Thiết kế hệ thống truyền động điện tự động

Thiết kế hệ thống truyền động điện tự động

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, do quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước là một vấn

đề hết sức quan trọng trong phát triển công nghiệp, nhất là các ngành công nghiệp nặng ngày càng đòi hỏi được ưu tiên hàng đầu với những dây truyền sản xuất hiện đại và khả năng tự động hóa cao Truyền động điện tự động là một trong lĩnh vực quan trọng nhằm mục đích nâng cao năng suất cũng như chất lượng sản phẩm

Căn cứ vào yêu cầu đặt ra cũng như đối với môn học “Cơ sở lý thuyết

Truyền Động Điện tự động” của THÁI DUY THỨC bản thân em thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống Truyền Động Điện tự động” của THÁI DUY THỨC và

PHAN MINH TẠO với mục đích nâng cao khả năng nhận biết về môn học

cũng như giúp đỡ em trong công việc sau này

Trong quá trình thực hiện đề tài này em đã nhận được sự giúp đỡ của thầy

Đỗ Chí Thành cũng như việc đóng góp ý kiến của các thành viên trong lớp.

Do thời gian và khả năng còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài còn nhiều thiếu sót Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của

thầy Đỗ Chí Thành để đồ án của em được tốt hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Tên đề tài: PHƯƠNG ÁN 9

Thiết kế hệ thống truyền động điện có sơ đồ nguyên lý sau:

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động

Thông số ban đầu:

Yêu cầu bài toán:

1.Tính mô men cản trên tang , mô men quy đổi về trục động cơ

2 Tính tốc độ tang, tính tốc độ yêu cầu của động cơ

3 Tính chọn công suất yêu cầu truyền động , chọn động cơ

4 Tính mô men quán tính của hệ quy đổi về trục động cơ (JHGT = 0.3

7 Chọn nguồn cấp cho động cơ (Máy biến áp ; máy phát điện 1 chiều , xoay chiều; hệ chỉnh lưu có điều khiển ….)

Chương 1 TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ

* Cơ sở lý thuyết:

Trong hệ thống Truyền động điện việc chọn công suất của động cơ có một

ý nghĩa hết sức quan trọng, nó quyết định chi phí ban đầu, chi phí vận hành của

hệ thống Sử dụng động cơ không đúng công suất có thể phá hỏng chế độ làm việc bình thường của máy công tác, động cơ bị phá hỏng trước thời gian cho phép Sử dụng động cơ thừa công suất sẽ làm giảm chỉ tiêu kỹ thuật, giảm hiệu suất và giảm Cosφ Do đó việc lụa chọn công suất của động cơ phải dựa vào các yếu tố chủ yếu sau:

- Yêu cầu về kỹ thuật về điều chỉnh tốc độ

- Các đặc tính khởi động và hãm

- Loại động cơ

- Điều kiện môi trường

- Loại Động cơ không đồng bộ rô to dây quấn

Khối lượng hàng mthg(kg)

Khối lượng 1 mét cápmcáp(kg)

Chiều cao nâng H(m)

Hiệu suất bộ truyền η

Tỉ số

bộ truyềni

= 7038 Nm

1.1.2: Tính mô men cản quy đổi về trục động cơ:

- Công suất do MCT tác dụng lên trục động cơ:

7038 = Nm

Trong đó: i = 18,9 tỉ số truyền của hộp giảm tốc

η= 0,92 hiệu suất của bộ truyền

1.2: Tính công suất động cơ , tốc độ động cơ:

1.2.1 Tốc độ góc của động cơ:

Ta có : w = w i= 18,9.4 = 75,6 rad/s

Trong đó : w = = 02,.51 =4 rad/s

1.2.2: Tính công suất động cơ:

- Công suất yêu cầu của động cơ là:

P = M w = 404,5.75,6 = 30,58 Kw

 Từ những số liệu tính được ở trên ta tra theo bảng “PL- 25 các động cơ không đồng bộ rotor dây quấn loại cần trục kiểu MT và MTB, 380V,50Hz,tự động 25% trang 240 sách Thiết kế truyền động điện do TS.Thái Duy Thức và Ths.Phan Minh Tạo chủ biên ta tìm được động cơ có thông số sau:

Tính mô men quán tính của hệ quy đổi về trục động cơ

Ta có công thức tổng quát tính mô men quán tính quy đổi là :

