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

Trong quá trình học tập môn trang bị điện nhóm em đã được giao đề tài thiết kếmôn học: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếpcontainer thiết kế hệ truyền

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP

==========o0o==========

THIẾT KẾ MÔN HỌC

TB ĐIỆN ĐIỆN TỬ MÁY CN

Mã: 13318 Học kỳ: 1 – Năm học: 2024 – 2025

cầu trục giàn bốc xếp container thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu di chuyển xe con”

Giảng viên hướng dẫn: Ts Nguyễn Văn Tiến

Bộ môn: Điện tự động công nghiệp

HẢI PHÒNG - 12/2024

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng chủ nghĩa xã hội, từng bước công nghiệp hoá - hiện đạihoá đất nước, nước ta đã thu được những thành tựu to lớn về kinh tế, xã hội Gắn liềnvới sự phát triển kinh tế là sự phát triển liên tục của giao thông vận tải nói chung vàvận tải thuỷ nói riêng Trong sự phát triển đó, các hải cảng đóng vai trò rất quantrọng

Trong các hình thức vận tải thì hình thức vận chuyển hàng hoá bằng container làmột 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 cũngnhư quy trình vận hành cầu giàn container là một nhiệm vụ rất quan trọng đối vớinhững 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 quá trình học tập môn trang bị điện nhóm em đã được giao đề tài thiết kếmôn học: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu di chuyển xe con cầu trục giàn bốc xếpcontainer thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu di chuyển xecon”

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Văn Tiến giúp nhóm em hoàn thànhbản thiết kế này Trong quá trình làm bài tập lớn, mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khảnăng có hạn nên bản thiết kế không thể tránh khỏi những thiếu sót Nhóm em rấtmong nhận được sự chỉ bảo đóng góp của các thầy, cô giáo và các bạn để bản thiết kếđược hoàn thiện hơn

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Chương 1: Tổng quan về cầu trục

1.1 Giới thiệu chung về cầu trục

Cầu trục và cần trục làm nhiệm vụ chuyển dịch hàng hoá,vật tư, thiết bị từ chỗ nàysang chỗ khác Thí dụ trong xây dựng công trình công nghiệp cầu trục nâng các thiết

bị công nghệ từ mặt đất lên cao để lắp đặt dây chuyền sản xuất Trong nhà máy luyệnkim cầu trục vận chuyển cuộn thép, phôi thép hoặc các thùng nóng chảy để vàokhuôn đúc Trong các nhà máy cơ khí cầu trục vận chuyển các phôi gia công để gálắp lên máy hay vận chuyển các chi tiết được gia công xong đưa sang công đoạnkhác Trong cảng biển cầu trục bốc dỡ hàng từ trên tàu xuống kho bãi hay vận chuyểnhàng hoá xuất khẩu từ kho bãi xuống tầu, vận chuyển các container, các máy mócxuất nhập khẩu qua đường biển.Như vậy cầu trục và cần trục giúp cho con người cơkhí hoá, tự động hoá 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 khácnhau.Tuy nhiên chúng có đặc điểm và các cơ cấu chung thí dụ : cầu trục có ba cơ cấuchính: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

1.2 Phân loại cầu trục

1.2.1 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 côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng bộrôto lồng sóc

c Điều khiển cơ cấu chính bằng các côngtắctơ, rơle, động cơ không đồng bộrôto dây quấn

d Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐT - động cơ không đồng bộ

e Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – PWM - động cơ không đồng bộ

f Điều khiển cơ cấu chính bằng PLC – BBĐ - động cơ điện – phụ tải động

1.2.2 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 tấn1.2.3 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

Hình 1: 1 Cầu trục trang bị cho kho bãi và nhà xưởng

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 cảngbiển, 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

Hình 1 :2 Cầu trục khung dầm hộp chạy trên đường ray

c) Cầu trục bốc xếp container

Cầu trục giàn bánh lốp xếp container có các cơ cấu điều khiển chuyển động chínhlà: cơ cấu nâng hạ hàng, cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn Việc cấpnguồn điện cho cầu trục hoạt động bằng diezen lai máy phát điện đồng bộ Đặc điểmlàm việc của cầu trục giàn bánh lốp là tính cơ động, năng suất cao

Hình 1 :3 Cầu trục bốc xếp container

d) Cầu trục chạy trên đường ray bốc xếp container có các cơ cấu điều khiển chuyểnđộng 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 cầucảng chuyên dụng bốc xếp container

Hình 1:4 Cầu trục chạy trên đường ray bốc xếp container

1.3 Khái quát chung về hệ thống điều khiển truyền động điện cho cầu trục

Khái quát về các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động cho cầu trụcĐối với các thiết bị nâng vận chuyển nói chung và cầu trục nói riêng cần phải thoảmãn các điều kiện 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 quá lớn sẽ đòi 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 thoảmãn các yêu cầu về thời gian đảo chiều, thời gian hãm, thời gian làm việc liên tụctrong chế độ quá độ , gia tốc và độ giật thoả măn yêu cầu.Ngược lại nếu tốc độ quáthấp sẽ ảnh hưởng tới năng suất bốc xếp hàng hoá

-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 cầnthiết để nâng cao năng suất bốc xếp đồng thời thoả mãn các yêu cầu công nghệ bốcxếp với nhiều chủng loại hàng hoá.

Số cấp tốc độ cho cầu trục ít nhất phải là 3 cấp tốc độ Cấp tốc độ thấp nhằm thoảmãn công nghệ khi nâng hạ hàng chạm đất, cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu cho từng cơcấu, giữa hai cấp tốc độ này thường được thiết kế thêm các tốc độ trung gian để thoảmãn công nghệ bốc xếp hàng hoá

-Có khả năng rút ngắn thời gian quá độ

Các cơ cấu điều khiển chuyển động trên cầu trục làm việc ở trong chế độ ngắn hạnlặp lại, vì vậy mà thời gian quá độ chiếm hầu hết thời gian công tác Do đó việc rútngắn thời gian quá độ là biện pháp cơ bản để nâng cao năng suất

-Có trị số hiệu suất cao và cos

Công tác khai thác hợp lí cầu trục trong bốc xếp hàng hoá là một yếu tố để nângcao tính kinh tế của hệ thống điều khiển Như chúng ta đã biết hệ thống truyền độngđiện của các cầu trục thường không sử dụng hết khả năng công suất, hệ số tải thườngtrong khoảng 0,3 – 0,4 do vậy khi chọn động cơ phải chọn loại có cos cao và ổn địnhtrong phạm vi rộng

-Đảm bảo an toàn hàng hoá

Bảo đảm an toàn cho hàng hoá, cho thiết bị và an toàn cho công nhân bốc xếp làyêu 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 vớicác 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 thuậntiện và dễ dàng

- Ổn định nhiệt cơ

Các cầu trục thông thường được lắp ráp để vận hành ngoài trời Các khu vực làmviệc thông thường có nhiệt độ biến đổi theo mùa rõ rệt Ngoài ra các cầu trục cảngbiển chi ụ ảnh hưởng của hơi nước mặn, vì vậy các thiết bị điện, kết cấu cơ khí phảiđược chế tạo thích hợp với các môi trường công 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

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN ĐIỆN TỬ CHO CƠ

CẤU DI CHUYỂN XE CON CẦU TRỤC GIÀN 2.1 Các hệ truyền động điện cho cầu trục

Trên cầu trục bao gồm có 3 cơ cấu chính truyền động độc lập với nhau Khi kếthợp điều khiển 3 cơ cấu này hoạt động hoặc điều khiển hoạt động riêng rẽ từng cơcấu sẽ đạt được quỹ đạo bốc xếp hàng hóa theo mong muốn

Các cơ cấu của cầu trục bao gồm :

1 Truyền động cho cơ cấu nâng hạ hàng

2 Truyền động cho cơ cấu di chuyển xe con

3 Truyền động cho cơ cấu di chuyển giàn

Điều khiển chuyển động cho các cơ cấu này có thể được thực hiện là các hệ truyềnđộng điện hoặc truyền động điên- thủy lực

Tuy nhiên các hệ truyền động điện thuần tuý khi sử dụng động cơ truyền động là:các động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ rôtor lồng soc hoặc dây quấn sẽ chođặc tĩnh điều chỉnh tốt nhất Các cơ cấu di chuyển xe con, cơ cấu di chuyển giàn cảcầu trục trong tính toán gần giống nhau Chúng ta sẽ phân tích các hệ trền động điệndùng cho cầu trục

Cấu trúc của hệ thống điện dùng cho cầu trục được đưa ra với hai dạng phổ biếntrình bày trên hình 2.1 trên hình 2.1a, bao gồm các phần tử chình của hệ thống độnglực:

1 Động cơ điện ruyền động cho các cơ cấu

2 Phanh hãm điện từ

3 Bộ truyền cơ khí

4 Có thể là trống tời quấn cáp của cơ cấu nâng hạ hàng

5 Phanh hãm an toàn cho cơ cấu nâng hạ hàng

Với cấu trúc như trên hính 2.1a, động cơ thực hiện có thể là động cơ một chiềuđiều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ trong mạch phần ứng và mạch kích từ Cần chú ýrằng cuộn kích từ nối tiếp được sử dụng để hỗ trợ mômen của động cơ trong điềukhiển ở chiều nâng hạ là khác nhau.Việc đổi chiều quay của động cơ điện một chiềuđược thay đổi chủ yếu bằng cách thay đổi chiều điện áp phần ứng Hệ thống cấpnguồn của động cơ một chiều có thể là máy phát điện một chiều có nhiều mạch phầnứng ( hệ F- Đ) hoặc bộ biến đổi tiristor - động cơ điện một chiều ( T-Đ).Với cấu trúctrên hình 2.1a , động cơ thực hiện là động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc loại cónhiều cuộn dây quấn trên stato, các tốc độ khác nhau đuợc tạo ra bằng cách đổi nốicác cuộn dây hoặc thay dổi điện áp, tần số nguồn cung cấp cho cuộn dây stato Việcđổi chiều quay cho các động cơ xoay chiều không đồng bộ thường thực hiện bằngphương pháp đổi thứ tự pha điện áp nguồn cung cấp

Ưu điểm cơ bản của hệ truyền động điện trên hình 2.1a: Kết cấu hệ thống dơn giảnthường xây dựng theo nguên tắc dùng tay điều khiển kết hợp với trạm từ Đồng thờidạng này cũng cho phép phạm vi điều chỉnh tốc độ rất lớn, đầu tư ban đầu thấp.Nhược điểm cuat hệ thống là độ trơn điều chỉnh không cao, có thể gây nên lực giậttrong quá trình làm việc của cầu trục.Vì vậy bền vững không cao và chỉ ứng dụng chocác cầu trục khi yêu cầu đặc tính công nghệ nâng chuyển không cao

Để khắc phục các nhược điểm trên trong các hệ thống điều khiển chuyển động chocác cơ cấu, ngày nay đã ứng dụng các hệ thống truyền động điện hiện đại sử dụng bộbiến tần - động cơ không đồng bộ với thiết bị điều

khiển PLC Dạng hệ thống này cho kết quả tốt về điều chỉnh tốc độ, tính linh hoạttrong điều khiển và giám sát, cũng như hiệu quả kinh tế cao

Trên hình 2.1b biểu diễn dạng cấu trúc động lực của hệ thống truyền động điện đãđược ứng dụng cho mhiều loại cần trục và cầu trục

Đặc điểm cơ bản của hệ thống ở hình 2.1 là ở chỗ cấu phanh hãm điều chỉnh tốc độ

4 có thể điề chỉnh được mômen hãm theo yêu cầu và kết hợp với đặc tính của động cơđiện để cho ra được đặc tính của hệ thống thoả mãn được công nghệ nâng vận chuyểncho các loại cầu trục Đặc biệt thích hợp với cầu trục dùng trong công nghệ lắp máy,xây dựng và các cầu trục để bốc xếp container ở các biển Dạng hệ thống trên hình2.1b thường được ứng dụng cho các hệ thống có phạm vi công suất lớn sử dụng động

cơ một chiều, động cơ không đồng bộ rôto dây quấn

Ưu điểm của hệ thống trên hình 2.1b là có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt , độ trơnđiều chỉnh sâu cả hai phía nâng hạ, trái phải

Nhược điểm của hệ là : Hệ thống điều khiển thường phức tạp và là hệ kín, giáthành tổng thể cao hiệu suất vùng điều chỉnh thấp

Cấu trúc hệ điều khiển cho các hệ truyền động điện biểu diễn trên hình 2.1 có thểđược xây dựng trên nguyên tắc hệ hở hoặc hệ kín điều chỉnh tốc độ

Sơ đồ cấu trúc điều khiển độc lập hệ thống truyền động điện điều khiển chuyểnđộng cho các cơ cấu của cầu trục được trình bày trên hình 2.2, chức năng cơ bản củacác khâu như sau:

- Tay điều khiển: Tạo ra tín hiệu điều khiển hệ thống tương ứng với 3 trạng thái củatay điều khiển.Vị trí “0” hệ thống sẵn sàng hoạt động; Khi tay điều khiển được dịcchuyển về phía”UP- DOWN” đối với các cơ cấu nâng hạ hàng; về phía” L- P” đối với

cơ cấu di chuyển giàn và xe con, cơ cấu di chuyển tay điều khiển tạo ra tín hiệu chọnchiều cho hệ thống bằng cảm biến vị trí liên động với tay điều khiển Đồng thời tayđiều khiển được nối liên động với trục của encoder sử dụng các tín hiệu dạng số điềukhiển giá trị tốc độ quay của động cơ Thông thường các Encoder sử dụng hiện naytạo ra tín hiệu điều khiển 8 bít Như vậy tay điều khiển sẽ tạo ra 10 bit tín hiệu điềukhiển (2 bit chiều và 8 bit tốc độ)

- Bộ mã hoá: Bộ mã hóa tín hiệu vị trí tay điều khiển nhằm nâng cao công suất tínhiệu điều khiển, tăng khả năng chống nhiễu, truyền tín hiệu đi xa.

- Bộ điều khiển PLC: Bao gồm CPU, các modul đầu vào DI, và các modul đầu ra

DO kết nối cới các hệ thống điều khiển Để đảm bảo tính tác động nhanh cho hệthống PLC biến đổi tín hiệu từ tay điều khiển dạng digital thành tín hiệu analog điềukhiển biến tần Đông thời thông qua PLC cung cấp thông tin giám sát sự hoạt độngcủa toàn bộ hệ thống

- Thiết bị đón cắt: Các công tắc tơ MC dùng để đóng cắt nguồn cung cấp cho bộbiến tần, động cơ không đồng bộ và các thiết bị thực hiện khác

- Bộ biến đổi: Bộ biến tần dùng để đièu khiển điện áp, tần số cấp cho động cơ theoluật điều khiển được thiết kế và lưu dữ trong CPU của biến tần, đồng thời thông quabiến tần có thể quan sát và đặt thông số bảo vệ động cơ

- Động cơ điện: Động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc dùng để truyền động cho hệthống

- Thiết bị quan sát: Máy phat tốc độ PG là thiết bị đo tốc độ động cơ cho tín hiệudạng xung

- Máy tính kết nối hệ thống: Chức năng chính của PC là để điều khiển và giám sát

hệ thống

Các hệ thống điều khiển trên hình 2.2 có nhiều ưu điểm như tạo ra nhiều cấp tốc

độ Vì vậy hệ thống hoạt động êm, độ giật nhỏ, khả năng tự động hóa cho từngcầu trục cũng như toàn bộ hệ thống điều khiển khu vực cảng trong khu vựcbốc xếp hàng hoá Dạng hệ thống này ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho

hệ thống điều khiển cầu trục

Hình 2.2 Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu dùng PLC bộ biến tần - động cơ

không đồng bộ cho cầu trục.

*Nhận xét:

Sự phát triển kinh tế của mỗi nước phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá, tựđộng hoá Qua việc xem xét các hệ thống điều khiển trên thì chúng ta đã thấy rõ đượccác ưu điểm và nhược điểm của từng hệ thống điều khiển truyền động

+Ưu điểm chung là: Tạo ra nhiều cấp tốc độ, hệ thống hoạt động êm, độ giật nhỏ.+Nhược điểm chính là: chưa đề cập đến vẫn đề tự động hoá , tức là các hệ thốngphải điều khiển trực tiếp bằng tay

2.2 GIỚI THIỆU VỀ THIẾT BỊ BIẾN TẦN GIÁN TIẾP PWM

2.2.1 Bộ biến tần gián tiếp PWM điều chế độ rộng xung

Trong công nghiệp ngày nay khi quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá ngàycàng phát triển mạnh mẽ thì trong xản suất công nghiệp lại càng đòi hỏi có những hệthống truyền động điện có khả năng thay đổi tốc độ thường xuyên, liên tục, dễ dàngvới độ chính xác cao Vấn đề điều chỉnh tốc độ là một trong những vấn đề chính củatruyền động điện, nó có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình công nghệ và sản xuấttiên tiến

Việc điều chỉnh tốc độ của hệ thống có thể tiến hành bằng nhiều phương phápnhư: phương pháp thủy lực, cơ khí và điều khiển tần số là một phương pháp điềukhiển hiện đại nó cho phép điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ một cách trơnláng, 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 chỉnhđiện 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 thông khe hở không đổitrong vòng điều chỉnh mômen

- Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

- 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 công suất lớn được đưa vào sửdụng phổ biến thì ngày càng làm cho kỹ thuật điều chỉnh tốc độ đạt được chỉ tiêu vềchất 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, điềukhiển trơn, hãm dừng chính xác

2.2.2 Nguyên lý hoạt động nói chung của bộ biến tần gián tiếp PWM

Bộ biến tần gián tiếp: Điện áp xoay chiều có tần số công nghiệp (50Hz) đượcchỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu không điều khiển hoặc bộ chỉnhlưu điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu sẽ biến đổi thành điện áp 3 pha cótần số, điện áp biến đổi cung cấp cho động cơ