Nghiên cứu khái quát về cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp container.Thiết kế hệ thống giám sát truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu nâng hạ hàng

Lời nói đầuTrong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưalại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoácủa mỗi đất nước.Bên cạnh những

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưalại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoácủa mỗi đất nước.Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lýthuyết về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xâydựng các nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong côngnghiệp.Là một nước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệphiện đại với nhiệm vụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình côngnghiệp hoá hiện đại hoá, đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều nhữngứng dụng mạnh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sảnxuất để đưa lại năng suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nướctrong khu vực và thế giới

Hiện nay ở tất cả các cảng biển cũng như ở rất nhiều xí nghiệp kinh tếkhác thì cầu trục ,cần trục đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trong việcbốc xếp hàng hoá.Chính vì vậy mà việc thiết kế điều khiển truyền động điện cho các cơ cấu của cầu trục ,cần trục cũng đống vai trò quan trọng Dưới đây

em xin trình bày việc thiết kế ,điều khiển ,mô phỏng cho hệ truyền động điện cơ cấu nâng hạ hàng cho cầu trục

Chương 1:

Tổng quan về cơ cấu nâng hạ hàng của họ

cầu trục giàn

1.1.Khái quát chung về thiết bị nâng vận chuyển

Mức độ cơ giớ hoá và tự động hoá máy móc trong quá trình sản xuất luôn có một vai trò quan trọng trong sự phát triển nền kinh tế của đất

nước Cùng lúc đó số lượng hàng hoá vận chuyển trong các nhà máy ,trong các hải cảng ngày càng nhiều và với số lượng lớn hơn đòi hỏi một loạ máy móc chuyên dùng để có thể đạt được năng suất cao nhất.Việc sử dụng hệ thống máy nâng vận chuyển sẽ tiết kiệm được thời gian làm việc của nhân công trọng các công trình

Loại máy này nhìn chung rất đa dạng ,nó được phân ra làm nhiều nhóm khác nhau ,phụ thược vào đặc điểm của từng loại hàng hoá cần vận chuyển :

+ Phân loại theo phương vận chuyển hàng hoá:

- Vận chuyển theo phương thẳng đứng (Thang máy)

- Vận chuyển theo phương ngang (băng truyền,băng tải …)

- Vận chuyển theo mặt phẳng nghiêng (băng truyền ,băng tải…)

- Vận chuyển theo phương kết hợp (cầu trục,cần trục….)

+ Phân loại theo cấu tạo của cơ cấu di chuyển:

- Cơ cấu di chuyển tịnh tiến

- Máy nâng vận chuyển đặt cố định

+ Phân loại theo cơ cấu bốc hàng :

- Cơ cấu bốc hàng là thùng ,gầu treo…

- Cơ cấu bốc hàng là dùng móc ,xích treo,băng

- Cơ cấu bốc hàng bằng nam châm điện

+ Phân loại hteo chế độ làm việc :

- Theo chế độ làm việc dài hạn (băng tải ,băng truyền….)

- Theo chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại (máy xúc ,thang máy…)Môi trường làm việc của máy nâng vận chuyển là rất nặng nề,thường xuyên làm việc trong tình trạng quá tải,nên các loại máy này được chế tạo với độ bền cơ khí cao,khả năng chịu quá tải lớn,năng suất máy phụ thuộc vào tải trọng của thiết bị và chu kỳ bốc xếp trong 1 giờ

1.2.Giới thiệu chung về họ cầu trục giàn

1.2.1.Đặc điểm của họ cầu trục giàn

Phần lớn các cơ cấu của cầu trục và cần trục được truyền động bời các động

cơ điện cho hệtruyền động có ba dạng:

- Cung cấp điện từ lưới qua các thanh góp điện cố định loại này thường là cầu trục phân xưởng.13

- Cung cấp điện từ lưới qua các cuộn cáp điện loại này thường t đối với cầu trục và cần trụcdịch chuyển theo đường ray trên mặt đất

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

Môi trường làm việc:

Phần lớn môi trường làm việc của cầu trục cần trục rất khắc nghiệt Thí dụ trong các nhàmáy cơ khí luyện kim môi trường làm việc cầu trục nóng ẩm nhiều bụi Trên cảng biển câu trụccần trục phải làm việc ngoài trờichế độ

làm việc cầu trục và cần trục là chế độ ngắn hạn lặp lại, khởi động, hoãn thường xuyên.

Yêu cầu về điều khiển:

- Tất cả truyền động cho các cơ cấu đêu cần phải điều chỉnh tốc độ, lực và gia tốc Hàng hoáđược dịch chuyển theo quỹ đạo trong không gian, cho nên thường phải phối hợp hai hoặc batruyền động cùng một lúc

- Chuyển dịch hàng hoá không gây va đập và không gian dao động quá mức,phụ tải vượt sốtruyền động, mômen quán tính thay đổi do thay đổi tầm với

và góc nâng cầu Điều này dẫn đến cầu cảnh báo quá tải khi tầm với xa và góc nâng lớn Sự biến đổi phụ tải gây nên tác động kênh giữa các cơ cấu nhưnâng hạ quay cầu và thay đổi tầm với

Yêu cầu về phụ tải

Đối với cơ cấu nâng hạ: Mômen không tải khi nâng móc câu Mc0 (15-20%) Mđv còn khi gầu ngoạm Mc0 cỡ +50%Mđm Khi hạ tải do cũng t của lực

ma sát nên phụ tải sẽ biến đổi từ -(15- 20)% đến + 0,8 Mđm

Đặc tính phụ tải của cơ cấu nâng

Đối với cơ cấu dịch chuyển, do mômen cản tính và tự trọng nên, vì vậy mômen cản không tải là : Mc0= (30-50%)Mđm đối với xe con, Mc0= (50-55%)Mđm đối với xe cầu

Đặc tính phụ tải cơ cấu dịch chuyển

Đối với truyền động điện cho các cơ cấu di chuyển của cầu trục – cần trục phải đảm bảo khởi động động cơ ở chế độ toàn tải đặc biệt mùa đông khi môi trường làm tăng mômen ma sát trong các ổ đỡ dẫn đến làm tăng đáng kểmômen cản tĩnh MC

Quan hệ Mc = f(ω) khi khởi động các cơ cấu di chuyểnω) khi khởi động các cơ cấu di chuyển) khi khởi động các cơ cấu di chuyển

Trên đồ thị ta thấy: Khi  = 0, MC lớn hơn 2 2,5 lần ứng với tốc độ định mức

Đối với các động cơ truyền động cho các cơ cấu nâng hạ hàng mômen thay đổi theo tải rất rõ rệt Khi không có tải trọng ( Khi không tải ), mômen động

cơ không vượt quá (15 20)%.Mđm, đối với cơ cấu nâng của cần trục gầu

ngoạm đạt tới 50%.Mđm, đối với cơ cấu di chuyển xe con bằng (30

50)%.Mđm, đối với cơ cấu di chuyển xe cầu bằng (50 55)%.Mđm.

Trong các hệ truyền động các cơ cấu của cần trục – cầu trục, yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc xẩy ra phải êm, đặc biệt là đối với các cần trục– cầu trục thiết kế cho nâng chuyển container và bốc xếp hàng hoá, lắp ráp thiết bị máy móc Bởi vậy, mômen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kỹ thuật an toàn Năng suất của cầu trục – cần trục được quyết định bởi hai yếu tố: Tải trọng của thiết bị và số chu kỳ bốc xếp trong một giờ Thường số lượng hàng hoá bốc xếp trong một chu kỳ không như nhau và nhỏ hơn trọng tải định mức, cho nên phụ tải của động cơ chỉ đạt(60 70 )% công suất định mức của động cơ

Mô men động cơ phụ thuộc vào tải trọng 1- Động cơ di chuyển xe cầu, 2- Động cơ di chuyển xe con, 3- Động cơ nâng

hạ.

Do điều kiện làm việc của cần trục và cầu trục hết sức nặng nề thường xuyênlàm việc trong chế độ quá tải vì vậy cần trục – cầu trục được chế tạo có độ bền và hệ số dự trữ của các cơ cấu cơ khí lớn để chịu quá tải.

