Btl_Nhóm_3

(
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
----------------------

BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC
CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN

Giáo viên hướng dẫn:

TS. Phan Đình Hiếu

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Như Lợi

2019605439

Nguyễn Bá Ngọc

2019605377

Nguyễn Việt Phong

2019604780

Lớp: Cơ điện tử 3 – K14

Hà Nội-2021

1


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................

Hà Nội, ngày tháng năm 2021
Giáo viên hướng dẫn

2


ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.............................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

Hà Nội, ngày tháng

năm 2021

Giáo viên chấm phản biện

3


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp:Cơ điện tử

Khóa: 14

2. Tên nhóm: Nhóm 3
3.Họ và tên thành viên: Nguyễn Như Lợi- 2019605439
Nguyễn Bá Ngọc- 2019605377
Nguyễn Việt Phong- 2019604780
II. Nội dung học tập
1. Phần thuỷ khí thuỷ khí : Máy uốn tôn thuỷ lực dài 3 m lắp ráp với 2
xy lanh được liên kết bằng dấm máy ép
như hình . Hai xy lanh phải thực hiện hành

trình làm việc ở cùng một tốc độ. Áp
suất làm việc phải được hiệu chỉnh
thích hợp với vật liệu của chi tiết phôi. Tải
trọng tĩnh cực đại tác dụng lên pittong là
5000 kg, vận tốc chuyển động ổn định của
pittong là 0.05 m/s, thời gian tăng tốc từ 0
tới 0.05m/s là 1(s) là; thời gian giảm tốc ở
cuối hành trình bằng thời gian tăng tốc;
thời gian pittong thực hiện được một hành trình bằng 5s; áp suất của chất lỏng
làm việc p=50at. Máy ép phải có khả năng chỉ vận hành trong chế độ từng bước
(INCHING). Máy ép phải đi đến trạng thái dừng nếu nút ấn dừng khẩn cấp
(EMERGENCY STOP) được nhấn

Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống?

4


- Nội dung 2: Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch
thủy lực đáp ứng yêu cầu đề bài?
2. Phần động cơ điện
Bài 1: Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có thơng số: Pđm = 2,2 KW;
Uđm = 120V; Iđm = 25,6A; nđm = 1430 vg/phút. Vẽ đặc tính cơ tự nhiên, đặc tính
cơ nhân tạo với Rưf = 0,78 .
Bài 2: Tìm trị số của các cấp mở máy của động cơ một chiều kích từ độc
lập có: Pđm = 13,5 KW; Uđm = 120 V; Iđm = 145 A; nđm = 1050 vg/ph. Biết rằng

M max
mm =200 %M đm , mở máy với 3 cấp điện trở.

Bài 3: Động cơ một chiều kích từ độc lập có thơng số: Pđm = 29 KW; Uđm
= 420 V; Iđm = 79 A; nđm = 1000 vg/ph; Rư = 0,05 Rđm làm việc ở chế độ hãm tái
sinh. Xác định

ω

khi Iư = 60 A, Rưf = 0.

Bài 4 Động cơ không đồng bộ ba pha có thơng số Pđm = 22,5 kW; Uđm =
380V; nđm = 1430vg/ph; r1 = 0,2; r’2 = 0.24; x1 = 0,39; x’2 = 0,46. Hãy xác
định tốc độ động cơ  khi mô men phụ tải bằng định mức, trong mạch rôto mắc
thêm điện trở phụ đã quy đổi về stato là 1,2Ω; trong mạch stato mắc thêm điện
kháng X1f = 0,75
Câu 5: Cho một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các
thơng số sau:
Cơng suất định mức của động cơ: Pđm = 55 KW.
Áp dây định mức: Vđm = 660V / 380V – Y/. (Tần số nguồn điện f = 50
Hz ).
Tốc độ định mức của động cơ : nđm = 980 vòng/phút.
Hiệu suất định mức là : đm = 93,5%.
Hệ số công suất lúc tải định mức: cosđm = 0,86.
Bội số dòng điện mở máy của động cơ là mI = 6.
Khi cấp nguồn áp 3 pha 380V (áp dây) vào động cơ, lúc mang tải định
mức xác định:
5


1. Tần số của rotor?
2. Dòng điện định mức cấp vào stator động cơ?
3. Công suất điện từ? Khi biết tổn hao ma sát cơ, quạt gió chiếm 15%

tổng tổn hao của động cơ; tổn hao thép chiếm 25% tổng tổn hao.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án theo đúng thời gian quy
định (từ ngày …/…/2020 đến ngày …/…/2020)
2. Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước giảng viên
và những sinh viên khác
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập: Giáo Trình Truyền Động Điện, Hệ Thống Tự Động
Thủy Khí.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
(nếu có): Máy tính.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Nguyễn Anh Tú

TS. Phan Đình Hiếu

Mục lục
CHƯƠNG 1.
1.1.

PHẦN THỦY KHÍ..................................................................................8

Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống............................................9

1.1.1.

Biểu đồ trạng thái...........................................................................................9

6


1.1.2.

Lưu đồ tiến trình của hệ thống.....................................................................10

1.2. Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch thủy lực đáp ứng yêu
cầu đề bài...................................................................................................................... 10
1.2.1. Tính chọn xylanh............................................................................................10
1.2.2. Tính chọn bơm dầu.........................................................................................13
1.2.3. Thiết kế mạch thủy lực và mạch điều khiển:..................................................16
CHƯƠNG 2.

PHẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN.......................................................................17

Câu 1:............................................................................................................................ 17
Câu 2:............................................................................................................................ 18
Câu 3:............................................................................................................................ 20
Câu 4:............................................................................................................................ 21
Câu 5:............................................................................................................................ 22

7


Danh mục hình ảnh
Hình 1. 1: Biểu đồ trạng thái của mạch điện..........................................................................................9
Hình 1. 2: Lưu đồ thuật tốn của hệ thống...........................................................................................10
Hình 1. 3: Mạch thủy lực.....................................................................................................................16

Danh mục bảng biểu
Bảng 1. 1: Áp suất tỷ lệ với đường kính..............................................................................................12

8


CHƯƠNG 1:

PHẦN THỦY KHÍ

1.1. Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống
1.1.1. Biểu đồ trạng thái

Hình 1. 1: Biểu đồ trạng thái của mạch điện

9


1.1.2. Lưu đồ tiến trình của hệ thống

Hình 1. 2: Lưu đồ thuật tốn của hệ thống
*Chú thích: - pittong 1,2 đi ra: A+, B+.
- pittong 1,2 đi vào: A-, B-.
- Nút 1: nút bắt đầu cho quá trình đẩy pittong đi ra.
- Nút 2: nút bắt đầu cho quá trình đẩy pittong đi vào.

1.2. Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch thủy lực đáp
ứng yêu cầu đề bài
1.2.1. Tính chọn xylanh
1.1.1.1. Các thành phần thủy lực và các kích thước cơ bản của xy lanh

lực:
- Xylanh tải trọng
- Van Servo
10


- Ác quy thủy lực
- Đồng hồ đo áp suất
- Van tràn
- Bơm dầu (Bơm bánh răng)
- Van cản
- Van tiết lưu 1 chiều
Do đề tài có 2 xylanh lực như nhau, nên ta tính cho mỗi xylanh là như nhau:
- Đường kính trong của xy lanh.
- Đường kính cần piston.
- Chiều dài hành trình piston.
1.1.1.2. Đường kính xylanh
Để xác định các kích thước cơ bản của xy lanh lực trước tiên phải xác định tải
trọng cực đại tác dụng lên piston. Tải trọng đó bao gồm tải trọng tĩnh và tải trọng
động. Tải trọng tĩnh đã được xác định trong đề, tải trọng động xuất hiện khi pittong
tăng tốc hay giảm tốc và có thể xác định được bằng cơng thức:
Pđ =m . a

(1.1)

+ Trong đó:
m: khối lượng của vật thể chuyển động tịnh tiến.
a: gia tốc của vật thể trước khi đạt được tốc độ ổn định
- Đường kính của xylanh lực được xác định theo cơng thức
D=

√

4F
K
πpp

(1.2)

+ Trong đó:
F = Pđ + Pt

(1.3)

11


K: hệ số kể tới ảnh hưởng của tổn thất
Pđ : tải trọng động
Pt : tải trọng tĩnh.
p: áp suất của chất lỏng làm việc.
p = 50 at = 490,33 N /cm2

- Tải trọng động:
Pđ =m . a=5000 × 0.05=250(N )

- Tải trọng tổng cộng:
F=Pđ + Pt =50000+ 250=50250(N )

Vậy:

D=

√

4F
4.50250
. K=
.1,3=13,02(cm)
πpp
πp .490,33

√

Lấy trong đường kính trong xi lanh D theo tiêu chuẩn D = 125 mm.
Xác định lại áp suất của chất lỏng làm việc để cho xy lanh thắng được tải trọng
tác dụng:
p=

4 F 4. 50250
=
=409,47(N /cm2 )≈ 42( at )
2
2
πp D
πp .12,5

Đường kính cần pittong d xác định gần đúng phụ thuộc vào áp suất p theo tỉ số

d
D

sau:
p ≤15 at
d
=0 , 3÷ 0 , 35
D

15 at ≤ p ≤50 at
d
=0 ,5
D

50at ≤ p ≤ 80÷ 100 at
d
=0 ,7
D

Bảng 1. 1: Áp suất tỷ lệ với đường kính

Áp suất của chất lỏng làm việc trong điều kiện bài tốn p = 42at. Do đó ta chọn
d
=0 ,5
D

Đường kính cần pittong có giá trị bằng d=62,5mm, D=125mm.
12


1.1.1.3. Xác định hành trình piston
-

Đoạn đường piston chuyển động có gia tốc là:
2 S 1=2

-

a. t 2
0,05.12
=2
=0,05 (m)=50(mm)
2
2

Đoạn đường piston chuyển động đều là:
S2=v p .t=0,05.3=0,15 ( m )=150( mm)

-

Hành trình piston:
S=2 S1 + S2=50+ 150=200(mm)

1.2.2. Tính chọn bơm dầu
1.2.2.1. Tính tốn lưu lượng
Thể tích cần cấp cho xylanh ở hành trình tiến ra:
V 1=

πp . D 2
πp 0,1252
−3
3

S=
.0,15=1,84.10 ( m ) =1,84(lít )
4
4

Thể tích cần để đẩy xylanh ở hành trình lùi về:
V 2=

πp . ( D−d )2
πp ( 0,125−0,07 )2
S=
×0,15
4
4

¿ 3,56.10−4 ( m3 )=0,356(lít )

Gọi lưu lượng thực của bơm là Q, thời gian hoàn thành mỗi chu kỳ là:
t=

V1 V2
V 1+V 2 1 ,84 +0,356
+ =10⇒ Q=
=
=0,2196 (l /s ) =13,176(l / p)
Q Q
10
10

Lấy bơm có lưu lượng tăng dần từng bước 1ml/vòng đến khi đạt 5ml; hiệu suất

thể tích là 88%, hiệu suất tổng là 80%. Bơm được điều khiển trực tiếp thông qua một
mô tơ điện có tốc độ 1430 vịng/phút.
Ta có lưu lượng riêng của bơm:
D p=

Q
13,176
=
=10,47 ¿
n p . nv 1430 .0 , 88

Vậy ta cần chọn bơm có lưu lượng riêng là 10,47 ml/vg.

13


Công suất truyền động động cơ:
N=

p .Q . n
409,47.13,176 . 0.8
.10−2=
.10−2=7,19(kw)
6
6

1.2.2.2. Tính tốn đường kính ống thủy lực
Đường kính ống hút được tính theo cơng thức:

√

4Q
πpv

Với ống hút: v=( 0,8 ÷ 1,2 )

( ms )

d=

ống đẩy: v=( 3 ÷5 )

( ms )

ống xả: v=( 1÷ 1,6 )

( ms )

Từ đó ta tính được đường kính:
Ống hút:
d 1=

4 Q1
4.22,08 .10−3
=
πp v 1
πp .60 . ( 0,8÷ 1,2 )

√ √

¿ ( 0,019 ÷ 0,024 ) ( m )=(19÷ 24)(mm)

Ống đẩy:
4 Q1
4.22,08 .10−3
d 2=
=
πp v 2
πp .60 . ( 3 ÷5 )

√ √

¿ ( 0,0097 ÷ 0,012 ) ( m ) =( 9,7÷ 12)(mm)

Ống xả:
4 Q1
4.22,08 .10−3
d 3=
=
πp v 3
πp .60 . ( 1÷ 1,6 )

√ √

14

(1.4)


¿ ( 0,017 ÷ 0,021 ) ( m ) =(17 ÷ 21)(mm)

1.2.2.3. Tổn thất trong hệ thống thủy lực
 Tổn thất thể tích Tổn thất thể tích do dầu thủy lực chạy qua các khe hở
trong các phân tử của hệ thống. Áp suất càng lớn, vận tốc càng nhỏ và độ
nhớt càng nhỏ thì tổn thất thể tích càng lớn. Tổn thất thể tích đáng kể nhất
là các cơ cấu biến đổi năng lượng.
 Tổn thất cơ khí Tổn thất cơ khí do ma sát giữa các chi tiết có chuyển động
tương đối với nhau.


Tổn thất áp suất Tổn thất áp suất là sự giảm áp suất do lực cản trên đường
chuyển động của dâu từ bơm đến cơ cấu chấp hành, phụ thuộc vào những
yếu tố khác nhau như:
+ Chiều dài ống dẫn
+ Độ nhẵn ống dẫn
+ Tốc độ dịng chảy
+ Độ lớn tiết diện ống dẫn

-

Cơng thức tính tổn thất áp suất trong hệ thống truyền động thủy lực:
∆ p=P0−P1=10. ξ .

ρ 2 1
V .
2. g
d

Trong đó:
P0 :áp suất vào của hệ thống

P1 : áp suất ra của hệ thống
ρ :khối lượngriêng của dầu (914 kg /m2)
ξ :hệ thống tổn thất cục bộ
V :vận tốc trung bình của dầu( m/s)
g : giatốc trọngtrường( 10 m/ s2 )

15

(1.5)


1.2.3. Thiết kế mạch thủy lực và mạch điều khiển:
1.2.3.1. Mạch thủy lực:

Hình 1. 3: Mạch thủy lực

16


CHƯƠNG 2:

PHẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Câu 1:
Xây dựng đường đặc tính cơ tự nhiên.
Đường đặc tính cơ tự nhiên có thể vẽ qua 2 trong số 3 điểm:
-

Điểm định mức [Mđm; ωđm]
Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]

Điểm ngắn mạch [Mnm; ω = 0]

Tốc độ góc định mức:
ω đm=

nđm 1430
rad
=
=149,73(
)
9,55 9,55
s

Mômen (cơ) định mức:
M đm=

Pđm 2,2. 103
=
=14,7( N . m)
ω đm 149,73

Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là điểm định mức:
[14,7;149,73]

(

Rư = 1−

pđm u ⅆmm
(2.1)

u đm . I đm I đm

)

2,2. 103 120
Rư = 1−
=1,33 (ohm)
120.25,6 25,6

(

)

Từ phương trình đặc tính cơ tự nhiên ta tính được:
K ϕ đm=

U đm−I đm R ư 120−25,6 ×1,33
=
=0,574(Wb )
ωđm
149,73

Tốc độ khơng tải lý tưởng:
ω 0=

U đm
120
=
=209,06(rad / s)
K ϕ đm 0,574

Ta có điểm thứ hai của đặc tính [0; 209,06] và như vậy ta có thể dựng được
đường đặc tính cơ tự nhiên
Xây dựng đường đặc tính cơ nhân tạo khi điện trở phụ Rf = 0,78 (ohm)
Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ khơng tải lý tưởng
khơng thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo qua các điểm khơng tải lý tưởng
[0; ω0] và điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [ M đm; ωnt].
17


Tốc độ góc nhân tạo (với mơ men định mức)
ω đmnt =

U đm−I đm (Rư + R ưf ) 120−25,6(1,33+0,78)
=
=114,95 (rad /s )
K ϕ đm
0,574
Pđm 2,2. 103
M đm=
=
=19,14(N . m)
ω đmnt 114,95

Tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [19,14;114,95], vậy ta có thể dựng
được đường đặc tính cơ nhân tạo có điện trở phụ trong mạch phần ứng.

Đồ thị đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo
250
209.06

200

w(rad/s)

150

Tự nhiên

149.73
114.95

Nhân tạo

100

50

0
0

5

10

15

20

25

M(N/m)

Câu 2:
Tốc độ góc định mức:
ω đm=

nđm 1050
=
=110(rad /s)
9,55 9,55

Momen định mức:
M đm=

Pđm 13500
=
=122,73(N . m)
ω đm
110
M đm=K Φ đm . I đm

↔ K Φ đm=

(2.2)

M đm 127,73
=
=0,84 (Wb)
I đm

145

Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ định mức:
18


U đm =R ư I đm + K Φ đm ω đm
→ R ư=

(2.3)

U đm −K Φ đm .ω đm 120−0,84.110
=
=0,19(Ω)
I đm
145

Dòng điện khởi động lớn nhất:
M max
mm =200 % M đm

(2.4)

→ I max =I 1=2 I đm=2.145=290( A)

Số cấp điện trở cho trước là m=3
 Bội số dòng khởi động:
¿

√

m

U đ m 3 120
=
=1,29
Rư . I 1
0,19.290

√

Dòng điện khởi động cấp 2:
I 2=

I 1 290
=
=224,8( A )
❑ 1,29

Dòng điện khởi động cấp 3:
I 3=

I 3 224,8
=
=174,27 ( A )
❑ 1,29

Cấp điện trở tổng:
R1=R ư =1,29.0,19=0,245 ( Ω )
R2=R 1=1,29.0,245=0,316 ( Ω )

R3=R 2=1,29.0,316=0,4(Ω)

Điện trở phụ các cấp:
R f 1=R1−Rư =0,245−0,19=0,055 ( Ω )
R f 2=R2−R f 1−Rư =0,316−0,055−0,19=0,071 ( Ω )

R f 3=R3−R f 2−R f 1−R ư =0,4−0,071−0,055−0,19=0,084 (Ω)

Vậy ta có 3 cấp điện trở mở máy lần lượt là:
R f 1=0,055 ( Ω ) ; Rf 2 =0,071 ( Ω ) ; R f 3=0,084 ( Ω )

Câu 3:
Điện trở định mức:

19


Rđm=

U đm 420
=
=5,31(Ω)
I đm 79

Điện trở phần ứng:
Rư =0,05 Rđm=0,05.5,31=0,26 (Ω)

Tốc độ góc định mức:
ω đm=

nđm 1000
=
=104,71(rad /s)
9,55 9,55

Mơ men định mức của động cơ:
Pđm 29.103
M đm=
=
=277( N . m)
ω đm 104,71

Suy ra:
K Φđm =

M đm 277
=
=3,5(Wb)
I đm
79

Tốc độ không tải lý tưởng:
ω 0=

U đm 420
rad
=
=120(
)
K ϕ đm 3,5

s

Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng
(ω >ω 0). Khi hãm tái sinh, sức điện động của động cơ lớn hơn điện áp nguồn: E > U,

động cơ làm việc như một máy phát song song với lưới và trả năng lượng về nguồn,
lúc này thì dịng hãm và mơmen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ.

{

↔ I h=

U−E K Φ . ω 0−K Φ . ω
=
<0
R
R
M h=K Φ . I h <0

(2.5)

Suy ra:
Eh =U h + I h Rư

(2.6)

Khi I ư =60 ( A ) ; Rưf =0
I 2=−I ư

Phương trình cân bằng điện áp:

E2=U 2+ I 2 R ư =420+60.0,26=435,6 (V )

Ta có:
K Φ2 . ω2=435,6

Mà:
20