Đồ án Trang Bị Điện - Trang bị điện - điện tử cho cơ cấu nâng hạ cầu trục sử dụng động cơ điện một chiều

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC Khái quát chung Khái niệm Đặc điểm cấu tạo của cầu trục Phân loại Cấu tạo Đặc điểm công nghệ Yêu cầu truyền động Đặc tính phụ tải Chế độ làm việc của động cơ truyền động Yêu cầu làm việc Chương 2: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG Tính toán phụ tải chính Lựa chọn các thông số Phụ tải tĩnh khi nâng không tải Phụ tải tĩnh khi hạ tải Chọn sơ bộ công suất động cơ Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh Kiểm nghiệm động cơ Chương 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều Khái quát về động cơ điện một chiều Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm Ảnh hưởng của các tham số tới đặc tính cơ. Lựa chọn phương án truyền động Phương án 1: Hệ thống truyền động máy phát-động cơ(F-Đ) Hệ thống máy phát động cơ F - Đ với các phản hồi có sử dụng máy điện khuyếch đại từ trường ngang (MKĐ) Đánh giá hệ thống F- Đ Phương án 2: Hệ truyền động Thyristor – Động cơ (T-Đ) Sơ đồ hệ thống Đánh giá về hệ thống Lựa chọn phương án truyền động Chương 4: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Tính chọn thiết bị mạch lực Lựa chọn sơ đồ nối dây mạch lực Lựa chọn phương án đảo chiều Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động Tính chọn các thiết bị mạch động lực Tính chọn các thiết bị mạch điều khiển Khái quát chung Thiết kế mạch cụ thể Khâu tạo xung Mạch tạo điện áp chủ đạo Mạch lấy tín hiệu phản hồi dòng điện có ngắt Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ Thiết kế mạch nguồn nuôi một chiều Chương 5: ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG Tính toán các thông số cơ bản Các tham số cơ bản Hệ số khuếch đại của động cơ Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi kb Hệ số khuếch đại trung gian Hệ số khuếch đại yêu cầu (kyc) của toàn hệ thống KẾT LUẬN   LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày. Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người Kĩ Sư Điện tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên ngành một cách sâu rộng. Trong quá trình học em được nhận đề tài: Trang bị điện cho cơ cấu nâng hạ cầu trục dùng động cơ 1 chiều Do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên bản đồ án không khỏi có những sai sót. Em mong nhận được sự góp xây dựng của các thầy, cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo cũng như sự góp ý xây dựng của các bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh Viên Thực Hiện Vũ Sinh Cơ   Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC 1.1 Khái quát chung 1.1.1 Khái niệm - Cầu trục là tên gọi chung của các máy trục chuyển động trên hai đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật phẩm trong khoảng không ( khẩu độ ) giữa hai đường ray đó. - Cầu trục là loại máy có kiểu cẩu có kết cấu giống chiếc cầu có bánh xe lăn trên đường ray chuyên dùng rất thuận tiện nên được sử dụng nhiều trong các ngành kinh tế và quốc phòng để nâng chuyển vật nặng trong phân xưởng, nhà kho và cũng dùng để xếp đỡ hàng. - Các cơ cấu của đảm bảo 3 chuyển động: +Nâng hạ vật. +Di chuyển xe con. +Di chuyển xe cầu. 1.1.2 Đặc điểm cấu tạo của cầu trục Dầm cầu được gọi là dầm chính, thường có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể có một hoặc hai dầm. Trên dầm có xe con và cơ cấu di chuyển qua lại dọc theo dầm chính. Hai đầu dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm đầu. Trên mỗi dầm đầu có hai cụm bánh xe: cụm bánh xe chủ động và cụm bánh xe bị động. Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn động điện. Dẫn động bằng tay chủ yếu dùng trong các phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xuyên, không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao. Cầu trục thường được chế tạo với các thông số: - Tải trọng nâng: Q = 1 ÷ 500 tấn - Chiều cao nâng: Hmax = 16 m - Vận tốc nâng: Vn = 2 ÷ 40 m/phút - Vận tốc di chuyển xe con: Vxmax = 60 m/phút - Vận tốc di chuyển cầu trục: Vcmax = 60 m/phút Cầu trục có Q > 10 tấn thường được trang bị hai hoặc ba cơ cấu nâng, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ, được lắp trên xe con. 1.1.3 Phân loại + Theo hình dạng bộ phận nâng hạ và mục đích sử dụng: Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn. Cầu trục dùng gầu ngoạm. Cầu trục dùng nam châm điện. + Theo tải trọng: Loại nhẹ: dưới 10 tấn. Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn Loại nặng: trên 15 tấn. + Theo chế độ làm việc: Loại nhẹ: TĐ%= 10÷15%, số lần đóng cắt trong một giờ là 60. Loại trung bình: TĐ%= 15÷25% , số lần đóng cắt trong một giờ là 120. Loại nặng: TĐ%= 40÷60%, số lần đóng cắt trong một giờ là trên 240. + Theo chức năng: Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, yêu cầu độ chính xác không cao. Cầu trục lắp ráp: sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, yêu cầu độ chính xác cao. 1.1.4 Cấu tạo Cấu tạo cầu trục gồm 3 bộ phận chính: Hình 1.1. Cấu tạo cầu trục. + Xe cầu Là một khung sắt hình chữ nhật,được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm một dầm chính chế tạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách của bánh xe con, bao quanh là một dàn khung. Hai dầm cầu được liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành một khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung để cầu trục có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ dàng. + Xe con Là bộ phận chuyển động trên đường ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe con. Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơ cấu nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Xe con di chuyển trên xe cầu và xe cầu di chuyển dọc theo phân xưởng hoặc nhà máy sẽ đáp ứng việc vận chuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xưởng. + Cơ cấu nâng - hạ Có hai loại chính: - Loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay. Palăng điện hay palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật. Các loại palăng này được chế tạo theo tải trọng và tốc độ nâng yêu cầu. - Đối với các loại dầm thông thường, các cơ cấu nâng hạ được chế tạo và đặt trên xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính. Trên xe con có từ một đến ba cơ cấu nâng hạ. - Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm dùng trong dùng trong cầu trục có ba loại: phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai. Nguyên lí hoạt động của các loại phanh này cơ bản giống nhau. Cơ cấu phanh hãm gồm có: - Má phanh. - Cuộn dây nam châm phanh. - Đối trọng phanh. Hình 1.2. Cấu tạo cơ cấu hãm ở cầu trục. 1.2 Đặc điểm công nghệ Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề như ngoài hải cảng, các nhà máy, xí nghiệp luyện kim. Làm việc ở chế độ đóng cắt rất cao. Ngoài ra, tùy theo quá trình công nghệ mà ta có một số yêu cầu như: - Cầu trục vận chuyển được sử dụng rộng rãi, yêu cầu về độ chính xác không cao. - Cầu trục lắp ráp thường được sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, dùng để lắp ghép các chi tiết cơ khí nên yêu cầu độ chính xác cao. - Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác. - Từ những đặc điểm trên có thể đưa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống và trang bị điện của cơ cấu: - Các phần tử cấu thành của hệ thống phải đơn giản, dễ thay thế, sửa chữa, độ tin cậy cao. Trong mạch điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, bảo vệ quá tải và ngắn mạch. - Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật định sẵn. - Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ rieng biệt, độc lập. - Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến lùi cho xe cầu, xe con, hạn chế hành trình lên của cơ cấu nâng hạ. - Đảm bảo hạ hang ở tốc độ thấp. - Tự động cắt nguồn khi có người làm việc trên xe cầu. 1.3. Yêu cầu truyền động 1.3.1 Đặc tính phụ tải Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta nhận thấy rằng momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ thay đổi thế nào. Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng, có đặc tính Mc = constant và không phụ thuộc vào chiều quay. Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải gây ra. Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay. Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, tức là nó hướng theo chiều quay của động cơ. Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau: Hình 1.3. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng – hạ. Từ đặc tính của cơ cấu nâng hạ ta có nhận xét: Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì Mđ là momen hãm, Mc là momen gây chuyển động. Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai momen đều gây chuyển động. Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng hay hạ thì động cơ phải được điều khiển để đảm bảo làm việc đúng với trạng thái làm việc của nó, phù hợp với đặc tính tải. phụ tải của cầu trục có thể biến đổi từ 0 tới những giá trị rất lớn. 1.3.2 Chế độ làm việc của động cơ truyền động + Ở góc phần tư thứ nhất: Máy điện làm việc chế độ động cơ ( đường 1) M = Mc + Mđm Với: M - momen do động cơ sinh ra Mc - momen cản do tải trọng gây ra Mđms - momen cản do ma sát gây ra Đối với động cơ nâng hạ làm việc ở chế độ nâng hàng, còn đối với động cơ di chuyển làm việc ở chế độ chạy tiến. + Ở góc phần tư thứ II: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu di chuyển, đường 1 thực hiện hãm tái sinh khi có ngoại lực tác dụng cùng chiều với chuyển động của cơ cấu. Còn đối với cơ cấu nâng hạ thực hiện hãm động năng ( đường 3 ). + Ở góc phần tư thứ III: Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Đối với cơ cấu di chuyển tương ứng với chạy lùi. Còn đối với cơ cấu nâng hạ: Mc < Mm M = Mms - Mc Chế độ này được gọi là chế độ hạ động lực. + Ở góc phần tư thứ IV: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu nâng hạ: Mc > Mms M = Mc – Mms Hàng sẽ được hạ do tải trọng của nó. Còn động cơ đóng điện ở nâng đề hãm tốc độ hạ hàng. Lúc này động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược ( đường 2 ). Khi thực hiện hạ động lực, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh ( máy phát ) với tốc độ hạ lớn hơn tốc độ đồng bộ ( đường 4 ). Hình 1.4. Trạng thái làm việc của động cơ truyền động cầu trục. 1.3.3 Yêu cầu làm việc + Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung có chế độ làm việc là ngắn hạn lặp lại, có tần số đóng cắt lớn. + Vấn đề đảo chiều: Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng, momen động cơ không vượt quá ( 15÷20% )Mđm. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu ngoạm tới 50%Mđm. + Yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ thống truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung và cầu trục nói riêng, yêu cầu về quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm. Bởi vậy, momen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kĩ thuật an toàn. Ở các máy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chiu đựng phụ tải của từng động cơ. Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục thì gia tốc phải nhỏ hơn 0,5m/s2 để không làm đứt cáp. Thời gian khởi động nhỏ nhất là 2s. Sử dụng phanh hãm khi chuẩn bị dừng và khi mất điện phanh hãm phải dừng hệ truyền động ở hiện trạng, tránh rơi tự do. Phải dừng chính xác tại nơi lấy tải và hạ tải hay dừng chính xác ở tốc độ thấp. + Phạm vi điều chỉnh: Trong cơ cấu nâng hạ cầu trục thì phạm vi điều chỉnh không cao. Ở các cầu trục thông thường thì D < 3, ở các cầu trục lắp ráp thì D > 10. Độ chính xác điều chỉnh cũng yêu cầu không cao, khoảng 5%. + Yêu cầu đối với truyền động trong trạng thái bất bình thường, như hãm khẩn cấp, đảo chiều quay tức thời hay hãm đột ngột. Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ để giữ chặt các trục, khi mất điện hay xảy ra sự cố đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị. Để đảm bảo điều này, trong sơ đồ điều khiển phải có các công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu. Khi hãm khẩn cấp hay hãm đột ngột thì phải dừng chính xác. + Yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cơ cấu cầu trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều hay dùng là 380/220V, mạng một chiều hay dùng là 220V, 44V. Điện áp chiếu sang không vượt quá 220V. Đa số làm việc trong môi trường nặng nề, đặc biệt trong các hải cảng, nhà máy, xí nghiệp luyện kim, phân xưởng sửa chữa …. nên các khí cụ trong hệ thống truyền động và trang bị điện cơ cấu yêu cầu phải làm việc tin cậy, đảm bảo an toàn, năng suất trong mọi điều kiện khắc nghiệt, đơn giản trong thao tác. Chương 2: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG 2.1 Tính toán phụ tải chính Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu do tải trọng quyết định. Để xác định phụ tải tĩnh phải dựa vào sơ đồ động học của cơ cấu nâng hạ. Hình 2.1. Sơ đồ động học của cơ cấu nâng – hạ. 2.1.1 Lựa chọn các thông số + Các thông số đã cho: Trọng lượng của tải trọng: 5000N (~5000 kg) Trọng lượng bộ phận mang tải: 100N (~100 kg) Chiều cao nâng tải: h = 10m Tốc độ nâng tải: Vn = 14,5m/ph Chế độ làm việc: Chế độ trung bình + Lựa chọn các thông số: Do hệ thống làm việc ở chế độ trung bình nrrn chọn các thông số cần thiết cho tính toán như sau: Hiệu suất cơ cấu: η=0,8 Tỉ số truyền: i = 10 Dường kính culi: Rt = 0,7m Gia tốc cực đại khi nâng: 0,5(m/s2) Bội số của hệ thống ròng rọc (u): 2 2.1.2 Phụ tải tĩnh khi nâng không tải + Momen trục động cơ khi nâng không tải(Mno): G0..Rt Mno = u.i. η c + Công suất động cơ phát ra khi nâng không tải: G0.vn Pno = 1000. η c + Công suất động cơ cần thiết để nâng vật (Pn): (G0+ Gđm) vn Pn = 1000. η c +Momen trục động cơ khi có tải (Mn) và tỉ số truyển (i): (G +G0)Rt Mn = ( Nm ) u.i. η c Trong đó: G - là trọng lượng của tải trọng. G0 - là trọng lượng của bộ lấy tải Rt - là bán kính tang nâng u - là bội số của hệ thống ròng rọc η c - là hiệu suất của cơ cấu i - là tỉ số truyền 2π.Rt .n i= u.vn 2.1.3. Phụ tải tĩnh khi hạ tải Có hai chế độ hạ tải: - Hạ động lực - Hạ hãm Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ. Khi đó momen do tải trọng gây ra không đủ để thắng ma sát trong cơ cấu. Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn. Khi đó, momen do tải trọng gây ra rất lớn. Máy điện phải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng hạ với tốc độ ổn định ( hạ không có gia tốc). Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là Mt thì: (G0 + G).Rt Mt = (Nm) (*) u.i Khi hạ tải trọng, năng lượng được truyền từ phía tải trọng sang cơ cấu truyền động nên: Mh =Mt +∆M = Mt.ηh Trong đó: Mh : momen trên trục động cơ khi hạ tải. ∆M: tổn thất momen trong cơ cấu truyền động. ηh : hiệu suất cơ cấu khi hạ tải. Nếu Mt > ∆M : hạ hãm Mt < ∆M : hạ động lực Coi tổn thất trong cơ cấu nâng hạ khi nâng tải và hạ tải là như nhau thì: Do đó: 1 2 (G0 +G).Rt 1 Mh =Mt – Mt ( - 1) = Mt.( 1- ) = ( 2- ) [2 – 7] c c u.i c So sánh (*) và (**) ta có: 1 h = 2 - c Đối với những tải trọng tương đối lớn (c > 0,5 ), ta có h >0, Mh > 0. Điều này có nghĩa là momen động cơ ngược chiều với momen phụ tải. Động cơ làm việc ở chế độ hạ hãm. Khi tải trọng tương đối nhỏ ( ηc Mđt nên động cơ Π – 42 đã chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng. + Kiểm nghiệm quá tải về momen: Momen cản lớn nhất: Mc max = Mn = 2188.85 (Nm ) Momen định mức của động cơ Mđc = 708.8*103 (Nm) > Mc max Vậy, động cơ đã chọn thỏa mãn điều kiện quá tải về mommen. + Kiển nghiệm về momen khởi động của động cơ: Mc mở máy = 2Mc max = 2* 2188.85 = 4377.7 ( Nm ) Ta có: Mkd = 2.Mđc = 2* 708.8*103 ≈ 1417.6*103 (N.m) > Mc mở máy. Động cơ Π – 42 đã chọn thỏa mãn yêu cầu.  Chương 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 3.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều: 3.1.1. Khái quát về động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều là động cơ hoạt động với dòng điện một chiều. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu momen mở máy lớn và điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng. Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính: stato và roto. Stato của động cơ thường là nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện. Roto có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn một chiều. Một bộ phận quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu. Nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của roto là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm 1 cổ góp và 1 chổi than tiếp xúc với cổ góp. + Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều: Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp Uk nào đó, trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiện dòng điện kích từ Ik. Dòng kích từ này sẽ sinh ra từ thông Φ chạy trong mạch từ của động cơ. Nếu ta đặt lên mạch phần ứng của động cơ một điện áp U thông qua hệ thống chổi than và cổ góp thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua. Tương tác giữa dòng điện phần ứng I và từ thông kích từ Φ sẽ sinh ra một momen điện từ. Giá trị của momen điện từ được tính như sau:

