BTL cơ cấu chấp hành và điều khiển Nhóm 23

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
---------------------   ---------------------

BÀI TẬP LỚN CƠ CẤU
CHẤP HÀNH & ĐIỀU KHIỂN

Giáo viên hướng dẫn:

ThS. Phan Đình Hiếu

Nhóm sinh viên thực hiện:
Đỗ Công Duy
Nguyễn Quang An
Vũ Văn Hiến

Hà Nội - - Năm 2021

2019600451
2019600321
2019601648


(BM01)

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

Khóa:14

2. Tên nhóm: Nhóm 23
3.Họ và tên thành viên: Đỗ Công Duy-2019600451.
Vũ Văn Hiến -2019601648.
Nguyễn Quang An-2019601145.

II. Nội dung học tập
1.

Phần thuỷ khí: Máy uốn tơn 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 1000 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=70at. 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?
-

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: 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 rằng

Mmax

mm

 200%MM

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  khi Iư = 60 A, Rưf = 0.



Bài 4 Động cơ khơng 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 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%M.
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:
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%M tổng
tổn hao của động cơ; tổn hao thép chiếm 25%M 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

TS. Nguyễn Anh Tú

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Phan Đình Hiếu


MỤC LỤ

CHƯƠNG 1 PHẦN THỦY LỰC...............................................................1
1.1 Biểu đồ trạng thái và lưu đồ tiến trình của hệ thống............................................1
1.1.1 Biểu đồ trạng thái...........................................................................................1
1.1.2 Lưu đồ tiến trình của hệ thống.......................................................................2
1.2 Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch thủy lực đáp ứng yêu
cầu đề bài....................................................................................................................3
1.2.1 Tính chọn xilanh............................................................................................3
1.2.2 Tính chọn bơm dầu:.......................................................................................5
1.2.3 Thiết kế mạch thủy lực..................................................................................7
1.3 Thiết kế mạch điện điều khiển để có thể vận hành hệ thống theo yêu cầu..........8

CHƯƠNG 2. PHẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN.....................................................9
Bài 1...........................................................................................................................9
Bài 2.........................................................................................................................10
Bài 3:........................................................................................................................11
Bài 4:........................................................................................................................13
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................17

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1.1 Biểu đồ trạng thái................................................................................1
Hình 1.3 Mạch thủy lực.....................................................................................7
Hình 1.4 Mạch điện điều khiển..........................................................................8
Hình 2.1 Đường đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo........................10
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Danh sách các thiết bị sử dụng…………………………………….8



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 sản 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 lị 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… 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 quá trình nghiên cứu tìm hiểu và
tính tốn về hệ thống thủy lực cũng như động cơ điện. Để bài báo cáo được hồn
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 Phan Đình Hiếu đã nhiệt tình
hướng dẫn đồ án mơn cho chúng em.


Hà Nội, ngày 30 tháng 11 năm 2021


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
Chú giải:
1S1, 2S1: Nút nhấn
A+, A-, B+, B- : Trạng thái hoạt động của Xilanh
t: Thời gian pittong thực hiện được một hành trình
- Qua biểu đồ trạng thái ta thấy được quá trình di chuyển của 2 xilanh. Hai quá
trình di chuyển là di chuyển lên và di chuyển về. Trong quá trình di chuyển lên, 2
xilanh đã tăng tốc 0-0.05m/s trong 1s đầu và giữ tốc độ 0.05m/s trong 2s tiếp theo và
cuối cùng giảm tốc từ 0.05m/s-0 trong 1s cuối hành trình. Khi xi lanh di chuyển về
với vận tốc lớn để tiết kiệm thời gian cho hành trình mới bắt đầu.

1

1.1.2 Lưu đồ tiến trình của hệ thống

2


- Hành trình xilanh di chuyển lên (hành trình đẩy):
Ban đầu khởi động nút START
Khi nhấn nút 1S1, 2 xi lanh bắt đầu di chuyển đẩy lên. Trong quá trình đẩy lên
xi lanh đã thực hiện tăng tốc từ 0-0.05m/s trong thời gian 1s đầu và duy trì tốc độ
0.05m/s trong 2s tiếp theo và cuối cùng xilanh giảm tốc ở cuối hành trình từ 0.05-0m/
s trong 1s cuối cùng của hành trình.
- Hành trình xilanh di chuyển xuống (hành trình về):
Khi nhấn nút 1S2, khi đó 2 xilanh đang bắt đầu quá trình di chuyển về.
Khi nút STOP ở trạng thái nhấn hệ thống dừng ngay lập tức
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
Các kích thước cơ bản của xilanh thủy lực là: đường kính trong của xilanh,
chiều dài hành trình của piston, đường kính cần piston. Để xác định các kích thước cơ
bản của xilanh thủy lực trước tiên phải xác định tải trọng cực đại tác dụng lên piston.
Tải trọng bao gồm tải trọng tĩnh và tải trọng động. Tải trọng tĩnh đã có trong đề bài.
Tải trọng động xuất hiện khi piston tăng tốc hay giảm tốc và có thể xác định bằng
cơng thức:
Pd = ma

( 1.1 )

Trong đó: m: khối lượng của vật thể chuyển động tịnh tiến.
a: gia tốc của vật thể chuyển động trước khi đạt vận tốc ổn định
Đường kính của xilanh lực được xác định theo công thức:

3


D=

√

4P
K
πpp

(1.2)

Trong đó: K: hệ số kể tới ảnh hưởng của tổn thất(K=1,3)
𝑝: áp suất của chất lỏng làm việc (50at = 490,33N/cm2)
P: tải trọng tổng cộng
Với P = Pt + Pd
Pt: tải trọng tĩnh = 1000× 9.8 = 9800N
Pd: tải trọng động
+) Pd =ma=

Pt ∆ V 9800 0,05
×
=
×
=50(N )
g
∆t
9,8

1

Tải trọng tổng cộng:
P = Pt + Pd = 9800+ 50 = 9850(N)
Vậy
D=

√

4P
K
πpp

=

√

4 × 9850
×1,3=4,87 (cm)
686,462 πp

Lấy trịn đường kính D theo tiêu chuẩn D=50mm. Xác định lại áp suất của
chất lỏng làm việc để cho xylanh thắng được tải trọng tác dụng:
p=

4 PK 4 ×9850 ×1,3
N
=
=652,484 2 =66,59 at
2

2
πp D
πp ×5
cm

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

𝑝 ≤ 15at

15 < 𝑝 ≤ 50at

50 < 𝑝 ≤ 80 ÷ 100at
4


d
=0,3 ÷0,5
D

d
=0,5
D

Áp suất của chất lỏng làm việc trong điều kiện bài p = 50at< 66,59at< 80at vì
d

vậy ta chọn D = 0,7.
Đường kính cần piston có giá trị bằng d = 35mm. Xác định hành trình piston:
Đoạn đường piston chuyển động có gia tốc là:

2 S 1=2

at 2
2
=0,05 ×1 =0,05=50 mm
2

Đoạn đường piston chuyển động đều:
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:
Thể tích cần để đẩy xilanh ở hành trình tiến ra:

+)V 1=

πp D 2
πp × 0,52
× S=
×1,5=0,393(l)
4
4

Thể tích cần để đẩy xilanh ở hành trình lui về

+)V 2=πp

(D ¿ ¿ 2−d 2)

πp ×(0,52−0,352)
× S=
× 2=0,15 (l) ¿
4
4

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

V1 V2
V 1 +V 2 0,393+ 0,15
+ =10⟹ Q=
=
=0,0543 ( l )=3,258(l/ph)
Q Q
t
8

-Áp suất của bơm
5


Pb= P0=P1= 70at = 68,646 bar
-Công suất của bơm
Nb = Pb/(Q×612) = 0,034(kW)
-Cơng suất động cơ điện dẫn động bơm :
Ta có:
Nđc = Nb/(Hb×Hd)

(1.3)

Nđc: Cơng suất của động cơ điện
Hb: hiệu suất của bơm, Hb=( 0,8 -> 0,9) , chọn Hb = 0,8
Hd: hiệu suất truyền động từ động cơ qua bơm , chọn Hd = 0,9
⟹ N dc =

0,034
=0,047( kw)
0,8× 0,9

6


1.2.3 Thiết kế mạch thủy lực

Hình 1.3 Mạch thủy lực

7


1.3 Thiết kế mạch điện điều khiển để có thể vận hành hệ thống theo yêu
cầu

Hình 1.4 Mạch điện điều khiển
STT

Thiết bị

Số lượng

1

Xy lanh tác động kép

1

2

Van tiết lưu

2

3

Van 4/3 điều khiển bằng điện thủy lực

1

4

Nút nhấn thường mở

2

5

Van tràn

1

6

Bộ bơm cấp dầu

1

7

Bộ lọc dầu

1

8

Bình trích chứa

1
8


Bảng 1.1 Danh sách các thiết bị sử dụng
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:ω dm=

ndm 1430
=
=149,75rad /s

9,55 9,55

Pdm=K . Φ dm . I dm . ωdm
⇒ K Φ dm=
ω 0=

(2.1)

P dm
2,2 ×1000
=
=0,574(Wb )
I dm ×ω dm 25,6 ×149,7

U dm
110
=
=191,6(rad /s)
K Φ dm 0,574

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

(2.2)
⇒ Ru =

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

⇒ ω nt =

M dm=

(2.3)

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)
ω dm
149,7

M ntdm =

Pdm 2,2× 1000

=
=19,13( N . m)
ω ntdm
115

9


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
⇒ K Φ dm=

(2.4)

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

10


Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ định mức:
U dm =R ư . I dm + K Φdm . ωdm
⇒ 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. 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)
R f 2=λ . ( λ−1 ) . Ru =1,467× ( 1,467−1 ) × 0,12=0,082( Ω)
R f 3=λ 2 . ( λ−1 ) . Ru=1,4672 × ( 1,467−1 ) ×0,12=0,12(Ω)

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:

11