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 Sinh viên thực : Nhóm MSV Phan Bá Hiếu 2018605605 Bùi Duy Mai 2018605865 Lê Hoàng Long 2018605979 : 15 Hà Nội - 2021 PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM I Thơng tin chung Tên lớp: Cơ điện tử Khóa: 13 Tên nhóm: Nhóm 15 3.Họ tên thành viên: Phan Bá Hiếu 2018605605 Bùi Duy Mai 2018605865 Lê Hoàng Long 2018605979 II Nội dung học tập Phần thuỷ khí: Thiết bị cấp phơi cung cấp phôi chưa gia công vào trạm máy gia công Tải trọng tĩnh cực đại tác dụng lên pittong 150 kg, vận tốc chuyển động ổn định pittong 0,06 m/s , thời gian tăng tốc từ tới 0,06m/s 1(s); thời gian giảm tốc cuối hành trình thời gian tăng tốc; thời gian pittong thực hành trình 4s; áp suất chất lỏng làm việc p=30at Khi vận hành van 4/3 giữ trạng thái, cần piston xilanh tác dụng kép (1A) vào theo ý muốn người thợ Hoạt động sinh viên - Nội dung 1: Vẽ biểu đồ trạng thái, lưu đồ tiến trình hệ thống? - Nội dung 2: Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, thiết kế mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu đề bài? Phần động điện Bài 1: Cho động 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 tự nhiên, đặc tính nhân tạo với Rưf = 0,78  Bài 2: Tìm trị số cấp mở máy động chiều kích từ độc lập có: Pđm = 13,5 KW; Uđm = 110 V; Iđm = 145 A; nđm = 1050 vg/ph Biết M max mm = 200 % M đm , mở máy với cấp điện trở Bài 3: Động 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 chế độ hãm tái sinh Xác định  Iư = 60 A, Rưf = Bài 4: Động không đồng 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  mô men phụ tải định mức, mạch rôto mắc thêm điện trở phụ quy đổi stato 1,2Ω; mạch stato mắc thêm điện kháng X1f = 0,75 Câu 5: Cho động không đồng pha rotor lồng sóc có thơng số sau: Cơng suất định mức động cơ: Pđm = 55 KW Áp dây định mức:Vđm = 660V / 380V – Y/.(Tần số nguồn điện f = 50Hz) Tốc độ định mức động : nđm = 980 vòng/phút Hiệu suất định mức : đm = 93,5% Hệ số công suất lúc tải định mức: cosđm = 0,86 Bội số dòng điện mở máy động mI = Khi cấp nguồn áp pha 380V (áp dây) vào động cơ, lúc mang tải định mức xác định: Tần số rotor? Dòng điện định mức cấp vào stator động cơ? Công suất điện từ? Khi biết tổn hao ma sát cơ, quạt gió chiếm 15% tổng tổn hao động cơ; tổn hao thép chiếm 25% tổng tổn hao III Nhiệm vụ học tập Hoàn thành tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án theo thời gian quy định Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề giao trước giảng viên sinh viên khác IV Học liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án Tài liệu học tập: Bài giảng hệ thống tự động thủy khí, tài liệu Fluid Sim Phương tiện, nguyên liệu thực tiểu luận, tập lớn, đồ án/dự án (nếu có): Máy tính KHOA/TRUNG TÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN MỤC LỤC PHẦN I: THỦY LỰC .1 1.1.Tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực 1.1.1 Lịch sử phát triền hệ thống thủy lực .1 1.1.2 Ưu nhược điểm hệ thống thủy lực 1.2 Biểu đồ trạng thái lưu đồ tiến trình 1.2.1 Biểu đồ trạng thái 1.2.2 Lưu đồ tiến trình .3 1.3 Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, thiết kế mạch thủy lực 1.3.1 Tính chọn xy lanh 1.3.2 Tính tốn thơng số bơm 1.3.3 Thiết kế mạch thủy lực PHẦN II: ĐỘNG CƠ ĐIỆN 10 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Biểu đồ trạng thái Hình 1.2 Lưu đồ tiến trình Hình 1.3 Mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu Hình 1.3 Mạch điều khiển hệ thống .8 Hình 1.4 Quá trình xy lanh .8 Hình 1.5 Quá trình xy lanh Hình 2.1 Đặc tính tự nhiên đặc tính nhân tạo 11 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7969:2008 hệ thống thủy lực/khí nén-đường kính xy lanh cần pitton-hệ mét Bảng 1.2 Bảng chọn đường kính xy lanh .5 PHẦN I: THỦY LỰC 1.1.Tổng quan hệ thống điều khiển thủy lực 1.1.1 Lịch sử phát triền hệ thống thủy lực Nền tảng khoa học thủy lực hình thành cách 350 năm.1647 Blaise Pascal công bố định luật thủy lực thủy tĩnh: áp suất chất lỏng trạng thái nghỉ truyền theo tất hướng, điểm.1738 Bernoulli cơng bố tài liệu có tựa là:Hydrodynamica, ơng cơng bố nhiều định luật chất khí, chất lỏng Giữa kỷ thứ 19, truyền động thủy lực giữ vai trị quan trọng cơng nghiệp đời sống xã hội Tại Anh, ví dụ, nhiều thành phố trang bị hệ thống thủy lực trung tâm mà bơm vận hành động nước Trước truyền động điện ứng dụng rộng rãi truyền động thủy lực cơng suất có nhiều ưu so với nguồn lượng khác London.Tại London, Hydraulic Power Company dùng lượng thủy lực để vận hành nhiều phận cầu trục để nâng cổng thành Kensington Mayfair Hệ thống thủy lực công suất vận hành với áp suất cao đưa vào sử dụng thực tế vào năm 1925 Harry Vickers phát triển thành công bơm cánh gạt.Ngày nay, thủy lực công suất áp suất cao sử dụng rộng rãi lĩnh vực kỹ thuật 1.1.2 Ưu nhược điểm hệ thống thủy lực 1.1.2.1 Ưu điểm - Tỉ số công suất-tỉ trọng cao - Tự bơi trơn - Khơng có tượng bão hòa hệ thống thủy lực hệ thống điện Mô-men động điện tỉ lệ thuận với cường độ dịng điện, bị giới hạn tượng bão hòa từ trường - Tỉ số lực/khối lượng mơ-men/qn tính cao, điều dẫn đến khả đạt gia tốc cao đáp ứng nhanh động thủy lực - Độ cứng xy lanh thủy lực cao, điều cho phép dừng tải vị trí - Dễ dàng bảo vệ hệ thống tải - Có khả tích trữ lượng bình tích áp thủy lực - Độ linh hoạt cao so với hệ thống khí - Ứng dụng cho chuyển động quay chuyển động tịnh tiến - An tồn, khơng gây nguy cháy nổ 1.1.2.2 Nhược điểm - Nguồn thủy lực sẵn nơi, khơng giống điện - Giá thành cao thiết bị thủy lực cần độ xác cao - Nhiệt độ làm việc bị giới hạn hai giá trị nhỏ lớn - Cần phải có hệ thống lọc dầu 1.2 Biểu đồ trạng thái 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 1.3 Tính chọn xy lanh, tính chọn bơm dầu, thiết kế mạch thủy lực 1.3.1 Tính chọn xy lanh Xy lanh thủy lực cấu chấp hành hệ thống thủy lực có nhiệm vụ biến đổi lượng dòng chất lỏng thành lực đầu cần Tải trọng tĩnh xác định công thức : 𝑷𝒕 = m.g = 150.9,8 = 1470 (N) (1.1) với g = 9,8 m/s2 Tải trọng động xuất pittong tăng tốc hay giảm tốc xác định công thức: 𝑷𝒅 = m.a = m ∆𝒗 ∆𝒕 𝟎,𝟎𝟔 = 150 𝟏 = (N) (1.2) Trong đó: - m: Khối lượng vật thể chuyển động tịnh tiến - a: Gia tốc vật thể chuyển động trước đạt vận tốc ổn định Tổng tải trọng tác dụng lên pittong: P = 𝑷𝒅 + 𝑷𝒕 = + 1470 = 1479 (N) (1.3) Áp suất làm việc chất lỏng: P = 30at = 294,2 N/𝑐𝑚2 Đường kính xy lanh xác định cơng thức: D=√ 𝟒.𝑷 𝝅.𝒑 𝑲=√ 𝟒.𝟏𝟒𝟕𝟗 𝟑,𝟏𝟒.𝟐𝟗𝟒,𝟐 𝟏, 𝟑 = 2,89 (cm) (1.4) K: Hệ số kể tới ảnh hưởng tổn thất Bảng 1.1 Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 7969:2008 hệ thống thủy lực/khí nén-đường kính xy lanh cần pitton-hệ mét D 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 450 500 Lấy trịn đường kính D theo tiêu chuẩn D = 32 mm Xác định lại áp suất chất lỏng làm việc xy lanh thắng 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) Đường kính cần pittong d xác định gần phụ thuộc vào áp suất p theo tỉ số (1.5) 𝐝 𝐃 sau: Bảng 1.2 Bảng chọn đường kính xy lanh p ≤ 15at d D 15 < p ≤ 50at d = 0,3÷0,35 D 50 < p ≤ 80÷100at d = 0,5 D = 0,7 Áp suất chất lỏng làm việc điều kiện toán 15at < 239,189 (N/𝑐𝑚2 ) = 24,39 (at) < 50at Nên ta chọn 𝑑 𝐷 = 0,5 Đường kính cần pittong có giá trị d = 16mm, D = 32mm Xác định hành trình pittong Đoạn đường pittong chuyển động có gia tốc là: 2𝑺𝟏 = 𝒂.𝒕𝟐 𝟐 = a.𝒕𝟐 = 𝟎,𝟎𝟔 𝟏 𝟏𝟐 = 0,06(m) = 60(mm) (1.6) Đoạn đường pittong chuyển động đều: 𝑺𝟐 = 𝑽𝒑 t = 0,06.2 = 0,12(m) = 120(mm) (1.7) S = 2𝑺𝟏 + 𝑺𝟐 = 60 + 120 = 180(mm) (1.8) Hành trình pittong: 1.3.2 Tính tốn thơng số bơm Ta có phương trình cân tĩnh lực tác dụng lên piston 𝐩𝟏 𝐀𝟏 = 𝐩𝟐 𝐀𝟐 + 𝐏 Trong : - 𝑝1 , 𝑝2 : Áp suất buồng xylanh - P = 1479 (N): Tổng tải trọng (1.9) 𝜋.𝐷 - 𝐴1 : Diện tích piston buồng cơng tác 𝐴1 = - 𝐴2 : Diện tích piston buồng mang cần 𝐴2 = - 𝑝1 = p = 239,189 (N/cm2 ) Từ công thức (1.9) ⇒ 𝑝2 = 𝑝1 𝐴1 − 𝑃 𝐴2 = = 𝜋.3,22 𝜋.(𝐷 − 𝑑2 ) 239,189.8,04 − 1479 6,03 = 8,04cm2 = 𝜋.(3,22 − 1,62 ) = 6,03cm2 = 73,65 (N/cm2 ) Lưu lượng dầu hành trình công tác là: 𝐐𝟏 = 𝐕𝐜𝐭 𝐀𝐜𝐭 (1.10) Trong đó: - 𝑄1 : Lưu lượng cần cung cấp hành trình cơng tác - 𝑉𝑐𝑡 : Vận tốc chuyển động hành trình cơng tác, (𝑉𝑐𝑡 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 = cm/s) - 𝐴𝑐𝑡 = 𝐴1 : Diện tích bề mặt làm việc 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 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 612 = 23,919.2,894 612 = 0,11 (KW) Công suất động điện dẫn động bơm: 𝐍đ𝐜 = 𝐍𝐛 (1.11) 𝐇𝐛 𝐇𝐝 Trong đó: - 𝑁đ𝑐 : Công suất động điện - 𝐻𝑏 : Hiệu suất bơm , 𝐻𝑏 =( 0,6 → 0,9) , chọn 𝐻𝑏 =0,8 - 𝐻𝑑 : Hiệu suất truyền động từ động qua bơm , chọn 𝐻𝑑 =0,9 Khi : 𝑁đ𝑐 = 0,11 0,8.0,9 = 0,15 KW 1.3.3 Thiết kế mạch thủy lực 1.3.3.1 Các thành phần thủy lực - Xy lanh kép - Van 4/3 - Đồng hồ - Van giảm áp - Bơm dầu 1.3.3.2 Mạch thủy lực mạch điều khiển đáp ứng yêu cầu Hình 1.3 Mạch thủy lực đáp ứng yêu cầu Hình 1.3 Mạch điều khiển hệ thống Hình 1.4 Quá trình xy lanh Hình 1.5 Quá trình xy lanh PHẦN II: ĐỘNG CƠ ĐIỆN Bài 1: Cho động chiều kích từ độc lập có thơng số: Pđm = 2,2 KW; Uđm = 110V; Iđm = 25,6A; nđm = 1430 vg/phút Vẽ đặc tính tự nhiên, đặc tính nhân tạo với 𝑅ư𝑓 = 0,78 (Ω) Bài Làm Tốc độ góc định mức: ωđm = Mơ men định mức: Mđm = K𝜙đ𝑚 = K𝜙đ𝑚 = 𝑀đ𝑚 𝐼đ𝑚 = 14,7 25,6 nđm 9,55 Pđm ωđm = 1430 = 9,55 2,2.1000 149,74 = 149,74 (rad/s) = 14,7 (Nm) = 0,57 (Wb) 𝑈đ𝑚 − 𝐼đ𝑚 𝑅ư 𝜔đ𝑚 ⇒ 𝑅ư = 𝑈đ𝑚 − 𝐾𝜙đ𝑚 𝜔đ𝑚 𝐼đ𝑚 = 110 − 0,57.149,74 25,6 = 0,96(Ω) - Đặc tính tự nhiên (𝑅ư𝑓 = 0) Phương trình đặc tính cơ: 𝜔 = 𝑈đ𝑚 - 𝐾𝜙đ𝑚 𝑅ư (𝐾𝜙đ𝑚 )2 M Đường đặc tính tự nhiên đường thẳng xác định điểm: A (0;𝜔0 ) B (𝑀đ𝑚 ;𝜔đ𝑚 ) Khi M=0 ⇒ 𝜔 = 𝜔0 = Uđm Kϕđm = 110 0,57 = 192,98(rad/s) ⇒ A (0;192,98) B (14,7;149,74) - Đặc tính nhân tạo (𝑅ư𝑓 = 0,78Ω) Phương trình đặc tính cơ: ω = Uđm Kϕđm - 𝑅ư + 𝑅ư𝑓 (𝐾𝜙đ𝑚 )2 M Đường đặc tính nhân tạo đường thẳng xác định điểm: A (0;𝜔0 ) C (𝑀đ𝑚 ;𝜔) 10 (2.1) Khi M=𝑀đ𝑚 ⇒ 𝜔 = Uđm Kϕđm - 𝑅ư + 𝑅ư𝑓 110 (𝐾𝜙đ𝑚 ) 0,57 𝑀đ𝑚 = - 0,96 + 0,78 (0,57)2 14,7 = 114,26 ⇒ A (0;192,98) C (14,7;114,26) Hình 2.1 Đặc tính tự nhiên đặc tính nhân tạo Bài 2: Tìm trị số cấp mở máy động chiều kích từ độc lập có: Pđm = 𝑚𝑎𝑥 13,5 KW; Uđm = 110 V; Iđm = 145 A; nđm = 1050 vg/ph Biết 𝑀𝑚𝑚 = 200% 𝑀đ𝑚 mở máy với cấp điện trở Bài Làm Ta có: ωđm = nđm 9,55 = 1050 9,55 = 110 (rad/s) ⇒ Mđm = Pđm ωđm = 13,5.1000 110 R1 Với số cấp khởi động m = ⇒ 𝜆 = √ Chọn I1 = 2.Iđm ⇒ R1 = R = 0,5.(1 - Pđm Uđm Iđm Uđm I1 U = Uđm 2.Iđm ) I đm = 0,5.(1 đm Rư = 110 2.145 = 0,379 (Ω) 13,5.1000 110 110.145 11 ).145 = 0,058 (Ω) = 122,7 (N.m) R1 Khi đó: 𝜆 = √ Rư 0,379 =√ 0,058 = 1,87 (Ω) Suy ra: R = 𝜆.R = 1,87.0,058 = 0,108 (Ω) R = 𝜆2 R = 1,872 0,058 = 0,203 (Ω) R1 = 𝜆3 R = 1,873 0,058 = 0,379 (Ω) Vậy trị số cấp mở máy là: 𝑅ư𝑓1 = R - R = 0,108 – 0,058 = 0,05 (Ω) 𝑅ư𝑓2 = R - R = 0,203 – 0,108 = 0,095 (Ω) 𝑅ư𝑓3 = R1 - R = 0,379 – 0,203 = 0,176 (Ω) Bài 3: Động chiều kích từ độc lập có thơng số: Pđm = 29 KW; Uđm = 440 V; Iđm = 79 A; nđm = 1000 vg/ph; R = 0,05 R đm làm việc chế độ hãm tái sinh Xác định 𝜔 Iư = 60 A, R ưf = Bài làm Phương trình hãm tái sinh:Ih = Uư − Eư R = Tốc độ quay động hãm: ω = - Ih Kϕω0 − Kϕω R R Kϕ Tại Iư = 0, ω0 = (với ωđm = 𝑛đ𝑚 9,55 Uđm Kϕđm = Uđm ωđm Iđm 𝑃đ𝑚 + ω0 440.1000.79 9,55.29.1000 Pđm ωđm Iđm = 440 79 = 125,51 (rad/s) = 0,28 (Ω) 29.1000.9,55 1000.79 = 3,51 (T) Vậy ω 𝐼ℎ = -60 (A) : ω = - (-60) 0,28 3,51 + 125,51 = 130,3 (rad/s) 12 (2.2) (2.3) ) Ta có : R = 0,05.R đm = 0,05 Kϕ = Kϕđ𝑚 = = 1(Loại) s = 0,18 (Thỏa mãn) Suy ra: s = 0,18 Vậy ω = ω0 (1 - s) = 1460.2𝜋 60 (1 – 0,18) = 125,4 (rad/s) 13 (2.4) Bài 5: Cho động không đồng pha rotor lồng sóc có thơng số sau: Cơng suất định mức động cơ: 𝑃đ𝑚 = 55 KW Áp dây định mức: 𝑉đ𝑚 = 660V/380V – Y/ (Tần số nguồn điện f = 50 Hz) Tốc độ định mức động : 𝑛đ𝑚 = 980 vòng/phút Hiệu suất định mức : 𝜂đ𝑚 = 93,5% Hệ số công suất lúc tải định mức: cos𝜑đ𝑚 = 0,86 Bội số dòng điện mở máy động 𝑚𝐼 = Khi cấp nguồn áp pha 380V (áp dây) vào động cơ, lúc mang tải định mức xác định: Tần số rotor ? Dòng điện định mức cấp vào stator động ? Công suất điện từ ? Khi biết tổn hao ma sát cơ, quạt gió chiếm 15% tổng tổn hao động cơ; tổn hao thép chiếm 25% tổng tổn hao Bài Làm Ta có tốc độ động đồng bộ: n1 = ⇒ Hệ số trượt định mức động cơ: Sđm = 60.𝑓 𝑝 = 60.50 n1 −nđm n1 = = 1000(v/p) 1000−980 1000 = 0,02  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 tải định mức: 𝐼𝑑â𝑦đ𝑚 = 𝑃đ𝑚 𝜂đ𝑚 √3.𝑉đ𝑚 cos 𝜑đ𝑚 Vì mắc Δ ⇒ 𝐼𝑝ℎ𝑎đ𝑚 = = 𝐼𝑑â𝑦đ𝑚 √3 55000 √3.380.0,95.0,86 = 103,62 √3 = 103,92(A) = 60(A) Tổng tổn hoa động cơ: ∑𝑇ổ𝑛 ℎ𝑎𝑜 = 𝑃1 - 𝑃2 = 𝑃đ𝑚 𝜂đ𝑚 - 𝑃đ𝑚 = 55000 0,935 – 55000 = 3823,53(W) Từ điều kiện tổng tổn hao ma sát chiếm 15% tổng tổn hao 𝑃𝑚𝑞 = 15% ∑Tổn hao = 0,15.3823,53 = 573,53(W) 14 Công suất chưa trừ ma sát cơ: Pcơ = Pđm + Pmq = 55000 + 573,53 = 55573,53(W) Công suất điện từ cấp vào rotor tải định mức: Pđiện từ = 𝑃𝑐ơ 1−𝑠 = 55573,53 − 0,02 = 56707,68(W) 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ môn Cơ điện tử, Bài giảng Cơ cấu chấp hành 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 16 ... Công suất điện từ cấp vào rotor tải định mức: Pđiện từ =