đồ án truyền động điện đề tài tính toán và thiết kế truyền động điện cho một cơ cấu máy khoan điện dùng động cơ dc

Tính chọn các thiết bị bảo vệ: Xem xét việc thêm tính năng như chức năng đảo chiều, điều chỉnh tốc độ khoan, v.vĐảm bảo rằng máy khoan được thiết kế với các biện pháp an toàn như cảm biế

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-🙞🙞🙞🙞🙞 -ĐỒ ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Đề tài:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNGĐIỆN CHO MỘT CƠ CẤU MÁY KHOAN ĐIỆN

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

Họ và tên sinh viên: Phạm Quốc Toản Lớp: 21TDH2

Xác định cơ cấu cần được kéo bởi động cơ DC (Ví dụ: trục khoan); Xác định cácthông số kỹ thuật như tỷ lệ truyền, momen xoắn yêu cầu, và vận tốc hoạt động, các chếđộ làm việc

Lựa chọn động cơ DC phù hợp với yêu cầu khoan.Tính toán momen xoắn và công suất cần thiết để khoan trong các loại vật liệu khácnhau

2.2 Hệ thống điều khiển:

Thiết kế hệ thống điều khiển để kiểm soát tốc độ và momen xoắn của động cơ DC.Tích hợp cảm biến để đảm bảo chính xác và an toàn trong quá trình khoan

2.3 Nguồn năng lượng:

Xác định nguồn cung cấp năng lượng cho động cơ DC (ví dụ: pin sạc, nguồn điện)

2.4 Tính chọn các thiết bị bảo vệ:

Xem xét việc thêm tính năng như chức năng đảo chiều, điều chỉnh tốc độ khoan, v.vĐảm bảo rằng máy khoan được thiết kế với các biện pháp an toàn như cảm biếndừng khẩn cấp

3 Sản phẩm

Chương trình mô phỏng hệ thống truyền động điều khiển động cơ DC cho cơ cấu máykhoan theo yêu cầu; hoặc mô hình mạch thật với thông số nhỏ

4 Tài liệu kham khảo

Các tài lệu môn học

Kiểm tra tiến độ đồ án

(Giáo viên HD ký mỗi lần SV đến gặp

thông qua đồ án)

Đà Nẵng, ngày tháng năm

Giáo viên hướng dẫn

Ở nước ta, do yêu cầu công nghiệp hóa hiện đại hóa nền kinh tế, với những cơhội thuận lợi và khó khăn thách thức lớn Sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹthuật nói chung và trong lĩnh vực truyền động nói riêng Ngày càng xuất hiện nhiềucông nghệ sản xuất mới có mức độ tự động hóa cao với những hệ truyền động điệnhiện đại Truyền động điện là khâu quan trọng trong công nghệ sản xuất Đóng góptrực tiếp trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm nhằm tăng khả năngcạnh tranh với các nước trên thế giới.

Do đó, nhóm em thống nhất chọn đề tài “Tính toán và thiết kế truyền động điện

cho một cơ cấu máy khoan điện dùng động cơ DC”.

Trong đề tài nhóm em xin đề cập đến các nội dung chính như sau:Chương 1: Tổng quan chung máy khoan

Chương 2: Tổng quan động cơ một chiều.Chương 3: Tính toán và lựa chọn động cơ.Chương 4: Hệ thống điều khiển

Chương 5: Tính toán và lựa chọn thiết bị bảo vệ.Chương 6: Tìm hiểu về cấu trúc, thiết bị và thiết kế thi công hệ thống.Tuy nhiên do yêu cầu về thời gian hạn hẹp, kiến thức còn nhiều hạn chế, việc tìmtài liệu về máy khoan điện là rất khó khăn nên việc nghiên cứu đề tài chắc chắn cònnhiều thiếu sót Vì vậy rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô cùng các bạn để đề tàiđược hoàn thiện hơn

Qua đề tài này em xin chân thành cảm ơn Thầy Dương Quang Thiện đã tận tìnhgiúp đỡ hướng dẫn nhóm em trong thời gian vừa qua để nhóm em hoàn thành tốt đề tàicủa mình

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN MÁY KHOAN 1

1.1.Khái niệm và phân loại máy khoan 1

1.1.1 Khái niệm 1

1.1.2 Phân biệt các loại máy khoan cầm tay 1

1.2.Vai trò của máy khoan 4

1.3.Nguyên lý cơ bản làm việc máy khoan 4

1.4.Chuyển động làm việc của máy khoan 4

1.5.Các loại máy khoan phổ biến trên thị trường 5

1.6.Kết luận 6

CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 7

2.1.Khái niệm động cơ 7

2.2.Cấu tạo động cơ 7

2.3.Phân loại động cơ 7

2.4.Nguyên lý làm việc của động cơ 8

2.5.Ưu điểm và nhược điểm động cơ 9

2.8.2 Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều 13

2.8.3 Cấu trúc hệ truyền động đề tài máy khoan điện động cơ một chiều 13

2.9.Kết luận 13

CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ 14

3.1.Tốc độ yêu cầu của tải 14

3.1.1 Quá trình chuyển động tốc độ quay mong muốn của động cơ 14

3.2.Momen mong muốn của tải 14

3.2.1 Quá trình chuyển động momen mong muốn của động cơ 15

3.3.Công suất của động cơ từng giai đoạn 15

3.4.2 Công suất trung bình 16

3.5.Giá trị định mức momen và công suất 16

3.6.Lựa chọn động cơ một chiều 17

3.7.Giá trị đẳng trị momen và công suất 17

3.7.1 Momen đẳng trị: 17

3.7.2 Công suất đẳng trị: 17

3.8.Kiểm nghiệm động cơ 17

3.8.1 Kiểm nghiệm phát nóng của động cơ 17

3.8.2 Kiểm nghiệm quá tải của động cơ 18

3.9.Tính toán sơ bộ momen xoắn và công suất cần thiết để khoan trong các loại vật liệu khác nhau 18

3.9.1 Xác định độ cứng (Mohs) của vật liệu 18

3.9.2 Momen xoắn cần thiết của vật liệu 18

3.9.3 Công suất cần thiết của vật liệu 18

CHƯƠNG 4.HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 19

4.1.Các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ DC 19

4.2.Điều chỉnh điện trở phần ứng bằng cách mắc điện trở phụ 19

4.2.1 Nguyên lý điều khiển 19

4.2.2 Đặc điểm của phương pháp 20

4.2.3 Đánh giá các chi tiết điều khiển 20

4.3.Điều khiển điện áp phần ứng 20

4.3.1 Nguyên lý điều khiển 20

4.3.2 Đặc điểm của phương pháp 21

4.3.3 Đánh giá các chi tiết điều khiển 21

4.4.Điều chỉnh từ thông 22

4.4.1 Nguyên lý điều khiển 22

4.4.2 Đặc điểm của phương pháp 23

4.4.3 Đánh giá các chi tiết điều khiển 23

4.5.Kết luận phương pháp điều chỉnh tốc độ của động cơ DC 23

4.6.Các phương pháp điều khiển điệp áp phần ứng 23

4.6.1 Phương pháp điều khiển tốc độ động cơ bằng vi điều khiển 23

4.6.2 Phương pháp băm xung sử dụng vi điều khiển, module điều khiển 24

4.6.3 Phương pháp mạch cầu H dùng 4 mosfet kênh N 26

4.6.4 Phương pháp điều khiển tốc độ bằng mosfet đơn giản 26

4.6.5 Mạch băm xung PWM sử dụng IC NE555 kết hợp công tắc ba cực 27

4.7.Kết luận các phương pháp điều khiển điện áp phần ứng 28

4.8.Tính toán mạch băm xung PWM sử dụng IC NE555 28

5.2.Các thiết bị trong mạch bảo vệ 29

5.2.1 Relay 29

5.2.2 Cầu chì 31

5.2.3 Aptomat 32

5.3.Kết luận các thiết bị trong mạch bảo vệ 34

5.4.Thiết kế mạch cảm biến nhiệt độ XH-W1209 34

6.3.2 Tính toán kiểm nghiệm sơ đồ mạch 46

6.3.3 Chạy mô phỏng chu kỳ dao động mạch điều khiển 46

6.3.4 Thiết kế mạch in và mô phỏng mạch 3D 47

6.3.5 Linh kiện mạch điều khiển 48

6.3.6 Thi công mạch thực tế 48

6.4.Thực nghiệm mô hình máy khoan 49

6.5.Mô hình máy khoan hoàn chỉnh 49

6.6.Kết luận 50

6.6.1 Mạch điều khiển tốc độ động cơ 50

6.6.2 Mô hình hệ thống máy khoan 50

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 51

Hình 1.1 Máy khoan điện 1

Hình 1.2 Máy khoan pin 2

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo động cơ một chiều DC 7

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều 9

Hình 2.4 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập 10

Hình 2.5 Sơ đồ thay thế của mạch phần ứng động cơ điện một chiều kích từ độc lập 11Hình 2.6 Sơ đồ phương trình đặc tính cơ và phương trình đặc tính cơ – điện 12

Hình 2.7 Cấu trúc hệ truyền động 12

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động động cơ điện một chiều 13

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động đề tài máy khoan điện động cơ một chiều 13

Hình 3.1 Đồ thị tốc độ quay mong muốn của động cơ 14

Hình 3.2 Đồ thị momen mong muốn của động cơ 15

Hình 3.3 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ 16

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển tốc độ động cơ bằng vi điều khiển 23

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý phương pháp băm xung sử dụng vi điều khiển, module điều khiển động cơ 24

Hình 4.6 Mạch cầu H 25

Hình 4.7 Độ rộng xung của PWM 25

Hình 4.8 Sơ đồ khối module L298N 25

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H dùng 4 mosfet kênh N 26

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý điều khiển tốc độ bằng mosfet đơn giản 27

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch băm xung PWM 27

Hình 5.3 Cầu chì 31

Hình 5.4 Nguyên lý hoạt động cầu chì 31

Hình 5.5 Cấu tạo Aptomat 32

Hình 5.6 Loại Aptomat tép 33

Hình 5.7 Loại Aptomat khối 33

Hình 5.8 Nguyên lý hoạt động Aptomat 33

Hình 5.9 Module mạch cảm biến nhiệt độ XH-W1209 35

Danh sách các bảngBảng 1.1 Các loại máy khoan phổ biến trên thị trường 5

Bảng 2.1 So sánh động cơ điện một chiều 8

Bảng 5.1 Bảng thiết lập cài đặt mạch bảo vệ 37

Bảng 6.1 Linh kiện được sử dụng trong mạch 48

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN MÁY KHOAN

1.1 Khái niệm và phân loại máy khoan

1.1.1 Khái niệm

Máy khoan cầm tay là một dụng cụ điện, có công dụng khoan, đục, vặn vít,… vàthường được sử dụng trong các công trường, công xưởng và xưởng mộc Ngoài ra,máy khoan còn được nhiều người sử dụng trong các công việc khoan lỗ, vặn vít, haysửa chữa các vật dụng trong gia đình

Máy khoan cầm tay hoạt động nhờ vào dòng điện trực tiếp hoặc pin được lắp từbên trong Trên thị trường có nhiều loại máy khoan được phân chia dựa vào nhữngtính năng khác nhau như khoan trên gỗ, tường, bê tông, kim loại,…

Máy giúp cho việc khoan đục, vặn vít,… trên các bề mặt vật liệu trở lên dễ dànghơn, giúp con người tiết kiệm được nhiều sức lực cũng như thời gian

Là dụng cụ cầm tay làm từ chất liệu thép bền chắc và sáng đẹp Tay cầm đượcsản xuất từ chất liệu nhựa cứng siêu bền, cách điện, cách nhiệt, tuyệt đối an toàn, vừatay, đem đến cảm giác an toàn khi sử dụng

Với kích thước và thiết kế nhỏ gọn nhưng tích hợp đầy đủ tính năng của nhiềuthiết bị cùng với độ bền cao, máy khoan là sản phẩm đã được đông đảo người tiêudùng lựa chọn

1.1.2 Phân biệt các loại máy khoan cầm tay

1.1.2.1 Máy khoan điện

Máy khoan điện là loại máy thường được sử dụng trong các công xưởng, côngtrường chế tạo máy móc, thiết bị vì có công suất hoạt động lớn, vận hành mạnh mẽ vàbền bỉ với các tính năng như khoan tường, khoan gỗ hay trên các vật liệu bằng kimloại hiệu quả

Ưu điểm của máy khoan điện chính là không cần phải thay pin cho máy khi hếtpin, nhưng trái lại nó sẽ hạn chế về phạm vi làm việc Để sử dụng trong gia đình, bạncũng có thể chọn các lại máy khoan điện có công suất vừa phải để phù hợp nhu cầu sửdụng

Hình 1.1 Máy khoan điện

1

1.1.2.2 Máy khoan pin

Máy khoan pin nổi bật với thiết kế nhỏ gọn, sử dụng năng lượng pin sạc để hoạtđộng thay vì phải cắm điện như máy khoan điện Mức điện áp của máy từ 12V, 18V,24V,… do đó bạn có thể lựa chọn loại máy có mức điện áp phù hợp với nhu cầu vàtính chất công việc khác nhau

Máy có công suất rất mạnh mẽ, khả năng hoạt động dứt khoát, nhanh gọn và cóthể sử dụng trên nhiều vật liệu như gỗ, bê tông, kim loại Đồng thời, máy khoan pincòn có thể ứng dụng hiệu quả cho việc lắp đặt, sửa chữa tùy vào nhu cầu sử dụng

Hình 1.2 Máy khoan pin

1.1.2.3 Máy khoan động lực

Máy khoan động lực là dòng máy có công suất hoạt động mạnh mẽ và là công cụđắc lực cho người dùng trong việc khoan lỗ, vặn vít,… trên các vật liệu khác nhaunhư: gỗ, kim loại, bê tông,… do đó, máy khoan động lực là sản phẩm thích hợp chonhững công việc lắp ráp, sửa chữa chuyên nghiệp

Hình 1.3 Máy khoan động lực

1.1.2.4 Máy khoan búa

Là dòng máy khoan có công suất cực mạnh, trọng lượng lớn, là sản phẩm thíchhợp để sử dụng ở các công trình xây dựng vì có khả năng xử lý tốt các bề mặt vật liệucó độ cứng cao như nền đá, bê tông

Máy có hai khả năng khoan là khoan thường và khoan búa.

