Khái niệm chung và phân loại
Phân loại theo tính năng sử dụng
Máy xúc là thiết bị quan trọng trong ngành xây dựng và khai thác mỏ, với nhiều loại gầu xúc khác nhau Máy xúc sử dụng trong xây dựng có thể tích gầu xúc từ 0,25 đến 2m3, trong khi máy xúc cho khai thác mỏ lộ thiên có gầu xúc từ 4 đến 8m3 Đối với việc bốc xúc đất đá, máy xúc có thể tích gầu xúc từ 4 đến 35m3 Đặc biệt, máy xúc bước gàu ngoạm có thể tích gầu xúc lên tới 80m3, phục vụ cho các công việc nặng nhọc hơn.
Phân loại theo cơ cấu bốc xúc
Máy xúc có nhiều loại cơ cấu bốc xúc khác nhau, mỗi loại hoạt động theo nguyên lý riêng Cơ cấu bốc xúc gàu thuận cho phép gàu di chuyển vào đất đá theo hướng từ máy xúc ra phía trước nhờ sự kết hợp của cơ cấu nâng - hạ gàu và cơ cấu tay gàu Trong khi đó, cơ cấu bốc xúc gàu ngược di chuyển từ ngoài vào trong với sự hỗ trợ của hai lực tương tự Gàu cào di chuyển theo mặt phẳng ngang từ ngoài vào trong trên cần gàu dẫn hướng Đối với gàu treo trên dây, gàu di chuyển từ ngoài vào trong dưới tác động của cơ cấu kéo cáp và nâng cáp Cơ cấu bốc xúc gàu ngoạm thực hiện quá trình bốc xúc bằng cách kéo khép kín hai nửa thành gàu, có thể thay thế bằng cơ cấu móc Cuối cùng, máy xúc rôto sử dụng gàu quay với nhiều gàu xúc nhỏ gắn trên bánh xe, hoạt động theo chu vi của bánh xe.
Máy xúc nhiều gàu xúc được thiết kế với nhiều gàu nhỏ nối tiếp trên băng xích di chuyển liên tục, tương tự như băng chuyền Trong số các loại máy xúc, máy xúc gàu thuận có mức đứng thấp hơn so với mức gương lò, tức là mức đất đá cần được bốc xúc Ngược lại, máy xúc gàu cào có mức đứng ngang bằng với mức gương lò, trong khi các loại máy xúc khác đều có mức đứng cao hơn mức gương lò.
Hình 1.1 Các loại máy xúc a) máy xúc gàu thuận; b) máy xúc gàu ngược; c) máy xúc gàu cào; d) máy xúc gàu treo; e) máy xúc roto; h) máy xúc nhiều gàu xúc
Phân loại theo thể tích gàu xúc (hoặc theo công suất)
Máy xúc được phân loại theo công suất và ứng dụng trong các ngành khác nhau Máy xúc công suất nhỏ, thường dùng trong xây dựng, có thể tích gầu xúc từ 0,25 đến 2m3 Trong khi đó, máy xúc công suất trung bình, phục vụ cho ngành khai thác mỏ lộ thiên, có thể tích gầu xúc từ 2 đến 8m3 Đối với máy xúc công suất lớn, chúng thường có nhiều gầu xúc với tổng thể tích từ 6 đến 80m3, phù hợp cho các công việc nặng và quy mô lớn.
Phân loại theo cơ cấu động lực (cơ cấu sinh công)
a) Máy xúc có cơ cấu sinh công là động cơ điện. b) Máy xúc có cơ cấu sinh công là động cơ đốt trong.
Phân loại theo cơ cấu di chuyển
a) Máy xúc chạy bằng bánh xích. b) Máy xúc chạy bằng bánh lốp. c) Máy xúc chạy theo đường ray. d) Máy xúc chạy theo bước (h 1h).
Kết cấu và cấu tạo của máy xúc
Máy xúc kiểu gầu thuận
Hình 1.2 Máy xúc 1 gàu-gàu thuận
Cơ cấu quay (bàn quay) 1 được lắp trên cơ cấu di chuyển bằng bánh xích 2, cùng với cần gàu 6 và tay gàu 5 Tay gàu 5 kết hợp với gàu xúc 7 di chuyển theo gương lò nhờ cơ cấu đẩy tay gàu 4 và cáp kéo 9 của cơ cấu nâng - hạ gàu Quá trình bốc xúc diễn ra nhờ sự kết hợp của hai cơ cấu: cơ cấu đẩy tay gàu tạo bề dày lớp cắt và cơ cấu nâng - hạ gàu xác định đường di chuyển của gàu Việc đổ tải từ gàu xúc sang các phương tiện khác được thực hiện qua cơ cấu mở đáy gàu 3 lắp trên thành thùng xe của máy xúc.
Máy xúc hoạt động với ba chuyển động cơ bản: nâng - hạ gàu, ra - vào tay gàu và quay Bên cạnh đó, máy còn có một số chuyển động phụ như nâng cần gàu, di chuyển máy xúc và đóng - mở đáy gàu.
Chu trình làm việc của máy xúc bao gồm các bước: đào, nâng gàu, quay gàu về vị trí đổ tải, sau đó quay gàu trở lại vị trí đào và hạ gàu xuống gương lò Thời gian cho mỗi chu trình này dao động từ 20 đến 60 giây.
Cơ cấu nâng hạ gàu và tay gàu của máy xúc thường xuyên phải chịu quá tải do phải bốc xúc đất đá cứng hoặc khi lớp cắt quá sâu Việc này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc mà còn có thể gây hư hỏng cho máy.
Các cơ cấu chính của máy xúc làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại với hệ số tiếp điểm tương đối TĐ% = (25 ÷ 75)%
Máy xúc kiểu gầu treo trên dây
Hình 1.3 Máy xúc kiểu treo dây
Tất cả thiết bị điện và thiết bị cơ khí của máy xúc được lắp đặt trên bàn quay 1.
Máy xúc có khả năng quay với góc quay tối đa trên bệ 2, di chuyển nhờ cơ cấu bước tiến 3 và hai kích thuỷ lực 4 Việc di chuyển được thực hiện thông qua tấm trượt 5 lắp đặt ở hai bên thành của bàn quay 1 Cần gàu 6 được cố định trên bàn quay bằng hệ thống thanh giằng 9, trong khi gàu xúc 8 treo trên 160 dây cáp nâng 10 Quá trình bốc xúc đất đá diễn ra nhờ cáp kéo 7, kéo gàu từ ngoài vào trong máy xúc.
Các cơ cấu của máy xúc hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, với chế độ làm việc nặng nề, chao lắc mạnh, và nhiều bụi Nhiệt độ môi trường thay đổi rộng rãi, cùng với các yếu tố như độ nghiêng, độ chênh dọc trục và gia tốc lớn khi mở máy và hãm, cũng ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc Do đó, thiết bị của máy xúc cần được chế tạo với độ bền cơ học cao và độ tin cậy làm việc tối ưu.
Các yêu cầu cơ bản đối với hệ truyền động các cơ cấu của máy xúc
Đối với máy xúc có một gàu xúc
Đối với máy xúc có một gàu xúc, hệ truyền động cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản, bao gồm đặc tính cơ của hệ truyền động điện cho các cơ cấu chính như nâng - hạ gàu, quay và đẩy tay gàu Các cơ cấu này phải đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu và độ tin cậy cao trong quá trình vận hành.
Trong phạm vi tải từ 0 đến dòng nhỏ hơn dòng điện ngắt (Ing = 2,25 ÷ 2,5Iđm), độ sụt tốc độ của máy xúc là không đáng kể, đảm bảo năng suất hoạt động Khi động cơ gặp tình trạng quá tải (I ≥ Ing), tốc độ của động cơ cần phải giảm nhanh về không để tránh hư hỏng Để đáp ứng các yêu cầu này, hệ truyền động cần tạo ra đường đặc tính cơ đặc trưng, được gọi là đặc tính “máy xúc”.
Hình 1.4 Đặc tính cơ của máy xúc truyền động
Hình 1.5 Đặc tính cơ các hệ truyền động
Trong thực tế, người vận hành máy xúc không thể nhận biết được thời điểm quá tải của động cơ theo đường đặc tính cơ lý tưởng (đường 1), dẫn đến việc không giảm tốc độ và hạn chế mô men động cơ, làm tăng nguy cơ cháy nổ Do đó, họ thường sử dụng đặc tính mềm hơn (đường 2) để bảo vệ động cơ khỏi tình trạng quá tải.
Năng suất máy xúc được xác định qua diện tích tứ giác giữa hệ trục tọa độ và đường đặc tính cơ của hệ truyền động Để đánh giá năng suất, ta sử dụng hệ số lấp đầy k, được tính theo công thức cụ thể.
Với SADCO - diện tích tứ giác hợp thành giữa hệ trục toạ độ và đường đặc tính cơ cuả hệ truyền động;
SABCO - diện tích tứ giác hợp thành giữa hệ trục toạ độ và đường đặc tính cơ lý tưởng;
: - Tốc độ không tải của động cơ M: - Hệ số tỉ lệ.
Hệ số lấp đầy của các hệ truyền động hiện đại có thể đạt tới k = 0,8 ÷ 0,9, cho phép đánh giá và tính chọn hệ truyền động một cách hợp lý cho từng loại máy xúc cụ thể Hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ ba pha được sử dụng phổ biến cho các máy xúc có công suất nhỏ và thể tích gàu xúc dưới 1m3 Đặc biệt, động cơ không đồng bộ có hệ số trượt lớn giúp hạn chế dòng điện của động cơ trong giới hạn cho phép.
Hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có thể tối ưu hóa hiệu suất khi thêm một điện trở phụ trong mạch roto, với giá trị Rf = (0,1 ÷ 0,15)R, trong đó R là điện trở của dây quấn roto Bên cạnh đó, việc sử dụng cuộn kháng bảo hoà trong mạch stato cũng góp phần cải thiện đường đặc tính cơ cho các cơ cấu của máy xúc công suất nhỏ.
Hệ truyền động máy phát một chiều với ba cuộn kích từ thường được sử dụng cho máy xúc công suất trung bình, có thể tích gàu xúc từ 2 đến 5m3 Hệ thống này có đường đặc tính cơ gần với đường đặc tính cơ tối ưu, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động trong một phạm vi rộng.
Hệ truyền động máy phát - động cơ (F-Đ) sử dụng khâu khuếch đại trung gian để khuếch đại và tổng hợp các tín hiệu điều khiển, với các loại khuếch đại như máy điện khuếch đại (MĐKĐ), khuếch đại từ (KĐT) hoặc khuếch đại bán dẫn (KĐBD) Qua đó, hệ thống này tạo ra đường đặc tính cơ 4, đáp ứng hoàn toàn yêu cầu về truyền động cho các cơ cấu của máy xúc.
Hệ thống này thường được áp dụng cho các máy xúc công suất lớn với dung tích gàu xúc từ 10 đến 80m3 Động cơ truyền động của cầu trục cần có kết cấu chắc chắn và độ tin cậy cao, có khả năng chịu tải lớn và bền bỉ với nhiệt độ và độ ẩm, đồng thời chịu được tần số đóng cắt điện từ 400 đến 600 lần mỗi giờ Đối với động cơ truyền động các cơ cấu chính của máy xúc, momen quán tính của roto hoặc phần ứng cần nhỏ để giảm thời gian quá độ khi tăng tốc và hãm, do đó nên chọn loại động cơ có roto dài và đường kính nhỏ Các thiết bị điều khiển trong máy xúc phải đảm bảo hoạt động tin cậy trong điều kiện khắc nghiệt, như rung động mạnh, chao lắc lớn, và thay đổi đột biến về phụ tải.
Hệ thống điều khiển các cơ cấu của máy xúc cần có sơ đồ cấu trúc đơn giản và độ tin cậy cao Đồng thời, quá trình điều khiển phải được tự động hóa ở mức độ cao để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Máy xúc nhiều gàu xúc
Hệ truyền động của máy xúc nhiều gàu xúc cần đáp ứng một số yêu cầu quan trọng Đầu tiên, quá trình mở máy phải diễn ra êm ái, hạn chế gia tốc và mômen để bảo vệ kết cấu cơ khí của gàu xúc trên băng xích Thứ hai, động cơ truyền động cần có mômen mở máy lớn để khắc phục momen quán tính và lực ma sát trong hệ thống Thứ ba, hệ thống điều khiển điện phải đảm bảo mở máy êm và có khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ trong khoảng rộng (D= 10:1) Cuối cùng, hệ truyền động cần tạo ra đường đặc tính cơ với độ cứng phù hợp để giảm tốc độ quay của gàu xúc khi có sự thay đổi về phụ tải và bảo vệ băng xích một cách an toàn.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Máy xúc EKG-4
Thông số kỹ thuật
+ Tổ hợp biến đổi bao gồm các máy điện như hình 10-10
Hình 2.1 Tổ hợp biến đổi của máy xúc EKG-4
Động cơ sơ cấp sử dụng loại động cơ không đồng bộ lồng sóc cao áp 3 pha với điện áp định mức 6kV và công suất định mức 259kW để kéo các máy phát điện một chiều.
- Máy phát điện một chiều 2 làm nguồn cấp cho động cơ truyền động cơ cấu nâng-hạ gàu với Uđm = 451V; Pđm = 192kW.
- Máy phát điện một chiều làm nguồn cấp cho các động cơ truyền động cơ cấu đẩy tay gàu và cơ cấu di chuyền với Uđm 95V; Pđm= 54kV.
Máy phát điện một chiều 5 cung cấp nguồn điện cho các cuộn kích từ của tất cả các máy phát và động cơ một chiều, đảm bảo hoạt động của các cơ cấu chính của máy xúc và điều khiển động cơ đóng-mở đáy gàu với điện áp định mức Uđm = 115V và công suất định mức Pđm kW.
+ Các động cơ truyền động cơ cấu chính
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập ĐN (h.6) với Pđm5kW; Uđm = 460V; nđm 755vg/ph, truyền động cơ cấu nâng - hạ gàu.
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lâp ĐĐ với Pđm = 40kW; Uđm = 360V; nđm 1110vg/ph, truyền động cơ cấu đẩy tay gàu.
Hai động cơ điện một chiều ĐQ1 và ĐQ2 có công suất định mức 50kW và điện áp định mức 360V, hoạt động với tốc độ định mức 0 vòng/phút Chúng được sử dụng để truyền động cho cơ cấu quay bàn, trong đó một động cơ quay theo chiều thuận và động cơ còn lại quay theo chiều ngược, nhằm mục đích giảm mô men quán tính của hệ truyền động.
- Động cơ điện một chiều ĐĐC, với Pđm = 40kW; Uđm= 360V; nđm10vg/ph, truyền động cơ cấu di chuyển máy xúc.
- Động cơ điện một chiều ĐG, với Pđm = 1,1kW; Uđm V; nđm50vg/ph, truyền động cơ cấu đóng mở gàu.
Sơ đồ cung cấp điện cho máy xúc EKG-4
Sơ đồ cung cấp điện từ lưới điện quốc gia đến máy xúc được thể hiện hình 2.2
Hình 2.2 Sơ đồ cung cấp điện từ lưới điện quốc gia
Lưới điện 3 pha cao áp 6kV (hoặc 3kV) được kết nối đến tủ phân phối 4, từ đó cấp nguồn bằng cáp mềm 5 đến máy xúc và hộp nối đầu vào trên 3 giá đỡ sứ cao áp 7 cùng bộ tiếp điện 8 lắp trên bệ máy xúc Nguồn điện từ bộ tiếp điện sẽ được cung cấp vào tủ phân phối trong máy xúc, nơi chứa các thiết bị cao áp như cầu dao cách ly CD1, máy cắt dầu MC, và biến áp tự dùng BA1 với công suất 20kVAr, tỉ số điện áp U1/U2 là 6kV/0,22kV cùng một số thiết bị hạ áp khác.
Biến áp tự dùng BA1 (hình 2.2) được sử dụng để cung cấp nguồn cho các thiết bị điều khiển hạ áp, nguồn chiếu sáng làm việc và các động cơ truyền động phụ như động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, phục vụ cho các ứng dụng như bơm nước, bơm dầu và quạt làm mát.
Hình 2.3 Sơ đồ cung cấp điện cho EKG-4
Biến áp an toàn BA2 với S= 0,25kVAr, U1/U2 = 220V/12V làm nguồn chiếu sáng khi sửa chữa máy xúc.
2.1.3 Hệ truyền động các cơ cấu chính của máy xúc EKG-4
Máy xúc EKG-4 được trang bị các cơ cấu chính bao gồm cơ cấu nâng hạ gàu, cơ cấu đẩy tay gàu, cơ cấu quay và cơ cấu di chuyển Tất cả các cơ cấu này đều được truyền động bằng hệ thống truyền động một chiều, sử dụng máy phát ba cuộn kích từ kết hợp với động cơ điện một chiều.
Mạch điều khiển hệ truyền động của các cơ cấu có cấu trúc tương tự, với sơ đồ nguyên lý mạch lực và mạch điều khiển cho hệ truyền động cơ cấu nâng - hạ gàu được trình bày trong hình 2.4 Việc điều khiển động cơ cho cơ cấu nâng - hạ gàu được thực hiện thông qua bộ khống chế từ KC, có 5 vị trí nâng và 5 vị trí hạ Để đảo chiều quay và điều chỉnh tốc độ động cơ, cần thay đổi chiều và trị số dòng điện trong cuộn dây kích từ độc lập CKF1 Cuộn kích từ song song CKF2 được đấu song song với phần ứng của động cơ và máy phát qua biến trở hạn chế r5, trong khi cuộn kích từ nối tiếp CKF3 được kết nối nối tiếp với phần ứng của động cơ và máy phát.
Cuộn kích từ độc lập CKF1 của máy phát được cung cấp năng lượng từ máy phát kích từ FKT Sức từ động tạo ra trong cuộn CKF1 và CKF2 có cùng chiều, trong khi sức từ động trong cuộn CKF3 lại ngược chiều với hai cuộn còn lại Tổng sức từ động của máy phát được tính bằng cách cộng gộp các sức từ động này.
Cuộn kích từ CKF3 có tính chất khử từ, giúp duy trì độ sụt tốc độ thấp trong dải tải 0 < Iư < Ing (với dòng điện ngắt Ing = 2,25 ÷ 2,5Iđm), đảm bảo năng suất máy xúc như thiết kế Khi động cơ truyền động quá tải (I ≥ Ing), tác dụng khử từ của cuộn CKF3 mạnh, khiến điện áp giảm nhanh và tốc độ động cơ cũng giảm theo Cuộn kích từ CKF3 hạn chế mômen dừng trong giới hạn Md = (1,5 ÷ 2)Mđm, tạo ra đường đặc tính cơ gãy gục khi quá tải Để đảo chiều quay động cơ, sử dụng công tắc tơ KN và KH, trong khi tốc độ được điều chỉnh qua các công tắc tơ gia tốc 1G ÷ 3G.
Hình 2.4 Hệ truyền động cơ cấu nâng hạ gàu máy xúc EKG-4
Khi chuyển tay gạt của bộ khống chế KC từ vị trí 1 đến vị trí 5 sang trái hoặc phải, người dùng sẽ trải nghiệm các đặc tính cơ của hệ truyền động 1, 2, 3 và 4, hoặc 1c, 2c, 3c và 4c (hình 2.4).
truyền Hệ động các cơ cấu chính của máy xúc EKG-4
Mômen của động cơ khi khởi động ở mức 0,5Mđm và tốc độ động cơ thấp nhất được sử dụng để kéo căng sơ bộ cáp của cơ cấu nâng - hạ gàu, giúp khắc phục khe hở trong các khâu truyền lực và đưa gàu xúc vào đất đá, bắt đầu quá trình đào - bốc xúc Khi điều chỉnh bộ khống chế từ vị trí “1” sang “2”, “3”, “4” và “5”, tốc độ động cơ sẽ tăng dần theo các đường đặc tính tương ứng Khi quay bộ khống chế về vị trí “0”, các công tắc tơ gia tốc 1G, 2G và 3G sẽ lần lượt mất điện, chuyển động cơ sang chế độ hãm tái sinh.
Để hạ gàu, quay bộ khống chế KC sang bên phải, đảm bảo công tắc tơ KH có điện Đóng điện cuộn kích từ CKF1 với điện áp có cực tính ngược lại để động cơ đảo chiều quay, làm việc trên các đường đặc tính cơ 1c đến 4c Tại các vị trí này, công tắc tơ cưỡng bức kích từ KCB mất điện, cuộn CKTĐ được nối tiếp với điện trở phụ để giảm từ thông Φ, từ đó tăng tốc hạ gàu và nâng cao năng suất của máy.
Trong chế độ quá độ, mômen và tốc độ của động cơ phụ thuộc chủ yếu vào quán tính điện từ của cuộn kích từ và quán tính cơ của hệ truyền động Với cuộn kích từ nối tiếp CKF3 có hằng số thời gian lớn, trị số mômen cực đại bị giới hạn ở mức Mmax=1,3Mđm.
Máy xúc EKG-4,6
Máy xúc EKG-4,6 là một loại máy xúc có năng suất trung bình với thể tích gàu xúc đạt 4,6 m³ Được cải tiến từ máy xúc EKG-4, EKG-4,6 giữ nguyên hình dáng và kết cấu cơ khí tương tự, nhưng hệ truyền động của các cơ cấu lại có sự khác biệt đáng kể.
EKG-4 Hệ truyền động máy phát có ba cuộn dây - động cơ điện một chiều được thay thế bằng hệ F-Đ có khuếch đại từ (KĐT) trung gian.
Khuếch đại từ trung gian là nguồn cấp cho cuộn kích từ độc lập của máy phát CKF
Hình 2.5 Hệ truyền động máy phát EKG4,6
(hình 2.5) có chức năng tổng hợp và khuếch đại các tín hiệu điều khiển.
Cuộn kích từ độc lập của máy phát FN được chia thành hai nửa cuộn dây CKF và hai điện trở cân bằng Rcb theo sơ đồ cầu Hai khuếch đại từ KĐT1 và KĐT2, được cấp nguồn độc lập, kết nối vào hai đường chéo của cầu Khi dòng điều khiển I1 và I2 của KĐT1 và KĐT2 bằng không, sức từ động trong cuộn kích từ CKF và điện áp ra của máy phát FN cũng bằng không Ngược lại, khi I1 và I2 khác không, điện áp ra của máy phát FN sẽ thay đổi, và cực tính điện áp phụ thuộc vào giá trị của dòng I1 và I2 trong hai cuộn kích từ CKF.
Hình 6 Hệ truyền động cơ cấu nâng hạ gàu EKG-4,6
Sơ đồ nguyên lý của hệ truyền động cơ cấu nâng - hạ gàu của máy xúc EKG-4,6 được giới thiệu trên hình 2.6.
Khuếch đại từ kép KĐT1, KĐT2 được trang bị các cuộn dây khống chế, trong đó cuộn chủ đạo KĐ1 đảm nhiệm vai trò quan trọng trong việc đảo chiều quay và hãm động cơ Chức năng này được thực hiện thông qua việc điều chỉnh chiều và trị số dòng điện trong cuộn khống chế KĐ1, nhờ vào bộ khống chế từ 1KC.
Cuộn khống chế KĐ1 được kết nối với phần ứng của máy phát kích từ FKT thông qua hai biến trở VR1 và VR2, cho phép điều chỉnh trị số và chiều dòng điện mà không cần sử dụng công tắc tơ Bộ khống chế từ 1KC có 4 vị trí nâng và 4 vị trí hạ gàu, với tiếp điểm I, V dùng để đảo chiều quay động cơ, trong khi các tiếp điểm II, III và IV điều chỉnh tốc độ động cơ thông qua biến trở VR2 Tiếp điểm VI giúp giảm từ thông kích từ để tăng tốc động cơ khi hạ gàu Khi 1KC ở chế độ hạ gàu (vị trí 1 ÷ 4), công tắc tơ KKT sẽ mất điện, loại bỏ r6 khỏi mạch kích từ của động cơ CKTĐ Đặc tính cơ của hệ truyền động cơ cấu nâng ở các vị trí 1 ÷ 4 của bộ khống chế từ 1KC được thể hiện trên hình 2.6a Cuộn phản hồi âm điện áp máy phát - KĐ2 thực hiện chức năng quan trọng trong hệ thống này.
- Nâng cao độ tác động nhanh của hệ truyền động và nâng cao độ ổn định của hệ truyền động.
- Thực hiện hãm động cơ khi bộ khống chế 1KC chuyển về vị trí “0”.
Sức từ động trong cuộn KĐ2 ngược chiều với sức từ động trong cuộn chủ đạo KĐ1 Cuộn phản hồi âm dòng KĐ3 có chức năng hạn chế dòng điện và mômen khi động cơ bị quá tải, với sức từ động trong KĐ3 cũng ngược chiều so với KĐ1 Điều này xảy ra khi dòng điện của động cơ Iư nhỏ hơn Ing.
Điện áp rơi trên hai cuộn dây của cực từ phụ của động cơ và máy phát được ký hiệu là ∆U1, trong khi điện áp so sánh Uss được xác định là Uss = Uab (hoặc Ubc) và được lấy từ VR4.
Khi đó dòng chảy trong cuộn KĐ3 bằng không Ngược lại, khi Iư ≥ Ing ;
Dòng chảy trong các cuộn KĐ3 khác nhau, với tác dụng khử từ lớn làm giảm nhanh sức từ động tổng của máy phát về 0, dẫn đến tốc độ động cơ giảm nhanh và hạn chế mômen của động cơ truyền động Cuộn phản hồi âm mềm dòng điện phần ứng của động cơ KĐ4 đảm bảo hệ truyền động hoạt động ổn định trong chế độ quá độ, được kết nối vào thứ cấp của biến áp vi phân BA qua điện trở hạn chế VR3 Khi dòng điện ổn định, dòng trong cuộn KĐ4 bằng không; khi dòng tăng hoặc giảm, dòng trong cuộn KĐ4 thay đổi, tác động đến sự ổn định của dòng động cơ Cuộn phản hồi âm điện áp máy phát KĐ5 giúp ổn định điện áp phát ra của máy phát FN, nâng cao chất lượng hệ truyền động, được nối vào đường chéo của cầu vi phân từ 4 vai cầu: điện trở r1, r2, r4 và cuộn kích từ song song của máy phát CSF.
Khi điện áp phát ra của máy phát FN ổn định, dòng trong cuộn KĐ5 bằng không do cầu cân bằng Nếu điện áp phát ra có xu hướng tăng hoặc giảm, cuộn CSF với tính điện cảm sẽ gây ra cầu mất cân bằng, làm cho dòng trong cuộn KĐ5 có thể khác hoặc cùng chiều với dòng trong cuộn chủ đạo KĐ1 Điều này giúp ổn định điện áp phát ra của máy phát FN và nâng cao chất lượng động của hệ truyền động trong chế độ quá tải Cuộn kích từ song song của máy phát CSF thực hiện chức năng quan trọng trong quá trình này.
- Hạn chế phản ứng phần ứng của động cơ truyền động
Giảm công suất kích từ của cuộn kích từ độc lập của máy phát CKF giúp giảm công suất khuếch đại từ KĐT và giảm công suất của cầu chỉnh lưu.
Sức từ động tổng của khuếch đại từ KĐT bằng:
FΣKĐT = FKĐ1 – FKĐ2 – FKĐ3 ± FKĐ4 ± FKĐ5
Trong biểu thức trên, khi Iư < Ing, thành phần FKĐ3 sẽ bằng 0 Dấu (-) biểu thị trường hợp dòng điện phần ứng và điện áp phát ra của máy phát tăng, trong khi dấu (+) thể hiện trường hợp ngược lại.
Một số phương pháp khởi động động cơ
Khởi động trực tiếp
Hình 7 Khởi động trực tiếp
Nguyên lý làm việc: đóng trực tiếp động cơ vào lưới điện. Đặc điểm: Đơn giản, không tốn kém trang thiết bị trong quá trình nở máy.
Một nhược điểm đáng lưu ý là nếu công suất của động cơ vượt quá công suất của lưới điện, điều này có thể dẫn đến hiện tượng sụt áp trên toàn bộ hệ thống trong quá trình khởi động.
Phương pháp này giảm dòng điện khi khởi động máy, tuy nhiên cũng làm giảm moomen Do đó, nó không phù hợp cho các tải yêu cầu moomen khởi động lớn.
+ Ưu điểm: Thiết bi mở máy là đơn giản, rẻ tiền.
+Nhược điểm: Moomen mở máy giảm đi bình phương số lần nên thời gian mở máy dài.
Khởi động mềm
Thiết bị khởi động mềm sử dụng thyristors để điều khiển điện áp cấp cho động cơ, giúp giảm dòng khởi động và ngăn chặn gia tốc đột ngột Điều này cũng hạn chế sụt áp của máy biến áp khi động cơ khởi động, mang lại hiệu quả vận hành ổn định hơn.
•Hạn chế dòng khởi động đồng thời điều chỉnh momen mở máy một cách hợp lý
•Hiện nay, hầu như tất cả các khởi động mềm đều có tích hợp sẵn các chức năng bảo vệ động cơ.
Biến tần có chức năng dừng mềm, giúp loại bỏ hiện tượng xung áp lực nước và tăng vọt áp suất trong hệ thống bơm Điều này không chỉ bảo vệ các vật liệu dễ vỡ khi được tải trên băng chuyền mà còn kéo dài tuổi thọ của các chi tiết truyền dẫn lực.
•Khởi động mềm chỉnh tốc độ động cơ khi khởi động rất mịn và êm
Trong nhiều trường hợp, chức năng hiện tại vẫn chưa đáp ứng đủ yêu cầu Do đó, cần sử dụng bộ khởi động mềm có khả năng điều khiển momen, giúp giảm lực và dừng động cơ một cách tối ưu nhất, nhằm hoàn toàn ngăn chặn hiện tượng búa nước.
• Đặc điểm: Có thể nói, đây là phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ 3 pha toàn diện nhất.
Bộ điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha tích hợp nhiều tính năng an toàn, giúp hạn chế dòng khởi động và bảo vệ động cơ khỏi các tình huống như mất pha, lệch pha, quá áp, quá nhiệt, quá tải và thấp áp Chế độ khởi động êm ái bảo vệ các chi tiết máy như hộp số, ổ bi và tang trống Ngoài ra, công nghệ hiện đại như bộ điều khiển PID, chế độ khởi động bám, chế độ làm sạch đường ống và giám sát momen tải mang đến sự bảo vệ toàn diện cho động cơ.
Biến tần đặc biệt có khả năng tiết kiệm đến 60% năng lượng tiêu thụ và có tuổi thọ cao, mang lại giá trị vượt trội cho các ứng dụng công nghiệp Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu cao, nhưng hiệu quả tiết kiệm năng lượng và độ bền của biến tần khiến nó trở thành giải pháp hoàn hảo cho ngành công nghiệp.
2.3.4 Khởi động bằng phương pháp đấu nối Y/∆
Hình 2.10 Khởi động sao-tam giác
Phương pháp này áp dụng cho động cơ chạy bình thương ở chế độ ∆, bắt đầu với cuộn dây stato được đấu Y khi mở máy Khi động cơ đạt tốc độ ổn định, cuộn dây stato sẽ chuyển sang đấu ∆ để hoạt động Thiết bị có đặc điểm đơn giản và dễ sử dụng.
Phạm vi áp dụng: Phương pháp này chỉ thích hợp với những động cơ khi làm việc bình thường ở chế độ tam giác.
2.3.5 Mở máy bằng phương pháp thêm điện trở phụ
Thêm điện trở phụ vào mạch roto: chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn.
Hình 2.11 Mở máy bằng thêm điện trở phụ
Nguyên lý hoạt động của hệ thống này là điện trở phụ được kết nối nối tiếp với mạch roto, nhằm tăng điện trở của mạch roto Khi khởi động máy, nguồn điện cung cấp cho điện trở phụ sẽ làm giảm dòng điện trong mạch roto Khi tốc độ động cơ đạt mức ổn định, điện trở phụ sẽ được ngắt ra khỏi mạch roto.
Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách thêm điện kháng vào mạch stato giúp kiểm soát mômen khởi động, vì mômen khởi động thường lớn hơn mômen định mức Phương pháp này đảm bảo đáp ứng nhu cầu khởi động hiệu quả và an toàn cho động cơ.
•Có momen mở máy đủ lớn để thời gian mở máy là thấp nhất.
•Dòng điện mở máy là nhỏ nhất.
•Các thiết bị tham gia quá trình mở máy là tiết kiệm nhất, hiệu quả nhất và thông dụng nhất.
Để giảm tổn hao công suất khi khởi động máy, cần sử dụng phương pháp mở máy bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch roto Phương pháp này giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động của động cơ truyền động chính.
Khởi động bằng phương pháp đấu nối Y/∆
Hình 2.10 Khởi động sao-tam giác
Phương pháp khởi động động cơ chạy bình thương sử dụng nguyên lý chuyển đổi giữa hai chế độ đấu dây Y và ∆ Khi khởi động, cuộn dây stato được đấu theo kiểu Y, giúp động cơ tăng tốc dần đến mức ổn định Sau khi đạt tốc độ ổn định, cuộn dây stato sẽ được chuyển sang đấu theo kiểu ∆ để hoạt động hiệu quả hơn Thiết bị này nổi bật với tính đơn giản và dễ sử dụng.
Phạm vi áp dụng: Phương pháp này chỉ thích hợp với những động cơ khi làm việc bình thường ở chế độ tam giác.
2.3.5 Mở máy bằng phương pháp thêm điện trở phụ
Thêm điện trở phụ vào mạch roto: chỉ áp dụng cho động cơ không đồng bộ ba pha roto dây quấn.
Hình 2.11 Mở máy bằng thêm điện trở phụ
Nguyên lý hoạt động của hệ thống này là điện trở phụ được kết nối nối tiếp với mạch roto, giúp tăng điện trở cho mạch roto Khi khởi động máy, nguồn điện được cung cấp cho cả điện trở phụ, dẫn đến việc giảm dòng điện trong mạch roto Khi tốc độ động cơ ổn định, điện trở phụ sẽ được ngắt ra khỏi mạch roto.
Mở máy động cơ không đồng bộ ba pha bằng cách thêm điện kháng vào mạch stato giúp giảm mômen khởi động lớn hơn mômen định mức Phương pháp này đảm bảo đáp ứng nhu cầu khởi động an toàn và hiệu quả cho động cơ.
•Có momen mở máy đủ lớn để thời gian mở máy là thấp nhất.
•Dòng điện mở máy là nhỏ nhất.
•Các thiết bị tham gia quá trình mở máy là tiết kiệm nhất, hiệu quả nhất và thông dụng nhất.
Để giảm tổn hao công suất khi khởi động máy, cần sử dụng phương pháp mở máy bằng cách thêm điện trở phụ vào mạch roto Phương pháp này giúp đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật cho động cơ truyền động chính.
động Tự khống chế các truyền động theo nguyên tắc điều khiển
Tự động khống chế các truyền động điện theo nguyên tắc hành trình được ứng dụng phổ biến trong các máy công cụ như máy phay, máy bào, máy mài và máy tiện, giúp hạn chế hành trình của bộ phận và đảm bảo an toàn với thiết bị chính là công tắc hành trình Trong khi đó, tự động khống chế theo nguyên tắc thời gian thường được sử dụng để mở máy, hãm máy, khởi động động cơ và khống chế các chuyển động trong máy truyền động ăn dao, với thiết bị khống chế là rơle thời gian Cuối cùng, tự động khống chế theo nguyên tắc tốc độ đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ hoạt động của các thiết bị điện.
Rơle tốc độ là thiết bị chủ yếu được sử dụng để hãm ngược động cơ điện, đặc biệt trong các máy khoan khi nâng hạ xà Việc kẹp chặt xà làm giảm tốc độ động cơ, dẫn đến tiếp điểm của rơle tốc độ mở ra, cắt điện vào động cơ Hệ thống này hoạt động theo nguyên tắc tự động khống chế dòng điện.
Phương pháp khống chế tự động bằng rơle dòng điện thường được áp dụng trong các sơ đồ mở máy động cơ điện Nguyên tắc hoạt động của dòng điện rất chính xác, giúp kiểm soát lực sinh ra trên các bộ phận của máy cắt gọt kim loại Cách khống chế này đặc biệt hữu ích trong việc điều chỉnh phụ tải cho các thiết bị gá lắp và cơ cấu kẹp xà ở máy bào giường.
Lựa chọn phương án cho hệ thống
Kết Luận
Đối với động cơ chính:
•Khởi động động cơ bằng phương pháp khởi động trực tiếp.
•Sử dụng contactor để đóng cắt.
•Bảo vệ quá tải bằng rơle nhiệt.
Tât cả các động cơ được bảo vệ ngắn mạch và quá tải bằng aptômat.
2.5 Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều
2.5.1 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều Động cơ điện 1 chiều thường gồm những bộ phận chính như sau:
• Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện
• Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện
• Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp
Cổ góp (commutator) là thành phần quan trọng trong động cơ điện, có chức năng tiếp xúc và phân phối nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng điểm tiếp xúc của cổ góp tương ứng với số lượng cuộn dây trên rotor, đảm bảo hoạt động hiệu quả của động cơ.
H2.12 Cấu tạo của động cơ điện 1 chiều
Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện 1 chiều thành những dòng chính như sau:
• Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu
• Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập
• Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp
• Động cơ điện 1 chiều kích từ song song
Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp có cấu tạo gồm hai cuộn dây kích từ: một cuộn được kết nối nối tiếp với phần ứng và một cuộn được mắc song song với phần ứng.
2.5.2 Nguyên lý của động cơ điện 1 chiều
Động cơ điện 1 chiều thường bao gồm một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, cùng với rotor có các cuộn dây quấn kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng của động cơ này là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đảm bảo dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục Bộ phận chỉnh lưu thường bao gồm hai thành phần chính: bộ cổ góp và bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
H2.13 Nguyên tắc hoạt động động cơ điện 1 chiều
Khi trục của động cơ điện một chiều bị kéo bởi lực ngoài, nó hoạt động như một máy phát điện, tạo ra xuất điện động cảm ứng Trong chế độ bình thường, rotor quay sẽ phát ra sức phản điện động (counter-EMF), đối kháng với điện áp bên ngoài Sức điện động này tương tự như khi động cơ hoạt động như máy phát điện Do đó, điện áp đặt lên động cơ bao gồm sức phản điện động và điện áp do điện trở nội của cuộn dây tạo ra Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo công thức cụ thể.
• Công suất cơ mà động cơ đưa ra được sẽ tính bằng:
2.5,3 Ưu nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều
• Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động.
• Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.
• Bền bỉ, tuổi thọ lớn
Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều
Bộ phận cổ góp là một thành phần phức tạp và đắt tiền trong hệ thống, thường xuyên gặp phải hư hỏng trong quá trình vận hành Do đó, việc bảo dưỡng và sửa chữa cổ góp cần được thực hiện một cách cẩn thận và thường xuyên để đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
• Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.
Động cơ điện 1 chiều có giá thành cao nhưng công suất không tương xứng Tuy nhiên, ứng dụng của nó rất đa dạng, bao gồm các thiết bị như tivi, máy công nghiệp, đài FM, ổ đĩa DC, và máy in-photo Đặc biệt, động cơ này đóng vai trò quan trọng trong ngành giao thông vận tải và các thiết bị yêu cầu điều khiển tốc độ quay liên tục trong khoảng rộng.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠCH
* LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CỦA EKG-4
3.1 Điều kiện chung để chọn các khí cụ điện trong hệ thống
Các khí cụ điện trong điều kiện vận hành có thể làm việc ở một trong ba trạng thái:
Chế độ làm việc lâu dài: các phần tử làm việc tin cậy nếu chung được chọn theo đúng điện áp và dòng điện định mức
Chế độ quá tải đảm bảo sự tin cậy của các phần tử khi giá trị dòng điện hoặc điện áp tăng cao nhưng không vượt quá giới hạn cho phép.
Chế độ làm việc ngắn mạch đảm bảo sự tin cậy trong quá trình hoạt động, miễn là các thông số lựa chọn phù hợp với điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt.
Khi lựa chọn các phần tử trong hệ thống, cần xem xét vị trí lắp đặt thiết bị, môi trường xung quanh, độ ẩm, và chiều cao lắp đặt so với mực nước biển Đặc biệt, việc đảm bảo tính bảo vệ chọn lọc là rất quan trọng.
Với xung dòng điện bình thường sẽ không gây ngắn mạch
Để đảm bảo an toàn, chỉ những thiết bị bảo vệ gần vị trí xảy ra sự cố mới được cắt nguồn Nếu thiết bị này gặp sự cố, chỉ khi nào nó được khắc phục thì thiết bị phía trên mới được phép thực hiện đóng cắt.
•Tính chọn khí cụ điện theo điều kiện làm việc lâu dài:
Chọn theo điều kiện điện áp:
Việc tính chọn khí cụ điện dựa trên điện áp định mức nhằm đảm bảo độ cách điện an toàn Thông tin về điện áp định mức thường được ghi rõ trên nhãn hoặc trong lý lịch của thiết bị.
Khi thiết kế khí cụ điện, nhà sản xuất thường tính toán dự trữ độ bền điện cao hơn 10% đến 15% so với điện áp làm việc cực đại Điều này giúp đảm bảo rằng các khí cụ điện có thể hoạt động lâu dài và duy trì tuổi thọ thiết bị.
Khi lắp đặt thiết bị ở độ cao trên 1000 m so với mực nước biển, điện áp không được vượt quá mức điện áp định mức Để dễ dàng hơn, có thể tính toán và lựa chọn thiết bị theo các điều kiện cụ thể.
Chọn theo điều kiện định mức:
Dòng điện định mức của khí cụ điện là mức dòng điện cho phép mà qua đó, khí cụ có thể hoạt động trong thời gian dài mà không làm tăng nhiệt độ các bộ phận vượt quá giới hạn an toàn, với điều kiện nhiệt độ môi trường xung quanh ở mức định mức.
Lựa chọn dòng điện theo giá trị định mức là cần thiết để đảm bảo khí cụ điện hoạt động an toàn, không vượt quá nhiệt độ cho phép trong chế độ làm việc định mức.
Iđm KCĐ > ILV max Trong đó:
Iđm KCĐ: dòng điện làm việc định mức của khí cụ điện dòng điện nhà sản xuất quy định.
ILV max:dòng điện làm việc cực đại của lưới điện Nó phụ thuộc vào thiết bị sử dụng trong trạng thái quá tải Ví dụ:
+ Đối với máy biến áp thì láy dòng ILV max khi máy biến áp làm việc ở trạng thái quá tải
+ Đối với thanh cái thì tính khi thanh cái làm việc ở chế đọ nặng nề nhất
+ Đối với thiết bị điện thường thì lấy giá trị Itt
3.2 Tính toán lựa chọn thiết bị đóng cắt bảo vệ
3.2.1 Lựa chọn Aptomat a) Công dụng:
