thiết kế hệ truyền động cho thang máy

Sau đó bàn máy đảo chiều sang hành trình ngược đến tốc độ vng, thực hiện ành trình không tải đưa bàn máy về vị trí ban đầu.. Gần hết hành trình ngược bàn máy giảm tốc độ sơ bộ đến vo, đả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Mạnh Tiến

Hà Nội - 2016

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

Chương 1: Đặc điểm công nghệ và truyền động máy bào giường 3

1.1.Đặc điểm công nghệ 3

1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động điện và trang bị điện máy bào giường 6

1.2.1 Truyền động chính 6

1.2.2 Truyền động ăn dao 6

1.2.3 Truyền động phụ 7

Chương 2 Tính chọn công suất động cơ và lựa chọn, tính toán mạch lực 8

2.1 Tập hợp các số liệu ban đầu 8

2.2 Tính chọn công suất động cơ 8

2.3.Lựa chọn, tính toán mạch lực 9

2.3.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập 9

2.3.2.Lựa chọn phương pháp đảo chiều động cơ 11

2.4.Tính toán thiết bị mạch động lực 18

2.4.1.Tính chọn van động lực 18

2.4.2 Tính chọn máy biến áp 19

2.4.3 Tính toán góc mở α 21

2.4.4 Tính toán cuộn kháng lọc dòng điện 22

2.4.5 Tính chọn thiết bị bảo vệ 23

Chương 3 Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển và tổng hợp tham số mạch điều chỉnh 25 3.1 Xây đựng cấu trúc hệ thống điều khiển 25

3.2.Tổng hợp mạch vòng dòng điện 25

3.3 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 27

3.4 Mô phỏng bộ điều khiển bằng Matlab- Simulink 28

Tài liệu tham khảo 31

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với quá trình công nghiệp hóa đất nước, yêu cầu tự động hóa trong máy sản xuất ngày càng cao, điều khiển linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ và hiệu xuất sản xuất cao Mặt khác, với công nghệ thông tin và công nghệ điện tử phát triển ngày càng cao và nhu cầu con người ngày càng đòi hỏi những sản phẩm sản xuất ra độ chính xác và độ thẩm mỹ cao

Trong thời đại hiện nay các phân xưởng, nhà máy, xí nghiệp cắt gọt kim loại luôn đòi hỏi những máy cắt gọt kim loại hiện đại như có khả năng tự động hóa cao,

độ chính xác tuyệt đối Có khả năng điều chỉnh tốc độ trơn, rộng và bằng phẳng, kết cấu gọn nhẹ, hiệu suất cao và chi phí vận hành ít nhất nhưng đảm bảo kinh tế

Trong đồ án chuyên ngành này, em được giao làm đề tài “ thiết kế hệ truyền

động một chiều cho máy bào giường ” Đồ án của em gồm 3 chương như sau:

Chương 1 Đặc điểm công nghệ và truyền động máy bào giường

Chương 2.Tính chọn công suất động cơ và lựa chọn, tính toán mạch lực Chương 3.Xây dựng cấu trúc điều khiển và lựa chọn tham số điều chỉnh Được sự hướng dẫn tận tình và cung cấp những tài liệu cần thiết của thầy giáo TS Nguyễn Mạnh Tiến đã giúp em hoàn thành đồ án này Do kiến thức rộng

và thực tế còn hạn chế nên bản đồ án của em không tránh khỏi những thiếu xót Em mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô để bản đồ án của em hoàn thiện hơn

Em xin cảm ơn sự giúp đỡ của thầy TS Nguyễn Mạnh Tiến đã giúp em hoàn thành đồ án này!

Hà Nội, ngày 5 tháng 05 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Vũ Ngọc Cẩm

Chương 1: Đặc điểm công nghệ và truyền động máy bào

giường

1.1.Đặc điểm công nghệ

Máy bào giường là máy có thể gia công các chi tiết lớn, chiều dài bàn máy có thể từ 1,5 đến 12m Tùy thuộc vào chiều dài bàn máy và lực kéo có thể phân máy bào giường thành ba loại:

ăn dao Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà, bàn dao, nâng đầu dao trong hành trình không tải

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ của máy bào giường Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và được tăng tốc đến tốc độ

vo = 5 ÷ 15m/ph ( tốc độ vào dao) trong khoảng thời gian t1 Sau khi chạy ổn định với tốc độ vo trong khoảng thời gian t2 thì dao cắt vào chi tiết Bàn máy tiếp tục chạy với tốc độ ổn định vo cho đến hết thời gian t3 thì lại tăng tốc đến tốc độ vth Trong thời gian t5 bàn máy chuyển động với tốc độ vth và thực hiện gia công chi tiết Gần hết hành trình thuận, bàn máy sơ bộ giảm tốc độ đến vo, dao được ra khỏi chi tiết khi tốc độ bàn là vo Sau đó bàn máy đảo chiều sang hành trình ngược đến tốc

độ vng, thực hiện ành trình không tải đưa bàn máy về vị trí ban đầu Gần hết hành trình ngược bàn máy giảm tốc độ sơ bộ đến vo, đảo chiều sang hành trình thuận thực hiện một chu kỳ khác

Trong đó:

TCK - thời gian của một chu kỳ làm việc của bàn máy, [s]

tth - thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận, [s]

tng - thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngược, [s]

th – tỉ số giữa tốc độ hành trình ngược và hành trình thuận;

tdc – thời gian đảo chiều bàn máy;

Khi tăng k >3 thì năng suất máy tăng không đáng kể vì lúc đố thời gian đảo chiều tdc lại tăng Nếu chiều dài bàn Lb >3m thì tdc ít ảnh hưởng đến năng suất mà chủ yếu là k Khi Lb bé, nhất là khi tốc độ thuận lớn Vth = (75 ÷ 120)m/ph thì tdc ảnh hưởng nhiều đến năng suất Vì vậy một trong các điều cần chú ý khi thiết kế truyền động chính máy bào giường là phấn đấu giảm tdc

Một trong các biện pháp để đạt mục đích đó là xác định tỷ số truyền tối ưu của cơ cấu truyền động từ động cơ đến trục làm việc, đảm bảo máy khởi động với gia tốc cao nhất

Xuất phát từ phương trình chuyển động trên trục làm việc:

Nếu coi Mc = 0 thì ta có it.ư = √

Việc lựa chọn tỷ số truyền tới ưu ở máy bào giường là khá quan trọng Thời gian quá trình quá độ phụ thuộc vào momen quán tính của máy

1.2 Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động điện và trang bị điện máy bào giường

1.2.1 Truyền động chính

Phạm vi điều chỉnh tốc độ là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất của bàn máy (tốc độ lớn nhất trong hành trình ngược) và tốc độ nhỏ nhất của bàn máy (tốc độ thấp nhất trong hành trình thuận)

D = Vmax

Vmin =

Vng.max

Vth.min Trong đó:

Vng.max – tốc độ lớn nhất của bàn máy ở hành trình ngược, thường

1.2.2 Truyền động ăn dao

Làm việc có tính chất chu kì, trong mỗi hành trình kép làm việc một lần ( từ thời điểm đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc trước khi dao cắt vào chi tiết)

Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao là D = ( 100 ÷ 200)/1 Lượng ăn dao cực đại

có thể đạt tới (80 ÷ 100) mm/hành trình kép

Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt 1000 lần/giờ

Hệ thống di chuyển đầu dao cần phải đảm bảo theo hai chiều ở cả chế độ di chuyển làm việc và di chuyển nhanh.Truyền động ăn dao thường được thực hiện bằng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và hộp tốc độ

Lượng ăn dao trong một hành trình kép khi truyền động bằng hệ trục vit – ecu được tính như sau:

S = ωtv.t.T

Và đối với hệ truyền động bánh răng - thanh răng

S = ωbr.z.t.T Trong đó:

ωtv, ωbr - tốc độ góc của trục vit, bánh răng, 1/s

z – số răng của bánh răng

t- bước răng của trục vit hoặc thanh răng, s

T – thời gian làm việc của trục vit hoặc thanh răng , s

1.2.3 Truyền động phụ

Truyền động phụ đảm bảo các di chuyển nhanh bàn dao, xà máy, nâng đầu dao trong hành trình ngược, được thực hiện bởi động cơ không đồng bộ và nam châm điện

Chương 2 Tính chọn công suất động cơ và lựa chọn,

tính toán mạch lực

2.1 Tập hợp các số liệu ban đầu

- Bán kính quy đổi lực cắt về trục động cơ điện (ρ=v/ω) 0,006 [m]

2.2 Tính chọn công suất động cơ

Fy = 0,4 Fz = 0,4.30 = 12 kN

Lực kéo tổng: Fk = Fz + ( Gb + Gct + Fy ) µ

= 30000 + [9,81.( 600 + 500 ) + 12000].0,081 = 31,846(kN) Công suất đầu trục động cơ khi cắt chính là công suất động cơ trong hành trình thuận:

Pth = Fk.Vth

60.1000.η =

= 16,38 (kW)

