Hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều Hệ truyền động điện một chiều dùng trong cơ cấu nâng hạ hàng tỏ ra có nhiều u điểm nh: Chúng có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng,
Trang 1Đề tài :Thiết Kế Môn Học Trang Bị Điện
Đề số 23: Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ hàng Xây dựng chơng trình tính toán động lực học của cơ cấu có kể đến độ biến dạng của tay cần của cần cẩu:
- Nhiêm vụ cần giải quyết trong bài làm:
+ 1 : nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ
+ 2: xây dựng mô hình tính toán cho cơ cấu nâng có tính đến biến dạng của tay cần
+ 3 : Thiết lập chơng trình tính toán động lực học
Trang 2Phần mở đầu
Ngày nay việc bốc xếp hàng hoá bằng thủ công đã không còn phù hợp trong đa số ngành công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp nặng.Việc đa các phơng tiện máy móc hiện đại vào sử dụng, nó không những nâng cao chất lợng , năng suất công việc mà nó còn mang tính an toàn cao trong lao động sản suất, giảm thiểu khả năng làm việc tay chân năng nhọc cho công nhân, giảm lợng nhân công d thừa
Trong thời đại này việc các máy móc bốc xếp có tải trọng lên tới hàng trăm tấn/ một lần bốc không còn xa lạ trong các hải cảng cũng nh trong các công trờng sản xuất ở Việt Nam
Một vấn đề đặt ra cấp thiết đối với các sinh viên ngành tự động hoá là phải tìm hiểu về công nghệ và vận hành các thiết bị này thật tốt để giúp cho việc khai thác có hiệu quả cao nhất
Trong phần này Em xin trình bày một vấn đề đó là vấn đề về cơ cấu nâng hạ hàng
Do tài liệu tham khảo còn thiếu nhiều nên bài viết của Em có sự tham khảo chủ yếu ở 2 tập tài liệu là:
[1] Truyền Động Điện Tàu Thuỷ của thầy giáo: Lu Đình Hiếu
[2] Cần Trục Cảng Biển ( Bản thảo) Của thầy giáo Tiến Sĩ : Hoàng Xuân Bình
Sinh Viên : Nguyễn Văn Hùng
Hải Phòng : 27/4/2005
Trang 3Phần 1
Tổng Quan Về Cơ Cấu Nâng Hạ Hàng
1- Chức năng của hệ thống nâng hạ hàng
Hệ thống làm hàng có các trức năng cơ bản nh sau:
- Nâng hạ và di chuyển hàng hoá trong các kho hàng
- Bốc xếp hàng hoá lên các phơng tiện vận chuyển
- Vận chuyển trang thiết bị phục vụ cho các mục đích nh: sửa chữa, lắp
đặt
2- Phân loại hệ thống nâng hạ
Ngày nay công việc nâng hạ hàng hoá thờng sử dụng hai loại phơng tiện phổ biến là tời hàng và cần trục
- Theo mục đích sử dụng, ngời ta phân ra các loại sau:
+ Tời hàng và cần trục: đây là các thiét bị đợc sử dụng rộng rãi ngày nay Chúng thực hiện bốc xếp hàng hoá từ nơi này sang nơi khác hay lên các phơng tiện vân chuyển
+ Máy nâng: dùng để luân chuyển các hàng hoá ở các kho bãi hoặc di chuyển
- Theo hệ thống truyền động điện ta chia thành:
+ Truyền động điện cơ : đơn giản trong chế tạo, có hiệu suất sử dụng trong toàn hệ thống cao
+ Truyền động điện thuỷ lực: dạng truyền động này ngày nay đang đợc sửdụng rộng rãi Chúng có các u điểm nổi bật sau:cho phép sử dụng động cơ dị bộ rôto lồng sóc một tốc độ để làm động cơ thực hiện vì nó có thể
điều khiển đợc ở phần thuỷ lực
- Theo chế độ công tác ta có thể phân thành các dạng sau:
+ Công tác ở chế độ ngắn hạn lặp lại
+ Công tác ở chế độ ngắn hạn
- Theo chế độ cấp nguồn :
Lấy nguồn trực tiếp từ lới điện hay lấy nguồn từ máy phát riêng
- Theo hệ thống điều khiển:
Điều khiển bằng tay khống chế hoặc tay điều khiển kết hợp trạm từ ngoài
ra ngày nay ứng dụng các kỹ thuật hiệnđại ngời ta ừng dụng các phơng pháp điều khiển khác nh: vi xử lý, bán dẫn, PLC có ừng dụng của máy tính
3- Đặc điểm của thiết bị nâng hạ hàng
Trong các thiết bị nâng hạ hàng, ngày nay thì tời hàng đợc sử dụng rộng rãi nhất Chúng có những u điểm nh: khả năng quá tải cao, tầm với không hạn chế, điều kiện làm việc an toàn sử dụng đợc nhiều trong các lĩnh vực khác nhau Tuy nhiên tời hàng cũng có những nhợc điểm nh: thời gian chuẩn bị đa
hệ thống vào làm việc lớn, khả năng sẵn sàng làm việc thấp, hệ thống cồng kềnh
Ngoài tời hàng thì cần trục cũng đực sử dụng hết sức rộng rãi Thiết bị này
có u điểm là khả năng sẵn sàng làm việc cao, tuy nhiên nó lại có nhiều nhợc
điểm nh: tầm với hạn chế, khả năng quá tải kém
4- Những u nhợc điểm của hệ thống nâng hạ hàng dùng điện.
Ngày nay các thiết bị nâng hạ sử dụng động cơ điện và cơ cấu bằng điện đợc
sử dụng rất phổi biến, chúng có những u nhợc điểm nh sau:
-Tính kinh tế cao : hiệu suất sử dụng của động cơ điện rất cao ( cỡ 0,7 -0,9), năng lợng điện dễ dàng chuyển tải đi xa và không gây ra tổn hao đáng kể
Trang 4Dễ dàng thực hiện quá trình điều khiển tự động, điều khiển từ xa, giải phóng ngời lao động khỏi những lao động nặng nhọc, nguy hiểm
- Không gây ồn lớn trong quá trình làm việc, vệ sinh công nghiệp đợc bảo
đảm Tuy nhiên bên cạnh những u điểm nó cũng có những nhợc điểm nh: giáthành ban đầu cao, khả năng gây chay nổ cao do trong quá trình vận hành dễ gây ra tia lửa điện
5- Những yêu cầu cơ bản đối với thiết bị nâng hạ hàng
Để nâng cao khả năng kinh tế của vân tải thì quá trình nâng hạ hàng phải
đảm bảo rút ngắn đợc thời gian bốc xếp Do vậy ngoài những yêu cầu về kỹ thuệt thì các thiết bị nâng hạ hàng phải có thêm các yêu cầu sau:
+ Quãng đờng di chuyểấnhngf hoá thờng không dài nên khi tải định mức
ta phải chọn tốc độ nâng hàng hợp lý Hơn nữa trong qua trình nâng hạ hàng thờng xảy ra quá trình quá độ ( hãm, gia tốc, khởi động ) nên chọn tốc độ lớn sẽ không phát huy tác dụng
+ Nếu chọn tốc độ nhỏ thì chu kỳ bốc xếp sẽ tăng và nó sẽ làm giảm năngsuất bốc xếp hàng hoá
Năng suất làm hàng đợc tính theo biểu thức sau:
Q =
t n
Trong đó: t : Thời gian của một chu kỳ làm hàng
n : Khối lợng hàng hoá
Theo tài liệu của nhà máy đóng tàu của Liên Xô cũ thì tốc độ nâng hạ hàng với tải định mức khoảng (0,2 – 1) m/s Theo tài liệu của Mỹ thì giá trị đó là (1,5 – 2) m/s
5.2.Hệ thống phải có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng Tạo đợc tốc độ cao khi không tải hoặc tải nhẹ.
Ngoài tốc độ nâng hạ định mức thì cần phải có các tốc độ trung gian khácnhau nh:
- Tốc độ nhấc thử hàng, đặt hàng chạm đất và đa hàng vào hầm một cách chính xác, an toàn thì hệ thống phải có tốc độ thấp Trong trờng hợp này phải chú ý đến loại hàng hoá đợc bốc xếp Nếu hàng hoá là loại dễ vỡ, dễ hỏng thì tốc độ đa hàng phải rất thấp
- Khi nâng hạ móc không thì hệ thống phải có tốc độ cao Nếu gọi tốc
độ nâng định mức là V1 , tốc độ nâng móc không là V2, tốc độ hạ móc không là V3 , tốc độ hạ hàng là V4 thì ta có các biểu thức sau:V2 = ( 3 – 3,5) V1
V3 = (2 – 2,5) V1
V4 = (1,5 -2)V1
5.3 Hệ thống phải có khả năng rút ngắn đợc thời gian quá độ.
- Chọn những động cơ có mô men khởi động lớn, nếu có thể sử dụng những động cơ chuyên dụng có mô men quán tính nhỏ
- Chọn động cơ có tốc độ phù hợp để giảm đợc các cơ cấu trung gian
5.4 An toàn cho hàng hoá và thiết bị
Trang 5- Hệ thống phải có độ bền cơ học cao, không gây xung lực đột ngột tren dây cáp.
6 Các hệ truyền động điện dùng trong cơ cấu nâng hạ hàng
6.1 Hệ truyền động điện dùng động cơ một chiều
Hệ truyền động điện một chiều dùng trong cơ cấu nâng hạ hàng tỏ ra có nhiều u điểm nh: Chúng có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng,
có khả năng tạo đợc nhiều đờng đặc tính trung gian bằng cách thay đổi các thông số của mạch kích từ và mạch động lực Thông thờng quá trình điều khiển đợc thực hiện bằng tay điều khiển kết hợp với trạm từ
- Nếu hệ thống dạng này sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp thì nó sẽ
có một số u điểm cơ bản nh sau:Nó có khả năng tự thay đổi tốc độ khi tải thay đổi ( M.n = constant) Do vậy công suất động cơ luôn đợc khai thác tối
u Động cơ có mô men khởi động lớn ,khả năng gia tốc nhanh Vì động cơ một chiều kích từ nối tiếp có mô men quay tỉ lệ với bình phơng dòng điện tải, khi khởi động thì :
Ikđ = (2 – 2,5) Iđm
Cùng một giá trị dòng tải thì loại động cơ náy có giá trị dòng tải nhỏ hơn.Tuy nhiên nhợc điểm của việc sử dụng loại động cơ này là: khi không tải hoặc khi tải nhẹ thì tốc độ truyền động của hệ thống có xu hớng tăng lớn, có thể đến (5 - 6) Vđm Hơn nữa việc điều chỉnh tốc độ bị hạn chế và khó thực hiện do phải thay đổi tham số của mạch động lực
- Nếu hệ thống sử dụng động cơ kích từ song song
Khi sử dụng động cơ kích từ song song thì nó sẽ khắc phục đợc những nhợc
điểm của việc sử dụng động cơ kích từ nối tiếp nh:
+ Hệ thống loại này dễ dàng thực hiện việc thay đổi tốc độ động cơ bằng việc thay đổi dòng điện trong mạch kích từ Phơng pháp điều chỉnh này có tính kinh tế cao bởi năng lợng tổn hao trong quá trình điều chỉnh là rất nhỏ
- Nếu hệ thống sử dụng động cơ kích từ hỗn hợp
Loại động cơ này kết hợp đợc u điểm của 2 loại động cơ trên, nên chúng đợc
sử dụng rộng rãi trong truyền động điện thiết bị nâng hạ hàng
- Để điều chỉnh tốc độ ngời ta có thể sử dụng hai phơng pháp: thay đổi từ ờng mạch kích từ và thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng
tr Để tăng khả năng ổn định tốc độ khi hạ hàng, đôi khi ngời ta thay đổi cách
đấu để biến động cơ kích từ hỗn hợp thành động cơ kích từ song song
Trong trờng hợp nh vậy thì cuộn nối tiếp đợc mắc với điện trở phụ và mắc song song với phần ứng động cơ
Trang 6-> Dạng đặc tính cơ thích hợp nhất đối với thiết bị nâng hạ hàng đợc trình bày trong hình 6-1 Các đặc tính này nhận đợc đối với hệ thống sử dụng độngcơ kích từ hỗn hợp.
Hình 6-1 Dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều thích hợp
- Phía nâng hàng:
+ Đờng 1: Hệ thống hoạt động có tốc độ thấp nhất Đặc tính này có đợc nhờ
sử dụng dụng biện pháp rẽ mạch phần ứng động cơ Tốc độ này dùng để nhấc thử hàng
+ Đờng 2 : Tốc độ thấp dùng để nâng tải nặng hoặc trung bình Đặc tính này
có đợc nhờ đa một điện trở phụ có giá trị lớn vào mạch phần ứng của động cơ Với tải lớn ta có thể dùng đặc tính này để thực hiện hãm nối ngợc khi hạ hàng
+ Đờng 3, đờng 4 : Các đặc tính tạo các cấp tốc độ trung gian bằng cách cắt dần các điện trở mắc trong mạch phần ứng của động cơ
+ Đờng 5: Đặc tính tự nhiên của động cơ
+ Đờng 6: Đặc tính có tốc độ cao để nâng móc không hoặc tải nhẹ Đặc tính này có đợc nhờ ta giảm kích từ động cơ Với tải nhẹ thì tốc độ quay của độngcơ có thể đạt tới giá trị (3 -4)nđm
- Phía hạ hàng:
+ đơngd 0, 1, 2 : Các đặc tính hãm động năng với các điện trở hãm khác nhau để có các tốc độ hãm khác nhau
+ Đờng 1T: Tạo tốc độ thả hàng thấp
+ Đờng 2T, 3T : Các đặc tính tạo các cấp tốc độ hạ hàng trung gian, đặc tính này nhận đợc bằng cách thay đổi kích từ động cơ
Trang 7+ Đờng 4T: Tạo tốc độ hạ hàng cao dùng để hạ móc không hoặc tải nhẹ.
=> Trong hệ thống truyên động điện một chiều, ngoài các hệ thống truyền
động điều khiển bằng tay điều khiển kết hợp trạm từ thì một hệ thống khác
đợc sử dụng là: Hệ thống truyền động điện máy phát - động cơ một chiều
Đây là hệ thống có các tính năng điều khiển rất u việt, Qua trình điều khiển rất trơn láng Tuy nhiên nhợc điểm của dạng này là số lợng máy điện nhiều, cồng kềnh Do vậy ngày nay nó không còn đợc sử dụng rộng rãi vì có sự cạnh tranh của các bộ biến đổi
=> Việc ra đời của các Tiristor có dòng định mức lớn, dẫn đến xuất hiện một
hệ thống mới là Van - Động cơ một chiều Nó cho phép động cơ một chiều làm việc dới lới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi
=> Quá trình đảo chiều động cơ đợc thực hiện nhờ các phơng pháp sau:
- Đảo chiều động cơ nhờ đảo chiều dòng kích từ.( điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng động cơ) ( Hình 6-1a)
- Đảo chiều động cơ nhờ công tắc đảo chiều (điều chỉnh tốc độ động cơ bằngrecách thay đổi điện áp phần ứng) (Hình 6-1b)
6.2 Hệ truyền động điện nâng hạ hàng dùng động cơ xoay chiều
Khi sử dụng động cơ xoay chiều trong hệ thống thì ngời 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 đợc xem nh hai động cơ ghép lại với nhau
Trang 81: Cuộn dây cấp tốc độ 1
2: Rôto rãnh kép hoặc rãnh sâu
3: Rôto thờng
4: Cuộn dây cấp tốc độ 2,3
- Cuộn dây cấp tốc độ thấp đợc bố trí ở một vùng riêng biệt.Cuộn dây tốc độ
2 và 3 đợc 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 lớn, và chúng có khả năng làm việc ở cấp tốc độ rất thấp hoặc rất cao Đồng thời nó sử dụng nguồn 3 pha nên không phải sử dụng bộ biến đổi.Rôto này thờng là loại rôto lồng sóc rãnh sâu, hoặc lồng kép nhằm để hạn chế dòng khởi động cho động cơ
- Việc tạo ra các cấp tốc độ khác nhau đợc thực hiện bằng cách thay đổi số
đôi cực của cuộn dây stato của động cơ
- Đặc tính cơ của động cơ đợc mô tả trên hình 6-2b
Trang 9- Đặc tính 3 có tốc độ khoảng 1,3 m/s : Tốc độ dùng để nâng hạ hàng toàn tải, Nâng hạ móc không.
- Đặc tính 2 có tốc độ 0,65 m/s : Đây là tốc độ trung gian chuyển tiếp từ tốc
độ thấp lên tốc độ cao và ngợc lại
- Đặc tính 1 có tốc độ 0,15 m/s : Tốc độ nhấc thử hàng hoặc đa hàng chạm
đất
-> Sở dĩ loại động cơ này hay đợc dùng vì nó có cấu tạo đơn giản, đáp ứng
t-ơng đối tốt các yêu cầu về tốc độ Đồng thời có trọng lợng và kích thớc 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 động cơ một chiều
6.3 Hệ thống truyền động điện dùng Van - Động cơ xoay chiều
Động cơ rôto lồng sóc có nhiều u điểm hơn hẳn động cơ một chiều Tuy nhiên lại gặp một vấn đề khó khăn là vấn đề là quá trình điều chỉnh tốc độ gặp khó khăn.Ngày nay nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật, dẫn đến sự
ra đời của các linh kiện bán đãn Do đó đã xuất hiên một dạng truyền động
điện mới trong thiết bị nâng hạ hàng Đó là hệ thống sử dụng Van – Động cơ xoay chiều
Nhờ có phơng pháp điều khiển mới này mà động cơ dị bộ lồng sóc sử dụng trong hệ thống có khả năng điều chỉnh tốc độ đợc dễ dàng hơn Sơ đồ tổng quát (H6-3a)
- ở hệ thống này quá trình đảo chiều đợc thực hiện nhờ công tắc tơ đảo chiều Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào động cơ
Điện áp đợc thay đổi nhờ các cầu Tiistor (T –T hoặc T - Đ) với phơng pháp
điều khiển pha Để mở rộng khoảng điều chỉnh của hệ thống ngời ta sử dụng mạch phản hồi âm tốc độ
- Bằng cách tính chọn hệ thống điều khiển tạo xung mở các Tiristor hợp lý
có thể tạo ra các đờng đặc tính cơ trung gian một cách phù hợp với thiết bị nâng hạ hàng
Trang 10Động cơ thực hiện là động cơ dị bộ rô to lồng sóc một cấp tốc độ Nh vậy hệ thống này vừa tận dụng đợc những u điểm nổi bật của động cơ dị bộ rôto lồng sóc, đồng thời khắc phục đợc những nhợc điểm của động cơ này về khả năng điều chỉnh tốc độ.
- So với các hệ thống có cực tiếp xúc thì sử dụng hệ thống này có các u điểm sau:
+ Quá trình điều chỉnh trơn láng
+ Độ ồn trong quá trình làm việc nhỏ
+ Trọng lợng, kích thớc của hệ thống giảm đáng kể
+ Gần nh không có sự phát sinh tia lửa điện
7 Các quá trình hãm điện trong truyền động điện thiết bị nâng hạ hàng
- ở truyền động điện thiết bị nâng hạ thì ngoài thiết bị hãm bằng phanh điện
từ, giữ cho động cơ không quay khi tay điều khiển ở vị trí “0” Các quá trình hãm này có thể xảy ra tự nhiên hay theo thiết kế hoặc chế tạo
Các quá trình hãm không mang ý nghĩa hãm để dừng động cơ, cố định trục
động cơ mà nó chỉ có ý nghĩa cỉa thiện hệ thống , giúp cho hệ thống có khả năng làm tốt các quá trình làm việc của hệ thống, rút ngắn thời gian quá độ
hệ thống, đảo chiều nói
Nh ta đã biết các cơ cấu nâng hạ làm việc với tải thế năng Vì vậy ở truyền
động điện có thể có cả 3 trạng thái hãm Đó là hãm tái sinh, hãm ngợc và hãm động năng
7.1.Hãm điện đối với truyền động điện một chiều.
Khi sử dụng động cơ điện một chiều trong truyền động nâng hạ thì ngời ta hay sử dụng động cơ một chiều kích từ hỗn hợp Do vậy có thể xảy ra hiện t-ợng hãm động năng và hãm tái sinh
_ Quá trình hãm tái sinh xảy ra khi thực hiện quá trình hạ hàng Để nâng caoquá trình hãm điện và khi hgạ hàng ngời ta thờng thông qua hệ thống điều khiển để chuyển đổi từ đôngj cơ kích từ hỗn hợp thành động cơ kích từ song song bằng cách bỏ cuộn kích từ nối tiếp hay chuyển cuộn nối tiếp thành cuộnsong song sau khi đa vào cuộn này một điện trở hạn chế
+ Khi hãm tái sinh, động cơ chuyển đổi sang làm việc ở chế độ máy phát.khi
đó Eđc > Un ( do nđc > n0) , làm việc song song với máy phát của trạm
Dòng hãm tái sinh đa từ động cơ về có chiều cùng chiều với dòng kích từ song songcủa máy phát và ngợc chiều với dòng phần ứng của động cơ
-> Quá trình hãm tái sinh xảy ra ngoìa ý đồ của thiết kế
- Qua trình hãm động năng:
Quá trình hãm động năng thờng đợc sử dụng ở tốc độ hạ hàng chạm đất.-> Sơ đồ và đặc tính
