đề tài tính toán và thiết kế truyền động cho cơ cấu nâng hạcầu trục

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.66 MB, 57 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCMKHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN</b>

Họ và tên sinh viên thực hiện:Phan Minh Trí MSSV:19142401

Lớp:191421B

<b>Chuyên ngành: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ </b>

Nội dung: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ TRUYỀN ĐỘNG CHO CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC

<b>GV hướng dẫn và đánh giá: TS.Nguyễn Thị Mi Sa </b>

<b>Giảng viên chấm điểm:……….</b>

<b>Nhận xét của giảng viên:</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>LỜI MỞ ĐẦU</b>

Đất nước ta đang trong thời kỳ cơng nghiệp hố hiện đại hố nhằm đưa đất nước tiến kịp với các nền kinh tế của các nước trong khu vực và trên thế giới. Tốc độ phát triển kinh tế của một quốc gia phụ thuộc vào tốc độ phát triển của ngành năng lượng. Thường tốc độ phát triển của ngành công nghiệp phải cao hơn tốc độ phát triển chung của nền kinh tế. Do đó ngành chế tạo máy điện địi hỏi phải ln đi trước 1 bước về công nghiệp và chất lượng nhằm đảm bảo tốc độ phát triển chung của toàn ngành và yêu cầu của nền kinh tế. Ngành chế tạo máy điện sản xuất ra các thiết bị điện phục vụ cho nền kinh tế như: Máy biến áp, động cơ điện dùng làm nguồn động lực cho các loại thiết bị, công suất từ vài Wat đến hàng trăm KiloWat.

Động cơ điện 3 pha có vai trị rất quan trọng, nó giúp chuyển đổi năng lượng điện trở thành cơ năng và cung cấp mô men lực cho máy móc. Bên cạnh đó, động cơ này cịn mang đến rất nhiều các tính năng vượt trội khác.

Do đó, em đã chọn đề tài này để cùng làm rõ những nguyên lý hoạt động cũng như cấu tạo của hệ thống nâng hạ cầu trục này. Cụ thể bài làm của em sẽ gồm những nội dung cơ bản như sau:

Chương 1: Lý thuyết về động cơ không đồng bộ 3 pha: đặc tính cơ, cách khởi động, mở máy qua các cấp điện trở, các đặc tính hãm…

Chương 2: Tính tốn số liệu: dịng điện, mơ men của động cơ; các cấp điện trở mở máy; tốc độ, dòng điện khi nâng tải và hạ tải…

Và để làm rõ điều này, chúng ta sẽ đi đến bài làm chi tiết sau đây.

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>CHƯƠNG I: ĐẶT TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA ROTOR 1.</b>

<b>ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA1.1. Khái niệm</b>

- Động cơ KĐB 3 pha là loại máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ. Động cơ không đồng bộ ba pha là loại động cơ mà khi làm việc có tốc độ quay của roto n (tốc độ của máy) khác với tốc độ quay của từ trường n. Động cơ không đồng bộ 3 pha so với các loại động cơ khác có cấu tạo và vận hành không phức tạp, giá thành rẻ, làm việc tin cậy nên được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt.

<b>1.2. Nguyên lý hoạt động </b>

- Tạo ra từ trường quay bằng cách cho dòng diện xoay chiều 3 pha đi vào trong stato gồm 3 cuộn dây giống nhau, đặt lệch nhau 120° trên một giá trịn thì trong khơng gian giữa 3 cuộn dây sẽ Có một từ trường quay với tần số góc bằng tån số góc Của dịng diện xoay chiều.

- Đặt trong từ trường quay một rơto lồng sóc (có tác dụng như một khung dây dẫn có thể quay dưới tác dụng của từ trường quay) có thể quay xung quanh trục trùng với trục quay của từ trường.

- Rơto lịng sóc quay do tác dụng của từ trường quay với tốc độ nhỏ hơn tốc độ của từ trường. Chuyển động quay của rôto được sử dụng để làm quay các máy

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

- Lõi thép

Lõi thép stato hình trụ do các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong, ghép lại với nhau tạo thành các rãnh theo hướng trục. Lõi thép được ép và bên trong vỏ máy.

- Dây quấn

Dây quấn stato làm bằng dây quẩn bọc cách điện (dây điện từ) được đặt trong các rãnh lõi thép. Hình dưới là sơ đồ triển khai dây quấn ba pha đặt trong 12

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

rãnh của stato, dây quần pha A trong các rãnh 1, 4, 7, 10, pha B đặt trong các rãnh 3, 6, 9,12, pha C đặt trong các rãnh 2, 5, 8, 11. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong ba dây quẩn stato sẽ tạo ra từ trường quay.

- Vỏ máy

Vỏ máy làm bằng nhôm hoặc bằng gang, dùng để giữ chặt lõi thép và cổ định máy trên bệ. Hai đầu vỏ có nắp máy, ở đỡ trục. Võ máy và nắp máy còn dùng để bảo vệ máy.

Roto là phần quay gồm lõi thép, dây quần và trục máy. - Lõi thép

Lõi thép gồm các lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có lỗ để lắp trục.

- Dây quấn

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Dây quấn roto có hai kiểu: roto ngắn mạch (còn gọi là roto KĐB lồng sóc) và roto dây quấn.

+ Roto lồng sóc:

Động cơ điện có roto lồng sóc gọi là động cơ KĐB lồng sóc. Loại roto lồng sóc cơng suất trên 100 kW, trong các rãnh của lõi thép roto đặt các thanh đồng, hai đầu nối ngắn mạch hai vòng đồng tạo thành các lồng sóc.

Ở động cơ roto lồng sóc cơng suất nhỏ được chế tạo bằng cách đúc nhôm vào các rãnh lõi thép roto, tạo thành thanh nhôm, hai đầu đúc ngắn mạch và cánh quạt làm mát.

+ Roto dây quấn:

- Loại động cơ có roto dây quấn gọi là động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn. Trong rãnh lõi thép roto người ta đặt dây quấn ba pha. Dây quấn roto thường nối sao, ba đầu ra nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng, cố định trên trục roto và được cách điện với trục.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

- Nhờ ba chổi than tì sát vào ba vịng tiếp xúc, dây quấn roto được nối với 3 vòng tiếp xúc, nhờ đó chổi than dây quấn roto nối được với ba biến trở bên ngoài để mở máy hay điều chỉnh tốc độ.

- Động cơ lồng sóc là loại rất phổ biến do giá thành rẻ và làm việc đảm bảo. Động cơ roto dây quấn có ưu điểm về mở máy và điều chỉnh tốc độ song giá thành đắt và vận hành kém tin cậy hơn động cơ lồng sóc, nên chỉ được dùng khi động cơ lồng sóc không đáp ứng được các yêu cầu về truyền động.

<b>1.4.Ưu điểm của động cơ không đồng bộ ba pha</b>

-Kết cấu đơn giản nên giá thành rẻ. -Vận hành dể dàng, bảo quản thuận tiện.

-Sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phạm vi công suất nhỏ và vừa.

-Sản xuất với nhiều cấp điện áp khác nhau (từ 24 V đến 10 kV) nên rất thích nghi cho từng người sử dụng.

<b>1.5.Nhược điểm của động cơ không đồng bộ ba pha</b>

-Hệ số công suất thấp gây tổn thất nhiều công suất phản kháng của lưới điện.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

-Không sử dụng được lúc non tải hoặc không tải.

tách riêng stator và rotor

Trong đó , là điện trở và điện kháng mạch stator. Đặc trưng cho mạch từ lõi thép là,, gọi là dịng điện từ hóa . là số vịng dây quấn stator

Đối với động cơ cơng suất lớn thì có thể bỏ qua dịng từ hố

<i>Mạch tương đương 1 pha của stator.</i>

Ở trạng thái rotor đứng yên, ta có thể xem động cơ như là một máy biến áp cách ly.

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

Tổng trở mạch rotor bao gồm và , là số vòng dây quấn rotor. là sức điện động khi rotor đứng yên:

=

Giả sử rằng rotor quay với tốc độ n, khi đó, sức điện động mạch rotor tỉ lệ với tốc độ tương đối n, ~ ; ~ - n. Khi đó:Δ

Với là điện cảm dây quấn rotor và là điện kháng dây quấn Rotor khi rotor đứng yên. Nên dòng điện rotor tại tốc độ n là:

=

Hay :

=

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

<i> Mạch tương đương 1 pha khi xem << </i>

Để đơn giản hơn, ta có sơ đồ gần đúng như hình 2.2. Trong đó

= +

Trong sơ đồ thay thế 1 pha ở hình 2.2:

+ Là mơ hình tốn gần đúng của động cơ không đồng bộ 3 pha ở chế độ xác lập. + Điện áp V là điện áp pha (điện áp định mức ghi trên nhãn thiết bị 3 pha thường là điện áp dây).

<i>Mạch tương đương 1 pha</i>

Dựa vào sơ đồ tương đương 1 pha ở hình 2.2, ta có phương trình đặc tính tốc độ:

Khi mở máy tốc độ n=0 nên hệ số trượt s=1

=> =

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>3.PHƯƠNG TRÌNH ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ XOAY CHIỀU 3 PHA</b>

Ta có giản đồ cơng suất ở chế độ động cơ:

Trong đó :

: cơng suất điện ngõ vào : tổn hao đồng trên stator : tổn hao sắt trên stator : công suất điện từ : tổn hao đồng trên rotor : công suất cơ

: tổn hao cơ : cơng suất ngõ ra

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Ta có cơng suất điện ngõ vào :

= 3.V..

Vì cơng suất này công suất cơ sinh ra trên trục động cơ và bằng với tổng công suất cơ và tổn hao cơ nên ta cũng có thể tính như sau:

=.

= (1-s) = .(1-s) =. =

Trong đó: là momen điện từ của động cơ, là momen định mức trên trục động cơ, ω là tốc độ góc của rotor

Khi làm việc ở chế độ động cơ :

>

Ta có :

= (1)

Lấy đạo hàm cấp 1 của theo s và cho bằng 0, = 0 và có dạng bậc 2 nên có 2 nghiệm :

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<i>Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của T và s</i>

Ta thường vẽ đặc tính cơ ở chế độ động cơ để biểu diễn mỗi quan hệ giữa mô men và tốc độ động cơ. Lúc mới khỏi động, tốc độ n = 0 và s =1, momen khởi động lúc này là . Nếu lớn hơn mô men tải và tổn hao thì động cơ sẽ tăng tốc và có tốc độ gần bằng với tốc độ đồng bộ khoảng 97-98% tốc độ đồng bộ và mô men cũng đạt giá trị max tại .

Ta có các cách vẽ đặc tính cơ của động cơ khi thực hiện một yêu cầu của bài toán như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

Đầu tiên ta vẽ mộ trục tọa độ Oxy, ta xác định điểm ns ứng với tốc độ định mức của đông cơ trên trục tung và Mmax trên trục hoành. Ta vẽ được đặc tuyến ứng với điểm và . Với = (60.f)/p

Tiếp đó ta xác định điểm làm việc của tải ứng với vị trí TL và n và ta cũng vẽ đặc tuyến tương tự như trên.

Ta có hình vẽ như sau:

<i> Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa momen, hệ số trượt và tốc độ động cơ</i>

<b>4.ẢNH HƯỞNG CỦA THƠNG SỐ ĐẾN ĐẶC TÍNH CƠ4.1.Ảnh hưởng của điện áp</b>

= = = =

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<i> Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ thay đổi theo điện áp</i>

<b>4.2. Ảnh hưởng của tần số nguồn cấp</b>

Khi thay đổi tần số dẫn đến thay đổi tốc độ đồng bộ và điện kháng, thay đổi ln dạng đặc tính cơ. Khi ta tăng tần số nguồn cấp giúp tăng tốc độ làm việc và giảm dòng điện động cơ, tuy nhiên điều này làm giảm khả năng mang tải do mo men động cơ suy giảm và ngược lại. Vì vậy khi thay đổi tần số nguồn cấp thì cũng cần thay đổi điện áp phần ứng để mo men ổn định.

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Ta nhận thấy ở vùng < f thì sẽ giữ khơng đổi, cịn ở vùng < f < thì khơng thể tăng điện áp nguồn cấp mà giữ nguyên = nên Tmax sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số. Hay là: = const.

<b>4.3. Ảnh hưởng của điện trở phụ hay điện kháng phụ nối tiếp trên mạch stator.</b>

Khi thêm điện trở phụ vào mạch stator thì tốc độ đồng bộ không đổi, hệ số trượt tới hạn giảm, moment tới hạn giảm và moment mở máy cũng giảm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<i>Động cơ KDB 3 pha khi thêm điện trở phụ và điện kháng</i>

= = =

- Khi thêm điện kháng phụ X (giả sử X = R ) vào mạch Stator ta thấy tốc độ <small>ppp</small>

đồng bộ không đổi, độ trượt tới hạn giảm (nhưng vẫn còn lớn hơn khi thêm R<small>p</small>), moment mở máy M giảm(bằng với khi thêm R<small>mmp</small>).

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<i>Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ và điện kháng váo Stator(=)</i>

<b>4.4.Ảnh hưởng của điện trở phụ nối tiếp vào dây quấn Rotor :</b>

- Động cơ không đồng bộ Rotor lồng sóc (hay rotor ngắn mạch) khơng thể thay đổi được điện trở mạch rotor .Việc thay đổi chỉ sử dụng đối với động cơ không đồng bộ rotor dây quấn vì mạch rotor có thể nối với điện trở ngồi qua hệ vịng trượt - chổi than.

<i>Đặc tính cơ khi thêm điện trở phụ vào mạch rotor</i>

<b>4.5.Ảnh hưởng của số đôi cực từ p :</b>

Khi tăng (giảm) số đơi cực từ p thì tốc độ đồng bộ giảm (tăng) nên tốc độ quay của rotor giảm (tăng) cịn khơng phụ thuộc vào p nên không thay đổi, nghĩa là

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

độ cứng của đặc tính cơ vẫn giữ nguyên. Nhưng khi thay đổi số đôi cực từ sẽ phải thay đổi cách đấu dây ở stator động cơ nên một số thơng số như , có thể thay đổi và do đó tuỳ trường hợp sẽ ảnh hưởng khác nhau đến moment tới hạn

-Khi giảm thì và tăng , nhưng Mmax tăng mạnh hơn. Do vậy độ cứng đặc tính cơ tăng khi giảm .Khi giảm xuống dưới thì tổng trở các cuộn dây giản nên nếu giữ ngun điện áp cấp thì dịng điện động cơ sẽ tăng ,đốt nóng động cơ quá mức .

-Khi tăng tốc độ thì khả năng quá tải của động cơ sẽ giảm đi. Muốn giữ cho khả năng q tải khơng thay đổi thì ta phải kết hợp điều chỉnh tần số và điện áp sao cho tỷ số = const.

Như vậy sẽ giữ khơng đổi ở vùng <f (như hình) . Ở vùng > thì khơng thể tăng điện áp nguốn cấp mà giữ = nên ở vùng này sẽ giảm tỉ lệ nghịch với bình phương tần số .

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

<i>Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha khi thay đổi tần số</i>

Ta nhận thấy, động cơ không đồng bộ 3 pha có dịng khởi động rất lớn cho nên: + Dịng từ hóa rất nhỏ so với dịng điện rotor, khởi động chủ yếu là dòng điện I’<small>2</small>

+Lúc khởi động, độ trượt s = 1, tổng trở của mạch sẽ nhỏ đi làm dòng điện khởi động lớn và ngược lại.

+ Dòng điện khởi động quá lớn sẽ gây ảnh hưởng lớn đến thiết bị, động cơ như gây sụt áp, gây tác động đến thiết bị khác, làm quá nhiệt, hư hỏng cách điện… Do đó ta có nhiều biện pháp khởi động để tránh hiện tượng dòng khởi động quá lớn như trên:

Đặc điểm của khởi động trực tiếp:

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Điều khiển đơn giản, đóng các pha của động cơ trực tiếp vào nguồn ba pha bằng cơng tắt cơ khí hay dùng contactor.

Dịng khởi động lớn có thể gây sụt áp trên lưới điện quá mức cho phép, đặc biệt khi động cơ có công suất lớn.

Moment khởi động chứa thành phần xung khá lớn, do đó có thể gây sốc động cơ, động cơ khởi động không êm.

<b>5.2.Giảm điện áp phần Stator5.2.1.Sử dụng máy biến áp tự ngẫu</b>

Đặc điểm của khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu:

• Động cơ được kết nối thêm máy biến áp tự ngẫu trong quá trình khởi động.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

• Dịng điện mở máy nhỏ, moment mở máy lớn, dùng cho các động cơ cao áp, có dải lựa chọn các điện áp.

• Giá thành thiết bị mở máy đắt tiền hơn phương pháp khởi động trực tiếp hay phương pháp khởi động sao – tam giác.

Ta có:

lần lượt là dòng điện qua lưới khi khởi động trực tiếp và khi khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu .

lần lượt là moment khởi động khi khởi động trực tiếp và khi khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu.

Dòng điện và moment khởi động bẳng máy biến áp tự ngẫu được tính theo công

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

Phương pháp khởi động sao – tam giác chỉ dùng khi động cơ làm việc bình thường nối tam giác. Phương pháp này đơn giản, làm việc tin cậy nên được dùng rộng rãi với những động cơ từ 11kW đến 45kW.

Dòng khởi động giảm đi √3 lần, bảo vệ an toàn cho động cơ và thiết bị. Moment khởi động giảm đi 3 lần, thời gian khởi động lâu, đòi hỏi người vận hành phải được hướng dẫn cẩn thận.

Ta dùng phương pháp này chủ yếu cho các động cơ được sử dụng thường xuyên làm việc, nếu khỏi động bằng các phương pháp việc đóng ngắt contactor(đổi nối và biến áp tự ngẫu) sẽ không được lâu dài dẫn đến mau hư hỏng thiết bị thì việc ta dùng các biện pháp khởi động mềm lại có nhiều ưu điểm hơn hẳn như giảm được điện áp đặt vào Stator, dòng khởi động nhỏ hơn…

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

<b>5.3.1.Khởi động bằng cách thêm điện trở phụ mạch rotor</b>

Đối với động cơ không đồng bộ 3 pha rotor dây quấn, do tần số của sức điện động ở rotor thay đổi theo tốc độ, nên giá trị điện kháng cũng thay đổi theo tốc độ. Vì vậy, trong thực tế, không bao giờ thêm điện kháng mạch rotor vì khó kiểm sốt.

Ta có biểu thức liên hệ giữa dòng khởi động và điện trở phụ mạch Rotor như sau:

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

=

Trong đó: R’<small>ad </small>là giá trị điện trở phụ thêm vào mỗi mạch rotor quy về stator

<i>Đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ba pha rotor dây quấn khi khởi động bằng điện trở phụ mạch rotor</i>

<b>5.3.2.Khởi động bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch stator</b>

Mạch điện tương đương của động cơ không đồng bộ khi gắn điện trở phụ

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

Dòng điện rotor qui đổi về stator:

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

<i>Đặc tính tốc độ động cơ khơng đồng bộ ba pha khi thêm điện trở phụ mạch stator</i>

<b>6.CÁC CHẾ ĐỘ HÃM CỦA ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 3 PHA</b>

Khi vận hành động cơ khơng đồng bộ 3 pha cũng có thể xảy ra các chế độ hãm của động cơ như: hãm tái sinh, hãm ngược và hãm động năng.

Đây là loại hãm được xảy ra khi tốc độ quay động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng. Khi hãm tái sinh, < , động cơ làm việc như một máy phát điện song song với lưới. Dòng hãm và momen đã đổi chiều và có giá trị:

< 0

Trường hợp này xảy ra khi tốc độ của động cơ lớn hơn tốc độ đồng bộ (n>n ). <small>s</small>

Lúc này phụ tải đóng vai trò như động cơ sơ cấp ở chế độ máy phát điện và phát điện về phía nguồn.

Ta có: P < 0, P < 0<small>đ cơ </small>

<b>6.1.1.Hãm tái sinh khi tải đảo chiều quay</b>

</div>