Cơ cấu chấp hành điều khiển nhóm1

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

----------------------

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

Giáo viên hướng dẫn: ThS. Phan Đình Hiếu 2019605423
Sinh viên thực hiện: Phạm Minh Quang 2019604976
Bùi Bảo Phương 2019607060
Phan Thái Học

Hà Nội-2021

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

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

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

2

ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

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

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

Hà Nội, ngày tháng năm 2020
Giáo viên chấm phản biện

3

(BM01)

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM

I. Thơng tin chung

1. Tên lớp: Cơ điện tử 03 Khóa: 14

2. Tên nhóm: Nhóm 1

Họ và tên thành viên : Phạm Minh Quang MSV: 2019605423

Bùi Bảo Phương MSV: 2019604976

Phan Thái Học MSV: 2019607060

II. Nội dung học tập

1. Phần thuỷ khí: Một xy lanh tác động kép được sử dụng để mở và đóng cửa

buồng đốt như hình 1. Tải trọng tĩnh cực đại tác dụng lên pittong là 150 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 4s; áp suất của chất lỏng làm việc p=30at. Đóng cửa phải

tiến hành trơn tru và hiệu chỉnh tốc độ hằng số. Tốc độ được hiệu chỉnh bằng van tiết

lưu một chiều. Van an toàn phải được lắp để giữ đối áp và ngăn cản cánh cửa nặng

không kéo cần piston ra khỏi xy lanh trong thời gian vận hành đóng cửa.

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?

4

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 .

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%Mđm , mở máy với 3 cấp điện trở.

Bài 3: Động cơ một chiều kích từ độc lập có thông 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.

Bài 4: Động cơ khơng 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

Bài 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.

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.

5

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: Bài giảng hệ thống tự động thủy khí, tài liệu Fluid Sim.

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

6

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: PHẦN THỦY KHÍ..........................................................................9
1.1: Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống ................................9
1.1.1: Biểu đồ trạng thái:...............................................................................9
1.1.2: Lưu đồ tiến trình hệ thống: ...............................................................10
1.2: : Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch thủy lực điều

khiển ..........................................................................................................................10
1.2.1: Tính chọn xy lanh .............................................................................10
1.2.2: Tính chọn bơm dầu ...........................................................................12
1.2.3: Thiết kế mạch thủy lực điều khiển....................................................13

CHƯƠNG II: PHẦN ĐIỆN ................................................................................16
2.1: Bài 1. ........................................................................................................16
2.2: Bài 2 .........................................................................................................17
2.3: Bài 3:........................................................................................................19
2.4: Bài 4:........................................................................................................20
2.5: Bài 5:........................................................................................................22

TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................24

7

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1 Biểu đồ trạng thái...................................................................................9
Hình 1.2 Lưu đồ tiến trình hệ thống....................................................................10
Hình 1.3 Mạch thủy lực ......................................................................................13
Hình 1.4 Mạch điện điều khiển...........................................................................14
Hình 2. 1 Đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ ……………………... 17

Danh mục bảng biểu
Bảng 1: Áp suất tỉ lệ với đường kính ................................................................. 11
Bảng 2: Danh sách các thiết bị sử dụng ............................................................. 15

8

CHƯƠNG I: 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
Giải thích biểu đồ trạng thái:

- 1S1 và 1S2: 2 nút nhấn điều khiển quá trình.
- A+, A-: trạng thái hoạt động của xilanh.
Từ biểu đồ chúng ta có thể thấy được q trình di chuyển của xilanh. Thời gian
piton tăng tốc từ 0 tới 0.05m/s là 1 (s), sau đó piton giữ tốc độ ở mức 0.05m/s trong thời
gian 2 giây, cuối cùng thời gian giảm tốc ở cuối hành trình bằng thời gian tăng tốc là 1
giây vận tốc piton từ 0.05m/s về 0m/s và kết thúc 1 quá trình.

9

1.1.2: Lưu đồ tiến trình hệ thống:

Hình 1.2 Lưu đồ tiến trình hệ thống

1.2: : Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch thủy lực điều khiển
1.2.1: Tính chọn xy lanh
Các kích thước cơ bản của xilanh lực là: đường kính trong của xy lanh, chiều dài

hành trình pittong, đường kính cần pittong. Để xác định các kích thước cơ bản của xy
lanh lực trước tiên phải xác định tải trọng cực đại tác dụng lên pittong. Tải trọng đó bao
gồm tải trọng tĩnh và tải trọng động. Tải trọng tĩnh đề đã có, tải trọng động xuất hiện khi
pittong tăng tốc hay giảm tốc và có thể đước xác định bằng công thức:

P = 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 tối đa.

10

a). Đường kính của xy lanh được xác định bởi công thức:

4P .K (1.2)
 p

Trong đó: 𝑃 = 𝑃𝑠 + 𝑃𝑑
K: hệ số kể tới ảnh hưởng của tổn thất
P: áp suất của chất lỏng làm việc.
Tải trọng động:

Pd = ma = Pt . ∆v = 1500 . 0.05 = 7,65 N

g ∆t 9.8 1

Tải trọng tổng cộng:
P = Pt + Pd = 1500 + 7,65 = 1507,65 N

Vậy:

D = √ 4.1507,65 . 1,3 = 2,9 cm
3,14.294,3

Lấy trịn đường kính D theo tiêu chuẩn D=40mm. Xác định lại áp suất của chất
lỏng làm việc để cho xy lanh thắng được tải trọng tác dụng:

𝑝 = 𝜋𝐷2 4𝑃𝐾 = 3,14. 42 4.1507,65.1,3 = 156,05 𝑁/𝑐𝑚2
Đường kính cần pittong d xác định gần đúng phụ thuộc vào áp suất p theo tỉ số 𝑑

𝐷

sau:

𝑝 ≤ 15𝑎𝑡 15𝑎𝑡 ≤ 𝑝 ≤ 50𝑎𝑡 50𝑎𝑡 ≤ 𝑝 ≤ 80 ÷ 100𝑎𝑡

𝑑 = 0,3 ÷ 0,35 𝑑 = 0,5 𝑑 = 0,7

𝐷 𝐷 𝐷

Bảng 1: Áp suất tỉ lệ với đường kính

Áp suất của chất lỏng làm việc trong điều kiện bài tốn p = 15,96 at vì vậy ta chọn

11

(lưu ý: 1 at = 98066.5 Pa => p=1.565MPa)

𝑑 = 0,5

𝐷

Đường kính cần pittong có giá trị bằng d=20mm, D=40mm.
b). Xác định hành trình pittong:

- Đoạn đường pittong chuyển động có gia tốc là:
𝑎𝑡2

2𝑆1 = 2 = 0,05.12 = 0,05 (𝑚) = 50 (𝑚𝑚)
2

- Đoạn đường pittong chuyển động đều:
𝑆2 = 𝑉𝑝. 𝑡 = 0,05.2 = 0,1 (𝑚) = 100 (𝑚𝑚)

- Hành trình pittong:
𝑆 = 2𝑆1 + 𝑆2 = 50 + 100 = 150 (𝑚𝑚)

1.2.2: Tính chọn bơm dầu

- Thể tích cần để đẩy xy lanh ở hành trình tiến ra:

𝜋𝐷2 𝜋. 0,042
𝑉1 = 4 . 𝑠 = 4 . 0,15 = 0,19 (𝑙)

- Thể tích để đẩy xy lanh ở hành trình thu về:

𝜋(𝐷2 − 𝑑2) 𝜋. (0,042 − 0,022)
𝑉2 = 4 . 𝑠 = 4 . 0,15 = 0,14 (𝑙)

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

𝑡 = 𝑉1 + 𝑉2 = 8 ⇒ 𝑄 = 𝑉1+𝑉2 = 0,19+0,14 = 0,04125 (𝑙⁄𝑠) = 2,475(𝑙/𝑝)
𝑄𝑄 8 8

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:

𝐷𝑝 = 𝑄 0,04125.60 = 1,97(𝑚𝑙⁄𝑣𝑔)
=
𝑛𝑝. 𝑛𝑣 1430.0,88

12

Vậy ta cần chọn bơm có lưu lượng riêng là 1,97ml/vg.
Công suất truyền động động cơ:

𝑁 = 𝑝. 𝑄. 𝑛 . 10−2 = 0,08 (𝑘𝑤)
6

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

Hình 1.3 Mạch thủy lực
13

1.2.3.2: Mạch điện điều khiển:
Hình 1.4 Mạch điện điều khiển
14

1.2.3.3: Danh sách các thiết bị sử dụng.

STT Thiết bị Số lượng
1
1 Bộ bơm cấp dầu 1
1
2 Van tràn 1
2
3 Xilanh tác động kép 2
1
4 Van đảo chiều 4/3 điện từ tác động kép

5 Van tiết lưu 1 chiều

6 Nút nhấn thường mở không giữ trạng thái

7 Nút nhấn thường giữ trạng thái

8 Rơle 2

9 Công tắc thường mở tác động bởi rơle 4

10 Cơng tắc hành trình thường đóng 2

11 Cơng tắc hành trình thường mở 2

12 Nam châm điện 2

Bảng 2: Danh sách các thiết bị sử dụng

15

CHƯƠNG II: PHẦN ĐIỆN
2.1: Bài 1.

Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có thơng số: Pdm = 2,2 KW; Udm= 110V;
Idm = 25,6A; ndm = 1430 vg/phút. Vẽ đặc tính cơ tự nhiên, đặc tính cơ nhân tạo với Rưf
= 0,78 Ω.

Lời giải:

Đường đặc tính cơ tự nhiên đi qua 2 điểm là điểm A động làm việc ở chế độ định
mức với Rưf =0 Ω và điểm B khi động cơ ở tốc độ không tải lí tưởng

Quy đổi tốc độ động cơ :
𝑛đ𝑚 = 1430 (𝑣𝑔/𝑝ℎú𝑡) ⟺ 𝜔đ𝑚 = 2𝜋. 𝑛đ𝑚 = 149,7 (𝑟𝑎𝑑/𝑠)
60

Pdm = M dm .dm (2.1)

⟹ 𝑀đ𝑚 = 𝑃đ𝑚 = 2,2.1000 = 14,7 (𝑁. 𝑚)
𝜔đ𝑚 149,7

Vậy A(14,7;149,7) là 1 điểm thuộc đặc tính cơ tự nhiên

Tốc độ khơng tải lí tưởng (Iư=0)

Pdm = Kdm.Idm.dm (2.2)

⇒ 𝐾Φđ𝑚 = 𝑃đ𝑚 = 2,2.1000 = 0,574 (𝑊𝑏)
𝐼𝑑𝑚. 𝜔đ𝑚 25,6.149,7

𝜔0 = 𝑈đ𝑚 = 110 = 191,6 (𝑟𝑎𝑑/𝑠)
𝐾Φđ𝑚 0,574

Vậy B(0;191,6) là điểm thuộc đường đặc tính cơ tự nhiên

*Đường đặc tính cơ nhân tạo là đường thẳng đi qua điểm B và điểm C khi động
cơ làm việc ở chế độ định mức với Rưf = 0,78 Ω

Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ định mức khi Rưf = 0 Ω:
16

Udm = Ru.Idm + Kdm.dm (2.3)

⇒ 𝑅𝑢 = 𝑈𝑑𝑚 − 𝐾𝜙𝑑𝑚. 𝜔𝑑𝑚 = 110 − 0,574.149,7 = 0,94(Ω)
𝐼𝑑𝑚 25,6

Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ nhân tạo khi Rưf =0,78 Ω:

Udm = Ru .(Idm + Ruf ) + K dm.nt (2.4)

⇒ 𝜔𝑛𝑡 = 𝑈𝑑𝑚 − (𝑅𝑢 + 𝑅𝑢𝑓). 𝐼𝑑𝑚 = 110 − (0,94 + 0,78) = 115(rad/s)
𝐾𝜙𝑑𝑚 0,574

Vậy C(14,7;115) là điểm thuộc đường đặc tính cơ nhân tạo.

𝜔

250

200 B(0;191,6) A(14,7;149,7)
C(14,7;115)
150
100

50

0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 M

Hình 2. 1 Đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ

2.2: 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 = 200%Mđm ,

𝑚𝑚

mở máy với 3 cấp điện trở.

Lời giải:

17

Quy đổi tốc độ động cơ :
ndm = 1050 vg/phút  ⍵dm=110 (rad/s)

Pdm = Kdm.Idm.dm (2.5)
(2.6)
 Kdm = Pdm = 13,5.1000 = 0,84(Wb) (2.7)
Idm.dm 146.110
(2.8)
Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ định mức:

Udm = Ru.Idm + Kdm.dm

 Ru = Udm − Kdm.dm = 110 − 0,84.110 = 0,12()
I dm 146

Pdm = M dm .dm

 M dm = Pdm = 13,5.1000 = 122,8(N.m)
dm 110

Mà M mm max = 200%M dm  M mm max = 2.122,8 = 245, 6(N.m)

Ta có :

M mm max = Kdm.Imm = Kmm. Udm
(Ru + Rf )

 Rf = max Kdm.Udm − Ru = 0,84.110 − 0.12 = 0, 256()
M mm 245, 6

Vậy ta có 3 cấp điện trở mở máy lần lượt là:
Rf 1 = 0, 256() ; Rf 2 = 0,1708() ; Rf 3 = 0, 085()

18

2.3: 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.

Lời 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. (2.9)
Quy đổi giá trị tốc độ động cơ:

ndm = 1000(vong / phut)  dm = 100 (rad / s)
3

Công suất định mức của động cơ:

Pdm = M dm .dm

Vơi momen điên từ định mức:

Mdm = K.dm.Idm (2.10)

 Pdm = K.dm.Idm.dm (2.11)

 K.dm = Pdm = 29000 = 3,5
Idm.dm 79.100
3

Áp dụng phương trình cân bằng điện áp cho động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

Uu = Eu + Iu .(Ru + Ruf ) (2.12)

Khi động cơ làm việc tại chế độ định mức: (2.13)

Udm = Edm + Idm.(Rdm + Ruf )

Với sức điện động phần ứng là
19

Eu = K.u .u (2.14)

 Udm = K.dm.dm + Idm.(Rdm + Ruf ) (2.15)

 Rdm = Udm − K.dm.dm − Ruf
I dm

440 − 3,5.100
3 − 0 = 0,923

 Rdm = 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 :

Uu = Eu − Ih.(Ruh + Rf ) (2.16)

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.

 U − E K..0 − K..
Ih = = 0
 R R (2.17)

Mh = K..Ih  0

Tốc độ quay của động cơ:

  = K..0 − Ih.R K.. Uu − Ih.Ruh = K. (2.18)
K. K.

Với Diện trở của mạch điện
Ruh = 0, 05.Rdm = 0, 0465

  = 440 + 60.0, 0465 = 126,5(rad / s)  1208(vong / phut)

3, 5

2.4: 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

20