HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB Ngành: Tự Động Hóa Cơng Nghiệp Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Minh Quyền Người anh hỗ trợ : Trần Lê Mân Người thực : Nguyễn Lê Hoàng Huy MSSV : 1951050062 Lớp : TD19 TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2021 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẨU TRỤC, PHỤ TẢI DÀNH CHO CẨU TRỤC VÀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát chung cẩu trục 1.1.1 Cấu tạo .2 1.1.2 Phân loại 1.2 Phụ tải hệ thống cẩu trục sử dụng động điện chiều 1.3 Máy điện chiều gì? 1.3.1 Khái quát chung máy điện chiều 1.3.2 Cấu tạo máy điện chiều 1.3.3 Nguyên lý hoạt động máy điện chiều: CHƯƠNG LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CHO HỆ THỐNG CẨU TRỤC 2.1 Phân tích đề cho hệ thống cẩu trục – tính tốn thơng số 2.2 Lựa chọn động điện chiều .9 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU – THIẾT LẬP MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MATLAB SIMULINK 12 3.1 Thiết kế mạch nguyên lý điều khiển động điện chiều CADe-SIMU 12 3.2 Thiết lập sơ đồ tương đương để từ rút phương trình mơ tả mối quan hệ động điện chiều – mô Matlab Simulink .12 3.2.1 Viết phương trình Kirchoff cho mạch điện động điện chiều kích từ nối tiếp 14 3.2.2 Phương trình momen điện từ 14 3.2.3 Phương trình cân momen 14 KẾT LUẬN .18 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC LỜI NÓI ĐẦU Ngày phát triển nhanh chóng cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung lĩnh vực điện - tự động hóa, nói riêng làm cho mặt xã hội thay đổi ngày Máy móc ngày sử dụng rộng rãi mức độ ngày đại Trong đó, phận máy thiết bị nâng xếp dỡ đóng vai trị quan trọng sản xuất vận hàng hóa, thiết bị nâng hạ góp phần làm giải phóng sức lao động, tăng nhanh suất lao động Cầu trục thiết bị nâng hạ sử dụng rộng rãi nhà xưởng, có nhiều ưu điểm kết cấu nhỏ gọn phù hợp với không gian nhà xưởng Cầu trục sử dụng xây dựng công trình cơng nghiệp, nhà máy luyện kim, nhà máy khí, cảng biển… Đặc biệt nhà máy khí, nhóm máy thiết bị cầu trục đóng vai trị quan trọng, góp phần lớn vào suất lao động hiệu kinh doanh Gắn liền với việc sử dụng cầu trục trình điều khiển kết hợp cấu cho đạt hiệu sản xuất cao Cùng với phát triển kinh tế, khoa học kĩ thuật, nhóm thiết bị ngày hồn thiện, có tính ưu việt hơn, đáp ứng tốt yêu cầu vận hành cơng suất, mức độ tự động hóa cao, vận hành an toàn hiệu quả… Em xin cảm ơn anh Trần Lê Mân giúp em hoàn thành đồ án Do giới hạn kiến thức nên nghiên cứu cịn có nhiều hạn chế thiếu xót Em kính mong giúp đỡ hướng dẫn anh để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! Phú Yên, thàng 10 năm 2021 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Lê Hoàng Huy Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẨU TRỤC, PHỤ TẢI DÀNH CHO CẨU TRỤC VÀ MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái quát chung cẩu trục Cầu trục máy chuyển động đường ray cố định kết cấu kim loại tường cao để vận chuyển vật khoảng khơng gian dường ray 1.1.1 Cấu tạo Cơ cấu nâng-hạ: Là phận cầu trục bao gồm động truyền động, truyền hệ kéo cáp vật lên, hạ vật xuống theo phương thẳng đứng (palang điện palang tay) Bộ phận lấy hàng móc câu, gầu nam châm điện Tùy theo công dụng cầu trục mà xe có 2, cấu nâng hạ, gồm cấu nâng cấu nâng phụ Ngồi cịn có cấu phanh hãm Phanh dùng cầu trục thường có loại: phanh đĩa, phanh guốc phanh đai Xe cầu: Là khung thép hình chữ nhật, thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm dầm bao quanh dàn khung Hai đầu dầm liên kết khí với dầm ngang tạo thành khung hình chữ nhật mặt phẳng ngang Các bánh xe cầu trục thiết kế dầm ngang khung để xe cầu chạy dọc suốt nhà xưởng cách dễ dàng Xe con: Là phận di chuyển đường ray xe cầu, có cấu nâng hạ cơ cấu di chuyển cho xe Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Kết hợp chuyển động vng góc xe cầu xe với chuyển động lên xuống phận lấy hàng, ta di chuyển vật điểm không gian phân xưởng Dẫn động cầu trục tay dẫn điện động Dẫn động tay chủ yếu dùng phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ khơng thường xun, khơng địi hỏi suất tốc độ cao 1.1.2 Phân loại Theo phận lấy hàng mục đích sử dụng:  Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn  Cầu trục dùng gầu ngoạm  Cầu trục dùng nam châm điện Theo chế độ làm việc:  Loại nhẹ: TĐ% = 10÷15%, số lần đóng cắt 60  Loại trung bình: TĐ% = 15÷25%, số lần đóng cắt 120  Loại nặng: TĐ% = 40÷60%, số lần đóng cắt 240 Theo trọng tải:  Loại nhẹ: 10  Loại trung bình: từ 10÷15  Loại nặng: 15 Theo chức năng:  Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, u cầu xác khơng cao  Cầu trục lắp ráp: Sử dụng phân xưởng khí, yêu cầu độ xác cao 1.2 Phụ tải hệ thống cẩu trục sử dụng động điện chiều Khảo sát cấu nâng hạ người ta thấy rằng, nâng tải, momen có tác động cản trở chuyển động, tức hướng ngược chiều quay Khi hạ tải, momen lại momen gây chuyển, tức hướng theo chiều quay động Dạng đặc tính cấu nâng hạ: Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Các trạng thái làm việc động cơ: Góc phần tư thứ I: Máy điện làm việc chế độ động M d  M c  M ms Với: M d - Momen động sinh M c - Momen tải trọng gây M ms - Momen ma sát gây Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Đối với cấu nâng hạ động làm việc chế độ nâng hàng Góc phần tư thứ II: Máy điện làm việc chế độ máy phát Đối với cấu nâng hạ động thực hãm động Góc phần tư thứ III: Máy điện làm việc chế độ động Đối với cấu nâng hạ: M c  M ms M d  M ms  M c Chế độ gọi hạ hàng Góc phần tư thứ IV: Máy điện làm việc chế độ máy phát Đối với cấu nâng hạ: M c  M ms M d  M c  M ms Hàng thả trọng lượng Cịn động điện nâng để hãm tốc độ hạ hàng Lúc động làm việc trạng thái hãm ngược 1.3 Máy điện chiều gì? 1.3.1 Khái quát chung máy điện chiều Ngày nay, máy điện xoay chiều sử dụng rộng rãi công nghiệp, máy điện chiều dùng giao thông vận tải, cơng nghiệp, hóa chất, hàn nhiều đồ điện gia dụng,…để làm máy phát điện động điện (máy bơm nước) Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Máy điện chiều cấu tạo phức tạp phần tĩnh (stator) phần quay (rotor) có dây quấn, liên hệ với qua chổi than cổ góp điện nên khó bảo dưỡng, khó sửa chữa lại có nhiều ưu điểm như:  Máy phát điện chiều cung cấp dòng điện trực tiếp cho công nghiệp điện phân, đúc điện, mạ điện, nạp ắc quy, dùng cho hệ thống tự động khống chế chiều, máy phát điện chiều (DC generator) máy phát kích từ cho máy phát điện đồng xoay chiều,…  Động chiều sử dụng nhiều giao thông vận tải với điều kiện làm việc nặng nhọc, thiết bị nâng hạ, động chấp hành công suất nhỏ (vài Watt) Motor điện dùng cho máy bơm nước loại chiều dễ điều chỉnh tốc độ phạm vi rộng, phẳng liên tục, mômen khởi động cao Cấu tạo động điện chiều máy phát điện chiều hoàn toàn giống nhau: dùng động kéo cho rotor quay máy phát điện chiều để thắp đèn, chạy máy Ngược lại, cấp điện vào máy rotor quay để kéo máy công tác Máy điện chiều sử dụng làm động điện máy bơm nước, giữ nguyên chiều dòng điện chạy dây quấn tên cực từ máy phát điện động quay ngược chiều với chiều quay làm máy phát điện 1.3.2 Cấu tạo máy điện chiều - Phần tĩnh (Stato) hay phần cảm: Được gọi phần cảm, thường làm thép đúc để dẫn từ đồng thời thân máy, thân có hàn chân máy, móc treo Những máy lớn có loại đúc gang, thân máy liền chân có gắn tăng cường Phía lắp cực từ lồi, bắt chặt vào thân máy bu lơng Nguyễn Lê Hồng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Cấu tạo gồm: vỏ máy (gông từ), phần cảm bên có gắn cực từ cực từ phụ (mỗi máy thơng thường có từ đến cực từ chính) - Phần quay (Rotor) hay phần ứng: Được gọi phần ứng có lắp trục vòng bi hai đầu trục Lõi thép phần ứng có dây quấn nối cổ góp điện, khe hở khơng khí phần tĩnh phần quay từ 0,5 ~ 3mm, máy lớn đến 12mm Gồm trục, lõi phần ứng, dây quấn phần ứng, cổ góp 1.3.3 Nguyên lý hoạt động máy điện chiều: Người ta định nghĩa máy điện chiều sau: Là thiết bị điện từ quay, làm việc dựa nguyên lý cảm ứng điện từ để biến đổi thành điện chiều (máy phát điện chiều) ngược lại để biến đổi điện chiều thành trục (động điện chiều) Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC CHƯƠNG LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU CHO HỆ THỐNG CẨU TRỤC 2.1 Phân tích đề cho hệ thống cẩu trục – tính tốn thơng số Đề mơ tả hình sau: Đề sau chuyển sang văn Tiếng Anh hoàn chỉnh: DC Motor is used in Crane application as shown below The used DC Motor nameplate shows; Nominal Power: 70HP Terminal Voltage: 500VDC Nominal Speed: 1000 rpm There is a gear set on the DC motor shaft and its conversion rate is 10, drum and gearset system efficiency 90% DC motor inertia 0.01kgms? Drum and gearset inertia kgms Drum diameter is 0.1 meter Load weight G=10 000-(500)8 [kg] If the DC Motor runs at nominal speed, a) Find the linear velocity of the weight b) Find the load moment on the Crane and motor shafts c) Find the kynetic energy of the system (Gravitational acceleration g=9.81 m/s2) Đề sau dịch sang Tiếng Việt: Động DC sử dụng ứng dụng Cầu trục hình Nhãn động DC sử dụng cho thấy:  Công suất định mức: 70HP;  Điện áp định mức: 500VDC;  Tốc độ định mức: 1000 vịng/phút Nguyễn Lê Hồng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Có bánh trục động DC tỷ số truyền 10, hiệu suất hệ thống tang trống bánh 90% Quán tính động DC 0,01kgms? Quán tính tang trống bánh kgms Đường kính trống 0,1 mét Tải trọng G = 10 000- (500) [kg] Nếu Động điện chiều chạy với tốc độ định mức a) Tìm vận tốc thẳng tải trọng b) Tìm mơmen tải tang trống trục động c) Tìm động toàn hệ thống (Gia tốc trọng trường g = 9,81 m /s2) Tóm tắt đề bài: Pdm  70 HP; ndm  1000rpm;U dm  500VDC G  10000kg ; g  9,8m / s; i  10; Rtr  0, 05m;  90% Giải tập: a) Để tìm vận tốc tải trọng ta áp dụng công thức sau: i 2 Ri n 2 Ri n 2 1000.0, 05     0,52( m / s ) i 10 Vậy vận tốc tải trọng 0,52 m/s b) Ta tính momen định mức động qua công thức: M dm  Pdm 70.750   501,375( Nm)  ndm   1000   9,55   9,55      Momen tang trống tính sau: M tr  FRtr  GgRtr  10000.9,81.0, 05  4905( Nm) Tiếp theo ta tính momen trục động là: Md  M tr 4905   545( Nm) i 10.0,9 c) Momen quán tính quy đổi trục động sau: J qd  J d  J tr mRtr2 10000(0, 05)   0, 01    0, 27 i2 i2 102 102 Ta tính động hệ công thức sau: 1  n  Wd  J qd dm  J qd  dm   0, 27.(104, 7)  1479,88( J ) 2  9,55  2.2 Lựa chọn động điện chiều Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Đối với tốn nói ta sử dụng động điện chiều kích từ nối tiếp vì: Đối với động điện chiều kích từ nối tiếp momen tải tăng, tốc độ động giảm mạnh, làm giảm cơng suất động Loại đặc tuyến tốc độ momen động gọi đặc tuyến “nối tiếp”, thường dùng cho thiết bị kéo, cần cẩu,…Trong trình khởi động, tải yêu cầu momen gia tốc lớn, tải luôn tác động động cơ, khơng có nguy tải thấp không tải Đồ thị phụ tải động điện chiều kích từ nối tiếp sử dụng cho hệ truyền động cần trục: Khoảng thời gian t1 ứng với mô men cản Mc1 Md1 khoảng thời gian nâng hàng lên, khoảng thời gian t01 khoảng thời gian nghỉ để đƣa hàng sang ngang, khoảng thời gian t2 ứng với mô men cản Mc2 Md2 khoảng thời gian hạ hàng, khoảng thời gian t02 khoảng thời gian nghỉ để dỡ hàng, khoảng thời gian t 3, t4 ứng với mô men cản Mc3, Mc4và Md3, Md4 khoảng thời gian nâng hạ móc khơng Trong đồ thị tải động điện lai cấu nâng hạ hàng có thêm khoảng thời gian khởi động tkd ứng với mơ men khởi động Mkd, khác đồ thị tải máy sản xuất (cơ cấu nâng hạ hàng) động điện lai Từ ta chọn động sau: Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang 10 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Mã động điện chiều mà ta chọn là: DRM 160 LN – 27AO Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang 11 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU – THIẾT LẬP MƠ HÌNH ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU TRÊN MATLAB SIMULINK 3.1 Thiết kế mạch nguyên lý điều khiển động điện chiều CADeSIMU Mạch nguyên lý điều khiển động điện chiều kích từ nối tiếp - ON1: Điều khiển động chạy thuận - ON2: Điều khiển động chạy ngược - STOP: Dừng máy phương pháp hãm động 3.2 Thiết lập sơ đồ tương đương để từ rút phương trình mô tả mối quan hệ động điện chiều – mô Matlab Simulink Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang 12 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Mạch tương đương động điện chiều kích từ nối tiếp cho thấy động điện chiều kích từ nối tiếp có dây quấn phần ứng mắc nối tiếp với dây quấn kích từ Mạch tương đương động điện chiều kích từ nối tiếp Mạch tương đương động điện chiều kích từ nối tiếp quy đổi miền Laplace Trong đó: uu - điện áp phhần ứng iu - dòng điện phần ứng M c - momen cản tải M dt - momen điện từ J - momen qn tính máy điện Các thơng số khác định nghĩa sau: Momen điện từ ( M dt ): M dt  ke iu Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang 13 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Momen ma sát: M ms  B. Điện trở: R  Rkt  Ru Điện cảm: L  Lkt  Lu Vì kích từ nối tiếp ta có: i  iu  ikt Sức điện động cảm ứng e: eu  keiu 3.2.1 Viết phương trình Kirchoff cho mạch điện động điện chiều kích từ nối tiếp uu (t )  diu L  iu (t ) R  eu (t ) dt Biến đổi Laplace vế ta được: U u ( s )  LsI u ( s )  RI u ( s)  ke I u ( s ) ( s )  U u ( s)  ke I u ( s ) ( s )   Ls  R  I u ( s) (1) 3.2.2 Phương trình momen điện từ: M dt (t )  ke iu2 (t ) Biến đổi Laplace vế ta được: M dt ( s )  ke I u2 ( s ) (2) 3.2.3 Phương trình cân momen cơ: M dt (t )  J d  B (t )  M c (t ) dt Biến đổi Laplace vế ta được: M dt ( s)  Js ( s)  B ( s)  M c ( s)  M dt ( s )  M c ( s )   Js  B   (s ) (3) Từ (1), (2) (3) ta thiết lập sơ đồ Simulink – Simcape – Power System cho động điện chiều kích từ nối tiếp sau: Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang 14 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Mô hình động điện chiều kích từ nối tiếp mô Simulink Phần điện động điện chiều kích từ nối tiếp sử dụng thư viện Simcape để mô Phần động điện chiều kích từ nối tiếp sử dụng thư viện Simcape để mơ Nguyễn Lê Hồng Huy EEAC Trang 15 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC Mơ hình động điện chiều kích từ nối tiếp mơ thư viện Specialize Power System Ngõ mơ hình hoàn toàn trùng khớp với nhau: - Ngõ tốc độ góc động điện chiều kích từ nối tiếp mơ phỏng: Nguyễn Lê Hồng Huy EEAC Trang 16 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC - Ngõ dòng điện mạch phần ứng động điện chiều kích từ nối tiếp Các thông số sử dụng cho trình mơ trên: J = 0.02365 %Momen quan tinh cua dong co; B = 0.0025 %He so ma sat; ke = 0.0675 %Hang so suc dien dong; Ru = 1.5 %Dien tro phan ung; Rkt = 0.7 %Dien tro kich tu; R = Ru+Rkt %Dien tro; Lu = 0.12 %Dien cam phan ung; Lkt = 0.03 %Dien cam phan kich tu; L = Lu+Lkt %Dien cam; Uu = 100 %Dien ap phan ung; Mc = 10 %Momen can cua tai Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang 17 HỆ THỐNG CẨU TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU EEAC KẾT LUẬN Sau q trình nghiên cứu tìm tịi em hoàn thành báo cáo đồ án “Hệ thống cẩu trục sử dụng động điện chiều” mà anh giao Cịn nhiều thiếu sót mong góp ý từ anh để báo cáo hồn thiện Nhờ tìm hiểu em biết nguyên lý hoạt động động điện chiều hệ thống cẩu trục nhiều rõ Qua em hiểu mơ hình Matlab Simulink từ làm cho việc khảo sát động đặc tính ngõ động rõ ràng Chân thành cảm ơn anh hướng dẫn em làm đồ án nho nhỏ Nguyễn Lê Hoàng Huy EEAC Trang 18