Thiết kế hệ điều khiển truyền động cho cơ cấu nâng, hạ hàng cầu trục

Khái niệm Cầu trục là tên gọi chung của các máy trục chuyển động trên hai đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật phẩm trong khoảng không khẩu độ gi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN

Thiết kế hệ điều khiển truyền động cho cơ cấu nâng, hạ hàng cầu trục

HÀ NỘI Tháng 07 năm 2016

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 3

NỘI DUNG ĐỀ BÀI 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC 5

I Khái quát chung về cầu trục 5

1 Khái niệm 5

2 Đặc điểm cấu tạo của cầu trục 5

3 Phân loại 6

4 Cấu tạo 6

II Yêu cầu truyền động 8

1 Đặc tính phụ tải 8

2 Chế độ làm việc của động cơ truyền động 9

CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG HẠ 11

I Các biểu thức tính toán 11

2 Tính toán phụ tải 11

2.1 Phụ tải tĩnh khi nâng 11

2.2 Phụ tải tĩnh khi hạ 12

3 Thời gian nâng, hạ 13

4 Hệ số tiếp điện tương đối TĐ% 14

5 Chọn sơ bộ công suất động cơ 14

6 Kiểm nghiệm động cơ đã chọn 15

II Tính chọn động cơ với các thông số thực 16

1 Lựa chọn các thông số 16

2 Tính toán phụ tải tĩnh 16

2.1 Phụ tải tĩnh khi nâng 16

2.2 Phụ tải tĩnh khi hạ 16

2.3 Thời gian nâng – hạ 17

2.4 Hệ số tiếp điện và momen đẳng trị 17

2.5 Chọn động cơ theo momen đẳng trị 17

3 Kiểm nghiệm động cơ 19

CHƯƠNG III SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

ĐỘNG CƠ 20

I Sơ đồ mạch động lực 20

II Sơ đồ mạch điều khiển 21

III Sơ đồ đấu nối 22

IV Phân tích sơ đồ mạch điều khiển 23

V Đặc tính cơ làm việc 24

CHƯƠNG IV TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ 26

1 Chọn phanh 26

2 Aptomat, role nhiệt 26

CHƯƠNG 5: TỦ ĐIỆN 29

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử nói riêng làm cho bộ mặt của

xã hội thay đổi từng ngày Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người kĩ sư Điện trong tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên ngành một cách sâu rộng

Trong quá trình học môn Trang Bị Điện các máy xây dựng và giao

thông chúng em được nhận đề tài thiết kế môn học: “Thiết kế hệ điều khiển

truyền động cho cơ cấu nâng - hạ hàng cầu trục”

Do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên bài báo cáo không khỏi có những sai sót Chúng em mong nhận được sự góp ý của thầy để bài báo cáo được hoàn thiện hơn Chúng em xin chân thành cảm ơn!

NỘI DUNG ĐỀ BÀI

ĐỀ BÀI: Thiết kế hệ điều khiển truyền động cho cơ cấu nâng - hạ hàng cầu

trục:

- Tải trọng hàng: 30tấn

- Tải trọng móc và cáp: 3tạ

- Tốc độ nâng/hạ định mức: 30m/phút

- Chiều cao nâng: 10m

- Yêu cầu điều khiển 4 cấp tốc độ nâng – hạ

- Loại động cơ truyền động: động cơ 1 chiều kích từ song song, điều khiển thay đổi các cấp điện trở phụ hỗ trợ khởi động và điều chỉnh tốc độ

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC

I Khái quát chung về cầu trục

1 Khái niệm

Cầu trục là tên gọi chung của các máy trục chuyển động trên hai đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật phẩm trong khoảng không (khẩu độ) giữa hai đường ray đó

Các cơ cấu của cầu trục đảm bảo 3 chuyển động:

- Cơ cấu nâng hạ

- Di chuyển xe con

- Di chuyển xe cầu

2 Đặc điểm cấu tạo của cầu trục

Dầm cầu được gọi là dầm chính, thường có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể

có một hoặc hai dầm Trên dầm có xe con và cơ cấu di chuyển qua lại dọc theo dầm chính Hai đầu dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm đầu Trên mỗi dầm đầu có hai cụm bánh xe: cụm bánh xe chủ động và cụm bánh xe bị động

Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn động điện Dẫn động bằng tay chủ yếu dùng trong các phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xuyên, không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao

Chế độ làm việc của các động cơ truyền động cầu trục là ngắn hạn lặp lại,

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 vị trí

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 quán tính bé, giảm tổn hao năng lượng trong quá trình thay đổi tốc độ, có khả năng chịu quá tải cao

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

 Theo chế độ làm việc:

- Loại nhẹ: TĐ% = 10÷15%, số lần đóng cắt trong một giờ là 60

- Loại trung bình: TĐ% = 15÷25%, số lần đóng cắt trong một giờ là

Hình 1 Cấu tạo cầu trục

Cấu tạo của cầu trục gồm 3 bộ phận chính:

 Xe cầu

Là một khung sắt hình chữ nhật,được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm một dầm chính chế tạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách của bánh xe con, bao quanh là một dàn khung Hai dầm cầu được liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành một khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung để cầu trục có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ dàng

 Xe con

Là bộ phận chuyển động trên đường ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe con Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơ cấu nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng chính

và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ Xe con di chuyển trên xe cầu và xe cầu di

chuyển dọc theo phân xưởng hoặc nhà máy sẽ đáp ứng việc vận chuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xưởng

 Cơ cấu nâng hạ

Cơ cấu nâng hạ được đặt lên xe con và được di chuyển theo xe con Trên 1

xe con có thể có nhiều cơ cấu nâng hạ

Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm Phanh 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:

Hình 2.1 Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ

2 Chế độ làm việc của động cơ truyền động

Hình 2.2 Các chế độ làm việc của máy điện

a) Góc phần tư thứ I

Máy điện làm việc ở chế độ động cơ (đường 1) 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

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)

CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN

ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG HẠ

5_Cơ cấu móc hàng 6_Móc

7_Động cơ truyền động

2 Tính toán phụ tải

2.1 Phụ tải tĩnh khi nâng

 Khi nâng có tải

Mn = (𝐺+𝐺0)

𝑢.𝑖.𝜂𝑐 (Nm) Trong đó: G - là trọng lượng của tải trọng

Trong đó: vn - là tốc độ nâng tải

n - là tốc độ quay của động cơ

 Khi nâng không tải

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

Mh – Momen trên trục động cơ khi hạ tải

𝛥𝑀 – Tổn thất momen trong cơ cấu truyền động

𝜂ℎ - Hiệu suất cơ cấu khi hạ tải

Nếu: Mt > : Hạ hãm

Mt < : Hạ động lực

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

Đối với những tải trọng tương đối nhỏ (𝜂ℎ < 0,5), thì 𝜂ℎ < 0, Mh < 0 Điều này có nghĩa Momen động cơ cùng chiều với Momen phụ tải Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực

 Hạ khi không có tải

𝑀ℎ𝑜 = 𝐺𝑜.𝑅𝑡

𝑢.𝑖. (2 - 1

𝜂𝑐)

3 Thời gian nâng, hạ

 Thời gian nâng có tải và không có tải

tno – Thời gian nâng không tải

tho – Thời gian hạ không tải

h – Chiều cao nâng

vn – Vận tốc nâng

vh – Vận tốc hạ

4 Hệ số tiếp điện tương đối TĐ%

Chu kì làm việc của các cơ cấu nâng - hạ gồm các giai đoạn sau: hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải (giữa các giai đoạn thường có thời gian nghỉ)

Khi tính toán thời gian tiếp điện tương đối, chúng ta bỏ qua thời gian hãm máy và mở máy

Hệ số tiếp điện tương đối TĐ% được tính theo công thức:

5 Chọn sơ bộ công suất động cơ

Chọn sơ bộ công suất động cơ có thể theo phụ tải trung bình (Mtb), hoặc theo phụ tải đẳng trị (Mđt) kết hợp với hệ số tiếp điện tương đối TĐ%

Phụ tải trung bình và phụ tải đẳng trị được tính theo các biểu thức sau:

Mtb = k.∑ 𝑀𝑖.𝑡𝑖

𝑛 𝑖=1

𝑇𝑐𝑘

Mđt = √∑ 𝑀𝑖

2 𝑡𝑖

𝑛 𝑖=1

𝑇𝑐𝑘

Trong đó:

Mi – Là trị số momen ứng với khoảng thời gian ti

k = (1,2 – 1,3) – hệ số phụ thuộc vào độ nhấp nhô của đồ thị phụ tải, tần

số mở máy, hãm máy

Điều kiện chọn công suất động cơ:

MđmĐC > Mtb

MđmĐC > Mđt

6 Kiểm nghiệm động cơ đã chọn

Để kiểm nghiệm công suất động cơ đã chọn, cần phải xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác Sauk hi đã xét đến thời gian mở máy, hãm máy và thời gian nghỉ của động cơ, tính lại thời gian tiếp điện tương đối thực

