đề tài tính toán và thiết kế truyền động cho cơ cấu nâng hạcầu trục

Cụ thể bài làm của em sẽ gồm những nội dung cơ bản như sau:Chương 1: Lý thuyết về động cơ không đồng bộ 3 pha: đặc tính cơ, cách khởi động, mở máy qua các cấp điện trở, các đặc tính hãm…

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN

Họ và tên sinh viên thực hiện:Phan Minh Trí

MSSV:19142401

Lớp:191421B

Chuyên ngành: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Nội dung: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC

GV hướng dẫn và đánh giá: TS.Nguyễn Thị Mi Sa

Giảng viên chấm điểm:……….

Nhận xét của giảng viên: ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Thủ Đức, ngày … tháng 11 năm 2022

Giảng viên ký tên

LỜI MỞ ĐẦU

Đất nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá nhằm đưa đất nướctiến kịp với các nền kinh tế của các nước trong khu vực và trên thế giới Tốc độ phát triển kinh tế của một quốc gia phụ thuộc vào tốc độ phát triển của ngành năng lượng Thường tốc độ phát triển của ngành công nghiệp phải cao hơn tốc

độ phát triển chung của nền kinh tế Do đó ngành chế tạo máy điện đòi hỏi phải luôn đi trước 1 bước về công nghiệp và chất lượng nhằm đảm bảo tốc độ phát triển chung của toàn ngành và yêu cầu của nền kinh tế Ngành chế tạo máy điện sản xuất ra các thiết bị điện phục vụ cho nền kinh tế như: Máy biến áp, động cơ điện dùng làm nguồn động lực cho các loại thiết bị, công suất từ vài Wat đến hàng trăm KiloWat

Động cơ điện 3 pha có vai trò rất quan trọng, nó giúp chuyển đổi năng lượng điện trở thành cơ năng và cung cấp mô men lực cho máy móc Bên cạnh đó, động cơ này còn mang đến rất nhiều các tính năng vượt trội khác

Do đó, em đã chọn đề tài này để cùng làm rõ những nguyên lý hoạt động cũngnhư cấu tạo của hệ thống nâng hạ cầu trục này Cụ thể bài làm của em sẽ gồm những nội dung cơ bản như sau:

Chương 1: Lý thuyết về động cơ không đồng bộ 3 pha: đặc tính cơ, cách khởi động, mở máy qua các cấp điện trở, các đặc tính hãm…

Chương 2: Tính toán số liệu: dòng điện, mô men của động cơ; các cấp điện trở

mở máy; tốc độ, dòng điện khi nâng tải và hạ tải…

Và để làm rõ điều này, chúng ta sẽ đi đến bài làm chi tiết sau đây

CHƯƠNG I: ĐẶT TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR

1.ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

1.1 Khái niệm

- Động cơ KĐB 3 pha là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ Động cơ không đồng bộ ba pha là loại động cơ mà khi làm việc có tốc độ quay của roto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n Động cơ không đồng bộ 3 pha so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt

1.2 Nguyên lý hoạt động

- Tạo ra từ trường quay bằng cách cho dòng diện xoay chiều 3 pha đi vào trongstato gồm 3 cuộn dây giống nhau, đặt lệch nhau 120° trên một giá tròn thì trongkhông gian giữa 3 cuộn dây sẽ Có một từ trường quay với tần số góc bằng tån sốgóc Của dòng diện xoay chiều

- Đặt trong từ trường quay một rôto lồng sóc (có tác dụng như một khung dâydẫn có thể quay dưới tác dụng của từ trường quay) có thể quay xung quanh trụctrùng với trục quay của từ trường

- Rôto lòng sóc quay do tác dụng của từ trường quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độcủa từ trường Chuyển động quay của rôto được sử dụng để làm quay các máykhác

1.3 Cấu tạo

a Stato

Stato là phần tĩnh gồm hai phần chính là lõi thép và dây quần, ngoài ra có võmáy và nắp máy

- Lõi thép

Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong,ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục Lõi thép được ép và bêntrong vỏ máy

- Dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây quẩn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trongcác rãnh lõi thép Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12

rãnh của stato, dây quần pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong cácrãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11 Dòng điện xoay chiều bapha chạy trong ba dây quẩn stato sẽ tạo ra từ trường quay.

- Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cổ địnhmáy trên bệ Hai đầu vỏ có nắp máy, ở đỡ trục Võ máy và nắp máy còn dùng đểbảo vệ máy

Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto KĐB lồng sóc) vàroto dây quấn.