1.2.2.Cấu trúc và bố trí thiết bị trên cầu trục giàn

1.Ca bin điều khiển đặt trên xe con

2.Xe con:Nơi đặt các tay điều khiển cho các cơ cấu và hệ thống báo động Xe con chạy trên các xà và chỉ chuyển động tiến lùi Xe bị hạn chế bởicác Limit trong khoảng Lmax Chỉ dùng một động cơ truyền động cho xe con Đây là nơi lắp đặt động cơ nâng hạ và động cơ chống lắc…

3.Thiết bị đặc chủng gắn vào sợi cáp của cơ cấu nâng.Dùng để chống lắc ngang ,lắc dọc khi cầu hay xe chuyển động và điều khiển ngoạm hay nhảcontainer

4.Cấu trúc khung cầu trục bằng thép

5.Buồng chứa thiết bị điện

6.Tổ hợp Diezel –MF và nhiên liệu

7.Hệ thống bánh lốp gồm 8 bánh được truyền động bằng hai động cơ đặt chéo nhau ở phía chân cầu trục,mỗi động cơ truyền động cho 4 bánh xe.Quá trình truyền động tới bánh xe nhờ một động cơ ,một hộp giảm tốc và một xích lăn Các động cơ này được cấp nguồn từ biến tần gián tiếp và hoạt động đồng thời với nhau Ngoài khả năng chuyển động tịnh tiến thì cầu trục còn có thể quay,để điều khiển cho cầu trục quay thì người ta sử dụng động

cơ xoay chiều,bơm dầu thủy lực kết hợp với hệ thống van điện từ ,xy lanh làm cho hệ thống bánh lốp có thể quay một góc tối đa là 900

*Cơ cấu nâng được lắp trên khung xe con là hệ thống truyền động cho tời quán cáp thông qua hộp giảm tốc ,bánh răng và 1 động cơ điện xoay chiều

Hệ thống truyền động cho cơ cấu được mô tả cụ thể:

Khớp nối trục động cơ và hộp giảm tốc ở đây sử dụng khớp đàn hồi ,có khả năng giảm được chấn động và va đập khi mở máy và khi phanh đột ngột

1.3.Hệ thống điều khiển truyền động điện cho cầu trục

1.3.1.Khái quát các yêu cầu cho hệ thống điều khiển truyền động điện cho cầu trục

Hệ truyền động điện của cơ cấu nâng hạ hàng đóng vai trò rất quan trọng đốivới họ cầu trục,cần trục.Chính vì vậy mà hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ hàng phải đảm bảo dược các yêu cầu sau:

+ Hệ thống nâng hạ hàng cần đảm bảo tốc độ nâng vận chuyển đối với tải trọng định mức :

Tốc độ nâng vận chuyển có liên quan đến năng suất xếp dỡ của cầu trục do

đó tốc độ nâng vận chuyển của cơ cấu nâng hạ hàng được tính toán sao cho tối ưu nhất.Nếu tốc độ này thấp quá thì sẽ làm giảm năng suất làm việc của cầu trục.Ngược lại nếu tốc độ nâng hạ quá cao thì các bộ truyền cơ khí phải được thiết kế chắc chắn ,dẫn đến kích thước của thiết bị tăng lên,giá thánh cũng tăng lên…

Ngoài ra đối với hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ hàng thì việc hãm ,dừng

là rất quan trọng vì vậy tốc độ nâng hạ cần được tính toán sao cho đảm bảo được thời gian hãm dừng

+ Có khả năng thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng

Đây là điều kiện cần thiết để nâng cao năng suất bốc xếp đồng thời thoả mãncông nghệ bốc xếp với nhiều loại hàng hoá

Số cấp tốc độ cho các cơ cấu điều khiển chuyển động của cần trục ít nhất là

3 cấp tốc độ.Cấp tốc độ thấp nhằm thoả mãn công nghệ khi nâng hàng và hạ hàng chạm đất ,cấp tốc độ cao là tốc độ tối ưu cho từng cơ cấu ,giữa 2 cấp tốc độ này thường được thiết kế thêm các tốc độ trung gian để thoả mãn

công nghệ công nghệ bốc xếp hàng hoá cũng như sự ổn định làm việc của cầu trục

+Có khẳ năng rút ngắn thời gian quá độ

Cơ cấu làm việc của cầu trụ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại nên có hệ số đóng điện tương đối ε%=40% vì vật thời gian quá độ chiếm hầu hết thời gian làm việc Do đó việc rút ngắn thời gian quá độ là biện pháp nâng cao năng xuất làm việc của cầu trục

