- Một số biến tần phổ biến hiện nay: •Biến tần INVT
4.2 Điều khiển trục chính máy CNC
4.2.1 Trục chính máy CNC
- Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh.
- Động cơ cho trục chính là loại động cơ cao tốc, hoạt động ở tần số cao. Điều khiển những loại động cơ này cần có bộ điều khiển có khả năng tăng tốc, giảm tốc nhanh, Moment khởi động lớn.
Hình 4.9: Trục chính máy CNC
4.2.2 Điều khiển tốc độ trục chính với động cơ KĐB 3 pha.
- Động cơ trục chính thường được sử dụng là loại động cơ không đồng bộ 3 pha, sở dĩ loại động cơ không đồng bộ ba pha hay được chọn để làm động cơ trục chính vì loại động cơ này có dải công suất lớn từ vài trăm woat đến vài trăm kilowat, một lý do nữa để chọn động cơ không đồng bộ ba pha là giá thành rẻ hơn nhiều so với động cơ đồng bộ cùng công suất.
- Công thức tính tốc độ động cơ: - Trong đó: • ω là tốc độ roto động cơ. • f là tần số dòng điện. • n là cố cặp cực. • s là hệ số trượt.
- Do vậy để điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể thay đổi tần số điện áp cấp vào động cơ. Phương pháp điểu chỉnh tốc độ này là tối ưu hơn việc thay đổi số cặp cực của động cơ vì cấu tạo động cơ khó thay đổi hơn. Hơn nữa dùng phương pháp thay đổi tần số điện áp cấp vào động cơ ta có để điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ với các bộ điều chỉnh tần số là biến tần.
Hình 4.10: Động cơ KĐB 3 pha với biến tần
- Biến tần thực hiện biến đổi điện áp xoay chiều ba pha của nguồn điện thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu cầu ba pha. Nhờ bộ nghịch lưu, điện áp một chiều sẽ đổi thành điện áp xoay chiều ba pha theo phương pháp điều chế độ rộng xung. Tín hiệu của biến tần có dạng sin (nếu sử dụng biến tần dòng) hoặc có dạng xung vuông nối tiếp (nếu sử dụng biến tần áp), từ đó đưa tín hiệu điều chỉnh tốc độ động cơ mong muốn.
Hình 4.12: Sơ đồ đấu dây
4.2.3 Điều khiển trục chính với động cơ biến tần.
- Các động cơ truyền động trục chính phổ biến nhất là động cơ cảm ứng được điều khiển bởi biến tần. Không mất tính tổng quát, mô hình đề xuất sẽ được phát triển dựa trên động cơ cảm ứng. Công suất của gia tốc trục chính cao hơn đáng kể so với trạng thái ổn định, vì mô-men xoắn cần thiết để tăng tốc hệ thống trục chính lớn hơn đáng kể so với mô-men xoắn cần thiết để giữ cho nó chạy. Gia tốc trục chính bắt đầu vào thời điểm khi công suất bắt đầu tăng. Tăng tốc trục chính kết
thúc khi công suất đạt đến giá trị cao nhất của nó. Sức mạnh của gia tốc trục chính bao gồm hai phần.
• Phần đầu tiên là sức mạnh trực tiếp để duy trì vòng quay trục chính, tương đương với công suất quay trục chính ở tốc độ quay trục chính được chỉ định.
• Phần thứ hai và thường là quan trọng nhất là sức mạnh để vượt qua quán tính của hệ thống truyền cơ học của ổ trục chính và tăng tốc trục chính, tương đương với sản phẩm của mô -men tăng tốc và tốc độ góc của động cơ trục chính. Sức mạnh của gia tốc trục chính PSA [W] được thể hiện là:
➢ Trong đó:
- Psr là công suất quay trục chính [W]. - n là tốc độ quay trục chính [r/ phút].
- um là tốc độ góc của động cơ trục chính [rad/ s].
- Tsa là mô -men tăng tốc tương đương của hệ thống truyền động trục chính được đề cập đến Trục động cơ trục chính [N $ M].
• Nó có thể được thể hiện như:
➢ Trong đó Jsp là thời điểm tương đương của quán tính cho hệ thống truyền động trục chính được đề cập đến trục động cơ trục chính [kg $ m2]. - αM là gia tốc góc của động cơ trục chính [RAD/S2].
• Giả sử tốc độ quay trục chính được tăng từ N1 lên N2, thời gian gia tốc trục chính là:
➢ Trong đó:
- TSA là khoảng thời gian của quá trình gia tốc trục chính [S]. - N1 là tốc độ trục chính ban đầu trước khi tăng tốc [R/Min],
- N2 là tốc độ trục chính cuối cùng sau khi tăng tốc [R/Min], - A là gia tốc góc của trục chính [ rad/s2].
• Sau đó, ESA tiêu thụ năng lượng của gia tốc trục chính là:
❖ Bao gồm tốc độ quay trục chính N và tốc độ góc của động cơ trục chính UM, được điều khiển bởi biến tần trục chính. Sau này bao gồm khoảnh khắc của quán tính JSP, gia tốc góc của động cơ trục chính AM và gia tốc góc của trục chính A, là các chức năng của thiết kế cơ học và các thông số điều khiển động cơ của hệ thống trục chính. Tốc độ quay của động cơ trục chính NM [r/phút] của công cụ máy CNC được điều khiển bằng cách điều chỉnh tần số đầu ra biến tần
➢ Trong đó:
- F1 là tần số điện được điều khiển bởi biến tần trục chính [Hz], - P là số cặp cực của động cơ, s là trượt động cơ.
- Giá trị của trượt s thường nằm trong khoảng 0,01 đến 0,05, tùy thuộc vào tải của động cơ trục chính.
• Tải trọng động cơ trục chính là nhỏ, vì trục chính được tăng tốc mà không có tải trọng.
• Tốc độ trục chính N được xác định bởi tốc độ động cơ nhân với tỷ lệ ổ đĩa:
• Trong quá trình gia tốc trục chính, tần số đầu ra của biến tần trục chính tăng tuyến tính. Tốc độ tăng của tần số đầu ra biến tần được xác định bởi thời gian gia tốc là thời gian cần thiết bởi tần số đầu ra được tăng từ 0 Hz lên tần số tối đa, được đưa ra bởi:
➢ Trong đó:
- KA là tốc độ tăng của tần số đầu ra [Hz/s], - FM là tần số tối đa của biến tần [Hz],
- TA là thời gian gia tốc được đặt trước trong biến tần trục chính [s].
• Trong quá trình gia tốc trục chính, tần sô đầu ra biến tần f1 được tính toán như sau
➢ Trong đó F11 là tần số đầu ra biến tần khi tốc độ trục chính là N1 [Hz], • T là thời gian tăng tốc trục chính [S]. Bây giờ, mối quan hệ giữa tốc độ quay trục
chính và các tham số thiết kế hệ thống trục chính có thể được tìm thấy từ các phương trình.
• Tốc độ góc của động cơ trục chính được tính là:
• Gia tốc góc của trục chính có thể được tính toán là:
➢ Trong đó:
- JE là quán tính rôto của động cơ trục chính [kg $ m2],
- jm là thời điểm quán tính tương đương cho hệ thống truyền cơ học của ổ trục chính được gọi là trục động cơ trục chính [kg $ m2].
❖ Gia tốc trục chính và giảm tốc trục chính là hai quá trình ngược lại. Đối với các công cụ máy CNC, việc giảm tốc trục chính cũng được điều khiển bởi biến tần trục chính, tần số giảm để giảm tốc độ trục chính. Năng lượng động học của hệ thống trục chính được chuyển đổi thành năng lượng điện và phần năng lượng này được hấp thụ bởi điện trở phanh hoặc trở lại lưới điện. Kết quả là, các giá trị bằng 0 hoặc âm của tiêu thụ năng lượng của hệ thống trục chính có thể được quan sát trong quá trình giảm tốc trục chính.