Đồ án chuyên môn tự động hóa: Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện cho cầu trục 2 dầm kiểu hộp

NỘI DUNG Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện cho cầu trục 2 dầm kiểu hộp có số liệu Tải trọng nâng : G = 1250 kg Vận tốc nâng : vn = 12 m/phút Vận tốc di chuyển xe lăn : vxe = 40m/phút Tầm rộng : L = 40 m Chế độ làm việc trung bình : TĐ = 25% Đường kính puli : D = 0,35 m Hiệu suất cơ cấu :  = 0,75

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Số : Đề 13Giáo viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Đăng Toàn

1 Khái quát chung về hệ thống cầu trục và lựa chọn phương án truyền động điện

2 Tính chọn công suất động cơ truyền động và các thiết bị liên quan

3 Thiết kế mạch điều khiển và mạch lực cho hệ truyền động điện

4 Kết luận

Ngày giao đề : 26/8/2015 Ngày hoàn thành : 30/11/2015

BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MỤC LỤC

ĐỒ ÁN MÔN HỌC 1

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG CẦU TRỤC VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 5

1.1 Giới thiệu về công nghệ và chức năng của cầu trục 5

1.2 Lựa chọn công nghệ 6

1.3 Chọn phương án truyền động 6

1.4 Động cơ điện 1 chiều 7

1.4.1 Khái niệm 7

1.4.2 Phân loại 7

1.4.3 Cấu tạo 7

1.4.4 Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều 8

1.4.5 Mở máy động cơ điện một chiều 9

1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều 10

1.6 Động cơ điện một chiều kích từ song song 12

CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ VÀ THIẾT BỊ NÂNG 13

2.1 Tính toán phụ tải chính 13

2.1.1 Lựa chọn các thông số 13

2.1.2 Phụ tải tĩnh khi nâng tải 14

2.1.3 Phụ tải tĩnh khi hạ tải 15

2.2 Chọn sơ bộ công suất động cơ 16

2.3 Tính chọn thiết bị 18

2.3.1 Lựa chọn cầu chì, cầu dao 18

Cầu Chì Bussmann FWH-100A 19

2.3.2 Lựa chọn Công tắc tơ 20

Chọn công tắc tơ LS GMC-50 20

2.3.3 Công tắc hành trình dạng xung 21

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 23

3.1 Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY 23

3.2 Thiết kế mạch điều khiển và mạch lực 25

3.2.1 Quy trình công nghệ 25

3.2.2 Thuật toán điều khiển logic 26

CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 30

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, các công nghệ tiên tiến, các dây chuyền và thiết bị hiện đại đangtừng ngày, từng giờ được ứng dụng vào sản xuất Với chính sách mở cửa của Đảng vàNhà nước ta, chắc chắn các công nghệ tiên tiến và hiện đại của thế giới sẽ ngày càngđược áp dụng hiệu quả vào Việt Nam với quy mô, số lượng, chất lượng một cáchnhanh chóng Tác dụng của các công nghệ mới và dây chuyền sản xuất hiện đại đãgóp phần thúc đẩy sự nghiệp Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá đất nước

Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang pháttriển với tốc độ ngày càng cao.Trong quá trình sản xuất, việc tự động hoá một dâychuyền sản xuất đóng vai trò rất quan trọng.Nó là cầu nối giữa các hạng mục sảnxuất, giữa các phân xưởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dâychuyền.Việc điều khiển hoạt động của các dây chuyền hiện đại, tiên tiến cũng ngàycàng đa dạng và phức tạp

Một trong những hoạt động không thể thiếu của một nhà máy công nghiệp hiệnđại là hệ thống cần trục rải liệu Cần trục là một thiết bị vận chuyển và nâng hạ trongnhà máy, năng suất của cần trục ảnh hưởng rất lớn đến đến năng suất chung của nhàmáy Vì vậy, các thiết bị điện và hệ thống điều khiển của cần trục phải đảm bảo việctiện lợi, có năng suất cao, vận hành an toàn và thao tác đơn giản, cũng như đáp ứngđầy đủ các đặc điểm, yêu cầu công nghệ của hệ thống

Đồ án “Nghiên cứu thiết kế hệ truyền động điện cho cầu trục 2 dầm kiểu hộp”,nhắm mục đích cho sinh viên tiếp xúc làm quen với các hệ thống cần trục rải liệu Sửdụng những phương pháp tổng hợp hệ thống đã học vào thực nghiệm, làm quen vớicác thiết bị điều khiển truyền động, ghép nối mạch điều khiển Trang bị cho chúng tanhững kiến thức cơ bản trước khi ra trường

Trong quá trình thiết kế, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộmôn và ý kiến của các bạn, em đã hoàn thành được bản đồ án này Nhưng do thờigian tương đối ngắn và kinh nghiệm còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏithiếu sót Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo thạc

sĩ Nguyễn Đăng Toàn và sự góp ý của các bạn sinh viên

CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG CẦU TRỤC VÀ LỰA

CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

1.1 Giới thiệu về công nghệ và chức năng của cầu trục

Cầu trục là thiết bị dùng để nâng bốc vận chuyển hàng hoá thiết bị dùng trên côngtrường xây dựng, trong nhà máy công nghiệp luyện kim, cơ khí lắp ráp, trong hảicảng Theo chức năng, cần trục được chia ra làm hai loại:

- Cầu trục vận chuyển được dùng rộng rãi với yêu cầu chính xác không cao

- Cầu trục lắp ráp dùng nhiều trong các nhà máy cơ khí để lắp ghép các chi tiếtmáy móc với yêu cầu chính xác cao

Cầu trục trong bài được xếp vào loại cầu trục vận chuyển Nó có thể di chuyển phụ tảitheo hai phương: phương nằm ngang và phương thẳng đứng nhờ vào hệ thống truyềnđộng đặt trên cần trục

Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục được xác định từ các yêu cầu của quá trìnhcông nghệ, chức năng của cầu trục trong dây truyền sản xuất Nhìn chung, các thiết bịđiện cầu trục làm việc trong chế độ ngắn hạn lặp lại, dễ bị quá tải nhiều, tần số đóngcắt lớn, chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy, hãm và đảo chiều

Từ những đặc điểm của hệ thống cầu trục nói chung, có thể đưa ra các yêu cầu côngnghệ cơ bản của hệ thống cầu trục:

- Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động phải đơn giản Các phần tử cấu thành có

độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo và thay thế dễ dàng Cầu trục phải được bảo vệchống quá tải và chống ngắn mạch bằng cầu chì trong mạch động lực

- Quá trình mở máy diễn ra theo một luật đã được định sẵn Sơ đồ điều khiển chung

cho cả hai động cơ

- Đảm bảo ở tốc độ thấp và dừng chính xác.

- Để bảo vệ an toàn cho người và thiết bị khi vận hành, trong sơ đồ điều khiển nhất

thiết phải dùng các công tắc hành trình để hạn chế sự chuyển động của cơ cấu khichúng vượt quá giới hạn cho phép

- Khi có sự cố, phải có khả năng điều chỉnh hệ thống về vị trí ban đầu để chuẩn bị

tiến hành một chu trình làm việc mới

- Các khí cụ, thiết bị điện trong hệ thống truyền động và điều khiển phải làm việc tin

cậy trong các điều kiện của môi trường nhằm nâng cao năng suất, an toàn trong vậnhành

Sơ đồ công nghệ của hệ thống cầu trục

- Bộ công tắc hành trình dạng xung: các công tắc hành trình tự phục hồi A, B, C

- Mạch điều khiển: các thiết bị đóng cắt có tiếp điểm

1.3 Chọn phương án truyền động

- Cơ cấu thiết kế được dùng tời và móc

- Tời nâng gồm có động cơ điện, hộp giảm tốc, tang và cáp nâng

+ Động cơ điện có hai loại động cơ điện một chiều và động cơ xoay chiều

Động cơ xoay chiều 3 pha được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với công suất,tính bền cao, momen khởi động lớn, dễ đảo chiều Bên cạnh đó ta có động cơ mộtchiều : là loại động cơ điện có khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng , khilàm việc đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng , giá thành cao, khi lắp đặtcần thêm bộ chỉnh lưu khá phức tạp Trên những ưu khuyết điểm của hai động cơ điệnxoay chiều và động cơ điện 1 chiều ta thấy được động cơ điện xoay chiều tuy tích chấtthay đổi tốc độ không bằng động cơ điện một chiều nhưng với tính thông dụng, bền vàkinh tế hơn thì những khuyết điểm của động cơ này vẫn chấp nhận được Vậy khi thiết

kế cầu trục hai dầm này ta dùng động cơ điện một chiều phù hợp

1.4 Động cơ điện 1 chiều

1.4.1 Khái niệm

Là máy điện 1 chiều hoạt động theo chế độ động cơ khi E < U Động cơ điệnmột chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp, giao thông vận tải và nóichung ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong một phạm vi rộng(máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện…)

1.4.2 Phân loại

Động cơ điện một chiều được phân loại theo phương pháp kích từ, gồmcó bốnloại :

- động cơ điện kích từ độc lập

- dộng cơ điện kích từ song song

- động cơ điện kích từ nối tiếp

- động cở điện kích từ hỗn hợp

1.4.3 Cấu tạo

Những phần chính của động cơ điện một chiều gồm stato với cực từ, roto vớidây quấn và cổ góp với chổi than

-Stato (phần cảm): gồm lõi thép bằng thép đúc, vừa làm mạch từ vừa là vỏmáy Các dây quấn kích từ.

