Thiết kế, thay thế hệ truyền động chính máy doa toạ độ 2455

thống cũ nhằm nâng cao và đáp ứng các nhu cầu sản xuất. Là một sinh viêcông nghệ ngành tự động được giao thiết kế bản đồ án với nhiệm vụ "Thiết kế, thay thế hệ truyền động chính máy doa toạ độ 2455" em đã tìm hiểu và nghiên cứu kỹ các tài liệu để có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao. Bản đồ án này gồm 3 chương. Chương I: Tổng quan về máy cắt gọt kim loại. Chương II: Phân tích hệ truyền động cũ. Chương III: Thiết kế thay thế hệ truyền động cũ. Chương I: Tổng quan chung về máy cắt gọt kim loại I. Khái niệm chung về phân loại. II. Các chuyển động trên máy cắt gọt kim loại. III. Điều chỉnh tốc độ trên máy cắt gọt kim loại. IV. Máy doa và máy khoan Phần I: Tổng quan về máy cắt gọt kim loại. I. Khái niệm chung và phân loại. - Máy cắt gọt kim loại dùng để gia công các chi tiết kim loại để cắt bớt các lớp kim loại thừa, bằng giao cắt, để sau khi gia công chi tiết có: + Hình dáng và kích thước gần đúng yêu cầu quá trình này gọi là gia công thô, lực cắt lớn, vận tốc cắt nhỏ. + Hình dáng và kích thước đúng yêu cầu gọi là quá trình gia công tinh với lực cắt nhỏ và vận tốc cắt lớn. - Phân loại: Tuỳ thuộc vào quá trình công nghệ, giới hạn của quá trình sản xuất hay trọng lượng và kích thước của chi tiết mà người ta phân thành các loại sau. + Theo quá trình công nghệ: được đặc trưng bởi phương pháp gia công, tính chất chuyển động, dạng dao cắt… được chia thành các máy cơ bản: Tiện, Phay, Bào, Khoan, Doa , Mài và các nhóm máy khác như gia công răng, ren, vít… + Theo giới hạn quá trình sản xuất: Bao gồm nhóm các máy vạn năng: có thể gia công chi tiết khác nhau về hình dáng và kích thước. - Máy chuyên dụng: gia công các chi tiết có cùng hình dáng nhưng kích thước khác nhau. - Máy mài đặc biệt: Máy chỉ gia công các chi tiết có cùng hình dáng và kích thước. + Theo trọng lượng và kích thước các chi tiết: - Máy bình thường: trọng lượng chi tiết: 100 á 104 kg. - Máy cỡ lớn: Trọng lượng chi tiết: 10P á 1.104 kg - Máy cỡ nặng: Trọng lượng chi tiết: 1.104 á 10.104 kg - Máy rất nặng: Trọng lượng chi tiết: lớn hơn 10.104 kg + Theo độ chính xác gia công, có thể chia thành các máy có độ chính xác bình thường, cao và rất cao. II. Các chuyển dộng trên máy cắt gọt kim loại. Gồm hai chuyển động: chuyển động cơ bản và chuyển động phụ. - Chuyển động cơ bản: lẫn chuyển động liên quan trực tiếp đến quá trình cắt gọt hay nói các khác là sự chuyển động tương đối của dao cắt so với phôi để đảm bảo quá trình cắt gọt. Có hai loại chuyển động cơ bản: * Chuyển động chính: là chuyển động làm dao cắt cắt được vào phôi. + Chuyển động dao: là chuyển động của dao cắt hoặc phôi để tạo thành một lớp phôi mới. Chuyển động chính và chuyển động ăn dao: có thể là chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến của dao hoặc phôi. - Chuyển động phụ: là những chuyển động không liên quan trực tiếp đến quá trình cắt gọt nhưng là điều kiện cần thiết để thực hiện quá trình chuyển động cơ bản. III. Điều chỉnh tốc độ trên máy cắt gọt kim loại. - Phương pháp điều chỉnh tốc độ: để đảm bảo quá trình công nghệ tối ưu trong cắc chế độ cắt khác nhau. Cần phải điều chỉnh tốc độ truyền động chính và truyền động ăn dao. + Điều chỉnh cơ: là phương pháp điều chỉnh có cấp với sự thay đổi tỉ số truyền của bộ truyền có thể thực hiện bằng tay hoặc từ xa bằng khớp ly hợp điện từ, thuỷ lực… dùng động cơ KĐBRL . + Điều chỉnh điện: là thay đổi tốc độ máy bằng cách thay đổi tốc độ động cơ điện trong trường hợp này ta dùng động cơ điện một chiều cho phép điều chỉnh tốc độ đơn giản, trơn hơn so với động cơ điện xoay chiều giảm nhẹ kết cấu cơ khí. + Điều chỉnh điện - cơ: Bằng cách thay đổi tốc độ động cơ và thay đổi tỉ số truyền của hộp tốc độ trường hợp này có thể dùng động cơ điện không đồng bộ nhiều cấp tốc độ hoặc động cơ điện một chiều. - Các chỉ tiêu chất lượng khi điều chỉnh: khi giải quyết vấn đề điều chỉnh tốc độ truyền động chính và truyền động ăn dao máy cắt gọt kim loại cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu sau: + Phạm vi điều chỉnh tốc độ: Chuyển động chính: DW = (chuyển động quay). DV = (chuyển động tịnh tiến). Chuyển động ăn dao: DS = + Độ trơn điều chỉnh: là tỉ số giữa hai giá trị kề nhau của tốc độ. j = đ 1. Wi, Wi+1 là tốc độ cấp thứ i và i + 1. Các giá trị chuẩn của độ trơn điều chỉnh được sử dụng trong truyền động của máy cắt gọt kim loại: j = 1,06; 1,12; 1,26; 1, +1; 1,58; 1,78; 2. Sự phù hợp giữa đặc tính của hệ thống và đặc tính của phụ tải đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất được khái quát bằng phương trình: Mc = M0 + (Mđm - M0) q = 0 ị MC = Mđm: truyền động ăn dao. q = -1 ị Mc = 1 (Pc = const) truyền động chính. Trong thực tế đặc tính cơ của máy không giữ được cố định theo một quy luật trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh tốc độ mà thay đổi theo điều kiện công nghệ hoặc điều kiện tự nhiên. - Đối với truyền động chính máy cắt kim loại nói chung công suất không đổi khi tốc độ, còn momen tỉ lệ ngược với tốc độ. Như vậy ở tốc độ thấp, mômen có thể lớn. Do đó kích thước của các bộ phận cơ khí phải chọn lớn lên, điều đó không có lợi. Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy rằng các tốc độ thấp chỉ dùng cho các chế độ cắt nhẹ, nghĩa là Fz và Pz nhỏ. Vì vậy, ở vùng tốc độ thấp, người ta giữ mô men không đổi còn công suất cắt thay đổi theo quan hệ hệ bậc nhất với tốc độ. - Đối với truyền động căn dao của Máy cắt kim loại, nói chung mô men không đổi khi điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên ở vùng tốc thấp, lượng ăn dao rất nhỏ, lặc cắt bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn f trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mô men ăn dao cũng giảm theo. ở tốc độ cao, tương ứng với tốc độ Vz của truyền động chính phải lớn. Do đó cho phép giảm nhỏ lực ăn dao trong vùng nếu giữ Fad lớn như cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn, mô men truyền động ăn dao cũng giảm theo. Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi là tốt nếu đặc tính điều chỉnh của nó giống đặc tính cơ của máy. Khi đó, động cơ được sử dụng hợp lý nhất, tức là có thể làm việc đầy phải ở mọi tốc độ. Nhờ vậy, hệ thống sẽ đạt được các chỉ tiêu năng lượng cao. Nói cách khác, có thể lựa chọn động cơ có kích thước nhỏ nhất cho máy. - Đặc tính điều chỉnh của truyền động là quan hệ giữa công suất hoặc mô men của động cơ với tốc độ. - Độ ổn định tốc độ động cơ là khả năng giữ tốc động cơ là khả năng giữ tốc độ khi phụ tải thay đổi. Đường đặc tính càng cứng thì độ ổn định càng cao. + Truyền động ăn dao yêu cầu: DW% Ê (5 á 10)%. + Truyền động chính yêu cầu: DW% Ê (5 á 15)%. IV. Máy khoan - Máy doa a. Khái niệm chung về máy khoan. Máy khoan dùng để tạo hình các mặt trụ tròn bằng các dụng cụ khoan, khoét, doa. Phương pháp tạo hình ở đây là phương pháp quỹ tích kép do tiếp xúc điểm giữa dao và chi tiết gia công. Do đó, cấu trúc phần tạo hình của các máy khoan vạn năng giống như máy tiện. Sở dĩ có các máy khoan khác nhau là do một vài thay đổi về kết cấu và công dụng đặc biệt của nó mà thôi. Do cấu trúc động học, ngoài sở trường khoan lỗ, trên máy khoan còn có thể gia công ren trong lỗ bằng tarô, doa thường, mài nghiền lỗ… Các máy khoan vạn năng thường gặp kiểu như sau: - Máy khoan bàn một ụ chính để khoan lỗ nhỏ, được dùng trong nhiều ngành chế tạo dụng cụ. Trục chính có tốc độ quay cao. - Máy khoan đứng, được sử dụng rộng rãi để gia công lỗ cho các chi tiết không lớn lắm. Khi gia công ta phải xê dịch chi tiết sao cho trục mũi khoan trùng với lỗ cần khoan. - Máy khoan cầu (còn gọi là máy khoan hướng kính) để khoan lỗ trên chi tiết có kích thước lớn. Khi gia công, chi tiết đặt cố định, còn hệ trục chính khoan sẽ di động tịnh tiến dọc cần khoan và xoay quanh trụ cầu khoan để tới vị trí lỗ khoan. - máy khoan nhiều trục chính lắp nhiều mũi khoan để cùng gia công một lúc. - Máy khoan ngang để khoan lỗ sau. Kích thước cơ bản của máy khoan là: đường kính lớn nhất của mũi khoan khoan được trên máy đó, kích thước côn trục chính, hành trình lớn nhất của trục chính. Khoảng cách từ mặt đầu trục chính đến bàn máy. Độ chính xác và độ bóng của khoan thấp. b. Khái niệm chung về Máy Doa. Doa là phương pháp gia công kim loại, có thể gia công bán tinh hoặc gia công tinh những lỗ khoét đã khoan. Doa được thực hiện trên máy doa, máy khoan người máy tiện. Doa có thể đạt được độ bóng bề mặt từ D6 á D9 và cấp chính xác đạt từ 4 á 2 đặc biệt có thể đạt được cấp chính xác 1. Máy doa dùng để gia công các chi tiết với các nguyên công: khoét lỗ trụ, khoan lỗ có thể dùng để phay. Thực hiện các nguyên công gia công trên máy doa sẽ đạt được độ bóng và độ chính xác cao. Máy doa dùng để gia công các chi tiết lớn và nguyên công khoét lỗ hình trụ, hình côn, phay cắt ren, mặt ngoài, hoặc mặt trong. - Các loại máy Doa: máy Doa có nhiều loại. + Máy Doa tinh xác: là loại máy doa thực hiện theo chương trình và được dùng để gia công các chi tiết có yêu cầu và độ chính xác cao. + Máy Doa ngang: Là loại máy doa có ụ gá dao và bàn máy nằm ngang. + Máy doa toạ độ: Là loại máy doa có ụ gá doa và bàn máy thẳng đứng. Máy thường dùng để gia công các chi tiết có độ chính xác cao mà các máy doa khác không thể thực hiện được, loại máy này được trang bị một hệ thống, đo lường rất chính xác và tinh vi. Máy Doa toạ độ thường được dùng để đánh dấu định tâm máy nó có thể khoan, khoét, phay mặt đầu gia công tinh đạt độ bóng và độ chính xác cao nhờ sự di chuyển bàn kẹp sản phẩm hoặc ụ trục chính với dụng cụ. Có hai loại máy doa toạ độ: Loại một trụ và loại hai trụ. (+) Yêu cầu đối với truyền động điện và trang bị điện máy doa. - Truyền động chính: Yêu cầu phải đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc độ D = 130/1 với công suất không đổi, độ trơn điều chỉnh f = 1,26. Hệ thống điều chỉnh cần phải hãm dừng nhanh. Hiện nay hệ truyền động chính máy doa thường sử dụng động cơ không động bộ rôto lồng sóc và hộp tốc độ ở những máy cỡ nặng có thể sử dụng động cơ điện một chiều, điều chỉnh tốc độ trơn trong phạm vi rộng. - Truyền động ăn dao: Phạm vi điều chỉnh của truyền động ăn dao là D = 1500/1 l ượng ăn dao được điều chỉnh trong phạm vi 1mm/phút á 600mm/phút khi di chuyển nhanh có thể đạt tới 2,5m/phút á 3m/phút. Lượng ăn dao ở những máy dao cỡ nặng yêu cầu được giữ không đổi khi tốc độ trục chính thay đổi. Đặc tính cơ cấu có độ cưng cao, với độ ổn định tốc độ < 10%. Hệ thống truyền động ăn dao phải đảm bảo tác động nhanh cao, dừng máy chính xác, đảm bảo tiên động với truyền động chính khi làm việc tự động. ở những máy doa cỡ trung bình và nặng hệ thống truyền động ăn dao sử dụng hệ thống khuếch đại máy điện động cơ điện một chiều hoặc hệ thống truyền động. Chương II: Phân tích hệ thống truyền động cũ I. GIới thiệu về hệ thống truyền động II. Giản đồ xung và điện áp sau chỉnh lưu III. Nguyên lý làm việc của sơ đồ. Chương II: Phân tích hệ thống truyền động cũ I. GIới thiệu về hệ thống truyền động - Công nghệ máy doa toạ độ yêu cầu độ chính xác cao phạm vi điều chỉnh lớn, sai lệch tĩnh nhỏ. Để đảm bảo các yêu cầu công nghệ trên thì hệ thống có khâu phản hồi âm tốc độ, phản hồi âm dòng có ngắt để bảo vệ một cách tin cậy khi quá tải. - Điện áp trên phần ứng động cơ được cung cấp từ bộ biến đổi Trisistor T1 á T6 dòng mạch theo sơ đồ cầu ba pha với mạch cộng hưởng phóng điện. - RC bảo vệ sự quá điện áp, tốc độ của động cơ được điều chỉnh nhờ sự thay đổi điện áp cấp đến phần ứng động cơ bằng cách biến đổi góc điều khiển a của bộ chỉnh lưu. Điều chỉnh góc mở a bằng hai khối tạo xung GY1 và GY2. - Để ổn định tốc độ động cơ người ta sử dụng khâu phản hồi âm tốc độ nhờ máy phát tốc FT. 1. Mạch lực. - áptomát AB cấp điện cho toàn bộ mạch (cả mạch lực và mạch điều khiển) đồng khởi cũng là cách ly giữa nguồn ba pha từ lưới đến mạch của động cơ. Ngoài ra còn bảo vệ ngắn mạch cho mạch điều khiển. - Máy biến áp TC: có tác dụng tạo ra điện áp phù hợp để đưa đến mạch phản ứng động cơ qua cầu chỉnh lưu 4B đồng thời cũgn là để tạo khâu dịch pha so với điện áp lưới một góc 300. Nhờ có mạch R - C mà ở cuộn thứ cấp của biến áp T - C được bảo vệ quá điện áp. - Bộ biến đổi T - D. Điện áp phần ứng động cơ được cung cấp từ bộ biến đổi Tiristor cầu ba pha T1 á T6 có mạch cộng hưởng R - C để bảo vệ sự quá điện áp cho Tiristor. Tốc độ của động cơ được điều chỉnh nhờ sự thay đổi điện áp phần ứng động cơ được thay đổi nhờ sự thay đổi góc a của Tiristor. Ud = . U2 . cosa. Ud: điện áp trên tải của cầu chỉnh lưu. U2: Điện áp đầu vào của cầu chỉnh lưu. Cầu 3 pha này chia ra làm hai nhóm: Nhóm catôt chung (T1, T3, T5 được điều khiển nhờ khâu tạo xung 1T, 3T, 5T. Nhóm anốt chung (T2, T4, T6) được điều khiển nhờ khâu tạo xung 2T, 4T, 6T. - Điện trở hãm Rh: Dùng để tiêu tốn năng lượng dưới dạng nhiệt năng khi động cơ thực hiện quá trình hãm động năng. - Mạch kích từ động cơ. + Cuộn kích từ CKĐ được cấp điện từ cầu chỉnh lưu không điều khiển 4B. + POD: Cuộn để bảo vệ mất từ thông được mắc nối tiếp với cuộn CKĐ. + Biến trở RB để điều chỉnh dòng kích từ của động cơ. Điện trở phóng điện RP được mắc song song với cuộn kích từ của động cơ để phòng quá điện áp cảm ứng khi cắt mạch kích thích gây lên, nguy hiểm cho cuộn dây và người vận hành. 2. Mạch điều khiển. - Khâu phản hồi âm tốc độ: Trong quá trình làm việc thì mô men cản biến đổi dần đến tốc độ động cơ cũng biến đổi, mà tốc độ động cơ là lượng cầu ổn định. Khi tốc độ động cơ biến đổi thì dẫn đến điện áp ra của phát tốc FT cũng biến đổi theo. Ta sử dụng lượng này để phản hồi. Việc sử dụng phản hồi âm tốc độ cho ưu điểm là quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào là quan hệ tuyến tính, không gây nhiễu loạn, làm việc êm kích thước và trọng lượng nhỏ bé. - Bộ điều chỉnh tốc độ RW: Hệ truyền động ở đây là hệ thống kín dùng điện áp phản hồi lấy trên phát tốc độ để ổn định tốc độ. Điện áp chủ đạo lấy trên chiết áp RD. RD được cung cấp bởi cầu chỉnh lưu 1B qua tiếp điểm của công tắc tơ Dg được ổn định bừng hai điốt ổn áp CT5 và CT6. Hiệu điện áp giữa điện áp lấy trên phát tốc và điện áp đặt lên RD (UD) sẽ được đưa vào bộ khuếch đại vi sai. UBX = UrRw = UCĐ - UFT. Khi đó điện áp ra của bộ khuếch đại: UrRw = Ur1 - Ur2. ị UrRw = Ur2 - Ur1 = KRw (UV1 - UV2) =KRw. UVRw. UrRw = KRw. (UCĐ - UFT). Hình 1: Sơ đồ nối dây bộ điều chỉnh tốc độ (Rw). Bộ điều chỉnh dòng điện Ri: ổn định dòng phần ứng động cơ bằng bộ khuếch đại vi sai 9T và 10T. - Dòng phần ứng động cơ được bảo vệ bằng điốt ổn áp CT4, dòng phần ứng này được đưa qua biến dòng 1T1, 2T1, 3T1. Tín hiệu qua biến dòng này được đưa qua cầu chỉnh lưu điốt 5B á 7B áp ra trên cầu này qua chiết áp R4 và đặt lên điốt ổn áp CT4. Khi dòng phần ứng động cơ tăng đến giá trị đánh thủng Điốt ổn áp CT4 sẽ không làm giảm điện áp vào Ri. Khi đó điện áp ra của khâu khuếch đại Ri sẽ giảm dẫn đến điện áp phần ứng động cơ cũng giảm theo và dòng phần ứng động cơ giảm đ dòng phần ứng được. - Điện áp điều khiển. + Khâu dịch pha: Máy biến áp 1DP, 2DP, 3DP làm điện áp được dịch pha. + Khâu tạo xung: Gồm 6 khâu điều khiển cho hai nhóm K và A (1ĐP, 3ĐP và 5ĐP) điều khiển cho (T1, T3 và T5); (2ĐP, 4ĐP và 6ĐP) điều khiển cho (T1, T4 và T6). 1TB 1TB' 1TB BAX -UK G + Uđk - + Ucu - Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung. Việc tạo xung để điều khiển góc mở của T (để điều chỉnh tốc độ động cơ được thực hiện nhờ việc mở Tranzitar của các khâu 1T á 6T. Thế tại cực đại E của tranzitor. jc = Uk + Uđk Nhờ các cầu chỉnh lưu 2B và 3B nên luôn tạo ra một điện áp dương (thiên điện áp) để đặt lên cực B của Tranzitor nên jB > 0. Uđk UCM a t t Hình 1.3: Giản đồ điện áp ra của mạch phát xung Tranzitor chỉ mở khi UBE > 0, ở thời điểm "không" nó không xác định nên để tránh điểm 0 người ta đặt vào một điện áp điều khiển Uđk, điện áp trên hai cực E - B. UEB = UB - Uđk Nhưng để mở được tranzitor thì thực tế điện áp UEB phải lớn hơn một giá trị điện áp dương nào đó nên người ta đặt vào đó một điện áp chuyển dịch UCM vậy đồ thị xung mở của Tranzitor có dạng như hình 1.4. Ta có thể điều khiển góc mở của T từ 00 á 900. II. Giản đồ xung và điện áp sau chỉnh lưu. Qua khâu dịch pha thì nó sẽ làm cho điện áp của các pha dịch đi so với điện áp lưới một góc bằng 300. Hình 1-4: Giản đồ điện áp của toàn bộ mạch điều khiển III. Nguyên lý làm việc của sơ đồ. 1. Quá trình khởi động. Để khởi động động cơ, đóng mạch áp tô mát AB, động cơ quạt làm mát Trisistor và đóng kín tiếp điểm của Rơle giá - PB chuẩn bị đóng mạch của công tắc Đg qua cầu chỉnh lưu 4B điện áp áp được cấp đến mạch điều khiển và cuộn kích từ CKĐ của động cơ. Cuộn dây của Rơle POĐ có điện, tiếp điểm thường mở của nó đóng lại chuẩn bị để cấp điện cho công tắc Dg. ấn nút khởi động M, công tắc tơ Dg có điện và tự duy trì bằng tiếp điểm thường mở của nó. Đồng thời tiếp điểm thường mở của nó nối bộ chỉnh lưu T vào lưới cấp điện cho phần ứng động cơ. Tiếp điểm Dg trên mạch điều khiển đặt điện áp chủ đạo lên chiết áp RD và cung cấp nguồn cho chỉnh lưu 1B lúc này phát tốc chưa quay nên điện áp đặt vào khâu vi sai của bộ RW bằng điện áp UCĐ trên chiết áp RD là lớn nhất với góc điều khiển mở T là 900. Động cơ bắt đầu quay có phát tốc quay theo xuất hiện UFT. Khi đó điện áp đặt lên rơle lưỡng cực PP là: UBX = Ucđ - UFT. Điện áp ra của khâu khuếch đại giảm dẫn đến góc mở a của Tristor cũng giảm theo áp phần ứng tăng nên tốc độ động cơ tăng dần. Do quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào của khâu phản hồi âm tốc độ là tuyến tính nên việc khởi động động cơ ở giai đoạn một này được giữ f là không đổi và dòng được hạn chế nhờ khâu Ri (W < Wgh). 2. Tăng tốc. Để tăng tốc độ động cơ đạt tới giá trị W > Wgh thì ta điều chỉnh f bằng cách điều chỉnh biến trở RB trên mạch kích từ động cơ khi tốc độ động cơ đạt tới giá trị Umax lúc này điện áp phần ứng động cơ đạt tới trị số hút của Rơle DA thì công tắc tơ F trên mạch lực hút cắt phát tốc ra đóng điện trở RFT vào. Đồng thời đưa biến trở RB vào mạch kích từ động cơ. Điều chỉnh biến trở RB vào mạch kích từ động cơ. Điều chỉnh biến trở RB sao cho động cơ làm việc ở tốc độ W > Wgh (gđ2) cuộn dòng điện POD ở đây có tác dụng bảo vệ mất kích từ của động cơ giả sử dòng kích từ nhỏ hơn trị số hút của POD thì động cơ sẽ bị cắt ra khỏi lưới nhờ công tắc Dg. 3. Dừng máy. ấn nút dừng D, Dg mất điện tiếp điểm thường đóng của nó đóng lại cắt phần ứng động cơ ra khỏi lưới điện. Lúc này điện áp đặt lên Rơle lưỡng cực âm (PP) ị PP hút. Tiếp điểm thường mở của PP đóng lại cấp điện cho PT dẫn đến công tắc tơ T có điện tiếp điểm T trên mạch phần cứng động cơ đóng lại và đóng điện trở hãm Rh vào phần dưới dạng nhiệt trên điện trở hãm Rh. Khi áp ra trên động cơ giảm xuống giá trị nào đó PP nhả lúc này cắt điện trở hãm Rh ra khỏi phần ứng động cơ thì động cơ hãm tự do đến khi dừng hẳn. Phần III: Thiết kế thay thế hệ truyền động cũ I. Đặt vấn đề. II. Lựa chọn phương án truyền động III. Các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển. IV. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính V. Thiết kế mạch điều kiển chỉnh lưu Phần III: Thiết kế thay thế hệ truyền động cũ I. Đặt vấn đề. Trong thực tiễn cũng như trong kỹ thuật để giải quyết một vấn đề nào đó thì chúng ta đều có thể đưa ra rất nhiều phương án và cách giải quyết khác nhau. Nhưng chúng ta luôn mong muốn là sẽ tìm ra một phương án tối ưu nhất, tức là hệ có độ ổn định cao nhất mà giá thành lại rẻ nhất. Tuy nhiên bất cứ một phương án nào cũng có ưu và nhược điểm của phương pháp này và loại bỏ bớt nhược điểm của nó để có thể đưa ra một hệ điều khiển đáp ứng được một số yêu cầu nào đó mà ta đưa ra. II. Lựa chọn phương án truyền động. Trước khi lựa chọn phương án truyền động cho hệ chúng ta nghiên cứu qua về các đặc tính điều chỉnh tốc độ của hệ động cơ một chiều và chọn xem cách điều chỉnh nào phù hợp với yêu cầu công nghệ của máy doa mà ta đã nghiên cứu. 1. Đặc tính cơ của động cơ và các phương pháp điều chỉnh tốc độ. a. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập. U + _ Eư Iư Rf Rđc CKT Ukt + _ Hình 3.1: Sơ đồ đấu dây củ động cơ kích từ độc lập Phương trình đặc tính cơ: W = Trong đó: K = P: Số đôi cực. N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng. a: Số đôi mạch nhánh. Inm = Ikđ = Mnm = Kf. Inm. W0 = DW = Độ cứng đặc tính cơ: b = Từ phương trình đặc tính cơ trên ta thấy có thể điều chỉnh tốc độ nhờ việc điều chỉnh tốc độ nhờ việc điều chỉnh các thông số sau: + Thay điện trở phụ (Rf) trong mạch phần ứng động cơ. + Thay đổi từ thông (f) + Thay đổi điện áp (Uư). b. Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều: * Phương pháp điều chỉnh nhờ thay đổi điện trở phụ phần ứng động cơ. - Khi ta giữ Uđm, fđm, R = Rư, Rf = Var thì ta có đặc tính tự nhiên. Giả thiết rằng: Uư = Uđm á const. f = fđm = const Khi thay đổi điện trở phụ phần ứng động cơ thì: W0 = = const. DW = = var. Inm = Ikđ = = var Mnm = KfInm = var. b = = var. Khi Rf tăng thì DW tăng tức là độ tụt dốc độ càng lớn. Đồng thời b giảm nghĩa là đặc tính cơ càng dốc, Inm giảm dẫn đến Mnm cũng giảm theo. Khi đó tốc độ động cơ cũng giảm theo ứng với cùng phụ tải. W0 Rf=0 Rf1 Rf2 M Unm Mđm W Hình 3.2: Đặc tính cơ khi Rf thay đổi Đặc điểm của phương pháp này: + Thường sử dụng để hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ phía dưới cơ bản tức là đặc tính thấp hơn đặc tính tự nhiên (giảm độ cứng của đặc tính cơ) dải điều chỉnh không triệt để, dải điều chỉnh phụ thuộc vào độ lớn mômen phụ tải độ chính xác duy trì tốc độ không cao, độ tinh chỉnh kém. + Điều chỉnh càng sâu, thì sai số tốc độ càng lớn và mô men ngắn mạch càng nhỏ dẫn đến độ chính xác duy trì tốc độ và khả năng quá ttải kém. + Tổn hao trên mạch phần ứng nên hiệu suất không cao. * Phương pháp điều chỉnh từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ Ikt động cơ. Trường hợp này: Tốc độ không tải: W0 = = Var. b = Inm = Ikđ = Mnm = Kf Inm = var. Do cấu tạo động cơ nên thực tế thường điều chỉnh giảm từ thông (f<fđm). Đặc tính cơ trong trường hợp này. fđm f1 f2 W W2 W1 W0 M Inm fđm f1 f2 W W2 W1 W0 M Mnm Mnm1 Mnm2 WC Hình 1.3: Đặc tính khi thay đổi từ thông * Phương pháp thay đổi phần ứng động. Giả thiết f = fđm = const; Rf = 0 Khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so với Uđm ta có: W0 = = var b = = const Inm = Mnm = KfInm = var. M Uđm U1 U2 U3 Mđm Wđm W1 W2 W3 W Khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ ta được 1 họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ tự nhiên. Hình 3.4: Đặc tính cơ khi giảm điện áp Ta thấy rằng khi thay đổi điện áp phần ứng động cơ (giảm áp) thì mômen ngắn mạch, dòng điện ngắn mạch của động cơ và tốc độ động cơ cũng giảm với một phụ tải nhất định. Đặc điểm của phương pháp này điều chỉnh triệt để, có thể điều chỉnh tốc độ trong bất cứ vùng tải nào, kể cả khi không tải lý tưởng. Phương pháp này đảm bảo sai tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn dải điều chỉnh rộng và tổn thất năng lượng ít. Việc điều chỉnh điện áp trên phần ứng động cơ được thực hiện khi từ thông không đổi f = fđm = const. Nên đặc tính mô men tải cho phép của hệ khi điều chỉnh điện áp sẽ là Mccp = KfđmIđm = Mđmconst rất phù hợp với cơ cấu máy cắt gọt kim loại. đ Nhận xét chung: Qua phân tích ở trên ta thấy phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ bằng thay điện áp phần ứng động cơ và tốc độ động cơ là phù hợp với hệ truyền động của máy doa độ mà ta đang nghiên cứu. 2. Các phương án điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cơ bản hệ F-Đ: hệ F-Đ là hệ truyền động với bộ biến đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc lập. Máy phát thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ ba pha quay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi. Thay đổi tốc độ động cơ điện một chiều bằng cách thay đổi dòng điện kích từ của máy phát hoặc dòng kích từ của động cơ 1 chiều. F F i BBĐ CKĐ Uđkf BBĐ CKĐ UđkU ĐK Hình 3.5: Hệ F-Đ - Đặc điểm cơ bản của hệ F - Đ: Ngoài những đặc điểm của phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng thì nó còn một số đặc điểm nổi bật sau: + PHạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, D = 10/30 khi sử dụng các biện pháp ổn định hóa tốc độ dải điều chỉnh cơ thể đạt tới D = 100/300. + Đặc tính động tốt và rất linh hoạt trong chuyển đổi giữa các trạng thái làm việc, khả năng quá tải lớn. + Tuy nhiên hệ F - Đ có những nhược điểm cơ bản là: Dùng nhiều máy điện quay công suất lắp đặt lớn gấp 3 lần công suất tải yêu cầu, đồng thời tổn thất cũng lớn, hiệu suất nhỏ khi lắp đặt đòi hỏi diện tích đặt lớn. b. Hệ xung áp động cơ một chiều. Do: Điốt đệm. UN D0 E ư R L T Hình 3.6: Hệ xung áp. - Khi tiristor thông U = 0, i = iD0 do tác dụng duy trì của dòng điện của điện cảm L. - Có giá trị trung bình của điện áp và dòng điện, do đó suất điện động của động cơ khi đóng ngắn mạch tiristor liên tục sẽ được xác định nếu biết luật đóng cắt và các thông số của mạch. * Đặc điểm của hệ: - Bộ nguồn điện áp xung thường cần ít van điều khiển nên vốn đầu tư ít và hệ đơn giản. - Khi sử dụng van điều khiển đóng ngắt thì hệ có khả năng thiết lập hệ tự động vòng kín. Nên hệ điều xung này chỉ được sử dụng ở dạng hệ kín với những chỉ tiêu cao về đặc tính động và tĩnh. - Độ cứng của đặc tính cơ cao. - Tuy nhiên hệ có những nhược điểm sau: + Điện áp xung gây ra tổn thất phụ khá lớn trong động cơ do thành phần xoay chiều của dòng điện. Hệ thường thích hợp với công suất nhỏ. + Hệ có thể làm việc ở trạng thái dòng gián đoạn, với những đặc tính kém ổn định và tổn thất năng lượng nhiều. Để giảm nhỏ vùng này có thể tăng tần số đóng cắt van hay tăng hằng số thời gian của mạch phần ứng bằng cách nối thêm kháng phụ. c. Hệ chỉnh lưu Tiristor động cơ 1 chiều (T - Đ). E ư Iư A B C CL LK đ CKĐ Uđk Hình 3.7: Hệ T-Đ Bộ biến đổi chỉnh lưu Tiristor trực tiếp biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều không qua khâu trung gian. * Đặc điểm của hệ: - Có nhiều ưu điểm như tác động nhanh cao tổn thất ít, giảm tiếng ồn. - Van điều khiển và khuếch đại cao nên có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng giải điều chỉnh và cải thiện các đặc tính của hệ chính. - Nhược điểm: Khả năng chuyển đổi trạng thái làm việc không cao hệ đảo chiều khá phức tạp, khả năng quá tải về dòng, áp của van kém. Đặc biệt điện áp - đầu ra của bộ biến đổi có độ đập mạnh lớn, nghĩa là chứa thành phần xoay chiều lớn do đó gây tổn thất phụ và làm xấu điều kiện chuyển mạch trên cổ góp của động cơ. hệ số công suất của hệ truyền động van gần như tỷ lệ với tốc độ làm việc, khi điều chỉnh sâu chỉ tiêu này rất thấp. Kết luận: Qua những phân tích ở trên ta thấy hệ T - Đ có nhiều ưu điểm có thể đáp ứng được yêu cầu công nghệ của hệ truyền động chính máy doa toạ độ. III. Các sơ đồ chỉnh lưu điều khiển. b T2 T3 T1 T4 a Đ 1. Sơ đồ cầu 1 pha đối xưng (chỉnh lưu điều khiển). Hình 3.8: Sơ đồ nối dây của chỉnh lưu điều khiển cầu một pha. - Có giản đồ điện áp như hình 3-9: Gọi a là góc điều khiển mở Tiristor trong khoảng thời gian từ t1 á t2 pha a dương. Khi đó điện áp thuận sẽ đặt lên T1 và T3 đồng thời khi đó ta đưa xung điều khiển vào mở nên T1 và T3 đồng thời khi đó ta đưa xung điều khiển vào mở nên T1 và T3 sẽ dẫn dòng. Hình 3.9: Giản đồ điện áp của chỉnh lưu cầu điều khiển một pha Lúc này dòng khép mạch từ a đ T1 đ Đ đ T3 đ b. Đến thời điểm E2 ta đưa xung vào mở T2 và T4 đồng thời pha b lúc này dương hơn pha b nên nó đặt điện áp thuận vào T2 và T4 vậy T2 và T4 sẽ dẫn lúc đó dòng sẽ khép mạch b đ T2 đ Đ đ T4 đ a. Dòng điện tải sẽ được sau phẳng và là dòng liên tục id = ID. Giá trị của điện áp chỉnh lưu: Ud = . cosa. Id = + Hiện tượng trùng dẫn: Giả thiết T1 và T3 đang mở cho dòng chảy qua iT1,3 = Id. Khi t = t2 đưa xung vào mở T2 và T4. Do có điện cảm trên mạch anot nêndòng iT1,3 không thẻ giảm đột ngột ngay từ Id đ 0 mà dòng iT2,4 cũng không thể tăng đột ngột từ 0 đến Id. Hình 3.10: Giản đồ hiện tượng trùng dẫn Lúc này cả bốn tiristor đều mở cho dòng chảy qua, phụ tải bị ngắn mạch Ud = 0. Giá trị trung bình của điện áp tải là: U'd = Ud. Với giản đồ điện áp ở hình 3 - 12. Ta xét: 0 Ê Ud Ê Udmax; 0 Ê a Ê p Sơ đồ chỉ có chế độ nhưng hai chức năng: đó là ổn định công suất phía một chiều, phía xoay chiều không ổn định và điều chỉnh công suất phía một chiều. Trong quá trình thay đổi góc a thì dòng điện và điện áp thay đổi nhưng không giữ tính đối xứng. Như vậy khi thay đổi a thì không chỉ thay đổi biên độ điện áp, dòng điện mà còn thay đổi các thành phần sóng hài chứa trong thành phần điện áp, dòng điện đó. Vì vậy quá trình tích toán thiết kế toàn bộ bộ lọc rất phức tạp làm tăng. Trọng lượng, kích thước của hệ. Các gia trị trong sơ đồ. + Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lưu. Ud = + Giá trị dòng điện. Id = Hình 3-11: Giản đồ điện áp của chỉnh lưu bán điều khiển cầu 1 pha 2. Điều khiển tiristor sử dụng sơ đồ tia ba pha T3 Đ Uc T2 Ub T1 Ua Hình 3.12: Sơ đồ nối dây của chỉnh lưu tia ba pha Hình 3.13: Giản đồ điện áp ra của bộ chỉnh lưu tia ba pha. Gọi t1, t2, t3 lần lượt là các thời điểm đưa xung vào mở T1, T2, T3. Gọi a là góc điều khiển tính từ thời điểm chuyển mạch tự nhiên. Các Tiristor chỉ mở khi có xung điều khiển mở đưa vào cực G của nó. Xét thời điểm từ 0 á T1 thế trên pha c dương hơn trên a, b. Anot của T3 dương hơn trên Anot củ T1 và T2 đồng thời ta đang đưa xung vào thời điểm T3 nên T1 mở. Đến thời điểm t1 thế trên pha a lúc này dương hơn trên pha b và c tức là T1 được đặt một điện áp thuận lên đồng thời ta đưa xung vào điều khiển mở nên T1 mở. Do động cơ có điện cảm nên đáng lẽ nó chỉ dẫn đến thời điểm t2 do năng lượng của cuộn cảm nên T1 sẽ dẫn đến thời điểm t2. Tức là T1 sẽ dẫn từ thời điểm t1, t2, lúc đó Ud = Ua. Tại thời điểm t2 thì thế trên pha b lúc này lại dương nhất và ta cũng đưa vào điều khiển mở T2 và T3 lúc này lại dẫn trong khoảng thời gian từ t2 và t3. Lúc đó Ud = Uỷ ban nhân cấp tỉnh. Đến thời điểm t3 thì thế trên pha c là dương nhất, T3 được đặt điện áp thuận lên đồng thời ta đưa xung vào điều khiển mở T3 nên T3 dẫn trong suốt khoảng thời gian t3 , t4. Khi T3 mở thì T1 lập tức bị khoá lại do có một điện áp ngược đặt lên nó. Khi đó Ud = Uc. Cứ như vậy chu kỳ lại được lặp lại các van T1, T2, T3 sẽ lần lượt dẫn điện với các pha a, b, c ở một thời điểm bất kỳ thì chỉ có một van dẫn điện còn hai van còn lại sẽ bị khoá. Dạng của điện áp ra là liên tục và dòng được san bằng. Nếu khong đưa xung vào mở (ví dụ T1) thì thời điểm t1 là tuỳ ý chỉ phụ thuộc vào điện cảm Ld của đ._.