Đề tài Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng của cầu trục

Lời nói đầu Nhằm hệ thống hoá và vận dụng kiến thức đã được học môn tổng hợp hệ điện cơ để giải quyết những vấn đề cụ thể của thực tế, em được giao thực hiện đề tài thiết kế môn học với nội dung sau: Đề tài :”thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng của cầu trục “ Với các thông số kỹ thuật : Tải trọng định mức : 30[Tấn ] Tốc độ nâng cực đại (có tải ) 0.35[m/s] Tốc độ nâng cực đại (không tải ) 1.5[m/s] Tốc độ hạ cực đại (có tải) 0.4[m/s] Tốc độ hạ cực đại (không tải ) 1.5[m/s] Gia tốc cực đại khi nâng 0.5[m/s2] Gia tốc cực đại khi hạ 0.5 [m/s2] Hiệu suất cơ cấu (h) 0.85 Tỉ số truyền (i) 50 Đường kính culi(tời ) 0.7[m] Em đã hoàn thành đồ án này với sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô trong bộ môn ,đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của cô liên anh. Em xin chân thành cảm ơn và rất mong nhận được sự đóng góp chỉ bảo của các thầy các cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn . Sinh viên: Đặng Quang Đồng TĐH1-K45 Chương 1 :Tổng quan về công nghệ I. Đặc điểm chung của cơ cấu nâng-hạ cầu trục. Hệ thống cầu trục thường có ba chuyển động: Chuyển động nâng hạ (của bộ phận nâng tải ). Chuyển động ngang của xe trục. Chuyển động dọc của xe cầu. Trước hết ta đi phân tích khát quát những điểm cơ bản về yêu cầu trong truyền động của cơ cấu nâng hạ cần trục: 1.Thứ nhất, về loại phụ tải: Đặc điểm của các động cơ truyền động trong cơ cấu cần trục nói chung là đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có số lần (tần số) đóng điện lớn. 2.Thứ hai, về yêu cầu đảo chiều quay: Động cơ truyền động cần trục, nhất là cơ cấu nâng hạ, phải có khả năng đảo chuyền quay, có mômen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng (không tải) mômen động cơ không vượt quá (15 á 20)%Mđm; đối với cơ cấu nâng của cần trục ngoặm đạt tới 50% Mđmẳ 3.Thứ ba, yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ truyền động các cơ cấu của máy nâng, yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm, đặc biệt đối với thang máy và thang chuyên chở khách. Bởi vậy, mômen động trong quá trình hạn chế quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu của kỹ thuật an toàn. ở các máy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chịu đựng phụ tải động của các cơ cấu. Đối với cơ cấu nâng hạ cần trục, máy xúc gia tốc phải nhỏ hơn khoảng 0,2 m/s2 để không giật đứt dây cáp. Ngoài ra, động cơ truyền động trong cơ cấu này phải có phạm vi điều chỉnh đủ rộng và có các đường đặc tính cơ thoả mãn yêu cầu công nghệ. Đó là các yêu cầu về dừng máy chính xác, nên đòi hỏi các đường đặc tính cơ thấp, có nhiều đường đặc tính trung gian để mở hãm máy êm. 4.Thứ tư, phạm vi điều chỉnh không lớn, ở các cần trục thông thường D Ê 3:1;ở các cần trục lắp ráp (D= 10 á 1) hoặc lớn hơn. Độ chính xác điều chỉnh không yêu cầu cao, thường trong khoảng ±5%. 5.Thứ năm, yêu cầu về bảo vệ an toàn khi có sự cố: Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ, để giữ chặt các trục khi mất điện, bảo đảm an toàn cho người vận hành và các bộ phận khác trong hệ thống sản xuất. Để đảm bảo an toan cho người và thiết bị khi vận hành, trong sơ đồ không chế có các công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi đến các vị trí giới hạn. 6.Thứ sáu, yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cần trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 220V, 380V; mạng một chiều là 220V, 44V. Điện áp chiếu sáng không vượt quá 220V. Không được dùng biến áp tự ngẫu để cung cấp cho mạng chiếu sáng sửa chữa. Do đa số đều làm việc trong môi trường nặng nề, đặc biệt ở các hải cảng, nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim , sửa chữa...Nên các khí cụ điện trong hệ thống truyền động và trang bị điện của các cơ cấu nâng hạ cần trục yêu cầu phải làm việc tin cậy, bảo đảm về năng suất, an toàn trong mọi điều kiện khắc nghiệt của môi trường, hơn nữa lại phải đơn giản trong thao tác. II. Khảo sát đặc tính phụ tải. Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta thấy rằng: Momen cản của cơ cấu sản xuất luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ có thay đổi thế nào. Nói cách khác momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng có đặc tính Mc=const và không phụ thuộc vào chiều quay. Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải trọng gây ra. Khi tăng dự trữ thế năng (nâng tải) momen thế năng có tác dụng cản trở chuyển động; tức là hướng ngược chiều quay động cơ. Khi giảm thế năng (hạ tải), momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, nghĩa là nó hướng theo chiều quay động cơ. Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau: Hình1: Dạng đặc tính cơ học của cơ cấu nâng hạ Từ đặc tính cơ của cơ cấu phụ tải ta có một số nhận xét sau: Khi hạ tải ứng với trạng thái máy phát của động cơ thì Mđ là mômen hãm, Mc là mô men gây chuyển động. Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai mômen đều gây chuyển động. Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng, hạ tải thì động cơ cần phải được điều khiển để làm việc đúng với các trạng thái làm việc ở chế độ máy phát hay động cơ sao cho phù hợp với đặc tính tải. Phụ tải của cần trục có thể biến đổi từ 0 (khi hạ hoặc nâng móc câu không tải) đến những giá trị rất lớn. Phức tạp lớn hơn cả là các điều kiện hạ tải. Khi hạ không tải, trọng lượng của móc câu không đủ để bù lại các lực ma sát trong truyền động, nên động cơ phải sinh ra một momen nhỏ theo chiều hạ. Khi hạ những tải trọng lớn, không những các lực ma sát được khắc phục hết mà động cơ còn bị tải trọng kéo quay theo chiều tác dụng của nó. III. Xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng. Như đã tìm hiểu ở trên, động cơ truyền động trong cơ cấu nâng làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại, mở máy và hãm máy nhiều. Do đó, khi chọn công suất động cơ cần xét đến phụ tải tĩnh và động. Xác định phụ tải tĩnh. Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng chủ yếu do tải trọng của bản thân cơ cấu và vật nâng gây ra. Thường có thể chia làm hai loại cơ cấu: loại có dây cáp một đầu và loại có dây cáp hai đầu. Trong khuôn khổ đồ án này chỉ đề cập tới loại dùng cáp một đầu được sử dụng rộng rãi trong các cần trục, palăng trong các phân xưởng lắp ráp. Phụ tải tĩnh khi nâng tải Xét một cơ cấu nâng có palăng với bội số u; hiệu suất hP ; bộ truyền trung gian có tỷ số truyền chung là i và hiệu suất h0. Khi động cơ quay theo chiều tương ứng, vật được nâng lên với vận tốc vn. Lực căng của các nhánh dây nếu không tính mất mát: T0’ = T1’ = T2’ = ẳ = Hình2: Sơ đồ cơ cấu nâng hạ cầu trục Thực tế, do có các lực cản phụ, lực căng trong các nhánh dây cuốn lên tang nên: Momen do vật nâng gây ra trên tang: Momen trên trục cuối cùng của bộ truyền trung gian (trục III) là: (ht: là hiệu suất của tang, hệ số này tính đến do việc: muốn nâng vật lên ta phải đặt vào trục III (trục tang) một momen lớn hơn momen Mn trên tang , vì còn phải thắng lực cản trên tang do độ cứng của dây và do ma sát trong ổ trục). Tương tự, momen trên trục II sẽ là: và momem trên trục I: Tổng quát: Ta đặt: i=i1i2ẳin : là tỷ số truyền chung của bộ truyển. h=h1h2ẳhn: là hiệu suất chung của bộ truyền hc=hPhth là hiêu suất chung của cơ cấu. (N.m) Vậy muốn nâng được vật lên, động cơ phải phát ra momen nâng khắc phục được momem trên trục động cơ. (N.m) (1) Công suất của động cơ cần thiết để nâng vật: (kW) (2) Trong đó: G - trọng lượng của tải trọng (kg). G0 – trọng lượng bản thân cơ cấu nâng (kg). Rt – bán kính tang nâng (m). hc – hiệu suất của cơ cấu nâng. u – bội số của ròng rọc (palăng) i – Tỉ số truyển chung của cơ cấu truyền trung gian. n – Tốc độ động cơ (v/phút) vn – tốc độ nâng tải (m/phút) Từ (1) & (2) suy ra momen và công suất của động cơ phát ra lúc nâng không tải: (3) (4) Phụ tải tĩnh khi hạ tải Có thể có hai trạng thái hạ tải. Hạ động lực Hạ hãm. Hạ động lực được dùng khi hạ những tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải trọng sinh ra không đủ để thắng lực ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Hạ hãm được dùng khi hạ những tải trọng lớn. Khi đó momen do tải trọng sinh ra lớn hơn mô men ma sát nên gây ra chuyển động của hệ thống. Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng rơi với vận tốc ổn định (tức là chuyển động không có gia tốc). Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng sinh ra khi không có mất mát là momen tải trọng: Khi hạ tải, năng lượng được truyền từ phía tải trọng về phía cơ cấu truyền và động cơ, nên: trong đó: Mh – momen trên trục động cơ khi hạ tải. DM – mất mát trong cơ cấu truyền. hh – hiệu suất của cơ cấu khi hạ tải. Nếu Mt > DM trạng thái hạ hãm; còn nếu Mt < DM trạng thái hạ động lực. Nếu coi mất mát trong cơ cấu khi nâng và khi hạ tải là như nhau thì: ị (6) So sánh (5) và (6) ị Đối với những tải trọng tương đối lớn (tương ứng với hc > 0,5), ta có hh >0, Mh >0. Điều này có nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải, động cơ làm việc ở trạng thái hãm (hạ hãm). Khi tải trọng tương đối nhỏ hc <0,5 thì hh < 0; Mh <0. Điều này có nghĩa là momen động cơ cùng chiều với momen phụ tải để cùng khắc phục lực ma sát trong cơ cấu truyền lực. Từ (6) ta suy ra momen hạ không tải: (7) Từ đó tính được công suất trên trục động cơ khi hạ tải: (kW) (9) (kW) (10) (kW). Chương2: Tính toán công suất động cơ truyền động I. Chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động. Như đã biết, động cơ muốn kéo được tải thì cần phải sinh ra một momen MĐ có khả năng khắc phục được momen tải của cơ cấu sản xuất. MĐ ³ Mpt. Muốn xác định được công suất động cơ, cũng tức là tìm được MĐ, cần phải có điều kiện ban đầu. Đó là các điều kiện: +Phải có biểu đồ phụ tải tĩnh của cơ cấu sản xuất mà động cơ sẽ phục vụ dưới dạng: IC=f(t), MC=f(t) hoặc PC=f(t) đã tính quy đổi về trục động cơ. +Phải có biểu đồ phụ tải biến thiên tốc độ trong quá trình làm việc. Vì vậy, trước hết ta đi tiến hành xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh. Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh. Theo kết quả phân tích ở trên, chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng-hạ thường gồm: hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. + khi nâng tải: vn=0,35 m/s , G=30T Pn=(kW) Khi hạ tải: v=0,4m/s Ph=(kW) Khi hạ không tải hoặc nâng không tải ta có hiệu suất của động cơ thay đổi . K= Dựa vào đường đặc tính quan hệ giữa hệ số tải và hiệu suất ta có: Vậy khi hạ không tải : v=0,7m/s = Pho=(kW) Nâng không tải : v=0,7m/s = (kW) Tính thời gian nâng hạ ,chọn chiều cao h=10(m) Thời gian nâng: tn= Thời gian hạ tải: tn= Thời gian nâng và hạ không tải : tno=tho= Thời gian làm việc: Chọn Tchuky=4,5 phút TĐ%= Đồ thị phụ tải : Hình3: Đồ thị phụ tải của động cơ + Công momen đẳng trị: + Công suất đẳng trị: +Từ vận tốc nâng ta tính được tốc độ góc của động cơ khi nâng: + Vì nâng tải là chế độ làm việc nặng nề nhất (chọn là chế độ định mức) của động cơ có momen và công suất lớn nên khi chọn động cơ ta nên chọn động cơ ta chú ý vấn đề quá tải trong trường hợp này. Từ kết quả tính toán ở trên ta lựa chọn sơ bộ loại động cơ một chiều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có thời gian đóng điện tương đối tiêu chuẩn e = 25%. Do đó, công suất quy đổi tương ứng: Chọn loại động cơ một chiều có các thông số như sau : Loại -82 Udm=220 V Pdm=112(kW) Ndm=460(vòng/phút) Idm=700 A R=rư+rcp=0.0447 Rcks=24,4 Số thanh dẫn tác dụng của phần ứng N=480 Số nhánh song song của phần ứng 2a=8 Số vòng trên 1 cực của cuộn song song : Wcks=1100 Từ thông hữu ích của một cực từ f.10-2wb=11,3 Mô men quán tính của phần ứng J=32,5 (kgm2) Mdm=Pdm.=2325 (Nm) Kiểm nghiệm lại động cơ: Kiểm tra điều kiện phát nóng: Vì gia tốc lớn nhất của cơ cấu nâng không được quá 0,5 m/s2, do đó thời gian mở máy được tính như sau: +Khi nâng hoặc hạ tải ta chọn gia tốc không được vượt quá 0.5 m/s2 để tính thời gian mở máy: tmm=0.35/0.5+0.4/0,5=1.5(s) +Khi nâng hoặc hạ tải ta chọn gia tốc không vượt quá 0.5 m/s2 để tính thời gian mở máy: tmm=0.7/0.5=1,4(s) Cụ thể là tổng thời gian quá độ ồtqd = (1.5+2*1.4) = 4/3(s) << thời gian làm việc ồtlv=83.13(s). Hơn nữa ở giai đoạn tính chọn sơ bộ động cơ được tính theo phương pháp mô-men đẳng trị nên ta không cần kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng. Kiểm nghiệm điều kiện khởi động: Ta có: Trong khi đó mô-men cản tĩnh lớn nhất lúc khởi động là: Mc.max =2500(N.m) Vậy: , nghĩa là thoả mãn điều khiện về khởi động. Chương3: Chọn phương án truyền động I.Phân tích để chọn phương án truyền động Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một phương án khả thi đáp ứng được cả yêu cầu về đặc tính kỹ thuật và kinh tế với công nghệ đặt ra. Động cơ dùng trong truyền động cầu trục có thể là động cơ một chiều hoặc là động cơ xoay chiều . Trước kia, động cơ điện một chiều kích thích nối tiếp được dùng rất phổ biến trong cần trục. Sở dĩ như vậy là bản thân loại động cơ này có những ưu điểm mà các loại động cơ không đồng bộ và đồng bộ không có được, đặc biệt là những yêu cầu rất đặc trưng của một số lĩnh vực truyền động. Trước hết vì nó dùng nguồn một chiều nên nó yêu cầu số lượng thanh trượt ít so với các loại động cơ khác. Đối với truyền động nâng, động cơ này đảm bảo được những tốc độ hạ ổn định (hoặc lớn hoặc nhỏ) cho mọi tải trọng. Hiện nay, được sự hỗ trợ của các thiết bị công suất, cùng với những đặc điểm như: rẻ, cấu tạo đơn giản, tin cậy, hiệu suất cao thì động cơ không đồng bộ đã thay thế hầu hết các loại động cơ điện một chiều trong lĩnh vực này. Thực vậy, nhờ những tiến bộ sâu sắc của lĩnh vực vi điện tử và điện tử công suất mà càng có nhiều thiết bị cho phép khắc phục nhược điểm của động cơ không đồng bộ, cụ thể là người ta đã tạo ra được tất cả những đặc tính cơ thoả mãn hầu hết quá trình công nghệ khắt khe nhất, đồng thời lại cho phép hạ giá thành vận hành và lắp đặt. Mặt khác, việc dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ cũng tiện lợi do việc dùng nguồn xoay chiều 3 pha vốn sẵn có trong công nghiệp. Về phương diện điều chỉnh tốc độ ,động cơ điện một chiều có nhiều ưu việt hơn so với các loại động cơ khác ,không những nó có khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực ,mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lượng cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng .Có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều : 1.Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ 2.Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tỗc 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 .Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi ta có các hệ truyền động như sau: Hệ truyền động máy phát -động cơ(F-Đ) Ưu điểm: sự chuyển đổi trạng thái làm việc linh hoạt, khả năng quá tải lớn. Do vậy, hệ truyền động F-D thường dùng trong công nghiệp mỏ. Nhược điểm: là dùng nhiều máy điện quay, gây tiếng ồn lớn và công suất lắp đặt máy ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành. Ngoài ra, do các máy phát 1 chiều có từ dư, đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ. Hệ truyền động chỉnh lưu tiristor -động cơ (T-Đ) Trong đồ án này thiết kế theo phương án hệ truyền động cơ điện một chiều dùng chỉnh lưu tiristor nên ta chọn hệ truyền động chỉnh lưu tiristor -động cơ (T-Đ). Do yêu cầu của công nghệ, hệ truyền động điều khiển động cơ phải có khả năng điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay. Có 5 phương án xây dựng mạch lực để cấp điện cho mạch phần ứng. .Phương án đảo chiều dòng kích từ: Hình4: Đảo chiều dòng kích từ Ưu điểm: chỉ điều chỉnh công suất rất nhỏ so với công suất định mức của truyền động Nhược điểm: đòi hỏi phải có logic đảo chiều rất chặt chẽ. Ngoài ra, hằng số thời gian của cuộn kích từ Tk lớn, đặc tính từ hoá có tính phi tuyến mạnh, phạm vi điều chỉnh hẹp và bị ảnh hưởng mạnh của nhiễu phụ tải Mc, từ dư của động cơ có ảnh hưởng xấu đến chất lượng của hệ truyền động loại này.ư 2.2.Phương án dùng 1 BBĐ chỉnh lưu có điều khiển kết hợp với các congắctơ đóng cắt Hình5: Đảo chiều dòng điện phần ứng Hiện nay người ta ít sử dụng sơ đồ này do giá thành của contắctơ cao hơn các thiết bị bán dẫn. 2.3.Sơ đồ dùng 2 bộ biến đổi điều khiển chung: Hình 6:Bộ biến đổi điều khiển chung Ưu điểm: Việc đảo chiều khá đơn giản, ta chỉ phải tăng hoặc giảm góc mở α để 1 bộ biến đổi chuyển từ trạng chế độ động cơ sang trạng thái hãm. Hệ có thể làm việc được ở cả 4 góc phần tư. Nhược điểm: Do điện áp tức thời của 2 bộ biến đổi khác nhau nên tại mỗi thời điểm luôn tồn tại dòng điện vòng chạy qua 2 BBĐ. Để hạn chế dòng điện vòng này thì phải dùng thêm các cuộn kháng cân bằng. Mặt khác, do có các cuộn kháng CB nên xuất hiện ΔUcbđộng có trị số rất lớn( 7 đến 10 lần dòng tĩnh) buộc quá trình đảo chiều phải chậm. Sau 1 thời gian sử dụng, phải thay thế các cuộn kháng CB. 2.4.Sơ đồ dùng 2 BBĐ điều khiển riêng. Hình 7:Bộ biến đổi điều khiển riêng Ưu điểm : sơ đồ này không cần có cuộn kháng CB, làm việc an toàn Nhược điểm: logic đảo chiều phức tạp vì phải bảo tại mỗi thời điểm chỉ được1 bộ mở nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn cấp, quá trình đảo chiều diễn ra chậm. Do đặc điểm hệ truyền động của cơ cấu nâng hạ là làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, thường xuyên phải dừng máy và không đòi hỏi đảo chiều ngay lập tức mà thường có trễ sau 1 thời gian nhất định nên ta chọn phương án dùng 2 bộ biến đổi điều khiển riêng là hợp lý hơn cả. II.Chọn sơ đồ cầu chỉnh lưu 3 pha đối xứng Hình 8: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn) Sơ đồ cầu ba pha gồm 6 Tiristor chia thành 2 nhóm Nhóm Catốt chung :T1,, T3, T5; Nhóm Anốt chung : T2, T4, T6; Điện áp các pha thứ cấp máy biến áp lần lượt là: Góc mở được tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên( giao điểm của các nửa hình sin). Giả thiết T5 , T6 đang dẫn cho dòng chảy qua VF = U2c ; VG= U2b; Khi = q =q1= + cho xung điều khiển mở T1 .Tiristor này được mở vì U2a>0.Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U2a> U2c. Lúc này T6 và T1 cho dòng chảy qua, và điện áp trên tải là: Ud=Uab=U2a-U2b; Khi = 2 = 3+ cho xung điều khiển mở T2 .Tiristor này mở vì khi T6 dẫn dòng,nó đặt U2b lên anốt T2 mà U2b>U2c.Sự mở của T2 làm cho T6 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U2b>U2c. Quá trình cứ tiếp tục như vậy, mỗi van được đưa xung vào mở sau T. Ta có biểu thức tính toán sau: Điện áp trung bình trên tải : Ud= Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Unmax=; Dòng điện chảy qua các van là : IT = Id/ 3; Ưu nhược điểm của sơ đồ Ưu điểm Số xung áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lớn(=6),vì vậy độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp,chất lượng điện áp cao. Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van trong một chu kỳ thấp,chỉ bằng một phần ba dòng điẹn chỉnh lưu Sơ đồ có hệ số sử dụng biến áp cao;cao nhất so với các sơ đồ cầu,công suất biến áp bằng công suất tải Sơ đồ chỉnh lưu không làm lệch pha lưới điện công nghiệp Sơ đồ có thể hoạt động ở chế độ nghịch lưu Nhược điểm Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha là sử dụng số van tiristor lớn(6 van),giá thành thiết bị cao. Cơ cấu mạch điều khiển mạch phức tạp Hình9:Sơ đồ mạch lực của cơ cấu nâng hạ cầu trục Chương4: Tính toán mạch lực I.Tính toán máy biến áp nguồn Bộ biến đổi cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cấp cho động cơ một chiều có các thông số: sức điện động định mức, sụt áp tổng trên các van khi dòng cực đại. Cụ thể: Trong đó: Udo: Điện áp không tải của chỉnh lưu =0,95: hệ số tính đến sự suy giảm lưới điện =1,05: hệ số dự trữ BAN Góc điều khiển cực tiểu sơ đồ đảo chiều và m=6 xung,chọn =120 Iưmax:dòng cực đại phần ứng động cơ .Chọn Iưmax=(2-2,5)Iưdm Chọn Iưmax=2 Iưdm=2.700=1400(A) Tổng sụt áp trên van . Mỗi thời điểm chỉ có hai dẫn nên =2.Uv=2.1,6=3,2(V) Eưđm=Uưđm-IđmRư=220-0,0477.700=188,71(V) Uymax :sụt áp cực đại do trùng dẫn Uymax= Uydm(Iưmax .Iưđm)/(Idđm.Iưđm) có Idđm=Iưđm =700(A)và Iưmax =2. Iưđm= =1400(A) ị Uymax =2. Uyđm=2.Udo.Uk.Yk với Uk là điện áp ngắn mạch (%) Uk(%)=5% ịUk=0,05 Và gk=DUy/DUk%=0.5(tra bảng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha ) Vậy Udo=(g2.Eưđm++Iưmax.Rư1 )/( g1.cosamin-2.gk.Uk)=303(V) ịUvo=Udo/2,35=129(V) BAN đấu theo kiểu D/Y .Điện áp lưới U1=380V tỉ số biến áp : KBAN= Dòng hiệu dụng thứ cấp BAN I2= dòng hiệu dụng sơ cấp BAN I1=(1/KBAN)I2=(1/5,1).571,55=112(A) Công suất định mức BAN: SBAN=1,05.Udo.Idđm=1,05.303.700=222,705(KVA) * Tính điện cảm và điện trở của máy biến áp: Chọn MBA có lõi thép mạch từ,hệ số từ cảm Bm=1,1(T) -Điện trở cuộn dây Trong đó: K:hệ số sơ đồ chỉnh lưu,với sơ đồ cầu 3 pha K=2,5 S=3:số trụ của MBA f=50(Hz):tần số điện áp nguồn 0,00046(W) -Điện kháng của MBA Lba=K1. K1=0,3.10-3:hệ số phụ thuộc sơ đồ chỉnh lưu: Lba=0,3.10-3. II.Tính chọn các tiristor trong các mạch lưu chỉnh: Ta có bộ chỉnh lưu là cầu 3pha.Tra sổ tay ta tính được các thông số sau Dòng trung bình qua mỗi tiristor IT=1/3Idđm =1/3.700=233,33(A) dòng cực đại qua mỗi tiristor ITM=1/3Idmax=1/3.1400=446,66(A) Điện áp ngược cực đại mỗi tiristor phải chịu Ungmax=Uvo=.129=182,24(V) Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các tiristor là :Ku=1,5 và Ki=1,5 Vậy tiristor phải chịu được điện áp ngược cực đại là Ung =1,5.182,24=273,36(V) Chịu được dòng trung bình khi dẫn IT=1,5. 233,33=350(A) Chịu được dòng cực đại khi dẫn =1,5. 