Tính toán và thiết kế truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục

Tính toán và thiết kế truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

  

-ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TỰ ĐỘNG

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO

CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

GVHD: Thầy Lê Thanh Lâm

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Ngày… tháng… năm 2017 Giáo viên hướng dẫn ký tên

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

…………

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

NỘI DUNG ĐỒ ÁN:

Ngày… tháng… năm 2017 Giáo viên phản biện ký tên

Hãy tính toán và thiết kế truyền động điện cho một cơ cấu nâng hạ cầu trụcdùng động cơ điện là:

Động cơ DC kích từ song song

CÁC SỐ LIỆU NHƯ SAU:

Động cơ DC kích từ song song

Pđm( kW ) Uđm( V ) Iđm( A ) Iktđm( A ) nđm( v / p )

Yêu cầu tính toán và thiết kế như sau:

1 Động cơ mở máy qua 3 cấp điện trở phụ, tính các điện trở phụ mở máybằng phương pháp đồ thị phụ tải

2 Tính toán điện trở phụ cần thiết đóng vào mạch rotor để nâng tải với tốc

PHẦN A: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ SONG

SONG…… 3

CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÍCH TỪ SONG SONG……… 3

1.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ……… 3

1.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ……… 6

1.3 Đường đặc tính cơ khi đảo chiều……… 11

1.4 Tính điện trở mở máy bằng phương pháp đồ thị……… 14

1.5 Hãm máy……….……… 17

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC DÙNG ĐỘNG CƠ ĐC KÍCH TỪ SONG SONG 27 2.1 Tính toán điện trở phụ mở máy……… 27

2.2 Các biện pháp để nâng tải lên với tốc độ làm việc khác nhau… 29 2.3 Các biện pháp để hạ tải với nhiều tốc độ khác nhau………… 32 2.4 Vẽ mạch động lực và mạch điều khiển của động cơ theo yêu

cầu 2.1, 2.2, 2.3 (theo role, contactor, zen hay PLC của

LỜI CÁM ƠN

Chúng em xin cảm ơn thầy Lê Thanh Lâm là người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo chúng em trong đồ án truyền động điện này Thầy đã giúp chúng em giải quyết những vấn đề nảy sinh trong quá trình làm chuyên đề thực

tế và hoàn thành đề tài đúng thời gian quy định ban đầu Đặc biệt là học hỏi những kinh nghiệm và phong cách làm việc chuyên nghiệp của thầy để chúng

em áp dụng sau này

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô khoa Điện – Điện tử củatrường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, đã tận tình giảng dạytruyền đạt cho chúng em những kiến thức về chuyên ngành nói chung và bộ môntruyền động điện nói riêng Đó là những kiến thức vô cùng quý báu mà chúng

em đã học được trong thời gian qua

Một lần nữa chúng em xin gửi lời biết ơn sâu sắc nhất đến quý thầy cô đãgiúp đỡ chúng em đã hoàn thành chuyên đề thực tế này

Kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe

Nhóm sinh viên thực hiện đồ án:

LỜI MỞ ĐẦU

Ở nước ta hiện nay, do yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế,với những cơ hội thuận lợi và khó khăn thách thức lớn Sự phát triển nhanhchóng của khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực truyền động điện nóiriêng Ngày càng xuất hiện nhiều dây chuyền sản xuất mới có mức độ tự độnghóa cao với những khâu truyền động hiện đại Truyền động là khâu quan trọng

trong dây chuyền sản xuất Đóng góp trực tiếp trong việc nâng cao năng suất vàchất lượng sản phẩm nhằm tăng cạnh tranh với các nước khác trên thế giới.Ngày nay do ứng dụng của khoa học kỹ thuật trong các lĩnh vực điều khiển

tự động nên các khâu ngày càng phát triển theo hướng hiện đại hóa Nâng caomức độ tự động hóa tác động nhanh, độ chính xác cao và còn giảm kích thước

và hạ giá thành chi phí cho doanh nghiệp

Một trong những khâu truyền động phổ biến là nâng hạ cầu trục Nâng hạcầu trục là khâu truyền động cơ bản của bộ môn truyền động điện Hiện nayđược sử dụng rất phổ biến tại các hải cảng, khu công nghiệp đến các nhà máy xínghiệp và công trường xây dựng Giúp con người nâng hạ các vật nặng một cách

dễ dàng mà không cần sử dụng đến sức người Đồng thời góp phần đẩy nhanhquá trình vận chuyển và đảm bảo an toàn cho người lao động Trong bối cảnh

đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiển trong quá trình điều khiển và vậnhành đòi hỏi các kỹ sư phải có kiến thức về chuyên ngành và bộ môn truyềnđộng điện

Nội dung của đồ án này là trình bày những kiến thức cơ bản về truyền độngđiện Bao gồm phân tích đặc tính của hệ thống nâng hạ cầu trục Tính toán vàthiết kế sơ đồ điều khiển hệ thống truyền động động cơ điện một chiều kích từsong song

PHẦN A: ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU KÍCH TỪ

SONG SONG

CHƯƠNG 1: ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÍCH TỪ SONG

SONG

1.1 Phương trình đặc tính cơ của động cơ.

Hình 1.1 ĐCĐ một chiều kích từ song song

Ta có: Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều

n: Tốc độ quay của động cơ

U đm: điện áp định mức của ĐCĐ một chiều

1−3=n0: tốc độ không tải lý tưởng

2−3=n A: tốc độ làm việc của đường đặc tính cơ tự nhiên

1.2 Ảnh hưởng của các thông số đến đặc tính cơ.

Ta có phương trình đặc tính cơ nhân tạo:

n= U

K E Φ−

(R¿¿ư +R f)M

9,55(K¿¿EΦ )2¿¿

1.2.1 Ảnh hưởng của điện trở phụ gắn vào mạch phần ứng

Sơ đồ nguyên lý khi thêm điện trở phụ vào mạch phần ứng

Giả sử U ư=U đm=const

Φ=Φ đm= const

R fthay đổiMuốn thay đổi điện trở mạch phần ứng ta nối them điện trở phụ R f vàomạch phần ứng

 Hệ số góc nhân tạo: a NT= R ư+R f

9,55(K¿ ¿E Φ đm)2≫ a TN¿

 Độ dốc nhân tạo: ∆ n TN=a TN M ≫ ∆ n TN

Kết luận: Họ các đặc tính cơ là chùm đường thẳng xuất phát từ n0

1.2.2 Ảnh hưởng của điện áp lên mạch phần ứng

Khi giảm điện áp thì:

Hình 1.6 Họ đặc tính cơ khi thay đổi điện áp đặt lên phần ứng

1.2.3 Ảnh hưởng của từ thông

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý khi thêm điện trở phụ kích từ

Khi thêm R PKT nối tiếp với cuộn kích từ thì:

Họ đặc tính tốc độ khi thay đổi từ thông

Đối với đường đặc tính cơ:

Họ đặc tính cơ khi thay đổi thừ thông

1.3 Đường đặc tính cơ khi đảo chiều động cơ

1.3.1 Đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng

Sơ đồ nguyên lý khi đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng

Việc thay đổi cực tính đặt lên phần ứng nhờ các tiếp điểm T, N của cácContactor

Khi tiến đảo cực tính điện áp đặt vào phần ứng thì dòng điện qua phần ứng

là I ư< 0 nên moment điện từ của phần ứng đảo chiều

Đường biểu điễn đặc tính cơ

Đặc tính cơ khi đảo cực tính điện áp phần ứng

1.3.2 Đảo chiều dòng điện qua cuộn kích từ.

Sơ đồ nguyên lý khi đảo chiều dòng điện qua cuộn kích từ

Việc đảo chiều dòng điện qua cuộn kích từ được thực hiện nhờ tiếp điểm T,

N của các Contactor

Khi T hoạt động : n0¿0 , Φ đm

¿ >E ư=K M Φ đm n>0

1.4 Tính điện trở mở máy bằng phương pháp đồ thị.

Tác hại của dòng mở máy khi dòng mở máy lớn:

+ Cháy cách điện dây quấn

+ Gây sụt áp lớn trên lưới điện

+ Lực điện động lớn có thể gây biến dạng kết cấu cơ khí của rãnh

Hình 1.16: Sơ đồ nguyên lý ĐC khi mở máy bằng điện trở phụ

Dựa vào các thông số động cơ và đặc tính vạn năng vẽ được đặc tính cơđiện tự nhiên

Chọn dòng điện giới hạn I1=(1,8−2,5)Iđm và tính điện trở tổng của mạch

Từ n0 dựng đường đặc tính khởi động hình tia thỏa mãn điều kiện:

Đảm bảo đúng số cấp khởi động yêu cầu

Từ điểm f kẽ đường song song với trục hoành và phải cắt đặc tính tự nhiênđúng ở điểm g

Nếu không thỏa mãn điều kiện trên ta phải chọn lại giá trị I1, I2 để xây dựnglại đặc tính khởi động

Hình 1.17: Đặc tính cơ của ĐC DC kích từ song song khi mở máy.Gọi điện trở mắc vào mạch phần ứng khi khởi động là R P

Sơ đồ nguyên lý ĐC quay thuận.

Trạng thái hãm máy: Là trạng thái mad tốc độ n và moment M H ngượcchiều

+ Cần dừng nhanh động cơ

+ Giữ cho tải thế năng được hạ xuống với tốc độ không đổi

+ Giữ cho một tải trọng đứng yên trên cao khi có khuynh hướng rơixuống đất

1.5.1 Hãm thuận.

Hãm tái sinh xảy ra khi tốc độ quay n và moment quay M H ngược chiều và

n>n0

Có hai phương pháp hãm tái sinh:

Hãm bằng phương pháp giảm điện áp

Hạ tải thế năng bằng phương pháp đảo ngược cực tính điện áp phần ứng đặtlên phần ứng

Giảm tốc bằng phương pháp giảm tốc

Đặc tính cơ khi giảm tốc độ bằng phương pháp giảm điện áp

B là điểm bắt đầu quá trình hãm tái sinh

Đoạn Bn01:n giản xuống nhưng vẫn lớn hơn 0

Bn01 là đoạn đặc tính hãm tái sinh

Khi n giảm tốc => ¿I ư∨ ¿ giảm ¿M Đ∨ ¿ giảm

P=U1I ư<0: Trả ngược năng lượng về nguồn.

Hệ thống đang làm việc nâng tải tại điểm A Người ta tiến hành giảm điện

áp xuống còn U1, lúc này do quán tính tốc độ vẫn quay theo chiều cũ, nhưngdòng điện và moment đã đảo chiều Quá trình hãm tái sinh diễn ra ở góc phần tưthứ 2 làm giảm nhanh tốc độ về n01.Đến n01, M Đ = 0 Trên trục động cơ cònmoment cản M C ngược chiều với n nên nó tiếp tục làm cho động cơ giảm tốc,đồng thời M Đ tăng dần cho đến C thì cân bằng M C=M Đ Hệ thống sẽ làm việc ổnđịnh ở tốc độ thấp

Khi hạ tải thế năng bằng phương pháp đảo cực tính điện áp đặt lên phần ứng:

Khi muốn hạ tải phải đảo chiều điện áp đặt vào phần ứng động cơ Lúc nàynếu moment do tải gây ra lớn hơn moment ma sát trong cái bộ phận chuyểnđộng của cơ cấu, động cơ sẽ làm việc ở trạng thái hãm tái sinh trên hình trên.Khi hạ tải, để hạn chế dòng khởi động ta đóng thêm điện trở phụ vào mạch phầnứng Tốc độ động cơ tăng lên dần Khi tốc tốc độ gần đạt đến giá trị n0ta cắt điệntrở phụ, động cơ tăng tốc trên đường đặc tính cơ tự nhiên Khi tốc độ vượt quá

n>n0, moment điện từ của động cơ đổi dấu thành moment hãm đến điểm Amoment M C=M H, tải trọng được hạ với tốc độ ổn định n 0 đ , trạng thái hãm táisinh

1.5.2 Hãm ngược.

Định nghĩa: Hãm ngược là hãm xảy ra khi rotor của động cơ chuyển động

do động năng tích lũy trong các bộ phận chuyển động hoặc do tải thế năng màquay ngược chiều với moment điện từ của động cơ

Có hai cách để thực hiện hãm ngược:

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

Phương trình đặc tính cơ của đường số (1)

Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đảo cực tính điện áp đặt lên phầnứng.

Giả sử hệ thống đang làm việc ổn định tại điểm A, để hạ tải người ta tiếnhành đảo ngược cực tính điện áp đặt lên phần ứng của động cơ (kết hợp đóngthêm điện trở phụ để hạn chế dòng điện hãm ban đầu không vượt quá 2.5 I đm), đểlàm việc chuyển từ A sang B1 Lúc này do quán tính tốc độ n vẫn quay theochiều cũ nhưng I ư và M Đ đảo chiều Qúa trình hãm ngược diễn ra làm giảmnhanh tốc độ động cơ về 0, đoạn B1C1 gọi là đoạn đặc tính động cơ hãm ngượcbằng cách đảo chiều điện áp đặt lên phần ứng

Tại C1 n = 0 nhưng do M C và M Đ cùng chiều nên chúng sẽ kéo rotor ngayngược theo chiều của chúng, động cơ bắt đầu quá trình mở máy theo chiềungược lại và tăng tốc do có sự hỗ trợ của M C và M Đ, đoạn C1 (−n0 ) gọi là đoạn đặctính động cơ quay ngược

Tại (−n0 ), moment động cơ M Đ=0 cùng chiều với n nên hệ thống tiếp tụctăng tốc vượt khỏi (−n0), khi đó M Đ đảo chiều quá trình hãm tái sinh diễn ra nên

đoạn (−n0) E1, M Đ lớn dần cho đến điểm E1thì cân bằng M C và M Đ, tải thế năngđược hạ xuống với tốc độ không đổi là (−n E 1).

Để hạn chế dòng điện hãm ngược lúc bắt đầu không vượt quá 2.5 I đm thìngười ta đóng thêm điện trở phụ khi đảo cực tính điện áp Do đó điểm làm việc

sẽ chuyển từ A sang B2 để rồi hạ tải với tốc độ n E 2 và n E 2>n E 1

Hãm ngược bằng cách đóng điện trở phụ:

Giả sử động cơ đang nâng tải ở điểm A người ta thực hiện hạ tải bằng cáchđóng vào mạch phần ứng 1 điện trở phụ đủ lớn (lớn hơn điện trở phụ mở máy).Lúc này điểm làm việc chuyển sang điểm B

Lúc này do hổ trợ của moment cản thế năng, động cơ tăng tốc từ C3 đến E3

đồng thời I ư và M Đ tăng dần giá trị dương

I ư=K E Φ đm(n−(−n0))

R ư+R f =I ư=K E Φ đm¿ ¿

M Đ=K E Φ đm I ư> 0

Trạng thái hãm ngược diển ra cho đến E3 thì M Đ=M C tải được hạ xuống vớitốc độ không đổi là (−n D) Nếu nếu ta thay đổi vị trí số điện trở phụ R f thì ta sẽthay đổi được tốc độ khi hạ tải.

Đặc tính cơ khi hãm ngược bằng cách đóng điện trở phụ

1.5.3 Hãm động năng.

Định nghĩa: Hãm động năng là trạng thái hãm của động cơ

Hãm động năng là trạng thái động cơ làm việc như một máy phát mà nănglượng cơ học của động cơ đã tích lũy được trong quá trình làm việc trước đóbiến thành năng lượng tiêu tán trong mạch hãm dưới dạng nhiệt

Hãm động năng kích từ độc lập:

Sơ đồ nguyên lý của động cơ khi hãm động năng kích từ độc lập

Đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập.

