HỆ THỐNG cẩu TRỤC sử DỤNG ĐỘNG cơ điện một CHIỀU mô PHỎNG TRÊN MATLAB

Phụ tải của hệ thống cẩu trục sử dụng động cơ điện một chiều Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta thấy rằng, khi nâng tải, momen thế năng có tác động cản trở chuyển động, tức là hướng ngược

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU

MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB

Ngành: Tự Động Hóa Công Nghiệp

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Minh Quyền

Người anh hỗ trợ : Trần Lê Mân

Người thực hiện : Nguyễn Lê Hoàng Huy

TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2021

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẨU TRỤC, PHỤ TẢI DÀNH CHO CẨU TRỤC VÀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 2

1.1 Khái quát chung về cẩu trục 2

1.1.1 Cấu tạo 2

1.1.2 Phân loại 3

1.2 Phụ tải của hệ thống cẩu trục sử dụng động cơ điện một chiều 3

1.3 Máy điện một chiều là gì? 5

1.3.1 Khái quát chung về máy điện một chiều 5

1.3.2 Cấu tạo của máy điện một chiều 6

1.3.3 Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều: 7

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CHO HỆ THỐNG CẨU TRỤC 8

2.1 Phân tích đề bài cho hệ thống cẩu trục – tính toán thông số 8

2.2 Lựa chọn động cơ điện một chiều 9

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU – THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MATLAB SIMULINK 12

3.1 Thiết kế mạch nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều trên CADe-SIMU 12

3.2 Thiết lập sơ đồ tương đương để từ đó rút ra các phương trình mô tả các mối quan hệ trong động cơ điện một chiều – mô phỏng trên Matlab Simulink 12

3.2.1 Viết phương trình Kirchoff 2 cho mạch điện động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp 14

3.2.2 Phương trình momen điện từ 14

3.2.3 Phương trình cân bằng momen cơ 14

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nóichung và trong lĩnh vực điện - tự động hóa, nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thayđổi từng ngày Máy móc ngày càng được sử dụng rộng rãi và mức độ càng ngày cànghiện đại Trong đó, bộ phận máy thiết bị nâng và xếp dỡ đóng vai trò rất quan trọngtrong sản xuất và vận hàng hóa, thiết bị nâng hạ đã góp phần làm giải phóng sức laođộng, tăng nhanh năng suất lao động

Cầu trục là 1 thiết bị nâng hạ được sử dụng rộng rãi trong các nhà xưởng, do nó

có nhiều ưu điểm và kết cấu nhỏ gọn phù hợp với không gian nhà xưởng Cầu trụcđược sử dụng trong xây dựng công trình công nghiệp, trong các nhà máy luyện kim,nhà máy cơ khí, cảng biển… Đặc biệt trong nhà máy cơ khí, nhóm máy thiết bị cầutrục đóng vai trò rất quan trọng, góp phần lớn vào năng suất lao động và hiệu quả kinhdoanh

Gắn liền với việc sử dụng cầu trục là quá trình điều khiển kết hợp giữa các cơ cấusao cho đạt hiệu quả sản xuất cao nhất Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, khoahọc kĩ thuật, nhóm thiết bị này ngày càng được hoàn thiện, có tính ưu việt hơn, đápứng tốt các yêu cầu vận hành như công suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành antoàn và hiệu quả…

Em xin cảm ơn anh Trần Lê Mân đã giúp em hoàn thành bài đồ án này Do giớihạn về kiến thức nên nghiên cứu còn có nhiều hạn chế và thiếu xót Em kính mongđược sự giúp đỡ và hướng dẫn của anh để bài đồ án được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Phú Yên, thàng 10 năm 2021Sinh viên thực hiện:Nguyễn Lê Hoàng Huy

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẨU TRỤC, PHỤ TẢI DÀNH CHO CẨU

TRỤC VÀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát chung về cẩu trục

Cầu trục là các máy chuyển động trên 2 đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặctường cao để vận chuyển vật trong khoảng không gian giữa 2 dường ray đó

1.1.1 Cấu tạo

Cơ cấu nâng-hạ: Là bộ phận của cầu trục bao gồm động cơ truyền động, bộ

truyền và hệ kéo cáp vật lên, hạ vật xuống theo phương thẳng đứng (palang điện hoặcpalang tay) Bộ phận lấy hàng có thể là móc câu, gầu hoặc nam châm điện Tùy theocông dụng của cầu trục mà trên xe con có 1 hoặc 2, 3 cơ cấu nâng hạ, gồm 1 cơ cấunâng chính và 1 hoặc 2 cơ cấu nâng phụ Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm Phanhdùng trong cầu trục thường có 3 loại: phanh đĩa, phanh guốc và phanh đai

Xe cầu: Là một khung thép hình chữ nhật, được thiết kế với kết cấu chịu lực,

gồm 1 dầm chính bao quanh là dàn khung Hai đầu dầm chính liên kết cơ khí với 2dầm ngang tạo thành khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang Các bánh xe cầutrục được thiết kế trên các dầm ngang của khung để xe cầu có thể chạy dọc suốt nhàxưởng một cách dễ dàng

Xe con: Là bộ phận di chuyển trên đường ray trên xe cầu, trên đó có cơ cấu nâng

hạ và cơ cơ cấu di chuyển cho xe con

Kết hợp 2 chuyển động vuông góc của xe cầu và xe con với chuyển động lênxuống của bộ phận lấy hàng, ta có thể di chuyển vật ở mọi điểm ở trong không giancủa phân xưởng Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn điện động Dẫn độngbằng tay chủ yếu dùng trong phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thườngxuyên, không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao.

1.1.2 Phân loại

Theo bộ phận lấy hàng 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 1 giờ là 60

 Loại trung bình: TĐ% = 15÷25%, số lần đóng cắt trong 1 giờ là 120

 Loại nặng: TĐ% = 40÷60%, số lần đóng cắt trong 1 giờ là trên 240

 Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, yêu cầu chính xác không cao

 Cầu trục lắp ráp: Sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, yêu cầu độ chính xáccao

1.2 Phụ tải của hệ thống cẩu trục sử dụng động cơ điện một chiều

Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta thấy rằng, khi nâng tải, momen thế năng có tác động cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay Khi hạ tải, momen thế năng lại

là momen gây ra chuyển, tức là nó hướng theo chiều quay động

Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ:

Các trạng thái làm việc của động cơ:

Góc phần tư thứ I: Máy điện làm việc ở chế độ động cơ.

Đối với cơ cấu nâng hạ thì động cơ đang làm việc ở chế độ nâng hàng.

Góc phần tư thứ II: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát Đối với cơ cấu nâng hạ thì

động cơ đang thực hiện hãm động năng

Góc phần tư thứ III: Máy điện làm việc ở chế độ động cơ Đối với cơ cấu nâng hạ:

1.3 Máy điện một chiều là gì?

1.3.1 Khái quát chung về máy điện một chiều.

Ngày nay, máy điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, nhưngmáy điện một chiều vẫn được dùng trong giao thông vận tải, công nghiệp, hóa chất,hàn và trong nhiều đồ điện gia dụng,…để làm máy phát điện hoặc động cơ điện (máybơm nước)

Máy điện một chiều tuy cấu tạo phức tạp vì cả phần tĩnh (stator) và phần quay(rotor) đều có dây quấn, được liên hệ với nhau qua chổi than và cổ góp điện nên khóbảo dưỡng, khó sửa chữa nhưng lại có nhiều ưu điểm như:

 Máy phát điện một chiều cung cấp dòng điện trực tiếp cho công nghiệp điệnphân, đúc điện, mạ điện, nạp ắc quy, dùng cho hệ thống tự động khống chếmột chiều, máy phát điện một chiều (DC generator) là máy phát kích từ chomáy phát điện đồng bộ xoay chiều,…

 Động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong giao thông vận tải với điều kiệnlàm việc nặng nhọc, thiết bị nâng hạ, các động cơ chấp hành công suất nhỏ(vài Watt) Motor điện dùng cho máy bơm nước loại một chiều dễ điều chỉnhtốc độ trong phạm vi rộng, bằng phẳng liên tục, mômen khởi động cao

Cấu tạo của động cơ điện một chiều và máy phát điện một chiều hoàn toàn giốngnhau: đều dùng động năng kéo cho rotor quay thì máy sẽ phát ra điện một chiều đểthắp đèn, chạy máy Ngược lại, khi cấp điện vào máy thì rotor sẽ quay để kéo các máycông tác

Máy điện một chiều khi sử dụng làm động cơ điện máy bơm nước, nếu giữnguyên chiều dòng điện chạy trong dây quấn và tên các cực từ như ở máy phát điện thìđộng cơ sẽ quay ngược chiều với chiều quay khi làm máy phát điện

1.3.2 Cấu tạo của máy điện một chiều

- Phần tĩnh (Stato) hay phần cảm:

Được gọi là phần cảm, thường làm bằng thép đúc để dẫn từ đồng thời là thân máy, trênthân có hàn chân máy, móc treo Những máy lớn có loại đúc bằng gang, thân máy liềnchân có gắn tăng cường Phía trong được lắp các cực từ lồi, bắt chặt vào thân máybằng bu lông

Cấu tạo gồm: vỏ máy (gông từ), phần cảm bên trong có gắn cực từ chính và cực từ phụ(mỗi máy thông thường có từ 2 đến 8 cực từ chính)

- Phần quay (Rotor) hay phần ứng:

Được gọi là phần ứng có lắp trục và vòng bi ở hai đầu trục Lõi thép phần ứng có dâyquấn nối ra cổ góp điện, khe hở không khí giữa phần tĩnh và phần quay từ 0,5 ~ 3mm,

ở những máy lớn có thể đến 12mm

Gồm trục, lõi phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp

1.3.3 Nguyên lý hoạt động của máy điện một chiều:

Người ta có thể định nghĩa máy điện một chiều như sau: Là một thiết bị điện từ quay,làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi cơ năng thành điện năng mộtchiều (máy phát điện một chiều) hoặc ngược lại để biến đổi điện năng một chiều thành

cơ năng trên trục (động cơ điện một chiều)

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CHO HỆ THỐNG

CẨU TRỤC

2.1 Phân tích đề bài cho hệ thống cẩu trục – tính toán thông số

Đề bài được mô tả ở hình sau:

Đề bài sau khi được chuyển sang văn bản Tiếng Anh hoàn chỉnh:

DC Motor is used in Crane application as shown below The used DC Motornameplate shows; Nominal Power: 70HP Terminal Voltage: 500VDC Nominal Speed:

1000 rpm There is a gear set on the DC motor shaft and its conversion rate is 10, drumand gearset system efficiency 90% DC motor inertia 0.01kgms? Drum and gearsetinertia 1 kgms Drum diameter is 0.1 meter Load weight G=10 000-(500)8 [kg] If the

DC Motor runs at nominal speed,

a) Find the linear velocity of the weight

b) Find the load moment on the Crane and motor shafts

c) Find the kynetic energy of the system (Gravitational acceleration g=9.81 m/s2)

Đề bài sau khi được dịch sang Tiếng Việt:

Động cơ DC được sử dụng trong ứng dụng Cầu trục như hình dưới đây Nhãn củađộng cơ DC đã sử dụng cho thấy:

 Công suất định mức: 70HP;

 Điện áp định mức: 500VDC;

 Tốc độ định mức: 1000 vòng/phút

Có một bộ bánh răng trên trục động cơ DC và tỷ số truyền của nó là 10, hiệu suất của

hệ thống tang trống và bộ bánh răng là 90% Quán tính động cơ DC 0,01kgms? Quán

tính tang trống và bánh răng 1 kgms Đường kính trống là 0,1 mét Tải trọng G = 10000- (500) 8 [kg] Nếu Động cơ điện một chiều chạy với tốc độ định mức

a) Tìm vận tốc thẳng của tải trọng

b) Tìm mômen tải trên tang trống và trục động cơ

c) Tìm động năng của toàn bộ hệ thống (Gia tốc trọng trường g = 9,81 m /s2)

n n

Vậy vận tốc của tải trọng là 0,52 m/s

b) Ta tính được momen định mức của động cơ qua công thức:

70.750

501,375( )1000

9,55 9,55

dm dm

M 4905

545( )10.0,9

tr d

2.2 Lựa chọn động cơ điện một chiều

Đối với bài toán nói trên thì ta sẽ sử dụng động cơ điện một chiều kích từ nối tiếpbởi vì: Đối với động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp thì khi momen tải tăng, tốc độ

động cơ giảm mạnh, do đó cũng làm giảm công suất trên động cơ Loại đặc tuyến tốc

độ momen động cơ này được gọi là đặc tuyến “nối tiếp”, thường dùng cho thiết bị kéo,cần cẩu,…Trong quá trình khởi động, tải yêu cầu momen gia tốc lớn, tải luôn luôn tácđộng đối với động cơ, do đó không có nguy cơ về tải thấp hoặc không tải

Đồ thị phụ tải của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp sử dụng cho hệ truyềnđộng cần trục:

Khoảng thời gian t1 ứng với mô men cản Mc1 và Md1 là khoảng thời gian nânghàng lên, khoảng thời gian t01 là khoảng thời gian nghỉ để đƣa hàng sang ngang,khoảng thời gian t2 ứng với mô men cản Mc2 và Md2 là khoảng thời gian hạ hàng,khoảng thời gian t02 là khoảng thời gian nghỉ để dỡ hàng, khoảng thời gian t3, t4 ứngvới mô men cản Mc3, Mc4và Md3, Md4 là các khoảng thời gian nâng và hạ móc không.Trong đồ thị tải của động cơ điện lai cơ cấu nâng hạ hàng còn có thêm các khoảng thờigian khởi động tkd ứng với các mô men khởi động Mkd, đó chính là sự khác nhau giữa

đồ thị tải của máy sản xuất (cơ cấu nâng hạ hàng) và động cơ điện lai

Từ đó ta sẽ chọn động cơ như sau:

Mã động cơ điện một chiều mà ta chọn là: DRM 160 LN – 27AO

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU – THIẾT LẬP MÔ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN

MATLAB SIMULINK 3.1 Thiết kế mạch nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều trên CADe- SIMU

Mạch nguyên lý điều khiển động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

- ON1: Điều khiển động cơ chạy thuận

- ON2: Điều khiển động cơ chạy ngược

- STOP: Dừng máy bằng phương pháp hãm động năng

3.2 Thiết lập sơ đồ tương đương để từ đó rút ra các phương trình mô tả các mối quan hệ trong động cơ điện một chiều – mô phỏng trên Matlab Simulink

Mạch tương đương động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp cho thấy động cơ điện mộtchiều kích từ nối tiếp có dây quấn phần ứng mắc nối tiếp với dây quấn kích từ.

Mạch tương đương động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Mạch tương đương động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp quy đổi về miền Laplace

J - momen quán tính máy điện

Các thông số khác được định nghĩa như sau:

Momen điện từ (M dt): M dt k i e u. 2

Mô hình động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp mô phỏng trên Simulink

Phần điện của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp khi sử dụng thư viện Simcape

để mô phỏng

Phần cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp sử dụng thư viện Simcape để mô

phỏng

Mô hình động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp mô phỏng trong thư viện Specialize

Power System

Ngõ ra của 3 mô hình trên hoàn toàn trùng khớp với nhau:

- Ngõ ra tốc độ góc của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp khi mô phỏng:

- Ngõ ra dòng điện trong mạch phần ứng của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Các thông số sử dụng cho quá trình mô phỏng trên:

J = 0.02365 %Momen quan tinh cua dong co;

B = 0.0025 %He so ma sat;

ke = 0.0675 %Hang so suc dien dong;

Ru = 1.5 %Dien tro phan ung;

Rkt = 0.7 %Dien tro kich tu;

R = Ru+Rkt %Dien tro;

Lu = 0.12 %Dien cam phan ung;

Lkt = 0.03 %Dien cam phan kich tu;

L = Lu+Lkt %Dien cam;

Uu = 100 %Dien ap phan ung;

Mc = 10 %Momen can cua tai

KẾT LUẬN

Sau quá trình nghiên cứu và tìm tòi em đã hoàn thành bài báo cáo về đồ án “Hệthống cẩu trục sử dụng động cơ điện một chiều” mà anh giao Còn nhiều thiếu sót rấtmong những góp ý từ anh để bài báo cáo sẽ hoàn thiện hơn Nhờ tìm hiểu em đã biếtđược nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều và hệ thống cẩu trục nhiều và rõhơn Qua đó em cũng hiểu được các mô hình trên Matlab Simulink từ đó làm cho việckhảo sát động cơ và các đặc tính ngõ ra của động cơ được rõ ràng hơn Chân thànhcảm ơn anh đã hướng dẫn em làm bài đồ án nho nhỏ này