Đồ án tổng hợp hệ điện cơ LÊ HOàNG TĐH3-K45
Đề bài : Thiết kế hệ truyền động cho bàn máy bào giờng dùng T-Đ 1 chiều
Số liệu :
- V
thuận
= 35 m/ph
- V
ngợc
= 70 m/ph
-
024,0
v
=

=
-
81,0=
- Chiều dài hành trình 3 m
- Trọng lợng bàn 1000 kg
- Lực cắt F
Z
=30 kN
- Khối lợng chi tiết 1000 kg
- Hệ số ma sát
081,0=à

1
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ LÊ HOàNG TĐH3-K45
Lời nói đầu
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật hiện đại đã làm thay đổi
sâu sắc trong lĩnh vực truyền động điện tự động. Sự hoàn thiện của các thiết bị

b
< 3m, lực kéo F
k
= 30 -50 kN
- Máy cỡ trung bình : L
b
=4-5m, F
k
=50- 70 kN
- Máy cỡ nặng : L
b
>5m, F
k
>70 kN
Trong quá trình làm việc, bàn máy di chuyển qua lại theo các chu kì lặp
đi lặp lại, mỗi chu kì gồm hai hành trình thuận và ngợc. ở hành trình thuận,
thực hiện gia công chi tiết, nên gọi là hành trình cắt gọt. ở hành ngợc, bàn máy
chạy về vị trí ban đầu, không cắt gọt, nên gọi là hành trình không tải. Cứ sau
khi kết thúc hành trình ngợc thì bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang một
khoảng gọi là lợng ăn dao s (mm/hành trình kép). Chuyển động tịnh tiến qua lại
của bàn máy gọi là chuyển động chính. Dịch chuyển của bàn dao sau mỗi một
hành trình kép là chuyển động ăn dao. Chuyển động phụ là di chuyển nhanh
của xà, bàn dao, nâng đầu dao trong hành trình không tải.
Đồ thị tốc độ của bàn máy nh sau:
V
ng
T
ck
0
V

định với tốc độ v
0
trong khoảng thời gian t
2
thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào
chi tiết ở tốc độ thấp để tránh sứt mẻ dao hoặc chi tiết ). Bàn máy tiếp tục chạy
với tộc độ ổn định v
0
cho đến hết thời gian t
3
thì lại đợc tăng tốc độ đến v
th
và
thực hiện gia công chi tiết. Gần hết hành trình thuận, bàn máy sơ bộ giảm tốc
đến v
o
, dao đợc rút ra khỏi chi tiết khi tốc độ bàn là v
0
. Sau đó bàn máy đảo
3
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ LÊ HOàNG TĐH3-K45
chiều sang hành trình ngợc đến tốc độ v
ng
, thực hiện hành trình không tải, đa
bàn máy về vị trí ban đầu. Gần hết hành trình ngợc bàn máy giảm tốc sơ bộ đến
v
0
, đảo chiều sang hành trình thuận, thực hiện một chu kỳ khác. Bàn dao đợc di
chuyển bắt đầu từ thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngợc sang hành
trình thuận và kết thúc di chuyển trớc khi dao cắt vào chi tiết.

th
là thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận, [s];
t
ng
là thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngợc, [s];
Giả sử gia tốc của bàn máy lúc tăng và giảm là không đổi thì:
2/th
th.hth.g
th
th
th
V
LL
V
L
t
+
+=
(1-2)
2/ng
ng.hng.g
ng
ng
ng
V
LL
V
L
t
+

1
tV/LV/L
1
n
+
+
=
++
=
(1-4)
trong đó :
L = L
th
+ L
g.th
+L
h.th
= L
ng
+ L
g.ng
+ L
h.ng
là chiều dài hành trình của bàn
máy
th
ng
V
V
k =

- Lực động phát sinh trong hệ thống
- Thời gian quá trình quá độ phải đủ lớn để di chuyển đầu dao.
II. Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động điện và trang bị điện máy
bào giờng :
1. Phạm vi điều chỉnh tốc độ:
Phạm vi điều chỉnh tốc độ là tỷ số giữa giá trị lớn nhất và giá trị bé nhất
của tốc độ làm việc ứng với momen tải đã cho.
5
70
V
V
V
V
D
min.th
ãm.ng
min
ãm
===
114D ữ=
2. Độ ổn định tốc độ:
Đó là khả năng giữ tốc độ khi phụ tải thay đổi. Đờng đặc tính cơ càng
cứng thì độ ổn định càng cao. Đối với truyền động của máy bào giờng thì yêu
cầu độ ổn định tốc độ
%2% =
3. Sự phù hợp giữa đặc tính điều chỉnh và đặc tính tải:
Đặc tính cơ của cơ cấu sản xuất có dạng:
q
dm
odmoc

với tần số lớn, momen khởi động và hãm lớn. Quá trình quá độ chiếm tỷ lệ
đáng kể trong chu trình làm việc.
5. Khởi động và hãm:
Quá trình quá độ khởi động và hàm yêu cầu xảy ra nhanh, êm, tránh va
đập trong bộ truyền với độ tác động cực đại.
6. Yêu cầu về nguồn:
Hệ thống sử dụng nguồn điện lới công nghiệp xoay chiều ba pha, điện áp
lới 380 V, tần số 50Hz.
7. Yêu cầu về vận hành:
An toàn cho ngời vận hành và thiết bị. Cụ thể là: có các biện pháp bảo vệ
chóng quá tải ngắn mạch, dừng khẩn cấp khi xảy ra sự cố.
8. Tính kinh tế:
Khi thiết kế ta cần quan tâm đến vốn đầu t, chi phí vận hành, tổn hao
năng lợng trong quá trình trong quá trình làm việc ổn định và quá trình quá độ.
Ngoài ra còn phải đánh giá đến mức độ tin cậy, thuận tiện trong vận hành, dễ
kiếm vật t thay thế
9. Các yếu tố khác:
Ngoài các yếu tố trên khi thiết kế hệ thống truyền động ta cần phải quan
tâm đến độ trơn điều chỉnh và khả năng tự động hoá hệ thống.
5
§å ¸n tæng hîp hÖ ®iÖn c¬ L£ HOµNG T§H3-K45

6
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ LÊ HOàNG TĐH3-K45
Chơng II : Phân tích và lựa chọn phơng án
A. Lựa chọn các phơng án :
Để đáp ứng đợc các yêu cầu công nghệ của máy bào giờng ta có thể sử
dụng các phơng án sau:
- Dùng hệ truyền động biến tần - động cơ không đồng bộ
- Dùng hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (F - Đ)

đập mạch nên gây ra các tổn hao phụ trong động cơ, hệ số cos

thấp.
Qua các phân tích ở trên ta thấy bộ biến đổi T-Đ có u điểm hơn cả vì hệ
thống gọn nhẹ chắc chắn, phạm vi điều chỉnh rộng, độ tin cậy cao và đáp ứng
đợc các yêu cầu công nghệ của máy bào giờng. Do đó ta chọn hệ truyền động T
- Đ cho hệ truyền động chính của máy bào giờng.
B. Hệ truyền động chỉnh lu thyristor động cơ một chiều (T - Đ):
1. Phơng trình đặc tính cơ hệ T - Đ:
M
)K(
R
K
cosE
2
d
u
d
0




=

Độ cứng của đặc tính cơ là :
( )


=

2. Phơng pháp điều khiển:
a. Truyền động T - Đ đảo chiều điều khiển chung:
Tại cùng một thời điểm, ngời ta pphát xung đến cả hai bộ biến đổi với
quan hệ góc mở
0
21
180=+
. Một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lu còn bộ kia
làm việc ở chế độ chờ nghịch lu. trong phơng pháp này mặc dù đảm bảo
2d1d
EE =
, tức là không xuất hiện giá trị trung bình của dòng cân bằng, song
giá tri tức thời của sđđ các bộ chỉnh lu e
d1
(t), e
d2
(t) luông khác nhau, do đó vẫn
xuất hiện thành phần xoay chiều của dòng điện cân bằng. Để hạn chế biên độ
dòng điện cân bằng ngời ta thờng dùng các cuộn kháng cân bằng L
cb
, điều này
8
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ LÊ HOàNG TĐH3-K45
làm tăng kích thớc và trọng lợng của hệ thống và do đó làm tăng vốn đầu t và
giá thành.
b. Truyền động T - Đ đảo chiều điều khiển riêng:
Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riềng rẽ nhau, tại một thời
điểm chỉ phát xung điều khiển vào một bộ biến đổi còn bộ biến đổi kia bị khoá
do không phát xung điều khiển. Hệ truyền động van đảo chiều điều khiển riêng
có u điểm là làm việc an toàn, không có dòng cân bằng chảy qua giữa các bộ

N
+
N
T
+
-
Hình 2.3
9
Đồ án tổng hợp hệ điện cơ LÊ HOàNG TĐH3-K45
Sơ đồ hình 2.3 dùng một bộ biến đổi cấp cho phần ứng và đảo chiều quay
bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng (từ thông giữ không đổi ). Nó đợc
dùng cho truyền động công suất nhỏ với tần số đảo chiều không cao vì hệ có
các tiếp điểm cơ khí xen kẽ.
~ 3 pha
~ 3 pha
-
+
Hình 2.4
Sơ đồ hình 2.4 dùng hai bộ biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng.
Nó đợc dùng cho mọi dải công suất và có số lần đảo chiều lớn trong một đơn vị
thời gian.
Hình 2.5: Truyền động dùng
hai bộ biến đổi theo sơ đồ đấu chéo
điều khiển chung.
Hình 2.6: Truyền động dùng
hai bộ biến đổi nối song song ngợc
điều khiển chung.

+
Ld

- Chế độ năng lợng: chỉnh lu, nghịch lu phụ thuộc.
- Tính chất dòng tải: liên tục, gián đoạn.
Để đáp ứng các yêu cầu của hệ truyền động T - Đ đảo chiều điều khiển
riêng dùng cho truyền động của máy bào giờng thì sơ đồ chỉnh lu phải thoả
mãn đợc các yêu cầu sau: phải làm việc đợc ở cả chế độ chỉnh lu và nghịch lu,
phải có số xung đập mạch cao để giảm vùng dòng điện gián đoạn. Trên cơ sở
phân tích ta nhận thấy sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha đáp ứng đợc các yêu cầu công
nghệ do đó ta chọn sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha cho hệ truyền động T- Đ.
L
R
T
1
T
3
T
5
T
4
T
6
T
2
2a
u
u
2b
2c
u
d
u

5
bị khoá lại một cách tự nhiên vì u
2a
> u
2c
. Lúc này T
6
và T
1
cho
dòng chảy qua. Điện áp trên tải : u
d
= u
ab
= u
2a
u
2b
. Khi
+

==
6
3
1
cho
xung điều khiển mở T
2
. Tiristor này mở vì khi T
6

Với

=
2
do
U.63
U
Dòng điện trung bình qua Tiristor:
3
I
I
3
I
dtI
2
1
I
maxd
thucmaxtb
d
3/2
0
dT
==

=


Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên Tiristor là:
2thucmaxng

ữ
0,08 - hệ số ma sát ở gờ trợt ;
F
y
= 0,4.F
z
- thành phần thẳng đứng của lực cắt, N;
m
ct
, m
b
- khối lợng của chi tiết, bàn, kg.
Lực kéo tổng đợc xác định nh công thức (3-10)
b. ở chế độ không tải (hành trình ngợc) do thành phần lực cắt bằng không nên
lực ma sát bằng:
F
ms
=
à
g(m
ct
+ m
b
)
Và lực kéo tổng là:
F
k
=F
ms
=

=

=
-
81,0=
- Chiều dài hành trình 3 m
- Trọng lợng bàn 1000 kg
- Lực cắt F
Z
=30 kN
- Khối lợng chi tiết 1000 kg
- Hệ số ma sát
081,0=à

b. Chọn sơ bộ động cơ
Dựa vào các số liệu cho trớc ta có thể tính đợc công suất động cơ nh sau:
14
Tỷ lệ lực cắt của dao theo các phơng đợc lấy theo công thức kinh nghiệm
: F
Z
: F
y
: F
X
=1 : 0,4 : 0,25
Theo đầu bài ta có F
Z
= 30 (kN) =30000 (N)

F

.1000.60
v.F
P
thK
th
==

=
Do hệ thống truyền động điện là BBĐ-ĐC một chiều (BBĐ dùng chỉnh
lu), và điều chỉnh tốc độ động cơ trong cả dải tốc độ bằng điều chỉnh điện áp
phần ứng nên động cơ phải đợc chọn theo công suất tính toán P
tt
:
)kW(46
35
70
.23
V
V
.PP
th
ng
thtt
===

Vì có nh vậy thì động cơ mới có thể đảm bảo đợc dòng điện cực đại
trong hành trình thuận với điện áp phần ứng không lớn, đồng thời tốc độ cao
trong hành trình ngợc (khi điện áp lớn).
Theo tính toán ở trên ta chọn động cơ cho truyền động chính của máy
bào giờng nh sau:

Phơng pháp nh sau: có thể chia đồ thị tốc độ của động cơ trong một hành
trình kép thành 14 khoảng từ t
1

ữ
t
14
Trong đó:
15
V
ng
T
ck
0
V
0
V
0
th
V
V
t
1
t t t t t t t
2
t
3
t
4
t

đến tơng ứng với tốc độ
V
th
của bàn máy, có tải.
+) Khoảng t
5
giai đoạn cắt gọt, động cơ làm việc với tốc độ ổn định
th


+) Khoảng t
6
động cơ giảm tốc độ đến
1

, có tải.
+) Khoảng t
7
động cơ làm việc ổn định với tốc độ
1

, có tải.
+) Khoảng t
8
dao ra khỏi chi tiết, động cơ làm việc không tải với tốc độ
1

+) Khoảng t
9
,t

11
, t
13
và có tải là t
3
, t
5
, t
7
. Các khoảng thời gian
động cơ làm việc ở quá trình quá độ t
1
, t
4
, t
6
, t
9
, t
10
, t
12
, t
14
. Ta phải xác định đ-
ợc dòng điện động cơ trong tất cả các thời gian đó.

a.Xác định dòng điện trong chế độ ổn định:
16
Để xác định dòng điện động cơ trong các khoảng thời gian làm việc ổn

thbct
p
=
+
=
à+
=
Với
dm
dm
dmdm
)1(6.0
)ba.(6,0a


=+=
P
thhi
là công suất hữu ích
kW6,3945,0622,2PPP
pothoth
=+=+=
- Mômen điện từ của động cơ ở hành trình thuận khi không tải là:
M
đto.th
=M
0
+ M
oth
=M

dm

, P
đm
, I
đm
là các thông số định mức của động cơ.
Ta có E
đm
=U
đm
- I
đm
.R =440 - 170.0,22= 403 [V]
]m.N[437
60
1500.2
170.403
I.E
I.KM
dm
dmudm
dmdmdm
=

=

==
]m.N[55
60

7,2
573
K
M
I
dm
th.dto
th
==

=
17
- Mômen điện từ của động cơ ở hành trình thuận khi tải đầy là:
M
đt.th
=M
0
+ M
th
=M
0
+
][
10.
3
Nm
P
th
th


35
70
.6,3
V
V
PP
th
ng
othdng
===

- Mômen điện từ ở hành trình ngợc:
M
đt.ng
=M
0
+
][
10.
3
.
Nm
P
ng
ngD

]m.N[203
024,0.60
70
10.2,7

c. Xác định thời gian của các khoảng làm việc:
- Thời gian của quá trình quá độ có thể xác định bằng công thức gần
đúng:
)(
K)II(
J
)(
MM
J
t
12
dmcqd
12
cqd


=

=
(*)
trong đó
M
qđ
, I
qđ
- mômen, dòng điện động cơ trong quá trình quá độ;
M
c
, I
c

, t
8
xác định theo kinh nghiệm vận hành
ta chọn t
2
= t
3
= t
7
= t
8
= 0,3s
- Thời gian làm việc ổn định ở hành trình thuận đợc xác định nh sau:
t
5
=
th
5
V
L
[s]
Trong đó L
5
là chiều dài bàn máy di chuyển trong khoảng thờigian t
5
đợc
xác định nh sau:
L
5
=L -

tm6,24,03Lm4,0L
5i
====
- Tơng tự ta xác định đợc t
11
= 2,4s
d. Xây dựng đồ thị phụ tải toàn phần I=f(t)
Từ các số liệu dòng điện trong quá trình quá độ và xác lập ở các khoảng
thời gian tơng ứng ta có đồ thị:
ng
V
th
V
0
0
V
0
V
V
t
21
t t t
3
t
4 5
t
136
t t
7
T

