Phân tích và lựa chọn truyền động máy mài

tài liệu tham khảo

truyền động

Đ2-1: mục đích ý nghĩa

Trong lĩnh vực kinh tế, việc tạo ra sản phẩm bằng máy móc đảm bảo cácchỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật là yếu tố quan trọng nhất Để sử dụng một cáchhợp lý các thiết bị và khai thác tối đa khả năng của chúng phải đợc bắt đầu từ

khâu thiết kế hệ thống Ngời thiết kế cần phải dựa vào yêu cầu về quy trìnhcông nghệvà đặc tính sản xuất để từ đó đa ra những phơng án hợp lý, từ nhữngphơng án đó lựa chọn ra phơng án thiết kế tối u sao cho thoả mãn cácc yêu cầusau:

- Phải có vốn đầu tt nhỏ nhất (V > min)

- Phải đảm bảo đợc chi phí vận hành nhỏ nhất (C > min)

- Phải đảm bảo tính hiện đại của hệ thống

- Chất lợng sản phẩm sản xuất ra phải cao, giá thành hạ, năng suất lao

động cao và làm việc tin cậy

- Hệ thống Thyristor - Động cơ (T - Đ).

B phân tích và lựa chọn phơng án

i chọn động cơ

1 Động cơ xoay chiều

Đây là loại động cơ sử dụng trực tiếp nguồn năng lợng xoay chiều mà không cần qua bộ biến đổi trung gian nào cả Động cơ xoay chiều có hai loại tiêu biểu là động cơ không đồng bộ (ĐKB) và động cơ đồng bộ (ĐB) Với loại

động cơ ĐB chủ yếu ngời ta dùng để truyền động cho những hệ thống không có yêu cầu điều chỉnh tốc độ và coá công suất lớn Với máy mài là hệ thống có công suất nhỏ và có yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên ta không xét đến loại động cơ này mà chỉ xét tới loại ĐKB

Phơng trình đặc tính cơ:

 

th th

th

th th

aS 2 S

S S S

aS 1 M 2 M









Trong đó:

- M : Mô men động cơ

- Mth: Mô men tới hạn

- S : Độ trợt (hệ số trợt)

- Sth : Hệ số trợt tới hạn của đông cơ

- a : Hệ số phụ thuộc sơ đồ nối mạch của động cơ

Đặc tính cơ:

Đoạn đặc tính 0b là đoạn đặc tính làm việc Độ cứng đặc tính cơ: S M 2 0 th th ω β   Nhận xét: Do động cơ KĐB sử dụng trực tiếp năng lợng của lới điện xoay chiều nên việc điều chỉnh tốc độ là khống chế các quá trình quá độ để thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật là khó khăn Với động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc: - Dòng mở máy lớn nhng mô men mở máy lại nhỏ khó khởi động khi có tải lớn, khi có tải lớn động cơ làm việc không ổn định S  0 , S Hình 2-1: Đặc tính cơ động cơ điện xoay chiều. S th b 0 M c M nm M th M a

0 M

nm1 M nm2 M

f  0

- Khi thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi điện áp ha thay đổi điện khángstato, thì độ cứng đặc tính  thay đổi nên độ sụt tốc độ lớn (h1 - 2) So với yêucầu đặt ra đối với máy mài: D = 10/1; S  50/0; n  50/0;

 = 1; Mmn = 8Mh thì động cơ này không đáp ứng đợc

Với động cơ không đồng bộ rô to dây cuốn

- Tốc độ động cơ có thể thay đổi bằng cách thay đổi tổng trở mạch rô tosong độ cứng đặc tính cơ cũng thay đổi theo, đặc biệt đặc tính khởi động không

đáp ứng đợc yêu cầu Mmn = 8Mh

Hình 2 - 2: Đặc tính cơ động cơ điện xoay chiều

2 - 2a: Đặc tính cơ khi điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi số đôi cực.

2 - 2b: Đặc tính cơ khi điều chỉnh cơ bằng thay đổi U.

2 - 2c: Đặc tính cơ khi điều chỉnh bằng thay đổi R f

2 Động cơ điện một chiều

Đây là loại động cơ sử dụng năng lợng điện một chiều gồm: Động cơ

điện một chiều kích từ nối tiếp, động cơ điện một chiều kích từ độc lập và độngcơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Với loại động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp là loại động cơ có kếtcấu phức tạp, giá thành cao nên ta loại bỏ vì không phù hợp chỉ tiêu kinh tế

a Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Phơng trình đặc tính cơ:

u I K

R K

U

Φ Φ

; KC

U

A1   Khoa Điện - Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp 18

Hình 2-3: Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Nhận xét: Do   I nên đặc tính cơ rất mềm ở vùng tải nhỏ hơn tải

định mức ở những vùng tải  tải định mức động cơ mới làm việc ổn định Nhvậy độ cứng đặc tính cơ của động cơ này có dộ cứng thay đổi theo tải

 

2

R KC

KCU 2

U I K

R K

U

2 Φ Φ

Φ Φ

0

0 M 0

Hình 2-4: Đặc tính cơ động cơ điện một chiều kích từ độc lập.

R

f = 0R

f  0

0 M

đm M



Nhận xét: Loại động cơ này cho phép quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và

rễ điều chỉnh Từ phơng trình đặc tính cơ cho thấy loại động cơ này có thể điềuchỉnh tốc độ tới ba cách là điêù chỉnh U, Rf, và ik

3 Nhận xét chung

Từ những phân tích trên cho thấy rằng để đáp ứng các chỉ tiêu: S, , D,

Mc, n% mà yêu cầu của hệ thống đã đặt ra, ta chọn loại động cơ một chiềukích từ độc lập làm động cơ truyền động cho hệ thống máy mài

II Chọn phơng án điều chỉnh tốc độ

Với động cơ đã chọn ta có ba phơng án điều chỉnh tốc độ là:

- Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng Rf

- Điều chỉnh từ thông mạch kích từ k

- Điều chỉnh điện áp đặt vào phần ứng động cơ U

1 Phơng pháp điều chỉnh điện trở phụ

dm

dm 0

K

U Φ

ω  là một điểm cố định.

dm dm

f I K

R R Φ

Δω   tăng khi Rf tăng, giảm khi Rf giảm

Khoa Điện - Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp 20

Nh vậy khi thay đổi Rf ta có họ đặc tính cơ nh hình 2-5.

U

Δω ω

Φ Φ

R

Sai số tốc độ tỷ lệ nghịch với bình phơng sự thay đổi từ thông, do đó thay

đổi rất nhanh Họ đặc tính cơ khi thay đổi  nh hình 2-6

R

f=0Rf1Rf2Rf3

0 Mđm = Mc

Hình 2-5: Đặc tính cơ khi thay đổi điện trở phụ.



0

Có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ vì mạch kích từ có công suất nhỏ nên ta

có thể dùng thiết bị bán dẫn Sự thay đổi tốc độ phụ thuộc đặc tính tải và điểmlàm việc tĩnh

Phơng pháp này cho phép ta mở rộng dải điều chỉnh bằng cách tự độnghoá hệ thống Do mạch kích từ có công suất nhỏ nên tổn thất năng lợng khi

điều chỉnh tốc độ khá bé

Phơng pháp này thích hợp với những hệ thống yêu cầu điều chỉnh tốc độbiến đổi nhanh, tức là hệ thống có lúc không tải Với máy mài do phải mang đámài nên động cơ luôn có tải Xét trên một đặc tính tải, khi thay đổi  làm giảm dẫn đến sai lệch tĩnh lớn

3 Phơng pháp thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Φ Φ

ω   dm  0 

dm dm

M K

R K

U

.Khi thay đổi U ta sẽ đợc một họ dặc tính cơ song song nhau (hình 2-7)

0 M

c M

nm1 M

nm2 Mnm3 M

Hình 2-6: Đặc tính cơ khi thay đổi từ thông.

U

đmU1U2U3U4

05

04

03

02

01



0 M

c M

Từ phân tích trên cho thấy phơng pháp thay đổi điện áp đặt vào phần ứng

động cơ có tính tối u hơn cả Vậy ta chọn phơng pháp này để điều chỉnh tốc độ cho hệ thống

III Lựa chọn phơng án truyền động.

Nh trên ta đã chọn phơng án điều chỉnh tốc độ động cơ là phơng pháp

điều áp nên hệ thống cần đợc cung cấp điện từ một bộ biến đổi (BBĐ) có điện

áp ra thay đổi đợc.Vậy cần phải đa ra một hệ thống truyền động điện Để lựa chọn đợc phơng án tối u ta xét một số phơng án sau:

- Hệ thống máy phát - động cơ

- Hệ thống van từ - động cơ

- Hệ thống Thyristor - Động cơ

1 Hệ thống Máy phát - Động cơ

a Sơ đồ nguyên lý mạch

Hình 2-8: Hệ thống máy phát - động cơ.

b Nguyên lý hoạt động

Động cơ sơ cấp KĐB kéo máy phát kích từ và máy phát điện động lực Máy phát kích từ hoạt động theo nguyên lý từ kích nhờ vào từ d của lõi thép mạch từ làm nhiệm vụ cung cấp điện cho cuộn kích từ máy phát CKF và động cơ CKĐ Với từ thông FK nào đó, điện áp phát ra của máy phát là U Muốn thay đổi tốc độ động cơ ta thay đổi từ thông kích từ cho máy phát, khi đó điện

áp ra của máy phát sẽ thay đổi theo

Phơng trình đặc tính cơ:

K  .M

R R K

E

2 D F F

Φ Φ

Đặc tính cơ của hệ thống đợc biểu diễn trên hình 2-9



0

01

02

03

0 M Hình 2-10: Đặc tính cơ hệ thống máy phát động cơ.

E Fđm E F1

EF2 E F3

Đ m m

WR f

CKĐ

WR

3

WR 2 CK

F k

Nhận xét:

- Đây là hệ thống điều áp nên dải điều chỉnh rộng

- Dễ tự động hoá do mạch kích từ của máy phát có công suất nhỏ

- Hệ thống làm việc rất linh hoạt, độ cứng đặt tính cao

- Do có nhiều máy nên chiếm diện tích lắp đặt lớn, gây tiếng ồn, hiệu suất thấp, công suất lắp đặt lớn (Pđ  3Pyc  vốn đầu t cao )

- Do máy phát có từ d nên đặc tính từ hoá có trễ, vì vậy khó điều chỉnh sâu tốc độ

2 Hệ thống Van từ - Động cơ

Van từ là một hệ thống gồm: Phần tử kháng bão hoà và chỉnh lu không

điều khiển

b Phơng trình đặc tính cơ:

I K

R R K

B

B 1 E

B 0

s m

2

Φ Φ















Nhận xét:

*Ưu điểm: Đây là hệ thống biến đổi tĩnh, làm việc không gây tiếng ồn,

độ tin cậy cao, dễ từ động hoá, rẻ tiền

*Nhợc điểm:

- Van từ là phần tử phi tuyến nên có quán tính từ lớn suy hệ kém linh hoạt

- Khi ở hệ đơn giản RB rất lớn nên đặc tính cơ mềm làm giảm chất lợng

hệ thống

- Cos của hệ thấp khi ở vùng điều chỉnh sâu, hiệu suất thấp

- Đặc tính cơ của hệ tồn tại những vùng không điều chỉnh đợc do:

Khoa Điện - Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp 24

Đ



0 M BA

Hình 2-11: Hệ thống VT - Đ Hình 2-12: Đặc tính cơ

+) Iđmmax nhng Xk không thể bằng 0.

+) Iđmmin nhng Xk không thể là 

Do đó dải điều chỉnh bị thu hẹp

3 Hệ thống Thyristor - Động cơ

a Sơ đồ nguyên lý

b Nguyên lý hoạt động Do Thyristor là Diod có điều khiển nên việc điều chỉnh điện áp ra của BBĐ này đợc thực hiện bằng cách thay đổi lợng điện áp điều khiển (hay góc mở ) làm thay đổi thời điểm mở của Thyristor Phơng trình đặc tính cơ: k  .M R R K U E 2 b v b Φ Φ Δ ω     Trong đó: Uv: Sụt áp trên van Eb: Sức điện động ra của bộ biến đổi Rb: Nội trở của bộ biến đổi Do điện trở thuận trên van là rất bé nên sụt áp trên van có thể bỏ qua Dạng đặc tính cơ: 

0

01

02

03

0

Nhận xét:

- Đặc tính cơ chỉ tồn tại ở một nửa mặt phẳng toạ độ do tính dẫn dòng một chiều và đặc tính đợc chia làm ba vùng: Vùng gián đoạn, vùng biên liên tục, và vùng liên tục

- Đây là hệ thống kém linh hoạt so với hệ thống F - Đ

U

đk

Đ U

Hình 2-13: Hệ thống Thyristor - Động cơ.

M

 = 900

Hình 2-14: Đặc tính cơ hệ thống T - Đ.

- Hệ thống này có nhiều chế độ làm việc:

* Khi điều chỉnh 0 <  < 900  Eb > 0 BBĐ làm việc ở chế độ động cơ

* Khi  = 900 Nếu trớc đó động cơ đang làm việc với tải thế năng, khinày Eb = 0 động cơ làm việc ở chế độ hãm động năng

*Khi  > 900  Eb < 0 BBĐ làm việc ở chế độ nghịch lu

*Khi  < 900  Eb > 0 Nếu phụ tải thế năng mà đóng thêm điện trở phụvào mạch phần ứng thì động cơ ở chế độ hãm ngợc

*Khi  > 900 và có tải thế năng thì động cơ ở chế độ hãm tái sinh

- BBĐ van dễ tự động hóa, tác động nhanh, gọn, nhẹ và không gây tiếng ồn

- Do là phần tử phi tuyến nên hiệu suất thấp, Cos thấp ở những vùng

I Giới thiệu chung

Với hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ, mạch động lực có thểmắc theo các sơ đồ sau:

Khoa Điện - Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp 26

- Sơ đồ hình tia (1pha, 2 pha, 3 pha).

- Sơ đồ hình cầu (1 pha, 3 pha)

Ta thấy rằng trong kiểu đấu sơ đồ hình tia một pha và hai pha là kiểuchỉnh lu nửa chu kỳ không hoàn toàn nên chất lợng điện áp ra kém, độ đậpmạch lớn Vì vậy ta không xét tới Trong sơ đồ chỉnh lu mắc theo hình cầu mộtpha là kiểu chỉnh lu hai nửa chu kỳ, nhng do chỉnh lu một pha nên cũng có độ

đập mạch cao làm giảm chất lợng điện áp ra

Vậy ta chỉ đi xét hai sơ đồ điển hình và hoàn hảo hơn cả của hình tia vàcầu là tia ba pha và cầu ba pha

BA: Máy biến áp nguồn

T1, T3, T5: Nhóm van Katốt chung

T2, T4, T6: Nhóm van Anốt chung

b Nguyên lý làm việc

Giả thiết rằng L của CK khá lớn và cho sơ đồ làm việc với

0 <  < 900.Tại 1, van T1 có tín hiệu điều khiển (giả thiết rằng các van T6, T5 đangdẫn trớc đó)

Khi  = 2 thì VB > VC, sự mở của T2 làm T6 khoá lại vì VB > VC

Các xung điều khiển lệch nhau góc 600 (/3) lần lợt đợc da đến các cực

điều khiển của các Thyristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,

Trong mỗi nhóm, khi một T mở, nó sẽ làm khoá các T đang dẫn trớc đólại Dới đây là bảng tóm tắt thời điểm mở của các T:

Đ

ABC

Giá trị trung bình điện áp trên tải:

* Đờng bao phía trên biểu diễn điện thế của điểm F và VF

* Đờng bao phía dới biểu diễn điện thế của điểm G và VG

*Điện áp trên tải là Ud = VF - VG là khoảng cách thẳng đứng giữa hai ờng bao

π θ

θ π

α π

α π

cos U 6 3 d sin U 2 2

Ud1 = 3

3 62

2 6

5 6

π θ π

α π

α π

cos 2

U 6 3 d

3

2 sin U 2 2

7

6 3

2 Sơ đồ chỉnh lu hình tia

a Sơ đồ nguyên lý

Khoa Điện - Trờng đại học kỹ thuật công nghiệp 28

D0

c

CKĐ

BA

ĐC

AB

T

1

Hình2-17: Sơ đồ nguyên lý mạch hình tia ba pha

BA: Máy biến áp nguồn cung cấp có tổ đấu dây Y/Y0

T1  T3 các Thyristor làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thànhmột chiều cấp cho động cơ

D0: Diod không làm nhiệm vụ duy trì dòng qua động cơ là liên tục

b Nguyên lý hoạt động

Do mạch động lực mắc diod D0 nên bộ biến đổi này tơng đơng với tải là

điện trở, D0 chỉ làm việc khi các van không dẫn dồng thời góc mở  > 300 nó

có tác dụng làm vật dẫn kín mạch để tạo dòng qua động cơ là liên tục khi dòngcung cấp từ bộ biến đổi là gián đoạn Do cách mắc nh sơ đồ mà khi BBĐ

cung cấp điện cho Đ thì D0 chịu điện áp ngợc

Giả sử cho sơ đồ làm việc với:

Đến thời điểm t = 2, van T2 có tín hiệu điều khiển tới đồng thời lúc đó:

UT2 > 0  T2 mở  UT2 = 0

 Ud2 = Ub, UD0 = -Ud -Ub < 0  D0 khoá

Khi này dòng phụ tải từ +Ub  T2  Đ  CK  -Ub

Tại thời điểm t =  + 2/3  Ub = 0 và có xu hớng âm đi, quá trình sẽdiễn ra tơng tự nh với khi T1 và T2 khoá lại

Giản đồ điện áp chỉnh lu nh hình 2-18

Từ đồ thị điện áp ta thấy Ud  0  sơ đồ này không có chế độ nghịch lu

Từ thời điểm 0  2/6 (hay 3  2 + 2/6) T3 dẫn dòng T1, T2, D0

Ud = Ud0.cos

với Ud0 = U2

2

6 3

; 3

*Mạch chỉnh lu cầu ba pha là mạch chỉnh lu hai nửa chu kỳ, chất lợng

điện áp ra cao, hiệu suất cao song số lợng van nhiều, mạch điều khiển phức tạp.Nếu sơ đồ tia và cầu ba pha cùng dùng D0 thì sơ đồ hình tia làm việc với:

 > 300, cầu  > 600.Với cùng điện áp Ud thì: U2tia3pha > U2cầu 3pha

Ungmaxcầu = 6U2cầu

Ungmaxtia = 6U2tia.

 Ungmaxtia > Ungmaxcầu. Dòng điện ra của hai sơ đồ là nh nhau

Sơ đồ hình tia có mạch đơn giản hơn, có ít van hơn nên mạch điều khiển

đơn giản, dễ tự động hoá, giá thành rẻ

Cả hai sơ đồ đều thoả mãn các chỉ tiêu về kỹ thuật Xét về chỉ tiêu kinh

tế thì sơ đồ hình tia có u thế hơn Mạch hình cầu chỉ dùng với những hệ thốngyêu cầu chất lợng điện áp cao

Vậy ta chọn sơ đồ hình tia ba pha

II chọn chế độ hãm cho động cơ.

Chế độ hãm là chế độ mà mô men quay do động cơ sinh ra (mô men

điện từ) ngợc chiều với mô men quay trớc đó và có xu hớng chống lại sựchuyển động của cơ cấu sản xuất Trong tất cả các trạng thái hãm thì động cơlàm việc ở chế độ máy phát Với động cơ một chiều kích từ độc lập có ba trạngthái hãm cơ bản sau:

Là trạng thái mà động cơ biến đổi cơ năng đã tích luỹ đợc thành điệnnăng trả về cho lới.

Điều kiện để xảy ra trạng thái hãm tái sinh là tốc độ khi hãm của độngcơ lớn hơn tốc độ không tải lý tởng, tức là E > Ub

Chế độ hãm này thờng xảy ra trong trờng hợp hệ thống truyền động có

điều chỉnh tốc độ bằng cách giảm áp (khi giảm tốc độ động cơ) Khi này độngcơ làm việc nh một máy phát điện mắc song song với lới Dòng điện và mômen hãm đợc xác định theo biểu thức:

R

K K

Dấu “<“ chứng tỏ Ih đảo dấu.

Hình 2-19: Đặc tính hãm tái sinh ĐCĐMC kích từ độc lập.

Phơng trình đặc tính cơ:

K  .M

R K

U

2 Φ Φ

2 Hãm ngợc

Đây là trạng thái máy phát khi rô to của động cơ quay ngợc chiều tơngứng do điện áp nguồn gây ra Có hai cách thực hiện hãm ngợc:

- Đóng điện trở phụ có giá trị đủ lớn vào mạch phần ứng động cơ

- Đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ

Giả thiết rằng động cơ đang làm việc bình thờng tại điểm a trên đờng đặctính cơ tự nhiên với phụ tải Mc Bây giờ ta đảo chiều điện áp đặt vào mạch phầnứng động cơ đồng thời đóng thêm điện trở phụ vào để hạn chế dòng hãm ban

đầu Khi đó:

R

E U R

R

E U I

H H

0 

c M -M

c

-

0