Tổng quan về máy cán dây. Mô phỏng máy cán dây 3 trục cán

Mỗi máy cán dây gồm các phần chính: đầu chuốt, tang kéo, động cơ, khớpđàn hồi hay dai hình thang nối động cơ với hộp tốc độ, thiết bị quấn v.v....Ở nhiềumáy cán dây kim loại được kéo qua

LỜI NÓI ĐẦU

Trong ngành công nghiệp nước ta hiện nay, dây thép là rất cần thiết

ở hầu hết các lĩnh vực, vì vậy việc quan tâm tới lĩnh vực sản xuất dây thép là điều tất yếu Trên cơ sở nhận thức được tầm quan trọng như vậy,

đồ án này sẽ nghiên cứu về “Dây chuyền máy cán dây, thiết kế chương trình điều khiển cho các động cơ thực hiện” Ta sẽ đi từng bước khái quát về hệ thống máy cán nóng liên tục, từ đó đưa ra cấu trúc và xây

dựng các bộ điều khiển để mô phỏng hệ thống, ở đây là hệ thống có nhiều động cơ được đồng bộ tốc độ với nhau.

CHƯƠNG 1 XÂY DỰNG HỆ THỐNG MÁY CÁN DÂY

1.1 ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ CÁN DÂY

1.1.1 Khái niệm chung

Dây kim loại rất cần trong nền kinh tế quốc dân Nó là phôi để sản xuất cáp,bulông, đinh tán, lò xo v.v hoặc dùng trong xây dựng Các dây kim loại rất khácnhau về dạng và kích thước tiết diện ngang

Công nghệ cán dây sử dụng máy cán nóng liên tục (CNLT) Máy CNLT cónhiều hộp cán chỉ quay theo một chiều và đặt nối tiếp nhau Phôi được cán cùngmột lúc qua lần lượt các hộp cán

Máy CNLT có nhiều kiểu loại với các nhiệm vụ khác nhau :

- Máy cán tấm ( hay cán lá ) : dùng cán các phôi dẹt thành băng thép rộng từ( 500 ÷ 2300)mm, chiều dày từ ( 0,8 ÷ 20 )mm

- Máy cán phân loại : rất đa dạng về thể loại, Thành phẩm là các chủng loạithép khác nhau về hình dạng và kích thước

- Máy cán dây : Sản phẩm là dây thép ( 5÷ 10 )mm

- Máy cán ống : có thể là cán nhẵn (để đảm bảo kích thước ngoài của ống ),cán dát ( để khử sự không đồng đều đường kính, làm nhẵn mặt trong và mặt ngoàicủa ống ), cán tóp hay chuốt ( để thu nhỏ đường kính ống )

*) Đặc điểm của máy cán nóng liên tục ( CNLT ):

- Tốc độ cao nên năng suất cao

- Qua các lần cán, kim loại chưa nguội nhiều nên chất lượng sản phẩmtốt, tuổi thọ của trục cán cao hơn, giảm được suất tiêu hao năng lượng

- Máy làm việc với tốc độ cao nên hay xuất hiện phụ tải xung

- Kim loại cán trên nhiều hộp cán cùng một lúc nên giữa các hộp cán phải

có sự liên hệ chặt chẽ về tốc độ

Mỗi máy cán dây gồm các phần chính: đầu chuốt, tang kéo, động cơ, khớpđàn hồi hay dai hình thang nối động cơ với hộp tốc độ, thiết bị quấn v.v Ở nhiềumáy cán dây kim loại được kéo qua nhiều đầu chuốt có kích thước giảm dần Máycán dây một đầu chuốt chỉ dùng khi kéo dây rất lớn

1.1.2 Các thông số và điều kiện cán

Khi cho phôi kim loại vào hộp cán thì phôi bị kẹp và ép chặt giữa 2 trục cán

quay ngược chiều nhau, kết quả là chiều dày của phôi bị giảm đi, chiều dài phôItăng lên, chiều rộng cua phôi cũng tăng lên

Hình 1.1 Sơ đồ cán phôi

Ta coi máy cán có hai trục cán giống hệt nhau, quay ngược chiều nhau vớicùng tốc độ Ký hiệu các đại lượng của phôi trước và sau khi cán như sau:

+ Các đại lượng của phôi trước khi cán:

- H1 : bề dày của phôi trước khi cán

- B1 : Chiều rộng của phôi trước khi cán

- L1 : Chiều dài của phôi trước khi cán

- F1 : Tiết diện của phôi trước khi cán

+ Các đại lượng của phôi sau khi cán:

- H2 : bề dày của phôi sau khi cán

- B2 : Chiều rộng của phôi sau khi cán

- L2 : Chiều dài của phôi sau khi cán

- F2 : Tiết diện của phôi sau khi cán

Nếu coi thể tích phôi là không đổi ( V1≈ V2 ) thì:

λ= = =

Nếu coi độ nở rộng là không đáng kể ( B1≈ B2 ) thì:

λ= = = =

- Cung ngoạm: Là cung tròn trên trục cán tiếp xúc với phôi cán.

- Góc ngoạm: Là góc tâm (α ) ứng với cung ngoạm

b) Điều kiện để trục cán ngoạm được kim loại:

Trục cán ngoạm phôi và cán ép được là nhờ lực ma sát tiếp xúc xuất hiệntrên cung ngoạm khi trục quay

Hình 1.2 Lực của trục cán tác động lên phôi

2

1

L L

1 1 2 2

F V F

V

2

1

F F

1 1

B H

B H

2

1

H H

Ngoài lực kéo vào do trục cán gây ra còn có lực đẩy ra Nếu lực đẩy ra này màlớn hơn lực kéo vào thì trục cán không ngoạm được phôi

Ta có các lực tác dụng như sau:

: Lực tác dụng của trục cán lên phôi

: Lực ma sát tiếp tuyến với mặt tròn có xu hướng kéo phôi vào trục

cán

Phân tích hai lực trên thành các thành phần lực theo các trục xx và yy ta thuđược kết quả như sau :

Px > Tx => Trục cán không ngoạm được phôi

Px < Tx => Trục cán sẽ ngoạm được phôi

=> Điều kiện ngoạm được phôi của trục cán là : Tx≥ Px

Trục cán chỉ ngoạm được phôi khi hệ số ma sát trượt lớn hơn tg của góc

ngoạm hay góc ma sát trượt lớn hơn góc ngoạm.

m : hệ số m =1 : cán nóng trên trục thép.

m = 0,8 : cán nóng trên trục gang luyện

1.1.3 Các đặc trưng của máy cán liên tục

a) Khối lượng phôi qua các hộp cán trong một đơn vị thời gian là không đổi:

F1v1 = F2v2 = F3v3

Hình 1.3 Cán liên tục 3 hộp cán

Fivi = const

Trong đó :

Fi : tiết diện phôi trước khi vào hộp cán thứ i

vi : tốc độ phôi trước khi vào hộp cán thứ i

- Khi khối lượng phôi ra của một hộp cán nhỏ hơn khối lượng phôi tới thì

sẽ xảy ra hiện tượng cán nén ( ép )

- Khi khối lượng phôi ra của một hộp cán lớn hơn khối lượng phôi tới thì

sẽ xảy ra hiện tượng cán kéo ( căng )

Giả sử ta có hai hộp cán liên tiếp nhau, và có các thông số :

+ v1, ω1, D1 lần lượt là : tốc độ dài , tốc độ góc, đường kính của trục cán số 1 + v2, ω2, D2 lần lượt là : tốc độ dài , tốc độ góc, đường kính của trục cán số 2 + s : độ vượt trước

Từ : Fivi = const

=> FDωt ( 1 + s ) = const

 F1D1ω1 ( 1 + s1 ) = F2D2ω2 ( 1 + s2 )

Nếu : D1 = D2 = D

=> = = λ = b

Trong đó : λ = gọi là hệ số kéo

b) Trường hợp phôi không chịu căng hay nén đó là trạng thái cán tự do

Lúc này : vr1 = vv2

- Nếu giữ ω1 = const và tăng ω2 thì phôi sẽ chịu một lực căng (kéo)

- Nếu giữ ω1 = const và giảm ω2 thì phôi sẽ chịu một lực nén ( ép )

Khi đường kính trục cán hai hộp giống nhau ( D1= D2) thì lực căng hay nénđược tính :

1

s

s

+ +

2

1

F F

ρ δ

δ

) 1

1 1 (

) 1 )(

1 (

2 1 1

s s s

+

+ +

+

−

2

' 2

ω ω

2

' 2

ω

ω

2

1 1

1

s

s

+ +

2

' 2

ω

ω

2

1 1

1

s

s

+ +

- Cán nén ( cán ép ) : δ < 1 ; T < 0 và = λ ( với δ là hệ số nén ép ).

* Ở chế độ cán kéo:

- Mômen của động cơ truyền động hộp cán (2) sẽ tăng lên :

M2 = M02 + T ( M02 là mômen của động cơ truyền động hộp cán (2) ở

chế độ cán tự do )

- Mômen của động cơ truyền động hộp cán (1) sẽ giảm :

M1 = M01 + T ( M01 là mômen của động cơ truyền động hộp cán (1) ở

ω

ω

2

1 1

1

s

s

+ +

2 2

D

2 1

∆v là dao động tốc độ giữa 2 hộp cán.

=> ∆l = L (∆l độ dài phần võng thêm )

1.2 ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG TRONG DÂY CHUYỀN CÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

1.2.1 Truyền động điện một chiều

Truyền động này dùng cho các máy cán dây cần điều chỉnh tự động liên tụctốc độ các tang kéo trung gian trong thời gian làm việc mà không có sự trượt dâytrên bề mặt tang kéo Động cơ một chiều truyền động máy được điều chỉnh tốc độ ở

2 vùng Tốc độ bò có được nhờ điều chỉnh hạ điện áp phần ứng, còn tốc độ làmviệc nhanh có được nhờ giảm từ thông Hệ sử dụng trong truyền động là hệ F-Đhoặc T-Đ Phần ứng các động cơ truyền động tang kéo được mắc nối tiếp nhau

a) Khái niệm động cơ điện một chiều :

Động cơ điện một chiều là loại máy điện làm việc với nguồn điện một chiều.Chúng có thể vận hành theo chế độ máy phát hoặc theo chế độ động cơ Nghĩa làmáy điện một chiều có thể biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại

b) Cấu tạo động cơ điện một chiều :

Cấu tạo máy điện một chiều gồm 3 phần chính:

- Stato: Còn gọi là phần cảm có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy,

thường được chế tạo bằng gang hay thép đúc Stato là mạch từ cũng là vỏ máy baobọc các bộ phận bên trong Phía mặt trong của stato được gắn các cực từ, phần cuốicủa cực từ được làm loe ra tạo thành đầu cực từ, trên thân cực từ có gắn cuộn dâykích từ

v

v

∆

∆

Hình 1.4 Cấu tạo máy điện một chiều

- Roto: còn gọi là là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng

- Lõi thép: có hình trụ được ghép từ các lá ghép kĩ thuật điện, ghép cách điện với

nhau nhờ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy

Hình 1.5 Lá thép stato

Xung quanh lá thép được dập các rãnh để khi ghép lại tạo thành rãnh đặtcuộn dây phần ứng Giữa lá thép có dập lỗ lắp trục và lỗ trêm dọc Ngoài ra trên lõithép còn dập một số lỗ thông gió để làm mát Thân máy, cực từ và lõi thép phầnứng tạo thành mạch từ của máy điện một chiều

Dây quấn được tạo thành từ nhiều phần tử dây quấn, mỗi phần tử gồm nhiềuvòng dây được xếp trong các rãnh của lõi thép Hai đầu phần tử nối với với 2 phiếngóp, 2 cạnh tác dụng của mỗi phần tử được xếp trong 2 rãnh nằm dưới 2 cực khác

tên Phần ứng được bắt chặt trên trục thép, hai đầu trục có gắn bạc đạn Nắp máygiữ cố định hai bạc đạn và được bắt chặt vào thân máy bằng bu-lông xuyên.

- Cổ góp – chổi than:

Cổ góp – chổi than có nhiệm vụ truyền điện giữa phần ứng của máy điện vớithiết bị bên ngoài.Khi hoạt động ở chế độ máy phát điện cổ góp còn có nhiệm vụchỉnh lưu điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều trước khi đưa ra mạch điệnngoài

Hình 1.6 Cổ góp và chổi than

Cổ góp tạo thành từ việc ghép nhiều phiến góp bằng đồng thành một hình trụtròn, sau đó gắn vào trục roto, giữa các phiến góp có cách điện với nhau và đượccách điện với trục bằng lớp mica mỏng Một đầu phiến góp được xẻ rãnh để hànvới đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng

Chổi than còn gọi là chổi điện làm từ than graphit và được đặt trong giá đỡhình hộp Chổi than có thể di chuyển dọc theo trục giá đỡ, giá đỡ được cách điện vàbắt chặt vào nắp máy Một đầu chổi than tì sát lên bề mặt cổ góp, đầu còn lại có lò

xo ép chặt

Các đầu dây của phần tử dây quấn phần ứng được nối với nhau tại cổ góp tạothành mạch điện khép kín Khi chổi than ép vào các phiến góp sẽ chia bộ dây quấnphần ứng thành các mạch nhánh song song

c) Phân loại

Máy điện một chiều được phân loại theo dạng mạch kích từ:

- Máy điện một chiều kích từ song song

- Máy điện một chiều kích từ độc lập

- Máy điện một chiều được kích từ hỗn hợp

d) Ưu – nhược điểm của máy điện một chiều

- Ưu điểm:

Ưu điểm nổi bật của máy điện một chiều là có momen mở máy lớn, do vậykéo được tải nặng khi khởi động Ngoài ra, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, khoảngnhảy cấp tốc độ nhỏ phù hợp với hệ thống tự động hóa khi cần thay đổi mịn tốc độ

- Khuyết điểm:

Nhược điểm chủ yếu của máy điện một chiều là bộ phận cổ góp có cấu tạophức tạp và đắt tiền nhưng hoạt động kém tin cậy vì thường hư hỏng trong quátrình vận hành nên cần bảo dưỡng và sửa chữa thường xuyên Ngoài ra, tia lửa điệnphát sinh trên cổ góp – chổi than sẽ gây nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ.Nhược điểm nữa là do mạng điện cung cấp chủ yếu ở dạng xoay chiều nên khi cầncho máy điện một chiều hoạt động phải có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện mộtchiều đi kèm

1.2.2 Lựa chọn phương án thiết kế

a) Yêu cầu công nghiệp

- Trong dây chuyền sản xuất, việc điều khiển đồng bộ tốc độ được thể hiện rõ nhấttrong giai đoạn dây đi qua các hộp cán của máy Trong giai đoạn này phôi cán sẽđược đưa tới các giá cơ khí và từ đó đầu dây được kéo qua đầu chuốt thứ nhất tớitang kéo đầu tiên, tang kéo này truyền động bằng một động cơ riêng theo hệ T-Đ,đảm bảo điều chỉnh tốc độ theo một dải rộng Các hộp cán tiếp theo được dẫn độngbằng các động cơ riêng biệt cũng theo hệ T-Đ và sau đó được cuộn vào rulo thu.Trong quá trình thực hiện, hệ thống phải đạt những yêu cầu sau:

+ Tốc độ của các hộp cán sau tang kéo đầu tiên phải đồng bộ với nhau vàđồng bộ với động cơ chính để đảm bảo cáp không bị đứt hay bị trùng

+ Tốc độ của rulo thu phải đạt được giá trị mong muốn để đảm bảo năngsuất của hệ thống

+ Lực căng trên dây cần được duy trì ở giá trị cho phép

b) Phương án thiết kế

- Giả sử để thực hiện quay 2 hộp cán, người ta sử dụng 2 động cơ nối với 2 trục vàđiều khiển tốc độ của 2 trục này sao cho vận tốc dài của dây giữa các trục phải đảmbảo dây không trùng hoặc đứt

- Có nhiều giải pháp để điều khiển đồng bộ tốc độ 2 động cơ như: phương pháp đồng

bộ tốc độ sử dụng nguồn cấp chung, phương pháp đồng bộ tốc độ sử dụng nguồncấp riêng, phương pháp điều khiển 2 tham số

+ Với phương án dùng nguồn cấp chung có ưu điểm là đơn giản nhưng với dâychuyền cán dây có yêu cầu về thay đổi bề dày thì tốc độ đầu vào và đầu ra một trục

có sự khác biệt, cần sự chỉnh định riêng Do vậy ta chọn phương pháp đồng bộdùng nguồn cấp riêng

- Để đảm bảo được lực căng trên dây, ta sử dụng phương pháp bù tốc độ Ở đây sửdụng cách điều khiển bù tốc độ của rulo thu để đảm bảo lực căng trên dây:

Hình 1.7 Cấu trúc tổng quát của phương pháp đồng bộ tốc độ

Trong đó:

ĐC1, ĐC2: động cơ truyền động

BBĐ1,BBĐ2: Các bộ biến đổi

R: Các bộ điều khiển

1.3 CÁC THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG

1.3.1 Thiết bị đo tốc độ: Máy phát tốc

Trong mạch vòng tốc độ, người ta phải tạo ra một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc

độ động cơ Để làm được điều đó người ta thường dùng máy phát tốc, nó được nối cứng trục với động cơ

Hàm truyền của máy phát tốc có dạng :

( )1

=+Trong đó : Tω - hằng số thời gian của máy phát tốc

Kω- hệ số phản hồi của máy phát tốc

1.3.2 Thiết bị đo dòng điện: Điện trở Shunt

Cũng như mạch vòng tốc độ để lấy tín hiệu dòng điện quay trở lại đầu vào khống chế hệ thống người ta tạo một tín hiệu điện áp tỉ lệ với tín hiệu dòng điện

Có nhiều cách để lấy tín hiệu dòng điện nhưng đơn giản nhất có thể dùng là điện trở Shunt

Hàm truyền của khâu lấy tín hiệu dòng điện có dạng:

( )1

I I

KI - hệ số phản hồi dòng điện

CHƯƠNG 2

MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ HỆ THỐNG

2.1 MÔ HÌNH TOÁN BỘ BIẾN ĐỔI

Bộ biến đổi là mạch chỉnh lưu điều khiển dùng van tiristor, có nhiệm vụ biến nguồn điện xoay chiều ba pha thành điện áp một chiều điều khiển được

Hình 2.1: Mạch chỉnh lưu cầu ba pha

Sơ đồ mạch điện gồm 6 tiristor công suất Các điện áp U2 xoay chiều cung cấpcho bộ chỉnh lưu Các tiristor T1,2,3 và T2,4,6 có nhiệm vụ điều chỉnh dòng điện để cung cấp nguồn điện một chiều cho tải Các tiristor thay nhau dẫn dòng nhưng lệch pha nhau một góc bằng 1200

Hình 2.2: Hàm truyền của bộ biến đổi

Trong đó:

Tv : hằng số thời gian chuyển mạch chỉnh lưu

Tbd : hằng số thời gian của mạch chỉnh lưu

kbd : hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu

2.2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU

Hình 2.3 là sơ đồ kết cấu chung của động cơ điện một chiều, phần ứng đượcbiểu diễn bởi vòng tròn bên trong có sức điện động E, ở phần stator có thể có cácloại dây quấn kích từ sau: dây quấn kích từ độc lập CKĐ, dây quấn kích từ nối tiếpCKN, dây quấn kích từ phụ CF và dây quấn bù CB Hệ thống các phương trình mô

tả động cơ thường là phi tuyến, trong dó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển)thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích thích U k, tín hiệu ra thường là tốc độgóc của động cơ ω, mômen quay M, dòng điện phần ứng I hoặc trong một số

trường hợp là vị trí của rotor ϕ Mômen tải M c là mômen do cơ cấu làm việctruyền về trục động cơ, mômen tải là nhiễu loạn quan trọng nhất cảu hệ truyền điện

tự động

Hình 2.3 Giản đồ thay thế động cơ điện một chiều

2.2.1 Chế độ xác lập của động cơ điện một chiều

Khi đặt lên dây quấn kích từ một điện áp u k nào đó thì trong dây quấn kích từ sẽ

có dòng điện i kvà do đó mạch từ của máy sẽ có từ thông φhay gọi là từ thông kích

từ Tiếp đó đặt một giá trị điện áp U lên mạch phần ứng thì trong dây quấn phầnứng sẽ có dòng điện I chạy qua, dòng điện phần ứng này tương tác với từ thôngkích từ tạo thành mômen điện từ được tính như sau:

a I k I

N p

p: Số cặp cực từ chính

N: Số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng

a: Số mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

φ: Từ thông kích từ dưới một cực từ.

k = pN/2πa - hệ số kết cấu của máy.

Mômen điện từ kéo cho phần ứng quay quanh trục, các dây quấn phần ứng quétqua từ thông và trong các dây quấn này cảm ứng sức điện động E u

Trong chế độ xác lập, có thể tính được tốc độ góc qua phương trính cân bằngđiện áp phần ứng (1.1):

2.2.2 Chế độ quá độ của động cơ điện một chiều

Nếu các thông số của động cơ là không đổi thì ta có thể viết được các phươngtrình mô tả sơ đồ ở hình 2.3 như sau: