Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục

chính xác điều chỉnh cao mà còn có giá thành hạ hơn nhiều thế hệ cũ, đặc điểm này rất quan trọng trong việc đưa những kết quả nghiên cứu trong kỹ thuật vào thực tế sản xuất. Sau thời gian nghiên cứu học tập môn Tự động điều chỉnh truyển động điện em được giao đề tài thiết kế môn học với nội dung: Thiết kế hệ truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục Mặc dù rất cố gắng trong việc thiết kế nhưng do kiến thức có hạn nên chắc chắn không tránh khỏi những hạn chế nhất định, mong các thầy đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn. 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. Cần 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. Trong khuôn khổ đồ án này chỉ tập chung 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, 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. 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, 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. Năng suất của máy nâng quyết định bởi hai yếu tố: tải trọng của thiết bị và số 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. Khảo sát đặc tính phụ tải. Khảo sát đặc tính của phụ tải hay của cơ cấu mà động cơ truyền động có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra những lựa chọn hợp lý giữa phương án truyền động cũng như cân nhắc khi lựa chọn động cơ. Vì trạng thái làm việc của truyền động phụ thuộc vào momen quay (Mđ) do động cơ sinh ra và momen cản tĩnh (Mc) của phụ tải của máy quyết định. 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: w M H2: Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng-hạ MC 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. Khi đó, muốn hạn chế và điều chỉnh tốc độ, ta phải sử dụng các phương tiện nhất định. Xây dựng các công thức cần thiết cho tính toán cơ cấu nâng. 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. Giả sử có cơ cấu nâng hạ như sau: H2. Sơ đồ cơ cấu nâng-hạ cần trục 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 = 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 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) Chương II:tính công suất động cơ truyền động Chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu truyền động là một khâu quan trọng trong quá trình tiến hành thiết kế hệ thống. Việc chọn công suất động cơ bao hàm cả việc chọn loại động cơ. Chọn loại động cơ. Phân tích vấn đề chọn loại động cơ trong truyền động cần trục liên quan đến giá thành lắp đặt, khả năng đáp ứng yêu cầu công nghệ. Trong lĩnh vực truyền động cần trục 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. Tuy nhiên 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. Tính toán chọn động cơ : 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. Dựa vào các công thức đã thiết lập ở phần trên ta tiến hành các bước tính toán. Khi tải trọng nâng là định mức Gđm=90T. + Mô men động cơ khi nâng tải: + Mô men động cơ khi hạ tải: Khi không tải, tức là động cơ khi đó chỉ nâng một lượng tải trọng là của chính bản thân cơ cấu. Ta có dựa theo đồ thị quan hệ theo tải trọng: ị ị Từ kết quả tính momen hạ lúc không tải ta cũng thấy rõ là Mh0 <0 ; nghĩa là khi đó cơ cấu làm việc ở trạng thái hạ tải động lực. Từ đó ta xây dựng sơ bộ biều đồ phụ tải như sau: H2.1Biểu đồ phụ tải cơ cấu nâng hạ Tính toán hệ số tiếp điện tương đối + Vận tốc nâng: vn = 0,060,6 m/s. chọn tốc độ năng vn = 0,3 m/s + Chiều cao nâng: H=8 m. + Chiều dài phân xưởng Là L=100 m . + Chọn vận tốc của xe cầu là 1 m/s . Trong giai đoạn tính toán sơ bộ để chọn động cơ ta bỏ qua thời gian mở và hãm máy. Mặt khác nếu coi tốc độ làm việc của cả 4 giai đoạn trên là như nhau thì: 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. + Tỷ số truyền: Giả thiết tốc độ làm việc và chiều cao nâng hạ trong các giai đoạn như sau: Thời gian xe cầu chuyển động chính là thời gian nghỉ caủa chuyển động nâng hạ cầu trục : Hệ số tiếp điện tương đối. Vậy ta chọn hệ số tiếp điện TD% = 25 % Mô men đẳng trị tính trên trục động cơ: Nm + Công suất động cơ chọn sơ bộ sẽ là: Từ kết quả tính toán ở trên ta lựa chọn sơ bộ loại động cơ xoay chiều rô to dây quấn, 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: Chương III: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. Lựa 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. Hệ điều chỉnh xung điện trở Roto a. Nguyên lý điều chỉnh: Như đã biết, với động cơ roto dây quấn, ta có thể thay đổi được độ cứng của đường đặc tính cơ bằng cách đưa điện trở phụ vào mạch roto động cơ. Thực chất của phương pháp này là điều chỉnh công suất trượt; công suất trượt ở đây được lấy bớt ra và được biến thành tổn hao nhiệt năng vô ích trên điện trở. + Vì độ trượt tới hạn tỷ lệ bậc nhất với điện trở roto nên: Nếu coi đoạn đặc tính làm việc của động cơ, tức là đoạn có độ trượt từ s=0 á sth, là tuyến tính thì khi điều chỉ điện trở roto ta có thể viết: trong đó: s0 _ là độ trượt tới hạn khi điện trở roto là R2 (tức điện trở tự nhiên ở mạch roto); còn s _ là độ trượt khi điện trở roto là Rrd=R2+Rf. Theo biểu thức mô-men thì: Như vậy, khi thay đổi điện trở roto, nếu giữ dòng roto I2 không đổi thì mo-men không đổi và không phụ thuộc vào tốc độ động cơ. Vì vậy, phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở roto rất thích hợp với hệ truyền động có mô-men tải không đổi (x=0). Thực tế, việc thay đổi điện trở roto dùng cấp điện trở ngày nay ít dùng, vì vừa có hiệu suất thấp, độ trơn điều chỉnh kém, đặc tính điều chỉ lại dốc. Vì thế điều chỉnh xung điện trở roto dùng van bán dẫn với các mạch vòng điều chỉnh sẽ tạo được đặc tính điều chỉnh cứng và đủ rộng; mặt khác lại dễ tự động hoá việc điều chỉnh. Nguyên lý cơ bản của bộ điều chỉnh xung điện trở roto như sau: H3.1: Sơ đồ nguyên lý, hoạt động và các đặc tính điều chỉnh bằng phương pháp xung điện trở roto. Hoạt động đóng cắt của khoá bán dẫn S tương tự như mạch điều chỉnh xung áp một chiều: + Khi S đóng: R0 bị loại ra khỏi mạch phần ứng, dòng roto tăng lên. + Khi S ngắt: R0 được đưa vào mạch, dòng roto lại giảm. Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ điện cảm L mà dòng roto coi như không đổi và ta có một giá trị điện trở tương đương Rtd trong mạch. Điện trở tương đương Rtd trong mạch một chiều được tính quy đổi về mạch xoay chiều ba pha ở roto theo nguyên tắc bảo toàn công suất. Kết quả tính quy đổi được: Như vậy, điều chỉnh chu kỳ đóng ngắt của S ta thay đổi được r và từ đó thay đổi được Rf. Cho r=0 á 1, ta dựng được họ các đặc tính cơ tương ứng quét gần như mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf=R0/2. b. Đánh giá và phạm vi ứng dụng: + Có thể nói việc sử dụng phương pháp xung điện trở roto trong điều chỉnh truyền động, về mặt lý thuyết, là một phương pháp đơn giản nhất, dễ thực hiện và vận hành; mạch điều chỉnh cũng rất đơn giản là gồm hai mạch vòng điều chỉnh (tốc độ và dòng điện). + Phương pháp này như đã phân tích ở trên cũng rất phù hợp với phụ tải có mô-men không đổi như cơ cấu nâng-hạ cần trục. Cụ thể là nó cho phép điều chỉnh để động cơ có mô-men khởi động lớn khi nâng bằng cách thêm một cách hợp lý điện trở và mạch roto trong giai đoạn khởi động; cho phép điều chỉnh trơn và dải điều chỉnh rộng nếu ta tăng điện trở R0 kết hợp với việc dùng một tụ bổ trợ cho việc mở rộng phạm vi điều chỉnh. Mặt khác, việc điều chỉnh được tiến hành ở mạch roto nên không gây ảnh hưởng đến công suất động cơ tiêu thụ đưa vào stato; tức là không gây ảnh hưởng đến lưới điện và tải khác khi động cơ khởi động như ở phương pháp điều chỉnh điện áp stato. Chọn động cơ truyền động. Chọn sơ bộ loại động cơ. Từ kết quả phân tích và kết quả tính toán ở chương II, tra theo catalog, ta tra được các thông số của động cơ cần chọn theo điều kiện: PđmĐ ³ Pqđ = 114,5 kW. nđmĐ ³ n=573 v/ph. eđc=25% ; etc=25% ; Loại động cơ: MTH 713-10, roto dây quấn , phục vụ cần trục: e=25% ; Pđm=160kW ; nđm=587 v/ph ; cosjđm=0,68 ; cosjkhông tải=0,04 I1.đm=395A;I1.không tải=285A;r1=0,012W ;x1=0,061W; I2=235A r2=0,022W ;x2=0,098W ;J=15 kgm2 ;G=1900kg; kr=ke2=0,842 . ; Kiểm nghiệm lại động cơ. Yêu cầu của kiểm tra về tính chọn công suất nói chung thường gồm các bước sau: + Kiểm tra điều kiện khởi động. + Kiểm tra điều kiện phát nóng + Kiểm nghiệm quá tải mômen. Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng. Để kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng ta phải tiến hành xây dựng đồ thị phụ tải toàn phần, bao gồm phụ tải tĩnh và phụ tải động. Tức là tính đến các giai đoạn quá độ như thời gian mở máy, hãm máy. Trước hết ta xác định mômen quán tính của chuyển động thẳng quy đổi sang trục động cơ: Vì gia tốc lớn nhất của cơ cấu nâng không được quá 0,2 m/s2, do đó thời gian mở máy nhỏ nhất tương ứng là: tmm=vn/a = 5.vn = 5.0,2 =1 (s). trong đó: vn _ là vận tốc nâng (m/s); a _ là gia tốc của cơ cấu khi khởi động (m/s2). Đối với giai đoạn hạ, thì cho phép gia tốc khởi động khi hạ nhỏ hơn 0,6 á 0,7 (m/s2). Do đó thời gian hãm máy khi hạ không tải tương ứng là: tmh = v/a’ =5.0,3 = 1,5 (s). Từ đó ta tính được mô-men dư khi nâng tải định mức là: Mô-men cản lớn nhất của động cơ: Mmax = 565 + 20,65 = 585,65.m = 5745,2 N.m Mô-men dư khi hạ không tải: Md.h0 = 585,65 – 6,9 =578,75 kG.m Mô-men dư khi nâng không tải:Md.n0= 585,65 – 11,9 =573,15kG.m Chọn thời gian ban đầu để bắt đầu mở máy nâng và hạ tải : M, P t w t H3.2. Biểu đồ phụ tải M(t), P(t) và w(t) Từ biểu đồ phụ tải dựng được ta có nhận xét rằng: Các thời gian quá độ trong chu kỳ làm việc của cơ cấu không đáng kể so với thời gian động cơ làm việc ổn định. Cụ thể là tổng thời gian quá độ ồtqd = (1,5 + 0,56 + 0,56 + 4.1,5 ) = 8,62 (s) << thời gian làm việc ồtlv=107 (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 theo điều kiện quá tải. Kiểm nghiệm điều kiện quá tải, đối với động cơ không đồng bộ, cần xét đến hiện tượng sụt áp của lưới điện. Thông thường, cho phép sụt áp 10%, nên mô-men tới hạn của động cơ trong tính toán kiểm nghiệm chỉ còn: Mth ‘=(90%)2.Mth =0,81.Mth (Mth _ là mô-men tới hạn theo số liệu của động cơ). Từ số liệu tra được của động cơ đã chọn ta tính được: + Mô-men định mức của động cơ là: + Mô-men lớn nhất của động cơ là: Giá trị mô-men này lớn lơn giá trị mô-men cản lớn nhất khi nâng tải định mức là 5745,2 N.m Vậy động cơ đã chọn thoả mãn điều kiện quá tải mô-men. Kiểm nghiệm theo điều kiện khởi động. Ta có: Trong khi đó mô-men cản tĩnh lớn nhất lúc khởi động là: Mc.max =5745,2 Nm. Vậy: , nghĩa là thoả mãn điều khiện về khởi động. Mô tả toán học động cơ điện và bộ điều khiển xung điện trở Roto Phương pháp điều chỉnh mạch điện trở mạch Roto là phương pháp chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ Roto dây quấn, nhờ nối tiếp cuộn dây Roto và điện trở nhờ bộ biến đổi mạch ngoài. Sơ đồ mạch lực Hình 3.3,- Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh điện trở Roto Ta có tổng trở một pha của mạch Roto là: Trong đó: R2: Điện trở dây quấn của một pha Roto. Rf: Điện trở nối tiếp một pha Roto. Hình 3.4. –Đặc tính cơ của động cơ KĐB Roto dây quấn Phương pháp này cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm. Độ ổn định của phương pháp này kém. Khi tốc độ giảm thì tốc độ đặc tính cơ tăng. Ta có: Vậy: Nếu coi đoạn làm việc ổn định của đặc tính từ S = 0 đến S = Sth là đường thẳng thì ta có thể vẽ lại độ trượt ứng với mômen cẩu như sau: Hình vẽ 3.5.Tuyến tính hoá đặc tính cơ Xét hai tam giác CAD và CBE ta có: hay Suy ra: S2 = S1. Trong đó: S1 độ trượt khi mạch Roto không có điện trở phụ. S2 độ trượt khi mạch Roto có điện trở phụ. Từ biểu thức M = Ta nhận thấy rằng nếu giữ nguyên dòng điện Roto thì khi thay đổi mạch điện trở Roto thì tỉ số giữ không đổi có nghĩa là Momen không đổi khi tốc độ động cơ thay đổi chỉ phụ thuộc vào điện áp. Do vậy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở mạch Roto là phù hợp với cơ cấu nâng hạ. Nguyên lý làm việc: Khi khoá K đóng điện trở trong mạch sẽ là R = R0 Khi khoá K mở thì điện trở trong mạch Roto là RRt = 0. Nếu thời gian đóng cắt được xác định là: Thì điện trở tương đương của mạch là: Re = Trong đó: tk: là thời gian đóng khoá td: là thời gian dẫn (mở) Vậy ta có: - Khi td = 0 thì Rtb = 0 - Khi tk = 0 thì Rtb = Vậy khi ta điều chỉnh tỷ số thời gian khoá tk và thời gian truyền động ta sẽ điều chỉnh trơn giá trị điện trở trong mạch Roto. Quá trình làm việc khi j = 1 ( td = T) thì khoá K mở Rf = 0. Động cơ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên. Khi j = 0 (td = 0) thì khoá K đóng Rf = R0 động cơ làm việc trên đường đặc tính cơ nhàn tạo thấp nhất. Hình 3-6: Đặc tính cơ của hệ điều chỉnh xung điện trở Roto. Nhận xét: Việc thay đổi thời gian khoá, mở của van bán dẫn làm cho việc điều chỉnh dễ dàng chuyển từ điều khiển có cấp sang vô cấp. Để mở rộng vùng điều chỉnh người ta mắc nối tiếp với điện trở một tụ C. Giả thiết dung lượng tụ C là lớn để khi khoá K đóng thì DUc nhỏ. Khi đó vùng điều chỉnh sẽ được giới hạn bởi đường đặc tính cơ tự nhiên và các trục toạ độ. Hình 3-7: Đặc tính cơ khi điều chỉnh xung điện trở có tụ C. Tính toán mạch lực Tính điện trở điều chỉnh: Việc tính toán điện trở điều chỉnh sẽ phụ thuộc rất nhiều vào dải điều chỉnh tốc độ của phương pháp điều chỉnh. Ta chọn trong đồ án này dải điều chỉnh là D = 10 : 1 Hình 3-8: Đặc tính điều chỉnh xung điện trở Roto. Giả sử bình thường động cơ sẽ làm việc trên đường đặc tính cơ tự nhiên. Khi điều chỉnh động cơ sẽ làm việc trên toàn giải điều chỉnh với giới hạn đặc tính cơ điều chỉnh thấp nhất đó chính là đường đặc tính cơ hãm: Ta có tốc độ tại điểm B là nB: nB = nđm/10ị nB = 1467,5/10 = 146,75 (v/p) Mômen tại điểm A là: M = Khi động cơ làm việc tại điểm B ta có: M = Vì mômen của cơ cấu nâng hạ trong quá trình điều chỉnh là như nhau M = const nên ta có: Suy ra: Trong đó: R2 - điện trở Roto của động cơ (R2 = 0,022) Sđm = SB = Vậy ta có: Rf = R(Re + Rf) = 0,022 + 1,956 = 1,978 (W) R . R= 0,842 . 1,978 = 1,4 (W). * Tính điện trở một chiều quy đổi về Roto. Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ có cuộn cảm Ld mà dòng điện Roto coi như không đổi ta có một giá trị điện trở tương đương Re trong mạch. Thời gian đóng, mở được điều chỉnh trơn thì ta điều chỉnh được giá trị điện trở trong mạch Roto. Theo nguyên tắc bảo toàn công suất ta có: Trong đó: R2 - điện trở Roto dây quấn (2R2 + Re) – tổn hao phía một chiều. (R2 + Rf ) – tổn hao phía xoay chiều. Trong sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha thì = 1,5 Vậy : 2/R2 + Re = 2R2 + 2Rf Suy ra: Rf = 1/2 Re = Rd/2 Khi điều chỉnh ở tốc độ thấp nhất thì toàn bộ điện trở Rd được toả vào Roto nên = 1. Vậy: Rf = Thay số: Rd = 2.1,956 = 3,912 (W) Tính toán bộ chỉnh lưu Roto Bộ chỉnh lưu phía Roto nhằm tạo ra dòng điện 1 chiền ổn định để điều khiển điện trở Rd đưa vào mạch Roto. Để giảm kích thước bộ lọc, tín hiệu ra bằng phẳng hơn, giảm công suất tiêu thụ từ nguồn, ta chọn chỉnh lưu cầu 3 pha không điều khiển (Diôt). Sơ đồ nguyên lý: Hình 3-9: Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha. Hình 3-10: Dạng điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha. Ta có: Ud = 2,34 E2 Ungmax = 2,46 E2 Id = * Tính toán: Dòng điện khởi động trên mỗi pha của Roto là: I2kd = mà: với (W) Thay số ta có: Vậy I2kđ == 132 (A) Vì dùng chỉnh lưu cầu 3 pha nên: Id = Vậy Idkd = Vậy dòng điện lớn nhất chảy trong điot là: Idmax = Ung = Thay số Ung= 2,45. 220 = 540 (V) Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu cầu 3 pha là: Ud = *Chọn điot cho cầu chỉnh lưu: - Hệ số dự trữ điện áp: Ku = 1,6 - Hệ số dự trữ dòng điện: KI = 1,5 Vậy điot cần chọn phải chịu điện áp ngược là: Ung = 1,6 . 540 = 864 (V) Chịu dòng tối thiểu là: I = 1,5 . 54 = 81 (A) Tra sách “thiết kế thiết bị điện trở công suất” tác giả Trần Văn Thịnh ta chọn loại điot sau: SKN400/30. Kí hiệu Imax (A) UN (V) IPik (A) DU (V) Ith (A) IR (A) Icp (C0) SKN400/30 400 3000 9000 1,45 1200 3mA 160 * Tính chọn điện kháng lọc: Sự đập mạch của dòng điện chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạnh theo dẫn đến làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều và làm tăng phát nóng của tải do các thành phần sóng hài gây ra. Ta có công thức tính trị số điện cảm. Ld = Trong đó: Ld – Trị số điện cảm lọc cần thiết (H) Id đm – dòng định mức của bộ chỉnh lưu. w = 314 (Rad/s) tần số góc. K = 1, 2, 3 … Bội số sóng hài m = 6 số đập mạch trong một chu kỳ của chỉnh lưu cầu. Udmax – biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu. It% - Tự hiệu dụng của dòng sóng hài cơ bản It% < 10% Ta chọn: k = 2, It% = 0,5% Ta có công thức: Trong đó: Udo- điện áp chỉnh lưu cực đại (V) Ud0 = 540 (V) a - góc điều khiển van bán dẫn a = 0 Vậy ta có: Uđmax = 540. Trong sơ đồ chỉnh lưu ta có: Idmax = (A) Thay số vào biểu thức ta có: Ld = * Xác định dung lượng C. Ta có: C = (1,2 á1,5) C = 1,44 . ta có: L = * Tính chọn Thiristato R: Chọn TC Hình 3-11: Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh xung điện trở Roto. * Chọn TP. Thyristor TP chịu điện áp Utb = 515 (V) Dòng điện Itb = (A) Chọn hệ số điện áp là Ku = 1,6 Chọn hệ số dòng điện KT = 1,5 Vậy Thyristor TP chọn thoả mãn: UN = 1,6 . 515 = 824 (V) IT = 1,5. 288 = 432 (A) Với điều kiện làm mát tự nhiên, đối lưu không khí bằng cách toả nhiệt có diện tích đủ rộng. Tra sách “Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất” của tác giả Phạm Quốc Hải ta chọn loại Thyristor T16-500 có thông số sau: Un (V) Iđm (A) Irò (mA) Idk (mA) Uđk (V) ton (ms) toff (ms) di/dt (A/mA) du/dt (V/mA) 1800 500 20 250 4 10 70 100 200 Tính chọn mạch bảo vệ điot và Thyristor. Diot và Thyristor có thể bị chọc thủng do điện áp ngược quá cao hoặc dòng chảy qua van quá lớn. Đối với diot để bảo vệ dòng điện phá hoại người ta dùng dây chảy tác động nhanh. Ta dùng dây chảy loại pp 41 có các thông số sau: Iđm = 400 (A) - Theo sơ đồ nguyên lý ta thấy các Thyristor vẫn chịu điện áp Ud = 432 (V) - Khi tốc độ đạt 573 (v/ph) ta có: I2m = Trong đó: I2m – dòng điện chạy trong dây quấn Roto khi Do đặc tính mômen không đổi ta có : khi n=573(v/ph) Thay số ta có: I2m = I2 = Ki . I2m = 0,84 . 301,7 = 253,4 (A) Id = (A) Khi khởi động Thyristor phải chịu các thông số sau: Ung = KU . Udo= 1,6.540 = 864 (V) Dòng điện khi thông là: IT = Id + Ic Trong đó: Ic – là dòng điện phóng của tụ C Ic = 1,2 . Id = 1,2. 310,4= 372,5 A Thay số: IT = 372,5 + 310,4 = 682,6 (A) Lấy Ki = 1,5 ta có: IT = 682,6 . 1,5 = 1023,9 (A) Tra sách “Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất” của tác giả Phạm Quốc Hải ta chọn được loại Thyristor T15- 125 có các thông số sau: Un (V) Iđm (A) Id (A) Idk (mA) Uđk (V) ton (ms) toff (ms) di/dt (A/mA) du/dt (V/mA) 1800 125 3400 300 3 10 70 100 200 Tính toán các thiết bị đo: a) Đo lường tốc độ: Tốc độ là đại lượng điều chỉnh chính, vì vậy thiết bị đo tốc độ có vai trò quan trọng quyết định chất lượng của hệ truyền động. Trong đồ án này ta dùng máy phát tốc xoay chiều để đo tốc độ động cơ. Hình 3-14. Sơ đồ nguyên lý máy phát tốc Nguyên lý: Khi từ thông máy phát tốc không đổi thì điện áp đầu ra của máy phát tốc là: Uw = Kw . w Trong đó: Kw là hệ số tỷ lệ: Kw = Uw thông thường = 10V Ta có: FFt(P) = là hằng số thời gian của bộ lọc . Ta chọn = 0,01 (s) Vậy ta có: C = 0,5 mF R = 20 KW (Rad/s) Vậy Ta có hàm truyền của bộ phát tốc là: b) Đo dòng một chiều có cách ly: Chức năng của khâu đo dòng điện là lấy tín hiệu của dòng động cơ để phản hồi về, phản ánh sự thay đổi của dòng điện động cơ trong quá trình làm việc để từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển. Sơ đồ nguyên lý: Nguyên lý: Đại lượng một chiều lấy trên điện trở RS sau đó được chuyển qua khâu phản hồi d._.