Thiết kế môn học Trang bị điện
Mục Lục
Chương1:Tổng quan về cơ cấu nâng hạ hàng của cầu trục giàn……………… 3
1.1.Khái quát chung về thiết bị nâng vận chuyển ………………………… 3
1.2.Giới thiệu chung về cầu trục giàn………………………………………… 4
1.3.Hệ thống điều khiển truyền động điện cho cầu trục……………………… 7
1.4.Kết luận chương 1…………………………………………………………
Chương 2:Thiết kế điều khiển truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ hàng… 11
2.1.Lựa chọn phương án truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ hàng…………11
2.2.Lựa chọn phương án điều chỉnh tốc độ cho động cơ của cơ cấu nâng hạ
hàng ………………………………………………………………………………14
2.3.Xây dựng mạch điều khiển và động lực cho hệ truyền động điện PWM-Đ
s
16
2.4.Kết luận chương 2…………………………………………………………35
Chương 3:Viết chương trình mô phỏng……………………………………….36
3.1.Xây dựng cấu trúc và tổng hợp các mạch vòng điều chỉnh……………… 36
3.2.Mô phỏng hệ truyền động điện PWM-Đ
s
………………………………….49
3.3.Kết quả mô phỏng…………………………………………………………54
3.4.Đánh giá kết quả mô phỏng……………………………………………….56
Kết luận ……… …………………………………………………………… 57
Tài liệu tham khảo…………………………………………………………….58
1
Thiết kế môn học Trang bị điện
Lời nói đầu
Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưa lại
những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá của mỗi
đất nước.Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về điều
khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý

- Vận chuyển theo phương kết hợp (cầu trục,cần trục….)
+ Phân loại theo cấu tạo của cơ cấu di chuyển:
- Cơ cấu di chuyển tịnh tiến
- Cơ cấu di chuyển quay một góc tới hạn
- Máy nâng vận chuyển đặt cố định
+ Phân loại theo cơ cấu bốc hàng :
- Cơ cấu bốc hàng là thùng ,gầu treo…
- Cơ cấu bốc hàng là dùng móc ,xích treo,băng.
- Cơ cấu bốc hàng bằng nam châm điện
+ Phân loại hteo chế độ làm việc :
- Theo chế độ làm việc dài hạn (băng tải ,băng truyền….)
- Theo chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại (máy xúc ,thang máy…)
Môi trường làm việc của máy nâng vận chuyển là rất nặng nề,thường xuyên làm
việc trong tình trạng quá tải,nên các loại máy này được chế tạo với độ bền cơ khí
cao,khả năng chịu quá tải lớn,năng suất máy phụ thuộc vào tải trọng của thiết bị và
chu kỳ bốc xếp trong 1 giờ.
3
Thiết kế môn học Trang bị điện
1.2.Giới thiệu chung về họ cầu trục giàn
1.2.1.Đặc điểm của họ cầu trục giàn
Phần lớn các cơ cấu của cầu trục và cần trục được truyền động bời các động cơ
điện cho hệtruyền động có ba dạng:
- Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định loại này thường là cầu trục
phân xưởng.13
- Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện loại này thường t đối với cầu trục và
cần trụcdịch chuyển theo đường ray trên mặt đất.
- Cung cấp điện từ máy phát điêzen thường loại cầu trục di động trên ôtô
Môi trường làm việc:
Phần lớn môi trường làm việc của cầu trục cần trục rất khắc nghiệt. Thí dụ trong
các nhàmáy cơ khí luyện kim môi trường làm việc cầu trục nóng ẩm nhiều bụi.

Đối với các động cơ truyền động cho các cơ cấu nâng hạ hàng mômen thay đổi
theo tải rất rõ rệt. Khi không có tải trọng ( Khi không tải ), mômen động cơ không
vượt quá (15 20)%.Mđm, đối với cơ cấu nâng của cần trục gầu ngoạm đạt tới
50%.Mđm, đối với cơ cấu di chuyển xe con bằng (30 50)%.Mđm, đối với cơ cấu
di chuyển xe cầu bằng (50 55)%.Mđm.
Trong các hệ truyền động các cơ cấu của cần trục – cầu trục, yêu cầu quá
trình tăng tốc và giảm tốc xẩy ra phải êm, đặc biệt là đối với các cần trục – cầu trục
thiết kế cho nâng chuyển container và bốc xếp hàng hoá, lắp ráp thiết bị máy móc.
Bởi vậy, mômen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹ
thuật an toàn. Năng suất của cầu trục – cần trục được quyết định bởi hai yếu tố: Tải
trọng của thiết bị và số chu kỳ bốc xếp trong một giờ. Thường số lượng hàng hoá
5
Thiết kế môn học Trang bị điện
bốc xếp trong một chu kỳ không như nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức, cho nên
phụ tải của động cơ chỉ đạt (60 70 )% công suất định mức của động cơ.
Mô men 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.
Do điều kiện làm việc của cần trục và cầu trục hết sức nặng nề thường xuyên làm
việc trong chế độ quá tải vì vậy cần trục – cầu trục được chế tạo có độ bền và hệ số
dự trữ của các cơ cấu cơ khí lớn để chịu quá tải.
1.2.2.Cấu trúc và bố trí thiết bị trên cầu trục giàn
1.Ca bin điều khiển đặt trên xe con
2.Xe con:Nơi đặt các tay điều khiển cho các cơ cấu và hệ thống báo động
.Xe con chạy trên các xà và chỉ chuyển động tiến lùi .Xe bị hạn chế bởi các Limit
trong khoảng L
max
.Chỉ dùng một động cơ truyền động cho xe con .Đây là nơi lắp
đặt động cơ nâng hạ và động cơ chống lắc….
3.Thiết bị đặc chủng gắn vào sợi cáp của cơ cấu nâng.Dùng để chống lắc
ngang ,lắc dọc khi cầu hay xe chuyển động và điều khiển ngoạm hay nhả container.

làm việc,không làm việc .Các cơ cấu dẫn động bằng máy có thể làm việc bằng
nhiều chế độ khác nhau,tùy theo yêu cầu sử dụng.
Khớp nối trục động cơ và hộp giảm tốc ở đây sử dụng khớp đàn hồi ,có khả
năng giảm được chấn động và va đập khi mở máy và khi phanh đột ngột .
1.3.Hệ thống điều khiển truyền động điện cho cầu trục
1.3.1.Khái quát các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động điện cho cầu
trục
Hệ truyền động điện của cơ cấu nâng hạ hàng đóng vai trò rất quan trọng đối với
họ cầu trục,cần trục.Chính vì vậy mà hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ hàng phải
đảm bảo dược các yêu cầu sau:
7
Thiết kế môn học Trang bị điện
+ Hệ thống nâng hạ hàng cần đảm bảo tốc độ nâng vận chuyển đối với tải trọng
định mức :
Tốc độ nâng vận chuyển có liên quan đến năng suất xếp dỡ của cầu trục do đó tốc
độ nâng vận chuyển của cơ cấu nâng hạ hàng được tính toán sao cho tối ưu
nhất.Nếu tốc độ này thấp quá thì sẽ làm giảm năng suất làm việc của cầu
trục.Ngược lại nếu tốc độ nâng hạ quá cao thì các bộ truyền cơ khí phải được thiết
kế chắc chắn ,dẫn đến kích thước của thiết bị tăng lên,giá thánh cũng tăng lên…
Ngoài ra đối với hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ hàng thì việc hãm ,dừng là rất
quan trọng vì vậy tốc độ nâng hạ cần được tính toán sao cho đảm bảo được thời
gian hãm dừng .
+ Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng
Đây là điều kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp đồng thời thoả mãn công
nghệ bốc xếp với nhiều loại hàng hoá .
Số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cần trục ít nhất là 3 cấp
tốc độ.Cấp tốc độ thấp nhằm thoả mãn công nghệ khi nâng hàng và hạ hàng chạm
đất ,cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu cho từng cơ cấu ,giữa 2 cấp tốc độ này thường
được thiết kế thêm các tốc độ trung gian để thoả mãn công nghệ công nghệ bốc xếp
hàng hoá cũng như sự ổn định làm việc của cầu trục

1.3.2.3.Đăc tính cơ của cơ của hệ truyền động điện khi dùng động cơ xoay chiều
roto dây quấn:
10
Thiết kế môn học Trang bị điện
Chương 2:
Thiết kế điều khiển truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ hàng
2.1.Lựa chọn phương án truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ hàng
2.1.1. Yêu cầu của hệ truyền động cơ cấu nâng hạ hàng
a. Đặc tính tải
- Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là phụ tải thế năng. Động cơ cho truyền động nâng hạ
làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại.
Trên hình vẽ là giản đồ phụ tải của cơ cấu nâng hạ với thời gian mở máy và
thời gian phanh coi như bằng 0. Trong đó:
t
1
: Thời gian hạ không tải t
2
: thời gian nâng tải
t
01
: thời gian nghỉ t
3
: thời gian hạ tải
t
4
: thời gian nâng không tải t
02
: thời gian nghỉ
Qua giản đồ phụ tải ta thấy đây là phụ tải ngắn hạn lặp lại biến đổi. Động cơ
làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với yêu cầu có đảo chiều.

-Đảm bảo chiều quay
- Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trước động cơ không bị đốt nóng quá
mức.
- Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy định
- Việc tăng công suất động cơ lên quá lớn cũng không cho phép do:
Khi
↑⇒
P
có khả năng làm tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu nâng hạ) có thể dẫn tới
đứt dây treo hay tải bị dật mạnh.
- Tăng vốn đầu tư ban đầu.
- Phải thiết kế để cơ cấu làm việc an toàn ở chế độ nặng nề nhất.
- Các thiết bị cầu trục phải đảm bảo làm việc an toàn ở điện áp bằng 85% điện
áp định mức.
- Khi không có tải trọng (không tải) mô men của động cơ không vượt quá
(15÷20)% M
đm
, đối với cơ cấu nâng của cầu trục gầu ngoạm đạt tới 50% M
đm
, đối
với động cơ di chuyển xe con bằng (50÷55)% M
đm
.
2.1.2.Hệ truyền động một chiều
Hệ thống F -Đ nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ biến đổi máy điện
(máy điện một chiều kích từ độc lập)
Động cơ Đ truyền động máy sản xuất MSX được cấp điện phần ứng từ máy
phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện
không đồng bộ ĐK. Động cơ ĐK cũng kéo luôn máy phát kích từ K để cấp điện áp
cho động cơ Đ và máy phát F. Biến trở R

uFuD
D
F
Ưu điểm: Phạm vi điều chỉnh tăng lên. Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong
phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao
12
Thiết kế môn học Trang bị điện
nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giẩn. Trạng thái làm việc linh hoạt khả năng quá tải lớn.
Có thể thực hiện hãm điện.
Nhược điểm: Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá
75%), cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn. Công suất đặt máy lớn. Vốn
đầu tư ban đầu cao. Điều chỉnh sâu bị hạn chÕ.
2.1.3.Hệ truyền động dùng động cơ điện xoay chiều
Khi sử dụng động cơ xoay chiều trong hệ thống thì người ta hay dùng động cơ điện
dị bộ rô to lồng sóc có 3 cấp tốc độ.
Loại động cơ này là loại động cơ đặc biệt, nó được xem như hai động cơ ghép lại
với nhau.
1: Cuộn dây cấp tốc độ 1
2: Rôto rãnh kép hoặc rãnh sâu
3: Rôto thường
4: Cuộn dây cấp tốc độ 2,3
- Cuộn dây cấp tốc độ thấp được bố trí ở một vùng riêng biệt.Cuộn dây tốc độ 2 và
3 được bố trí chung một rãnh. Có động cơ chỉ có 2 cuộn dây, trong đó một cuộn có
khả năng đổi nối để tạo tốc độ 2, tốc độ 3.
- Ưu điểm của loại động cơ lồng sóc này là nó có khả năng chịu quá tải về mô
men Khi sử dụng động cơ xoay chiều trong hệ thống thì người ta hay dùng động cơ
điện dị bộ rô to lồng sóc có 3 cấp tốc độ.động cơ này hay được dùng vì nó có cấu
tạo đơn giản, đáp ứng tương đối tốt các yêu cầu về tốc độ. Đồng thời có trọng
lượng và kích thước nhỏ động cơ điện một chiều cùng công suất.
Tuy nhiên việc điều chỉnh tốc độ không láng, mô men khởi động nhỏ hơn so với

có một giá trị điện trở tương đương Re trong mạch .Thời gian ngắt tn = T-tđ
Nếu điều chỉnh trơn tỉ số giữa thời gian đóng và thời gian ngắt ta điều chỉnh
trơn giá trị điện trở trong mạch rôto
14
i
s
rd
R
I
r
M
×
×
=⇒
ω
2
3
rd
R
r
R
i
ss
=
Ro
T
td
Ro
tntd
td

nhau . Trong phần này đề cập đến hai nội dung: Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động
cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong hệ truyền động
biến tần - động cơ KĐB
*. Nguyên lý điều chỉnh tần số:
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi của điện áp
stato được rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB
ωs = 2.π.fs
Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từ thông
Es = C.φ.fs
Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stato tức coi
15
fsCEsUs
X
s
R
s
IsUs
φ
=≈⇒≈+=∆
0
22
2
0
2
1
R
e
R
f
R

gồm hai loại: Biến tần trực tiếp
Biến tần gián tiếp
*>Biến tần trực tiếp:
Điện áp vào BT có điện áp U
1
và tần số f
1
chỉ qua một mạch van là ra ngay tải với
tần số f
2
,U
2
.
Đặc điểm:
16
BT
U
1
,f
1
U
2
,f
2
Thiết kế môn học Trang bị điện
Hiệu suất biến đổi năng lượng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng .Thực hiện
hãm tái sinh năng lượng mà không cần mạch điện phụ.
Hệ số công suất thấp, tần số đIều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung
cấp.Thường dùng cho hệ truyền động công suất lớn, tốc độ làm việc thấp.
*>Biến tần gián tiếp:

U
1
,f
1
L
C
CL
NL
L
CL
NL
U
1
,f
1
U
2
,f
2
Thiết kế môn học Trang bị điện
2
1
1
.







MMMM








−+=
ω
ω
)(
0
Nếu xem gần đúng:
1
ωω
=
và bỏ qua giá trị
0c
M
trong biểu thức tính mômen tải.
Biến đổi ta được:
2/1
1
1
2/1
1
1
1

Ở dạng đơn vị tương đối:
2/1
*
1
*
1
)(
x
fU
+
=
Nếu gần đúng có thể coi:
1
1
1
ψ
≈
f
U
. Nên có thể coi luật điều khiển này chính là luật
từ thông hàm của mômen phụ tải:
cs
m
**
=
ψ
Ưu và nhược điểm
+) Ưu điểm:
- Phương pháp này dễ thực hiện.
- Tổn thất công suất nhỏ, lượng tiêu thụ công suất phản kháng luôn nhỏ hơn

1
1
*
1
1
11
1
f
R
jXI
f
U
fC
s
s
dm
σ
ψ
Trong đó:
1
C
- Hệ số phụ thuộc vào kết cấu máy điện
dm
f
1
- tần số định mức
*
1
f
- Tần số đơn vị tương đối

áp rơI trên điện trở Stator.
Giải pháp thực hiện giữ
σ
ψ
=const trong thực tế là Phát hàm
( )
11
fU
với dòng
điện không tải
10
I
. Khi động cơ mang tải ta bù thêm lượng điện áp tỷ lệ với sụt áp
trên điện trở Stator:
ssRs
RIU
=∆
. Như vậy, tại một giá trị tần số đầu vào
1
f
giá trị
điện áp
1
U
sẽ có hai thành phần:
- Thành phần thứ nhất
10
U
: lấy từ quan hệ
( )

const
r
=Ψ
. ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ
đồ thay thế ta có thể tính được từ thông rotor và phương trình cân bằng mạch rotor
ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:







Ψω+Ψ+=
Ψω+Ψ+=
+=Ψ
+=Ψ
δ
δ
rxsryryr
rysrxrxr
ryrsymry
rxrsxmrx
pi.R0
pi.R0
i.LiL
i.LiL
Nếu giữ được biên độ vector từ thông
const
r

1
0
trong đó:
r
r
r
R
L
T
δ
δ
=
Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phương 2 vế của từng
phương trình và cộng hai phương trình với nhau, đồng thời để ý rằng:
20
Thiết kế môn học Trang bị điện





Ψ=Ψ+Ψ
=+
222
2
1
22
pryrx
sysx
Iii

. Bản chất của phương
pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng điện stato I
s
và tần số trượt f
s
sao cho từ thông của máy điện được giữ không đổi.
Cấu trúc điều khiển tần số - đòng điện giữ từ thông động cơ không đổi
Nguồn dòng một chiều gồm bộ chỉnh lưu, cuộn kháng
d
L
, bộ điều chỉnh sâu
dòng điện I
d
: R
Id
. Nghịch lưu có tần số đầu ra là f
1
cấp cho động cơ được thiết lập
bởi:
1 r s
f f f= ±
Trong đó:
r
f
- Tần số ứng với tốc độ quay của động cơ. Dấu ” +” ứng với chế độ động cơ.
Dấu trừ ứng với chế độ hãm tái sinh
Ưu và nhược điểm
Cấu trúc điều khiển tần số – dòng điện sử dụng quan hệ
( )
s s

sx s sx M rx
sy s sy M ry
rx r rx M rx
ry r ry M ry
L i L i
L i L i
L i L i
L i L i
ψ
ψ
ψ
ψ
= +


= +


= +


= +

(2.1)
Phương trình điện áp:
22
Thiết kế môn học Trang bị điện
( )
( )
sx



= + +




= + − −



= + − −


(2.2)
Biểu thức môn men điện từ:
( )
3
2
M
p rx sy ry sx
r
L
M p i i
L
ψ ψ
= −
(2.3)
Trong đó: các tham số đã qui đổi về stator
s

=
- Hệ số tản từ stator
r
r
M
L
L
δ
σ
=
- Hệ số tản từ rôto
1
M
s r
L
L L
σ
= −
- Hệ số tản từ
sl k p
p
ω ω ω
= −
Sơ đồ thay thế của động cơ trong hệ toạ độ tổng quát
Hình 2.7: Sơ đồ thay thế ĐCKĐB trong hệ toạ độ tổng quát (o,x,y)
• Điều khiển vector tựa theo vector từ thông roto (FOC)
Nguyên lý điều khiển
Nội dung cơ bản của phương pháp tựa theo vectơ từ thông là dựa trên cơ sở
điều khiển toàn phần vector dòng điện cả biên độ và góc pha
δ

i
và người ta gọi thành phần này là “Thành phần dòng điện
sinh mômen”.
Hình 2.8: Đồ thị vector cho phương pháp FOC
Khi giữ được
r rx
const
ψ ψ
= =
có nghĩa là
sx
i const
=
. Khi điều khiển thành phần
sy
i
tức là làm cho vector
s
i
vẽ nên một đường thẳng song song với trục oy.
Mô hình điều khiển FOC
Ưu và nhược điểm của FOC
- Mô hình rất nhạy với sự biến thiên thông số của động cơ
- Có nhiều khối tính toán nên mất nhiều thời gian cho Vi Xử Lý tính toán. Do vậy,
độ tác động nhanh không cao
- Nhưng hệ FOC có thể hoạt động tốt ở tốc độ cận không. Tức là, có thể điều chỉnh
sâu tốc độ
• Điều khiển trực tiếp mômen (DTC)
24
Thiết kế môn học Trang bị điện

từ thông stator. Vì thế có thể đạt được mômen yêu cầu bàng cách quay vector từ
thông stator theo hướng nào đố càng nhanh càng hiệu quả. Tức là thay đổi góc
γ

(góc tảig) để điều khiển mômen:
( )
3 1
' . sin
2
p r s s
M
M p
L
δ
ψ ψ ψ γ γ
δ
−
= + ∆ +∆
Điều khiển mômen bằng cách quay từ thông stator
Thay đổi góc tải
γ
sao cho biên độ từ thông stator thay đổi ít, tức là:
s s s
const
ψ ψ ψ
≈ + ∆ =
Từ biểu thức tính điện áp stator:
s
s s s
d

s
U
:
( )
2
2
3
DC
s a b c
U
U S aS a S
= + +
Trong đó:
a – Là toán tử quay,
2
3
j
a e
π
=
DC
U
- Là điện áp một chiều
, ,
a b c
S S S
- Là hàm đòng cắt của Tranzito trên pha tương ứng của mạch lực
biến tần
25