466,66=700(A) Chọn thyristor loại SH400F21A có các thông số như sau: Unmax= 300(V) Iđm = 400(A) Ipik = 7000(A) Ig = 260 (mA) Ih = 200(mA) Ir = 30(mA) ∆U = 1,8(V) dU/dt=200(V/s) tcm=15(μs) Tmax=1250C Tính điện cảm phần ứng công thức tính: LưằKL(Uưđm/Iưđm.Zp.nđm) (H) Trong đó : KL=1,4-1,8(có máy bù ) chọn KL=1,8 Uưđm=220(V) ; Iưđm=700(A) Zp=2(số cực đôi) và n=470(vòng /phút ) ịLư=1,8.(220/700.2.470)=0,615.10-3(H) Tính cuộn kháng lọc: Để tính bộ lọc gồm cuộn cảm L,dựa vào khai triển Furier điện áp đầu ra chỉnh lưu Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha thành phần sóng hài bậc nhất(k=1) có biên độ lớn nhất.Biên độ sóng hài bậc càng cao sẽ càng giảm ,tác dụng của cuộn kháng lọc với các thành phần hài bậc cao này càng có hiệu quả hơn.Vì vậy tính điện cảm của cuộn kháng đối với các sơ đồ chỉnh lưu chỉ cần tính theo thành phần sóng hài bậc nhất là đủ. Với k=1 ta có Coi Ud=Ud0+U2~ Xét U0: UR=U0 vì ULk(0)=Ukt(0)=0 Xét U2~ (*) Trong đó: L=Lk+Lưc=Lk+2Lbat+Lư = Lk +2.0,052. 10-3+0,615.10-3(H) R=2.Rba+Rư+Rcp=2.0,00046+0,0447=0,045(W) Từ (*) suy ra: R2+(6wL)2≥2,4465 L≥0,829(mH) ị Lk ³ 0,195(H) Chọn Lk=0.2(mH) Mạch biến đổi nguồn cấp cho mạch kích từ động cơ: Ta có bộ chỉnh lưu là tia 3 pha.Tra sổ tay ta tính được các thông số sau Từ các thông số động cơ ta có IKTđm= 6,3 (A) và RCKS= 24,4 (W) Ta có điện áp mạch chỉnh lưu: Ud=Udo=IKTđm.RCKS=6,3.24.4=153,72(V) ịUdv=Uv/1.35 ịUvo ằ 113,866 (V) BAKT:biến áp nguồn lấy điện từ biến áp cấp cho động cơ Tính chọn biến áp nguồn BAN: BAN đấu theo kiểu D/Y.Điện áp lưới UL=380 (V) ị Tỉ số biến áp KBAKT=U1/)ằ5,78 dòng điện hiệu dụng thứ cấp BAKT : I2=. Id=.6,3 ằ 5,14(A) Dòng hiệu dụng sơ cấp BAN I1=(1/KBAKT).I2=(1/5,78).5,14 ằ 0,9 (A) Công suất định mức BAKT: SBAKT=1.05.Udo.Idđm=1.05.153,72.6,3=968,436(VA) Tính chọn các Diot trong các mạch lưu chỉnh: Dòng trung bình qua Diot IT=1/3.Idđm =1/3.6,3=2,1(A) Điện áp ngược cực đại mỗi tiristor phải chịu Ungmax=Uvo=.113,866=161,03(V) Chọn hệ số dự trữ về điện áp và dòng điện của các tiristor là :Ku=1,5 và Ki=1,5 Vậy tiristor phải chịu được điện áp ngược cực đại là Ung =1,5.161,03=241,4(V) Chịu được dòng trung bình khi dẫn IT=1,5. 2,1=3,15(A) Chọn Diot loại 10RMA20 có các thông số như sau: Unmax= 300(V) Iđm = 10(A) ∆U = 1,6(V) dU/dt=300(V/s) Tmax=1250C III.Tính toán các thiết bị bảo vệ cho van: Bảo vệ quá nhiệt Van bán dẫn bị hỏng khi nhiệt độ mặt ghép vượt quá nhiệt độ giới hạn cho phép. Khi van làm việc, nhiệt độ mặt ghép tăng lên do có tổn hao bởi những nguyên nhân sau: Dòng rò chạy qua van khi khoá Điện áp thuận rơi trên van khi dẫn Tổn hao do các xung kích để mở van Tổn hao do chuyển mạch phụ thuộc tần số chuyển mạch. ở đây ta chỉ xét đến tổn hao do điện áp thuận rơi trên van khi dẫn và bỏ qua các tổn hao khác vi` không đáng kể. Công suất tổn hao: ∆P=∆U.Ihdv trong đó: ∆P : công suất tổn hao trên van ∆U: điện áp rơi trên van khi dẫn( 1,6V) Ihdv: dòng điện trung binh chạy qua van, Ihdv=233,33(A) Vậy: ∆P=1,6.233,33=420(W) Vì tổn hao là khá lớn nên ta chọn phương thức làm mát bằng nước. Bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá tải Bảo vệ quá tải Để bảo vệ van khụng bị quỏ tải, ta mắc aptomat ở phớa đầu vào của bộ biến đổi. Với cỏc thụng số của aptomat thớch hợp thỡ khi van bị quỏ tải, rơle nhiệt của aptomat sẽ tỏc động cắt bộ biến đổi ra khỏi lưới. Dũng điện định mức của Aptomat thường chọn trong khoảng (1,1-1,3) lần dũng điện thực tế qua nú. IATdm=1,1.I2=1,1.700=770(A) chọn IATđm=800(A) UATdm=220(V) Dũng điện quỏ tải: Iqt=2,5. I1=2,5.700=1750(A) Bảo vệ ngắn mạch: Dùng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Tiristor,ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu Nhóm 1CC : Dòng điện định mức của dây chảy nhóm 1CC I1CC=1,1.I2=1,1.571,55=630(A) chọn I1CC=650(A) Bảo vệ quá điện áp cho van Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt các Tiristor được thực hiện bằng cách mắc R-C song song với Tiristor.Khi có sự chuyển mạch,các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn,sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anốt và catốt của Điốt.Khi có mạch R-C mắc song song với Điốt tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Điốt không bị quá điện áp Theo kinh nghiệm R=(5á30)W; C =(0,25á4)mF ịChọn R=5,1(W);C=0,25(mF) Lựa chọn thiết bị đo tốc độ: Để lấy tín hiệu phản hồi tốc độ, sử dụng phát tốc. Máy phát tốc là máy điện nhỏ, làm việc ở chế độ máy phát và thực hiện chức năng biến đổi chuyển động quay của trục động cơ thành tín hiệu điện áp . Phương trình đặc tính ra của máy phát tốc như sau: (*) Trong đó: UF: điện áp ra của mạch phát tốc K, K1: các hệ số khuếch đại n: vận tốc quay của rôto ; a: góc quay. Theo cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy phát tốc, có thể chia thành: Máy phát tốc không đồng bộ. Máy phát tốc đồng bộ. Máy phát tốc một chiều. Trong hệ thống tự động, máy phát tốc thực hiện nhiều chức năng như: Đo vận tốc quay Thực hiện mối liên hệ ngược về vận tốc quay trong các hệ thống theo dõi Thực hiện vi phân theo góc quay với phương trình (*). Thực hiện tích phân: Hình 10:Sơ đồ máy phát tốc Biến trở có tác dụng như một cầu phân áp mà điện áp ra thay đổi được để phù hợp với điện áp đặt tốc độ động cơ. Chọn loại máy 113/1Y4 có các thông số Pđm=115(W) Uđm=230(V) Iđm=0,5(A) nđm=1000(v/ph) RưS=7,34(W) Lựa chọn thiết bị đo dòng điện Có 2 phương pháp chính để tạo ra tín hiệu phản hồi dòng là sử dụng điện trở sun và sử dụng biến dòng. ở đây, dùng biến dòng với sơ đồ như sau: Hình 11: Sơ đồ lấy phản hồi dòng điện Trong sơ đồ trên, tín hiệu ra của các biến dòng là tín hiệu xoay chiều, sau khi qua hệ thống chỉnh lưu được biến đổi thành tín hiệu một chiều. Sau đó tín hiệu này được đưa vào mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Chương 5. tổng hợp mạch vòng điều chỉnh I.Mô tả động cơ: Tương tác qua dòng điện phần ứng và từ thông kích từ tạo ra mô men điện từ có giá trị: (1) Do mô men điện từ kéo cho phần ứng quay nên các dây quấn phần ứng quét trong từ thông và trong các dây quấn cảm ứng sức điện động. (2) Với động cơ một chiều: Mô hình chung: U(p)=Rư.Iư(p)+Lư.p.Iư(p)+E(p) UK(p)=RkIk(p)+Nk.p.f(p) Tư=Lư/Rư J:mô men quán tính của hệ quy đổi về trục động cơ Từ các phương trình trên ta xây dựng được sơ đồ cấu trúc của động cơ như hình vẽ. Thấy sơ đồ cấu trúc này phi tuyến mạnh trong tính toán ứng dụng ta mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc .Chọn điểm làm việc ổn định tuyến tính hoá đặc tính từ hoá và đặc tính mô men tải như sau: w -Mc Iu M K Kf -E U UK Hình 12: Sơ đồ cấu trúc động cơ Tại điểm làm việc xác lập ta có điện áp phần ứng Uo ,dòng điện tải Io,tốc độ quay wB , từ thông Fo,mô men tải MB. Các đại lượng biến thiên nhỏ xung quanh điểm làm việc DU(p),DI(p) Dw(p),DF(p),DMc(p). Mạch phần ứng: Uo+DU(p) = (Rư+Rkt)[Io+DI(p)]+p(Lư+Lkt)[Io+DI(p)]+K[Fo+DF(p)].[wB+Dw] Fo+DF(p)=C[Io+DI(p)] Phương trình chuyển động cơ học : K[Fo+DF(p)]. [Io+DI(p)]-[MB+DMc(p)]=J.p.[wB+Dw(p)] Bỏ qua các vô cùng bé bậc cao từ các phương trình trên ta có DU(p)-[KFoDw(p)+K.wB. DF(p)]=R. DI(p).(1+Tư.p) DF(p)=C. DI(p) K.Io. DF(p)+K.FoDI(p)- DMc=J.p. Dw(p) Sơ đồ cấu trúc được tuyến tính hoá theo các phương trình thu được như sau: DMc DIK DI DU Kf0 Kf0 B KI0 KwB KK DUK Df Hình 13: Sơ đồ cấu trúc đã được tuyến tính hoá II.Xác định các thông số của động cơ: Điện cảm phần ứng : wđm= Mô men quán tính : Quy đổi momen quán tính của tải và cơ cấu nâng về trục động cơ: V = 0,4(m/s) Momen quán tính của tải và cơ cấu nâng quy đổi về trục động cơ: Jm == 2,14(kg.m2) Momen quán tính của bánh răng quy đổi về trục động cơ lấy gần đúng: 0,05Jđ Mômen quán tính của hệ thống: J = Jm +Jbr + Jd = 2,14 +0,05.32,5+ 32,5 = 36,27 (kg.m2) Hằng số thời gian cơ học : (s) Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: = 56,16 – 0.0029M Phương trình đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: = 56,16 – 0.0114Iư III.Thiết kế hệ điều chỉnh Để đáp ứng được các chỉ tiêu công nghệ trong hệ điều khiển tự động truyền động điện của hệ truyền động , ta phải tổng hợp hai mạch vòng điều chỉnh: Mạch vòng điều chỉnh dòng điện – ổn định mômen Mạch vòng điều chỉnh tốc độ – ổn định tốc độ w Iđ I MC Rw S0w S0I RI Sơ đồ cấu trúc: Hình 14: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện và tốc độ Mạch vòng dòng điện: Mạch điều chỉnh dòng điện ( mạch vòng trong ) là mạch vòng cơ bản có tính chất quyết định tới chất lượng điều chỉnh của hệ thống vì mạch điều chỉnh dòng điện ảnh hưởng trực tiếp tới Mômen kéo của động cơ,gia tốc của động cơ…và chức năng bảo vệ hệ truyền động. Ta thấy hằng số thời gian cơ học Tc=0,284 (s) rất lớn so với hằng số thời gian điện từ của phần ứng động cơ Tư = 0,0275(s) nên ta có thể coi sức điện động của động cơ không ảnh hưởng tới quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện. Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh dòng điện: I -E Si Uiđ RI BĐ Hình 15: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Hàm truyền bộ biến đổi: Hằng số thời gian: Tđk= 0,001 (s) (chọn) Tvo=0,00167(s) Ti=0,001(s) Tư=0,018(s) Ts= Tđk+Tvo+Ti=0,001+0,00167+0,001=0,00367<<0,018=Tư Hàm truyền của mạch vòng dòng điện: áp dụng tiêu chuẩn tối ưu mô đun ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI: Tư=0,018(s) Ts=0,00367(s) Ui=0,9.Rd.i2=0,9.Rd.Iv/kbd=0,9.Rd.I.Ksd/Kbd=Ki.I Ksd=2,35 Kbd=148 ịKi=0,01428 Iư dòng điện phần ứng động cơ, Iư=700(A) Ti =0,001s (chọn) Hệ số khuếch đại của mạch điều khiển: Udo điện áp ra khâu chỉnh lưu Uđk điện áp mạch điều khiển Từ đó ta suy ra hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng: Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng dòng điện thu được là: Mc w Uwđ Rw Kfđm _ _ b.Mạch vòng điều chỉnh tốc độ Hình 17: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ Xác định các tham số của hàm truyền của Xensơ đo tốc độ: Coi gần đúng Uw=Kw.w Tw = 0,001 (s) (chọn) Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh: Trong đó: Tổng hợp mạch vòng tốc độ theo chuẩn tối ưu đối xứng : R(p)= Hàm truyền mạch hở sẽ là : F0(p)= . Từ F0(p) tìm được hàm truyền mạch kín F(p) đồng nhất F(p)với hàm chuẩn tối ưu đối xứng ta tìm được tham số của bộ điều chỉnh : T’=Ts thì To=8Ts=8.0,00367=0,02936 K==0,0231 R(p)= Hàm truyền : Ww(p)= Hình20: Đồ thị tốc độ Hình20: Đồ thị dòng điện Chương 6. thiết kế mạch điều khiển Nguyờn tắc thiết kế mạch điều khiển Nhiệm vụ của mạch điều khiển là tạo xung điều khiển để mở van vào những thời điểm thớch hợp. Vỡ vậy, khi thiết kế và tớnh toỏn mạch điều khiển ta quan tõm đến cỏc thụng số của van như dũng điện đi vào cực điều khiển, điện ỏp đặt lờn cực điều khiển, giới hạn gúc mở của van khi điều chỉnh. Ngoài ra, dũng điều khiển phải nhanh chúng đạt trị số cực đại để tăng độ chớnh xỏc của điều khiển và độ rộng đủ để dũng điện anot đạt tới giỏ trị duy trỡ. Trong đồ án này, ta phải xây dựng mạch điều khiển để điều khiển 2 bộ biến đổi chỉnh lưu cầu 3 pha làm việc độc lập. Mặt khác, để đảm bảo an toàn tránh trường hợp 2 bộ cùng dẫn đồng thời, tín hiệu điều khiển phải thoả mãn yêu cầu logic chặt chẽ. Sơ đồ khối nguyên lý của mạch điều khiển: b2 b1 i2L i1L t t3 t2 i t1 iLd Ed E Nguyên lý hoạt động: Tại một thời điểm chỉ xung phát vào cả 1 bộ biến đổi còn bộ kia bị khoá do không có xung điều khiển. Hệ có 2 bộ biến đổi là BĐ1 và BĐ2 với các mạch phát xung điều khiển tương ứng là FX1 và FX2, trật tự hoạt động của các bộ phát xung này được quy định bởi các tín hiệu logíc b1 và b2. Quá trình hãm và đảo chiều được mô tả bằng đồ thị thời gian. trong khoảng thời gian 0đ t1, BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc 1 < còn bộ biến đổi BĐ2 bị khoá. Tại t1 phát lệnh đảo chiều bởi iLđ, góc điều khiển 2 tăng đột biến đến lớn hơn p/2, dòng phần ứng giảm dần về 0, lúc này cắt xung điều khiển để khoá BĐ1, thời điểm t2 được xác địng bởi cảm biến dòng điện không SI1. Trong khoảng thời gian trễ t = t3 - t2 , BĐ1bị khoá hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu. Tại t3, sđđ động cơ E vẫn còn dương, tín hiệu logic b2 kích cho FX2 mở BĐ2 với góc 2 > p/2 và sao cho dòng điện phần ứng không vượt quá giá trị cho phép, động cơ được hãm tái sinh, nếu nhịp điệu giảm 2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngược không đổi, điều này được thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống. Trong sơ đồ, ta sử dụng 2 biến dòng điện Si1 và Si2 để lấy tín hiệu logic về dòng điện từ 2 bộ chỉnh lưu. Tín hiệu đầu ra của biến dòng i01 và i02 được đưa vào mạch logic LOG, cùng với tín hiệu logic il sẽ tạo tín hiệu đầu ra b1 và b2 cho phép mở hay khoá các bộ chỉnh lưu tương ứng. Sơ đồ nguyên lý mạch LOG : nguyên lý mạch LOG Trong đó: i01( i02 )=1 – có dòng điện chạy qua bộ 1(bộ 2) il = 1- phát xung điều khiển mở bộ 1 = 0- phát xung điều khiển mở bộ 2 b1,b2 tín hiệu khoá bộ 1, bộ 2 kt: tín hiệu báo mất kích từ II.Thiết kế mạch phát xung mở van Tài liệu tham khảo : Mục lục Trang Lời nói đầu 1 Chương1: Tổng quan công nghệ 2 Chương2: Tính toán công suất động cơ truyền động 9 Chương3: Phương án truyền động 13 Chương4: Tính toán mạch lực 20 Chương5: Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh 27 Chương6: Thiết kế mạch điều khiển 37 39 Tài liệu tham khảo