Mô men quán tính của rôto hay JĐC = 1,025 (kg.m2)

Theo bài ra ta có : JHGT = 0,3.JĐC

Ta có mô men quán tính của hệ quy đổi về trục động cơ là :

)

1.280012

,15

1.025,1.3,0025

,

1

85,100

1.280012

,15

1 3,0

2

2

2 2

2

2 2

m kg

J J

=

++

=

++

=

Chương 2 XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH

2.1: Tổng quan về các phương pháp khởi động, l ự a chon phương pháp khởi động:

I Các đặc tính :

Sơ đồ nguyên lý của đông cơ không đồng bộ: bao gồm động cơ không đồng bộ

ro to dây quấn

Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, nhưng việc khống chế nó trong

quá trình khởi động, điều chỉnh tốc độ và quá trình hãm là rất phức tạp Đặc biệt là khi động cơ làm việc trong vùng bão hoà từ thì các đặc tính của nó đều là phi tuyến Do vậy để đơn giản khi nghiên cứu động cơ không đồng bộ ba pha cần có các giả thiết sau :

+ Ba pha của động cơ là đối xứng

+ Các thông số của mạch không thay đổi nghĩa là không phụ thuộc vào nhiệt

độ , điện trở mạch rôto không phụ thuộc vào tần số dòng điện trong nó, mạch từ không bão hào

+ Tổng dẫn của mạch vòng từ hoá không thay đổi , dòng điện từ hoá chỉ phụ thuộc vào điện áp đặt vào stato của động cơ

+ Bỏ qua các tổn thất do ma sát , tổn thất trong lõi thép

+ Điện áp là hoàn toàn hình sin và đối xứng

Với các giả thiết trên ta có sơ đồ thay thế của động cơ KĐB ba pha như sau :

R2f ÐK1s

ÐK dây quấn

Trong đó:

U1 : Trị số hiệu dụng điện áp pha ở stato

I1 , Iμ , I2 : Trị số dòng điện stato , dòng từ hoá , dòng điện roto qui đổi về stato

r1 , rμ , r2’ : Trị số điện trở stato , điện trở mạch từ hoá , điện trở roto qui đổi về stato

x1 , xμ , x2’ : Trị số điện kháng stato , điện kháng mạch từ hoá , điện kháng roto qui đổi về stato

Rf’ : Điện trở phụ thêm vào mỗi pha của roto

s : Độ trượt của động cơ

Từ sơ đồ thay thế ta có trị số hiệu dụng gần đúng của dòng điện stato:

=

2

' 2 1

2 2 1 1

1 1

nm

x s

R r x

r U I

µ µ

Trong đó '

2 1 '

' 2

=

2 2 1 1

1

µ

r U

2

nm

x s

R r

U I

ω = 0 ; s = 1 ta có ' 2 2'

2 1

1 '

2

) (r R x nm I nm

U

+ +

=

ω = ω0 ; s = 0 I2’ = 0

Đặc tính dòng điện stato được trình bày như sau :

Để tìm phương trình đặc tính cơ ta xuất phát từ điều kiện cân bằng công suất trong động cơ , công suất điện từ chuyển từ stato sang rôto :

0

dt dt

P =M ω

với Mđt là mô men điện từ của động cơ Nếu bỏ qua các tổn thất phụ thì ta có

Mđt = Mcơ và ta có Mđt = Mcơ = M

Công suất đó được chia làm hai thành phần đó là : Công suất cơ trên trục động

cơ Pcơ và công suất tổn hao đồng trong roto là ΔP2

2 1

' 2 1 0

' 2

2 1 ) (

3

nm

x s

R r s

R U M

' 2

2 2 1

2 1

U M

2

)1

.(

2

R

r a

as s

s s s

as M

M

th th

th

th th

=

++

M M

s s

s s

= +

Và

' 2

2 1 0

3 2

x U M

II Các thông số ảnh hưởng đến đặc tính cơ

1 Ảnh hưởng của thông số diện áp

Khi điện áp thay đổi độ trượt tới hạn của động cơ không thay đổi , còn mô men tới hạn của động cơ thay đổi tỷ lệ với bình phương của điện áp lưới

' 2

2 1 0

onst

3

ar 2

Khi giảm áp ta sẽ thu được một họ đường đặc tính cơ như sau :

2 Ảnh hưởng của thông số điện trở phụ mạch roto

Khi thay đổi điện trở mạch rôto thì độ trượt tới hạn của động cơ thay đổi , còn

mô men tới hạn của động cơ không thay thay đổi

' 2

2 1 0

ar

3

onst 2

3 Ảnh hưởng của thông số tần số nguồn điện

Nếu cung cấp cho động cơ bằng một nguồn điện có tần số thay đổi thì tốc độ động cơ thay đổi và dạng đặc tính cơ cũng thay đổi

1

2 2

2

ar 2

4 Ảnh hưởng của số đôi cực p

Đối với những động cơ không đồng bộ roto lồng sóc nhiều cấp tốc độ để điều chỉnh tốc độ người ta thay đổi thông số đôi cực của máy

Khi thay đổi số đôi cực p ta có

1 0

' 2

2 1 0

x U

x

π ω

* Tổng quan về các phương pháp khởi động

Đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn có nhiều cách khởi động như: Khởi động bằng điện trở phụ, khởi động bằng máy phát…

Theo yêu cầu đề bài ta chọn phương pháp khởi động động cơ bằng máy phát hệ MF-ĐC

2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ Máy phát - Động cơ (MF-ĐC)

U ∼

Hình 2.1 : Cấu trúc hệ Máy Phát - Động cơ

 Nguyên lý hoạt động của hệ:

Động không đồng bộ roto dây quấn được cung cấp điện trực tiếp từ máy phát 1

chiều kích từ độc lập F, không qua bất kỳ thiết bị trung gian nào Máy phát F được truyền động bởi động cơ xoay chiều DX Động cơ DX còn dùng để truyềnđộng cho máy phát kích thích FK Máy phát này phát ra điện áp cung cấp trực tiếp cho cuộn kích từ KTD của động cơ Đ, cho cuộn kích từ KTF của máy phát qua cầu tiếp điểm tiến “T” , lùi “L” Ngoài ra còn dùng để cung cấp điện cho mạch điều khiển Máy phát FK thường là máy tự kích điều chỉnh điện áp bằng điện trở R3.Tốc độ quay của F luôn bằng tốc độ của DX và được coi là không đổi

• Ưu, nhược điểm

- Ưu điểm:

+ Dễ điều khiển, điều chỉnh tốc độ và đảo chiều quay

+ Khả năng chịu quá tải lớn

2.3: Xây dựng các đặc tính tĩnh khi khởi động

2.3.1: Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên

Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ la quan hệ giũa tốc độ quay của rotor va momen trên trục động cơ

Ta có phương trình đặc trưng cơ dạng rút gọn:

S = = 0 , 038

85 , 100

85 , 100 66 ,

Với : w = = 104 , 66 ( / )

3

50 14 , 3 2

s rad

, 0

96 , 1111 2 +

Xây dựng đặc tính cơ tự nhiên bằng Simulink ta có sơ đồ :

Hình 2.2: Sơ đồ mô phỏng đặc tính cơ tự nhiên trên Matlab

Sau khi chạy sơ đồ trên ta được đặc tính cơ tự nhiên như sau:

Hình 2.3: Đặc tính cơ tự nhiên của động cơ

2.3.2: Xây dựng đặc tính cơ khi khởi động

Để xây dựng đặc tính cơ khi khởi động ta làm theo các bước sau:

a,Bước 1:

Từ các thông số định mức ( P , U ,I ,n …) và các thông số của tải (I ,

M , P …) , số cấp khởi động m = 3 ta vẽ đặc tính cơ tự nhiên Sau đó chọn các giá trị Mô men đỉnh M và Mô men đảo mạch M :

cuối cùng không trùng với đường đặc tính tự nhiên tại M thì ta làm lại bước 2 bằng cách thay đổi M hoặc M, hoặc thay đổi cả hai.

c,Bước 3:

Ta có đặc tính cơ khi khởi động như hình vẽ:

Hình 2.4: Đặc tính cơ khi khởi động

Các năng lượng dự trữ trong truyền động điện là:

- Cơ năng trong các phần tử chuyển động quay, trong các cơ cấu máy công tác, chuyển động tịnh tiến …

- Năng lượng điện từ trong các cuộn dây của máy điện

- Nhiệt năng trong động cơ điện

Tương ứng với các dang dự trữ năng lượng đó, quá trình quá độ trong truyền động điện được chia thành các loại sau:

-Quá trình quá độ cơ - là quá trình chỉ chú ý đến sự thay đổi dự trữ động năng của hệ

- Quá trình quá độ điện từ - la quá trình chỉ chú ý đến sẹ thay đổi dự trữ năng lượng điện từ

- Quá trình quá độ nhiệt - là quá trình chỉ chú ý đến sự thay đổi dự trữ nhiệt năng

Trong thực tế làm việc của truyền động điện thì cả ba quá trình quá độ trên xảy ra đồng thời Tuy nhiên thời gian diễn biến va mức độ ảnh hưởng của mỗi quá trình quá độ khác nhau sẽ khác nhau

Việc nghiên cứu quá trình quá dộ trong truyền động điện co một ý nghĩa rất lớn, nó giúp ta chọn đúng động cơ, thiết bị điều khiển bảo vệ, giúp ta hiệu

chỉnh đúng các thiết bị điều khiển, tìm được biện pháp nâng cao năng suất máy Tìm biện pháp giảm tổn hao năng lượng điện khi khởi động và hãm điện

Việc nghiên cứu quá trình quá độ nay một cách chính xác la một bài toán khó,

vì có rất nhiều tham số ảnh hưởng tới nó, ngoài ra phần lớn các quá trình nghiên cứu là những quá trình phi tuyến, vì vậy để phân tích các quá trình quá độ thường người ta sử dụng máy tính để tính toán Việc sử dụng máy tính có thể bằng cách xây dựng chương trình để tính theo các phương pháp giải gần đúng hoặc sử dụng các phần mềm mô phỏng có sẵn như: TUTSIM, Matlap

Quá trình quá độ hệ tuyến tính la các quá trình có tham số không đổi Trong thực tế do có quan hệ mô men quay với tốc độ là phi tuyến (ở động cơ không đồng bộ, động cơ kích từ nối tiếp) Việc nghiên cứu hệ thống phi tuyến đó có thể dùng phương pháp gần đúng như phương pháp tuyến tính hóa, phương pháp

đồ thị nhưng nhanh và hiệu quả nhất hiện tại là sử dụng máy tính

Để sử dụng được máy tính nghiên cứu quas trình quá độ phi tuyến của hệ thống truyền động điện nào đó trước hết phải lập được mô hình toán học mô tả động học của hệ đó Từ mô hình toán đó ta sẽ tìm ra được các phương pháp giải trên máy tính, ta có thể viết chương trình, dùng Tutsim, matlab để nghiên cứu quá trình quá độ đó

3.1: Hệ phương trình mô tả trạng thái

-Đồ án nghiên cứu quá trình quá độ phi tuyến trong động cơ không đồng bộ rotor dây quấn khi khởi động với 3 cấp tốc độ

-Phương trình quá độ cơ của động cơ khi khởi động :

M - M = J (1)

Trong đó : + M= f là phi tuyến và được biểu diễn bằng các đường cong các đường đặc tính cơ nhân tạo khi đưa điện trở và mạch rotor :

+ M :Mô men cản phụ thuộc vào máy công tác Trong đồ án này thì ta có M =303,3 (Nm)

+ J : Mô men quán tính

Từ hình 2.4 ta xác định được các điểm 1,2,3,4,5,6,7,8 dưới dạng điểm x(M,w); x= 1,2…

Ta tính được các điểm w bằng công thức :

V= ω= 0,075ω

Tốc độ động cơ phụ thuộc vào tốc độ góc

- Dòng điện qui đổi về stato

Ta có sơ đồ cấu trúc tính QTQĐ khi khởi động:

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc tính QTQĐ khi khởi động

3.3: Kết quả tính toán quá trình quá độ

Sau khi chạy chương trình Matlab ta được các kế quả như sau:

Hình 3.2: Đặc tính w = f(s)

Hình 3.3: Đặc tính V= f(w)

600

500 400

300

200

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 100

Hình 3.4: Đặc tính I’ =f(w)

Hình 3.5: Đặc tính M = f(t)

Chương 4 KIỂM TRA CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ********************

* Kiểm tra theo điều kiện nung nóng:

* Kiểm tra theo điều kiện quá tải:

Điều kiện kiểm tra:

* Kiểm tra theo điều kiện khởi động:

Điều kiện kiểm tra: