-

p là số đôi cực từ của động cơ.

𝜔1

Do vậy khi tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ.
1.3.2.2. Điều khiển vô hướng
Phương pháp điều khiển vô hướng dựa trên việc điều khiển từ thông stato  s thông
qua các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stato. Thực tế được ứng dụng
trong cơng nghiệp có hai loại gồm:
- Điều khiển điện áp – tần số sao cho từ thông stato  s là hàm của momen tải, phương
pháp này dễ thực hiện, có hiệu quả là tổn thất 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.

14


- Điều chỉnh điện áp tần số hoặc tần số dịng điện sao cho từ thơng stator  s ln
ln khơng đổi ở tồn 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. Ởn 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.
1.3.2.3. Điều khiển vecto từ thông roto
Phương pháp này dùng công cụ biến đổi vecto để ước lượng đại lượng vecto từ thông
 r và điều chỉnh nó. Cịn momen động cơ điều chỉnh qua thành phần vecto dòng stato I s .

Như vậy phương pháp này coi roto là phần cảm, stato là phần ứng và được phân ly
với nhau giống như máy điện một chiều kích từ độc lập.
Phương pháp này địi hỏi phức tạp nên yêu cầu công cụ điều khiển số mạnh, độ tác
động khơng cao do mơ 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 điện. Động cơ làm việc ổn định
rất tốt ở tốc độ cận không.
1.3.2.4. Điều khiển trực tiếp momen
Phương pháp này dựa trên điều khiển vị trí vecto từ thông stato  s 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  s , thay đổi vecto điện áp stator U s để thay đổi vị trí vecto  s .
Phương pháp này có ưu điểm là chỉ cần quan tâm tới các đại lượng vecto stato, không
cần xác định vị trí roto nên đơn giản, điều khiển vị trí vecto  s thơng 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 ḷn: Do u cầu cơng 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.

15


1.3.3. Phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC)
Biểu thức tính momen trong hệ tọa độ tĩnh, gắn chặt với trục dây quấn stato (  ,  ).
M =

3 pp
2

 s .is = K m  r .  s .sin 

Trong đó  s là từ thơng stator, is là dòng điện stator (cả hai được gắn với hệ tham
chiếu cố định gắn với stator), p p là số đôi cực.
Vector từ thông roto thường biến thiên chậm hơn vecto từ thơng stator, do đó có thể
đạt được giá trị momen yêu cầu bằng cách quay vecto từ thơng stato càng nhanh càng tốt
theo hướng nào đó, làm thay đổi nhanh góc  , gọi là góc momen.
Nếu sụt áp trên điện trở được bỏ qua cho đơn giản, thì điện áp stator tác động trực tiếp
tới từ thơng stator theo đúng phương trình sau:
Us =

d s
hay  s = U s .t
dt


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

a=e

2
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 mômen điện từ,
một vectơ điện áp tối ưu đã 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 vectơ 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:

16


Hình 1.7. Quỹ đạo từ thơng stator
Từ hình trên ta có thể lập được bảng chọn vector điện áp ứng với trạng thái khóa Sabc.
Pha

V0

V1


V2

V3

V4

V5

V6

V7

A

0

1

1

0

0

0

1

1


B

0

0

1

1

1

0

0

1

C

0

0

0

0

1


1

1

1

Bảng chọn vector điện áp cho phương pháp điều khiển trực tiếp momen:

FI/FD: từ thông tăng/giảm, TD/T=/TI: mômen giảm/bằng/tăng, Sx: vector từ thong
stator, Φ: sai số độ lớn của từ thông stator, τ : sai số mômen.
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 thơng stato vào bảng tra. Sai số của module từ thông stato và
momen nằm trong dải trễ tương ứng, độ rộng của dải này quyết định độ chính xác điều
khiển.
17


Hình 1.8. Sơ đờ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ
Để ước lượng được từ thơng stato và momen thực, có thể sử dụng mơ hình khác nhau,
ở đây đưa ra một kiểu mơ hình đơn giản nhất.

 s =  s 2 + s 2

M=

3p
( s .is − s .is )
2


s = cos −1

 s
s

Vị trí Sx có thể được suy ra từ s , ví dụ nếu (-30 < s < 30) thì vecto từ thông stato
nằm ở mảnh S1.
1.4. CHỌN ĐỘNG CƠ
1.4.1. Chọn loại động cơ điều khiển
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 thơng 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 khơng đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc
chắn hơn. Ngồi ra động cơ khơng 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 q trình khó khăn.
18


