Bài tập lớn Cơ cấu chấp hành và điều khiển

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:

ThS. Vũ

Tuấn Anh
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Anh

2018603336

Ngô Việt Anh

2018603696

Chu Quốc An

2018601631

Hà Nội-2020


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:

ThS.Vũ

Tuấn Anh
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Anh

2018603336

Ngô Việt Anh

2018603696

Chu Quốc An

2018601631

Hà Nội-2020
1

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

Hà Nội, ngày

năm 2020
Giáo viên hướng dẫn

2

tháng


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

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

Hà Nội, ngày
năm 2020

tháng

Giáo viên chấm phản
biện

(BM01)
PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM
3


I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: Cơ điện tử 02

Khóa: 13

2. Tên nhóm: Nhóm 1
Họ và tên thành viên :

Nguyễn Văn Anh

MSV:

2018603336
Ngô Việt Anh

MSV: 2018603696

Chu Quốc An

MSV: 2018601631

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?

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: 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  200%Mđm ,
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 R đm làm việc ở chế độ hãm tái sinh. Xác
định  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 X 1f =
0,75
Bài 5: Cho một động cơ khơng 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
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

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:................................................................9
1.2: : Tính chọn xy lanh, 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..........................................................................11
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.......................................................................................................18
2.3: Bài 3:......................................................................................................19
2.4: Bài 4:......................................................................................................20
2.5: Bài 5:......................................................................................................22

7


DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU
Danh mục hình ảnh
Hình 1: Biểu đồ trạng thái...................................................................................9
Hình 2: Lưu đồ thuật tốn...................................................................................9
Hình 3: Mạch thủy lực......................................................................................12
Hình 4: Mạch điện điều khiển...........................................................................13

Danh mục bảng biểu
Bảng 1: Áp suất tỉ lệ với đường kính................................................................11
Bảng 2: Danh sách các thiết bị sử dụng............................................................14

8


CHƯƠNG I:

PHẦN THỦY KHÍ

I.1: Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống
I.1.1: Biểu đồ trạng thái:

Hình 1: Biểu đồ trạng thái
I.1.2: Lưu đồ tiến trình hệ thống:

9


Hình 2: Lưu đồ thuật tốn
I.2: : Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế
mạch thủy lực điều khiển
I.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 cơng thức:
P= ma
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.
a). Đường kính của xy lanh được xác định bởi cơng thức:

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

Tải trọng tổng cộng:

Vậy:

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:

10


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

50

Bảng 1: Áp suất tỉ lệ với đường kính
Áp suất của chất lỏng làm việc trong điều kiện bài toán p = 15,96 at vì vậy ta
chọn
(lưu ý: 1 at = 98066.5 Pa => p=1.565MPa)

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:

- Đoạn đường pittong chuyển động đều:

- Hành trình pittong:
I.2.2: Tính chọn bơm dầu
- Thể tích cần để đẩy xy lanh ở hành trình tiến ra:

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

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

11


Lấy bơm có lưu lượng tăng dần từng bước 1ml/vịng đến khi đạt 5ml; hiệu suất
thể tích là 88%, hiệu suất tổng là 80%. Bơm được điều khiển trực tiếp thơng qua một
mơ tơ điện có tốc độ 1430 vịng/phút.
Ta có lưu lượng riêng của bơm:

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

I.2.3: Thiết kế mạch thủy lực điều khiển.
I.2.3.1: Mạch thủy lực

12


Hình 3: Mạch thủy lực

13


I.2.3.2: Mạch điều khiển:

Hình 4: Mạch điện điều khiển

14


I.2.3.3: Danh sách các thiết bị sử dụng.

STT

Thiết bị

Số lượng

1

Bộ bơm cấp dầu

1

2

Van tràn

1

3

Xilanh tác động kép

1

4

Van đảo chiều 4/3 điện từ tác động kép

1

5

Van tiết lưu 1 chiều

2

6

Nút nhấn thường mở không giữ trạng thái

2

7

Nút nhấn thường giữ trạng thái

1

8

Rơle

2

9

Công tắc thường mở tác động bởi rơle

4

10

Công 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

II.1: Bài 1.
Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có thơng số: P dm = 2,2 KW; Udm= 110V;
Idm = 25,6A; ndm = 1430 vg/phút. Vẽ đặc tính cơ tự nhiên, đặc tính cơ nhân tạo với R ưf
= 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 :

Vậy A(14,7;149,7) là 1 điểm thuộc đặc tính cơ tự nhiên
Tốc độ khơng tải lí tưởng (Iư=0)

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:
Udm=Rư.Idm+Kdm.dm
16


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

Udm=Rư.(Idm+ Rưf )+Kdm.nt

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

Đặc tính cơ tự nhiên và nhân tạo của động cơ
250

200

150

100

50

0

0

2

4

6

8

10

17

12

14

16

M

II.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  200%Mđm , mở
máy với 3 cấp điện trở.
Lời giải:
Quy đổi tốc độ động cơ :
ndm = 1050 vg/phút �

=110 (rad/s)

dm

Pdm = Kdm. Idm .dm

�

K  dm 

Pdm
13,5.1000

 0,84(Wb)
I dm .dm
146.110

Phương trình cân bằng điện áp ở chế độ định mức:
Udm=Rư.Idm+Kdm.dm

�

Ru 

U dm  K  dm .dm 110  0,84.110

 0,12()
I dm
146

Pdm =Mdm.dm

�

M dm 

Pdm 13,5.1000

 122,8( N .m)
dm
110

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

Ta có :
18

max
M mm
 K  dm .I mm  K  mm .

�

Rf 

U dm
( Ru  R f )

K  dm .U dm
0,84.110
 Ru 
 0.12  0, 256()
max
M mm
245, 6

Vậy ta có 3 cấp điện trở mở máy lần lượt là:
R f 1  0, 256() R f 2  0,1708() R f 3  0, 085()

;

;

II.3: 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.
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.
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:

M dm  K . dm .I dm

� Pdm  K . dm .I dm .dm
� K . dm 

Pdm
29000

 3,5
I dm .dm 79. 100
3

19

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

U u  Eu  I u .( Ru  Ruf )
Khi động cơ làm việc tại chế độ định mức

U dm  Edm  I dm .( Rdm  Ruf )
Với sức điện động phần ứng là

Eu  K . u .u
� U dm  K . dm .dm  I dm .( Rdm  Ruf )
� Rdm 

� Rdm 

U dm  K . dm .dm
 Ruf
I dm
440  3,5.
79

100
3  0  0,923

 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 )

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 ..

0
�I 
� �h
R
R
�
�M h  K ..I h  0

Tốc độ quay của động cơ:
20


� 

K ..0  I h .R

K .

K ..

Uu
 I h .Ruh
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

II.4: 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
Lời giải:
 Xét thời điểm động cơ hoạt đông ở chế độ định mức
Quy đổi giá trị tốc độ động cơ:
ndm  1460(vong / phut ) � dm 

146
( rad / s )
3

Công suất định mức của động cơ:
Pdm  M dm .dm  22,5kW

� M dm 

Pdm 22500


 147,16( N .m)
dm 146.
3

Khi mạch điện chưa mắc thếm điện kháng và trở kháng
r1  0, 2; r '2  0, 24
X 1  0,39; X '2  0, 46
� X nm  X 1  X '2  0,39  0, 46  0,85

Momen điện từ định mức:

21


M dm 

3.U dm .r '2
 147,16( N .m)
2
�
�
r
'
�
�
2
S .dm . �
r1  2 � X nm
�

�
S
�
�
�
�

Vơi S là hệ số trượt của động cơ:
� S  2, 28

 Xét động cơ hoạt động ở chế độ mang tải và thay đổi giá trị điện trở và điện
kháng
r1t  0, 2
r '2t  r '2  r '2 f  0, 24  1, 2  1, 44
X 1t  X 1  X 1 f  0,39  0, 75  1,14
X '2t  0, 46
� X tnm  X 1t  X '2t  X 1  X 1 f  X '2t  0,39  0, 75  0, 46  1, 6

Vì momen phụ tải bằng momen định mức nên:
M 1  M dm

�

� 1 

3.U t .r '2 t

 M dm
2
�

�
� r '2t �
2
S .1. �
r1t 
�
� X tnm �
S �
�
�
�

3.U t .r '2t
 1,5(rad / s )
2
�
�
� r '2t �
2
M dm .S . �
r1t 
�
� X tnm �
S �
�
�
�

 Tốc độ động cơ khi đó:
n1 �14,37(vong / phut )

II.5: Bài 5:
Cho một động cơ khơng đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các thông 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.
22


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.

Lời giải:
1, Xét động cơ làm việc tại chế độ định mức
Quy đổi giá trị tốc độ động cơ:
ndm  980(vong / phut ) � dm 

98
(rad / s )
3

Với
dm  2 f

Tần số của Rotor:
� f dm

98
dm

 3  16,33Hz
2
2

2, Hiệu suất định mức


P2
 93,5%
P1

Công suất định mức của stator
� P1 

P
P2
55000
 dm 
 58823,53W
0,935
0,935 0,935

Mà

P1  3.U1.I1.cos dm

23


Cường độ dòng điện định mức cấp vào stator
� I1 

P1
58823,53

 103, 92 A
3.U1.cos dm
3.380.0,86

3, Tổn hao công suất trong động cơ

�P P

CK  f

 Pd 2  Pst  Pd 1  P1  P2  58823,53  55000  3823,53W

Công suất điện từ
Pdt  P2  PCK  f  Pd 2

� Pdt  P2  15%.�P  25%.�P
� Pdt  55000  3823,53.0, 4 �56,53kW

24