Hình 1.4 Máy khoan búa

1.1.2.5 Máy khoan vặn vít

Các dòng máy khoan vặn vít có thiết kế nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, dễ cầm nắmkhi thao tác Máy khoan có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng việc tháo, vặn vít trêncác bề mặt như thép, gỗ,… hiệu quả Ngoài ra, máy còn được tích hợp đèn led thôngminh hỗ trợ quá trình làm việc trong các điều kiện thiếu sáng

Hình 1.5 Máy khoan vặn vít

1.1.2.6 Máy khoan bàn

Được thiết kế dạng trụ đứng với một bàn nâng đỡ vật liệu nằm gần chân đế củamáy, có cấu trúc chính bao gồm: Chân đế, cọt bàn, trục chính và mâm cặp Máy khoanbàn có chức năng chính là khoan lỗ trên các bề mặt vật liệu như sắt, thép,…

Hình 1.6 Máy khoan bàn

1.1.2.7 Máy khoan từ

Là loại máy có kích thước và trọng lượng lớn, nên khó di chuyển Tính năng củamáy được dùng để khoan lỗ trên các vật liệu lớn Phần đế của máy được gắn nam chântừ tính có tác dụng giữ máy không bị di chuyển khi khoan, hỗ trợ các thao tác trên cao,ngang, dọc được dễ dàng hơn

Hình 1.7 Máy khoan từ

1.2 Vai trò của máy khoan

Là sản phẩm được sản xuất nhằm giúp đỡ người dùng dễ dàng khoan các loại lỗtrên bề mặt vật liệu tùy theo mục đích, phù hợp với cả nhu cầu gia đình và dành choanh em thợ sửa chữa, lắp đặt đồ gia dụng

Với thiết kế gọn nhẹ, thiết kế hiện đại, tay cầm chắc chắn tạo cảm giác an toàn,động cơ mạnh mẽ với công suất cao, có chức năng điều khiển tốc độ động cơ giúpkhoan chính xác, ổ bi được định mức tải động cao hơn đem lại cho máy tuổi thọ dàihơn Máy khoan cầm tay giúp bạn tiết kiệm thời gian để hoàn thành công việc mộtcách nhanh nhất

1.3 Nguyên lý cơ bản làm việc máy khoan

Khi bạn muốn khởi động máy, hãy mở nguồn cấp điện cho máy trước rồi sau đómới điều chỉnh điện áp

Nguồn điện đó sẽ tạo ra dòng điện một chiều đi đến chổi than làm cho động cơcủa máy hoạt động

Động cơ quay sẽ làm chuyển động qua bộ truyền động khiến trục gắn với mũikhoan quay theo, khi đó máy khoan sẽ thực hiện các thao tác khoan của người sửdụng

1.4 Chuyển động làm việc của máy khoan

Chuyển động chính trong máy khoan là chuyển động quay mũi khoan Chuyểnđộng ăn dao là dịch chuyển mũi khoan dọc theo trục quay của nó đi xuống chi tiết cầngia công

Tốc độ quay của mũi khoan (chuyển động chính), vòng/phút S - chuyển động ăndao, mm/vòng

Chuyển động chính máy khoan thường dùng hệ truyền động với động cơ KĐB 3pha roto lồng sóc

Phạm vi điều chỉnh tốc độ trục chính yêu cầu D = (50 ÷ 60), thực hiện bằng hộptốc độ

Chuyển động ăn dao cũng được thực hiện từ động cơ truyền động trục chính vớihộp tốc độ ăn dao

Chuyển động chính: Đi từ động cơ đến hộp tốc độ , rồi đến hộp trục chính làmdụng cụ cắt quay tròn (n: đơn vị vòng/phút)

Chuyển động chạy dao: Đi từ trục chính máy khoan đến hộp chạy dao rồi đếntrục chính, máy làm trục chính chạy tịnh tiến lên xuống thực hiện chuyển động chạydao

1.5 Các loại máy khoan phổ biến trên thị trường

ST

Công suất(W)

Momen(N.m)

Tốc độ(vòng/phút)1

Máy khoan điệnBosch GBM 320

5

Máy khoan pinIngcoCIDLI20608 20V

19006 Máy khoan từ CK-

7 Máy khoan vặn vítđộng lực dùng pin 12

Bosch GSB

12V-30Bảng 1.1 Các loại máy khoan phổ biến trên thị trường

1.6 Kết luận

Theo dữ liệu từ bảng 1.1, ta thấy các loại máy khoan phổ biến trên thị trườngđược ứng dụng để khoan các vật liệu cứng cần momen lớn, nên thường sử dụng cácloại động cơ xoay chiều có công suất lớn Trong phạm vi đề tài thiết kế một máykhoan cầm tay, ứng dụng vào khoan các vật liệu không yêu cầu momen và công suấtquá lớn Vì vậy, sau thời gian tìm hiểu nhóm em thống nhất chọn máy khoan điệnđộng cơ điện một chiều

Động cơ một chiều có những ưu điểm sau:+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.+ Tiết kiệm điện năng

+ Bền bỉ, tuổi thọ lớn.+ Động cơ điện một chiều có chổi than có hiệu suất tốt.+ Mật độ mô-men xoắn tương đối cao đối với các động cơ này.+ Động cơ một chiều chạy êm và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng.+ Khả năng quá tải tốt và nhiễu điện từ nhỏ

+ Độ chính xác cao.+ Tốc độ động cơ nhanh.+ Khởi động tốt, hiệu suất cao

CHƯƠNG 2.TỔNG QUAN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

2.1 Khái niệm động cơ

Động cơ điện một chiều DC (Direct Current Motor) là động cơ được điều khiểnbằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằngnguồn điện áp DC – điện áp một chiều

2.2 Cấu tạo động cơ

Gồm có 4 bộ phận chính như sau:+ Stator: Là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện.+ Rotor: Là phần lõi được quấn các cuộc dây để tạo thành nam châm điện.+ Chổi than (brushes): Giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.+ Cổ góp (commutator): Làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho cáccuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trênrotor

một chiều DC

2.3 Phân loại động cơ

Căn cứ vào phương pháp kích từ, chia động cơ điện một chiều thành những loạisau đây:

+ Động cơ điện một chiều kích từ độc lập+ Động cơ điện một chiều kích từ song song+ Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

+ Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp+ Động cơ điện một chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.

1Động cơ điện mộtchiều kích từ độc lập

- Khả năng điều khiểntốc độ và hướng quaycao

- Tính linh hoạt trongứng dụng điều khiển

- Cần một hệ thống điềukhiển chất lượng cao

2Động cơ điện mộtchiều kích từ song song

- Hiệu suất cao- Điều chỉnh tốc độ dễdàng

- Momen khởi động cao- Chế tạo đơn giản

- Lãng phí điện năng- Có tia lửa điện- Gây tiếng ồn- Giá thành cao

3Động cơ điện mộtchiều kích từ nối tiếp

- Cấu trúc đơn giản vàchi phí thấp

- Thích hợp cho các ứngdụng có yêu cầu đơngiản

- Khả năng điều khiểnthấp, đặc biệt là về tốcđộ

- Hiệu suất có thể giảmkhi tải thay đổi

4Động cơ điện mộtchiều kích từ hỗn hợpbao gồm hai cuộn dâykích từ, trong đó có:một cuộn mắc vào phầnứng, một cuộn sẽ mắcsong song vào phầnứng

- Khả năng điều khiểntốc độ và hướng quaytốt

- Có thể cung cấp lựcxoắn cao và ổn định

- Phức tạp hơn so vớimột số loại động cơkhác

- Chi phí có thể cao.- Đòi hỏi kiến thức kỹthuật cao để thiết lập vàbảo trì

5Động cơ điện mộtchiều kích từ bằng namchâm vĩnh cửu

- Cấu trúc đơn giản.- Dễ bảo trì

- Chi phí thấp

- Khả năng điều khiểntốc độ và hướng quayhạn chế

- Hiệu suất có thể giảmkhi tải thay đổi

Bảng 2.2 So sánh động cơ điện một chiều

2.4 Nguyên lý làm việc của động cơ

Stato của động cơ một chiều thường là một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửuhay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điệnmột chiều

Một phần quan trọng khác của động cơ một chiều chính là bộ phận chỉnh lưu, bộphận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liêntục, thông thường bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi thantiếp xúc với cổ góp.

Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng một lực ngoài thì động cơnày sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một suất điện động cảmứng (Electromotive force) Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phátra một điện áp được gọi là sức phản điện động (counter-EMF) hoặc sức điện động nàysẽ tương tự như sức điện động phát khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Nhưvậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điệp áptạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng [12]

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

2.5 Ưu điểm và nhược điểm động cơ

2.5.1 Ưu điểm

Động cơ 1 chiều có hiệu suất làm việc tốt.Mật độ momen xoắn tương đối cao mang lại động năng lớn.Động cơ 1 chiều DC vận hành êm, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng.Khả năng nhiễm điện từ nhỏ, chịu quá tải tốt

Tiết kiệm điện năng.Tuổi thọ lớn

2.5.2 Nhược điểm

Khi hoạt động phát ra tiếng ồn.Bộ phận cổ góp trong quá trình vận hành ma sát nhiều dẫn đến hao mòn, cần sửachữa và bảo dưỡng thường xuyên

Phần cổ góp này trong quá trình hoạt động phát sinh ra tia lửa điện, nên khôngdùng được trong các môi trường dễ gây cháy nổ

Giá thành đắt, công suất không cao

2.7.1 Sơ đồ nối dây

Hình 2.11 Sơ đồ nối dây của động cơ điện một chiều kích từ độc lập

ω = KVa

e Φ - Ra

Me = Mm = MPhương trình đặc tính cơ:

ω = VaKe Φ - Ra

Ke KM Φ2M

(2.9)Phương trình gồm 2 thành phần:

Tốc độ không tải lý tưởng: ω0 = KVa

Độ sụt tốc độ do ảnh hưởng của tải:

Ke KM Φ2

đmM

(2.13)

2.8 Tổng quan cấu trúc truyền động động cơ một chiều

2.8.1 Cấu trúc hệ truyền động

Hình 2.14 Cấu trúc hệ truyền độngTrong đó:

BĐ là Bộ biến đổi, dùng để biến đổi loại dòng điện, biến đổi loại nguồn, biến đổimức điện áp, biến đổi số pha, biến đổi tần số

Các BBĐ thường dùng là máy phát điện, các chỉnh lưu không điều khiển và cóđiều khiển, các bộ biến tần

Đ là động cơ điện, dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng hay cơ năng thànhđiện năng (khi hãm điện).

Các động cơ điện thường dùng: động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha, độngcơ điện một chiều

TL là khâu truyền lực, dùng để truyền lực từ động cơ điện đến cơ cấu sản xuấthoặc dùng để biến đổi dạng chuyển động (bánh răng, thanh răng, trục vít, xích, đaitruyền, các bộ ly hợp cơ hoặc điện từ

CT là cơ cấu sản xuất hay cơ cấu làm việc, thực hiện các thao tác sản suất vàcông nghệ

ĐK là khối điều khiển, là các thiết bị dùng để điều khiển BBĐ, động cơ điện Đ,cơ cấu truyền lực

2.8.2 Cấu trúc hệ truyền động động cơ một chiều

Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động động cơ điện một chiều

2.8.3 Cấu trúc hệ truyền động đề tài máy khoan điện động cơ một chiều

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động đề tài máy khoan điện động cơ một chiều

2.9 Kết luận

Qua sự tìm hiểu phân tích tổng quan về các loại động cơ điện một chiều, thì loạiđộng cơ điện một chiều kích từ độc lập với một số ưu điểm nổi trội hơn phù hợp vớiphạm vi đề tài máy khoan Nhóm thống nhất chọn động cơ điện một chiều kích từ độclập để thiết kế mô hình

Khối bảo vệ và khối điều

khiển

Động cơ DCKhối Chỉnh

Lưu220VAC

Nguồn 12V

Với cấu trúc tổng quan về hệ truyền động động cơ một chiều thì nhóm thiết kế tốiưu hóa hệ thống bao gồm các bộ phận chính như sau: Khối chỉnh lưu, khối điều khiểnvà khối bảo vệ hệ thống được mô tả sơ đồ hình 2.9.

CHƯƠNG 3.TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ

3.1 Tốc độ yêu cầu của tải

Chọn tốc độ quay động cơ bao gồm các giai đoạn như sau:Tốc độ không tải: n = 2000 (vòng/phút)

Tốc độ có tải: n = 1400 (vòng/phút)

Hình 3.17 Đồ thị tốc độ quay mong muốn của động cơ

3.1.1 Quá trình chuyển động tốc độ quay mong muốn của động cơ

Giai đoạn 1 từ 0 ÷ 2s: Động cơ chạy ở chế độ không tải n = 2000 (vòng/phút).Giai đoạn 2 từ 2 ÷ 3s: Mũi khoan tiếp xúc với tải n = 1800 (vòng/phút).Giai đoạn 3 từ 3 ÷ 4s: Mũi khoan đi vào bề mặt tải n = 1500 (vòng/phút).Giai đoạn 4 từ 4 ÷ 6s: Động cơ chạy ở mức ổn định n = 1400 (vòng/phút).Giai đoạn 5 từ 6 ÷ 7s: Mũi khoan, khoan xuyên qua tải n =1550 (vòng/phút).Giai đoạn 6 từ 7 ÷ 8s: Động cơ chạy khi đã khoan qua tải n = 1700 (vòng phút).Giai đoạn 7 từ 8 ÷ 8.5: Tắt động cơ n = 850 (vòng/phút)

3.2 Momen mong muốn của tải

Chọn momen động cơ gồm các giai đoạn như sau:Momen không tải: M = 0.1 (N.m)

Momen cực đại: M = 3,5 (N.m)Momen có tải: M = 2,5 (N.m)Momen sau khi khoan xong: M = 0.3 (N.m)

01234567890

5001000150020002500

Hình3.18 Đồ

thịmomen

mongmuốn của

động cơ

3.2.1.Quá

trình chuyển động momen mong muốn của động cơ

Giai đoạn 1 từ 0 ÷ 2 (s): Động cơ chạy ở chế độ không tải Mc 1 = 0.1 (Nm).Giai đoạn 2 từ 2 ÷ 3 (s): Mũi khoan tiếp xúc với tải Mc 2 = 3,4 (Nm)

Giai đoạn 3 từ 3 ÷ 4 (s): Mũi khoan đi vào bề mặt tải Mc 3 = 3 (Nm).Giai đoạn 4 từ 4 ÷ 6 (s): Động cơ khoan ở mức ổn định Mc 4 = 2,5 (Nm).Giai đoạn 5 từ 6 ÷ 7 (s): Mũi khoan, khoan xuyên qua tải Mc 5 = 1,4 (Nm).Giai đoạn 6 từ 7 ÷ 8 (s): Giảm momen khi đã khoan qua tải Mc 6 = 0,3 (Nm).Giai đoạn 7 từ 8 ÷ 8.5 (s): Tắt động cơ Mc 7 = 0,15 (Nm)

3.3 Công suất của động cơ từng giai đoạn

Tại t = 0 ÷ 2 (s)

Pc 1 = Mc 1× n = 0,1.20009,55 = 20,94 (W) (3.1)Tại t = 2 ÷ 3 (s)

Pc 2 = Mc 2× n = 3,4.18009,55 = 640,84 (W) (3.2)Tại t = 3 ÷ 4 (s)

Pc 3 = Mc 3× n = 3.15009,55 = 471,2 (W) (3.4)Tại t = 4 ÷ 6 (s)

Pc 4 = Mc 4×n = 2,5.14009,55 = 366,49 (W) (3.5)Tại t = 6 ÷ 7 (s)

Pc 5 = Mc 5× n = 1,4.15509,55 = 227,23 (W) (3.6)Tại t = 7 ÷ 8 (s)

0123456789100

0.511.522.533.54

Pc 6 = Mc 6× n = 0,3.17009,55 = 53,4 (W) (3.7)Tại t = 8 ÷ 8.5 (s)

Pc 7 = Mc 7× n = 0,15.9,55850 = 13,35 (W) (3.8)

01234567890

100200300400500600700

Hình 3.19 Đồ thị công suất mong muốn của động cơ

3.4 Giá trị trung bình momen và công suất

3.4.1 Momen trung bình

Mctb =

∑

i=1n

Mci.ti

∑

i=1n

∑

i=1n

3.5 Giá trị định mức momen và công suất

Với hệ số dữ trữ k = 1,1 ÷ 1,3 Ta chọn k = 1,3, động cơ chọn cần thỏa mãn:

Mdm = Mctb 1,3 = 1,574 1,3 = 2,05 (N/m) (3.11)

Pdm = Pctb 1,3 = 256 1,3 = 332,8 (W) (3.12)

3.6 Lựa chọn động cơ một chiều

Dựa vào Tdm và Pdm vừa tính, chọn động cơ DC 775 có các thông số như sau:Tên: Motor DC 775 trục tròn chổi than

+ Điện áp: 12V+ Công suất: 400W+ Dòng điện không tải: 1,8A + Tốc độ không tải: 8800 vòng/phút+ Trục động cơ: Φ5mm

+ Kích thước: 42,3mm x 66mm+ Chiều dài trục đầu ra: 10,2mm+ Trọng lượng: 385g

3.7 Giá trị đẳng trị momen và công suất

3.7.1 Momen đẳng trị:

Mdt=

i=1n

Mc i2∆ ti

∑

i=1n

3.7.2 Công suất đẳng trị:

Pdt=

i=1n

Pci2∆ ti

∑

i=1n

∆ ti

(3.14)

=√Pc12∆ t1+Pc 22∆t2+Pc 32∆ t3+Pc 42∆ t4+Pc 52∆ t5+Pc62∆ t6+Pc 72∆ t7

∆ t1+∆ t2+∆ t3+∆ t4+∆ t5+∆ t6+∆ t7

2+1+1+2+1+1+0.5

= 335,5 (W)3.8 Kiểm nghiệm động cơ

3.8.1 Kiểm nghiệm phát nóng của động cơ

3.9.2 Momen xoắn cần thiết của vật liệu

3.9.2.1 Gỗ thông (mềm)

Đường kính lỗ khoan: d1 = 6 (mm)Hệ số momen xoắn vật liệu: k1 = 0,05 ÷ 0,1; chọn k1 = 0,1Momen xoắn cần thiết là: M1 = k1.d1.H1 = 0,1.6.2 = 1,2 (N.m) (3.16)

3.9.2.2 Nhựa PVC

Đường kính lỗ khoan: d2 = 6 (mm)Hệ số momen xoắn vật liệu: k2 = 0,02 ÷ 0,05; chọn k2 = 0,05

Momen xoắn cần thiết là: M2 = k2.d2.H2 = 0,05.6.1 = 0,3 (N.m) (3.17)

3.9.3 Công suất cần thiết của vật liệu

Tốc độ không tải động cơ: n = 2000 (vòng/phút)

Hiệu suất của máy khoan: η = 0,5 ÷ 0,8; chọn η = 0,7

3.9.3.1 Gỗ thông (mềm)

Công suất cần thiết là: P1 = M1× n = 1,2.20009,55 = 251,3 (W) (3.18)

3.9.3.2 Nhựa PVC

Công suất cần thiết là: P2 = M2× n = 0,3.20009,55 62,8(W) (3.19)

4.1 Các phương pháp điều khiển tốc độ của động cơ DC

Điều chỉnh điện trở phần ứng bằng cách mắc điện trở phụ.Điều khiển điện áp phần ứng

Điều chỉnh từ thông

4.2 Điều chỉnh điện trở phần ứng bằng cách mắc điện trở phụ

4.2.1 Nguyên lý điều khiển

Trong phương pháp này người ta giữ Uư=Uđm ; Ф=Фđm và nối thêm điện trở phụvào mạch phần ứng để tăng điện trở phần ứng

Tốc độ động cơ:ω = ω0 - ∆ω = KФUđm

đm - Rư+Rfư(KФđm)2 Iư = KФUđm

Độ cứng đặc tính cơ:

Hình 4.20 Đồ thị đường đặc tính tốc độ động cơ

β=∆ M∆ ω =

4.2.2 Đặc điểm của phương pháp

Điện trở mạch phần ứng càng tăng thì độ dốc đặc tính càng lớn, đặc tính cơ càngmềm, độ ổn định tốc độ càng kém và sai số tốc độ càng lớn

Phương pháp này chỉ cho phép điều chỉnh tốc độ trong vùng dưới tốc độ địnhmức (chỉ cho phép thay đổi tốc độ về phía giảm)

Chỉ áp dụng cho động cơ điện có công suất nhỏ, vì tổn hao năng lượng trên điệntrở phụ làm giảm hiệu suất của động cơ và trên thực tế thường dùng ở động cơ điệntrong cần trục

4.2.3 Đánh giá các chi tiết điều khiển

Tính liên tục: phương pháp này không thể điều khiển liên tục được mà phải điềukhiển nhảy cấp

Dải điều chỉnh phụ thuộc vào chỉ số momen tải Tải càng nhỏ thì dải điều chỉnhD=wwMax

Min càng nhỏ Phương pháp này có thể điều chỉnh trong dải D = 3:1.Giá thành đầu tư ban đầu rẻ nhưng không kinh tế do tổn hao trên điện trở phụlớn

Chất lượng không cao dù điều khiển rất đơn giản

4.3 Điều khiển điện áp phần ứng

4.3.1 Nguyên lý điều khiển

Điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều cần có thiết bị nguồn (máy phátđiện một chiều kích từ độc lập, các bộ chỉnh lưu điều khiển)

Ta có: Rf = 0; RưΣ = Rư =const ; Φ=Φđm = constThay đổi điện áp đặt vào phần ứng thì:

KФ = Uư−ωIđmRư

Khi thay đổi phần ứng (thay đổi theo chiều giảm điện áp) Vì từ thông của độngcơ được giữ không đổi nên độ cứng đặc tính cơ cũng không đổi, còn tốc độ không tải lítưởng ω0=Uư

KФ thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện áp phần ứng

∆ωc = KФRư Ic= Rư

ω = UưKФ - Rư

(KФ)2.M = KФU - Rư

KФ.Iư (4.7)

Do đó ta thu được họ đặc tính mới song song và thấp hơn đặc tính cơ tự nhiên tứclà vùng điều khiển tốc độ nằm dưới dưới tốc độ định mức

Tốc độ không tải lý tưởng:

4.3.2 Đặc điểm của phương pháp

Điện áp phần ứng càng giảm, tốc độ động cơ càng thấp.Điều chỉnh trơn trong toàn bộ dải điều chỉnh

Hình 4.21 Đường đặc tính cơ điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

bằng phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng

Độ cứng đặc tính cơ cao và được giữ không đổi trong toàn dải điều chỉnh.Chỉ thay đổi tốc độ về phía giảm.

Rất dễ tự động hóa khi dùng chỉnh lưu có điều khiển.Phương pháp này điều khiển với momen không đổi vì Φ và Iư đều không đổi

4.3.3 Đánh giá các chi tiết điều khiển

Sai số tốc độ lớn (sai số tốc độ bằng sai số tốc độ của đặc tính cơ tự nhiên).Tính liên tục: Điện áp của động cơ điều khiển bằng bộ biến đổi các bộ biến đổihiện nay đều có công suất bé nên có thể điều chỉnh liên tục

Dải điều chỉnh có thể đạt được D = 10:1.Đây là phương pháp duy nhất có thể điều chỉnh liên tục tốc độ động cơ trongvùng tốc độ thấp hơn tốc độ định mức đối với động cơ một chiều

4.4 Điều chỉnh từ thông

4.4.1 Nguyên lý điều khiển

Ta có: Rf = 0; RưΣ = Rư =const ; Uư = Uđ m = constTa thay đổi dòng kích từ Ikt để thay đổi từ thông

Bình thường động cơ làm việc ở chế độ định mực với kích thích tối đa (Φ = Φmax)mà phương pháp này chỉ cho phép tăng điện trở vào mạch kích từ nên chỉ có thể điềuchỉnh theo hướng giảm từ thông Φ tức là điều chỉnh tốc độ trong vùng trên tốc độ địnhmức.

Khi giảm Φ thì:Tốc độ không tải lý tưởng tăng:

4.4.2 Đặc điểm của phương pháp

Phương pháp này có thể thay đổi tốc độ về phía tăng.Phương pháp này chỉ điều chỉnh ở cùng tải không quá lớn so với định mức.Việc thay đổi từ thông không làm thay đổi dòng điện ngắn mạch

Hình 4.22 Đặc tính cơ và đặc tính cơ điện của động cơ điện một chiều kích từ độc

lập giảm từ thông