Nghiên cứu tổng quan về cầu trục trong các nhà máy cơ khí

phương án được trình bày trong hình 2.2b. Nguồn điện cung cấp cho cầu trục được lấy từ lưới điện ba pha và được điều khiển bằng các cầu dao, công tắc tơ, rơle. Cách bố trí các phần tử giống như phương án dùng động cơ rôto dây quấn. Nhưng trong phương án này ta dùng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha cấp nguồn cho các động cơ truyền động là động cơ một chiều. Khi đó để thay đổi tốc độ động cơ và đảo chiều dịch chuyển của cơ cấu ta điều khiển bộ chỉnh lưu, cụ thể điều khiển xung mở các thiristor trong bộ chỉnh lưu để có được điện áp như ý muốn dẫn tới thay đổi tốc độ truyền động của động cơ. Ưu nhược điểm của phương án * Ưu điểm: Sử dụng động cơ một chiều kết hợp bộ chỉnh lưu có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng. Điều chỉnh trơn láng chính xác, dễ tạo đường đặc tính cơ học phù hợp với yêu cầu làm việc của máy,có khả năng quá tải cao,cần có nguồn điện một chiều. * Hạn chế: Hệ làm việc kém tin cậy. Giá thành hệ thống đắt. Động cơ cần cấp nguồn một chiều riêng. Trong đó hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu phức tạp khó thao tác. Hình 2.2b. Sơ đồ tổng thể cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục ABUS sử dụng động cơ một chiều. 2.2.3. Cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục ABUS với động cơ thực hiện là ĐCKĐB stator có nhiều cuộn dây Sơ đồ tổng thể cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục của phương án được trình bày trong hình 2.2c. Đây là phương án thiết kế cấp nguồn hiện đang được áp dụng cho cầu trục ABUS trong nhà máy đóng tàu Phà Rừng. Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển cấp nguồn cho các phụ tải là: Để đưa toàn bộ hệ thống vào làm việc thì nguồn điện được lấy từ lưới điện 3 pha chạy dọc nhà xưởng của xí nghiệp. Qua thiết bị cầu chì bảo vệ ngắn mạch F1, một hướng qua F10,11 sau đó qua biến áp T1 (380/48V) và qua F12 cấp nguồn cho mạch điều khiển các tay trang, các cuộn hút công tắc tơ rơle, còi báo động. Còn một hướng là qua tiếp điểm công tắc tơ chính đi đến cấp nguồn cho mạch động lực các cơ cấu. Với mạch động lực cơ cấu di chuyển xe cầu, nguồn điện qua cầu chì F60, qua cuộn kháng nguồn T62 và bộ lọc chính cấp nguồn cho biến tần. Bộ biến tần này cấp nguồn cho động cơ di chuyển xe cầu. Nguồn cấp cho phanh điện từ hãm dừng động cơ di chuyển được lấy từ khối chỉnh lưu U62. Với mạch động lực cơ cấu nâng hạ hàng, dòng điện được chia thành hai hướng. Một hướng là qua biến dòng và bộ cảm nhận tín hiệu dòng điện để đưa về điều khiển (U32) và qua một số tiếp điểm của công tắc tơ đến cấp nguồn cho các động cơ nâng hạ, các khối chỉnh lưu để cấp điện cho phanh điện từ. Một hướng qua cầu chì F15,16, qua biến áp T11 cấp nguồn cho quạt gió làm mát động cơ nâng hạ. Hình 2.2c. Sơ đồ tổng thể cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục ABUS sử dụng động cơ KĐB stato có nhiều cuộn dây. Với mạch động lực cơ cấu di chuyển xe con, nguồn điện được cấp khi đóng áptômat Ap, qua một số tiếp điểm các công tắc tơ đến cấp nguồn cho các động cơ di chuyển xe con. Nguồn cấp cho phanh là nguồn một chiều được lấy từ hai khối chỉnh lưu V41 và V42. Ưu nhược điểm của phương pháp: * Ưu điểm: Mạch điều khiển khá đơn giản, chủ yếu là các công tắc tơ, rơle nên tiết kiệm chi phí trong quá trình thiết kế và lắp đặt. Đơn giản trong vận hành, bảo dưỡng dễ dàng hơn. * Hạn chế: Vì mạch chủ yếu gồm các công tắc tơ, rơle nên điều khiển còn thủ công và bằng tay là chính, chưa có sự tự động hoá ở đây. Vì vậy dẫn đến hiệu quả hoạt động còn thấp, chưa đáp ứng được nhu cầu sản xuất. Các thiết bị điều khiển có độ tin cậy không cao. Khi hoạt động, sự đóng mở các tiếp điểm gây ra sự đánh lửa làm giảm tuổi thọ các thiết bị. Động cơ sử dụng là động cơ không đồng bộ stator nhiều cuộn dây, việc thay đổi tốc độ thực hiện khó khăn (chủ yếu là đổi nối các cuộn dây stator của động cơ) và thay đổi được ít cấp tốc độ. Độ trơn điều chỉnh không cao. Hiện nay trên thị trường các loại động cơ stator nhiều cuộn dây ít được sử dụng nên không sản xuất đại trà nữa. Vì vậy khi muốn thay thế động cơ này sẽ gặp nhiều khó khăn. Mặt khác tính tự động hoá rất thấp, chưa có khả năng điều khiển nối mạng trong toàn nhà máy. 2.2.4. Cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục ABUS với động cơ thực hiện là ĐCKĐB roto lồng sóc được điều khiển bằng các bộ biến tần kết hợp PLC Sơ đồ tổng thể cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục của phương án được trình bày trong hình 2.2d. Đây là phương án cải tạo cấp nguồn sử dụng cấu trúc điều khiển các hệ thống dùng PLC và dùng bộ biến tần cấp cho động cơ không đồng bộ roto lồng sóc cho cầu trục. Ở phương án này nguồn điện được lấy từ lưới, sau khi đóng cầu dao MCB1, 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 MCB2 cấp nguồn cho các bộ biến tần. Các bộ biến tần cấp nguồn cho các động cơ nâng hạ, động cơ di chuyển xe con và di chuyển xe cầu để phục vụ truyền động các cơ cấu. Cầu dao MCB3 cấp nguồn cho các cơ cấu phụ. Đóng cầu dao MCB5 qua các bộ chỉnh lưu cấp điện cho cơ cấu phanh hãm dừng di chuyển xe cầu. Đóng cầu dao MCB6 cấp nguồn cho phanh cơ cấu di chuyển xe con. MCB7 cấp nguồn cho quạt gió làm mát động cơ nâng hạ và phanh cho cơ cấu nâng hạ. Đóng cầu dao MCB8, MCB9, MCB10 cấp nguồn cho: nguồn điều khiển chính 200V, cuộn điều khiển 100V, bàn điều khiển các thiết bị làm mát, các thiết bị chiếu sáng, nguồn dự phòng, chiếu sáng cabin, làm mát trong cabin điều khiển. Nguồn 24V được cấp cho PLC thông qua khối coltrol desk. Phương án này có những ưu nhược điểm như sau: * Ưu điểm: Việc sử dụng động cơ KĐB rotor lồng sóc sẽ cho phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn. Có độ trơn điều chỉnh cao, giảm được tối đa lực giật trong quá trình làm việc của cầu trục. Hình 2.2d. Sơ đồ điện nguyên lý cấp nguồn cho các phụ tải cầu trục ABUS sử dụng PLC và bộ biến tần cấp cho ĐCKĐB rotor lồng sóc. Đặc biệt động cơ không đồng bộ sử dụng cho cầu trục có phạm vi công suất rộng, vì vậy chúng được sử dụng hết sức rộng rãi. Các thiết bị được sử dụng trong mạch là các thiết bị hiện đại, đang được sử dụng rất phổ biến trong các ngành công nghiệp. Vì vậy việc thay thế thiết bị khi gặp sự cố hỏng hóc cũng trở nên đơn giản hơn. Mức độ tự động hoá cao, có thể thực hiện việc điều khiển nối mạng trong nhà máy, điều khiển từ xa một cách dễ dàng. Thiết bị điều khiển tương đối gọn nhẹ nên công việc vận chuyển thuận tiện. Số lượng công tắc tơ, rơle được giảm bớt làm tăng độ tin cậy trong quá trình làm việc của cầu trục. Các báo động, bảo vệ, báo lỗi được trang bị đầy đủ đảm bảo an toàn cho các thiết bị và cho người vận hành. * Hạn chế: Vốn đầu tư lớn hơn và yêu cầu người vận hành phải có trình độ nhất định. Qua bốn phương án cấp nguồn đã trình bày ở trên ta sẽ sử dụng một phương án cấp nguồn cho hệ thống cải tiến. Để lựa chọn được phương án cấp nguồn thích hợp thì ta đi vào phân tích phương án thiết kế hệ truyền động điện cho các cơ cấu của cầu trục ABUS. 2.3. ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG CẦU TRỤC ABUS Qua tìm hiểu cầu trục trong nhà máy, đặc biệt là cầu trục ABUS ta thấy hệ thống truyền động điện cầu trục làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại (NHLL). Ở hệ thống này chế độ làm việc NHLL được biểu thị một cách dứt khoát rõ ràng về cả thời gian nghỉ và thời gian chu kỳ. Khi máy không làm việc động cơ được ngắt hoàn toàn khỏi nguồn. Trong lĩnh vực truyền động cầu trục, cần trục trước kia, động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp được dùng rất phổ biến trong cần trục. Sở dĩ như vậy là bản thân loại động cơ này có những ưu điểm mà các loại động cơ không đồng bộ và đồng bộ không có được, đặc biệt là những yêu cầu rất đặc trưng của một số lĩnh vực truyền động. Trước hết vì nó dùng nguồn một chiều nên nó yêu cầu số lượng thanh trượt ít so với các loại động cơ khác. Đối với truyền động nâng, động cơ này đảm bảo được những tốc độ nâng hạ ổn định cho mọi tải trọng. Tuy nhiên hiện nay, được sự hỗ trợ của các thiết bị công suất, cùng với những đặc điểm như: rẻ, cấu tạo đơn giản, tin cậy, hiệu suất cao thì động cơ không đồng bộ đã thay thế hầu hết các loại động cơ điện một chiều trong lĩnh vực này. Thực vậy, nhờ những tiến bộ sâu sắc của lĩnh vực vi điện tử và điện tử công suất mà càng có nhiều thiết bị cho phép khắc phục nhược điểm của động cơ không đồng bộ, cụ thể là người ta đã tạo ra được tất cả những đặc tính cơ thoả mãn hầu hết quá trình công nghệ khắt khe nhất, đồng thời lại cho phép hạ giá thành vận hành và lắp đặt. Mặt khác, việc dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng tiện lợi do việc dùng nguồn xoay chiều 3 pha vốn sẵn có trong công nghiệp. Động cơ dùng để phục vụ cho cơ cấu nâng hạ cũng như các cơ cấu di chuyển trong cầu trục là loại động cơ có điều chỉnh tốc độ và có đảo chiều quay. Như vậy, để thực hiện được truyền động trong cầu trục chúng ta có thể dùng 2 loại hệ truyền động với động cơ một chiều hoặc xoay chiều. Để thiết kế cơ cấu nâng hạ ta đi vào tìm hiểu bố trí dẫn động cơ cấu từ đó đề xuất các phương án cải tiến hệ truyền động điện cơ cấu nâng hạ hàng. 2.3.1. Bố trí dẫn động cơ cấu nâng hạ hàng Cơ cấu nâng hạ có thể được truyền động bằng 2 động cơ phục vụ truyền động hoặc 1 động cơ. Khi sử dụng 2 động cơ truyền động sẽ xuất hiện các sai lệch tốc độ của hai đầu trục động cơ truyền động. Điều này xuất phát từ nguyên nhân các bộ máy trùng khít tốc độ (động cơ), các tỷ số truyền không giống nhau (hộp giảm tốc), các đường kính bánh xe sai lệch. Hơn nữa việc sử dụng hai động cơ truyền động cho cơ cấu nâng hạ hàng sẽ dẫn tới chi phí cho các phần tử cao. Các đầu trục truyền có thể sai lệch ảnh hưởng tới cơ cấu. Còn việc sử dụng một động cơ truyền động sẽ làm cho cơ cấu đơn giản, ít gây ra sự cố. Ta có kết cấu bố trí dẫn động cơ cấu nâng hạ được thể hiện trên hình 2.3 Hình 2.3. Sơ đồ bố trí dẫn động cơ cấu nâng hạ. Theo sơ đồ này cơ cấu gồm có động cơ điện 1, hộp giảm tốc 2, khớp nối vòng đàn hồi, trong đó nửa khớp phía bên hộp giảm tốc được sử dụng làm bánh phanh, tang 4, khớp răng đặc biệt nối tang nối trục ra của hộp giảm tốc bằng khớp răng đặc biệt, ta sẽ được kính thước chiều dài của cơ cấu nhỏ gọn, đồng thời đảm bảo việc chế tạo từng cụm riêng, tháo lắp dễ dàng. 2.3.2. Các phương án thiết kế hệ truyền động điện cơ cấu nâng hạ hàng 1. Phương án dùng động cơ rôto dây quấn Phương án thay đổi điện trở phụ mạch rôto với động cơ rôto dây quấn được biểu diễn trên hình 2.4a. Hình 2.4a. Phương án thiết kế hệ truyền động điện cơ cấu nâng hạ dùng động cơ rôto dây quấn. Theo phương án này ta có: Cơ cấu dùng một động cơ phục vụ truyền động nâng hạ. Động cơ được cấp điện 3 pha 380V qua cầu dao 2MCB và 23 MCB. Các cầu dao 21MCB, 22MCb cấp nguồn cho quạt làm mát cơ cấu và động cơ phục vụ phanh hãm. Phanh và quạt làm mát được bảo vệ bằng các rơ le nhiệt. Ở đây ta sử dụng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn và mắc thêm điện trở phụ vào mạch roto để hạn chế dòng điện khởi động hoặc đồng thời để điều chỉnh tốc độ. Còn 2 công tắc tơ 24M và 25M để thực hiện đóng ngắt cấp nguồn và đảo chiều quay động cơ, phục vụ cho việc nâng tải hạ tải của cầu trục. Ưu, nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng cách thay đổi điện trở phụ: - Ưu điểm: Có tốc độ phân cấp. Tốc độ điều chỉnh nhỏ hơn tốc độ cơ bản. Tự động hóa trong điều chỉnh dễ dàng. Làm tăng khả năng mở máy của động cơ khi đưa điện trở phụ vào mạch rôto. Các thao tác điều chỉnh đơn giản Giá thành vận hành sửa chữa thấp. - Nhược điểm: Tổn thất năng lượng lớn, dòng khởi động lớn gây sụt áp trong lưới điện. Tốc độ ổn định kém. Cosφ của máy thường không cao Đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt. 2. Phương án dùng động cơ một chiều kết hợp bộ chỉnh lưu. Phương án dùng động cơ một chiều kết hợp bộ chỉnh lưu được biểu diễn trên hình 2.4b. Theo phương án này cơ cấu dùng một động cơ phục vụ truyền động nâng hạ. Các phụ tải được cấp nguồn như phương án dùng động cơ rôto dây quấn. ở đây động cơ được cấp điện 3 pha 380V qua cầu dao 2MCB và 23 MCB. Các cầu dao 21MCB, 22MCb cấp nguồn cho quạt làm mát cơ cấu và động cơ phục vụ phanh hãm. Phanh và quạt làm mát được bảo vệ bằng các rơ le nhiệt. Hình 2.4b. Phương án thiết kế hệ truyền động điện cơ cấu nâng hạ dùng động cơ một chiều cùng bộ chỉnh lưu. Động cơ được sử dụng ở đây là động cơ một chiều được cấp nguồn từ bộ chỉnh lưu để có thể điều khiển thay đổi điện áp cấp vào động cơ nhờ bộ chỉnh lưu. Khi đó việc thay đổi tốc độ nang hạ của cơ cấu sẽ được điều khiển bởi bộ chỉnh lưu. Hệ Truyền Động T-Đ có đảo chiều quay được xây dựng trên hai nguyên tắc cơ bản : - Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng và đảo chiều dòng kích từ của động cơ - Giữ nguyên chiều dòng kích từ và đảo chiều dòng điện phần ứng Ưu, nhược điểm của phương pháp này là: Sử dụng động cơ một chiều kết hợp bộ chỉnh lưu có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng. Dễ tạo đường đặc tính cơ học phù hợp với yêu cầu làm việc của máy vì vậy cơ cấu truyền động tối ưu. * Hạn chế: Hệ làm việc kém tin cậy. Giá thành hệ thống đắt. Ngoài ra hệ thống điều khiển bộ chỉnh lưu phức tạp khó thao tác. 3. Phương án dùng động cơ rôto lồng sóc kết hợp bộ biến tần Phương án dùng động cơ rôto lồng sóc kết hợp bộ biến tần được biểu diễn trên hình 2.4c. Hình 2.4c. Phương án dùng động cơ rôto lồng sóc kết hợp bộ biến tần. Trong phương án này biến tần sẽ được đóng cấp nguồn bởi các cầu dao, công tắc tơ. Khi đó động cơ truyền động và máy phát xung PG sẽ được cấp nguồn và điều khiển bởi biến tần. +) Các ưu điểm khi sử dụng biến tần: Biến tần kết hợp với động cơ không đồng bộ đem lại những lợi ích sau: - Đảm bảo đặc tính khởi động mềm dẻo tránh hiện tượng sụt áp cho nhà máy - Hiệu suất làm việc của máy cao. - Quá trình khởi động và dừng động cơ rất êm dịu nên giúp cho tuổi thọ động cơ và các cơ cấu khi dài hơn. - An toàn, tiện lợi việc bảo dưỡng cũng it hơn do vậy đó giảm bớt số công nhân phục vụ, vận hành. - Tiết kiệm điện năng ở mức tối đa trong quá trình khởi động và vận hành. - Hệ thống có thể kết nối với máy tính ở trung tâm từ trung tâm điều khiển nhân viên vận hành có thể thấy được hoạt động của hệ thống và các thông số vận hành (áp suất, lưu lượng, vòng quay…) trạng thỏi làm việc cũng như cho phép điều chỉnh, chuẩn đoán và xử lý các sự cố có thể xảy ra. Với phương pháp truyền động dùng biến tần cho động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc ta có những ưu nhược điểm sau Ưu điểm: Mở rộng dải điều chỉnh nâng cao chất lượng động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ. Ứng dụng trong các hệ cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc hoặc các hệ đơn lẻ có yêu cầu tốc độ cao. Khi làm việc với động cơ KĐB Rotor lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc giá thành hạ, làm việc trong nhiều môi trường khác nhau. Có rất nhiều bộ biến tần của nhiều hãng khác nhau bàn trên thị trường. Nhược điểm: Mạch điều khiển rất phức tạp. Giá thành bộ biến tần còn đắt. Kết luận: Với cầu trục ABUS làm việc trong nhà máy đóng tàu Phà Rừng hiện nay cùng với những ưu điểm vượt trội của biến tần ta quyết định lựa chọn phương án dùng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kết hợp với bộ biến tần. 2.4. ĐỀ XUẤT CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ CẤU DI CHUYỂN XE CON VÀ XE CẦU CẦU TRỤC ABUS 2.4.1. Các phương án thiết kế cơ cấu di chuyển cầu trục Có ba phương án bố trí kết cấu bộ máy di chuyển cầu trục. 1, Phương án 1. Hình 2.5a. Cơ cấu di chuyển cầu trục động cơ dẫn động chung. Phương án này áp dụng cho cầu trục cỡ nhỏ, dùng sơ đồ với trục truyền dài quay chậm. Ở đây động cơ điện là nguồn dẫn điện chung, nối với hộp giảm tốc 2 truyền mômen xoắn tới bánh xe 3 nhờ trục truyền động 6. Trục này được chế tạo thành nhiều đoạn nối với nhau bằng các khớp nối trục 4 và được đỡ bởi các ổ trục trung gian 7, phanh 5 là phanh hai guốc thường đóng. Ưu điểm : Kết cấu đơn giản, độ chính xác di chuyển cao, ít gây xiên lệch giá cầu. Nhược điểm : Là cầu có khẩu độ nhỏ, kích thước bộ di chuyển lớn, chiếm nhiều không gian, trọng lượng lớn tập trung tại điểm có mômen uốn gây ra là lớn nhất do chịu mômen xoắn lớn. Trục truyền dài ở trường hợp này ở cấp quay chậm nên giá trị mômen là lớn nhất trong cơ cấu. Do đó bản thân trục, ổ, khớp nối đều có trọng lượng và kích thước lớn. Để giảm nhẹ có thể dùng kết cấu trục rỗng hàn từ thép ống. Loại này thường dùng khi cầu trục có khẩu độ nhỏ. 2, Phương án 2. Đối với khẩu độ lớn trên 15m, ta dùng phương án trục truyền dài ở cấp độ quay nhanh. Trục dài 2 truyền mômen quay từ hai đầu ra của động cơ 1 đến các bánh xe thông qua hai hộp giảm tốc 3 ở hai bên. Với cùng công suất truyền Hình 2.5b. Cơ cấu dẫn động cầu trục trục truyền dài. trục quay nhanh có trọng lượng nhỏ khoảng 5 ¸ 6 lần so với trục quay chậm, mặc dù phải hai hộp giảm tốc trọng lượng chung của cơ cấu cũng không tăng. Tuy nhiên độ chính xác lắp đặt các ổ trục đỡ yêu cầu cao và phải cân bằng động các chi tiết quay nhanh. Khi giá cầu có khẩu độ lớn, cần đảm bảo độ uốn xoắn của hai trục truyền nhanh là như nhau và cần lựa chọn sao cho hai hộp giảm tốc ở hai bên phải giống nhau gần như hoàn toàn thì giá cầu mới không bị xiên lệch hay bị kẹt trong khi di chuyển. 3, Phương án 3. Hình 2.5c. Cơ cấu dẫn động cầu trục động cơ dẫn động riêng. Bộ máy di chuyển cầu trục dẫn động độc lập. Mỗi cụm bánh xe chủ động có động cơ riêng 1, phanh riêng 2 và hộp giảm tốc 3. Giữa hai cụm bánh xe chủ động ở hai bên có liên kết cơ khí. Trong hệ thống này có hiện tượng tự động san tải giữa các động cơ điện. Hiện nay cơ cấu dẫn động độc lập ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các cầu trục có khẩu độ lớn hơn 15 m, đặc biệt ở các cầu trục chân đế, cầu trục tháp… Mỗi cụm riêng biệt ở đây được tính toán với tải trọng bằng 60% tải trọng chung để đề phòng phân bố tải trọng không đều giữa hai bên. Hiện nay với công nghệ chế tạo máy phát triển, đã khắc phục được nhược điểm do các sai lệch tốc độ của hai đầu giá xuất phát từ nguyên nhân các bộ máy trùng khít tốc độ (Động cơ), các tỷ số truyền không giống nhau (Hộp giảm tốc), các đường kính bánh xe sai lệch. 4, Kết luận lựa chọn phương án cơ cấu di chuyển. Dựa vào những ưu, khuyết điểm của các loại bộ di chuyển trên ta lựa chon bộ di chuyển cho cầu trục thiết kế ta chọn phương án 3 bộ di chuyển dẫn động độc lập . 2.4.2. Các phương án thiết kế hệ truyền động điện cơ cấu di chuyển xe con và xe cầu Cơ cấu dẫn động cầu trục bao gồm cơ cấu xe con và xe càu của cầu trục. Vì hai cơ cấu của cầu trục có cấu trúc nguyên lý như nhau vì vậy ta sẽ thiết kế hệ truyền động điện của hai cơ cấu tương tự nhau. Sau đây ta chỉ cần xét các phương án thiết kế hệ truyền động điện cho xe cầu. 1. Phương án dùng động cơ rôto dây quấn Phương án thay đổi điện trở phụ mạch rôto với động cơ rôto dây quấn được biểu diễn trên hình 2.6a. Theo sơ đồ 2.6a khác với cơ cấu nâng hạ, cơ cấu di chuyển xe cầu dùng hai động cơ phục vụ truyền động nâng hạ. Động cơ được cấp điện 3 pha 380V qua cầu dao 2MCB và 4 MCB. Các cầu dao 21MCB, 22MCb cấp nguồn cho quạt làm mát cơ cấu và động cơ phục vụ phanh hãm. Phanh hãm ở xe cầu được cấp nguồn từ bộ chỉnh lưu nguồn một chiều. Ở đây ta sử dụng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn và mắc thêm điện trở phụ vào mạch roto để hạn chế dòng điện khởi động hoặc đồng thời để điều chỉnh tốc độ. Còn 2 công tắc tơ 1M và 2M để thực hiện đóng ngắt cấp nguồn và đảo chiều quay động cơ, phục vụ cho hành trình tiến lùi của cơ cấu di chuyển cầu trục. Ưu, nhược điểm của phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ 3 pha bằng cách thay đổi điện trở phụ như ta đã trình bày ở cơ cấu nâng hạ. Hình 2.6a. Phương án thiết kế hệ truyền động điện cơ cấu nâng hạ dùng động cơ rôto dây quấn. 2. Phương án dùng động cơ một chiều kết hợp bộ chỉnh lưu. Hình 2.6b là phương án dùng động cơ một chiều kết hợp bộ chỉnh lưu của cơ cấu di chuyển xe cầu. Theo phương án này cơ cấu di chuyển xe cầu dùng hai động cơ một chiều phục vụ được cấp nguồn từ hai bộ chỉnh lưu. Hai bộ chỉnh lưu và hai động cơ một chiều có cấu trúc như nhau. Khi điều khiển đảm bảo các động cơ đồng tốc đồng điều khiển các bộ chỉnh lưu thiristor. Cầu dao 23MCB sẽ đóng cấp nguồn cho các bộ chỉnh lưu cấp cho các động cơ một chiều. Hình 2.6b. Phương án thiết kế hệ truyền động điện cơ cấu nâng hạ dùng động cơ một chiều cùng bộ chỉnh lưu. 3. Phương án dùng động cơ rôto lồng sóc kết hợp bộ biến tần Phương án dùng động cơ rôto lồng sóc kết hợp bộ biến tần được biểu diễn trên hình 2.6c. Trong phương án này bộ biến tần sẽ cấp nguồn điều khiển hai động cơ di chuyển xe cầu và hai máy phát xung. Các động cơ được cấp nguồn từ biến tần bởi công tắc tơ 2M, các máy phát xung được cấp nguồn bởi công tắc tơ 3M. Cầu dao 1M đóng cấp nguồn cho biến tần. Cầu dao 3MCb cấp nguồn cho cơ cấu phanh hãm xe cầu. Hình 2.6c. Phương án dùng động cơ rôto lồng sóc kết hợp bộ biến tần. Kết luận: Qua việc tìm hiểu đề xuất các phương án thiết kế hệ truyền động điện cho xe cầu, ta nhận thấy cũng giống như cơ cấu nâng hạ việc dùng biến tần tuy có chi phí đầu tư cao nhưng việc điều khiển lại tối ưu. Biến tần lại tích hợp được nhiều tính năng ưu việt vì vậy ta sẽ sử dụng biến tần cùng động cơ rôto lồng sóc cho cơ cấu di chuyển xe cầu. Cơ cấu di chuyển xe con có cấu trúc bố trí dẫn động cùng sơ đồ nguyên lý giống cơ cầu xe cầu vì vậy ta cũng dùng phương án này để thiết kế hệ truyền động xe con. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ TĐĐ CẦU TRỤC ABUS Qua phân tích các phương án cho hệ truyền động điện ở chương 2 ta thấy các cơ cấu di chuyển và nâng hạ đều có đặc tính làm việc như nhau. Các động cơ truyền động phải đảm bảo thay đổi được tốc độ và đảo chiều quay. Từ các yêu cầu thực tế và những ưu nhược điểm của các phương án ta thấy việc sử dụng động cơ rô to lồng sóc truyền động kết hợp với bộ biến tần là hợp lý hơn cả, cả về giá thành lẫn yêu cầu truyền động. Do vậy ta sẽ sử dụng động cơ rôto lồng sóc kết hợp bộ biến tần cho ba cơ cấu của cầu trục ABUS. 3.1. CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TĐĐ CẦU TRỤC ABUS 3.1.1 Cấu trúc điều khiển độc lập cho hệ thống truyền động điện Sơ đồ cấu trúc điều khiển độc lập hệ thống truyền động điện điều khiển chuyển động cho các cơ cấu của cầu trục được trình bày như hình 3.1: [TL1] Hình 3.1. Cấu trúc điều khiển cho từng cơ cấu dùng PLC – bộ biến tần – động cơ không đồng bộ cho cầu trục, cần trục. Chức năng cơ bản của các khâu như sau: Tay điều khiển: Tạo ra tín hiệu điều khiển tương ứng với 3 trạng thái của tay điều khiển. Vị trí “0” hệ thống sẵn sàng hoạt động. Khi tay điều khiển được dịch chuyển về phía “UP – DOWN” đối với cơ cấu nâng hạ hàng; về phía “L – P” đối với cơ cấu quay, cơ cấu di chuyển tay điều khiển tạo ra tín hiệu chọn chiều cho hệ thống bằng cảm biến vị trí liên động với tay điều khiển. Đồng thời tay điều khiển được nối liên động với trục của encoder tạo ra tín hiệu dạng số điều khiển giá trị tốc độ quay của động cơ. Thông thường các encoder sử dụng hiện nay tạo ra tín hiệu điều khiển 8bit, các đầu ra của encoder lần lượt là 20, 21 ,22, 23, 24, 25, 26, 27. Như vậy tay điều khiển sẽ tạo ra 10 bite tín hiệu điều khiển (2bite chiều và 8 bite tốc độ). Bộ mã hóa: Bộ mã hóa tín hiệu vị trí tay điều khiển nhằm nâng cao công suất tín hiệu điều khiển, tăng khả năng chống nhiễu, truyền tín hiệu đi xa. Bộ điều khiển PLC: Bao gồm CPU, các modul đầu vào DO, các modul đầu ra DI kết nối với cácheej thống điều khiển. Để đảm bảo tính tác động nhanh cho hệ thống PLC biến đổi tín hiệu từ tay điều khiển dạng digital thành tín hiệu analog điều khiển biến tần. Đồng thời qua PLC cung cấp thông tin giám sát sự hoạt động của toàn bộ hệ thống. Thiết bị đóng cắt: Các công tắc tơ, hoặc aptomat dùng để đóng cắt nguồn cấp cho bộ biến tần động cơ không đồng bộ và các thiết bị thực hiện khác. Bộ biến đổi: Bộ biến tần dùng để điều khiển điện áp, tần số cấp cho động cơ theo luật điều khiển được thiết kế và lưu dữ trong CPU của biến tần, đồng thời qua biến tần có thể quan sát và đặt các thông số bảo vệ động cơ... Động cơ điện: Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc dùng để truyền động cho hệ thống. Thiết bị quan sát: Máy phát tốc độ PG là thiết bị đo tốc độ động cơ dưới dạng xung. Máy tính kết nối với hệ thống: Chức năng chính của PC là điểu khiển và giám sát hệ thống. Các hệ thống điều khiển như trên có nhiều ưu điểm như tạo ra được nhiều cấp tốc độ vì vậy hệ thống hoạt động êm, độ giật nhỏ, khả năng tự động hóa cho từng cần trục, cầu trục cũng như toàn bộ hệ thống điều khiển khu vực cảng trong bốc xếp hàng hóa. Dạng hệ thống này ngày càng được ứng dụng rộng rãi cho hệ điều khiển cầu trục, cần trục. 3.1.2. Lựa chọn bộ biến tần cho hệ TĐĐ cầu trục ABUS Biến tần ngày càng có vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp. Biến tần có khả năng tự bảo vệ quá tải và quá nhiệt cho động cơ. Điều khiển tốc độ động cơ một cách dễ dàng với các tính năng vượt trội của biến tần ngoài việc cải thiện khả năng điều khiển của hệ thống biến tần còn đem lại hiệu quả tiết kiệm điện năng. Hiện nay trên thị trường biến tần rất phong phú về mẫu mã và đa dạng về chủng loại kĩ thuật. Đặc biệt biến tần hitachi của Nhật nhỏ bé nhưng rất tốt có nhiều ưu điểm. Các biến tần Hitachi có hình dáng mang tính thẩm mỹ, bảng mạch và những bộ phận cấu thành cho một hiệu suất cao, cấu trúc thì đặc biệt nhỏ gọn, phù hợp với từng loại động cơ. SJ200 và SJ700 Series của Hitachi là dòng biến tần sử dụng chế độ điều khiển vectơ không cần cảm biến nên rất phù hợp với nhiều loại tải khác nhau, như các tải đòi hỏi mômen khởi động lớn: máy công cụ, cần trục, cầu trục nâng hạ trong công nghiệp, … hay các tải có yêu cầu làm việc nhẹ nhàng, êm dịu như: thang máy, thiết bị di chuyển, … Dòng biến tần SJ200 và SJ700 làm việc với dải biến tần số rộng mà vẫn giữ được mômen và công suất làm việc của thiết bị. Vì cấu trúc của bộ biến tần này là như nhau, tuy vậy công suất giới hạn của SJ200 là 7,5KW trong khi đó SJ700 có thể điều khiển phục vụ các động cơ có công suất lên tới vài chục KW. Vì cấu trúc hai bộ biến tần như nhau nên ta chỉ xét bộ biến tần SJ200. 1, Các thông số kỹ thuật của bộ biến tần: [TL6]- Nguồn cung cấp: 3 pha  200 - 240V,  380 - 480V, 50/60 Hz.- Dải tần số ra: 0 -  400 Hz.- Khả năng quá tải 150% trong 60S,- Dải điều khiển  từ: 0 - 10V, 4 -  20 mA.- Dải công suất từ: 0.2 – 7.5 Kw.- Chức năng vận hành:   Điều khiển đa tốc độ, Điều khiển AVR, PID, tự động reset khi có lỗi, tự động dò chức năng, kết nối truyền thông RS 485.- Bảo vệ quá áp, sụt áp, quá tải, nhiệt độ quá cao, lỗi CPU, lỗi bộ nhớ, chạm mát đầu ra khi cấp nguồn.- Tiêu chuẩn bảo vệ: IP 20. 2, Các tính năng của bộ biến tần: - Chế độ điều khiển vectơ thông minh giúp giữ mômen không đổi. - Hoạt động liên tục với 100% mômen định mức ngay cả ở 1/10 phạm vi tốc độ (5Hz tới 50Hz) mà không làm giảm tuổi thọ của động cơ. - Các thông số của động cơ có thể được nhập vào, hoặc có thể thiết đặt ở chế độ tự động nhận dạng. Hệ thống các đầu vào ra thông minh có thể lập trình được. - Bộ điều chỉnh PID tự động duy trì tốc độ của động cơ bằng cách tự thay đổi tham số. - Có thể điều khiển được 2 động cơ độc lập. - Có thể thiết lập được 16 cấp tốc độ. - Tự động khởi động lại khi nguồn điện bị lỗi. - Bộ hiển thị và vận hành có thể tháo rời và di chuyển ra xa biến tần. - Quạt làm mát có lựa chọn bật tắt để tăng tuổi thọ cho quạt. - Có mạch hãm tái sinh để hãm dừng động cơ. - Có các chế độ bảo vệ quá tải, quá nhiệt, quá dòng, quá áp, thấp áp, lỗi mất pha, lệch pha … - Có khả năng giao tiếp mạng, tích hợp sẵn giao diện truyền thông RS-485 MODBUS RTU cho phép cấu hình từ một PC và những môđun ngoài sử dụng bus trường PROFILBUS, nên có khả năng giám sát và điều khiển từ máy tính hoặc PLC. 3, Cách đọc thông số model biến tần Ví dụ biến tần có model sau SJ200 - 015HFU trong đó: U: là Hạn chế phân phối: E = Châu âu, U = Mỹ. Kiểu cấu hình: F = với bộ vận hành số (keypad) H: là điện áp vào N = 1 pha hoặc 3 pha 200V H = 3 pha 400V L = chỉ 3 pha 200V 015: Là công suất động cơ Công suất động cơ thích hợp, đơn vị kW: 002 = 0.2 kW 022 = 2.2 kW 004 = 0.4 kW 030 = 3.0 kW 005 = 0.55 kW 037 = 3.7 kW 007 = 0.75 kW 040 = 4.0 kW 011 = 1.1 kW 055 = 5.5 kW 015 = 1.5 kW 075 = 7.5 kW Như cơ cấu di chuyển xe con dùng động cơ 1,5kW thì ta dùng biến tần Hitachi SJ200 - 015HFU. 4, Các đầu vào đầu ra của mạch điều khiển biến tần [TL6] Tên chân Mô tả Công suất và những ghi chú PCS (P24) Nguồn +24V cấp cho các đầu vào lôgic. Nguồn cung cấp 24VDC, 30 mA max. Chú ý: Không sử dụng cho hệ thống công suất. Không được ngắn mạch với chân L. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 Các đầu vào lôgic được cách li quang học (có thể lập trình được)  27 VDC max. (sử dụng PCS hoặc nguồn ngoài so sánh với chân CM1), trở kháng đầu vào là 4.7k Ohm. L GND cho các lôgic vào Tổng các dòng qua các chân 1 tới 8. Chú ý: không nối chân L với đất. 11,12 Các đầu ra lôgic riêng bit 50 mA max, khi mở 27 VDC max, khi khoá CM2 Chân chung cho các đầu ra lôgic Dòng cực đại 100 mA, bằng tổng các dòng qua chân 11 và 12. FM L Chân chung cho các đầu vào tương tự Tổng các dòng qua OI, O và H. OI Đầu vào dòng tương tự Dải từ 4 tới 19.6 mA, 20 mA danh nghĩa. I Đầu vào dòng tương tự Dải từ 4 tới 19.6 mA, 20 mA danh nghĩa. O Đầu vào áp tương tự Dải từ 0 tới 9.6 VDC, 10 VDC danh nghĩa, 12 VDC max, trở kháng đầu vào là 10k H +10V, điện áp tham chiếu tương tự 10 VDC danh nghĩa, 10 mA max AL1 Tiếp điểm của Rơ le, thường đóng khi đang chạy (RUN) Năng lực của tiếp điểm: Cực đại đối với tải thuần trở: 250 VAC, 2.5 A; 30 VDC, 3A. Cực đại đối với tải cảm (cosϕ=0.4): 250 VAC, 0.2 A; 30 VDC, 0.7 A. Tải cực tiểu: 5 VDC, 100 mA; 100 VAC, 10 mA. AL2  Tiếp điểm Rơ le, thường mở khi đang chạy (RUN) 5, Sơ đồ nối dây cơ bản Sơ đồ nối dây dưới đây cho thấy những kết nối giữa nguồn điện và động cơ cho hoạt động cơ bản. Việc nối dây tới các đầu vào tín hiệu tuỳ chọn hỗ trợ các chức năng lệnh từ bên ngoài như lệnh chạy thuận (Fwd) và chạy ngược (Rev), và một biến trở quay điều chỉnh tốc độ động cơ. Sơ đồ nối dây cơ bản của biến tần được biểu diễn trên hình 3.2. [TL6] Hình 3.2. Sơ đồ nối dây cơ bản của biến tần Hitachi SJ200. 6, Các đầu vào, đầu ra thông minh [TL6] Danh sách đầu vào thông minh: Kí hiệu Mã Đầu vào FW 00 Chạy thuận/ dừng RV 01 Chạy ngược/ dừng CF1 02 Lựa chọn nhiều cấp tốc độ, bit 0 CF2 03 Lựa chọn nhiều cấp tốc độ, bit 1 CF3 04 Lựa chọn nhiều cấp tốc độ, bit 2 CF4 05 Lựa chọn nhiều cấp tốc độ, bit 3 JG 06 Chạy thử DB 07 Hãm DC ngoài SET 08 Đặt (lựa chọn) dữ liệu động cơ thứ 2 2CH 09 Giai đoạn gia tốc và giảm tốc thứ 2 FRS 11 Dừng chạy tự do EXT 12 Lỗi ngoài USP 13 Bỏ qua sự bảo vệ quá trình khởi động SFT 15 Khóa phần mềm AT 16 Lựa chọn tín hiệu vào tương tự (áp/ dòng) RS 18 Xác lập lại biến tần (RESET) PTC 19 Nhiệt điện trở bảo vệ nhiệt UP 27 Chức năng xuống (UP) từ bộ điều khiển từ xa DWN 28 Chức năng xuống (DWN) từ bộ điều khiển từ xa Danh sách các đầu ra thông minh: Kí hiệu Mã Tên đầu ra Run 00 Tín hiệu chạy FA1 01 Tần số tới loại 1, tốc độ không đổi FA2 02 Tần số tới loại 2 OL 03 Tín hiệu báo trước quá tải OD 04 Độ sai lệch đầu ra cho bộ điều khiển PID AL 05 Tín hiệu cảnh báo Các đầu vào và ra tương tự: Đầu vào (AT) biểu diễn bởi 2 mã ON, OFF. Đầu ra [FM] tùy chọn đặt bởi C_23 Mã tùy chọn Tên chức năng Mô tả Dải tín hiệu tương tự 00 Đầu ra tần số Tốc độ của động cơ hiện tại, được biểu trưng bởi tín hiệu PWM 0 tới tần số cực đại. (đơn vị Hz) 01 Đầu ra dòng điện Dòng điện của động cơ (% của phạm vi dòng điện ra lớn nhất), được biểu trưng bởi tín hiệu PWM 0 tới 200% 02 Đầu ra tần số dạng số Tần số ra 0 tới tần số cực đại. (đơn vị Hz) 3.2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TIẾN CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ HÀNG CẦU TRỤC ABUS 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển của cơ cấu nâng hạ Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ cho cơ cấu nâng hạ hàng của cầu ABUS được biểu diễn trên bản vẽ 1B và 2B. Động cơ của cơ cấu nâng hạ hàng làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Sự lựa chọn chế độ làm việc được thực hiện bởi các nút ấn và tay trang tại bàn điều khiển trong cabin điều khiển. Các thiết bị chính của cơ cấu nâng hạ hàng cầu trục ABUS gồm: Một động cơ truyền động chính phục vụ truyền động nâng hạ. Một quạt làm mát cho động cơ nâng hạ. Một động cơ phục vụ cho cơ cấu phanh. Động cơ nâng hạ được cấp nguồn từ bộ biến tần SJ700. Gọi biến là INV1 qua tiếp điểm chính của công tắc tơ HM. 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 của chân C23 qua tiếp điểm thường mở của công tắc tơ 6M1; PTC - thermister: Nhiệt điện trở đặt trong cuộn dây stator để bảo vệ quá tải cho động cơ. BR: Phanh điện thuỷ lực xoay chiều (loại má phanh đĩa) kẹp chặt trục động cơ truyền động tang nâng. Cuộn phanh được cấp điện 3 pha qua áptômat 22MCB, tiếp điểm thường mở của công tắc tơ 22M và công tắc tơ 23M. Chức năng các phần tử trong sơ đồ 1M, 2M: Hai công tắc tơ chính cấp nguồn cho biến tần. 2MCB: Cầu dao chính cấp nguồn cho hệ thống. MC-A: Tay điều khiển 11 vị trí. EMX1, EMX2: Rơle trung gian phục vụ trong 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 dùng khẩn cấp đặt tại bàn phím bên trái. 1MA: Công tắc tơ chính cấp nguồn cho bảng điều khiển phụ. RS1: Đặt lại chế độ điều khiển ban đầu cho cơ cấu nâng hạ. 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 biến tần (nếu = 1 thì biến tần làm việc bình thường; nếu = 0 biến tần ngừng hoạt động). 3CR, 4CR, 5CR: Các rơle trung gian (nếu bằng 0 hệ thống ngừng hoạt động). PL: Tiếp điểm cho phép làm việc trình tự (PL =1 các cơ cấu làm việc theo trình tự nhất định). 7CR: Rơle trung gian làm việc ở chế độ chạy trình tự. 2: Bảo vệ tốc độ nâng định mức. HOS: Rơle trung gian bảo vệ tốc độ nâng định mức. 32: Dừng khẩn cấp khi nâng. HELS: Rơle trung gian bảo vệ dừng khẩn cấp khi có sự cố. 22M: Công tắc tơ cấp nguồn cho phanh. HM, 6M2: Hai công tắc tơ chính cấp nguồn cho các nhiệt điện trở ở động cơ và bộ biến tần. 5PL: Rơle trung gian dùng để báo hiệu sự cố. 31.1: Cảm biến cuối hành trình nâng (bằng 0 khi quá độ cao cho phép). HUS: Rơle trung gian điều khiển dừng khi nâng quá cao cho phép. 31.2: Cảm biến cho hệ thống nâng chậm ở gần cuối hành trình (đến gần cuối hành trình khi nâng thì 31.2 = 0). HSL: Rơle trung gian điều khiển hạ chậm ở gần cuối hành trình. 21MCB: Cầu dao đóng nguồn cho quạt làm mát của động cơ nâng. 21M: Công tắc tơ chính đóng nguồn cho quạt làm mát của động cơ nâng. 22MCB: Cầu dao cấp nguồn chính cho cơ cấu phanh. 22M, 23M: Công tắc tơ chính cấp nguồn cho cơ cấu phanh. 34.2: Cảm biến cuối hành trình hạ (bằng 0 khi hạ xuống quá mức cho phép). HLS: Rơle trung gian điều khiển dừng khi hạ xuống quá mức cho phép. 34.1: Cảm biến cho hệ thống hạ chậm ở gần cuối hành trình (đến gần cuối hành trình khi hạ thì 34.1 = 0). HSD: Rơle trung gian điều khiển hạ chậm ở gần cuối hành trình. Các chế độ bảo vệ Bảo vệ quá tải nhiệt cho các động cơ chính bằng các điện trở nhiệt đặt trong stator của động cơ. Bảo vệ tốc độ nâng hạ chậm ở cuối hành trình: Khi tới gần cuối hành trình nhờ các cảm biến tác động dẫn đến các rơle HSD = 0, HSL = 0. Hai tín hiệu này được đưa tới đầu vào PLC điều khiển hệ thống nâng hạ chậm ở cuối hành trình. Bảo vệ vượt quá hành trình nâng - hạ: Khi nâng - hạ mà vượt quá hành trình cho phép thì các bộ cảm biến hành trình 34.1, 34.2 = 0 cắt điện HUS và HLS làm cho các tiếp điểm phụ của nó ở mạch PLC mở ra, PLC điều khiển dừng hệ thống. Bảo vệ liên động giữa hai cơ cấu nâng hạ và di chuyển xe cầu: Khi công tắc tơ HM1 = 1 thì tiếp điểm HM1 ở mạch 6MA mở ra đảm bảo chắc chắn hai công tắc tơ chính GM, TM cấp nguồn cho cơ cấu di chuyển xe cầu và xe con không tác động làm cho các tiếp điểm HM bên mạch động lực đóng lại còn GM, TM mở ra, chắc chắn chỉ có một cơ cấu nâng hạ hàng hoạt động. 3.2.2. Tính toán các phần tử mạch điện cơ cấu nâng hạ 1. Tính chọn động cơ truyền động Ta có các thông số của cầu trục như sau: Trọng tải 40 tấn =40.104 N =Q Trọng lượng xe con m = 3000kg Vận tốc nâng vn =0.8/ 5 m/phút Chiều cao nâng H=18m Chế độ làm việc trung bình CĐ =25% Khi nâng vật thì lực cản của cơ cấu sẽ là trọng lượng của vật nâng khi đó ta có công suất tĩnh khi nâng vật trọng tải xác định theo công thức: P= [Công thức 2-28 TL4] Trong đó h là hiệu suất của cơ cấu : h=hP.ht.h0 hP =0,97 ht =0,96 Hiệu suất tang. h0 =0,92 Hiệu suất bộ truyền có kể cả khớp nối giả thiết bộ truyền được chế tạo thành hộp giảm tốc hai cấp bánh răng trên. Vậy hiệu suất của cơ cấu : h=hP.ht.h0 = 0,97.0,96 .0,92 = 0,86 Q là trọng tải nâng : 40T Vn là vận tốc nâng :5m/ph Vậy P = Vậy khi nâng tải với vận tốc 5m/ph thì công suất là 38,8Kw. Vậy ta chọn sơ bộ động cơ liền hộp giảm tốc Flender của Siemen có công suất 40KW [TL5] 2, Chọn cầu dao Ta có tổng công suất sử dụng của cơ cấu: bao gồm động cơ nâng hạ là 38,8kW, thêm quạt làm mát cho động cơ nâng có công suất 600W cùng 1 động cơ phục vụ cơ cấu phanh. Vậy công suất tổng của cơ cấu ta cho 40Kw. Ta có hệ số công suất và hiệu suất của động cơ là: Cosφ = 0.85, cho h = 0,8. Vậy dòng điện tiêu thụ cực đại là: In = [tr86, TL3] == 89A Thiết bị nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại nên ta chọn aptomat có dòng định mức là 100A có kí hiệu C100E của Merlin grin [tr282, TL3] c, Tính toán chọn dây dẫn Ta có Itt động cơ là In == 89A Chọn cáp dẫn điện tới từng động cơ là cáp nhiều sợi có cỏ bọc bằng PVC3, có hệ số hiệu chỉnh f=0,96. Vậy ta chọn dây dẫn 3pha 4 dây loại F bọc PVC3, nhiều lõi bằng Cu tiết diện 4x16mm2 cos Icp = 113 [tr302, TL3] 3.3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢI TIẾN CHO CƠ CẤU DI CHUYỂN XE CON CẦU TRỤC ABUS 3.3.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển của cơ cấu di chuyển xe con Cơ cấu di chuyển xe con có 2 động cơ truyền động được cấp nguồn từ bộ biến tần SJ200, đặc điểm của cơ cấu này là động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Điều khiển động cơ được thực hiện bằng tay trang trong cabin điều khiển, lựa chọn chế độ làm việc bằng các nút ấn tại bàn điều khiển. Sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ cho cơ cấu nâng hạ hàng của cầu ABUS được biểu diễn trên bản vẽ 3B và 4B. Chức năng các phần tử cơ bản trong sơ đồ điện INV2 SJ200: Bộ biến tần số 2 cấp nguồn cho động cơ di chuyển xe con. TM: Động cơ truyền động chính là động cơ dị bộ rotor lồng sóc. PG: 2 máy phát xung. THR2: Nhiệt điện trở. TBr: Phanh thuỷ lực. 24M: Tiếp điểm của công tắc tơ 24M cấp nguồn cho phanh thuỷ lực. 1M: Công tắc tơ cấp nguồn chính cho bộ biến tần. MC-B: Tay điều khiển 11 vị trí. EMX1, EMX2: Dừng khẩn cấp. 2M: Tiếp điểm phụ của công tắc tơ cấp nguồn cho bộ biến tần. 3MCB: Tiếp điểm phụ của cầu dao cấp nguồn cho động cơ di chuyển xe con. EPB1, EPB2, EPB3, EPB4: Các nút dừng khẩn cấp. 034: Công tắc hạn vị cuối hành trình (LS). TFS, TRS: Rơle trung gian của xe con (TFS = 0 làm cho xe đi chậm lại ở cuối hành trình). RST2: Đặt lại chế độ làm việc cho bộ biến tần xe con INV2. 20CR: Công tắc giới hạn chiều cao nâng (tác động thì dừng hệ thống). 33.1: Cảm biến từ (33.1 = 0 truyền tín hiệu dừng hệ thống). 7CR: Rơle trung gian làm việc ở chế độ chạy trình tự. TFE, TRE: Rơle trung gian của xe con (TFE = 0 thì dừng hệ thống). INV1, INV2, INV3: Là các tiếp điểm phụ kiểm tra trạng thái hoạt động của biến tần (nếu = 1 thì biến tần làm việc bình thường, nếu = 0 thì biến tần ngừng hoạt động). 3CR, 4CR, 5CCR: Các rơle trung gian (nếu = 0 hệ thống ngừng hoạt động). PL: Tiếp điểm cho phép làm việc trình tự (PL = 1 các cơ cấu làm việc theo triìn tự nhất định). 2: Bảo vệ tốc độ nâng dưới định mức. HOS: Rơle trung gian bảo vệ tốc độ nâng định mức. 32: Dừng khẩn cấp khi nâng. HELS: Rơle trung gian bảo vệ dừng khẩn cấp khi có sự cố. 22M: Công tắc tơ cấp nguồn cho phanh xe con. Các bảo vệ trong sơ đồ Bảo vệ quá tải cho động cơ truyền động: Sử dụng nhiệt điện trở có tiếp điểm nằm trong bộ biến tần. Bảo vệ ngắt động cơ truyền động khi bộ biến tần sự cố hoặc ấn các nút dừng khẩn cấp EPB1, EPB2, EPB3, EPB4. Bảo vệ hành trình di chuyển xe con: Bảo vệ dừng đầu và cuối đường ray bằng các cảm biến từ 33.1. Khi 33.1 tác động làm cho rơle TFE = 0 dẫn đến tiếp điểm của TFE mở, PLC cấp tín hiệu cắt nguồn làm việc của động cơ. Ngoài ra việc tự động giảm tốc gần cuối đường ray thực hiện nhờ bộ tiếp điểm hạn vị cuối hành trình. Tiếp điểm 034 tác động cắt điện rơle TFS, TRS = 0 lúc này PLC thu nhận tín hiệu điều khiẻn biến tần INV2 cấp điện áp, tần số cho động cơ sao cho động cơ giảm tốc đến cuối hành trình. 3.3.2. Tính toán các phần tử mạch điện cơ cấu di chuyển xe con a, Chọn động cơ truyền động Động cơ điện của cơ cấu di chuyển chọn theo công suất tĩnh khi chuyển động ổn định với vật nâng trọng lượng danh nghĩa, và cường độ làm việc CĐ%. Công suất của động cơ được tính theo công thức: kW. [tr38, TL1] trong đó: FC: Tổng lực cản đặt lên bánh xe Ta có: Lực cản gồm 2 thành phần chính: Lực ma sát lăn trên đường đi F1 và và lực ma sát trong các cổ trục bánh xe Fct Lực cản ma sát: [tr37, TL1] trong đó: G0: trọng lượng bản thân xe con, (N). G: trọng lượng tải trọng vật nâng, (N) Rb: bán kính bánh xe (cm) f: hệ số ma sát lăn, ta chọn = 0,06cm Có đường kính bánh xe là 280mm,vậy Rb =140mm=14cm G = 40T = 400000 N G0 =3000kg = 30000 N ta chọn f= 0,06cm Vậy lực Thành phần lực Fct được xác định: Fct = (G0 + G).µ, (N) [tr37, TL1] µ: là hệ số ma sát trượt : khi dùng ổ trượt µ = 0,05 ÷ 0,08 ; khi dùng ổ bi µ = 0,01 ÷ 0,05, vậy ta chọn bằng 0,03 Nếu dời điểm đặt của lực này về vành bánh xe thì tính theo biểu thức : [tr38, TL1] Rct là bán kính cổ trục, Rct = 33,5mm Toàn bộ lực đặt lên bánh xe là : Fc = F1 + F’ct = 1843 + 3087 =4930 N Xe con có bánh xe sắt lăn trên đường ray thì ta có thêm lực cản giữa mép bánh xe và đường ray, khi đó toàn bộ lực cản sẽ là : F’c = k. Fc [ tr38, TL1] Với xe con hệ số dự trữ k ta lấy = 1,5 Vậy Fc = 4930.1,5 = 7395 N Vì cầu trục làm trong phân xưởng nên ta bỏ qua lực cản của gió. Vậy công suất trên trục động cơ : Vì động cơ di chuyển xe con là 2 động cơ nên công suất cho 1 động cơ là 1,43 kW. Vậy ta chọn sơ bộ động cơ liền hộp giảm tốc của FLENDER có công suất 1,5kW [TL5] với các thông số kĩ thuật: Kí hiệu: MAA-M90L4-L16/20NH Công suất 1,5kW Tốc độ trục ra 17 vòng/ph b, Chọn áptomat Ta gọi tổng công suất sử dụng của động cơ là 3kW Ta có hệ số công suất và hiệu suất của động cơ là: Cosφ = 0.85, cho h = 0,8. Vậy dòng điện tiêu thụ cực đại là: Itt = == 6,6A Thiết bị di chuyển xe cầu làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại nên ta chọn aptomat có dòng định mức là 25A có kí hiệu C60L của Merlin grin [tr282, TL3] c, Tính toán chọn dây dẫn Ta có Itt của động cơ là Itt == 6,6A Chọn cáp dẫn điện của cơ cấu di chuyển xe con là cáp nhiều sợi có cỏ bọc bằng PVC3có hệ số hiệu chỉnh f=0,96. Vậy ta chọn dây dẫn 3pha 4 dây loại F bọc PVC3, nhiều lõi bằng Cu tiết diện 4x16mm2 có dòng cho phép Icp =31A [tr302, TL3] 3.4. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO CƠ CẤU DI CHUYỂN XE CẦU CẦU TRỤC ABUS 3.4.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển của cơ cấu di chuyển xe cầu Cầu trục được dẫn động bằng hai động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc ở phía đầu hai dầm chính. Sơ đồ điện nguyên lý điều khiển cơ cấu di chuyển xe cầu cầu trục ABUS được biểu diễn trên bản vẽ 5B và 6B. Cơ cấu gồm: Hai động cơ dùng cho chế độ phanh hãm dừng cầu trục. Một bộ biến tần INV3 điều khiển cấp nguồn cho hai động cơ truyền động chính cho cơ cấu di chuyển xe cầu. Hai đèn quay cảnh báo khi hệ thống làm việc. Chức năng các phần tử trong sơ đồ GM: Hai động cơ truyền động chính di chuyển xe cầu. PG: Hai máy phát xung dùng cho biến tần. THR3: Nhịêt điện trở. 6MCB: Cầu dao chính cấp nguồn cho cơ cấu phanh. 4M: Công tắc tơ chính cấp nguồn cho cơ cấu phanh. BR: Các động cơ dùng cho cơ cấu phanh. 1M, 2M: Hai công tắc tơ chính cấp nguồn cho biến tần. 2MCB: Cầu dao chính cấp nguồn cho hệ thống. MC-C: Tay điều khiển 11 vị trí (bên trái 5 tiến - 0 - 5 lùi). EMX1, EMX2: Rơle trung gian phục vụ cho chế độ dừng khẩn cấp. 2M: Tiếp điểm phụ của công tắc tơ cấp nguồn cho biến tần. EPB3, EPB2: Các nút dừng khẩn cấp đặt tại cabin điều khiển. 1MA: Công tắc tơ chính cấp nguồn cho bảng điều khiển phụ. RST3: Đặt lại chế độ điều khiển ban đầu cho cơ cấu di chuyển xe cầu. 20CR: Công tắc 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 biến tần (nếu = 1 biến tần làm việc bình thường, nếu = 0 biến tần ngừng hoạt hoạt động). 3CR, 4CR, 5CR: Các rơle trung gian (nếu = 0 thì ngừng hệ thống). PL: Tiếp điểm cho phép làm việc trình tự (PL = 1 các cơ cấu làm việc theo trình tự nhất định). 7CR: Rơle trung gian làm việc ở chế độ chạy trình tự. 2: Bảo vệ tốc độ nâng định mức. HOS: Rơle trung gian bảo vệ tốc độ nâng định mức. 32: Dừng khẩn cấp khi nâng. HELS: Rơle trung gian bảo vệ dừng khẩn cấp khi có sự cố. 22M: Công tắc tơ cấp nguồn cho phanh xe con. 8MA: Rơle trung gian cấp nguồn cho công tắc tơ chính của xe cầu. GM: Công tắc tơ cấp nguồn chính cho hai động cơ truyền động chính của xe cầu. HM: Công tắc tơ cấp nguồn chính cho hai động cơ nâng hạ. 6M2, 6M4, 6M6: Các công tắc tơ chính cấp nguồn cho các nhiệt điện trở. 5PL: Rơle trung gian dùng để báo hiệu sự cố. GRL: Rơle cấp nguồn cho đèn quay. GIB3: Rơle tín hiệu phanh. GIB0: Rơle báo trạng thái của hệ thống (start/stop). 0, 90: Rơle tín hiệu xác định vị trí xe cầu. 43.1…43.4: Các cảm biến bảo vệ hành trình xe cầu khi va chạm các chướng ngại vật. GES: Rơle trung gian (GES = 1 khi 443.1…43.4 = 1). 42.1…42.8: Cảm biến xác định hướng chuyển động của xe cầu. S01, S901: Các rơle trung gian xác định hướng di chuyển của xe cầu. Các bảo vệ có trong hệ thống Bảo vệ quá tải cho động cơ truyền động: Sử dụng nhiệt điện trở có tiếp điểm nằm trong bộ biến tần. Bảo vệ sự cố của hệ thống bằng các nút dừng khẩn cấp EPB1…EPB4 đặt tại bàn phím bên phải, tại động cơ, tại cabin điều khiển. Bảo vệ sự hoạt động bình thường của biến tần bằng các tiếp điểm INV1, INV2, INV3. Bảo vệ sự tránh va chạm của cầu trục khi di chuyển vào các chướng ngại vật: Khi cầu trục đang di chuyển mà bị va chạm vào các chướng ngại vật xung quanh thì các cảm biến 43.1…43.4 = 0 cắt điện GES làm cho tiếp điểm đóng lại, đưa tín hiệu này đến đầu vào PLC, PLC nhận tín hiệu và điều khiển dừng hệ thống. Bảo vệ liên động giữa hai cơ cấu nâng hạ và di chuyển xe cầu: Khi công tắc tơ GM = 1 thì hai tiếp điểm GM1, GM2 ở mạch 8MA mở ra đảm bảo chắc chắn công tắc tơ chính HM cấp nguồn cho cơ cấu nâng hạ không tác động làm cho các tiếp điểm GM1, GM2 bên mạch động lực đóng lại, đồng thời công tắc tơ TM cấp nguồn cho cơ cấu di chuyển xe con cũng ko tác động còn HM1, HM2 mở ra đảm bảo chắc chắn chỉ có một cơ cấu di chuyển xe cầu hoạt động. 3.4.2. Tính toán các phần tử mạch điện cơ cấu di chuyển xe cầu a, Chọn động cơ truyền động Động cơ điện của cơ cấu di chuyển chọn theo công suất tĩnh khi chuyển động ổn định với vật nâng trọng lượng danh nghĩa, và cường độ làm việc CĐ%. Công suất của động cơ được tính theo công thức: kW. [tr38, TL1] trong đó: FC: Tổng lực cản đặt lên bánh xe Ta có: Lực cản gồm 2 thành phần chính: Lực ma sát lăn trên đường đi F1 và và lực ma sát trong các cổ trục bánh xe Fct Lực cản ma sát: [tr37, TL1] trong đó: G0: trọng lượng cơ cấu gồm xe con và xe cầu. Với trọng lượng xe con là 3000kg. Trọng lượng xe cầu là 40000kg Rb: bán kính bánh xe (cm) f: hệ số ma sát lăn, ta chọn = 0,06cm Có đường kính bánh xe là 400mm,vậy Rb =200mm=20cm G = 40T = 400000 N G0 =43000kg = 430000 N ta chọn f= 0,06cm Vậy lực Thành phần lực Fct được xác định: Fct = (G0 + G).µ, (N) [tr37, TL1] µ: là hệ số ma sát trượt : khi dùng ổ trượt µ = 0,05 ÷ 0,08 ; khi dùng ổ bi µ = 0,01 ÷ 0,05, vậy ta chọn bằng 0,03 Nếu dời điểm đặt của lực này về vành bánh xe thì tính theo biểu thức : [tr38, TL1] Rct là bán kính cổ trục, Rct = 42,5mm do đường kính cổ trục là 95mm Toàn bộ lực đặt lên bánh xe là : Fc = F1 + F’ct = 3557 + 7559=11116 N Xe cầu có bánh xe sắt lăn trên đường ray thì ta có thêm lực cản giữa mép bánh xe và đường ray, khi đó toàn bộ lực cản sẽ là : F’c = k. Fc [tr38, TL1] Với xe con hệ số dự trữ k ta lấy = 1,5 Vậy Fc = 11116.1,5 = 16674 N Vì cầu trục làm trong phân xưởng nên ta bỏ qua lực cản của gió. Vậy công suất trên trục động cơ : Vì động cơ di chuyển xe cầu là 2 động cơ nên công suất cho 1 động cơ là 3,23 kW. Vậy ta chọn sơ bộ động cơ liền hộp giảm tốc của FLENDER có công suất 3,5kW [TL5] b, Chọn áptomat Ta gọi tổng công suất sử dụng của động cơ và cơ cấu phanh là 7kW Ta có hệ số công suất và hiệu suất của động cơ là: Cosφ = 0.85, cho h = 0,8. Vậy dòng điện tiêu thụ cực đại là: Itt = == 15,5A Thiết bị di chuyển xe cầu làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại nên ta chọn aptomat có dòng định mức là 25A có kí hiệu C60L của Merlin grin [tr282, TL3] c, Tính toán chọn dây dẫn Ta có Itt của động cơ là Itt == 15,5A Chọn cáp dẫn điện của cơ cấu di chuyển xe cầu là cáp nhiều sợi có cỏ bọc bằng PVC3có hệ số hiệu chỉnh f=0,96. Vậy ta chọn dây dẫn 3pha 4 dây loại F bọc PVC3, nhiều lõi bằng Cu tiết diện 4x16mm2 có dòng cho phép Icp =31A [tr302, TL3[ 3.5. THIẾT BỊ PLC VÀ CÁC TÍN HIỆU I/O TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CẦU TRỤC ABUS 3.5.1 Thiết bị PLC Bộ điều khiển logic khả trình trong hệ thống mang tên MCREX-F do công ty điện tử FUJI – NHật Bản chế tạo. Do trong cầu trục số lượng tín hiệu đầu vào ( thu thập từ các cảm biến, ngắt cuối hành trình, giới hạn nâng, tay điều khiển) và số lượng tín hiệu đầu ra (cấp cho các công tắc tơ, rơ le là lớn, hệ thống sử dụng một mạng PLC cục bộ gồm các modul vào ra, xử lý tín hiệu có sơ đồ cấu trúc như hình 3.3.[tr31,TL1] Trong đó: 70S: khối xử lý trung tâm. RMn: Các modul ghép nối. (n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) INV1, INV2, INV3: Các bộ biến tần của cơ cấu xe cầu, xe con, nâng hạ. Màn hình chỉ thị: Báo trạng thái hoạt động của cầu trục Hình 3.3: Cấu trúc mạng PLC của cầu trục. 3.5.2. Danh sách các tín hiệu ra vào cơ bản Do số lượng các tín hiệu vào số và ra là rất lớn nên ta chỉ thống kê lại một số các tín hiệu ra vào cơ bản trong hoạt dộng của cầu trục. Danh sách các tín hiệu được trình bày như bảng sau: