Giáo trình Trang bị điện 2 - Đại học Điện lực - Tập đoàn Điện lực Việt Nam

Giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng và kỹ năng thực hành về trang bị điện, từ sơ đồ mạch đến các tiêu chuẩn an toàn hiện hành.

• Tác giả: Chu Đức Toàn
• Người hướng dẫn: GS.TSKH. Trần Đình Long
• Trường học: Trường Đại học Điện Lực
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Giáo trình môn học trang bị điện 2
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình môn học trang bị điện

Giáo trình môn học Trang bị điện là tài liệu đào tạo chuyên ngành quan trọng trong hệ thống giáo dục kỹ thuật điện Việt Nam. Tài liệu do Hội Điện lực Việt Nam chủ trì biên soạn theo đề án nghiên cứu khoa học cấp Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Giáo trình phục vụ đào tạo sinh viên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa tại các cơ sở đào tạo thuộc Tập đoàn. Nội dung bao gồm 8 chương, từ khái niệm chung về máy cắt gọt kim loại đến hệ thống điều khiển số CNC. Mỗi chương trình bày nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch điện và phương pháp phân tích cho từng loại máy công cụ cụ thể. Tài liệu được biên soạn dựa trên kinh nghiệm giảng dạy nhiều năm tại Trường Đại học Điện lực. Giáo trình cung cấp kiến thức nền tảng về hệ thống truyền động điện, mạch điều khiển và bảo vệ động cơ trong các máy công cụ công nghiệp. Đây là nguồn tham khảo sát với chương trình đào tạo, giúp sinh viên nắm vững nguyên lý trang bị điện cho máy móc sản xuất.

1.1. Mục tiêu và đối tượng đào tạo

Giáo trình nhắm đến đối tượng sinh viên ngành Công nghệ tự động và Kỹ thuật điều khiển tại các trường thuộc Tập đoàn Điện lực Việt Nam. Mục tiêu chính là trang bị kiến thức về hệ thống điện điều khiển máy công cụ. Sinh viên học cách phân tích mạch điện động lực và mạch điều khiển. Năng lực tính toán thông số kỹ thuật, lựa chọn thiết bị điện phù hợp được nhấn mạnh. Giáo trình cũng rèn luyện kỹ năng đọc và phân tích sơ đồ mạch điện thực tế trong sản xuất công nghiệp.

1.2. Cấu trúc và phạm vi nội dung

Giáo trình gồm 8 chương, bao phủ đầy đủ các nhóm máy công cụ phổ biến trong công nghiệp. Chương 1 đến 3 trình bày khái niệm chung và trang bị điện cho máy tiện, máy bào giường. Chương 4 và 5 phân tích máy doa và máy mài. Chương 6 và 7 đề cập máy phay, máy khoan và máy cán. Chương 8 giới thiệu tổng quan về máy CNC. Mỗi chương đều có phần phân tích mạch điện chi tiết kèm sơ đồ minh họa thực tế.

II. Phân tích nội dung trang bị điện máy công cụ

Nội dung giáo trình tập trung phân tích hệ thống truyền động điện cho từng loại máy cắt gọt kim loại. Phần trang bị điện cho máy tiện trình bày chi tiết mạch điện máy T616 và máy tiện 1540. Hệ thống sử dụng động cơ một chiều với bộ điều khiển tốc độ. Máy bào giường áp dụng hai hệ truyền động chính là hệ F-Đ và hệ T-Đ. Hệ F-Đ sử dụng máy phát một chiều cấp điện cho động cơ, cho phép điều chỉnh tốc độ mượt mà. Hệ T-Đ dùng thyristor điều khiển trực tiếp động cơ. Máy doa được phân tích qua các model 2A613, 2A450 và 2620 với yêu cầu điều khiển chính xác cao. Máy mài 3A161 đòi hỏi tốc độ vòng quay lớn và ổn định. Giáo trình còn trình bày mạch điện máy phay 6H81, máy khoan 2A125, 2A55. Phần máy cán đề cập cả cán nóng quay thuận nghịch và cán nguội. Mỗi phần đều có sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển chi tiết.

2.1. Hệ thống truyền động F Đ và T Đ

Hệ truyền động F-Đ sử dụng máy phát điện một chiều F cấp nguồn cho phần ứng động cơ Đ. Cuộn kích từ CKF của máy phát được điều khiển để thay đổi điện áp, qua đó điều chỉnh tốc độ động cơ. Hệ cho phép điều tốc trong dải rộng, phù hợp máy bào giường. Hệ T-Đ dùng biến áp thyristor thay thế máy phát, giảm kích thước thiết bị. Cả hai hệ đều cần mạch bảo vệ quá dòng, mất từ thông và liên động an toàn. Rơle RC bảo vệ quá dòng, rơle RTT giám sát từ thông.

2.2. Mạch điều khiển và bảo vệ động cơ

Mạch điều khiển đảm bảo động cơ chỉ khởi động khi đủ điều kiện an toàn. Các liên động bao gồm: đủ dầu bôi trơn, đủ từ thông, bánh răng đã ăn khớp, tốc độ đã đặt và chiều quay đã chọn. Công tắc tơ ĐG đóng mạch động lực nối máy phát với động cơ. Rơle 1RLĐ đến 4RLĐ thực hiện các chức năng liên động khác nhau. Mạch hãm động năng được giải phóng qua tiếp điểm K2 khi động cơ hoạt động. Hệ thống sử dụng động cơ servo kéo biến trở để điều chỉnh tốc độ.

III. Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện

Giáo trình trình bày phương pháp tính toán thông số kỹ thuật cho hệ thống trang bị điện. Phương pháp xác định dòng điện động cơ trong các chế độ làm việc khác nhau được hướng dẫn chi tiết. Với máy bào giường, cần tính dòng điện trong hành trình thuận, nghịch và các quá trình quá độ. Công suất đầu trục động cơ được xác định qua tổn hao không tải và tổn hao ma sát trên gờ trượt. Mômen điện từ tính từ công suất và tốc độ góc tương ứng. Dòng điện động cơ suy ra từ mômen và hằng số từ thông KΦ. Giáo trình cung cấp công thức tính công suất hữu ích, mômen tải đầy và hệ số truyền động. Phương pháp giản đồ được áp dụng: từ công suất P(t) đến mômen M(t) rồi đến dòng điện I(t). Các thông số định mức của động cơ như công suất Pđm, dòng điện Iđm được sử dụng làm cơ sở tính toán. Thiết kế mạch phải đảm bảo chọn đúng tiết diện dây, thiết bị bảo vệ phù hợp.

3.1. Tính toán dòng điện động cơ

Dòng điện động cơ thay đổi theo từng khoảng thời gian trong chu kỳ làm việc. Ở chế độ ổn định không tải, dòng điện xác định qua tổn hao nội và ma sát. Khi có tải, dòng điện tăng theo mômen kháng. Công thức tính dòng: I = M/(KΦ), với KΦ là hằng số từ thông động cơ. Cần xác định riêng dòng cho hành trình thuận, nghịch và các quá trình quá độ. Giá trị dòng cực đại quyết định chọn thiết bị bảo vệ và tiết diện dây dẫn.

3.2. Thiết kế sơ đồ mạch điện

Sơ đồ mạch điện gồm phần động lực và phần điều khiển. Phần động lực cấp nguồn chính cho động cơ, gồm contactor, aptomat và thiết bị bảo vệ. Phần điều khiển xử lý logic liên động, khởi động, dừng và đảo chiều. Khi thiết kế, cần xác định rõ các điều kiện liên động an toàn. Thứ tự đóng cắt các contactor phải đảm bảo không gây ngắn mạch. Sơ đồ nguyên lý vẽ theo tiêu chuẩn TCVN, mỗi phần mạch được đánh ký hiệu riêng để dễ đọc và sửa chữa.

IV. Ứng dụng thực tiễn và vai trò giáo trình

Giáo trình trang bị điện có giá trị ứng dụng cao trong đào tạo kỹ thuật viên và kỹ sư tự động hóa. Kiến thức về mạch điện máy công cụ giúp sinh viên hiểu nguyên lý hoạt động thiết bị thực tế tại nhà máy. Kỹ năng phân tích mạch điện áp dụng trực tiếp vào công tác vận hành, bảo trì hệ thống sản xuất. Phần giới thiệu máy CNC mở rộng tầm nhìn về công nghệ điều khiển số hiện đại. Giáo trình cũng phục vụ đào tạo lại cho công nhân kỹ thuật tại các nhà máy thuộc Tập đoàn Điện lực. Nội dung tính toán dòng điện, chọn thiết bị giúp ích cho công tác thiết kế hệ thống điện công nghiệp. Tài liệu còn là nguồn tham khảo cho các dự án cải tiến trang bị điện nhà máy. Sự kết hợp giữa lý thuyết và ví dụ thực tế tạo nền tảng vững chắc cho người học. Giáo trình đóng góp vào chuẩn hóa chương trình đào tạo kỹ thuật điện toàn quốc.

4.1. Vai trò trong đào tạo kỹ thuật

Giáo trình là tài liệu chính thức trong chương trình đào tạo ngành Công nghệ tự động. Nội dung bám sát thực tế sản xuất, giúp sinh viên tiếp cận thiết bị công nghiệp ngay từ ghế nhà trường. Phương pháp phân tích mạch điện được trình bày từ đơn giản đến phức tạp. Sinh viên học cách đọc sơ đồ nguyên lý, xác định nguyên nhân sự cố. Kỹ năng này rất cần thiết cho vị trí kỹ thuật viên bảo trì và kỹ sư tự động hóa tại các nhà máy.

4.2. Hướng phát triển và cập nhật

Công nghệ trang bị điện liên tục phát triển với sự xuất hiện của biến tần, servo và PLC. Giáo trình cần cập nhật thêm nội dung về điều khiển số CNC chi tiết hơn. Phần truyền động xoay chiều với biến tần cần được bổ sung. Ứng dụng IoT và giám sát từ xa trong hệ thống điện nhà máy cũng là hướng mở rộng. Các bài tập thực hành mô phỏng mạch điện trên phần mềm sẽ tăng hiệu quả đào tạo. Việc cập nhật định kỳ giúp giáo trình luôn phù hợp yêu cầu công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 Khái niệm, phân loại máy cắt gọt kim loại. Nêu các chuyển động trên máy cắt gọt kim loại Trình bày các tham số đặc trưng cho chế độ cắt gọt trên các máy cắt gọt kim loại. Nêu lên sự khác nhau của phụ tải trong chuyển động chính và chuyển động ăn dao. Trình bày các phương pháp điều chỉnh tốc độ trong các máy cắt gọt kim loại.

Ưu, nhược điểm của từng phương pháp, lấy ví dụ minh họa. Nêu các chỉ tiêu điều chỉnh tốc độ máy cắt gọt kim loại. Phân tích chỉ tiêu độ ổn định tốc độ trong máy cắt gọt kim loại, lấy ví dụ minh họa. Nêu các dạng gia công điển hình trên máy cắt gọt kim loại, lấy vị với máy tiện.

Nêu phương pháp điều chỉnh tốc độ với động cơ điện một chiều kích từ độc lập. Vẽ mạch thực hiện phương pháp đó. 20 CHƯƠNG II TRANG BỊ ĐIỆN CHO NHÓM MÁY TIỆN 2. ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ Máy tiện là loại máy công cụ để gia công hình thù các chi tiết máy.

Nguyên công chủ lực mà máy tiện thực hiện là tiện các khối hình trụ, cắt ren, khoan lỗ hoặc tiện các vật thể định hình tròn xoay khác. Nhóm máy tiện rất đa dạng, gồm các máy tiện đơn giản, Rơvônve, máy tiện vạn năng, chuyên dùng, máy tiện đứng, máy tiện CNC,… Kích thước gia công trên máy tiện có thể từ cỡ vài mili mét đến hàng chục mét (trên máy tiện đứng).1: Hình dạng ngoài của máy tiện. PHỤ TẢI VÀ PHƯƠNG PHÁP CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN 2. Phụ tải Phụ tải của cơ cấu truyền động chính Quá trình tiện như máy tiện được thực hiện với các chế độ cắt khác nhau đặc trưng bởi các thông số: độ sâu cắt t, lượng ăn dao s và tốc độ cắt v.

Tốc độ cắt phụ thuộc vật liệu gia công, vật liệu dao, kích thước dao dạng, gia công, điều kiện làm mát v.v… theo công thức kinh nghiệm.s yv Có thể cho một vài ví dụ về các giá trị của các hệ số và số mũ: khi gia công gang và thép bằng dao hợp kim Cv = 40 - 260 ; dao cắt bằng thép gió Cv = 18 - 24; s 0,1 - 0,4 mm/vg ; T = 60 - 180 ph. Các số mũ xv, yv, m thường lấy các giá trị : xv = 0,15  0,2 ; yv = 0,35  0,8 ; m = 0,1  0,2. Để đảm bảo năng suất cao nhất, sử dụng máy triệt để nhất thì trong quá trình gia công phải luôn đạt tốc độ tối ưu, nó được xác định bởi các thông số: độ sâu cắt t, lượng ăn dao s và tốc độ trục chính ứng với đường kính chi tiết xác định. Khi tiện ngang chi tiết có đường kính lớn, trong quá trình gia công, đường kính chi tiết giảm dần, để duy trì tốc độ cắt (m/s) tối ưu là hằng số, thì phải tăng liên tục tốc độ của trục chính theo quan hệ.2) Ở đây: dct - đường kính chi tiết (m) Trong quá trình gia công, tại điểm tiếp xúc giữa dao và chi tiết xuất hiện một lực F gồm ba thành phần và lực cắt xác định theo.3) z F Khi gia công thép bằng dao hợp kim cứng C F = 300; dao bằng théo gió CF = 208.

Gia công gang xám tương ứng CF = 92 và CF = 118 ; xF = 1 ; yF = 00,75 ; n = 0 với dao bằng thép gió và n = - 0,15 với dao bằng hợp kim cứng.2: Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện. 22 Quá trình tiện xảy ra với công suất cắt (kW) là hằng số: -3 (2. 10 [kW] Bởi vì lực cắt lớn nhất F max sinh ra khi trong ăn dao và độ sâu cắt lớn, tương ứng với tốc độ cắt nhỏ vmin; còn lực cắt nhỏ nhất F min, xác định bởi t, s tương ứng với tốc độ cắt vmax, nghĩa là tương ứng với hệ thức: Fmax .5) - Phụ tải của truyền động chính máy tiện đứng Truyền động chính máy tiện đứng có đặc thù riêng, khác so với máy tiện bình thường về cấu trúc và kích thước. Trên máy tiện đứng, chi tiết gia công có đường kính lớn và được đặt trên mâm cặp nằm ngang, hay nói cách khác, trục mâm cặp là theo phương thẳng đứng.

Do trọng lượng mâm cặp và trọng lượng chi tiết lớn nên lực ma sát ở gờ trượt và hộp tốc độ khá lớn. Vì vậy phụ tải trên trục động cơ truyền động chính máy tiện đứng là tổng của các thành phần lực cắt, lực ma sát ở gờ trượt, lực ma sát ở hộp tốc độ.3a là đồ thị biểu diễn các thành phần công suất của truyền động chính và sự phụ thuộc của chúng vào tốc độ mâm cặp; P 1 - công suất khắc phục lực cắt; P2 - công suất khắc phục lực ma sát ở gờ trượt; P 3 và P4 - công suất khắc phục lực ma sát trong hộp tốc độ tương ứng do lực ma sát và sự quay của mâm cặp; P5 - tổng công suất của truyền động chính.3b lực ma sát phụ thuộc vào tốc độ ảnh hưởng lớn đến quá trình quá độ của truyền động chính. Do khối lượng của mâm cặp và chi tiết lớn và sự khác nhau của hệ số ma sát lúc đứng yên và chuyển động nên mômen cản tĩnh khi khởi động của truyền động cơ thể đạt tới (60  80)% mômen định mức. Bởi vì mômen quán tính tổng quy đổi về trục động cơ có thể đạt tới 8  9 lần mômen quán tính của động cơ nên quá trình khởi động của hệ thống diễn ra chậm với mômen cản tĩnh lớn.

Theo mức độ gia tốc của động cơ, mômen cản tĩnh sẽ giảm nhanh và khi tốc độ tăng thì nó ít thay đổi.3: Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện đứng. Phụ tải của truyền động ăn dao Công suất ăn dao của máy tiện được xác định bằng công thức: -3 Pad = Fad. Công suất ăn dao thường nhỏ hơn công suất cắt 100 lần vì tốc độ ăn dao được xác định bởi lượng ăn dao và tốc độ góc của chi tiết: vad  s' .6) Nhỏ hơn tốc độ cắt nhiều lần. Ở đây: '  s / 2 ,[mm / rad s ] Lực và mômen phụ tải của truyền động ăn dao không phụ thuộc vào tốc độ của nó, vì phụ tải của truyền động ăn dao chỉ được xác định bởi khối lượng bộ phận truyền động ăn dao.

Ở dải tốc độ rộng v 1 < v < v2 mômen phụ tải là hằng số, dải tốc độ v < v1 và v > v2 mômen phụ tải sẽ thay đổi tuyến tính theo tốc độ. Thời gian máy Thời gian máy (thời gian gia công) của máy tiện được xác định: L.7) Trong đó: L - chiều dài gia công, mm; ct - tốc độ góc của chi tiết, rad/s; s- lượng ăn dao, mm/vg.7) ta có công thức tính thời gian máy: t  L [s] M (2. s' Như vậy để giảm thời gian gia công, ta phải tăng tốc độ cắt và lượng ăn dao và năng suất sẽ tăng.4: Đồ thị phụ tải truyền động ăn dao. Phương pháp chọn công suất truyền động chính của máy tiện Quá trình tính toán như sau: Bước 1: Từ các yếu tố chế độ cắt gọt, xác định tốc độ cắt, lực cắt, công suất cắt và thời gian gia công ứng với từng nguyên công.

Nếu tốc độ cắt tính được không phù hợp tốc độ của máy (theo số liệu kĩ thuật cơ khí) thì chọn lấy trị số có sẵn trong máy gần giống với tốc độ cắt tính toán.5: Chi tiết được gia công trên máy tiện. Bước 2: Chọn nguyên công nặng nề nhất và giả thiết ở nguyên công ấy máy làm việc ở chế độ định mức. Xác định hiệu suất của máy ứng với phụ tải của từng nguyên công. Công suất trên trục động cơ ứng với từng nguyên công: PDi = Pzi/  i Giả thiết trong các thời gian gá lắp, tháo gỡ chi tiết, đo đạc kích thước, chuyển đổi từ nguyên công này sang nguyên công khác, động cơ quay không tải (mà không cắt điện động cơ), thì công suất trên trục động cơ lúc này là công suất không tải của máy, tức là bằng lượng mất mát không đổi: P0 = a.9) Ứng với công suất này là các thời gian phụ của máy, chúng được xác định theo tiêu chuẩn vận hành của máy  t0 Các số liệu tính toán được ghi vào bảng 1.1 hoặc vẽ đồ thị hình 2.1: Số liệu để chọn công suất động cơ Nguyên Chiều dài gia t s v  ct Fz Pz (kW) Kt  Pc tM công công L (mm) (mm) (mm/vg) (m/ph) (1/2) (N) (KW) (ph) 1 l1 = 0,5(d1 - d0) t1 s1 v2 ct1 F Pz1 Kt1 1 Pc1 t m1 z1 2 l2 t2 s2 v2  F Pz2 = Pzdm l  P t ct 2 z2 dm cdm m2 3 l3 = 0,5(d2 - d1) t3 s3 v3  F Pz3 Kt3  3 P t m3 ct3 z3 c3 4 l4 t4 s4 v4  F Pz4 Kt4  P t ct 4 z4 4 c4 m4 Bước 3: Động cơ có thể chọn theo công suất trung bình hoặc công suất đẳng trị: 4 n  Pci mi  P tt  tt oj oj i 1 j 1 P 4 n (2.10)  tb t t  mi   oj i 1 j 1  Hoặc: 25 4 2  n 2 P .t oj  ci  oj P  i1 4 j 1 n (2.11) ñt t  t mi oj i j 1 1 Trong đó: Pct, tj - Công suất trên trục động cơ, thời gian máy của nguyên công thứ i; Poj, toj - Công suất không tải trên trục động cơ, thời gian làm việc không tải của máy.

Poj = Po; n - Số khoảng thời gian làm việc không tải Hình 2.6: Đồ thị phụ tải của động cơ. Chọn động cơ có công suất định mức lớn hơn 20  30% công suất trung bình hoặc đẳng trị: Pđm  (1,2  1,3)Ptb hoặc Pđm   1,3)Pđt (2.12) (1,2 Bước 4: Động cơ truyền động chính máy tiện cần được kiểm nghiệm theo điều kiện phát nóng và quá tải. MẠCH ĐIỆN MÁY TIỆN T616 2. Giới thiệu chung, các ký hiệu trên sơ đồ - Trên hình vẽ: 1Đ là động cơ truyền động trục chính (quay mâm cặp); loại: AO51 - 42; 3 - 380V; 4,5kW; 1440 vòng/phút.

2Đ là động cơ bơm dầu bôi trơn; loại: TO1 - 2; 3 - 380V; 0,125kW; 2800 vòng/phút. 3Đ: Động cơ bơm nước; loại: A22; 3 - 380V; 0,125kW; 2800 vòng/phút. Đ: Đèn chiếu sáng làm việc; 36V/ 10W. BA: Biến áp 380V/ 36V: dùng cấp nguồn điện áp thấp cho đèn chiếu sáng Đ.

KC: Tay gạt (bộ khống chế) 3 vị trí, 4 tiếp điểm dùng để điều khiển máy.