Lời mở đầu Sự bùng nổ của tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện-điện tử-tin học trong những năm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc cả về mặt lý thuyết lẫn thực tiễn trong lĩnh vực truyền động điện tự động.Đó là sự ra đời và ngày càng hoàn thiện của các bộ biến đổi công suất,với kích thớc gọn nhẹ,độ tác động nhanh,dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi mạch điện tử,vi xử lý, Các hệ truyền động điện tự động ngày nay thờng sử dụng nguyên tắc điều khiển vectơ cho các động cơ xoay chiều.Phần lớn các mạch điều khiển đó dùng kỹ thuật số với phần mềm linh hoạt,dễ dàng thay đổi cấu trúc,tham số cũng nh luật điều khiển.Điều này làm cho các hệ truyền động điện tăng độ chính xác,làm cho việc chuẩn hoá chế tạo các hệ truyền động điện hiện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau,dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu của công nghệ sản suất. Do vậy,đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ giúp chúng ta nắm chắc hơn những kiến thức cơ bản,những hệ thống truyền động điện kinh điển đồng thời nó cũng nhằm mục đích cho chúng ta từng bớc tiếp cận với thực tế,tiếp cận với những hệ truyền động điện hiện đại. Nội dung của đồ án đợc chia làm 4 phần: Chơng I : Giới thiệu chung về công nghệ máy mài và hệ thống truyền động cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn. Chơng II : Chọn phơng án truyền động. Tính chọn công suất động cơ và mạch lực. Chơng III : Xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động . Chơng IV : Thiết kế mạch điều khiển. Chơng V : Mô phỏng(Simulink). Để có thể hoàn thành đợc đồ án này, bên cạnh sự cố gắng của cá nhân em cũng nh của các bạn trong nhóm còn nhờ có sự hớng dẫn và chỉ bảo nhiệt tình của các thầy giáo hớng dẫn. Tuy nhiên do thời gian nghiên cứu ngắn và trình độ bản thân còn hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong các thầy hớng dẫn và bổ sung thêm để đồ án này đợc hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cám ơn ! 1 Chơng I Giới thiệu về công nghệ và hệ thống truyền động cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn. I.Đặc điểm công nghệ Trong ngành chế tạo cơ khí hiện đại, các loại máy mài chiếm một đơn vị quan trọng. Là vì máy mài gia công rất dễ đạt độ chính xác cấp hai. Máy mài chủ yếu dùng để gia công láng sau khi đã gia công trên máy tiện, phay, bào, vì lợng thừa gia công trên máy mài rất ít, phạm vi lợng thừa cũng chỉ độ vài phần mời ly. Ưu điểm lớn của máy mài là gia công đợc các chi tiết tôi mà trên nhiều máy khác không làm nổi. Dùng phơng pháp mài dễ đạt độ chính xác cao do lực cắt gọt tơng đối lớn, đặc biệt là độ dày của lát mài mỏng, do đó, công việc mài không thể tiến hành một lần mà cần phải qua nhiều lần cắt gọt. II.Phân loại máy mài công nghiệp. Máy mài công nghiệp Máy mài trònMáy mài phẳng Các loại khác Máy mài t ròn ngoài Máy mài t ròn t rong Máy mài bằng biên đá Máy mài mặt đầu Máy mài vô tâm Máy mài rãnh Máy mài cắt Máy mài răng 2 a. Máy mài t ròn ngoài b. Máy mài t ròn t rong Đá mài Chi t iết Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn Máy mài tròn có chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài, chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc di chuyển tịnh tiến theo hớng ngang trục (ăn dao ngang trục) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng). Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết. III.Truyền động điện của máy mài. 1.Truyền động chính Thông thờng truyền động chính máy mài không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. ở những máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc độ cắt không đổi khi đá bị mòn hay kích thớc chi tiết gia công thay đổi, thờng sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D=(2 ữ 4):1 với cs không đổi. Máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ữ 80 m/s nên đá mài có đờng kính lớn thì tốc độ quay của đá khoảng 1000 vòng/phút. ở những máy có đờng kính nhỏ, tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt có tốc độ 24000 ữ 48000 vòng/phút hoặc có thể lên tới 150000 ữ 200000 vòng/phút, đá mài gắn trên trục động cơ. Nguồn của động cơ là các bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao - biến tần quay hoặc là các bộ biến tần tĩnh - biến tần thyristor. Mômen cản tĩnh trên trục động cơ thờng là 15 ữ 20% mômen định mức.Mômen quá tính của đá và cơ cấu truyền lực lớn 500 ữ 600% mômen quán tính của động cơ, do đó cần hãm cỡng bức động cơ quay đá và không yêu cầu đảo chiều quay động cơ . 2. Truyền động ăn dao Máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2 ữ 4) : 1. ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ biến đổi - động cơ điện một chiều (BBĐ - ĐM), hệ KĐT - ĐM có D = 10 : 1 với phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng. 3 Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ - ĐM với dải điều chỉnh tốc độ D = (20 ữ 25) : 1 còn truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực. 3.Truyền động phụ Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. 4.Đặc tính cơ của máy sản xuất Đặc tính cơ của máy sản xuất rất đa dạng. Tuy vậy có thể biểu diễn dới dạng biểu thức tổng quát: ( )( ) c co dm co dm M M M M = + Trong đó : M C0 : Mômen ứng với tốc độ =0; M đm : Mômen ứng với tốc độ định mức đm Mc : Mômen ứng với tốc độ : Số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và máy cắt gọt kim loại nói chung, thờng nhận hai giá trị: =1 (ứng với truyền động chính = 1 M c và P = const) =0 (ứng với truyền động ăn dao M c = M đm = const). Trong thực tế, đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất không giữ đợc cố định theo một quy luật trong toàn bộ phạm vi điều chỉnh tốc độ mà thay đổi theo điều kiện công nghệ hoặc điều kiện tự nhiên. Đối với truyền động chính máy mài tròn, nói chung công suất không đổi (P = const) khi tốc độ thay đổi còn mômen tỷ lệ ngợc với tốc độ 1 = c M . Nh vậy, ở tốc độ thấp, mômen có thể lớn nên kích thớc các bộ phận cơ khí phải chọn lớn lên, điều đó không có lợi. Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy rằng các tốc độ thấp chỉ dùng cho các chế độ làm việc nhẹ (F z và P z nhỏ). Vì vậy, ở vùng tốc độ thấp, ng- ời ta giữ mômen không đổi còn công suất thay đổi theo quan hệ bậc nhất với tốc độ. Đối với truyền động ăn dao, nói chung mômen không đổi khi điều chỉnh tốc độ. Tuy nhiên, ở vùng tốc độ thấp, lợng ăn dao s nhỏ, lực cắt F z bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn t. Trong vùng này, khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và mômen ăn dao cũng giảm theo. ở vùng tốc độ cao, tơng ứng với tốc độ v z của truyền động chính cũng phải lớn, nếu giữ F ad lớn nh cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn. Do đó, cho phép giảm nhỏ lực ăn dao trong vùng này, mômen truyền động ăn dao cũng giảm theo. 4 5.Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài v F z v z v gh 0 F ad v ad v 1 0 v 2 b. T ruyền động ăn dao a. Truyền động chính Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi là tốt nếu đặc tính điều chỉnh của nó giống đặc tính cơ của máy. Khi đó, động cơ đợc sử dụng hợp lý nhất tức là có thể làm việc đầy tải ở mọi tốc độ. Nhờ đó, hệ thống truyền động đặt đợc các chỉ tiêu năng lợng cao. Nói cách khác, có thể lựa chọn động cơ có kích thớc nhỏ nhất cho máy. Một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng một hệ thống truyền động điện là độ ổn định tốc độ %. Đờng đặc tính cơ càng cứng thì độ ổn định tốc độ càng cao. Nói chung, truyền động chính yêu cầu % (5 ữ 15)% còn truyền động ăn dao yêu cầu % (5 ữ 10)%. 5 Chơng II Chọn phơng án truyền động. Tính chọn công suất động cơ và mạch lực. I.Các phơng án truyền động Chọn phơng án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quả tính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một loạt các hệ truyền động có thể thoả mãn yêu cầu đặt ra. Bằng việc phân tích, đánh giá các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật các hệ truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta có thể lựa chọn đợc một vài phơng án hoặc một phơng án duy nhất để thiết kế. Từ những phân tích về đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động của máy mài tròn và nhiệm vụ thiết kế, để điều chỉnh tốc độ động cơ quay chi tiết máy mài tròn, ta phải điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi. Với phơng án điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần ứng và giữ từ thông động cơ không đổi thì ta có các phơng án truyền động sau: +Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (Hệ F-Đ). +Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển thyristor- động cơ một chiều . +Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ). +Hệ thống truyền động điện động cơ không đồng bộ dùng phơng pháp điều chỉnh tần số (Hệ Biến tần - Động cơ). 1.Hệ thống truyền động máy phát - động cơ một chiều (F-Đ) Hệ thống máy phát - động cơ (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) là hệ truyền động điện mà mạch phần ứng của động cơ điện một chiều đợc cung cấp từ một máy phát điện riêng có khả năng biến đổi sức điện trong một phạm vi rộng. - Đặc điểm của hệ truyền động F - Đ + Đặc tính cơ hệ F- Đ mềm hơn đặc tính cơ Đ do có thêm R f . + Có thể làm việc ở cả bốn góc phần t. + Điều chỉnh U ktf dẫn đến điều chỉnh tốc độ không tải của động cơ. - Ưu điểm: + Dễ điều chỉnh, vùng điều chỉnh rộng 30:1. + Đảo chiều êm, tin cậy. - Nhợc điểm + Công suất lắp đặt bằng ba lần công suất vận hành. + Kích thớc lắp đặt lớn. + Vốn đầu t lớn, ồn. 6 2.Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển thyristor- động cơ một chiều . Do điện năng đợc sản xuất và phân phối chủ yếu ở dạng xoay chiều có tần số công nghiệp. Để cung cấp cho các động cơ một chiều từ lới điện xoay chiều, phải dùng thiết bị biến đổi. Nguyên lý chung của các bộ biến đổi đợc mô tả nh sau: Các van cho dòng điện đi qua trong một phần chu kỳ gọi là khoảng dẫn, và ngắt mạch trong phần còn lại của chu kỳ (khoảng đóng). Trong thực tế ngời ta sử dụng các loại van có điều khiển thời điểm đầu khoảng thông nhng không thể ngắt mạch khi dòng điện cha giảm về không. Đồ thị biều diễn dòng điện và điện áp là những đờng cong phức tạp có chứa thành phần một chiều và xoay chiều. Do thành phần xoay chiều có ảnh hờng xấu đến quá trình phát nóng và chuyển mạch của máy điện nên ta phải hạn chế nó. - Đặc điểm của hệ truyền động T- Đ. + Hệ chỉ làm việc ở góc phần t thứ nhất do các van không cho dòng điện chạy theo chiều ngợc lại. + Đặc tính cơ mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên nhng cứng hơn đặc tính cơ của hệ F - Đ. - Để hệ có thể làm việc ở cả bốn góc phần t của trục, hệ truyền động T - Đ có đảo chiều ra đời: +Phơng pháp điều khiển đổi nối mạch phần ứng. +Phơng pháp điều khiển mạch kích từ. +Phơng pháp điều khiển chung Thyristo nối ngợc. +Phơng pháp điều khiển chung Thyristo nối chéo. +Phơng pháp điều khiển riêng. - Ưu điểm: +Độ tác động nhanh cao. +Không gây ồn. +Dễ tự động hoá do các van bán dẫn có hệ số khuyếch đại công suất cao. - Nhợc điểm: +Van bán dẫn nên thông số đầu ra có dạng phi tuyến cao. +Dạng chỉnh lu có biên độ dập mạch cao gây tổn thất phụ trong máy điện. +Hệ số công suất nói chung là thấp. 3.Hệ thống điều chỉnh xung áp - động cơ một chiều ( Hệ XA-Đ). Điều chỉnh điện áp động cơ cũng có thể thực hiện bằng phơng pháp xung, nếu ta đóng động cơ vào nguồn và cắt ra khỏi nguồn một cách chu kỳ. Khi đóng động cơ vào nguồn, năng lợng đợc truyền qua động cơ. Phần chủ yếu của năng lợng này đợc truyền qua trục động cơ vào máy sản xuất, phần còn lại đợc tích ở dạng động năng và năng lợng điện từ. Khi ngắt động cơ ra khỏi nguồn, hệ thống truyền động vẫn làm việc nhờ năng l- ợng điện từ đó. 7 Đặc điểm: - Độ nhạy cao, tác động nhanh. - Tần số đóng cắt lớn 4.Hệ thống điều chỉnh động cơ không đồng bộ ba pha sử dụng biến tần. Biến đổi tần số là phép biến đổi điện năng một chiều hoặc xoay chiều có tần số cố định thành dòng điện xoay chiều có tần số biến đổi nhờ các khoá điện tử. Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách biến đổi tần số cho phép mở rộng phạm vi sử dụng truyền động điện không đồng bộ trong nhiều ngành công nghiệp.Trớc hết chúng ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ không đồng bộ cùng lúc nh các động cơ truyền động của một nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn, Ph ơng pháp điều chỉnh này còn đợc áp dụng cả trong những thiết bị đơn lẻ, nhất là ở những cơ cấu yêu cầu tốc độ làm việc cao nh máy ly tâm, máy mài . Bộ biến tần đợc nối vào lới có tần số f 1 ,U 1 không đổi. Đầu ra của nó là f 2 ,U 2 biến đổi theo. Để biến đổi tần số, ngời ta có thể dùng các thiết bị máy điện hoặc bán dẫn với nguyên lý hoạt động và cấu trúc khác hẳn nhau. Ưu điểm: + Là phơng pháp có rất nhiều triển vọng. + Khi sử dụng các bộ biến tần thích hợp có thể đạt đợc điều chỉnh trơn. + Sử dụng cùng với động cơ không đồng bộ nên giảm đợc chi phí máy điện. Nhợc điểm: + Bộ biến tần còn tơng đối phức tạp nên giá thành chế tạo cao. + Nếu sử dụng bộ biến tần gián tiếp hiệu suất sẽ giảm đi so với biến tần trực tiếp. Với các đặc điểm của hệ truyền động một chiều và xoay chiều trên đây, ta thấy rằng các phơng pháp đều có thể ứng dụng vào truyền động động cơ quay chi tiết máy mài tròn. ở đây, ta chọn động cơ không đồng bộ với phơng pháp biến đổi tần số là vì các lý do chủ yếu sau đây: + Đây là loại máy điện có kết cấu đơn giản. + Sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cũng nh đời sống. + Sử dụng điện áp xoay chiều tần số công nghiệp, dễ dàng cho việc lắp đặt, vận hành và sử dụng. 8 + Biến tần là thiết bị hiện đại, trong tơng lai sẽ đợc sử dụng nhiều hơn khi mà các thiết bị bán dẫn với u thế ngày càng phát triền. + Có khả năng lập trình, tiện lợi cho ghép nối máy tính, nền tảng cho phát triển sau này. + Và cuối cùng là tính kinh tế của sử dụng biến tần. II.Tính toán các thông số của động cơ theo giả thiết: Các thông số kỹ thuật hệ thống - Mômen cực đại (M max ): 20 (Nm) - Tốc độ quay chi tiết (n): 40 ữ800 (Vòng/phút) - Tỷ số truyền (i): 2 - Hiệu suất (): 0,85 - Mômen quán tính cơ cấu (J): 0,006 (kg/s 2 ) Để tính chọn công suất động cơ trong trờng hợp truyền động có điều chỉnh tốc độ, ta cần xác định các yêu cầu cơ bản sau: Đặc tính phụ tải truyền động P c (), M c (): Phụ tải truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ với M = const. Khi đó, công suất yêu cầu cực đại P max = M đm . max M c 0 min max M c = const Đặc tính phụ tải Phạm vi điều chỉnh tốc độ max và min . min = i. cmin = i. 60 2. min n =2. 60 .2.40 = 8.38(rad/s) hay n min = 80(vòng/phút) max = i. cmax = i. 60 2. max n =2. 60 .2.800 = 167.55(rad/s) hay n max =1600(vòng/phút) Dải điều chỉnh tốc độ: min max =20:1 Phơng pháp điều chỉnh và bộ biến đổi trong hệ thống truyền động: Điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung. 9 Loại động cơ truyền động: động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc. Đặc điểm của phụ tải truyền động động cơ quay chi tiết máy mài tròn là giữ M = const trong phạm vi điều chỉnh tốc độ. Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đại P max = 1 .M đm . max = 1 .M cmax . cmax = 1 0,85 .20. 900.2 60 2216,5 (W) 2,2 (kW) Ngoài ra còn cần phải chọn hệ số an toàn về công suất trong trờng hợp quá tải, lấy hệ số an toàn k=1,5 (k=1,2 ữ 1,5) Ta chọn loại động cơ nh sau: (Các đặc tính của động cơ trong truyền đồng điện) MTM112_6 có thông số sau: P đm = 3,5(kW) cos đm =0,75 r st =4,33() n đm = 900(vg/ph) cos 0 = 0,13 x st =1,67() 3,2= dm th M M I stđm = 9,5(A) r r =0,725() J = 0,0675(kg/s 2 ) I st0 = 7,25(A) x r =0,595() Q= 88(kg) I r = 13,5(A) k e = 2,02 Ta tính đợc hệ số trợt khi làm việc ở tốc độ định mức: 1 1 1000 900 0,1 1000 dm n n s n = = = Đồng thời mômen định mức tính nh sau: 3500*60 37,15( ) 2* *900 dm dm dm P M Nm = = = dm lv dm lv M M n n > = Sơ đồ thay thế của động cơ không đồng bộ nh sau: 10 [...]... 0,001s Hàm truyền của máy đo dòng nh sau: Fi ( p) = 0,42 1 + 0,001 p 17 Chơng III : Tổng hợp và điều chỉnh hệ thống I.Mô tả động cơ không đồng bộ Động cơ không đồng bộ (ĐK) là loại máy điện đợc dùng rộng rãi trong kỹ thuật truyền động do có các u điểm sau: + Khả năng quá tải về mômen lớn + Có thể làm việc ở tốc độ rất cao hoặc rất thấp + Động cơ rôto lồng sóc có kết cấu đơn giản, ở phần quay không... ) Tính J quy đổi của hệ thống : Jcc=0,006(kg/s2) Mômen quán tính của cơ cấu, cần quy đổi về trục động cơ theo công thức sau: J cc 0,006 J ccqd = 2 = 2 = 0,0015(kg/s2) Trong đó i là tỷ số truyền đã cho i 2 Jđc = 0,0675(kg/s2) Jht = Jccqđ + Jđc = 0,0015 + 0,0675 = 0,069(kg/s2) III.Tổng hợp các mạch vòng 1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện Trong các hệ truyền động tự động cũng nh các hệ chấp hành thì mạch... không có yêu cầu về cách điện + Có thể làm việc trong cả môi trờng có hoạt tính cao hoặc trong nớc Phơng pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách biến đổi tần số cho phép mở rộng phạm vi sử dụng truyền động điện không đồng bộ trong nhiều ngành công nghiệp.Trớc hết chúng ứng dụng cho các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ không đồng bộ cùng lúc nh các động cơ truyền động của một nhóm máy dệt, băng tải,... vòng điều chỉnh dòng điện là mạch vòng cơ bản Chức năng cơ bản của mạch vòng dòng điện trong các hệ thống truyền động một chi u và xoay chi u là trực tiếp (hoặc gián tiếp ) xác định mômen kéo của động cơ, ngoài ra còn có chức năng bảo vệ điều chỉnh gia tốc Việc tổng hợp chính xác mạch vòng dòng điện stato gặp nhiều khó khăn do thông số của đối tợng nh tổng hợp động cơ , hằng số thời gian điện từ ,biến... đo tốc độ bằng máy phát tốc một chi u U = K R C RT W 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 U ( p) K FFT ( p ) = = p 1+ f p Trong đó: K hệ số khuếch đại K= U/ U = 10V, =94,25 rad/s K =0,11 f là hằng số thời gian của bộ lọc và . về công nghệ máy mài và hệ thống truyền động cho động cơ quay chi tiết máy mài tròn. Chơng II : Chọn phơng án truyền động. Tính chọn công suất động cơ. loại máy mài công nghiệp. Máy mài công nghiệp Máy mài trònMáy mài phẳng Các loại khác Máy mài t ròn ngoài Máy mài t ròn t rong Máy mài bằng biên đá Máy mài mặt đầu Máy