giới thiệu về công nghệ và hệ thống truyền động cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn

Lời mở đầuSự bùng nổ của tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử-tin học trong nhữngnăm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyết lẫn thực tiễn tronglĩnh vực tru

Lời mở đầu

Sự bùng nổ của tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử-tin học trong nhữngnăm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyết lẫn thực tiễn tronglĩnh vực truyền động điện tự động.Đó là sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các bộbiến đổi công suất,với kích thớc gọn nhẹ,độ tác động nhanh,dễ dàng ghép nối với cácmạch điều khiển dùng vi mạch điện tử,vi xử lý,…Các hệ truyền động điện tự động ngàyCác hệ truyền động điện tự động ngàynay thờng sử dụng nguyên tắc điều khiển vectơ cho các động cơ xoay chiều.Phần lớn cácmạch điều khiển đó dùng kỹ thuật số với phần mềm linh hoạt,dễ dàng thay đổi cấutrúc,tham số cũng nh luật điều khiển.Điều này làm cho các hệ truyền động điện tăng độchính xác,làm cho việc chuẩn hoá chế tạo các hệ truyền động điện hiện đại có nhiều đặctính làm việc khác nhau,dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu của công nghệ sản suất

Do vậy,đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ giúp chúng ta nắm chắc hơn nhữngkiến thức cơ bản,những hệ thống truyền động điện kinh điển đồng thời nó cũng nhằmmục đích cho chúng ta từng bớc tiếp cận với thực tế,tiếp cận với những hệ truyền động

điện hiện đại

Nội dung của đồ án đợc chia làm 4 phần:

Chơng I : Giới thiệu chung về công nghệ máy mài và hệ thống truyền động cho độngcơ quay chi tiết máy mài tròn

Chơng II : Chọn phơng án truyền động Tính chọn công suất động cơ và mạch lực Chơng III : Xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động

Chơng IV : Thiết kế mạch điều khiển

Chơng V : Mô phỏng(Simulink)

Để có thể hoàn thành đợc đồ án này, bên cạnh sự cố gắng của cá nhân em cũng nhcủa các bạn trong nhóm còn nhờ có sự hớng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình của các thầy giáohớng dẫn Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu ngắn và trình độ bản thân còn hạn chế nên

đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong các thầy hớng dẫn và bổsung thêm để đồ án này đợc hoàn chỉnh hơn

động cơ quay chi tiết máy mài tròn.

I.Đặc điểm công nghệ

Trong ngành chế tạo cơ khí hiện đại, các loại máy mài chiếm một đơn vị quantrọng Là vì máy mài gia công rất dễ đạt độ chính xác cấp hai Máy mài chủ yếu dùng đểgia công láng sau khi đã gia công trên máy tiện, phay, bào, vì lợng thừa gia công trênmáy mài rất ít, phạm vi lợng thừa cũng chỉ độ vài phần mời ly

Ưu điểm lớn của máy mài là gia công đợc các chi tiết tôi mà trên nhiều máy kháckhông làm nổi.

Dùng phơng pháp mài dễ đạt độ chính xác cao do lực cắt gọt tơng đối lớn, đặc biệt

là độ dày của lát mài mỏng, do đó, công việc mài không thể tiến hành một lần mà cầnphải qua nhiều lần cắt gọt

II.Phân loại máy mài công nghiệp.

Máy mài tròn trong

Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn

Máy mài tròn có chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài, chuyển động

ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc di chuyển tịnh tiến

theo hớng ngang trục (ăn dao ngang trục) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn daovòng) Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết.

III.Truyền động điện của máy mài.

Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt có tốc độ 24000  48000 vòng/phút hoặc

có thể lên tới 150000  200000 vòng/phút, đá mài gắn trên trục động cơ Nguồn của

động cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao - biến tần quay hoặc là các

bộ biến tần tĩnh - biến tần thyristor

Mômen cản tĩnh trên trục động cơ thờng là 15  20% mômen định mức.Mômenquá tính của đá và cơ cấu truyền lực lớn 500  600% mômen quán tính của động cơ, do

đó cần hãm cỡng bức động cơ quay đá và không yêu cầu đảo chiều quay động cơ

2 Truyền động ăn dao

Máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc

độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2  4) : 1 ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộbiến đổi - động cơ điện một chiều (BBĐ - ĐM), hệ KĐT - ĐM có D = 10 : 1 với ph ơngpháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng

Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ - ĐM vớidải điều chỉnh tốc độ D = (20  25) : 1 còn truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực

3.Truyền động phụ

Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc

4.Đặc tính cơ của máy sản xuất

Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng Tuy vậy có thể biểu diễn dới dạng biểu thức tổng quát:

Trong thực tế, đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất không giữ đợc cố định theo một quyluật 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 mài tròn, nói chung công suất không đổi (P = const)khi tốc độ thay đổi còn mômen tỷ lệ ngợc với tốc độ

ời ta giữ mômen không đổi còn công suất thay đổi theo quan hệ bậc nhất với tốc độ

Đối với truyền động ăn dao, nói chung mômen không đổi khi điều chỉnh tốc độ.Tuy nhiên, ở vùng tốc độ thấp, lợng ăn dao s nhỏ, lực cắt Fz bị hạn chế bởi chiều sâu cắttới hạn t Trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mômen ăn dao cũnggiảm theo ở vùng tốc độ cao, tơng ứng với tốc độ vz của truyền động chính cũng phảilớn, nếu giữ Fad lớn nh cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn Do đó, cho phép giảm

nhỏ lực ăn dao trong vùng này, mômen 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 đợc sử dụng hợp lý nhất tức là có thể làmviệc đầy tải ở mọi tốc độ Nhờ đó, hệ thống truyền động đặt đợc các chỉ tiêu năng lợngcao Nói cách khác, có thể lựa chọn động cơ có kích thớc nhỏ nhất cho máy

Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng một hệ thống truyền động điện là độ

ổn định tốc độ % Đờng đặc tính cơ càng cứng thì độ ổn định tốc độ càng cao Nóichung, truyền động chính yêu cầu %  (5  15)% còn truyền động ăn dao yêu cầu

%  (5  10)%

Chơng II Chọn phơng án truyền động Tính chọn công

án duy nhất để thiết kế

Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của máy mài tròn

và nhiệm vụ thiết kế, để điều chỉnh tốc độ động cơ quay chi tiết máy mài tròn, ta phải

điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi

Với phơng án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông

động cơ không đổi thì ta có các phơng án truyền động sau:

+Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ)

+Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển thyristor- động cơ một chiều

+Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ)

+Hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phơng pháp điềuchỉnh tần số (Hệ Biến tần - Động cơ)

1.Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ)

Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ truyền động điện

mà mạch phần ứng của động cơ điện một chiều đợc cung cấp từ một máy phát điện riêng

có khả năng biến đổi sức điện trong một phạm vi rộng

- Đặc điểm của hệ truyền động F - Đ

+ Đặc tính cơ hệ F- Đ mềm hơn đặc tính cơ Đ do có thêm Rf

+ Có thể làm việc ở cả bốn góc phần t

+ Điều chỉnh Uktf dẫn đến điều chỉnh tốc độ không tải của động cơ

- Ưu điểm:

+ Dễ điều chỉnh, vùng điều chỉnh rộng 30:1

+ Đảo chiều êm, tin cậy

2.Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển thyristor- động cơ một chiều

Do điện năng đợc sản xuất và phân phối chủ yếu ở dạng xoay chiều có tần số côngnghiệp Để cung cấp cho các động cơ một chiều từ lới điện xoay chiều, phải dùng thiết

bị biến đổi

Nguyên lý chung của các bộ biến đổi đợc mô tả nh sau: Các van cho dòng điện điqua trong một phần chu kỳ gọi là khoảng dẫn, và ngắt mạch trong phần còn lại của chu

kỳ (khoảng đóng) Trong thực tế ngời ta sử dụng các loại van có điều khiển thời điểm

đầu khoảng thông nhng không thể ngắt mạch khi dòng điện cha giảm về không Đồ thịbiều diễn dòng điện và điện áp là những đờng cong phức tạp có chứa thành phần mộtchiều và xoay chiều Do thành phần xoay chiều có ảnh hờng xấu đến quá trình phát nóng

và chuyển mạch của máy điện nên ta phải hạn chế nó

- Đặc điểm của hệ truyền động T- Đ

+ Hệ chỉ làm việc ở góc phần t thứ nhất do các van không cho dòng điện chạy theochiều ngợc lại

+Phơng pháp điều khiển chung Thyristo nối ngợc

+Phơng pháp điều khiển chung Thyristo nối chéo

+Phơng pháp điều khiển riêng

+Van bán dẫn nên thông số đầu ra có dạng phi tuyến cao

+Dạng chỉnh lu có biên độ dập mạch cao gây tổn thất phụ trong máy điện

+Hệ số công suất nói chung là thấp

3.Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ).

Điều chỉnh điện áp động cơ cũng có thể thực hiện bằng phơng pháp xung, nếu ta

đóng động cơ vào nguồn và cắt ra khỏi nguồn một cách chu kỳ Khi đóng động cơ vàonguồn, năng lợng đợc truyền qua động cơ Phần chủ yếu của năng lợng này đợc truyềnqua trục động cơ vào máy sản xuất, phần còn lại đợc tích ở dạng động năng và năng lợng

điện từ Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn, hệ thống truyền động vẫn làm việc nhờ năng ợng điện từ đó

Đặc điểm:

- Độ nhạy cao, tác động nhanh

- Tần số đóng cắt lớn

4.Hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng biến tần

Biến đổi tần số là phép biến đổi điện năng một chiều hoặc xoay chiều có tần số cố

định thành dòng điện xoay chiều có tần số biến đổi nhờ các khoá điện tử

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách biến đổi tần số cho phép mở rộng phạm vi

sử dụng truyền động điện không đồng bộ trong nhiều ngành công nghiệp.Trớc hết chúngứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ không đồng bộ cùng lúc nhcác động cơ truyền động của một nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn,…Các hệ truyền động điện tự động ngày Phơng pháp điềuchỉnh này còn đợc áp dụng cả trong những thiết bị đơn lẻ, nhất là ở những cơ cấu yêucầu tốc độ làm việc cao nh máy ly tâm, máy mài…Các hệ truyền động điện tự động ngày

Bộ biến tần đợc nối vào lới có tần số f1,U1 không đổi Đầu ra của nó là f2,U2 biến

đổi theo Để biến đổi tần số, ngời ta có thể dùng các thiết bị máy điện hoặc bán dẫn vớinguyên lý hoạt động và cấu trúc khác hẳn nhau

Ưu điểm:

+ Là phơng pháp có rất nhiều triển vọng

+ Khi sử dụng các bộ biến tần thích hợp có thể đạt đợc điều chỉnh trơn

+ Sử dụng cùng với động cơ không đồng bộ nên giảm đợc chi phí máy điện

Nhợc điểm:

+ Bộ biến tần còn tơng đối phức tạp nên giá thành chế tạo cao

+ Nếu sử dụng bộ biến tần gián tiếp hiệu suất sẽ giảm đi so với biến tần trực tiếp.Với các đặc điểm của hệ truyền động một chiều và xoay chiều trên đây, ta thấyrằng các phơng pháp đều có thể ứng dụng vào truyền động động cơ quay chi tiết máymài tròn ở đây, ta chọn động cơ không đồng bộ với phơng pháp biến đổi tần số là vìcác lý do chủ yếu sau đây:

+ Đây là loại máy điện có kết cấu đơn giản

+ Sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng nh đời sống

+ Sử dụng điện áp xoay chiều tần số công nghiệp, dễ dàng cho việc lắp đặt, vậnhành và sử dụng

+ Biến tần là thiết bị hiện đại, trong tơng lai sẽ đợc sử dụng nhiều hơn khi mà cácthiết bị bán dẫn với u thế ngày càng phát triền

+ Có khả năng lập trình, tiện lợi cho ghép nối máy tính, nền tảng cho phát triểnsau này

+ Và cuối cùng là tính kinh tế của sử dụng biến tần

II.Tính toán các thông số của động cơ theo giả thiết:

Các thông số kỹ thuật hệ thống

- Mômen cực đại (Mmax): 20 (Nm)

- Tốc độ quay chi tiết (n): 40 800 (Vòng/phút)

- Mômen quán tính cơ cấu (J): 0,006 (kg/s2)

Để tính chọn công suất động cơ trong trờng hợp truyền động có điều chỉnh tốc độ, tacần xác định các yêu cầu cơ bản sau:

 Đặc tính phụ tải truyền động Pc(), Mc(): Phụ tải truyền động yêu cầu điềuchỉnh tốc độ với M = const Khi đó, công suất yêu cầu cực đại Pmax = Mđm.max

 Phơng pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động: Điều

chỉnh điện áp phần ứng sử dụng biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung

 Loại động cơ truyền động: động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc.

Đặc điểm của phụ tải truyền động động cơ quay chi tiết máy mài tròn là giữ M = consttrong phạm vi điều chỉnh tốc độ Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đại



 2216,5 (W) 2,2 (kW) Ngoài ra còn cần phải chọn hệ số an toàn về công suất trong trờng hợp quá tải, lấy hệ

Đồng thời mômen định mức tính nh sau:

3500*60

2* *900

dm dm dm

5 , 13

2

k

I I

, 7

428 , 2 ) 1 , 0

958 , 2 ( 68 , 6 ) ( )

0

2 2 2 2

st

s

I

X s

R I I

E

X

Nh vậy ta có tổng trở của động cơ:

), ( 38 , 16 89 , 16

67 , 1 33 , 4 35 , 27 428 , 2 1 , 0

958 , 2

35 , 27 ) 428 , 2 1 , 0

958 , 2 ( )

(

1 1

2 2

2 2

j j

j

j j

jX R jX X j s R

jX X j s

R Z

Mạch lực bao gồm:

+ Khối chỉnh lu: 6 Thyrsistor

+ Khối nghịch lu: 6 Transistor, 6 Diôt ngợc

+ Khối lọc: tụ C, cuộn cảm L

1.Tính chọn van điều khiển:

Dùng kiểu điều khiển khi góc dẫn là 180 độ, tải là động cơ đấu sao.

Đồ thị dẫn của van và dạng dòng, áp ra tải nh sau:

Tải đấu sao, góc dẫn của van là 180 độ, tại bất kỳ thời điểm nào cũng có ba van dẫn

6 0 1 2 0 1 8 0 2 4

0

3 0 0

3 6 0

U E

38 , 16

Dòng điện cơ sở :

27 , 63 ( )

89 , 16

7 , 466

362 , 0 1 2

97 , 0 3 1 1

1 2

2 2

Dòng điện đầu ra của bộ chỉnh lu Id=8,77 A

Điện áp ra của bộ chỉnh lu: Ud= En=466,7 V

Do mạch cầu ba pha nên dòng trung bình qua các Thyristor là Id/3=2,92 A

Điện áp ngợc đặt lên Thyristor Ung=2,45*Ul

Mặt khác ta có: Ud=2,34*Ul => Ul 200 V;

 Ung = 490 V

Chọn loại Thyristor C15 do hãng G.E của Mỹ chế tạo có các thông số sau:

Mã hiệutiristor

b.Đối với nghịch lu:

Ta có dòng điện pha A:

1 ( 1 3

) 1 ( 2 3

03 , 1 /

) 2 )(

1 ( 1 3

03 , 1 /

d e

d e

i tbt

3 / 2

3

03 , 1 03

, 1 3

/

03 , 1

) 864

, 2 1 ( 21 , 9 )

771 , 1 2 ( 21 , 9 )

864 , 2 1 ( 21 , 9

864,21(21,92

0)864

,21(21,9

1

03 ,

Trong đó:

1 :Độ nhấp nhô của điện áp đầu ra chỉnh lu 1 = Ud /Ud0 = 1

2 :Độ nhấp nhô của điện áp mong muốn sau bộ lọc 5%  10% lấy 2 = 5% = 0,05

n :Số lần đập mạch trong một chu kỳ n = 6 ; = 2f = 314rad/s

Tụ C đợc tính dựa trên sự trao đổi công suất phản kháng với động cơ KĐB bởi côngthức:

ứng với dòng điện khởi động lớn nhất của động cơ ta có :

Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc

Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc

95 ,

3

cdm 2 m

M 1

sin U

F F

o C

35 , 3 6 10 80

6 10 268 , 0

80

10 6 80 2

300 78

sin2 600 05 , 0 103 5 , 2

14 2 5 , 2 1 2 3

p

K p

U p F

f p

K hệ số khuếch đại K= U/ U = 10V, =94,25 rad/s

K =0,11 f là hằng số thời gian của bộ lọc và <5ms.Chọn f = 0,001s = 1ms

Hàm truyền máy phát tốc:

F FT p p

001 , 0 1

11 , 0 )

(





b.Máy đo dòng :

Sơ đồ đo dòng xoay chiều ba pha đơn giản là dùng biến dòng: gồm ba biến dòng lắp

ở ba pha với điện trở tải Ro Điện áp sơ cấp biến dòng qua mạch chỉnh lu cầu điôt 3 pha ,mạch lọc RC lọc thành phần xoay chiều sau chỉnh lu

Điện áp đầu ra mạch chỉnh lu U2d = R1.I1 trong đó

Trong mạch bố trí R1 nối tiếp với điôt D0

Khi điôt dẫn điện áp Ud0 = 0,5 V

i

I i

I

p

K p

I

p U p F

) ( )

(

1 2

42 , 0 5 , 9 5 , 2

I

U K

Chọn i = 0,001s

Hàm truyền của máy đo dòng nh sau:

F i p p

001 , 0 1

42 , 0 )

+ Khả năng quá tải về mômen lớn

+ Có thể làm việc ở tốc độ rất cao hoặc rất thấp

+ Động cơ rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản, ở phần quay không có yêu cầu vềcách điện

+ Có thể làm việc trong cả môi trờng có hoạt tính cao hoặc trong nớc

Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách biến đổi tần số cho phép mở rộng phạm vi

sử dụng truyền động điện không đồng bộ trong nhiều ngành công nghiệp.Trớc hết chúngứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ không đồng bộ cùng lúc nhcác động cơ truyền động của một nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn,…Các hệ truyền động điện tự động ngày

Phơng trình cân bằng điện áp của mỗi dây quấn nh sau: