Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Đồ án môn học Tổng hợp hệ điện cơ (Đề số 4) Tên đề tài : Thiết kế hệ truyền động cho xe con cầu trục Với các thống số kĩ thuật: - Trọng lợng xe con 0.5 Tấn -Tải trọng định mức 100 Tấn -Tốc độ di chuyển 0.05ữ0.5 m/s - Lực cản chuyển động khi tải định mức 4000 N - Lực cản chuyển động khi không tải 2000 N - Hiệu suất cơ cấu() 0.82 - Tỉ số truyền (i) 18 - Đờng kính bánh xe cầu (D b ) 0.35 m Yêu cầu các nội dung: Nêu các yêu cầu về công nghệ và truyền động Chọn phơng án truyền động. Tính chọn công suất động cơ và mạch lực. Xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ. Thiết kế mạch điều khiển. Mô phỏng (Simulink). Phơng án thiết kế: 1. Hệ truyền động động cơ xoay chiều dùng phơng pháp điều chỉnh tần số. 2. Hệ truyền động động cơ xoay chiều dùng phơng pháp xung điện trở Roto. 3. Hệ truyền động chỉnh lu- động cơ 1 chiều kích từ độc lập. Tài liệu tham khảo: Trang bị máy công nghiệp dùng chung. c Lời nói đầu Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 1 Tự Động Hoá 3_K47 Đồ án tổng hợp hệ điện cơ húng ta biết rằng sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơ giới hoá và tự động hoá các quá trình sản xuất . Trong quá trình sản xuất ,máy nâng - vận chuyển đóng vai trò quan trọng .Cầu trục là một trong nhiều cơ cấu nh vậy. Nó là cầu nối giữa các hạng mục sản xuất, giữa các phân xởng trong nhà máy, giữa các máy công tác trong một dây chuyền sản xuất v.v . Với vai trò là mũi nhọn của kỹ thuật hiện đại, lĩnh vực tự động hoá đang phát triển với tốc độ ngày càng cao. Những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động, Tin học công nghiệp, Điện tử công suất, Kỹ thuật đo lờng đã và đang đợc triển khai trên quy mô rộng lớn, tạo nên những thiết bị và dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động với năng suất cao và chất lợng tốt . Truyền động điện có nhiệm vụ thực hiện các công đoạn cuối cùng của một công nghệ sản xuất. Đặc biệt trong dây chuyền sản xuất tự động hiện đại, truyền đồng điện đóng góp vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lợng sản phẩm. Vì vậy, các hệ truyền động điện luôn luôn đợc quan tâm nghiên cứu nâng cao chất lợng để đáp ứng các yêu cầu công nghệ mới với mức độ tự động hoá cao. Việc tăng năng suất máy sản xuất và giảm giá thành thiết bị điện của máy là hai yêu cầu cần chủ yếu đối với hệ thống truyền động điện và tự động hoá sản xuất song chúng thờng mâu thuẫn nhau. Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp, một bên lại yêu cầu hạn chế số lợng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp. Vậy việc lựa chọn một hệ thống truyền động điện và tự động hoá thích hợp cho cơ cấu sản xuất là không đơn giản. Với việc ứng dụng rộng rãi các tiến bộ kỹ thuật trong lĩnh vực điện tử - tin học, các hệ truyền động điện đợc phát triển và có thay đổi đáng kể. Đặc biệt, do công nghệ sản xuất các thiết bị điện tử công suất ngày càng hoàn thiện nên các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ truyền động điện không những đáp ứng đợc yêu cầu tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần làm giảm kích thớc và hạ giá thành của hệ thống. Việc nghiên cứu và học tập một cách nghiêm túc và sâu sắc môn học Tổng hợp hệ điện cơ là một trong những đòi hỏi quan trọng đối với sinh viên ngành Tự động hoá XNCN. Nó phù hợp với yêu cầu phát triển ngày càng cao và phong phú của nền công nghiệp nớc ta cũng nh sự phát triển nh vũ bão của các thành tựu công nghệ hiện đại trên thế giới. Cũng để đáp ứng nhu cầu học tập môn học " Tổng hợp hệ điện cơ " việc làm đồ án môn học là rất phù hợp và cần thiết . Bản đồ án này thực hiện việc "Thiết kế hệ truyền động cho cầu trục". Tuy nhiên để tổng hợp đợc một hệ truyền động cho cầu trục một cách hoàn chỉnh không phải đơn giản. Trong phạm vi và yêu cầu của môn học này ta chỉ nghiên cứu tổng hợp hệ thống truyền động cho động cơ di chuyển xe cầu. ở đây ngoài việc tính toán các thông số và giá trị cần thiết cho mạch động lực và mạch điều khiển, thiết kế mạch điều khiển . ,còn có sự quan tâm đến việc xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động T-Đ, thiết kế các bộ điều chỉnh cho mạch Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 2 Tự Động Hoá 3_K47 Đồ án tổng hợp hệ điện cơ vòng phản hồi nối cấp, thực hiện mô phỏng các đặc tính hệ thống bằng chơng trình Simulink của phần mềm MATLAB. Trong quá trình thực hiện, với sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Tự động hoá XNCN đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Bùi Quốc Khánh cùng các sinh viên khác cộng với sự nỗ lực của bản thân, bản đồ đã đợc hoàn thành. Tuy nhiên, do thời gian tơng đối ngắn và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên bản đồ án không tránh khỏi những thiếu sót . Em mong nhận đợc sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này đợc hoàn thiện hơn. Hà nội , Ngày / / 2006 Sinh viên : Cao quốc Tuấn Chơng I Mô tả công nghệ và yêu cầu hệ truyền động Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 3 Tự Động Hoá 3_K47 Đồ án tổng hợp hệ điện cơ 1.1. Mô tả công nghệ Cầu trục là một loại máy nâng - vận chuyển đợc sử dụng phổ biến trong nhiều ngành kinh tế khác nhau nh trong nhà máy cơ khí, xí nghiệp luyện kim, công trờng xây dựng, hầm mỏ, hải cảng . Thông thờng cầu trục đợc điều khiển nhờ ngời lái ngồi điều khiển trong cabin, theo yêu cầu của nơi sản xuất, bộ điều khiển có thể đặt ngoài cầu trục, từ một tủ điều khiển đặt ở nền phân xởng. Phân loại cầu trục : + Theo đặc điểm cấu tạo : Cầu trục kiểu cầu (cầu trục) Cầu trục hình cổng Cầu trục cáp. + Theo trọng tải : Loại nhẹ < 5 ữ 10 tấn Loại trung bình 10 ữ 15 tấn Loại nặng > 15 tấn + Theo chế độ làm việc : Loại nhẹ : hệ số tiếp điện TĐ% = 10 ữ 15 %, số lần đóng máy trong một giờ là 60. Loại trung bình : TĐ% =15 ữ 25%, số lần đóng máy trong một giờ là 120. Loại nặng : TĐ% = 25 ữ 40%, số lần đóng máy trong một giờ là 240. Loại rất nặng : TĐ% = 40 ữ 60%,số lần đóng máy trong một giờ > 240. + Theo chức năng : Cầu trục vận chuyển : sử dụng rộng rãi, yêu cầu chính xác không cao. Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 4 Tự Động Hoá 3_K47 3 2 1 Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Cầu trục lắp ráp : phần lớn dùng trong các nhà máy, xí nghiệp nhất là trong các nhà máy cơ khí. Nó dùng để lắp ghép các chi tiết máy móc, yêu cầu có độ chính xác cao. 1.1.1 Cấu tạo cơ bản của cầu trục Cầu trục hai dầm hiện nay đợc sử dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp, dùng để cẩu các cấu kiện sắt thép, các phôi sản phẩm, lắp ráp các thiết bị máy móc . Tuỳ theo tải trọng, theo chế độ làm việc hoặc theo cấu tạo của cơ cấu di chuyển, cầu trục hai dầm cũng đợc chia thành nhiều loại. Nhng dù có cấu tạo đơn giản hay phức tạp thì cấu tạo cơ bản của cầu trục gồm ba phần : xe cầu, xe con và cơ cấu nâng hạ. 1 - Xe cầu: Xe cầu có hai dầm chính hoặc khung dàn chính đợc chế tạo băng kép có độ cứng không gian đặt cách nhau một khoảng tơng ứng với khoảng cách bánh xe của xe con. Hai đầu cầu đợc liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của cầu trục đợc thiết kế trên các dầm ngang của khung hình chữ nhật, tạo điều kiện cho cầu trục chạy dọc suốt phân xởng. Tải trọng sẽ do trọng lợng bản thân cầu, trọng lợng xe con cùng vật nâng sẽ truyền qua bánh xe qua đờng ray. Trên mặt bằng kết cấu khung có lắp đặt cơ cấu di chuyển xe cầu. 2 - Xe con: Xe con đợc thiết kế lắp đặt trên xe cầu, di chuyển dọc cầu, tạo điều kiện cho cầu trục phục vụ đợc suốt khẩu độ gian nhà phân xởng. 3 - Cơ cấu nâng hạ: Cơ cấu nâng hạ thờng có tang cắt thành rãnh xoắn hai chiều để cuộn cáp nâng và hạ. Cuối hai đầu dây cáp mắc palăng kép để đảm bảo nâng hạ tải trọng theo phơng thẳng đứng, đồng thời tăng số lợng cáp có khả năng chịu lực tốt. Toàn bộ cơ cấu tang, hộp truyền bánh răng và động cơ xe con đợc đặt trên xe con di chuyển ngang nhà phân xởng. Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm, gồm ba loại : phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai. Khi động cơ của cơ cấu đóng vào lới điện thì đồng thời động cơ phanh cũng có điện, mở má phanh giải phóng trục động cơ để động cơ làm việc. Khi động cơ ngừng làm việc, động cơ phanh mất điện, ép chặt má phanh vào trục động cơ để hãm. Cầu trục loại nặng thờng dùng hai phanh để đảm bảo an toàn. 1.1.2. Các chuyển động của cầu trục + Chuyển động của xe cầu : chuyển động này giúp cho toàn bộ cầu trục tiến hay lùi theo phơng ngang, dọc theo đờng ray. + Chuyển động của xe con : chuyển động theo phơng vuông góc với chuyển động của xe cầu trên mặt phẳng ngang. + Chuyển động của cơ cấu nâng hạ : nâng hạ tải trọng theo phơng đứng. 1.1.3. Đặc điểm công nghệ của cầu trục Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 5 Tự Động Hoá 3_K47 Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Cầu trục làm việc trong môi trờng rất nặng nề, đặc biệt là ở ngoài hải cảng, trong các nhà máy hoá chất, xí nghiệp luyện kim . Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ truyền động và trang bị điện cầu trục phải làm việc tin cậy trong điều kiện nghiệt ngã của môi trờng. Các động cơ truyền động cầu trục thờng mô men thay đổi theo tải trọng, nhất là cơ cấu nâng hạ, mô men thay đổi rõ rệt. Hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc xảy ra rất êm. Bởi vậy mô men động trong quá trình quá độ phải đợc hạn chế theo kĩ thuật an toàn. Năng suất của cầu trục quyết định bởi hai yếu tố : tải trọng của các thiết bị và số chu kì bốc ,xúc trong một giờ. Số lợng hàng hoá bốc, xúc trong mỗi một chu kì không nh nhau và nhỏ hơn tải trọng định mức cho nên phụ tải đối với động cơ chỉ đạt ( 60 ữ70 )% công suất định mức của động cơ. Do làm việc trong điều kiện nặng nề, thờng xuyên làm việc quá tải nên cầu trục đợc chế tạo có độ bền cơ khí cao, khả năng chịu quá tải lớn. Nguyên lí làm việc cầu trục hai dầm : Biến các chuyển động quay tròn của các động cơ điện dẫn động qua hộp giảm tốc thành các chuyển động tịnh tiến, vào ra, lên xuống. 1.2. Yêu cầu truyền động điện Các động cơ truyền động đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại có số lần đóng điện lớn. Đa số các cầu trục đều làm việc trong điều kiện môi trờng nặng nề nh trong các nhà máy cơ khí, hoá chất, luyện kim .,chế độ quá độ xảy ra nhanh khi mở máy và đảo chiều. Các thiết bị cầu trục phải đảm bảo đợc các yêu cầu về công nghệ và năng suất, đảm bảo an toàn cho ngời và thiết bị, đơn giản trong các thao tác. Cụ thể là :Đặc tính tải - Phụ tải của cơ cấu nâng hạ là phụ tải thế năng. Động cơ cho truyền động nâng hạ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 6 Tự Động Hoá 3_K47 t 1 t 2 t 01 t 3 t 4 t 02 M w 0 M(t) w(t) t Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Trên hình vẽ là giản đồ phụ tải của cơ cấu nâng hạ với thời gian mở máy và thời gian phanh coi nh bằng 0. Trong đó: t 1 : Thời gian hạ không tải t 2 : thời gian nâng tải t 01 : thời gian nghỉ t 3 : thời gian hạ tải t 4 : thời gian nâng không tải t 02 : thời gian nghỉ Qua giản đồ phụ tải ta thấy đây là phụ tải ngắn hạn lặp lại biến đổi. Động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với yêu cầu có đảo chiều. b. Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động - Đối với truyền động nâng hạ tải gia tốc khởi động nhỏ nhất là t kd 5V (s) với v - tốc độ nâng tải (m/s) - Thời gian hãm cũng đợc tính tơng tự nh trên c. Yêu cầu về hàm và dừng khẩn cấp - Sử dụng phanh hãm để hạn chế tốc độ khi chuẩn bị dừng và khi mất điện phanh hãm phải dừng truyền động ở hiện trạng tránh rơi tự do. - Dừng chính xác tại nơi lấy và trả tải. d. Độ chính xác. - Dải điều chỉnh tốc độ 1 30 05,0 5,1 D min max == = e. Những yêu cầu khác. + Các động cơ truyền động phải có khả năng đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc độ đủ rộng và có các đờng đặc tính thoả mãn yêu cầu công nghệ. VD: các cầu trục lắp ráp phải thoả mãn yêu cầu về dừng máy chính xác nên đòi hỏi có đờng đặc tính cơ cứng, có đờng đặc tính cơ thấp, có nhiều đờng đặc tính trung gian để mở máy và hãm êm. Việc điều chỉnh tốc độ các cơ cấu đều đợc thực hiện bằng phơng pháp điện trong phạm vi tơng đối rộng (ở các cầu trục thông thờng D 3 : 1; ở các cầu trục lắp ráp D 10 : 1 hoặc lớn hơn ). + Bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện từ để giữ chặt các trục truyền động khi động cơ mất điện. ở cầu trục di chuyển kim loại nóng chảy, để cho an toàn ngời ta dùng hai phanh hãm trên trục động cơ. Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 7 Tự Động Hoá 3_K47 Gph 3 21 Nc Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Phanh hãm là bộ phận không thể thiếu trong cơ cấu chính của cầu trục. Phanh dùng trong cầu trục thờng có 3 loại: Phanh guốc, phanh dĩa và phanh đai. Nguyên lý hoạt động cơ bản giống nhau mô tả cơ cấu phanh đai gồm 1.Má phanh, 2.Cuộn dây nam châm phanh ( hoặc dùng động cơ bơm thuỷ lực tạo lực đóng mở); 3.Đối trọng phanh. Khi động cơ của cơ cấu đóng vào lới điện thì đồng thời động cơ phanh cũng có điện bơm thuỷ lực mở má phanh giải phóng trục động cơ để động cơ làm việc. Khi động cơ ngừng làm việc thì động cơ phanh mất điện ép chặt má phanh vào trục động cơ để hãm. Đối với cơ cấu nâng hạ cầu trục loại nặng thờng ngời ta dùng 2 phanh để đảm bảo an toàn. + Công suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy định + Việc tăng công suất động cơ lên quá lớn cũng không cho phép do: + Khi P có khả năng làm tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu nâng hạ) có thể dẫn tới đứt dây treo hay tải bị dật mạnh. + Tăng vốn đầu t ban đầu. + Phải thiết kế để cơ cấu làm việc an toàn ở chế độ nặng nề nhất. + Các thiết bị cầu trục phải đảm bảo làm việc an toàn ở điện áp bằng 85% điện áp định mức. - Điện áp cung cấp cho cầu trục không vợt quá 500 V. - Mạng điện xoay chiều hay dùng là 220 V, 380V. - Mạng điện một chiều là 220V, 440V. - Điện áp chiếu sáng của cầu trục không đợc vợt quá 220V . - Điện áp chiếu sáng khi sửa chữa phải nhỏ hơn 36V, không dùng biến áp tự ngẫu để cung cấp cho mạch điện chiếu sáng, sửa chữa. + Các mạch điện và các động cơ phải đợc bảo vệ ngắn mạch và quá tải trên 200% bằng các rơle dòng điện cực đại, không dùng bảo vệ nhiệt vì các động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Trong mạch khống chế phải bố trí các thiết bị bảo vệ để loại trừ hiện tợng động cơ tự khởi động khi điện áp lới phục hồi (sau khi mất điện). + Đối với cầu trục cỡ lớn, phải dùng các thiết bị khắc phục hiện tợng vênh giàn cầu. Trong hệ truyền động các cơ cấu của cầu trục ,các động cơ có sơ đồ điều riêng biệt. Chính vì thế việc tổng hợp bộ điều chỉnh cho từng loại cơ cấu truyền động là độc lập nhau . Động cơ truyền động cầu trục, nhất là đối với cơ cấu nâng hạ ,mômen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt .Khi không có tải trọng ( không tải ) mômen của động cơ không vợt quá (15 ữ 20)% M đm . Đối với động cơ di chuyển xe con mômen của động cơ bằng (35 ữ 50)% M đm ,và bằng (50 ữ 55 )% M đm đối với động cơ di chuyển xe cầu. Quan hệ giữa mô men và tải trọng mô tả trên hình Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 8 Tự Động Hoá 3_K47 Đồ án tổng hợp hệ điện cơ M/M đm 1 2 3 0,2 0,4 0,6 0,8 Trong hệ truyền động các cơ cấu cấu máy nâng - vận chuyển nói chung và cầu trục nói riêng ,yêu cầu quá trình tăng tốc và giảm tốc xảy ra phải êm. Bởi vậy mômen động trong quá trình quá độ phải đợc hạn chế theo yêu cầu kĩ thuật an toàn. Những năm gần đây ,do sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn, kĩ thuật biến đổi điện năng công suất lớn ,các hệ truyền động điện cho cầu trục đã dùng nhiều bộ biến đổi Thyristor thay cho các hệ cổ điển dùng máy điện khuếch đại cũng nh khuếch đại từ. Hệ truyền động các cơ cấu cầu trục dùng bộ biến đổi Thyristor - DC Motor (T-Đ) đối với cơ cấu di chuyển, do có ảnh hởng của mômen phản kháng cho nên sơ đồ khống chế đảo chiều đơn giản dùng các Contactor đảo chiều trong mạch phần ứng của động cơ. Chế độ làm việc của các cơ cấu cầu trục đợc xác định từ yêu cầu của quá trình công nghệ ,chức năng của cầu trục trong dây chuyền sản xuất . Cấu tạo và kết cấu của cầu trục rất đa dạng. Khi thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và hệ thống truyền động điện phải phù hợp với từng loại cụ thể. Ví dụ nh cầu trục trong phân xởng luyện thép lò Mactanh ,trong các phân xởng nhiệt luyện phải đảm bảo các chỉ tiêu kĩ thuật trong chế độ quá độ. Cầu trục trong các phân xởng lắp ráp phải đảm bảo quá trình mở máy êm ,dải điều chỉnh tốc độ rộng ,dừng chính xác đúng nơi lấy hàng và hạ hàng v.v . Từ những đặc điểm trên đây có thể đa ra những yêu cầu cơ bản đồi với hệ truyền động cho các cơ cấu của cầu trục nh sau: Sơ đồ cấu trúc của hệ điều khiển tự động đơn giản. Các phần tử cấu thành có độ tin cậy cao, đơn giản về cấu tạo và thay thế dễ dàng. Sơ đồ bảo vệ phải có mạch bảo vệ điện áp " không " ,bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật định sẵn. Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 9 Tự Động Hoá 3_K47 G/G đm 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Đồ án tổng hợp hệ điện cơ Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến ,lùi cho xe cầu ,xe con và hạn chế hành trình lên xuống của cơ cấu nâng - hạ. Đảm bảo hạ hàng ở tốc độ thấp . Tự động cắt nguồn cấp khi có ngời làm việc trên xe cầu. Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ phải riêng biệt . Chơng II Phân tích và lựa chọn phơng án Sinh viên: Cao Quốc Tuấn 10 Tự Động Hoá 3_K47 . trọng lợng xe con cùng vật nâng sẽ truyền qua bánh xe qua đờng ray. Trên mặt bằng kết cấu khung có lắp đặt cơ cấu di chuyển xe cầu. 2 - Xe con: Xe con đợc. khoảng cách bánh xe của xe con. Hai đầu cầu đợc liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của cầu trục