Nghiên cứu khái quát về truyền động điện cho các thiết bị gia công bằng áp lực

Sinh viªn : §inh H÷u HiÕu Líp : §T§44-§H
Đồ án trang bị điện – điện tử máy công nghiệp dùng chung
“Nghiên cứu khái quát về truyền động điện cho các thiết bị
gia công bằng áp lực. Xây dựng chương trình tính toán bánh
đà cho các hệ thống truyền động điện phụ tải xung”
Đồ án trang bị điện điện tử máy công nghiệp dung chung
1
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
Mục lục
Mục lục 1
Lời giới thiệu.2
Chơng 1. Khái quát chung về máy rèn, dập
1.1. Khái niệm chung về máy rèn, dập3
1.2. Đặc điểm truyền động điện và trang bị điện3
Chơng 2. Chọn công suất cơ khí của máy rèn, dập có bánh đà
2.1. Tổng quan về máy rèn, dập có bánh đà6
2.2. Tính toán các thông số của máy rèn, dập có bánh đà 7
Chơng 3. Mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc sử dụng trong máy
rèn, dập có bánh đà
3.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc trong máy rèn,
dập có bánh đà 9
3.2. Mô hình động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong máy rèn, dập có
bánh đà.11
3.3. Mô hình simulink động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc của máy
rèn , dập có bánh
đà 12
3.4. Kết quả mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc của máy
rèn có bánh đ 13
Chơng 4. Mô phỏng máy dập kim lọai sử dụng động cơ không đồng bộ rôtor
lồng sóc
4.1. Mô hình simulink máy dập kim loại sử dụng động cơ không đồng bộ

rôtor lồng sóc 15
4.2. Kết quả mô phỏng sử dụng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc 15
Tài liệu tham khảo 17
ỏn trang b in in t mỏy cụng nghip dung chung
2
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
Lời giới thiệu
Đối vời kỹ s điều khiển - tự động hóa nói riêng và những ngời nghiên cứu
khoa học - kỹ thuật nói chung, mô phỏng là công cụ quan trọng cho phép khảo
sát các đối tợng, hệ thống hay qúa trình - vật lý, mà không nhất thiết phải có đối
tợng hay hệ thống thực. Đợc trang bị công cụ mô phỏng mạnh và có hiểu biết về
các phơng pháp mô hình hóa, ngời kỹ s sẽ có khả năng rút ngắn thời gian và
giảm chi phí nghiên cứu - phát triển sản phẩm một cách đáng kể. Điều này đặc
biệt co ý nghĩa khi sản phẩm là các hệ thống thiết bị kỹ thuật phức hợp với giá trị
kinh tế lớn
Máy rèn, dập ngày nay có một vị trí quan trọng trong nền sản xuất. Công
nghệ rèn, dập đang tiến tới tạo các chi tiết đảm bảo đợc kích thớc, hình dáng và
chất lợng bề mặt cuối cùng. Tiến bộ về chất lợng sản phẩm và năng suất cao
trong rèn rập không thể tách rời khỏi quá trình cải tiến công nghệ và quá trình cơ
khí hóa, tự động hóa các máy rèn, dập.
Mô phỏng máy rèn, dập là một sự nâng cao hơn trong việc mô phỏng động
cơ không đồng bộ ba pha. Trong bài này là động cơ không đồng bộ rôtor lồng
sóc. Mô phỏng đợc động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc là rất mới mẻ đối với
em, vì vậy trong quá trình làm bài chắc chắn sẽ không tránh khỏi sai sót. Em rất
mong nhận đợc sự thông cảm của thầy giáo và của các bạn. Em xin chân thành
cảm ơn
Chơng 1
Khái quát chung về máy rèn, dập
1.1. Khái niệm chung về máy rèn, dập
Rèn, dập là phơng pháp gia công bằng áp lực lợi dụng biến dạng dẻo của

