THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN PWM CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG

Nâng hạ hàng dùng biến tần PWM

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC GIÀN XẾP CONTAINER 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC GIÀN XẾP DỠ CONTAINER 3

1.1.1 Cấu tạo cầu trục 3

1.1.2 Đặc điểm cấu trúc và thông số kĩ thuật của cầu trục giàn RTG 5

1.2.GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẤP NGUỒN CHO CẨU GIÀN11 1.2.1 Hệ thống điều khiển cấp nguồn cho các phụ tải của cầu trục giàn RTG 11 1.2.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện cấp nguồn cho cầu trục 14

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN PWM CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG 19

2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG 19

2.1.1 Xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng hạ 19

2.1.2 Chọn công suất động cơ 25

2.1.3 Sơ đồ nguyên lý điều khiển cơ cấu nâng hạ hàng 28

2.2 CHỨC NĂNG CÁC PHẦN TỬ TRONG SƠ ĐỒ 31

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SƠ ĐỒ 33

CHƯƠNG 3 VIẾT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ 35

3.1 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ 35

3.1.1 Khái quát về biến tần PWM 35

3.1.2 Mô hình mô phỏng hệ truyền động biến tần- Động cơ 36

3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN- ĐỘNG CƠ 38

3.3 ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 41

KẾT LUẬN 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng chủ nghĩa xã hội, từng bước công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước, nước ta đã thu được những thành tựu to lớn về kinh tế, xãhội Gắn liền với sự phát triển kinh tế là sự phát triển liên tục của giao thông vận tảinói chung và vận tải thuỷ nói riêng

-Trong các hình thức vận tải thì hình thức vận chuyển hàng hoá bằng container

là một hình thức vận chuyển tiên tiến, được áp dụng rộng rãi trên thế giới Với tầmquan trọng như vậy, việc tìm hiệu nắm vững nguyên tắc hoạt động cũng như quytrình vận hành cầu giàn container là một nhiệm vụ rất quan trọng đối với những cán

bộ quản lí, phụ trách kĩ thuật, từ đó có thể đưa ra các phương án khai thác, bảodưỡng hợp lí các thiết bị trong hệ thống

Trong quá trình học tập môn trang bị điện em đã được giao đề tài thiết kế mônhọc: “Nghiên cứu tổng quan về cơ cấu nâng hạ cầu trục giàn bốc xếp container.Thiết kế hệ truyền động điện dùng biến tần PWM cho cơ cấu nâng hạ hàng ”

Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Phạm Văn Toàn và các thầy cô giáotrong khoa cùng sự giúp đỡ của các bạn, em đã hoàn thành bản thiết kế này Trongquá trình làm đồ án, mặc dù đã rất cố gắng nhưng do khả năng có hạn nên bản thiết

kế không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự chỉ bảo đónggóp của các thầy, cô giáo và các bạn để bản thiết kế được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 10 tháng 5 năm 2013 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Khắc Luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC GIÀN XẾP CONTAINER

1.1 TỔNG QUAN VỀ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC GIÀN XẾP DỠ CONTAINER

1.1.1 Cấu tạo cầu trục

Hình 1.1 Cấu tạo cầu trục

Cấu tạo đơn giản của một cầu trục gồm: Palăng, móc treo tải, dầm trụcchính, đường ray, bảng điều khiển, ray chạy dọc

Cầu trục gồm có 3 bộ phận chính:

- Xe cầu: Gồm dầm chính và khung giàn chính được chế tạo bằng thép đặt cáchnhau một khoảng tương ứng với khoảng cách bánh xe của xe con Hai đầu cầuđược liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành khung chữ nhật trong mặt phẳngngang Các bánh xe của các cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khungchữ nhật tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suất nhà xưởng

- Xe con: Trên xe con đặt cơ cấu nâng và cơ cấu di chuyển xe con Tùy theo côngdụng của cầu trục mà trên xe con có một hoạc hai cơ cấu nâng Xe con có thể di

chuyển dọc trên xe cầu tạo điều kiện cho cầu trục có thể di chuyển được trong suấtchiều ngang phân xưởng

- Cơ cấu nâng hạ: Thường có tang cắt thành rãnh xoắn hai chiều để cuộn cáp nâng

và hạ Cuối hai đầu cáp thường mắc palăng để đảm bảo nâng hạ trọng tải theophương thẳng đứng Toán bộ cơ cấu tang, hộp biến tốc, động cơ được đặt trên xecon

- Cơ cấu phanh hãm:

Hình 1.2 Cơ cấu phanh hãm

Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu trục.Phanh dùng trong cầu trục có ba loại: Phanh gốc, phanh đĩa và phanh đai Nguyên

lí hoạt động của ba loại phanh này tương đối giống nhau Phanh đai được mô tảnhư sau:

- Chuyển động theo phương thẳng đứng là chuyển động nhờ cơ cấu nâng hạ đặttrên xe con.

- Chuyển động dọc theo phân xưởng là chuyển động của xe cầu

- Chuyển động ngang theo phân xưởng là hệ thống chuyển động đặt trên xe con

1.1.2 Đặc điểm cấu trúc và thông số kĩ thuật của cầu trục giàn RTG

a) Đặc điểm chung

Cầu trục giàn RTG chuyển tải Mitsui Paceco là loại cầu trục bánh lốp tự hành,hoạt động độc lập, sử dụng động cơ điezel lai máy phát điện Nó được dùng trongxếp dỡ tại các bãi container

Người vận hành có thể nhìn thấy tất cả từ cabin lái Một tấm gương treo dướikhung càng cabin sẽ tăng cường khả năng quan sát Mọi chức năng vận hành đượcthực hiện bởi người vận hành từ cabin lái Động cơ điezel lai máy phát cấp nguồnđược khởi động sau khi người vận hành đã kiểm tra các điều điều kiện làm việc củacầu trục Cầu trục RTG được trang bị kỹ thuật điều khiển hiện đại, độ tin cậy vànăng suất cao

b) Cấu trúc giàn và vị trí lắp đặt thiết bị của cầu trục RTG

Cấu trúc giàn của cầu trục RTG được thể hiện trên hình 5.2 gồm các bộ phận chínhsau đây:

Hình 1.3 Vị trí các thiết bị trên giàn

1 , 2 , 3 , 4 - chân của cầu trục; 5 - xà đỡ cho cơ cấu xe con và nâng hạ hàng;

6 - xe con; 7 - Buồng lắp đặt thiết bị điều khiển chính; 8 - Kẹp dây cấp nguồn chocác cơ cấu lắp phía trên; 9 - Buồng điều khiển xe con; 10 - Buồng Diêzel – Máyphát; 11 - Hộp đấu dây; M1,M2 - Động cơ di chuyển giàn

c) Các thông số kĩ thuật của cầu trục giàn RTG

* Các thông số chính

Loại cầu trục: Cầu trục cổng bánh lốp tự hành, loại có xe con di chuyển

Sức nâng lớn nhất khi dùng khung cẩu: 35,6 tấn

Chế độ thử tải: 125% sức nâng lớn nhất

Loại container: ISO 40 FEET (IAA, 1AAA)

ISO 20 FEET (ICC);

Khung cẩu : Khung cẩu kiểu ống lồng 20’, 40’

Hành trình xe con : 19,07m

Chiều cao nâng : 15,24

Cơ sở xe (khoảng cách trục bánh xe) : 6,4 m

Số lượng bánh xe cầu trục : 8 bánh (2 bánh/cụm chân)

Áp lực lên bánh xe (khi không có tải trọng gió)

Với tải trọng danh định (35,6 tấn) : xấp xỉ 26,9 tấn/bánh

Khi không tải : xấp xỉ 18,8 tấn/bánh

1 Cầu trục được cung cấp bởi hệ thống điezel – máy phát điện

2 Động cơ điezel chính : Cummins

- Loại động cơ : kiểu NTA855-G2

- Loại vận hành : 4 kỳ, làm mát bằng nước và quạt gió tự lai

3 Mạch động cơ xoay chiều : AC 440V, 60Hz, 3 pha

4 Mạch điều khiển : AC 100V, 60Hz, 1 pha

8 Nguồn năng lượng dự phòng : AC 220V, 50Hz, 1 pha

Cơ cấu di chuyển xe con 1 Phanh đĩa điện từ 1 chiều

Cơ cấu di chuyển cầu trục 1 Phanh đĩa điện từ 1 chiều

Cơ cấu nghiêng 1 Phanh đĩa điện từ xoay chiều

*) Thông số kĩ thuật cơ bản của máy phát điện xoay chiều và động cơ điện sử dụng trên cầu trục RTG

Bảng 1.2: Các thông số kĩ thuật của máy phát điện và động cơ

Vậtliệucáchđiệncấp F

Đồngbộ

TEFC

30phút TEN

V

CấpE

Liên

Chốngthấm

Cấp F

Động

cơ cóMomenlớn

4

1.2.GIỚI THIỆU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẤP NGUỒN CHO CẨU GIÀN 1.2.1 Hệ thống điều khiển cấp nguồn cho các phụ tải của cầu trục giàn RTG

Hình 1.4 Sơ đồ điện nguyên lý cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục RTG.

a) Chức năng các phần tử của hệ thống điều khiển cấp nguồn

Sơ đồ nguyên lý điều khiển cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục RTG được biểudiễn trên hình 1.4 Chức năng của các thiết bị điều khiển chính như sau:

ACG: Máy phát xoay chiều.

DE: Động cơ Diezel lai máy phát.

EX: Cuộn kích từ.

AVR: Thiết bị điều chỉnh tự động dòng kích từ.

FU: cầu chì bảo vệ ngắn mạch.

UV: Cuộn dây của rơ le bảo vệ thấp áp.

PMW: các bộ biến tần dùng điều chỉnh tốc độ động cơ.

IM: Các động cơ truyền động chính.

PG: Cảm biến tốc độ.

B: Phanh hãm dừng.

M: Các động cơ phụ.

MCB: Các cầu dao.

OL: Các rơle nhiệt.

b) Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển cấp nguồn cho các phụ tải

Để đưa toàn bộ hệ thống vào làm việc thì trước hết ta phải khởi động máy phát

điện xoay chiều ACG Khi máy phát đã làm việc ổn định thì ta đóng cầu dao

MCB1 để kiểm tra điện áp, tần số do máy phát phát ra, đồng thời cấp nguồn cho bộ

điều khiển máy phát xoay chiều Tiếp đến đóng cầu dao MCB2 cấp nguồn cho hệ

thống đo lường gồm máy biến dòng, máy biến điện áp, vônkế, ampekế Khi các

thông số đo được ở trạng thái bình thường thì cho phép đóng cầu dao MCB3: cấp nguồn cho các bộ biến tần INV1, INV2, INV3 Bộ biến tần INV1, INV2 cấp nguồn cho các động cơ nâng hạ và di chuyển xe cầu Bộ biến tần INV3 cấp nguồn

cho động cơ di chuyển xe con

Cầu dao MCB4 đóng cấp nguồn cho các cơ cấu phụ Đóng cầu dao MCB6 qua các bộ chỉnh lưu cấp điện cho cơ cấu phanh hãm dừng Cầu dao MCB7 cấp nguồn cho các động cơ bơm hơi cho hệ thống lái Đóng MCB8, MCB9 cấp nguồn cho hệ thống chống lắc, nếu lắc bên trái thì bộ tiếp điểm R tác động để kéo lệch về bên phải và ngược lại Qua các cầu dao phụ MCB = 1 cấp nguồn tới các quạt làm

mát, các động cơ chống lắc, quạt gió cho động cơ nâng, bơm thuỷ lực, phanh cho

cơ cấu nâng và xe con…

Đóng cầu dao MCB10, MCB11, MCB12 cấp nguồn cho: nguồn điều khiển chính 200V, nguồn PLC 200V, cuộn điều khiển, bộ điều khiển AC100V, bàn điều

khiển các thiết bị làm mát, các thiết bị chiếu sáng, đèn báo cho cầu trục, nguồn dựphòng, chiếu sáng cabin, xe con

Hệ thống điều khiển động cơ Diezel dùng nguồn một chiều DC24V Hệ

thống điều khiển động cơ Diezel được thiết kế hoàn toàn tự động bao gồm: Chươngtrình khởi động, kiểm tra, báo động và bảo vệ

1.2.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện cấp nguồn cho cầu trục

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện cấp nguồn cho cầu trục

a) Chức năng các phần tử của hệ thống điều khiển máy phát điện

Toàn bộ điện nguồn của cẩu trục RTG được cung cấp từ tổ máy phát đồng

bộ, động cơ sơ cấp là diesel Sơ đồ nguyên lý điều khiển trạm phát điện được biểubiễn trên hình 5.4

ACG: Máy phát điện đồng bộ ba pha có các thông số kỹ thuật sau:

Công suất: 450 kVA

AVR: Bộ tự động điều chỉnh điện áp.

R 2 : Chiết áp điều chỉnh độ lớn điện áp ra.

PTQA,B: 2 máy biến áp 1 pha 440/110; 50 VA được mắc với nhau cấp nguồn 3

pha 110/60 Hz cho mạch đo lường

PB1, N2: 2 trục đấu dây cấp nguồn DC 24V cho mạch điều khiển.

1 MCB: Aptomat chính cấp nguồn động lực từ máy phát tới các cơ cấu.

2 MCB: Aptomat cấp điện cho mạch đo lường.

Có 2 tiếp điểm thường mở đóng chậm 1T(02-2C); 1T(02-5B).

GB: Rơle một chiều điều khiển bật AVR, có một tiếp điểm thường mở

GB(01-4C).

GBT: Rơle thời gian một chiều có 2 tiếp điểm thường mở đóng chậm

GBT(02-4B); GBT(02-4C): Khống chế thời gian đóng AVR.

FAL: Rơle một chiều báo sự cố có 1 tiếp điểm thường mở FAL(02-5A);

2 tiếp điểm thường đóng FAL(02-5D); FAL(02-2C).

RL1: Đèn báo sự cố.

Các tiếp điểm đặc biệt của các rơle trong mạch điều khiển diesel:

Tiếp điểm thường mở 13L(02-2B) đóng khi tốc độ diesel đạt 1530vg/ph.

13L(102-4D):

- Tiếp điểm thường mở 15U cuộn dây 15U(101-7D).

- Đóng ở chế độ có tải (RATED), mở ở chế độ không tải IDLE.

- Tiếp điểm thường đóng 5Z (cuộn dây 5Z) mở khi dừng diesel.

- PB1: Nút ấn RESET.

b) Nguyên lý làm việc sơ đồ điện nguyên lý điều khiển máy phát đồng bộ

Sau khi thực hiện những thao tác khởi động động cơ diesel lai máy phát Khi

tốc độ động cơ diesel đạt 1530 vg/ph thì tiếp điểm 13L đóng cấp điện 24V-DC cho rơle thời gian 1T, đồng thời lúc này áp suất dầu bôi trơn đã đủ nên tiếp điểm 15U

cũng đóng lại đưa hệ thống vào trạng thái sẵn sàng hoạt động

Khi máy phát đã làm việc ổn định tần số điện áp ra nằm trong khoảng từ 90%

đến 110% tần số định mức thì lúc đó các cảm biến LV, OV chưa tác động nên các tiếp điểm thường mở LV(01- 4D) = 0, OV(01- 4D) = 0 Mặt khác khi U ra 

UV(01-5D) = 0 cho nên FAL = 0 đưa hệ thống vào làm việc bình thường

Khi rơle 1T có điện thì sau 5s đặt trước tiếp điểm 1T(02-2D) đóng lại cấp điện cho rơle thời gian GBT và các rơle trung gian GB, sau một khoảng thời gian đã được đặt trước thì tiếp điểm GBT(02-3D) và tiếp điểm GB(02-3D) đóng lại cấp điện cho bộ điều chỉnh điện áp kích từ AVR, lúc này máy phát được kích thích bởi cuộn kích từ EX, cuộn EX được cấp nguồn bởi bộ điều chỉnh AVR Điện áp đầu vào AVR được lấy từ máy phát và điện áp này được so sánh, điều chỉnh với một đại lượng đặt sẵn trong AVR Nếu điện áp ra của máy phát cao hơn đại lượng cho phép thì bộ điều chỉnh AVR điều khiển cuộn kích từ EX giảm kích từ máy phát với

mục đích làm giảm điện áp ra của máy phát, ngược lại, nếu điện áp ra nhỏ hơn đại

lượng cho phép thì cuộn EX tăng kích từ cho máy phát.

Rơle sự cố FAL(02- 4D) có điện khi điện áp ra của các pha lệch nhau, tiếp điểm OV, LV đóng hoặc khi tần số điện áp ra thấp, tiếp điểm UV đóng Rơle FAL

(02- 4D) có điện ngắt nguồn của rơle GB qua tiếp điểm FAL(02-2D) Ngắt AVR ra

khỏi hệ thống

Nếu hệ thống không có sự cố, điện áp ra của máy phát là 470V/60Hz cấp điện

tới trụ đấu dây JB -7(03 -1A) chờ cấp nguồn động lực cho toàn bộ phụ tải của cầu

trục

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN

PWM CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG

2.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG

2.1.1 Xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng hạ

a Xác định phụ tải tĩnh

Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng chủ yếu do tải trọng của bản thân cơ cấu và vậtnâng gây ra Thường có thể chia làm hai loại cơ cấu: loại có dây cáp một đầu vàloại có dây cáp hai đầu Trong khuôn khổ đồ án này chỉ đề cập tới loại dùng cápmột đầu được sử dụng rộng rãi trong các cần trục, palăng trong các phân xưởng lắpráp

*) Phụ tải tĩnh khi nâng tải

Giả sử có cơ cấu nâng hạ như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của cơ cấu nâng hạXét một cơ cấu nâng có palăng với bội số u; hiệu suất p ; bộ truyền trung gian có tỷ số truyền chung là i và hiệu suất o

Khi động cơ quay theo chiều tương ứng, vật được nâng lên với vận tốc vn.

Lực căng của các nhánh dây nếu không tính mất mát:

Tương tự, momen trên trục II sẽ là

Tổng quát:

0 t 1

1 2 n 1 2 n p t

(G G ).RM

i=i1i2in: là tỷ số truyền chung của bộ truyền

=12n: là hiệu suất chung của bộ truyền

c=Pt là hiệu suất chung của cơ cấu

G - trọng lượng của tải trọng (kg)

G0 – trọng lượng bản thân cơ cấu nâng (kg)

Rt – bán kính tang nâng (m)

c – hiệu suất của cơ cấu nâng

u – bội số của ròng rọc (palăng)

i – Tỉ số truyển chung của cơ cấu truyền trung gian

*) Phụ tải tĩnh khi hạ tải.

Có thể có hai trạng thái hạ tải

Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng sinh ra khi không có mất mát là

Mh – momen trên trục động cơ khi hạ tải

M – mất mát trong cơ cấu truyền

h – hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải

Nếu Mt >M ta có trạng thái hạ hãm; còn nếu Mt < M ta có trạng thái hạ động lực.Nếu coi mất mát trong cơ cấu khi nâng và khi hạ tải là như nhau thì:

   

Đối với những tải trọng tương đối lớn (tương ứng với c > 0,5)

Ta có : h >0, Mh >0 Điều này có nghĩa là momen động cơ ngược chiều vớimomen phụ tải, động cơ làm việc ở trạng thái hãm (hạ hãm) Khi tải trọng tương

đối nhỏ c <0,5 thì h < 0; Mh <0 Điều này có nghĩa là momen động cơ cùng chiềuvới momen phụ tải để cùng khắc phục lực ma sát trong cơ cấu truyền lực.

Từ (2.16) ta suy ra momen hạ không tải:

*) Tổng kết các công thức cần thiết dùng trong tính toán cơ cấu nâng-hạ

Từ phân tích đặc điểm công nghệ của cơ cấu cần trục nâng-hạ, ta nhận thấy chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng thường bao gồm các giai đoạn: Hạ không tải, nângtải, hạ tải và nâng không tải Giữa các gia đoạn đó có những thời gian nghỉ Dựa vào nhiệm vụ cụ thể của cơ cấu mà xác định chu kỳ làm việc Dưới đây xin tổng kết lại các công thức cần thiết trong tính toán cơ cấu này

Giai đoạn hạ không tải:

M P

1000





(kW)(2.22)