thiết kế hệ truyền động cho động cơ quay chi tiết mài tròn

Phân tích các phương án truyền động Để truyền động cho một cơ cấu bất kì , thông thường hệ thống gồm có hai phần là : động cở biến đổi năng lượng điện thành cơ năng ở dạng mômen quay tr

Đồ án môn học

TỔNG HỢP HỆ ĐIỆN CƠ

(Đề số 7)Thầy giáo hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện :

Tên đề tài : Thiết kế hệ truyền động cho động cơ quay chi tiết mài tròn

Các thông số kĩ thuật :

- Mômen cực đại Mmax : 20[Nm]

- Tốc độ quay chi tiết n : 30->900[vòng /phút]

- Tỉ số truyền i : 3

- Hiệu suất η : 0.85

- Mômen quán tính cơ cấu J: 0.007 [Kg/m2]

Yêu cầu nội dung :

- Nêu các yêu cầu về công nghệ và truyền dộng

- chọn phương án truyền động tính chọn công suất cho động cơ

và mạch lực

- Xây dựng cấu trúc tổng hợp của hệ

- Thiết kế mạch điều khiển

- Mô phỏng hệ thống sử dụng phần mềm MATLAB/SIMULINK

Phương án thiết kế :

- Hệ truyền động động cơ xoay chiều dùng phương pháp điều chỉnh tần số

- Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp chỉnh lưu

- Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phương pháp băm xung áp

Tài liệu tham khảo :

- Điện tử công suất

- Truyền động điện

- Tự động điều chỉnh truyền động điện

- Trang bị điện điện tử máy gia công kim loại

- Các đặc tính cơ của động cơ trong truyền động điện

Phần I : TÌM HIỂU YÊU CẦU CÔNG NGHỆ

I Yêu cầu công nghệ :

Bản chất của mài là quá trình cắt gọt được thực hiện đồng thời bởi nhiều hạt mài có các lưỡi cắt khác nhau , được phân bố một cách ngẫu nhiên trên

bề mặt đá mài

1 Cấu tạo đá mài :

Đá mài được chế tạo từ vật liệu mài kết hợp với chất kết dínhđược tạo hình

và thiêu kết trong những điều kiện nhất định và thoả mãn một số tiêu chuẫn

Hạt mài thường được chế tạo từ các loại vật liệu sau :

- nhóm vật liệu corun : là nhóm vật liệu mà thành phần chính là AL 2 O 3

với một số oxit kim loại đặc biệt , có độ ứng cao, ròn , nhạy cảm với nhiệt độ cao, khi mài cần phải tưới dung dịch trơn nguội

- nhóm vật liệu cacbit silic : nhóm vật liệu này có độ cứng và độ ròn cao

dùng để gia công các hợp kim cứng , thuỷ tinh

- nhóm vật liệu nitrit bo có cấu trúc mạng tinh thể lập phương (CBN) có

độ cứng , độ bền và đặc biệt có thể giữ được cơ tính ở nhiệt độ cao hơn các nhóm vật liệu trên , vì thế mà loại vật liệu này đang được sử dụng rộng rãi

- nhóm diaman :là các bon có cấu trúc mạng tinh thể lập phương , tuy

nhiên diaman (tự nhiên hay nhân tạo) rất đắt , độ cứng tế vi giảm nhanh khi nhiệt độ tăng

* Chất kết dính :

chất kết dính ảnh hưởng quyết định tới độ bền cơ học và độ cứng của đá mài

độ cứng của đá được đáng giá bằng khả năng tách các hạt mài ra khỏi bề mặt

đá mài dưới tác dụng cơ nhiệt của quá trình mài Đá khó bị tách các hạt mài

ra khỏi bề mặt đá mài gọi là dá cứng và ngược lại

chất kết dính thường được dùng là vật liệu gốm sứ , vật liêu silicat , vật liệu tổng hợp hữu cơ , cao su tổng hợp , chất kết dính kim loại

2 các phương pháp mài ;