Vì hệ thống truyền động điện là bộ biến đổi – động cơ điện một chiều BBĐ – Đ (BBĐ có thể là bộ chỉnh lưu dùng thyristor, máy phát một chiều v.v…) và điều chỉnh tốc độ động cơ trong cả dải tốc độ điều chỉnh điện áp phần ứng thì động cơ phải chọn theo Ptt :

= 27,78 rad/s

Pth0 = 60.1000.η = Fk.V0

= 6,55 (kW)

Tốc độ hành trình ngược là 60[m/ph] , ωng = vng

ρ =

= 166,7 rad/s

Có như vậy, động cơ mới có thể đảm bảo được dòng điện cực đại trong hành trình thuận với điện áp phần ứng không lớn, đồng thời tốc độ cao trong hành trình ngược

Điều kiện chọn động cơ: động cơ có công suất định mức lớn hơn hoặc bằng công suất tính toán lớn nhất: Pđm ≥ Pttmax

Chọn động cơ một chiều π – 91, có các thông số sau:

Ta có : KФđm =

= = 1,33(V/rad/s)

2.3.Lựa chọn, tính toán mạch lực

2.3.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập có cấu tạo gồm 2 phần riêng biệt: phần cảm

bố trí ở phần tĩnh có các cuộn dây kích từ sinh ra từ thông ϕ, phần ứng là phần quay nối với điện áp lưới qua vành góp và chổi than Tác động giữa từ thông ϕ và dòng điện phần ứng Iư tạo nên mômen quay động cơ Khi động cơ quay các thanh dẫn phần ứng cắt qua từ thông ϕ tạo nên suất điện động Eư

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ độc lập

p – số đôi cực từ chính

N – tổng số thanh dẫn phần ứng

a – số đôi mạch nhánh song song

Ф - từ thông kích từ dưới một cực từ Nếu bỏ qua tổn hao trên trục động cơ và tổn hao thép thì mômen trên trục động cơ bằng mômen điện từ :

M = Mđt = K.ϕ.Iư (2-3)

Từ các phương trình (2-1), (2-2),(2-3) ta có phương trình đặc tính cơ :

ω = KϕU - Rư+Rf

(Kϕ)2 M

Tốc độ không tải lý tưởng ωo và độ cứng β : ωo = KϕU ; β = (Kϕ)

2

Rư+Rf

Hình 2.2 Đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Ta thấy rằng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là tuyến tính nên dễ dàng điều khiển tốc độ, để điều khiển tốc độ ta có thể điều chỉnh điện áp nguồn cấp cho phần ứng U, từ thông ϕ hay dòng kích từ Ikt và điện trở phần ứng Về việc đảo chiều động cơ ta có thể đảo chiều dòng phần ứng hoặc dòng kích từ Ikt

Với máy bào giường, việc ổn định tốc độ bàn máy là điều quan trọng đầu tiên để đảm bảo chất lượng của chi tiết gia công, mà động cơ điện một chiều lại có cấu trúc mạch động lực và mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt được chất lượng điều chỉnh cao do đặc tính cơ điều chỉnh là tuyến tính, dải điều chỉnh tốc độ rộng hơn các loại động cơ khác nên chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập là tối

ưu

2.3.2.Lựa chọn phương pháp đảo chiều động cơ

2.3.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều:

- Điều chỉnh điện áp cho phần ứng động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động

cơ hoặc mạch kích từ động cơ Trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính:

- Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặc máy điện khuếch đại ( MĐKĐ)

- Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: Chỉnh lưu tiristo (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như:

- Hệ truyền động máy phát động cơ(F-Đ)

- Hệ truyền động máy khuếch đại- động cơ(MKĐ – Đ)

- Hệ truyền động khuếch đại từ - động cơ (KĐT – Đ)

- Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo – động cơ ( T- Đ)

- Hệ truyền động xung áp động cơ (XA –Đ)

Để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều ta có thể thay đổi điện áp phần ứng hoặc thay đổi từ thông

 Điều chỉnh điện áp phần ứng

Để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng đặt lên động cơ ta phải giữ nguyên Φ = Φđm và điện trở phần ứng Rư = const

Hình 2.3 Sơ đồ điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng

Khi điện áp thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng ω0 = KΦ thay đổi và độ cứng U

β không đổi, do đó ta được họ đặc tính cơ song song với nhau như hình vẽ

Hình 2.4 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp

Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là:

- Điện áp U càng giảm thì tốc độ càng nhỏ và chỉ có thể điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức

- Độ sụt tốc trên toàn dải điều chỉnh ứng với một momen là như nhau Độ sụt tốc lớn nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh, do vậy sai số tốc độ tương đối không vượt quá sai số cho phép thì hệ làm việc ổn định trong toàn dải điều chỉnh

- Dải điều chỉnh tốc độ phương pháp này tương đối lớn D ≈ 10/1

- Nhược điểm của việc điều khiển điện áp là dùng bộ biến đổi khá phức tạp

 Điều chỉnh từ thông

Để điều chỉnh từ thông ta thay thay đổi dòng điện kích từ Ikt, giữ nguyên điện áp cấp cho mạch phần ứng U = Uđm = const và điện trở Rư = const Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy khi thay đổi từ thông Φ thì tốc độ không tải và độ cứng đều thay đổi

ω0 = KΦ ; β = U

(KΦ)2

Rư Khi giảm từ thông Φ thì tốc độ không tải tăng nhưng độ cứng lại giảm và ta được họ đặc tính cơ như sau:

Hình 2.5 Đặc tính của động cơ một chiều khi thay đổi từ thông mạch kích từ

Nhưng do cấu trúc của máy một chiều mà ta chỉ có thể điều chỉnh giảm từ thông, tuy nhiên khi từ thông giảm nhỏ quá thì tốc độ động cơ tăng quá lớn và vượt quá giới hạn cho phép hoặc làm điều kiện chuyển mạch xấu đi do dòng phần ứng tăng cao Để chuyển mạch xảy ra bình thường thì cần giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho momen cho phép trên trục động cơ giảm đi rất nhanh, dẫn đến động

cơ bị quá tải Khi điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông sẽ có họ đặc tính

và một số đặc điểm sau:

- Độ cứng đặc tính cơ giảm khi từ thông giảm, các đặc tính cơ cắt nhau nên thực tế phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so với định mức

- Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh thực hiện ở mạch kích từ nhỏ nên tổn thất công suất khi điều chỉnh bé

- Nhược điểm của việc điều chỉnh từ thông là hằng số thời gian của cuộn kích

từ Tk lớn, đặc tính từ hóa phi tuyến mạnh và phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp

- Chịu tác động nhiều của nhiễu phụ tải, ngoài ra từ dư của động cơ có ảnh hưởng xấu đến các hệ truyền động có đảo chiều bằng kích từ

Tóm lại: điều khiển động cơ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng Uư là có chất lượng điều chỉnh tốt nhất, trước hết nó có khả năng điều chỉnh triệt để trong bất

kỳ vùng phụ tải nào Đặc tính cơ nó mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên và cứng hơn đặc tính cơ biến trở Vì vậy phương pháp này đảm bảo sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn thất năng lượng không cao Để thay đổi điện áp

phần ứng động cơ thì mạch lực cần bộ biến đổi, ta chọn hệ truyền động tiristo – động cơ một chiều

2.3.2.2 Phương án đảo chiều động cơ

Ta sử dụng hệ T –Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng.Trong đó mạch lực gồm 6 cặp tiristor nối song song ngược tạo nên hai bộ biến đổi, một bộ

làm việc theo chiều thuận bộ kia làm việc theo chiều ngược

Hình 2.6 Mạch lực hệ T-Đ đảo chiều dùng 2 bộ biến đổi điều khiển riêng

 Diễn biến quá trình đảo chiều: được trình bày trên hình 2.7 là quá trình đảo chiều từ thuận sang ngược Hệ sẽ chuyển trạng thái làm việc qua ba góc phần tư xảy ra 5 giai đoạn

Giai đoạn 1: ở góc phần tư I : quá trình giảm điện áp chỉnh lưu, dòng điện giảm về không và khóa bộ BBDD1

Giai đoạn 2: Thời gian chết T0 , động cơ quay tự do Mục đích của giai đoạn này là để kiểm tra an toàn khóa chắc chắn BBĐ1 đã khóa hoàn toàn Vì vậy T0 được tính bằng thời gian dẫn của tiristor

T0 = 20

m (ms) , m là số xung chỉnh lưu

Giai đoạn 3: Hãm tái sinh bộ BBĐ2 mở chế độ nghịch lưu Pđ = E.Id > 0 phát năng lượng, Pb = Ed.Id < 0 thu năng lượng ở giai đoạn này cần điều khiển Ed sao cho tốc độ suy giảm phù hợp với quán tính cơ động cơ nhằm giữ dòng hãm không đổi trong giới hạn cho phép

Giai đoạn 4: Hãm ngược Ở vùng tốc độ thấp E nhỏ, BBĐ2 phải chuyển sang độ chỉnh lưu với giá trị Ed vừa đủ để hãm tốc độ động cơ về không và khởi động theo chiều ngược

Giai đoạn 5: Khởi động theo chiều ngược