T'
CK
là thời gian của một chu kỳ có xét đến hiện tợng toả nhiệt do tốc độ
thấp và quá trình quá độ, nếu động cơ tự thông gió. Khi động cơ thông gió độc
lập thì lấy T'
CK
=T
CK
. Thay số vào tính ta đợc: I
đt
=120A. Do đó động cơ đã chọn
thoả mãn I
đm
=170A

I
đt
=120A. Nh vậy động cơ đã chọn thoả mãn đợc điều
kiện phát nóng.
f. Kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện quá tải
Từ các tính toán ở trên ta thấy M
cmax
=2M
đm
do đó động cơ đã chọn thoả
mãn khả năng quá tải
II. Chọn BBĐ:
Bộ biến đổi chỉnh lu tiristor cần có giá trị điện áp không tải đảm bảo cấp
cho phần ứng động cơ một chiều có các tham số : sức điện động định mức động
cơ E

xung),
min

=18
0
(m = 12 xung). Đối với sơ đồ không đảo chiều
min

=0


v
U
- tổng sụt áp trên các van
u
R
- điện trở đẳng trị tổng quy đổi về mlạch một chiều gồm điện trở toàn
phần mạch phần ứng, điện trở máy biến áp, điện trở cuộn lọc một chiều.
I
max
dòng phàn ứng cực đại nằm trong khoảng
5,22 ữ
I
đm
max
U


là sụt áp cực đại do trùng dẫn
ddm

U
k
=0,05
%K
U
*
k


=

Tra trong bộ chỉnh lu cầu ba pha
5,0
k
=
Vậy:
20
kkmin1
maxuuvudm2
do
U.2cos
I.RUE
U

++
=


V534
05,0.5,0.212cos95,0

Tiristor đợc chọn phải thoả mãn:
I
Ttb


K
iT
.I
tb
U
Tngmax


K
uT
.U
ngmax

Trong đó K
iT
, K
uT
là các hệ số dự trữ dòng áp. ở đây ta chọn điều kiện làm
mát cỡng bức bằng quạt gió

K
iT
= 2 ; K
uT
= 1.6

do
g
I
U
L


Trong đó :
I
dmin
là dòng phụ tải nhỏ nhất khi vận hành
g
0
là hệ số dòng điện gián đoạn g
0


1,8.10
-3

H012,010.8,1.
77
513
g
I
U
L
3
0
mind

Ta có sơ đồ khối chức năng của hệ truyền động T - Đ đảo chiều nh sau:
Hình 4-1. Sơ đồ khối chức năng của hệ truyền động T - Đ
I. Tổng hợp mạch vòng dòng điện:
Ta có sơ đồ mạch vòng điều chỉnh dòng điện nh hình 4.2
Hình 4-2. Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện
Trong đó:
T
CL
, T , T
fi
là các hằng số thời gian của mạch chỉnh lu, phần ứng và
xenxơ dòng điện.
K
CL
,K
i
là hệ số khuyếch đại của mạch chỉnh lu và xenxơ dòng điện.
R

là điện trở mạch phần ứng.
J là mômen quán tính của động cơ.
Ta có :
23
R = 0,22 (

)


L
=0,012 (H)

=
E
).
1. Tổng hợp mạch vòng dòng điện trong chế độ liên tục:
Hình 4-3
Hình 4-4
Hình 4-5
24
3,3
3
10
m
10
2
T
T
max
CL
====
(ms)
44
10
440
10
U
K
ddm
CL
===
T

K
pT1
1
.
R
1
.
p.T1
K
F
fi
i
uuCL
CL
SI
+++
=
Vì
fiCL
T,T
rất nhỏ so với T nên ta có:
pT1
1
p)TT(1
1
pT1
1
.
pT1
1




Với
6
22,0
03,0
.44
R
K
.KK
u
i
CLsi
===
Hàm truyền của hệ kín là:
II
sII
KI
F.R1
F.R
)p(F

+
=
Theo tiêu chuẩn modul tối u thì ta đợc:
p0516,0
p0516.01
p10.3,4.6.2
1

đk
và sđđ E . Trong vùng dòng điện gián đoạn không tồn tại khái niệm hằng số
thời gian điện từ T do giữa các xung dòng điện thì
0
dt
di
L
u
=
. Hàm truyền của
đối tợng bây giờ là :
)1pT)(1pT(
pT
.
R
K.K
)p(F
Ic
c
u
ICL
sI
++
=

Do T
c
>>
I
T