Báo cáo đồ án: Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng (cầu trục) nâng hàng

ĐỒ ÁN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO VẬN THĂNG NÂNG HÀNG Giảng viên hướng dẫn Nhóm sinh viên Lớp Khóa 2018 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Họ và tên Ngành Kỹ thuật điề.

ĐỒ ÁN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

Họ và tên :

Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Lớp :

Đề tài: Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng nâng hàng

1. Nhiệm vụ: Các thành viên trong nhóm cùng nhau xây dựng, đóng góp và

nghiên cứu nội dung để hoàn thành đồ án tốt nhất có thể, cụ thể là:

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN VỀ ĐỒ ÁN

Họ và tên :

Ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Lớp :

Đề tài: Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng nâng hàng Nhận xét chung: ………

………

………

………

………

………

………

………

………

……… Phần đánh giá:

- Ý thức thực hiện:

- Nội dung thực hiện:

- Hình thức trình bày:

- Tổng hợp kết quả (điểm bằng số và bằng chữ):

+ Điểm chuyên cần:

+ Điểm giữa kỳ:

, ngày … tháng… năm 2021

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

CHƯƠNG I 7

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẬN THĂNG NÂNG HÀNG 7

1.1.TỔNG QUAN VỀ VẬN THĂNG NÂNG HÀNG 7

1.1.1.Khái niệm chung 7

1.1.2 Đặc điểm cơ cấu nâng hạ 8

1.2 YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬN THĂNG NÂNG HẠ 9

1.2.1 Yêu cầu phụ tải 9

1.2.2 Chế độ cấp điện 11

1.2.3 Điều kiện làm việc 11

1.2.4 Chế độ làm việc 11

1.3 PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 11

1.3.1 Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 11

1.3.2 Các phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ roto lồng sóc 12

CHƯƠNG II 15

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN ĐỘNG 15

2.1 CHỌN ĐỘN CƠ 15

2.1.1 Chọn loại động cơ điều khiển 15

2.1.2 Xây dựng đồ thị phụ tải cơ cấu nâng hạ 16

2.1.3 Tính chọn công suất động cơ 17

2.1.4 Kiểm nghiệm động cơ 21

CHƯƠNG III 23

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG BIẾN TẦN 23

3.1 Giới thiệu biến tần 23

3.2 Nguyên lí hoạt động 23

3.3 Nguyên tắc chung 23

3.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIẾP MOMEN (DTC) 24

3.5 MÔ PHỎNG MATLAP SIMMULINK 28

3.5.1 Mạch lực 28

3.5.2 Mạch điều khiển 28

3.5.3 Kết quả mô phỏng 29

KẾT LUẬN 30

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay Công nghiệp hoá – Hiện đại hoá đang đóng một vai trò rất quan trọng trong việc nâng cao năng xuất lao động Những thành tựu của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật được áp dụng rộng rãi vào nền kinh tế đưa đến những thay đổi chưa từng có trong lịch sử loài người Nhận thức được tầm quan trọng của khoa học công nghệ có ảnh hưởng quyết định đến chiến lược phát triển đất nước, nhà nước ta đã ra sức đào taoh nghiên cứu khoa học kỹ thuật, khuyến khích đầu tư nhằm phát triển nhanh nền khoa học kỹ thuật nước nhà.

Là sinh viên chuyên ngành Tự Động Hoá , việc học tập nghiên cứu và áp dụng vào những vấn đề thực tế là rất quan trọng và góp phần củng cố lý thuyết

đã được học, giúp có thêm kiến thức cho công việc sau khi ra trường

Vận thăng là một thiết bị nâng hạ quan trọng được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, công nghiệp Cùng với sự phát triển của nền kinh tế công nghiệp hiện đại, các trung tâm công nghiệp và thương mại xuất hiện nhiều, phát sinh nhu cầulớn về xây dựng các nhà cao tầng, việc sử dụng vân thăng vào quá trình xây dựng nhằm nâng cao năng suất, tính hiệu quả, an toàn gần như thiết yếu

Từ cơ sở lý thuyết động cơ không đồng bộ ba pha, phương pháp điều khiển

tần số, nội dung của đồ án: “Thiết kế hệ thống truyền động cho vận thăng

nâng hàng” đã đề xuất ra cách tính chọn công suất động cơ và bộ điều khiển để

đảm bảo tính hiệu quả, kinh tế cho cơ sở sử dụng Do thời gian và kiến thức vẫn còn hạn chế nên đồ án này còn nhiều thiếu sót, mong các thầy và các bạn đọc góp ý thêm để đồ án này hoàn thiện hơn