-Roto(phần ứng): Roto của máy điện một chiều gọi là phần ứng, gồm lõithép

và dây quấn phần ứng Lõi thép hình trụ, làm bằng cọc lõi thép kỹ thuật điệnghép lại với nhau.Các lá thép được dập có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây quấnphần ứng.Mỗi phần tử của dây quấn, phần ứng có chiều vòng dây, hai đầu vớihai phiến góp, hai cạnh tác dụng của phần tử dây quấn đặt trong hai rãnh dướihai cực khác tên

-Cổ góp và chổi than :

Cổ góp gồm các phiến góp bằng đồng được ghép cách điện, có dạng hình trụ, gắn

ở đầu trục roto.Các đầu dây của phần tử nối với phiến góp

Chổi than (chổi điện) làm bằng than graphit.Cọc chổi than tì chặt lên cổ góp nhờ

lò xo và giỏ chổi điện gắn trên nắp máy

1.4.4 Nguyên lý làm việc động cơ điện 1 chiều

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B, trong dây quấn phầnứng có dòng điện Iư Cọc thanh dẫn ab, cd có dòng điện nằm trong từ trường, sẽchịu lực Fđt tác dụng làm cho roto quay, chiều lực xác định theo quay tắc bàn taytrái

Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí cọc thanh dẫn ab, cd đổi chỗ cho nhau,

do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi, đảmbảo động cơ có chiều quay không đổi

Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động Eư.Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ một chiều sứcđiện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư cũn gọi là sức phản điện

Để giảm dòng điện mở máy, đạt Imở = (1,5÷ 2) Iđm, ta dùng có biện pháp sau :

-Dựng biến trở mở máy : mắc biến trở mở máy vào mạch phần ứng Lúc đầu đểđiện trở mở máy Rmở lớn nhất, trong quá trình mở máy, tốc độ tăng lên, sức điệnđộng Eư tăng và điện trở mở máy giảm dần đến 0, máy làm việc đúng điện ápđịnh mức

-Giảm điện áp đặt vào phần ứng : Phương pháp này được sử dụng khi có mộtchiều có thể điều chỉnh điện áp, ví dụ trong máy phát động cơ, hoặc nguồn mộtchiều chỉnh lưu.

Cần chỳ ý rằng momen mở máy lớn, lỳc mở máy phải có từ thông lớn nhất, vì thếcác thông số mạch kích từ phải điều chỉnh sao cho dòng điện kích từ lúc mở máylớn nhất

1.5 Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Về phương diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều ưu việthơn so với loại động cơ khác, không những nó có khả năng thay đổi tốc độ một cách

dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồng thời lại đạt chấtlượng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

M

M c

Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, tốc độ điều chỉnh liên tục, nhưng

do thêm Rp nên tổn hao tăng, không kinh tế

 Điều khiển từ thông:

Điều chỉnh từ thông kích thước của động cơ điện một chiều là điều chỉnhmoment điện từ của động cơ M  K I u và sức điện động quay của động cơ E u  K 

Khi từ thông giảm thì tốc độ quay của động cơ tăng lên trong phạm vi giới hạn củaviệc thay đổi từ thông Nhưng theo công thức trên khi F thay đổi thì mômen, dòngđiện I cũng thay đổi nên khó tính được chính xác dòng điều khiển và mômen tải =>phương pháp này cũng ít dùng

 Điều khiển điện áp phần ứng:

Thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều khiển tốc độ động cơ điện mộtchiều bằng điện áp:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng của động cơ

- Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ của động cơ

Trong đó thông thường người ta sử dụng cách điều chỉnh điện áp phần ứng.Khi thay đổi điện áp phần ứng thì tốc độ động cơ điện thay đổi theo phươngtrình sau:

ω= U u

k Φ−

I u R u

k Φ

Vì từ thông của động cơ không đổi nên độ dốc đặc tính cơ cũng không đổi, còn

tốc độ không tải lý tưởng thì tùy thuộc vào giá trị điện áp điều khiển Uu của hệ thống,

do đó có thể nói phương pháp điều khiển này là triệt để

Đặc tính thu được khi điều khiển là 1 họ đường song song :

1.6 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Để Mở Máy dựng biến trở RMở , để điều chỉnh tốc độ thường điều chỉnh Rđc

Đường đặc tính cơ n = fi(M)

CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG

CƠ VÀ THIẾT BỊ NÂNG 2.1Tính toán phụ tải chính

Phụ tải tĩnh của cơ cấu nâng hạ chủ yếu do tải trọng quyết định Để xác định phụ tảitĩnh phải dựa vào sơ đồ động học

