Đồ án Thiết kế hệ thống điện cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng

Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện ĐỒ ÁN MÔN HỌC TRANG BỊ ĐIỆN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG HẠ CẦU TRỤC PHÂN XƯỞNG GVHD: Trần Duy Trinh SVTH: Nguyễn Quang Huy Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 1 - SVTH: Nguyễn Quang Huy 1. Lời nhận xét của giáo viên hướng dẫn ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………….. 2. Lời nhận xét của giáo viên phản biện ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………… Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 2 - SVTH: Nguyễn Quang Huy LỜI NÓI ĐẦU Cùng với sự phát triển của thế giới. Trong điều kiện công cuộc kiến thiết nước nhà đang bước vào thời kỳ công nghiệp hoá hiện đại hoá với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn. Điều này đặt ra cho thế hệ trẻ, những người chủ tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề. Sự phát triển nhanh chóng của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật nói chung và trong lĩnh vực điện - điện tử - tin học nói riêng làm cho bộ mặt của xã hội thay đổi từng ngày. Trong hoàn cảnh đó, để đáp ứng được những điều kiện thực tiễn của sản xuất đòi hỏi những người Kĩ Sư Điện tương lai phải được trang bị những kiến thức chuyên ngành một cách sâu rộng. Trong quá trình học môn Trang Bị Điện em được nhận đề tài: Thiết kế hệ thống điện cho truyền động cơ cấu nâng hạ cầu trục phân xưởng Tuy nhiên, do kiến thức còn hạn chế, trong phạm vi thời gian có hạn, lượng kiến thức lớn nên bản đồ án không khỏi có những sai sót. Em mong nhận được sự góp xây dựng của các thầy, cô giáo cũng như bè bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô giáo cũng như sự góp ý xây dựng của các bạn bè. Đặc biệt là sự giúp đỡ của Thầy giáo Trần Duy Trinh và các thầy cô giáo công tác trong khoa điện. Em xin chân thành cảm ơn ! Vinh, 18 tháng 09 năm 2012 Sinh Viên Nguyễn Quang Huy Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 3 - SVTH: Nguyễn Quang Huy MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................. 2 MỤC LỤC ....................................................................................................................... 3 Chương 1 ......................................................................................................................... 5 TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC ...................................................................................... 5 1.1 Khái quát chung .......................................................................................................... 5 1.1.1. Khái niệm ........................................................................................................... 5 1.1.2. Đặc điểm cấu tạo của cầu trục ............................................................................. 5 1.1.3. Phân loại ............................................................................................................. 5 1.1.4. Cấu tạo................................................................................................................ 6 1.2. Đặc điểm công nghệ ................................................................................................... 8 1.3. Yêu cầu truyền động .................................................................................................. 8 1.3.1. Đặc tính phụ tải ................................................................................................... 8 1.3.2. Chế độ làm việc của động cơ truyền động ........................................................... 9 1.3.3. Yêu cầu truyền động ......................................................................................... 10 Chương 2 ....................................................................................................................... 12 TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ CHO TRUYỀN ĐỘNG CƠ CẤU NÂNG . 12 2.1.Tính toán phụ tải chính ............................................................................................. 12 2.1.1. Lựa chọn các thông số ...................................................................................... 12 2.1.2. Phụ tải tĩnh khi nâng tải .................................................................................... 13 2.1.3. Phụ tải tĩnh khi hạ tải. ....................................................................................... 14 2.2. Chọn sơ bộ công suất động cơ. ................................................................................. 15 2.2.1. Xây dựng biểu đồ phụ tải tĩnh. .......................................................................... 15 2.2.2. Kiểm nghiệm động cơ ....................................................................................... 17 Chương 3 ....................................................................................................................... 19 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ..................................... 19 3.1. Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều ............................................................ 19 3.1.1. Khái quát về động cơ điện một chiều ................................................................ 19 3.1.2. Đặc tính cơ trong các trạng thái hãm ................................................................. 22 3.1.3. Ảnh hưởng của các tham số tới đặc tính cơ. ..................................................... 25 3.2. Lựa chọn phương án truyền động ............................................................................. 27 3.2.1. Phương án 1: Hệ thống truyền động máy phát-động cơ(F-Đ) ............................ 27 3.2.2. Hệ thống máy phát động cơ F - Đ với các phản hồi có sử dụng máy điện khuyếch đại từ trường ngang (MKĐ) ........................................................................................ 28 3.2.3 Đánh giá hệ thống F- Đ ..................................................................................... 30 3.3 Phương án 2: Hệ truyền động Thyristor – Động cơ (T-Đ) ......................................... 30 3.3.1 Sơ đồ hệ thống ................................................................................................... 31 3.3.2 Đánh giá về hệ thống ......................................................................................... 31 3.4. Lựa chọn phương án truyền động ............................................................................. 32 Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 4 - SVTH: Nguyễn Quang Huy Chương 4 ....................................................................................................................... 33 TÍNH CHỌN THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ...... 33 4.1. Tính chọn thiết bị mạch lực ...................................................................................... 33 4.1.1. Lựa chọn sơ đồ nối dây mạch lực ...................................................................... 33 4.1.2. Lựa chọn phương án đảo chiều ......................................................................... 38 4.1.3. Sơ đồ nguyên lý mạch động lực của hệ truyền động .......................................... 40 4.1.4. Tính chọn các thiết bị mạch động lực ................................................................ 42 4.2. Tính chọn các thiết bị mạch điều khiển .................................................................... 53 4.2.1. Khái quát chung ................................................................................................ 53 4.2.2. Thiết kế mạch cụ thể ......................................................................................... 56 4.2.3. Khâu tạo xung: ................................................................................................. 64 4.2.4. Mạch tạo điện áp chủ đạo ................................................................................. 71 4.2.5. Mạch lấy tín hiệu phản hồi dòng điện có ngắt ................................................... 71 4.2.6. Khâu tổng hợp mạch vòng phản hồi âm tốc độ .................................................. 72 4.2.7. Thiết kế mạch nguồn nuôi một chiều ................................................................ 73 Chương 5 ....................................................................................................................... 74 ĐÁNH GIÁ TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG ...... 74 5.1. Tính toán các thông số cơ bản .................................................................................. 74 5.1.1. Các tham số cơ bản ........................................................................................... 74 5.1.2. Hệ số khuếch đại của động cơ ........................................................................... 74 5.1.3. Hệ số khuếch đại của bộ biến đổi kb .................................................................. 74 5.1.4. Hệ số khuếch đại trung gian .............................................................................. 75 5.1.5. Hệ số khuếch đại yêu cầu (kyc) của toàn hệ thống .............................................. 76 5.2. Khảo sát chế độ tĩnh của hệ thống ............................................................................ 77 5.2.1. Khái niệm chung ............................................................................................... 77 5.2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ở chế độ tĩnh................................................................ 77 5.2.3. Kiểm tra sự ổn định của hệ thống ở chế độ tĩnh ................................................. 78 5.3. Khảo sát chế độ động của hệ thống .......................................................................... 79 5.3.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc ................................................................................... 79 5.3.2. Xác định hàm truyền của hệ thống phản hồi tốc độ ........................................... 81 5.3.3. Kiểm tra sự ổn định của hệ thống theo tiêu chuẩn Routh ................................... 83 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 85 Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 5 - SVTH: Nguyễn Quang Huy Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU TRỤC 1.1 Khái quát chung 1.1.1. Khái niệm Cầu trục là tên gọi chung của các máy trục chuyển động trên hai đường ray cố định trên kết cấu kim loại hoặc tường cao để vận chuyển các vật phẩm trong khoảng không ( khẩu độ ) giữa hai đường ray đó. Các cơ cấu của đảm bảo 3 chuyển động: - Nâng hạ vật. - Di chuyển xe con. - Di chuyển xe cầu. 1.1.2. Đặc điểm cấu tạo của cầu trục Dầm cầu được gọi là dầm chính, thường có kết cấu hộp hoặc dàn, có thể có một hoặc hai dầm. Trên dầm có xe con và cơ cấu di chuyển qua lại dọc theo dầm chính. Hai đầu dầm chính liên kết hàn hoặc đinh tán với hai dầm đầu. Trên mỗi dầm đầu có hai cụm bánh xe: cụm bánh xe chủ động và cụm bánh xe bị động. Dẫn động của cầu trục có thể bằng tay hoặc dẫn động điện. Dẫn động bằng tay chủ yếu dùng trong các phân xưởng sửa chữa, lắp ráp nhỏ, nâng hạ không thường xuyên, không đòi hỏi năng suất và tốc độ cao. Cầu trục thường được chế tạo với các thông số: - Tải trọng nâng: Q = 1 ÷ 500 tấn - Chiều cao nâng: Hmax = 16 m - Vận tốc nâng: Vn = 2 ÷ 40 m/phút - Vận tốc di chuyển xe con: Vxmax = 60 m/phút - Vận tốc di chuyển cầu trục: Vcmax = 60 m/phút Cầu trục có Q > 10 tấn thường được trang bị hai hoặc ba cơ cấu nâng, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ, được lắp trên xe con. 1.1.3. Phân loại + Theo hình dạng bộ phận nâng hạ và mục đích sử dụng: - Cầu trục dùng móc tiêu chuẩn. - Cầu trục dùng gầu ngoạm. - Cầu trục dùng nam châm điện. Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 6 - SVTH: Nguyễn Quang Huy + Theo tải trọng: - Loại nhẹ: dưới 10 tấn. - Loại trung bình: từ 10 tới 15 tấn - Loại nặng: trên 15 tấn. + Theo chế độ làm việc: - Loại nhẹ: TĐ%= 10÷15%, số lần đóng cắt trong một giờ là 60. - Loại trung bình: TĐ%= 15÷25% , số lần đóng cắt trong một giờ là 120. - Loại nặng: TĐ%= 40÷60%, số lần đóng cắt trong một giờ là trên 240. + Theo chức năng: - Cầu trục vận chuyển: sử dụng rộng rãi, yêu cầu độ chính xác không cao. - Cầu trục lắp ráp: sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, yêu cầu độ chính xác cao. 1.1.4. Cấu tạo Hình 1.1. Cấu tạo cầu trục. Cấu tạo cầu trục được thể hiện trên hình 1.1, gồm 3 bộ phận chính: + Xe cầu Là một khung sắt hình chữ nhật,được thiết kế với kết cấu chịu lực, gồm một dầm chính chế tạo bằng thép, đặt cách nhau một khoảng tương ứng với khoảng cách của bánh xe con, bao quanh là một dàn khung. Hai dầm cầu được liên kết cơ khí với hai dầm ngang tạo thành một khung hình chữ nhật trong mặt phẳng ngang. Các bánh xe của cầu trục được thiết kế trên các dầm ngang của khung để cầu trục có thể chạy dọc suốt nhà xưởng một cách dễ dàng. Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 7 - SVTH: Nguyễn Quang Huy + Xe con Là bộ phận chuyển động trên đường ray trên xe cầu, trên đó có đặt cơ cấu nâng hạ và cơ cấu di chuyển cho xe con. Tùy theo công dụng của cầu trục mà trên xe con có một hoặc hai, ba cơ cấu nâng hạ, gồm một cơ cấu nâng chính và một hoặc hai cơ cấu nâng phụ. Xe con di chuyển trên xe cầu và xe cầu di chuyển dọc theo phân xưởng hoặc nhà máy sẽ đáp ứng việc vận chuyển hàng hóa đến mọi nơi trong phân xưởng. + Cơ cấu nâng - hạ Có hai loại chính: - Loại dùng cho cầu trục một dầm là palăng điện hoặc palăng tay. Palăng điện hay palăng tay đều có khả năng di chuyển dọc theo dầm chính để nâng hạ vật. Các loại palăng này được chế tạo theo tải trọng và tốc độ nâng yêu cầu. - Đối với các loại dầm thông thường, các cơ cấu nâng hạ được chế tạo và đặt trên xe con để có thể di chuyển dọc theo dầm chính. Trên xe con có từ một đến ba cơ cấu nâng hạ. Ngoài ra còn có cơ cấu phanh hãm (hình 1.2). Phanh dùng trong dùng trong cầu trục có ba loại: phanh guốc, phanh đĩa và phanh đai. Nguyên lí hoạt động của các loại phanh này cơ bản giống nhau. Cơ cấu phanh hãm gồm có: - Má phanh. - Cuộn dây nam châm phanh. - Đối trọng phanh. Hình 1.2. Cấu tạo cơ cấu phanh hãm. Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 8 - SVTH: Nguyễn Quang Huy 1.2. Đặc điểm công nghệ Cầu trục làm việc trong môi trường rất nặng nề như ngoài hải cảng, các nhà máy, xí nghiệp luyện kim. Làm việc ở chế độ đóng cắt rất cao. Ngoài ra, tùy theo quá trình công nghệ mà ta có một số yêu cầu như: - Cầu trục vận chuyển được sử dụng rộng rãi, yêu cầu về độ chính xác không cao. - Cầu trục lắp ráp thường được sử dụng trong các phân xưởng cơ khí, dùng để lắp ghép các chi tiết cơ khí nên yêu cầu độ chính xác cao. - Các khí cụ điện, thiết bị điện trong hệ thống phải làm việc tin cậy để nâng cao năng suất, an toàn trong vận hành và khai thác. Từ những đặc điểm trên có thể đưa ra những yêu cầu cơ bản đối với hệ thống và trang bị điện của cơ cấu: - Các phần tử cấu thành của hệ thống phải đơn giản, dễ thay thế, sửa chữa, độ tin cậy cao. - Trong mạch điều khiển phải có mạch bảo vệ điện áp không, bảo vệ quá tải và ngắn mạch. - Quá trình mở máy diễn ra theo một quy luật định sẵn. - Sơ đồ điều khiển cho từng động cơ rieng biệt, độc lập. - Có công tắc hành trình hạn chế hành trình tiến lùi cho xe cầu, xe con, hạn chế hành trình lên của cơ cấu nâng hạ. - Đảm bảo hạ hang ở tốc độ thấp. - Tự động cắt nguồn khi có người làm việc trên xe cầu. 1.3. Yêu cầu truyền động 1.3.1. Đặc tính phụ tải Khảo sát cơ cấu nâng hạ người ta nhận thấy rằng momen cản của cơ cấu luôn không đổi cả về độ lớn và chiều bất kể chiều quay của động cơ thay đổi thế nào. Nói cách khác, momen cản của cơ cấu nâng hạ thuộc loại momen cản thế năng, có đặc tính Mc = constant và không phụ thuộc vào chiều quay. Điều này có thể giải thích dễ dàng là momen của cơ cấu do trọng lực của tải gây ra. Khi nâng tải, momen có tác dụng cản trở chuyển động, tức là hướng ngược chiều quay. Khi hạ tải, momen thế năng lại là momen gây ra chuyển động, tức là nó hướng theo chiều quay của động cơ. Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 9 - SVTH: Nguyễn Quang Huy Dạng đặc tính cơ của cơ cấu nâng hạ như sau: Hình 1.3. Đặc tính cơ của cơ cấu nâng – hạ. Từ đặc tính của cơ cấu nâng hạ ta có nhận xét: - Khi hạ tải ứng với trạng thái phát của động cơ thì Mđ là momen hãm, Mc là momen gây chuyển động. - Khi cần trục hạ tải dụng lực: cả hai momen đều gây chuyển động. Như vậy, trong mỗi giai đoạn nâng hay hạ thì động cơ phải được điều khiển để đảm bảo làm việc đúng với trạng thái làm việc của nó, phù hợp với đặc tính tải. phụ tải của cầu trục có thể biến đổi từ 0 tới những giá trị rất lớn. 1.3.2. Chế độ làm việc của động cơ truyền động + Ở góc phần tư thứ nhất: Máy điện làm việc chế độ động cơ ( đường 1) M = Mc + Mđm Với: M - momen do động cơ sinh ra Mc - momen cản do tải trọng gây ra Mđms - momen cản do ma sát gây ra Đối với động cơ nâng hạ làm việc ở chế độ nâng hàng, còn đối với động cơ di chuyển làm việc ở chế độ chạy tiến. + Ở góc phần tư thứ II: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu di chuyển, đường 1 thực hiện hãm tái sinh khi có ngoại lực tác dụng cùng chiều với chuyển động của cơ cấu. Còn đối với cơ cấu nâng hạ thực hiện hãm động năng ( đường 3 ). Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 10 - SVTH: Nguyễn Quang Huy + Ở góc phần tư thứ III: Máy điện làm việc ở chế độ động cơ. Đối với cơ cấu di chuyển tương ứng với chạy lùi. Còn đối với cơ cấu nâng hạ: Mc < Mm M = Mms - Mc Chế độ này được gọi là chế độ hạ động lực. + Ở góc phần tư thứ IV: Máy điện làm việc ở chế độ máy phát. Đối với cơ cấu nâng hạ: Mc > Mms M = Mc – Mms Hàng sẽ được hạ do tải trọng của nó. Còn động cơ đóng điện ở nâng đề hãm tốc độ hạ hàng. Lúc này động cơ làm việc ở chế độ hãm ngược ( đường 2 ). Khi thực hiện hạ động lực, động cơ làm việc ở chế độ hãm tái sinh ( máy phát ) với tốc độ hạ lớn hơn tốc độ đồng bộ ( đường 4 ). Hình 1.4. Trạng thái làm việc của động cơ truyền động cầu trục. 1.3.3. Yêu cầu truyền động + Chế độ làm việc: Động cơ truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung có chế độ làm việc là ngắn hạn lặp lại, có tần số đóng cắt lớn. + Vấn đề đảo chiều: Động cơ cầu trục phải có khả năng đảo chiều quay, có momen thay đổi theo tải trọng rất rõ rệt. Theo khảo sát từ thực tế thì khi không có tải trọng, momen động cơ không vượt quá ( 15÷20% )Mđm. Đối với cơ cấu nâng hạ của cầu trục gầu ngoạm tới 50%Mđm. Trường ĐHSPKT Vinh – Khoa Điện Đồ án môn học Trang Bị Điện GVHD: Trần Duy Trinh - 11 - SVTH: Nguyễn Quang Huy + Yêu cầu về khởi động và hãm: Trong các hệ thống truyền động của cơ cấu nâng hạ nói chung và cầu trục nói riêng, yêu cầu về quá trình tăng tốc và giảm tốc phải êm. Bởi vậy, momen động trong quá trình quá độ phải được hạn chế theo yêu cầu kĩ th