Đồ án: Thiết kế hệ truyền động điện BBĐ Van - Động cơ một chiều

Tài liệu tham khảo thiết kế hệ truyền động điện cho động cơ một chiều không đảo chiều. Phân tích, so sánh các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Quân
• Người hướng dẫn: Nguyễn Thị Thành
• Chuyên ngành: Tự động hoá - Cung cấp điện
• Đề tài: Thiết kế hệ thống truyền động điện BBĐ van-Động cơ một chiều không đảo chiều quay
• Loại tài liệu: Đồ án môn học

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết kế Hệ Truyền Động Điện Động Cơ Một Chiều

Hệ truyền động điện động cơ một chiều là một trong những lĩnh vực quan trọng trong ngành tự động hóa và cung cấp điện. Đồ án này tập trung vào thiết kế hệ thống truyền động với các yêu cầu kỹ thuật và kinh tế cụ thể. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hiện đại đòi hỏi các kỹ sư phải nắm vững kiến thức về động cơ điện một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ. Việc lựa chọn phương án truyền động tối ưu không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mà còn quyết định hiệu quả kinh tế của dây chuyền sản xuất. Đồ án này nhằm giúp sinh viên hiểu rõ các nguyên lý cơ bản và ứng dụng thực tiễn của thiết kế hệ truyền động điện trong công nghiệp hiện đại.

1.1. Tầm Quan Trọng của Hệ Truyền Động Điện

Hệ truyền động điện đóng vai trò quyết định trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Sự lựa chọn đúng đắn về phương án truyền động giúp tối ưu hóa công suất, giảm tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất hoạt động. Động cơ điện một chiều mang lại những ưu điểm vượt trội như khả năng điều chỉnh tốc độ rộng, mô men khởi động lớn và dễ dàng tự động hóa. Trong bối cảnh công nghiệp hóa, việc thiết kế hệ truyền động phù hợp là yêu cầu cấp thiết để đáp ứng nhu cầu sản xuất.

1.2. Mục Tiêu Thiết Kế Đồ Án

Đồ án thiết kế hệ truyền động điện nhằm giáo dục sinh viên về nguyên lý hoạt động động cơ một chiều và các phương pháp điều chỉnh tốc độ. Mục tiêu chính là lựa chọn phương án tối ưu từ các giải pháp khác nhau dựa trên tiêu chí kỹ thuật và kinh tế. Sinh viên cần nắm vững cách tính toán đặc tính cơ, độ cứng đặc tính và khả năng phù hợp tải. Qua đó, học viên sẽ có kỹ năng thiết kế hệ thống truyền động thực tế và hiệu quả.

II. Phân Tích Lựa Chọn Phương Án Truyền Động Động Cơ Một Chiều

Quá trình lựa chọn phương án truyền động đòi hỏi phân tích kỹ lưỡng các giải pháp khác nhau để tìm ra phương án tối ưu nhất. Động cơ một chiều kích từ độc lập cung cấp ba phương pháp điều chỉnh tốc độ chính: thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng, điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng, và điều chỉnh từ thông kích từ. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Sơ đồ nguyên lý và phương trình đặc tính cơ là những công cụ quan trọng để đánh giá hiệu suất của từng phương án. Việc phân tích chi tiết các đặc tính cơ giúp xác định độ cứng, độ sụt tốc độ và mức độ phù hợp tải của mỗi giải pháp.

2.1. Phương Pháp Thay Đổi Điện Trở Phụ Mạch Phần Ứng

Phương pháp này điều chỉnh tốc độ động cơ bằng cách thay đổi điện trở mạch phần ứng. Khi tăng điện trở, đặc tính cơ trở nên mềm hơn và độ sụt tốc độ tăng lên. Tuy nhiên, phương pháp này gây tổn thất năng lượng lớn do điện trở tiêu tán công suất. Độ cứng đặc tính cơ giảm, làm cho động cơ trở nên không ổn định khi tải thay đổi. Dải điều chỉnh tốc độ bị giới hạn, không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu điều chỉnh rộng.

2.2. Phương Pháp Điều Chỉnh Điện Áp Mạch Phần Ứng

Phương pháp này sử dụng bộ biến đổi (BBĐ) để điều chỉnh điện áp cấp cho động cơ. Ưu điểm chính là dải điều chỉnh rộng, trơn và vô cấp với sai số tốc độ nhỏ. Độ cứng đặc tính cơ không đổi, đảm bảo ổn định khi tải thay đổi. Khả năng quá tải lớn và tổn thất năng lượng nhỏ. Phương pháp này dễ tự động hóa và phù hợp với các ứng dụng hiện đại.

III. Các Phương Pháp Điều Chỉnh Tốc Độ Động Cơ Một Chiều

Điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều là một trong những khía cạnh quan trọng nhất của thiết kế hệ truyền động. Phương trình đặc tính cơ của động cơ điện cho thấy mối quan hệ giữa tốc độ quay và mô men tải. Khi thiết kế hệ thống, cần xem xét các đặc tính cơ điện để đảm bảo hoạt động ổn định. Sơ đồ nguyên lý của từng phương pháp điều chỉnh có những đặc điểm riêng về độ phức tạp, chi phí và hiệu suất. Phương pháp thay đổi từ thông kích từ cho phép điều chỉnh tốc độ mà không gây tổn thất năng lượng lớn, nhưng mạch kích từ là phi tuyến nên khó tự động hóa. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3.1. Phương Pháp Điều Chỉnh Từ Thông Kích Từ

Điều chỉnh từ thông thực hiện bằng cách thay đổi dòng điện kích từ của động cơ một chiều. Mô men điện từ M = K·Φ·Iư và sức điện động quay E = K·Φ·ω phụ thuộc trực tiếp vào từ thông. Khi giảm từ thông, tốc độ động cơ tăng lên. Tuy nhiên, mạch kích từ là phi tuyến, làm cho hệ điều chỉnh phức tạp. Cần đảm bảo điều kiện chuyển mạch côm góp khi giảm từ thông để tránh tăng dòng phần ứng quá mức.

3.2. Đặc Tính Cơ Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Đặc tính cơ của động cơ một chiều được biểu diễn qua mối quan hệ ω = f(M). Việc phân tích đặc tính cơ giúp dự đoán hành vi của động cơ dưới các điều kiện tải khác nhau. Độ cứng đặc tính β = (K·Φ·Ug)²/(R+Rf) quyết định tính ổn định của hệ thống. Trong ứng dụng thực tiễn, cần chọn phương pháp điều chỉnh sao cho vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, vừa tối ưu về mặt kinh tế.

IV. Thiết Kế Hệ Truyền Động Tối Ưu và Kết Luận

Thiết kế hệ truyền động điện hiệu quả đòi hỏi sự cân nhân giữa nhiều yếu tố kỹ thuật và kinh tế. Hệ thống truyền động phải đáp ứng các yêu cầu về tốc độ, mô men, độ tin cậy và chi phí. Sự lựa chọn phương án truyền động dựa trên việc so sánh các đặc tính cơ của các giải pháp khác nhau. Động cơ một chiều mang lại sự linh hoạt cao trong điều chỉnh tốc độ, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên, mỗi phương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng. Việc hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và tính toán thiết kế là chìa khóa để tạo ra hệ truyền động hiệu quả, an toàn và kinh tế cho các dây chuyền sản xuất hiện đại.

4.1. Tiêu Chí Đánh Giá Hệ Truyền Động

Hệ truyền động được đánh giá dựa trên nhiều tiêu chí: dải điều chỉnh tốc độ, sai số tốc độ, tổn thất năng lượng, khả năng quá tải và chi phí đầu tư. Động cơ điện một chiều với phương pháp điều chỉnh điện áp thường mang lại kết quả tốt nhất do dải điều chỉnh rộng, tổn thất nhỏ và dễ tự động hóa. Độ cứng đặc tính cơ không đổi đảm bảo ổn định hoạt động. Chi phí bộ biến đổi hiện đại ngày càng giảm, làm cho phương pháp này trở nên phổ biến.

4.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Thiết kế hệ truyền động sẽ tiếp tục phát triển với công nghệ bộ biến đổi ngày càng hiện đại. Động cơ điện sẽ được tích hợp với các hệ thống điều khiển thông minh, tối ưu hóa năng lượng. Việc kết hợp phương pháp điều chỉnh khác nhau sẽ giúp đạt được hiệu suất cao và linh hoạt trong điều khiển. Các kỹ sư cần liên tục cập nhật kiến thức về công nghệ mới để thiết kế hệ thống truyền động đạt tiêu chuẩn quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1:PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN Khi thiết kế một hệ thống truyền động điện thì người thiết kế phải đưa ra nhiều phương án để giải quyết. Nhiệm vụ của người thiết kế là phải tìm ra được phương án tối ưu nhất phù hợp với yêu cầu đặt ra .Trước hết là yêu cầu về kỷ thuật sau đó là yêu cầu về kinh tế .Việc lựa chọn phương án truyền động có ý nghĩa hết sức quan trọng trong thiết kế nó ảnh hưởng trực tiếp đến dây chuyền sản xuất chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế .1) Phân tích chọn động cơ truyền động Để thiết kế hệ truyền động phù hợp với yêu cầu người ta đưa ra nhiều phương án khác nhau, rồi sau đó sánh các phương án trên phương diện kinh tế và kỹ thuật để chọn ra phương án tối ưu nhất. Theo yêu cầu của đề tài, em lựa chọn động cơ truyền động là động cơ một chiều kích từ độc lập. Trong thực tế đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập thường có 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ như sau.

∗ Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ∗ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch phần ứng ∗ Điều chỉnh từ thông kích từ 1.1 Thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng a ). Sơ đồ nguyên lý 2 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN ω H1.1 sơ đồ nguyên lý Giả thiết : ωο tn U = Uđm = const r f1 ΦΦ = Φđm = const r f2 R = Var 0 m b ). Phương trình đặc tính cơ h3 r f3 U R +R f ω = ®m - *M K Φ ®m (K Φ ®m)2 H1.2 Đường đặc tính cơ c ). Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng ta có dạng đặc tính cơ như hình H1.

Nhận xét Từ phương trình đặc tính cơ và dạng đặc tính cơ ta thấy khi thay đổi điện trở phụ mạch phần ứng (tăng Rf) làm cho : ∗ Đặc tính cơ mềm đi R + Rf .M (K Φ dm)2 ∗ Độ sụt tốc độ ∆ω = tăng lên 3 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN (K Φ dm)2 R + Rf ∗ Độ cứng đặc tính cơ β = giảm ∗ Mức độ phù hợp tải P = U.2 Thay đổi điện áp cấp cho mạch phần ứng a) Sơ đồ nguyên lý tổng quát H1.3 sơ đồ thay thế Trong đó : BBĐ : là bộ biến đổi dùng để biến đổi điện áp xoay chiều của thành điện áp một chiều và điều chỉnh sức điện động Eb của nó theo yêu cầu Rb : là điện trở mạch phần ứng Rư : là điện trở trong của bộ biến 4 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN đổi phụ thuộc vào loại thiết bị Giả thiết : U = Var Φ = Φ dm = const R=const b) Phương trình đặc tính cơ Eb RΣ ω= - .M K Φ dm (K Φ m)2 RΣ Với =Rư+Rb c) Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ ta được một họ đặc tính cơ song song với nhau như hình vẽ. d) Nhận xét Khi thay đổi điện áp mạch phần ứng ta sẽ có các tốc độ không tải lý tưởng E bx ωox = K Φ ®m khác nhau Độ cứng β = const Mức độ phù hợp tải P = U.Iđm= Mđm = const Dải điều chỉnh rộng ,điều chỉnh trơn và vô cấp Sai số tốc độ nhỏ ,dể tự động hoá 5 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN Khả năng quá tải lớn và tổn thất năng lượng nhỏ Phương pháp điều chỉnh điện áp mạch phần ứng là phương pháp triệt để kể cả khi không tải lý tưỡng và điều chỉnh tốc độ trong bất kỳ vùng tải nào .3 Thay đổi từ thông kích từ a) Sơ đồ nguyên lý Khi thay đổi từ thông kích từ động cơ một chiều kích từ độc lập chính là điều chỉnh Φ mô men điện từ của động cơ M =K .Iư và Φ điều chỉnh sức điện động quay E =K .Do kết cấu của máy điện Φ nên ta thường giảm từ thông. Giả thiết U = Uđm = const R = const Φ = Var b) Phương trình đặc tính cơ U dm R ω= -. Dạng đặc tính cơ Đặc tính cơ Đặc tính cơ điện d).

Nhận xét: Ta thấy rằng mạch kích từ của động cơ mmột chiều kích từ độc lập là mạch phi tuyến cho nên hệ điều chỉnh từ thông củng là phi tuyến .Khi giảm từ thông ở một mức độ nào đó thì tốc độ động cơ tăng lênvà đồng thờiphải đảm bảo điều kiện chuyển mạch cổ góp. Nhưng nếu giảm từ thông φ quá nhiều vì khi giảm φ do quán tính tốc độ ω sẽ thay đổi chậm hơn so với từ thông φ nên E = Kφ.ω giảm → Iư tăng lên → M = Kφ. Mặt khác khi φ giảm quá nhiều thì Iư tăng quá lớn gây nên sụt áp trong mạch phần ứng tăng lên → công suất động cơ giảm → tốc độ giảm Như vậy khi điều chỉnh giảm từ thông φ thì 7 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN (K Φ x )2 R ∗ Độ cứng đặc tính cơ giảm β = ↓↓ ∗ Sai lệch tĩnh tăng lên ∗ Hệ thống có giải điều chỉnh hẹp ∗ Phương pháp thay đổi từ thông phù hợp với tải  Pc = U.I = const  Mc = var * Tuy nhiên phương pháp này lại có chỉ tiêu kinh tế cao ,tổn thất năng lượng nhỏ. Qua những phân tích cụ thể 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ trên ta thấy mổi phương pháp điều chỉnh đều có những ưu nhược điểm riêng phù hợp với từng yêu cầu công nghệ .Căn cứ công nghệ của đề tài ta thấy phương pháp thay đổi tốc độ bằng cách điều chỉnh điện áp mạch phần ứng động cơ có nhiều ưu điểm nổi bật phù hợp với yêu cầu truyền động ăn dao máy doa như: • Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng • Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp • Sai lệch tĩnh nhỏ , β=const trong toàn dải điều chỉnh • Dể thực hiện tự động hoá • Mức độ phù hợp tải • Mc = const • Pc = var Do đó ta chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ.

Phân tích chọn bộ biến đổi chỉnh lưu Từ những phân tích ta đã chọn phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi điện áp mạch phần ứng .Phương pháp này là phải dùng bộ biến đổi (BBĐ) .BBĐ là một khâu quan trọng của hệ thống truyền động điện là một trong những yếu tố quyết 8 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN định đến chất lượng của hệ thống. Sau đây ta đưa ra 3 phương án để lập hệ điều áp như sau. Phương án I : Hệ thống van - động cơ (T - Đ) Phương án II : Hệ thống máy phát- động cơ (F- Đ) Phương án III: Hệ thống xung áp - động cơ (ĐAX - Đ) 1.1 Hệ thống van động cơ (T-Đ) a) Sơ đồ khối b) Nguyên lý làm việc Bộ biến đổi biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều .Khi thay đổi giá trị điện áp Uđk ta thay đổi được góc điều khiển α nhờ đó thay đổi được sức điện động của bộ biến đổi Eb = Ebm.cosα → thay đổi được điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ud = f(α) → thay đổi được tốc độ động cơ. c) Phương trình đặc tính cơ E .cosα - ΔU V R b + R + R ck ω = bm - *M K Φ dm (K Φ dm)2 9 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN Khi bỏ qua sụt áp thuận trên 1 van →∆UV = 0 E .cosα R b + R + R ck ω = bm - *M K Φ dm (K Φ dm)2 Trong đó : E b = E bm.cosα : Sức điện động của bộ biến đổi Rb, Rư , Rck : Điện trở của bộ biến đổi ,phần ứng động cơ ,cuộn kháng d) Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi giá trị góc điều khiển α=0÷1800 thì Eb =-Ebm÷ Ebm khi đó ta nhận được một họ đường thẳng song song với nhau bố trí trên nửa mặt phẳng bên phải của hệ trục (M ,ω) như hình vẽ bên (H.

e) Nhận xét ưu nhược điểm của BBĐ van-động cơ Ưu điểm : • Điều chỉnh trơn và điều chỉnh vô cấp • Dể dàng điều chỉnh ,tác động nhanh 10 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN • Phạm vi điều chỉnh rộng • BBĐ gọn nhẹ ,chắc chắn không cần nền móng • Dể tự động hoá và van có hệ số công suất cao • Nhược điểm : • Kém linh hoạt chuyển đổi • Điều khiển kém độ nhạy khi tín hiệu điều khiển lớn • Đảo chiều gặp khó khăn • Đặc tính mềm hơn hệ F-Đ 1.2 Hệ thống máy phát động cơ (F-Đ) a) Sơ đồ nguyên lý Trong đó : Đ : Động cơ được điều chỉnh BBĐ bao gồm : ĐS : Động cơ sơ cấp F : Máy phát * CKĐ , CKF : Cuộn kích từ cho máy động cơ và cho máy phát. b) Nguyên lý làm việc Động cơ sơ cấp ĐS biến đổi năng lượng điện xoay chiều của lưới thành cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục của máy phát F. Máy phát F biến đổi cơ năng đó thành điện năng một chiều để cung cấp cho động cơ một chiều kích từ độc lập Đ .Máy phát F còn làm chức năng điều khiển ,khi 11 GVHD:NGUYỄN THỊ THÀNH SVTH: NGUYỄN HỒNG QUÂN thay đổi dòng kích từ máy phát F ta thay đổi được Sđđ E F của máy phát → thay đổi được điện áp đặt lên phần ứng động cơ → thay đổi được tốc độ động cơ. c) Phương trình đặc tính cơ E F R ®+R ® ω= - *M K Φ ® (K Φ ®)2 d) Dạng đặc tính cơ Khi thay đổi dòng kích từ máy phát F thì tốc độ không tải lý tưởng EF k ω .α ω0 = = f f * I kf KΦ® KΦ® (k®Φ ®)2 β f ®= R thay đổi còn độ cứng đặc tính cơ thì giữ nguyên .Do đó các đặc tính cơ điều chỉnh sẽ là một họ đường thắng song song như trên hình vẽ (H.

e) Nhận xét ưu nhược điểm của hệ F-Đ Ưu điểm • Linh hoạt chuyển đổi làm việc cả 4 góc phần tư • Đặc tính động tốt • Hệ số quá tải lớn • Việc điều chỉnh tốc độ điều chỉnh trên mạch kích từ nên tổn hao nhỏ • Nếu sử dụng 2 mạch vòng điều chỉnh tốc độ thì dải điều chỉnh đạt khoảng D = 10 ÷ 30 Nhược điểm • Sử dụng nhiều máy điện quay nên hiệu suất thấp η =ηđs.