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 trình 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 cầu trục là động cơ xoay chiều không đồng bộ
ba pha, cụ thể là động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc.
1.4.2. Xây dựng đờ thị phụ tải cơ cấu nâng hạ
Ta sẽ tính tốn thời gian nâng, hạ của cơ cấu.
Với chiều cao của nhà xưởng là h = 8m. Giả sư, cần di chuyển một vật từ vị trí A đến
vị trí B, coi thời gian di chuyển của xe cầu và xe con là tdc = 60s, thời gian để tháo hoặc lắp

tải trọng khi nâng hoặc hạ là tt = tl = 10s.

Hình 1.9. Đờ thị đặc tính phụ tải của cơ cấu nâng hạ
Tốc độ khi nâng tải định mức là Vn = 0,2 m/s.
Tốc độ khi hạ tải định mức là Vh = 0,3 m/s
Tốc độ khi nâng-hạ không tải là V0 = 0,5 m/s
Vậy thời gian nâng với tải định mức là
𝑡𝑛 =

ℎ
8
=
= 40(𝑠)
𝑉𝑛 0,2

Thời gian hạ với tải định mức là:
𝑡ℎ =

ℎ
8
=
= 27(𝑠)
𝑉ℎ 0,3
19


Thời gian nâng hạ không tải là:
𝑡𝑛0 = 𝑡ℎ0 =

ℎ

8
=
= 16(𝑠)
𝑉0 0,5

Tổng thời gian vận chuyển trong một chu kì sẽ là:
𝑇𝑐𝑘 = 𝑡𝑛 + 𝑡ℎ + 𝑡𝑛0 + 𝑡ℎ0 + 𝑡𝑑𝑐 + 𝑡𝑡 + 𝑡𝑙
= 40 + 27 + 16 + 16 + 60 + 10 + 10 = 179(𝑠)
1.4.3. Tính chọn cơng suất động cơ
Để xác định cơng suất của động cơ của cơ cấu nâng hạ ta sẽ sử dụng phương pháp đại
lượng đẳng trị. Vì động cơ truyền động cơ cấu nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại
nên việc tính chọn cơng suất động cơ phải xác định cả phụ tải tĩnh và phụ tải động.

Hình 1.10. Sơ đờ động học của cơ cấu nâng hạ dùng móc

20


1.4.3.1. Phụ tải tĩnh khi nâng
Momen trục động cơ khi có tải:
Mn =

(G + G0 ) Rt
uic

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.

-

i là tỷ số truyền được xác định như sau:

i=
-

2 .Rt .n
u.v

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

Hình 1.11. Quan hệ phụ thuộc c theo tải trọng
Momen trục động cơ khi khơng có tải:

M n0 =

G0 .Rt

u.i.c

21


1.4.3.2. 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 đã nêu:
- Hạ động lực.
- Hạ hãm.
Mô men do tải trọng gây ra khơng có tổn thất :

Mt =

(G + G0 ) Rt
(N.m)
u.i

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

M h = M t − M = M t .h (N.m)
Trong đó:
-

Mh là mơ men trên trục động cơ khi hạ tải (N.m).

-

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


-

 h là hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải.
Nếu: M t > M → Hạ hãm
M t < M → Hạ động lực

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

Mt

c

− Mt = Mt (

1

c

− 1)

M h = M t − M = M t − M t (

1

c

= M t (2 −
=


1

c

− 1)

)

(G + G0 ) Rt
1
(2 − )
ui
c

Suy ra:
h = 2 −

1

c

22


Chế độ làm việc của động cơ phụ thuộc vào hiệu suất cơ cấu khi hạ tải:
- Khi c < 0,5 →  h < 0, động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực (momen động cơ
cùng chiều momen tải trọng).
- Khi c > 0,5 →  h > 0, động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm (momen động cơ ngược
chiều momen tải trọng).
1.4.3.3. Tính toán chi tiết

Với các thông số: tải trọng riêng G0 = 1T, tải trọng nâng G = 10T, bán kính tang nâng
0,4m; tỉ số truyền i = 75; bội số ròng rọc µ = 1, hiệu suất  = 0,85. Ta lần lượt đi xác định
các giá trị momen và công suất động cơ.
Momen trên trục động cơ khi nâng tải bằng định mức:
Mn =

(G + G0 ) Rt (10 + 1).0, 4.1000.10
= 690 (N.m)
=
uic
75.1.0,85

Phụ tải khi nâng không tải: G = 0 →

G0 + G
1
=
= 0, 09
G0 + Gđm 1 + 10

Dựa vào đồ thị quan hệ phụ thuộc c vào tải trọng, ta xác định được c = 0,45.
Momen khi nâng không tải:
M n0 =

G0 Rt
iuc

=

1.0, 4.10.1000

= 119 (N.m)
75.1.0, 45

Momen trên trục động cơ hạ với tải bằng định mức:
Mh =

(G0 + G ) Rt
ui

(2 −

1

c

)=

(1 + 10).0, 4.1000.10
1
(2 −
) = 483 (N.m)
75.1
0,85

Momen hạ không tải là:
𝑀ℎ0 =

𝐺. 𝑅𝑡
1
10000.0,4

1
(2 −
)=
(2 −
) = −12(𝑁. 𝑚)
𝑢. 𝑖
𝜂𝑐0
1.75
0,45

Ta lập được bảng giá trị momen cho từng thời điểm trong một chu kì làm việc của cơ
cấu nâng hạ như sau:
t (s)

40

16

27

16

M (N.m)

690

119

483


-12

23


Ta có đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ:
800
690
700

600
483

M(N.m)

500

400

300

200
119
100
-12
0
0

20


40

-100

60

80

100

120

t(s)

Hình 1.12. Đờ thị phụ tải
Momen đẳng trị:
n

M dt =

M
i =1

2
i

.ti

Tck


6902.40 + 1192.16 + 4832.27 + 122.16
=
= 378 (N.m)
179

Tốc độ quay lớn nhất của động cơ là tốc độ khi khơng có tải:

n = n 0 = h 0 =

i.u.v0 75.1.0,5
=
= 14,9 (vòng/s) = 895 (vòng/ phút)
2 .Rt
2 .0, 4

Chọn động cơ khơng đồng bộ có tốc độ quay n = 1000 vịng/phút:
Cơng suất đẳng trị của động cơ là:
Pdt = M dt .

2 n
= 35,4 (kW)
60

Vậy động cơ cần chọn có cơng suất định mức lớn hơn 35,4 kW.
Dựa vào catalog động cơ khơng đồng bộ roto lồng sóc của ABB, ta chọn được động
cơ với các thông số sau:
24


-


Tên máy: M3BP 280 SMA 3GBP 283 210-G

-

Công suất định mức: Pđm = 45 (kW)

-

Số cực từ: 2p = 6

-

Tốc độ định mức: n = 990 (v/ph)

-

Điện áp dây định mức: Uđm = 400 (V)

-

Tần số định mức: f = 50 (Hz)

-

Hệ số cơng suất: cosφ = 0,84

-

Dịng stator định mức: Iđm = 82,7 (A)


-

Dòng stator khởi động: Ikđ = 82,7.7 = 578,9 (A)

-

Momen định mức: Mđm = 434 (N.m)

-

Hệ số quá tải: λ = 2,5

-

Momen khởi động định mức: Ms = 434.2,5 = 1085 (N.m)

-

Momen tới hạn: Mth = 434.2,5 = 1085 (N.m)

-

Momen quán tính: J = 1,85 (kg.m2)

-

Khối lượng: m = 605 (kg)

1.4.4. Kiểm nghiệm động cơ

Giả sử thời gian để thay đổi vận tốc của mỗi quá trình nâng hạ là t = 2s. Mơ men trên
trục động cơ gồm hai thành phần là momen cản tĩnh M c và một thành phần momen gia tốc
J

d
.
dt

M = Mc + J

d
dt

Trong đó J là momen qn tính quy đổi về trục động cơ:

J = J đc +

J ht
1,85
=
1,85
+
=1,9 (kg.m2)
752
i2

Ta có tốc độ góc quy đổi về trục động cơ trong các quá trình nâng hạ:

=


i.v
Rt

Do vậy, tốc độ góc khi nâng (hạ) khơng tải:

25