BTL cơ cấu chấp hành và điều khiển Haui Nhóm 13

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN CƠ CẤU CHẤP HÀNH
VÀ ĐIỀU KHIỂN

Giáo viên hướng dẫn: TS. Phan Đình Hiếu
Thành viên nhóm:
Nguyễn Hữu Thành

2019600638_CĐT1_K14

Trần Việt Hưng

2019600932_CĐT1_K14

Bùi Minh Tuân

2019600360_CĐT1_K14

Hà Nội, 2021


MỤC L
CHƯƠNG 1. PHẦN THỦY LỰC............................................................................7
1.1.Biểu đồ trạng thái và lưu đồ tiến trình của hệ thống................................................7
1.1.1.Biểu đồ trạng thái.............................................................................................7
1.1.2.Lưu đồ tiến trình của hệ thống..........................................................................8
1.2.Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch thủy lực đáp ứng yêu

cầu đề bài....................................................................................................................... 9
1.2.1.Tính chọn xilanh...............................................................................................9
1.2.2.Tính chọn bơm dầu:........................................................................................11
1.2.3.Thiết kế mạch thủy lực...................................................................................12

CHƯƠNG 2. PHẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN.................................................................16
KẾT LUẬN............................................................................................................24
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................25
Y

Bài tập lớn CCCHĐK
2


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Biểu đồ trạng thái...........................................................................7
Hình 1.2 Mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu...................................................13
DANH MỤC BẢN BIỂU

Bảng 1.1 Bảng chọn đường kính xylanh.....................................................11

Bài tập lớn CCCHĐK
3


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

Khóa: 14

2. Tên nhóm: Nhóm 13
3.Họ và tên thành viên:

1. Nguyễn Hữu Thành

2019600638

2. Trần Việt Hưng

2019600932

3. Bùi Minh Tuân

2019600360

II. Nội dung học tập
1. Phần thuỷ khí: Máy uốn tôn thuỷ
lực dài 3 m lắp ráp với 2 xi lanh được liên
kết bằng dấm máy ép như hình bên. Hai xi
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 phơi. Tải trọng tĩnh cực đại tác
dụng lên pittong là 5000 kg, vận tốc
chuyển động ổn định của pittong là 0.06
m/s, thời gian tăng tốc từ 0 tới 0.06 m/s là
1 (s); thời gian giảm tốc ở cuối hành trình bằng thời gian tăng tốc; thời gian
pittong thực hiện được một hành trình bằng 6s; 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?
Bài tập lớn CCCHĐK
4


- Nội dung 2: Tính chọn xi 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: P đm = 2,2
KW; Uđm = 110V; 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 = 110 V; Iđm = 145 A; nđm = 1050 vg/ph. Biết
max

rằng M mm =200 %M đm

, mở máy với 3 cấp điện trở.

Bài 3: Động cơ một chiều kích từ độc lập có thơng số: P đm = 29 KW;
Uđm = 440 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 P đm = 22,5 kW; Uđm =
380V; nđm = 1460vg/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 khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các
thơng số sau:
Công 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.
Bài tập lớn CCCHĐK
5


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:
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
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

Bài tập lớn CCCHĐK
6


LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng mạnh mẽ trong tất cả các lĩnh
vực của đời sống và xản xuất. Việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào các hoạt động
sản xuất đòi hỏi con người phải khơng ngừng học hỏi và nâng cao trình độ hiểu biết
để kịp thời cập nhật những tiến bộ mới nhất của thế giới. Chính vì vậy, phát triển
ngành cơ điện tử có ý nghĩa hết sức quan trọng vì các sản phẩm của ngành phục vụ
trong tất cả các ngành khác trong nền kinh tế như: phục vụ trong lĩnh vực tự động
hóa, kỹ thuật robot, chế tạo, điều khiển và cảm ứng, …
Bài tập lớn môn Cơ cấu chấp hành và điều khiển giúp cho sinh viên có thể tìm
hiểu và khai thác hiệu quả các loại thủy khí và động cơ điện, hệ thống hay các dây

chuyền công nghiệp.
Động cơ điện được dùng trong hầu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ dùng
trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD
hay DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự
hoạt động của thang máy hay các hệ thống thơng gió cũng dựa vào động cơ điện. Ở
nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt trong
các đầu máy xe lửa. Trong cơng nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các
ổ cứng, ổ quang, chúng là các động cơ bước rất nhỏ.
Hệ thống điều khiển thủy lực được sử dụng vô cùng rộng rãi ở rất nhiều lĩnh
vực mà ở đó mơi trường lao động có sự nguy hiểm, nên hạn chế có sự góp mặt của
con người, những nơi hay xảy ra cháy nổ như: ở vị trí làm việc của các đồ gá kẹp các
chi tiết làm bằng vật liệu nhựa, chất dẻo… Hoặc được sử dụng trong ngành cơ khí
chế tạo sản xuất như là cấp phơi cho q trình gia cơng.
Trong đề tài bài tập lớn môn Cơ cấu chấp hành và điều khiển này, nhóm sinh
viên chúng em xin trình bày một cách cụ thể về q trình nghiên cứu tìm hiểu và tính
tốn về hệ thống thủy lực cũng như động cơ điện. Thơng qua đó có thể áp dụng nó
vào các bài nghiên cứu khoa học hay vào đồ án tốt nghiệp chuyên ngành khi ra
trường.
Để bài báo cáo được hoàn thiện hơn, nhóm chúng em hi vọng nhận được những
góp ý từ phía các thầy cơ. Qua đây, chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn đến thầy
Nguyễn Tuấn Anh đã nhiệt tình hướng dẫn đồ án mơn cho chúng em.
Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Bài tập lớn CCCHĐK
7


CHƯƠNG 1. PHẦN THỦY LỰC
1.1.Biểu đồ trạng thái và lưu đồ tiến trình của hệ thống
1.1.1.Biểu đồ trạng thái

Hình 1.1 Biểu đồ trạng thái

- Ban đầu 2 xylanh ở vị trí thấp nhất. Tác động vào nút start và Y1 mở đồng thời 2
xylanh đi lên.Muốn xylanh đi xuống phải nhấn vào Y2. Trong quá trình xylanh di
chuyển muốn dừng lại chỉ cần tắt nút start.


1.1.2.Lưu đồ tiến trình của hệ thống

Hình 1.2 Lưu đồ tiến trình


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 xilanh
- Xy lanh thủy lực là cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực có nhiệm vụ biến
đổi năng lượng dịng chất lỏng thành lực đầu cần. Nói như vậy thì phần tử này chỉ
là “tay sai” chứ hầu như không lấy đi chút năng lượng nào. Nếu như bơm thủy lực
được gọi là trái tim của hệ thống thì xy lanh thủy lực được ví như cơ bắp
- Khác với xy lanh khí nén, thì cơ cấu chấp hành này phải làm việc trong môi
trường khắc nghiệt hơn rất nhiều. Dầu thủy lực sẽ làm bẩn và hư hại tới xy lanh
nhiều, ngoài ra áp suất tới xy lanh thủy lực rất cao nên yêu cầu độ bền của cơ cấu
này.
*Xác định thơng số và kích thước xy lanh:
Lấy g=10m/ s2
- Tải trọng tĩnh cực đại tác dụng lên pittong là 5000 kg  50000N
Vì cơ cấu có 2 pittong hoạt động đồng tốc nên tải trọng tĩnh cực đại tác dụng lên
từng pittong là Pt = 25000N
- Vận tốc chuyển động ổn định của pittong là 0.06 m/s

- Thời gian tăng tốc từ 0 tới 0.06 m/s là 1 (s) ,thời gian giảm tốc ở cuối hành
trình bằng thời gian tăng tốc
-Thời gian pittong thực hiện được một hành trình bằng 6s
-Áp suất của chất lỏng làm việc p = 50at
-Tải trọng động xuất hiện khi pittong tăng hay giảm tốc có thể xác định bằng CT:
Pd =ma=

Pt ∆ v 25000 0,06
×
=
×
=150 N (1.1)+Trong đó : m là khối lượng của vật thể
g ∆t
10
1

chuyển động tịnh tiến
a là gia tốc của vật thể chuyển động trước khi đạt vận tốc ổn định
=>> Tải trọng tổng cộng : P = Pt + Pd = 25000 + 150 = 25150 N
Áp suất chất lỏng làm việc: p = 50at = 506,625 (N/cm2)

(1.2)


=>> Đường kính của xy lanh:
D=

√

4P

4 ×25150
×K=
×1,3=9,1 cm(1.3)
πpp
πp × 506,625

√

+Trong đó K là hệ số kể tới ảnh hưởng đến tổn thất
Lấy tròn theo tiêu chuẩn D = 9 cm = 90 mm. Xác định lại áp suất chất lỏng làm
việc để xy lanh thắng được tải trọng tác dụng:
p=

4 PK 4 ×25150 ×1,3
N
¯
=
=3.77
=37.207 at=37.7 (1.4)
2
2
2
πp D
3,14 ×105
mm
d

Đường kính cần pittong d xác định gần đúng phụ thuộc vào áp suất p theo tỉ số D
sau:
p ≤15 at

15< p ≤50 at

50< p ≤ 80÷ 100 at

d
=0,3 ÷0,35
D

d
=0,5
D

d
=0,7
D

Vì 15< p ≤50 at :
=>> d/D = 0,5 =>> d = 45 mm
- Xác định hành trình pittong.
+ Đoạn đường pittong chuyển động có gia tốc là:
S1 = (at2)/2 = (∆v/∆t×t2)/2 = 0,06×12/2 = 0,03m = 30mm
+ Đoạn đường pittong chuyển động đều: (với thời gian t = 6 - 1 = 5 s)
S2 = 0,06×5=300mm
=> Hành trình pittong: S = (S1+S2) = 330mm


1.2.2.Tính chọn bơm dầu:
-Thể tích cần để đẩy xy lanh ở hành trình tiến ra:
V 1=

πp × D 2
πp ×0,92
× S=
× 3,3 ≈ 2,1 ( l ) (1.5)
4
4

-Thể tích cần để đẩy xy lanh ở hành trình lui về:
V 2=πp ×

(D ¿ ¿ 2−d 2)
πp ×(0,92−0,452 )
× S=
×3,3 ≈ 1,57 ( l ) (1.6)¿
4
4

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

V1 V2
V +V
2,1+ 1,57
l
l
+ =12⇒Q= 1 2 =
≈ 0,31
=18,6
(1.7)

Q Q
t
12
s
p

()

()

-Áp suất của bơm:

Pb=P 0=P1=50 at=50,6625 ¿

-Cơng suất bơm:
Nb=

Q× Pb
(1.8)
600 × H b

-Cơng suất động cơ điện dẫn động điện bơm:
Ta có:
N đc =

Nb
(1.9)
Hb+ Hd

Nđc: Công suất của động cơ điện

Hb: Hiệu suất bơm, Hb=(0,8 –> 0,9), chọn Hb=0,8
Hd: Hiệu suất truyền động từ động cơ qua bơm, chọn Hd=0,9

25,2× 50,6625
=2,66(KW )
600× 0,8
2,66
( 1.9 ) ⇒ N đc =
=1,56( KW )
0,8+0,9
(1.8)⇒ N b=


1.2.3.Thiết kế mạch thủy lực

Hình 1.3 Mạch thủy lực


Bảng 1.1 Danh sách các thiết bị sử dụng
STT

Thiết bị

Số lượng

1

Xy lanh tác động kép

2

2

Van một chiều

2

3

van 4/3 điều khiển bằng tay

1

4

Nút nhấn

1

5

Bộ bơm cấp dầu

1

6

Bộ lọc dầu

1

7

Bình trích chứa

1


Chạy mơ phỏng

Hình 1.5 Xylanh tiến ra


Hình 1.6 Xylanh lùi về


CHƯƠNG 2. PHẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN
Bài 1: Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có thơng số: Pđm = 2,2 KW; Uđm
= 110V; Iđm = 25,6A; nđm = 1430 vg/phút. Vẽ đặc tính cơ tự nhiên, đặc tính cơ
nhân tạo với Rưf = 0,78 .
Ta có:
ndm 1430
rad
=
=149,75
(2.1)
9,55 9,55
s
Pdm=K . Φ dm . I dm . ωdm (2.2)
P dm

2,2 ×1000
⇒ K Φ dm=
=
=0,574 ( Wb ) (2.3)
I dm ×ω dm 25,6 ×149,7
U dm
110
ω 0=
=
=191,6(rad /s)
K Φ dm 0,574
ω dm=

Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ định mức khi Rưf = 0 Ω:
U dm =R ư . I dm + K Φdm . ωdm
⇒ Ru =

(2.4)

U dm−K Φdm . ωdm 110−0,574 ×149,7
=
=0,94 ( Ω ) (2.5)
I dm
25,6

Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ nhân tạo khi Rưf = 0,78 Ω:
U dm =I dm . ( R u + Rf ) + K Φ dm . ωnt (2.6)

⇒ ω nt =

M dm=

U dm −( Ru + Rf ) . I dm 110−( 0,94 +0,78 ) ×25,6
rad
=
=115
K Φdm
0,574
s

( )

Pdm 2,2 ×1000
=
=14,7 ( N . m ) (2.7)
ω dm
149,7

M ntdm =

Pdm 2,2× 1000
=
=19,13 ( N . m ) (2.8)
ω ntdm
115

Từ các số liệu đã xác định ở trên ta vẽ đường đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ
nhân tạo với:
 Đường đặc tính cơ tự nhiên đi qua 2 điểm (M=0; ω=ω 0) và
(M =Mdm; ω=ω dm).

 Đường đặc tính cơ nhân tạo đi qua 2 điểm (M=0; ω=ω 0) và
(M =Mntdm; ω=ω ntdm).


Hình 2.1 Đường đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo

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 = 110 V; Iđm = 145 A; nđm = 1050 vg/ph. Biết rằng
M max
mm =200 % M dm, mở máy với 3 cấp điện trở.

Giải:
-Quy đổi tốc độ động cơ:
ndm=1050 vg/phút ⟺ ω dm=110 ( rad / s )
Pdm=K Φ dm . I dm . ω dm (2.9)
⇒ K Φ dm=

Pdm
13,5 × 1000
=
=0,85(Wb)
I dm . ωdm 145× 110

-Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ định mức:
U dm =R ư . I dm + K Φdm . ωdm (2.10)
⇒ Ru =

U dm−K Φdm . ωdm 110−0,85× 110
=
=0,12( Ω)

I dm
145

max
Mà M max
mm =200 % M dm ⇒ I mm =2. I dm

Ta có:
Rm =

U dm
I

max
mm

=

U dm
110
=
=0,379 ( Ω ) (2.11)
2. I dm 2× 145


-Với số cấp khởi động m=3 ⇒ λ=

R m 3 0,379
=
=1,467

Ru
0,12

√ √
3

-Trị số từng cấp điện trở mở máy được tính như sau:
R f 1=( λ−1 ) . Ru =( 1,467−1 ) ×0,12=0,056 ( Ω ) (2.12)
R f 2=λ . ( λ−1 ) . Ru =1,467× ( 1,467−1 ) × 0,12=0,082 ( Ω ) (2.13)
R f 3=λ 2 . ( λ−1 ) . Ru=1,4672 × ( 1,467−1 ) ×0,12=0,12 ( Ω ) (2.14)

-Vậy ta có 3 cấp điện trở máy lần lượt là:
R f 1=0,056 ( Ω ) ; Rf 2=0,082(Ω); R f 3=0,12(Ω)

Bài 3: Động cơ một chiều kích từ độc lập có thơng số: Pđm = 29 KW; Uđm =
440 V; Iđm = 79 A; nđm = 1000 vg/ph; Rư = 0,05 Rđm làm việc ở chế độ hãm tái
sinh.
Xác định khi Iư = 60 A, Rưf = 0.
Giải:
Xét động cơ trong trường hợp là một thiết bị tiêu thụ điện năng.
Khi động cơ làm việc tại chế độ định mức.
Quy đổi giá trị tốc độ động cơ:
n dm=1000

⇔ω
( vịng
phút )

dm

=

2 πpn 100 πp rad
=
(2.15)
60
3
s

( )

Cơng suất định mức của động cơ:
Pdm=M dm . ωdm (2.16)

Với momen điện từ định mức:
M dm=K . Φdm . I dm (2.17)
⇒ Pdm =K . Φ dm . I dm . ω dm
⇔ K . Φ dm=

Pdm
=
I dm . ωdm

29000
=3,5 (Wb)
100 πp
79 ×
3

Khi động cơ làm việc tại chế độ định mức:

U dm =I dm . R dm (2.18)
⇔ R dm=

U dm
I dm


⇔ R dm=

440
=5,5696(Ω)
79

Xét cùng một động cơ trên khi làm việc ở chế độ hãm tái sinh.
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.
Phương trình cân bằng điện áp cho mạch điện động cơ :
U u =Eu−I h . ( Ruh + R f ) (2.19)

Dòng điện và momen điện từ trong chế độ làm việc hãm tái sinh đều âm và tốc độ
quay của động cơ sẽ lớn hơn tốc độ không tải định mức .

{

⇔ I h=

U−E K . Φ . ω0 −K . Φ . ω
=
<0

R
R
M h =K .Φ . I h <0

Tốc độ quay của động cơ:

⇔ ω=

K . Φ . ω0−I h . R
=
K .Φ

K .Φ.

Uu
−I . R
K . Φ h uh
K .Φ

Với điện trở của mạch điện:
Ruh=0,05. Rdm=5,5696 × 0,05=0,28 Ω
⇒ ω=

440−(−60) × 0,28
=130,5(rad / s)≈ 1246 (vòng / phút)
3,5

Bài 4: Động cơ không đồng bộ ba pha có thơng số Pđm = 22,5 kW; Uđm = 380V;
nđm = 1460vg/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
Giải:
Xét thời điểm động cơ hoạt động ở chế độ định mức
Quy đổi giá trị tốc độ động cơ: