Bài tập lớn cơ cấu chấp hành và điều khiển

Thiết bị cấp phôi cung cấp các phôi chưa gia công vào trạm máy gia công. Tải trọng tĩnh cực đại tác dụng lên pittong là 150 kg, vận tốc chuyển động ổn định của pittong là 0,06 ms , thời gian tăng tốc từ 0 tới 0,06ms 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 4s; áp suất của chất lỏng làm việc p=30at. Khi vận hành van 43 giữ trạng thái, cần piston của xilanh tác dụng kép (1A) sẽ ra vào theo ý muốn của người thợ.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

BÀI TẬP LỚN

CƠ CẤU CHẤP HÀNH VÀ ĐIỀU KHIỂN

Giáo viên hướng dẫn: TS PHAN ĐÌNH HIẾU

Phan Bá Hiếu 2018605605 Bùi Duy Mai 2018605865

Lê Hoàng Long 2018605979

Hà Nội - 2021

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

2 Tên nhóm: Nhóm 15

3.Họ và tên thành viên: Phan Bá Hiếu 2018605605

II Nội dung học tập

1 Phần thuỷ khí: Thiết bị cấp phôi cung cấp các phôi chưa gia công vào

trạm máy gia công Tải trọng tĩnh cực đại tác dụng lên pittong là 150 kg, vận tốc chuyển động ổn định của pittong là

0,06 m/s , thời gian tăng tốc từ 0 tới

0,06m/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 4s; áp suất của

chất lỏng làm việc p=30at Khi vận

hành van 4/3 giữ trạng thái, cần

piston của xilanh tác dụng kép (1A)

sẽ ra vào theo ý muốn của người thợ

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 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 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

đm

max

mm 200%M

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 không đồng bộ ba pha có thông 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

Câu 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: Pđm = 55 KW

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

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

MỤC LỤC

PHẦN I: THỦY LỰC 1

1.1.Tổng quan về hệ thống điều khiển bằng thủy lực 1

1.1.1 Lịch sử phát triền hệ thống thủy lực 1

1.1.2 Ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực 1

1.2 Biểu đồ trạng thái và lưu đồ tiến trình 3

1.2.1 Biểu đồ trạng thái 3

1.2.2 Lưu đồ tiến trình 3

1.3 Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, thiết kế mạch thủy lực 4

1.3.1 Tính chọn xy lanh 4

1.3.2 Tính toán thông số bơm 5

1.3.3 Thiết kế mạch thủy lực 7

PHẦN II: ĐỘNG CƠ ĐIỆN 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Biểu đồ trạng thái 3

Hình 1.2 Lưu đồ tiến trình 3

Hình 1.3 Mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu 7

Hình 1.3 Mạch điều khiển hệ thống 8

Hình 1.4 Quá trình xy lanh đi ra 8

Hình 1.5 Quá trình xy lanh đi về 9

Hình 2.1 Đặc tính cơ tự nhiên và đặc tính cơ nhân tạo 11

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7969:2008 về hệ thống thủy lực/khí nén-đường kính xy lanh và cần pitton-hệ mét 4Bảng 1.2 Bảng chọn đường kính xy lanh 5

PHẦN I: THỦY LỰC 1.1.Tổng quan về hệ thống điều khiển bằng thủy lực

1.1.1 Lịch sử phát triền hệ thống thủy lực

Nền tảng khoa học thủy lực hình thành cách đây 350 năm.1647 Blaise Pascal công

bố định luật cơ bản về thủy lực thủy tĩnh: áp suất chất lỏng ở trạng thái nghỉ được truyền theo tất cả các hướng, bằng nhau tại mọi điểm.1738 Bernoulli công bố tài liệu có tựa là:Hydrodynamica, trong đó ông công bố nhiều định luật về chất khí, chất lỏng

Giữa thế kỷ thứ 19, truyền động thủy lực giữ vai trò quan trọng trong công nghiệp

và trong đời sống xã hội Tại Anh, ví dụ, rất nhiều thành phố trang bị hệ thống thủy lực trung tâm mà bơm được vận hành bằng động cơ hơi nước

Trước khi truyền động điện được ứng dụng rộng rãi thì truyền động thủy lực công suất có nhiều ưu thế so với các nguồn năng lượng khác tại London.Tại London, Hydraulic Power Company dùng năng lượng thủy lực để vận hành rất nhiều bộ phận như các cầu trục để nâng các cổng thành ở Kensington và Mayfair

Hệ thống thủy lực công suất vận hành với áp suất cao được đưa vào sử dụng thực

tế vào năm 1925 khi Harry Vickers phát triển thành công bơm cánh gạt.Ngày nay, thủy lực công suất áp suất cao được sử dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực kỹ thuật

1.1.2 Ưu nhược điểm của hệ thống thủy lực

bị giới hạn bởi hiện tượng bão hòa từ trường

- Tỉ số lực/khối lượng và mô-men/quán tính cao, điều đó dẫn đến khả năng đạt gia tốc cao và đáp ứng nhanh của các động cơ thủy lực

- Độ cứng của xy lanh thủy lực cao, điều đó cho phép dừng tải tại các vị trí bất kỳ

- Dễ dàng bảo vệ khi hệ thống quá tải

- Có khả năng tích trữ năng lượng trong các bình tích áp thủy lực

2

- Độ linh hoạt cao hơn so với các hệ thống cơ khí

- Ứng dụng được cho cả chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến

- An toàn, không gây nguy cơ cháy nổ

1.1.2.2 Nhược điểm

- Nguồn thủy lực không có sẵn mọi nơi, không giống như điện

- Giá thành cao vì các thiết bị thủy lực cần độ chính xác cao

- Nhiệt độ làm việc bị giới hạn giữa hai giá trị nhỏ nhất và lớn nhất

- Cần phải có hệ thống lọc dầu

1.2 Biểu đồ trạng thái và lưu đồ tiến trình

1.2.1 Biểu đồ trạng thái

Hình 1.1 Biểu đồ trạng thái

1.2.2 Lưu đồ tiến trình

Hình 1.2 Lưu đồ tiến trình

- 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

Tổng tải trọng tác dụng lên pittong:

P = 𝑷𝒅 + 𝑷𝒕 = 9 + 1470 = 1479 (N) (1.3)

Áp suất làm việc của chất lỏng:

P = 30at = 294,2 N/𝑐𝑚2Đường kính của xy lanh được xác định bằng công thức:

D = √𝝅.𝒑𝟒.𝑷 𝑲 = √ 𝟒.𝟏𝟒𝟕𝟗

𝟑,𝟏𝟒.𝟐𝟗𝟒,𝟐 𝟏, 𝟑 = 2,89 (cm) (1.4)

K: Hệ số kể tới ảnh hưởng của tổn thất

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7969:2008 về hệ thống thủy lực/khí nén-đường kính xy lanh và cần pitton-hệ mét

D

125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 450 500

Lấy tròn đường kính D theo tiêu chuẩn D = 32 mm Xác định lại áp suất của chất lỏng làm việc để cho xy lanh thắng được tải trọng tác dụng:

P = 𝟒.𝑷.𝑲

𝝅.𝑫𝟐 =

𝟒.𝟏𝟒𝟕𝟗.𝟏,𝟑 𝟑,𝟏𝟒.𝟑,𝟐𝟐 = 239,189 (N/𝒄𝒎𝟐) = 24,39 (at) (1.5)

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

Áp suất của chất lỏng làm việc trong điều kiện bài toán là

15at < 239,189 (N/𝑐𝑚2) = 24,39 (at) < 50at Nên ta chọn 𝑑

1.3.2 Tính toán thông số bơm

Ta có phương trình cân bằng tĩnh của lực tác dụng lên piston

Trong đó :

- 𝑝1, 𝑝2: Áp suất ở các buồng xylanh

- P = 1479 (N): Tổng tải trọng

Trong đó:

- 𝑄1: Lưu lượng cần cung cấp trong hành trình công tác

- 𝑉𝑐𝑡: Vận tốc chuyển động trong hành trình công tác, (𝑉𝑐𝑡= 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 6 cm/s)

- 𝐴𝑐𝑡 = 𝐴1: Diện tích bề mặt làm việc của piston (𝐴1 = 8,04cm2)

- 𝑄1= 𝐴1.v = 8,04.6= 48,24 (𝑐𝑚3/s) = 2,894 (l/ph)

Chọn máy bơm dầu cho hệ thống thủy lực:

Lưu lượng của máy bơm: 𝑄𝑏 = 𝑄1 = 2,894 (l/ph)

Áp suất máy bơm: pb = p0 = p1 = 239,189 (N/cm2) = 23,919 bar

Công suất máy bơm: 𝑁𝑏 = 𝑃𝑏.𝑄𝑏

- 𝑁đ𝑐: Công suất của động cơ điện

- 𝐻𝑏: Hiệu suất của bơm , 𝐻𝑏 =( 0,6 → 0,9) , chọn 𝐻𝑏 =0,8

- 𝐻𝑑: Hiệu suất truyền động từ động cơ qua bơm , chọn 𝐻𝑑 =0,9

Khi đó : 𝑁đ𝑐 = 0,11

0,8.0,9 = 0,15 KW

1.3.3.2 Mạch thủy lực và mạch điều khiển đáp ứng yêu cầu

Hình 1.3 Mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu

8

Hình 1.3 Mạch điều khiển hệ thống

Hình 1.4 Quá trình xy lanh đi ra

Hình 1.5 Quá trình xy lanh đi về

Mô men định mức: Mđm = Pđm

ωđm =

2,2.1000 149,74 = 14,7 (Nm)

K𝜙đ𝑚 = 𝑀đ𝑚

𝐼đ𝑚 =

14,7 25,6 = 0,57 (Wb)

Hình 2.1 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 =

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

Bài 4: Động cơ không đồng bộ ba pha có thông số : 𝑃đ𝑚 = 22,5 KW; Uđm = 380V; 𝑛đ𝑚

= 1460vg/ph; 𝑟1 = 0,2 Ω; 𝑟′2 = 0,24 Ω; 𝑥1 = 0,39 Ω; 𝑥2 = 0,46 Ω Hãy xác định tốc độ động cơ ω khi mô men phụ tải bằng định mức, trong mạch rôto mắc thêm điện trở phụ

đã quy đổi về stato là 1,2 Ω; trong mạch stato mắc thêm điện kháng 𝑋1𝑓 = 0,75 Ω

Bài làm Phương trình đặc tính cơ: M = 3.𝑈1𝑓

2 R2Σ′s.ω0.[(R1 + R2′

𝑆 )

2 + X2nm]

14

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: 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 : 𝜂đ𝑚= 93,5%

Hệ số công suất lúc tải định mức: cos𝜑đ𝑚= 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

Tần số dòng điện rotor lúc tải định mức: 𝑓2 = s.𝑓1 = 0,02.50 = 1(Hz)

Dòng định mức từ nguồn cấp vào động cơ khi tải định mức:

Công suất cơ khi chưa trừ ma sát cơ:

Pcơ = Pđm + Pmq = 55000 + 573,53 = 55573,53(W) Công suất điện từ cấp vào rotor khi tải định mức:

Pđiện từ = 𝑃𝑐ơ

1 − 𝑠 =

55573,53

1 − 0,02 = 56707,68(W)

16

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bộ môn Cơ điện tử, Bài giảng Cơ cấu chấp hành và điều khiển, ĐHCNHN

[2] Trường ĐHCNHN, Giáo trình truyền động điện, NXB KH&KT

[3] Trường ĐHCNHN, Bài giảng hệ thống tự động thủy khí

[4] Trần Xuân Tùy, Hệ thống điều khiển thủy lực, 2002