ĐỒ ÁN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO VẬN THĂNG NÂNG HÀNG Giảng viên hướng dẫn Nhóm sinh viên Lớp Khóa 2018 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Họ và tên Ngành Kỹ thuật điề.
ĐỒ ÁN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CHO VẬN THĂNG NÂNG HÀNG Giảng viên hướng dẫn : Nhóm sinh viên : Lớp : Khóa : 2018 - 2023 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Họ tên : Ngành : Lớp : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Đề tài: Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng nâng hàng Nhiệm vụ: Các thành viên nhóm xây dựng, đóng góp nghiên cứu nội dung để hồn thành đồ án tốt có thể, cụ thể là: Ngày giao đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Người hướng dẫn: , ngày … tháng … năm 2021 TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN VỀ ĐỒ ÁN Họ tên : Ngành : Lớp : Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Đề tài: Thiết kế hệ truyền động cho vận thăng nâng hàng Nhận xét chung: …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Phần đánh giá: - Ý thức thực hiện: - Nội dung thực hiện: - Hình thức trình bày: - Tổng hợp kết (điểm số chữ): + Điểm chuyên cần: + Điểm kỳ: , ngày … tháng… năm 2021 NGƯỜI HƯỚNG DẪN MỤC LỤC MỤC LỤC 1.1.2 Đặc điểm cấu nâng hạ CHƯƠNG II 15 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ TÍNH TỐN BỘ TRUYỀN ĐỘNG 15 2.1 Chọn động .15 2.1.1 Chọn loại động điều khiển .15 2.1.2 Xây dựng đồ thị phụ tải cấu nâng hạ .16 2.1.3 Tính chọn cơng suất động 17 2.1.4 Kiểm nghiệm động 21 3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 23 3.3 NGUYÊN TẮC CHUNG 23 3.5 MÔ PHỎNG MATLAP SIMULINK 28 3.5.1 Mạch lực 28 3.5.2 Mạch điều khiển 28 3.5.3 Kết mô 29 KẾT LUẬN .30 TÀI LIỆU THAM KHẢO .31 LỜI MỞ ĐẦU Hiện Cơng nghiệp hố – Hiện đại hố đóng vai trị quan trọng việc nâng cao xuất lao động Những thành tựu cách mạng khoa học kỹ thuật áp dụng rộng rãi vào kinh tế đưa đến thay đổi chưa có lịch sử lồi người Nhận thức tầm quan trọng khoa học công nghệ có ảnh hưởng định đến chiến lược phát triển đất nước, nhà nước ta sức đào taoh nghiên cứu khoa học kỹ thuật, khuyến khích đầu tư nhằm phát triển nhanh khoa học kỹ thuật nước nhà Là sinh viên chuyên ngành Tự Động Hoá , việc học tập nghiên cứu áp dụng vào vấn đề thực tế quan trọng góp phần củng cố lý thuyết học, giúp có thêm kiến thức cho cơng việc sau trường Vận thăng thiết bị nâng hạ quan trọng sử dụng rộng rãi xây dựng, công nghiệp Cùng với phát triển kinh tế công nghiệp đại, trung tâm công nghiệp thương mại xuất nhiều, phát sinh nhu cầu lớn xây dựng nhà cao tầng, việc sử dụng vân thăng vào trình xây dựng nhằm nâng cao suất, tính hiệu quả, an tồn gần thiết yếu Từ sở lý thuyết động không đồng ba pha, phương pháp điều khiển tần số, nội dung đồ án: “Thiết kế hệ thống truyền động cho vận thăng