Thiết kế hệ thống điều khiển nâng hạ hàng trên cảng

Ưu nhược điểm: Ưu điểm: - Tải trọng nâng lớn có thể lên tới 500t đối với cần trục xích chuyên dùng - Làm việc không cần các chân tựa như cần trục bánh lốp - Có thể di chuyển với tốc độ 0

I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NÂNG HẠ HÀNG TRÊN CẢNG

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG

Định nghĩa :

Cần trục tự hành là loại cần trục có thiết bị phát lực là động cơ đốt trong,

hệ thống di chuyển bằng bánh xích hoặc bánh lốp, nó có tính cơ động rất cao, có khả năng di chuyển trong phạm vi khá rộng lớn

Cần trục tự hành thường có tay cần nghiêng so với phương ngang khi hoạt động cẩu lắp Góc nghiêng tay cần tối đa là 750 Cần trục tự hành dùng trọng lượng của ôtô hay của máy kéo bánh xích làm đối trọng

Cần trục bánh xích thường có 2 loại: cần trục bánh xích để lắp dỡ và cần trục bánh xích chuyên dùng để lắp ráp

b Đặc điểm cấu tạo:

- Móc câu 1 dùng để móc vào vật

- Dây cáp nâng hạ vật 2 gắn với móc để nâng hạ vật

- Palang 3 bố trí ở đầu cần

- Cần 4 có thể thay đổi góc nghiêng để thay đổi tầm với khi nâng vật

- Hệ thống di chuyển bằng xích 5 gồm khung di chuyển tựa trên hai dãy xích qua các bánh sao chủ động, bánh sao bị động và hệ thống con lăn

- Cơ cấu quay của cần trục trên phần di chuyển qua thiết bị tựa quay 6 Trên phần quay là thiết bị công tác, thiết bị động lực, các cơ cấu nâng

chính, nâng phụ, cơ cấu thay đổi tầm với, cơ cấu quay và ca bin điều

khiển

c Nguyên lý hoạt động:

Khi cần trục hoạt động , móc 1 gắn vào vật.Thông qua hệ thống tời

và pa lăng 3 để nâng hạ vật.Cần 4 có khả năng thay đổi góc nghiêng để thay đổi độ cao nâng vật , điều chỉnh vật tới vị trí cần thiết Phần quay của cần trục trên phần di chuyển của thiết bị tựa quay giúp cho phần trên của máy có thể quay quanh trục trong khi máy vẫn đứng yên Nhờ có khả năng này mà cần trục xích cơ động hơn trong quá trình làm việc tránh

phải di chuyển nhiều

Các thông số cơ bản của máy: Cần trục tự hành dùng cơ cấu di

chuyển bằng bánh xích có rất nhiều loại với nhiều hãng sản xuất khác

nhau Mỗi máy có thông số kĩ thuật khác nhau

Ví dụ: Cần trục tự hành bánh xích DEK-50 do Liên Xô cũ sản xuất:

(Tham khảo tài liệu Sổ tay chọn máy thi công,tác giả Vũ Văn Lộc (chủ biên),NXB xây dựng)

Tốc độ quay của bàn quay 0,5 vòng/phút

d Ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

- Tải trọng nâng lớn có thể lên tới 500t đối với cần trục xích chuyên dùng

- Làm việc không cần các chân tựa như cần trục bánh lốp

- Có thể di chuyển với tốc độ 0,5-1 km/h theo bất kỳ hướng nào trên công trình xây dựng

- Độ ổn định khi làm việc cao

Nhược điểm:

- Tốc độ di chuyển chậm

- Khó khăn khi di chuyển đường xa.Khi di chuyển từ công trường này

đến công trường khác cần phải có thiết bị vận tải chuyên dụng

6 Buồng điều khiển cần trục

7 Buồng điều khiển xe

8 Thiết bị tựa quay

9 Chân trụ thăng bằng

b Đặc điểm cấu tạo:

- Móc 1 dùng giữ vật được trên không

- Pa lăng 2 nối với móc dùng thông qua dây cáp để tịnh tiến vật lên

xuống

- Dây cáp 3 gắn vào pa lăng

- Cần trục chính 4 gồm ống và lỏi, lỏi có thể tịnh tiến trong ống giúp

cho cần trục dài ngắn tùy ý

- Cần trục phụ 5 có cấu tạo như trên co nhiệm vụ đỡ cần trục chính

- Phần cần trục trên thông qua thiết bị tựa quay 8 có thể quay quanh trục làm dể dàng cho việc đưa vật tới nhiều nơi

- Chân trụ giúp cần trục thăng bằng trong lúc làm việc

c Nguyên lý hoạt động:

Pa lăng nâng hạ vật được nối với móc câu thông qua hệ thống dây cáp có thể có thể dài ra hoặc ngắn làm cho móc câu có thể chuyển động lên xuống Mặt khác cần trục chính có thể kéo dài hoặc thu ngắn nhờ xy lanh thủy lực tác dụng 2 chiều Để tăng khoảng không gian phục vụ của cần trục trên đầu đoạn cần di động có cần mỏ vịt với các chiều dài khác nhau và góc ngiêng khác nhau Cần trục có thể đưa lên cao hoặc hạ thấp thông qua cần trục phụ và đồng thời cần trục có thể xoay xung quanh trục giữa máy nên việc nâng hạ và di chuyển vật rất cơ động

d Ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

- Cần trục ô tô với dẫn động riêng bằng truyền động thủy lực hoặc điện

có sơ đồ truyền động đơn giản hơn, có độ tin cậy cao hơn, điều khiển dễ dàng, đảm bảo khả năng điều chỉnh tốc độ có chuyển động của cần trục ở phạm vi rộng

- Không để lại dấu trên nền đường đi qua

Nhược điểm:

- Khó di chuyển trên công trường đồi dốc

- Chỉ nâng được vật có tải không lớn

- Vật được nâng không quá cao so với mặt đất

1 Móc câu ; 2 dây cáp nâng hạ vật ; 3 Cần

4 Hệ thống nâng cần ; 5 Chân tựa

6 Thiết bị tựa quay ; 7 Buồng lái

b Đặc điểm cấu tạo:

Cấu tạo của cần trục bánh lốp tương tự cần trục bánh xích.Đều có các

bộ phận cơ bản như : móc câu 1 ; dây cáp 2 dùng để nâng hạ vật ; cần trục 3 cấu tạo thường là dàn không gian với các đoạn cần trung gian để thay đổi chiều dài ; Hệ thống nâng cần 4 ; thiết bị tựa quay 6 và buồng lái

7 Riêng cần trục bánh lốp có dùng các chân tựa 5 khi làm việc với tải trọng lớn

c Nguyên lý hoạt động :

Khi làm việc với tải trọng khá lớn,các chân tựa của máy được đặt tựa chắc chắn trên nền đất Móc câu 1 móc vào vật Cần trục hoạt động tương tự như cần trục bánh xích.Thiết bị động lực nằm trên phần quay của cần trục bánh lốp có nhiệm vụ dẫn động các chuyển động khác như :nâng hạ vật và nâng hạ cần; hoặc nâng hạ vật và quay cần trục để đưa vật cần di chuyển đến vị trí cần thiết

Khi cần đưa vật lên cao, cần 3 có thể thay đổi chiều dài cần nhờ cấu tạo các đoạn trung gian Chiều cao nâng có thể lên tới 55m

- Công suất động cơ 220

- Tốc độ quay của bàn quay 0,5 - 1,9 vòng/phút

d Ưu nhược điểm:

1.Giới thiệu biến tần của hãng Mitsubishi

Mitsubishi là một trong những hãng dẫn đầu thế giới trong lĩnh vực truyền động điện xoay chiều Các dòng sản phẩm trong lĩnh vực này được sản xuất dựa trên những công nghệ tiên tiến cho phép vận hành an toàn và ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt nhất Do đó, khách hàng hoàn toàn có thể yên tâm khi sử dụng các sản phẩm của Mitsubishi cho các ứng dụng của mình Một trong những dòng sản phẩm có tiếng trên thị trường của Mitsubishi hiện nay trong lĩnh vực truyền động xoay chiều là các bộ biến tần Đây là loại thiết

bị đứng đầu bảng về chất lượng so với các hãng Nhật khác trên thị trường Biến tần của Mitsubishi sử dụng các bộ vi điều khiển 16 bit và 32 bit cùng các IC chức năng chuyên dụng của hãng tạo cho sản phẩm có tính mềm dẻo cao, thời gian đáp ứng nhanh, tính năng truyền thông mạnh và khả năng tự bảo vệ Việc sử dụng các module công suất thông minh đem đến khả năng đóng cắt tốt nhất cho các thiết bị chuyển mạch công suất trong giai đoạn hiện nay, tạo ra dạng sóng gần sin hơn cho động cơ, cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ trong thời gian quá độ Một đặc trưng mới khá thú vị ở dòng FR

500 là chức năng tự động điều chỉnh trực tuyến (On Line Auto Tuning) Chức năng này tăng cường tính ổn định của phương pháp điều khiển Sensorless vector, tối ưu tham số và tăng cường tính ổn định của hệ thống trong điều kiện nhiệt độ động cơ thay đổi Biến tần của Mitsubishi được chế tạo ra đều tuân thủ nghiêm ngặt các chuẩn quốc tế và châu Âu Với việc ứng dụng công nghệ

“Soft PWM” trong điều khiển biến tần cho phép giảm tối đa các nhiễu âm của động cơ đồng thời cho phép sử dụng các sóng mang có tần số thấp hơn làm mịn đường đặc tính cơ của động cơ trong miền tốc độ thấp

Vậy bộ biến tần làm việc như thế nào ?

 Nguyên lý làm việc của bộ biến tần cũng khá đơn giản Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng Công đoạn này được thực hiện bởi bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện (tụ DC link) Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và

có giá trị ít nhất 0.96

 Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt động cơ

 Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha ở đầu ra có thể thay đổi giá trị biên độ và tần số vô cấp tuỳ theo bộ điều khiển Theo lý thuyết, giữa tần số và điện áp có một quy luật nhất định tuỳ theo chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số là không đổi

Lưu ý

- Như đã nêu ở trên, ở đầu ra của biến tần chỉ có dòng điện là hình sinnhưng điện áp không phải là hình sin mà có dạng chuỗi xung vuôngđiều biên nối tiếp nhau

- Nếu khoảng cách nối dây cáp điện giữa động cơ và biến tần đủ lớn

sẽ xẩy ra hiện tượng quá điện áp (do hiện tượng phản xạ sóng điện áp),

có thể dẫn đến lão hóa cách điện cuộn dây stato, giảm tuổi thọ thậm chílàm hỏng động cơ Vì vậy, khi lắp ráp phải chú ý sao cho dây cáp càngngắn càng tốt, đặc biệt đối với động cơ công suất vừa và nhỏ (thường

có trở kháng đáp ứng xung lớn hơn so với trở kháng đáp ứng xung củacáp nối)

 Điều chỉnh lưu lượng của bơm, lưu lượng không khí ở quạt

ly tâm, năng suất máy, năng suất băng tải

 Ổn định lưu lượng, áp suất ở mức cố định trên hệ thống bơm

nước, quạt gió, máy nén khí cho dù nhu cầu sử dụng thay đổi

 Công suất điện tiêu thụ tỷ lệ với bậc ba của tốc độ, vì thế gia

pháp ứng dụng biến tần là sự lựa chọn duy nhấtcho khả năng tiết kiệm điện rất cao so với động

cơ làm việc với tốc độ không đổi (100% n)

2 Giới thiệu động cơ dùng cho cơ cấu nâng hạ hàng trên cảng

a Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha:

Tốc độ đồng bộ (chưa tính đến độ trượt s) của động cơ không đồng bộ xoay

chiều ba pha được tính:

n = 60f/p (vg/ph)

Ở đây:

f - tần số lưới điện 50Hz(một số quốc gia trên thế giới có tấn số f = 60Hz)

p - số cặp cực từ trên stato động cơ

Stato được quấn theo số cặp cực:

p = 1, 2, 3 và 4; tương ứng với tốc độ đồng bộ: n = 3.000, 1.500, 1.000 và 750

vg/ph Thông thường mỗi động cơ chỉ có thể được thiết kế để làm việc

ở hai tốc độ đồng bộ Ví dụ: từ n = 3.000, 1.500vg/ph; n = 1.500 , 1.000vg/h, Nếu động cơ được quấn với nhiều tốc độ thì phức tạp dẫn đến giá thành

không dễ chấp nhận

Mặt khác, việc thay đổi số cặp cực (p) chỉ đạt được một tốc độ rất hạn chế,

nhiều trường hợp không phù hợp công nghệ sản xuất

Vì vậy, dựa vào công thức tính (n), người ta có thể thay đổi tần số (f) ở nguồn

vào động cơ, do đó tốc độ động cơ sẽ được thay đổi theo để đạt giá trị mong

muốn, thiết bị này được gọi là bộ biến tần Bộ biến tần phải thực hiện được

các chức năng:

- Biến đổi điện áp xoay chiều ba pha của nguồn điện vào thành điện áp một

chiều nhờ bộ chỉnh lưu cầu ba pha;

- Sau đó nhờ bộ nghịch lưu (INVERTER) sẽ đổi ngược lại thành điện áp

xoay chiều ba pha biến đổi theo phương pháp điều chế độ rộng của xung ;

- Kết quả là đầu ra của biến tần dòng điện có dạng hình sin, còn điện áp có

dạng xung vuông nối tiếp nhau và tần số sẽ được điều chỉnh tùy ý để được tốc

độ theo công nghệ đã chọn

b Môi trường làm việc của động cơ

 Động cơ truyền động các cơ cấu của cẩu hàng làm việc trong điều kiện rất nặng nề, môi trường làm việc khắc nghiệt nơi có nhiệt độ cao, nhiều bụi, độ ẩm cao và nhiều loại khí, hơi, chất gây cháy,

nổ

 Chế độ làm việc của các động cơ là chế độ làm việc ngắn hạn lặplại với tần số đóng cắt lớn, mở máy, hãm dừng liên tục

II CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA CƠ CẤU ĐIỀU KHIỂN NÂNG

8 Bộ biến đổi bộ nguồn sang DC

III VAI TRÒ CƠ BẢN CỦA TỪNG THÀNH PHẦN TRONG HỆ

THỐNG

1 Động cơ dị bộ ba pha là bộ phận chính thực hiện nâng hạ phải có công suất phù hợp với yêu cầu của tải Các thông số của động cơ như điện thế, dòng phải phù hợp với lưới điện nơi đó

2 Bộ biến tần có chức năng thực hiện điều khiển tốc độ và điều khiển động đảo chiều Biến tần phải có thông số phù hợp với động cơ đã chọn

3 Công tắc hành trình đặt ở cuối các điểm hành trình nhằm thực hiện ngắt động cơ khi đã hạ xuống hoặc nâng lên hết mức

4 Khí cụ đóng cắt : bất cứ hệ thống điện nào từ dân dụng tới công nghiệp điều phải có thành phần đóng cắt mạch điện làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn điện ra khỏi mạch và có chức năng bảo vệ các phần tử trong mạch

5 Sensor gia tốc : cho biết tốc độ và gia tốc đang nâng lên hoặc hạ xuống cho người điều khiển biết để xử lí

6 Sensor vị trí : thông báo vị trí của vật được nâng lên hoặc hạ xuống

7 Sensor trọng lượng : thông báo trọng lượng của vật đang thực hiện nâng hạ

8 Bộ chuyển đổi nguồn DC cung cấp năng lượng điện cho các thiết bị cần

sử dụng

IV.GIẢI PHÁP CHỌN LỰA

 Phần cơ khí của cần cẩu ta xem như được đáp ứng.

 Chúng ta tập trung vào thiết kế phần điều khiển để có thể thực hiện yêu cầu thực tế Ở đề tài này chúng ta tìm hiểu hai bộ phần chính

của hệ thống nâng hạ hàng trên cảng đó là: AC Drive của hãng Mitsubishi và động cơ không đồng bộ ba pha.

2 Tính toán công suất và lựa chọn dộng cơ cho truềyn động điện

a.Đồ thị phụ tải của truyền động điện

Đồ thị phụ tải của truyền động điện có ý nghĩa rất quan trọng tính toán thiết

kế hệ thống truyền động điện đó chính la cơ sở để tính toán xác định công suất và lựa chọn động cơ điện

Đồ thị phụ tải của truyền động điện là mối quan hệ giữa mô men hoặc công suất theo thời gian

M, P = f(t)

Đồ thị phụ tải của truyền động điện bao gồm có đồ thị phụ tải của máy sản suất và đồ thị phụ tải của động cơ điện.Từ phương trình chuyển động của truyền động điện:

dt

d j M

M d  c  

Trong đó: + Md: Mô men của động cơ điện

+ Mc: Mô men của máy sản suất

+ j : Mô men quán tính

+ω : Tốc độ góc của động cơ điện

Từ phương trình chuyển động của truyền động điện ta nhận thấy mô men của động cơ điện va của máy sản suất chỉ khác nhau ở chế độ quá độ còn trong chế độ xác lập là như nhau nghĩa là đồ thị phụ tải của động cơ điện và ngày sản suất chỉ khác nhau trong chế độ quá độ

Đồ thị phụ tải của máy sản suất là cơ sở để tính toán lựa chọn công suất của động cơ điện đó là mối quan hệ:

M c , P c =f(t)

Đồ thị phụ tải của động cơ điện được xây dựng trên cơ sở đã tính toán đến các quá độ, quá trình hãm,…là cơ sở để tính toán kiểm nghiệm động cơ đã chọn sơ bộ ban đầu đó là mối quan hệ:

Md , P d =f(t)

Hình-Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ và động cơ điện của cần trục

Trong đó Mc=f(t) là đồ thị tải của cơ cấu nâng hạ hàng còn mối quan hệ

Md=f(t) là đồ thị tải của động cơ điện hai cơ cấu nâng hạ hàng Khoản thời gian t1 ứng với mô men cản Mc1 và Md1 là khoảng thời gian nâng hạ hàng lên, khoản thời gian t01 là khoảng thời gian nghỉ để đưa hàng sang ngang, khoảng thời gian t2 ứng với mô men cản Mc2 và Md2 là khoảng thời gian hạ hàng, khoảng thời gian t02 là khoảng thời gian nghỉ để dỡ hàng, khoảng thời gian t3,

t4 ứng với mô men cản Mc3, Mc4 và Md3, Md4 là khoảng thời gian nâng và hạ móc không Trong đồ thị tải của động cơ điện lai cơ cấu nâng hạ hàng còn có thêm các khoảng thời gian khởi động tkd ứng với các mô men khởi động Mkd,

đó chính là sự khác nhau giữa đồ thị tải của máy sản suất (cơ cấu nâng hạ hàng) và động cơ điện lai

b.Tính toán chọn công suất của động cơ

Trong đó : - là hiệu suất của tang nâng

Momen đặt lên trục động cơ bằng:

Trong đó: - là tỷ số truyền và hiệu suất của cơ cấu truyền lực

Trong đó : - là hiệu suất bánh vít- trục vít:

- là hiệu suất của cặp bánh răng:

Công suất của động cơ truyền động phụ thuộc vào tốc độ nâng:

Và tùy vào hệ thống cơ khí thiết kế mà ta có các hệ số cụ thể

Từ đó ta tính được công suất của động cơ cần dùng cho cơ cấu nâng hạ

3 Chọn lựa biến tần

 Theo các công nghệ truyền thống trước đây mới chỉ thực hiện được

việc biến tần ở các tần số cao, với công suất nhỏ Còn với tần số

công nghiệp và với công suất lớn hàng trăm kilôwat thì chưa thực

hiện được

 Cho đến nay, rào cản về trình độ công nghệ này đã bị tháo bỏ, các

nước có nền kỹ nghệ tiền tiến đã chế tạo được các máy biến tần công

suất lớn, và ngay lập tức đã được áp dụng vào sản xuất, giải quyết

được vấn đề điều chỉnh tốc độ của các động cơ ba pha xoay chiều và

đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế

Ở đây ta sử dụng biên tần loại FR-F 740 của hãng Mitsubishi

Biến tần FR-F700

Nguồn điện 380-480V3 pha

Cổng giao tiếp CC-Link, RS 458Profibus DP,

Đặc điểm của loại biến tần này:

 Thiết kế vỏ kiểu NEMA 1UL cho phép lắp đặt biến tần độc lập khi cần thiết

 Dễ dàng lập trình: Sử dụng bộ lập trình thế hệ mới DU07 hay phần mềm công cụ FR-Configurator;

 Bộ lọc nhiễu điện từ bên trong tương thích với tiêu chuẩn EN61800-3

 Có thể điều khiển các đầu vào ra thông qua mạng như các đầu vào/ra xa;

 Chuẩn giao tiếp RS-485 mặc định, giao thức Mitsubishi hay Modbus;