A mài tròn ngoài :

cao ,khi mài có thể gá chi tiết trên hai mũi tâm hoặc mũi tâm và mâm cặp thông thường nên sử dụn phương pháp mài tròn ngoài có tâm tiến dao dọc để lực hướng kính bé , chi tiết ít biến dạng , nâng cao độ chính xác gia công khi mài tinh ở những hành trình cuối không nên tiến dao ngang mà chỉ nên tiến dao dọc cho tới khi hết hoa lửa khi chi tiết ngắn , đường kính lớn , độ cứng vững cao , người ta dùng phương pháp tiến đá hướh kính để tăng năng suất

lớn nhất với chi phí gia công nhỏ nhất công suất gia công tăng , vì thế khi tăng thể tích phoi lấy đi thỉ phải đảm bảo công suất cắt nhỏ hơn công suất của động cơ mang đá hoặc chọn máy mài có công suất lớn

Để bề mặt phôi không xuất hiện những vết cháy hoặc nứt ,sử dụng

đá có hạt cắt lớn ,sửa đá thô và nên tăng tốc độ phôi hơn là tăng chièu sâu cắt

rung động có thể làm tăng tốc độ mài mòn của đá cũng như là tăng chiều cao nhấp nhô bề mặt và tang sai lệch hình dạng của chi tiết , phải kẹp phôi ổn định , sửa đá thô , chọn bước tiến dao nhỏ

phoi lấy đi nhỏ khi đó ta thực hiện theo các nguyên tắc sau :

* Khả năng công nghệ của mài:

Mài thô có khả năng đạt độ chính xác cấp 9

Mài tinh đạt độ chính xác kinh tế cấp 7

Mài siêu tinh có khả năng đạt độ chính xác cấp 6

Khi mài không tâm , chuẩn định vị chính là mặt đang gia công , do đó không mài dược chi tiết có rãnh trên bề mặt

Có hai phương pháp mài tròn ngoài không tâm :

mài không tâm chạy dao dọc mài không tâm tiến dao ngang

B mài tròn trong(mài lỗ)

Mài lỗ có khả năng gia ông lỗ trụ , lỗ côn , lỗ định hình , có hai phương pháp mài lỗ : mài lỗ không tâm và mài lỗ có tâm

lỗ chuyên dụng , máy mài vạn năng có đầu mài lỗ hoặc trên máy tiện

có trang bị đồ gá chuyên dụng mài lỗ

năng suất , độ chính xác và độ đồng tâm cao chuẩn gia công là mặt ngoài do đó trước khi mài lỗ , mặt ngoài của chi tiết gia công cần được mài tinh hoặc bán tinh

ưu điểm của mài lỗ là mài được lỗ của các chi tiết phức tạp , mài được

lỗ phi tiêu chuẩn , mài được lỗ có độ chính xác cao tới cấp 6 Trong sản xuất , dễ tự dộng hoá , cơ khí hoá

nhược điểm là :cung tiếp xúc giữa đá ài và chi tiết lớn hơn trong

trường hợp mài tròn ngoài đường kính lỗ càng bé càng giảm độ cứng

Có thể gia công được các bề mặt định hình có đường sinh thẳng

Mài định hình có thể thực hiện bằng cách sửa đá có hình dạng , kích thước theo âm bản của chi tiết

Như vậy thực tế đặt ra cho công nghệ mài là phải đạt được độ chính xác cao ,

độ nhẵn , độ bóng bề mặt Tuỳ theo từng chế độ cắt mà cần các tốc độ quay khác nhau , và máy mài làm việc ở chế độ làm việc dài hạn

II Yêu cầu truyền động :

Để đáp ứng yêu cầu về công nghệ đã đề ra , việc truyền động cho động cơ cần đạt được một số yêu cầu như sau :

2 Độ trơn của dải điều chỉnh tốc độ :

Là mức độ chênh lệch tốc độ giữa hai cấp tốc độ kế tiếp

Theo yêu cầu công nghệ thì dải điều chỉnh là từ 30->900 vòng/phút , tức là yêu cầu dải điều chỉnh trơn , có thể làm việc ổn định trong suốt dải điều chỉnh

3 Dải điều chỉnh tốc độ :

Là tỉ số giữa tốc độ cức đại và tóc đọ làm việc nhỏ nhất của động cơ mà vẫn đảm bảo độ ổn định tốc độ , độ chính xác cần thiết Yêu cầu tốc độ truyền động là từ 30-900 vòng/phút , tức là

900 30

30

PHẦN II : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

1 Phân tích các phương án truyền động

Để truyền động cho một cơ cấu bất kì , thông thường hệ thống gồm có hai phần là : động cở biến đổi năng lượng điện thành cơ năng ở dạng mômen quay trên trục động cơ và bộ biến đổi có tác dụng điều khiển dòng năng lượng cấp cho động cơ theo đúng yêu cầu của phụ tải nhằm điều chỉnh tốc độ động cơ theo ý muốn , đồng thời tiết kiệm năng lượng cần tiêu hao

Trong thực tế thì có ba loại động cơ chính :

A Động cơ điện một chiều : có phần cảm và phần ứng hoàn toàn độc lập , có thể được cấp từ hai nguồn một chiều khác nhau Phần cảm sinh ra từ thông

ψ trong động cơ , chỉ phụ thuộc vào dòng điện trong cuộn dây kích từ Dòng điện trong cuộn dây phần ứng Iư lại do nguồn một chiều khác đặt lên hai cực động cơ sinh ra Mômen động cơ tỉ lệ với dòng điên phần ứng và từ thông của động cơ : M=k*ψ*Iư

Các quan hệ điện từ trong động cơ một chiều hoàn toàn là quan hệ tuyến tính do đó ta có thể điều khiển động cơ tương đối dễ dàng bằng cách điều chỉnh độc lập dòng điện phần ứng với từ thông không đổi (thường giữ từ thông bằng định mức) thông qua điều khiển điện áp đặt vào động cơ , để điều khiển động cơ dưới định mức , hoặc điều khiển động cơ bằng cách điều khiển từ thông lích từ với điện áp phần ứng không đổi (bằng định mức ) bằng cách điều chỉnh điện áp kích từ , áp dụng cho điều chỉnh động cơ trên định mức

Do quan hệ tuyến tính nên ta có được mô hình động cơ dạng hàm truyền , do

đó thiết kế bộ điều khiển tương đối dễ dàng , và đạt được chất lượng hệ thống rất tốt

Nhược điểm của động cơ một chiều là phần tiếp xúc chổi than vành góp làm cho kết cấu động cơ phức tạp , vận hành khó khăn , giá đắt Ngoài ra còn có hiện tượng đánh lửa do tiếp xúc chổi than vành góp , trong một số môi trường không htể dùng được

B động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ (KDB):

Động cơ KDB có kết cấu hết sức đơn giản , vận hành dễ dàng , chắc chắn , thuận tiện , không có bộ phận chổi than vàng góp nên không có hiện tượng đánh lửa , giá thành rẻ hơn nhiều so với động cơ một chiều cùng công suất Tuy nhiên động cơ KDB có phần cảm và phần ứng không tách biệt chỉ có một nguồn điện duy nhất cấp vào động cơ , dòng điện stato vùa sinh ra từ thông động cơ , vừa sinh mômen quay của động cơ Quan hệ điện từ trong động cơ KDB là quan hệ phi tuyến , do vậy việc điều khiển động cơ là vấn đề khó khăn

C Động cơ xoay chiều đồng bộ (DB)

với động cơ DB , cần có hai nguồn điện , một nguồn xoay chiều , một nguồn một chiều tốc độ động cơ luôn bằng tốc độ từ trường quay Thường dùng cho dải công suất rất lớn

Mỗi loại động cơ lại có thể có vài ba bộ biến đổi tương ứng

với nguồn một chiều : chỉnh lưu , xung áp

chỉnh công suất trượt

ta lần lượt xét ưu nhược điểm của các bộ biến đổi này :

a Chỉnh lưu :

Chỉnh lưu là sự biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Sử dụng các van bán dẫn là các Tiristor , có thể điều khiển việc mở của van để điều khiển dòng công suất ra tải bằng cách thay đổi góc mở của van α

phương phỏp này khỏ đơn giản Tuy nhiờn điện ỏp ra bị đập mạch nhiều , cosφ thấp , tồn tại vựng dũng điện giỏn đoạn

b xung ỏp :

Điều khiển điện ỏp đặt vào động cơ bằng cỏch điều khiển thời gian cấp nguồn

và thời gian khụng cấp nguồn cho động cơ , do đú điều khiển điện ỏp trung bỡnh đặt vào động cơ Phương phỏp này cũng tương đối đơn giản , dễ thực hiện , hoạt động tin cậy , ổn định

c Điều ỏp xoay chiều ba pha :

Dựng cỏc van bỏn dẫn bỏn điều khiển để điều khiển điện ỏp đặt vào động cơ phương phỏp điều khiển động cơ bằng cỏch điều chỉnh điện ỏp đặt lờn động

cơ cú phạm vi điều chỉn hẹp , do đú ớt được ứng dụng trong thực tế

d Biến tần :

Tốc độ động cơ xoay chiều phụ thuộc chặt trẽ vào tần số nguồn điện cấp cho động cơ , do đú để điều chỉnh tốc độ động cơ ta thay đổi tần số nguồn điện cấp Tuy nhiờn động cơ bị giới hạn bởi cỏc đặc tớnh vật lớ nờn khi thay đổi tần số thỡ đồng thời phải thay đổi điện ỏp tương ứng

Khi sử dụng biến tần , việc điều khiển động cơ xoay chiều trở nờn đơn giản hơn rất nhiều

2 Chọn phương ỏn truyền động

Theo như yờu cầu của đồ ỏn thỡ ta lựa chọn phương ỏn truyền động động cơ điện một chiều , với bộ biến đổi xung ỏp Đõy là phương phỏp điều chỉnh điện ỏp đặt lờn động cơ để điều chỉnh tốc độ Phương phỏp này cho kết quả

hệ truyền động rất tốt tuy nhiờn hạn chế duy nhất là dựng động cơ một chiều

cú chổi than

Nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng :

Trong phơng pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều, bộ biến đổi cungcấp điện áp cho mạch phần ứng.Vì nguồn có công suất hữu hạn nên các bộ biến

đổi có điện trở trong Rb và điện cảm Lb khác không

Hình 2-2 là sơ độ thay thế nguyên lý điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ điệnmột chiều, trong đó thành phần Eb(Uđk) đợc tạo ra bởi bộ biến đổi và phụ thuộc vàoUđk.

Trong chế độ xác lập ta có các phơng trình đặc tính nh sau:

) ( + đ

RR-k

E

m

b m

k M

có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để khi thay đổi điện ỏp Uư , độ

cứng đặc tớnh cơ khụng thay đổi , luụn là đường thẳng Do vậy việc điều chỉnh tốc độ động cơ đạt được chất lượng rất tốt

2.Từ các phơng trình trên ta có thể tính đợc phạm vi điều chỉnh tốc độ củaphơng pháp điều chỉnh điện áp phần ứng, giữ từ thông không đổi

1 0

.

D dm

max

Với một cơ cấu máy cụ thể thì các giá trị 0maxmax,Mđm,kM là xác định vì vậy phạm

vi điều chỉnh D phụ thuộc tuyến tính vào độ cứng .Khi điều chỉnh điện áp phầnứng động cơ bằng các thiết bị nguồn điều khiển thì tổng trở mạch phần ứng gấpkhoảng hai lần điện trở phần ứng động cơ, do đó có thể tính sơ bộ đợc

0maxmax.||.Mđm ≤ 10maxVì thế với tải có đặc tính momen không đổi thì giá trị phạm vi điều chỉnh tốc

độ không vợt quá 10max.Do vậy với hệ truyền động đòi hỏi phạm vi điều chỉnh tốc độ

lớn thì ta không thể sử dụng các hệ thống hở nh trên Khi đú ta sử dụng cỏc bộ

điều khiển cú phản hồi (hệ kớn ) vừa nõng cao chất lượng hệ thống , vừa mở rộng dải điều chỉnh tốc độ động cơ khi điều khiển hệ kớn thỡ độ cứng đặc tớnh cơ tăng lờn do ta cú mạch phản hồi õm tốc độ

Sơ đồ tổng quỏt một hệ kớn phản hồi õm tốc độ :

Phương trỡnh đặc tớnh cơ của hệ thụng kớn:

Ta có

1

1 0

.

D dm

max

do vậy khi hệ thống kín làm tăng độ cứng đặ tính

cơ thì đòng thời dải diều chỉnh cũn được mở rộng trong thực tế , không thể

thể có được K1 để mở rộng dải điều chỉnh tốc độ của động cơ tới 30:1 theo yêu cầu công nghệ đề ra

Như vậy bằng phương pháp điều khiển điện áp phần ứng , kết hợp với các

bộ điều khiển phản hồi , ta có thể điều khiển được hoàn toàn động cơ trong dải tốc độ từ 90->2700 vòng/ phút

Ta cũng có thể điều chỉnh tốc độ động cơ bằng phưng pháp điều chỉnh kích từ của động cơ khi điều chỉnh kích từ , điện áp phần ứng được giữ không đổi , tốc độ động cơ cao hơn tốc độ định mức do mạch kích từ của động cơ là phi tuyến nên hệ điều khiển kích từ cũng là một hệ phi tuyến do đièu khiển KΦ nên mômen động cơ M=KΦω và sức điện động phần ứng E=KΦIư cũng thay đổi

Thông thường , người ta kết hợp hai phương pháp điều chỉnh điện áp và điều chỉnh từ thông để điều khiển động cơ việc kết hợp hai phương pháp điều khiển có thể thực hiện bằng hai cách là điều khiển phân vùng hoặc điều khiển đồng thời

Phương pháp điều khiển phân vùng là phương pháp kết hợp điề khiển mà mỗi vùng tốc độ ta điều khiển theo một phương pháp khác nhau vùng tốc độ dưới định mức thì điều khiển điện áp phần ứng , vùng trên định mức thì điều khiển từ thông như vậy hai phương pháp gần như độc lập hoàn toàn

Phương pháp điều khiển kết hợp : đồng thời điều chỉnh điện áp phần ứng

và diện áp kích từ ttheo một quy luật nhất định để thu được kết quả điều khiển tốt nhất

Ưu điểm của phương pháp điều khiển từ thông động cơ là điều chỉnh điện

áp mạchkích từ có công suất bé hơn rất nhiều công suất mạch lực ,do vậy việc điều chỉnh thực hiện dẽ dàng hơn nhiều tuy nhiên , khi tốc độ động cơ lớn lên thì khả năng chuyển mạch của chổi than vành góp giảm đi do đó để đảm bảo khả năng chuyển mạch của chổi than vành góp thì phải giảm dòng điện phần ứng , do đó mômen cho phép trên trục động cơ giảm rất nhanh

Trong phạm vi đồ án này , ta chỉ sử dụng phương pháp điều khiển điện áp phần ứng độgn cơ tức là điều khiển dưới định mức , do đó phải chọn động cơ

có tốc độ định mức cao hơn tốc độ cao nhất của công nghệ

Việc điều chỉnh điện áp phần ứng ở đây được thực hiện bằng bộ băm xung

áp một chiều là phương pháp khá phổ biến và cho chất lương hệ thống cao

Do yêu cầu truyền động quay chi tiết mài tròn thì không cần đảo chiều , ta

sử dụng sơ đồ mạch đơn để điều chỉnh điện áp đặt lên hai cực của động cơ

về nguyên lí hoạt động se được trình bày sau

3 Tính chọn công suất động cơ :

để chọn được công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động , ta phải quy đổi toàn bộ các đải lượng trên tải về trục động cơ

Các thông số kĩ thuật :

- Mômen cực đại M max : 20[Nm]

- Tốc độ quay chi tiết n : 30->900[vòng /phút]

- Tỉ số truyền i : 3

- Hiệu suất η : 0.85

- Mômen quán tính cơ cấu J: 0.007 [Kg/m 2 ]

Mômen cực đại trên trục động cơ :

Công suất cực đại trên trục động cơ :