Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các ngành công nghiệp hiện đại, việc vận chuyển và nâng hạ các loại hàng hóa, vật liệu có khối lượng lớn trong môi trường làm việc khắc nghiệt đòi hỏi sự hỗ trợ của các thiết bị nâng chuyển chuyên dụng như băng tải, cần cẩu và cầu trục. Hệ thống cầu trục (Overhead Crane) đóng vai trò thiết yếu tại các nhà máy, xí nghiệp luyện kim, chế tạo máy, bến bãi, cảng biển và nhà máy thủy điện. Trong dây chuyền sản xuất, truyền động điện là công đoạn cuối cùng quyết định trực tiếp đến năng suất, độ an toàn và chất lượng vận hành của thiết bị.

Đồ án chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Viện Kỹ thuật và Công nghệ – Trường Đại học Vinh (thực hiện năm 2022) do nhóm sinh viên gồm Nguyễn Tiến Nam, Dương Tuấn Anh, Trần Phương An, Lê Ngọc Châu, Vũ Trần Đạt thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Văn Chương, tập trung giải quyết bài toán: "Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục".

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, phân loại, nguyên lý hoạt động và các yêu cầu công nghệ đặc thù của hệ thống truyền động cầu trục.
  2. Xác định các thông số kỹ thuật, tính toán phụ tải tĩnh và chu kỳ làm việc theo hệ số tiếp điện tương đối (TĐ%) để tính chọn công suất động cơ truyền động nâng hạ phù hợp với yêu cầu tải trọng 20 tấn.
  3. Khảo sát, so sánh và lựa chọn phương án truyền động điện tối ưu cho cơ cấu nâng hạ.
  4. Tính toán, thiết kế mạch động lực (bộ biến đổi công suất bao gồm chỉnh lưu, nghịch lưu, mạch dập/chuyển mạch) và các thiết bị đo lường phản hồi (cảm biến dòng điện, máy phát tốc).
  5. Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển hai kênh theo nguyên lý giữ từ thông không đổi ($\Psi_r = \text{const}$), tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện ($R_i$) và bộ điều chỉnh tốc độ ($R_\omega$) theo tiêu chuẩn mô-đun tối ưu, sau đó kiểm nghiệm hệ thống trên công cụ mô phỏng Matlab-Simulink.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cơ cấu nâng hạ của hệ thống cầu trục công nghiệp có tải trọng nâng định mức 20 tấn. Phạm vi tính toán công nghệ giới hạn trong không gian nhà xưởng công nghiệp với các thông số vận hành của phân xưởng sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án sử dụng cơ sở lý thuyết truyền động điện và lý thuyết điều khiển tự động kinh điển kết hợp hiện đại:

  • Lý thuyết truyền động điện: Khảo sát các chế độ làm việc của động cơ điện (chế độ ngắn hạn lặp lại), phương trình đặc tính cơ, phương pháp quy đổi mô-men và quán tính về trục động cơ, phương pháp tính toán công suất động cơ theo tổn hao nhiệt và phụ tải đẳng trị quy đổi về hệ số tiếp điện tiêu chuẩn $\text{TĐ}% = 25%$.
  • Lý thuyết máy điện và biến đổi bán dẫn: Khảo sát nguyên lý điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp biến đổi tần số kết hợp điện áp ($U/f$), nguyên lý nghịch lưu nguồn áp, nghịch lưu nguồn dòng và chỉnh lưu cầu ba pha sử dụng Tiristor, Điốt công suất.
  • Lý thuyết điều khiển tự động: Chiến lược điều khiển vector gián tiếp dựa trên phương trình cân bằng từ thông rotor trên hệ tọa độ quay ($d-q$), duy trì quan hệ giữa dòng stato $I_1$ và tần số trượt $f_2$ nhằm giữ biên độ vector từ thông rotor không đổi. Phương pháp tổng hợp hệ thống điều khiển nhiều vòng kín lồng nhau (mạch vòng dòng điện bên trong và mạch vòng tốc độ bên ngoài) áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô-đun (Modulus Optimum).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán giải tích kỹ thuật, thiết kế kết cấu hình học và mô phỏng số học:

  • Phương pháp tính toán giải tích: Thiết lập hệ phương trình cân bằng lực, tính toán phụ tải tĩnh trong các giai đoạn chuyển động (nâng tải, hạ tải, nâng không tải, hạ không tải), tính toán tham số điện cảm, điện trở tương đương, mạch lọc và lựa chọn van bán dẫn theo điện áp ngược và dòng điện cực đại có tính đến hệ số dự trữ an toàn.
  • Phương pháp xây dựng mô hình kết cấu: Sử dụng phần mềm Solidworks để xây dựng bản vẽ kết cấu hệ thống cầu trục (dầm chính, dầm biên, xe con, palăng nâng hạ).
  • Phương pháp mô phỏng và kiểm nghiệm: Ứng dụng phần mềm Matlab-Simulink để mô hình hóa cấu trúc hệ truyền động, đánh giá chất lượng đặc tính quá độ của mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống truyền động cơ cấu nâng hạ được thiết kế bao gồm phần cơ khí - kết cấu, mạch lực biến đổi điện năng và hệ thống điều khiển tự động:

Thông số kỹ thuật ban đầu và lựa chọn động cơ

Hệ thống được thiết kế dựa trên các thông số tải trọng và vận tốc định trước, qua tính toán phụ tải tĩnh và hệ số tiếp điện chu kỳ để chọn động cơ phù hợp.

Thông số thiết kế Giá trị đại lượng Đơn vị
Khối lượng tải trọng định mức ($G_{\text{đm}}$) 20 Tấn
Khối lượng bộ phận mang tải ($G_0$) 1 Tấn
Bán kính tang nâng ($R_t$) 0,5 m
Bội số hệ thống ròng rọc ($u$) 1 -
Tỉ số truyền hộp giảm tốc ($i$) 80 -
Hiệu suất cơ cấu khi có tải định mức ($\eta_c$) 0,85 -
Hiệu suất cơ cấu khi không tải ($\eta_0$) 0,25 -
Vận tốc nâng định mức ($v_{\text{nâng}}$) 30 (tương đương 0,5) m/phút (m/s)
Vận tốc di chuyển xe cầu 100 m/phút
Gia tốc nâng hạ cho phép ($a$) $\le 0,2$ $\text{m/s}^2$

Qua tính toán chu kỳ làm việc gồm 4 giai đoạn chính (thời gian nâng có tải $t_n = 10,\text{s}$, nâng không tải $t_{no} = 7,\text{s}$, hạ có tải $t_h = 8,\text{s}$, hạ không tải $t_{ho} = 6,\text{s}$ trên tổng chu kỳ $t_{ck} = 120,\text{s}$), hệ số tiếp điện tương đối thực tế đạt $\text{TĐ}% = 25,8%$. Mô-men đẳng trị tính được là $M_{\text{đt}} = 448,\text{N}\cdot\text{m}$, công suất tương ứng $P_{\text{đc}} = 33,8,\text{kW}$, quy đổi về chuẩn $\text{TĐ}% = 25%$ đạt $P_c = 34,3,\text{kW}$.

Động cơ được lựa chọn là loại MTKb 512-8 với các thông số danh định:

  • Công suất định mức: $P_{\text{đm}} = 37,\text{kW}$
  • Điện áp định mức: $U_{\text{đm}} = 380/220,\text{V}$, tần số $f = 50,\text{Hz}$
  • Tốc độ định mức: $n_{\text{đm}} = 720,\text{vòng/phút}$ ($\omega_{\text{đm}} = 75,4,\text{rad/s}$)
  • Dòng điện định mức: $I_{\text{đm}} = 91,\text{A}$ ($I_{s\text{đm}} = 104,\text{A}$)
  • Khả năng quá tải: $M_{\text{th}}/M_{\text{đm}} = 3,6$; $M_{\text{kđ}}/M_{\text{đm}} = 3,3$
  • Tham số mạch tương đương: $R_s = 0,08,\Omega$, $X_s = 0,17,\Omega$, $R_r = 0,19,\Omega$, $X_r = 0,16,\Omega$, mô-men quán tính $J = 1,32,\text{kg}\cdot\text{m}^2$.

