Khảo sát và thiết kế hệ truyền động một chiều cho truyền động chính máy doa ngang 2620

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà Nội, 6-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: Khảo sát thiết kế hệ truyền động chiều cho truyền động máy doa ngang 2620 Trưởng mơn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : ThS Tạ Duy Hà Sinh viên thực : Đoàn Quang Huy Lớp : CN – ĐK & TĐH1 - K59 MSSV : 20146327 Giáo viên duyệt : Hà nội, 6-2018 Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Khảo sát thiết kế hệ truyền động chiều cho truyền động máy doa ngang 2620 em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo ThS Tạ Duy Hà Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 29 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Đoàn Quang Huy Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 10 LỜI NÓI ĐẦU 11 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ MÁY DOA NGANG 2620 12 1.1 Khái niệm chung nhóm máy cắt gọt kim loại 12 1.1.1 Phân loại máy cắt gọt kim loại 12 1.1.2 Các loại chuyển động máy 12 1.1.3 Các yếu tố trình cắt gọt 13 a Tốc độ cắt 13 b Lực cắt 14 c Công suất cắt 14 d Thời gian máy 14 f Phụ tải động truyền động cấu điển hình 15 g Tổn hao máy cắt gọt kim loại 18 1.2 Tổng quan máy doa 18 1.2.1 Đặc điểm công nghệ 18 1.2.2 Yêu cầu truyền động điện trang bị điện máy doa 19 a Truyền động 19 b Truyền động ăn dao 20 c Độ ổn định tốc độ làm việc 20 d Sự phù hợp đặc tính hệ thống đặc tính phụ tải 20 Mục lục e Yêu cầu tự động hạn chế phụ tải 22 f Yêu cầu kinh tế 22 1.2.3 Sơ đồ truyền động máy doa ngang 2620 22 a Sơ đồ truyền động ăn dao 23 b Sơ đồ truyền động 24 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 27 2.1 Thiết kế mạch lực 27 2.1.1 Lựa chọn động 27 2.1.2 Lựa chọn phương án truyền động 27 a Hệ thống truyền động máy phát-động cơ(F-Đ) 27 b Hệ truyền động Thyristor – Động (T-Đ) 30 2.1.3 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu 31 2.1.4 Lựa chọn phương án đảo chiều 36 a Đảo chiều dòng điện phần ứng cách dùng công tắc tơ 36 b Đảo chiều dòng điện phần ứng hai chỉnh lưu cầu triristor mắc song song ngược 37 2.1.5 Lựa chọn van mạch lực 38 2.1.6 Lựa chọn cuộn kháng san 38 2.1.7 Lựa chọn aptomat bảo vệ mạch lực 40 2.1.8 Bảo vệ tốc độ tăng điện áp dòng điện cho van du/dt,di/dt 40 2.1.9 Sơ đồ mạch lực 42 2.2 Thiết kế mạch điều khiển 43 2.2.1 Khâu đồng phát xung cưa 44 a Mạch đồng 45 b Mạch tạo xung cưa 46 2.2.2 Khâu so sánh 47 Mục lục 2.2.3 Khâu truyền xung 48 a Mạch sửa xung 48 b Mạch khuyếch đại truyền xung 49 2.2.4 Khâu phản hồi dòng điện 50 2.2.5 Khâu phản hồi tốc độ 51 2.2.6 Một số mạch khác 53 a Mạch tạo nguồn nuôi 53 b Mạch hạn chế gia tốc điện áp đặt 53 c Mạch giới hạn điện áp 55 d Mạch chống bão hịa tích phân 55 2.2.7 Sơ đồ mạch điều khiển 57 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG 58 3.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống 58 3.1.1 Mơ tả tốn học chỉnh lưu điều khiển 58 3.1.2 Mơ tả tốn học động điện chiều kích từ độc lập 59 3.1.3 Mạch vòng dòng điện 61 3.1.4 Mạch vòng tốc độ 63 3.1.5 Cấu trúc hệ truyền động 64 3.2 Xét điều kiện ổn định tĩnh hệ thống 65 3.3 Xét ổn định động hệ thống 66 3.4 Kết mô 66 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 Danh mục hình ảnh DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Phân loại máy cắt gọt kim loại 12 Hình 1.2: Các dạng gia cơng điển hình MCGKL 13 Hình 1.3: Cơ cấu hệ truyền động ăn dao trục vít êcu 16 Hình 1.4: Cơ cấu truyền động phụ máy khoan hướng kính 17 Hình 1.5: Hình dạng bên ngồi máy doa 19 Hình 1.6: Đồ thị phụ tải truyền động MCGKL 20 Hình 1.7: Đặc tính điều chỉnh kết hợp phương trình 22 Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống F - Đ với phản hồi âm tốc độ 27 Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống F - Đ với phản hồi âm tốc độ có ngắt 28 Hình 2.3: Sơ đồ hệ truyền động Thyristor – Động (T-Đ) 30 Hình 2.4: Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha điều khiển đối xứng 32 Hình 2.5: Sơ đồ chỉnh lưu hình tia pha 33 Hình 2.6: Sơ đồ chỉnh lưu cầu pha điều khiển đối xứng 34 Hình 2.7: Sơ đồ đảo chiều dịng điện phần ứng cách dùng cơng tắc tơ 36 Hình 2.8: Sơ đồ đảo chiều hai chỉnh lưu cầu triristor mắc song song ngược 37 Hình 2.9: Mạch bảo vệ tốc độ tăng điện áp dòng điện cho van 40 Hình 2.10: Sơ đồ thiết kế mạch lực 42 Hình 2.11: Sơ đồ điều khiển theo nguyên tắc pha đứng 44 Hình 2.12: Mạch tạo xung đồng 45 Hình 2.13: Giản đồ điện áp tạo xung đồng 45 Hình 2.14: Mạch tạo xung cưa 46 Hình 2.15: Giản đồ điện áp tạo xung cưa 47 Hình 2.16: Mạch so sánh 47 Hình 2.17: Giản đồ điện áp so sánh 48 Hình 2.18: Mạch sửa xung 49 Hình 2.19: Giản đồ điện áp sau sửa xung 49 Hình 2.20: Mạch khuyếch đại truyền xung đến van 50 Hình 2.21: Mạch phản hồi dịng điện 50 Danh mục hình ảnh Hình 2.22: Mạch phản hồi tốc độ 52 Hình 2.23: Mạch tạo nguồn nuôi điện áp đặt 53 Hình 2.24: Mạch hạn chế gia tốc điện áp 54 Hình 2.25: Mạch giới hạn điện áp đặt điều khiển mạch vòng dòng điện 55 Hình 2.26: Mạch phản hồi chống bão hịa tích phân 56 Hình 2.27: Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển 57 Hình 3.1: Sơ đồ thay mạch chỉnh lưu điều khiển 58 Hình 3.2: Quan hệ Ud Udk 58 Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu 59 Hình 3.4: Sơ đồ thay động chiều 60 Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc động điện chiều 61 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dòng điện 61 Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện sau biến đổi 62 Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ 63 Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc toàn truyền động 64 Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc hệ thống chế độ tĩnh 65 Hình 3.11: Biểu đồ tốc độ thay đổi tải 67 Hình 3.12: Biểu đồ dòng điện phần ứng thay đổi tải 67 Hình 3.13: Biểu đồ tốc độ đảo chiều động 68 Hình 3.14: Biểu đồ dòng điện phần ứng đảo chiều động 68 Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1.1: Bảng hiệu suất khâu truyền động 18 Bảng 2.1: Thông số động 27 Bảng 2.2: Thông số Thyristor 38 Bảng 3.1: Bảng Routh xét tính ổn định hệ thống 66 Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BBĐ Bộ biến đổi CL Chỉnh lưu CT Biến dòng FT Máy phát tốc MCGKL Máy cắt gọt kim loại MĐKĐ Máy điện khuếch đại Opamp Khuếch đại thuật toán TR Transistor 10 Chương 2: Thiết kế hệ truyền động Hình 2.26: Mạch phản hồi chống bão hịa tích phân Chọn R18=R19=R20=R11=10kΩ Chọn R23=2k2Ω; R22=1kΩ 56 Chương 2: Thiết kế hệ truyền động 2.2.7 Sơ đồ mạch điều khiển Hình 2.27: Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển 57 Chương 3: Mô xét tính ổn định hệ thống CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG 3.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống 3.1.1 Mơ tả tốn học chỉnh lưu điều khiển Ta có sơ đồ thay mạch chỉnh lưu van dẫn dịng sau : Hình 3.1: Sơ đồ thay mạch chỉnh lưu điều khiển Đầu chỉnh lưu điện áp Ud đặt lên tải theo công thức: U d = 0,9U cos  (3.1) Mà góc mở 𝛼 tỷ lệ với Udk, cần xác định quan hệ Ud Udk Hình 3.2: Quan hệ Ud Udk Với góc mở α khoảng 50o÷ 90o tương ứng với Ud =0÷220V, đường đặc tính Ud-Uđk gần tuyến tính nên coi gần đúng: K cl = Ud 220 = = 76 U dk 2,894 58 (3.2) Chương 3: Mô xét tính ổn định hệ thống Do tính chất dẫn xung tính chất bán điều khiển chỉnh lưu nên thời điểm thay đổi tín hiệu điều khiển khơng trùng với thời điểm thay đổi góc  Độ dài thời gian trễ có đặc tính ngẫu nhiên lấy giá trị trung bình ½ chu kỳ Do có khoảng thời gian trễ  nên (theo TL 5): KCL.e-P..Uđk = Ud (3.3) Trong đó:  thời gian trễ - Tia pha:  =10 (ms) - Tia pha, cầu pha:  = (ms)  = 3,33 (ms) Tia pha, cầu pha:  = 1,67 (ms) - Tia pha: - Hàm truyền khâu chỉnh lưu: WCL ( p) = U d ( p) = K CL e − P. U dk ( p) (3.4) Khi tần số điện áp xoay chiều đủ lớn dùng biến đổi gần từ khai triển Mc.Lauin.(theo TL 5) e P = 1 + p + p. + 2! (3.5) Và thay hàm trễ khâu quán tính (theo TL 5) WCL = K CL + p. Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu: Hình 3.3: Sơ đồ cấu trúc khâu chỉnh lưu 3.1.2 Mơ tả tốn học động điện chiều kích từ độc lập Ta có sơ đồ thay động điện chiều kích từ độc lập sau: 59 (3.6) Chương 3: Mơ xét tính ổn định hệ thống Hình 3.4: Sơ đồ thay động chiều Xét chế độ độ, động điện chiều ta có phương trình mơ tả sơ đồ thay sau: Phương trình cân điện áp mạch phần ứng: (theo TL 6) U u = E + Ru I u + L dI u dt (3.7) Biến đổi Laplace ta được: U u ( P ) − E( P ) = Ru (Tu p + 1).I u ( p )  Với: Tu = Iu ( p ) U u ( p ) − E( p ) = 1/ Ru Tu p + Lu + Lsb 0,157 = = 0, 22 Ru 0, 716 (3.8) (3.9) (3.10) Phương trình chuyển động hệ: M − M C = J d dt (3.11) Biến đổi laplace về: M ( p ) – M c ( p ) = J  ( p ) p   ( p) = M ( p) – Mc ( p) J.p Mà M = K M .Iu (3.12) (3.13) (3.14) Ta có: (theo TL 6) dm = 2 ndm = 157( rad / s) 60 60 (3.15) Chương 3: Mơ xét tính ổn định hệ thống Tính Kdm theo cơng thức: (theo TL 6) K M dm = U dm − I dm Ru = 1,3(Wb) (3.16) Mômen điện từ định mức ≈ Mcơ = K M dm I dm = 29,9( Nm) (3.17) dm (Bỏ qua tổn hao sắt từ) Từ phương trình mơ tả tốn học ta có sơ đồ cấu trúc động điện chiều hình 3.5 Hình 3.5: Sơ đồ cấu trúc động điện chiều 3.1.3 Mạch vòng dòng điện Mạch vịng dịng điện mạch vịng có chức trực tiếp hay gián tiếp xác định mômen kéo động ngồi cịn chức bảo vệ điều chỉnh gia tốc Dòng điện chuyển thành dạng điện áp phản hồi điều chỉnh dòng điện hình 3.6 Cấu trúc mạch vịng dịng điện hình 3.6 Hình 3.6: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện 61 Chương 3: Mơ xét tính ổn định hệ thống Trong đó: - Ri điều khiển - CL chỉnh lưu với hàm truyền: WCL = - Hàm truyền khối M = - Si hàm truyền khâu phản hồi dòng điện: Si = 76 K CL = + p. 0, 005 p + 1/ Ru 1, = Tu p + 0, 22 p + K iph  iph p + Với Kiph đặt 0,24 𝜏iph số thời gian lọc khâu phản hồi lấy = 0,001 hàm truyền Si = 0, 24 0, 001 p + Biến đổi tương đương ta được: Hình 3.7: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện sau biến đổi Trong có hai khối: Tc Ru MME = + Tc p + Tc Tu p p K MMC = + Tc p + Tc Tu p Là hai khối tổng hợp từ thông không đổi 62 Chương 3: Mô xét tính ổn định hệ thống Với Tc = J Ru ( K ) gọi số thời gian khí Thay giá trị có vào ta Tc= 0,0373 Khi tổng hợp tìm điều khiển ta giả thiết động chạy chế độ không tải Mc=0 Tc K iph K cl Ru   Vậy đối tượng cần điều khiển là:  p + 1 + Tc p + Tc Tu p  iph p + p Theo tiêu chuẩn tối ưu mơdul ta tìm điều khiển: (theo TL 5) Ri ( p ) = + Tc p + Tu Tc p K cl K iph Tc 2. s p Ru (3.18) Với 𝜏s= 𝜏iph+𝜏 = 0,006 Thay số vào (3.18) ta được: Ri ( p) = + 0,0373 p + 0,0082 p (0,01865 p + 1) = + 0,69 0,0114 p (0,10677 p)2 (3.19) Vậy sử dụng P Kp=0,69 + PI nối tiếp Kp=0,1747; Ti=0,01865 3.1.4 Mạch vòng tốc độ Hình 3.8: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng tốc độ Sau tổng hợp mạch vòng dòng điện coi hàm truyền mạch vịng dịng điện: Wi  1/ Kiph TWi p + để tính toán đơn giản (theo tài liệu 5) Với TWi = 2𝜏s = 0,012 63 Chương 3: Mô xét tính ổn định hệ thống Rn điều khiển Sn hàm truyền khâu phản hồi tốc độ: Sn = K nph  nph p + Với Knph đặt= 0,00193 𝜏nph số thời gian lọc khâu phản hồi lấy = 0,001 hàm truyền Sn = 0, 00193 0, 001 p + Xét Mc=0, đối tượng cần điều khiển có cấu trúc là: 1,135 p ( 0, 013 p + 1) Theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng với a=4 (theo TL 5)  Ti=0,052 ; Kp=34 3.1.5 Cấu trúc hệ truyền động Hàm truyền hệ truyền động hàm truyền hệ kín mạch vịng tốc độ, tổng hợp hàm truyền hệ truyền động là: Wht = 0,01529 p + 15,8741 p + 587,83 6.10−9 p + 6,5.10−6 p3 + 0,0005 p + 0,02951 p + 1,135 Sử dụng khâu bão hòa để giới hạn Imax=50A Sử dụng thêm khâu chống bão hịa tích phân trình bày chương Thêm khâu quán tính tiền xử lý tín hiệu đặt để tránh thay đổi đột ngột Cấu trúc điều khiển tốc độ với mạch vòng phản hồi là: Hình 3.9: Sơ đồ cấu trúc tồn truyền động 64 (3.20) Chương 3: Mơ xét tính ổn định hệ thống 3.2 Xét điều kiện ổn định tĩnh hệ thống Khảo sát chế độ tĩnh hệ thống tiến hành nhằm mục đích để kiểm tra độ cứng đặc tính hệ thống Xem có đảm bảo sụt tốc độ tương đối hay khơng qua mơ tả q trình diễn biến hệ thống chế độ làm việc nó, từ đánh giá chất lượng tĩnh hệ thống truyền động máy doa Sơ đồ cấu trúc hệ thống chế độ tĩnh: Hình 3.10: Sơ đồ cấu trúc hệ thống chế độ tĩnh Trong đó: ▪ Und: Tín hiệu điện áp đặt tốc độ ▪ Kn: Hệ khuếch đại tốc độ ▪ Ki: Hệ khuếch đại dòng điện ▪ KCL: Hệ số khuếch đại biến đổi Kb = 76 ▪ KD = K M dm  60 = 7,37 2 ▪ 𝛾 n: Hệ số phản hồi tốc độ = 0,00193 ▪ 𝛽 i: Hệ số phản hồi dòng điện = 0,24 ▪ Rư : Điện trở mạch phần ứng =0,716 Hệ thống có khâu phản hồi tham gia : n= U nd K n K D K i K CL ( Ru + i K i K CL ).I u K D − +  K n K i K CL K D +  K n K i K CL K D  n = ( Ru + i K i K CL ).I u K D +  K n K i K CL K D Với yêu cầu ∆n = (5 ÷10)%nđm 65 (3.21) (3.22) Chương 3: Mơ xét tính ổn định hệ thống  n = ( Ru + i K i K CL ).I u K D  150 +  K n K i K CL K D (3.23) Thay số vào (3.23), ta n = 85, 48 đạt yêu cầu ổn định tĩnh 3.3 Xét ổn định động hệ thống Hàm truyền đạt hệ thống là: Wht = 0,01529 p + 15,8741 p + 587,83 6.10−9 p + 6,5.10−6 p3 + 0,0005 p + 0,02951 p + 1,135 (3.24) Xét phương trình đặc trưng: 3,67.10−8 p + 3,825.10−5 p3 + 0,00153 p + 0,059 p + 1,135 = (3.25) Lập bảng Routh: Bảng 3.1: Bảng Routh xét tính ổn định hệ thống a0=1,135 a2=0,00153 a1=0,059 a3=3,825.10-5 7,94.10-4 3,67.10-8 a4=3,67.10-8 3,55.10-5 3,67.10-8 Theo tiêu chuẩn Routh tất hệ số cột dương nên hệ thống ổn định 3.4 Kết mô Khởi động với tốc độ định mức, t=6s tăng Mc từ 0→ Mdm 66 Chương 3: Mô xét tính ổn định hệ thống Hình 3.11: Biểu đồ tốc độ thay đổi tải Hình 3.12: Biểu đồ dòng điện phần ứng thay đổi tải Khởi động với tốc độ định mức, Mc=Mdm sau đảo chiều t=4s 67 Chương 3: Mô xét tính ổn định hệ thống Hình 3.13: Biểu đồ tốc độ đảo chiều động Hình 3.14: Biểu đồ dòng điện phần ứng đảo chiều động Nhận xét: + Tốc độ thay đổi phụ tải thay đổi ổn định lại nhanh + Dòng điện khởi động đảo chiều tốc độ cao phạm vi cho phép + Thời gian đảo chiều khoảng 1s ổn định nhanh 68 Kết luận KẾT LUẬN Đồ án tốt nghiệp nhiệm vụ quan trọng sinh viên để hồn thành khóa học Trong thời gian tháng để nghiên cứu tài liệu tiếp thu hướng dẫn, bảo ThS Tạ Duy Hà em hoàn thành đồ án Trong trình làm đồ án em nghiên cứu tìm hiểu tài liệu giáo trình thầy viện Điện, với nổ lực thân em thu số thành định: + Biết cách trình bày kết cấu đồ án + Biết tìm tịi, chắt lọc tài liệu phù hợp cho nội dung đồ án + Biết phân bố thời gian chương để đảm bảo tiến độ + Hiểu quy trình cơng nghệ thiết kế hệ thống truyền động máy doa Đồng thời thông qua nhiệm vụ giúp em có nhìn tổng quát việc điều khiển máy gia công, cắt gọt kim loại sâu điều khiển hệ thống công nghiệp sử dụng sơ đồ chỉnh lưu - động chiều Do thời gian khơng dài có kiến thức chưa nắm bắt nên đồ án tốt nghiệp không tránh khỏi sai sót, kính mong thầy cho ý kiến để hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 29 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thực Đoàn Quang Huy 69 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mạnh Tiến- Vũ Quang Hồi, Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại, Nhà xuất giáo dục, 2006 [2] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2009 [3] Trần Trọng Minh, Giáo trình điện tử cơng suất, Nhà xuất giáo dục Việt Nam, 2012 [4] Nguyễn Bính, Điện tử cơng suất tập – giải - ứng dụng , Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2003 [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, [6] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2007 [7] 123doc.org 70