Giả sử hệ thống đang làm việc tại điểm A (động cơ đang nâng tải) Để hạtải người ta ngắt phần ứng ra khỏi lưới điện và đóng qua điện trở hãm R HĐN, cuộnkích từ vẫn được cung cấp điện, lúc này do quán tính phần ứng vẫn quay theochiều cũ, động cơ làm việc ở chế độ máy phát, phát ra sức điện động E ư cóchiều không đổi, sức điện động này tạo trong mạch kín dòng điện I ưđã đảo chiềunên moment M Đ cũng đảo chiều

Hãm động năng tự kích từ:

Sơ đồ nguyên lý Hãm động năng tự kích từ

Người ta thực hiện hãm động năng tự kích từ bằng cách ngắt phần ứng vàcuộn dây kích từ khỏi phần điện và đóng qua điện trở hãm

Do quán tính động cơ tiếp tục quay theo chiều cũ (n>0), các thanh dẫn quétqua từ dư của mạch từ stator nên vẫn cảm ứng ra sứng điện động E ư

Thông thường, R HĐN rất nhỏ so với R CKT Do đó phương trình đặc tính cơ:

n= R ư+R HĐN

K E K M Φ2M

Khi hãm động năng tốc độ của động cơ sẽ giảm dần sức điện động E ư phát

ra cũng giảm theo → I ư giảm → M Đ giảm → I KT giảm → Φ giảm E ư phụ thuộcvừa Φ vừa n → đường biểu diễn đặc tính cơ khi hãm động năng tự kích từ khôngcòn là đường thẳng nữa mà là đường cong đi qua gốc tọa độ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ

CẦU TRỤC DÙNG ĐCDCKT SONG SONG.

 Điểm không tải lý tưởng (0; 634,4)

 Điểm làm việc định mức (517,4; 600)

Ta tiến hành dựng hệ trục tọa độ và vẽ đường đặc tính cơ cửa động cơ.Chọn: I1=I max=2,4 Iđm = 2,4.523 = 1255,2 (A)

I2=I min=1,12 Iđm = 1,12.523 = 585,76 (A)

Ta vẽ được đường đặc tính cơ như sau:

Từ đồ thị trên ta tính trực tiếp R Pnhư sau:

Độ sụt tốc trên đường đặc tính cơ tự nhiên:

9,55.0,32 2 ).0,32=58,4 (V )

2.3 Các biện pháp hạ tải với tốc độ làm việc khác nhau.

2.3.1 Hãm tái sinh (hãm trả năng lượng về lưới).

Khi hạ tải với tốc độ bằng 2 n đm thì động cơ chuyển xuống làm việc tại điểm

D (1332;-1200) nên tọa độ điểm D thỏa mãn phương trình đặc tính cơ:

2.4 Sơ đồ động lực điều khiển động cơ mở máy qua ba cấp điện trở và nâng

hạ tải với nhiều cấp tốc độ.

Ta sẽ được moment tương ứng.

S 0 S1 S2……… 1

M M0 M1 M2……… M mm

Bước 3: Từ tọa độ (S, M) với 3 điểm đặc biệt nối lại ta được đường đặc

tính cơ của động cơ

Tọa độ điểm giới hạn:

 Thay tọa độ điểm làm việc định mức vào phương trình đặc tính cơ (6)

 Smax2 −2 λM S đm S max+S đm2 =0 giải phương trình bậc 2 theo S max

Thay S = 1 vào phương trình (6) ta được: M mm= 2 M max

Khi điện áp đặt vào động cơ giảm:

60 không thay đổi

Và độ trượt tới hạn S max= R2'

√R12

+X nm2 cũng không thay đổi

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 “TRUYỂN ĐỘNG ĐIỆN” Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễu – Nguyễn Thị Hiền của Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội

2 “CƠ SỞ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN” Tập I – II Bùi Đình Tiếu – Phạm Duy Nghi của Nhà Xuất Bản Hà Nội năm 1983

3. “GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN” Vụ Trung Học Và Dạy Nghề