∑ 𝑡𝑖𝑚𝑚 – Tổng thời gian mở máy

Và tính toán phụ tải chính xác theo đại lượng đẳng trị Mđtcx

Động cơ đã chọn là đúng nếu thỏa mãn:

Mtc < MđmĐC

Mtc = Mđtcx √𝑇Đ𝑡ℎ %

𝑇Đ𝑡𝑐 % Trong đó:

Mtc – Là momen quy đổi về hệ số tiếp điện tiêu chuẩn

TĐtc% - Hệ số tiếp điện tiêu chuẩn: 15%, 25%, 40%, 60%

II Tính chọn động cơ với các thông số thực

2.1 Phụ tải tĩnh khi nâng

 Khi nâng có tải

𝑀𝑛 = (𝐺+𝐺𝑜).𝑅𝑡

𝑢.𝑖.𝜂𝑐 = (30+0,3).10

3 0,7.9,81 2.75.0,8 = 1733,9 (N.m)

 Khi nâng không có tải

𝑀𝑛𝑜 = 𝐺𝑜.𝑅𝑡

𝑢.𝑖.𝜂𝑐 = 0,3.10

3 0,7.9,81 2.75.0,8 = 17,2 (N.m)

2.2 Phụ tải tĩnh khi hạ

𝑀ℎ = 𝑀𝑡 - 𝛥𝑀 = 𝑀𝑡 𝜂ℎ

Hạ hãm: 𝑀𝑡 > 𝛥𝑀  𝑀ℎ > 0 động cơ làm việc ở trạng thái hãm

Hạ đông lực: 𝑀𝑡 < 𝛥𝑀  𝑀ℎ < 0 động cơ làm việc ở trạng thái kéo tải xuống

Tổn hao khi hạ: 𝜂ℎ = 2 - 1

𝜂𝑐

 Khi hạ có tải

𝑀ℎ = (𝐺+𝐺𝑜).𝑅𝑡

𝑢.𝑖 (2 - 1

𝜂𝑐) = (30+0,3).10

3 0,7.9,81 2.75 (2 - 1

0,8) = 1040,4 (N.m)

 Khi hạ không có tải

𝑀ℎ𝑜 = 𝐺𝑜.𝑅𝑡

𝑢.𝑖. (2 - 1

𝜂𝑐) = 0,3.10

3 0,7.9,81 2.75 (2 - 1

0,8) = 10,3 (N.m)

2.3 Thời gian nâng – hạ

 Thời gian nâng khi có tải và không tải

Hình ảnh động cơ điện 1 chiều công suất lớn

CHƯƠNG III SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

KT

KN

+-

II Sơ đồ mạch điều khiển

Mạch điều khiển gồm các thiết bị chính:

KTHT1

KpKT

KN

Rth4Rth3Rth2

Rth1K0

Rth1 KT

K0KC

0 1' 2' 3'

Rth5

 Tay chang điều khiển  Rơ le thời gian

KT HT1

Kp KT

KN

Rth4 Rth3 Rth2

Rth1 K0

Rth1 KT

K0 KC

0 1' 2' 3'

6 8

5 8

N01 N02 N01 N02

A2 A1

N01 N02 N01 N02

8 5

N01 N02 N01 N02

N02 N02

IV Phân tích sơ đồ mạch điều khiển

Đầu tiên tay chang ở vị trí 0 role K0 có điện, các tiếp điểm thường hở K0 đóng lại và tự duy trì khi gạt tay chang sang vị trí khác (bảo vệ điểm 0)

 Khi nâng tải:

Khi gạt tay chang sang vị trí 1 role KT có điện các tiếp điểm thường hở

KT đóng lại động cơ được cấp điện đồng thời phanh được nhả và bắt đầu khởi động với cấp điện trở lớn nhất R3 Đồng thời role thời gian Rth1 được cấp điện sau 1 khoảng thời gian các tiếp điểm thường mở của Rth1 đóng lại Khi gạt tay chang sang vị trí 2 role KT vẫn có điện khi Rth1 tác động thì role K1 có điện, các tiếp điểm thường hở K1 đóng lại, khi đó loại bỏ cấp điện trở Rp3 khỏi phần ứng động cơ động cơ sẽ chạy với điện trở R2 tốc độ động

cơ sẽ tăng lên

Khi gạt tay chang sang vị trí 3 role KT vẫn có điện khi Rth2 tác động thì role K2 có điện,các tiếp điểm thường hở K2 đóng lại ,khi đó loại bỏ cấp điện trở Rp2 khỏi phần ứng động cơ động cơ sẽ chạy với điện trở R1 tốc độ động

cơ sẽ tăng lên

Khi gạt tay chang sang vị trí 4 role KT vẫn có điện khi Rth3 tác động thì role K3 có điện,các tiếp điểm thường hở K3 đóng lại ,khi đó loại bỏ cấp điện trở Rp1 khỏi phần ứng động cơ động cơ sẽ chạy với điện trở Rư tốc độ động

độ nhỏ

Khi gạt tay chang sang vị trí 2’ các role KN, K1, K2 có điện các tiếp điểm thường hở KN, K1, K2 đóng lại, động cơ được cấp điện sẽ chạy với cấp điện trở R1,tốc độ hạ tải tăng lên

Khi gạt tay chang sang vị trí 3’ các role KN, K1 có điện các tiếp điểm thường hở KN, K1 đóng lại,động cơ được cấp điện sẽ chạy với cấp điện trở R2, tốc độ hạ tải tăng

Khi gạt tay chang sang vị trí 4’ chỉ có role KN có điện các tiếp điểm

thường hở KN đóng lại, động cơ được cấp điện và chạy với cấp điện trở R3,

tốc độ hạ tải đạt tối đa

Khi tải hạ xuống chạm công tắc hành trình HT2 (giới hạn đầu dưới) thì hệ

thống được cắt điện, động cơ dừng giúp bảo về cơ cấu

(3) (4)

n1 n2 n3 n4

n1' n2' n3' n4'

CHƯƠNG IV TÍNH CHỌN CÁC THIẾT BỊ

1 Chọn phanh

Trong cơ cấu này ta sử dụng phanh guốc để hãm động cơ

Momen tải định mức khi hạ

𝑀𝑐ℎ = (𝐺+𝐺𝑜).𝑅𝑡

𝑢.𝑖 (2 - 1

𝜂𝑐) = (30+0,3).10

3 0,7.9,81 2.75 (2 - 1

0,8)= 1040,4 (N.m)

Điện áp lưới điện hạ áp: 𝑈đ𝑚𝐿Đ= 380 (V)

 Aptomat là thiết bị điện dùng để bảo vệ các thiết bị tiêu thụ điện trong trườnghợp ngắn mạch hoặc điện áp thấp

Lựa chọn aptomat như sau :

{𝑈đ𝑚𝐴𝑇 ≥ 𝑈đ𝑚𝐿Đ

𝐼đ𝑚𝐴𝑇 ≥ 𝐼𝑡𝑡

Chọn: {𝐼 𝑈đ𝑚𝐴𝑇 = 400V

đ𝑚𝐴𝑇 = 1,5 𝐼𝑡𝑡 = 450A

MCCB Schneider EZC400H3300,

3P, 450A, 50kA, 400VAC

MCCB 3 pha Type H Dòng định mức : 450A Dòng cắt : 50kA Điện áp : 400VAC Bảo vệ ngắn mạch

Hãng sản xuất : Schneider Giá: 5.848.000 VND

 Contactor là bộ phận trung gian để đóng cắt nguồn cung cấp điện cho tải (tải ở đây có thể là động cơ điện, bơm nước hay cấp nguồn ) nói cách khác

nó là công tắc điện ta có thể điều khiển được

Điện áp cuộn hút Uax: Theo mạch điều khiển ta chọn, AC 220V

Dòng điện của contactor bạn chọn Ict= K Idm

Hệ số khởi động K lấy 1,2-1,4 Idm

 Ict = 1,4 300 = 420A

 Ta chọn contactor dòng làm việc từ 420A trở lên là được, dòng của rơ

le nhiệt bằng dòng của contactor

Contactor 3P LS, MC-500a, 500A,

2NO + 2NC

THÔNG SỐ KỸ THUẬT:

Số cực: 3 Dòng định mức: 500A Điện áp cuộn dây: 220VAC Tiếp điểm phụ:2NO + 2NC Hãng sản xuất: LS

Xuất xứ: Hàn Quốc

Bảo hành: 12 tháng

CHƯƠNG 5: TỦ ĐIỆN

1 2 3 4

5 6 7 8

1 2 3 4

5 6 7 8

1 2 3 4

5 6 7 8

1 2 3 4

5 6 7 8

1 2 3 4

5 6 7 8