Tính toán mạch biến đổi công suất và phần tử bán dẫn

Mạch lực sử dụng cấu hình biến tần gián tiếp bao gồm bộ chỉnh lưu cầu ba pha Tiristor kết hợp bộ nghịch lưu áp.

Phần tử / Thiết bị Loại / Mã hiệu Thông số kỹ thuật danh định
Điốt nghịch lưu ($D_1 \div D_6$) B-200 $I_{\text{tb}} = 200,\text{A}$, $U_{\text{im}} = 750,\text{V}$, $U = 0,7,\text{V}$, tốc độ làm mát quạt gió $12,\text{m/s}$
Tiristor nghịch lưu ($T_1 \div T_6$) TL-250 $I = 250,\text{A}$, $U_{\text{im}} = 750,\text{V}$, $U = 0,82,\text{V}$, $t_{\text{off}} = 70 \div 250,\mu\text{s}$, $I_g = 0,4,\text{A}$, $U_g = 8,\text{V}$
Tụ điện chuyển mạch ($C_1 \div C_6$) Tụ công nghiệp Dung lượng tính toán $C_{\max} = 212,\mu\text{F}$, chọn thực tế $C = 200,\mu\text{F}$
Tiristor chỉnh lưu cầu 3 pha T-250 $I = 250,\text{A}$, điện áp ngược tính toán $U_{\text{ng}} = 930,8,\text{V}$, góc mở kích $\alpha = 65,3^\circ$
Cuộn kháng lọc một chiều ($L_d$) Cuộn cảm lõi thép Điện trở $R_d$, kết hợp điện kháng tản tạo nên $L_\Sigma = 0,02908,\text{H}$, $R_\Sigma = 0,16,\Omega$

Mạch đo lường và khối điều khiển

  • Máy phát tốc một chiều: Đo tốc độ góc động cơ, hệ số truyền động $K_\omega = 0,1326,\text{V/(rad/s)}$, hằng số thời gian bộ lọc $T_f = 1,\text{ms}$ ($0,001,\text{s}$). Hàm truyền máy phát tốc có dạng: $$F_{\text{ft}}(p) = \frac{0,1326}{1 + 0,001p}$$
  • Mạch phản hồi dòng điện: Sử dụng điện trở Shunt tạo điện áp rơi $0 \div 75,\text{mV}$ kết hợp mạch khuếch đại thuật toán (OA) có $R_1 = 1,\text{k}\Omega$, $R_2 = 133,\text{k}\Omega$ để đưa về tín hiệu chuẩn $0 \div 10,\text{V}$, hệ số khuếch đại dòng $K_{\text{đo}} = 0,08569,\text{V/A}$.
  • Bộ điều chỉnh dòng điện ($R_i$): Thiết kế theo chuẩn mô-đun tối ưu, có cấu trúc tỷ lệ tích phân (PI) với hàm truyền: $$W_{ir}(p) = \frac{1 + 0,18175p}{p \cdot T_{\Sigma i}}$$ (với hằng số thời gian $T_\Sigma = 0,18175,\text{s}$).
  • Bộ điều chỉnh tốc độ ($R_\omega$): Thiết kế dựa trên mô hình đối tượng sau khi đã khép kín mạch vòng dòng điện (hằng số thời gian tương đương $T_i = 0,01,\text{s}$, hệ số khuếch đại $K_i = 11,7$). Cấu trúc bộ điều chỉnh gồm một khâu trễ ($T_{\text{trễ}} = 0,0002139,\text{s}$) mắc nối tiếp với khâu PI.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan về cầu trục

Chương này phân tích toàn diện về định nghĩa, vai trò, cấu tạo cơ khí và các đặc điểm công nghệ của hệ thống cầu trục trong công nghiệp:

  • Khái niệm và kết cấu: Cầu trục là thiết bị nâng hạ di chuyển trên cao nhà xưởng gồm hai chuyển động chính (ngang và dọc). Kết cấu gồm dầm chính dạng hộp hoặc dàn không gian liên kết bu-lông cường độ cao với dầm biên, trên dầm chính bố trí xe con mang pa-lăng nâng hạ.
  • Phân loại cầu trục theo các tiêu chí kỹ thuật:
    • Theo công dụng: Cầu trục dùng chung (móc treo sửa chữa, lắp ráp), cầu trục chuyên dùng (luyện kim, múc xỉ nhiệt độ cao), cầu trục cảng (xếp dỡ container), cầu trục thủy điện (lắp đặt tua-bin, nâng hạ cửa xả), cầu trục phòng nổ (nhà máy hóa chất, khí gas, hầm lò than).
    • Theo kết cấu dầm: Cầu trục một dầm (thường dùng thép tổ hợp CT3, dùng cho khẩu độ nhỏ, tải trọng nhẹ) và cầu trục hai dầm (độ cứng vững lớn theo hai phương, bố trí được từ 1 đến 3 cơ cấu nâng).
    • Theo cách tựa: Cầu trục tựa trên ray nhà xưởng (chiều cao nâng lớn) và cầu trục treo (kết cấu nhẹ hơn, khẩu độ dài đến 100m, phục vụ được khu vực sát mép xưởng).
    • Theo cách dẫn động: Dẫn động chung (một động cơ truyền qua trục dài) và dẫn động riêng (mỗi bên dầm biên có động cơ riêng).
    • Theo phương thức điều khiển: Điều khiển nút bấm treo và điều khiển bằng ca-bin.
  • Yêu cầu công nghệ và an toàn của hệ thống truyền động:
    • Động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, tần suất đóng cắt cao, môi trường làm việc khắc nghiệt.
    • Phụ tải của cơ cấu nâng hạ mang tính chất phụ tải thế năng, yêu cầu động cơ phải có khả năng đảo chiều quay và phanh hãm dừng chính xác.
    • Quy định an toàn điện: Mạng động lực xoay chiều không quá 500V (thường dùng 220V, 380V), mạng một chiều 220V/440V. Điện áp chiếu sáng $\le 220\text{V}$, điện áp sửa chữa an toàn $< 36\text{V}$, tuyệt đối không dùng biến áp tự ngẫu cho chiếu sáng và sửa chữa.
    • Trang bị rơ-le dòng điện cực đại bảo vệ quá tải $> 200%$ và ngắn mạch (không sử dụng rơ-le nhiệt do tính chất ngắn hạn lặp lại). Trang bị công tắc hành trình khống chế chiều nâng.
    • Giới hạn gia tốc chuyển động nâng hạ $a \le 0,2,\text{m/s}^2$ nhằm triệt tiêu hiện tượng giật đứt cáp treo; thời gian khởi động tối thiểu $t_{\text{kđ}} \ge 5v$ (với $v$ là vận tốc nâng tính bằng m/s). Thiết bị phải vận hành an toàn ngay cả khi sụt áp nguồn xuống $85% U_{\text{đm}}$.

Chương 2: Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ

Chương này tập trung giải quyết toàn bộ quá trình tính toán động học, lực học, lựa chọn phương án truyền động, tính chọn linh kiện mạch lực và tổng hợp hệ điều khiển:

  • Phân tích yêu cầu và tính toán phụ tải: Thiết lập sơ đồ động học nâng hạ với tải trọng định mức $G_{\text{đm}} = 20,\text{tấn}$, tải trọng bộ phận mang $G_0 = 1,\text{tấn}$, tỉ số truyền $i = 80$, bán kính tang $R_t = 0,5,\text{m}$. Xác định trạng thái hạ không tải làm việc ở chế độ hạ động lực do mô-men tải âm ($M_{h0} < 0$).
  • Xác định công suất động cơ: Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác có xét đến thời gian khởi động, hãm và thời gian nghỉ của 4 giai đoạn nâng hạ. Xác định hệ số tiếp điện tương đối $\text{TĐ}% = 25,8%$, mô-men đẳng trị $M_{\text{đt}} = 448,\text{N}\cdot\text{m}$, chọn động cơ rotor dây quấn MTKb 512-8 công suất định mức 37 kW, tốc độ 720 vòng/phút.
  • Đánh giá và so sánh các phương án truyền động:
    • Hệ Máy phát - Động cơ (F-Đ): Điều chỉnh bằng phẳng, dải rộng, quá tải tốt nhưng cồng kềnh, ồn, hiệu suất thấp ($< 75%$), vốn đầu tư lớn.
    • Hệ Chỉnh lưu - Động cơ (T-Đ): Dải điều chỉnh rộng ($D = 10^2 \div 10^3$), đáp ứng nhanh nhưng hệ số công suất $\cos\varphi$ thấp khi điều chỉnh sâu, sóng hài dòng điện cao gây tổn hao phụ.
    • Điều chỉnh điện trở phụ mạch rotor bằng van bán dẫn: Cấu trúc đơn giản, dễ tự động hóa nhưng tổn hao năng lượng trên điện trở lớn, phạm vi điều chỉnh hẹp.
    • Hệ biến tần - Động cơ xoay chiều: Khả năng điều chỉnh trơn, mở rộng dải tốc độ, nâng cao đặc tính động học, tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ. Đồ án kết luận lựa chọn giải pháp điều khiển động cơ không đồng bộ bằng biến tần.
  • Tính toán mạch lực biến tần: Tính toán dòng điện chỉnh lưu $I_d = 116,7,\text{A}$, điện áp $U_d = 370,\text{V}$. Lựa chọn van bán dẫn nghịch lưu (Điốt B-200, Tiristor TL-250), tính toán tụ chuyển mạch $C = 200,\mu\text{F}$, lựa chọn Tiristor chỉnh lưu T-250 (chịu điện áp ngược $930,8,\text{V}$, dòng trung bình $38,9,\text{A}$, góc điều khiển $\alpha = 65,3^\circ$).
  • Tổng hợp hệ thống điều khiển hai kênh:
    • Thiết lập kênh điều khiển biên độ gồm hai mạch vòng kín lồng nhau. Mạch vòng dòng điện bên trong sử dụng khâu PI triệt tiêu sai lệch tĩnh; mạch vòng tốc độ bên ngoài sử dụng khâu PI kết hợp bù trễ nhằm ổn định tốc độ khi có biến động tải.
    • Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ đồng bộ $f_1 = \pm f_2 + f_m$ đảm bảo từ thông động cơ không đổi trong mọi chế độ vận hành.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và thiết kế kỹ thuật

Đồ án đã hoàn thành toàn bộ khối lượng tính toán và thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục 20 tấn với hệ thống thông số kỹ thuật đồng bộ:

Hạng mục thiết kế Kết quả đạt được Căn cứ / Tham số kỹ thuật
Động cơ truyền động chính MTKb 512-8 ($37,\text{kW}$, $720,\text{v/p}$) Đảm bảo mô-men định mức ($490,\text{N}\cdot\text{m}$) lớn hơn mô-men đẳng trị ($448,\text{N}\cdot\text{m}$) tại $\text{TĐ}% = 25%$
Hệ số tiếp điện chu kỳ $\text{TĐ}% = 25,8%$ Tính toán từ tổng chu kỳ $120,\text{s}$ (thời gian làm việc có điện $31,\text{s}$)
Bộ biến đổi chỉnh lưu Cầu 3 pha Tiristor T-250 Điện áp $U_d = 370,\text{V}$, dòng $I_d = 116,7,\text{A}$, góc mở $\alpha = 65,3^\circ$
Bộ nghịch lưu độc lập 6 Tiristor TL-250 + 6 Điốt B-200 Dòng làm việc qua van $91,\text{A}$, hệ số an toàn $k=2$, tụ $C = 200,\mu\text{F}$
Mạch vòng điều chỉnh dòng điện Bộ điều chỉnh PI $W_{ir}(p) = \frac{1 + 0,18175p}{p \cdot T_{\Sigma i}}$, bù hằng số thời gian mạch lực $T_\Sigma = 0,18175,\text{s}$
Mạch vòng điều chỉnh tốc độ Bộ điều chỉnh PI + Khâu trễ $T_{\text{trễ}} = 0,0002139,\text{s}$, $T_{s\omega} = 0,011,\text{s}$, đảm bảo tính ổn định hệ kín
Hệ thống cảm biến Tốc độ ($K_\omega = 0,1326$), Dòng ($K_{\text{đo}} = 0,08569$) Tín hiệu đo lường chuẩn hóa $0 \div 10,\text{V}$

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  1. Đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình tính toán phụ tải cơ cấu nâng hạ cầu trục có tải trọng lớn (20 tấn), phân định rõ trạng thái làm việc hạ động lực và các yêu cầu hạn chế gia tốc ($a \le 0,2,\text{m/s}^2$).
  2. Thiết lập cấu trúc điều khiển biến tần giữ từ thông không đổi ($\Psi_r = \text{const}$) cho động cơ nâng hạ, khắc phục các nhược điểm tiêu hao năng lượng lớn của phương pháp điều khiển điện trở phụ rotor truyền thống.
  3. Áp dụng phương pháp tổng hợp tần số và tiêu chuẩn mô-đun tối ưu để chuẩn hóa các tham số của bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ, tạo cơ sở cho việc lập trình điều khiển trên các bộ biến đổi công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đồ án:
    • Các tính toán mạch vòng dòng điện chấp nhận giả thiết bỏ qua thành phần điện trở và điện kháng tản quy đổi từ rotor về stato nhằm đơn giản hóa việc tổng hợp giải tích.
    • Kênh điều khiển tần số $f_1 = \pm f_2 + f_m$ được giả thiết do khối phần cứng chuyên dụng đảm nhiệm, chưa đi sâu chi tiết hóa thuật toán xử lý tín hiệu số trong phần cứng.
    • Số liệu kiểm nghiệm dừng lại ở kết quả tính toán giải tích và mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink, chưa tiến hành thử nghiệm trên mô hình phần cứng thực nghiệm tại phân xưởng.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Ứng dụng các thuật toán điều khiển vector không gian (FOC) hoặc điều khiển trực tiếp mô-men (DTC) trên các vi điều khiển DSP/FPGA để tối ưu hóa đặc tính điều khiển ở dải tốc độ cực thấp.
    • Nghiên cứu giải pháp hãm tái sinh năng lượng trả về lưới điện xoay chiều thông qua bộ biến đổi tích cực (Active Front End - AFE) thay cho mạch hãm tiêu tán trên điện trở.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Truyền động điện, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu mẫu về phương pháp tính toán phụ tải nâng hạ, quy trình tính chọn động cơ theo chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại, và các bước tổng hợp mạch vòng điều khiển theo tiêu chuẩn tối ưu kỹ thuật.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống cơ điện và thiết bị nâng hạ: Tham khảo các thông số tính toán mạch lực van bán dẫn (Tiristor, Điốt), mạch bảo vệ ngắn mạch/quá tải, cũng như các tiêu chuẩn an toàn công nghiệp đặc thù của cầu trục nhà xưởng.
  • Các đề tài nghiên cứu tương tự: Cung cấp bộ thông số giải tích chi tiết về hàm truyền đối tượng động cơ MTKb 512-8, cảm biến máy phát tốc và cảm biến dòng phục vụ bài toán mô phỏng hệ thống điều khiển tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cơ cấu nâng hạ cầu trục phải giới hạn gia tốc chuyển động dưới $0,2,\text{m/s}^2$?
Theo yêu cầu công nghệ và an toàn của thiết bị nâng hạ, phụ tải cơ cấu nâng là phụ tải thế năng có khối lượng lớn (tải trọng nâng 20 tấn). Nếu gia tốc khởi động hoặc hãm quá lớn sẽ gây hiện tượng lực giật động lực học trên dây cáp treo, dẫn đến nguy cơ đứt cáp hoặc mất an toàn cơ kết cấu. Do đó, gia tốc được giới hạn $a \le 0,2,\text{m/s}^2$, tương ứng thời gian khởi động tối thiểu $t_{\text{kđ}} \ge 5v$ (với $v$ là vận tốc nâng).

2. Động cơ nào được lựa chọn cho hệ thống nâng hạ trong đồ án và dựa trên những tiêu chí nào?
Đồ án lựa chọn động cơ rotor dây quấn mã hiệu MTKb 512-8 ($37,\text{kW}$, $380,\text{V}$, $n = 720,\text{v/p}$). Động cơ được chọn dựa trên:

  • Công suất quy đổi về hệ số tiếp điện chuẩn $25%$ đạt $P_c = 34,3,\text{kW} < P_{\text{đm}} = 37,\text{kW}$.
  • Mô-men định mức động cơ $M_{\text{đm}} = 490,\text{N}\cdot\text{m}$ lớn hơn mô-men đẳng trị tính toán $M_{\text{đt}} = 448,\text{N}\cdot\text{m}$.
  • Khả năng chịu quá tải khởi động cao ($M_{\text{kđ}}/M_{\text{đm}} = 3,3$; $M_{\text{th}}/M_{\text{đm}} = 3,6$) phù hợp chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.

3. Tại sao trong mạch bảo vệ động cơ cầu trục không sử dụng rơ-le nhiệt?
Động cơ cầu trục làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với chu kỳ đóng cắt liên tục và thời gian nghỉ xen kẽ ($t_{\text{làm việc}} = 31,\text{s}$, $t_{\text{nghỉ}} = 89,\text{s}$ trong chu kỳ $120,\text{s}$). Đặc tính quán tính nhiệt của rơ-le nhiệt thông thường không phản ánh chính xác trạng thái phát nóng của động cơ ở chế độ này. Do đó, hệ thống bắt buộc sử dụng rơ-le dòng điện cực đại để bảo vệ ngắn mạch và quá tải trên $200%$.

4. Chiến lược điều khiển giữ từ thông không đổi ($\Psi_r = \text{const}$) đem lại ưu điểm gì cho hệ thống?
Khi giữ từ thông rotor không đổi và bằng giá trị định mức thông qua quan hệ giữa dòng stato $I_1$ và tần số trượt $f_2$, vector từ thông rotor luôn vuông pha với vector dòng điện rotor. Khi đó, mô-men điện từ sinh ra tỷ lệ thuận với dòng điện, giúp động cơ duy trì mô-men tới hạn không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và khai thác tối đa công suất mạch từ của máy điện.

5. Mạch phản hồi dòng điện một chiều trong đồ án được thiết kế như thế nào?
Mạch phản hồi dòng sử dụng một điện trở Shunt mắc sau mạch chỉnh lưu để trích xuất tín hiệu điện áp vi sai trong dải $0 \div 75,\text{mV}$. Điện áp này được đưa vào bộ khuếch đại thuật toán (OA) với điện trở hồi tiếp $R_1 = 1,\text{k}\Omega$, $R_2 = 133,\text{k}\Omega$ để khuếch đại lên tín hiệu chuẩn $0 \div 10,\text{V}$, tương ứng với hệ số đo dòng $K_{\text{đo}} = 0,08569,\text{V/A}$.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục" đã giải quyết trọn vẹn bài toán kỹ thuật từ khảo sát công nghệ, tính chọn động cơ MTKb 512-8 công suất 37 kW đến thiết kế mạch lực biến tần gián tiếp cho tải trọng 20 tấn. Việc áp dụng chiến lược điều khiển giữ từ thông không đổi kết hợp tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ theo tiêu chuẩn mô-đun tối ưu đã mang lại chất lượng điều khiển ổn định, an toàn và đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của thiết bị nâng hạ công nghiệp. Toàn bộ kết quả tính toán giải tích và mô hình hóa hệ thống cung cấp tài liệu kỹ thuật có độ tin cậy cao cho công tác nghiên cứu, thiết kế và đào tạo trong chuyên ngành Tự động hóa.