Đồ án môn học điện cơ : Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục. Mô phỏng matlab

Đồ án môn học

***********

Môn học : Tổng hợp hệ điện cơ

Tên đề tài : Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trụcGiáo viên hướng dẫn : Th.s Phạm Tâm Thành

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn An

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưa lại những ứng dụng lớn lao vào trong quá trình công nghiệp hóa hiện đại hoá của mỗi đất nước.Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần không nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp.Là một nước đang trong quá trình xây dựng nền kinh tế công nghiệp hiện đại với nhiệm vụ hiện nay là thực hiện thành công quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá, đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng manh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới

Từ trước đến nay cầu trục luôn được sử dụng phổ biến trong các nhà máy xí nghiệp, kho, bến bãi, hải cảng Nhưng để đưa ra giải pháp điều khiển giúp tối ưu cho các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền động cầu trục thì ta cần quan tâm mấy điểm sau đây: Động cơ không đồng bộ ba pha thuộc loại động cơ được sử dụng rộng rãi hơn động cơ một chiều vì có giá thành rẻ, vận hành an toàn sử dụng trực tiếp lưới điện công nghiệp Mặt khác, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật vi điện tử đã tăng khả năng sử dụng động cơ điện KĐB ba pha ngay cả khi yêu cầu cần điều chỉnh tự động truyền động trong phạm vi rộng có độ chính sác cao mà trước đây phải dùng động cơ điện một chiều Điều này càng đặc biệt có ý nghĩa khi hệ thống làm liệc trong mối trường có hoá chất ăn mòn, bịu bẩn, cháy nổ Trong môi trường này sử dụng động cơ KĐB rotor lồng sóc sẽ an toàn và tin cậy hơn nhiều.so với động cơ một chiều Mặt khác phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc bằng cách thay đổi tần số dòng điện stator có ưu điểm nổi bật so với phương pháp khác là:

Tốc độ được điều chỉnh trong phạm vi rộng Độ cứng đặc tính cơ đảm bảo yêu cầu

Do đó ta thiết kế đồ án với hệ truyền động bằng bộ biến tần nguồn dòng có

Trong quá trình tính toán thiết kế còn sử dụng phần mềm mô phỏng Simulink, là phần mềm có tính năng rất mạch trong việc mô phỏng các hệ truyền động điện.

Qua một thời gian tương đối ngắn với số lượng công việc cũng đáng kể do đó đồ án này chắc chắn còn có những thiếu sót, với sự nổ lực của bản thân em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo.

Chương 1 : Mô tả chung về hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục1.1.Cơ cấu nâng hạ cầu trục:

Hình 1.1 : Sơ đồ cấu tạo cầu trục

Cầu trục điện được sử dụng trong nhiều ngành kinh tế khác nhau như các nhà máy cơ khí, xí nghiệp luyện kim, công trường xây dựng, hải cảng, kho bãi … Nó bao gồm nhiều loại, nhiều kiểu khác nhau: Loại mono ray, loại cầu trục chạy trên dầm treo, loại cầu trục chạy trên nhà xưởng, loại cổng trục, loại cầu trục quay, loại cầu trục không cần ray chạy… Theo một số loại palang

Palăng một tốc độ:

Loại tiêu chuẩn 0,5  15 tấn

Cấu tạo đơn gian một cầu trục gồm có: Palăng, móc treo tải, dầm trục chính, đường ray, bảng điều khiển, ray chạy dọc…

Cầu trục thường có ba chuyển động chính: Chuyển động nâng hạ( của bộ phận nâng tải ) chuyển động ngang của xe cần Các động cơ đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại Số lần đóng cắt điện lớn, điều kiện môi trường nặng nề, đặc biệt là cầu trục ngoài trời, hải cảng trên mặt nước, ở các nhà máy hoá chất và luyện kim.

Các thiết bị điện cầu trục phải đảm bảo yêu cầu năng suất, an toàn và đơn giản đảm bảo yêu cầu về năng suất an toàn và đơn giản trong các thao thác Các động cơ chuyển động phải có khả năng đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng và có các đặc tính cơ bản thoả mãn yêu cầu công nghệ VD: Các cầu trục lắp ráp phải thoả mãn yêu cầu về dờng chính xác nên đòi hỏi

các đường đặc tính cơ cứng có đường đặc tính cơ thấp có nhiều đường đặc tính trung gian để mở và hãm êm Việc điều chỉnh tốc độ các cơ cấu đều thực hiện bằng phương pháp điện.

Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện điện từ để giữa chặt các trục chuyển động khi động cơ mất điện ở các cầu trục di chuyển kim loại nóng chảy để an toàn người ta dùng phanh hãm điện từ trên trục động cơ.

Mạng điện cung cấp cho trục không vượt quá 500V Mạng điện xoay chiều: 220V, 380V, mạng điện một chiều là 220V, 440V Điện áp chiếu sáng không vượt quá 220V, điện áp sửa chữa phải nhỏ hơn 36V Không được dùng máy biến áp tự ngẫu để cung cấp điện cho mạch chiếu sáng và sửa chữa.

Các mạch điện và các động cơ phải được bảo vệ ngắn mạch và quá tải trên 200% bằng rơ le dòng điện cực đại Không dùng rơle nhiệt vì các động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại Trong việc không chế phải bố trí khâu bảo vệ không để động cơ tự khởi động khi điện áp lưới tợ phục hồi.

Để đảm cho người và thiết bị vận hành trong sơ đồ khống chế phải có công tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi lên vị trí giới hạn ( Đối với cơ cấu nâng chỉ hạn chế hành trình nâng mà không cần hạn chế hành trình hạ ).

Gia tốc của cầu trục là một thông số hết sực quan trọng Hầu hết cầu trục có hạn chế gia tốc Ở bộ phận nâng hạ cầu trục có yêu cầu hạn chế gia tốc Ở bộ phận nâng hạ cầu trục gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chịu đựng phụ tải động cơ của cơ cấu VD: đối với cơ cấu nâng hạ cầu

trục gia tốc phải nhỏ hơn 0,2 2 s

m để không bị giật đứt dây cáp.

1.2.Đặc tính phụ tải :

Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là phụ tải thế năng Động cơ cho truyền động nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại Có đảo chiều.

*Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động:

Đối với truyền động nâng hạ tải gia tốc khởi động nhỏ nhất là tkđ5v (s) (Với v-Tốc độ nâng tải (m/s))

Thời gian hãm cũng được tính tương tự như trên

*Yêu cầu về hàm và dừng khẩn cấp:

Sử dụng phanh hãm để hạn chế tốc độ khi chuẩn bị dừng và khi mất điện phanh hãm phải dừng truyền động ở hiện trạng tránh rơi tự do.

Dừng chính xác tại nơi lấy và trả tải.

*Những yêu cầu khác:

Vấn đề tính chọn công suất động cơ Đảm bảo chiều quay

Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trước động cơ không bị đốt nóng quá mức.

Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy định

Không cho phép tăng công suất động cơ lên quá lớn:

 Tăng công suất lên quá lớn làm cho tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu nâng hạ) có thể dẫn tới tải bị giật mạch và có thể đứt dây treo.

 Tăng vốn đầu tư ban đầu.

Phải thiết kế để cơ cấu làm việc an toàn ở chế độ nặng nề nhất.

Các thiết bị cầu trục phải đảm bảo làm việc an toàn ở điện áp bằng 85% điện áp định mức.

Khi không có tải trọng (không tải) mô men của động cơ không vượt quá (1520)% Mđm, đối với cơ cấu nâng của cầu trục gầu ngoạm đạt tới 50% Mđm, đối với động cơ di chuyển xe con bằng (5055)% Mđm.

Chương 2 : Thiết kế truyền động

2.1 Lựa chọn động cơ , công suất động cơ

Hình 2.1 : Sơ đồ động họccủa cơ cấu nâng hạ

2.1.1 Các thông số của hệ thống:

Bán kính tay nâng Rt = 0,35 m Bội số của hệ thống ròng rọc u = 1 Tải trong định mức của tải Gđm = 30 Tấn Tải trọng định mức của cẩu G0 = 1 Tấn Tỉ số truyền i = 10

Tốc độ nâng cực đại( có tải ): vnâng = 0,25 m/s = 15 m/phút Tốc độ nâng cực đại( khôngcó tải) : 1,5 m/s

Tốc độ hạ cực đại( có tải) : 0,4 m/s

Tốc độ hạ cực đại( không có tải) : 1,5 m/s Hiệu suất cơ cấu truyền động c = 0,85

2.1.3 Tính hệ số tiếp điện tương đối TĐ%:

Khi tính toán hệ số tiếp điện tương đối ta có thể bỏ qua thời gian mở máy và hãm máy.

Chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ bao gồm 4 giai đoạn chính: Hạ không tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải Giữa các giai đoạn trên còn có thời

Giả sử vận tốc xe cầu là 100m/phút và giả thiết lấy tải từ đầu phân xưởng đến cuối phân xưởng.

2.1.4 Chọn sơ bộ công suất động cơ theo hệ số tiếp điện tương đối:

Chọn sơ bộ công suất động cơ theo phụ tải đẳng trị kết hợp với hệ số tiếp điện tương đối:

2.1.5 Kiểm nghiệm công suất động cơ:

Từ công suất chọn sơ bộ ta chọn động cơ rotor dây quấn có các thông số

Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác  Xét đến thời gian mở máy, hãm máy và thời gian nghỉ của động cơ

Hình 2.2 : Biểu đồ phụ tải Trong đó:

t1: thời gian hạ không tải t3: thời gian hạ tải định mức t01: thời gian lấy tải t03: thời gian lấy tải

t2: thời gian nâng tải định mức t4: thời gian nâng không tải t02: thời gian di chuyển dọc t04: thời gian di chuyển dọc

Trong đồ thị phụ tải trên thời gian khả động khi hạ tải sẽ rất nhỏ và có thể coi xấp xỉ bằng 0 vì lúc đó mômen thế năng của tải và mômen cực đại của

Dòng chảy qua các van T1  T6 và D1 D6 chính bằng dòng chảy qua các pha của stato động cơ I = 91A.

Điện áp ngược mở van phải chịu là: Ud = 370 V

 Ch n Tiristor Lo i T-250 có các thông s sau:ọn Tiristor Loại T-250 có các thông số sau: ại T-250 có các thông số sau: ố sau:

Loại I(A) Uim(V) U(V) Toff(s) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/s)

Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều.

Hình 2.4 : Sơ đồ nguyên lý máy phát tốc

Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc

Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc

Hình 2.5 : Sơ đồ mạch phản hồi dòng 1 chiều

Sử dụng mạch phản hồi dòng một chiều có cấu tạo được trình bày trên hình vẽ :

Nguyên lý hoạt động: Dòng Id sau mạch chỉnh lưu được cho qua điện trở Rsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trong khoảng từ 0-75mV.ĐIện áp

vi sai này được đưa vào đầu vào của khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại tạo ra đIện áp ra tỉ lệ với dòng Id.

Chọn điện áp vào vi sai bằng 75mV.

Điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V =>hệ số khuyếch đại của OA bằng:

Từ các quan hệ tính mômen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy

hoặc từ thông stator s không đổi thì mômen sẽ không phụ thuộc vào tần số và mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh Nếu coi RS = 0

Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stator có thể so sánh được sụt áp trên điện cảm mạch stator khi đồng thời từ thông cũng giảm đi và do đó mômen tới hạn cũng giảm đi.

Có thể thiết lập được chiến lược điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotor không đổi: r const

Ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thể tính được từ thông rotor và phương trình cân bằng mạch rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:

Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phương 2 vế của từng phương trình và cộng hai phương trình với nhau, đồng thời để ý rằng:

Vậy khi giữ biên độ từ thông rotor không đổi thì vector từ thông rotor luôn vuông pha với vector dòng điện rotor và do đó momen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dòng điện rotor.

Điều chỉnh từ thông là trường hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng giá trị từ thông định mức, như vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của động cơ KĐB.

Trong thiết kế môn học này chọn phương pháp điều khiển tần số thông qua từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thông không đổi qua quan hệ dòng chính lưu Id và tần số trượt f2.

Bản chất của phương pháp này là thông qua việc duy trì quan hệ giữa dòng điện stato I1 và tần số trượt f2 sao cho từ thông của máy điện được giữ

Hình 2.6 : Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I1 (f2).

Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển:

Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vòng điều chỉnh dòng điện Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc độ R là tín hiệu đặt của mạch vòng điều chỉnh dòng điện Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dòng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng Id.

Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ:

Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R được đưa qua khâu đạo hàm phi tuyến Id f f2 f2

Ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Ri và bộ điều chỉnh tốc độ R theo kênh 1.

Căn cứ vào biểu thức tính toán mômen và dòng điện ta có thể thành lập được sơ đồ cấu trúc của hệ thống:

2.3.2 Sơ đồ cấu trúc và khai triển của mạch vòng dòng điện:Sơ đồ cấu trúc tổng quát mạch vòng dòng điện:

Hình 2.7 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát mạch vòng dòng điện

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện:

Hình 2.8 : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Trong đó: Ld, Rd: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc.

L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato.

L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato.

Trong đó: Ud: điện áp đầu ra CL Udk: điện ạp điều khiển chính lưu

KCL, TCL: hệ số điều khiển và hằng số thời gian bộ chỉnh lưu.

Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện rất phức tạp vì thành phần điện trở của mạch vòng dòng điện phụ thuộc vào hệ số trượt s Do đó một cách gần đúng ta bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tán qui đổi từ

Hình 2.9 : sơ đồ cấu trúc mạch vòng dạng khai triển mạch vòng dòng điện Trong đó: s là tốc độ trượt của động cơ

Tr: hằng số thời gian mạch rotor

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ

Hình 2.10 : Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ

Khâu phi tuyến Id(f2) hay Id(ws) có thể được tuyến tính hoá thành khâu khuếch đại đơn giản

Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện và tốc độ sau khi đã tuyến tính hoá (bỏ qua hệ số thời gian điện từ)

Hình 2.11 : Sơ đồ cấu trúc sau khi đã tuyến tính hóa

2.3.4 Tính toán các tham số trong sơ đồ tuyến tính hoá:

Ta có sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Rr:

Hình 2.12 : sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Rr

=> Hàm truyền của mạch vòng dòng điện:

Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần đúng hàm truyền hệ kín mạch vòng điều chỉnh tốc độ là khâu quán tính bậc nhất.

Ta có mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng dòng điện.

Hình 2.13 : Sơ đồ mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng dòng

Khi bỏ qua MC ta có sơ đồ tương đương sau:

Để giảm độ quá điều chỉnh

=> Dùng thêm một khâu lọc có hàm truyền WLp

2.4.Sơ đồ điều khiển:

Sơ đồ khối mạch điều khiển:

Hình 2.15 : Sơ đồ khối mạch điều khiển

2.4.1 Mạch điều khiển chỉnh lưu:

Để đơn giản thuận tiện đồng thời đảm bảo chất lượng của xung ta sử dụng vi mạch TCA-780 Đây là vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng: tạo điện áp đồng bộ, so sánh và tạo xung ra.

TCA-780 do hãng Siemens chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dòng xoay chiều Có thể điều chỉnh góc từ  từ 0  1800 Các thông số của TCA-780 như sau:

Điện áp nguồn nuôi: Us =15V Dòng điện tiêu thụ: Is = 10mA Dòng ra: I = 50mA

Điện áp răng cưa: Umax = (Us – 2)V

Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = (20  500)k Điện áp điều khiển: U11 = (-0,5  (Us – 2))V

Dòng đồng bộ: I5 = 200A Tụ điện C10 = 200A

Tần số xung ra: f = (10  500)Hz

Sơ đồ gồm có 6 kênh điều, một máy biến áp đồng bộ một nguồn điện áp điều khiển chung cho cả 6 kênh.

Cấu trúc mỗi kênh điều khiển gần giống cấu trúc mạch điều khiển một tiristor Đặc biệt ở đây là sơ đồ luôn luôn có thể đảm bảo mở đồng thời 2 tiristor (một ở nhóm Anode chung vào một ở nhóm Cathode chung) Có như thế mới khởi động được thiết bị chỉnh lưu và đảm bảo cho thiết bị làm việc.

Hình 2.16 : Mạch điều khiển dùng vi mạch TCA-780

2.4.2 Mạch điều khiển nghịch lưu:

Uc