Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, nhà máy luyện kim, phân xưởng chế tạo cơ khí và kho bãi, máy nâng - vận chuyển giữ vai trò trung gian trong việc liên kết các công đoạn sản xuất và luân chuyển phôi liệu, hàng hóa. Cầu trục phân xưởng là thiết bị nâng hạ và di chuyển tải trọng có chu kỳ làm việc lặp lại ngắn hạn, đòi hỏi độ tin cậy và tính an toàn cao dưới điều kiện vận hành nặng nề. Cơ cấu nâng hạ của cầu trục chịu tác động trực tiếp của phụ tải thế năng với mômen cản tĩnh lớn, yêu cầu hệ truyền động điện phải đáp ứng dải điều chỉnh tốc độ rộng, quá trình khởi động và hãm êm thuận để triệt tiêu mômen động quá mức và đảm bảo an toàn kỹ thuật.

Đề tài "Thiết kế truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng" do sinh viên Trần Văn Đạt thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy Vũ Anh Tuấn (Khoa Điện, hoàn thành ngày 10/12/2017) tập trung giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể:

  1. Tổng quan cấu tạo, phân loại máy nâng - vận chuyển và đặc điểm làm việc của cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng.
  2. Xác định biểu thức phụ tải tĩnh, tính toán đồ thị phụ tải và lựa chọn sơ bộ, kiểm nghiệm công suất động cơ truyền động theo điều kiện phát nóng.
  3. Phân tích, so sánh các phương án truyền động điện và lựa chọn cấu hình bộ biến đổi phù hợp với yêu cầu công nghệ.
  4. Tính toán, thiết kế mạch lực bao gồm: bộ biến đổi chỉnh lưu Thyristor, máy biến áp chỉnh lưu, cuộn kháng lọc san bằng và lựa chọn các thiết bị bảo vệ (quá nhiệt, quá dòng, quá áp).
  5. Thiết kế hệ thống phát xung điều khiển mở van Thyristor theo nguyên tắc khống chế pha đứng.
  6. Xây dựng đặc tính tĩnh, khảo sát tính ổn định, hiệu chỉnh và tổng hợp sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu là hệ truyền động điện cho cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng có tải trọng định mức $G = 100.000\text{ N}$ ($10\text{ tấn}$), trọng lượng bộ lấy tải $G_0 = 10.000\text{ N}$, chiều cao nâng hạ $h = 10\text{ m}$, vận tốc nâng hạ có tải $v = 2\text{ m/s}$, vận tốc nâng hạ không tải $v_0 = 4\text{ m/s}$. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở phần tính toán trang bị điện, điện tử công suất và điều khiển truyền động cho cơ cấu nâng hạ đặt trên xe con của cầu trục phân xưởng một dầm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết trang bị điện và truyền động điện tự động, lý thuyết cơ học nâng hạ và lý thuyết điện tử công suất:

  • Cơ học cơ cấu nâng: Mô hình cân bằng mômen trên trục động cơ với hai thành phần: mômen ma sát chống lại chuyển động và mômen do tải trọng thế năng sinh ra (chống lại chuyển động khi nâng tải và hỗ trợ chuyển động khi hạ tải). Trạng thái làm việc của cơ cấu khi hạ tải được phân thành hai chế độ: hạ động lực (khi hiệu suất cơ cấu nâng $\eta_c < 0{,}5$, động cơ phát lực để kéo tải xuống) và hạ hãm (khi $\eta_c > 0{,}5$, máy điện làm việc ở chế độ hãm để hãm giữ tải trọng rơi tự do).
  • Phương pháp tính chọn động cơ: Xác định hệ số tiếp điện tương đối ($TĐ%$), tính chọn sơ bộ công suất dựa trên mômen trung bình quy đổi về hệ số tiếp điện tiêu chuẩn kết hợp hệ số dự trữ $k = 1{,}2 \div 1{,}3$, kiểm nghiệm phát nóng theo phương pháp mômen đẳng trị có tính đến quá trình quá độ khởi động và hãm.
  • Lý thuyết chỉnh lưu bán dẫn có điều khiển: Mô hình chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng sử dụng Thyristor, biểu thức điện áp chỉnh lưu trung bình $U_d = U_{d0}\cos\alpha$, quy luật đảo chiều bằng hai bộ biến đổi đấu song song ngược điều khiển riêng hoặc điều khiển chung.
  • Nguyên lý điều khiển mở van: Hệ thống điều khiển đồng bộ khống chế pha đứng, so sánh điện áp điều khiển một chiều ($U_{\text{đk}}$) với điện áp răng cưa đồng bộ ($U_{\text{rc}}$) để tạo xung kích mở cực điều khiển van.

