Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRANG BỊ ĐIỆN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO
TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG
HẠ CẦU TRỤC PHÂN XƯỞNG
GVHD: Trần Duy Trinh
SVTH: Nguyễn Quang Huy

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 1 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
1. Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

2. Lời nhận xét của giáo viên phản biện

Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt
tình của các thầy, cô giáo cũng như sự góp ý xây dựng của các bạn bè. Đặc biệt là sự giúp
đỡ của Thầy giáo Trần Duy Trinh và các thầy cô giáo công tác trong khoa điện.
Em xin chân thành cảm ơn !
Vinh, 18 tháng 09 năm 2012
Sinh Viên

Nguyễn Quang Huy
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 3 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU 2
MỤC LỤC 3
Chương 1 5
TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC 5
1.1 Khái quát chung 5
1.1.1. Khái niệm 5
1.1.2. Đặc điểm cấu tạo của cầu trục 5
1.1.3. Phân loại 5
1.1.4. Cấu tạo 6
1.2. Đặc điểm công nghệ 8
1.3. Yêu cầu truyền động 8
1.3.1. Đặc tính phụ tải 8
1.3.2. Chế độ làm việc của động cơ truyền động 9
1.3.3. Yêu cầu truyền động 10
Chương 2 12
TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG . 12
2.1.Tính toán phụ tải chính 12

4.1.3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động 40
4.1.4. Tính chọn các thiết bị mạch động lực 42
4.2. Tính chọn các thiết bị mạch điều khiển 53
4.2.1. Khái quát chung 53
4.2.2. Thiết kế mạch cụ thể 56
4.2.3. Khâu tạo xung: 64
4.2.4. Mạch tạo điện áp chủ đạo 71
4.2.5. Mạch lấy tín hiệu phản hồi dòng điện có ngắt 71
4.2.6. Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ 72
4.2.7. Thiết kế mạch nguồn nuôi một chiều 73
Chương 5 74
ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 74
5.1. Tính toán các thông số cơ bản 74
5.1.1. Các tham số cơ bản 74
5.1.2. Hệ số khuếch đại của động cơ 74
5.1.3. Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi k
b
74
5.1.4. Hệ số khuếch đại trung gian 75
5.1.5. Hệ số khuếch đại yêu cầu (k
yc
) của toàn hệ thống 76
5.2. Khảo sát chế độ tĩnh của hệ thống 77
5.2.1. Khái niệm chung 77
5.2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ở chế độ tĩnh 77
5.2.3. Kiểm tra sự ổn định của hệ thống ở chế độ tĩnh 78
5.3. Khảo sát chế độ động của hệ thống 79
5.3.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc 79
5.3.2. Xác định hàm truyền của hệ thống phản hồi tốc độ 81
5.3.3. Kiểm tra sự ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn Routh 83

không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao.
Cầu trục thường được chế tạo với các thông số:
- Tải trọng nâng: Q = 1 ÷ 500 tấn
- Chiều cao nâng: H
max
= 16 m
- Vận tốc nâng: V
n
= 2 ÷ 40 m/phút
- Vận tốc di chuyển xe con: V
xmax
= 60 m/phút
- Vận tốc di chuyển cầu trục: V
cmax
= 60 m/phút
Cầu trục có Q > 10 tấn thường được trang bị hai hoặc ba cơ cấu nâng, gồm một cơ
cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ, được lắp trên xe con.
1.1.3. Phân loại
+ Theo hình dạng bộ phận nâng hạ và mục đích sử dụng:
- Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn.
- Cầu trục dùng gầu ngoạm.
- Cầu trục dùng nam châm điện.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 6 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
+ Theo tải trọng:
- Loại nhẹ: dưới 10 tấn.
- Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn
- Loại nặng: trên 15 tấn.

Có hai loại chính:
- Loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay. Palăng điện hay
palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật. Các loại palăng
này được chế tạo theo tải trọng và tốc độ nâng yêu cầu.
- Đối với các loại dầm thông thường, các cơ cấu nâng hạ được chế tạo và đặt trên
xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính. Trên xe con có từ một đến ba cơ cấu nâng
hạ.
Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm (hình 1.2). Phanh dùng trong dùng trong cầu
trục có ba loại: phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai. Nguyên lí hoạt động của các loại
phanh này cơ bản giống nhau. Cơ cấu phanh hãm gồm có:
- Má phanh.
- Cuộn dây nam châm phanh.
- Đối trọng phanh.

Hình 1.2. Cấu tạo cơ cấu phanh hãm.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 8 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
1.2. Đặc điểm công nghệ
Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề như ngoài hải cảng, các nhà máy,
xí nghiệp luyện kim.
Làm việc ở chế độ đóng cắt rất cao.
Ngoài ra, tùy theo quá trình công nghệ mà ta có một số yêu cầu như:
- Cầu trục vận chuyển được sử dụng rộng rãi, yêu cầu về độ chính xác không cao.
- Cầu trục lắp ráp thường được sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, dùng để lắp
ghép các chi tiết cơ khí nên yêu cầu độ chính xác cao.
- Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao
năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác.
Từ những đặc điểm trên có thể đưa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống và

- Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì M
đ
là momen hãm, M
c
là
momen gây chuyển động.
- Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai momen đều gây chuyển động.
Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng hay hạ thì động cơ phải được điều khiển để
đảm bảo làm việc đúng với trạng thái làm việc của nó, phù hợp với đặc tính tải. phụ tải
của cầu trục có thể biến đổi từ 0 tới những giá trị rất lớn.
1.3.2. Chế độ làm việc của động cơ truyền động
+ Ở góc phần tư thứ nhất:
Máy điện làm việc chế độ động cơ ( đường 1)
M = M
c
+ M
đm
Với: M - momen do động cơ sinh ra
M
c
- momen cản do tải trọng gây ra
M
đms
- momen cản do ma sát gây ra
Đối với động cơ nâng hạ làm việc ở chế độ nâng hàng, còn đối với động cơ di
chuyển làm việc ở chế độ chạy tiến.
+ Ở góc phần tư thứ II:
Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu di chuyển, đường 1 thực
hiện hãm tái sinh khi có ngoại lực tác dụng cùng chiều với chuyển động của cơ cấu. Còn
đối với cơ cấu nâng hạ thực hiện hãm động năng ( đường 3 ).

hạ hàng. Lúc này động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược ( đường 2 ).
Khi thực hiện hạ động lực, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh ( máy phát ) với
tốc độ hạ lớn hơn tốc độ đồng bộ ( đường 4 ).

Hình 1.4. Trạng thái làm việc của động cơ truyền động cầu trục.
1.3.3. Yêu cầu truyền động
+ Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung có chế độ
làm việc là ngắn hạn lặp lại, có tần số đóng cắt lớn.
+ Vấn đề đảo chiều: Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen
thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng,
momen động cơ không vượt quá ( 15÷20% )M
đm
. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu
ngoạm tới 50%M
đm.

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 11 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
+ Yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ thống truyền động của cơ cấu nâng
hạ nói chung và cầu trục nói riêng, yêu cầu về quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm. Bởi
vậy, momen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kĩ thuật an toàn.
Ở các máy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chiu
đựng phụ tải của từng động cơ. Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục thì gia tốc phải nhỏ hơn
0,5m/s
2
để không làm đứt cáp. Thời gian khởi động nhỏ nhất là 2s. Sử dụng phanh hãm
khi chuẩn bị dừng và khi mất điện phanh hãm phải dừng hệ truyền động ở hiện trạng,
tránh rơi tự do. Phải dừng chính xác tại nơi lấy tải và hạ tải hay dừng chính xác ở tốc độ


Hình 2.1. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng – hạ.
2.1.1. Lựa chọn các thông số
+ Các thông số đã cho:
Trọng lượng của tải trọng: 190000N
Trọng lượng bộ phận mang tải: 2800N
Chiều cao nâng tải: h = 12m
Tốc độ nâng tải: V
n
= 14,5m/ph
Chế độ làm việc: Chế độ trung bình
+ Lựa chọn các thông số:
Do hệ thống làm việc ở chế độ trung bình nrrn chọn các thông số cần thiết
cho tính toán như sau:
Hiệu suất cơ cấu: 8,0



Tỉ số truyền: i = 10
Dường kính culi: R
t
= 0,7m
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 13 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
Gia tốc cực đại khi nâng: 0,5(m/s
2
)
Bội số của hệ thống rang rọc(u): 2

vu
nR
i
.
2


Trong đó:
v
n
- là tốc độ nâng tải
n - là tốc độ quay của động cơ
Trong các công thức trên, hiệu suất 
c
lấy bằng định mức khi tải bằng định mức.
Ứng với các tải trọng khác định mức, 
c
xác định theo hệ số mang tải:
K =
cdm
c
P
P
=
đm
GG
GG


0

no
=
c
n
vG

.1000
.
0

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 14 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
2.1.3. Phụ tải tĩnh khi hạ tải.
Có hai chế độ hạ tải:
- Hạ động lực
- Hạ hãm
Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải trọng gây ra không
đủ để thắng ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ động cơ.
Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn. Khi đó, momen do tải trọng gây ra rất lớn.
Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng hạ với tốc độ ổn định ( hạ
không có gia tốc ).
Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là M
t
thì:
M
t
=
i

> ∆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 =
c
t
M

- M
t
= M
t
.(
c

1
- 1) (**)
Do đó:
M
h
=M
t
– M
t
(
c

1

> 0,5 ), ta có η
h
>0, M
h
> 0. Điều này có
nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải. Động

cơ làm việc ở chế độ hạ
hãm. Khi tải trọng tương đối nhỏ ( η
c
<0,5 ) thì η
h
< 0, M
h
<0, momen động cơ cùng chiều
với momen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 15 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
Momen hạ không tải:
M
ho
=







vGG

1
2
1000
).(
0

P
ho
=









c
ho
vG

1
2
1000
.0

2.2. Chọn sơ bộ công suất động cơ.


n
vGG

=
)(14,572
8,0.1000
81,9.242,0,0).2800190000(
kW


Hệ số mang tải:
K =
đm
GG
G

0
0
=
0145,0
190000
2800
2800

Hình 2.2. Quan hệ phụ thuộc η
c

co
n
vG

.1000
.
0
=
)(65,31
21,0.1000
81,9.242,0.2800
kW

+ Thời gian nâng :
t
n
=
n
v
h
=
)(6,49
242,0
12
s

- Thời gian nâng không tải:
t
no
=

M
tb
= k.
ck
ii
T
tM .

Trong đó: k =(1,2÷1,3) – hệ số phụ thuộc vào đồ thị phụ tải, tần số mở máy, hãm
máy. Chọn k = 1,2
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 17 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
Thay số vào ta có:
M
tb
= k.
ck
ii
T
tM .
= )(4,43299
100
6,49.45786,49.35,82747
.2,1 Nm


Động cơ được chọn phải có M
đ

+ Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng:
Phương pháp kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng gián tiếp là mômen
được suy ra từ phương pháp dùng điện đẳng trị, khi mômen tỉ lệ với dòng điện:
Momen đẳng trị:
M
đt
=
ck
n
ii
T
tM

1
2
.
= )(86,53271
100
32,41.457832,41.35,82747
2.2
Nm


Momen định mức của động cơ:
M
đm
= P
đc
.ω
đc

≈ 3874,3.10
3
(Nm) ≥ M
đt
.
Do M
đc
> M
đt
nên động cơ Π – 812 đã chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng.
+ Kiểm nghiệm quá tải về momen:
Momen cản lớn nhất: M
c max
= M
n
= 82747,35(Nm )
Momen định mức của động cơ M
đc
= 3874,3.10
3
(Nm) > M
c max
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 18 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
Vậy, động cơ đã chọn thỏa mãn điều kiện quá tải về mommen.
+ Kiển nghiệm về momen khởi động của động cơ:
M
c mở máy

và được nối với nguồn một chiều. Một bộ phận quan trọng của động cơ điện một chiều là
bộ phận chỉnh lưu. Nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của
roto là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm 1 cổ góp và 1 chổi than tiếp xúc với cổ
góp.
+ Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều:
Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp U
k
nào đó, trong dây quấn kích từ sẽ xuất
hiện dòng điện kích từ I
k
. Dòng kích từ này sẽ sinh ra từ thông Φ chạy trong mạch từ của
động cơ. Nếu ta đặt lên mạch phần ứng của động cơ một điện áp U thông qua hệ thống
chổi than và cổ góp thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác
giữa dòng điện phần ứng I và từ thông kích từ Φ sẽ sinh ra một momen điện từ. Giá trị
của momen điện từ được tính như sau:

IKI
a
pN
M 

2

Với K là hệ số kết cấu của động cơ.
Momen điện từ này kéo phần ứng của động cơ quay quanh trục.
Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến
góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như
không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của roto.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện


Với R
ư
= r
ư
+ r
cf
+ r
i
+ r
cl

r
ư
- điện trở cuộn dây phần ứng
r
cf
- điện trở cuộn cực từ phụ
r
i
- điện trở cuộn bù
r
cl
- điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp
+ Sức điện động E
ư
của động cơ được xác định theo biểu thức:
E
ư
= KΦω [ 3 – 2]
Trong đó: K =

pN

60

K
e
=
a
pN
60
: hệ số sức điện động của động cơ
Từ ( 3 – 1 ) và ( 3 – 2 ta có phương trình đặc tính cơ điện:
I
K
RR
K
U
fu
u
.




[3 – 4]
+ Mặt khác momen điện từ của động cơ được xác định bởi:
M
đt
= KΦI
ư

Hình 3.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 22 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
3.1.2. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm
3.1.2.1. Hãm tái sinh:
Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay động cơ lớn hơn tốc độ không tải lí tưởng. Khi
hãm tái sinh, U
ư
< E
ư
, động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. Dòng
hãm và momen hãm đã đổi chiều và có giá trị:
I
h
=
R
EU
uu

< 0
M
h
= KΦI
h
< 0
Trị số hãm lớn dần cho đến khi cân bằng với momen phụ tải của cơ cấu sản xuất
thì hệ thống làm việc ổn định với


momen cản nên hệ ổn định với tốc đôh hạ không đổi. Sức điện động lúc này đổi dấu.
Như vậy, trong trạng thái hãm ngược, sức điện động cùng chiều với điện áp lưới.
Động cơ làm việc như một máy phát điện nối tiếp với lưới, biến điện năng nhận được từ
lưới và cơ năng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở, vì vậy tổn thất năng lượng
lớn.
- Đảo chiều điện áp phần ứng:
Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên, ta đảo chiều
điện
áp phần ứng và đưa vào một điện trở phụ đủ lớn. Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm
b trên đặc tính cơ biến trở. Tại b momen đã đổi chiều, chống lại chiều quay của động cơ
nên tốc độ động cơ giảm theo đoạn bc. Tại c, tốc độ bằng 0. Nếu ta cắt điện áp đặt vào
phần ứng động cơ, động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện áp đặt vào động cơ,
động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d. Đoạn bc chính là
đặc tính hãm ngược.
a) b)
Hình 3.4. Đặc tính cơ khi hãm ngược
a) Khi đưa R
f
vào mạch phần ứng, b)Đảo cực tính điện áp phần ứng.
3.1.2.3. Hãm động năng:
Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động
cơ tích lũy trong quá trình làm việc trước đó biến nhiệt năng tiêu tán dưới dạng nhiệt
trong quá trình hãm.
Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 24 - SVTH: Nguyễn Quang Huy
 Hãm động năng kích từ độc lập:
Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập, ta cắt
phần ứng động cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích