Đồ án môn học Tổng hợp hệ điện - Tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ truyền động máy mài tròn

 Phụ lục
LỜI NÓI ĐẦU .. 2
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT................................................................................3
 1.1. Giới thiệu chung...................................................................................................3
 1.2. Yêu cầu truyền động điện máy mài tròn ..............................................................4
 1.2.1. Truyền động chính ........................................................................................4
 1.2.2. Truyền động ăn dao.......................................................................................4
 1.2.3. Truyền động phụ ...........................................................................................5
 1.3. Đặc tính cơ của máy mài......................................................................................5
CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG .............................................8
 2.1. Chọn phương án truyền động...............................................................................8
 2.1.1. Biến tần trực tiếp(Cycloconverter)................................................................9
 2.1.2. Biến tần gián tiếp: .........................................................................................9
 2.1.3 Phương pháp điều khiển biến tần .................................................................11
 2.2. Tính chọn động cơ và thiết kế mạch lực ............................................................12
 2.2.1. Tính chọn động cơ.......................................................................................12
 2.2.2. Thiết kế mạch lực........................................................................................17
 2.2.3. Mạch điều khiển ..........................................................................................26
 2.3. Tổng hợp bộ điều chỉnh DTC.............................................................................27
 2.3.1. Nguyên lý của phương pháp DTC...............................................................27
 2.3.2. Mô hình hệ thống DTC ...............................................................................31
 2.3.3. Các vấn đề về ước lượng và nâng cao độ chính xác ...................................32
 2.4. Mô phỏng hệ thống trên simulink và cài đặt trên biến tần.................................34
KẾT LUẬN ...................................................................................................................40
Tài liệu tham khảo.........................................................................................................41
 1 LỜI NÓI ĐẦU
 Sự bùng nổ cua tiến bộ khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực điên-điện tử-tin học 
trong những năm gần đây đã dẫn đến những thay đổi sâu sắc về cả mặt lý thuyết 
lẫn thực tiễn trong lĩnh vực truyền điện tự động.Đó là sự ra đời và ngày càng 
hoàn thiệncủa các bộ biến đổi ông suất,với kích thước gọn nhẹ,độ tác dộng 
nhanh,dễ dàng ghép nối với các mạch điều khiển dùng vi mạch điện tử,vi xử 
lý, Các hệ truyền động điện tử động ngày nay thường sử dụng nguyên tắc điều 
khiển vecto cho các động cơ xoay chiều.Phần lớn các mạch điều khiển đó dùng 
kỹ thuật số với phần mềm linh hoạt,dễ dàng thay đổi cấu trúc,tham số cũng như 
luật điều khiển.Điều này làm cho các hệ truyền động điện tăng độ chính xác,làm 
cho việc chuẩn hóa chế tạo các hệ truyền động điện hiện đại có nhiều đặc tính 
làm việc khác nhau,dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản xuất.
 Do vậy,đồ án môn học tổng hợp hệ điện cơ giúp chúng ta nắm chắc hơn 
những kiến thức cơ sở những hệ thống truyền động điện kinh điện đồng thời nó 
cũng nhằm mục đích cho chúng ta từng bước tiếp cân với thực tế,tiếp cận với 
những hệ truyền động điện đại.
 Nội dung đồ án được chia làm 2 chương:
 Chương 1: Cơ sơ tý thuyết.
 Chương 2: Tính toán ,thiết kế và mô phỏng hệ truyền động máy mài tròn.
 Để có thể hoàn thành được đồ án này,bên cạnh sự cố gắng của cá nhân em 
cũng như các bạn trong nhóm,còn nhờ sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy 
giáo hướng dẫn, tuy nhiên do thời gian nghiên cứu ngắn và trình độ bản thân còn 
hạn chế nên đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót. Em rất mong các thầy 
hướng dẫn và bổ sung thêm để đồ án này được hoàn chỉnh hơn.
 Nghệ An, ngày 16 tháng 02 năm 2017
 2 CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Giới thiệu chung
 Máy mài có hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng. Ngoài ra, 
còn có các loại máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, 
máy mài răng... Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn để kẹp chi tiết và ụ 
đá mài, trên đó có trục chính với đá mài. Cả hai ụ đều đặt trên bệ máy.
 M ¸ y m µ i c« n g n g h iÖ p
 M ¸ y m µ i p h ¼ n g M ¸ y m µ i trß n C ¸ c lo ¹ i kh ¸ c
 M ¸y
 M ¸y M ¸y M ¸y
 m µi
 m µi m µi m µi
 b»ng
 m Æt trßn trßn
 biªn M¸y mµi c¾t
 ®Çu ngoµi trong M¸y mµi r·nh M¸y mµi r¨ng
 ®¸ M¸y mµi v« t©m
 Hình 1.1. Sơ đồ phân loại máy mài công nghiệp
 Máy mài tròn có hai loại: máy mài tròn ngoài và máy mài tròn trong. Sơ 
đồ biểu diễn công nghệ mài tròn được biểu diễn trên hình 1-2.
 §¸ m µi
 Chi tiÕt
 a. M ¸y m µi trßn ngoµi b. M ¸y m µi trßn trong
 Hình 1.2. Sơ đồ gia công chi tiết trên máy mài tròn
Các dạng chuyển động trong máy mài tròn gồm có: 
 3 - Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài.
 - Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến của ụ đá ăn dao theo hường 
dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc theo hướng ngang trục (ăn dao ngang), hoặc 
chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng).
 - Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của ụ đá hoặc chi tiết...
1.2. Yêu cầu truyền động điện máy mài tròn
1.2.1. Truyền động chính
 Thông thường truyền động chính máy mài không yêu cầu điều chỉnh tốc 
độ nên sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc. ở máy mài cỡ nặng, để 
duy trì tốc độ cắt không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay 
đổi, thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là 
D= (2 ÷ 4)/1 với công suất không đổi.
 Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ÷ 80 m/s nên đá mài có đường kính 
lớn thì tốc độ quay của đá khoảng 1000 vòng/phút. ở những máy có đường kính 
nhỏ, tốc độ đá rất cao. Động cơ truyền động là các động cơ đặc biệt có tốc độ 
24000 ÷ 48000 vòng/phút hoặc có thể lên tới 150000 ÷200000 vòng/phút, đá 
mài gắn trên trục động cơ. Nguồn của động cơ là các bộ biến tần, có thể là các 
máy phát tần số cao - biến tần quay hoặc là các bộ biến tần tĩnh - biến tần 
thyristor.
 Mômen cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 ÷20% mômen định mức. 
Mômen quá tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn 500 ÷600% mômen quán 
tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay đá và không yêu cầu 
đảo chiều quay động cơ quay đá.
1.2.2. Truyền động ăn dao
 Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ không đồng bộ 
nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2 ÷4)/1. ở các máy lớn thì 
dùng hệ thống bộ biến đổi - động cơ điện một chiều (BBĐ - ĐM), hệ KĐT - ĐM 
có D = 10/1 với phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng điều chỉnh điện áp phần 
ứng.
 4 Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ - 
ĐM với dải điều chỉnh tốc độ D = (20 ÷ 25)/1 còn truyền động ăn dao ngang sử 
dụng thuỷ lực.
1.2.3. Truyền động phụ
 Sử dụng động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.
1.3. Đặc tính cơ của máy mài
 Đặc tính của cơ cấu sản xuất được khái quát bằng phương trình:
trong đó:
 
 M M (M M )( ) 
 c co dm co
 dm
 Mco - Mômen ứng với tốc độ ω=0
 Mdm - Mômen ứng với tốc độ định mức ωdm
 Mc - Mômen ứng với tốc độ 
 α - số mũ phụ thuộc vào loại cơ cấu sản xuất. Với máy mài nói riêng và 
máy cắt gọt kim loại nói chung, q thường nhận hai giá trị α=1 (ứng với truyền 
động chính và α = const) và α=0 (ứng với truyền động ăn dao M co = Mđm = 
const).
 Từ đó, ta thấy nói chung momen tải là không đổi. Tuy nhiên, trong vùng 
tốc độ thấp, lượng ăn dao nhỏ, lực cắt bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn. 
Trong vùng này, tốc độ ăn dao giảm làm cho lực ăn dao và momen cũng giảm 
theo. Vùng tốc độ cao thì bị giới hạn bởi công suất của động cơ truyền động nên 
tại đó, momen cũng phải giảm để không làm công suất của truyền động quá lớn. 
Tóm lại, ta có đặc tính cơ phụ tải truyền động quay chi tiết nhưsau:
 5 Fz Fad
 v
 0 v v 0 v
 gh z v1 v2 ad
 a. TruyÒn ®éng chÝnh b. TruyÒn ®éng ¨n dao
 Hình 1.3. Đồ thị đặc tính phụ tải của máy mài
 Như vậy, nhiệm vụ của truyền động động cơ là phải làm đặc tính điều 
chỉnh của nó giốngđặc tính cơ của máy cắt.
 - Chế độ làm việc: Khi gia công mài, chi tiết quay liên tục còn đá mài di 
chuyển trên bề mặt vùng cần gia công. Do đó, chế độ làm việc của truyền động 
ăn dao là chế độ làm việc dài hạn và không yêu cầu đảo chiều.
 - Chế độ tải: Khi hệ thống làm việc, chi tiết được lắp trên trục của tang 
trống và quay với vận tốc tỉ lệ với tốc độ của trục động cơ. Do đó, động cơ mang 
tải ngay từ đầu. Do chế độ gia công khác nhau, các chi tiết khác nhau, nên 
không qui đổi momen quán tính của chi tiết về trục động cơ mà coi chi tiết như 
một tải có sẵn trên trục động cơ.
 - Độ ổn định tốc độ: Rõ ràng, tốc độ quay càng ổn định thì chất lượng gia 
công càng cao, bề mặt mài càng nhẵn, bóng. Yêu cầu đối với truyền động ăn dao 
máy mài: Δω% ≤ (5÷10)%
 - Tính kinh tế: Thiết bị cho hệ truyền động phải rẻ, nhưng vẫn đủ cung cấp 
hiệu quả cao nhất cho hệ. Đồng thời, thiết bị phải dễ kiếm và hoạt động tin cậy 
trong chế độ dài hạn.
 Căn cứ vào yêu cầu đề ra, ta phải thiết kế hệ thống đạt được những yêu 
cầu sau:
 - Dải điều chỉnh tốc độ: D = ωmax : ωmin = 480 : 48 = 10 : 1.
 6 - Điều chỉnh vô cấp tốc độ, không yêu cầu đảo chiều.
- Điều chỉnh giữ mômen không đổi và bám theo momen tải.
- Điều chỉnh giữ ổn định tốc độ.
- Làm việc dài hạn, tin cậy.
- Giá thành hạ
 7 CHƯƠNG 2. TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN 
 ĐỘNG MÁY MÀI TRÒN
2.1. Chọn phương án truyền động
 Như trên đã nói, chuyển động quay của chi tiết mài chính là chuyển động 
ăn dao. Đối với máy mài tròn, ở các máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết 
(truyền động ăn dao) thường dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ, 
điều tốc bằng cách điều chỉnh số đôi cực. Ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ 
biến đổi - động cơ một chiều/động cơ đồng bộ. Công suất mà đề bài yêu cầu là 
nhỏ, do đó ở đây sẽ dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sócđể truyền 
động quay chi tiết. Trước đây, động cơ điện một chiều thường được ưa chuộng 
hơn, kể cả trong dải công suất nhỏ vì tính điều chính đơn giản và tuyến tính của 
nó. Tuy nhiên, ngày nay, công nghệ điện tử và vi điều khiển phát triển mạnh mẽ, 
việc điều khiển động cơ không đồng bộ không còn là khó khăn nữa, hơn nữa 
động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc rẻ hơn động cơ một chiều cùng công 
suất nhiều và rất phổ biến trên thị trường với dải công suất rộng, do đó, hoàn 
toàn phù hợp cho ứng dụng của chúngta.
