mô phỏng máy dập kim lọai sử dụng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc

Mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc sử dụng trong máy rèn, dập có bánh đà 3.1.. Tiến bộ về chất lợng sản phẩm và năng suất cao trong rèn, dập không tách rời khỏi quá trình cải

Mục lục

Mục lục……… 1 Lời giới thiệu……….2 Chơng 1 Khái quát chung về máy rèn, dập

1.1 Khái niệm chung về máy rèn, dập………3 1.2 Đặc điểm truyền động điện và trang bị điện………3 Chơng 2 Chọn công suất cơ khí của máy rèn, dập có bánh đà

2.1 Tổng quan về máy rèn, dập có bánh đà………6 2.2 Tính toán các thông số của máy rèn, dập có bánh đà……… 7 Chơng 3 Mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc sử dụng trong máy rèn, dập có bánh đà

3.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc trong máy rèn, dập có bánh đà……… 9

3.2 Mô hình động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong máy rèn, dập có bánh đà……….11

3.3 Mô hình simulink động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc của máy

đà……… 12

3.4 Kết quả mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc của máy rèn có bánh đ……… 13 Chơng 4 Mô phỏng máy dập kim lọai sử dụng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc

4.1 Mô hình simulink máy dập kim loại sử dụng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc……… 15

4.2 Kết quả mô phỏng sử dụng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc 15 Tài liệu tham khảo……… 17

Lời giới thiệu

Đối vời kỹ s điều khiển - tự động hóa nói riêng và những ngời nghiên cứu khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo sát các đối tợng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà không nhất thiết phải có đối tợng hay hệ thống thực Đợc trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về

các phơng pháp mô hình hóa, ngời kỹ s sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và

giảm chi phí nghiên cứu - phát triển sản phẩm một cách đáng kể Điều này đặc biệt co ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị kinh tế lớn

Máy rèn, dập ngày nay có một vị trí quan trọng trong nền sản xuất Công nghệ rèn, dập đang tiến tới tạo các chi tiết đảm bảo đợc kích thớc, hình dáng và chất lợng bề mặt cuối cùng Tiến bộ về chất lợng sản phẩm và năng suất cao trong rèn rập không thể tách rời khỏi quá trình cải tiến công nghệ và quá trình cơ khí hóa, tự động hóa các máy rèn, dập

Mô phỏng máy rèn, dập là một sự nâng cao hơn trong việc mô phỏng động cơ không đồng bộ ba pha Trong bài này là động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc Mô phỏng đợc động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc là rất mới mẻ đối với

em, vì vậy trong quá trình làm bài chắc chắn sẽ không tránh khỏi sai sót Em rất mong nhận đợc sự thông cảm của thầy giáo và của các bạn Em xin chân thành cảm ơn

Chơng 1 Khái quát chung về máy rèn, dập

1.1 Khái niệm chung về máy rèn, dập

Rèn, dập là phơng pháp gia công bằng áp lực lợi dụng biến dạng dẻo của kim loại để tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thớc nh mong muốn Rèn và dập nóng, dập nguội chiếm vị trí quan trọng trong công nghệ sản xuất nhiều sản phẩm Chúng không chỉ đảm bảo cho các phôi phẩm chất lợng cao, chính xác để gia công cơ khí tiếp mà trong nhiều trờng hợp còn là thao tác hoàn thiện Công Bài tập lớn : Tự động điều chỉnh truyền động điện 2

nghệ rèn, dập tiến tiến tạo các chi tiết đảm bảo kích thớc, chất lợng và bề mặt cuối cùng mà chỉ cần gia công tinh bằng cơ khí ở một số trờng hợp hoàn toàn không cần gia công cơ khí thêm Tiến bộ về chất lợng sản phẩm và năng suất cao trong rèn, dập không tách rời khỏi quá trình cải tiến công nghệ và quá trình cơ giới hoá, tự động hoá các máy rèn, dập

Các máy rèn, dập có loại chỉ thực hiện một nguyên công, có loại thực hiện nhiều nguyên công liên tiếp

áp lực gia công trên máy thờng lớn và rất lớn, đợc tạo ra dới dạng xung lực đột biến Thời gian thao tác (lực tác dụng vào phôi để gây biến dạng) thờng ngắn hoặc rất ngắn so với thời gian 2 lần thao tác (5  10%) Trong các máy rèn, dập thờng dùng bánh đà Trong thời gian không thao tác, bánh đà với mômen quán tính lớn sẽ đợc động cơ tích lũy năng lợng dới dạng động năng Lúc thao tác tốc độ sẽ giảm, động năng dự trữ ở bánh đà sẽ tạo ra mômen cùng

động cơ để thắng lực cản do biến dạng của phôi và mômen quá tải của động cơ không cần quá lớn

1.2 Đặc điểm truyền động điện và trang bị điện

Bánh đà đợc động cơ tăng tốc để tích luỹ năng lợng khi máy không thao tác và khi bánh đà giải phóng năng lợng lúc thao tác thì hệ giảm tốc nên động cơ truyền động chính của máy làm việc trong điều kiện quá tải thay đổi liên tục

Máy rèn, dập là máy có tốc độ cao Mỗi máy rèn, dạpp cần đảm bảo gia công chi tiết với số lợng cần và số lợng yêu cầu trên cơ sở giá thành nhỏ nhất

Do vậy, tính chất động cơ điện phải phù hợp với tính chất này

Động cơ phải có cấu tạo và khả năng sử dụng lâu dài cho phép trong điều kiện sản xuất rèn, dập nh : nhiệt độ cao, rung động…

ở các máy ép trục khuỷu, tốc độ cần thiết để biến dạng dẻo đợc đảm bảo nhờ mạch động lực cơ khí của máy Trờng hợp này động cơ điện chỉ cần quay trục dẫn động chính của máy với tốc độ không đổi Các truyền động phụ trong các máy rèn, dập cũng chỉ cần với tốc độ không đổi của động cơ điện dẫn động

Động cơ điện phổ biến thờng dùng là động cơ rôtor lồng sóc

ở máy rèn, dập không có bánh đà, công suất không quá 200kW, thờng dùng động cơ đồng bộ để đảm bảo tốc độ quay không đổi với sự thay đổi cho phép của tải Hơn nữa ở dải công suất lớn, truyền động bằng động cơ đồng bộ kinh tế hơn là động cơ không đồng bộ

ở máy rèn, dập có bánh đà thờng dùng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc có độ trợt cao cũng nh động cơ không đồng bộ rôtor dây quấn

Mạch truyền động cơ khí đảm bảo truyền lực và thay đổi tốc độ trên trục

động cơ thành tốc độ gia công phù hợp trên đầu trợt Với tốc độ gia công cho

tr-ớc mà tốc độ định mức của động cơ lớn thì bộ truyền cơ khí càng lớn, phức tạp

hơn, giá thành cao hơn và ngợc lại Còn chính động cơ điện cùng công suất thì tốc độ càng lớn, giá thành càng thấp Do vậy, phải chọn tốc độ động cơ nhờ

so sánh kinh tế các giải pháp có thể Tóm lại, trang bị điện cho máy rèn, dập phải

đảm bảo :

 Phù hợp với tính chất máy và thực hiện đợc thao tác công nghệ, chịu rung động, nhiệt độ cao…

 An toàn và thuận tiện khi làm việc

 Đạt năng suất cần thiết với chất lợng sản phẩm cao

 Tin cây cao trong khai thác

Các khí cụ và thiết bị điện đợc đặt trong tủ riêng ngoại trừ động cơ điện, nam châm điện, công tác hành trình đặt ngay trên máy Tủ có tiếp địa

Mạch khống chế máy tuỳ máy có thể có 3 chế độ làm việc :

 Dập liên tục ( ở chế độ tự động hay chế độ làm việc bằng tay)

 Dập nhát một ( điều khiển bằng nút bấm hay bằng bàn đạp (

pê-đan) ở chế độ này, đầu trớtau một hành trình sẽ dừng ở vị trí ban

đầu

 Chạy điều chỉnh máy

Sự thay đổi biến dạng phôi ban đầu tuỳ thuộc vào đặc điểm gia công, vật liệu, độ lớn hình dạng và nhiệt độ phôi Sự thay đổi có thể nâng cao chất lợng gia công và năng suất Do vậ, các máy rèn, dập mới thờng có truyền động chính có

điều chỉnh tốc độ quay Điều đó còn cho phép máy có thể đặt vào một dây truyền nào đó vì có thể thay đổi tốc độ quay truyền động chính cho phù hợp với chu trình làm việc của máy khác Cuối cùng là có thể chạy tốc độ nhỏ để điều chỉnh máy

Nhng vì năng lợng dự trữ của bánh đà (động năng) tỉ lệ với bình phơng tốc

độ quay nên việc giảm tốc độ quay sẽ làm kém hiệu lực của bánh đà Do vậy, dải

điều tốc ở máy rèn, dập là không lớn, ví dụ chỉ 2: 1 hoặc 3: 1

Bài tập lớn : Tự động điều chỉnh truyền động điện 4

Chơng 2 Chọn công suất cơ khí của máy rèn, dập

có bánh đà

2.1 Tổng quan về máy rèn, dập có bánh đà

Đặc trng cho sự làm việc của các máy rèn, dập có trục khuỷu là sự thay

đổi đột biến theo chu kỳ của mômen cản Mc tùy theo góc quay của trục khuỷu Trong giới hạn góc thao tác (tt), Mc đạt giá trị rất lớn do phôi bị biến dạng ở đa

số các máy, ttα cỡ (5  10 %) một vòng quay của trục khuỷu Sau thao tác biến dạng phôi, MC giảm nhanh xuống mômen không tải Mkt đủ để thắng mômen ma sát

Trong giới hạn góc ttα , phôi bị biến dạng, bánh đà giảm tốc và sinh mômen cùng dấu với mômen của động cơ để thắng mômen cản đột biến do biến dạng phôi Nói nh vậy vì mômen quán tính của bánh đà quy đổi về trục động cơ thờng rất lớn so với các phần quay, đầu trợt tay biên và thực tế có thể coi mômen quán tính quy đổi tổng của hệ truyền động bằng mômen quán tính quy

đổi của bánh đà

Trong gới hạn góc chạy không tải, Mc = Mkt nhỏ, bánh đà đợc động cơ tăng tốc và năng lợng (động năng) giải phóng khi thao tác sẽ đợc phục hồi

Gọi Attlà năng lợng cần để thực hiện thao tác biến dạng và thắng các lực cản khác trong mạch đông học cơ khí của máy thì mômen thao tác trung bình:

Mtb = Mtt

tt tt A



Gọi Akt là năng lợng không tải, thì mômen không tải trung binh là:

Mkt =

tt tt A



Coi mômen quán tính của bánh đà là vô cùng lớn và tải san bằng hoàn toàn trên trục động cơ thì mômen trung bình mà động cơ cần có là:

Mtb =

2π

α

αtt M kt kt tt

Chọn động cơ theo điều kiện momen định mức:

Mđm = kMtb Công suất định mức của đông cơ :

Pđm = k.Ptb Năng lợng cấp từ bánh đà do giảm tốc lúc thao tác bằng hiệu động năng bánh đà trớc va sau thao tác:

Att = Jbủ

2

ω max

2

- Jbủ

min

2

ω

- ω max,ω min: tốc độ góc lớn nhất và nhỏ nhất của bánh đà

- Jbđ : là mômen quán tính của bánh đà

Biểu thức trên có thể đợc viết lại nh sau:

Att = Jbd 2 min

ω max

ω 

tb

ω = Jbd.ω2tb δ

Trong đó:

- Tốc độ góc trung bình : ωtb=

2

ω

ωmax  min

- Độ không đồng đều tốc độ bánh đà: δ=

2 min

ω max

ω 

Từ đó: Jbd= ω 2 δ

tb tt A

Lúc tính toán sơ bộ, thờng coi ωtblà tốc độ tính toán của bánh đà tơng

ứng với tốc độ quay định mức của động cơ, còn hệ số không đồng đều δđợc cho trớc

2.2 Tính toán các thông số của máy rèn, dập có bánh đà

Giả sử cho: A = 15000 J, tt A = 2000 Jkt

Tốc độ quay của động cơ =

s

rad

2 ,

27 , p = 3



60

α tt ,

s

rad

o 104 , 7

ω 

Số hành trình : n ht  70(hành trình/phút)

Động cơ truyền động qua đai hình thang và động cơ là động cơ không

đồng bộ rôtor lồng sóc

Thời gian chu kỳ : t n s

ht

70

60 60







Chọn k = 1,4 ( bảng (9-1)–  1 ) thì công suất định mức tính toán của

động cơ là:

Bài tập lớn : Tự động điều chỉnh truyền động điện 6

KW W

t

A A k P

ck

kt tt

86 0

2000 15000

4





















 



Chọn P ủm  28KW

Tính toán J của bánh đà :

2 2

2 27 093 , 0

15000 360

20 1 )

360 1



























Chọn J  200kGm2

Chơng 3 Mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc sử dụng trong máy rèn, dập có bánh đà

3.1 Giới thiệu về động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc trong máy rèn, dập có bánh đà

Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây phía stator sẽ tạo

ra dòng stator, gây lên điện áp cảm ứng phía rôtor và do đó gây lên dòng cảm ứng phía rôtor Dòng hai phía stator và rôtor có tác dụng tạo ra dòng rôtor, stator

và đó cũng là nguyên nhân sinh ra mômen quay của máy điện Điều kiện để xẩy

ra cảm ứng và tạo đợc mômen là tồn tại một sự trợt nhất định (không đồng bộ) giữa chuyển động của rôtor và của vector từ thông stator Trong trờng hợp đồng

bộ, máy điện sẽ không tạo ra đợc momen quay

K

M

m

m

=

s K s K s

s



2

; Rs≈ 0

mK = 23 z p

σ 1

s

L

2

ω 













s s

U ; sK = ωσ

s s

r

L R

Trong đó :

mk : Mômen lật

sk : Hệ số trợt khi

K

M

m

m

= 1

mk : Mômen động cơ

US : Điện áp stator

s : Tần số stator

zp : Số cặp cực

ĩ : Hệ số tản

Công thức trên là công thức gần đúng, xuất phát từ giả thiết điện trở stator

= 0 Giả thiết đó có thể coi là gần đúng đối với máy điện công suất lớn, rất lớn

*Các phơng trình mô tả động cơ điện dị bộ rotor lồng sóc:

- Phơng trình điện áp stator :

u s = Rs is + d dts

- Phơng trình điện áp rôtor :

0 = Rr.ir+

dt

dr

- j.r

8

- Phơng trình từ thông :

s

 = Lsis+Lm.ir

r

 = Lmis+Lr.ir Trong đó:

Rs: Điện trở stator

Rr: Điên trở rôtor

Ls: Điện cảm stator

Lr: Điện cảm rotor

Lm: Hỗ cảm giữa hai quận dây

us : Vector điện áp stator

is: Vector dòng điện stator

s

 : Vector từ thông stator

r

 : Vector từ thông rôtor

*Mô hình động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc:

dt s

-















 σ

σ 1 σ

1

r T s

T is α + 1 σσψrα

r

T  + ψ βω

σ

σ

1

r

 + 1σu sα

s L

dt

s

di β =

-















 σ

σ 1 σ

1

r T s

T is β + ψ αω

σ

σ r

′ 1

σ

σ

1

r r

T  + 1σu sβ

s L

dt r

d αψ = 1 α 1 ψrα ωψrβ

r T s

i r

T   

dt

r

dψβ

= 1 β. 1 ψrβ ωψrα

r T s

i r

T   

Trong đó :

s R s

L

s

T  ;

r R r

L r

T  ;

r L s L m L2

1

σ 

m L

r j m L

r r j r m L

β ψ α ψ ψ

*Phơng trình mômen:









23z p1 σL s ψrαi sβ ψrβi sα

m M

*Hệ phơng trình mô tả động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đợc xây dựng trên cơ sở chấp nhận các giả thiết sau:

- Hệ phơng trình cơ bản thu đợc trên cơ sở sóng cơ bản của các đại lợng dòng, áp và từ thông Hiện tợng móc vòng từ thông giữa stator và rotor chỉ xẩy ra với sóng cơ bản Mômen hài cha đợc quan tâm

- Hệ cha xét tới hiện tợng bão hoà từ

- Cha xét tới tổn hao dòng quẩn và tổn hao sắt từ

- Cha xét đến hiện tợng dãn dòng (xuất hiện đối với hài dòng bậc cao, làm tăng giá trị hiệu dụng của điện trở)

- Stator có kết tròn đều đối xứng Việc đặt điện áp rôtor bằng 0 xuất phát từ kết cấu ngắn mạch của mạch điện phía rotor

- Tham số của mô hình là hằng

- Bỏ qua tổn hao ma sát

3.2 Mô hình động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong máy rèn, dập

có bánh đà

Hình 3.1 Mô hình trong simulink

*Các thông số:

g =

r T

σ

σ 1

;

10

r L

m L p z

2

3

J p

z

h  ;

r

R r

L r

T 

3.3 Mô hình simulink động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc của máy rèn , dập có bánh đà

Hình 3.2 Mô hình trong simulink

*Lựa chọn các thông số của động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc :

Rs = 0.18 ; Rr = 0.17 ;

Ls = 4.0 ; Lr = 4.0 ;

j = 0.5

3.4 Kết quả mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc của máy rèn có bánh đà

 3.4.1 Đờng đặc tính mômen cản

Tải đợc đóng vào động cơ khi tốc độ đã ổn định, sau 0,5 s

 Đờng đặc tính tốc độ theo thời gian

 Đờng đặc tính của dòng điện

iSα

iSβ

 Đờng đặc tính của mômen trên trục động cơ

12

Chơng 4 Mô phỏng máy rèn, dập kim lọai sử dụng động cơ

không đồng bộ rôtor lồng sóc

4.1 Mô hình simulink máy dập kim loại sử dụng động cơ không đồng

bộ rôtor lồng sóc

4.2.

Kết

quả

mô

phỏng sử dụng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc

 Đờng đặc tính của mômen cản theo thời gian







 Đờng đặc tính của tốc độ

 Đờng đặc tính của dòng điện stator

iSα

iSβ

*Nhận xét :

- Mômen cản theo thời gian làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

- Tốc độ của động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại sau khi khởi động

- Dòng điện của statỏ biến thiên theo thời gian với tần số rất lớn

Tài liệu tham khảo

[1] Nguyễn Mạnh Tiến - Vũ Quang Hồi Trang bị điện- điện tử máy gia công kim loại

Nhà xuất bản giáo dục – 1994 [2] Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn – Phạm Quốc Hải – Dơng Văn Nghi Điều chỉnh tự động truyền động điện

Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội – 2004 [3] Nguyễn Phùng Quang Matlab và Simulink

Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật – 2000

14