Hình2.1 Sơ đồ động học củacơ cấu nâng– hạ

Chiều cao nâng : h = 8m

Chế độ làm việc trung bình : TĐ = 25%

Đường kính culi : D = 0,35 m

Hiệu suất cơ cấu :  = 0,75

Gia tốc cực đại khi nâng : a = 0,5 m/s2

2.1.2 Phụ tải tĩnh khi nâng tải

M0=(G+G0)R0

u i η c

Trong đó :

G-là trọng lượng của tải trọng

G0-là trọng lượng của bộ lấy tải Rt là bán

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 tảitrọng 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 trêntrục động cơ dotải trọng gây ra không có tổn thất là Mt thì:

M h: momen trên trục động cơ khi hạ tải

∆ M: tổn thất momen trongcơ cấu truyền động

η h: hiệu suất cơ cấu khi hạ tải

độ hạ hãm Khi tải trọng tương đối nhỏ (ηc<0,5 ) thì ηh<0, Mh<0, momen động

cơ cùng chiều với momen phụ tải Động cơ làm việc ở chế độ hạ động lực

Mo men hạ không tải :

2.2 Chọn sơ bộ công suất động cơ

Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh

+ Khi nâng tải :vn=12m/ph=0,2m/s

Hình 2.2 : Quan hệ phụ thuộc η c theo tải trọng

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

bị điện, thì yêu cầu phải có các thông số điện áp và dòng điện đúng với điện áp vàdòng điện trong mạch thiết kế, ngoài ra còn phải có thêm các yêu cầu về nhiệt độ

ổn định, làm việc được lâu dài, kích thước nhỏ gọn, dễ lắp đặt ,thay thế khi cóhỏng hóc và phải có giá thành hợp lý

2.3.1 Lựa chọn cầu chì, cầu dao

Cụng suất động cơ P dm= 10 (KW)

Điện áp động cơ U = 400 V- DC

Cầu Chì Bussmann FWH-100A

-Cầu chì Bán dẫn Bussmann / Origin Mexico

Udm = 400 ( V-DC)

Kích Thước

2.3.3 Công tắc hành trình dạng xung

Chọn loại có nhãn hiệu như sau: SS-10GLT

Trong đó:

Loại công tắc hành trình này có các đặc tính kỹ thuật sau:

Do làm việc với tải là cuộn hút của rơ le nên có thể coi tải của công tắc hànhtrình là loại tải

Tần số hoạt động về cơ khí là 30 lần/phút

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN 3.1Giới thiệu về PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Với đề tài này em sử dụng PLC S7-200 CPU224 AC/DC/RELAY

Thông tin: - Nguồn cấp: 85-264VAC 47-63Hz

- Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm

- Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 words

- Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 words

- Bộ nhớ loại EEFROM

- Có 14 cổng vào, 10 cổng ra

- Có thể thêm vào 14 modul mở rộng kể cả modul Analog

- Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole 0.37afs

- Có 256 timer , 256 counter, cọc hàm số học trên số nguyên và số

- Chương trình được bảo vệ bằng Password

- Toàn bộ dung lượng nhớ không bị mất dữ liệu 190 giờ khi PLC

bị mất điện

- Xuất sứ: SiemensGermany

- Giá: 5.396.500 VND

CPU được cấp nguồn 220VAC Tích hợp 14 ngừ vào số ( mức 1 là 24V DC,mức 0 là 0 V- DC) 10 ngừ ra dạng relay.

Môtả cọc đèn báo trên S7-200:

- SF (đènđỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu khi PLC cóhỏng hóc.

-RUN (đèn xanh): Đèn xanh báo hiệu PLC đang ở chế độ làm việc vàthực hiện chương trình nạp ở trong máy

-STOP ( đèn vàng) :Đèn vàng báo PLC đang ở chế độ tắt, chương trình đang

lại Đồng thời, động cơ Đ2 di chuyển xuống dưới với vận tốc V1 găp công tắchành trình C lần thứ nhất động cơ Đ2 đi lên trên di chuyển với vận tốc V2> V1

do hết tải Đến vị trí gặp công tắc hành trình B lần thứ 2 động cơ Đ2 dừng lạiđồng thời động cơ Đ1 di chuyển sang trái đếnvị trí gặp công tắc hành trình Alần thứ hai thì dừng, hoàn thành một chu trình hoạt động khép kín

3.2.2 Thuật toán điều khiển logic

-Tín hiệu vào:

M: tín hiệu ban đầu

A,B,C,D: là các tín hiệu dạng xung của công tắc hành trìnhh giúp điềukhiển chiều quay của động cơ

-Tín hiệu ra:

P: công tắc tơ thực hiện đi phải của cần truc

T : công tắc tơ thực hiện đi trái của cần truc

X: công tắc tơ thực hiện đi xuống của cần truc

L: công tắc tơ thực hiện đi lên của cần trục

-Hàm điều khiển các biến ra

Với công tắc hành trình B do tác động 2 lần nên ta có biến phụ B’để đánh dấuquá trình tác động vào B lần thứ 2