 Do yêu cầu điều chỉnh trơn tốc độ nên ta dùng bộ biến tầnđể cấp nguồn 
cho động cơ. Hơn nữa, việc dùng biến tần cho ta dễ dàng mở rộng dải điều 
chỉnh, dễ dàng áp đặt các kỹ thuật điều khiển hiện đại, áp đặt nhanh và chính 
xác momen, điều chỉnh trơn và ổn định tốc độ. Ngoài ra, biến tần hoạt động tin 
cậy và chắc chắn, dễ dàng cài đặt tham số điều khiển, có thể dùng 1 biến tần cho 
nhiều loại truyền động. Do đó, việc sử dụng biến tần đã trở thành một chuẩn 
công nghiệp. Có nhiều hãng lớn sản xuất biến tần rất nổi tiếng như ABB, 
Siemens, với các sản phẩm rất nổi tiếng trên thị trường, tuy nhiên ở đây, ta sẽ 
thiết kế lại bộ biến tần để phục vụ cho bài toán yêu cầu mà không sử dụng biến 
tần sẵn có.
 Biến tần có 2 loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp. Sau đây sẽ phân 
tích ưu nhược điểm của từng loại để chọn ra loại biến tần thích hợp nhất với ứng 
dụng của ta.
 8 2.1.1. Biến tần trực tiếp(Cycloconverter)
 Hình 2.1: Biến tần trực tiếp sơ đồ tia 3 pha.
 Ưu điểm:
 - Mạch chỉ cần dùng van Tiristor thông thường, quá trình chuyển mạch 
theo điện áp lưới.
 - Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu suất rất 
cao.
 - Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sự cố.
 - Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW.
 Nhược điểm:
 -Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phức tạp.
 -Hệ số công suất thấp.
 Tóm lại, với ứng dụng là hệ truyền động cho máy mài, ta không dùng loại 
biến tần này.
2.1.2. Biến tần gián tiếp:
 Biến tần gián tiếp khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian một 
chiều. Nhờ có khâu trung gian một chiều này mà khâu chỉnh lưu và khâu nghịch 
lưu là cách ly nhau và điều chỉnh độc lập với nhau. Tần số đầu ra nhờ đó có thể 
được điều chỉnh mà không phụ thuộc tần số đầu vào. Tùy thuộc vào khâu trung 
 9 gian một chiều mà phân ra thành biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp.
a.Biến tần nguồn dòng
 Hình 2.2. Biến tần nguồndòng
 Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng L f, thực hiện chức năng nguồn 
dòng cho bộ nghịch lưu.
 Ưu điểm:
 - Có khả năng trả năng lượng về lưới.
 - Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ không đổi.
 - Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100 kW 
 Nhược điểm:
 - Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ.
 - Cồng kềnh vì có cuộn kháng.
 - Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải nhất là khi tải nhỏ.
 Do đó, với ứng dụng máy mài với tải chỉ vào khoảng 2,2kW của ta, biến 
tần nguồn dòng rõ ràng là không phù hợp.
 b. Biến tần nguồn áp
 Khâu trung gian một chiều là tụ C f, thực hiện chức năng nguồn áp cho bộ 
nghịch lưu.
 Ưu điểm:
 - Phù hợp với tải nhỏ, dưới 30kW
 -Hệ số công suất của mạch lớn (gần bằng 1)
 - Hình dạng và biên độ điện áp ra không phụ thuộc tải, dòng điện cho tải 
qui định.
 10