tính toán và thiết kế truyền động điện cho một cơ cấu nâng hạ cầu trục dùng động cơ

tính toán và thiết kế truyền động điện cho một cơ cấu nâng hạ cầu trục dùng động cơ

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Hãy tính toán và thiết kế truyền động điện cho một cơ cấu nâng hạ cầu trục dùngđộng cơ lần lượt là:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song

- Động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha rotor dây quấn

Yêu cầu tính toán và thiết kế như sau:

1 Động cơ mở máy qua 3 cấp điện trở phụ, hãy tính điện trở mở máy biết rằngđộng cơ kéo tải định mức

2 Tính điện trở phụ cần thiết đóng vào mạch rotor để nâng tải lên với tốc độ lầnlượt là:

Biết rằng moment cản khi hạ tải bằng 0,8 lần moment định mức

4 Thiết kế sơ đồ nguyên lý điều khiển động cơ khi mở máy nâng tải và hạ tải Biếtrằng động cơ xoay chiều ba pha có dây quấn stator và rotor đều được đấu hình sao và sức

từ động trên stator lớn hơn rotor 10%

Các thông số cho trước:

* Động cơ điện một chiều kích từ song song:

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Ngày tháng năm 2011

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Ngày tháng năm 2009

GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án môn học Truyền động điện thì ngoài những nỗ lục của bảnthân, chúng em đã nhận được sự giúp đỡ của nhiều thầy và chúng em không biết nói gìhơn ngoài những lời cảm ơn chân thành của chúng em đến:

- Khoa Điện – Điên tử trường đại học sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ chí Minh đãkhông ngừng cập nhật những kiến thức mới có giá trị vào bài học của chúng em trong tất

cả các môn học nói chung và môn Truyền động điện nói riêng, đã tạo nhiêu điều kiệnthuận lợi cho sinh viên chúng em trong vấn đề học tập

- Trường Trung cấp nghề Gia Lai đã tạo điều kiện cho chúng em trong suốt thờigian qua

- Thầy Lưu Văn Quang, người đã truyền đạt trực tiếp cho chúng em kiến thức quýgiá về môn học này và thầy cũng đã chỉ dẫn cho chúng em rất nhiệt tình trong quá trìnhlàm đồ án này./

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay do yêu cầu về công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước nên ngày càng xuấthiện nhiều dây chuyền sản xuất mới có kỹ thuật hiện đại để thay hế những dây chuyền lạchậu, lỗi thời Để đáp ứng được những yêu cầu này thì trước mắt là phải đào tạo nguồn nhânlực con người có trình độ và kỹ thuật cao ngay từ khi còn học dưới mái trường đại học

Trong một dây chuyền sản xuất hiện đại thì khâu truyền động điện giữ vai trò rất quantrọng, nó thực hiện được các công đoạn cuối cùng của một quy trình sản xuất và có ảnhhưởng lớn đến việc nâng cao chất lượng sản phẩm và năng suất sản xuất Chính vì vậy truyềnđộng điện là một môn học không thể thiếu đối với những sinh viên khoa điện Một trongnhững biện pháp giúp cho sinh viên hiểu rõ hơn về môn học truyền động điện là làm đồ án

môn hoc Đề tài của đồ án mang tên là: “Tính toán và thiết kế cơ cấu nâng hạ cần trục”.

Nội dung của đồ án gồm 4 chương xoay quanh vấn đề tính toán và thiết kế cơ cấu nâng hạcần trục dùng động cơ điện một chiều kích từ song song và động cơ điện không đồng bộ xoaychiều ba pha rotor dây quấn

Chương I: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song.

Nội dung của chương này giới thiệu về đặc tính cơ, đặc tính tốc độ, các thông số ảnhhưởng đến dạng đặc tính cơ, đặc tính cơ khi đảo chiều quay, tính toán điện trở phụ mở máy

và vấn đề hãm máy của động cơ điện một chiều kích từ song song

Chương II: Tính toán và thiết kế cơ cấu dùng động cơ điện một chiều kích từ song

song

Nội dung chương này là tính toán điện trở mở máy qua ba cấp điện trở, tính toán cácđiện trở phụ để nâng tải, hạ tải và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho cơ cấu bằng cách dùng động

cơ điện một chiều kích từ song song

Chương III: Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor dây

quấn

Nội dung chương này là giới thiệu về đặc tính cơ, đặc tính tốc độ, các thông số ảnhhưởng đến dạng đặc tính cơ, tính toán điện trở phụ mở máy và vấn đề hãm máy của động cơđiện xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor dây quấn

Chương IV: Tính toán và thiết kế cơ cấu dùng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ

ba pha rotor dây quấn

Nội dung chương này là tính toán điện trở mở máy qua ba cấp điện trở, tính toán cácđiện trở phụ để nâng tải, hạ tải và thiết kế sơ đồ nguyên lý cho cơ cấu bằng cách dùng động

cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor dây quấn

Mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do kiến thức chưa sâu, kinh nghiệm thực tế chưanhiều và thời gian hạn hẹp không thể tránh khỏi những sai lầm thiếu sót Rất mong nhận được

sự đóng góp chân thành của quý thầy cô và bạn bè

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

MỤC LỤC

Trang

Phần A: Tính toán và thiết kế cơ cấu nâng hạ cần trục dùng động

cơ điện một chiều kích từ song song

Chương I: Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song 07

Phần B: Tính toán và thiết kế cơ cấu nâng hạ cần trục dùng động

cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha rotor dây quấn

Chương III: Đặc tính cơ của động cơ điện xoay chiều không đồng

PHẦN A TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC DÙNG

ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG Chương I: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG SONG

- Phương trình đặc tính tốc độ là phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ

và dòng điện phần ứng của động cơ:

0 E

U

K Φ 

n0: được gọi là tốc độ không tải lý tưởng

- Khi Iư ≠ 0:

Đặt:

đm

TN E

R

a =

K Φ

­: là hệ số góc (độ dốc) của đường đặt tính tốc độ tự nhiên

đm

M

MI

- Ta có: E

p.N

K =60.aE

p.N

K =2π.a E

Thay KM vào (2) ta có:

 

đm đm

n

A

1 2

3 Ảnh hưởng của các thông sφố đến dạng đặt tính cơ:

a Ảnh hưởng của điện áp U:

Iư

U

IktI

K Φ + aNT > aTN

c Ảnh hưởng của từ thông (Φ):

 ­ 

­+ Khi Φ  Iư=const và tốc độ n

- Kết luận: Họ các đường đặc tính cơ là chùm đường thẳng đồng quy tại Iưmm

4 Đặc tính cơ khi đảo chiều động cơ:

Để đảo chiều quay động cơ điện một chiều, người ta có thể đảo cực tính điện

áp đặt lên phần ứng hoặc đảo chiều dòng điện kích từ

a Đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng:

- Trạng tháiđộng cơ quay nghịch (N): Động cơ quay nghịch khi Contactor N hoạtđộng, lúc đó ta có:

+ Uư = (-Uđm)

+ nN <I 0

+ EưN = KE.Φđm.nN <I 0

- Trạng thái động cơ quay nghịch (N): Động cơ quay nghịch khi Contactor N hoạtđộng, lúc đó ta có:

+ nN <I 0

+ Φ= (-Φđm)

+ EưN = KE.(-Φđm).nN > 0

M đ n

R

 ­ mm 

­Thường R­ 1

+ Dòng điện lớn sẽ cháy cách điện dây quấn động cơ

+ Tạo sụt áp trên lưới điện

+ Tạo lực điện động làm biến dạng rãnh

Khắc phục:

+ Giảm dòng điện Imaxmm 2,5Iđm

+ Muốn Imm Icp thì phải thêm Rp nối tiếp trên mạch Rotor

đm cp p

e d

c

h

g f

b’

j A

(1) (2)

I = 1,1 1,3 I , nếu Iđm Ic, hoặc I2 = (1,2-1,3)Ic, nếu IcIđm

Từ I1 và I2 dựng hai đường thẳng song song với trục tung, hai đường thẳng này cắtđường tự nhiên tại hai điểm g và h, từ g kẻ đường thẳng song song với trục I­ cắt I2 tạiđiểm f, nối n0f cắt đường (I) tại e Sau đó tiếp tục từ e kẻ song song với I­ cắt đường (II)tại điểm d, nối n0d cắt đường (I) tại điểm c, từ c kẻ đường song song với trục I­ cắt đường(II) tại b, nối n0b cắt đường (I) tại a, a là giao điểm giữa trục I­ và đường (I)

- Bước 2: Tính Rp mở máy

+ Từ n0 kẻ đường song song với trục I­ cắt đường (I) tại điểm j

+ Tính độ sụt áp trên đường đặt tính:

* Tự nhiên: TN 0 TN

E đm

R IΔnn =n -n

c Giải thích quá trình mở máy:

- Đầu tiên để mở máy ta đưa đưa điện trở phụ vào mạch phần ứng, dòng điện mởmáy được hạn chế xuống bằng giá trị I1

giảm dần để cuối cùng làm việc

ổn định tại b Để tránh động cơ làm việc với tốc độ thấp tại b thì người ta tiến hành đóngtiếp điểm 3G lại để loại điện trở Rp3, điểm làm việc chuyển từ b sang c rồi tiếp tục tăngtốc đến điểm d thì tiếp điểm 2G đóng lại để loại điện trở Rp2, động cơ tăng tốc đến đường

số (1) cho đến điểm f thì tiếp điểm 1G đóng lại loại điện trở Rp1, điểm làm việc chuyển từ

f sang g để cuối cùng làm việc ổn định tại A, kết thúc quá trình mở máy

6 Hãm máy:

Hãm máy là trạng thái tại đó tốc độ và moment động cơ ngược chiều nhau Hãmmáy được dùng trong các trường hợp sau:

- Hãm máy dùng trong các trường hợp dừng nhanh động cơ

- Giữ cho một tải thế năng hạ tải với tốc độ không đổi

- Giữ cho một tải thế năng đứng yên trên cao

Trạng thái động cơ khi tiến hành hãm máy:

+ n>0

+ E­ K E đm.n>0

A C B

Khi giảm điện áp điểm làm việc chuyển từ A sang B bắt đầu quá trình hãm tái sinh,

do hãm tái sinh nên tốc độ động cơ giảm nhanh về n01 MÐ  0do tải thế năng cản trởchuyển động nên tốc độ tiếp tục giảm về C đồng thời MÐ tăng dần đến điểm C thì cânbằng MÐ và Mc hệ thống làm việc ổn định ở tốc độ mới

Kết luận: Khi giảm điện áp để giảm tốc độ động cơ thì hãm tái sφinh nằm ở góc phần tư thứ 2.

* Đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng để đảo chiều quay nhằm hạ tải thế năng:

o n

o

MÐn

Giải thích quá trình hãm ngược: Hệ thống đang làm việc ổn định tại điểm A, đểnâng tải thì người ta tiến hành đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng để hạ tải thế năng

Do quán tính, tốc độ vẫn quay theo chiều cũ, điểm làm việc chuyển từ A sang B1 lúc nàydòng điện phần ứng và moment động cơ đảo chiều, quá trình hãm ngược xảy ra làm giảmnhanh tốc độ về 0 (C1)

U

I =- = I <I 0R

­+ MÐC1 = K M đm.I <I 0­

- Tại điểm (-n0) thì:

­

­+ MÐ = K M đm.I > 0­

Khi n  

Ð

n   I­  >0  M  >0

Giải thích: Trên đoạn C1D1 động cơ đảo chiều, do tác dụng của Mc và MÐ động cơtăng tốc và làm việc ở trạng thái quay ngược cho đến (-n0) thì moment động cơ bằng 0,nhưng do sự hỗ trợ của tải thế năng nên động cơ tiếp tục tăng tốc từ -n0 đến E1 Trên đoạn–n0E1 thì moment động cơ dương trở lại, quá trình hãm tái sinh diễn ra, nhưng do MÐ <I

Mc nên ảnh hưởng của Mc lớn hơn nên động cơ tiếp tục tăng tốc cùng với MÐ tăng dần trị

số cho đến điểm E1 thì MÐ = Mc, tải được hạ xuống với tốc độ không đổi (-nE1)

b Hãm ngược:

Hãm ngược xảy ra trên rotor của động cơ do động năng tích luỹ trong các bộ phậnkhi chuyển động hoặc do tải thế năng làm cho nó quay ngược chiều với moment điện từ ởlúc đó

* Hãm ngược bằng cách đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng

- Khi hãm ngược bằng cách đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng thì:

n > 0  Eư > 0

R

E)U(u

Mà: Iưmm u

dm R U

R

E ) U ( I

=> I uHN  I umm

Vì dòng hãm ngược lớn hơn dòng mở máy nên người ta phải tìm cách hạn chếdòng hãm ngược không được vượt quá 2,5 lần dòng định mức Để khắc phục người tathêm điện trở phụ vào phần ứng

dm PHN

u

u dm

R R

E ) U (

Phương trình đặc tính cơ (1) và (2)

(1) n K U.Φ 9,55.(KR .Φ )2.M

dm E

u

dm E

PHN u

dm E







* Hãm ngược bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng để hạ tải:

* Tại điểm B: Khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng thì:

RR

E)U(

P u

Giải thích: Để hạ tải người ta thêm điện trở phụ vào mạch rotor điểm làm việcchuyển sang B, tốc độ vẫn quay theo chiều cũ nhưng lúc này MĐ <I MC nên hệ thống bắtđầu quá trình giảm tốc từ B C

* Tại đoạn BC thì:

+ n > 0+ Eư  = KM.đm n> 0

+ Iư

0 n) (n R R

.Φ K R R

E U

o P u

dm E P u

u dm

+ MĐ  ΚΜ.Φdm.Iu  0

Kết luận: BC là đoạn đặc tính động cơ quay thuận giảm tốc độ.

nhưng vì MC có giá trị lớn hơn nên nó kéo rotor theo chiều của nó, nhờ thế tải được hạxuống

- Tại điểm CE1 thì:

+ n <I 0+ Eư = KE.đm n <I 0+ Iư =UR RE 0

p u

u dm

R R Φ

K

U

2 dm E

p u

dm E

B (1)

n

M Đ

+ n > 0+ Eư = KE .đm n> 0

+ Iư

0 R

R

E 0 HDN u

R R

+ Đoạn BO là đoạn đặc tính hãm động năng kích từ độc lập đối với tải phản kháng.+ Đoạn BOC là đoạn đặc tính hãm động động năng kích từ độc lập đối với tải thếnăng

* Hãm động năng tự kích từ

- Để có thể thực hiện hãm động năng ngay khi cả mất điện ta dùng hãm động năng

tự kích từ: động cơ đang làm việc ta ngắt phần ứng và cuộn kích từ ra khỏi lưới điện vàđóng qua điện trở hãm Lúc đó ta có:

+ n > 0+ Eư = Kư.dư n > 0

)//R(RR

ECKT HDN u





(vì U = 0)+ MĐ = KM.Фdư.Iư <I 0

- Phương trình đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích:

n

.M.ΦΦ9,55.(K

RR

.RRR

2 E

CKT HDN

CKT HDN

*- Dòng điện định mức chạy qua phần ứng:

Iưđm = Iđm - Iktđm = 490482 – 4,4537 = 48577,556 (A)

* Điện trở phần ứng:

Pđiện Động cơ Pcơ = Pđm

j g e c

I

P I U ( 2

1

udm 2 dm dm



6 , 477

101000 482

232 2

KE Фđm =

dm

udm u dm n

.I R

U 

512

6 , 477 024 , 0 232

A h

f d

b

3

2 1

j g e

c

a 0

n (Vg/ph)

I u(A)

u u TN o TN

.Φ K

.I R n

n

dm E

P u NT o

.Φ K

.R R n

R Δn

Δnn

TN

NT u P p u u NT

0 , 89

= 0.02548(Ω))

0 , 107

0 , 317

R R Φ

K

U

2 dm E

pn u

dm E

R R

2 dm E

M

) Φ 9,55.(K

 (*)

Với MB = MC = Mđm = 9,55 1883(N.m)

512

101000 9,55

n

P dm

 Rpn1 = (no - nB) u

B

2 dm

M

) Φ 9,55.(K



Rpn1 = (540 - 256) 0 , 024 0 , 242 ( )

1883

) 43 , 0 (

55 ,

 Rpn2 = (no – nD) u

D

2 dm

M

) Φ 9,55.(K



 Rpn2 = (540 – 128) 0 , 024 0 , 362 ( )

1883

) 43 , 0 (

55 ,

độ định mức, 2 tốc độ định mức:

Ta có: Mđm = 1883(N.m)

 MC = 0,8.Mđm = 0,8.1883 = 1506 (N.m)Phương trình đặc tính cơ nhân tạo:

) Φ 9,55.(K

R R Φ

K

U

2 dm E

ph u

dm E

R R

2 dm E

M

) Φ 9,55.(K

 (**)

) Φ 9,55.(K



 Rph1 = [540 – (-256)] 0 , 024 0 , 909 ( )

1506

) 43 , 0 (

55 ,

M

) Φ 9,55.(K



 Rph2 = [540 – (-1024)] 0 , 024 1 , 809 ( )

1506

) 43 , 0 (

55 ,







n (Vg/ph) 540 512

* Quá trình mở máy: Dựa vào đồ thị ở câu 1 ta có thể giải thích quá trình mở máynhư sau: Đầu tiên để mở máy ta đưa toàn bộ 3 điện trở phụ vào mạch phần ứng, dòng điện

mở máy được hạn chế bằng giá trị I1

P3 P2 P1 U

dm (1,8 2,5).I

R R R R

u dm

R R R R

E U









sẽ giảm xuống để cuối cùng làm việc ổn định tại

b Để tránh làm việc ổn định với tốc độ thấp b nên động cơ tăng tốc đến điểm b thì người

ta tiến hành đóng tiếp điểm 3G loại điện trở Rp3, điểm làm việc chuyển từ b  c rồi tiếptục tăng tốc đến điểm d thì tiếp điểm 2G đóng lại, loại điện trở Rp2 động cơ tăng tốc đếnđường số (1) cho đến điểm f thì tiếp điểm 1G đóng lại loại điện trợ Rp1 điểm làm việcchuyển từ f sang g để cuối cùng làm việc ổn định tại A kết thúc quá trình mở máy Trongquá trình mở máy thì các tiếp điểm từ 4G đến 7G đều đóng lại để loại bỏ các điển trởnâng hạ và hạ tải, không làm ảnh hưởng đến quá trình mở máy

* Quá trình nâng tải: Để nâng tải với tốc độ bằng 1/4 tốc độ định mức (hoặc 1/2 tốc

độ định mức) thì ta tiến hành mở tiếp điểm 4G (hoặc 5G) thì điện trở Rpn1 (hoặc Rpn2) sẽđược đóng vào mạch rotor để nâng được tải lên với tốc độ đã được chọn theo mong muốn.Trong quá trình nâng tải thì các tiếp điểm 1G, 2G, 3G, 6G, 7G đều đóng lại để loại bỏ sựảnh hưởng của các điện trở mở máy và điện trở hạ tải đến quá trình nâng tải

* Quá trình hạ tải: Để hạ tải với tốc độ bằng 1/2 tốc độ định mức (hoặc 2 lần tốc độđịnh mức) thì ta tiến hành mở tiếp điểm 6G (hoặc 7G) thì điện trở Rph1 (hoặc Rph2) sẽ đượcđóng vào mạch rotor để hạ tải ứng với thứ tự các cấp tốc độ đã được chọn theo mongmuốn Trong quá trình hạ tải thì các tiếp điểm từ 1G đến 5G đều đóng lại để loại bỏ sựảnh hưởng của các điện trở mở máy và điện trở nâng tải đến quá trình hạ tải

PHẦN B TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC DÙNG ĐCĐ KĐB

XOAY CHIỀU BA PHA ROTOR DÂY QUẤN

+ R1.X1.I1: Là điện trở, điện kháng và dòng điện trong mạch stator.

+ R´2, X´2, I´2: Là điện trở, điện kháng và dòng điện trong dây quấn rotor đã quyđổi về stator

+ R´ = R´2 + R´p: Là tổng điện trở của dây quấn rotor và điện trở phụ thêm vàomạch rotor đã quy đổi về stator

+ U1đm : Điện áp dây định mức

+ U1p : Điện áp đặt lên mỗi pha dây quấn stator

+ E2đm : Sức điện động cảm ứng trên dây quấn rotor khi điện áp dây đặt lên stator

là U1đm, rotor hở mạch và không quay

+ KpđE

2 dq2

1 dq1 2dm

1dm

N k

.N k E

Từ đó ta tính được điện trở và điện kháng ở rotor quy đổi về stator:

o

ω

ω ω n

2 1

1P

) X (X S

R' R