Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng của cầu trục 1

lực 28 I. Tính toán máy biến áp nguồn 28 II. Tính chọn các Tiritor cho mạch chỉnh lưu 29 III. Thiết kế nguồn cấp cho mạch kích từ 30 IV. Tính toán các thiết bị bảo vệ cho van 31 V. Chọn thiết bị đo tốc độ 33 VI. Chọn thiết bị đo dòng điện 34 Chương V. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh 36 I. Mô hình động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 36 II. Tổng hợp bộ điều chỉnh 37 III. Mô phỏng bằng MatLab-Simulink 41 Chương VI. Thiết kế mạch điều khiển 43 I. Nhiệm vụ của mạch điều khiển 43 II. Thiết kế bộ điều chỉnh dòng điện và tốc độ 45 Tài liệu tham khảo 50 Lời nói đầu Trong những năm gần đây, tốc độ phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực tự động hoá đã có tác động đáng kể đến sự sản xuất của xã hội loài người. Tự động hoá trong sản xuất với việc áp dụng những thành tựu công nghệ mới nhằm nâng cao năng xuất, hạ giá thành sản phẩm không những là yêu cầu bắt buộc mà hơn nữa còn được xem như một chiến lược đối với các nhà máy, xí nghiệp cũng như toàn bộ nền sản xuất công nghiệp của mỗi quốc gia. Trên góc độ kĩ thuật, một dây chuyền sản xuất tự động hoá được hình thành do sự phối hợp nhịp nhàng và có hiệu quả của nhiều công đoạn khác nhau. Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất, và do đó truyền động điện đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Những thành tựu trong lý thuyết truyền động đã ra đời và nhanh chóng được ứng dụng vào sản xuất để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Các hệ thống truyền động điện hiện đại không những đáp ứng được độ tác động nhanh, độ chính xác điều chỉnh cao mà còn có giá thành hạ hơn nhiều thế hệ cũ. Đối với các thày cô và sinh viên ngành tự động hoá của trường ĐH Bách Khoa Hà Nội, môn học truyền động điện và tổng hợp hệ điện cơ được xem là vấn đề trọng tâm trong giảng dạy, học tập và nghiên cứu. Sau một thời gian học tập môn truyền động điện và môn tổng hợp hệ điện cơ em được giao đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ với đề tài : ”thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng của cầu trục “ Nhiệm vụ thiết kế Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng của cầu trục. Thông số cho trước : -Tải trọng định mức : 30(Tấn) -Tốc độ nâng cực đại (có tải ) 0,25(m/s) -Tốc độ nâng cực đại (không tải ) 1,5(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) 10 -Đường kính culi(tời ) 0,7(m) Phương án thiết kế: sử dụng động cơ điện 1 chiều. 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 Nguyễn Thị 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 . Hà nội , ngày 24 tháng 06 năm 2004 Sinh viên thực hiện: Bùi Minh Tiến chương I: Tổng quan về công nghệ Cầu trục nói chung được sử dụng trong nhiều nghành kinh tế khác nhau như các phân xưởng lắp ráp cơ khí, xí nghiệp luyện kim, công trường xây dựng, cầu cảng... Chúng được sử dụng trong các nghành sản xuất trên để giải quyết các việc nâng bốc vận chuyển tải trọng, phối liệu, thành phẩm ... Có thể nói rằng, nhịp độ làm việc của máy nâng chuyển góp phần quan trọng, nhiều khi có tính quyết định đến năng suất của cả dây chuyền sản xuất ở các nghành nói trên. Vì vậy, thiết kế hệ truyền động cần trục ở cơ cấu nâng hạ cần phải tuân thủ chặt chẽ các quy trình kỹ thuật đồng thời cũng phải đảm bảo tính kinh tế. Trước khi đi vào thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng-hạ cầu trục, trong chương này ta đi tìm hiểu một số đặc điểm công nghệ cùng với việc phân tích những nét chính trong yêu cầu truyền động cầu trục. 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. Nội dung của đồ án là thiết kế hệ truyền động cho riêng cơ cấu nâng hạ. Để có thể đưa ra những phương án hợp lý cho hệ truyền động cơ cấu nâng hạ, 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. 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. 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 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. 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 0,5 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. 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%. 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. Đối với cơ cấu nâng-hạ thì chỉ cần hạn chế hành trình lên mà không cần hạn chế hành trình hạ. 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, 440V. 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. Năng suất của máy nâng quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị và chu kỳ bốc, xúc trong một giờ. Số lượng hàng bốc xúc trong mỗi chu kỳ không như nhau và nhỏ hơn tải định mức, cho nên phụ tải đối với động cơ chỉ đạt (60 á 70%) công suất định mức của động cơ. Trên đây là một số những đặc điểm và yêu cầu cơ bản nhất của cơ cấu nâng hạ cần trục. Quá trình thiết kế sau này sẽ đi sát vào các đặc điểm đó. Đặc tính cơ của phụ tải. Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là loại phụ tải thế, có trị số không đổi, không phụ thuộc vận tốc và chiều quay của động cơ. Khi nâng tải momen thế năng có tác dụng cản trở chuyển động, có hướng ngược với chiều quay của động cơ. Khi 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: H1.1. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ Nhận xét: 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 cầu 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. Khi đó, muốn hạn chế và điều chỉnh tốc độ, ta phải sử dụng các phương tiện nhất định. Tính toán cơ cấu nâng hạ 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. Sơ đồ cơ cấu nâng hạ như sau: H1.2. Sơ đồ cơ cấu nâng-hạ cần trục Các thông số: bội số u; hiệu suất hP ; bộ truyền trung gian có tỷ số truyền chung là i và hiệu suất h0. Sau đây ta sẽ khảo sát các đặc tính phụ tải khi nâng và hạ tải trọng. 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. Phụ tải tĩnh khi nâng tải. Vận tốc nâng: vn Lực căng của các nhánh dây nếu không tính mất mát: T0’ = T1’ = T2’ = ẳ = Thực tế, do có các lực cản phụ nên: Momen do vật nâng gây ra trên tang: Momen trên trục cuối cùng của bộ truyền trung gian là: , ht: là hiệu suất của tang. Tương tự, momen trên trục II sẽ là; và momem trên trục I: Tổng quát: 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 các công thức (1), (2) thì: 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) dễ dàng 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 ta có trạng thái hạ hãm; còn nếu Mt < DM ta có 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) Tổng kết các công thức cần thiết dùng trong tính toán cơ cấu nâng-hạ: Từ phân tích đặc điểm công nghệ của cơ cấu cần trục nâng-hạ, ta nhận thấy chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng thường bao gồm các giai đoạn: Hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Giữa các gia đoạn đó có những thời gian nghỉ. Dựa vào nhiệm vụ cụ thể của cơ cấu mà xác định chu kỳ làm việc. Dưới đây xin tổng kết lại các công thức cần thiết trong tính toán cơ cấu này. Giai đoạn hạ không tải: (N.m) (kW). Giai đoạn nâng có tải: (N.m); (kW) Giai đoạn hạ có tải: (N.m) (kW) Giai đoạn nâng không tải: (N.m) (kW) Chương ii: Tính toán công suất động cơ truyền động Tính Chọn sơ bộ công suất động cơ truyền động. Tiêu chuẩn chọn động cơ Để chọn động cơ cho cơ cấu nâng hạ ta phải xác định công suất( hay momen) đẳng trị, dựa vào các công thức sau: Momen đẳng trị: (2.1) Công suất đẳng trị: (2.2) Trong đó Mi, Pi, ti là momen, công suất và thời gian làm việc của trạng thái thứ i trong 1 chu kì làm việc. Xây dựng biểu đồ phụ tải Theo kết quả phân tích ở trên, chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng-hạ thường gồm 4 giai đoạn: hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Mô men động cơ 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 .Ta tính theo biểu thức : K= Dựa vào đồ thị quan hệ phụ thuộc ηc theo tải trọng (Tr.10-Trang bị điện-điện tử-NXB giáo dục) ta có ηc=0,24 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=12(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=5 phút TĐ%= Đồ thị phụ tải : H2.1.Đồ thị phụ tải của động cơ 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 động cơ một chiều kích từ độc lập 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 Dòng điện kích từ định mức :6,3(A) 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 Việc tính chọn công suất động cơ ở trên là việc tính chọn sơ bộ, vì ở đó ta bỏ qua giai đoạn mở và hãm máy. Để có thể khẳng định chắc chắn loại động cơ với các thông số ở trên có đáp ứng được yêu cầu truyền động hay không ta cần phải tiến hành kiểm tra lại theo: điều kiện phát nóng, điều kiện khởi động và điều kiện quá tải về momen. Kiểm tra điều kiện phát nóng: Việc kiểm tra động cơ theo điều kiện phát nóng là khó khăn vì không thể tính toán phát nóng động cơ 1 cách chính xác. Tuy vậy, người ta thường sử dụng các phương pháp tính gần đúng để kiểm tra điều kiện phát nóng thông qua các đại lượng điện. Có nhiều phương pháp kiểm tra khác nhau. ở đây, ta dùng phương pháp momen đẳng trị. Công thức kiểm tra: Mđc ≥ Mđt Theo tính toán ở trên Mđt= 1767,35Nm, Mđm= 2325Nm. Như vậy, động cơ thoả mãn điều kiện phát nóng. Kiểm nghiệm điều kiện khởi động và quá tải về momen: Điều kiện khởi động: Mkđ ≥ Mcmm Động cơ đã chọn phải thoả mãn điều kiện khởi động tức là động cơ có thể sinh ra momen khắc phục momen tải lúc mở máy mà không bị quá tải( dòng điện phần ứng không quá 2-2,5Iđm). Do tính chất tải của ta không thay đổi theo tốc độ nên nếu động cơ đã thoả mãn điều kiện làm việc bình thường thì nó cũng thoả mãn điều kiện lúc khởi động. Điều kiện quá tải về momen: Theo tính toán ở phần I, momen cản lớn nhất khi nâng tải Mcmax=2500Nm. Mặt khác Mđm = 2325Nm, như vậy ở điều kiện quá tải cực đại, động cơ phải làm việc với hệ số quá tải là : k= Như vậy động cơ đã chọn thoả mãn các điều kiện phát nóng và điều kiện quá tải về momen. Chương iii: Chọn phương án truyền động Phân tích để chọn phương án truyền động Việc chọn phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động là một chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tính tải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động. 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. Trong khuôn khổ đồ án này em được giao thiết kế theo phương án hệ truyền động động cơ điện một chiều dùng chỉnh lưu Thyristor. Nên ở đây em chọn động cơ điện một chiều kích từ độc lập. 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 : Điều chỉnh điện áp cấp 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 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 xung áp -động cơ(XA) 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: H3.1. Sơ đồ đảo chiều dòng điện 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 Phương án dùng 1 BBĐ chỉnh lưu có điều khiển kết hợp với các contắctơ đóng cắt H3.2. Sơ đồ đổi nối mạch phần ứng dùng contắctơ Hiện nay người ta ít sử dụng sơ đồ này do giá thành của contắctơ cao hơn các thiết bị bán dẫn. Sơ đồ dùng 2 bộ biến đổi điều khiển chung: H3.3.Sơ đồ dùng 2 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. Sơ đồ dùng 2 BBĐ điều khiển riêng. H3.4.Sơ đồ dùng 2 BBĐ đảo chiều 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 được 1 bộ mở nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn cấp, quá trình đảo chiều diễn ra chậm. Chọn sơ đồ: 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. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng : Sơ đồ: H3.5.Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ: (khi không xét đến trùng dẫn) Điện áp 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 H3.6.Sơ đồ mạch lực của cơ cấu nâng hạ cầu trục Chương iV: Tính toán mạch lực Tính toán máy biến áp nguồn Máy biến áp biến đổi điện áp nguồn để cấp cho mạch phần ứng động cơ. ở đây ta dùng loại máy biến áp 3 pha 3 trụ đấu kiểu ∆/Y, làm mát bằng không khí tự nhiên. Công suất biểu kiến của MBA: Sba=Ks.Pdmax= Ks .=1,05. Trong đó: Sba là công suất biểu kiến của BA Pdmax là công suất cực đại của động cơ Ks là hệ số công suất phụ thuộc sơ đồ mạch lực. Đối với chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng k=1,05 Phương trình cân bằng áp khi có tải: γUdo .cos amin =Ud +2. DUv +DUdn + DUba Trong đó: amin =120 là góc mở nhỏ nhất của van, αmin=120 DUv =1,6 (V) là sụt áp trên Thyristor DUdn 0 là sụt áp trên dây nối DUba = DUr + DUx là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp . Chọn sơ bộ: DUba =6% .Ud =6% .400 = 24 (V) Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có: Ud0 ===433,79 (V) Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp: U2= ==185,45 (V) 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, nên ta chọn =120 Iưmax: dòng cực đại phần ứng động cơ . Chọn Iưmax=2,2. Iưdm=2,2.700=1540(A) Tổng sụt áp trên van . Mỗi thời điểm chỉ có hai dẫn nên =2Uv=2.1,6=3.2(V) Eưđm=Uưđm-IđmRư=220-0,0447.700=188,71(V) Sụt áp cực đại do trùng dẫn Uymax : có Idđm=Iưđm =700(A) ị Uymax =2,2. Uyđm=2,2.Udo.Uk.Yy với Uk là điện áp ngắn mạch (%) Uk(%)=5% ịUk=0,05 và Yy=DUy/DUk%=0,5(tra bảng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha ) Vậy: Udo= 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= Công suất định mức BAN: SBAN=1,05.Udo.Idđm=1,05.303.700=222,71 (KVA) Sau khi tính toán MBA và cuộn kháng lọc ta suy ra các thông số của mạch động cơ: R, L - Điện trở và điện cảm trong mạch: R= 2.Rba+Rư+Rk L= 2.Lba+Lư+Lk Trong đó: Rba,Lba là điện trở và điện kháng của máy biến áp qui đổi về thứ cấp: Rba=R2+R1. Lba=L2+L1.. Rk, Lk là điện trở và điện kháng cuộn lọc . Tính chọn các tiristor trong các mạch lưu chỉnh: Tra sổ tay ta tính được các thông số sau Dòng trung bình qua mỗi tiristor IT=Idđm =.700=233,33(A) dòng cực đại qua mỗi tiristor ITM=Idmax=.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=1,6 và Ki=1,2 Vậy tiristor phải chịu được điện áp ngược cực đại là Ung =1,6.182,24=291,6(V) Chịu được dòng trung bình khi dẫn IT=1,2. 233,33=279,96(A) Chọn 12 thyristor loại C184C có các thông số như sau: Unmax= 300(V) Iđm = 300(A) Ipik = 3500(A) Igmax= 300 (mA) Ugmax=3(V) Ih= 500(mA) Ir = 20(mA) ∆U = 2,8(V) dU/dt=200(V/s) tcm=10(μs) Tmax=1250C Tính điện cảm phần ứng Lưằ (H)(truyền động điện trang 273) Trong đó : KL=1.4-1.8(có máy bù ) chọn KL=1.8 Uưđm=220(V) ; Iưđm=700(A) Zp=2 và n=460(vòng /phút ) ị Lư==0,615(mH) Tính cuộn kháng lọc Theo kinh nghiệm chọn Lcb=Lư=0,615(mH) Thiết kế nguồn cấp cho mạch kích từ động cơ Ta dùng mạch cầu 3 pha Diot . 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 113,9 (V) Tính chọn biến áp kích từ BAKT: BAKT đấu theo kiểu D/Y.Điện áp lưới UL=380 (V) ị Tỉ số biến áp KBAKT= Dòng điện hiệu dụng thứ cấp BAKT : I2=Id=.6,3ằ5,14 (A) Dòng hiệu dụng sơ cấp BAN I1= Công suất định mức BAKT: SBAKT=1,05.Udo.Idđm=1,05.153,72.6,3=968 (VA) Tra sổ tay ta chọn máy biến áp tiêu chuẩn có Sđm=1000(VA) Chọn diot mạch lưu chỉnh: Ta chọn 6 điốt loại 10 RIA20 có các thông số: Un=200V Idm=10A U=1,6 V tmax=125oC 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. Giá trị nhiệt độ này thường từ 800 –1000( bán dẫn GE) và 1250-2000C(bán dẫn SI). Loại van mà ta chọn có nhiệt độ cho phép là 1250C. Công suất tổn hao: ∆P=∆U.Ihdv trong đó: ∆P : công suất tổn hao trên van ∆U: điện áp rơi trên van khi dẫn( 2,8V) Ihdv: dòng điện hiệu dụng chạy qua van, Ihdv=233,33(A) Vậy: ∆P=2,8.233,33=653,24(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=1,2.I1=1,2.112=134,4(A) chọn IATđm=150(A) UATdm=220(V) Dũng điện quỏ tải: Iqt=1,5. I1=1,5.112= 168(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 : I1CC=1,1.I2=1,1.541,55=628,7(A) chọn I1CC=640(A) Nhóm 2CC : dòng điện định mức: I2CC=1,1.Iđmv=1,1.300=330(A) chọn I2CC=340(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=10(W), C=0,3(mF) 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 . Uω ω R C Rt Sơ đồ: H4.1. 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. 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. 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) 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, ta sử dụng biến dòng xoay chiều đo điện áp 3 pha phía đầu vào bộ biến đổi : H4.2.Mạch đo dòng xoay chiều 3 pha 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 V: tổng hợp mạch vòng điều chỉnh Mô hình động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập: Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập là một khâu phi tuyến mạnh. Vì vậy, trong tính toán ứng dụng ta sử dụng mô hình tuyến tính hoá quanh điểm làm việc. Tại điểm làm việc xác lập ta có điện áp phần ứng Uo ,dòng đ._.