THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN

Trong công cuộc xây dựng và đổi mới đất nư¬ớc thì việc phát triển khoa học kỹ thuật đã đ¬ược ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp. Ở n¬ước ta đã nhập khá nhiều loại máy móc, thiết bị rất hiện đại.

Sinh viờn thiết kế: Nguyễn Khắc Hậu Lớp: Đại học liên thông Kỹ Thuật Điện– K3A

Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Minh Thư

I ĐỀ.TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN

II CÁC SỐ LIỆU KỸ THUẬT:

Tốc độ quay S(mm/vg) Chiều sõu cắt Tốc độ tiến dao Chiều dài gia cụng Khi tiện mặt trụ

Khi tiện cắt ngang

Trọng lượng mâm cặp : 20.000 N

Kích thước chi tiết gia cụng trờn mỏy : Φ 1000mm x L 500mm

Vật liệu chi tiết gia cụng : Gang , thộp CT5

Vật liệu làm dao : Thộp giú

III NỘI DUNG THUYẾT MINH VÀ TÍNH TOÁN:

1 Tính chọn công suất động cơ truyền động

2 Lựa chọn phương án truyền động

3 Thiết kế mạch lực hệ truyền động

4 Thiết kế hệ thống điều khiển

5 Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống

6 Thuyết minh nguyờn lý làm việc hệ truyền động

IV CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ (GIẤY A 3 ):

Vinh, ngày tháng năm 2010

Trưởng Bộ môn Giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng và đổi mới đất nước thì việc phát triển khoa học

kỹ thuật đã được ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp Ở nước ta đã nhập khá nhiều loại máy móc, thiết bị rất hiện đại Do vậy đòi hỏi quá trình giảng dạy cho học sinh, sinh viên phải trang bị những kiến thức cơ bản về nguyên lý và hoạt động cũng như nguyên tắc vận hành của trang thiết bị nhằm nắm bắt kịp thời với thực tế của xã hội trong hiện tại và trong những năm tới

Trong quá trình học tập tại trường em đã được học môn học Trang Bị Điện,

để củng cố kiến thức môn học này đã có rất nhiều đề tài đồ án môn học về các

loại máy khác nhau được giao cho HS-SV Em đã được nhận đề tài: Thiết kế hệ

truyền động chính máy tiện Thiết kế truyền động chính máy tiện là một việc

làm tương đối khó, trong thời gian làm đồ án vừa qua, với sự cố gắng nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy, cô giáo trong bộ

môn Trang Bị Điện đặc biệt là sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của cô giáo: Nguyễn

Minh Thư, em đã hoàn thành xong bản đồ án môn học này.

Đề tài bao gồm 6 phần lớn :

1- Tính chọn công suất động cơ truyền động

2- Lựa chọn phương án truyền động

3- Thiết kế mạch lực hệ truyền động

4- Thiết kế hệ thống điều khiển

5- Xét ổn định và hiệu chỉnh hệ thống

6- Thuyết minh sơ đồ nguyên lý làm việc hệ truyền động

Trong quá trình thiết kế đồ án, với kiến thức còn hạn chế nên bản đồ án chắc khó tránh khỏi các khiếm khuyết Em rất mong được sự nhận xét góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Vinh, ngày tháng năm 2010

Sinh viên

Nguyễn Khắc Hậu

PHẦN I TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG

I KHÁI NIỆM CHUNG :

1 Đặc điểm công nghệ :

Nhóm máy tiện rất đa dạng, gồm các máy tiện đơn giản, Rơvonve, máy tiện vạn năng, chuyên dùng, máy tiện cụt, máy tiện đứng Trên máy tiện có thể thực hiện được nhiều công nghệ tiện khác nhau: Tiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiện mặt đầu, tiện côn, tiện định hình Trên máy tiện có thể thực hiện được doa, khoan và tiện ren bằng các dao cắt, dao doa, tarô ren Kích thước gia công trên máy tiện có thể từ cỡ vài milimét đến hàng chục mét (Trên máy tiện đứng)

1 : Thân máy

2 : Ụ trước

3 : Bàn dao

4 : Ụ sau

Dạng bên ngoài máy tiện

Chuyển động chính của máy tiện làm việc ở chế độ dài hạn, đó là chuyển động quay của mâm cặp, chuyển động tịnh tiến liên tục của bàn dao Các chuyển động phụ gồm chuyển động phanh cầu dao và ụ sau, kéo phôi, bơm nước, nâng

hạ, kẹp và nới xà v.v

Ở các máy cỡ nhỏ, người ta thường dùng động cơ lồng sóc để kéo các truyền động cơ bản Loại động cơ này có ưu điểm về mặt kinh tế, đơn giản và đặc tính cơ cứng Điều chỉnh tốc độ bằng phương pháp cơ khí, trong phạm vi không rộng lắm Khi máy yêu cầu phạm vi tốc độ rộng thường sử dụng động cơ lồng sóc hai hay nhiều tốc độ

Một trong những đặc điểm của máy tiện cỡ nặng là yêu cầu điều chỉnh tốc độ động cơ trong phạm vi rộng Vì vậy phần nhiều, người ta dùng động cơ điện một chiều kết hợp với tốc độ 3 ữ4 cấp Điều chỉnh tốc độ điện khí được thực hiện bằng cách thay đổi từ thông động cơ, hoặc bằng phương pháp điều chỉnh 2 vùng

2 Các thông số đặc trư ng cho chế độ cắt gọt của máy tiện

a Tốc độ cắt : Là tốc độ di chuyển tương đối của bàn dao so với chi tiết tại

điểm tiếp xúc Đây là thông số cơ bản để xác định chế độ làm việc của máy và

để tính toán chế độ cắt gọt của máy, nó phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu làm dao và chi tiết gia công.

