NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG

Họ và tên: Trần Việt Dũng Lớp: 15DDS0504108 Khóa: 2015 - 2019 Ngành: Công nghệ Kỹ thuật cơ khí Mã ngành: 75.102.01 1. Tên đồ án: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG 2. Nội dung bản thuyết minh: Nghiên cứu tổng quan về trình tự hoạt động của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động. Thiết kế hệ thống truyền động cấp dây và quấn dây của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động. Xây dựng thuật toán và lựa chọn các thành phần trong hệ thống điều khiển của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động. Chế tạo, lắp ráp thử nghiệm hệ thống truyền động cấp dây, quấn dây cùng hệ thống điều khiển thành một khối thống nhất. 3. Số lượng, nội dung các bản vẽ: - Bản vẽ A0: 2 bản vẽ gồm bản vẽ lắp ráp và bản vẽ nguyên công. - Bản vẽ A4: 6 bản vẽ gồm các bản vẽ chi tiết. 4. Cán bộ hướng dẫn: TS. Lê Công Danh; Bộ môn: Nhiệt điện; Khoa: KTCS

TRẦN VIỆT DŨNG KHÓA : 2015 - 2019

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

CHUYÊN NGÀNH CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO

MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG

NĂM 2020

TRẦN VIỆT DŨNG KHÓA : 2015 - 2019

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH : CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

MÃ SỐ : 75.102.01

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO

MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG

Cán bộ hướng dẫn : TS Lê Công Danh

NĂM 2020

Họ và tên: Trần Việt Dũng Lớp: 15DDS0504108 Khóa: 2015 - 2019

Ngành: Công nghệ Kỹ thuật cơ khí Mã ngành: 75.102.01

1 Tên đồ án:

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG

2 Nội dung bản thuyết minh:

Nghiên cứu tổng quan về trình tự hoạt động của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động

Thiết kế hệ thống truyền động cấp dây và quấn dây của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động

Xây dựng thuật toán và lựa chọn các thành phần trong hệ thống điều khiển của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động

Chế tạo, lắp ráp thử nghiệm hệ thống truyền động cấp dây, quấn dây cùng hệ thống điều khiển thành một khối thống nhất

3 Số lượng, nội dung các bản vẽ:

- Bản vẽ A0: 2 bản vẽ gồm bản vẽ lắp ráp và bản vẽ nguyên công

- Bản vẽ A4: 6 bản vẽ gồm các bản vẽ chi tiết

4 Cán bộ hướng dẫn: TS Lê Công Danh; Bộ môn: Nhiệt điện; Khoa: KTCS

TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2020

Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn

ThS Huỳnh Đức Thuận TS Lê Công Danh

Sinh viên thực hiện

Đã hoàn thành và nộp khóa luận tốt nghiệp ngày … tháng … năm 2020

Trần Việt Dũng

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Nhân đã hướng dẫn tận tình về phần tính toán của máy và thầy Phạm Tuấn Nghĩa đã hướng dẫn về bản

vẽ

Đến nay, khóa luận tốt nghiệp đã hoàn thành đúng tiến độ và đảm bảo các nội dung yêu cầu Song, trong quá trình thực hiện khóa luận không thể tránh khỏi những thiếu sót do kinh nghiệm còn hạn hẹp nên rất mong nhận được sự đóng góp

ý kiến của các thầy trong khoa để khóa luận ngày càng được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG vii

LỜI MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu 2

1.2.1 Các đặc trưng cơ bản của máy quấn dây 2

1.2.2 Phân loại các máy quấn dây đồng hiện có trên thị trường 3

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 7

1.5 Phương pháp nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CỦA MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG CHO MÁY BIẾN ÁP VÒNG XUYẾN 7

2.1 Các đặc trưng cơ bản của biến áp vòng xuyến 7

2.2 Quy trình thiết kế một biến áp vòng xuyến 8

2.2.1 Tổng quan về quá trình thiết kế máy biến áp vòng xuyến 8

2.2.2 Tính toán các thông số hình học cho máy biến áp vòng xuyến 9

2.3 Các phương án thiết kế hệ thống máy quấn dây đồng 12

2.3.1 Phương án 1 12

2.3.2 Phương án 2 13

2.3.3 Phương án 3 14

2.3.4 Lựa chọn phương án thiết kế 15

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CỦA

MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG CHO MÁY BIẾN ÁP VÒNG XUYẾN 17

3.1 Xây dựng mô hình 3D của máy 17

3.1.1 Mô hình cơ cấu truyền động chính của máy 17

3.1.2 Mô hình cơ cấu chứa dây 18

3.1.3 Mô hình hãm chuyển động của vòng chứa dây 19

3.1.4 Mô hình cơ cấu truyền động phụ của máy 20

3.2 Trình tự tính toán hệ thống cấp dây 21

3.2.1 Xác định vận tốc quấn dây 21

3.2.2 Tính mật độ dây đồng 22

3.2.3 Tính và lựa chọn thông số các động cơ 22

3.2.4 Tính puly truyền động (thêm số) 23

3.2.5 Tính chiều dài dây đai 23

3.2.6 Tính lực giữ lò xo 24

3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy quấn dây 26

3.3.1 Khối vi điều khiển 26

3.3.2 Khối nguồn 27

3.3.3 Khối LCD hiển thị 28

3.3.4 Khối điều khiển động cơ bước 28

3.3.5 Sơ đồ giải thuật 30

CHƯƠNG 4 : CHẾ TẠO MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG 33

4.1 Bố trí lịch trình các công đoạn 33

4.2 Chuẩn bị vật tư 33

4.3 Quy trình công nghệ chế tạo cơ cấu con lăn 38

4.3.1 Phân tích kết cấu 39

4.3.2 Phân tích vật liệu 39

4.3.3 Phân tích tính công nghệ 40

4.3.4 Chọn phôi và phương án công nghệ 40

4.3.5 Lập quy trình và thiết kế nguyên công chế tạo con lăn 40

4.4 Đánh giá 44

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, KẾT LUẬN HỆ THỐNG CẤP VÀ QUẤN DÂY 44

5.1 Kết quả thực nghiệm 44

5.2 Kết luận về hệ thống cấp và quấn dây 45

PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số loại máy quấn dây hiện có trên thị trường 4

Hình 1.2 Cấu trúc hình học của một số lõi thép máy biến áp 4

Hình 1.3 Một số loại máy biến áp vòng xuyến thông dụng 5

Hình 1.4 Hình ảnh một số máy quấn dây biến áp thủ công 5

Hình 1.5 Hình ảnh một số máy quấn dây biến áp bán tự động 6

Hình 1.6 Hình ảnh một số máy quấn dây biến áp tự động 6

Hình 2.1 Kết cấu hình học của máy biến áp hình xuyến 8

Hình 2.2 Tổng quan về thiết kế máy biến áp vòng xuyến 9

Hình 2.3 Xác định các giá trị cực đại của vòng xuyến sau quấn dây nhờ phần mềm 12

Hình 2.4 Phương án 1 của máy quấn dây đồng 13

Hình 2.5 Cơ cấu dùng lò xo tạo lực căng dây cho vòng chứa dây đồng 13

Hình 2.6 Phương án 2 của máy quấn dây đồng 14

Hình 2.7 Phương án 3 của máy quấn dây đồng 15

Hình 3.1 Mô hình tổng thể của máy 17

Hình 3.2 Mô hình vòng tròn truyền chuyển động chính 18

Hình 3.3 Khóa gài trên vòng tròn truyền chuyển động chính 18

Hình 3.4 Mô hình vòng tròn chứa dây đồng 19

Hình 3.5 Cơ cấu hãm chuyển động của vòng chứa dây 20

Hình 3.6 Cơ cấu truyền động phụ của máy 21

Hình 3.7 Sự phân bố dây đồng trong vòng chứa dây 22

Hình 3.8 Giản đồ bố trí lực trên vòng chuyển động chính của máy 25

Hình 3.9 Arduino Nano (Atmega328p) 27

Hình 3.10 Nguồn điện sử dụng cho hệ thống điều khiển 28

Hình 3.11 Màn hình LCD 20x4 28

Hình 3.12 Các linh kiện sử dụng cho khối điều khiển động cơ bước 29

Hình 3.13 Cảm biến tiệm cận kim loại và cách kết nối với vi điều khiển 30

Hình 3.14 Sơ đồ khối nguyên lý các phần tử điện – điện tử của máy 31

Hình 3.15 Tủ điện máy 31

Hình 3.16 Sơ đồ giải thuật máy quấn dây biến áp vòng xuyến 32

Hình 4.1 Cụm vòng chuyển động chính và khóa gài sau khi chế tạo, lắp ráp 36

Hình 4.2 Cụm vòng chuyển động nạp, rải dây và khóa gài sau khi chế tạo, lắp ráp 36

Hình 4.3 Thân máy và đế sau khi chế tạo, lắp ráp 37

Hình 4.4 Con lăn, bạc đỡ cho các cụm vòng chuyển động sau khi chế tạo, lắp ráp 37

Hình 4.5 Cơ cấu hãm chuyển động vòng cấp và rải dây sau khi chế tạo, lắp ráp 38

Hình 4.6 Cơ cấu chuyển động phụ của máy sau khi chế tạo, lắp ráp 38

Hình 4.7 Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết con lăn 40

Hình 4.8 Ký hiệu các bề mặt gia công 41

Hình 5.1 Máy quấn dây biến áp vòng xuyến hoàn chỉnh 44

Hình 5.2 Một số cuộn biến áp sau khi quấn thử nghiệm 45

Hình P1 1 Giao diện chính của chương trình điều khiển máy quấn dây đồng 46

Hình P1 2 Khai báo các thông số của hệ thống điều khiển 47

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số điện và hình học của máy biến áp đang thiết kế 10

Bảng 2.2 Ưu điểm và nhược điểm của các phương án 15

Bảng 2.3 Thông số thiết kế sơ bộ của máy quấn dây biến áp vòng xuyến 16

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Nano v3.0 ATmega328P 27

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật NEMA 17 29

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3-4-Z/BX 30

Bảng 4.1 Các nhóm chi tiết chính của máy quấn dây và phương pháp gia công 34

Bảng 4.2 Thành phần của thép C45 39

Bảng 4.3 Bảng nguyên công, chế độ cắt 43

LỜI MỞ ĐẦU

Trong hơn một thập kỷ trở lại đây, sự bùng nổ về CNTT đã kéo theo sự phát triển của nhiều ngành, nghề trong xã hội Việt Nam Trong đó sự phát triển của ngành gia công cơ khí chính xác và thiết kế hệ thống điện – điện tử, tự động hóa – điều khiển đã có sự tương trợ lẫn nhau nhằm giúp cho các hệ thống máy móc ngày càng thông minh hơn, đáp ứng nhu cầu chế tạo, sản xuất của nhiều lĩnh vực, phục

vụ cho quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa ở đất nước ta Tuy nhiên, một thực tế còn tồn tại đó chính là ngành công nghiệp phụ trợ của Việt Nam vẫn chưa

đủ mạnh để đáp ứng các nhu cầu phát triển của các ngành công nghiệp chế tạo trong nước Điều này đặc biệt đúng với việc sản xuất các linh kiện điện tử Những linh kiện tưởng chừng rất đơn giản như: tụ điện, điện trở, cuộn dây, máy biến áp

… đến các linh kiện tích hợp phức tạp như vi xử lý, vi điều khiển, IC chuyên dụng… chúng ta phải nhập khẩu từ nước ngoài mặc dù chúng ta có đầy đủ các cơ

sở lý thuyết để sản xuất ra các linh kiện này

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy quấn dây đồng trong nội dung của nghiên cứu này được đặt ra trước tiên nhằm xây dựng hoàn thiện một khảo sát về nhu cầu sử dụng cũng như sự tồn tại của các máy quấn dây phục vụ cho việc chế tạo biến áp vòng xuyến ở nước ta Dựa trên cơ sở của quy trình chế tạo một máy biến áp sẽ đưa ra phương án để thiết kế và chế tạo ra một máy quấn dây đồng bán

tự động phục vụ cho việc sản xuất các máy biến áp vòng xuyến ở các phòng

nghiên cứu, cơ sở sản xuất có quy mô vừa và nhỏ

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG

1.1 Đặt vấn đề

Hiện tượng cảm ứng điện – từ được sử dụng rộng rãi trong đời sống thông qua các ứng dụng cho các loại máy điện như máy biến áp, động cơ điện, máy p hát điện… Sự quan hệ qua lại giữa dòng điện chạy trong dây dẫn hoặc cuộn dây bằng đồng đặt trên các lá thép kỹ thuật điện hoặc các lõi ferit tạo ra từ trường làm truyền dẫn từ thông và sinh ra một suất điện động cảm ứng bên trong cuộn dây Mật độ và

sự phân bố đều của từ trường là một yếu tố quan trọng giúp cho các máy điện hoạt động hiệu quả, đúng với yêu cầu đặt ra của người kỹ sư thiết kế Trong các loại máy biến áp được sử dụng trên thị trường thì máy biến áp kiểu vòng xuy ến được đánh giá là có nhiều ứng dụng và được sử dụng tốt nhất trong các ứng dụng liên quan đến xử lý tín hiệu như: tần số âm thanh, trong lĩnh vực vô tuyến điện, trong các mạch điện nhạy cảmvới yêu cầu nhiễu thấp do nó có cấu trúc nhỏ và giảm độ

nhiễu dưới dạng của các cuộn dây (Inductors) Máy biến áp kiểu vòng xuyến có

nhiều ưu điểm khi so sánh với một số thiết bị truyền thống như: kết cấu hình học của máy với các cuộn dây chồng lên nhau sẽ giúp giảm kích thước của thiết bị so với tách biệt các cuộn dây, từ thông thường được giới hạn ở lõi hình xuyến, nên

máy biến áp xuyến có thể tự che chắn khỏi nhiễu điện từ (EMI - Electromagnetic

interference), số vòng dây trên cuộn dây ít hơn, nên biến áp xuyến có tính t ự cảm

cao hơn máy biến áp truyền thống có kích thước tương tự Ngoài ra chúng ta có thể nhận ra loại máy biến áp này trong các máy ổn áp nhằm đảm bảo duy trì sự ổn định điện áp cung cấp cho các hoạt động dân sự, sản xuất công nghiệp… Tuy nhiên, biến áp xuyến cũng có những nhược điểm riêng của nó Vì các cuộn dây phải đi qua lỗ trung tâm và tiết diện của chúng có sự khác biệt nên việc quấn dây thủ công đòi hỏi phải tốn nhiều thời gian dẫn đến giá thành cũng cao hơn so với các loại máy biến áp thông thường Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo một máy công cụ hỗ trợ người nghiên cứu, các kỹ sư chế tạo có thể tạo ra các máy biến áp vòng xuy ến nhanh hơn là tiền đề đặt ra khi em thực hiện đề tài nghiên cứu này Ngoài ra việc thiết kế chính là tiền đề cơ sở để kết hợp bài toán điều khiển vào với hệ thống cơ khí nhằm tối ưu hóa sự hoạt động của máy, giúp làm chủ công nghệ chế t ạo máy quấn dây đồng cho máy biến áp vòng xuyến mà hiện nay Việt Nam p hải nhập t ừ nước ngoài với giá thành cao hoặc các máy hiện có chỉ mới dừng lại ở mức độ sơ khai, thuần túy về cơ khí

Nội dung của đề tài được chia làm 5 chương Trong chương 1 trình bày tổng quan về đối tượng nghiên cứu chính trong đề tài để từ đó làm rõ mục tiêu, nhiệm

vụ, phạm vi cũng như phương pháp nghiên cứu của đề tài Chương 2 và 3 chính là nội dung trọng tâm của đề tài với việc đưa ra phân tích từ yêu cầu thiết kế thực t ế một máy biến áp xuyến với các thông số kỹ thuật cho trước để t ừ đó đưa ra cơ sở thiết kế hệ thống truyền động và mạch điều khiển của hệ thống Chương 4 s ẽ cung cấp quy trình gia công, lắp ráp, thử nghiệm hệ thống với các loại vòng biến áp khác nhau Nội dung kết luận và hướng phát triển được tổng hợp trong chương 5 của đề tài này

1.2 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu

1.2.1 Các đặc trưng cơ bản của máy quấn dây

Máy quấn dây có nhiều chủng loại khác nhau, nếu phân loại theo chức năng

ta có các loại máy điển hình sau: máy quấn dây cáp điện, máy quấn dây hàn (như dây chuyền H8A-VD, W49-VD ở nhà máy que hàn Việt Đức), máy quấn dây máy

điện quay, máy quấn dây biến áp (Hình 1.1) Trong đó, máy quấn dây biến áp là máy công cụ được sử dụng để quấn các loại dây điện đồng thành cu ộn với chiều

dài quấn, số vòng quấn điều chỉnh tùy theo yêu cầu Hiện nay, trên th ế giới đã có rất nhiều nước đã nghiên cứu và chế tạo máy quấn dây máy biến áp từ bán tự động đến tự động như Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Đức Tuy nhiên giá thành của các máy này là rất cao Ví dụ: Máy do Đài Loan sản xuất có giá 13.500USD, máy

do CHLB Đức sản xuất có giá 30.000USD Trong nước hiện nay cũng đã có một

số đơn vị nghiên cứu chế tạo máy quấn dây máy biến áp có thể kể đến như Trung tâm nghiên cứu và phát triển thị trường khoa học công nghệ (viện IMI), Viện cơ khí, công ty TNHH sản xuất thương mại dịch vụ Thiết Bảo (Gò Vấp – TP Hồ Chí Minh)…

Qua tìm hiểu về các loại máy quấn dây máy biến áp thì các lo ại máy quấn dây máy biến áp thường có chung về nguyên lí hoạt động cũng như cấu tạo cơ bản Một máy quấn dây có thể chia làm những phần chính sau: phần cơ khí, p h ần điều khiển tự động, phần động cơ [10]

- Phần cơ khí gồm: Cơ cấu quấn dây, Cơ cấu rải dây, Cơ cấu nhả dây…

- Phần động cơ điện: Động cơ quấn dây, Động cơ rải dây

- Phần điều khiển: Các nút nhấn, màn hình hiển thị, bộ xử lý trung tâm điều khiển: gồm có card vi điều khiển có cài đặt chương trình điều khiển

và giao diện giao sát, đo lường trên máy tính hoặc màn hình hiển thị, hệ thống này có chức năng cài đặt các thông số và giám sát quá trình ho ạt động của máy quấn dây

Ngoài ra ở những máy tự động còn có thêm các chức năng tự động cấp bọc giấy cách ly cho máy biến áp Để quấn dây đều, đẹp, không bị đứt ta phải phối hợp việc điều khiển tốc độ động cơ rải dây và động cơ quấn dây Nếu t ốc độ động cơ quấn chạy với tốc độ nhanh thì động cơ rải dây cũng phải nhanh Việc rải dây này diển ra liên tục trong một vòng quấn dây Còn để dây quấn không bị đứt nhưng vẩn đảm bảo độ căng cần thiết thì ta phải có cơ cấu tạo độ căng dây Như vậy các động

cơ này phải có sự ràng buộc lẩn nhau, dưới sự giám sát của bộ điều khiển trung tâm thông qua vi xử lý

Các đặc điểm cơ bản cần có của một máy quấn dây đồng là [1]:

- Máy quấn dây điện áp dụng cho tất cả các loại dây điện hoặc dây đồng có kích thước khác nhau

- Điều chỉnh các thông số như tốc độ, số vòng quấn, chiều dài quấn dễ dàng

- Máy quấn dây điện tự động, nhanh, đều, đẹp và chính xác

- Có chức năng lưu giữ nhiều chương trình đã được cài đặt

- Có máy quấn được nhiều cuộn cùng lúc mang lại năng suất cao

- Máy quấn dây điện tự động rất dễ sử dụng, chất lượng cao và độ bền lâu

1.2.2 Phân loại các máy quấn dây đồng hiện có trên thị trường

Máy quấn dây đồng chủ yếu dùng để chế tạo ra các loại máy biến áp với nhiều vòng dây được sắp xếp đều trên lõi sắt từ hoặc các t ấm thép kỹ thuật điện được ghép nối với nhau theo cấu trúc hình chữ nhật lõi UI, cấu trúc lõi EI hoặc lõi hình trụ tròn nhằm mục đích thay đổi điện áp đầu ra của máy dựa trên mối quan hệ

số vòng dây của cuộn dây sơ cấp với số vòng dây của các vòng dây trên cu ộn thứ cấp Trong các loại lõi của máy biến áp vừa liệt kê ở trên thì biến áp hình xuyến có những tính năng đặc biệt như: Mạch từ được chế tạo bằng quấn tròn giải lá tôn liên tục hoặc đúc liền khối bằng ferit Do mạch từ kín không mối ghép nên không p hát sinh từ thông tản, tiếng ù, nhiễu điện từ đến các linh kiện điện tử bố trí gần [5] trong mạch điện Biến áp hình xuyến có hiệu suất sử dụng cao hơn biến áp tr ụ lõi

chữ E-I từ 10% đến 15% (Hình 1.2) Biến áp hình xuyến được ứng dụng trong

nhiều thiết bị máy móc công nghiệp và dân dụng như: Biến áp tự động ổn áp , biến

áp tự ngẫu, biến áp công tắc đo dòng, biến áp nguồn Các loại máy biến áp vòng xuyến nêu trên chỉ khác nhau về kích thước lõi, công suất, điện áp vào và ra, còn

cấu trúc hình học của chúng thì giống nhau (Hình 1.3)

Có nhiều cách để đưa vòng dây đồng vào bên trong lõi của các máy biến áp Một cách cơ bản nhất ta có thể phân loại các máy quấn dây đồng cho máy biến áp

thành các loại sau: 1 Máy quấn dây biến áp thủ công (Hình 1.4); 2 Máy quấn dây biến áp bán tự động (Hình 1.5); 3 Máy quấn dây biến áp tự động (Hình 1.6)

a)

b)

Hình 1.1 Một số loại máy quấn dây hiện có trên thị trường

a) máy quấn cuộn dây chữ nhật DMB 1005; b) máy quấn cuộn dây tròn AM3175; c) máy quấn dây cáp điện của hãng ABM; d) Máy quấn dây biến áp RX13-5020

Hình 1.2 Cấu trúc hình học của một số lõi thép máy biến áp

a) b)

Hình 1.3 Một số loại máy biến áp vòng xuyến thông dụng

a) Biến áp tự động ổn áp; b) biến áp tự ngẫu;

c) biến áp công tắc đo dòng d) biến áp nguồn

Hình 1.4 Hình ảnh một số máy quấn dây biến áp thủ công

Nguyên cứu, tính toán và thiết kế ra một máy quấn dây đồng cho máy biến

áp vòng xuyến là việc làm rất cần thiết đối với đội ngũ cán bộ kĩ thuật chuyên ngành chế tạo máy vì đây là cơ sở thực tiễn bổ sung các hạn chế về lĩnh vực điện – điện tử và điều khiển tự động Ngoài ra máy khi được chế tạo thành công sẽ giúp các cơ sở nghiên cứu trong nước, các cơ sở sản xuất với quy mô vừa và nhỏ có thể đưa vào triển khai thử nghiệm, sản xuất nhanh các mẫu máy biến áp với giá thành

rẻ hơn rất nhiều so với việc sử dụng các thiết bị ngoại nhập nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu sản xuất

Ngoài ra, việc xây dựng nền tảng về phần cứng cơ khí sẽ hỗ trợ việc phát triển hệ thống điều khiển bằng cách tích hợp một số cảm biến khác vào nhằm kiểm soát quá trình hoạt động của máy một cách tối ưu hơn Điều đó cũng kh ẳng định

được trình độ kĩ thuật công nghệ của sinh viên chuyên ngành công ngh ệ kỹ thuật

cơ khí hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu linh hoạt trong thực tế sản xuất

1.4 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy quấn dây đồng cho máy biến áp vòng xuyến cần phải đạt được những mục tiêu sau:

- Nghiên cứu tổng quan về trình tự hoạt động của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động

- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền động cấp dây và q uấn dây của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động

- Xây dựng thuật toán và lựa chọn các thành phần trong hệ thống điều khiển của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động

- Chế tạo, lắp ráp thử nghiệm hệ thống truyền động cấp dây, quấn dây cùng

hệ thống điều khiển thành một khối thống nhất

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Dựa vào thực tiễn phân tích các máy quấn dây biến áp vòng xuy ến t ự động hiện có trên thị trường trong nước và nước ngoài để làm nền tảng cho việc nghiên cứu lập luận, đưa ra hướng giải quyết đề tài

Nguyên cứu các nguyên lý cơ học áp dụng vào việc phân tích, tính toán khi thiết kế và điều khiển hệ thống Tham khảo các tài liệu có liên quan đ ến việc tính toán, thiết kế hệ thống truyền động cho hệ thống Cụ thể ở đây là hệ thống truyền động bánh ma sát và truyền đai răng

Nguyên cứu phần mềm mô phỏng việc tháo lắp, xây dựng quy trình sử dụng

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CỦA MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG CHO MÁY BIẾN ÁP VÒNG XUYẾN

2.1 Các đặc trưng cơ bản của biến áp vòng xuyến

Về mặt hình học, biến áp hình xuyến là một lõi ferrit hình trụ (Hình 2.1) gồm có các kích thước sau: OD – kích thước ngoài biến áp [mm];

ID – Kích thước trong [mm]; và chiều cao H [mm]

Hình 2.1 Kết cấu hình học của máy biến áp hình xuyến

Về đặc điểm điện – từ thì máy biến áp hình xuyến là một máy điện, vì thế giá trị về công suất P W

 

 

 

2.2 Quy trình thiết kế một biến áp vòng xuyến

2.2.1 Tổng quan về quá trình thiết kế máy biến áp vòng xuyến

Máy biến áp là thiết bị điện vì thế quá trình thiết kế của máy bắt đầu từ công suất định mức mà máy làm việc, các giá trị điện áp vào và ra Trên cơ s ở của các thông số trên sẽ giúp xác định các thông số hình học của máy, s ố vòng dây cũng như tiết diện của dây quấn trên các cuộn sơ cấp, thứ cấp Sau khi có được các thông số hình học sẽ là quá trình quấn dây vào vòng xuyến do máy quấn dây đảm nhiệm Các giai đoạn về quá trình thiết kế máy biến áp vòng xuyến được trình bày

trên hình 2.2

- CÁCH ĐỊÊN LÕI FERRIT

- QUẤN DÂY SƠ CẤP

- QUẤN DÂY THỨ CẤP

Hình 2.2 Tổng quan về thiết kế máy biến áp vòng xuyến 2.2.2 Tính toán các thông số hình học cho máy biến áp vòng xuyến

a Xác định tổng thể công suất lõi máy biến áp

Tổng thể công suất lõi của máy biến áp P W

 

Trong đó: OD – kích thước ngoài lõi biến áp vòng xuyến, mm

ID – kích thước trong lõi biến áp vòng xuyến, mm

Ht – chiều cao lõi biến áp vòng xuyến

Đối với mỗi loại máy quấn dây của máy biến áp vòng xuyến thì tùy thuộc vào thiết kế cơ khí của máy mà các giá trị P W

 

2000

P= W Đây là các máy biến áp cỡ trung bình và thường được sử dụng trong các máy ổn áp cỡ nhỏ, các ampli…Từ giá trị ban đầu của công su ất và công th ức (1), (2) ta có thể xác định tổng quát về kích thước hình học của lõi biến áp vòng xuyến như trong bảng 2.1 Các giá trị trong bảng 2.1 chính là căn cứ để thiết kế lên khung cơ khí của máy quấn dây trong phần 3 của đồ án này

Bảng 2.1 Thông số điện và hình học của máy biến áp đang thiết kế

2 Điện áp đầu vào U IN

 

3 Điện áp đầu ra U OUT

 

P I U

Trong đó: I A i[ ] và U i[V] là cường độ dòng điện và điện áp của các cuộn dây với: i =1 - dùng cho cuộn sơ cấp; i =2 - dùng cho cuộn thứ cấp;

Tiết diện dây quấn trên cuộn sơ cấp và thứ cấp được xác định bởi (4)

0.7 i i

I d



Trong đó: I A i[ ] là cường độ dòng điện của các cuộn dây được xác định bởi (3) với i =1 - dùng cho cuộn sơ cấp i =2 - dùng cho cuộn thứ cấp;

d Xác định số volt trên một vòng dây

Đây là thông số quan trọng có đơn vị là V

turn đặc trưng cho giá tr ị điện áp trên một vòng dây của máy biến áp và được xác định bởi (5)

20

unit

K U

e Xác định số vòng dây trên các cuộn dây máy biến áp

Số vòng dây trên các cuộn dây được xác định dựa trên công thức (6)

i i unit

U T U

Trong đó: + U i[V] là và điện áp của các cuộn dây với: i =1 - dùng cho cuộn sơ cấp; i =2 - dùng cho cuộn thứ cấp;

+ U unit - số volt trên một vòng dây (5)

Sau khi đã xác định để lựa chọn các loại dây quấn cũng như số vòng dây cho các cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp ta có thể xác định được kích thước thực tế của máy biến áp sau khi quấn dây Ngoài ra, các thông số về kích thước của máy sau khi đã quấn dây còn có thể được tính nhờ phần mềm [11] dựa trên các d ữ kiện đã được xác định qua các công thức từ (1) đến (6) Đây là kích thước cuối

cùng thu được của biến áp với các kích thước cực đại đã cho trong bảng 1 (Hình

2.3.1 Phương án 1

Đây là phương án mà máy có vòng chứa dây đồng nằm bên trong của vòng

quấn dây (Hình 2.4) Phương án này được sử dụng cho các máy quấn dây biến áp

có công suất nhỏ hoặc các cuộn dây cảm kháng với số lượng dây qu ấn ít và được

áp dụng cho các cơ sở sản xuất nhỏ hoặc các cá nhân có mục đích tự chế ra các máy biến áp cho quá trình nghiên cứu, thử nghiệm các sản phẩm có liên quan đ ến

biến áp vòng xuyến Nguyên tắc hoạt động chính của phương án này d ựa trên sự

quay của động cơ DC 2 sẽ làm dây đai 3 quay, d ẫn đến vòng dẫn động chính 4 quay theo dựa trên sự ma sát của vòng với dây đai Vòng dẫn động chính 4 mang theo cuộn chứa dây đồng 5 quay quanh cuộn biến áp vòng xuyến 8 và lần lượt nhả

dây lên biến áp vòng xuyến [10] Trên cuộn chứa dây đồng 5 có gắn một lò xo để

tạo lực căng cho dây (Hình 2.5)

Hình 2.4 Phương án 1 của máy quấn dây đồng

Hình 2.5 Cơ cấu dùng lò xo tạo lực căng dây cho vòng chứa dây đồng

2.3.2 Phương án 2

Vòng quấn và rải dây được dùng chung Khi đó dây đồng được quấn thẳng vào trong vòng dẫn động chính 3 và bị dây đai 2 đè lên Động cơ DC 1 quay dẫn theo các ròng rọc quay bởi dây đai 2, lúc này dây đồng quấn quanh cuộn biến áp 6 được căng dây bởi trục chống tâm 4 Động cơ bước 5 hoạt động làm 3 trục quay

quanh cuộn biến áp 6 (Hình 2.6)

Hình 2.6 Phương án 2 của máy quấn dây đồng 2.3.3 Phương án 3

Phương án 3 tách biệt quá trình dẫn động chính của máy, nạp dây và xả dây

để quấn các dây đồng vào lõi biến áp vòng xuyến Máy quấn dây theo p hương án này gồm hai vòng, một vòng truyền động, một vòng rải dây Khi nạp dây thì bánh răng liên kết với vòng nạp, khi quấn chỉ bánh răng quay vòng nạp được tháo khớp liên kết nó tự quay theo bánh răng nhờ dây đồng được gài vào tấm đỡ dây và con lăn Động cơ DDC quay khiến các ròng rọc quay bởi dây đai, lúc này ta cấp dây đồng vào vòng dây đồng Sau đó bắt đầu quấn dây bằng việc nhập thông số tại bảng điều khiển, động cơ DDC quay khiến vòng quấn dây quanh quanh vòng biến

áp, trên vòng quấn dây có cảm biến sẽ tự động đếm vòng để động cơ bước có cơ sở

quay dẫn theo con lăn quay vòng biến áp theo từng lớp dây đồng (Hình 2.7) Các

máy quấn dây đồng của Trung Quốc và Đức hiện đang hoạt động chủ yếu dựa trên phương án này [11] Dựa trên các phương án đã tổng hợp Bảng 2.2 trình bày khái quát các ưu điểm và nhược điểm đối với từng phương án

a) b) Hình 2.7 Phương án 3 của máy quấn dây đồng

a của Trung Quốc, b của Đức

Bảng 2.2 Ưu điểm và nhược điểm của các phương án

Phương

án 1

+ Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ

+ Các thông số được nhập tự động

- Cuộn biến áp vòng xuyến phải đủ to

để cuộn dây đồng có thế chui lọt

- Khoảng cách giữa các vòng quấn không đồng đều

- Không thể canh chỉnh độ đồng tâm của loại biến áp cần quấn

- Chưa đáp ứng yêu cầu đảm bảo độ căng dây

- Cần sử dụng thủ công để căng dây giai đoạn đầu

- Ít có tính thẩm mỹ

Phương

án 3

+ Kết cấu đơn giản, gọn nhẹ

+ Có giao diện và kết cấu thuận

tiện cho người dùng

+ Tương đối dễ dàng trong quá

trình chế tạo

+ Dễ điều khiển, linh động

+ Dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng

- Vẫn còn là bán tự động

- Không có hệ thống ngắt tự động khi gặp sự cố

- Cần sử dụng thủ công để căng dây giai đoạn đầu

2.3.4 Lựa chọn phương án thiết kế

Căn cứ vào ưu điểm, nhược điểm của ba phương án trên (Bảng 2.2), nhóm thiết kế quyết định chọn phương án 3 vì các lý do sau đây : phương án 3 giúp quá

trình vận hành dễ dàng với việc tách riêng cơ cấu truyền động với vòng nạp và r ải dây, tránh hiện tượng đứt dây khi thao tác; trên máy có sử dụng thêm cơ cấu hãm chuyển động của vòng nạp và rải dây nhằm đảm bảo độ căng dây khi quấn; có thể quấn được nhiều loại dây với tiết diện khác nhau; số lượng cuộn dây quấn nhiều do vòng nạp dây có tiết diện chứa được nhiều dây quấn Thông số thiết kế sơ bộ của máy được trình bày trong bảng 3

Bảng 2.3 Thông số thiết kế sơ bộ của máy quấn dây biến áp vòng xuyến

Hệ thống dẫn động điều khiển + Dẫn động chính sử

dụng động cơ DC 150W + Động cơ bước sử dụng

để quay biến áp vòng xuyến

Tiết diện dây,

CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG CHO MÁY BIẾN ÁP VÒNG XUYẾN

3.1 Xây dựng mô hình 3D của máy

Phần mềm Solid Works được sử dụng trong quá trình thiết kế mô hình 3D của máy quấn dây biến áp vòng xuyến

Mô hình tổng thể của máy

Về tổng quát, máy quấn dây biến áp vòng xuyến được chia ra làm 4 cụm chi tiết chính: cơ cấu truyền động chính của máy; cơ cấu chứa dây; cơ cấu hãm chuyển

động của vòng chứa dây và cơ cấu truyền động phụ của máy (Hình 3.1)

Hình 3.1 Mô hình tổng thể của máy 3.1.1 Mô hình cơ cấu truyền động chính của máy

Cơ cấu truyền động chính của máy (Hình 3.3) được đặt sát với thân máy và được truyền động nhờ hệ thống dây đai và các bạc dẫn hướng (Hình 3.2) Trên

vòng chuyển động chính được bố trí khóa gài nhằm giúp người sử dụng đặt lõi của biến áp vòng xuyến khi thao tác

Hình 3.2 Mô hình vòng tròn truyền chuyển động chính

Hình 3.3 Khóa gài trên vòng tròn truyền chuyển động chính

3.1.2 Mô hình cơ cấu chứa dây

Cơ cấu chứa dây được kết nối với các bạc dẫn hướng trên thân máy (Hình

3.2) và được đặt liền kề với vòng tròn truyền chuyển động chính của máy Khi máy

hoạt động ở chế độ nạp dây, cơ cấu hãm chuyển động của vòng ch ứa dây (Hình

3.5) được tách rời với vòng chứa dây Vòng chứa dây khi đó liên kết với vòng tròn

truyền chuyển động chính qua ốc M5 (Hình 3.4b) và có vận tốc chuyển động cùng

vận tốc chuyển động của vòng tròn truyền chuyển động chính

a)

b)

Hình 3.4 Mô hình vòng tròn chứa dây đồng

a vòng tròn chứa dây và khóa gài; b liên kết giữa vòng tròn chứa dây đồng và

vòng tròn truyền chuyển động chính

3.1.3 Mô hình hãm chuyển động của vòng chứa dây

Cơ cấu hãm chuyển động của vòng chứa dây (Hình 3.5a) có tác dụng giữ

vòng chứa dây không chuyển động khi máy hoạt động ở chế độ quấn dây và t ạo lực căng dây khi quấn dây đồng vào lõi của biến áp vòng xuyến Cơ cấu hãm chuyển động của vòng chứa dây liên kết với vòng chứa dây và thân máy như trên

hình 3.5b, c