Phương pháp nghiên cứu và nguồn dữ liệu

  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Thiết lập hệ phương trình cân bằng điện áp, phương trình vi phân dòng điện chỉnh lưu, tính toán kích thước mạch từ và thông số dây quấn máy biến áp, tính chọn cuộn kháng lọc nhằm khống chế dòng gián đoạn và độ đập mạch dòng điện.
  • Phương pháp tra cứu định mức kỹ thuật: Nguồn dữ liệu sử dụng sổ tay tra cứu máy điện, catalog linh kiện bán dẫn công suất, bảng tiêu chuẩn dây quấn ê-may và tiêu chuẩn khí cụ điện hạ thế (Aptomat, cầu chì tác động nhanh, cầu dao SIEMENS).

Thiết kế và triển khai hệ thống truyền động

Hệ thống truyền động cho cơ cấu nâng hạ được thiết kế theo cấu hình hệ biến đổi Thyristor - Động cơ một chiều kích từ độc lập (T - Đ), sử dụng mạch chỉnh lưu cầu 3 pha cấp nguồn cho phần ứng động cơ.

1. Thông số động cơ và phụ tải tính toán

Từ yêu cầu công nghệ và các thông số ban đầu, kết quả tính toán cơ sở cho cơ cấu nâng hạ được xác lập:

Thông số Ký hiệu Giá trị tính toán / Định mức Đơn vị
Tải trọng nâng định mức $G$ $100.000$ $\text{N}$
Trọng lượng bộ lấy tải $G_0$ $10.000$ $\text{N}$
Bán kính tang cuốn cáp $R_t$ $0{,}5$ $\text{m}$
Bội số pa-lăng (ròng rọc) $u$ $2$ -
Tỷ số truyền hộp giảm tốc $i$ $10$ -
Hiệu suất định mức cơ cấu $\eta_{\text{đm}}$ $0{,}77$ -
Hiệu suất nâng không tải $\eta_{c0}$ $0{,}23$ -
Vận tốc nâng/hạ có tải $v$ $2$ $\text{m/s}$
Vận tốc nâng/hạ không tải $v_0$ $4$ $\text{m/s}$
Chiều cao nâng hạ $h$ $10$ $\text{m}$
Thời gian làm việc chu kỳ $T_{\text{lv}}$ $15$ $\text{s}$
Thời gian nghỉ chu kỳ $T_{\text{ng}}$ $25$ $\text{s}$
Tổng thời gian một chu kỳ $T_{\text{ck}}$ $40$ $\text{s}$
Hệ số tiếp điện tương đối thực $TĐ%$ $37{,}5$ $%$
Mômen trung bình quy đổi $M_{\text{tbcx}}$ $582{,}08$ $\text{Nm}$
Công suất trung bình yêu cầu $P_{\text{tb}}$ $20{,}8$ $\text{kW}$

Động cơ điện được chọn là loại động cơ một chiều kích từ song song $\Pi-806$ với các thông số:

  • Công suất định mức: $P_{\text{đm}} = 22\text{ kW}$
  • Điện áp định mức phần ứng: $U_{\text{đm}} = 220\text{ V}$
  • Dòng điện định mức phần ứng: $I_{\text{đm}} = 116\text{ A}$
  • Tốc độ định mức: $n_{\text{đm}} = 650\text{ vòng/phút}$
  • Điện trở mạch phần ứng: $r_ư + r_{\text{cp}} = 0{,}1085,\Omega$
  • Điện trở cuộn kích từ: $r_{\text{cks}} = 65,\Omega$
  • Từ thông định mức: $\Phi_{\text{đm}} = 25\text{ mWb}$
  • Chế độ làm việc: $TĐ_{\text{tc}} = 100%$, vỏ kín, làm mát tự nhiên.

2. Thiết kế mạch lực và bộ biến đổi

Mạch lực bao gồm bộ chỉnh lưu cầu 3 pha gồm 6 van Thyristor chia làm hai nhóm (nhóm Katot chung: T1, T3, T5; nhóm Anot chung: T4, T6, T2) kết hợp cấu hình đảo chiều hai bộ biến đổi song song ngược có cuộn kháng cân bằng.

a. Tính chọn van bán dẫn Thyristor

  • Dòng điện làm việc hiệu dụng qua van: $I_{\text{lv}} = 66{,}97\text{ A}$.
  • Điện áp ngược cực đại đặt lên van có tính hệ số dự trữ ($k_{\text{dtU}} = 1{,}8$): $U_{\text{nv}} = 414{,}54\text{ V}$.
  • Dòng định mức van yêu cầu (với điều kiện tản nhiệt tự nhiên, $I_{\text{lv}} \le 30% I_{\text{đmv}}$): $I_{\text{đmv}} = 386\text{ A}$.
  • Loại van lựa chọn: Thyristor mã hiệu FT100DY (ký hiệu công nghiệp C397E) với các thông số định mức: $U_{\text{đm}} = 500\text{ V}$, $I_{\text{đm}} = 450\text{ A}$, dòng đỉnh xung $I_{\text{pik}} = 7500\text{ A}$, dòng điều khiển $I_g = 300\text{ mA}$, điện áp điều khiển $U_g = 3{,}0\text{ V}$, sụt áp thuận $\Delta U = 3{,}0\text{ V}$, tốc độ tăng điện áp $\mathrm{d}u/\mathrm{d}t = 60\text{ V}/\mu\text{s}$, thời gian chuyển mạch $T_{\text{cm}} = 200,\mu\text{s}$, nhiệt độ làm việc cực đại $T_{\max} = 125^\circ\text{C}$.

b. Thiết kế máy biến áp chỉnh lưu

Máy biến áp 3 pha 3 trụ làm mát tự nhiên bằng không khí, tổ đấu dây $\Delta/\mathrm{Y}$:

  • Công suất biểu kiến tính toán: $S_{\text{BA}} = 29{,}57\text{ kVA}$.
  • Điện áp sơ cấp: $U_1 = 380\text{ V}$ (dây), dòng sơ cấp định mức: $I_1 = 25{,}86\text{ A}$.
  • Điện áp pha thứ cấp: $U_2 = 103{,}78\text{ V}$, dòng thứ cấp định mức: $I_2 = 94{,}71\text{ A}$.
  • Kích thước mạch từ: Đường kính trụ thép $d = 11\text{ cm}$, chiều cao trụ $h = 25\text{ cm}$.
  • Dây quấn sơ cấp: $W_1 = 203\text{ vòng}$ quấn thành 6 lớp, tiết diện dây chữ nhật $S_{\text{Cu1}} = 9{,}35\text{ mm}^2$, điện trở $R_1 = 0{,}205,\Omega$.
  • Dây quấn thứ cấp: $W_2 = 56\text{ vòng}$ quấn thành 2 lớp, tiết diện dây $S_{\text{Cu2}} = 34{,}80\text{ mm}^2$, điện trở $R_2 = 0{,}02,\Omega$.
  • Tham số ngắn mạch MBA: Điện trở quy đổi $R_{\text{nm}} = 0{,}035,\Omega$, điện kháng $X_n = 0{,}02,\Omega$, tổn hao điện áp $\Delta U_{\text{BA}} = 4{,}62\text{ V}$, điện áp ngắn mạch phần trăm $u_{\text{nm}}% = 6{,}39%$.

c. Thiết kế cuộn kháng lọc và góc mở điều khiển

  • Phạm vi góc điều khiển: $\alpha_{\min} = 10^\circ$ (góc dự trữ bù sụt áp lưới); $\alpha_{\max} = 82{,}18^\circ$ ứng với điện áp tải cực tiểu $U_{d\min} = 40{,}89\text{ V}$.
  • Điện cảm mạch phần ứng động cơ có cuộn bù: $L_{ư\text{c}} = 3{,}48\text{ mH}$.
  • Điện cảm lọc yêu cầu để hạn chế thành phần sóng hài bậc một ($k=1, \rho=6$ xung) và tránh dòng gián đoạn: $L = 3{,}75\text{ mH}$.
  • Điện cảm cuộn kháng lọc cần mắc nối tiếp: $L_k = L - L_{ư\text{c}} = 0{,}27\text{ mH}$.

3. Tính chọn trang thiết bị bảo vệ

  • Bảo vệ nhiệt: Tổn thất công suất trên mỗi van $\Delta p = 200{,}91\text{ W}$, độ chênh nhiệt độ $\tau = 40^\circ\text{C}$ ($T_{\text{mt}} = 40^\circ\text{C}$, $T_{\text{lv}} = 80^\circ\text{C}$); trang bị cánh tản nhiệt nhôm 8 cánh tiêu chuẩn.
  • Bảo vệ quá dòng: Aptomat tổng 3 cực chọn dòng làm việc $I_{\text{lv}} = 44{,}92\text{ A}$, chọn loại $I_{\text{đm}} = 50\text{ A}$, chỉnh định ngắn mạch $I_{\text{nm}} = 2{,}5 I_{\text{lv}} = 112{,}3\text{ A}$, chỉnh định quá tải $I_{\text{qt}} = 1{,}5 I_{\text{lv}} = 67{,}4\text{ A}$.
  • Cầu dao cách ly: Chọn cầu dao SIEMENS mã 5TE1-340 có $I_{\text{đm}} = 80\text{ A}$, $U_{\text{đm}} = 690\text{ V}$.
  • Cầu chì cắt nhanh: Nhóm 1CC (phía xoay chiều thứ cấp) có $I_{\text{đm}} = 104{,}18\text{ A}$; nhóm 2CC (nối tiếp từng Thyristor) có $I_{\text{đm}} = 73{,}66\text{ A}$.
  • Bảo vệ quá điện áp chuyển mạch và xung sét: Mắc song song mỗi Thyristor mạch $RC$ dập xung ($R = 5 \div 30,\Omega$, $C = 0{,}25 \div 4,\mu\text{F}$) và bộ lọc $RC$ đầu vào 3 pha ($R = 5 \div 20,\Omega$, $C = 4,\mu\text{F}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về cầu trục và cầu trục phân xưởng

Chương này phân tích tổng quan vai trò của máy nâng - vận chuyển trong sản xuất công nghiệp và phân loại thiết bị theo 4 tiêu chí: phương vận chuyển (thẳng đứng, nằm ngang, mặt phẳng nghiêng, kết hợp), cấu tạo di chuyển (cố định, tịnh tiến, quay), cơ cấu bốc hàng (thùng/gầu, móc/xích treo, nam châm điện) và chế độ làm việc (dài hạn, ngắn hạn lặp lại). Tác giả làm rõ 3 chuyển động cơ bản của cầu trục (xe cầu dọc xưởng, xe con ngang dầm, cơ cấu nâng hạ thẳng đứng). Đặc điểm làm việc của hệ truyền động nâng hạ là phụ tải thế năng có mômen cản $M_c$ phụ thuộc tốc độ và tải trọng; khi không tải, mômen cản chỉ đạt $15 \div 25% M_{\text{đm}}$, khi nâng đầy tải đạt $100% M_{\text{đm}}$. Chương 1 xác lập các biểu thức giải tích tính mômen nâng có tải $M_n$, nâng không tải $M_{n0}$, hạ tải $M_h$ và phân định rõ ranh giới hai trạng thái hạ động lực và hạ hãm theo ngưỡng hiệu suất $\eta_c = 0{,}5$.

Chương 2: Tính chọn công suất động cơ cho truyền động cơ cấu nâng hạ

Chương 2 trình bày toàn bộ tiến trình tính toán phụ tải tĩnh và động lực học nâng hạ. Dựa trên số liệu phụ tải ($G = 100\text{ kN}$, $G_0 = 10\text{ kN}$, $h = 10\text{ m}$, $v = 2\text{ m/s}$, $v_0 = 4\text{ m/s}$), tác giả xác định thời gian nâng tải $T_n = 5\text{ s}$, hạ tải $T_h = 5\text{ s}$, nâng không tải $T_{n0} = 2{,}5\text{ s}$, hạ không tải $T_{h0} = 2{,}5\text{ s}$, thời gian nghỉ $T_{\text{ng}} = 25\text{ s}$, tổng chu kỳ $T_{\text{ck}} = 40\text{ s}$, tương ứng hệ số tiếp điện $TĐ% = 37{,}5%$. Mômen trung bình tính toán $M_{\text{tbcx}} = 582{,}08\text{ Nm}$ và công suất trung bình $P_{\text{tb}} = 20{,}8\text{ kW}$. Từ đó, lựa chọn động cơ điện một chiều $\Pi-806$ ($22\text{ kW}$, $220\text{ V}$, $116\text{ A}$, $650\text{ vg/p}$). Tiến hành kiểm nghiệm mômen đẳng trị chính xác có kể đến quá trình mở máy và hãm, xác định mômen định mức động cơ $M_{\text{đm}} = 784{,}03\text{ Nm} > M_{\text{tc}}$, chứng minh động cơ hoàn toàn thỏa mãn điều kiện phát nóng và không bị quá nhiệt.

Chương 3: Lựa chọn phương án truyền động

Tác giả tiến hành phân tích, so sánh kỹ thuật - kinh tế giữa hai phương án truyền động điện một chiều chủ đạo:

  • Hệ truyền động Máy phát - Động cơ (F - Đ): Ưu điểm dải điều chỉnh rộng, điều chỉnh trơn, đặc tính cơ cứng ở cả 4 góc phần tư mặt phẳng tọa độ; nhược điểm gồm nhiều máy điện quay gây ồn, rung mạnh, hiệu suất thấp, vốn đầu tư cao và diện tích lắp đặt cồng kềnh. Chương này khảo sát chi tiết các cấu hình phản hồi của hệ F - Đ: phản hồi âm áp - dương dòng, phản hồi âm tốc độ qua máy phát tốc, phản hồi âm dòng có ngắt và phản hồi âm áp có ngắt.
  • Hệ truyền động Thyristor - Động cơ (T - Đ): Ưu điểm độ tác động nhanh, hiệu suất cao, tổn thất nội tại bé, kích thước gọn nhẹ, dễ ghép nối tự động hóa với PLC/vi xử lý; nhược điểm xuất hiện sóng hài dòng áp, hệ số công suất $\cos\varphi$ giảm khi góc mở lớn. Tác giả quyết định chọn hệ truyền động T - Đ sử dụng hai bộ biến đổi mắc song song ngược điều khiển đối xứng để thực hiện đảo chiều và hãm tái sinh cho cơ cấu nâng hạ.

Chương 4: Thiết kế mạch lực hệ truyền động

Nội dung chương 4 tập trung tính toán chi tiết các phần tử trong mạch lực:

  • Phân tích ưu nhược điểm của sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha và sơ đồ cầu 3 pha; quyết định chọn sơ đồ cầu 3 pha do tận dụng tối đa công suất máy biến áp và độ đập mạch điện áp nhỏ hơn.
  • Tính chọn 6 van Thyristor FT100DY (chịu $U_{\text{nv}} = 414{,}54\text{ V}$, $I_{\text{đmv}} = 386\text{ A}$).
  • Thiết kế máy biến áp chỉnh lưu công suất $S_{\text{BA}} = 29{,}57\text{ kVA}$, tỉ số biến áp $380\text{ V} / 103{,}78\text{ V}$, kết cấu lõi thép 3 trụ tiết diện chuẩn $d = 11\text{ cm}$, số vòng dây $W_1 = 203$, $W_2 = 56$.
  • Tính chọn cuộn kháng lọc bổ sung có điện cảm $L_k = 0{,}27\text{ mH}$ để đảm bảo dòng điện phần ứng liên tục trong toàn bộ dải điều chỉnh góc mở $\alpha = 10^\circ \div 82{,}18^\circ$.
  • Lựa chọn đồng bộ các khí cụ bảo vệ: cánh tản nhiệt 8 cánh, Aptomat $50\text{ A}$, cầu dao Siemens 5TE1-340 ($80\text{ A}$), cầu chì cắt nhanh $104{,}18\text{ A}$ và $73{,}66\text{ A}$, mạch $RC$ dập xung quá điện áp.

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển mở van

Chương 5 thuyết minh nguyên lý cấu tạo hệ thống điều khiển phát xung mở van Thyristor theo nguyên tắc khống chế pha đứng đồng bộ. Mạch điều khiển gồm các khối chức năng chính: khối đồng bộ hóa và phát xung răng cưa (ĐBH - FXRC), khối so sánh tín hiệu điều khiển với điện áp răng cưa để tạo thời điểm phát xung, khối tạo độ rộng xung ($200 \div 600,\mu\text{s}$) và khối khuếch đại xung - biến áp xung phân phối xung kích đến cực điều khiển $G - K$ của 6 van Thyristor mạch lực theo đúng giản đồ lệch pha $60^\circ$ điện.

Chương 6: Xây dựng đặc tính tĩnh hệ truyền động

(Theo danh mục phân chương của đồ án): Trình bày cơ sở lý thuyết thiết lập họ đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của hệ truyền động T - Đ ở chế độ dòng điện liên tục và dòng điện gián đoạn trong 4 góc phần tư, xác định độ sụt tốc do chuyển mạch và ảnh hưởng của các khâu phản hồi âm áp, âm dòng có ngắt đối với độ cứng của đặc tính tĩnh.

Chương 7: Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống

(Theo danh mục phân chương của đồ án): Thiết lập hàm truyền đạt của các khâu cơ bản trong hệ thống (bộ biến đổi Thyristor, mạch phần ứng động cơ, khâu đo lường phản hồi); ứng dụng tiêu chuẩn ổn định tần số hoặc đại số để khảo sát tính ổn định của hệ kín và tính toán các bộ điều chỉnh (PI/PID) nhằm tối ưu hóa quá trình quá độ.

Chương 8: Xây dựng và thuyết minh sơ đồ nguyên lý hệ truyền động

(Theo danh mục phân chương của đồ án): Tổng hợp toàn bộ các khối mạch lực, mạch phát xung điều khiển, mạch bảo vệ và mạch liên động logic thành sơ đồ nguyên lý tổng thể; thuyết minh chi tiết trình tự đóng cắt, đảo chiều nâng/hạ, quá trình hãm dừng và xử lý liên động khi xảy ra sự cố quá dòng, mất pha hoặc quá nhiệt.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán thiết kế chính

Đồ án đã hoàn thiện bản thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh cho hệ thống truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng $10\text{ tấn}$, đạt được các kết quả định lượng cụ thể:

  1. Xác lập chính xác biểu đồ phụ tải làm việc với hệ số tiếp điện $TĐ% = 37{,}5%$ và lựa chọn chuẩn xác động cơ một chiều $\Pi-806$ ($22\text{ kW}$, $220\text{ V}$, $116\text{ A}$), kiểm nghiệm thỏa mãn điều kiện phát nóng ($M_{\text{đm}} = 784{,}03\text{ Nm} > M_{\text{tc}} = 582{,}08\text{ Nm}$).
  2. Thiết kế hoàn chỉnh mạch lực chỉnh lưu cầu 3 pha sử dụng 6 van Thyristor FT100DY ($500\text{ V}, 450\text{ A}$) phối hợp cuộn kháng lọc san bằng $L_k = 0{,}27\text{ mH}$, cho phép mở rộng dải điều chỉnh góc mở $\alpha$ từ $10^\circ$ đến $82{,}18^\circ$ mà không bị gián đoạn dòng điện.
  3. Tính toán toàn diện máy biến áp chỉnh lưu chuyên dụng $\Delta/\mathrm{Y}$ công suất $S_{\text{BA}} = 29{,}57\text{ kVA}$, xác định chi tiết kết cấu lõi từ ($d = 11\text{ cm}, h = 25\text{ cm}$) và quy cách dây quấn hai phía sơ/thứ cấp.
  4. Xây dựng hệ thống bảo vệ đa tầng: tản nhiệt đối lưu tự nhiên, bảo vệ quá dòng bằng Aptomat ($50\text{ A}$) và cầu chì nhanh ($104{,}18\text{ A}, 73{,}66\text{ A}$), bảo vệ quá áp chuyển mạch bằng mạng $RC$.

Đóng góp kỹ thuật

Tác giả đã chỉ ra tính ưu việt của phương án biến đổi bán dẫn tĩnh (T - Đ) thay thế cho hệ máy điện quay truyền thống (F - Đ), giúp giảm không gian lắp đặt trên dầm cầu trục, nâng cao hiệu suất vận hành, giảm tiếng ồn phân xưởng và tạo tiền đề thuận lợi để tích hợp các bộ điều khiển tự động lập trình được (PLC).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế trong văn bản: Đồ án chưa đi sâu vào việc mô phỏng kiểm chứng dạng sóng quá độ trên các phần mềm chuyên dụng (Matlab/Simulink hay PSIM); giải pháp điều khiển sử dụng các linh kiện điện tử tương tự rời rạc nên độ linh hoạt chưa cao khi cần thay đổi thuật toán điều khiển.
  • Hướng phát triển: Tích hợp bộ điều khiển số vi xử lý hoặc PLC để thực hiện việc số hóa khâu phát xung điều khiển; nghiên cứu ứng dụng biến tần bán dẫn công nghệ IGBT điều khiển động cơ xoay chiều không đồng bộ rotor lồng sóc để nâng cao hơn nữa độ bền cơ khí và hiệu suất năng lượng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa và Hệ thống Điện khi làm đồ án môn học Trang bị điện, Điện tử công suất hoặc Đồ án tốt nghiệp về hệ thống truyền động máy nâng - vận chuyển.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện (M&E) tham khảo quy trình tính toán phụ tải nâng hạ, quy chuẩn tính chọn máy biến áp lực, cuộn kháng san bằng và lựa chọn thiết bị bảo vệ cho bộ biến đổi công suất lớn.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Phương pháp phân tích trạng thái hạ động lực/hạ hãm theo hiệu suất cơ cấu (Chương 1) và toàn bộ các bước tính toán giải tích chi tiết máy biến áp chỉnh lưu và mạch lực Thyristor (Chương 2 và Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ cấu nâng hạ của đồ án có tải trọng và thông số hình học ban đầu là bao nhiêu?
Tải trọng nâng định mức $G = 100.000\text{ N}$ ($10\text{ tấn}$), trọng lượng móc lấy tải $G_0 = 10.000\text{ N}$, chiều cao nâng hạ $h = 10\text{ m}$, vận tốc nâng hạ có tải $v = 2\text{ m/s}$, không tải $v_0 = 4\text{ m/s}$, bán kính tang tời $R_t = 0{,}5\text{ m}$, bội số ròng rọc $u = 2$ và tỷ số truyền hộp số $i = 10$.

2. Động cơ điện một chiều được lựa chọn có ký hiệu và thông số định mức như thế nào?
Động cơ được chọn là loại động cơ một chiều kích từ song song $\Pi-806$, công suất $P_{\text{đm}} = 22\text{ kW}$, điện áp $U_{\text{đm}} = 220\text{ V}$, dòng điện $I_{\text{đm}} = 116\text{ A}$, tốc độ $n_{\text{đm}} = 650\text{ vòng/phút}$, $r_ư + r_{\text{cp}} = 0{,}1085,\Omega$, $r_{\text{cks}} = 65,\Omega$, từ thông $\Phi_{\text{đm}} = 25\text{ mWb}$, làm việc ở chế độ $TĐ_{\text{tc}} = 100%$.

3. Vì sao tác giả lựa chọn hệ truyền động Thyristor - Động cơ thay vì hệ Máy phát - Động cơ?
Hệ T - Đ có kích thước gọn nhẹ, trọng lượng nhỏ, hiệu suất cao, tổn thất công suất nội tại bé, thời gian tác động nhanh, vận hành không ồn và dễ dàng kết nối với các bộ điều khiển tự động hóa hiện đại; khắc phục hoàn toàn nhược điểm cồng kềnh, rung ồn, quán tính lớn và vốn đầu tư cao của hệ máy điện quay F - Đ.

4. Máy biến áp chỉnh lưu được thiết kế với các thông số công suất và điện áp ra sao?
Máy biến áp 3 pha 3 trụ làm mát tự nhiên $\Delta/\mathrm{Y}$ có công suất tính toán $S_{\text{BA}} = 29{,}57\text{ kVA}$, điện áp sơ cấp $U_1 = 380\text{ V}$ ($I_1 = 25{,}86\text{ A}$), điện áp pha thứ cấp $U_2 = 103{,}78\text{ V}$ ($I_2 = 94{,}71\text{ A}$), điện áp chỉnh lưu không tải $U_{d0} = 242{,}89\text{ V}$ và điện áp ngắn mạch $u_{\text{nm}}% = 6{,}39%$.

5. Mạch điều khiển mở van Thyristor được thiết kế theo nguyên lý nào?
Mạch điều khiển thiết kế theo nguyên tắc "khống chế pha đứng" đồng bộ, tạo xung răng cưa đồng pha với lưới điện xoay chiều và so sánh với điện áp điều khiển một chiều để định thời điểm phát xung mở van với độ rộng xung nằm trong khoảng $200 \div 600,\mu\text{s}$.

Kết luận

Đồ án môn học Trang bị điện của sinh viên Trần Văn Đạt đã thực hiện đầy đủ và chuẩn xác các bước tính toán, thiết kế hệ truyền động Thyristor - Động cơ một chiều cho cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng $10\text{ tấn}$. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra các thông số kỹ thuật rõ ràng từ khâu chọn công suất động cơ, thiết kế mạch lực chỉnh lưu cầu 3 pha, tính toán máy biến áp lực đến bố trí mạch điều khiển phát xung và trang thiết bị bảo vệ. Bản thuyết minh là tài liệu kỹ thuật có tính hệ thống cao, phản ánh đúng trình tự tính toán thiết kế trang bị điện công nghiệp trong thực tế.