nâng hàng” đề xuất cách tính chọn cơng suất động điều khiển để đảm bảo tính hiệu quả, kinh tế cho sở sử dụng Do thời gian kiến thức hạn chế nên đồ án nhiều thiếu sót, mong thầy bạn đọc góp ý thêm để đồ án hoàn thiện DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ VẬN THĂNG NÂNG HÀNG 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬN THĂNG NÂNG HÀNG 1.1.1 Khái niệm chung Vận thăng nâng hàng loại máy móc sử dụng phổ biến cơng trình xây dựng để nâng hạ hàng hóa, vật tư lên xuống tầng xây dựng, tầng kho hàng Cấu tạo gồm có: bàn nâng hàng, khung thân, pully dẫn hướng cáp, tang quán cáp, motor, hộp giảm tốc, đế thang, cáp tải, tủ điều khiển,… Nguyên lý hoạt động vận thăng: điều khiển lên xuống hộp điều khiển Truyền động cách nâng dây cáp thông qua motor, hộp giảm tốc trục vít – bánh vít Hình 1.1 Cấu tạo vận thăng nâng hàng Ưu điểm: - Độ an toàn cao - Tốc độ nâng hạ nhanh, tiết kiệm thời gian công việc - Trọng tải lớn 1.1.2 Đặc điểm cấu nâng hạ Momen cản cấu không đổi độ lớn chiều chiều quay động thay đổi Nói cách khác, momen cản cấu nâng hạ thuộc loại momen cản năng, có đặc tính Mc = const không phụ thuộc vào chiều quay Điều giải thích dễ dàng momen cấu trọng lực tải gây Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức hướng ngược chiều quay Khi hạ tải, momen lại momen gây chuyển động, tức hướng theo chiều quay động Khi nâng tải động làm việc chế độ động Khi hạ tải có hai chế độ: hạ động lực hạ hãm - Hạ động lực thực tải trọng nhỏ, mơmen tải trọng gây không đủ để thắng mômen ma sát cấu Máy điện làm việc chế độ động - Hạ hãm: thực tải trọng lớn, mơmen tải trọng gây lớn Máy điện phải làm việc chế độ hãm để giữ cho tải trọng hạ với tốc độ ổn định Hình 1.2 Đặc tính cấu nâng hạ Đặc điểm hệ truyền động cấu nâng hạ: làm việc chế độ ngăn hạn lặp lại, thường xun phải dừng máy khơng địi hỏi đảo chiều mà thường có trễ sau thời gian định 1.2 YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬN THĂNG NÂNG HẠ 1.2.1 Yêu cầu phụ tải Đối với cấu nâng hạ: Momen không tải nâng móc cầu Mc0 = 15-20% Mđm cịn gầu ngoạm Mc0 khoảng 50% Mđm Khi hạ tải tác dụng lực ma sát nên phụ tải sẽ biến đổi từ (15-20%) đến 80% Mđm Hình 1.3 Đặc tính phụ tải cấu nâng hạ Đối với cấu dịch chuyển, momen cản tĩnh trọng lượng gây nên, momen cản khơng tải là: Mc0 = (30-50%) Mđm xe Mc0 = (50-55%) Mđm xe cầu Hình 1.4 Đặc tính phụ tải cấu dịch chuyển Các cấu truyền động cầu trục thường thay đổi mô men theo tải trọng Nhất cấu nâng hạ , mô men thay đổi rõ rệt Khi khơng có tải trọng mơ men động không vượt (15 - 20 )% Mđm Đối với cấu nâng hạ cầu trục ngoạm đạt tới 50% Mđm Đối với đông di chuyển xe bằng(30-50)% Mđm Đối với động di chuyển xe cầu (50 - 55 )% Mđm Các động truyền động điện làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại có tần số đóng điện lớn Đa số cầu trục làm việc điều kiện môi trường nặng nề, chế độ độ xảy nhanh mở máy, hãm đảo chiều Chế độ làm việc cấu cầu trục đươc xác định từ yêu cầu công nghệ, chức cầu trục dây chuyền sản xuất Cấu tạo kết cấu cầu trục đa dạng Khi thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển hệ thống truyền động điện phải phù hợp với loại cụ thể Từ đặc điểm ta có yêu cầu với hệ thống truyền động cho cấu cầu trục sau: - Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tự động đơn giản - Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản cấu tạo, thay dễ dàng - Trong sơ đồ điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, tải ngắn mạch - Quá trình mở máy diễn theo quy luật định sẵn - Sơ đồ điều khiển cho động riêng biệt, độc lập - Có cơng tắc hành trình hạn chế trình tiến, lùi cho xe cẩu , xe hạn chế hành trình lên xuống cấu nâng hạ - Đảm bảo hạ hàng tốc độ thấp Năng suất định hai yếu tố: tải trọng thiết bị số chu kì bốc xúc Số lượng hành hoá bốc xúc chu kì khơng nhỏ tải trọng định mức nên phụ tải với động đạt (60 - 70)% cơng suất động Hình 2.2 Quan hệ phụ thuộc η c theo tải trọng Khi khơng có tải: M n0 = G0 Rt u.i.ηc 2.1.3.2 Phụ tải tĩnh hạ Tùy thuộc vào tải trọng G lớn hay nhỏ mà có hai chế độ hạ tải phần yêu cầu phụ tải nêu: - Hạ động lực - Hạ hãm Mô men tải trọng gây khơng có tổn thất : Mt = (G + G0 ) Rt (N.m) u.i Khi hạ tải, lượng truyền từ phía tải trọng sang cấu truyền động nên: M h = M t − ∆M = M t η h (N.m) Trong đó: Mh mô men trục động hạ tải (N.m) ∆M tổn thất mô men cấu truyền động (N.m) η h hiệu suất cấu hạ tải Nếu: M t > ∆M → Hạ hãm M t < ∆M → Hạ động lực Coi tổn thất cấu nâng hạ nâng tải hạ tải thì: ∆M = Mt − M t = M t ( − 1) ηc ηc M h = M t − ∆M = M t − M t ( − 1) ηc = M t (2 − = ) ηc (G + G0 ) Rt (2 − ) ui ηc Suy ra: ηh = − ηc Chế độ làm việc động phụ thuộc vào hiệu suất cấu hạ tải: - Khi η c 0, động làm việc chế độ hạ hãm (momen động ngược chiều momen tải trọng) 2.1.3.3 Tính tốn chi tiết Với thơng số: tải trọng riêng G0 = 1T, tải trọng nâng 10T, bán kính tang nâng 0,4m; tỉ số truyền i = 75; bội số rịng rọc µ = 1, hiệu suất η = 0,85 Ta xác định giá trị momen công suất động Momen trục động nâng tải định mức: Mn = (G + G0 ) Rt (10 + 1).0, 4.1000.10 = = 690 (N.m) uiηc 75.1.0,85 G +G Phụ tải nâng không tải: G = → G + G = + 10 = 0, 09 đm Dựa vào đồ thị quan hệ phụ thuộc η c vào tải trọng, ta xác định η c = 0,45 Momen nâng không tải: M n0 = G0 Rt iuη c = 1.0, 4.10.1000 = 119 (N.m) 75.1.0, 45 Momen trục động hạ với tải định mức: Mh = (G0 + G ) Rt ui (2 − (1 + 10).0, 4.1000.10 )= (2 − ) = 483 (N.m) ηc 75.1 0,85 Momen hạ không tải là: M h = -12 (N.m) Momen đẳng trị: n M dt = ∑M i =1 i ti Tck 6902.40 + 119 2.16 + 4832.27 + 12 2.16 = 378 (N.m) = 179 Tốc độ quay lớn động tốc độ khơng có tải: n = ωn = ωh = i.u.v0 75.1.0,5 = = 14,9 vòng/s = 895 vòng/ phút 2π Rt 2π 0, Chọn động không đồng có tốc độ quay n = 1000 vịng/phút: Công suất đẳng trị động là: Pdt = M dt 2π n = 39,6 KW 60 Vậy động cần chọn có cơng suất định mức lớn 39,6 KW Dựa vào catalog động không đồng roto lồng sóc ABB, ta chọn động với thông số sau: Tên máy: M3BP 280 SMA 3GBP 283 210-G - Công suất định mức: Pđm = 45kW - Tốc độ định mức: n = 990 vòng/phút - Điện áp dây định mức: Uđm = 400V - Tần số định mức: f = 50Hz - Hệ số cơng suất: cos = 0,84 - Dịng stator định mức: 82,7A - Dòng stator khởi động: 82,7.7 = 578,9A - Momen định mức: M đm = 434 Nm - Momen khởi động định mức: Ms = 434.2,5 = 1085 Nm - Momen tới hạn: M th = 434.2,5 = 1085 Nm - Momen quán tính: J = 1,85 kg.m - Khối lượng: 605 kg 2.1.4 Kiểm nghiệm động Giả sử thời gian để thay đổi vận tốc trình nâng hạ t = 2s Mô men trục động gồm hai thành phần momen cản tĩnh M c thành phần momen gia tốc J dω dt M = Mc + J dω dt Trong J momen quán tính quy đổi trục động cơ: J = J đc + J ht 1,85 = 1,85 + =1,9 (kg.m ) i 75 Ta có tốc độ góc quy đổi trục động trình nâng hạ: ω= i.v Rt Do vậy, tốc độ góc nâng (hạ) khơng tải: ωn = ωh = 75.0,5 = 93, 75 (rad/s) 0, Tốc độ góc nâng tải định mức: ωn = 75.0, = 37,5 (rad/s) 0, Tốc độ góc hạ tải định mức: ωh = 75.0,3 = 56, 25 (rad/s) 0, Ta lập bảng giá trị momen cho thời điểm chu kì làm việc cấu nâng hạ sau: M1 M2 M3 M4 690 119 483 -12 t1 t2 t3 t4 38 14 25 14 Từ kết đó, ta tính momen đẳng trị quân bình bình phương: n M đt = ∑M i =1 i ti Tck = 379,1 (N.m) Kiểm tra điều kiện phát nóng động theo phương pháp momen đẳng trị: M đt =379.1 (N.m) < M đm = 434 (N.m) (thỏa mãn) Kiểm tra điều kiện tải động cơ: M max =947,8 (N.m) < 2,5 434 = 1085 (N.m) (thỏa mãn) ⇒ Kết luận: Vậy động chọn đáp ứng yêu cầu truyền động CHƯƠNG III THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BẰNG BIẾN TẦN 4.1 GIỚI THIỆU BIẾN TẦN Biến tần thiết bị biến đổi dòng điện chiều xoay chiều thành dịng điện xoay chiều có tần số điện áp điều chỉnh Cấu tạo: + Bộ chỉnh lưu: biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện chiều + Bộ lọc: hỗ trợ chỉnh lưu nghịch lưu dòng điện thích hợp + Bộ nghịch lưu: biến đổi dịng điện chiều thành dòng điện xoay chiều 3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Nguồn điện AC chỉnh lưu lọc thành nguồn DC phẳng, điện áp DC sau sẽ biến đổi nghịch lưu thành điện áo xoay chiều ba pha đối xứng Lúc đầu điện áp chiều tạo sẽ lưu trữ giàn tụ điện Tiếp theo thơng qua q trình tự kích hoạt thích hợp transistor điều khiển IGBT sẽ tạo điện áp xoay chiều ba pha phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 3.3 NGUYÊN TẮC CHUNG Nghịch lưu áp ba pha thường dùng chủ yếu với biện pháp biến đổi bề mặt xung đảm bảo điện áp có dạng gần hình sin Để đảm bảo điện áp có dạng khơng phụ thuộc vào tải ta dùng biến điệu bề rộng xung hai cực tính pha sơ đồ ba pha điều khiển độc lập với Trong biến điệu bề rộng xung ba pha phải có ba sóng sin chuẩn có biên độ xác lệch pha 120o toàn giải điều chỉnh Giản đồ kích đóng khóa bán dẫn nghịch lưu dựa sở sánh hai tín hiệu bản: - Sóng mang U RC có tần số cao - Sóng khiển U dk sóng điều chế dang sin Sóng mang dạng tam giác, tần số sóng mang cao, lượng sóng hài bậc cao bị khử nhiều Tuy nhiên, tần số đóng ngắt cao làm tổn hao phát sinh q trình đóng ngắt tăng Sóng điều khiển U dk mang thơng tin độ lớn, trị số hiệu dụng tần số sóng hài điện áp ngõ 3.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TRỰC TIÊP MOMEN (DTC) Biểu thức tính momen hệ tọa độ tĩnh, gắn chặt với trục dây quấn stato ( α , β ) M = pp Ψ s is = K m Ψ r Ψ s sin δ Trong Ψ s từ thơng stator, is dịng điện stator (cả hai gắn với hệ tham chiếu cố định gắn với stator), p p số đôi cực Vector từ thông roto thường biến thiên chậm vecto từ thơng stator, đạt giá trị momen yêu cầu cách quay vecto từ thông stato nhanh tốt theo hướng đó, làm thay đổi nhanh góc δ , gọi góc momen Nếu sụt áp điện trở bỏ qua cho đơn giản, điện áp stator tác động trực tiếp tới từ thơng stator theo phương trình sau: Us = dψ s hay ∆ψ s = U s ∆t dt U s = U dc ( S a + a.Sb + a Sc ) a=e 2π Trong Udc điện áp chiều đưa vào biến tần Sa, Sb, Sc hàm đóng cắt tranzisto pha tương ứng mạch lực biến tần Quỹ đạo chia thành sáu vector khác Các véc tơ điện áp chọn lựa dựa sai lệch từ thông stator mômen điện từ với giá trị đặt Tuỳ thuộc vào trạng thái sai lệch từ thông mômen điện từ, vectơ điện áp tối ưu định trước chọn để điều chỉnh đại lượng với lượng đặt Một biến tần ba pha đơn giản cung cấp vectơ điện áp chuẩn, có véc tơ module véc tơ module khác Biểu diễn quỹ đạo động từ thông stator có thay đổi khác phụ thuộc vào việc chọn trạng thái VSI Quỹ đạo chia thành sáu vector khác nhau: Hình 3.1 Quỹ đạo từ thơng stator Từ hình ta lập bảng chọn vector điện áp ứng với trạng thái khóa Sabc Pha A B C V0 0 V1 0 V2 1 V3 V4 1 V5 0 V6 1 V7 1 Bảng chọn vector điện áp cho phương pháp điều khiển trực tiếp momen: FI/FD: từ thông tăng/giảm, TD/T=/TI: mômen giảm/bằng/tăng, Sx: vector từ thong stator, Φ: sai số độ lớn từ thông stator, τ : sai số mômen Các giá trị đặt biên độ từ thông stato momen so sánh với giá trị thực chúng, giá trị sai lệch đưa vào khối trạng thái có trễ tương ứng hai mức ba mức Đầu khối trạng thái trễ lấy trạng thái gián đoạn đưa với vị trí vectơ từ thông stato vào bảng tra Sai số module từ thông stato momen nằm dải trễ tương ứng, độ rộng dải định độ xác điều khiển Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp momen động không đồng bộ Để ước lượng từ thông stato momen thực, sử dụng mơ hình khác nhau, đưa kiểu mơ hình đơn giản Ψ s = ψ sα +ψ sβ M= 3p (ψ sα isβ −ψ sβ isα ) υ s = cos −1 ψ sα ψs Vị trí Sx suy từ υ s , ví dụ (-30 < υ s