Đồ án môn học điện cơ : Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục. Mô phỏng matlab

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.14 MB, 41 trang )

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

Đồ án môn học

***********

Môn học : Tổng hợp hệ điện cơ

Tên đề tài : Thiết kế hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trụcGiáo viên hướng dẫn : Th.s Phạm Tâm Thành

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn An

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây những tiến bộ trong khoa học kỹ thuật đã đưa lại những ứng dụng lớn lao vào trong q trình cơng nghiệp hóa hiện đại hố của mỗi đất nước.Bên cạnh những thành tựu về mặt thực tiễn thì những lý thuyết về điều khiển cũng lần lượt ra đời góp phần khơng nhỏ trong việc xây dựng các nguyên lý điều khiển tối ưu các hệ thống truyền động trong công nghiệp.Là một nước đang trong q trình xây dựng nền kinh tế cơng nghiệp hiện đại với nhiệm vụ hiện nay là thực hiện thành cơng q trình cơng nghiệp hố hiện đại hố, đất nước ta đang ngày càng đòi hỏi rất nhiều những ứng dụng manh mẽ các thành tựu của khoa học kỹ thuật vào quá trình sản xuất để đưa lại năng suất lao động cao hơn, cạnh tranh được với các nước trong khu vực và thế giới.

Từ trước đến nay cầu trục luôn được sử dụng phổ biến trong các nhà máy xí nghiệp, kho, bến bãi, hải cảng ... Nhưng để đưa ra giải pháp điều khiển giúp tối ưu cho các chỉ tiêu chất lượng của hệ truyền động cầu trục thì ta cần quan tâm mấy điểm sau đây: Động cơ không đồng bộ ba pha thuộc loại động cơ được sử dụng rộng rãi hơn động cơ một chiều vì có giá thành rẻ, vận hành an tồn sử dụng trực tiếp lưới điện công nghiệp. Mặt khác, do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử công suất và kỹ thuật vi điện tử đã tăng khả năng sử dụng động cơ điện KĐB ba pha ngay cả khi yêu cầu cần điều chỉnh tự động truyền động trong phạm vi rộng có độ chính sác cao mà trước đây phải dùng động cơ điện một chiều. Điều này càng đặc biệt có ý nghĩa khi hệ thống làm liệc trong mối trường có hố chất ăn mịn, bịu bẩn, cháy nổ. Trong mơi trường này sử dụng động cơ KĐB rotor lồng sóc sẽ an toàn và tin cậy hơn nhiều.so với động cơ một chiều. Mặt khác phương pháp điều chỉnh tốc độ ĐCKĐB ba pha rotor lồng sóc bằng cách thay đổi tần số dịng điện stator có ưu điểm nổi bật so với phương pháp khác là:

Tốc độ được điều chỉnh trong phạm vi rộng Độ cứng đặc tính cơ đảm bảo yêu cầu

Do đó ta thiết kế đồ án với hệ truyền động bằng bộ biến tần nguồn dịng có

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

Trong q trình tính tốn thiết kế cịn sử dụng phần mềm mơ phỏng Simulink, là phần mềm có tính năng rất mạch trong việc mơ phỏng các hệ truyền động điện.

Qua một thời gian tương đối ngắn với số lượng công việc cũng đáng kể do đó đồ án này chắc chắn cịn có những thiếu sót, với sự nổ lực của bản thân em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cơ giáo.

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

Chương 1 : Mô tả chung về hệ truyền động cho cơ cấu nâng hạ cầu trục1.1.Cơ cấu nâng hạ cầu trục:

Hình 1.1 : Sơ đồ cấu tạo cầu trục

Cầu trục điện được sử dụng trong nhiều ngành kinh tế khác nhau như các nhà máy cơ khí, xí nghiệp luyện kim, cơng trường xây dựng, hải cảng, kho bãi … Nó bao gồm nhiều loại, nhiều kiểu khác nhau: Loại mono ray, loại cầu trục chạy trên dầm treo, loại cầu trục chạy trên nhà xưởng, loại cổng trục, loại cầu trục quay, loại cầu trục không cần ray chạy… Theo một số loại palang

Palăng một tốc độ:

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

Loại tiêu chuẩn 0,5  15 tấn

Cấu tạo đơn gian một cầu trục gồm có: Palăng, móc treo tải, dầm trục chính, đường ray, bảng điều khiển, ray chạy dọc…

Cầu trục thường có ba chuyển động chính: Chuyển động nâng hạ( của bộ phận nâng tải ) chuyển động ngang của xe cần. Các động cơ đều làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Số lần đóng cắt điện lớn, điều kiện môi trường nặng nề, đặc biệt là cầu trục ngoài trời, hải cảng trên mặt nước, ở các nhà máy hoá chất và luyện kim.

Các thiết bị điện cầu trục phải đảm bảo yêu cầu năng suất, an toàn và đơn giản đảm bảo yêu cầu về năng suất an toàn và đơn giản trong các thao thác. Các động cơ chuyển động phải có khả năng đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng và có các đặc tính cơ bản thoả mãn yêu cầu công nghệ VD: Các cầu trục lắp ráp phải thoả mãn yêu cầu về dờng chính xác nên địi hỏi

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

các đường đặc tính cơ cứng có đường đặc tính cơ thấp có nhiều đường đặc tính trung gian để mở và hãm êm. Việc điều chỉnh tốc độ các cơ cấu đều thực hiện bằng phương pháp điện.

Các bộ phận chuyển động phải có phanh hãm điện điện từ để giữa chặt các trục chuyển động khi động cơ mất điện ở các cầu trục di chuyển kim loại nóng chảy để an tồn người ta dùng phanh hãm điện từ trên trục động cơ.

Mạng điện cung cấp cho trục không vượt quá 500V. Mạng điện xoay chiều: 220V, 380V, mạng điện một chiều là 220V, 440V. Điện áp chiếu sáng không vượt quá 220V, điện áp sửa chữa phải nhỏ hơn 36V. Không được dùng máy biến áp tự ngẫu để cung cấp điện cho mạch chiếu sáng và sửa chữa.

Các mạch điện và các động cơ phải được bảo vệ ngắn mạch và quá tải trên 200% bằng rơ le dòng điện cực đại. Khơng dùng rơle nhiệt vì các động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Trong việc khơng chế phải bố trí khâu bảo vệ không để động cơ tự khởi động khi điện áp lưới tợ phục hồi.

Để đảm cho người và thiết bị vận hành trong sơ đồ khống chế phải có cơng tắc hành trình để hạn chế chuyển động của cơ cấu khi chúng đi lên vị trí giới hạn ( Đối với cơ cấu nâng chỉ hạn chế hành trình nâng mà khơng cần hạn chế hành trình hạ ).

Gia tốc của cầu trục là một thông số hết sực quan trọng. Hầu hết cầu trục có hạn chế gia tốc. Ở bộ phận nâng hạ cầu trục có yêu cầu hạn chế gia tốc. Ở bộ phận nâng hạ cầu trục gia tốc cho phép thường được quy định theo khả năng chịu đựng phụ tải động cơ của cơ cấu. VD: đối với cơ cấu nâng hạ cầu

trục gia tốc phải nhỏ hơn 0,2 2 s

m để khơng bị giật đứt dây cáp.

1.2.Đặc tính phụ 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. Có đảo chiều.

*Yêu cầu về khởi động và hãm truyền động:

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

Đối với truyền động nâng hạ tải gia tốc khởi động nhỏ nhất là tkđ5v (s) (Với v-Tốc độ nâng tải (m/s))

Thời gian hãm cũng được tính tương tự như trên

*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.

*Những yêu cầu khác:

Vấn đề tính chọn cơng suất động cơ. Đảm bảo chiều quay

Khi làm việc với thời gian đóng máy cho trước động cơ khơng bị đốt nóng q mức.

Cơng suất động cơ cần phải đủ để đảm bảo thời gian khởi động trong quy định

Không cho phép tăng công suất động cơ lên quá lớn:

 Tăng công suất lên quá lớn làm cho tăng gia tốc cầu trục (cơ cấu nâng hạ) có thể dẫn tới tải bị giật mạch và có thể đứt dây treo.

 Tăng vốn đầu tư 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.

Khi khơng có tải trọng (khơng tải) mô men của động cơ không vượt quá (1520)% Mđm, đối với cơ cấu nâng của cầu trục gầu ngoạm đạt tới 50% Mđm, đối với động cơ di chuyển xe con bằng (5055)% Mđm.

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

Chương 2 : Thiết kế truyền động

2.1. Lựa chọn động cơ , cơng suất động cơ

Hình 2.1 : Sơ đồ động họccủa cơ cấu nâng hạ

2.1.1. Các thông số của hệ thống:

Bán kính tay nâng Rt = 0,35 m Bội số của hệ thống ròng rọc u = 1 Tải trong định mức của tải Gđm = 30 Tấn Tải trọng định mức của cẩu G0 = 1 Tấn Tỉ số truyền i = 10

Tốc độ nâng cực đại( có tải ): vnâng = 0,25 m/s = 15 m/phút Tốc độ nâng cực đại( khơngcó tải) : 1,5 m/s

Tốc độ hạ cực đại( có tải) : 0,4 m/s

Tốc độ hạ cực đại( khơng có tải) : 1,5 m/s Hiệu suất cơ cấu truyền động c = 0,85

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

2.1.3 Tính hệ số tiếp điện tương đối TĐ%:

Khi tính tốn hệ số tiếp điện tương đối ta có thể bỏ qua thời gian mở máy và hãm máy.

Chu kỳ làm việc của cơ cấu nâng hạ bao gồm 4 giai đoạn chính: Hạ khơng tải, nâng tải, hạ tải và nâng không tải. Giữa các giai đoạn trên cịn có thời

Giả sử vận tốc xe cầu là 100m/phút và giả thiết lấy tải từ đầu phân xưởng đến cuối phân xưởng.

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

2.1.4 Chọn sơ bộ công suất động cơ theo hệ số tiếp điện tương đối:

Chọn sơ bộ công suất động cơ theo phụ tải đẳng trị kết hợp với hệ số tiếp điện tương đối:

2.1.5. Kiểm nghiệm công suất động cơ:

Từ công suất chọn sơ bộ ta chọn động cơ rotor dây quấn có các thơng số

Xây dựng biểu đồ phụ tải chính xác.  Xét đến thời gian mở máy, hãm máy và thời gian nghỉ của động cơ

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

Hình 2.2 : Biểu đồ phụ tải Trong đó:

t1: thời gian hạ không tải t3: thời gian hạ tải định mức t01: thời gian lấy tải t03: thời gian lấy tải

t2: thời gian nâng tải định mức t4: thời gian nâng không tải t02: thời gian di chuyển dọc t04: thời gian di chuyển dọc

Trong đồ thị phụ tải trên thời gian khả động khi hạ tải sẽ rất nhỏ và có thể coi xấp xỉ bằng 0 vì lúc đó mômen thế năng của tải và mômen cực đại của

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

Dòng chảy qua các van T1  T6 và D1 D6 chính bằng dịng chảy qua các pha của stato động cơ I = 91A.

Điện áp ngược mở van phải chịu là: Ud = 370 V

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

 Ch n Tiristor Lo i T-250 có các thơng s sau:ọn Tiristor Loại T-250 có các thơng số sau: ại T-250 có các thông số sau: ố sau:

Loại I(A) Uim(V) U(V) Toff(s) Ig(V) Ug(V) du/dt(V/s)

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

Máy phát tốc là thiết bị đo tốc độ trong hệ truyền động . Mạch nguyên lý đo tốc độ bằng máy phát tốc một chiều.

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

Hình 2.4 : Sơ đồ nguyên lý máy phát tốc

Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu ra máy phát tốc

Khi có bộ lọc đầu ra thì hàm truyền máy phát tốc

Hình 2.5 : Sơ đồ mạch phản hồi dịng 1 chiều

Sử dụng mạch phản hồi dịng một chiều có cấu tạo được trình bày trên hình vẽ :

Nguyên lý hoạt động: Dòng Id sau mạch chỉnh lưu được cho qua điện trở Rsun sẽ tạo ra một đIện áp vi sai có độ lớn trong khoảng từ 0-75mV.ĐIện áp

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

vi sai này được đưa vào đầu vào của khuyếch đại thuật toán để khuyếch đại tạo ra đIện áp ra tỉ lệ với dòng Id.

Chọn điện áp vào vi sai bằng 75mV.

Điện áp ra sau khuyếch đại thuật toán bằng 10V =>hệ số khuyếch đại của OA bằng:

Từ các quan hệ tính mơmen có thể kết luận rằng nếu giữ từ thông máy

hoặc từ thông stator s khơng đổi thì mơmen sẽ khơng phụ thuộc vào tần số và mômen tới hạn sẽ không đổi trong toàn bộ dải điều chỉnh. Nếu coi RS = 0

Tuy nhiên ở vùng tần số làm việc thấp khi mà sụt áp trên điện trở stator có thể so sánh được sụt áp trên điện cảm mạch stator khi đồng thời từ thơng cũng giảm đi và do đó mơmen tới hạn cũng giảm đi.

Có thể thiết lập được chiến lược điều chỉnh để giữ biên độ từ thông rotor không đổi: r const

Ở phần mô tả động cơ không đồng bộ, hoặc dựa vào sơ đồ thay thế ta có thể tính được từ thơng rotor và phương trình cân bằng mạch rotor ở dạng các thành phần vector trên các trục toạ độ ox và oy:

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

Tách các số hạng dòng điện sang một vế, sau đó bình phương 2 vế của từng phương trình và cộng hai phương trình với nhau, đồng thời để ý rằng:

Vậy khi giữ biên độ từ thông rotor khơng đổi thì vector từ thơng rotor ln vng pha với vector dịng điện rotor và do đó momen điện từ của động cơ hoàn toàn tỷ lệ với biên độ dịng điện rotor.

Điều chỉnh từ thơng là trường hợp giữ từ thông luôn không đổi và bằng giá trị từ thơng định mức, như vậy có thể khai thác hết công suất mạch từ của động cơ KĐB.

Trong thiết kế môn học này chọn phương pháp điều khiển tần số thông qua từ thông động cơ cụ thể là điều chỉnh từ thơng khơng đổi qua quan hệ dịng chính lưu Id và tần số trượt f2.

Bản chất của phương pháp này là thơng qua việc duy trì quan hệ giữa dòng điện stato I1 và tần số trượt f2 sao cho từ thông của máy điện được giữ

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

Hình 2.6 : Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển tần số động cơ KĐB qua quan hệ I1 (f2).

Sơ đồ cấu trúc điều khiển gồm hai kênh điều khiển:

Kênh điều khiển biên độ bao gồm hai mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng điều chỉnh tốc độ và mạch vịng điều chỉnh dịng điện. Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển tốc độ R là tín hiệu đặt của mạch vịng điều chỉnh dịng điện. Tín hiệu ra của bộ điều chỉnh dịng điện là tín hiệu điều khiển biên độ a dòng Id.

Kênh điều khiển tần số thực hiện quan hệ:

Tín hiệu tỉ lệ với dòng điện lấy ra từ đầu ra bộ điều chỉnh tốc độ R được đưa qua khâu đạo hàm phi tuyến Id f

 

f2 f2

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

Ta sẽ tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Ri và bộ điều chỉnh tốc độ R theo kênh 1.

Căn cứ vào biểu thức tính tốn mơmen và dịng điện ta có thể thành lập được sơ đồ cấu trúc của hệ thống:

2.3.2. Sơ đồ cấu trúc và khai triển của mạch vòng dòng điện:Sơ đồ cấu trúc tổng quát mạch vịng dịng điện:

Hình 2.7 : Sơ đồ cấu trúc tổng quát mạch vòng dòng điện

Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện:

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

Hình 2.8 : Sơ đồ cấu trúc mạch vịng dịng điện Trong đó: Ld, Rd: điện cảm, điện trở cuộn kháng lọc.

L1t, R1: điện cảm tản, điện trở 1 pha stato.

L2t, R2: điện cảm tản, điện trở 1 pha roto quy đổi về stato.

Trong đó: Ud: điện áp đầu ra CL Udk: điện ạp điều khiển chính lưu

KCL, TCL: hệ số điều khiển và hằng số thời gian bộ chỉnh lưu.

Việc tổng hợp chính xác mạch vịng dịng điện rất phức tạp vì thành phần điện trở của mạch vịng dịng điện phụ thuộc vào hệ số trượt s Do đó một cách gần đúng ta bỏ qua các thành phần điện trở và điện kháng tán qui đổi từ

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

Hình 2.9 : sơ đồ cấu trúc mạch vịng dạng khai triển mạch vịng dịng điện. Trong đó: s là tốc độ trượt của động cơ

Tr: hằng số thời gian mạch rotor

=> Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vịng dịng điện, tốc độ

Hình 2.10 : Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện, tốc độ

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

Khâu phi tuyến Id(f2) hay Id(ws) có thể được tuyến tính hố thành khâu khuếch đại đơn giản

Sơ đồ cấu trúc dạng khai triển các mạch vòng dòng điện và tốc độ sau khi đã tuyến tính hố (bỏ qua hệ số thời gian điện từ)

Hình 2.11 : Sơ đồ cấu trúc sau khi đã tuyến tính hóa

2.3.4. Tính tốn các tham số trong sơ đồ tuyến tính hố:

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

Ta có sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dịng điện Rr:

Hình 2.12 : sơ đồ tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Rr

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

=> Hàm truyền của mạch vòng dòng điện:

Khi tiến hành tổng hợp mạch vòng tốc độ, ta coi gần đúng hàm truyền hệ kín mạch vịng điều chỉnh tốc độ là khâu qn tính bậc nhất.

Ta có mạch vịng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vịng dịng điện.

Hình 2.13 : Sơ đồ mạch vòng tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng dòng

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

Khi bỏ qua MC ta có sơ đồ tương đương sau:

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

Để giảm độ quá điều chỉnh

=> Dùng thêm một khâu lọc có hàm truyền WLp

2.4.Sơ đồ điều khiển:

Sơ đồ khối mạch điều khiển:

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

Hình 2.15 : Sơ đồ khối mạch điều khiển

2.4.1. Mạch điều khiển chỉnh lưu:

Để đơn giản thuận tiện đồng thời đảm bảo chất lượng của xung ta sử dụng vi mạch TCA-780. Đây là vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng: tạo điện áp đồng bộ, so sánh và tạo xung ra.

TCA-780 do hãng Siemens chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị điều chỉnh dịng xoay chiều. Có thể điều chỉnh góc từ  từ 0  1800. Các thông số của TCA-780 như sau:

Điện áp nguồn ni: Us =15V Dịng điện tiêu thụ: Is = 10mA Dòng ra: I = 50mA

Điện áp răng cưa: Umax = (Us – 2)V

Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = (20  500)k Điện áp điều khiển: U11 = (-0,5  (Us – 2))V

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

Dòng đồng bộ: I5 = 200A Tụ điện C10 = 200A

Tần số xung ra: f = (10  500)Hz

Sơ đồ gồm có 6 kênh điều, một máy biến áp đồng bộ một nguồn điện áp điều khiển chung cho cả 6 kênh.

Cấu trúc mỗi kênh điều khiển gần giống cấu trúc mạch điều khiển một tiristor. Đặc biệt ở đây là sơ đồ ln ln có thể đảm bảo mở đồng thời 2 tiristor (một ở nhóm Anode chung vào một ở nhóm Cathode chung). Có như thế mới khởi động được thiết bị chỉnh lưu và đảm bảo cho thiết bị làm việc.

Hình 2.16 : Mạch điều khiển dùng vi mạch TCA-780

2.4.2. Mạch điều khiển nghịch lưu:

Uc

</div>