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo vận thăng nâng hàng 8

Hình 1.2 Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ 9

Hình 1.3 Đặc tính phụ tải của cơ cấu nâng hạ 10

Hình 1.4 Đặc tính phụ tải cơ cấu dịch chuyển 10

Hình 1.5 Quỹ đạo từ thông stator 16

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động cơ không đồng bộ 17

Hình 2.1 Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ 19

Hình 2.2 Quan hệ phụ thuộc c theo tải trọng 21

Hình 3.1 Quỹ đạo từ thông stator 25

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp mômen động cơ không đồng bộ 26

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẬN THĂNG NÂNG HÀNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬN THĂNG NÂNG HÀNG

1.1.1 Khái niệm chung

Vận thăng nâng hàng là loại máy móc được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng hiện nay để nâng hạ hàng hóa, vật tư lên xuống giữa các tầng xây dựng, tầng kho hàng

Cấu tạo gồm có: bàn nâng hàng, khung thân, pully dẫn hướng cáp, tang quán cáp, motor, hộp giảm tốc, đế thang, cáp tải, tủ điều khiển,…

Nguyên lý hoạt động của vận thăng: điều khiển lên xuống bằng hộp điều khiển Truyền động bằng cách nâng dây cáp thông qua motor, hộp giảm tốc và trục vít – bánh vít

Hình 1.1 Cấu tạo vận thăng nâng hàng

Ưu điểm:

- Độ an toàn cao

- Tốc độ nâng hạ nhanh, tiết kiệm thời gian và công việc

- Trọng tải lớn

1.1.2 Đặc điểm cơ cấu nâng hạ

Momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ thay đổi thế nào Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng

hạ thuộc loại momen cản thế năng, có đặc tính Mc = const và không phụ thuộc vào chiều quay Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải gây ra Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây rachuyển động, tức là nó hướng theo chiều quay của động cơ

Khi nâng tải động cơ làm việc ở chế độ động cơ

Khi hạ tải có thể có hai chế độ: hạ động lực và hạ hãm

- Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ, khi đó mômen do tải trọng gây rakhông đủ để thắng mômen ma sát trong cơ cấu Máy điện làm việc ở chế độ động cơ

- Hạ hãm: thực hiện khi tải trọng lớn, khi đó mômen do tải trọng gây ra rất lớn Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng được hạ với tốc

độ ổn định

Hình 1.2 Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ

Đặc điểm hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ: làm việc ở chế độ ngăn hạn lặp lại, thường xuyên phải dừng máy và không đòi hỏi đảo chiều ngay lập tức

mà thường có trễ sau một thời gian nhất định

1.2 YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬN THĂNG NÂNG HẠ

1.2.1 Yêu cầu phụ tải

Đối với cơ cấu nâng hạ: Momen không tải khi nâng móc cầu Mc0 = 15-20%

Mđm còn khi gầu ngoạm Mc0 bằng khoảng 50% Mđm Khi hạ tải do tác dụng của lực ma sát nên phụ tải sẽ biến đổi từ (15-20%) đến 80% Mđm

Hình 1.3 Đặc tính phụ tải của cơ cấu nâng hạ

Đối với cơ cấu dịch chuyển, do momen cản tĩnh và trọng lượng gây nên, vì vậy momen cản không tải là:

Mc0 = (30-50%) Mđm đối với xe con

Mc0 = (50-55%) Mđm đối với xe cầu

Hình 1.4 Đặc tính phụ tải cơ cấu dịch chuyển

Các cơ cấu truyền động cầu trục thường thay đổi mô men theo tải trọng Nhất là cơ cấu nâng hạ , mô men thay đổi rõ rệt Khi không có tải trọng mô men động cơ không vượt quá (15 - 20 )% Mđm Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục ngoạm đạt tới 50% Mđm Đối với đông cơ di chuyển xe con bằng(30-50)% Mđm Đối với động cơ di chuyển xe cầu bằng (50 - 55 )% Mđm.

Các động cơ truyền động điện đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có tần

số đóng điện lớn Đa số các cầu trục đều làm việc trong điều kiện môi trường nặng nề, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảo chiều

Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đươc xác định từ yêu cầu công nghệ, chức năng của cầu trục trong dây chuyền sản xuất Cấu tạo và kết cấu của cầu trục rất đa dạng Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệ thống truyền động điện phải phù hợp với từng loại cụ thể

Từ những đặc điểm trên ta có những yêu cầu cơ bản với hệ thống truyền động cho các cơ cấu của cầu trục như sau:

- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản

- Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế dễ dàng

- Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, quá tải và ngắn mạch

- Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật được định sẵn

- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ riêng biệt, độc lập

- Có công tắc hành trình hạn chế quá trình tiến, lùi cho xe cẩu , xe con và hạn chế hành trình lên xuống của cơ cấu nâng hạ

- Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp

Năng suất được quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của các thiết bị và số chu kì bốc xúc trong một giờ Số lượng hành hoá bốc xúc trong mỗi một chu kì không như nhau và nhỏ hơn tải trọng định mức nên phụ tải với động cơ chỉ đạt (60 - 70)% công suất của động cơ

1.2.2 Chế độ cấp điện

Cơ cấu nâng hạ của vận thăng luôn phải di chuyển nên để cấp điện cho các thiết bị điện, người ta có 3 cách:

-Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định, loại này thường là cầu trục phân xưởng

-Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện, loại này thường dùng đối vớicầu trục dịch chuyển theo đường ray trên mặt đất

-Cung cấp điện từ máy phát diezen thường cho loại cầu trục di động trên ôtô

1.2.3 Điều kiện làm việc

Điều kiện làm việc của vận thăng 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 Môi trường làm việc rất khắc nghiệt dù trong nhà hay ngoài trời, làm việc ngoài trời phải chịu mưa gió, bụi, hơi muối các cảng biển, ẩm, nhiệt độ cao,… Trong các nhà máy có thể phải chịu ẩm, nhiệt độ cao, bụi, chịu axit, bazơ…

1.2.4 Chế độ làm việc

Chế động làm việc của các động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ là ngắnhạn lặp lại Trong một chu kì, quy trình các công việc lần lượt được diễn ra như sau: hạ bàn  căng cáp  nâng  dịch chuyển  hạ  tháo tải  nâng bàn

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 nơi lấy hàng và trả hàng

1.3 PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1.3.1 Một số phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ

1.3.1.1 Điều chỉnh điện áp stator dùng thyristor

Khi điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ thì các thông số còn lại không thayđổi và độ trượt s = const, phương pháp này có phạm vi điều chỉnh tốc độ và momen hẹp nên ngày nay ít sử dụng.

1.3.1.2 Điều chỉnh xung điện trở mạch roto

Phương pháp này điều chỉnh điện trở phụ nối vào rotor của động cơ không đồng bộ roto dây quấn, có kết cậu mạch lực và mạch điều khiển đơn giản, dễ thực hiện

Đặc điểm :

- Momen khởi động lớn

- Hiệu suất thấp

1.3.1.3.Điều chỉnh công suất trượt

Phương pháp này thực hiện với động cơ roto dây quấn Thực chất của phương pháp này là công suất điện được cấp 100% cho động cơ phía stato, với phụ tải định trước, để điều chỉnh giảm tốc độ, ta lấy bớt công suất phía roto được biến đổi trả lại lưới

Đặc điểm:

- Hiệu suất của hệ cao hơn so với phương pháp điều chỉnh xung điện trởroto

- Mạch phức tạp về cấu trúc

- Độ chính xác của phương pháp thường không cao

- Giá thành của hệ cao

1.3.1.4 Điều chỉnh tần số

Phương pháp điều chỉnh tần số nguồn cungcấp được sử dụng cho động cơ không đồng bộ cho đến nay vẫn là phương pháp tốt nhất, vì nó điều chỉnh trực tiếp công suất điện đầu vào động cơ, đặc tính cơ có độ cứng không thay đổi trong dải điều chỉnh rộng Với sự phát triển công nghiệp điện tử công suất, giá thành các bộ biến đổi ngày càng hạ, tính năng kỹ thuật ngày càng nâng cao, nên

hệ điều khiển tần số được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

1.3.2 Các phương pháp điều chỉnh tần số động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

1.3.2.1 Khái quát nguyên lý điều chỉnh tần số động cơ KĐB

p là số đôi cực từ của động cơ

Do vậy khi tần số thay đổi sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ

1.3.2.2 Điều khiển vô hướng

Phương pháp điều khiển vô hướng dựa trên việc điều khiển từ thông stato

s

 thông qua các giá trị biên độ của đại lượng điện áp và dòng điện stato Thực

tế được ứng dụng trong công nghiệp có hai loại gồm:

- Điều khiển điện áp – tần số sao cho từ thông stato s là hàm của momen tải, phương pháp này dễ thực hiện, có hiệu quả là tổn thất Pnhỏ, lượng tiêu thụcông suất phản kháng luôn luôn nhỏ hơn hoặc bằng công suất phản kháng định mức Tuy vậy ổn định tốc độ thấp gặp khó khăn

- Điều chỉnh điện áp tần số hoặc tần số dòng điện sao cho từ thông stator

s

 luôn luôn không đổi ở toàn dải điều chỉnh Phương pháp này dễ thực hiện, tuy vậy tổn thất công suất P và lượng tiêu thụ công suất phản kháng Q không phải là nhỏ Ổn định tốc độ khó khăn, do vậy điều khiển vô hướng được sử dụngtrong công nghiệp khi yêu cầu không điều chỉnh sâu tốc độ

1.3.2.3 Điều khiển vecto tựa từ thông roto

Phương pháp này dùng công cụ biến đổi vecto để ước lượng đại lượng vecto từ thông r và điều chỉnh nó Còn mômen động cơ điều chỉnh qua thành phần vecto dòng stato I s Như vậy phương pháp này coi roto là phần cảm, stato

là phần ứng và được phân ly với nhau giống như máy điện một chiều kích từ độc

lập Phương pháp này đòi hỏi phức tạp nên yêu cầu công cụ điều khiển số mạnh,

độ tác động không cao do mô hình phức tạp phải thực hiện phép quay tọa độ và vẫn phải điều khiển momen gián tiếp qua điều khiển các thành phần dòng điện Động cơ làm việc ổn định rất tốt ở tốc độ cận không

1.3.2.4 Phương pháp điều khiển trực tiếp momen

Phương pháp này dựa trên điều khiển vị trí vecto từ thông stato s để điều khiển momen động cơ Để thực hiện phương pháp này cần dựa trên phép biến đổi vecto để xác định độ lớn và vị trí vectos, thay đổi vecto điện áp stator U s

để thay đổi vị trí vecto s

Phương pháp này có ưu điểm là chỉ cần quan tâm tới các đại lượng vecto stato, không cần xác định vị trí roto nên đơn giản, điều khiển vị trí vecto sthông qua hàm đóng cắt tranzito lực của nghịch lưu nên đáp ứng momen nhanh Nhược điểm của phương pháp này là do bộ điều chỉnh từ thông và momen là ON/OFF hai hoặc ba vị trí dẫn đến các xung momen động cơ, nên khi làm việc ởtốc độ thấp khó ổn định

 Kết luận: Do yêu cầu công nghệ của cầu trục là tốc độ đáp ứng momen

nhanh, không cần đáp ứng momen phẳng và ổn định, do đó phương pháp điều khiển trực tiếp momen (DTC) là phương pháp điều khiển phù hợp nhất

CHƯƠNG II LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN BỘ TRUYỀN

ĐỘNG

Đồ án I với đề tài: “Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng nâng hàng” với

các thông số yêu cầu như sau:

 Chiều cao nâng: 8 m

 Hiệu suất bộ truyền: 0,85

 Momen quán tính cơ cấu: 1,85 kg/m2

 Chu kỳ làm việc: 179s

2.1 Chọn động cơ

2.1.1 Chọn loại động cơ điều khiển

Động cơ một chiều có ưu điểm điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng, độ chính xác cao khả năng chịu được quá tải lớn tuy nhiên giá thành của động cơ một chiều cao hơn so với xoay chiều, nguồn sử dụng là một chiều phải thông qua bộ biến đổi

Động cơ xoay chiều có ưu điểm cấu tạo đơn giản, đặc biệt là động cơ roto lồng sóc So với động cơ một chiều, động cơ không đồng bộ có giá thành hạ, vận hành tin cậy, chắc chắn hơn Ngoài ra động cơ không đồng bộ cơ thể dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ

và khống chế các quá trình khó khăn

Dựa vào những yêu cầu về công nghệ, truyền động của cầu trục như là: làmviệc ở chế độ ngắn hạn lắp lại, động cơ trong quá trình làm việc đảo chiều quay liên tục, yêu cầu về độ chính xác không quá cao và những ưu, nhược điểm của các động cơ vừa nêu trên, ta lựa chọn hệ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ cầu trục là động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha, cụ thể là động cơ không đồng

bộ roto lồng sóc

2.1.2 Xây dựng đồ thị phụ tải cơ cấu nâng hạ

Giả sử chiều cao của phân xưởng là 8m, cần di chuyển một vật từ vị trí A đến vị trí B, coi thời gian di chuyển của xe cầu và xe con là 60s, thời gian để tháo hoặc lắp tải trọng khi nâng hoặc hạ là 10s

Hình 2.1 Đồ thị phụ tải của cơ cấu nâng hạ

Tốc độ khi nâng tải định mức là Vn = 0,2 m/s

Tốc độ khi hạ tải định mức là Vh = 0,3 m/s

Tốc độ khi nâng-hạ không tải là 0,5 m/s

Vậy thời gian nâng với tải định mức là

8 40

0, 2

n n

h t V