kim loại để tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thớc nh mong muốn. Rèn và
dập nóng, dập nguội chiếm vị trí quan trọng trong công nghệ sản xuất nhiều sản
phẩm. Chúng không chỉ đảm bảo cho các phôi phẩm chất lợng cao, chính xác để
gia công cơ khí tiếp mà trong nhiều trờng hợp còn là thao tác hoàn thiện. Công
ỏn trang b in in t mỏy cụng nghip dung chung
3
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
nghệ rèn, dập tiến tiến tạo các chi tiết đảm bảo kích thớc, chất lợng và bề mặt
cuối cùng mà chỉ cần gia công tinh bằng cơ khí ở một số trờng hợp hoàn toàn
không cần gia công cơ khí thêm. Tiến bộ về chất lợng sản phẩm và năng suất cao
trong rèn, dập không tách rời khỏi quá trình cải tiến công nghệ và quá trình cơ
giới hoá, tự động hoá các máy rèn, dập
Các máy rèn, dập có loại chỉ thực hiện một nguyên công, có loại thực hiện
nhiều nguyên công liên tiếp
áp lực gia công trên máy thờng lớn và rất lớn, đợc tạo ra dới dạng xung
lực đột biến. Thời gian thao tác (lực tác dụng vào phôi để gây biến dạng) thờng
ngắn hoặc rất ngắn so với thời gian 2 lần thao tác (5
ữ
10%). Trong các máy rèn,
dập thờng dùng bánh đà. Trong thời gian không thao tác, bánh đà với mômen
quán tính lớn sẽ đợc động cơ tích lũy năng lợng dới dạng động năng. Lúc thao
tác tốc độ sẽ giảm, động năng dự trữ ở bánh đà sẽ tạo ra mômen cùng động cơ để
thắng lực cản do biến dạng của phôi và mômen quá tải của động cơ không cần
quá lớn
1.2. Đặc điểm truyền động điện và trang bị điện
Bánh đà đợc động cơ tăng tốc để tích luỹ năng lợng khi máy không thao
tác và khi bánh đà giải phóng năng lợng lúc thao tác thì hệ giảm tốc nên động cơ
truyền động chính của máy làm việc trong điều kiện quá tải thay đổi liên tục
Máy rèn, dập là máy có tốc độ cao. Mỗi máy rèn, dạpp cần đảm bảo gia
công chi tiết với số lợng cần và số lợng yêu cầu trên cơ sở giá thành nhỏ nhất.

Do vậy, tính chất động cơ điện phải phù hợp với tính chất này
Động cơ phải có cấu tạo và khả năng sử dụng lâu dài cho phép trong điều
kiện sản xuất rèn, dập nh : nhiệt độ cao, rung động
ở các máy ép trục khuỷu, tốc độ cần thiết để biến dạng dẻo đợc đảm bảo
nhờ mạch động lực cơ khí của máy. Trờng hợp này động cơ điện chỉ cần quay
trục dẫn động chính của máy với tốc độ không đổi. Các truyền động phụ trong
các máy rèn, dập cũng chỉ cần với tốc độ không đổi của động cơ điện dẫn động.
Động cơ điện phổ biến thờng dùng là động cơ rôtor lồng sóc
ở máy rèn, dập không có bánh đà, công suất không quá 200kW, thờng
dùng động cơ đồng bộ để đảm bảo tốc độ quay không đổi với sự thay đổi cho
phép của tải. Hơn nữa ở dải công suất lớn, truyền động bằng động cơ đồng bộ
kinh tế hơn là động cơ không đồng bộ
ở máy rèn, dập có bánh đà thờng dùng động cơ không đồng bộ rôtor lồng
sóc có độ trợt cao cũng nh động cơ không đồng bộ rôtor dây quấn
Mạch truyền động cơ khí đảm bảo truyền lực và thay đổi tốc độ trên trục
động cơ thành tốc độ gia công phù hợp trên đầu trợt. Với tốc độ gia công cho tr-
ớc mà tốc độ định mức của động cơ lớn thì bộ truyền cơ khí càng lớn, phức tạp
ỏn trang b in in t mỏy cụng nghip dung chung
4
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
hơn, giá thành cao hơn và ngợc lại. Còn chính động cơ điện cùng công suất
thì tốc độ càng lớn, giá thành càng thấp. Do vậy, phải chọn tốc độ động cơ nhờ
so sánh kinh tế các giải pháp có thể. Tóm lại, trang bị điện cho máy rèn, dập phải
đảm bảo :
Phù hợp với tính chất máy và thực hiện đợc thao tác công nghệ,
chịu rung động, nhiệt độ cao
An toàn và thuận tiện khi làm việc
Đạt năng suất cần thiết với chất lợng sản phẩm cao
Tin cây cao trong khai thác
Các khí cụ và thiết bị điện đợc đặt trong tủ riêng ngoại trừ động cơ điện,

nam châm điện, công tác hành trình đặt ngay trên máy. Tủ có tiếp địa
Mạch khống chế máy tuỳ máy có thể có 3 chế độ làm việc :
Dập liên tục ( ở chế độ tự động hay chế độ làm việc bằng tay)
Dập nhát một ( điều khiển bằng nút bấm hay bằng bàn đạp ( pê-
đan). ở chế độ này, đầu trớtau một hành trình sẽ dừng ở vị trí ban
đầu
Chạy điều chỉnh máy
Sự thay đổi biến dạng phôi ban đầu tuỳ thuộc vào đặc điểm gia công, vật
liệu, độ lớn hình dạng và nhiệt độ phôi. Sự thay đổi có thể nâng cao chất lợng gia
công và năng suất. Do vậ, các máy rèn, dập mới thờng có truyền động chính có
điều chỉnh tốc độ quay. Điều đó còn cho phép máy có thể đặt vào một dây truyền
nào đó vì có thể thay đổi tốc độ quay truyền động chính cho phù hợp với chu
trình làm việc của máy khác. Cuối cùng là có thể chạy tốc độ nhỏ để điều chỉnh
máy
Nhng vì năng lợng dự trữ của bánh đà (động năng) tỉ lệ với bình phơng tốc
độ quay nên việc giảm tốc độ quay sẽ làm kém hiệu lực của bánh đà. Do vậy, dải
điều tốc ở máy rèn, dập là không lớn, ví dụ chỉ 2: 1 hoặc 3: 1
ỏn trang b in in t mỏy cụng nghip dung chung
5
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
Chơng 2
Chọn công suất cơ khí của máy rèn, dập
có bánh đà
2.1. Tổng quan về máy rèn, dập có bánh đà
Đặc trng cho sự làm việc của các máy rèn, dập có trục khuỷu là sự thay
đổi đột biến theo chu kỳ của mômen cản M
c
tùy theo góc quay của trục khuỷu.
Trong giới hạn góc thao tác (tt), M
c

đạt giá trị rất lớn do phôi bị biến dạng. ở đa
số các máy,
tt

cỡ (5
ữ
10 %) một vòng quay của trục khuỷu. Sau thao tác biến
dạng phôi, M
C
giảm nhanh xuống mômen không tải M
kt
đủ để thắng mômen ma
sát
Trong giới hạn góc
tt

, phôi bị biến dạng, bánh đà giảm tốc và sinh
mômen cùng dấu với mômen của động cơ để thắng mômen cản đột biến do biến
dạng phôi. Nói nh vậy vì mômen quán tính của bánh đà quy đổi về trục động cơ
thờng rất lớn so với các phần quay, đầu trợt tay biên và thực tế có thể coi
mômen quán tính quy đổi tổng của hệ truyền động bằng mômen quán tính quy
đổi của bánh đà.
Trong gới hạn góc chạy không tải, M
c
= M
kt
nhỏ, bánh đà đợc động cơ
tăng tốc và năng lợng (động năng) giải phóng khi thao tác sẽ đợc phục hồi
Gọi A
tt

là năng lợng cần để thực hiện thao tác biến dạng và thắng các lực
cản khác trong mạch đông học cơ khí của máy thì mômen thao tác trung bình:
M
tb
= M
tt
tt
tt
A

Gọi A
kt
là năng lợng không tải, thì mômen không tải trung binh là:
M
kt
=
tt
tt
A

Coi mômen quán tính của bánh đà là vô cùng lớn và tải san bằng hoàn
toàn trên trục động cơ thì mômen trung bình mà động cơ cần có là:
ỏn trang b in in t mỏy cụng nghip dung chung
6
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
Mtb =
2

ktkt
M

tttt
M
+
Chọn động cơ theo điều kiện momen định mức:
M
đm
= kM
tb
Công suất định mức của đông cơ :
P
đm
= k.P
tb
Năng lợng cấp từ bánh đà do giảm tốc lúc thao tác bằng hiệu động năng
bánh đà trớc va sau thao tác:
A
tt
= J
bủ
2

max
2
- J
bủ
min
2

-
max

,
min

: tốc độ góc lớn nhất và nhỏ nhất của bánh đà
- J
bđ
: là mômen quán tính của bánh đà
Biểu thức trên có thể đợc viết lại nh sau:
A
tt
= J
bd
.
2
min

max


tb

= J
bd
.
2

tb
.

Trong đó:
- Tốc độ góc trung bình :
tb

=
2

minmax
+
- Độ không đồng đều tốc độ bánh đà:

=
2
min

max


Từ đó: J
bd
=

2
tb
tt
A
Lúc tính toán sơ bộ, thờng coi
tb

là tốc độ tính toán của bánh đà tơng

ứng với tốc độ quay định mức của động cơ, còn hệ số không đồng đều

đợc
cho trớc
2.2. Tính toán các thông số của máy rèn, dập có bánh đà
Giả sử cho:
tt
A
= 15000 J,
kt
A
= 2000 J
Tốc độ quay của động cơ =
s
rad
2,27
, p = 3

60 =
tt
,
s
rad
o
7,104 =
Số hành trình :
70=
ht
n
(hành trình/phút)

Động cơ truyền động qua đai hình thang và động cơ là động cơ không
đồng bộ rôtor lồng sóc
ỏn trang b in in t mỏy cụng nghip dung chung
7
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
Thời gian chu kỳ :
s
n
t
ht
ck
86.0
70
6060
===
Chọn k = 1,4 ( bảng (9-1)
[ ]
1
) thì công suất định mức tính toán của động
cơ là:
KWW
t
AA
kP
ck
kttt
ủm
6.27600.27
86.0
200015000

4.1 ==






+
=








+
=
Chọn
KWP
ủm
28=
Tính toán J của bánh đà :
2
22
206
2.27093,0
15000
360

20
1)
360
1( kGm
A
J
tttt
bd
=
ì






==


Chọn
2
200kGmJ =
ỏn trang b in in t mỏy cụng nghip dung chung
8
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
Chơng 3
Mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng
sóc sử dụng trong máy rèn, dập có bánh đà
3.1. Giới thiệu về động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc trong máy
rèn, dập có bánh đà

Khi đặt điện áp xoay chiều ba pha lên hệ thống cuộn dây phía stator sẽ tạo
ra dòng stator, gây lên điện áp cảm ứng phía rôtor và do đó gây lên dòng cảm
ứng phía rôtor. Dòng hai phía stator và rôtor có tác dụng tạo ra dòng rôtor, stator
và đó cũng là nguyên nhân sinh ra mômen quay của máy điện. Điều kiện để xẩy
ra cảm ứng và tạo đợc mômen là tồn tại một sự trợt nhất định (không đồng bộ)
giữa chuyển động của rôtor và của vector từ thông stator. Trong trờng hợp đồng
bộ, máy điện sẽ không tạo ra đợc momen quay
K
M
m
m
=
s
K
s
K
s
s
+
2
; R
s
0
m
K
=
2
3
p
z

1
s
L
2









s
s
U
; s
K
=

ss
r
L
R
Trong đó :
m
k
: Mômen lật
s

k
: Hệ số trợt khi
K
M
m
m
= 1
m
k
: Mômen động cơ
U
S
: Điện áp stator
s : Tần số stator
z
p
: Số cặp cực
ĩ : Hệ số tản
Công thức trên là công thức gần đúng, xuất phát từ giả thiết điện trở stator
= 0. Giả thiết đó có thể coi là gần đúng đối với máy điện công suất lớn, rất lớn.
*Các phơng trình mô tả động cơ điện dị bộ rotor lồng sóc:
- Phơng trình điện áp stator :
u
s
= R
s
i
s
+
dt

d
s

- Phơng trình điện áp rôtor :
9
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
0 = R
r
.i
r
+
dt
d
r

- j.
r

- Phơng trình từ thông :
s

= L
s
i
s
+L
m
.i
r
r

= L
m
i
s
+L
r
.i
r
Trong đó:
R
s
: Điện trở stator
R
r
: Điên trở rôtor
L
s
: Điện cảm stator
L
r
: Điện cảm rotor
L
m
: Hỗ cảm giữa hai quận dây
u
s
: Vector điện áp stator
i
s

: Vector dòng điện stator
s

: Vector từ thông stator
r

: Vector từ thông rôtor
*Mô hình động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc:
dt
s
di

= -








+

1

1
r
T
s
T

i
s
+



1
r
r
T

+




1
r

+


1
s
u
s
L
dt
s
di

= -








+

1

1
r
T
s
T
i
s
+





r

1

+



1
r
r
T

+


1
s
u
s
L
dt
r
d



=




1
.

1
r
r
r
T
s
i
r
T

+

dt
r
d



=




1
.

1
r
r

r
T
s
i
r
T

+

Trong đó :
s
R
s
L
s
T
=
;
r
R
r
L
r
T
=
;
r
L
s
L

m
L
2
1
=
m
L
r
j
m
L
r
r
j
r
m
L
r










+=

+

==

*Phơng trình mômen:
( )







=





1
2
3
s
i
rs
i
r
s
L
p

zm
M
10
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
*Hệ phơng trình mô tả động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc đợc xây
dựng trên cơ sở chấp nhận các giả thiết sau:
- Hệ phơng trình cơ bản thu đợc trên cơ sở sóng cơ bản của các đại lợng
dòng, áp và từ thông. Hiện tợng móc vòng từ thông giữa stator và rotor chỉ xẩy ra
với sóng cơ bản. Mômen hài cha đợc quan tâm
- Hệ cha xét tới hiện tợng bão hoà từ
- Cha xét tới tổn hao dòng quẩn và tổn hao sắt từ
- Cha xét đến hiện tợng dãn dòng (xuất hiện đối với hài dòng bậc cao, làm
tăng giá trị hiệu dụng của điện trở)
- Stator có kết tròn đều đối xứng. Việc đặt điện áp rôtor bằng 0 xuất phát từ
kết cấu ngắn mạch của mạch điện phía rotor
- Tham số của mô hình là hằng
- Bỏ qua tổn hao ma sát
3.2. Mô hình động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc trong máy rèn, dập
có bánh đà
Hình 3.1. Mô hình trong simulink
11
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
*Các thông số:
g =
r
T
1
;
r
L

m
L
p
zf
2
2
3
=
;
J
p
z
h =
;
r
R
r
L
r
T
=
3.3. Mô hình simulink động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc của máy
rèn , dập có bánh đà
Hình 3.2. Mô hình trong simulink
*Lựa chọn các thông số của động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc :
R
s
= 0.18

; R

r
= 0.17

;
L
s
= 4.0

; L
r
= 4.0

;
L
m
= 3.91

; P
c
= 3 ;
j = 0.5
3.4. Kết quả mô phỏng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc của máy
rèn có bánh đà
12
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
3.4.1. Đờng đặc tính mômen cản
Tải đợc đóng vào động cơ khi tốc độ đã ổn định, sau 0,5 s
Đờng đặc tính tốc độ theo thời gian
Đờng đặc tính của dòng điện
i

S


i
S

Đờng đặc tính của mômen trên trục động cơ
13
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
Chơng 4
Mô phỏng máy rèn, dập kim lọai sử dụng động cơ
không đồng bộ rôtor lồng sóc
4.1. Mô hình simulink máy dập kim loại sử dụng động cơ không đồng
bộ rôtor lồng sóc
4.2.
Kết
quả
mô
phỏng sử dụng động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc
Đờng đặc tính của mômen cản theo thời gian
14
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH


Đờng đặc tính của tốc độ
Đờng đặc tính của dòng điện stator
i
S

i

S

*Nhận xét :
- Mômen cản theo thời gian làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại
- Tốc độ của động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại sau khi khởi động
- Dòng điện của statỏ biến thiên theo thời gian với tần số rất lớn
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Mạnh Tiến - Vũ Quang Hồi. Trang bị điện- điện tử máy gia
công kim loại
Nhà xuất bản giáo dục 1994
15
Sinh viên : Đinh Hữu Hiếu Lớp : ĐTĐ44-ĐH
[2] Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn Phạm Quốc Hải Dơng Văn
Nghi. Điều chỉnh tự động truyền động điện
Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội 2004
[3] Nguyễn Phùng Quang. Matlab và Simulink
Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật 2000
16