LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện Đề : Thiết kế hệ truyền động cho bàn máy bào giờng dùng T-Đ chiều Số liệu : - Vthn = 35 m/ph - Vngỵc = 70 m/ph v = 0,024 ϖ - η = 0,81 - ρ= - Chiều dài hành trình m Trọng lợng bàn 1000 kg Lực cắt FZ =30 kN Khối lợng chi tiết 1000 kg Hệ số ma sát = 0,081 LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện Lời nói đầu Sự phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật đại đà làm thay đổi sâu sắc lĩnh vực truyền động điện tự động Sự hoàn thiện thiết bị điện tử công st víi kÝch thíc gän nhĐ, sư lý nhanh nh¹y, xác dễ dàng đáp ứng yêu cầu công nghệ khó khăn mà thời điểm trớc không làm đợc Để cho chúng em dần tiếp cận với khoa học đại kết hợp với lý thuyết môn học "tổng hợp hệ điện cơ", chúng em đợc làm đồ án môn học "tổng hợp hệ điện cơ" Trong nội dung đồ án môn học em xin trình bày việc thiết kế truyền động cho bàn máy bào giờng dùng T-Đ chiều với thông số yêu cầu đà cho Trong công nghiệp máy bào giờng công cụ thiếu Đồ án em gồm phần sau: Chơng I: Yêu cầu công nghệ Chơng II: Phân tích lựa chọn phơng án Chơng III: Tính chọn công suất động mạch lực Chơng IV: Tổng hợp hệ thống truyền động mô Simulink Chơng V: Mạch điều khiển tín hiệu hoá Do tầm hiểu biết hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đợc ý kiến đóng góp thầy bạn để đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Quốc Khánh đà tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án Sinh viên thực hiện: Lê Hoàng Lớp : TĐH3 - K45 LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện Chơng I: Yêu cầu công nghệ I Giới thiệu máy bào giờng: Máy bào giờng loại máy gia công chi tiết lớn, chiều dài bàn từ 1,5 đến 12m Tuỳ thuộc vào chiều dài bàn máy lực kéo phân máy bào giờng thành ba loại: - Máy cì nhá : chiỊu dµI bµn Lb < 3m, lùc kÐo Fk = 30 -50 kN - M¸y cì trung bình : Lb =4-5m, Fk =50- 70 kN - Máy cỡ nặng : Lb >5m, Fk >70 kN Trong trình làm việc, bàn máy di chuyển qua lại theo chu kì lặp lặp lại, chu kì gồm hai hành trình thuận ngợc hành trình thuận, thực gia công chi tiết, nên gọi hành trình cắt gọt hành ngợc, bàn máy chạy vị trí ban đầu, không cắt gọt, nên gọi hành trình không tải Cứ sau kết thúc hành trình ngợc bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang khoảng gọi lợng ăn dao s (mm/hành trình kép) Chuyển động tịnh tiến qua lại bàn máy gọi chuyển động Dịch chuyển bàn dao sau hành trình kép chuyển động ăn dao Chuyển động phụ di chuyển nhanh xà, bàn dao, nâng đầu dao hành trình không tải Đồ thị tốc độ bàn máy nh sau: V Vth V0 t V0 Vng t1 t2 t3 t4 t5 t t t8 t t10 t11 t12 t13 t14 Tck Giả thiết bàn máy đầu hành trình thuận đợc tăng tốc ®é ®Õn tèc ®é v0 = 5-15m/ph (tèc ®é vµo dao) khoảng thời gian t Sau chạy