Bài tập lớn cơ cấu chấp hành và điều khiển

1 Đường đặc tính cơ tự nhiên và đường đặc tính cơ nhân tạo...11 Y LỜI NÓI ĐẦU Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học.. Một số ít là Động cơ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ

ĐIỀU KHIỂN

Giáo viên hướng dẫn : Th.s Vũ Anh Tuấn

Nhóm sinh viên thực hiện : Chu Hai Thìn 2018600872 Hoàng Đình Thọ 2018600380

Nguyễn Thị Thu 0941020218

Hà Nội - 2021

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

LỜI CẢM ƠN 5

CHƯƠNG 1 : PHẦN THỦY KHÍ 6

1.1.Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống 6

1.1.1 Vẽ biều đồ trạng thái 6

1.1.2 Lưu đồ tiến trình 6

1.2 Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, và thiết kế mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu đề bài 7

1.2.1 Tính chọn xylanh 7

1.2.2 Tính chọn bơm dầu 8

1.2.3 Thiết kế mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu đề bài 11

CHƯƠNG 2 : PHẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN 11

Bài 1 11

Bài 2 13

Bài 3 14

Bài 4 15

Bài 5 16

DANH MỤC HÌNH ẢN

Hình 1 1 Biểu đồ trạng thái hệ thống 6

Hình 1 2 Lưu đồ tiến trình hệ thống 6

Hình 1 3 Mạch thủy lực cho hệ thống 10

Hình 2 1 Đường đặc tính cơ tự nhiên và đường đặc tính cơ nhân tạo 11

Y

LỜI NÓI ĐẦU

Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học Hầu hết động cơ điện hiện có

hoạt động theo hiệu ứng điện từ Một số ít là Động cơ áp

điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, và thường là động

cơ cỡ nhỏ hoặc siêu nhỏ

Các động cơ điện thường gặp dùng trong gia đình

như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước, máy hút bụi Ngược lại với Động cơ điện là máy dùng để chuyển đổi

từ cơ sang điện, được gọi là máy phát điện Máy phát có hai loại chính là máy phát điện xoay chiều (alternator) và một chiều (dynamo)

Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu 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 thông 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 công 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 thuỷ lực (Hydraulic systems) được sử dụng nhiều trong ngành chế tạo máy hiện đại và trong công nghiệp lắp ráp Ngoài ra, công nghệ thuỷ lực còn được ứng dụng

trong một số lĩnh vực đặc biệt khác như hàng hải, khai thác hầm mỏ, hàng không…

Trong hệ thống thuỷ lực, chất lỏng có áp suất đóng vai trò trung gian truyền lực và chuyển động cho máy công nghệ Thông qua việc làm bài tập lớn môn cơ cấu chấp hành và điều khiển , nhóm đã hệ thống được các phần kiến thức đã

học , nâng cao và tìm hiểu them được các kiến thức về phần thiết kế mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu hệ thống và các kiến thức về phần tính toán động cơ điện

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, chúng em xin được gửi lời cảm ơn trân trọng

và sâu sắc nhất thầy Vũ Tuấn Anh – người đã hết sức tạo điều kiện và tận tình hướng dẫn, động viên chúng em trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện bài tập lớn môn học này

Chúng em xin trân trọng cảm ơn đến tất cả các quý thầy

cô khoa Cơ Khí trường Đại Học Công Nghiệp hà Nội, những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức cơ bản, cũng như đã nhiệt tình quân tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi

để chúng em được học tập, nghiên cứu hoàn thành báo cáo bài tập lớn môn Cơ cấu chấp hành và điều khiển này

Chúng em xin cám ơn

Trân trọng!

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Sinh viên thực hiện Chu Hai Thìn Hoàng Đình Thọ Nguyễn Thị Thu

CHƯƠNG 1 : PHẦN THỦY KHÍ 1.1.Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình của hệ thống

1.1.1 Vẽ biều đồ trạng thái

Hình 1 1 Biểu đồ trạng thái hệ thống

1.1.2 Lưu đồ tiến trình

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 đáp ứng yêu cầu đề bài

1.2.1 Tính chọn xylanh

Thông số thiết kế

F= p πDD

4

p=60 at=60.98=5880 (Kpa)

F=200kg=2000N

Trong đó: F: lực tạo ra ở đầu cần pistong (N)

p: là áp suất làm việc của xylanh

D: đường kính của xylanh

Ta có: F= p πD D2

4 =¿D=2.√πD p F + Đường kính trong của xylanh là:

D=2.√πDp F =2.√πD 5880 102000 3=0.0208(m)=20.8(mm)

Ta chọn đường kính trong xylanh là: D tr=20 mm

đường kính trong xylanh là: D ng=30 mm

+ Đường kính cần pistong:

D c=(0.6 ÷ 0.8)D=(0.6 ÷ 0.8).20=12 ÷16 (mm)

Vậy ta chọn đường kính cần pistong là D c=14 (mm)

Lưu lượng cần cấp cho xylanh

Q=f v trong đó Q: lưu lượng cần cấp cho xylanh

f: diện tích tác dụng của xylanh

v: vận tốc cần pistong

Hành trình s1 mà pistong đi được từ 0 → 0.05 m/s trong khoảng thời gian

Δt1=1 s

v1=v01+a1t1⇒a1=v1−v01

t1 =

0.05−0

1 =0.05(m/s

2 )

Ta có: s1=v0t1+ 1

2a1t12

= 1

2× 0.05 ×1

2 =0.025(m)=25 (mm)

+ Lưu lượng cần cấp cho xylanh đi ra đạt đến 0.05m/s trong Δt1=1 s

Q1=f v1=πD D2

4 ×

s1

t1=

πD 0,2 02×0.25

4 × 1 =7,85(c m

3 /s )

+ Lưu lượng cần cấp cho xylanh trong hành trình lùi về:

Hành trình pistong lùi về s2=s1=25 mm

Q2=f v2=πD (D2−Dc2)

4 .

s2

t2=4(c m

3 /s )

Ta thấy Q1>Q2do đó lưu lượng của bơm nguồn phải chọn theo Q1

1.2.2 Tính chọn bơm dầu

Tính toán đường ống thủy lực

 Tính toán đường ống hút

d h ut=√ 4 Q

πD v h ut=√ 4 × 7,85× 10−3

πD ×60 ×(0.8 ÷ 1.2)=11÷ 14(mm)

 Tính toán đường ống hồi

d h oi=√πD v 4 Q h oi=√ 4 ×7,85 ×1 0−3

πD × 60×(1 ÷ 1.6)=10 ÷ 12(mm)

 Tính toán đường ống đẩy

d day=√πD v 4 Q day=√4 ×7,85 ×1 0− 3

πD × 60×(3 ÷ 5)=5 ÷ 7(mm)

Tính chọn bơm nguồn

Chiều dài đoạn đường ống hút bằng chiều dài ống hồi L1=L3=1m Chiều dài ống đẩy L2=4m

Vận tốc và đường kính ống hút: v hut=1(m/s ), dh ut=12(mm)

Vận tốc và đường kính ống đẩy: v day=4(m/s), d day=6(mm)

Vận tốc và đường kính ống hồi: v h oi=1.5(m/s), dh oi=11(mm)

Chất lỏng làm việc là dầu thủy lực cs 32 có các thông số ký thuật:

 Độ nhớt: υ=32.1 0−6

(m/s2)

 Trọng lượng riêng: ρ=8.5 ×1 03 (N /m3)

Ta có: p= p1+p2

Với p1 là tổn thất qua van phân phối, lấy p1=2 ¯ ¿

p2 là tổn thất đường ống bao gồm cả tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ

p2=λ1L1v h ut2 ρ

2 d hut +

λ2L2v2day ρ

2d day +

λ3L3v h oi2 ρ

2 d h oi +

ξ

2 g γ (v h ut

2 +v day2 +v h oi2 )

Hệ số tổn thất dọc đường và tổn thất cục bộ λ , ξ

Hệ số λ phụ thuộc vào hệ số Raynom

R e1=1000 v h ut d h ut

1000 ×1 ×12

32 =375<2300

R e2=1000 v day d day

1000 × 4 ×6

32 =750<2300

R e3=1000 v h oi d h oi

1000 ×1.5 ×11

32 =515,6<2300

λ1= 64

R e1=

64

375=0.171

λ2= 64

R e2=

64

750=0.085 λ3 = 64

R e3=

64 515,6=0.124

Hệ số ξ phụ thuộc vào khủy ống, ở đây to coi khủy ống là thẳng gốc và lấy

ξ=1.2

p2=0.171 ×1× 12× 850

2 × 0.012 +

0.085 × 4 × 42×850

2× 0.006 +

0.124 ×1 ×1 52× 850

2× 0.011

+1.2× 86.65

2× 9.81 ×(1

2 + 4 2 + 1 5 2

)=402271,1(m N2)=4 ¯ ¿

Do đó: p= p1+p2= 2+4=6 ¿

PB= p+ p ycmax

p ycmax: áp suất yêu cầu lớn nhất

⇒ PB=6+58,8=64,8 (b ar)

Để thỏa mãn ta lấy PB=65 (b ar)

Lưu lượng cần thiết để cấp cho xylanh là: 0,471 (l/ p h )

Căn cứ vào hai thông số áp suất và lưu lượng ở trên cũng như điều kiện làm việc của hệ thống ta thấy bo bánh răng là sự lựa chọn phù hợp nhất

Bơm bánh răng có áp suất p= 2 0 – 350 ¯¿

Bơm bánh răng có dải lưu lượng phù hợp Q<100 (l/ p h )

Ta chọn động cơ kéo bơm có số vòng quay n=1445 (v / p h)

Do đó lưu lượng riêng của bơm được tính theeo công thức:

q=Q

n=

1 ×1 03

1445 =0,692(c m

3 /vong)

Ta chọn bơm bánh răng có lưu lượng riêng là q=1(cc)

Lưu lượng bơm lực này là Q=n q=1445.1 10−3 =1,445(l/ p)

1.2.3 Thiết kế mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu đề bài

Hình 1 3 Mạch thủy lực cho hệ thống

CHƯƠNG 2 : PHẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Bài 1: Cho động cơ một chiều kích từ độc lập có thông 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 giải

a) 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 [

M đm; ω đm¿; Điểm không tải lý tưởng [M = 0; ω = ω0]; Điểm ngắn mạch [M nm; ω

= 0]

Tốc độ góc định mức: ω đm= ¿ n đm

9,55=¿

1430 9,55=¿149,74 (rad/s) Moment cơ định mức:

M đm=P đm.1000

ω đm =

2,2.1000 149,74 =14,69 ( N m)

Như vậy ta có điểm thứ nhất trên đặc tính cơ tự nhiên cần tìm là điểm định mức:[14,69;149,74]

Ta có: M đm=K ∅ đm I đm

Do đó K ∅ đm=M đm

I đm =14,6925,6 =0,57 (Wb) Tốc độ không tải lí tưởng:

ω0= U đm

K ∅ đm=

110 0,57=192,98 (

rad

s )

Ta có điểm thứ hai của đặc tính là:[0;192,98]

Vậy đường đặc tính cơ tự nhiên là một đường thẳng đi qua hai điểm có tọa độ [0;192,98] và [14,69;149,74]

b)Xây dựng đường đặc tính cơ nhân tạo với R ưf=0,78 Ω

Ta có điện trở phần ứng: R=U đm−ω đm K ∅ đm

110−149,74.0,57 25,6 =¿0,96 (Ω) Khi thay đổi điện trở phụ trên mạch phần ứng thì tốc độ không tải lý tưởng không thay đổi, nên ta có thể vẽ đặc tính cơ nhân tạo qua các điểm không tải

lý tưởng [0; ω0 ] và điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo [M đm ; ω nt]

Tốc độ góc nhân tạo là:

ω nt=U đm−I đm(R+R ưf)

K ∅ đm =

110−25,6.(0,96+0,78)

0,57 =114,84(rad/s) Tọa độ điểm tương ứng với tốc độ nhân tạo:[14,69;114,84]

Do đó đường đặc tính cơ nhân tạo là một đường thẳng đi qua hai điểm có tọa độ:[0;192,98] và [14,69;114,84]

Như vậy ta có thể dựng được đường đặc tính cơ tự nhiên(đường 1) và đường đặc tính cơ nhân tạo (đường 2) như hình dưới đây:

Hình 2 1 Đường đặc tính cơ tự nhiên và đường 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:

P đm = 13,5 KW; U đm = 110 V; I đm = 145 A; n đm = 1050 vg/ph Biết rằng

Mmmmax=200 %Mđm , mở máy với 3 cấp điện trở.

Bài giải Tốc độ góc định mức:

ω đm= n đm

9,55=

1050

9,55=110(rad /s)

Điện trở định mức:R đm=U đm

I đm=

110

145=0.76 (Ω)

Momen định mức:

M đm=P đm

ω đm=

13,5.103

110 =122,7 (N m)

Từ thông của động cơ:

K ❑đm=M đm

I đm =

122,7

145 =0,85 (Wb) Điện trở phần ứng :

ω ( rad

s )

1 192,9

149,7

2 114,8

14,6 9

M(N.m) 0

R ư=U đm−K ❑đm ω đm

110−0,85.110

145 =0,114(Ω)

Bội số dòng điện khởi động:

λ= m√ U đm

I1 R=

3

√290.0,114110 =3,33

Dòng điện khởi động lớn nhất:

Mmmmax=200 %Mđm

Nên I max = I 1 = 2I đm = 2.145 = 290 (A)

Dòng điện khởi động cấp 2:

I2=I1

λ=

290

3,33=87,1(A )

Dòng điện khởi động cấp 3:

I3=I2

λ=

I1

λ2 =26,2( A)

Cấp điện trở tổng:

R1=λ R=0,38(Ω)

R2=λ R1=1,27(Ω)

R3=λ R2=4,23(Ω)

Điện trở phụ các cấp:

R f(1) =R 1 -R=0,226 (Ω)

R f(2) =R 2 -R f(1) =1,044 (Ω)

R f(3) =R 3 -R f(2) =3,276 (Ω)

Bài 3: Động cơ một chiều kích từ độc lập có thông số: P đm = 29 KW; U đm = 440 V; I đm = 79 A; n đm = 1000 vg/ph; R ư = 0,05 R đm làm việc ở chế độ hãm tái sinh Xác định ω khi I ư = 60 A, R ưf = 0.

Hãm tái sinh khi tốc độ quay của động cơ lớn hơn tốc độ không tải lý tưởng (ω > ω0 ) 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 dòng hãm và mômen hãm đã đổi chiều so với chế độ động cơ.

Điện trở định mức:

R đm=U đm

I đm=5,57(Ω)

Điện trở phần ứng:

R ư= ¿ 0,05.R đm= ¿ 0,28 (Ω)

Mô men định mức của động cơ:

M đm=P đm

ω đm=276,95 (N m)

Từ thông của động cơ:

K ❑đm=M đm

I đm =3,5 (Wb) Tốc độ không tải lý tưởng:

ω0= U đm

K ∅ đm=125,7 (

rad

s )

Khi hoạt động ở chế độ hãm tái sinh động cơ hoạt động ở trạng thái máy phát nên

I h =-I đm =-79(A) Suy ra:

E h=U h−I h R ư=U đm+I đm R ư=462,1(V )

Khi I ư =60 (A), R ưf = 0.

E2=U2−I2 R ư=423,2(V )

Ta có: E E h

2

=K ❑đm ω đm

K ❑đm ω2 =

ω đm

ω2 =

462,1 423,2=1,1

Do đó: ω2=95,2(rad /s)

Bài 4 Động cơ không đồng bộ ba pha có thông số P đm = 22,5 kW; U đm = 380V;

n đm = 1460vg/ph; r 1 = 0,2; r’ 2 = 0.24; x 1 = 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 giải Tốc độ góc định mức của động cơ là:

ω đm=2 πD n đm

60 =

2 πD 1460

60 =152.89(rad / s)

Moment định mức của động cơ là:

M đm=P đm

ω đm=

25000 152.89=163.52(N m)

Tốc độ từ trường quay của động cơ là:

n1=60 f

p =

60.50

2 =1500(vòng / phút)

Hệ số trượt của động cơ là:

s= n1 −n đm

n1

= 1500−1460

1500 =0.027

Điện kháng ngắn mạch của động cơ là:

X nm=X1 +X2'+X 1 f=0.39+0.46+0.75=1.6(Ω)

Vì moment phụ tải bằng moment định mức

⇒ M tải=M đm=163.52(N m)

Ta có

M tải= 3 U12r2'

s ω1[(r1+r2'

s +

r' f

s )2+X nm2 ]

⇒ω1= 3 U12r2'

s M tải[(r1+r2'

s +

r ' f

s )2+X nm2

]

ω1= 3 3802.0,24

0,027.163,52 ¿ ¿

Vậy khi M tải=M đm tốc độ của động cơ là ω1= ¿ 8,2 (rad/s)

Bài 5 : Cho một động cơ không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc có các thông số sau:

Công suất định mức của động cơ: P đm = 55 KW.

Áp dây định mức: V đm = 660V / 380V – Y/ (Tần số nguồn điện f = 50 Hz ).

Tốc độ định mức của động cơ : n đm = 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 m I = 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.

Bài giải

1, Tính tần số Rotor

Tốc độ từ trường quay của động cơ là:

Chọn số cặp cực từ của động cơ p=2,tốc độ đồng bộ của động cơ là:

n1=60 f

p =

60.50

2 =1500 (vòng / phút)

Hệ số trượt của động cơ là:

s= n1−n đm

n1 =

1500−980

1500 =0,35

Tần số của rotor là

f2=s f =17,5 (Hz)

2,Tính dòng điện định mức cấp vào stator?

Ta có: P1=√3 I đm U đm cosφ đm

⇒Dòng điện định mức cấp vào stator là:

I đm= P1

√3 U đm cosφ đm=

P đm

√3 U đm cosφ đm η đm

¿ 55.10 3

√3 380 0,86 0,935=104( A)

3, Tính công suất điện từ?

Ta có:

∆ P ck=15 % ∆ P

∆ P st=25 % ∆ P

Công suất định mức của động cơ là:

P đm=P1 η đm

⇒ P1=P đm

η đm=

55 0,935=58,82( kW )

Tổng tổn hao công suất là:

∆ P=P1−P2=P1−P đm=58,82−55=3,82(kW )

Ta có hệ số trượt định mức:s= ∆ P2

P đt => ∆ P2=0,35 P đt

Công suất điện từ của động cơ là

P đt=P cơ+∆ P2=P2+∆ P2+∆ P ck=P đm+0,35 P đt+15 %∆ P (Ở chế độ định mức:

P2=P đm¿

 P đt= 55+0,15.3,82

1−0,35 =85,5(kW )