Thiết kế hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ cơ cấu quay chi tiết máy mài tròn

Thiết kế hệ truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ cơ cấu quay chi tiết máy mài tròn

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay trong các lĩnh vực sản xuất của nền kinh tế quốc dân, cơ khí hóa có liên quan chặt chẽ đến điện khí hóa và tự động hóa Hai yếu tố sau cho phép đơn giản kết cấu

cơ khí của máy sản xuất, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng kĩ thuật của quá trình sản xuất và giảm nhẹ cường độ lao động

Việc tăng năng suất máy và giảm giá thành thiết bị điện cảu máy là hai yêu cầu chủ yêu đối với hệ thống truyền động điện và tự động hóa nhưng chúng mâu thuẫn nhau Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp, một bên lại yêu cầu hạn chế số lượng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp Vậy việc lựa chọn một hệ thống truyền động điện và tự động hóa thích hợp cho máy là một bài toán khó

Qua thời gian học tập và tìm hiểu, em thực hiện một đề tài nhỏ: “Thiết kế hệ

truyền động biến tần – động cơ không đồng bộ cơ cấu quay chi tiết máy mài tròn” dưới

sự hướng dẫn tận tình của ThS Nguyễn Thị Liên Anh, bộ môn Tự động hóa Công

nghiệp, Viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Trong một thời gian tương đối ngắn do vậy đồ án này chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, với sự nỗ lực của bản thân, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô để bản đồ án này hoàn thiện hơn!

Hà Nội, ngày 06 tháng 06 năm 2015

Sinh viên thực hiện:

Đinh Hữu Giang

CHƯƠNG I:

YÊU CẦU CÔNG NGHỆ VÀ TRUYỀN ĐỘNG 1.1.TỔNG QUAN VỀ MÁY MÀI

Trong sản xuất cơ khí cũng như trong các lĩnh vực sản xuất khác sản phẩm tạo ra

ở giai đoạn cuối cùng của một quá trình sản xuất, tuy nhiên để tạo ra sản phẩm cuối cùng cần phải tiến hành qua rất nhiều khâu, từ chỗ là nguyên vật liệu cho đến sản phẩm thường được tiến hành liên tục theo một quy trình công nghệ nào đó hình thành một hệ thống gọi

là dây chuyền sản xuất, tùy theo mức độ phức tạp của sản phẩm mà dây chuyền sản xuất cũng có độ phức tạp tương ứng Trong sản xuất cơ khí thì mài thuộc giai đoạn gia công chi tiết để tạo ra một sản phẩm có bề mặt đạt yêu cầu về kỹ thuật Máy mài để gia công tinh với lượng dư bé, bề mặt trước khi mài đã được gia công thô hoặc tinh trên các máy khác ( như máy tiện, phay, bào ) cũng như các loại máy chuyên để mài thô dùng trong phân xưởng chuẩn bị phôi với lượng dư hàng mm ( mài các phôi thép đúc, vỏ hộp gang đúc )

Trên máy mài ta có thể mài được các mặt trụ ngoài, trong, mặt côn, mặt định hình, mài răng, ren, mài sắc Mài đóng vai trò quan trọng trong gia công lần cuối nên được dùng rộng rãi trong các nhà máy và phân xưởng cơ khí

Hiện nay máy mài có hai loại chính : Máy mài tròn và máy mài phẳng Ngoài ra còn có các máy khác nhau : máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài rang v.v… Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn, trên đó kẹp chi tiết và ụ đá mài, trên

đó có trục chính với đá mài Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy Sơ đồ sau cho ta một mô hình tổng quan về máy mài

Máy mài công nghiệp

Máy mài tròn

Máy mài tròn ngoài

Máy mài tròn trong

Các loại khác

Máy mài

vô tâm

Máy mài rãnh

Máy mài cắt

Máy mài răng

Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài được giới thiệu ở hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài

Giải thích ký hiệu:

a) Máy mài tròn ngoài

b) Máy mài tròn trong

c) Máy mài mặt phẳng bằng biên đá

d) Máy mài mặt phẳng bằng mặt đầu (bàn chữ nhật)

e) Máy mài mặt phẳng bằng mặt đầu (bàn tròn)

1 Chi tiết gia công

2 Đá mài

3 Chuyển động chính

4 Chuyển động ăn dao dọc

5 Chuyển động ăn dao ngang

Máy mài tròn có hai loại : máy mài tròn ngoài ( hình 1-1a) và máy mài tròn trong ( hình 1-1b) Trên máy mài tròn chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài ; chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dạo dọc trục) hoặc di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục (ăn dao ngang) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng) Chuyểnđộng phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết v.v…

Máy mài phẳng có hai loại : mài bằng biên đá ( hình 1c) và mặt đầu ( hình 1d) Chi tiết được kẹp trên bàn tròn hoặc chữ nhật Ở máy mài bằng biên đá, đá mài quay tròn và chuyển động tịnh tiến ngang so với chi tiết, bàn máy mang chi tiết chuyển động tịnh tiến qua lại Chuyển động quay của đá là chuyển động chính, chuyển động ăn dao là

1-di chuyển của đá ( ăn dao ngang ) hoặc chuyển động của chi tiết ( ăn dao dọc ) Ở máy

mài bằng mặt đầu đá, bàn có thể là tròn hoặc chữ nhật, chuyển động quay của đá là chuyển động chính, chuyển động ăn dao là di chuyển ngang của đá ( ăn dao ngang ) hoặc chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn mang chi tiết ( ăn dao dọc )

Một tham số quan trọng của chế độ mài là tốc độ cắt (m/s) :

 Ngoài ra ra cũng cần chú ý tới yêu tố ảnh hưởng tới chất lượng mài:

 Chọn đá mài: Để đảm bảo chất lượng sản phẩm và nâng cao năng suất khi chọn đá mài ra cần chú ý tới các điều sau:

 Vật liệu mài

 Chất kết dính đá mài

 Độ cứng đá mài

 Kết cấu đá

Những điều trên quy định trong công nghệ cắt

 Chọn chế độ cắt: Chọn chế độ mài là chọn chế độ quay của đá, tốc độ quay của chi tiết lượng chạy dao ngang và chiều sâu cắt Ví dụ:

 Tốc độ quay đá quá chậm sẽ tăng lực cắt chóng mòn đá Nếu tốc quá cao lực li tâm lớn sẽ gây gẫy trục vỡ đá

 Tốc độ vật mài phụ thuộc vào yêu cầu kĩ thuật độ bóng bề mặt gia công Mài tinh hay mài thô tùy thuộc vào lượng chạy dao có tốc độ mài hợp lý

1.2 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY MÀI

Một đặc điểm quan trọng trong hệ thống máy mài đó là hệ thống thực hiện nhiều truyền động cùng một lúc và có hai loại chuyển động chủ yếu : Chuyển động cơ bản và chuyển động phụ

 Chuyển động cơ bản là sự di chuyển tương đối của dao cắt so với phôi để đảm bảo quá trình cắt gọt Chuyển động này lại chia ra : chuyển động chính và chuyển động ăn dao

- Chuyển động chính ( chuyển động làm việc ) là chuyển động đưa dao cắt ăn vào chi tiết

- Chuyển động ăn dao là chuyển động xê dịch của lưỡi dao hoặc phôi để tạo ra một lớp phoi mới

 Chuyển động phụ là những chuyển động không liên quan trực tiếp đến quá trình cắt gọt, chúng cần thiết khi chuẩn bị gia công, hiệu chỉnh máy, v.v… Ví dụ : di chuyển thanh dao hoặc phôi…

Các chuyển động chính, ăn dao có thể là chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến của dao hoặc phôi

độ cắt là không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi, thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D = 2  4/1 với công suất không đổi

Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50  80 m/s nên đá mài có đường kính lớn thì tốc độ quay đá khoảng 1000 vg/ph Ở những máy có đường kính nhỏ, tốc độ đá rất cao Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt, đá mài gắn trên trục động cơ, động cơ có tốc độ ( 24000  48000 vg/ph), hoặc có thể lên tới ( 150000  200000 vg/ph) Nguồn động cơ là các bộ biến tần có thể là các máy phát tần số cao ( BBT quay), hoặc là các bộ biến tần tĩnh (BBT bằng thyristor)

Mô men cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15  20% momen định mức Momen quán tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn : 500  600% momen quán tính của động

cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay đá Không yêu cầu đảo chiều quay động cơ quay đá

1.2.2 Truyền động ăn dao

a) Máy mài tròn : Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không

đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D =(2 4) /1  Ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ biến đổi – động cơ điện một chiều ( BBD – DM), hệ KDT – DM có D

= 10/1 với điều chỉnh điện áp phần ứng

Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBD – DM với D = (20 25) /1 

Truyền động ăn dao ngang sử dụng thủy lực

b) Máy mài phẳng : Truyền động ăn dao của ụ đá thực hiện lặp lại nhiều chu kì,

sử dụng thủy lực Truyền động ăn dao tịnh tiến qua lại của bàn dùng hệ truyền động một chiều với D = (8 10) / 1 

1.2.3 Truyền động phụ

Truyền động phụ trong máy mài và truyền động di chuyển nhanh đầu mài, bơm dầu của hệ thống bôi trơn, bơm nước làm mát thường dùng hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

1.2.4 Truyền động quay chi tiết máy mài

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ 80–50/1

- Mở máy có tải momen mở máy từ 150 – 200% Mđm

- Momen quán tính có thể lớn gấp 7 – 8 lần momen quán tính trục động cơ

Do những đặc điểm trên đối với máy mài cỡ nặng người ta dùng động cơ điện 1 chiều (F-D hoặc T-D) Còn đối với những máy mài cỡ nhỏ người ta dùng động cơ lồng sóc nhiều cấp tốc độ

CHƯƠNG II:

TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ LỰA CHỌN BIẾN TẦN 2.1.THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Theo những yêu cầu kỹ thuật của đề bài ta phải thiết kế hệ truyền động với động

cơ có các thông số kỹ thuật như sau:

- Động cơ phải có đủ công suất để có thể thực hiện được yêu cầu của truyền động

- Có tốc độ, phạm vi điều chỉnh tốc độ phù hợp yêu cầu với một phương án truyền động tương ứng

- Thỏa mãn các yêu cầu về mở máy và hãm động cơ

Ngoài ra còn một số yêu cầu khác như phù hợp với nguồn điện năng tiêu thụ cũng như thích hợp với điều kiện làm việc, tính gọn nhẹ trong sử dụng v.v

Theo số liệu đầu bài ta có:

- Tốc độ lớn nhất của chi tiết là:

max max max

- Tốc độ lớn nhất của động cơ cho phép (với tỷ số truyền i = 3) là:

max i ct max 3.34,55 103,665(rad s/ )

- Tốc độ nhỏ nhất của động cơ cho phép (với tỷ số truyền i = 3) là:

min i ct min 3.3, 455 10,366(rad s/ )

- Dải điều chỉnh tốc độ :

max max min min

990

10 :199

n D

ct dc

- Công suất động cơ: P dm 2, 2(kW)

- Điện cảm tản của stato: Ls 0,0096H

- Điện cảm tản của rotor:Lr 0,0096H

- Suất điện động pha stato: E S 181,7 V

- Momen quán tính: J 0,011(kg m 2)

2.3 LỰA CHỌN BỘ BIẾN TẦN

Từ các thông số của động cơ 1LA7113-64A đã chọn như trên ta lựa chọn bộ biến tần phù hợp với tiêu chí:

- Cấp đủ công suất cho động cơ

- Chịu được dòng điện stato của động cơ

Ta lựa chọn loại biến tần của Siemens với các thông số sau:

- Tên biến tần: MM 440 với mã hiệu 6SE6440-2UD22-2BA1

- Công suất của biến tần: P2, 2kW

- Dòng điện đầu ra: I r 5,9 A

- Dòng điện đầu vào: I v 7,5 A

CHƯƠNG III:

NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ BIẾN TẦN CỦA HỆ THỐNG

3.1.NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN

3.1.1.Vector không gian các đại lượng ba pha

Xây dựng vector không gian

Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) ba pha có ba ( hay bội số của ba) cuộn dây stator bố trí trong không gian như hình vẽ sau:

Hình 3.1 Bố trí các cuộn dây trong stator của ĐCKĐB ba pha

Hình 3.2 Sơ đồ đấu dây và điện áp stator của ĐCKĐB ba pha

(Ba trục của ba cuộn dây lệch nhau một góc 120 0

trong không gian

Ba điện áp cấp cho ba đầu dây của động cơ từ lưới ba pha hay từ bộ nghịch lưu, biến tần;

ba điện áp này thỏa mãn phương trình:

u t u t u t 

Trong đó:

0 0

Hình 3.3 Vector trên mặt phẳng cơ học

Theo hình vẽ trên, điện áp của từng pha chính là hình chiếu của vector điện áp stator u lên trục của cuộn dây tương ứng Đối với các đại lượng khác của động cơ: dòng s

điện stator, dòng rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể xây dựng các vector không gian tương ứng như đối với điện áp stator ở trên

3.1.2 Chuyển hệ tọa độ vector không gian

a Hệ tọa độ cố định stator ( Hệ tọa độ α-β)

Vector không gian điện áp stator là một vector có modul xác định ( |u s |) quay trên mặt phẳng phức với tốc độ góc s và tạo với trục thực (trùng với cuộn dây pha A) một

góc s.t Đặt tên cho trục thực là  và trục ảo là , vector không gian (điện áp stator)

có thể được mô tả thông qua hai giá trị thực (u s) và ảo (u s ) là hai thành phần của

vector Hệ tọa độ này là hệ tọa độ stator cố định, gọi tắt là hệ tọa độ αβ

Hình 3.4 Hệ tọa độ α-β

Bằng cách chiếu vector không gian điện áp stator us lên hai trục tọa độ (α,β) ta có thể tính được thành phần theo 2 trục tọa độ bằng phương pháp hình học Xét thành phần vector điện áp trong hệ tọa độ (α,β):

Bằng cách tương tụ như đối với vector không gian điện áp stator, các vector không gian dòng điện stator, dòng điện rotor, từ thông stator và từ thông rotor đều có thể được

biểu diễn trong hệ tọa độ stator cố định (Hệ tọa độ α-β) như sau:

b Hệ tọa độ từ thông rotor ( Hệ tọa độ d-q)

Trước hết ta quy ước như sau: f (thay cho field coordinates hoặc tọa độ dq) và s (thay cho stator coorfinates hoặc tọa độ αβ)

Ví dụ:

 iss : vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ αβ

 ifs : vector dòng stator quan sát trên hệ tọa độ dq

a a

d dt



  quay tròn quanh gốc tọa độ chung, với góc a a ta0

Hình vẽ dưới đây mô tả mối liên hệ của hai tọa độ này

Hình 3.5 Hệ tọa độ d-q

Quan hệ giữa 2 hệ tọa độ

Một cách tương tự như đối với vector dòng stator, ta có thể biểu diễn tất cả các vector còn lại trên hệ tọa độ dq

Các cuộn day của động cơ có các điện cảm sau đây:

Lm : hỗ cảm giữa rotor và stator

Lσs : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây stator

Lσr : điện cảm tiêu tán phía cuộn dây rotor (đã quy đổi về stator)

Từ các điện cảm đó ta định nghĩa thêm các tham số sau:

Ls = Lm + Lσs : điện cảm stator

Lr = Lm + Lσr : điện cảm rotor

Ts = Ls/Rs : hằng số thời gian stator

Tr = Lr/Rr : hằng số thời gian rotor

Với các tham só mới được định nghĩa ta có thêm các phương trình của từ thông stator và

từ thông rotor sau đây:

Nguyên lý điều khiển vector tựa từ thông rotor

Phương pháp điều khiển cả biên độ và vị trí pha của vecto dòng điện (điện áp) giúp tạo được hệ thống điều chỉnh từ thông hoàn hảo mà không cần sử dụng cảm biến từ thông động cơ Trong chế độ xác lập vecto từ thông roto quay đồng bộ với từ trường quay stato, nếu ta chọn vecto này trùng với trục d của hệ thống tọa độ quay đồng bộ thì ta

có hình sau:

Hình 3.7 Nguyên lý điều khiển vector tựa từ thông rotor

Trong hình trên, ở chế độ xác lập thì vì tất cả các vecto đều quay đồng bộ với hệ trục tọa độ nên góc γ là hằng số và do đó các thành phần của dòng điện chiếu lên hệ trục cũng là 1 chiều (biến thiên rất chậm) Đây là một lợi thế rất lớn của phương pháp này để

có thể dễ dàng tổng hợp các bộ điều chỉnh kiểu vô hướng theo hình chiếu của vecto dòng điện

Từ các phương trình (3.1a,b),(3.2a,b),(3.2c,d) và (3.3a,b),(3.4),(3.5)

Các đại lượng không cần thiết như vector dòng điện rotor if

r , vector từ thông stator ψfs bị triệt tiêu ra khỏi hệ Từ hai phương trình (3.6c) và (3.6d) có thể rút ra được hai vector đó

i  i  cũng trùng với vector r

do đó ta nói i sd là thành phần dòng điện sinh từ thông roto

sin

s sq

3.1.4 Điều khiển vector gián tiếp

Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống điều khiển vector tựa từ thông rotor gián tiếp

Với phương pháp này, góc θs được tính theo chuỗi các phương trình sau:

sq slip

r sd r r

r

dt

I

T I L

Bộ biến tần trực tiếp được sử dụng ở hệ thống công suất cao Bộ biến tần gián tiếp

có sơ đồ khối như hình 3.9

Id + u1 f1

uI fI Ud

-

Hình 3.9 Sơ đồ khối bộ biến tần gián tiếp

Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz) được chỉnh lưu thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu (CL) không điều khiển hoặc bộ chỉnh lưu điều khiển, sau đó được lọc và bộ nghịch lưu (NL) sẽ biến đổi thành nguồn điện áp xoay chiều ba pha có tần số biến đổi cung cấp cho động cơ Bộ biến tần phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

 Có khả năng điều chỉnh tần số theo giá trị tốc độ đặt mong muốn

 Có khả năng điều chỉnh điện áp theo tần số để duy trì từ thông khe hở không đổi trong vùng điều chỉnh momen không đổi

 Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số

Bộ biến tần bán dẫn có thể chia làm ba loại chính tùy thuộc vào bộ chỉnh lưu và nghịch lưu như sơ đồ hình 3.1

(a)

(b)

(c)

Hình 3.10 Sơ đồ khối các biến tần gián tiếp:

a Biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng PWM và bộ chỉnh lưu diot

b Biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển

c Biến tần nghịch lưu nguồn dòng với bộ chỉnh lưu điều khiển

1 Bộ biến tần với nghịch lưu nguồn áp điều biến độ rộng xung với bộ chỉnh lưu dùng diot (3.10a)

Điện áp một chiều từ bộ chỉnh lưu không điều khiển (dùng diot) có trị số không đổi được lọc nhờ tụ điện có trị số khá lớn Điện áp và tần số được điều chỉnh nhờ bộ nghịch lưu điều biến độ rộng xung (Pulse Modulation Width – PWM) Các mạch nghịch

lưu bằng các tranzito (BJT, MOSFEST, IGBT) được điều khiển theo nguyên lý PWM đảm bảo cung cấp điện áp động cơ có dạng gần sinh nhất

2 Bộ biến tần nghịch lưu nguồn áp dạng xung vuông và bộ chỉnh lưu điều khiển (3.10b)

Điện áp điều chỉnh nhờ bộ chỉnh lưu có điều khiển (thông thương bằng tiristo hoặc tranzito) Bộ nghịch lưu có chức năng điều chỉnh tần số động cơ Dạng điện áp ra có dạng hình xung vuông

3 Bộ biến tần với nghịch lưu dòng điện và chỉnh lưu điều khiển dùng tiristo (3.10c) Nguồn một chiều cung cấp cho nghịch lưu là nguồn dòng với bộ lọc là cuộn kháng

đủ lớn

3.2.2 Mạch chỉnh lưu

Đối với nguồn cấp cho mạch nghịch lưu thì tính chất nguồn điện là bằng phẳng để hạn chế sự nhấp nhô điện áp có thể làm hỏng van khi van được băm với tần số lớn Vì thế chúng ta phải lựa chọn mạch chỉnh lưu sao cho dạng điện áp ra càng bằng phẳng thì càng tốt Khi đó chúng ta thực hiện điều chế độ rộng xung PWM với tần số cao nên có thể điều khiển động cơ chạy trơn và mở rộng vùng tốc độ điều chỉnh

3.2.3 Mạch nghịch lưu

Xét một mạch nghịch lưu một pha có sơ đồ khối ở hình 3.11a; điện áp uo được lọc sao cho có dạng hình sin Tải của nghịch lưu là động cơ, mang tính cảm kháng, nên dòng điện io sẽ chậm pha so với điện áp uo như hình 3.11b Trong khoảng 1, điện áp uo và dòng điện io đều mang dấu dương, trong khi ở khoảng 3, chúng đều có dấu âm; nên công suất tức thời sẽ được truyền từ mạch một chiều tới mạch xoay chiều, tương ứng với chế độ nghịch lưu của bộ biến đổi Ngược lại, khoảng 2,4 điện áp uo ngược dấu với dòng điện io, dòng công suất sẽ truyền từ mạch xoay chiều về mạch một chiều, tương ứng với chế độ chỉnh lưu Như vậy mạch nghịch lưu hình 3.11a sẽ phải có khả năng làm việc ở bốn góc phần tư trên mặt phẳng (io0uo) trong một chu kỳ điện áp lưới như minh họa trên hình 3.11c

Hai dạng mạch nghịch lưu là:

 Nghịch lưu điều biến độ rộng xung (PWM) với điện áp một chiều là hằng số, điện

áp và tần số ra được điều chỉnh nhờ điều khiển chuyển mạch nghịch lưu

 Nghịch lưu dạng xung vuông (square – wave pulse) là trường hợp đặc biệt của

nghịch lưu PWM

(a)

(b)

(c) Hình 3.11 Nguyên tắc của nghịch lưu một pha:

a Sơ đồ mạch điện

b Dạng điện áp và dòng điện

c Các chế độ làm việc trong mặt phẳng