ổn định với tốc độ v0 khoảng thời gian t dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết tốc độ thấp để tránh sứt mẻ dao chi tiết ) Bàn máy tiếp tục chạy với tộc độ ổn định v0 hết thời gian t3 lại đợc tăng tốc độ đến vth thực gia công chi tiết Gần hết hành trình thuận, bàn máy sơ giảm tốc đến vo , dao đợc rút khỏi chi tiết tốc độ bàn v Sau bàn máy đảo LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện chiều sang hành trình ngợc đến tốc độ vng, thực hành trình không tải, đa bàn máy vị trí ban đầu Gần hết hành trình ngợc bàn máy giảm tốc sơ đến v0 , đảo chiều sang hành trình thuận, thực chu kỳ khác Bàn dao đợc di chuyển thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngợc sang hành trình thuận kết thúc di chuyển trớc dao cắt vào chi tiết Tốc độ hành trình thuận Vth đợc xác định tơng ứng chế độ cắt ; thêng Vth = - (75 - 120) m/ph ; tốc độ gia công lớn đạt V max = 75 120 m/ph Để tăng suất máy, tốc độ hành trình ngợc thờng đợc chọn lớn tốc độ hành trình thuận ; Vng = k Vth (thờng k = - 3) Năng suất máy phụ thuộc vào số hành trình kép đơn vị thời gian : n= 1 = TCK t th + t ng (1-1) Trong ®ã : TCK lµ thêi gian cđa mét chu kú lµm việc bàn máy , [s] ; tth thời gian bàn máy chuyển động hành trình thuận, [s]; tng thời gian bàn máy chuyển động hành trình ngợc, [s]; Giả sử gia tốc bàn máy lúc tăng giảm không đổi thì: L th L g.th + L h th + (1-2) Vth Vth / L ng L g.ng + L h ng = + (1-3) Vng Vng / t th = t ng : Lth, Lng - chiều dài hành trình bàn máy ứng với tốc độ ổn định V th, Vng hành trình thuận, ngợc Lg.th , Lh.th - chiều dài hành trình bàn trình tăng tốc (gia tốc ), trình giảm tốc (hÃm) hành trình ngợc Vth , Vng - tốc độ hành trình thuận, ngợc bàn máy n= 1 = L / Vth + L / Vng + t dc ( k + 1).L + t dc Vng (1-4) ®ã : L = Lth + Lg.th +Lh.th = Lng + Lg.ng + Lh.ng lµ chiỊu dµi hành trình bàn máy k= Vng Vth tỉ số tốc độ hành trình ngợc hành trình thuận tđc thời gian đảo chiều bàn máy Từ (1-4) ta thấy đà chọn tốc độ cắt V th suất máy phụ thuộc vào hệ số k thời gian đảo chiều t đc Khi tăng k suất máy tăng, nhng k > suất máy tăng không đáng kể lúc thời gian đảo chiều t đc lại tăng Nếu chiều dài bàn Lb > 3m tđc ảnh hởng đến suất máy mà chủ yÕu lµ k Khi Lb bÐ nhÊt lµ tèc độ thuận V th =(75-120) m/ph tđc ảnh hởng nhiều đến suất Vì điều cần ý thiết kế truyền động máy bào giờng phấn đấu giảm thời gian trình độ LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện Tuy nhiên cần lu ý : Thời gian trình độ giảm nhỏ đợc bị hạn chế : - Lực động phát sinh hệ thống - Thời gian trình độ phải đủ lớn để di chuyển đầu dao II Các yêu cầu hệ thống truyền động điện trang bị điện máy bào giờng : Phạm vi điều chỉnh tốc độ: Phạm vi điều chỉnh tốc độ tỷ số giá trị lớn giá trị bé tốc độ làm việc ứng với momen tải đà cho D= Vng.mà 70 Vm· = = → D = 14 ÷ Vmin Vth Độ ổn định tốc độ: Đó khả giữ tốc độ phụ tải thay đổi Đờng đặc tính cứng độ ổn định cao Đối với truyền động máy bào giờng yêu cầu độ ổn định tốc độ % = 2% Sự phù hợp đặc tính điều chỉnh đặc tính tải: Đặc tính cấu sản xuất có dạng: M c = M o + (M dm − M o ).( ®ã : ω q ) ω dm q = ta cã Mc = M®m = const - øng víi truyền động ăn dao q = ta có Mc =1/ ω (Pc = const) - øng víi trun ®éng Đối với truyền động , nói chung công suất không đổi tốc độ thay đổi, mômen tỉ lệ ngợc với tốc độ Tuy nhiên tốc độ thấp mômen lớn kích thớc phận khí phải chọn lớn lên, điều lợi Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy tốc độ thấp dùng cho chế độ cắt nhẹ, nghĩa FZ PZ nhỏ Vì vùng tốc độ thấp ta giữ mômen không đổi công suất cắt thay ®ỉi theo quan hƯ bËc nhÊt víi tèc ®é Chế độ làm việc: Chế độ làm việc máy bào giờng chế độ ngắn hạn lặp lại, đảo chiều với tần số lớn, momen khởi động hÃm lớn Quá trình độ chiếm tỷ lệ đáng kể chu trình làm việc Khởi động hÃm: Quá trình độ khởi động hàm yêu cầu xảy nhanh, êm, tránh va đập truyền với độ tác động cực đại Yêu cầu nguồn: Hệ thống sử dụng nguồn điện lới công nghiệp xoay chiều ba pha, điện áp lới 380 V, tần số 50Hz Yêu cầu vận hành: An toàn cho ngời vận hành thiết bị Cụ thể là: có biện pháp bảo vệ chóng tải ngắn mạch, dừng khẩn cấp xảy cố Tính kinh tế: Khi thiết kế ta cần quan tâm đến vốn đầu t, chi phí vận hành, tổn hao lợng trình trình làm việc ổn định trình độ Ngoài phải đánh giá đến mức độ tin cậy, thuận tiện vËn hµnh, dƠ kiÕm vËt t thay thÕ Các yếu tố khác: Ngoài yếu tố thiết kế hệ thống truyền động ta cần phải quan tâm đến độ trơn điều chỉnh khả tự động hoá hệ thống LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện Chơng II : Phân tích lựa chọn phơng án A Lựa chọn phơng án : Để đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ máy bào giờng ta sử dụng phơng án sau: - Dùng hệ truyền động biến tần - động không đồng - Dùng hệ truyền động máy phát - động điện chiều (F - Đ) - Dùng hệ truyền động chỉnh lu thyristor động chiều (T - Đ) có đảo chiều quay I Hệ truyền động biến tần - động không đồng Động xoay chiều không đồng loại động dùng điện áp nguồn xoay chiều, chúng có kết cấu đơn giản, chắn, làm việc tin cậy, vận hành sửa chữa dễ dàng, dùng trực tiếp điện áp lới Phơng pháp điều chỉnh tốc độ dùng biến tần khó khăn phức tạp nhiều so với hệ T-Đ Ngoài dòng mở máy động lớn, mômen mở máy lại nhỏ nên dẫn đến khó khởi động có tải lớn II Hệ truyền động máy phát - động điện chiều (F - Đ) Hệ F - Đ có phơng pháp điều chỉnh đơn giản, dải điều chỉnh rộng, trơn, tính linh hoạt cao, điều chỉnh tốc độ phẳng toàn dải điều chỉnh, tuổi thọ cao, tải lớn Tuy nhiên sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp, cồng kềnh, tốn diện tích lắp đặt, gây tiếng ồn lớn Công suất lắp đặt máy lớn, vốn đầu t ban đầu cao, chi phí vận hành lớn Ngoài máy phát có từ d, đặc tính từ hoá trễ nên khó điều chỉnh sâu tốc độ III Hệ truyền động chỉnh lu thyristor động chiều (T - Đ) Tốc độ động điện chiều đợc điều chỉnh phạm vi rộng phẳng nhờ hệ CL-Đ (hay hệ truyền động van chiều) chỉnh lu điều khiển đợc Các van điều khiển đèn thyatron, đèn thuỷ ngân, thyristor Hiện nay, thyristor đợc dùng phổ biến để tạo chỉnh lu có điều khiĨn bëi nh÷ng tÝnh chÊt u viƯt cđa chóng: gän, nhẹ, tổn hao ít, quán tính nhỏ, tác động nhanh, công suất khống chế nhỏ Các chỉnh lu thyristor dùng hệ truyền động chiều tạo thành hệ thống thyristor động (hệ T - Đ) Do hệ thống T-Đ sử dụng linh kiện bán dẫn nên có u điểm tác động nhanh nhạy với tín hiệu điều khiển, tổn thất lợng trình điều khiển nhỏ, hệ số khuếch đại lớn có khả tự động hoá trình độ cao, gọn, nhẹ, không gây tiếng ồn, giá thành hạ, độ tin cậy cao, phạm vi điều chỉnh rộng Tuy nhiên sử dụng linh kiện bán dẫn nên có hệ số tải kém, mạch điều khiển phức tạp, điện áp đầu chỉnh lu có dạng đập mạch nên gây tổn hao phụ động cơ, hệ số cos thấp Qua phân tích ta thấy biến đổi T-Đ có u điểm hệ thống gọn nhẹ chắn, phạm vi điều chỉnh rộng, độ tin cậy cao đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ máy bào giờng Do ta chọn hệ truyền động T - Đ cho hệ truyền động máy bào giờng B Hệ truyền động chỉnh lu thyristor động chiều (T - Đ): Phơng trình đặc tính hệ T - Đ: = E cos ∑ R u − M KΦ d (KΦ d ) Độ cứng đặc tính : = ( kφ d ) ∑R u L£ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện R u tổng trở toàn mạch phần ứng động (gồm điện trở phần ứng động điện trở phần tử mạch nối tiếp với phần ứng động cơ) Họ đặc tính hệ thống trờng hợp nh hình sau: Hình 2.1 Các đặc tính hệ truyền động T - Đ mềm đặc tính hệ F - Đ có sụt áp tợng chuyển mạch thyristor Lý thuyết thực nghiệm chứng tỏ : phụ tải nhỏ đặc tính có độ dốc lớn (phần nằm vùng gạch chéo) Đó vùng dòng điện gián đoạn Góc lớn (khi điều chỉnh sâu) vùng dòng điện gián đoạn rộng việc điều chỉnh tốc độ gặp nhiều khó khăn Vùng dòng điện gián đoạn có dạng hình ellipse Sơ đồ chỉnh lu ba pha hình tia (p=3) có vùng gián đoạn rộng so với sơ đồ chỉnh lu pha hình cầu (p=6) Vùng dòng điện gián đoạn thu hẹp tăng p tăng độ tự cảm L mạch phần ứng Song tăng số xung p mạch lực chỉnh lu tăng độ phức tạp mạch điều khiển phức tạp Còn tăng trị số L dẫn tới làm xấu trình độ (tăng thời gian độ) làm tăng trọng lợng, kích thớc hệ thống Phơng pháp điều khiển: a Truyền động T - Đ đảo chiều điều khiển chung: Tại thời điểm, ngời ta pphát xung đến hai biến đổi với quan hệ gãc më α + α = 180 Một làm việc chế độ chỉnh lu làm việc chế độ chờ nghịch lu phơng pháp đảm bảo E d1 = E d , tức không xuất giá trị trung bình dòng cân bằng, song giá tri tức thời sđđ chỉnh lu ed1(t), ed2(t) luông khác nhau, xuất thành phần xoay chiều dòng điện cân Để hạn chế biên độ dòng điện cân ngời ta thờng dùng cuộn kháng cân Lcb, điều LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện làm tăng kích thớc trọng lợng hệ thống làm tăng vốn đầu t giá thành b Truyền động T - Đ đảo chiều ®iỊu khiĨn riªng: Khi ®iỊu khiĨn riªng hai bé biÕn đổi làm việc riềng rẽ nhau, thời điểm phát xung điều khiển vào biến đổi biến đổi bị khoá không phát xung điều khiển Hệ truyền động van đảo chiều điều khiển riêng có u điểm làm việc an toàn, dòng cân chảy qua biến đổi, song cần khoảng thời gian trễ dòng điện động không làm giảm độ tác động nhanh hệ thống Đảo chiều T - Đ: Có hai nguyên tắc để xây dung hệ truyền động T-Đ đảo chiều : - Giữ nguyên chiều dòng điện phần ứng đảo chiều dòng kích từ động - Giữ nguyên dòng kích từ đảo chiều dòng điện phần ứng Trong thực tế, sơ đồ truyền động T-Đ đảo chiều có nhiều song thực theo hai nguyên tắc đựơc phân thành năm loại sơ đồ chÝnh sau: ~ pha + T N - + F - N T Hình 2.2 Sơ đồ hình 2.2 sơ đồ dùng biến đổi cấp cho phần ứng đảo chiều quay cách đảo chiều dòng ®iƯn kÝch tõ Nã ®ỵc sư dơng cho trun ®éng công suất lớn (vì công suất kích từ khoảng 10% công suất truyền động) đảo chiều( đảo chiều phơng pháp đảo chiều từ thông có thời gian độ lớn ) ~ pha + T + N N - T H×nh 2.3 F - LÊ HOàNG TĐH3-K45 Đồ án tổng hợp hệ điện Sơ đồ hình 2.3 dùng biến đổi cấp cho phần ứng đảo chiều quay công tắc tơ chuyển mạch phần ứng (từ thông giữ không đổi ) Nó đợc dùng cho truyền động công suất nhỏ với tần số đảo chiều không cao hệ có tiếp điểm khí xen kẽ ~ pha + ~ pha Hình 2.4 Sơ đồ hình 2.4 dùng hai biến đổi cấp cho phần ứng điều khiển riêng Nó đợc dùng cho dải công suất có số lần đảo chiều lớn đơn vị thời gian Hình 2.5: Truyền động dùng Hình 2.6: Truyền động dùng hai biến đổi theo sơ đồ đấu chéo hai biến đổi nối song song ngợc điều khiển chung điều khiển chung ~ pha CB Ld CB + - Ld ~ pha + - Hình 2.5 Hình 2.6 Sơ đồ hình 2.5 hình 2.6 dùng cho giải công suất vừa lớn có tần số đảo chiều cao so với loại thực đảo chiều êm hơn, nhng l¹i cã 10 TCL = Tmax 10 10 = = = 3,3 (ms) m U ddm 440 = = 44 10 10 Tfi =0,5 ÷ ms → ta lÊy Tfi =1 ms K CL = Ki = I 10 10 = 0,03 Víi λ lµ hƯ số dòng điện = d max = K i = λI ddm I ddm 2.170 Hµm trun đối tợng điều chỉnh có dạng: FSI = K CL Ki 1 + TCL p R u + Tu p + Tfi p Vì TCL , Tfi nhỏ so với T nên ta cã: 1 1 ≈ = + TCL p + Tfi p + (TCL + Tfi )p + TσI p Víi TσI = TCL + Tfi = 3,3 + 1= 4,3 (ms) K K CL i Ru K δI → FδI = = (1 + TσI p)(1 + Tu p) (1 + TσI p)(1 + Tu p) K 0,03 =6 Víi K si = K CL i = 44 Ru 0,22 Hµm trun cđa hƯ kÝn lµ: FKI (p) = R I FsI + R I FδI Theo tiªu chuÈn modul tối u ta đợc: RI = + Tu p Tu 55.10−3 1 + 0.0516p = + = + = −3 −3 K δI 2.TσI p 2K sITσI 2K sITσI p 2.6.4,3.10 2.6.4,3.10 p 0,0516p → Bộ điều chỉnh dòng điện khâu PI Tổng hợp mạch vòng dòng điện có tính đến vùng dòng điện gián đoạn phần ứng : Trong vùng dòng điện gián đoạn hệ số khuyếch đại chỉnh lu Thyristor giảm mạnh có giá trị thay đổi tuỳ thuộc vào điện áp điều khiển Uđk sđđ E Trong vùng dòng điện gián đoạn không tồn khái niệm số thời gian điện từ T xung dòng điện L u đối tợng : FsI (p) = K CL K I Tc p Ru (Tc p + 1)(TσI p + 1) Do Tc >> TσI nªn ta làm gần : FsI (p) = K CL K I K sI = Ru (TσI p + 1) + TσI p 25 di = Hµm trun cđa dt K CL K I hệ số khuyếch đại đối tợng, K sI phụ thuộc vào Ru E nên ta viết K sI (uđk ,E) Theo tiêu chuẩn modul tối u ta tính đợc hàm Với K sI = uđk truyền điều chỉnh khâu tích phân : R I ( p) = 1 1 1 = = −3 K sI (u dk , E ) 2TσI p K sI (u dk , E ) 2.4,3.10 p K sI (u dk , E ) 0,0086p điều chỉnh kiểu tích phân có hệ số khuyếch đại thay đổi Bộ điều chỉnh dòng điện thích nghi với xung dòng: Cấu trúc hợp lí điều chỉnh dòng điện kiểu thích nghi nhờ vào thông tin từ xenxơ tính liên tục dòng điện chiếu từ vùng dòng điện liên tục sang vùng dòng điện gián đoạn mà thay đổi cấu trúc điều chỉnh từ PI sang I ngợc lại Trong vùng có cÊu tróc kiĨu I, bé ®iỊu chØnh cã hƯ sè khuyếch đại tự động thay đổi tuỳ thuộc vào tình trạng gián đoạn dòng điện Một giải pháp đơn giản áp dụng thích nghi cho xung dòng điện, thời gian có dòng điện ®iỊu chØnh cã cÊu tróc PI vµ thêi gian gián đoạn dòng điện điều chỉnh có cấu tróc I i PI I PI I PI I PI PI i(t) t1 t2 T t I PI H×nh 4-6 Các phơng án thay đổi cấu trúc điều chỉnh Sơ đồ khối chức điều chỉnh thích nghi với xung dòng điện nh sau: 26 P CM Ui® U®k I -U i PD Uo SS I Si Hình 4-7 Sơ đồ chức điều chỉnh thích nghi Khi chuyển mạch CM vị trí điều chỉnh gồm nối tiếp khâu tỷ lệ P với khâu tích phân I ta đợc bé ®iỊu chØnh cã cÊu tróc kiĨu I Khi chun mạch CM vị trí dới điều chỉnh gồm khâu tỷ lệ đạo hàm PD nối tiếp với khâu tích phân I ta đợc điều chỉnh có cấu trúc kiểu PI Khâu so sánh SS đóng vai trò xenxơ phát tính liên tục dòng điện cách so sánh giá trị dòng điện sau xenxơ dòng S i với giá trị zêrô (0) phát lệnh lôgic u0 điều khiển chuyển mạch CM R1 Ui® C Ui C2 R0 - A1 U®k U1 + R3 - A2 U®k + R2 U0 R2 T C1 Hình 4-8 Sơ đồ nguyên lý điều chỉnh thích nghi Trong sơ đồ nguyên lý, chuyển mạch CM ®ỵc thùc hiƯn b»ng transistor trêng T cã ®iƯn trë thay đổi mạnh trạng thái khoá bÃo hoà, giả thiết điện trở transistor T RT = khoá R1 >> R2 Hµm trun PD sÏ lµ: U1 ( p) 2R pR C1 =− (1 + ) U i ( p) R0 Khi transistor T bÃo hoà RT