+ Có trị số hiệu suất và cosφ cao

+ Đảm bảo an toàn hàng hoá

Đây là yêu cầu cao nhất khi vận hành và khai thác cầu trục đẻ thực hiện được điều này thì người ta đưa ra các giả pháp:

Có quy trình vận hành ,công tác

Chọn hệ số dự trữ hợp lý

Hệ thống điều khiển cần có hệ thống giám sát và bảo vệ tự động

Hệ thống điều khiển bắt buộc phải có các bảo vệ sự cố ,có phanh hãm

an toàn

+ Điều khiển tiện lợi và đơn giản

+ Có tính ổn định nhiệt,cơ và điện

Hệ thống cầu trục thường làm việc ở ngoài trời nên nó cần phải có khả năng

ổn định nhiệt ,cơ và điện cao

+ Tính kinh tế và kỹ thuật cao

1.3.2.Các dạng đặc tính cơ của hệ truyền động điện điều chỉnh tốc độ cho cơ cấu nâng hạ hàng của họ cầu trục giàn

1.3.2.1.Đăc tính cơ của hệ truyền động điện khi dùng động cơ 1 chiều

Đối với cơ cấu nâng hạ hàng

Đối với cơ cấu quay và di chuyển

1.3.2.2.Đăc tính cơ của cơ của hệ truyền động điện khi dùng động cơ xoay chiều roto lồng sóc:

1.3.2.3.Đăc tính cơ của cơ của hệ truyền động điện khi dùng động cơ xoay chiều roto dây quấn:

Chương 2: Thiết kế hệ thống giám sát

truyền động điện.

2.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ nâng hạ hàng cầu trục giàn

RTG.

21MCB b(32-1b)

b(31-5b) 1.6-2.6A

22MCB

b(31-6b) 4-6.3A

21M

(33-1D) (33-1D) 22MF

22MR (33-1D)

24M (15-6D)

24M (33-3D)

2MCB

a(20-4B)

24MCB

b(31-7B) 1-1.6A

HOIST MOTOR

COOLING FAN 850W 4P

SKEW MOTOR 2.2KW 4P SKEW MOTOR BRAKE FOR

HOIST BRAKE 1.43A

Hình 2.1: So do dien nguyen ly dieu khien dong co nang ha

Động cơ của cơ cấu nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lập lại Sự lựa

chọn chế độ làm việc được thực hiện bởi các nút ấn và tay trang tại bàn điều khiển trong cabin

Các thiết bị chính của cơ cấu nâng hạ:

Gồm một khung nâng có thể mở rộng từ 20 – 40fit.

Động cơ truyền động có P đm = 150kW; n đm = 1000/2230 vg/ph.

Một quạt làm mát cho động cơ nâng có P đm = 650W.

Một động cơ bơm thủy lực dùng cho chuyển đổi khung nâng có

P đm = 5.5kW.

Một động cơ phục vụ cho cơ cấu phanh

Bốn động cơ truyền động chống lắc

Bốn quạt làm mát cho bốn động cơ chống lắc có P đm = 40W.

Động cơ nâng hạ hàng được cấp nguồn từ 2 biến tần INV1,2 – FRN

75 VG 75 – 4 Điều khiển cấp nguồn từ hai biến tần giống nhau làm việc

song song INV1 qua tiếp điểm chính của công tắc tơ HM1(15 – 7D); INV2 qua tiếp điểm chính của công tắc tơ HM2(15 – 7D) Nối đồng trục với động

cơ truyền động chính là máy phát xung để phản hồi tốc độ và đưa tín hiệu về

INV1 tại ba cọc đấu dây PGM, PA, PB qua tiếp điểm thường mở của công

tắc tơ 6M1(15 – 6D); NTC – Thermister : Nhiệt điện trở đặt trong cuộn

dây stato để bảo vệ quá tải cho động cơ

BK (06 – 6E) : Phanh điện thủy lực xoay chiều (loại má phanh đĩa)

kẹp chặt trục động cơ truyền động tang nâng Cuộn phanh được câp điện 3

pha qua aptomat 24MCB, tiếp điểm thường mở của công tắc tơ 24M(5 –

6D) vad của công tắc tơ 25M(33 – 3D).

1M R

S T

BRAKING RESISTOR

u v w THR2

GM1 (15 - 7D)

COM2

XB CM

30B

30B 5CR

RC1

IM ~

6M3 (15 - 6D)

1 2 3

Hinh 2.2a : So do cap nguon cho dong co

1M R

S T

BRAKING RESISTOR

u v w THR2

GM1 (15 - 7D)

COM2

XB CM

30B

30B 5CR

6M3 (15 - 6D)

6M3 (15 - 6D) PB PA

PGM PGP

1 2 3

Hinh 2.2 b : So do cap nguon cho dong co

2.2 Chức năng phần tử trong sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ của cơ cấu nâng hạ hàng.

28THR, 31THR : Các role nhiệt bảo vệ quá tải cho quạt làm mát của

động cơ chống lắc

1M, 2M : Hai công tắc tơ chính cấp nguồn cho biến tần.

4MCB : Cầu giao chính cấp nguồn cho hệ thống.

MC – E : Tay điều khiển 11 vị trí (bên trái 5 tiến – 0 – 5 lùi).

MC – F : Công tắc tơ hai vị trí chọn độ dài khung nâng.

EMX1, EMX2 : Role trung gian phục vụ cho chế độ dừng khẩn cấp EPB3, EPB2 : Các nút dừng khẩn cấp đặt tại cabin điều khiển.

EPB4 : Nút dừng khẩn cấp đặt tại động cơ.

EPB1 : Nút dừng khẩn cấp đặt tại bàn phím bên trái.

1MA : Công tắc tơ chính cấp nguồn cho bảng điều khiển phụ.

RST1 : Đặt lại chế độ điều khiển ban đầu cho cơ cấu nâng hạ và

di chuyển xe cầu

20CR : Công tắc tơ giới hạn chiều cao nâng (tác động thì dừng hệ

thống)

INV1, INV2, INV3 : Là các tiếp điểm phụ kiểm tra trạng thái hoạt

động của các biến tần(nếu = 1 biến tần làm việc bình thường, nếu = 0 biến tần ngừng hoạt đông)

3CR, 4CR, 5CR : Các role trung gian (nếu = 0 hệ thống ngừng hoạt

động)

PL : Tiếp điểm cho phép làm việc trình tự.

7CR : Role trung gian làm việc ở chế độ chạy trình tự.

2 : Bảo vệ ở chế độ nâng dưới định mức.

32 : Dừng khẩn cấp khi nâng.

HELS : Role trung gian bảo vệ dừng khẩn cấp khi có sự cố.

24M : Công tắc tơ cấp nguồn cho phanh.

5PL : Role dùng để báo hiệu sự cố.

31.1 :Cảm biến cuối hành trình nâng(31.1 = 0 khi nâng quá cao cho

phép)

HUS : Role trung gian điều khiển dừng khi nâng quá cao cho phép 31.2 : Cảm biến cho hệ thống nâng chậm ở cuối hành trình(đến cuối

hành trình khi nâng thì 31.2 = 0)

HSL : Role trung gian điều khiển hạ chậm ở cuối hành trình.

21MCB : Cầu dao đóng nguồn cho quạt làm mát động cơ nâng 22MCB : Cầu dao cấp nguồn chính cho động cơ phanh của động cơ

23MCB : Cầu giao cấp nguồn cho động cơ bơm thủy lực.

23M : Công tắc tơ chính cấp nguồn cho động cơ bơm thủy lực 24MCB : Cầu giao cấp nguồn chính cho cơ cấu phanh.

24M,25M : Công tắc tơ chính cấp nguồn cho cơ cấu phanh.

25MCB : Cầu giao chính cấp nguồn cho các quạt làm mát động cơ