Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục 20 tấn

Hệ truyền động xoay chiều 9 2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor 9 2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số 10 2.2.2.1 Nguyên lý điều chỉnh tần số 10 2.2.2.2 Các loại biến tần 10 Chương III.Tính chọn công suất động cơ 3.1 Tính chọn công suất động cơ 13 3.2 Tính phụ tải tĩnh 13 3.3 Tính hệ số tiếp điện tương đối TĐ% 14 3.4 Chọn sơ bộ công suất động cơ theo hệ số tiếp điện tương đối 14 3.5 Kiểm nghiệm công suất động cơ 14 Chương IV.Tính toán mạch lực 4.1 Tính toán bộ nghịch lưu 17 19 4.2 Tính toán bộ chỉnh lưu 18 4.3 Tính toán các tham số cho tổng hợp 18 4.4 Tính các thiết bị đo 20 4.4.1 Máy phát tốc 20 4.4.2 Phản hồi dòng 20 Chương V.Tổng hợp hệ điều chỉnh 5.1 Luật điều chỉh từ thông không đổi 22 5.2 Sơ đò cấu trúc và khai triển mạch vòng dòng điện 24 5.3 Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 25 5.4 Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá 27 5.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 28 5.6 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 29 Chương VI.Thiết kế nguyên lý mạch điều khiển 6.1 Mạch điều khiển chỉnh lưu 35 6.2 Mạch điều khiển nghịch lưu 36 6.3 Các mạch bảo vệ 41 Kết luận 42 Tài liệu tham khảo 42 lời nói đầu Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưa lại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá của mỗi đất nước.Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp.Là một nước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm vụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng manh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới. Từ trước đến nay cầu trục luôn được sử dụng phổ biến trong các nhà máy xí nghiệp, kho, bến bãi, hải cảng ... Nhưng để đưa ra giải pháp điều khiển giúp tối ưu cho các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền động cầu trục thì ta cần quan tâm mấy điểm sau đây: Động cơ không đồng bộ ba pha thuộc loại động cơ được sử dụng rộng rãi hơn động cơ một chiều vì có giá thành rẻ, vận hành an toàn sử dụng trực tiếp lưới điện công nghiệp. Mặt khác, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật vi điện tử đã tăng khả năng sử dụng động cơ điện KĐB ba pha ngay cả khi yêu cầu cần điều chỉnh tự động truyền động trong phạm vi rộng có độ chính sác cao mà trước đây phải dùng động cơ điện một chiều. Điều này càng đặc biệt có ý nghĩa khi hệ thống làm liệc trong mối trường có hoá chất ăn mòn, bịu bẩn, cháy nổ. Trong môi trường này sử dụng động cơ KĐB rotor lồng sóc sẽ an toàn và tin cậy hơn nhiều.so với động cơ một chiều. Mặt khác phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc bằng cách thay đổi tần số dòng điện stator có ưu điểm nổi bật so với phương pháp khác là: Tốc độ được điều chỉnh trong phạm vi rộng Độ cứng đặc tính cơ đảm bảo yêu cầu Do đó ta thiết kế đồ án với hệ truyền động bằng bộ biến tần nguồn dòng có các nhiệm vụ chính là: -Giới thiệu về công nghệ của cầu trục. -Tổng hợp hệ thống( bao gồm tổng hợp mạch vòng tốc độ và mạch vòng dòng điện) -Thiết kế mạch điều khiển cho hệ truyền động. Trong quá trình tính toán thiết kế còn sử dụng phần mềm mô phỏng Simulink, là phần mềm có tính năng rất mạch trong việc mô phỏng các hệ truyền động điện. Qua một thời gian tương đối ngắn với số lượng công việc cũng đáng kể do đó đồ án này chắc chắn còn có những thiếu sót, với sự nổ lực của bản thân em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo. Hà Nội, ngày 28 tháng 6 năm 2002 Sinh viên thực hiện Phạm Gia Điềm Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Bộ môn Tự Động Hoá thiết kế môn học truyền động điện Tên đề tài: Thiết kế môn học truyền động điện. Nội dung: Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục 20 tấn Số liệu kỹ thuật: Tải trong định mức của tải Gđm = 20 Tấn Tải trọng định mức của cẩu G0 = 1 Tấn Bán kính tay nâng Rt = 0,4 m Bội số của hệ thống ròng rọc u = 1 Tỉ số truyền i = 75 Hiệu suất cơ cấu truyền động hc = 0,82 Thầy giáo hướng dẫn: PGS-PTS Bùi Quốc Khánh Sinh viên thực hiện: Phạm Gia Điềm Lớp: Tự Động Hoá 3_K43 Chương I Đặc điểm công nghệ và yêu cầu chuyển động Giới thiệu cầu trục: Cầu trục điện được sử dụng trong nhiều ngành kinh tế khác nhau như các nhà máy cơ khí, xí nghiệp luyện kim, công trường xây dựng, hải cảng, kho bãi … Nó bao gồm nhiều loại, nhiều kiểu khác nhau: Loại mono ray, loại cầu trục chạy trên dầm treo, loại cầu trục chạy trên nhà xưởng, loại cổng trục, loại cầu trục quay, loại cầu trục không cần ray chạy… Theo một số loại palang Palăng một tốc độ: Loại tiêu chuẩn 0,5 á 15 tấn Loại thân ngắn 1 á 3 tấn Loại dầm đôi 3 á 50 tấn Palăng hai tốc độ: Loại tiêu chuẩn 0,5 á 15 tấn Loại thân ngắn 1 á 3 tấn Loại dầm đôI 3 á 50 tấn Cấu tạo đơn gian một cầu trục gồm có: Palăng, móc treo tải, dầm trục chính, đường ray, bảng điều khiển, ray chạy dọc… 1.2 Đặc điểm công nghệ: Cầu trục thường có ba chuyển động chính: Chuyển động nâng hạ( của bộ phận nâng tải ) chuyển động ngang của xe cần. Các động cơ đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Số lần đóng cắt điện lớn, điều kiện môi trường nặng nề, đặc biệt là cầu trục ngoài trời, hải cảng trên mặt nước, ở các nhà máy hoá chất và luyện kim. Các thiết bị điện cầu trục phải đảm bảo yêu cầu năng suất, an toàn và đơn giản đảm bảo yêu cầu về năng suất an toàn và đơn giản trong các thao thác. Các động cơ chuyển động phải có khả năng đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng và có các đặc tính cơ bản thoả mãn yêu cầu công nghệ VD: Các cầu trục lắp ráp phải thoả mãn yêu cầu về dờng chính xác nên đòi hỏi các đường đặc tính cơ cứng có đường đặc tính cơ thấp có nhiều đường đặc tính trung gian để mở và hãm êm. Việc điều chỉnh tốc độ các cơ cấu đều thực hiện bằng phương pháp điện. Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện điện từ để giữa chặt các trục chuyển động khi động cơ mất điện ở các cầu trục di chuyển kim loại nóng chảy để an toàn người ta dùng phanh hãm điện từ trên trục động cơ. Mạng điện cung cấp cho trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều: 220V, 380V, mạng điện một chiều là 220V, 440V. Điện áp chiếu sáng không vượt quá 220V, điện áp sửa chữa phải nhỏ hơn 36V. Không được dùng máy biến áp tự ngẫu để cung cấp điện cho mạch chiếu sáng và sửa chữa. Các mạch điện và các động cơ phải được bảo vệ ngắn mạch và quá tải trên 200% bằng rơ le dòng điện cực đại. Không dùng rơle nhiệt vì các động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Trong việc không chế phải bố trí khâu bảo vệ không để động cơ tự khởi động khi điện áp lưới tợ phục hồi. Để đảm cho người và thiết bị vận hành trong sơ đồ khống chế phải có công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi lên vị trí giới hạn ( Đối với cơ cấu nâng chỉ hạn chế hành trình nâng mà không cần hạn chế hành trình hạ ). Gia tốc của cầu trục là một thông số hết sực quan trọng. Hầu hết cầu trục có hạn chế gia tốc. ở bộ phận nâng hạ cầu trục có yêu cầu hạn chế gia tốc. ở bộ phận nâng hạ cầu trục gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chịu đựng phụ tải động cơ của cơ cấu. VD: đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục gia tốc phải nhỏ hơn 0,2 để không bị giật đứt dây cáp. 1.3 Yêu cầu công nghệ: a. Đặc tính tải: Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là phụ tải thế năng. Động cơ cho truyền động nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Có đảo chiều. b. Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động: Đối với truyền động nâng hạ tải gia tốc khởi động nhỏ nhất là tkđ 5v (s) với v - tốc độ nâng tải (m/s) Thời gian hãm cũng được tính tương tự như trên c. Yêu cầu về hàm và dừng khẩn cấp: Sử dụng phanh hãm để hạn chế tốc độ khi chuẩn bị dừng và khi mất điện phanh hãm phải dừng truyền động ở hiện trạng tránh rơi tự do. Dừng chính xác tại nơi lấy và trả tải. d. Độ chính xác: Dải điều chỉnh tốc độ e. Những yêu cầu khác: Vấn đề tính chọn công suất động cơ. Đảm bảo chiều quay Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trước động cơ không bị đốt nóng quá mức. Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy định Không cho phép tăng công suất động cơ lên quá lớn: Tăng công suất lên quá lớn làm cho tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu nâng hạ) có thể dẫn tới tải bị giật mạch và có thể đứt dây treo. Tăng vốn đầu tư ban đầu. Phải thiết kế để cơ cấu làm việc an toàn ở chế độ nặng nề nhất. Các thiết bị cầu trục phải đảm bảo làm việc an toàn ở điện áp bằng 85% điện áp định mức. Khi không có tải trọng (không tải) mô men của động cơ không vượt quá (15á20)% Mđm, đối với cơ cấu nâng của cầu trục gầu ngoạm đạt tới 50% Mđm, đối với động cơ di chuyển xe con bằng (50á55)% Mđm. Chương ii Lựa chọn phương án truyền động Chọn phương án truyền động là chọn phương pháp điều chỉnh động cơ của cầu trục là tối ưu nhất đảm bảo mọi yêu cầu về công nghệ của cầu trục. Cầu trục làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, có đảo chiều quay. Động cơ dùng cho cầu trục có thể là động cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều. ở đây ta đưa ra các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ. 2.1 Hệ truyền động điện một chiều: 2.1.1 Hệ chuyển động máy phát - động cơ điện(F-Đ): Trong hệ thông F-Đ nguồn cấp cho phần ứng động cơ là bộ biến đổi máy điện (máy điện một chiều kích từ độc lập) Động cơ Đ truyền động máy sản xuất MSX được cấp điện phần ứng từ máy phát F. Động cơ sơ cấp kéo máy phát F với tốc độ không đổi là động cơ điện không đồng bộ ĐK. Động cơ ĐK cũng kéo luôn máy phát kích từ K để cấp điện áp cho động cơ Đ và máy phát F. Biến trở Rkk dùng để điều chỉnh dòng kích từ của máy phát tự kích K nghĩa là để điều chỉnh điện áp phát ra cấp cho các cuộn kích từ nmáy phát KTF và cuộn kích từ động cơ KTĐ. Biến trở RKF dùng để điều chỉnh dòng kích từ máy phát F do đó điều chỉnh điện áp phát ra của máy phát F đặt vào phần ứng động cơ Đ. Biến trở RKĐ dùng để điều chỉnh dòng kích từ động cơ, do đó thay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi tờ thông. Phương trình đặc tính cơ của hệ F-Đ Ưu điểm: Phạm vi điều chỉnh tăng lên. Điều chỉnh tốc độ bằng phẳng trong phạm vi điều chỉnh. Việc điều chỉnh tiến hành trên các mạch kích từ nên tổn hao nhỏ. Hệ điều chỉnh đơn giẩn. Trạng thái làm việc linh hoạt khả năng quá tải lớn. Có thể thực hiện hãm điện. Nhược điểm: Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp (không quá 75%), cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây ồn lớn. Công suất đặt máy lớn. Vốn đầu tư ban đầu cao. Điều chỉnh sâu bị hạn chế. 2.1.2 Hệ truyền động chỉnh lưu - động cơ (T-Đ) Hệ truyền động T-Đ là hệ truyền động cơ điện một chiều kích từ độc lập, điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc đặt vào phần cảm của động cơ thông qua các bộ BĐ chỉnh lưu thyristor Ưu điểm: Hệ thống T-Đ có khả năng điều trơn ( j ~ 1) và phạm vi điều chỉnh rộng ( D ~ 102 á 103 ). Hệ có độ tin cậy cao quán tính nhỏ hiệu suất lớn không gây ồn. Nhược điểm: hệ T-Đ là trị số cosj thấp, nhất là khi điều chỉnh sâu. Dòng điện chỉnh lưu có biên độ đạp mạch cao, gây ra tổn hao phụ trong động cơ và có thể sấu điện áp nguồn. 2.2 Hệ thống truyền động xoay chiều: 2.2.1 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách thay đổi điện trở mạch rotor: Động cơ KĐB có thể điều chỉnh tốc độ KĐB bằng cách điều chỉnh điện trở mạch rotor, trong mục này chúng khảo sát việc thực hiện điều chỉnh trơn điện trở mạch rotor bằng các van bán dẫn, ưu thế của phương pháp này là dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Điện trở trong mạch rotor động cơ KĐB Rr = Rrd+Rf Trong đó Rrd điện trở dây quấn rotor Rf điện trở ngoài mắc thêm vào rotor Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rotor thì mômen tới hạn của động cơ KĐB không thay đổi và độ trượt tới hạn thì tỷ lệ bậc nhất với điện trở. Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ KĐB tức là đoạn có độ trượt từ s = 0 tới s = sth là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết0 Trong đó s là độ trượt khi điện trở mạch rotor là Rr si là độ trượt khi điện trở mạch roto là Rrd Nếu giữ dòng điện rotor không đổi thì mômen cũng không đổi và phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì thế mà có thể ứng dụng phương pháp điều chỉnh điện trở mạch rotor cho truyền động có mômen tải không đổi Mạch điều khiển gồm điện trở Ro nối song song với khoá bán dẫn T1. Khóa T1 sẽ được đóng ngắt một cách chu kỳ để điều chỉnh giá trị điện trở trung bình của toàn mạch. Khi T1 đóng điện trở Ro bị loại ra khỏi mạch dòng điện rotor tăng lên. Khi T1 ngắt điện trở Ro lại được đưa vào mạch dòng điện rotor lại giảm xuống. Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ có điện cảm L mà dòng điện rotor coi như không đổi và có một giá trị điện trở tương đương Re trong mạch. Thời gian ngắt tn = T-tđ Nếu điều chỉnh trơn tỉ số giữa thời gian đóng và thời gian ngắt ta điều chỉnh trơn giá trị điện trở trong mạch rotor Điện trở tương đương trong mạch 1 chiều tính đổi về mạch xoay chiều ở rotor theo qui tắc bảo toàn công suất tổn hao trong mạch rotor. Cơ sở để tính tổn hao công suất là như nhau. Khi dùng chỉnh lưu cầu ba pha thì điện trở tính đổi là: Khi có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng dược đặc tính cơ theo phương pháp thông thường, họ đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf = 0,5Ro Để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen có thể nối tiếp điện trở Ro với một tụ điện có điện dung đủ lớn. Ưu điểm: Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, có khả năng điều chỉnh trơ tốc độ. Nhược điểm: Chỉ sử dụng được với yêu cầu không cao về điều chỉnh tốc độ, chỉ thích hợp với tải có mô men không đổi, tổn hao trên điện trở lớn. 2.2.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng phương pháp tần số: Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi tần nguồn áp, cho phép mở rộng phạm vi sử dụng động cơ KĐB trong nhiều ngành công nghiệp. Nó cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều nói chung và động cơ KĐB nói riêng. Trước hết chúng ta ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc như các truyền động của nhóm máy dệt, băng tải, bánh lăn ... phương pháp này còn được ứng dụng cho cả các thiết bị đơn lẻ nhất là những cơ cấu có yêu cầu tốc tốc độ cao như máy ly tâm, máy mài. Đặc biệt là hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách biến đổi nguồn cung cấp sử dụng cho động cơ KĐB rotor lồng sóc sẽ có kết cấu đơn giản vững chắc giá thành hạ có thể làm việc trong nhiều môi trường Nhược điểm cơ bản của hệ thống này là mạch điều khiển rất phức tạp. Đối với hệ thống này động cơ không nhận điện từ lưới chung mà từ một bộ biến tần. Bộ biến tần này có khả năng biến đổi tần số và điện áp ra một cách độc lập với nhau. Trong phần này đề cập đến hai nội dung: Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số và các loại biến tần dùng trong hệ truyền động biến tần - động cơ KĐB 2.2.2.1 Nguyên lý điều chỉnh tần số: Nguyên lý điều chỉnh tốc độ động cơ KĐB bằng cách biến đổi tần số fi của điện áp stato được rút ra từ biểu thức xác định động cơ KĐB ws = 2.p.fs Vậy sức điện động của dây quấn stato của động cơ tỷ lệ với tần số ra và từ thông: Es = C.f.fs Mặt khác nếu bỏ qua độ sụt áp trên tổng trở dây quấn stato tức coi Vậy đồng thời với việc điều chỉnh tần số ta phải điều chỉnh cả điện áp nguồn cung cấp. Từ công thức trên ta thấy khi điều chỉnh tần số mà giữ nguyên điện áp nguồn Us không đổi thì từ thông động cơ sẽ biến thiên *Khi Ưs giảm từ thông f của động cơ lớn lên làm cho mạch từ bão hoà và dòng điện từ hoá lớn lên. Do các chỉ tiêu năng lượng xấu đi và đôi khi nhiều động cơ còn phát năng lượng quá mức cho phép. *Khi Ưs tăng từ thông f của động cơ giảm xuống và nếu mômen phụ tải không đổi thì theo biểu thức M = k.f.I.n.cosf ta thấy dòng điện rotor Ir phải tăng lên.Vậy trong trường hợp này dây quấn động cơ chịu quá tải còn lõi thép thì phải non tải. Ngoài ra cũng vì lý do trên mômen cho phép và khả năng quá tải của động cơ giảm xuống. Vì vậy để tận dụng khả năng động cơ một cách tốt nhất là khi điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp biến đổi tần số người ta còn phải điều chỉnh cả điện áp và dòng điện theo hàm của tần số và phụ tải Việc điều chỉnh này chỉ theo hàm của tần số có đặc máy sản xuất có thể được thực hiện trong hệ kín. Khi đó nhờ các mạch hồi tiếp điện áp ứng với một tần cho trước nào đó sẽ biến đổi theo phụ tải Yêu cầu chính đối với đặc tính của truyền động điều chỉnh tần số đảm bảo độ cứng đặc tính cơ và khả năng quá tải trong toàn bộ dải điều chỉnh tần số và phụ tải ngoài ra còn có thể có vài yêu cầu về điều chỉnh tối ưu trong chế độ tĩnh 2.2.2.2 Các loại biến tần : Gồm hai loại: Biến tần trực tiếp Biến tần gián tiếp Biến tần trực tiếp: Điện áp vào BT có điện áp U1 và tần số f1 chỉ qua một mạch van là ra ngay tải với tần số f2,U2. Đặc điểm: Hiệu suất biến đổi năng lượng cao do chỉ có một lần biến đổi điện năng .Thực hiện hãm tái sinh năng lượng mà không cần mạch điện phụ. Hệ số công suất thấp,tần số đIều chỉnh bị giới hạn trên bởi tần số nguồn cung cấp.Thường dùng cho hệ truyền động công suất lớn,tốc độ làm việc thấp. Biến tần gián tiếp: Biến tần nguồn áp: Đặc điểm là điện áp ra trên tải được định hình sẵn còn dạng dòng điện tải lại ít phụ thuộc vào tính chất tải .Việc điều chỉnh tần số điện áp ra trên tải được thực hiện dễ dàng bằng điều khiển qui luật mở van của phần nghịch lưu .Phương pháp điều khiển này thay đổi dễ dàng tần số mà không phụ thuộc vào lưới Biến tần nguồn dòng : Sơ đồ đơn giản, làm việc tin cậy, đã từng được sử dụng rộng rãi để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều 3 pha, rotor lồng sóc. Sơ đồ gồm một cầu chỉnh lưu và một cầu biến tần, mỗi tiristor được nối tiếp thêm một một điôt gọi là điôt chặn. Tóm lại: Qua phân tích ở trên ta phương án điều khiển Động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc bằng biến tần. Chương iiI Tính chọn công suất động cơ Sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ 7 1 2 3 4 Fcáp 5 6 G G0 3.1 Các thông số của hệ thống: Tải trong định mức của tải Gđm = 20 Tấn Tải trọng định mức của cẩu G0 = 1 Tấn Bán kính tay nâng Rt = 0,4 m Bội số của hệ thống ròng rọc u = 1 Tỉ số truyền i = 75 Hiệu suất cơ cấu truyền động hc = 0,82 Chọn vận tốc nâng: vnâng = 15 m/phút = 0,25 m/s 3.2 Tính phụ tải tĩnh: Tỷ số truyền: Mômen khi nâng không tải (= 0,258) Mômen khi hạ không tải Mômen trên trục động cơ khi nâng tải định mức: Mômen trên trục động cơ khi hạ với tải bằng định mức = 87 kGm = 850 N.m Mômen hạ không tải < 0 có nghĩa là cơ cấu làm việc ở chế độ hạ động lực. 3.3 Tính hệ số tiếp điện tương đối TĐ%: Khi tính toán hệ số tiếp điện tương đối ta có thể bỏ qua thời gian mở máy và hãm máy. Chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ bao gồm 4 giai đoạn chính: Hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Giữa các giai đoạn trên còn có thời gian nghỉ. Giả thiết tốc độ làm việc và chiều cao nâng hạ trong các giai đoạn như sau: Giả sử vận tốc xe cầu là 100m/phút và giả thiết lấy tải từ đầu phân xưởng đến cuối phân xưởng. => => Hệ số tiếp điện tương đối. 3.4 Chọn sơ bộ công suất động cơ theo hệ số tiếp điện tương đối: Chọn sơ bộ công suất động cơ theo phụ tải đẳng trị kết hợp với hệ số tiếp điện tương đối: Công suất động cơ chọn sơ bộ sẽ là: Công suất quy đổi tương đối ứng với hệ số tiếp điện chuẩn 25% 3.5 Kiểm nghiệm công suất động cơ: Từ công suất chọn sơ bộ ta chọn động cơ rotor dây quấn có các thông số sau: MTKb 512-8 380/220V 50Hz TĐ 25% Pđm = 37 kW = 3,6 =3,3 Uđm=380 V; nđm = 720v/p Istdm = 104A; Rs = 0,08W; Xs = 0,17W; Rr = 0,19W; Xr = 0,16W J = 1,32 kgm2 Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác. Xét đến thời gian mở máy, hãm máy và thời gian nghỉ của động cơ t1: thời gian hạ không tải t3: thời gian hạ tải định mức t01: thời gian lấy tải t03: thời gian lấy tải t2: thời gian nâng tải định mức t4: thời gian nâng không tải t02: thời gian di chuyển dọc t04: thời gian di chuyển dọc Trong đồ thị phụ tải trên thời gian khả động khi hạ tải sẽ rất nhỏ và có thể coi xấp xỉ bằng 0 vì lúc đó mômen thế năng của tải và mômen cực đại của động cơ sẽ có trị số rất lớn. Tính thời gian khởi động khi nâng và hạ tải định mức: Đối với truyền động hạ tải gia tốc không được vượt quá 0,2 m/s2. Suy ra thời gian khởi động nhỏ nhất là: Trong trường hợp này chọn tkd là nhỏ nhất là: 5x0,4 = 2s. Tương tự đối với hãm th = 2s tn = tno = 7s th = 8s tho = 6s TĐ%= = 448 N.m Pđcơ = =33,8 kW Quy đổi về TĐ% = 25% = 34,3kW Mômen động cơ = = 490 N.m > Mdt =>Theo diều kiện chọn công suất động cơ và yêu cầu truyền động cầu trục ta chọn động cơ MTKB 512-8 Chương iV Tính toán mạch lực Sơ đồ mạch lực: Các tham số động cơ: Ufđm = 220V; Ifđm = 91A; = 0,72; P=37kW 4.1 Tính toán bộ nghịch lưu: Dòng chảy qua các van T1 T6 và D1 D6 chính bằng dòng chảy qua các pha của stato động cơ I = 91A. Điện áp ngược mở van phải chịu là: Ud = 370 V Chọn hệ số dự trữ về dòng và áp k = 2 Dùng để chọn cả T và D Chọn Diôt loại B - 200 có các thông số sau: LoạI Itb(A) Uim(V) DU(V) Tốc độ quạt(m/s) B-200 200 750 0.7 12 Chọn Tiristor loại TL - 250 có các thông số sau: Loại I(A) Uim(V) DU(V) Toff(ms) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/ms) TL.250 250 750 0,82 70-250 0,4 8 20-200 Tụ chuyển mạch C1 - C6 được tính theo công thức Trong đó: - fn: tần số định mức 50Hz - fmax: tần số cực đại 100Hz - Im: dòng từ hoá - In: dòng định mức 91A - L: điện cảm một pha (rôto+stato) = 2x7,3.10-3H - Um: biên độ cực đại điện áp dây = 380V =212F Chọn C = 200F Quận kháng L Trong đó DId=(0,05 - 0,1) Id 4.2 Tính toán bộ chỉnh lưu: Theo tính toán phần trên ta có: Id = 116,7 (A); Ud = 370 (V) Khi lấy điện áp cung cấp từ trước ~380V có thể không cần sử dụng MBA. Ta có: a=65,30 - Dòng trung bình chảy qua T1-T0 - Điện áp ngược đặt lên mỗi van: - Chọn KI=2; KU=1,6 IC=2x38,9=78,9ằ80 (A) UC=1,6x930,8ằ1500 (V) Chọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau: Loại I(A) Uim(V) DU(V) Toff(ms) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/ms) T.250 250 1500 1 150-250 0,3 5 20-500 4.3 Tính toán các tham số cần thiết cho tổng hợp: UN=220V PN=37kW n=720v/p IN=91A f=50Hz cosj=0,78 4.3.1 Tính dòng kích từ danh định. 4.3.2 Tính dòng danh định tạo mômen quay IsqN. 4.3.3 Hằng số thời gian roto Tr ở chế độ danh định. 4.3.4 Tính điện kháng phức tiêu tán toàn phần Xs ở chế độ danh định. 4.3.5 Tính điện kháng phức Xh. 4.3.6 Tính hệ số tiêu tán tổng s và Ts. 4.3.7 Điện cảm tản stato động cơ 4.4 Tính các thiết bị đo: 4.4.1 Máy phát tốc: Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động . Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều. Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc Kw hệ số tỷ lệ Kw = Uw/w Uw = 10V tfw là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms Chọn tfw = 0,001s = 1ms Hàm truyền máy phát tốc: 4.4.2 Phản hồi dòng: Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo được trình bày trên hình vẽ Nguyên lý hoạt động: Dòng Id sau mạch chỉnh lưu được cho qua điện trở Rsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trong khoảng từ 0-75mV.ĐIện áp vi sai này được đưa vào đầu vào của khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại tạo ra đIện áp ra tỉ lệ với dòng Id. Chọn điện áp vào vi sai bằng 75mV. điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V =>hệ số khuyếch đại của OA bằng: Chọn R1=1kW => R2=133kW Chương V Tổng hợp hệ điều chỉnh 5.1 Luận điều chỉnh từ thông không đổi: Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máyhoặc từ thông stator không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Nếu coi RS = 0 thì: Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stator có thể so sánh được sụt áp trên điện cảm mạch stator khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm đi. Có thể thiết lập được chiến lược điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotor không đổi: . ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thể tính được từ thông rotor và phương trình cân bằng mạch rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy: Nếu giữ được biên độ vector từ thông thì =0 và và ta có phương trình cân bằng mạc rotor: trong đó: Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phương 2 vế của từng phương trình và cộng hai phương trình với nhau, đồng thời để ý rằng: Ta có thể rút ra biểu thức cuối cùng: Vậy khi giữ biên độ từ thông rotor không đổi thì vector từ thông rotor luôn vuông pha với vector dòng điện rotor và do đó momen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện rotor. Điều chỉnh từ thông là trường hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng giá trị từ thông định mức, như vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của động cơ KĐB. Trong thiết kế môn học này chọn phương pháp điều khiển tần số thông qua từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thông không đổi qua quan hệ dòng chính lưu Id và tần số trượt f2. Bản chất của phương pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng điện stato I1 và tần số trượt f2 sao cho từ thông của máy điện được giữ không đổi. Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I1 (f2). Đ Rw RI a CL NL f1 A D D A F +fm ±f2 Idw Uww Uw Id Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển: Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc độ Rw là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng Id. Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ: Trongđó fm: tần số quay wr f2: tần số trượt Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ Rw được đưa qua khâu đạo hàm phi tuyến Ta có quan hệ: trong đó Để đơn giản trong việc tổng hợp các bộ điều chỉnh dòng điện Ri và tốc độ Rw ta giả thiết rằng: Kênh điều chỉnh tần số do phần cứng đảm nhiệm sẽ được đề cập đến ở chương 5. Vì vậy ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Ri và bộ điều chỉnh tốc độ Rw theo kênh 1. Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập được sơ đồ cấu trúc của hệ thống: 5.2 Sơ đồ cấu trúc và khai triển của mạch vòng dòng điện: Sơ đồ cấu trúc tổng quát mạch vòng dòng điện: Id Ri CL+ĐK Phụ tải NL+ĐC KĐB Id Uđk Ld Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Irđ Ud Uđk CL+ĐK Ri Ld Rd 2L1t 2R1 2L2t 2R2/So Id Iđo Trong đó Ld, Rd: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc. L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato. L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato. s: hệ số trượt. CL+ĐK: Khối chỉnh lưu và điều khiển . Ta có hàm truyền đạt bộ chính lưu: Trong đó: Ud: điện áp đầu ra CL Udk: điện ạp điều khiển chính lưu KCL, TCL: hệ số điều khiển và hằng số thời gian bộ chỉnh lưu. Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phần điện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc vào hệ số trượt s Do đó một cách gần đúng ta bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tán qui đổi từ rotor về stato. Ta đặt: Ta có: Trong đó: Từ đó ta thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng dạng khai triển mạch vòng dòng điện. Uud Uuđk Uir Uiđ + - Uiđo Uid Kđo 5.3 Thành lập sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ: Mômen điện từ ở chế độ tĩnh có dạng Trong đó: ws là tốc độ trượt của động cơ Tr: hằng số thời gian mạch rotor => Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ IS2 + - MC IS -Uw Uiđ Id wS Uwđ Ri Rw FM X X Kdo Trong đó: Khâu phi tuyến Id(f2) hay Id(ws) có thể được tuyến tính hoá thành khâu khuếch đại đơn giản Tuyến tính hoá biểu thức tính mômen động cơ (tại điểm định mức) tại (Mđm, wsđm, I1đm) ta có Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện và tốc độ sau khi đã tuyến tính hoá (bỏ qua hệ số thời gian điện từ) DIS Id - - + MC Uwđt Kdo RI Rw B Fi A 5.4 Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá: 5.4.1 Hệ số máy biến dòng điện (đo dòng một chiều) 5.4.2 Máy phát tốc: 5.4.3 Khâu khuếch đại tuyến tính Fi: Isdm: dòng điện định mức Idđm = 117 A (khi Is = đm = 91A) 5.4.4 Khâu chỉnh lưu: trong đó 5.4.5 Tính các hệ số A, B: Chọn điểm tuyến tính hoá là điểm định mức, ta có: 5.4.6 Tính T quy đổi hệ thống: 5.5 Tổng hợp mạch vòng dòng điện: Ta có sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Rr: Uuđo Uuđk Uirđ Uirđ - Ri Với => Hàm truyền của đối tượng điều chỉnh: * áp dụng tiêu chuẩn môdun tối ưu với hàm truyền: => Hàm truyền đạt bộ điều chỉnh dòng điện Ri là khâu tỉ lệ tích phân (PI): Vậy hàm truyền => Hàm truyền của mạch vòng dòng điện: *kiểm nghiệm bộ điều chỉnh dòng Ri bằng Matlab-Simulink: Đặc tính quá độ của dòng điện: 5.6 Tổng hợp mạch vòng tốc độ: ở trên, ta dùng tiêu chuẩn môdun tối ưu để tổng hợp mạch vòng dòng điện: Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần đúng hàm truyền hệ kín mạch vòng điều chỉnh tốc độ là khâu quán tính bậc nhất. trong đó Ta có mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng dòng điện. + + + - Uđw Uw Wi(p) MC w Rw KF A B Khi bỏ qua MC ta có sơ đồ tương đương sau: w Uw Uđw Wi(p).C.KF+A - Hàm truyền của đối tượng cần điều khiển: áp dụng tiêu chuẩn môdun tối ưu đối xứng với hàm truyền: Ta thấy nhỏ => có thể bỏ qua => với là hằng số thời gian bé. Chọn Ta thấy hàm truyền Rw(p) có dạng một khâu trễ nối tiếp với một khâu PI. Ta có: Ta thấy thời gian trễ nhỏ có thể bỏ qua. Để giảm độ quá điều chỉnh => Dùng thêm một khâu lọc có hàm truyền *Kiểm nghiệm bộ điều chỉnh tốc độ Rw bằng Matlab-Simulink Đồ thị quá độ của tốc độ trước và sau khi có bộ lọc Đặc tính quá độ của mômen động cơ với tải định mức và không định mức Chương VI Thiết kế nguyên lý mạch điều khiển Sơ đồ khối mạch điều khiển: 6.1 Mạch điều khiển chỉnh lưu: Để đơn giản thuận tiện đồng thời đảm bảo chất lượng của ._.