trang bị điện máy mài trong công nghiệp

Trong thời gian gần đây, do sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin học, động cơ không đồng bộ đã khai thác đợc các u điểm của nó và trở thành h

Phần thứ nhất

Phân tích chọn phơng án truyền động

Đặc trng cho công nghệ gia công chi tiết bằng phơng pháp mài có yêu cầu rất cao về độ chính xác kích thớc, độ nhẵn bề mặt Khi gia công các chi tiết khác nhau đòi hỏi phải có tốc độ khác nhau.Việc điều chỉnh tốc độ hay

đảm bảo tốc độ của máy sẽ đảm bảo chất lợng sản phẩm và an toàn trong sản xuất, đạt năng suất cao Do vậy đa số các máy trong quá trình gia công kim loại đòi hỏi phải điều chỉnh tốc độ

Đối với máy mài vì nó là khâu thực hiện nguyên công cuối cùng nên

đòi hỏi độ chính xác và độ bóng cao nên viẹc điều chỉnh tốc độ cũngđòi

hỏi cao.ở máy mài việc thực hiện điều chỉnh tốc độ quay chi tiết gia công

đó là yêu cầu không thể thiếu và hết sức quan trọng trong khi thiết kế cũng nh vận hành

Động cơ không đồng bộ 3 pha đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

từ công suất nhỏ đến công suất trung bình và chiếm tỉ lệ rất lớn so với động cơ khác Sở dĩ nh vậy : là do động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, vật hành an toàn, sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lới điện xoay chiều

S S th th

ổn định tốc độ gặp khó khăn Nếu tuyến tính hoá đoạn đặc tính làm việc thì chỉ có thể ổn định tốc độ ở điểm làm việc từ ω0 đến điểm A trên hình vẽ Còn

từ điểm A đến Mkđ là đoạn đặc tính làm việc không ổn định của động cơ

Trong thời gian gần đây, do sự phát triển của công nghiệp chế tạo bán dẫn công suất và kỹ thuật điện tử - tin học, động cơ không đồng bộ đã khai thác đợc các u điểm của nó và trở thành hệ truyền động có khả năng cạnh tranh có hiệu quả với hệ truyền động Tiristor - động cơ một chiều Tuy nhiên

Hình2 Sơ đồ nguyên lý động cơ không

đồng bộ

Hình 3 Đặc tính cơ của động cơ không

đồng bộ ω =f(M) trong chế độ động cơ

việc ứng dụng các kỹ thuật mới này còn rất hạn chế ở nớc ta do giá thành còn

cao

b Động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ 3 pha trớc đây thờng dùng cho loại truyền động

không điều chỉnh tốc độ , công suất trung bình và lớn ( hàng trăm KW đến

hàng MW ) , có yêu cầu ổn định tốc độ cao

Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp điện tử, động cơ

đồng bộ đợc nghiên cứu ứng dụng nhiều trong công nghiệp, ở mọi loại giải

công suất, từ vài trăm W ( cơ cấu ăn dao máy cắt gọt kim loại, cơ cấu truyền

động của tay máy, ngời máy v.v ) đến hàng MW ( trong truyền động kéo

tàu GTV tốc độ cao, máy cán v.v )

Nhận xét:

Ưu điểm của loại động cơ này là có độ ổn định tốc độ cao ( đặc tính cơ

tuyệt đối cứng ở vùng mômen cho phép M ≤ Mmax ), hệ số cosϕ và hiệu

suất lớn , vận hành có độ tin cậy cao

Nhợc điểm của loại động cơ này là việc động cơ tốc độ gặp khó khăn do

chỉ có phơng pháp duy nhất là biến tần nguồn điện Tuy nhiên, do sự phát

triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử thì nhợc điểm này đã đợc khắc phục bằng

các bộ biến tần công nghiệp của các hãng sản xuất thiết bị điện tử công

nghiệp nổi tiếng trên thế giới nh SIEMENT ( Đức ) , OMRON (Pháp) v.v

nhng do giá thành còn cao cũng nh công nghệ truyền thống nên chúng cha

đ-ợc sử dụng rộng rãi ở nớc ta

2 Động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều do có hai cách mắc cuộn kích từ (mắc nối tiếp

và mắc song song) nên chúng đợc chia làm hai loại động cơ : động cơ điện

một chiều kích từ nối tiếp và động cơ điện một chiều kích từ song song Ta

xét đặc tính của từng loại động cơ một

a Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Hình 4.a) Sơ đồ nguyên lý động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Đặc điểm của động cơ một chiều kích từ nối tiếp là cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng (hình 4.a) , nên cuộn kích từ có tiết diện lớn,

điện trở nhỏ , số vòng ít, chế tạo dễ dàng

Phơng trình đặc tính cơ:

ω

= U − K

và đạc tính có dạng gần tuyến tính Hơn nữa đặc tính cơ của động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp có độ cứng thay đổi theo phụ tải , do đó thông qua tốc độ của

động cơ ta có thể biết đợc sự thay đổi của phụ tải Vì vậy ta không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao mà nên sử dụng cho những truyền động có yêu cầu tốc độ thay đổi theo tải

Vậy ta không thể dùng động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp cho công nghệ mài

b Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Hình 5-b) Đặc tính tính từ hoá của động cơ một chiều kích từ nối tiếp c) Đặc tính cơ của một động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp.

Động cơ điện một chiều kích từ độc lập thờng có cuộn kích từ mắc vào

nguồn một chiều độc lập (hình 6.a) (đối nguồn có công suất không đủ lớn)

và cũng có thể cuộn kích từ mắc song song với mạch phần ứng (đối nguồn

một chiều có công suất vô cùng lớn)

Phơng trình đặc tính cơ:

ω = Uφ− φK

So với động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp thì ta thấy động cơ điện 1

chiều kích từ độc lập có từ thông không phụ thuộc vào phụ tải mà chỉ phụ

thuộc vào điện áp và điện trở của mạch kích từ nên khẳ năng ổn định tốc độ

của động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập cao hơn Mặt khác đặc tính cơ của

nó có dạng đờng thẳng do đó có thể ổn định ở mọi cấp tốc độ Động cơ loại

này có dải điều chỉnh rộng do :

+ Điều chỉnh bằng phơng pháp thay đổi từ thông

+ Điều chỉnh bằng phơng pháp thay đổi điện ápđạt vào phần ứng

động cơ

1 Điều chỉnh điện trở phụ mạch phần ứng động cơ

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng

Tốc độ không tải lý tởng: ω 0 = Uφ

K

dm dm

Độ cứng đặc tính cơ: β = (Kφ+ ) = var

dm

u f 2

Nhận xét:

Hình 7 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi thay đổi điện

trở phụ mạch phần ứng

Khi thêm điện trở phụ vào mạch mạch phần ứng thì độ cứng đặc tính cơ

β giảm đi Với một phụ tải Mc nào đó, nếu Rf càng lớn thì tốc độ động cơ giảm, đồng thời dòng điện ngắn mạch và mômen ngắn mạch cũng giảm (hình 7) Nh vậy phơng pháp này không thể ổn định tốc độ cho toàn dải điều chỉnh

= = var

Độ cứng đặc tính cơ:

β =(Kφ ) = var R

x u 2

Nhận xét:

Do cấu tạo động cơ, thực tế thờng điều chỉnh giảm từ thông Nên khi từ

thông giảm thì ωox tăng, còn β sẽ giảm Ta có đặc tính cơ với ωox tăng dần và

độ cứng của đặc tính cơ giảm dần khi giảm từ thông (hình 8)

Nh vậy điều chỉnh từ thông chỉ phù hợp với loại truyền động khi cần

tăng tốc độ lớn hơn tốc độ định mức Vì vậy ta cũng loại bỏ phơng pháp này

3 Điều chỉnh điện áp động cơ đặt vào phần ứng động cơ

Khi thay đổi điện áp ta có:

Tốc độ không tải lý tởng:

ωox φx

dm

U K

= = var

Hình 8 Đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm từ thông

Độ cứng đặc tính cơ:

const R

) K ( u

2

dm =

φ

= β

Nhận xét:

Nh vậy khi thay đổi điện áp đặt vào phần ứng động cơ ta đợc một họ

đặc tính song song với đặc tính cơ tự nhiên (β=const) (xem hình 9), khi thay

đổi điện áp : mô men ngắn mạch của động cơ giảm, độ cứng β= const,tốc độ

động cơ thay đổi Mặt khác ta thấy điện áp đặt vào phần ứng động là có thể

điều chỉnh đợc tuỳ ý Do vậy ta có thể điều chỉnh và ổn định tốc độ ở mọi dải

điều chỉnh

Kết luận:

Từ công nghệ quay chi tiết và qua phân tích ở trên, để phù hợp ta chọn

động cơ 1 chiều kích từ độc lập và chọn phơng pháp điều áp đặt vào phần

ứng động cơ

III Chọn bộ biến đổi để cấp điện áp cho phần

ứng động cơ

Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều u

việt hơn so với loại động khác, không những nó có khả năng điều chỉnh tốc

độ dễ dàng mà cấu trúc mạnh động lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng

thời lại đạt chất lợng cao trong dải điều chỉnh rộng

Có hai phơng pháp cơ bản điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều

-Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

Hình 9 Các đặc tính của động cơ một chiều kích từ độc lập khi giảm điện áp

đặt vào phần ứng động cơ

-Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ.

Trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính:

-Bộ biến đổi máy điện: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều

-Bộ biến đổi điện từ: khuyếch đại từ

-Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn: chỉnh lu Tiristor

-Bộ biến đổi xung áp một chiều:Tiristor-Tranzitor

Và tơng ứng với bốn bộ biến đổi trên có bốn loại truyền động Trong đồ

án này em chỉ xét 2 loại truyền động là:

Hệ truyền động máy phát động-động cơ và hệ truyền động chỉnh lu

Tính chất của máy phát điện đợc xác định bởi hai đặc tính: đặc tính từ hoá là sự phụ thuộc của điện áp trên hai cực của máy phát vào dòng

điện tải Các đặc tính này nói chung là phi tuyến do tính chất của lõi sắt do các phản ứng của dòng điện phần ứng v.v Trong tính toán gần đúng có thể tuyến tính hoá các đặc tính này:

EF=KF.φF.ωF= KF.φF.c.iKF

Trong đó KF là hệ số kết cấu của máy phát

C=∆φF/∆iNếu dây quấn kích thức của máy phát đợc cấp bởi nguồn áp lý tởng UKF

thì

r

KF KF KF

=

Sức điện động của máy phát trong trờng hợp này sẽ tỉ lệ với điện áp kích thích bởi hệ số hằng KF, nh vậy có thể coi gần đúng máy phát điện một chiều kích từ độc lập là một bộ khuyếch đại tuyến tính

EF=KF.UKF

a)

b)Hình 10 Hệ thống máy phát động cơ a) Sơ đồ nguyên lý;

b) Các đặc tính từ hoá và đặc tính tải

Nếu đặt R=RƯF+RƯD thì có thể viết đợc phơng trình các đặc tính của hệ F-Đ nh sau:

để có dải điều chỉnh rộng hơn

-Các chế độ làm việc của hệ F-Đ

Trong mạch động lực của hệ F-Đ không có phần tử phi tuyến nào nên

có đặc tính động rất tốt, rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc Với sơ đồ căn bản nh hình 10 động cơ chấp hành Đ có thể làm việc đợc chế độ

điều chỉnh cả hai phía; kích thích máy phát F và kích thích động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách điều chỉnh dòng kích thích máy phát, hãm dộng khi dòng kích thích máy phát bằng không, hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi

đảo chiều dòng kích từ, hãm ngợc cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với momen tải có tính chất thế năng v.v Hệ F-Đ

có các đặc tính cơ điền đầy cả 4 góc phần t của mặt phẳng toạ độ [ω,M] (hình 11)

ở góc phần t thứ I và thứ III tốc độ quay và mômen quay của động cơ luôn cùng chiều nhau, sẽ điện động máy phát và động cơ có chiều xung đối nhau và |EF| > |E|, |ωC| > |ω| Công suất điện từ của máy phát và động cơ là:

0 0 0 ω

(4)

Các biểu thức này nói lên rằng năng lợng điện vận chuyển thuận chiều

từ nguồn → máy phát → động cơ → tải

Nhận xét:

u điểm nổi bật của hệ F-Đ là sự chuyển đổi trạng thái làm việc rất linh hoạt, khả năng qúa tải lớn Do vậy thờng sử dụng hệ truyền động F-Đ ở các máy khai thác trong hầm mỏ

Nhợc điểm quan trọng nhất của hệ F-Đ là dùng nhiều máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt máy

ít nhất gấp 3 lần công suất động cơ chấp hành Ngoài ra các máy phát một chiều có từ d, đặc tính từ hoá có trễ nên khó khăn điều chỉnh sâu tốc độ

2 Hệ truyền động chỉnh lu - động cơ (CL-Đ)

Hình 11 Đặc tính cơ hệ F-Đ trong chế độ động cơ

Trong hệ truyền động chỉnh lu điều khiển

động cơ một chiều (CL-Đ), bộ biến đổi là các

mạch chỉnh lu điều khiển có suất điện động Eđ

phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển

(góc điều khiển) Chỉnh lu có thể dùng làm

nguồn chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điện

kích thích động cơ Sơ đồ nguyên lý nh hình

12

Với bộ biến đổi là chỉnh lu hình tia 3 pha (hình 13 a,b,c):

Trong mạch tải có điện cảm L nên id thực tế là dòng điện liên tục id=Id

Góc mở α đợc tính từ giao điểm 2 điện áp pha (phần giá trị dơng)

Giá trị trung bình của điện áp tải:

Hình 12 Sơ đồ nguyên lý của

hệ truyền động chỉnh lu động cơ

Hình 13 -a) Sơ đồ nối dây; b) Sơ đồ thay thế của chỉnh lu tia ba

pha c) Đồ thị thời gian

5 6

α

π α

Hình 14 -a) Sơ đồ nối dây;

b) Sơ đồ thay thế của chỉnh lu cầu không đỗi xứng c) Đồ thị thời gian

Với chỉnh lu cầu một pha không đối xứng (hình 14):

R X

d dm

t k dm

R X

d dm

t k dm

2 (đối với chỉnh lu tia 3 pha)

Nhận xét:

Ưu điểm nổi bật của hệ T-Đ là độ tác động nhanh cao, không gây ồn và

dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuyêch đại công suất rất cao,

điều đó rất thuận lợi cho việc thiết lập các hệ thống tự động điều chỉnh nhiều vòng để nâng cao chất lợng các các đặc tính tĩnh và các đặc tính động của hệ thống

Nhợc điểm chủ yếu của hệ thống T-Đ là do các van bán dẫn có tính phi tuyến mạnh, dạng điện áp chỉnh lu ra có biên độ đập mạch cao, gây tổn thất phụ trong máy điện, và các truyền động có công suất lớn còn làm xấu dạng

điện áp của nguồn và lới xoay chiều Hệ số công suất cosφ của hệ nói chung

là thấp

Kết luận:

Qua các nhận xét về hai hệ truyền động trên cùng với u nhợc điểm của chúng em quyết định chọn hệ truyền động chỉnh lu động cơ vì nó có nhiều u

điểm hơn, và truyền động cho máy mài không cần công suất lớn nên tránh

đ-ợc nhđ-ợc điểm của nó là xấu điện áp nguồn và lới điện xoay chiều

IV Chọn bộ biến đổi

Sau khi đã chọn đợc hệ truyền động CL-Đ ta tiếp tục đi chọn bộ biến

đổi Vì hệ có yêu cầu không cao về xung dòng điện ở mạch phần ứng và

Hình 15- Đặc tính cơ của hệ CL-Đ

mạch kích từ Nên em chỉ xét hai bộ biến đổi: Sơ đồ cầu 1 pha và sơ đồ tia 3

pha

1 Chỉnh lu cầu 1 pha không đối xứng

Hoạt động của sơ đồ:

Khi θ=θ1 cho xung điều

khiển mở T1 trong khoảng thời

gian θ1θ2 tiristor T1 và điôt D2

cho dòng chảy qua Khi U2 bắt

đầu đổi dấu D1 mở ngay, T1 tự

nhiên khoá lại, dòng id=Id chuyển

từ T1 sang D1 (lúc này D2 vẫn cho

dòng chảy qua do sức điện động

tự cảm trong Ld tạo ra)

D1 và D2 cùng cho dòng chảy qua, Ud=0

Khi θ=θ3=π+α cho xung mở T3 Dòng tải id=Id chảy qua D1 và T2 Điot

D2 bị khoá lại

Hình 16 Sơ đồ đấu dâu của chỉnh lu cầu

một pha bán điều khiển

Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng của Tiristor và của điôt không bằng nhau.

Góc dẫn dòng của điốt là λD=π+α, còn góc dẫn dòng của tiristor là

=

∑của dòng trong tiristor

IT = 21π∫ I dd θ = Id 2π α−

π α

π α

Gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ch¶y trong cuén d©y thø cÊp m¸y biÕn ¸p

I2 1 I dd2 Id

1

= π∫ θ = −απα

π

NhËn xÐt:

H×nh 17 §å thÞ ®iÖn ¸p vµ dßng ®iÖn cña m¹ch chØnh lu cÇu b¸n ®iÒu khiÓn

Sơ đồ cầu cho phép sử dụng một nửa số van là tiristor, nửa còn lại là

điốt Do đó làm giảm đợc giá thành thiết bị biến đổi vì rẻ tiền hơn nhiều so với tiristor Sơ đồ điều khiển cũng trở nên đơn giản hơn

2 Sơ đồ 3 pha hình tia

* Giới thiệu sơ đồ:

BA: máy biến áp cung cấp

T1,T2,T3: các van chỉnh lu có điều khiển

* Nguyên lý làm việc:

Giả thiết Ld=∞, cho sơ đồ làm việc với một góc điều khiển bằng α và cũng giả thiết là sơ đồ đã làm việc xác lập trớc thời điểm bắt đầu xét (ωt=0)

Ta tạm giả thiết rằng : trớc thời điểm ωt=ν1=αthì trong sơ đồ vanT3

đang dẫn dòng và các van khác còn ở trạng thái khoá, khi đó trên van T1 sẽ

có điện áp thuận (vì uT1= ua- uc= uac , và tại ωt =ν1=α thì uac>0 nên uT1>0 ) Tại ωt =ν1=α thì T1 có tín hiệu điều khiển, T1 có đủ hai điều kiện để mở nên

T1 mở và uT1 giảm về bằng không Do uT1=0 nên ud=ua , và từ sơ đồ ta xác

định đợc điện áp trên T3 là

uT3=uc - ua = uac , tại ν1 thì uac<0, tức là T3 bị đặt điện áp ngợng nên khoá lại, van T2 thì vẫn khoá, do vậy trong khoảng tiếp sau ν1 trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng, khi T1 dẫn dòng :

ud= ua ; iT1= ia = Id ; iT2=0 ; iT1=0 ; uT2= uba ; uT2=uca

Đến ωt = 5π/6 thì ua=ub , đây là thời điểm mở tự nhiên đối với T2 , nhng

T2 cha mở vì cha có tín hiệu điều khiển,do ua vẫn dơng kết hợp với tác dụng cùng chiều của s.đ.đ tự cảm trong Ld mà T1 vẫn tiếp tục dẫn dòng

Đến ωt = π thì ua=0 và sau đó chuyển sang âm nhng T2 còn cha mở nên

T1vẫn tiếp tục làm việc nhờ s.đ.đ tự cảm của Ld ( ở đây α>300 )

Tại ωt = ν2 = 5π/6 + α thì T2 có tín hiệu điều khiển và do đang có điện

áp thuận nên T2 mở, T2 mở thì uT2 giảm về bằng không nên ud= ub và uT1= ua-

ub= uab mà tại ν2 thì uab<0, tức là T1 bị đặt điện áp ngợc nên khoá lại Do vậy

từ ν2 trong sơ đồ chỉ có van T2 dẫn dòng, khi T2 mở :

ud= ub uT1= 0 iT3= 0 iT2= id= Id

uT1= uba uT3= ucb iT1= 0Suy luận tơng tự nh vậy ta có từ ωt=ν2 đến ωt=ν3 thì T3 làm việc và:

ud= uc uT1= 0 iT2= 0 iT3= id= Id

uT1= uac uT2= ubc iT3=0

Tại uT1=u1 (chậm sau thời điểm mở tự nhiên đối với T1 1 góc điều khiển

α) thì T1 có tín hiệu điều khiển lúc này uT1 thuận (uT1= uac tại u1>0) dẫn đến

T1mở suy ra uT1 giảm về 0 và uT3= uc - ua = uca

Tại ν1: uT3 <0 tức là T3 bị đặt điện áp ngợc còn van T3 vẫn cha dẫn dòng

Nh vậy trong gia đoạn này thì trong sơ đồ chỉ có van T1 dẫn dòng ta có:

V Mạch bảo vệ

1 Bảo vệ cắt khẩn cấp

a Bảo vệ ngắn mạch và qúa tải bằng dây chảy

Để bảo vệ Tiristor và điôt tránh dòng điện phá hoại chúng em dùng dây chẩy

tác động nhanh Loại dây chảy này làm bằng lá bạc đặt trong vỏ sứ có chứa cát thạch anh

Hoạt động của dây chẩy chia thành hai giai đoạn (hình 15)

Hình 15 Biều đồ hoạt động của dây

chảy Hình 16 Cách mắc dây chảy để bảo vệ mạch