ĐỒ án thiết kế truyện động điện cho máy bào giường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN
Họ tên sinh viên: CAO XUÂN HƯNG
Mã số sinh viên: 145D5103010107

(số 3)
Hệ đào tạo : Chính quy
Khóa: 55
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử

1. Tên đề tài: Thiết kế truyền động cho trục chính của máy tiện sử dụng hệ chỉnh
lưu – động cơ một chiều.
Số liệu cơ bản:
Công suất truyền động:
15kw; hiệu suất
Tốc độ cực đại và phạm vi điều chỉnh 2000 v/p. D = 20/1
Độ cứng đặc tính cơ: β = 20
Động cơ làm việc theo 2 chiều thuận và ngược, đảo chiều quay dùng 2 bộ biến đổi nối song
ngược
Bảo vệ quá tải bằng phản hồi âm dòng có ngắt vớ Ing = 2Idm
2. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
2.1. Tổng quan về máy bào giường
2.2. Giới thiệu về hệ truyền động Chỉnh lưu – động cơ một chiều
2.3. Thiết kế mạch lực hệ truyền động
2.4. Thiết kế mạch phát xung điều khiển
2.5. Xây dựng và thuyết minh sơ đồ nguyên lý hệ truyền động

2.6. Xây dựng đặc tính tĩnh của hệ truyền động
2.7. Đánh giá chất lượng tĩnh và động của hệ thống
2.8. Bản vẽ và biểu đồ
Các bản vẽ sơ đồ nguyên lý của hệ thống, sơ đồ mạch phát xung điều khiển.
3. Ngày giao đề tài
………………………………………
4. Ngày hoàn thành:
………………………………………
Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)

1


Chương 1: TỔNG QUAN MÁY BÀO GIƯỜNG
KHÁI NIỆM, PHÂN LOẠI VÀ CẤU TẠO MÁY BÀO MẶT PHẲNG
1. Khái niệm chung
Máy bào mặt phẳng hay còn gọi là máy bào giường hiện nay được sử dụng rộng rãi.
Trong các loại máy cơ khí, nó được dùng để gia công bề mặt các chi tiết kim loại có
biến dạng lớn. Ngoài ra máy bào mặt phẳng còn được dùng để xẻ rãnh hình T, V, đuôi
én. Máy bào có thể gia công bề mặt các chi tiết ở mức độ thô hoặc tinh khác nhau.
Truyền động chính trong máy bào mặt phẳng là chuyển động tịnh tiến của bàn máy,
bàn máy được kéo bằng một động cơ điện. Chất lượng và năng suất của máy bào mặt
phẳng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ bàn máy, lực cắt, mô men cắt của dao….
Vì vậy việc điều khiển động cơ truyền động cho bàn máy là hết sức quan trọng mà ta
cần nghiên cứu và giải quyết.
2. Phân loại
Máy bào mặt phẳng hiện nay có nhiều chủng loại, dựa vào kiểu phân loại ta chia
thành các nhóm máy bào mặt phẳng như sau:
*Dựa vào số trụ phân ra :

Máy bào một trụ : ví dụ như các kiểu máy 710 ; 71120 ; 7116
Máy bào hai trụ : ví dụ như các kiểu máy 7210 ; 7212 ; 7216
*Dựa vào chiều dài (Lb) của bàn máy và lực kéo bàn (Fk) ta phân ra:
Máy cỡ nhỏ: Chiều dài bàn Lb < 3 (m) ; Lực kéo Fk = 30 ÷ 50 (KN)
Máy cỡ trung bình: Chiều dài bàn Lb = 4 ÷ 5 (m) ; Lực kéo Fk = 50 ÷ 70 (KN)
Máy cỡ nặng (lớn): Chiều dài bàn Lb > 5 (m) ; Lực kéo Fk > 70 (KN)
3. Kết cấu máy bào mặt phẳng
Máy bào giường được cấu tạo từ nhiều chi tiết phức tạp, nhiều khối khác nhau. Ở
đây ta chỉ mô tả kết cấu bên ngoài và các bộ phận chủ yếu của máy.
I.

Hình 1.1. Hình dáng bên ngoài của máy bào giường hai trụ
2


*Đế máy (thân máy)
Được làm bằng gang đúc để đỡ bàn và trụ máy để có khối thế tạo vững chắc cho
máy. Đế được xẻ rãnh hình chữ nhật và chữ V để cho bàn máy chuyển động dọc theo
đế máy.
*Bàn máy
Được làm bằng gang đúc dùng để mang chi tiết gia công. Trên bàn máy có 5 rãnh
chữ T để gá lắp chi tiết cần gia công. Bàn máy được kéo tịnh tiến trên đế máy nhờ lực
kéo của động cơ truyền động.
*Giá chữ U
Được cấu tạo từ hai trụ thép vững chắc và có một dầm ngang trên cùng. Trong dầm
đặt một động cơ để di chuyển xà ngang lên xuống, dọc theo trục có xẻ rãnh, có trục vít
nâng hạ và dao động để di chuyển xà
*Xà ngang
Chuyển động lên xuống theo hai trụ, xà được kẹp chặt khi gia công
*Các bàn dao máy

Gồm hai bàn dao đứng và hai bàn dao hông, trục bàn có giá đỡ dao. Giá máy có
thể dịch chuyển một góc nào đó để gia công chi tiết, khoảng dịch chuyển lớn nhất của
các con trượt là 300 mm, góc quay giá đỡ là ±600.
*Bộ phận truyền động
Gồm các máy điện xoay chiều, một chiều chuyển động quay và qua các hộp truyền
động truyền chuyển động cho các bộ phận của máy
Tóm lại: Máy bào giường được cấu tạo hoàn chỉnh sẽ có kết cấu chắc chắn, gọn, đảm
bảo tính kỹ thuật, kinh tế, thẩm mỹ.

3


CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ HỆ TUYỀN ĐỘNG CHỈNH LƯU- ĐỘNG CƠ
MỘT CHIỀU
I.
CÁC TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY BÀO GIƯỜNG
1. Truyền động chính của bàn máy
Truyền động của bàn là truyền động chính của máy, đây là kiểu chuyển động tịnh
tiến và có tính chất chu kỳ lặp lại, mỗi chu kỳ có hai hành trình là hành trình thuận và
hành trình ngược.
1.1 Hành trình thuận
Là hành trình gia công chi tiết nên còn gọi là hành trình cắt gọt. Ở hành trình này
có nhiều giai đoạn khác nhau như khởi động, ăn dao, vào chi tiết, cắt gọt ổn định, dao
ra khỏi chi tiết. Ứng với mỗi giai đoạn là một tốc độ yêu cầu khác nhau phụ thuộc vào
các yếu tố của chế độ cắt gọt.
1.2 Hành trình ngược
Sau khi kết thúc hành trình thuận, bàn máy được đảo chiều và bắt đầu hành trình
ngược. Hành trình này bàn máy chạy không tải trở về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho
chu kỳ làm việc tiếp theo. Tốc độ của bàn máy ở hành trình ngược thường lớn hơn ở
hành trình thuận (khoảng 2 3 lần) để nâng cao năng suất làm việc của máy.

Truyền động của bàn được thực hiện bằng một động cơ điện qua hộp giảm tốc truyền
động tới trục vít thanh răng biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động
tịnh tiến của bàn. Tốc độ bàn máy được biểu diễn theo thời gian trong một chu kỳ gia
công như hình 1.2.

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ bàn máy theo thời gian trong một chu kỳ.
Do đặc điểm chuyển động của bàn máy là đảo chiều với tần số làm việc lớn nên
quá trình quá độ chiếm thời gian khá lớn trong một chu kỳ làm việc. Chiều dài hành
trình (hay chiều dài bàn) càng lớn thì quá trình quá độ chiếm tỷ lệ càng nhỏ. Năng suất
của máy được xác định là số hành trình kép trên một đơn vị thời gian, vậy muốn đảm
bảo năng suất của máy ta cần tìm hiểu về tốc độ yêu cầu của máy theo thời gian làm
việc trong một chu kỳ:

4


• Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận, bàn máy được tăng tốc đến vận

tốc V0 trong thời gian t1. Thường thì vận tốc V0 = 5 15(m/phút) gọi là tốc độ
vào dao.
• Sau khi chạy ổn định với tốc độ V 0 trong khoảng thời gian t 21 thì dao cắt bắt đầu
vào chi tiết. Dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp nhằm mục đích tránh sứt mẻ dao
hoặc chi tiết.
•t

dao cắt vào chi tiết và cắt với tốc độ V0 cho đến hết thời gian t22.
• t3 là khoảng thời gian bàn máy tăng tốc từ tốc độ V 0 đến tốc độ Vth gọi là tốc độ
cắt gọt.
• t4 là khoảng thời gian gia công chi tiết với tốc độ cắt gọt Vth không đổi.
• t Gần hết hành trình thuận, bàn máy sơ bộ giảm tốc độ từ tốc độ cắt gọt về tốc độ

V0 trong khoảng thời gian t5.
• t61 là thời gian tiếp tục gia công nhưng ở tốc độ V0
• t62 là khoảng thời gian dao được đưa ra khỏi chi tiết nhưng bàn máy vẫn chạy với
tốc độ V0.
• t7 là thời gian bàn máy được giảm tốc về 0 để đảo chiều sang hành trình ngược.
• t8 là thời gian bàn máy tăng tốc nhanh sau khi đảo chiều sang hành trình ngược
đến tốc độ Vng gọi là tốc độ không tải.
• t9 là khoảng thời gian bàn máy chạy ngược ở tốc độ Vng không đổi.
• t10Gần hết hành trình ngược, bàn máy được giảm tốc về tốc độ V 0 trong khoảng
thời gian t10.
• t11 là khoảng thời gian bàn máy vẫn chạy ngược với tốc độ V 0 và bắt đầu giảm tốc
về 0 để đảo chiều.
• t là thời gian vận tốc giảm về 0 và đảo chiều để kết thúc một chu kỳ làm việc

và chuẩn bị cho chu kỳ làm việc tiếp theo.
Bàn dao được di chuyển bắt đầu từ thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình thuận
sang hành trình ngược và kết thúc di chuyển trước khi dao cắt vào chi tiết. Tổng thời
gian từ khi bắt đầu hành trình thuận cho đến hết hành trình ngược gọi là chu kỳ làm
việc của máy bào giường TCK.
Tốc độ hành trình thuận được xác định tương ứng với chế độ cắt gọt, thường thì V th
= 5 120 m/ph. Tốc độ bàn máy lớn nhất có thể đạt V max = 75 120 m/ph. Để tăng
năng suất máy, tốc độ hành trình ngược chọn lớn hơn tốc độ hành trình thuận V ng =
k.Vth và thường thì k = 2 3
Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thời gian:
5


(1-1)
•

TCK – thời gian một chu kỳ làm việc của bàn máy (s)
• tth thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận (s)
• tng thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngược (s)
Giả sử gia tốc bàn máy lúc tăng hay giảm tốc độ là không đổi thì ta có:

;

(1-2)

*Trong đó:
• Lth , Lng : là chiều dài hành trình của bàn máy tương ứng với tốc độ ổn định V th,
Vng của hành trình thuận và hành trình ngược.
• Lg.th , Lh.th : là chiều dài hành trình bàn trong quá trình tăng tốc (gia tốc) và quá
trình giảm tốc (hãm) ở hành trình thuận.
• Lg.ng , Lh.ng : là chiều dài hành trình bàn trong quá trình tăng tốc (gia tốc) và quá
trình giảm tốc (hãm) ở hành trình ngược.
Thay (1-2) vào (1-1) ta có:

(1-3)
*Trong đó:
• L = Lth + Lg.th + Lh.th = Lng + Lg.ng + Lh.ng là chiều dài hành trình máy.

•

k=
là tỷ số giữa tốc độ hành trình ngược và hành trình thuận.
• tđc là thời gian đảo chiều của bàn máy.
Từ công thức (1-3) ta thấy rằng khi đã chọn tốc độ cắt gọt ở hành trình thuận là V th
thì năng suất của máy phụ thuộc vào hệ số k và thời gian đảo chiều t đc. Khi k tăng thì

Vng tăng nên năng suất của máy tăng, tuy nhiên khi k > 3 thì năng suất của máy tăng
không đáng kể vì lúc đó thời gian đảo chiều t đc lại tăng. Nếu chiều dài bàn máy L b > 3
m thì thời gian tđc ít ảnh hưởng đến năng suất mà chủ yếu là hệ số k. Khi chiều dài bàn
Lb bé và nhất là khi tốc độ V = Vmax = 75 120 (m/ph) thì tđc ảnh hưởng nhiều đến năng
suất của máy. Vì vậy một trong các điều kiện cần chú ý khi thiết kế truyền động
cho bàn máy của máy bào giường là cần giảm thời gian quá trình quá độ càng nhỏ
càng tốt.

6


Một trong những biện pháp giảm thời gian quá trình quá độ là xác định tỷ số
truyền tối ưu của cơ cấu truyền động từ động cơ đến trục làm việc, đảm bảo máy làm
việc với gia tốc cao nhất.
*Kết luận:Từ những phân tích ở trên ta rút ra các yêu cầu về truyền động chính của
máy bào giường như sau:

*Phạm vi điều chỉnh tốc độ:
Trong đó :

D=

(1-4)

•

Vngmax : là tốc độ lớn nhất của bàn máy ở hành trình ngược, thường V ngmax= 75
120 (m/ph)

•

Vthmin : là tốc độ nhỏ nhất của bàn máy ở hành trình thuận, thường V thmin = 4 6
(m/ph).

Như vậy phạm vi điều chỉnh tốc độ nằm trong khoảng D = (12,5 30)/1
* Đặc tính phụ tải của truyền động chính:
Thông thường, để đảm bảo cho công suất đặt là nhỏ nhất cho động cơ truyền động
(thường là động cơ một chiều) thì hệ truyền động thường được điều khiển theo hai
vùng điều chỉnh, ta có đặc tính của đồ thị phụ tải như sau:
P,M

MC

PC
I
Vmin

II
Vgh

Vmax

V

Hình 1.3 Đặc tính của phụ tải máy bào giường
*Vùng I: Là vùng thay đổi điện áp phần ứng trong dải điều chỉnh D = (5 6)/1 với
mômen trên trục động cơ không đổi ứng với tốc độ bàn máy thay đổi từ V min = (4 6)
m/ph đến Vgh = (20 25) m/ph. Khi đó lực kéo bàn máy là không đổi và công suất kéo
Pc tăng dần lên.
*Vùng II: Là vùng điều chỉnh bằng cách giảm từ thông động cơ trong phạm vi

7


D = (4 5)/1 khi thay đổi tốc độ từ Vgh đến Vmax = (75 120) m/ph. Khi đó công suất
kéo PC gần như không đổi còn lực kéo thì giảm dần.
Tuy nhiên, việc thay đổi tốc độ bằng cách thay đổi từ thông sẽ làm giảm năng suất của
máy vì thời gian quá trình quá độ tăng do hằng số thời gian mạch kích từ lớn (tức do
quán tính của cuộn kích từ lớn). Vì vậy thực tế người ta mở rộng phạm vi điều chỉnh
điện áp và giảm phạm vi điều chỉnh từ thông, hoặc điều chỉnh tốc độ động cơ trong cả
dải bằng cách thay đổi điện áp phần ứng, trong trường hợp này thì công suất động cơ
phải tăng Vmax/Vgh.
Độ ổn định tĩnh: Ở chế độ làm việc xác lập, độ ổn định tốc độ không được vượt
quá 5% (s 5%) khi phụ tải thay đổi từ 0 đến giá trị định mức.
Ở quá trình quá độ hay quá trình khởi động và hãm yêu cầu xảy ra êm, tránh va
đập trong bộ truyền động với độ tác động cực đại.
Đối với những máy bào giường cỡ nhỏ (L b< 3m; FK = 30 50KN) thì D = (3 4)/1
với hệ thống truyền động chính thường là động cơ không đồng bộ - khớp ly hợp điện
từ; động cơ không đồng bộ roto dây quấn hoặc động cơ điện một chiều kích từ độc lập
và hộp tốc độ. Những máy cỡ trung bình (Lb = 3 5 m; FK = 50 70 KN) thì
D = (6 8)/1 với hệ thống truyền động là hệ F - Đ (máy phát điện một chiều cấp điện
cho động cơ một chiều). Đối với máy cỡ nặng (Lb>5 m; FK>70 KN) thì D = (8 25)/1,
hệ truyền động là F-Đ có bộ khuếch đại trung gian hoặc hệ truyền động T-Đ là hệ
chỉnh lưu cấp điện cho động cơ một chiều và điều chỉnh tốc độ bằng cách điều chỉnh
góc mở của thyristor.
2.Truyền động ăn dao
Truyền động ăn dao cũng làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành trình kép làm
việc một lần. thời gian truyền động ăn dao được thực hiện từ thời điểm đảo chiều
từ hành trình thuận sang hành trình ngược và kết thúc trước khi dao cắt bắt đầu vào chi
tiết.

Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao là D = (100

200)/1 với lượng ăn dao cực đại có

thể đạt tới (80 100) mm/1 hành trình kép.
Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt 1000 lần/giờ. Hệ thống di
chuyển đầu dao cần phải đảm bảo theo hai chiều ở cả chế độ di chuyển làm việc và di
chuyển nhanh. Truyền động ăn dao có thể thực hiện bằng nhiều hệ thống như: cơ khí,
điện khí, thủy lực, khí nén…, thông thường sử dụng rộng rãi hệ thống điện cơ, đó là
động cơ điện và hệ thống truyền động trục vít - êcu hoặc bánh
răng - thanh răng.

8


Lượng ăn dao trong một hành trình kép khi truyền động bằng hệ trục vít - êcu được
tính như sau: s =

.t . T

Và đối với hệ bánh răng - thanh răng là: s =

.t . T

*Trong đó :

;
là vận tốc góc của trục vít; bánh răng (rad/s);
Z là số bánh răng;
t là bước răng của trục vít hoặc thanh răng (mm);

T là thời gian làm việc của trục vít hoặc thanh răng (s)
Từ hai biểu thức trên, ta có thể điều chỉnh lượng ăn dao s bằng cách thay đổi thời
gian sử dụng nguyên tắc hành trình (sử dụng công tắc hành trình) hoặc nguyên tắc thời
gian (sử dụng rơle thời gian). Các nguyên tắc này đơn giản nhưng năng suất máy
thường bị hạn chế, lý do là lượng ăn dao lớn thì thời gian làm việc phải dài, nghĩa là
thời gian đảo chiều từ hành trình thuận sang hành trình ngược phải dài và trong nhiều
trường hợp thì điều này không cho phép. Để thay đổi tốc độ trục làm việc, ta có thể
dùng nguyên tắc tốc độ, điều chỉnh tốc độ bản thân động cơ hoặc dùng hộp tốc độ
nhiều cấp. Nguyên tắc này phức tạp hơn nguyên tắc trên nhưng có thể giữ được thời
gian làm việc của truyền động như nhau với các lượng ăn dao khác nhau.
3. Truyền động nâng hạ xà
Máy bào giường có giá đỡ gọi là xà ngang để đỡ giá dao vững chắc. Xà ngang được
dịch chuyển lên xuống dọc theo hai trục máy để điều chỉnh khoảng cách giữa đầu dao
và chi tiết gia công.

4. Truyền động kẹp nhả xà
Là truyền động được định vị để kẹp chặt xà trên hai trục của máy để gia công chi
tiết hoặc nới lỏng xà để nâng hạ dao, giá dao. Truyền động được thực hiện nhờ động
cơ xoay chiều qua hệ thống cơ khí. Tác dụng của lực nêm chặt bao nhiêu tùy ý do ta
điều chỉnh chuyển động với việc nâng hạ xà như trên.
5. Bơm dầu
Khi cấp điện cho hệ truyền động làm việc thì bơm dầu cũng phải được làm việc,
lượng dầu trong máy đảm bảo thì rơle áp lực mới hoạt động kích hoạt làm kín mạch
cho chuyển động của bàn. Áp lực cần thiết là 2,5 at, hệ thống bơm dầu được thực hiện
từ động cơ xoay chiều.
6. Quạt gió
Động cơ quạt gió là động cơ xoay chiều đảm bảo cho hoạt động của máy làm việc
với nhiệt độ cho phép.
Nói chung, máy bào giường có công nghệ phức tạp, truyền động chính yêu cầu phải
có độ chính xác khá cao và có nhiều truyền động phụ. Các truyền động bàn và truyền

9


động ăn dao có thể được điều khiển ở chế độ hiệu chỉnh hoặc tự động với trang thiết bị
hợp lý, hiện đại. Nếu điều khiển chính xác, đáp ứng được các yêu cầu về truyền động
thì máy bào giường có thể gia công ở chế độ tinh với độ chính xác cao
II.
TÍNH CHỌN VÀ KIỂM NGHIỆM CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ
1. Tập hợp số liệu ban đầu
Fth=20.000 N=20*103 N
V =6m/ph

(rad/s) (Tốc độ vào dao của máy)

Vth=20m/ph
(rad/s) (Tốc độ cắt gọt)
Vng=(2-3)Vth=2*20 = 40 m/ph (Tốc độ không tải khi quay ngược)

(rad/s)
3

Gb= 150000 (N)=150*10 (N)
Gct=100.000(N)=100*103(N)
; Lb=12 m
2. Tính chọn sơ bộ công suất động cơ
- Xác định thành phần thẳng đứng của lực cắt Fy0
Fy0=0,4*Fz0=0,4*20*103=8*103(N)
- Xác định lực kéo tổng
Fk1= Fz0+(Gb+Gct+Fy0)*
= 20*103+(100*103+150*103+8*103)*0,06=35480 (N)

- Xác định công suất đầu trục động cơ

P th1=
(KW)
* Ở chế độ cắt :
- Xác định : Fyth=0,4*Fzmax=0,4*20*103=8*103(N)
Fk2=Fzmax+(Gct+Gb+Fyth)* =35480 (N)
- Xác định công suất đầu trục của động cơ:

Pth2=
- Xác định công suất tính toán:

Ptt2=P

(KW)

(KW)
10


Từ các số liệu tính toán ta lập bảng để chọn công suất động cơ:
Lức kéo
Vng
Lực cắt Trọng
max
Chế
m/ph
F
(KN)
lượng

z
V
độ
Fk(N)
Gb + Gct
m/ph
cắt
(N)
1

6

20

20000

250000

35480

Công
suất
đầu trục
Pth
(KW)

Công suất
tính toán
Ptt
(KW)

15,56

31,12

Từ các số liệu đã tính toán ở trên ta chọn P dm 31,12 (kw) .Dựa vào bảng thông số
các động cơ điện một chiều ta chọn được:
Ký hiệu Pdm
Idm
r+ r cp
rCKS
Udm
(KW) n
(A)
(V)
(Ω)
(v/ph)
32
1000
165
0,047
65
220
-806
Vận tốc góc của động cơ
(rad/s)
-Xác định
:
Từ phương trình đặc tính động cơ điện một chiều kích từ độc lập ta có:
U1=E+I(ru+rp)

E=U1 -(ru+rp)

Mặt khác : E=

=U1-I(ru+rp)

Kiểm nghiệm động cơ
Để kiểm nghiệm động cơ đã chọn ta tiến hành như sau :
- Xác định công suất đầu trục động cơ khi không tải ở hành trình thuận :
3.2

P0th=
*Trong đó : Tổn hao không tải ở hành trình thuận là
(Kw)
Tổn hao do ma sát nơi gờ trượt lúc không tải:
-khi tốc độ v

=v
11


(kw)
Tổn hao không tải ở hành trình thuận:P
- Xác định mômen không tải của động cơ

M0=

(kw)

(Nm)

M =M +
=25,2+
(Nm)
- Xác định momen điện từ của động cơ ở hành trình thuận khi tải đầy:

Mdtth=M0+Mth=M0+
- Xác định dòng điện không tải :

(Nm)

I
(A)
- Xác định dòng điện lúc đầy tải :

Ith=
- Công suất động cơ trong hành trình ngược khi dùng phương pháp điều chỉnh điện
áp ở cả dải tốc độ:

PDng=P0th*
(kw)
- Xác định mômen điện từ ở hành trình ngược:

Mdtng=M0+
- Dòng điện trong hành trình ngược:

=

Ing=

(A)
- Dòng điện quá độ: Iqđ=2*Idm=2*165=330 (A)
- Xác định các khoảng thời gian làm việc:
- Thời gian quá độ :
12


tqđ=
*Trong đó :
•

J=Jpu+Jcd=10,3(kg/m2)
• Mqd , Iqd: momen, dòng điện động cơ trong quá trình quá độ
• Mc , Ic: momen, dòng điện phụ tải của động cơ
•

: tốc độ động cơ ở cuối và đầu quá trình quá độ
Từ đó ta xác định được các khoảng thời gian:

Với:

(s)
Với:

Với

; Ic= 160,9(A)

; I =69(A)

(s)
Với
;I =69 (A)
Theo kinh nghiệm vận hành ta có

(s)
- Thời gian làm việc ở tốc độ thuận (Vth) t5 là:
13


Ta có :

L5 = Lb-

=
Vậy :

L5= 11,4 (m)

Vậy ta có:
- Xác định thời gian làm việc ở vận tốc ngược Vng: t11
Ta có :

L11=Lb-

=Lb-

=

Vậy ta có : t11=

Thời gian làm việc của một chu kỳ:
Tck=
3.3

Kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng :

Ta có IdtVậy động cơ đã chọn phù hợp với yêu cầu.
3.4
Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải về momen
- Điều kiện kiểm nghiệm :

14


Với

là hệ số quá tải động cơ.

Momen cực đại của động cơ :
Do Iqd=2Idm nên Mlvmax=2Mdm
Vậy động cơ đã chọn phù hợp với yêu cầu công nghệ MBG là :
Uđm,
n đm,
kiểu
Pđm, (v)
Iđm,A
ru+rctf
Ikt,A
(V/ph)

kW
32
220
165
1000
0,047
2,7
Π 101

Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH LỰC HỆ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG
Để thiết kế hệ truyền động cho một đối tượng ta phải căn cứ vào đặc điểm công
nghệ của nó, căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng mà ta đưa ra phương án hơp lý. Với mỗi
đối tượng có thể có nhiều phương án truyền động khác nhau, mỗi phương án đều có ưu
nhược điểm của nó. Nói chung phương án đưa ra phải đảm bảo phần lớn các yêu cầu
của đối tượng như chỉ tiêu kỹ thuật, chỉ tiêu kinh tế, tính thẩm mỹ,.… trong đó chỉ tiêu
kỹ thuật phải đặt lên hàng đầu. Thông thường phương án đảm bảo tốt các chỉ tiêu kỹ
thuật thì tốn kém hơn về mặt kinh tế và ngược lại. Do vậy tùy thuộc vào chất lượng và
độ chính xác của sản phẩm mà ta nên chọn phương án hợp lý nhất. Để làm được việc
đó, ta cần đưa ra nhiều phương án khác nhau và sau đó phân tích ưu nhược điểm của
từng phương án trên tất cả các phương diện và rút ra phương án cuối cùng là đảm bảo
về mặt kỹ thuật với phí thấp nhất có thể.
Việc lựa chọn phương án truyền động có ý nghĩa rất quan trọng, nó liên quan đến
chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả kinh tế của sản suất.
I.
LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG
1 .Giới thiệu động cơ một chiều
15


Việc lựa chọn động cơ một cách hợp lý là rất quan trọng trong việc thiết kế hệ

truyền động. Động cơ lựa chọn phải đảm bảo các điều kiện công nghệ yêu cầu, đồng
thời phải thõa mãn các yếu tố như dễ điều khiển, tổn hao ít, vận hành tin cậy, giá thành
hạ, dễ sữa chữa, lắp đặt, bảo dưỡng, dễ thay thế, chi phí hàng năm thấp.
Trong nền sản suất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được được sử dụng rộng rãi do
động cơ một chiều có nhiều ưu điểm như khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt bằng các
thiết bị không quá phức tạp, khả năng mở máy dễ dàng và đặc biệt là khả năng chịu
quá tải lớn. Chính vì vây mà động cơ một chiều được sử dụng nhiều trong các ngành
công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cắt gọt kim loại, cán thép, hầm
mỏ, giao thông vận tải. Tuy nhiên động cơ một chiều vẫn có những nhược điểm của nó
so với máy xoay chiều như: giá thành cao hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp điện khó
khăn, phức tạp do động cơ một chiều dễ phát sinh tia lửa điện, kích thước và trọng
lượng nặng hơn so với động cơ không đồng bộ ở cùng cấp công suất, làm việc kém tin
cậy hơn, khó sữa chữa và bảo dưỡng.
Động cơ điện có 4 loại là : kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp và
kích từ hỗn hợp. Động cơ một chiều kích từ nối tiếp, song song, hỗn hợp thường ít
dùng để điều chỉnh tốc độ, mặt khác đặc tính cơ của các động cơ loại này không tốt
bằng động cơ kích từ độc lập. Vì vậy mà khi công suất động cơ lớn chủ yếu người ta
dùng động cơ một chiều kích từ độc lập để dễ dàng điều chỉnh tốc độ và kinh tế hơn.
* Động cơ một chiều kích từ độc lập
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý động cơ một chiều kích từ độc lập
Phương trình đặc tính cơ
Từ phương trình cân bằng điện áp:
U = E + Iư.(Rư + Rf)
(2-1)
*Trong đó:
16

U : là điện áp nguồn cấp
E : là sức điện động của động cơ
Iư : là dòng điện phần ứng động cơ
Rư + Rf : là điện trở mạch phần ứng và điện trở phụ

E=
=
p : là số đôi cực từ chính
N : tổng số thanh dẫn phần ứng
a : số đôi mạch nhánh song song

(2-2)

: là từ thông kích từ dưới một cực
Nếu bỏ qua tổn hao trên trục động cơ và tổn hao thép thì mô men trên trục động cơ
bằng mô mem điện từ:
M = Mđt =
(2-3)
Từ các phương trình (2-1) ; (2-2) và (2-3) ta có phương trình đặc tính cơ:

(2-4)

Tốc độ không tải lý tưởng

o

và độ cứng

:

o

∆

đm

0

;

M
Mđm

Hình 2.2 Đặc tính cơ của động cơ một chiều kích từ độc lập
Ta thấy rằng đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là tuyến tính nên dễ dàng điều
khiển tốc độ, để điều khiển tốc độ ta có thể điều chỉnh điện áp nguồn cấp cho phần ứng
U, từ thông hay dòng kích từ It và điện trở phần ứng. Về việc đảo chiều động cơ ta
có thể đảo chiều dòng phần ứng Iư hoặc đảo chiều dòng kích từ If.

17


Về phương diện điều chỉnh tốc độ thì động cơ một chiều có nhiều ưu việt hơn các
loại động cơ khác, không những thế động cơ một chiều có cấu trúc mạch động lực và
sơ đồ mạch điều khiển đơn giản hơn, đồng thời lại đạt được chất lượng điều chỉnh cao
do đặc tính cơ điều chỉnh là tuyến tính, dải điều chỉnh tốc độ rộng. Đặc biệt động cơ
một chiều có khả năng tự động hóa điều chỉnh cao thích hợp cho việc sử dụng để kéo
máy sản suất cần ổn định tốc độ lớn.
Với máy bào giường thì việc giữ ổn định tốc độ bàn máy là điều quan trọng đầu tiên
để đảm bảo chất lượng của chi tiết gia công, do đó nhóm xin đề xuất chọn động cơ một

chiều kích từ độc lập để truyền động cho bàn máy của máy bào giường.
2 Lựa chọn phương pháp đảo chiều cho đông cơ
2.1 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng
Khi điều chỉnh mạch phần ứng thì điện áp U = U đm và từ thông
hay dòng kích từ
Ikt = Iktđm được giữ không đổi và ta chỉ điều chỉnh R f trong mạch phần ứng. Khi điều

chỉnh điện trở phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng là không đổi

= const ,

độ cứng đặc tính cơ thay đổi
. Khi tăng điện trở Rf thì độ cứng của đặc
tính cơ càng giảm (dốc), khi Rf = 0 ta có đặc tính cơ tự nhiên. Như vậy khi thay đổi
điện trở Rf ta thu được một họ đặc tính cơ như hình 2.3
ω (rad/s)
ωο

Uu

Rf1TN
Rf1

K1

R1

K2

R2

K3

R3

Rf2

ĐC
CKĐ

Rf3

0

Mdm

M (N)

Hình 2.3 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện trở phần ứng
Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện trở phần ứng có một số đặc
điểm sau:
-Điện trở mạch phần ứng càng tăng độ dốc đặc tính càng lớn và tốc độ càng giảm,
phương pháp này chỉ điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ định mức do chỉ có thể tăng điện
trở phần ứng.
-Tổn hao công suất của hệ lớn do nhiệt phát sinh trên điện trở khi điều chỉnh
18


-Dải điều chỉnh phụ thuộc vào trị số mô men tải, tải càng lớn thì dải điều chỉnh càng

lớn.
-Điều chỉnh theo phương pháp này thường chỉ điều chỉnh theo cấp bằng cách đóng
cắt các cấp điện trở phụ dùng tiếp điểm congtactor.
2.2 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông
Để điều chỉnh từ thông ta thay đổi dòng điện kích từ trong mạch phần cảm I t , giữ
nguyên điện áp cấp cho mạch phần ứng U = U đm = const và điện trở phần ứng R ư =
const. Từ phương trình đặc tính cơ ta thấy khi thay đổi từ thông
và độ cứng đều thay đổi.

= var ;

thì tốc độ không tải

= var

Khi giảm từ thông
thì tốc độ không tải
được họ đặc tính cơ thể hiện trên hình 2.4.

tăng nhưng độ cứng

lại giảm và ta

Uư
o2

Iư
Đ

2

o1
o

1

đm

CKT
Ukt

Mn2

19

Mn1 Mn M


Hình 2.4 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi từ thông mạch kích từ
Nhưng do cấu trúc của máy một chiều mà ta chỉ có thể điểu chỉnh giảm từ thông,
tuy nhiên khi từ thông giảm nhỏ quá thì tốc độ động cơ tăng quá lớn và vượt quá giới
hạn cho phép hoặc làm điều kiện chuyển mạch xấu đi do dòng phần ứng tăng cao. Để
chuyển mạch xảy ra bình thường thì cần giảm dòng phần ứng và như vậy sẽ làm cho
mômen cho phép trên trục động cơ giảm đi rất nhanh, dẫn đến động cơ bị quá tải. Khi
điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi từ thông sẽ có họ đặc tính và một số đặc điểm
sau:
-Phương pháp này chỉ điều chỉnh chỉ có thể giảm từ thông, chỉ có thể tăng tốc độ
động cơ với dải điều chỉnh trơn trong khoảng D = 3:1
-Độ cứng của đặc tính cơ giảm khi từ thông giảm, các đặc tính cơ cắt nhau nên thực
tế phương pháp này chỉ sử dụng ở vùng tải không quá lớn so vởi định mức.

-Phương pháp này rất kinh tế vì việc điều chỉnh thực hiện ở mạch kích từ nhỏ nên
tổn thất công suất khi điều chỉnh bé.
-Nhược điểm chỉnh của việc điều chỉnh từ thông là hằng số thời gian của cuộn kích
từ Tk lớn, đặc tính từ hóa phi tuyến mạnh và phạm vi điều chỉnh tốc độ hẹp.
-Chịu tác động nhiều của nhiễu phụ tải, ngoài ra từ dư của động cơ có ảnh hưởng
xấu đến các hệ truyền động có đảo chiều bằng kích từ.
2.3 Điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng
Để thực hiện việc điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp phần ứng đặt lên
động cơ ta phải giữ nguyên
KL

+
BBĐ

Uđk

và điện trở phần ứng Rư = const.

U

KT

var

-

Rb

+

-

Iư
(a)

Rư

Eb
Iư
(b)

Hình 2.5. Sơ đồ điều khiển tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp phần ứng

20


Khi điện áp thay đổi thì tốc độ không tải lý tưởng
thay đổi và độ cứng
không đổi, do đó ta được họ đặc tính cơ song song với nhau như hình vẽ
o1
max
o2
o3
omin

Eb2

min

Eb3

Eb1

M
Mđm

Hình 2.6 Đặc tính cơ của động cơ một chiều khi thay đổi điện áp
Đặc điểm của phương pháp điều chỉnh điện áp phần ứng là :
-Điện áp U càng giảm thì tốc độ càng nhỏ và chỉ có thể điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ
định mức.
-Độ sụt tốc trên toàn dải điều chỉnh ứng với một mômen là như nhau. Độ sụt tốc lớn
nhất tại đặc tính cơ thấp nhất của dải điều chỉnh, do vậy sai số tốc độ tương đối (sai số
tĩnh) không vượt quá sai số cho phép thì hệ làm việc ổn định trong toàn dải điều chỉnh.
-Dải điều chỉnh tốc độ phương pháp này tương đối lớn D 10/ 1
-Nhược điểm của việc điều khiển điện áp là dùng bộ biến đổi khá phức tạp.
*Tiểu kết: Qua 3 phương pháp điều khiển tốc độ trên ta thấy rằng việc điều khiển tốc
độ bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng U ư có chất lượng điều chỉnh tốt nhất,
trước hết nó có khả năng điều chỉnh triệt để trong bất kỳ vùng tải nào. Đặc tính cơ của
nó mềm hơn đặc tính cơ tự nhiên và cứng hơn đặc tính cơ biến trở. Vì vậy, phương
pháp này đảm bảo sai số tốc độ nhỏ, khả năng quá tải lớn, dải điều chỉnh rộng và tổn
thất năng lượng không cao. Mặt khác, vì phần tử điểu chỉnh đặt trong mạch điều khiển
nên độ tinh điều chỉnh cao, thao tác nhẹ nhàng và có khả năng cải thiện thành hệ tự
động vòng kín để tăng chất lượng điều khiển.
3 . Giới thiệu bộ biến đổi cho động cơ
Để thay đổi điện áp phần ứng động cơ thì mạch lực phải cần một bộ biến đổi, bộ
biến đổi (BĐ) có nhiệm vụ biến điện áp xoay chiều của lưới thành điện áp một chiều
và có thể điều chỉnh suất điện động E b theo yêu cầu để cấp cho phần ứng động cơ. Sơ
đồ cấu trúc hệ chỉnh lưu điều khiển điện áp như hình 2.7

21

Rkt

+
Uvar

Eb

CKT

Ukt = const

Uđk

Hình 2.7 Cấu trúc của hệ điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ một chiều
Để thay đổi điện áp đặt lên động cơ ta điều chỉnh U đk, phương trình đặc tính cơ của hệ
thống:

*Trong đó :
Eb : là sức điện động bộ biến đổi
Rb : là điện trở trong của bộ biến đổi

Ứng với một mômen tải nào đó, khi thay đổi điện áp phần ứng ta sẽ được những giá trị
tốc độ khác nhau. Để xác định dải điều chỉnh của hệ ta xác định giá trị tốc độ lớn nhất
và nhỏ nhất tại trị số mômen tải định mức.

;

22

ω
(
rad/s)

ω
0
max
ω
max

Ebdm

ω
dm

ω
0
max
ω
max

Ebmin

0

Mdm

M

Hình 2.8 Dải đặc tính điều chỉnh tốc độ

Dải điều chỉnh tốc độ bằng điện áp:
Với Km là hệ số quá tải về mômen
Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp thì từ thông kích từ được giữ không đổi do
đó mômen tải cho phép của hệ được giữ không đổi nên đảm bảo được yêu cầu trong
quá trình gia công: Mccp = KΦđm.Iđm = Mđm
Để điều chỉnh điện áp phần ứng có nhiều hệ biến đổi như hệ khuếch đại từ, hệ
máy phát - động cơ (F-Đ), hệ điều chỉnh xung áp, hệ chỉnh lưu - động cơ (T-Đ) nhưng
hệ chỉnh lưu một chiều nên chọn hệ truyền động tiristor-động cơ một chiều(T-Đ)
*.Hệ truyền động triristor - động cơ một chiều (T - Đ)
Hệ điều chỉnh T - Đ là hệ điều chỉnh điện áp gồm một bộ chỉnh lưu có điều khiển, đó
lài chỉnh lưu tiristor. Bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều lấy từ lưới thành điện
áp một chiều cấp cho động cơ và để điều chỉnh điện áp phần ứng nó sử dụng một bộ
điểu khiển để điều khiển góc mở cho tiristors.
Sơ đồ nguyên lý hệ T - Đ được chỉ trên hình 2.9
Iư



U var

CKĐ

Đ


Uđk

E

§K

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hệ điều chỉnh T-Đ

23


Hệ T-Đ có một số đặc điểm là: độ tác động nhanh, tin cậy; phạm vi điều chỉnh rộng;
không gây ồn và dễ tự động, do các van có hệ số khuếch đại cao nên có thể thiết lập hệ
tự động vòng kín để mở rộng dải điều chỉnh nâng cao chất lượng điều chỉnh; hệ T-Đ
kinh tế hơn hệ F-Đ rất nhiều. Tuy nhiên, hệ T-Đ cũng có những nhược điểm là: các van
bán dẫn có tính phi tuyến, dạng điện áp chỉnh lưu có biên độ đập mạch cao gây tổn
thất phụ trong máy điện và ở các hệ có công suất lớn còn làm ảnh hưởng đến dạng
điện áp lưới xoay chiều; ngoài ra khả năng linh hoạt chuyển đổi trạng thái làm việc
không cao, hệ đảo chiều phức tạp, hệ số quá tải về dòng và áp của các van kém. Do có
những ưu điểm nỗi trội nên hệ T-Đ hiện nay được sử dụng khá rộng rãi.
4.Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu
Tùy theo yêu cầu cụ thể của tải, yêu cầu chất lượng, tính kinh tế mà ta cần lựa chọn
sơ đồ chỉnh lưu cho phù hợp. Một số chỉnh lưu thông dụng hiện nay là: chỉnh lưu cầu
1 pha, chỉnh lưu tia 3 pha, chỉnh lưu cầu không đối xứng, chỉnh lưu cầu 3 pha không
đối xứng, chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng.
Với máy bào giường có thông số như trên thì lực kéo F k là khá lớn nên công suất động
cơ một chiều phải lớn, vì vậy mà ta không thể chọn chỉnh lưu cầu một pha được.
4.1. Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển
Sơ đồ nguyên lí :
T1

a

T2

b

T3

c

Ld

Rd

Đồ thị dạng sóng : U

Id
Ud

t

Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý và đồ thị dạng sóng của mạch chỉnh lưu tia
ba pha có điều khiển
-Giá trị trung bình của điện áp tải :

24


5π
+α
6

3
3 6
. ∫ 2.U 2 .sin ωt.dωt =
.U . cosα = 1,17.U 2 . cosα
2π π
2π 2

Ud =

6

+α

-Giá trị điện áp điện áp ngược đặt lên Tiristor :

U ng = 2. 3.U 2f = 6.U 2f
-Trị dòng điện trung bình chạy qua tải :

Id =

Ud
R

-Giá trị dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :

I2 =

Id
3

-Giá trị dòng điện trung bình của từng van :

I tbV =

Id
3

-Công suất máy biến áp :
a

SBA =

b

SBA + SBA 1,23.U d .I d + 1,48.U d .I d
=
= 1,35.U d .I d
2
2

 Nhận xét :
Chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện áp tốt hơn so với tất cả các loại chỉnh lưu
một pha.
Dòng điện chạy qua các van bán dẫn nhỏ hơn so với các loại chỉnh lưu một pha.
Trong các loại chỉnh lưu ba pha, thì chỉnh lưu tia ba pha có số van bán dẫn ít nhất.
Trong cuộn dây phía thứ cấp máy biến áp có tồn tại dòng điện một chiều, vì vậy làm
cho lõi thép máy biến áp chóng bị bão hòa gây phát nóng lõi thép.
Cuộn dây thứ cấp máy biến áp phải đấu sao, với bốn đầu dây nối ra ngoài và dây trung
tính phải lớn gấp đôi dây pha

4.2 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng.
Sơ đồ nguyên lí :

25