+ Roto lồng sóc:

Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ KĐB lồng sóc Loại roto lồng sóccông suất trên 100 kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng, haiđầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành các lồng sóc

Ở động cơ roto lồng sóc công suất nhỏ được chế tạo bằng cách đúc nhôm vàocác rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch và cánhquạt làm mát

+ Roto dây quấn:

- Loại động cơ có roto dây quấn gọi là động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn Trong rãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện với trục

- Nhờ ba chổi than tì sát vào ba vòng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với 3vòng tiếp xúc, nhờ đó chổi than dây quấn roto nối được với ba biến trở bênngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc độ.

- Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo.Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giáthành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khiđộng cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động

1.4.Ưu điểm của động cơ không đồng bộ ba pha

-Kết cấu đơn giản nên giá thành rẻ

-Vận hành dể dàng, bảo quản thuận tiện

-Sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phạm vi công suất nhỏ và vừa

-Sản xuất với nhiều cấp điện áp khác nhau (từ 24 V đến 10 kV) nên rất thíchnghi cho từng người sử dụng

1.5.Nhược điểm của động cơ không đồng bộ ba pha

-Hệ số công suất thấp gây tổn thất nhiều công suất phản kháng của lưới điện

-Không sử dụng được lúc non tải hoặc không tải.

tách riêng stator và rotor

Trong đó , là điện trở và điện kháng mạch stator Đặc trưng cho mạch từ lõi théplà,, gọi là dòng điện từ hóa là số vòng dây quấn stator

Đối với động cơ công suất lớn thì có thể bỏ qua dòng từ hoá

Mạch tương đương 1 pha của stator.

Ở trạng thái rotor đứng yên, ta có thể xem động cơ như là một máy biến áp cách

ly

Tổng trở mạch rotor bao gồm và , là số vòng dây quấn rotor là sức điện động khi rotor đứng yên:

Mạch tương đương 1 pha khi xem <<

Để đơn giản hơn, ta có sơ đồ gần đúng như hình 2.2 Trong đó

= +

Trong sơ đồ thay thế 1 pha ở hình 2.2:

+ Là mô hình toán gần đúng của động cơ không đồng bộ 3 pha ở chế độ xác lập.+ Điện áp V là điện áp pha (điện áp định mức ghi trên nhãn thiết bị 3 pha thường

là điện áp dây)

Mạch tương đương 1 pha

Dựa vào sơ đồ tương đương 1 pha ở hình 2.2, ta có phương trình đặc tính tốc độ:

Khi mở máy tốc độ n=0 nên hệ số trượt s=1

=> =

3.PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA

Ta có giản đồ công suất ở chế độ động cơ:

Trong đó :

: công suất điện ngõ vào

: tổn hao đồng trên stator

: tổn hao sắt trên stator

: công suất điện từ

: tổn hao đồng trên rotor

: công suất cơ

: tổn hao cơ

: công suất ngõ ra

Ta có công suất điện ngõ vào : = 3.V

Trong đó: là momen điện từ của động cơ, là momen định mức trên trục động

cơ, ω là tốc độ góc của rotor

Khi làm việc ở chế độ động cơ : >

Ta có :

= (1)

Lấy đạo hàm cấp 1 của theo s và cho bằng 0, = 0 và có dạng bậc 2 nên có 2 nghiệm :

Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của T và s

Ta thường vẽ đặc tính cơ ở chế độ động cơ để biểu diễn mỗi quan hệ giữa mô men và tốc độ động cơ Lúc mới khỏi động, tốc độ n = 0 và s =1, momen khởi động lúc này là Nếu lớn hơn mô men tải và tổn hao thì động cơ sẽ tăng tốc và

có tốc độ gần bằng với tốc độ đồng bộ khoảng 97-98% tốc độ đồng bộ và mô men cũng đạt giá trị max tại

Ta có các cách vẽ đặc tính cơ của động cơ khi thực hiện một yêu cầu của bài toán như sau:

Đầu tiên ta vẽ mộ trục tọa độ Oxy, ta xác định điểm ns ứng với tốc độ định mức của đông cơ trên trục tung và Mmax trên trục hoành Ta vẽ được đặc tuyến ứng với điểm và Với = (60.f)/p

Tiếp đó ta xác định điểm làm việc của tải ứng với vị trí TL và n và ta cũng vẽ đặc tuyến tương tự như trên

Ta có hình vẽ như sau:

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen, hệ số trượt và tốc độ động cơ

4.ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ

4.1.Ảnh hưởng của điện áp

= =

=

=

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thay đổi theo điện áp

4.2 Ảnh hưởng của tần số nguồn cấp

Khi thay đổi tần số dẫn đến thay đổi tốc độ đồng bộ và điện kháng, thay đổi luôndạng đặc tính cơ Khi ta tăng tần số nguồn cấp giúp tăng tốc độ làm việc và giảmdòng điện động cơ, tuy nhiên điều này làm giảm khả năng mang tải do mo men động cơ suy giảm và ngược lại Vì vậy khi thay đổi tần số nguồn cấp thì cũng cần thay đổi điện áp phần ứng để mo men ổn định

Ta nhận thấy ở vùng < f thì sẽ giữ không đổi, còn ở vùng < f < thì không thể tăng điện áp nguồn cấp mà giữ nguyên = nên Tmax sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số Hay là: = const.

4.3 Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch stator.

Khi thêm điện trở phụ vào mạch stator thì tốc độ đồng bộ không đổi, hệ số trượt tới hạn giảm, moment tới hạn giảm và moment mở máy cũng giảm

Động cơ KDB 3 pha khi thêm điện trở phụ và điện kháng

=

=

=

- Khi thêm điện kháng phụ X (giả sử X = R ) vào mạch Stator ta thấy tốc độ p p p

đồng bộ không đổi, độ trượt tới hạn giảm (nhưng vẫn còn lớn hơn khi thêm Rp),moment mở máy M giảm(bằng với khi thêm Rmm p)

Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ và điện kháng váo Stator(=)

4.4.Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor :

- Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) không thể thay đổi được điện trở mạch rotor Việc thay đổi chỉ sử dụng đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối với điện trở ngoài qua hệ vòng trượt - chổi than

Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ vào mạch rotor

4.5.Ảnh hưởng của số đôi cực từ p :

Khi tăng (giảm) số đôi cực từ p thì tốc độ đồng bộ giảm (tăng) nên tốc độ quay của rotor giảm (tăng) còn không phụ thuộc vào p nên không thay đổi, nghĩa là

độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên Nhưng khi thay đổi số đôi cực từ sẽ phải thay đổi cách đấu dây ở stator động cơ nên một số thông số như , có thể thay đổi và do đó tuỳ trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến moment tới hạn của động cơ.

-Khi giảm thì và tăng , nhưng Mmax tăng mạnh hơn Do vậy độ cứng đặc tính

cơ tăng khi giảm Khi giảm xuống dưới thì tổng trở các cuộn dây giản nên nếu giữ nguyên điện áp cấp thì dòng điện động cơ sẽ tăng ,đốt nóng động cơ quá mức

-Khi tăng tốc độ thì khả năng quá tải của động cơ sẽ giảm đi Muốn giữ cho khả năng quá tải không thay đổi thì ta phải kết hợp điều chỉnh tần số và điện áp sao cho tỷ số = const

Như vậy sẽ giữ không đổi ở vùng <f (như hình) Ở vùng > thì không thể tăng điện áp nguốn cấp mà giữ = nên ở vùng này sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha khi thay đổi tần số

5.CÁC DẠNG KHỞI ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ KDB 3 PHA

Ta nhận thấy, động cơ không đồng bộ 3 pha có dòng khởi động rất lớn cho nên:+ Dòng từ hóa rất nhỏ so với dòng điện rotor, khởi động chủ yếu là dòng điện I’2

+Lúc khởi động, độ trượt s = 1, tổng trở của mạch sẽ nhỏ đi làm dòng điện khởi động lớn và ngược lại

+ Dòng điện khởi động quá lớn sẽ gây ảnh hưởng lớn đến thiết bị, động cơ như gây sụt áp, gây tác động đến thiết bị khác, làm quá nhiệt, hư hỏng cách điện…

Do đó ta có nhiều biện pháp khởi động để tránh hiện tượng dòng khởi động quá lớn như trên:

5.1.Khởi động trực tiếp

Đặc điểm của khởi động trực tiếp:

Điều khiển đơn giản, đóng các pha của động cơ trực tiếp vào nguồn ba pha bằng công tắt cơ khí hay dùng contactor

Dòng khởi động lớn có thể gây sụt áp trên lưới điện quá mức cho phép, đặc biệt khi động cơ có công suất lớn

Moment khởi động chứa thành phần xung khá lớn, do đó có thể gây sốc động cơ, động cơ khởi động không êm

5.2.Giảm điện áp phần Stator

5.2.1.Sử dụng máy biến áp tự ngẫu

Sơ đồ mạch sử dụng máy biến áp tự ngẫu

Đặc điểm của khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu:

• Động cơ được kết nối thêm máy biến áp tự ngẫu trong quá trình khởi động

• Dòng điện mở máy nhỏ, moment mở máy lớn, dùng cho các động cơ cao áp,

có dải lựa chọn các điện áp

• Giá thành thiết bị mở máy đắt tiền hơn phương pháp khởi động trực tiếp hay phương pháp khởi động sao – tam giác

Phương pháp khởi động sao – tam giác chỉ dùng khi động cơ làm việc bình thường nối tam giác Phương pháp này đơn giản, làm việc tin cậy nên được dùngrộng rãi với những động cơ từ 11kW đến 45kW

Dòng khởi động giảm đi √3 lần, bảo vệ an toàn cho động cơ và thiết bị Moment khởi động giảm đi 3 lần, thời gian khởi động lâu, đòi hỏi người vận hành phải được hướng dẫn cẩn thận

5.2.3.Khởi động mềm

Ta dùng phương pháp này chủ yếu cho các động cơ được sử dụng thường xuyên làm việc, nếu khỏi động bằng các phương pháp việc đóng ngắt contactor(đổi nối

và biến áp tự ngẫu) sẽ không được lâu dài dẫn đến mau hư hỏng thiết bị thì việc

ta dùng các biện pháp khởi động mềm lại có nhiều ưu điểm hơn hẳn như giảm được điện áp đặt vào Stator, dòng khởi động nhỏ hơn…

5.3.Tăng điện trở mạch khởi động

5.3.1.Khởi động bằng cách thêm điện trở phụ mạch rotor

Đối với động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn, do tần số của sức điện động ở rotor thay đổi theo tốc độ, nên giá trị điện kháng cũng thay đổi theo tốc

độ Vì vậy, trong thực tế, không bao giờ thêm điện kháng mạch rotor vì khó kiểm soát

Ta có biểu thức liên hệ giữa dòng khởi động và điện trở phụ mạch Rotor như sau:

=

Trong đó: R’ad là giá trị điện trở phụ thêm vào mỗi mạch rotor quy về stator

Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn khi khởi động bằng điện trở phụ mạch rotor

5.3.2.Khởi động bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch stator

Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ khi gắn điện trở phụ vào mạch rotor

Khi thêm vào mạch stator thì :

+ giảm do R tăng

+ = const

+ giảm khi s = 1

Dòng điện rotor qui đổi về stator: =

Momment của động cơ :

=

Độ trượt tới hạn:

Momment tới hạn :

Đặc tính tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha khi thêm điện trở phụ mạch stator

6.CÁC CHẾ ĐỘ HÃM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA

Khi vận hành động cơ không đồng bộ 3 pha cũng có thể xảy ra các chế độ hãm của động cơ như: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng

6.1.Hãm tái sinh

Đây là loại hãm được xảy ra khi tốc độ quay động cơ lớn hơn tốc độ không tải lýtưởng Khi hãm tái sinh, < , động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới Dòng hãm và momen đã đổi chiều và có giá trị:

< 0

Trường hợp này xảy ra khi tốc độ của động cơ lớn hơn tốc độ đồng bộ (n>n ) s

Lúc này phụ tải đóng vai trò như động cơ sơ cấp ở chế độ máy phát điện và phátđiện về phía nguồn

Ta có: P < 0, P < 0đ cơ

6.1.1.Hãm tái sinh khi tải đảo chiều quay

Đặc tính cơ khi tải đảo chiều quay

Dựa vào hình vẽ ta nhận thấy s < 0 khi tải ở góc phần tư thứ 2 hoặc thứ 4 khi ta kéo dài lên hơn điểm A’, điều này cũng cho thấy khi s giảm đi thì tốc độ n của động cơ cũng đang tăng lên hay giả dụ như việc động cơ đang lên dốc tại điểm

A và sau đó hạ dốc tại điểm A’

6.1.2.Hãm tái sinh khi hạ tải thế năng bằng cách đảo chiều từ trường quay

Ta có một cách khác để hạ tải thế năng chính là đảo từ trường quay bằng cách chúng ta thay đổi thứ tự pha 2 trong 3 pha bất kì, lúc này trường hợp hãm tái sinh của động cơ sẽ xảy ra ở góc phần tư thứ tư

Đặc tính cơ hãm tái sinh khi hạ tải thế năng bằng cách đảo 2 trong 3 pha điện