Đề tài Hệ thống điều khiển bằng điện khí nén

CHƯƠNG 1 LỜI NÓI ĐẦU Cùng với thời gian, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển những công nghệ mới dần được thay thế các công nghệ cũ. Điều đó không những đem lại hiệu quả trong công việc mà nó còn làm lợi về kinh tế, nâng cao độ chuẩn xác giảm bớt sự cồng kềnh. Tuy nhiên, đến nay việc áp dụng điều khiển bằng điện khí nén trong các dây trưyền sản xuất, trong những công việc mang tính chất nguy hiểm, cần có độ an toàn cao, hay những dây truyền cần có áp lực lớn ví dụ như: trong điều khiển máy xúc, trong luyện kim, trong việc đóng gói sản phẩm vẫn không thể thiếu. Nó đóng một vai trò quan trọng trong các dây truyền tự động. Trước tầm quan trọng của hệ thống điều khiển bằng điện khí nén trong các ngành kỹ thuật. Nhóm chúng em gồm ba người là: Đã quyết định cùng nhau tìm hiểu thêm về các hệ thống điều khiển bằng điện khí nén cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy : vừa để có thêm kiến thức. Và cũng là để giúp ích cho chúng em sau nay ra trường. Đề tài chúng em cùng nhau nghiên cứu là: Nhưng do thời gian có hạn và kiến thức của chúng em về phần này còn hạn chế nên trong quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo có nhiều thiếu sót và sản phẩm còn chưa được hoàn thiện. Vì vậy, chúng em rất mong được sự góp ý của thầy cô trong khoa để đồ án của chúng được hoàn thiện hơn và có thêm những kiến thức sâu hơn về lĩnh vực điều khiền bằng điện- khí nén. Đề tài gồm có 7 chương: Chương 1: Lời nói đầu, khái quát về lí do lựa chọn đề tài và kết cấu của đề tài. Chương 2: Phân tích, lựa chọn động cơ cho máy khoan. Chương 3: Phân tích, lựa chọn phương pháp điều khiển cho động cơ máy khoan. Chương 4: Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển và mạch động lực cho động cơ máy khoan. Chương 5: Các phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén. Chương 6: Thiết kế mạch điện - khí nén. Chương 7: Thuyết minh toàn bộ hệ thống. Lời cảm ơn Chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn: Nguyễn Phúc Đáo và các thầy cô giáo trong khoa Điện - Điện tử, cùng tất cả các thành viên trong lớp ĐK33S đã nhiệt tình đống hóp ý kiến, chỉ bảo cho chúng em về kinh nghiệm thực tế và các tài liệu khoa học liên quan, để chúng em có điều kiện hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Một lần nữa chúng em rất mong sự thông cảm cho những thiếu sót trong nội dung đề tài và mong sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo để chúng em có được kiến thức và hiểu biết vững vàng hơn trong học tập và công tác sau này. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Hưng yên, ngày ... tháng ... năm 2006 Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Thuỳ Dương Hoàng Quang Hưng Vũ Văn Hoạt NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 1 ((( ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 2 ((( ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ((( ................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ MỤC LỤC NỘI DUNG  TRANG   Chương 1:             DẪN NHẬP 1 - Đặt vấn đề. Không khí chung quanh chúng ta nhiều vô kể và nó là một nguồn năng lượng rất lớn mà con người đã biết sử dụng chúng từ trước công nguyên. Tuy nhiên sự phát triển và ứng dụng khí nén lúc đó còn rất hạn chế do sự phối hợp giữa các ngành vật lý, cơ học v.v… Vào khoảng thế kỷ 17 các nhà bác học Blaise Pascal, Denis Papin, Otto von Guerike đã xây dựng nền tảng cho việc ứng dụng của khí nén. Cùng với sự phát triển của khí nén, năng lượng điện đã phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực, con người đã biết ứng dụng kết hợp năng lượng điện với khí nén thiết kế điều khiển bằng điện - khí nén. 2. Tầm quan trọng và ứng dụng của điện - khí nén. Trong thời kỳ cách mạng công nghiệp nổ ra, sự phát triển về điều khiển bằng điện - khí nén không ngừng diễn ra. Các ứng dụng của điện - khí nén để điều khiển như: phun sơn, gá kẹp chi tiết … Các ứng dụng của điện - khí nén trong truyền động như máy vặn vít, các moto khí nén, máy khoan, các máy va đập dùng trong đào đường, hệ thống phanh ôtô v.v… 3. Ưu nhược điểm của hệ thống điện - khí nén * Ưu điểm: - Không gây ô nhiễm môi trường. - Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp. - Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo. * Nhược điểm: - Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi. - Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn. 4. Mục đích yêu cầu - giới hạn đề tài Trong công cuộc hiện đại hoá, công nghiệp hoá, đất nước ta mở cửa cho các nhà đầu tư vào hoạt động. Các hệ thống tự động hoá công nghiệp điều khiển bằng khí nén cũng dần xuất hiện nhiều. Tự động hoá trong công nghiệp sẽ cho ra nhiều sản phẩm hơn đồng thời đòi hỏi sự hoạt động của nó phải đạt độ chính xác cao, an toàn v.v… Sự kết hợp giữa ngành điện - điện tử và ngành cơ khí là một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của tự động hoá trong công nghiệp. Trước tầm quan trọng của hệ thống điều khiển bằng điện - khí nén và cũng là để củng cố thêm kiến thức sau khi ra trường, chúng em quyết định thực hiện đề tài: TÀI LIỆU THAM KHẢO TÊN TÀI LIỆU  TÊN TÁC GIẢ   1. Hệ thống điều khiển bằng khí nén  PTS Nguyễn Ngọc Phương   2. Trang bị điện - điện tử công nghiệp  Nhà Xuất Bản Giáo Dục   3. Giáo trình điện tử công nghiệp  Nhà Xuất Bản Giáo Dục   4. Truyền động điện  Bùi Quốc Khánh   5. Máy điện 1, 2  Vũ Gia Hanh   Chương 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ CHO MÁY KHOAN Lựa chọn động cơ cho máy khoan là một bước cộng việc rất quan trọng. Hệ thống có thể hoạt động ổn định thì phải lựa chọn được động cơ phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Đối với động cơ máy khoan thì điều quan trong là tốc độ động cơ phải thay đổi theo tải, dễ điều chỉnh tốc độ, ngoài ra còn phải thoả mãn yêu cầu của thực tế như: động cơ gọn nhẹ, giá thành rẻ v.v… Ở chương 2 này chúng em đi phân tích ưu nhược điểm của từng loại động cơ để có thể có được sự lựa chọn tối ưu nhất . 2.1. Động cơ điện một chiều Tuỳ theo cách kích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và mô men n = f(M) 2.1.1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (cuộn ứng) Nếu cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song. Trường hợp này mà nguồn điện có công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như động cơ kích từ độc lập. * Phương trình đặc tính cơ Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại suất hiện một suất điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản điện động) có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương trình điện áp ở mạch rotor sẽ là: U = E + IưRư
(2.1) Trong đó: U - điện áp lưới, V; E - sức điện động của động cơ, V; Iư - dòng điện phần ứng của động cơ, A; Rư
- điện trở toàn bộ mạch phần ứng,
; Rư
= Rư + Rp (2.2) Rp - điện trở phụ trong mạch phần ứng,
; Rư - điện trở mạch phần ứng,
; Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rotor: E = k

(*) (2.3) Trong đó:
- từ thông qua một cực từ, Wb;
- tốc độ góc của rotor, rad/s K- hệ số, phụ thuộc vào kết cấu động cơ;
(2.4) Với: p - số đôi cực từ chính; N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng; a - số mạch nhánh song song của cuộn ứng; Nhờ lực từ tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rotor quay dưới tác dụng của mô men quay. M = k
Iư (2.5) Từ hệ 3 phương trình (2.1), (2.3), (2.5), có thể tìm được phương trình biểu thị mối quan hệ
= f(M). Rút Iư từ (2.5) thay vào (2.1) cùng với (2.3), ta có phưng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập:
(2.6) * Đường đặc tính cơ: Từ phương trình đặc tính cơ ta có đương đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax: Nhận xét: Do Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức, tốc độ giảm rất ít (khoản 2%- 8% tốc độ định mức) cho nên đặc tính cơ của động cơ tự nhiên của động cơ điện kích từ độc lập rất cứng. Kết luận: Với đặc tính cơ như vậy, động cơ điện kích từ độc lập được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không thay đổi khi tải thay đổi (máy cắt kim loại, …) 2.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng nên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít. Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng (tức là phụ thuộc vào tải):
=
Iư (2.6) Trong đó:
- hệ số, phụ thuộc cấu tạo của cuộn dây kích từ. * Phương trình đặc tính cơ Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung: U = E + Iư Rư
(a) E = k
(b) M = k
Iư = k
I2ư (c) ta có thể tìm được phương trình đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Thay (2.6) vào (b) rồi thay tiếp vào (a), ta rút ra:
(d) Rút Iư từ (c) và thay vào (d) sẽ được phương trình đặc tính cơ:
(2.7) * Đường đặc tính cơ Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là một đường hypebol Nhận xét: Thực tế động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bão hoà ở vùng tải định mức. Do vây khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hyperbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức ) đặc tính cơ có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bão hoà (
) Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì trốc độ không tải lý tưởng sẽ là vô cùng lớn. Nhưng thực tế do có ma sát và các tổn thất phụ và động cơ có từ dư:
dư = (2
10)
đm nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có một giá trị là:
Kết luận: Tốc độ
ot thường rất lớn so với tốc độ định mức, nên thực tế không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Vì vậy không cho loại động cơ điện này làm việc ở những điều kiện có thể xảy ra mất tải như dùng đai truyền, vì khi xảy ra đứt hoặc trượt đai truyền tốc độ quay tăng rất cao. Thông thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiểu P2 = (0,2
0,25 Pđm) . Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biêt được sự thay đổi của phụ tải. Tuy nhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao mà nên sử dụng nó cho những truyền động có yêu cầu tốc độ theo tải Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mô men. Nhờ ưu điểm đó mà động cơ này rất thích hợp cho những truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu mô men khởi động lớn như máy nâng vận chuyển, máy cán thép … Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện. Loại động cơ này thích hợp cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài. 2.1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp Với động cơ kích từ hỗn hợp từ thông được tạo ra do tác dụng đồng thời của 2 cuộn kích từ: một cuộn song (KTĐss) và một cuộn nối tiếp (KTĐnt). Do vậy đường đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ hõn hợp (đường 3, đường 4) phân bổ giữa đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song (đường 1) và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (đường 2). Hình Nếu từ trường của cuộn song song tạo ra mạnh hơn từ trường của cuộn nối tiếp thì đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp (đường 3) gần đặc tính cơ của động cơ kích từ song song hơn. Nếu từ trường của cuộn nối tiếp tạo ra mạnh hơn từ trường của cuộn song song thì đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp (đường 4) gần đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp hơn. Kết luận: Động cơ kích từ hỗn hợp có đường đặc tính cơ mềm. Được dùng trong những nơi cần các điều kiện mô men mở máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong một vùng rộng như trong máy ép (nén), máy bào, máy in, máy cán thép, máy nâng tải … Thời gian gần đây, động cơ kích từ hỗn hợp còn được dùng trong giao thông vận tải vì có ưu điểm hơn so với động cơ kích từ nối tiếp ở chỗ dễ hãm bằng chế độ phát điện trả năng lượng trở về lưới điện. 2. 2. Động cơ điện xoay chiều 2.2.1. Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ 2.2.1.1. Phương trình đặc tính cơ Khi coi ba pha động cơ là đối xứng, được cấp bởi nguồn xoay chiều hình sin ba pha đối xứng và mạhc từ động cơ không bão hoà thì có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế một pha. Đó là sơ đồ điện một pha phía stator với các đại lượng điện ở mạch rôto đã quy đổi về stator. Trong đó: I0 - dòng điện từ hoá của động cơ;