Khảo sát truyền động điện động cơ điện một chiều cơ cấu nâng cẩu trục

Khảo sát truyền động điện động cơ điện một chiều cơ cấu nâng cẩu trục

LỜI NÓI ĐẦU

Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền động điện góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Vì vậy các hệ truyền động điện luôn luôn được quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lượng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức

độ tự động hóa cao

Ngày nay, do ứng dụng tiến bộ kỹ thuật điện tử tin học, các hệ truyền động điện được phát triển và có thay đổi đáng kể Đặc biệt do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện, nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thước và hạ giá thành

Ở nước ta hiện nay, do yêu cầu công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh

tế nên ngày càng xuất hiện nhiều những dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với những hệ truyền động điện hiện đại; có nhiều dây chuyền phải nhập ngoại Do trình độ kỹ thuật còn kém cho nên khi một số thiết bị có vấn đề

sự cố thì chúng ta phải nhờ đến các chuyên gia nước ngoài Để giải quyết vấn đề này thì chúng ta cần phải nâng cao trình độ khoa học kỹ thuật để từng bước hội nhập cùng với sự phát triển chung của khoa học kỹ thuật trên thế giới

Trong quá trình nghiên cứu không thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong quý thầy cô chỉ bảo để em được hiểu thêm, có kiến thức nhất định để phục vụ cho chuyên nghành của mình sau này

Em xin chân thành cảm ơn sự tận tình giúp đỡ của thầy Đỗ Chí Thành và

các thầy cô trong khoa Điện đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho

em hoàn thành đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh viên

Bùi Thị Mai Anh

ĐỒ ÁN HỌC PHẦN 3 Học phần: Truyền động điện

Sinh viên thực hiện: Bùi Thị Mai Anh

Lớp:CNKTĐ1C

Nội dung:

Khảo sát truyền động điện động cơ điện một chiều cơ cấu nâng cẩu trục (Mô tả như hình vẽ)

Số liệu cho trước:

- Đường kính tang trống:

0,4 m

- Tỷ số truyền của hộp số:

i=70/1

- Hiệu suất của bộ truyền

và tang trống:

87 , 0

;

8

,



G V

Mt, t

i, i

M

- Cơ cấu nâng được truyền động bởi động cơ một chiều kích từ độc lập có các thông số: Pđm =12 kW; Uđm =220 V; nđm =1050 v/p

- Điện áp kích từ Ukt = 220 V và được giữ không đổi

- Giả thiết bỏ qua tổn thất về mô men trong động cơ điện (Mđt = Mcơ = M)

- Hệ thống cần hệ số quá tải về mô men KM = 1,3

Yêu cầu:

1 Tính toán các thông số và vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên n(Iư), đặc tính cơ

tự nhiên n(M),tính độ cứng đặc tính cơ.Xác định điểm làm việc định mức trên các đặc tính tương ứng

2 Xác định mô men cản đặt về trục động cơ ứng với trường hợp nâng tải trọng G=2,5 tấn

3 Xác định tải trọng G ứng với điểm làm việc định mức trên đường đặc tính cơ tự nhiên của động cơ(Gđm);xác định giá trị G mà động cơ có

4 Khi khởi động,để tránh sụt áp lưới điện và hạn chế dòng điện khởi

động,người ta đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng.Hãy tính giá trị điện trở phụ này theo

yêu cầu Inm=2,5Iđm Vẽ mạch phần ứng lúc này.Xác định Mô men khởi động tương ứng

5 Vẫn tải G = 2,5 T, hãy xác định tốc độ làm việc ổn định của động cơ khi vẫn chưa cắt điện trở phụ ra khỏi mạch phần ứng.Biểu diễn điểm làm việc này trên đồ thị đặc tính cơ

6 Tính giá trị điện trở phụ đưa vào mạch phần ứng để động cơ có thể tạm treo trọng tải G=2,5 tấn trên không

7 Tính điện trở phụ mạch phần ứng để hạ tải trọng G=2,5T trong tình trạng hãm ngược không đảo cực tính điện áp cung cấp với tốc độ động

cơ bằng ½ giá trị tốc độ định mức.Tính dòng điện hãm lúc này.Vẽ đặc tính cơ điện,đặc tính cơ tương ứng

8 Xác định vận tốc nâng tải trọng v[ m/s] ứng với tải G=2,5T khi động cơ làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên và trên đặc tính biến trở với điện trở phụ mạch phần ứng Rf=5Rư

9 Với tải trọng định mức như đã tính được mục 3,người ta muốn hạ tải bằng phương pháp hãm tái sinh,hãy tính tốc độ ổn định khi hãm(bỏ qua giai đoạn hãm ngược khi đảo cực tính điện áp nguồn cung cấp).Vẽ đoạn đặc tính khi hãm tái sinh.Phân tích bản chất của quá trinh năng lượng của phương pháp hãm tái sinh đối với dạng tải truyền động này

10 Từ điểm làm việc khi nâng tải định mức(Gđm),người ta thực hiện hạ tải bằng phương pháp hãm động năng theo 2 phương thức:kích từ độc lập hoặc tự kích từ và lần lượt với yêu cầu dòng điện hãm ban đầu:Ihbđ=2Iđm Hãy tính Mô men hãm,điện trở hãm tương ứng;xác định tốc độ hạ tải trọng ổn định,dòng điện hãm ứng với tốc độ đó.Vẽ các sơ đồ đấu dây động cơ và mạch kích từ cho từng phương pháp hãm động năng đối với dạng tải truyền động này

11 Từ điểm làm việc khi nâng tải trọng G=2,5T trên đặc tính biến trở với điện trở mạch phần ứng Rf=5.Rư,người ta giữ nguyên điện trở phụ và đảo chiều cực tính nguồn phần ứng.Các trạng thái làm việc tiếp theo của truyền động điện là gì? Tính giá trị dòng điện,Mô men tại các điểm bắt đầu chuyển trạng thái và điểm làm việc ổn định cuối cùng

12 Khi cần cải thiện điều kiện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ của

hệ thống truyền động điện,người ta sử dụng bộ biến đổi điện áp phần ứng(giả thiết điện trở trong của bộ biến đổi Rb xấp xỉ bằng Rư),nếu hệ số truyền động có hệ số quá tải về Mô men KM=1,3 và tải trọng G=2,5T thi điện áp đặt vào phần ứng thấp nhất cho phép sẽ là bao nhiêu V?Tính toán và vẽ các đường đặc tính cơ ứng với 3 cấp điện áp cách đều để mô

tả quá trình tăng tốc độ đến điểm làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên

13 Khi nâng tải trọng G=1,5T,người ta giảm từ thông động cơ với hệ số suy giảm x=  đm/ =1,2(giữ Uư=Uđm) để tăng tốc độ truyền động.Hãy tính tốc độ động cơ khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men của hệ thống(KM≥1,3).Vẽ đồ thị đặc tính cơ và đưa ra nhận xét

14 Cũng với tải trọng G=1,5T người ta muốn giảm từ thông động cơ để nâng tải với tốc độ bằng 1,5 lần tốc độ khi từ thông là định mức,hãy tính

hệ số suy giảm từ thông khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men

Phần 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1) Cấu trúc chung của hệ truyền động điện

Truyền động điện là một tổ hợp máy để biến đổi điện năng thành cơ năng Cùng với máy sản xuất truyền động điện sẽ tạo nên một thiết bị phức tạp hơn –

tổ hợp máy sản xuất đã được điện khí hóa

Hình 1-1 Mô tả cấu trúc chung của hệ TĐĐ

BBĐ - Bộ biến đổi K - Đóng cắt truyền động

ĐC - Động cơ R- Bộ điều chỉnh MSX - Máy sản xuất VH - Người vận hành

RT - Bộ điều chỉnh công nghệ GN - Mạch ghép nối

KT - Đóng cắt công nghệ

Cấu trúc chung của hệ TĐĐ bao gồm hai bộ phận chính sau :

- Phần lực là bộ biến đổi và động cơ truyền động Bộ biến đổi thường là

máy phát, chỉnh lưu có điều khiển và không có điều khiển, khuếch đại từ, biến tần số… Động cơ điện gồm động cơ điện một chiều ( kích từ độc lập, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp) Động cơ điện xoay chiều (đồng bộ và không đồng bộ) và các loại động cơ điện đặc biệt khác

K

R T

K T

R

- Phần điều khiển gồm các cơ cấu đo lường, các bộ điều chỉnh tham số công

nghệ, ngoài ra còn có các thiết bị điều khiển, đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành

2) Phân loại hệ truyền động điện

Trong thực tế sản xuất không phải hệ truyền động nào cũng có đầy đủ cấu trúc như vậy, vì vậy có thể phân loại truyền động điện như sau :

- Truyền động điện không điều chỉnh : thường gồm một động cơ điện đấu

trực tiếp với lưới điện, quay máy sản xuất với tốc độ không đổi (bơm nước, bơm dầu khí, máy ép khí, quạt thông gió…)

- Truyền động điện có điều chỉnh : trong loại này, tùy thuộc vào yêu cầu

công nghệ mà có TĐĐ điều chỉnh tốc độ, TĐĐ điều chỉnh mômen, TĐĐ điều chỉnh lực kéo và TĐĐ điều chỉnh vị trí

Trong cấu trúc hệ truyền động có điều chỉnh có thể là TĐĐ một động cơ hoặc TĐĐ nhiều động cơ

Ngoài ra tùy thuộc vào cấu trúc hệ điều chỉnh còn có thể phân loại : hệ TĐĐ điều khiển số,điều khiển tương tự hoặc điều khiển theo chương trình

Phần 2 TÍNH TOÁN CÁC ĐẠI LƢỢNG CƠ BẢN

2.1 Tính toán các thông số và vẽ đặc tính cơ điện tự nhiên n(I ư ), đặc tính cơ

tự nhiên n(M),tính độ cứng đặc tính cơ.Xác định điểm làm việc định mức trên các đặc tính tương ứng

Ta có phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập là:

đm

u u đm

đm

K

R I K

U







.

.

phương trình đặc tính cơ tự nhiên của động cơ điện một chiều kích từ độc lập là:

2

) (

.

u đm

đm

K

R M K

U





Xác định Kđm

Ta có phương trình:

Mđm = Iđm Kđm

=> Kđm=

đm

đm I M

Trong đó:

85 , 0 220

10 12

10





đm đm

đm

U

P

+ Mđm = Mcơ = 109 , 09

110

10

12 3





đm

đm

P

60

1050 14 , 3 2 60

.

 đm đm

n



Vậy Kđm= 1 , 699

2 , 64

09 , 109



* Dựng đặc tính cơ điện tự nhiên:

Ta có phương trình đặc tính cơ điện tự nhiên của động cơ là:

7 , 1

7 , 1

u

R I





+ Điểm thứ nhất có tọa độ: (I u  0 ;0)

4 , 129 7 , 1

220

0  

+ Điểm thứ hai có tọa độ: (I u I đm;đm) = (64,2 ; 110)

* Dựng đặc tính cơ tự nhiên:

Ta có phương trình đặc tính cơ tự nhiên của động cơ là:

2

7 , 1

7 , 1

M





+ Điểm thứ nhất có tọa độ: (M  0 ;0)

4 , 129 7 , 1

220

0  

+ Điểm thứ hai có tọa độ: (M M đm;đm) = (109,09 ; 110)

* Độ cứng của đặc tính cơ:

5 , 10 275 , 0

7 , 1 )



u

đm R

K

 Trong đó điện trở phần ứng được xác định theo công thức gần đúng:











2 , 64

220 ).

85 , 0 1 (

5 , 0 ).

1 (

5 , 0

đm

đm đm u

I

U

2.2 Xác định mô men cản đặt về trục động cơ ứng với trường hợp nâng tải trọng G=2,5 tấn

Xác định mô men cản đặt vào trục động cơ ứng với trường hợp nâng trọng tải

G = 2,5 tấn

Tao có mô men cản trên tang là:

Mc = G.g

2

D

Với: D = 0,4 m – đường kính tang

G = 2,5 tấn = 2500 kg – trọng tải cần nâng

g = 10 m/s2 - gia tốc trọng trường

Vậy: Mc = G.g D= 2500.10.0 , 4

= 5000 N.m

Mô men cản quy đổi về trục động cơ là:

696 , 0 70

1

5000



Với:   i t  0 , 8 0 , 87  0 , 696

2.3 Xác định tải trọng G ứng với điểm làm việc định mức trên đường đặc tính

cơ tự nhiên của động cơ(G đm );xác định giá trị G max mà động cơ có thể nâng được trong điều kiện I=2I đm (không tính đến sự thay đổi hiệu suất của động

cơ và các khâu khác theo tải trọng),thể hiện các điểm làm việc trên đồ th ị đặc tính cơ

Xác định tải trọng G ứng với điểm làm việc định mức trên đường đặc tính cơ tự nhiên của động cơ:

Ta có điểm làm việc định mức trên đặc tính cơ là B(đm; Mđm)  ( 110 ; 109 , 09 )

Theo định luật bảo toàn công suất thì:

i t

c c đm

đm

w M w

M





.

Mc  i t i Mđm  0 , 8 0 , 87 70 109 , 09  5314 , 86 (N.m)

Ta có công thức :

2 g D G

Mc 

KL tải trọng Gđm:

4 , 0 10

86 , 5314

2

.



D g

M

Với g= 10 (m/s2) : gia tốc trọng trường

D= 0,4 (m) : đường kính tang

* Xác định giá trị Gmax mà động cơ có thể nâng được trong điều kiện I=2.Iđm: Với điều kiện I=2.Iđm

Ta có : M=K.Ф.Iư

Mmax=Mđm.2.Km=2.1,3.Mđm=2.1,3.109,09=283,6 (N.m)

Tốc độ động cơ:

6 , 84 3

, 1

110 3

, 1

6 , 2

2









đm

M

P M

P

Ta có đồ thị đặc tính cơ:

2.4 Khi khởi động,để tránh sụt áp lưới điện và hạn chế dòng điện khởi động,người ta đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng.Hãy tính giá trị điện trở phụ này theo yêu cầu I nm =2,5I đm

Ta có:

Dòng điện định mức Iđm=64,2 (A)

Áp dụng khởi động động cơ dùng điện trở phụ Rf

Với động cơ công suất trung bình và lớn:

Inm=(2025)Iđm Chọn Inm= 20Iđm

2 , 64 20

220



đm

đm u

I

U

Để giảm dòng khởi động : Ikđ=(22,5)Iđm

Chọn Ikđ=2,5.Iđm ta sử dụng khởi động dùng điện trở phụ

 1 , 371

2 , 64 5 , 2

220

5 ,





đm

đm f

u

I

U R

Rf=1,371 – 0,17 = 1,2 (Ω)

Mô men khởi động tương ứng:

Mkđ= K.Ф.Inm=2,5 K.Ф.Inm=2,5.Mđm=2,5.109,09=272,73 (N.m)

2.5 Vẫn tải G = 2,5 T, hãy xác định tốc độ làm việc ổn định của động cơ khi vẫn chưa cắt điện trở phụ ra khỏi mạch phần ứng.Biểu diễn điểm làm việc này trên đồ thị đặc tính cơ

Ta có : phương trình đặc tính cơ khi có Rf:

66 , 77 09 , 109 7 , 1

371 , 1 7 , 1

220 )

(

) (

.



đm

f u đm đm

đm f

K

R R M K

U





Biểu diễn điểm làm việc trên đặc tính cơ:

2.6 Tính giá trị điện trở phụ đưa vào mạch phần ứng để động cơ có thể tạm treo trọng tải G=2,5 tấn trên không

Để cho động cơ có thể treo G=2,5 T trên không =>w=0 và M=Mđm







.

) (

) (

2

K

U M

K

R R

đm f u



09 , 109

7 , 1 220 )

.(

)

đm f

u

M

K U R

(Ω)

Rf=2,6 – Rư = 3,43 – 0,17 = 3,26 (Ω)

2.7 Tính điện trở phụ mạch phần ứng để hạ tải trọng G=2,5T trong tình trạng hãm ngược không đảo cực tính điện áp cung cấp với tốc độ động cơ bằng ½ giá trị tốc độ định mức.Tính dòng điện hãm lúc này.Vẽ đặc tính cơ điện,đặc tính cơ tương ứng

Với tải G = 2,5 T , Mh = Mđm

7 , 1

09 , 109 K.

M

đm











.

) (

.

R R I K

h h



2 , 64

7 , 1 110 5 , 0 220

.

















h

h f

u

I

K U

R

Vậy Rf = 4,9 – 0,17 = 4,73 

2.9.Với tải trọng định mức như đã tính được mục 3,người ta muốn hạ tải bằng phương pháp hãm tái sinh,hãy tính tốc độ ổn định khi hãm(bỏ qua giai đoạn hãm ngược khi đảo cực tính điện áp nguồn cung cấp).Vẽ đoạn đặc tính khi hãm tái sinh.Phân tích bản chất của quá trinh năng lượng của phương pháp hãm tái sinh đối với dạng tải truyền động này

Khi hãm tái sinh ω>ω0:

Điểm A động cơ làm việc chế độ định mức ωA= ω0-∆ ω

Điểm B động cơ hãm tái sỉnh với tốc độ ổn định ωB= ω0+∆ω

7 , 1

17 , 0 2 , 64

.













k

R

Iđm u

(rad/s)

Với ωB= ω0+∆ω= 110+6,42=116,42 (rad/s)

Quá trình hãm tái sinh: tải có tác dụng làm cho động cơ quay nên tốc độ đông cơ lớn hơn tốc độ không tải ω0

Động cơ điện trở thành máy phát điện nối song song mạng điện biến cơ năng thành điện năng

2.10 Từ điểm làm việc khi nâng tải định mức(G đm ),người ta thực hiện hạ tải bằng phương pháp hãm động năng theo 2 phương thức:kích từ độc lập hoặc

tự kích từ và lần lượt với yêu cầu dòng điện hãm ban đầu:I hbđ =2I đm Hãy tính

Mô men hãm,điện trở hãm tương ứng;xác định tốc độ hạ tải trọng ổn

định,dòng điện hãm ứng với tốc độ đó.Vẽ các sơ đồ đấu dây động cơ và mạch kích từ cho từng phương pháp hãm động năng đối với dạng tải truyền động này

* Phương pháp hãm động năng kích từ độc lập

1 Sơ đồ đấu dây

Phương trình đặc tính cơ điện:

u h u

I k

R R

.

) (



h u u

R R

k I





 (  

Với dòng điện hãm ban đầu Ihbđ=2.Iđm

2 , 64 2

7 , 1 110

.









hbđ

đm h

u

I

k R

Mô men hãm:

Mh=k. Ih= 1,7.2.64,2=218,28 (N.m)

*Phương pháp hãm tự kích từ

Ta có:

u h u

I k

R R

.

) (



9 , 2 2 , 64

7 , 1 110

.









hbđ

đm tđ

u

I

k R

Suy ra Rtđ 2,9 ;Rư=2,9-0,17=2,73

vậy động cơ như một máy phát điện và năng lượng điện do nó sinh ra được tiêu tán trên điện trở hãm dưới dạng nhiệt

Ưu điểm của phương pháp hãm động năng:hãm dừng nhanh chính xác

Nhược điểm:Khi cắt điện nguồn trong động cơ vẫn còn điện gây nguy hiểm cho người vận hành

2.11.Từ điểm làm việc khi nâng tải trọng G=2,5T trên đặc tính biến trở với điện trở mạch phần ứng R f =5.R ư ,người ta giữ nguyên điện trở phụ và đảo chiều cực tính nguồn phần ứng.Các trạng thái làm việc tiếp theo của truyền động điện là gì? Tính giá trị dòng điện,Mô men tại các điểm bắt đầu chuyển trạng thái và điểm làm việc ổn định cuối cùng

2.12Khi cần cải thiện điều kiện khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ của hệ thống truyền động điện,người ta sử dụng bộ biến đổi điện áp phần ứng(giả thiết điện trở trong của bộ biến đổi R b xấp xỉ bằng R ư ),nếu hệ số truyền động

có hệ số quá tải về Mô men K M =1,3 và tải trọng G=2,5T thi điện áp đặt vào phần ứng thấp nhất cho phép sẽ là bao nhiêu V?Tính toán và vẽ các đường đặc tính cơ ứng với 3 cấp điện áp cách đều để mô tả quá trình tăng tốc độ đến điểm làm việc trên đặc tính cơ tự nhiên

2.13Khi nâng tải trọng G=1,5T,người ta giảm từ thông động cơ với hệ số suy giảm x= đm / =1,2(giữ U ư =U đm ) để tăng tốc độ truyền động.Hãy tính tốc độ động cơ khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men của hệ

thống(K M ≥1,3).Vẽ đồ thị đặc tính cơ và đưa ra nhận xét

2.14Cũng với tải trọng G=1,5T người ta muốn giảm từ thông động cơ để nâng tải với tốc độ bằng 1,5 lần tốc độ khi từ thông là định mức,hãy tính hệ số suy giảm từ thông khi đó và kiểm tra điều kiện quá tải về mô men