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC

1.1 Khái quát chung

1.1.1 Khái niệm

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo của cầu trục

1.1.3 Phân loại

1.1.4 Cấu tạo

1.2 Đặc điểm công nghệ

1.3 Yêu cầu truyền động

1.3.1 Đặc tính phụ tải

1.3.2 Chế độ làm việc của động cơ truyền động

1.3.3 Yêu cầu làm việc

Chương 2: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG

2.1 Tính toán phụ tải chính

2.1.1 Lựa chọn các thông số

2.1.2 Phụ tải tĩnh khi nâng không tải

2.1.3 Phụ tải tĩnh khi hạ tải

2.2 Chọn sơ bộ công suất động cơ

2.2.1 Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh

2.2.2 Kiểm nghiệm động cơ

Chương 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

3.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều

3.1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều

3.1.2 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

3.1.3 Ảnh hưởng của các tham số tới đặc tính cơ

3.2 Lựa chọn phương án truyền động

3.2.1 Phương án 1: Hệ thống truyền động máy phát-động cơ(F-Đ)

3.2.2 Hệ thống máy phát động cơ F - Đ với các phản hồi có sử dụng máy điện khuyếch đại từ trường ngang (MKĐ)

3.2.3 Đánh giá hệ thống F- Đ

3.3 Phương án 2: Hệ truyền động Thyristor – Động cơ (T-Đ)

3.3.1 Sơ đồ hệ thống

3.3.2 Đánh giá về hệ thống

3.3.3 Lựa chọn phương án truyền động

Chương 4: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 Tính chọn thiết bị mạch lực

4.1.1 Lựa chọn sơ đồ nối dây mạch lực

4.1.2 Lựa chọn phương án đảo chiều

4.1.3 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động

4.1.4 Tính chọn các thiết bị mạch động lực

4.2 Tính chọn các thiết bị mạch điều khiển

4.2.1 Khái quát chung

4.2.2 Thiết kế mạch cụ thể

4.2.3 Khâu tạo xung

4.2.4 Mạch tạo điện áp chủ đạo

4.2.5 Mạch lấy tín hiệu phản hồi dòng điện có ngắt

4.2.6 Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ

4.2.7 Thiết kế mạch nguồn nuôi một chiều

Chương 5: ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG 5.1 Tính toán các thông số cơ bản

5.1.1 Các tham số cơ bản

5.1.2 Hệ số khuếch đại của động cơ

5.1.3 Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi kb

5.1.4 Hệ số khuếch đại trung gian

5.1.5 Hệ số khuếch đại yêu cầu (kyc) của toàn hệ thống

KẾT LUẬN

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung vàtrong lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày.Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi nhữngngười Kĩ Sư Điện tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên ngành một cách sâurộng

Trong quá trình học em được nhận đề tài: Trang bị điện cho cơ cấu nâng hạ cầu trục dùng động cơ 1 chiều

Do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên bản đồ

án không khỏi có những sai sót Em mong nhận được sự góp xây dựng của các thầy, cô giáocũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn Trong quá trình làm đồ án em đã nhậnđược sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo cũng như sự góp ý xâydựng của các bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn !

Sinh Viên Thực Hiện

Vũ Sinh Cơ

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC

1.1 Khái quát chung

1.1.1 Khái niệm

- Cầu trục là tên gọi chung của các máy trục chuyển động trên hai đường ray cố định trên kếtcấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật phẩm trong khoảng không ( khẩu độ ) giữahai đường ray đó

- Cầu trục là loại máy có kiểu cẩu có kết cấu giống chiếc cầu có bánh xe lăn trên đường raychuyên dùng rất thuận tiện nên được sử dụng nhiều trong các ngành kinh tế và quốc phòng đểnâng chuyển vật nặng trong phân xưởng, nhà kho và cũng dùng để xếp đỡ hàng

- Các cơ cấu của đảm bảo 3 chuyển động:

+Nâng hạ vật

+Di chuyển xe con

+Di chuyển xe cầu

1.1.2 Đặc điểm cấu tạo của cầu trục

Dầm cầu được gọi là dầm chính, thường có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể có một hoặc hai dầm.Trên dầm có xe con và cơ cấu di chuyển qua lại dọc theo dầm chính Hai đầu dầm chính liênkết hàn hoặc đinh tán với hai dầm đầu Trên mỗi dầm đầu có hai cụm bánh xe: cụm bánh xechủ động và cụm bánh xe bị động

Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn động điện Dẫn động bằng tay chủ yếu dùngtrong các phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xuyên, không đòi hỏinăng suất và tốc độ cao

Cầu trục thường được chế tạo với các thông số:

- Tải trọng nâng: Q = 1 ÷ 500 tấn

- Chiều cao nâng: Hmax = 16 m

- Vận tốc nâng: Vn = 2 ÷ 40 m/phút

- Vận tốc di chuyển xe con: Vxmax = 60 m/phút

- Vận tốc di chuyển cầu trục: Vcmax = 60 m/phút

Cầu trục có Q > 10 tấn thường được trang bị hai hoặc ba cơ cấu nâng, gồm một cơ cấu nângchính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ, được lắp trên xe con

1.1.3 Phân loại

+ Theo hình dạng bộ phận nâng hạ và mục đích sử dụng:

- Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn

- Cầu trục dùng gầu ngoạm

- Cầu trục dùng nam châm điện

- Loại nhẹ: TĐ%= 10÷15%, số lần đóng cắt trong một giờ là 60

- Loại trung bình: TĐ%= 15÷25% , số lần đóng cắt trong một giờ là 120

- Loại nặng: TĐ%= 40÷60%, số lần đóng cắt trong một giờ là trên 240

+ Theo chức năng:

- Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, yêu cầu độ chính xác không cao

- Cầu trục lắp ráp: sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, yêu cầu độ chính xáccao

1.1.4 Cấu tạo

Cấu tạo cầu trục gồm 3 bộ phận chính:

Hình 1.1 Cấu tạo cầu trục.

+ Xe cầu

Là một khung sắt hình chữ nhật,được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm một dầm chính chếtạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách của bánh xe con, baoquanh là một dàn khung Hai dầm cầu được liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành một

khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên cácdầm ngang của khung để cầu trục có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ dàng.

+ Xe con

Là bộ phận chuyển động trên đường ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ và cơ cấu

di chuyển cho xe con Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơcấu nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ Xe con di chuyểntrên xe cầu và xe cầu di chuyển dọc theo phân xưởng hoặc nhà máy sẽ đáp ứng việc vậnchuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xưởng

+ Cơ cấu nâng - hạ

Có hai loại chính:

- Loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay Palăng điện hay palăngtay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật Các loại palăng nàyđược chế tạo theo tải trọng và tốc độ nâng yêu cầu

- Đối với các loại dầm thông thường, các cơ cấu nâng hạ được chế tạo và đặt trên xe con

để có thể di chuyển dọc theo dầm chính Trên xe con có từ một đến ba cơ cấu nâng hạ

- Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm dùng trong dùng trong cầu trục có ba loại: phanhguốc, phanh đĩa và phanh đai Nguyên lí hoạt động của các loại phanh này cơ bản giốngnhau Cơ cấu phanh hãm gồm có:

1.2 Đặc điểm công nghệ

Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề như ngoài hải cảng, các nhà máy, xí nghiệpluyện kim

Làm việc ở chế độ đóng cắt rất cao

Ngoài ra, tùy theo quá trình công nghệ mà ta có một số yêu cầu như:

- Cầu trục vận chuyển được sử dụng rộng rãi, yêu cầu về độ chính xác không cao

- Cầu trục lắp ráp thường được sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, dùng để lắp ghép các chitiết cơ khí nên yêu cầu độ chính xác cao

- Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao năng suất, antoàn trong vận hành và khai thác

- Từ những đặc điểm trên có thể đưa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống và trang bịđiện của cơ cấu:

- Các phần tử cấu thành của hệ thống phải đơn giản, dễ thay thế, sửa chữa, độ tin cậy cao.Trong mạch điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, bảo vệ quá tải và ngắn mạch

- Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật định sẵn

- Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ rieng biệt, độc lập

- Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến lùi cho xe cầu, xe con, hạn chế hành trình lêncủa cơ cấu nâng hạ

- Đảm bảo hạ hang ở tốc độ thấp

- Tự động cắt nguồn khi có người làm việc trên xe cầu

1.3 Yêu cầu truyền động

1.3.1 Đặc tính phụ tải

Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta nhận thấy rằng momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về

độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ thay đổi thế nào Nói cách khác, momen cảncủa cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng, có đặc tính Mc = constant và không phụthuộc vào chiều quay Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lựccủa tải gây ra Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngượcchiều quay Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, tức là nó hướngtheo chiều quay của động cơ

Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau:

Hình 1.3 Đặc tính cơ của cơ cấu nâng – hạ.

Từ đặc tính của cơ cấu nâng hạ ta có nhận xét:

- Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì Mđ là momen hãm, Mc là momen gâychuyển động

- Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai momen đều gây chuyển động

Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng hay hạ thì động cơ phải được điều khiển để đảm bảo làmviệc đúng với trạng thái làm việc của nó, phù hợp với đặc tính tải phụ tải của cầu trục có thểbiến đổi từ 0 tới những giá trị rất lớn

1.3.2 Chế độ làm việc của động cơ truyền động

+ Ở góc phần tư thứ nhất:

Máy điện làm việc chế độ động cơ ( đường 1)

Với: M - momen do động cơ sinh ra

Mc - momen cản do tải trọng gây ra

+ Ở góc phần tư thứ IV:

Máy điện làm việc ở chế độ máy phát Đối với cơ cấu nâng hạ:

Mc > Mms

M = Mc – MmsHàng sẽ được hạ do tải trọng của nó Còn động cơ đóng điện ở nâng đề hãm tốc độ hạhàng Lúc này động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược ( đường 2 )

Khi thực hiện hạ động lực, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh ( máy phát ) với tốc

độ hạ lớn hơn tốc độ đồng bộ ( đường 4 )

Hình 1.4 Trạng thái làm việc của động cơ truyền động cầu trục.

1.3.3 Yêu cầu làm việc

+ Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung có chế độ làm việc là

ngắn hạn lặp lại, có tần số đóng cắt lớn

+ Vấn đề đảo chiều: Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen thay đổi

theo tải trọng rất rõ rệt Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng, momen động cơkhông vượt quá ( 15÷20% )Mđm Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu ngoạm tới 50%Mđm

+ Yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ thống truyền động của cơ cấu nâng hạ nói

chung và cầu trục nói riêng, yêu cầu về quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm Bởi vậy,momen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kĩ thuật an toàn Ở cácmáy nâng tải trọng, gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chiu đựng phụ tảicủa từng động cơ Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục thì gia tốc phải nhỏ hơn 0,5m/s2 để khônglàm đứt cáp Thời gian khởi động nhỏ nhất là 2s Sử dụng phanh hãm khi chuẩn bị dừng và khi

mất điện phanh hãm phải dừng hệ truyền động ở hiện trạng, tránh rơi tự do Phải dừng chínhxác tại nơi lấy tải và hạ tải hay dừng chính xác ở tốc độ thấp

+ Phạm vi điều chỉnh: Trong cơ cấu nâng hạ cầu trục thì phạm vi điều chỉnh không cao Ở các

cầu trục thông thường thì D < 3, ở các cầu trục lắp ráp thì D > 10 Độ chính xác điều chỉnhcũng yêu cầu không cao, khoảng 5%

+ Yêu cầu đối với truyền động trong trạng thái bất bình thường, như hãm khẩn cấp, đảo chiềuquay tức thời hay hãm đột ngột

Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ để giữ chặt các trục, khi mất điện hayxảy ra sự cố đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị Để đảm bảo điều này, trong sơ

đồ điều khiển phải có các công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu Khi hãmkhẩn cấp hay hãm đột ngột thì phải dừng chính xác

+ Yêu cầu về nguồn và trang bị điện: Điện áp cung cấp cho cơ cấu cầu trục không vượt quá

500V Mạng điện xoay chiều hay dùng là 380/220V, mạng một chiều hay dùng là 220V, 44V.Điện áp chiếu sang không vượt quá 220V Đa số làm việc trong môi trường nặng nề, đặc biệttrong các hải cảng, nhà máy, xí nghiệp luyện kim, phân xưởng sửa chữa … nên các khí cụtrong hệ thống truyền động và trang bị điện cơ cấu yêu cầu phải làm việc tin cậy, đảm bảo antoàn, năng suất trong mọi điều kiện khắc nghiệt, đơn giản trong thao tác

Chương 2: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO

TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG

Trọng lượng của tải trọng: 5000N (~5000 kg)

Trọng lượng bộ phận mang tải: 100N (~100 kg)

Chiều cao nâng tải: h = 10m

2.1.2 Phụ tải tĩnh khi nâng không tải

+ Momen trục động cơ khi nâng không tải(Mno):

G - là trọng lượng của tải trọng

G0 - là trọng lượng của bộ lấy tải

Hạ động lực thực hiện khi tải trọng nhỏ Khi đó momen do tải trọng gây ra không đủ để thắng

ma sát trong cơ cấu Máy điện làm việc ở chế độ động cơ

Hạ hãm thực hiện khi hạ tải trọng lớn Khi đó, momen do tải trọng gây ra rất lớn Máy điệnphải làm việc ở chế độ hãm để giữ cho tải trọng hạ với tốc độ ổn định ( hạ không có gia tốc)

Gọi momen trên trục động cơ do tải trọng gây ra không có tổn thất là Mt thì:

Mh : momen trên trục động cơ khi hạ tải

∆M: tổn thất momen trong cơ cấu truyền động

ηh : hiệu suất cơ cấu khi hạ tải

Momen hạ không tải: M ho=G 0 R t

2.2 Chọn sơ bộ công suất động cơ

2.2.1 Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh

+ Khi nâng tải: vn = 14,5m/ph = 0,241m/s

Hình 2.2 Quan hệ phụ thuộc ηc theo tải trọng

Dựa vào đường đặc tính quan hệ giữa hệ số mang tải và hiệu suất (hình 2.2), ta có:

ηc = 0,31+ Khi nâng không tải:

G0 Rt 100.0,7.9,81

tn = = = 41,3(s) v n 0,242 0,242

- Thời gian nâng không tải:

h 10

tn = = = 41,3(s) v no 0,242 0,242

Vậy thời gian làm việc:

Động cơ được chọn phải có Mđ > Mtb.

Vậy ta chọn động cơ điện một chiều loại Π-42, chế độ 60ph và TĐ 100%, có các thông số như sau:

-Từ thông hữu ích của một cực Φ (mWb ) : 60,2

2.2.2 Kiểm nghiệm động cơ

+ Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng:

Phương pháp kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng gián tiếp là mômen được suy ra từ phương pháp dùng điện đẳng trị, khi mômen tỉ lệ với dòng điện:Momen đẳng trị:

100

=

2 1

 M t T

i i n

ck

9.55 9.55

Do Mđc > Mđt nên động cơ Π – 42 đã chọn thỏa mãn điều kiện phát nóng

+ Kiểm nghiệm quá tải về momen:

Momen cản lớn nhất: Mc max = Mn = 2188.85 (Nm )

Momen định mức của động cơ Mđc = 708.8*103 (Nm) > Mc max

Vậy, động cơ đã chọn thỏa mãn điều kiện quá tải về mommen

+ Kiển nghiệm về momen khởi động của động cơ:

Mc mở máy = 2Mc max = 2* 2188.85 = 4377.7 ( Nm )

Ta có: Mkd = 2.Mđc = 2* 708.8*103 ≈ 1417.6*103 (N.m) > Mc mở máy

 Động cơ Π – 42 đã chọn thỏa mãn yêu cầu

Chương 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

TRUYỀN ĐỘNG

3.1 Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều:

3.1.1 Khái quát về động cơ điện một chiều

Động cơ điện một chiều là động cơ hoạt động với dòng điện một chiều Trong côngnghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu momen mở máy lớn vàđiều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng

Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm 2 phần chính: stato và roto Stato của động cơthường là nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện Roto có các cuộn dây quấn và được nốivới nguồn một chiều Một bộ phận quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnhlưu Nó có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của roto là liên tục.Thông thường bộ phận này gồm 1 cổ góp và 1 chổi than tiếp xúc với cổ góp

+ Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều:

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp Uk nào đó, trong dây quấn kích từ sẽ xuất hiệndòng điện kích từ Ik Dòng kích từ này sẽ sinh ra từ thông Φ chạy trong mạch từ của động cơ.Nếu ta đặt lên mạch phần ứng của động cơ một điện áp U thông qua hệ thống chổi than và cổgóp thì trong dây quấn phần ứng sẽ có dòng điện I chạy qua Tương tác giữa dòng điện phầnứng I và từ thông kích từ Φ sẽ sinh ra một momen điện từ Giá trị của momen điện từ đượctính như sau:

M¿ pN

Với K là hệ số kết cấu của động cơ

Momen điện từ này kéo phần ứng của động cơ quay quanh trục

Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khácnhau trên cổ góp Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của roto

+ Đắc tính cơ của động cơ điện một chiều:

Hình 3.1 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều kích từ độc lập

+ Từ sơ đồ thay thế của động cơ ( Hình 3.1 ), ta có phương trình cân bằng điện áp:

rư - điện trở cuộn dây phần ứngrcf - điện trở cuộn cực từ phụ

ri - điện trở cuộn bùrcl - điện trở tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp+ Sức điện động Eư của động cơ được xác định theo biểu thức:

N – số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a – số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

9,55

= pN n 60a

Ke =

p N

+ Từ các biểu thức trên, ta vẽ được dạng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều:

Hình 3.2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều.

3.1.2 Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm

3.1.2.1 Hãm tái sinh:

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay động cơ lớn hơn tốc độ không tải lí tưởng Khi hãm táisinh, Uư < Eư , động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới Dòng hãm vàmomen hãm đã đổi chiều và có giá trị:

Ih = U u  E u < 0

R

Mh = K.Φ.Ih < 0Trị số hãm lớn dần cho đến khi cân bằng với momen phụ tải của cơ cấu sản xuất thì hệthống làm việc ổn định với ođ > 0 Đường đặc tính cơ ở chế độ hãm tái sinh nằm trong góc phần

tư thứ II và thứ IV của mặt phẳng tọa độ

Trong thực tế, với cơ cấu nâng hạ cầu trục, khi nâng tải, động cơ được đấu theo cực tínhthuận và làm việc trong góc phần tư thứ I Khi hạ tải trọng, ta phải đảo chiều điện áp đặt vàophần ứng động cơ Lúc này, nếu momen do tải trọng gây ra lớn hơn momen ma sát trong các

cơ cấu của hệ thống, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh

Có 2 trường hợp hãm ngược:

- Đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng

Giả sử động cơ đang làm việc nâng tải với tốc độ xác lập ứng với điểm a Ta đưa một điệntrở đủ lớn vào mạch phần ứng, động cơ sẽ chuyển sang làm việc tại điểm b trên đặc tính biếntrở.

Tại điểm b, momen do động cơ sinh ra nhỏ hơn momen cản nên động cơ giảm tốc nhưngtải vẫn theo chiều nâng lên Đến điểm c, tốc độ bằng không nhưng vì momen động cơ nhỏhơn momen tải nên dưới tác dụng của tải trọng, động cơ quay theo chiều ngược lại tải trọngđược hạ xuống với tốc độ tăng dần Đến điểm d, momen động cơ bằng với momen cản nên hệ

ổn định với tốc đôh hạ không đổi Sức điện động lúc này đổi dấu

Như vậy, trong trạng thái hãm ngược, sức điện động cùng chiều với điện áp lưới Động cơlàm việc như một máy phát điện nối tiếp với lưới, biến điện năng nhận được từ lưới và cơnăng trên trục thành nhiệt năng đốt nóng điện trở, vì vậy tổn thất năng lượng lớn

- Đảo chiều điện áp phần ứng:

Giả sử động cơ đang làm việc tại điểm a trên đặc tính cơ tự nhiên, ta đảo chiều điện

áp phần ứng và đưa vào một điện trở phụ đủ lớn Động cơ chuyển sang làm việc tại điểm btrên đặc tính cơ biến trở Tại b momen đã đổi chiều, chống lại chiều quay của động cơ nên tốc

độ động cơ giảm theo đoạn bc Tại c, tốc độ bằng 0 Nếu ta cắt điện áp đặt vào phần ứng động

cơ, động cơ sẽ dừng lại, còn nếu vẫn giữ nguyên điện áp đặt vào động cơ, động cơ sẽ quaytheo chiều ngược lại và làm việc ổn định tại điểm d Đoạn bc chính là đặc tính hãm ngược

Hình 3.4 Đặc tính cơ khi hãm ngược

a) Khi đưa Rf vào mạch phần ứng, b)Đảo cực tính điện áp phần ứng

3.1.2.3 Hãm động năng:

Là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà năng lượng cơ học của động cơ tích lũytrong quá trình làm việc trước đó biến nhiệt năng tiêu tán dưới dạng nhiệt trong quá trìnhhãm

 Hãm động năng kích từ độc lập:

Khi động cơ đang quay, muốn thực hiện hãm động năng kích từ độc lập, ta cắt phần ứngđộng cơ khỏi lưới điện một chiều và đóng vào một điện trở hãm, còn mạch kích từ vẫn đượcnối như cũ

Khi hãm động năng kích từ độc lập, năng lượng chủ yếu được tạo ra do động năng

của động cơ tích lũy đc nên công suất tiêu tốn chỉ ở trên mạch kích từ.

Đặc tính cơ của trạng thái hãm động năng kích từ độc lập:

Hãm động năng kích từ tự kích xảy ra khi động cơ đang quay, ta cắt cả phần ứng

lẫn cuộn kích từ khỏi lưới điện để đóng vào một điện trở hãm

Trong quá trình hãm, tốc độ giảm dần, dòng kích từ giảm dần, do đó dòng kích từ cũng giảmdần và là hàm số của tốc độ, vì vậy đặc tính cơ có dạng phi tuyến

Hình 3.6 Đặc tính cơ hãm động năng kích từ tự kích

3.1.3 Ảnh hưởng của các tham số tới đặc tính cơ.

U u

 Ảnh hưởng của điện trở phần ứng:

Giả thiết Uư = Uđm , Φ = Φđm

Muốn thay đổi điện trở mạch phần ứng, ta nối thêm điện trở phụ Rf vào mạch phần ứng Trong trường hợp này, tốc độ không tải lí tưởng:

Khi tăng điện trở, độ cứng đặc tính cơ suy giảm., nghĩa là đặc tính cơ càng dốc

Ứng với β = 0, ta có đặc tính cơ tự nhiên.

Hình 3.7 Các đặc tính cơ của động cơ khi thay đổi điện

trở phụ mạch phần ứng

 Ảnh hưởng của điện áp phần ứng:

Giả thiết Φ = Φđm , điện trở phụ Rf = 0, khi thay đổi điện áp theo hướng giảm so

với Uđm , ta có:

ω 0 =

KΦđmKhi Uư giảm, ω giảm theo

Như vậy, khi thay đổi điện áp phần ứng, ta được một họ đặc tính cơ song song với đặc tính cơ

tự nhiên

Hình 3.8 Các đặc tính cơ của động cơ khi giảm điện áp đặt vào phần ứng.

 Ảnh hưởng của từ thông:

Giả thiết điện áp phần ứng Uư = Uđm , điện trở phụ Rf = 0 Muốn thay đổi từ thông, tat hay đổidòng kích từ Ikt động cơ trong đoạn tuyến tính của đặc tính từ hóa Trong trường hợp này, tốc

Từ biểu thức trên, ta nhận thấy, khi giảm từ thông, đặc tính cơ mềm hơn

Hình 3.9 Các đặc tính cơ của động cơ khi giảm từ thông.

Ứng với những ảnh hưởng trên, người ta đưa ra 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:

- Mắc thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng.

- Điều chỉnh điện áp phần ứng

- Điều chỉnh từ thông

3.2 Lựa chọn phương án truyền động

3.2.1 Phương án 1: Hệ thống truyền động máy phát-động cơ(F-Đ)

Hệ thống máy phát - động cơ (F - Đ) là hệ truyền động điện mà BBĐ điện là máy phát điệnmột chiều kích từ độc lập Máy phát này thường do động cơ sơ cấp không đồng bộ 3 pha kéoquay và coi tốc độ quay của máy phát là không đổi

Hình 3.10: Sơ đồ hệ thống F - Đ đơn giản

Tron đó:

- Đ : Là động cơ điện một chiều kéo cơ cấu sản xuất, cần phải điều chỉnh tốc độ

- F : Là máy phát điện một chiều, đóng vai trò là BBĐ, cấp điện cho động cơ Đ

- ĐK : Động cơ KĐB 3 pha kéo máy phát F, K có thể thay thế bằng một nguồn năng lượng khác

- K : Máy phát tự kích, để cấp nguồn điện cho các cuộn kích từ CKF và CKĐ

o Đối với hệ thống F - Đ ta có thể điều chỉnh tốc độ theo hai hướng như sau:

+ Để cho n Đ < n cb: Điều chỉnh biến trở RKF của máy phát tăng để giảm dòng điện quacuộn kích từ CKF thay đổi, do đó từ thông kích từ ΦF của máy phát thay đổi (giảm), làmcho UF giảm, tốc độ động cơ giảm xuống đạt nĐ < ncb

Như vậy, bằng cách điều chỉnh biến trở RKF, ta điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ Đtrong khi giữ từ thông không đổi: ΦĐ = Φ đm

+ Đảo chiều: Cặp tiếp điểm T đóng hoặc N đóng, dòng điện kích từ máy phát ICKF đảochiều, do đó đảo chiều từ thông ΦF, do đó UF đảo dấu, dẫn đến động cơ Đ đảo chiều

o Khi thực hiện hãm thì động cơ Đ sẽ qua 2 giai đoạn hãm tái sinh:

+ Tăng ΦĐ về định mức

+ Giảm điện áp phần ứng động cơ về 0.

3.2.2 Hệ thống máy phát động cơ F - Đ với các phản hồi có sử dụng máy điện

khuyếch đại từ trường ngang (MKĐ)

+ Nhược điểm của hệ F - Đ đơn giản trên là:

- Đặc tính cơ mềm hơn đặc tính tự nhiên

- Khi phụ tải thay đổi làm tốc độ động cơ thay đổi, không có khả năng ổn định tốc độ.Điều đó không đáp ứng được yêu cầu ổn định tốc độ của hệ Nên phải đưa các khâu phảnhồi để ổn định tốc độ động cơ của hệ thống được duy trì không đổi

Thay vì sử dụng máy phát kích thích K, người ta đưa vào hệ thống máy điện khuyếch đại từtrường ngang (MKĐ) Đó là máy điện một chiều đặc biệt có 2 cặp chổi than, trong đó cómột cặp ngang trục được nổi ngắn mạch Nhờ vậy dòng điện chạy trong dây quấn ngangtrục khá lớn tạo ra từ trường của máy lớn nên hệ số khuếch đại của máy rất lớn Trên máy

có nhiều cuộn kích thích, trong đó có một cuộn chủ đạo (W1) được cung cấp từ nguồn mộtchiều độc lập có thể thay đổi được trị số Các cuộn còn lại được nối với các khâu phản hồi

Từ trường do các cuộn phản hồi cùng chiều hoặc ngược chiều với từ trường chính là dotính chất của phản hồi

3.2.2.1 Hệ thống F - Đ với phản hồi âm tốc độ

Phản hồi được thực hiện qua máy phát tốc Roto của FT được nối đồng trục với rotor động cơ.Điện áp phát ra của FT tỉ lệ bậc nhất với tốc độ của động cơ

Hình 3.11: Hệ thống F - Đ với phản hồi âm tốc độ

Quá trình tự động này được giải thích như sau: Giả sử khi Mc tăng sẽ làm cho nĐ giảm < nyc

Mà khi n giảm nên EFT giảm do đó I2 giảm  F2 giảm nên F = F1 - F2 tăng dẫn đến EKĐMĐ tăngnên UĐ tăng do đó n tăng đạt đến nyc Và khi Mc giảm thì quá trình sẽ tự động xảy ra theo chiềungược lại để tốc độ động cơ đạt nyc

+ Phương trình cân bằng sức từ động:

F = F 1 - F 2

Phản hồi âm tốc độ vừa ổn định được tốc độ của hệ truyền động vừa tự động điều

chỉnh gia tốc của hệ khi khởi động

Có thể tiến hành điều chỉnh ở vùng tốc độ rất thấp do đó mở rộng được phạm vi điều chỉnh.Chất lượng điều chỉnh cũng như ổn định tốc độ rất tốt

3.2.2.2 Hệ thống F- Đ với âm dòng có ngắt

Khi thực hiện các phản hồi trong hệ F - Đ, tốc độ động cơ được duy trì không đổi theo tốc độđặt cho trước Khi xảy ra quá tải, động cơ có thể bị cháy Việc sử dụng các thiết bị bảo vệ cóthể gây phức tạp cho quá trình vận hành Do đó người ta đưa vào hệ thống khâu phản hồi âmdòng có ngắt

+ Phản hồi được thực hiện qua điện trở R và khâu so sánh gồm Uss, Rss và van D.+ Khi Iư bé hơn trị số cho phép thì Uph < Uss do đó van D khóa nên F2 = 0

+ Khi Iư lớn hơn Icp dẫn đế Uph > Uss do đó van D mở nên F2  0  F = F1 - F2 giảmxuống làm giảm s.t.đ của MĐKĐ, dẫn đến kích thích máy phát giảm, động cơ giảmtốc độ nên động cơ được bảo vệ

Hình 3.12: Hệ thống F - Đ với phản hồi âm dòng có ngắt

3.2.3 Đánh giá hệ thống F- Đ

+ Hãm động năng khi kích thích máy phát bằng không

+ Hãm tái sinh khi giảm tốc độ hoặc khi đảo chiều dòng kích từ

+ Hãm ngược ở cuối giai đoạn hãm tái sinh khi đảo chiều hoặc khi làm việc ổn định với tải cótính thế năng (khi hạ tải trọng)

 Như vậy hệ thống F - Đ có đặc tính điền đầy cả 4 góc phần tư của mặt phẳng

toạ độ

+ Ưu điểm nổi bật của hệ thống là khả năng quá tải lớn, sự chuyển đổi trạng thái

làm việc rất linh hoạt

+ Do các phần tử trong hệ thống là tuyến tính nên quá trình quá độ của hệ thống

Hệ thống F - Đ rất thích hợp với các truyền động có phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, phụ tảibiến động trong phạm vi rộng, quá trình quá độ chiếm phần lớn thời gian làm việc của hệthống (thường xuyên khởi động, hãm, đảo chiều )

3.3 Phương án 2: Hệ truyền động Thyristor – Động cơ (T-Đ)

Hệ truyền động T - Đ là hệ truyền động, động cơ điện một chiều kích từ động lập Điều chỉnhtốc độ bằng cách thay đổi điện áp đặt vào phần ứng hoặc phần kích từ động cơ thông qua các

bộ biến đổi (BBĐ) chỉnh lưu dòng thyristor

3.3.1 Sơ đồ hệ thống

3 pha

Hình 2.13: Hệ truyền động T - Đ + Hoạt động của hệ thống:

- Bộ biến đổi (BBĐ) biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha thành nguồn điện 1chiều trực tiếp cấp cho phần ứng động cơ Đ

- Tuỳ thuộc vào yêu cầu công nghệ của máy mà BBĐ có thể là 1 bộ hay nhiều bộ,

sử dụng 1 pha hay 3 pha và có thể dùng chỉnh lưu hình tia hay hình cầu

- Để điều chỉnh tốc độ động cơ, ta đặt tín hiệu điều khiển ĐK lên biến trở R và đưavào bộ phát xung (BFX) rồi đưa tín hiệu đến bộ biến đổi

- Hệ thống sử dụng khâu phản hồi tốc độ, lấy từ máy phát tốc (FT) để nâng caotính ổn định tốc độ của động cơ và cả hệ thống

3.3.2 Đánh giá về hệ thống

3.3.2.1 Ưu điểm :

- Hệ thống sử dụng các phần tử bán dẫn nên có độ tác động nhanh nhạy, hệ số

khuếch đại lớn, khả năng điều chỉnh trơn trong dải điều chỉnh rộng D = (100 1000)

- Hệ thống làm việc khá ổn định, không gây ồn ào, gọn nhẹ nên có thể giảm kích thướchình học của máy

- Vì hệ thống chủ yếu chỉ sử dụng các linh kiện điện tử nên tiêu tốn công suất riêng rấtnhỏ, giá thành hệ thống thấp

3.2.3.2 Nhược điểm :

- Khả năng làm việc ổn định với phụ tải nhỏ khá hạn chế

- Hệ số cos nói chung của hệ thống thấp (0,6  0,65)

- Khi hệ thống truyền động có công suất lớn, dòng điện không sin gây ra tổn hao

phụ trong hệ thống và ảnh hưởng đáng kể đến điện áp của lưới

- Mạch điều khiển phức tạp

3.4 Lựa chọn phương án truyền động

Qua phân tích sơ bộ hai phương án truyền động trên: Hệ thống truyền động F - Đ và T - Đ.Tathấy: Mỗi hệ thống đều có những ưu điểm riêng và nhược điểm riêng Nhưng nhìn chung,điều khiển động cơ bằng bộ biến đổi thyristor là phương pháp linh hoạt nhất hiện nay Nó chophép dùng những tín hiệu công suất nhỏ lấy từ các khí cụ không tiếp điểm để tạo ra được cácđặc tính tĩnh và động của động cơ thoả mãn yêu cầu công nghệ

Dùng thyristor ta có thể thực hiện nhiều trạng thái mà hệ thống F - Đ cũng như các hệ kháckhông thể hoặc khó thực hiện được Nhờ BBĐ thyristor mà các trạng thái cưỡng bức của

BFX

FT Ð

CKÐ

BBÐ

truyền động điện trở nên ổn định hơn Vì thyristor không có quán tính nên trong hệ truyềnđộng chỉ còn hai nơi tích luỹ năng lượng, được đặc trưng bởi hai lượng quán tính: quán tính

cơ của phần ứng động cơ mang bộ phận làm việc của máy và quán tính điện trở của máy phầnứng

Do đó so với hệ F - Đ sử dụng hệ T - Đ có quá trình quá độ hợp lí hơn, nên ta có thể tạo ra đượcnhững thiết bị tổ hợp hiện đại về công nghệ, để gia công các sản phẩm với chất lượng tốt hơn,tốc độ cao hơn, độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng, luôn sẵn sàng khởi động, bảo dưỡng đơn

giản, không gây ồn ào, giá thành hạ hơn do vậy ta : lựa chọn sử dụng hệ T - Đ làm hệ truyền động cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục

Chương 4: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC

VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

4.1 Tính chọn thiết bị mạch lực

4.1.1 Lựa chọn sơ đồ nối dây mạch lực

Để cung cấp nguồn 1 chiều cho phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập, ta phải sửdụng một mạch chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều có sẵn thành nănglượng dòng điện 1 chiều Thực tế có rất nhiều phương án có thể sử dụng được, tuy nhiên để cómột mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cần xét một cách tổng quan về các sơ đồchỉnh lưu Với yêu cầu thay đổi được điện áp đặt vào phần ứng động cơ thì các bộ chỉnh lưuđiốt không thể làm thay đổi điện áp ra nên ta chỉ xét các mạch chỉnh lưu điều khiển

Xét các dạng chỉnh lưu sau:

4.1.1.1 Chỉnh lưu Tiristor một pha:

- Chỉnh lưu một pha thường được chọn khi nguồn cấp là lưới điện một pha hoặc công suấttải không quá lớn so với công suất lưới (làm mất đối xứng điện áp lưới) và tải không có yêucầu quá cao về chất lượng điện áp một chiều

- Chỉnh lưu một pha cho ta điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập mạch điện áp quálớn, thành phần hài bậc cao lớn: điều này không đáp ứng được cho nhiều loại tải

- Đối với dòng tải lớn mà chọn các sơ đồ chỉnh lưu một pha thì sẽ gây ra sự mất đối xứngcủa lưới -> ảnh hưởng tới sự hoạt động của các thiết bị khác

Do nguồn cấp là lưới 3 pha công nghiệp nên việc sử dụng chỉnh lưu một pha có nhiều hạn chế,mặt khác do yêu cầu về chỉnh lưu và giá trị điện áp, dòng điện lớn nên ta không nên dùngchỉnh lưu một pha Yêu cầu cao về chất lượng điện áp một chiều cung cấp cho động cơ mộtchiều kích từ độc lập của máy bào giường đã lựa chọn ở trên đảm bảo tốc cho động cơ cầnthực hiện với mạch chỉnh lưu nhiều pha hơn

4.1.1.2 Chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha

a) Sơ đồ mạch điện

Chỉnh lưu tia ba pha có cấu tạo từ một biến áp ba pha với thứ cấp đấu sao có trung tính, bavan bán dẫn nối cùng cực tính đối với tải, ba đầu katốt của 3 van bán dẫn nối cùng cực tính đểnối tới tải, ba đầu Anốt nối tới các pha biến áp, tải được nối giữa đầu nối chung của van bándẫn với trung tính như hình vẽ

Hình 4.1 Mạch chỉnh lưu hình tia 3 pha

b) Nguyên lý hoạt động

Giả sử trong 1/3 chu kỳ đầu tiên điện áp trên Anot của thiristor T1 dương nhất, khi cấp xungđiều khiển cho T1 thì T1 mở dòng qua T1 qua R,L và chạy về nguồn, trong 1/3 chu kỳ tiếp theoT2 phân cực thuận giải thích tương tự như trên thì dòng sẽ qua T2 qua R,L và chạy về nguồn,tương tự 1/3 chu kỳ cuối dòng qua T3 qua R,L và về nguồn(chú ý: các van trên chỉ hoạt độngkhi được cấp xung điều khiển và phân cực thuận)

Do tải có tải cảm lớn nên dòng điện trên tải là liên tục, tức là van dẫn sẽ vẫn dẫn khi điện áp

âm mà van còn lại chưa mở

Xét: Van T1 đang dẫn, do suất điện động cảm ứng nên T1 vẫn dẫn điện cho đến thời điểm t2 Khi đưa xung vào mở T2 thì sẽ xuất hiện một điện áp ngược đặt vào T1 làm T1 khoá lại và quá trình khoá T1 là quá trính khoá cưỡng bức Từ thời điểm t2  t3 thì T2 dẫn điện, thời điểmt4 là khi chúng ta đưa xung mở T3

+ Giá trị trung bình của điện áp trên tải:

Ud 3 6 U2cos   1,17 U2 cos2

+ Giá trị điện áp ngược trên van: U ng  6.U 2

+ Dòng điện trung bình chảy qua thiristor: Iv = Id/3

+ Số lần đập mạch trong một chu kỳ là 3

c) Đồ thị điện áp và dòng điện

e) Nhược điểm

Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm Điện áp ra có độ đậpmạch lớn  xuất hiện nhiều thành phần điều hoà bậc cao Hiệu suất sử dụng máy biến ápkhông cao

4.1.1.3 Chỉnh lưu cầu 3 pha

a) Sơ đồ mạch điện

Hình 4.3 Mạch chỉnh lưu hình cầu 3 pha

+ Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng gồm có 6 triristor chia thành 2 nhóm :

- Nhóm katốt chung gồm 3 triristor: T1,T3,T5

- Nhóm anốt chung gồm 3 triristor: T2,T4,T6

+ Điện áp các pha thứ cấp MBA có phương trình :

cho xung điều khiển mở T1 Tiristor này mở vì

của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U 2a  U 2c Lúc này T6 và T1 cho dòng

đi qua Điện áp ra trên

cho xung điều khiển mở T2 Tiristor này mở vì T6 dẫn dòng

T 1

T 4

A B C

Các xung điều khiển lệch nhau được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các

Bảng 4.1 Các thời điểm mở khóa của thiristor

+ Điện áp trung bình trên tải:

+ Số lần đập mạch trong 1 chu kỳ là 6

+ Dòng điện chảy qua các van là: IT = Id/ 3

+ Công suất của máy biến áp : Sba=1,05.Pd

c) Đồ thị điện áp và dòng điện:

3 6

   6