- Lượng ăn dao : S (mm/vg)

- Chiều sâu cắt : t (mm)

- Tuổi thọ của dao : T

Tốc độ cắt được xác đinh theo biểu thức kinh nghiệm :

- T là tuổi thọ (độ bền) của dao

- S là lượng ăn dao khi chi tiết quay được một vòng

- C V, xV, yV, m là hệ số mũ phụ thuộc vào chi tiết gia công, vật liệu làm dao và

phương pháp gia công Vật liệu gia công là gang, thép CT45 và vật liệu làm dao

bằng thép hợp kim cường độ cao, nên chọn: C V = 40 ữ 260  lấy CV = 200; xV =

0,15 ữ 0,2 chọn: x V = 0,2; y V = 0,35 ữ0,8 chọn: yV = 0,35; m = 0,1 ữ 0,2 chọn: m

= 0,1; T = 60 ữ 80 ph chọn: T = 60 ph.

Để đảm bảo năng suất cao nhất, sử dụng máy triệt để nhất thì trong quá trình gia công phải luôn đạt tốc độ tối ưu, nó được xác định bởi những thông số như:

độ sâu cắt t, lượng ăn dao S và tốc độ trục chính ứng với đường kính chi tiết xác

định Khi tiện ngang chi tiết có đường kính lớn, trong quá trình gia công đường kính chi tiết giảm dần, để duy trì tốc độ cắt (m/s) tối ưu là hằng số thì phải tăng liên tục tốc độ góc của trục chính theo quan hệ:

V z =0,5 .d ct ωct.60.10 ( /−3 m ph)

Trong đó : - dct: là đường kính chi tiết (mm)

- ωct: tốc độ góc của chi tiết (rad/s)

b Lực cắt :

Là lực tác động tại điểm tiếp xúc giữa dao và chi tiết, lực đẩy tại điểm tiếp xúc gọi là lực pháp tuyến chia làm ba thành phần :

- Lực tiếp tuyến Fz : chống lại sự quay của chi tiết,

- Lực dọc trục Fx : chống lại sự di chuyển của bàn dao

- Lực hướng kính Fy : Chống lại sự tì của dao và chi tiết

Tỉ lệ các thành phần lực : Fz : Fy : Fx = 1 : 0,4 : 0,25

Lực cắt là thông số quan trọng xác định từ các chế độ cắt của máy Thông thường lực cắt được xác định theo công thức kinh nghiệm :

F Z = 9 , 81 C F.t x F.S y F.V Z n (N)

Trong đó : C F , XF , YF , n là hệ số và mũ phụ thuộc vào vật liệu làm dao, chi tiết

gia công và phương pháp gia công

.

3 kW V

t, s tương ứng với tốc độ cắt Vzmin ; nghĩa là tương ứng với hệ thức :

Fmax Vzmin = Fmin Vzmax

Sự phụ thuộc của lực cắt vào tốc độ như hình vẽ :

d Thời gian máy :

Là thời gian để gia công chi tiết, nó còn đợc gọi là thời gian công nghệ hay thời gian hữu ích Để tính thời gian máy phải căn cứ vào các yếu tố của chế độ cắt gọt và phương pháp gia công

3

.10( )

- S : là lượng ăn dao

- N : tốc độ quay của chi tiết vg/ph Như vậy để giảm thời gian gia công, ta phải tăng tốc độ cắt, lượng ăn dao và năng suất sẽ tăng

3 Phụ tải của cơ cấu truyền động cơ bản của máy tiện

a Trong truyền động chính của máy tiện lực cắt là lực hữu ích của máy nó phụ thuộc vào chế độ cắt ( t, S, V) vật liệu chi tiết làm dao.

Chuyển động chính của máy tiện là chuyển động quay được xác định :

( )2

Z Z

F d

Trong đó : - F Z là lực cắt (N)

- d là đường kính gia công (m)

Mô men hữu ích trên trục động cơ :

.( )2

Z hi

F d

i

=

i là tỉ số truyền từ trục động cơ đến trục chính của máy.

* Đối với chuyển động chính là chuyển động tịnh tiến :

M hi = FZ.ρ (N.m)

ρlà bán kính quy đổi lực cắt về trục động cơ.

* Mô men cản tĩnh trên trục động cơ : M M hi (N.m)

η - là hiệu suất của bộ truyền từ trục động cơ đến trục chính

Với máy tiện đứng do có chuyển động trượt trên băng máy nên có xuất hiện lực

ma sát nơi gờ trượt của máy

Fms = FN.µ = [g (mb + mct ) + Fy ].µ (N)

FN - là lực đẩy tác dụng lên gờ trượt

µ - là hệ số ma sát trượt phụ thuộc vào tốc độ mâm cặp ở tốc độ định mức

* Ở chế độ xác lập lực kéo của các chuyển động mâm cặp được xác định là tổng lực cắt và lực ma sát.

FK = FZ + Fms = FZ + [g (mb + mct ) + Fy ] µ (N)

Khi đó mô men trên trục động cơ ứng với chuyển động quay là:

( )

2

. N m

i

d F

b Cơ cấu truyền động ăn dao

- Trong lực truyền động ăn dao động cơ thực hiện di chuyển bàn dao hoặc chi tiết để đảm bảo quá trình gia công Hệ truyền động ăn dao được thực hiện bằng nhiều phương án khác nhau

- k = (1,2 ÷ 1,5) là hệ số dự trữ

- F ms: là lực ma sát của bàn dao ở hướng gờ trợt

- F d: là lực dính.

Fms = µ (g.mb + FY + FZ) (N)

- µ: là hệ số ma sát của bàn dao theo hướng gờ trượt

Lực dính sinh ra khi khởi động bàn dao :

Fd = β.S (N)

β - áp suất dính, thường bằng 0,5 M/m2

S - diện tích bề mặt tiếp xúc ở gờ trượt của bàn dao, cm2

Các thành phần lực ăn dao : F x, Fms, Fd không đồng thời trong quá trình làm việc Nên khi xác định phụ tải truyền động ăn dao phân ra thành hai chế độ làm việc là khởi động làm việc và ăn dao làm việc

Khi khởi động, lực ăn dao xác định bởi 2 lực ma sát do khối lượng củ bộ phận di chuyển và lực dính :

Fad.kđ = µ 0.g.mb +Fd (N)

Với µ 0= 0,2 ÷0,3 - hệ số ma sát khi khởi động

Khi cơ cấu ăn dao làm việc, lực ăn dao được tính :

Fad.lv = k.Fx +µ.( g.mb +Fy + Fx ) (N)

Với hệ số ma sát khi làm việc, µ= 0,05 ÷0,15

* Mô men trục vít vô tận được xác định theo biểu thức :

Mtv = 0,5 Fad dtv tg(α + ϕ ) (N.m)

Trong đó : d tv - đường kính trung bình của trục vít vô tận; mm

α - góc lệch của đường ren trục vít; độ

ϕ - góc ma sát của đường ren trục vít; độ

* Mô men cản tĩnh trên trục động cơ được xác định bằng công thức :

( )

tv c

M

iη

=

i, η - là tỉ số và hiệu suất của bộ truyền

Khi xác định công suất động cơ truyền động ăn dao lần lượt chọn từ điều kiện

mô men lớn nhất trong hai trị số mô men tương ứng với hai lực ăn dao khi khởi động và làm việc Bởi vì truyền động ăn dao thường có phạm vi điều chỉnh tốc

độ rộng nên động cơ cần được kiểm tra theo điều kiện mômen cản tĩnh ở tốc độ nhỏ nhất có tính đến sự giảm mô men động cơ do điều kiện làm mát xấu và kiểm tra theo điều kiện mô men khởi động

Đồ thị phụ tải của truyền động chính Đồ thị phụ tải truyền động ăn dao

c Phụ tải của cơ cấu truyền động chính máy tiện :

Truyền động chính máy tiện đứng có đặc thù riêng Trên máy tiện đứng chi tiết gia công có đường kính lớn và được đặt trên mâm cặp nằm ngang Do trọng lượng mâm cặp và chi tiết lớn nên lực ma sát ở gờ trượt và hộp tốc độ khá lớn

Vì vậy phụ tải trên trục động cơ truyền động chính là tổng các thành phần lực cắt, lực ma sát ở gờ trượt, lực ma sát ở hộp tốc độ

Đồ thị biểu diễn các thành phần công suất của truyền động chính máy tiện

- P1 là công suất khắc phục lực cắt

- P2 là công suất khắc phục lực ma sát ở gờ trượt

- P3 , P4 là công suất khắc phục lực ma sát trong hộp tốc độ tương ứng do lực ma sát và sự quay của mâm cặp

- P5 là tổng công suất của truyền động chính

II CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN :

1 Quá trình chọn công suất động cơ

Việc chọn động cơ là hết sức quan trọng, nếu chọn công suất lớn hơn trị

số cần thiết thì vốn đầu tư sẽ tăng, động cơ thường làm việc ở chế độ non tải, làm cho hệ số và hiệu suất thấp Nếu chọn công suất nhỏ hơn trị số yêu cầu thì

sẽ không bảo đảm năng suất cần thiết, động cơ chạy quá tải, giảm tuổi thọ động

cơ, tăng phí tổn vận hành

* Quá trình tính toán chọn công suất động cơ được chia làm 2 bước :

+ Bư ớc 1 : Chọn sơ bộ động cơ theo trình tự sau

Xác định công suất hoặc mô men tác dụng trên trục làm việc của hộp tốc độ.a) - Xác định công suất trên trục động cơ điện và thành lập đồ thị phụ tải tỉnh.b) - Muốn thành lập đồ thị phụ tải cho truyền động trong một chu kỳ, ta phải xác định công suất hoặc mô men trên trục động cơ và thời gian làm việc ứng với từng giai đoạn

Công suất trên trục động cơ được xác định theo biểu thức :

M M

pt

ms hi

hi

+ +

= +

2 Phương án chọn công suất động cơ cho hệ truyền động chính

Truyền động chính của máy tiện thường làm việc ở chế độ dài hạn, tuy nhiên khi gia công các chi tiết ngắn, ở các máy trung bình và nhỏ do quá trình thay đổi nguyên công và chi tiết thời gian quá lớn nên truyền động chính sẻ làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại Khi xác định công ruất động cơ truyền động chính phải tiến hành tính toán ở chế độ nặng nề nhất

Để chọn công suất động cơ truyền động chính ta cần thực hiện các bước :

+ B ước 1 : Xác định các nguyên công cần thiết trong quá trình gia công chi tiết + Bư ớc 2 : Từ các yếu tố cắt gọt xác định tốc độ cắt, lực cắt, công suất cắt và thời gian máy ứng với từng nguyên công

+ Bư ớc 3 : Chọn nguyên công nặng nề nhất và giả thiết ở chế độ đó máy làm việc ở chế độ định mức, từ đó tính hiệu suất của máy ứng với từng nguyên công.+ Bư ớc 4 : Tính công suất động cơ ứng với từng nguyên công

+ B ước 5 : Lập bảng tính toán và vẽ đồ thị phụ tải

Mm

t mm

S mm/v

ω

Rad/s

V m/ph

P0j , t0j công suất không tải trên trục động

cơ, thời gian làm việc không tải của máy

P0j = P0

Chọn động cơ có công suất định mức lớn

hơn 20 - 30 % công suất đẳng trị:

Pdm = (1,2 - 1,3).Pdt

Bước 7 : Động cơ truyền động chính máy

tiện cần phải được kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng và quá tải

1 2 01 02

02 02 01

01 2

2 1

t t t t

t P t

P t

P t

P P

M M

M M

∆ +

∆ +

∆ +

III TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ :

1.1 Số liệu ban đầu :

Ta có: nmin = 10 (vg/ph)

min

101,0479,55 9,55

Theo yêu cầu đề tài ta có hai nguyên công :

- Nguyên công 1 (Khi tiện mặt trụ) L1 = 400 mm

- Nguyên công 2 (Khi tiện cắt ngang)

- Thời gian nghỉ sau mỗi nguyên công là 50 s

1.3 Tính các thông số đặc tr ưng cho chế độ cắt :

1.3.1 Xác định tốc độ cắt :

- Khi tiện mặt trụ :

m x v y v

v z

S t T

C V

1 1

1

v y m

G0 là trọng lượng của chi tiết gia công.

F d

- Khi tiện cắt ngang :

Z hi

M M

Z hi

M M

hi pt

dm

M k

=

dm dm

1

dm pt

a b k

- Khi tiện ngang:

2 2

53697,1825

0,39138686,3

hi pt

dm

M K

0,39

pt

a b k

hicad

pt cad

dm

M k

. Z

K Z

V F

F V

- Khi tiện cắt ngang :

+ Khi máy có tải nhưng dao chưa ăn vào chi tiết gia công :

2

1153,075.31,41

0,6( )60.10 60.10

+ Khi máy có tải dao ăn vào chi tiết gia công :

1 1

1

11,171

13,14 ( ) 0,85

Z C

P

η

- Khi tiện cắt ngang :

+ Khi máy có tải nhưng dao chưa ăn vào chi tiết gia công :

Z C

D = max min max .max

1.3.9 Chọn công suất động cơ :

Các số liệu tính toán được ghi vào bảng sau :

1.3.10 Kiểm nghiệm động cơ :

Kiểm nghiệm bằng phương pháp tổn thất trung bình

Đồ thị phụ tải của động cơ

PHẦN II

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

I

KHÁI NIỆM CHUNG :

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các máy sản xuất ngày một đa dạng dẫn đến hệ thống trang bị điện ngày càng phức tạp và đòi hỏi sự chính xác và tin cậy cao Một hệ thống truyền động không những phải đảm bảo được yêu cầu công nghệ, mà còn phải ổn định Tuỳ theo loại máy công tác mà có những yêu cầu khác nhau, rất cần thiết cho giữ ổn định tốc độ, mô men với độ chính xác nào đó trước sự biến động về tải và các thông số nguồn

Do đó bộ biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành một chiều đã và đang được

sử dụng rộng rãi

Bộ biến đổi này có thể sử dụng nhiều thiết bị khác nhau để tạo ra như hệ thống máy phát, khuếch đại từ, hệ thống van Chúng được điều khiển theo những nguyên tắc khác nhau với những ưu điểm khác nhau Do đó để có được một phương án phù hợp với từng loại công nghệ đòi hỏi các nhà thiết kế phải so sánh những chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật để đưa ra phương án tối ưu

1 Nội dung ph ương án :

Trên thực tế có rất nhiều phương án để giải quyết Tuy nhiên mỗi phương án

có những ưu nhược điểm của nó Nhiệm vụ của nhà thiết kế phải chọn ra phương

án tối ưu nhất

Đối với những hệ thống truyền động điện đơn giản không có những yêu cầu cao thì chỉ cần dùng động cơ điện xoay chiều với hệ thống truyền động đơn giản Với hệ thống truyền động phức tạp có yêu cầu cao về công nghệ, chất lượng như điều chỉnh trơn, dải điều chỉnh rộng thì phải dùng động cơ điện một chiều Các hệ điều chỉnh kèm theo phải đảm bảo các yêu cầu công nghệ và có khả năng

tự động hóa cao

Như vậy, để chọn được hệ thống truyền động phù hợp thì chúng ta phải dựa vào công nghệ của máy, công suất làm việc để đưa ra những phương án cụ thể

để đáp ứng yêu cầu của nó Để chọn được phương án tốt nhất trong các phương

án đặt ra thì cần phải so sánh về kỹ thuật và kinh tế

Đối với truyền động của động cơ điện một chiều thì bộ biến đổi rất quan trọng, nó quyết định đến chất lượng hệ thống Do vậy việc lựa chọn phương án

và lựa chọn bộ biến đổi thông qua việc xét các hệ thống

2 Ý nghĩa của việc lựa chọn :

Việc lựa chọn phương án hợp lý có một ý nghĩa đặc biệt quan trọng, nó được thể hiện qua các mặt

+ Đảm bảo được yêu cầu công nghệ máy sản xuất

+ Đảm bảo được sự làm việc lâu dài, tin cậy

+ Giảm giá thành sản phẩm, tăng năng suất

+ Dể dàng sữa chữa, thay thế khi xẩy ra sự cố

II CÁC PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG:

1 Hệ truyền động máy phát - Động cơ : (F - Đ)

Trong hệ truyền động máy phát - Động cơ (F - Đ) nguồn cung cấp phần ứng động cơ là bộ biến đổi máy điện (máy phát điều khiển kích từ độc lập)

Sơ đồ nguyên lý :

Động cơ Đ truyền động cho máy sản xuất, máy sản xuất được cấp điện phần ứng từ máy phát F Động cơ sơ cấp kéo máy phát F và động cơ một chiều KĐB ĐK, động cơ ĐK cũng kéo máy phát tự kích từ K để cấp điện kích từ cho động cơ Đ và máy phát F Biến trở RKK dùng để điều chỉnh dòng điện kích từ của máy phát tự kích từ F Nghĩa là để điều chỉnh điện áp phát ra cấp cho các cuộn kích từ máy phát KTF và cuộn dây động cơ KTĐ Biến trở RKF dùng để điều chỉnh dòng kích từ máy phát F, do đó điện áp phát ra của máy phát F đặt vào phần ứng động cơ Đ Biến trở RKĐ dùng để điều chỉnh dòng kích từ động

cơ, do đó thay đổi tốc độ động cơ nhờ thay đổi từ thông

Phương trình đặc tính cơ của động cơ của động cơ Đ

d

u u

d k

R I k

U

Φ

− Φ

ω

Với U = UF - R I hay u

d

uE uD d

I k

R R k

F E

= ω

Từ phương trình đặc tính cơ của

+ Có thể đảo chiều động cơ một cách dễ dàng

+ Có khả năng quá tải cao

+ Đặc tính quá độ tốt, thời gian quá độ ngắn

+ Điện áp đầu ra của máy phát bằng phẳng có lợi cho động cơ

+ Có khả năng giử cho đặc tính cơ của động cơ cao và không đổi trong quá trình làm việc

- Nh ược điểm :

+ Hệ thống sử dụng nhiều máy điện quay cho nên gây ồn, kết cấu cơ khí cồng kềnh chiếm nhiều diện tích

+ Tổng công suất đặt lớn

+ Vốn đầu tư ban đầu lớn

+ Máy điện một chiều thường có từ dư lớn, đặc tính từ hóa có trể nên khó điều chỉnh sâu tốc độ

2 Hệ truyền động tiristo - Động cơ (T - Đ)

Sơ đồ gồm :

- FT : Máy phát tốc dùng để phản hồi âm tốc độ phần ứng của động cơ

- BBĐ : Bộ biến đổi dùng tiristor biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cấp cho động cơ

- Đ : Động cơ một chiều kích từ độc lập kéo máy sản xuất

- TH&KĐ : Khâu tổng hợp và khuếch đại tín hiệu

- UCd : tín hiệu đặt vào

- γ .n : tín hiệu phản hồi âm tốc độ.

* Nguyên lý làm việc của hệ thống :

Giả thiết ban đầu hệ thống đã được đóng vào lưới điện với điện áp thích hợp, lúc này động cơ vẫn chưa làm việc Khi đặt vào hệ thống một điện áp ứng với một tốc độ nào đó của động cơ thông qua khâu tổng hợp khuếch đại và mạch phát xung (FX) sẽ xuất hiện các xung đưa tới cực điều khiển của các van bộ biến đổi Nên lúc này các van đó đang đặt điện áp thuận thì van đó sẽ mở

Đầu ra của BBĐ có điện áp UCd đặt lên phần ứng của động cơ dẫn đến động cơ quay, tốc độ của nó ứng với UCd ban đầu

Trong quá trình làm việc, nếu một nguyên nhân nào đó làm cho tốc độ động cơ giảm thì ta thấy : Uđk = Ucd - γ.n , nên khi n giảm → Uđk tăng → α giảm →

Uđ tăng → n tăng tới điểm làm việc yêu cầu Khi n tăng quá mức cho phép thì

quá trình xẩy ra ngược lại, chính là quá trính ổn định tốc độ

E

n U

K

K ( − γ )

Phương trình đặc tính cơ của hệ thống :

d d

u b d

d

d b dk d

d

u b d

d

d

K

R R K

n U K K K

R R K

U

Φ

+

− Φ

−

= Φ

) (

.

γ ω

u b dk

u b b

dk

d b

K K

R R K

K

U K

K

1

ω

+

+

− +

+ Trong thành phần của hệ biến đổi có máy biến áp nên hệ số cosϕ thấp.

+ Do vai trò chỉ dẫn dòng một chiều nên việc chuyển đổi chế độ làm việc khó khăn đối với các hệ thống đảo chiều

+ Do có vùng làm việc gián đoạn của đặc tính nên không phù hợp truyền động động cơ tải nhỏ

III - CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG :

Quá quá trình phân tích hai hệ thông F - Đ và T- Đ ta thấy chúng có những

ưu điểm nhược điểm nhất định Cả hai hệ thống đều đáp ứng được yêu cầu công nghệ đặt ra

Nhưng xét về chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật thì mổi hệ thống đạt được những đặc điểm khác nhau Cụ thể ta thấy hệ F-Đ dể điều chỉnh tốc độ, chuyển đổi trạng thái hoạt động linh hoạt vì đặc tính hệ thống năm đều bốn góc phần tư Với hệ thống F-Đ khi lắp đặt chiếm diện tích lớn, cồng kềnh nhưng hiệu suất lại không cao Khi làm việc lại gây ồn ào, rung động mạnh, công lắp đặt lớn, vốn đầu tư cao

Trong giai đoạn CNH - HĐH ngày nay với xu thế chung hướng tới mục tiêu yêu cầu tối ưu nhất đảm bảo tính khoa học, gọn nhẹ không gây ồn, ít ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Với hệ truyền động F-Đ, mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng còn nhiều hạn chế chưa đáp ứng được yêu cầu CNH - HĐH hiện nay Ngày nay với nền công nghiệp hiện đại người ta đang dần tiền hành thay thế hệ thống truyền động F-Đ bằng các hệ truyền động khác Với hệ truyền động T-Đ

có hệ số khuếch đại lớn, dể tự động hoá do tác động nhanh chính xác, công suất tổn hao nhỏ Kích thước nhỏ và gọn nhẹ

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ xu hướng tự động hoá các hệ thống tự động, gia công chính xác nên điều khiển hệ thống được thực hiện bằng cách lắp ghép hệ thống với các bộ điều khiển tự động như PLC, vi xử lý

Nhìn chung hệ thống T-Đ đáp ứng được yêu cầu đặt ra Với những ưu điểm

và những đặc điểm phù hợp cách truyền động Vậy em quyết định chọn phương

án truyền động T - Đ

Bởi vì hệ T-Đ có chế độ tác động nhanh và dễ tự động hoá, phù hợp với yêu cầu của sự phát triển khoa học kỹ thuật đó là tối ưu hoá, tự động hoá gia công chi tiết chính xác, độ tin cậy cao, giảm được sức lao động và tăng năng suất, kích thước cơ khí gọn nên phần cơ khí của máy gọn tạo nên tính thẩm mỹ của hệ thống Vì thế kinh tế vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp hơn nhiều so với hệ truyền động F-Đ

PHẦN III

THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ TRUYỀN ĐỘNG

1 Các sơ đồ nối dây của bộ chỉnh l ưu có điều khiển

Trong kỹ thuật điện hiện nay có nhiều trờng hợp phải sử dụng nguồn điện

áp một chiều có trị số thay đổi đợc để cung cấp cho các phụ tải khác nhau tuỳ

thuộc mục đích sử dụng Các nguồn điện áp một chiều nhà máy phát điện một

chiều, các bộ biến đổi tĩnh (Khuếch đại từ) có khá nhiều nhược điểm, trong đó

có nhược điểm cơ bản là tổn thất riêng khá lớn Cùng với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn và vi mạch điện tử thì việc sử dụng các bộ chỉnh lu bán dẫn có điều khiển ngày càng được phổ biến và có nhiều ưu việt

a) Sơ đồ nối dây hình tia:

 Hệ thống điện áp nguồn xoay chiều m pha phải có điểm trung tính Trung

tính nguồn là điện cực còn lại của điện áp chỉnh lưu

b) Sơ đồ hình cầu:

Đặc điểm của sơ đồ chỉnh lưu cầu:

 Số van chỉnh lu bằng 2 lần số pha của điện áp nguồn cung cấp, trong đó

có m van có katôt nối chung (các van 1, 3, 5) tạo thành cực dương của điện áp nguồn ; m van có anôt chung ( 2, 4, 6) tạo thành cực âm của điện áp chỉnh lưu

 Mỗi pha của điện áp nguồn nối với 2 van, 1 ở nhóm anôt chung, 1 ở nhóm katôt chung

Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý hệ thống CL- Đ hình cầu 3 pha và sơ đồ thay thế

2 Nguyên lý làm việc của BBĐ xoay chiều - một chiều

a) Sơ đồ tia:

Xét sơ đồ tia 3 pha katôt nối chung

Để một Thyristor mở cần có 2 điều kiện

 Điện áp Anôt - Katôt phải dương

( UA > 0)

 Có tín hiệu điều khiển đặt vào điện cực

điều khiển và Katôt của van

Do đặc điểm vừa nêu mà trong sơ đồ tia 3 pha

các van chỉ mở trong một giới hạn nhất định

Ví dụ: ở pha A, trong khoảng ωt = 0 ÷π uA > 0

Tuy nhiên ở các khoảng ωt = 0 ÷π / 6 → uC > uA

và ωt = 5π/6 ÷π → ub > uA

Như vậy van T1 nối vào pha A chỉ có thể mở trong khoảng ωt = π /6 - 5

π/6 Trong khoảng này nếu tín hiệu đến cực điều khiển của T1 thì T1 mở Tương tự với T2 và T3

Thời điểm α 0 = ωt = π /6 đợc gọi là thời điểm mở tự nhiên của sơ đồ chỉnh

l-ưu 3 pha Nếu truyền tín hiệu mở van chậm hơn thời điểm mở tự nhiên một góc

độ điện thì khoảng dẫn dòng của van sẽ thay đổi (nhỏ hơn 2π/3) dẫn đến trị số trung bình của điện áp chỉnh lưu sẽ giảm đi Khi góc mở α càng lớn thì Ud càng nhỏ

b) Sơ đồ cầu:

Từ kết cấu của sơ đồ chỉnh lưu cầu ta có nhận xét: Để có dòng qua phụ tải thì trong sơ đồ phải có ít nhất 2 van cùng thông, một ở nhóm anôt chung, một ở nhóm katôt chung Vậy với giả thiết là sơ đồ làm việc ở chế độ dòng liên tục và

bỏ qua quá trình chuyển mạch thì khi bộ chỉnh lưu cầu m pha làm việc, ở một

thời điểm bất kỳ trong sơ đồ luôn có 2 van có thể dẫn dòng khi có xung điều khiển: Van ở nhóm katôt chung nối với pha có điện áp dơng nhất và van ở nhóm anôt chung nối với pha có điện áp âm nhất Thời điểm mở tự nhiên của sơ đồ cầu cũng đợc xác định như đối với sơ đồ tia có số pha tương ứng:

 Để điều khiển điện áp chỉnh lu trên phụ tải một chiều ta thay đổi thời điểm đưa xung điều khiển đến các cực điều khiển của các van, làm thay đổi khoảng dẫn dòng của van làm điện áp trung bình của chỉnh lưu thay đổi.Đặc điểm của các sơ đồ hình tia là ngoài các thời gian chuyển mạch các van ứng với γ (là khoảng thời gian khi một van nào đó đang ngừng làm việc và van

tiếp sau đang bắt đầu làm việc ) dòng điện phụ tải id bằng dòng điện trong van đang mở Do đó dòng điện trong mạch phụ tải được xác định bởi sức điện động pha làm việc của máy biến áp, còn độ sụt áp trong bộ biến đổi thì được xác định bởi độ sụt áp trên pha đó Ở sơ đồ cầu, bên ngoài chu kỳ chuyển mạch vẫn có hai van làm việc đồng thời Dòng điện phụ tải chảy liên tiếp qua hai van và hai pha của máy biến áp dưới tác dụng của hiệu số sức điện động của các van tương ứng, nghĩa là dưới tác dụng của sức điện động dây Sau một chu kỳ biến thiên của điện áp xoay chiều cả sáu van của bộ biến đổi đều tham gia làm việc Trị số trung bình của sức điện động chỉnh lưu Ed ở trạng thái dòng điện liên tục được xác định như sau : Ed = Eđmcosα

Trong đó Eđm là trị số cực đại của sức điện động chỉnh lu ứng với trờng hợp 0

=

α

Với sơ đồ 3 pha hình tia trị số cực đại của sức điện động chỉnh lưu là:

Eđm1 =1,17E2f Với sơ đồ cầu là Eđm2 =2,34E2f

Trong đó E2f là trị số hiệu dụng của s.đ.đ pha thứ cấp máy biến áp

Kết luận : Để phù hợp với yêu cầu của đề tài thì ta chọn bộ chỉnh lưu cầu 3 pha.

3 Dòng điện chỉnh lư u trên phụ tải một chiều:

Do điện áp chỉnh lưu lặp đi lặp lại 2m (hoặc m) lần trong một chu kỳ của

điện áp nguồn nên ở chế độ xác lập thì dòng qua tải cũng lặp đi lặp lại như vậy (tuỳ thuộc sơ đồ chỉnh lưu là tia hay cầu, số pha chẵn hay lẻ) Như vậy chỉ cần

biết dòng và áp trên tải trong khoảng thời gian là 1/m chu kỳ hay là tương đương

góc độ điện 2? / q ( q = 2m hoặc q = m) Để xác định dòng và áp trên tải ta dựa vào sơ đồ thay thế của chỉnh lu trong một khoảng thời gian làm việc của một van

Hình 2- 10: Sơ đồ thay thế của chỉnh lu trong khoảng thời gian làm việc của

van

 U: tổng đại số điện áp nguồn xoay chiều tác động trong mạch vòng nối với

các van đang dẫn dòng trong sơ đồ ở thời gian đang xét

 Nếu là sơ đồ tia thì chỉ có 1 van mở, u = uf

 Nếu là sơ đồ cầu thì có 2 van ở 2 pha khác nhau cùng làm việc, u = ud

 Nếu chọn mốc thời gian xét t = 0 là thời điểm bắt đầu mở một van trong sơ

R + = sin( ω + ψ ) − (2-5)

Giải phơng trình này ta nhận đợc biểu thức của dòng điện chỉnh lu:

] )

( 1

) sin(

1 [ ] )

( 1

) sin(

1

[

2 /

2 0

ωτ

ωτ ψ

ϖ ωτ

ωτ

+

− +

−

− +

arctg I

 Nếu trong toàn bộ thời gian làm việc id > 0 ta có chế độ dòng tải liên tục

 Nếu trong một chu kỳ làm việc mà dòng tải có q khoảng bằng không và q khoảng khác không ( q = m nếu là sơ đồ tia, q = 2m nếu là sơ đồ cầu ) ta có chế

độ dòng tải gián đoạn

 Chế độ giới hạn giữa 2 chế độ nêu trên đợc gọi là chế độ dòng biên liên tục

4 Đảo chiều trong hệ thống T - Đ

Trong nhiều trờng hợp cần phải thay đổi đợc chiều dòng điện qua phụ tải của bộ chỉnh lưu Do tính dẫn dòng một chiều của các van nên phải đảo chiều bằng

công tắc tơ hoặc sử dụng các sơ đồ đặc biệt gồm 2 bộ chỉnh lưu, mỗi bộ dẫn dòng theo một chiều.

Có 2 bộ chỉnh lưu điều khiển là sơ đồ đấu chéo và sơ đồ song song ngược Về mặt nguyên lý thì sơ đồ đấu chéo hoặc sơ đồ song song ngược hoạt động tương

tự như nhau Khi BBĐ này làm việc thì BBĐ kia nghỉ, khi đổi chế độ của BBĐ thì dòng điện qua tải được đổi chiều Thực tế ngời ta hay sử dụng sơ đồ đấu song song ngược với các phương pháp điều khiển khác nhau

Để điều khiển 2 BBĐ song song ngược có thể sử dụng 2 phơng pháp điều chỉnh :

 Điều khiển riêng rẽ (điều khiển độc lập): Là sử dụng 2 bộ phát xung độc lập nhau Khi bộ phát xung này làm việc (phát xung mở cho BBĐ) thì bộ kia nghỉ,

do đó các van trong BBĐ còn lại không thể mở được Khi cần đảo chiều thì cho

bộ này nghỉ, sau đó cho bộ thứ 2 phát xung để mở các van của BBĐ thứ 2 Phương pháp điều khiển này có nhược điểm là tần số đảo chiều không cao vì các van Thyristor cần có thời gian để khôi phục đặc tính khoá của nó

 Điều khiển phụ thuộc: Cả 2 bộ phát xung cùng phát xung đến các BBĐ, trong đó một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, bộ còn lại làm việc ở chế độ nghịch lưu chờ Khi sử dụng phương pháp này, sẽ có dòng điện không cân bằng chạy trong các BBĐ Để hạn chế dòng này người ta sử dụng các cuộn kháng cân bằng

Hình 2- 10: Sơ đồ nối song song ngược

của hệ thống CL - Đ có đảo chiều quay.

⇒ Chọn phương án điều khiển chung

Đặc điểm của phương pháp này là hai mạch chỉnh lưu cùng hoạt động, tức là cùng được phát xung điều khiển Tuy nhiên một bộ phận làm việc ở chế độ

chỉnh lưu, là bộ xác định dấu của điện áp một chiều hoặc xoay chiều của động

cơ, còn bộ kia chạy ở chế độ nghịc lưu và sẳn sàng chuyển sang chế độ chỉnh lưu

Hình vẽ là thí dụ về bộ chỉnh lu đảo chiều sữ dụng sơ đồ cầu ba pha Do hai bộ chỉnh lu cùng đấu vào một tải nên giá trị trung bình của chúng phải bằng nhau

Thiết kế mạch động lực:

Muốn xây dựng sơ đồ mạch động lực phải chọn đợc sơ đồ chỉnh lưu để làm

bộ biến đổi cho mạch, nh đã biết ở phần II, hệ T-Đ có tác động nhanh, cao, không gây ồn ào và dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số công suất cao, điều đó thuận tiện cho các hệ thiết kế các hệ tự động điều khiển để nâng cao chất lợng các đặc tính tĩnh và động của hệ Mặt khác các mạch chỉnh lưu điều khiển

có sức điện động Ed phụ thuộc vào góc điều khiển α nên có thể dùng làm nguồn điều khiển điện áp phần ứng hoặc dòng kích thích động cơ

Tốc độ truyền động điện trong hệ thống này được điều chỉnh bằng cách biến đổi góc thông van chậm α của van, tức là điều chỉnh sđđ Eđ của bộ biến đổi Khi biến đổi α từ 0 đến π2 , trị số E

đ biến thiên từ Eđm đến 0 Rõ ràng là các đặc tính cơ và đặc tính tốc độ của truyền động điện là một họ các đường thẳng song song với nhau Các đường thẳng đó cắt trục tung tại những điểm tương ứng với các tốc độ không tải lý tưởng

dm

v dm

K

U E

α = = thì ω ' 0=0 và động cơ làm việc ở trạng thái hãm

động năng Khi α >π2 , ω ' 0 < 0, hệ thống truyền động điện sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh Khi đó, năng lượng do máy điện một chiều sinh ra sẽ đợc bộ biến đổi van biến thành năng lượng điện xoay chiều để truyền vào lưới cung cấp

Khi này, bộ biến đổi van làm việc ở trạng thái nghịch lưu với đặc điểm sau: dòng điện trong mạch của nguồn xoay chiều chạy dưới tác dụng của sđđ E của động cơ trong phần lớn khoảng dẫn của van, dòng điện này chảy ngược chiều sđđ của các cuộn dây máy biến áp.Để không xảy ra hiện tượng ‘‘đột biến nghịch lưu’’ với dòng điện trong mạch lớn gấp nhiều lần so với lúc làm việc bình th-ường, dễ gây hỏng trong bộ biến đổi, mà trước hết là gây nguy hiểm cho các van, ta phải hạn chế góc thông van:

αmax ≤ π − ( γ + δ )

Trong đó: δlà khoảng thời gian để phục hồi tính chất ngắt của van

Khi tần số lới là 50Hz, góc phục hồi tính chất ngắt của van ion bằng khoảng 120 Đối với Thyristor, thời gian phục hồi tính chất ngắt không quá 150µs, tương ứng với δ ≈ 3 °

Thường thường, khi phân tích hoạt động của bộ biến đổi ở trạng thái nghịch lưu, người ta sử dụng khái niệm ‘‘ góc thông trước’’ của van β = π − α

Tương ứng để loại trừ hiện tượng’’đột biến nghịch lưu’’ ta có điều kiện hạn chế sau: βmin ≥ γ + δ

Trong thực tế ở các hệ thống truyền động, van, người ta áp dụng ba phương pháp biến đổi chiều mômen động cơ sau:

a) Biến đổi chiều từ thông động cơ khi chiều dòng điện phần ứng không đổi

c) Biến đổi cực tính điện áp phần ứng nhờ bộ biến đổi van hai nhóm (hình c) Khi áp dụng hai phương pháp đầu, động cơ được xung cấp từ bộ điều khiển đơn (bộ biến đổi một nhóm) Tuy nhiên, khi đó rất khó thực hiện chuyển đổi từ trạng thái động cơ sang trạng thái hãm với chiều quay không đổi Sơ đồ đầu là rẻ nhất và đơn giản nhất, song có nhược điểm là thời hạn đảo chiều lớn, bằng khoảng (0,5 - 2,5)s ,( do hằng số thời gian của cuộn dây kích từ động cơ không lớn) Sơ đồ thứ hai tuy có thời hạn đảo chiều nhỏ hơn nhưng van không thể dưới 0,1s vì trong quá trình đảo chiều, phải đảm bảo thứ tự tác động nhất định trong hệ thống điều khiển truyền động điện.

Đối với các hệ thống truyền động yêu cầu đảo chiều nhanh và cần có trạng thái động cơ hay trạng thái hãm trong cùng một chiều quay của động cơ, người ta sử dụng các sơ đồ có hai nhóm van (bộ biến đổi kép) Mỗi nhóm dẫn dòng điện theo một chiều nên bộ biến đổi có khả năng dẫn điện theo cả hai chiều Bộ biến đổi như vậy có thể được nối theo nhiều sơ đồ khác nhau Có 2 bộ chỉnh lưu điều khiển là sơ đồ đấu chéo và sơ đồ song song ngược Về mặt nguyên lý thì sơ đồ đấu chéo hoặc sơ đồ song song ngược hoạt động tương tự như nhau Khi BBĐ này làm việc thì BBĐ kia nghỉ, khi đổi chế độ của BBĐ thì dòng điện qua tải được đổi chiều Thực tế người ta hay sử dụng sơ đồ đấu song song ngược với các phương pháp điều khiển khác nhau Trong sơ đồ song song ngược, cả hai nhóm van đều được cung cấp từ một nhóm dây cuốn thứ cấp của máy biến áp Khi hệ thống truyền động điện làm việc ở trạng thái động cơ, một nhóm van,

ví dụ 1V làm việc ở trạng thái chỉnh lưu còn nhóm kia 2V bị khoá hoặc chuẩn bị làm việc ở trạng thái nghịch lưu Trong trường hợp thứ hai, để loại trừ hiện t-ượng truyền năng lượng do 1V biến đổi vào lưới qua 2V ta phải bảo đảm Eđ2>

Eđ1 Nếu 2V làm việc ở trạng thái chỉnh lưu, thì 1V phải được khoá hoặc chuẩn

bị làm việc ở chế độ nghịch lưu Khi đó, tương ứng với trường hợp trên, ta có Ed1

≥ Ed2: Như vậy nói chung Edn1 ≥ Edc2 , trong đó Edn1 , Edc2 - sđđ của các nhóm van bộ biến đổi làm việc ở trạng thái nghịch lưu và chỉnh lưu

Khi hệ thống truyền động điện làm việc ở trạng thái hãm tái sinh, một nhóm van làm việc ở trạng thái nghịc lưu, còn nhóm van kia bị khoá hoặc chuẩn bị