thiết kế hệ thống điều khiển, mạch động lực cho hệ truyền động cầu trục. mô phongr trên simulink

Từ những đặc điểm trên, có thể đa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động và trang bị điện cho các cơ cấu của cầu trục: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản.. Các hệ

Trang 1

Mục lục

Chơng I: Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động 1

1 Cấu tạo cầu trục 1

2 Đặc điểm công nghệ 4

3 Yêu cầu truyền động 5

Chơng II: Chọn phơng án truyền động 8

1 Giới thiệu các phơng án chung truyền động 8

2 Các hệ truyền động 16

Chơng III: Tính chọn mạch lực và điểu khiển

22 1 Chọn công suất động cơ 22

2 Tính chọn các thiết bị khác, Thy, MBA 23

3 Tính chọn mạch điều khiển 27

Chơng IV: Tổng hợp hệ

38 1 Xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ 38

2 Mô tả các khâu 38

3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện 40

4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ 42

Chơng IV: Mô phỏng bằng MATLAB-SIMULINK

45

Chơng I:

Đặc điểm công nghệ và yêu cầu truyền động

I.1 Cấu tạo chung của cầu trục:

Cầu trục là một loại máy trục có phần kết cấu thép (dầm dọc chính) liên kết (bắc qua) hai dầm ngang mà trên hai dầm ngang này có 4 bánh xe để di chuyển trên hai đờng ray song song đặt trên hai vai cột của nhà xởng hay trên dàn kết cấu thép Cầu trục đợc sử dụng rất rộng rãi và tiện dụng để nâng hạ vật nâng, hàng hóa trong các nhà xởng, phân xởng cơ khí, nhà kho, bến bãi Dầm cầu đợc gọi là dầm chính thờng có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể có

1 hoặc 2 dầm, trên có xe con và cơ cấu di chuyển qua lại dọc theo dầm

Trang 2

chính Hai đầu của dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm đầu,trên mỗi dầm đầu có hai cụm bánh xe, cụm bánh xe chủ động và cum bánh

xe bi động Nhờ cơ cấu di chuyển cầu và kết hợp với cơ cấu di chuyển xecon (hoặc Palăng) mà cầu trục có thể nâng hạ đợc hàng ở bất cứ vị trí nào ởkhông gian phía dới mà cầu trục bao quát

Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn động điện Dẫn độngbằng tay chủ yếu dùng trong các phân xởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạkhông thờng xuyên, không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao

Cầu trục đợc chế tạo với tải trọng Q = 1 500T, khẩu độ dầm chính trongkhoảng 4,532m, chiều cao nâng H đến 16m, tốc độ nâng v = 2 40m/ph;tốc độ di chuyển của xe con đến 60m/ph và tốc độ di chuyển của xe cầu đến125m/ph Để thuận lợi cho nâng hạ, thao tác và kinh tế trong nâng hạ hànghoá, các loại cầu trục có tải trọng nâng lớn hơn 10T thờng có thêm một hoặchai cơ cấu nâng hạ phụ, có tải trọng nhỏ hơn, cùng lắp trên xe con

Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đợc xác định từ yêu cầu của quátrình công nghệ và chức năng của cầu trục trong từng dây chuyền sản xuất.Cấu tạo và kết cấu của cầu trục rất đa dạng Khi thiết kế và chế tạo hệ thống

điều khiển và hệ truyền động phải phù hợp với từng loại cụ thể

Nhiệm vụ vủa cầu trục là bốc dỡ, vận chuyển hàng hoá và các trang thiết

bị phục vụ cho việc sản xuất và lắp ráp Đối với các cầu trục vận chuyển,phải đảm bảo các chỉ tiêu trong qua trính quá độ Còn đối với cầu trục lắpráp, phải đảm bảo quá trình mở máy êm, dải điều chỉnh tốc độ rộng, dừngchính xác đúng nơi lấy hàng và hạ hàng…

Phân loại cầu trục:

Theo hình dạng bộ phận nâng hạ và mục đích sử dụng:

Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn

Cầu trục dùng gầu ngoạm

Cầu trục dùng nam châm điện

Cầu trục trong luyện kim

Cầu trục có cơ cấu nâng đặc biệt

Cũng có thể phân loại cầu trục theo công dụng:

Cầu trục có công dụng chung: Loại này có móc treo tiêu chuẩn dùng đểxếp dỡ, lắp ráp sữa chữa máy móc thiết bị Thờng tải trọng nâng không lớn,

có thể sử dụng kết hợp gầu ngoạm, nam châm điện hoặc các kìm cặp đểnâng hàng, hàng khối

Loại chuyên dùng: Thờng đợc chế tạo cho một mục đích sử dụng nhất

định do đó phải phù hợp yêu cầu về tải trọng nâng và các yêu cầu khác

Phân theo kết cấu: có loại một dầm và loại hai dầm chính Cầu trục một

dầm thờng dùng palăng điện hoặc palăng tay di chuyển trên cạnh dới củadầm chữ I Loại hai dầm thờng là dầm hộp, dầm chữ I đặt song song, hoặcdầm kiểu dàn Loại này thờng dùng cơ cấu nâng đặt trên xe con và di chuyểndọc theo dầm chính

Phân theo cách truyền động: có thể truyền động bằng tay hoặc bằng

điện Truyền động bằng tay chỉ cho các loại có tải trọng nâng bé, dùng cholắp ráp sửa chữa Loại chạy điện đợc điều khiển từ ca bin hoặc đợc điềukhiển bằng nút bấm điều khiển từ mặt đất; trong trờng hợp này ngời điềukhiển phải đi theo sự di chuyển cuả cầu trục, do vậy vận tốc di chuyển phảithích hợp Trong điều kiện đặc biệt có thể điều khiển từ xa

Trang 3

2

1

Hình vẽ 1.1: Cầu trục với móc cẩu hàng.

Cấu tạo của cầu trục gồm 3 bộ phận chính:

Xe cầu: Là một khung sắt hình chữ nhật đợc thiết kế với kết cấu chịu lực:

gồm hai dầm chính chế tạo bằng thép đặt cách nhau một khoảng tơng ứngvới khoảng cách bánh xe của xe con (đờng ray), bao quanh đó là một dànkhung Hai đầu cầu đợc liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành khunghình chữ nhật trong mặt phẳng ngang Các bánh xe của cầu trục đợc thiết kếtrên các dầm ngang của khung hình chữ nhật để cho cầu trục có thể chạy dọcsuốt nhà xởng một cách dễ dàng

Xe con: Là bộ phận chuyển động theo đờng ray trên xe cầu, trên đó đặt cơ

cấu nâng và cơ cấu di chuyển cho xe con Tuỳ theo công dụng của cầu trục

mà trên xe con có một hoặc hai cơ cấu nâng Xe con di chuyển trên xe cầu

và xe cầu di chuyển dọc theo chiều dài phân xởng, nhà máy… sẽ đáp ứngviệc vận chuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xởng, nhà máy…

Cơ cấu nâng hạ: cơ cấu nâng hạ của cầu trục có hai loại chính: loại dùng

cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay Palăng điện hoặcpalăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật.Các loại palăng này là bộ phận máy đợc chế tạo hoàn chỉnh theo tải trọng vàtốc độ nâng và chế độ làm việc Khi lựa chọn cần căn cứ vào yêu cầu vàchọn thông số theo Catalog và kích thớc bao có sẵn

Đối với loại dầm thông thờng các cơ cấu nâng hạ đợc chế tạo và đặt trên

xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính Loại móc để nâng hàng đã

đợc bao gói thông dụng Trên xe con có thể có từ một đến ba cơ cấu nâng;trong đó có một cơ cấu nâng chính và có thể có một đến hai cơ câu nângphụ Khi dùng cơ cấu gầu ngoạm thì tốc độ nâng hạ có lớn hơn loại móc treo

để khi thả gầu, lỡi gầu ăn sâu vào đống vật liệu…

xo sẽ ép chặt má phanh vào trục động cơ, để hãm

3

2 1

Nc

Trang 4

Mô tả cơ cấu phanh đai gồm:

Các chuyển động của hệ: Nhờ đặc điểm cấu tạo nh trên cầu trục có thể di

chuyển phụ tải theo 3 phơng phủ kín mặt bằng nhà xởng

Chuyển động theo phơng thẳng đứng là chuyển động chính nhờ có cơ cấunâng hạ đặt trên xe con

Chuyển động dọc theo phân xởng là nhờ hệ thống chuyển động đặt trên

Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và trang bị điệncủa cầu trục phải làm việc tin cậy trong điều kiện làm việc để nâng cao năngsuất, an toàn trong vận hành và khai thác

Từ những đặc điểm trên, có thể đa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ

truyền động và trang bị điện cho các cơ cấu của cầu trục:

Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản

Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo, thay thế

dễ dàng

Trong các sơ đồ mạch điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không,quá tải và ngắn mạch

Quá trình mở máy diễn ra theo một luật đợc định sẵn

Sơ đồ điều khiển cho tng động cơ riêng biệt, độc lập

Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến, lùi cho xe cầu, xe con,hạn chế hành trình lên của cơ cấu nâng hạ

Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp

Tự động cắt nguồn cấp khi có ngời làm việc trên xe cầu

Một số yêu cầu của thiết bị điện cầu trục:

1 Điện áp làm việc của lới điện cung cấp cho cầu trục không đợc quá500V Hay dùng loại xoay chiều 220V, 380V, 500V Mạng điện một chiềuthờng dùng 220V, 440V Điện áp chiếu sáng lớn nhất của cầu trục là 220V,

Trang 5

điện áp chiếu sáng khi sữa chữa và lắp ráp không quá 36V Cấm không dùngmáy biến áp tự ngẫu cung cấp điện cho chiếu sáng sữa chữa Cách đấu điệnphải đảm bảo sao cho khi cầu trục mất điện thì nguồn sáng vẫn đợc duy trì.

2 Thiết bị bảo vệ: Cầu trục phải đợc bảo vệ chống ngắn mạch và chống

quá tải bằng rơ-le quá dòng điện, không đợc dùng cầu chì và ro-le nhiệt để

bảo vệ cho động cơ cầu trục Mặt khác để tránh các động cơ tự mở máy khi

điện áp đợc phục hồi, ngời ta dùng thiết bị bảo vệ điện áp không

3 Hạn chế hành trình: các cơ cấu chuyển động riêng đặc biệt của cầutrục cần phải có các cơ cấu hành trình và điểm cuối để hạn chế chuyển độngcủa nó ở cơ cấu nâng tải, chỉ hạn chế hành trình lên mà không hạn chế hànhtrình xuống Đối với xe lớn và xe nhỏ phải có công tắc hành trình để hạn chếchuyển động của cơ cấu cả hai hớng Riêng các xe nhỏ, nếu tốc độ chuyển

động nhỏ hơn 30 m/ph thì có thể dùng lá chắn cơ khí để hạn chế chuyển

động thay cho thiết bị điện Nếu trên cùng một hệ thống đờng ray có 2 cầutrục làm việc hoặc trên cùng một xe lớn có 2 xe con làm việc thì phải đặtcông tắc hành trình không cho các xe chuyển động lại gần nhau dới 1m

4 Để đảm bảo an toàn cho ngời lái, trên các bậc thang và nắp buồng lái,ngời ta còn đặt các tiếp điểm bảo vệ, các tiếp điểm này mở ra khi có ngời

đang đi trên cầu thang hay cửa buồng lái cha đợc đóng kín Ngoài ra cònmột thiết bị nh vậy ở hộp Aptomat đặt ở dới đất Khi làm việc thì aptomat

đóng và aptomat mở ra thì cầu trục ngng làm việc

5 Vấn đề phanh hãm: các bộ phận chuyển động của cầu trục phải có bộphận phanh hãm

6 Trong cầu trục các dây dẫn điện phải là dây đồng và tiết diện tối thiểuphải là 2,5 mm2, chất cách điện phải đạt đến cấp điện áp trên 500V Nhữngnơi có khả năng gây ra xây xát dầu mỡ bám vào thì phải đặt dây dẫn vàotrong ống hay trong lới bảo vệ Có thể đặt các dây dẫn của nhiều mạch điệnkhác nhau trong 1 ống nhng phải chú ý ký hiệu rõ ràng tránh nhầm lẫn khitháo lắp và sửa chữa

7 Về cách điện: Điện trở cách điện giữa các dây dẫn và giữa dây dẫn vàphần không mang điện của cầu trục phải đảm bảo 1000, ở nơi môi trờng

ẩm ớt thì độ cách điện phải đảm bảo là 44000 ở cấp điện áp 220V,19000 ở cấp điện áp 380V, 250000 ở cấp điện áp 500V Vỏ kim loại củatất cả các thiết bị phải nối với phần kim loại của cầu trục và thông qua hệthống đờng ray và nối xuống hệ thống tiếp đất của phân xởng ở buồng láiphải rải thảm cao su tránh giật điện cho ngời lái

8 Các cầu trục làm việc ở những nơi có khả năng cháy nổpahỉ dùng cácthiết bị chống nổ Để cung cấp điịen cho xe lớn, xe nhỏ và móc cẩu, ngời takhông dùng thanh trợt mà dùng dây mềm có bọc cao su cách điện Phải bốtrí dây sao cho tránh xây xát khi cầu trục làm việc

I.3 Yêu cầu truyền động:

Trên hình vẽ là giản đồ phụ tải của cơ cấu nâng hạ với thời gian mở máy

và thời gian phanh coi nh bằng 0 Trong đó:

t1: Thời gian nghỉ t2: thời gian chuyển động không tải

t3: thời gian nghỉ t4: thời gian chuyển động có tải

Trang 6

Qua giản đồ phụ tải ta thấy đây là phụ tải ngắn hạn lặp lại biến đổi Độngcơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với yêu cầu có đảo chiều.

b Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động

Khởi động êm và hãm chính xác

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 điệnphanh 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

1

100 05 , 0

Đảm bảo chiều quay

Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trớc động cơ không bị đốt nóngquá mức

Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy

định

Việc tăng công suất động cơ lên quá lớn cũng không cho phép do:

Khi P  có khả năng làm tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu nâng hạ) có thểdẫn tới đứt dây treo hay tải bị dật mạnh

Tăng vốn đầu t 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%

M

Trang 7

0,2 0,4 0,6 0,8

Hình 1.2 Quan hệ giữa mô men và tải

1- động cơ di chuyển xe cầu2- động cơ di chuyển xe con3- động cơ nâng - hạ

Chơng II:

Chọn phơng án truyền động

II.1 Giới thiệu các ph ơng án truyền động.

1 Hệ truyền động động cơ xoay chiều điều chỉnh tần số

Giới thiệu động cơ không đồng bộ:

Động cơ không đồng bộ có hai loại là rôto kiểu dây cuốn và loại rôto

lồng sóc: loại rôto dây cuốn có rôto giống nh dây cuốn Stato Trong máy

điện cỡ trung bình trở lên thờng dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp vì bớt đợcnhững dây đầu nối, kết cấu dây trên rôto chặt chẽ Trong máy điện cỡ nhỏthờng dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba pha của rôto thờng đấuhình sao, còn ba đầu kia đợc nối vào vành trợt thờng làm bằng đồng đặt cố

định ở một đầu trục và thông qua chổi than có thể đấu với mạch điện bênngoài Đặc điểm của loại động cơ này là có thể thông qua chổi than để đa

điện trở phụ hay s.đ.đ phụ vào mạch điện rôto để cải thiện tính năng mở máyhay điều chỉnh tốc độ hay cải thiện hệ số công suất của máy Khi máy làm

việc bình thờng dây quấn rôto đợc nối ngắn mạch Thứ hai là loại rôto lồng

sóc: kết cấu của loại này trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto đặt vào thanh dẫn

bằng đồng hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và đợc nối tắt lại ở hai đầu bằng haivành ngắn mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng mà ngời taquen gọi là lồng sóc Dây cuốn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt Để

G/G đm

0,6 0,4 0,2

Trang 8

cải thiện tính năng mở máy, trong máy công suất tơng đối lớn, rãnh rôto cóthể làm thành dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc hay còn gọi làlồng sóc kép Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thờng đợc làm chéo đi mộtgóc so với tâm trục.

Phạm vi ứng dụng: ứng dụng chủ yếu của máy điện không đồng bộ là

làm động cơ điện Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, gíthành hạ nên động cơ không đồng bộ đợc dùng rộng rãi trong các ngànhkinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilôoat Trongcông nghiệp thờng dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực chomáy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở các nhà máycông nghiệp nhẹ, v.v….Trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió Trongnông nghiệp làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm Trong cuộcsống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiến một vị tríquan trọng: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh, v.v….Tóm lại,theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa, tự động hóa cà sinh hoạthàng ngày, phạm vi ứng dụngcủa máy điện không đồng bộ ngày càng rộngrãi Tuy nhiên, máy điện không đồng bộ có những nhợc điểm nh: cos củamáy không cao, đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt nên ứng dụng của máykhông đồng bộ có phần bị hạn chế

Các hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều có yêu cầu cao về dải

điều chỉnh và tính chất động học chỉ có thể thực hiện đợc với các bộ biếntần Các hệ này sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc có kết cấuvững chắc và đơn giản, giá thành rẻ, có thể làm việc ở mọi môi trờng Nhợc

điểm của hệ là mạch điều khiển rất phức tạp

P[kW]

Giaự thaứnh truyeàn ủoọng moọt chieàu Giaự thaứnh truyeàn ủoọng taàn soỏ

Giaự thaứnh phaàn ủieàu khieồn

Giaự thaứnh ủoọng cụ

Giaự thaứnh phaàn ủieàu khieồn

Giaự thaứnh ủoọng cụ

Hình 2.1: Biểu đồ so sánh kinh tế.

Nh vậy ta thấy khi động cơ có công suất càng lớn thì phơng pháp điềuchỉnh tần số càng tỏ ra có nhiều u điểm, nếu không yêu cầu độ điều chỉnhquá khắt khe thì có thể sử dụng không đồng bộ trong những hệ có công suấtlớn Tùy theo yêu cầu kỹ thuật – kinh tế mà chia ra các bộ biến đổi sau

Biến tần trực tiếp: là biến tần có tần số ra luôn nhỏ hơn tần số lới f1;

fs=(00,5)f1., thờng dùng cho truyền động công suất lớn

Biến tần gián tiếp nguồn áp: thờng dùng cho truyền động nhiều động cơ.

Đới với biến tần nguồn áp yêu cầu chất lợng cao thờng dùng các biến tần có

điều chế độ rộng xung

Biến tần có nghịch lu độc lập nguồn dòng: thích hợp cho truyền động có

đảo chiều, công suất động cơ lớn

1.1 Luật điều chỉnh giữ khả năng quá tải không đổi:

Khi truyền động ổn định thì:

Trang 9

) ( )

MMủmMth MthủmM

1.2 Luật điều chỉnh từ thông không đổi:

const odm

Usdm o

0

Quan hệ Is(w s ) khi từ thông  s =const.

2 Hệ truyền động động cơ xoay chiều dùng pp xung điện trở roto:

Khi điều chỉnh giá trị điện trở mạch rôto thì mômen tới hạn của động cơKĐB không thay đổi và độ trợt 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 trợt từ s = 0 tới s

= sth là thẳng thì khi điều chỉnh điện trở ta có thể viết:

rd

R r

R i s

s

Trong đó: s là độ trợt khi điện trở mạch rôto là Rr

si là độ trợt khi điện trở mạch roto là RrdBiểu thức mômen đợc tính nh sau:

i

s rd

R r I M







 2 3

Nếu giữ dòng điện rôto không đổi thì mômen cũng không đổi và phụthuộc vào tốc độ động cơ Vì thế mà có thể ứng dụng phơng pháp điều chỉnh

điện trở mạch rôto cho truyền động có mômen tải không đổi

Trang 10

ẹK

T1 T2 V0

R0 id

điện rôto tăng lên Khi T1 ngắt điện trở Ro lại đợc đa vào mạch, dòng điệnrôto lại giảm xuống Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ có điện cảm L màdòng điện rôto coi nh không đổi và có một giá trị điện trở tơng đơng Re

trong mạch Thời gian ngắt: tn = T-tđ

Nếu điều chỉnh trơn tỉ số giữa thời gian đóng và thời gian ngắt ta điềuchỉnh trơn giá trị điện trở trong mạch rôto:



.

)

2 (

2

e rd

.

f rd

I

Cơ sở để tính tổn hao công suất là nh nhau (2-1) =(2-2)

Khi dùng chỉnh lu cầu ba pha (Id2=1,5.Ir2) thì điện trở tính đổi là:

2

0 2

e R f

R     

Khi có điện trở tính đổi, dễ dàng dựng dợc đặc tính cơ theo phơng phápthông thờng, họ đặc tính cơ này quét kín phần mặt phẳng giới hạn bởi đặctính cơ tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ Rf = 0,5.R0

Trang 11

p=0

w1

M

Để mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ và mômen có thể nối tiếp điện trở

R0 với một tụ điện C có điện dung đủ lớn

3 Hệ truyền động chỉnh l u - động cơ điện một chiều:

A Giới thiệu động cơ điện một chiều:

Động cơ điện một chiều đợc dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giaothông vận tải và nói chung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liêntục trong một phạm vi rộng (máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy

điện….) Phân loại động cơ đuện một chiều đợc phân loại theo cách kíchthích từ, thành các động cơ điện kích thích độc lập, kích thích song song,kích thích nối tiếp và kích thích hỗn hợp Trên thực tế, đặc tính của động cơ

điện kích thích độc lập và kích thích song song hầu nh giống nhau, nhng khicần công suất lớn ngời ta thờng dùng động cơ điện kích thích độc lập để điềuchỉnh dòng điện kích thích dợc thuận lợi và kinh tế hơn, mạec dù loại độngcơ này đòi hỏi có thêm nguồn điện phụ bên ngoài Ngoài ra, khác với ở trờnghợp máy phát kích thích nối tiếp, động cơ điện kích thích nối tiếp đợc dùngrất nhiều, chủ yếu trong ngành kéo tải bằng điện

B Các loại động cơ điện một chiều:

Trong đó: r - điện trở cuộn dây phần ứng

Trang 12

N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a - số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

 - từ thông kích từ dới một cực từ

 - tốc độ góc:

a

pN K

 2

 - hệ số cấu tạo của động cơ

Từ các biểu thức trên ta rút ra :

u f u

K

R R K

Đây là đặc tính cơ điện của động cơ

Mặt khác ta có mômen điện từ của động cơ :

Mđt = KIThay vào đặc tính cơ điện ta có:

dt f u

K

R R K

U

)

R R K

U

)

 đợc gọi là độ sụt tốc độ ứng với giá trị của M

Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập là những đờng thẳng song song,

đăc tính cơ ứng với trờng hợp không mắc điện trở đợc gọi là đặc tính cơ tựnhiên

Trang 13

Khi đó ta có:

const K

K



TN Rf1 Rf2 Rf3 Rf4 M Wo

ứng dụng: Hạn chế dòng điện và điều chỉnh tốc độ động cơ ở phía dới tốc



Wo1 Wo

Wo4 Wo3

U2 U3 U4 TN

ứng dụng: Điều chỉnh tốc độ động cơ và hạn chế dòng khi khởi động

Mc

M

B.2.Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp:

Trang 14

R K

U u u

)

A C K

R KCI

U u

R B

B M

A B M

KC A

ẹaởc tớnh cụ ủieọn

Giả thiết động cơ không tải thì tốc đọ của động cơ sẽ là rất lớn, nhng do

có ma sát và các tổn thất phụ và do động cơ có từ d nên khi không tải thì tốc

độ của động cơ vẫn có một giá trị là:

du

u ot K

Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay

đổi theo phụ tải Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biết đợc sựthay đổi của phụ tải Do đó động cơ này phù hợp với những truyền động cóyêu cầu thay đổi tốc độ theo tải

Trang 15

Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về momen Nhờ cuộnkích từ nối tiếp nên ở vùng dòng điện phần ứng lớn hơn định mức thì từthông động cơ lớn hơn định mức, do đó momen của nó tăng nhanh hơn sovới sự tăng của dòng điện Nh vậy với mức độ quá dòng điện nh nhau thì

động cơ một chiều kích từ nối tiếp có khả năng qua tải về momen và khả

năng khởi động tốt hơn động cơ một chiều kích từ độc lập

Các ảnh h ởng của các thông số đến đặc tính cơ.

.ảnh hởng điện trở, điện kháng mạch stato (nối thêm điện trở phụ R1f vàX1f vào mạch stato)

.ảnh hởng điện trở mạch rôto (nối thêm điện trở phụ R2f vào mạch rôto

đối với động cơ rôto quấn dây)

.ảnh hởng của suy giảm điện áp lới cấp cho động cơ

.ảnh hởng của thay đổi tần số lới cấp cho động cơ fv

B.3.Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp:

Động cơ điện một chiều kích thích hỗn hợp có thể đợc chế tạo sao chotác dụng của các dây quấn kích thích song song và nối tiếp hoặc là bù nhau,hoặc là ngợc nhau Song thực tế ta chỉ sử dụng loại bù nhau vì loại kích thíchhồn hợp ngợc không đảm bảo điều kiện làm việc ổn định Động cơ điện kíchthích hỗn hợp bù có đặc tính mang tính chất trung gian giữa hai laọi động cơkích thích độc lập và kích thích nối tiếp

Động có điện một chiều kích thích hỗn hợp đợc dùng trong nhng nơi cầncác điều kiện mở máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theotải trong một vùng rộng nh máy ép, máy bào, máy in, máy cán thép, máynâng tải…

C Các hệ truyền động:

Hệ truyền động động cơ điện một chiều có những u điểm so với các hệtruyền động khác: điều chỉnh tốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch

điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chất lợng điều chỉnh cao trong dải

điều chỉnh rộng Trên thực tế có hai phơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ

động cơ điện một chiều:

.Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ

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

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện mộtchiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạchphần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ Cho đến nay trong côngnghiệp sử dụng bốn loại bộ biến đổi chính:

.Bộ biến đổi máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiềuhoặc máy khuếch đại (KĐM)

.Bộ biến đổi điện từ: Khuếch đại từ (KĐT)

.Bộ biến đổi chỉnh lu bán dẫn: chỉnh lu Tiristo (CLT)

.Bộ biến đổi xung áp một chiều: Tiristo hoặc Tranzito (BBĐXA)

Tơng ứng với các bộ biến đổi ta có các hệ truyền động:

a Hệ truyền động máy phát động cơ điện một chiều (F-Đ)

Hệ thống máy phát - động cơ (F -Đ) là hệ truyền động điện mà bộ biến

đổi là máy phát điện một chiều kích từ độc lập Máy phát này thờng do độngcơ sơ cấp không đồng bộ ba ĐK pha quay và coi tốc độ quay của máy phát

là không đổi

Tính chất này của máy phát đợc xác định bởi hai đặc tính: đặc tính từ hoá

là sự phụ thuộc giữa sức điện động máy phát vào dòng điện kích từ và đặctính tải là sự phụ thuộc của điện áp rơi trên hai cực của máy phát vào dòng

điện tải Các đặc tính này là phi tuyến do tính chất của lõi sắt, do các phảnứng của dòng điện phần ứng… Trong tính toán gần đúng có thể tuyến tínhhóa các đặc tính này:

EF=KF.F.wF = KF.wF.C.IKF

Trang 16

Trong đó: KF là hệ số kết cấu của máy.

Các chế độ làm việc của hệ F-Đ:

Do không có phần tử phi tuyến nào nên hệ có những đặc tính động rất tốt,rất linh hoạt khi chuyển các trạng thái làm việc Động cơ Đ có thể làm việc ởchế độ điều chỉnh đợc cả hai phía: kích thích máy phát F và kích thích

động cơ Đ, đảo chiều quay bằng cách đảo chiều dòng kích thích máy phát, Trong mặt phẳng [w,M], ở góc phần t I và III, tốc độ quay và mômencủa động cơ luôn cùng chiều nhau, sđđ của F và Đ có chiều xung đối nhau

Ưu điểm nổi bật của hệ máy phát động cơ là sự chuyển trạng thái làm

việc rất linh hoạt, khả năng quá tải lớn Do vậy thờng sử dụng hệ truyền

động F-Đ ở các máy khai thác công nghiệp mỏ

Nhợc điểm cơ bản quan trọng của hệ máy phát - động cơ là dùng nhiều

máy điện quay trong đó ít nhất là hai máy điện một chiều, gây ồn lớn, côngsuất lắp đặt máy ít nhất gấp ba lần công suất của động cơ chấp hành Ngoài

ra do máy phát có từ d đặc tính từ hoá có trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ

b Hệ truyền động máy phát động cơ điện một chiều (F-Đ)

Trong hệ truyền động này, bộ biến đổi là các mạch chỉnh lu điều khiển

có sđđ phụ thuộc vào giá trị của pha xung điều khiển (góc điều khiển).Chỉnh lu có thể dùng làm nguồn điều chỉnh điện áp phần ứng hoặc dòng điệnkích từ động cơ Tùy theo yêu cầu cụ thể của truyền động điện mà có thểdùng các sơ đồ chỉnh lu thích hợp, để phân biệt chúng có thể căn cứ vào cácdấu hiệu sau đây:

.Sốpha: 1 pha, 3 pha, 6 pha v.v…

.Sơ đồ nối: hình tia, hình cầu, đối xứng, không đối xứng…

.Số nhịp: Số xung áp đập mạch trong thời gian một chu kì điện ápnguồn

.Khoảng điều chỉnh:

.Chế độ năng lợng: chỉnh lu, ngịch lu phụ thuộc…

.Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn…

Trang 17

Lc Lb La

Trang 18

S1 = 1,209.Pd ;

S2 = 1,481.Pd

S = (S1 + S2)/2 = 1,345.Pd

Ưu điểm:

.Do điện áp ngợc trên van lớn cho nên nó đợc sử dụng cho tải có yêu cầu

điện áp thấp và dòng điện lớn dễ dàng cho việc chọn van

.Do chỉ có một van dẫn nên sụt áp trên van là nhỏ -> công suất tiêu thụ củavan nhỏ

.Việc điều khiển mở van là dễ dàng

b Chỉnh l u cầu ba pha điều khiển đối xứng:

Lkt Lc

Trang 19

.Thực ra sơ đồ cầu pha ba đối xứng là hai sơ đồ hình trên 3 pha ghép lại.Mỗi sơ đồ hình từ ba pha hoạt động ở một nửa chu kỳ điện áp

.Sơ đồ hình từ ba pha thứ nhất gồm T1, T3, T5 ghép Katot chung

.Sơ đồ hình từ ba pha thứ hai ghép Anot chung gồm T2, T4, T6

Góc mở  đợc tính từ giao điểm của các nửa hình sin

L >> R dòng tải là liên tục

.Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

Sba=1,05 Pd

Ưu điểm:

.Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lợng điện áp tốt

.Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng Điện áp ngợc trên van là lớn nhng do Udo=2,34U2 -> nó có thể đợc sử dụngvới điện áp khá cao

Trang 20

D2 D6 D4

T1 T3 T5

Rkt

Lkt Lc

Lb La

Sơ đồ gồm hai nhóm:

.Nhóm mắc Katot chung gồm (T1, T3, T5)

.Nhóm mắc Anot chung gồm (P2, P4, P6)

Do L >> R -> dòng tải là liên tục

.Giá trị điện áp trung bình trên tải:

) cos 1 ( U 2

6 3



.Giá trị trung bình của dòng chảy trong Tiristor và Điốt:

IT = Id = Id/3.Giá trị điện áp ngợc lớn nhất:

đối xứng

Trang 21

Lựa chọn ph ơng án:

Ta không sử dụng sơ đồ tia 3 pha vì :

.Trong sơ đồ tia 3 pha, hiệu suất sử dụng nguồn xoay chiều thấp : Udo =1,17 U2 , trong khi mạch cầu là Udo= 2,34U2

.Điện áp ra có độ đập mạch lớn: 3 lần trong một chu kỳ, trong khi sơ đồ cầu

là 6 lần trong một chu kỳ

.Hiệu suất sử dụng máy biến thế thấp: Sba = 1,345Pd trong khi hình cầu là

Sba=1,05.Pd Do đó máy biến áp cần chế tạo với công suất, dẫn đến không kinhtế

Vì vậy ta chỉ còn chọn một trong hai mạch chỉnh lu: mạch chỉnh lu cầu ba

pha không đối xứng hoặc mạch chỉnh lu cầu ba pha đối xứng.

.Theo yêu cầu của bài toán: dải điều khiển điện áp rất rộng, rất phù hợp vớikhả năng điều khiển sâu của chỉnh lu cầu 3 pha đối xứng

.Dạng điện áp ra của chỉnh lu cầu 3 pha đối xứng tốt hơn so với chỉnh lucầu 3 pha không đối xứng

Các ph ơng pháp điều khiển có đảo chiều:

.Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quaybằng đảo chiều dòng kích từ: dùng cho công suất lớn rất ít đảo chiều

.Truyền động dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quaybằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng (từ thông giữ không đổi): dùngcho công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp

.Truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng:dùng cho mọi dải công suất có tần số đảo chiều lớn

.Ngoài ra còn phơng pháp dùng hai bộ biến đổi nối song song ngợc và hai

bộ biến đổi nối theo sơ đồ chéo điều khiển chung: nhng do kích thớc kồngkềnh và vốn đầu t lớn nên ta không xét ở đây

Qua phân tích trên ta chọn hệ truyền động dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng:

Trang 22

FX1

FX2

a1 Udk1

E

BBẹ1

BBẹ2

Hoạt động: Khi điều khiển riêng hai bộ biển làm việc riêng rẽ nhau, tại

một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn bộ bộ bịkhóa do không có xung điều khiển Hệ có hai bộ biến đổi là BĐ1 và BĐ2 vớicác mạch phát xung diều khiển tơng ứng là FX1 và FX2, trật tự hoạt động củacác bộ phát xung này đợc qui định bởi các tín hiệu logic a và b Quá trìnhhãm và đảo chiều đợc mô tả bằng đồ thị thời gian Trong khoảng thời gian0t1, BĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lu với góc 1</2 con BĐ2 khóa Tại t1

phát lệnh đẩo chiều bởi iLđ, góc 1 tăng đột biến đến lớn hơn /2, dòng phầnứng giảm dần về không, lúc này cắt xung điều khiển để khóa BĐ1, thời điểm

t2 đợc xác định bởi cảm biến dòng điện không SI1 Trong khoảng thời giantrễ =t3-t2, BĐ1 bị kkhóa hoàn toàn, dòng điện phần ứng bị triệt tiêu Tại t3,sđđ động cơ E cẫn còn dơng, tín hiệu logic b2 kích cho FX2 mở BĐ2 với góc

2>/2 và sao cho dòng điện phần ứng không vợt quá giá trị cho phép, độngcơ đợc hãm tái sinh, nếu nhịp điệu giảm 2 phù hợp với quán tính của hệ thì

có thể duy trì dòng điện hãm và dòng điện khởi động ngợc không đổi, điềunày đợc thực hiện bởi các mạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệthống Trên sơ đồ của khối logic LOG, iLđ, iL1, iL2 là các tín hiệu đầu vào; a, b

là các tín hiệu đầu ra để khóa các bộ phát xung điều khiển

iLđ=1 : phát xung điều khiển mở BĐ1,

iLđ=0 : phát xung điều khiển mở BĐ2,

i1L(i2L) = 1: có dòng điện chảy qua BĐ1 (BĐ2),a(b) = 1: khóa bộ phát xung FX1 (FX2)

Trang 23

b

-1 -1

&

1 1

1L

i

1 1

Kết luận: Do yêu cầu của hệ thống xe con cầu trục không yêu cầu

đảo chiều một cách tức thời (có khoảng thời gian nghỉ để bốc dỡ hàng hóa)nên hệ T-Đ có thể đáp ứng yêu cầu đảo chiều một cách dễ dàng với phơngpháp điều khiển riêng Vậy ta sẽ chọn hệ T-Đ dùng động cơ một chiều kích

từ độc lập Với động cơ một chiều kích từ độc lập, do có độ ổn định tốc độcao nên rất phù hợp với yêu cầu cần ổn định tốc độ với chất lợng cao nh hệthống cầu trục Hơn nữa từ sơ đồ cấu trúc ta thấy rằng động cơ một chiềukích từ độc lập có cấu trúc tách bạch giữa phần ứng và phần cảm, rất thuậnlợi cho việc thiết kế hệ thống điều khiển Tuy nhiên có nhợc điểm là có tia

lửa điện, nguyên nhân cơ học là: có thể là vành góp không đồng tâm với

trục, sự cân bằng bộ phận quay không tốt, bề mặt vành góp không phẳng donhững phiến đổi chiều hoặc mica cách điện giữa các phiến đổi chiều nhôlên, lực ép trên chổi than không thích hợp, kẹt chổi trong hộp, hộp chổikhông đợc giữ chặt hay đặt không đúng vị trí… nguyên nhân điện từ là: do, s.đ.đ đổi chiều không triệt tiêu đợc s.đ.đ phản kháng trong phần tử đổi chiều.Ngoài ra còn phải kể đến sự phân bố không đều của mật độ dòng điện trênmặt tiếp xúc và quan hệ phi tuyến của điện trở tiếp xúc rtx=f(t,), trong đó 

là thông số đặc trng cho tác dụng nhiệt và hiện tợng điện phân dới chổi than.Vì vậy phải khắc phục bằng cách dùng cực từ phụ, xê dịch chổi than khỏivùng trung tính hình học, sử dụng dây quấn bù …

Kết luận: Ta có sơ đồ điều khiển cuối cùng là:

Trang 24

L R

TN

NT

Yêu cầu thiết kế của đồ án:

Thiết kế hệ truyền động cho xe con cầu trục.

Trang 25

Hệ số ổ bi: =0,02 trong khoảng 0,010,05.

Hệ số k lấy từ kinh ngiệm vận hành: k=1,4 trong khoảng 1,251,6

Thời gian lấy hàng là: t01=150(s)

Thời gian hạ hàng là: t02=150(s)