CHƯƠNG 4 : CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Chia sẻ: Nguyen Trong Chi | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

550
lượt xem 140
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong quá trình biến đổi điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại , một phần năng lượng sẽ bị tiêu tán ngay bên trong máy điện . Phần năng lượng đó được biểu thị ở dạng tổn thất toàn phần DP . Công suất tổn thất toàn phần này sẽ biến thành nhiệt năng và đốt nóng máy điện . Trong quá trình bị đốt nóng nhiệt độ của máy điện sẽ tăng dần lên , theo lý thuyết nếu không có sư tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh thì nhiệt độ của nó sẽ tăng lên vô cùng ....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG 4 : CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN

CHƯƠNG 4 : CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN §4.1 Quá trình phát nóng và làm mát máy điện 1 . Khái niệm chung Trong quá trình biến đổi điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại , một phần năng lượng sẽ bị tiêu tán ngay bên trong máy điện . Phần năng lượng đó được biểu thị ở dạng tổn thất toàn phần ∆P . Công suất tổn thất toàn phần này sẽ biến thành nhiệt năng và đốt nóng máy điện . Trong quá trình bị đốt nóng nhiệt độ của máy điện sẽ tăng dần lên , theo lý thuyết nếu không có sư tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh thì nhiệt độ của nó sẽ tăng lên vô cùng . Nhưng trên thực tế máy điện có sự tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh qua bề mặt của nó . Nhiệt lượng tỏa ra môi trường tỉ lệ với nhiệt độ của máy điện . Sau một thời gian xác định , nhiệt độ bên trong máy điện sẽ đạt tới trị số ổn định . ở trạng thái này nhiệt tỏa ra ngoài môi trương xung quanh bằng nhiệt sinh ra trong máy điện . Để đạt tới trị số này máy điện phải có tải dài hạn Do máy điện được cấu tạo từ nhiều vật liệu khác nhau nên sự trao đổi nhiệt giữa các bộ phận cung khác nhau. Vì vậy muốn nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt được dễ dàng , ta phải giả thiết máy điện là một một hệ gồm nhiều nhiều vật thể đồng nhất có trao đổi nhiệt với nhau và có một số đặc điểm sau: + Hệ số dẫn nhiệt vô cùng lớn và nhiệt độ ở mọi điểm là như nhau. + Nhiệt dung và độ tỏa nhiệt của vật thể không đổi + Độ tỏa nhiệt tỉ lệ bậc nhất với hiệu số nhiệt độ giữa máy điện và môi trường + Nhiệt độ môi trường không đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ máy điện 2. Phương trình cân bằng nhiệt a. Phương trình phát nóng Máy điện làm việc với công suất P thì tổn thất công suất trong máy điện là 1 −η ∆P = P η Nhiệt lượng sinh ra bên trong máy trong thời gian dt là Q = Q1 + Q2 = ΔPdt Nhiệt lượng này được chia làm 2 phần : Thành phần Q1 đốt nóng máy điện làm cho nhiệt độ của nó tăng lên so với môi trường xung quanh , thành phần Q2 tỏa ra môi trường xung quanh ( tỉ lệ với hiệu số giữa máy điện và môi trường ) Phương trình cân bằng nhiệt của máy điện sẽ là : ∆P.dt = Cdτ + Aτdt Trong đó : τ = t md − t mt : Nhiệt sai giữa máy điện và môi trường 0 0 C : nhiệt dung riêng của máy điện A : Hệ số tỏa nhiệt Giải phương trình này với điều kiện t = 0;τ = τ bd ta có nhiệm τ = τ od (1 − e −t / θ ) + τ bd e −t / θ ∆P C với : θ = τ od = : Hằng số thời gian phát nóng ; : Nhiệt sai ổn định A A τ bd : Nhiệt sai ban đầu Ta có đường cong phát nóng của máy điện như sau τ τ τ od τ od 1 1 2 τ bd τ bd 2 t t 0 0 a. Đường cong phát nóng b. Đường cong nguội lạnh 77
τ od − τ bd Ta tính được t = θ ln τ od − τ Như vậy về mặt lý thuyết thời gian cần thiết để nhiệt sai của động cơ đạt tới giá trị ổn định t → ∞ tuy nhiên trên thực tế để τ = τ δd thì t = (3÷ 5) θ Khi máy điện làm việc với tải định mức thì nhiệt độ của nó sẽ đạt tới trị số lớn nhất: ∆Pdm τ δ d .dm = A 1 − η dm ∆Pdm = Pdm . ηdm ηdm η = τ δ d .dm . A. dm Pdm = ∆Pdm . 1 − η dm 1 − η dm Trong đó Pdm phụ thuộc η đm và A . Như vậy qua biểu thức trên ta nhận thấy để tăng công suất định mức của máy điện ta phải tăng được hiệu suất và tăng hệ số A ( hệ số A được tăng bằng cách tăng bề mặt toả nhiệt và làm mát cưỡng bức ) Khi máy điện đang làm việc nếu ta cắt tải thì máy điện sẽ bị làm nguội dần dưới tác dụng của nhiệt độ môi trường. Nếu thời gian dừng máy điện lớn và điều kiện làm mát không đổi thì nhiệt độ của nó sẽ đạt tới nhiệt độ môi trường ( hoặc là đạt tới nhiệt độ ban đầu), ta có đường cong làm mát của máy điện như trong hình b Trong điều kiện làm mát không đổi hằng số thời gian phát nóng θ có thể được xác định dựa vào đường cong phát nóng với giả thiết τ bd = 0 ta có ∆P τ = τ od (1 − e −t / θ ) = (1 − e −t / θ ) A Tại một thời điểm t nào đó theo đường cong phát nóng ta xác định được τ , biết ΔP và A ta sẽ xác định được θ t θ= ∆P ln ∆P − τ A -Ý nghĩa của hệ số thời gian phát nóng . Giả sử máy điện không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài nghĩa là A = 0 từ phương trình cân bằng nhiệt ∆P.dt = C.dτ + A.τ .dt ∆P Do Q2 = 0 nên ∆P.dt = C.dτ ∆P.t = C.τ ⇒τ = .t C Khi không có sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài thì quá trình phát nóng của máy điện biến thiên theo quy luật tuyến tính . ∆P ∆P ∆P C Khi τ = τ θ d = thì τ = τ θ d = t ⇒ t = =θ = A A C A Hệ số thời gian phát nóng là khoảng thời gian cần thiết để đưa nhiệt độ của máy điện từ trị số ban đầu tới trị số ổn định khi không có sự trao đổi nhiệt độ với môi trường bên ngoài . Thông thường hằng số thời gian phát nóng θ của máy điện được xác định bởi hằng số thời gian phát nóng của bộ phận quan trọng nhất biểu thị cho nhiệt độ chung của máy ( với máy điện một chiều bộ phận này là phần ứng .Với động cơ ĐB và KĐB thì bộ phận này là stato) 78
§4.2 Phân loại chế độ làm việc của truyền động điện Căn cứ vào đặc điểm và thời gian làm việc người ta chia chế độ làm việc của truyền động điện thành các loại sau : 1. Chế độ dài hạn . Chế độ làm việc của TĐĐ được gọi là dài hạn nếu phụ tải được duy trì trong một thời gian dài, trong khoảng thời gian này nhiệt độ của động cơ đạt tới giá trị ổn định . VD: như là quạt gió, các bơm, các máy nén khí. τ,P Pc τ od τ 2. Chế độ ngắn hạn . Phụ tải được gọi là ngắn hạn nếu như nó chỉ duy trì trong một thời gian ngắn, còn thời gian nghỉ dài. Trong thời gian làm việc nhiệt độ của động cơ chưa đạt tới giá trị ổn định thì động cơ đã dừng .Thời gian nghỉ dài đủ để nhiệt độ của động cơ giảm xuống bằng nhiệt độ môi trường. Đặc trưng cho chế độ làm việc ngắn hạn là tlv < 90 phút VD: Các động cơ cấp nhiên liệu cho két, các động cơ của cơ cấu nâng hạ . τ,P Pc τ od τ t t lv 3. Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại . Chế độ làm việc của TĐĐ được gọi là chế độ ngắn hạn lặp lại nếu thời gian có tải và nghỉ xen kẽ nhau . Trong thời gian có tải nhiệt độ của động cơ chưa đạt tới giá trị ổn định thì động cơ đã dừng. Trong thời gian động cơ dừng nhiệt độ của động cơ chưa giảm tới nhiệt độ mới thì động cơ lại có tải. VD: động cơ bơm nước két τ,P Pc Pc Pc τ od τ t t lv t0 t CK Để đặc trưng cho chế độ làm việc ngắn hạn người ta thường đưa ra khái niệm thời gian đóng điện tương đối là ε , ε % 79
t lv t ε= = lv t lv + t nghi t ck Thông thường tck ≤ 10 phút §4.3 Tính chọn công suất động cơ điện làm việc với phụ tải dài hạn . 1. Phụ tải dài hạn không đổi . Phụ tải dài hạn không đổi do khoảng thời gian dài cho nên các quá trình quá độ không ảnh hưởng đến sự phát nóng của động cơ. Sau một khoảng thời gian làm việc nhất định nhiệt độ của động cơ sẽ đạt tới trị số ổn định . Để tính chọn động cơ cho loại phụ tải này ta thực hiện theo các bước sau : Bước 1: Xác định đồ thị phụ tải tĩnh của máy sản xuất quy đổi về phía trên trục động cơ Pc , M c = f (t ) = const Bước 2: Tính chọn công suất động cơ : ≥ Pc Động cơ cần chọn phải có công suất đạt mức P dm Thông thường khi lựa chọn thì Pdm = (1,1 ÷ 1,3)Pc Mdm = (1,1 ÷ 1,3)Mc - Nếu tính chọn động cơ cho hệ TĐĐ là quạt gió thì ta sử dụng biểu thức : Q.H Pdm ≥ 1000.η q .η td Trong đó : Q: lưu lượng gió H : tổng áp lực η q : là hiệu suất của quạt η td : hiệu suất của khâu biến đổi ( hộp số , bánh đà…) - Nếu phụ tải là các bơm thì sử dụng biểu thức . γQ( H + ∆H ) .[ kw] Pdm ≥ 1000.η q .η td Trong đó γ : là tỷ trọng của chất lỏng cần bơm Q : là lưu lượng của chất lỏng H là chiều cao cần bơm ( bằng tổng chiều cao đẩy + chiều cao hút) ∆ H là độ giảm cột nước trong ống dẫn chính. 2. Khi phụ tải dài hạn biến đổi . Khi phụ tải dài hạn biến đổi thì nhiệt độ của động cơ sẽ thay đổi theo mức độ thay đổi của phụ tải.Để tính chọn được công suất của động cơ điện ta phải dựa vào đồ thị phụ tải đã được quy đổi về trực động cơ một hoặc nhiều chu kỳ . Xét một động cơ điện làm việc với một phụ tải gồm n cấp tương ứng với các thời gian là t 1 đến tn và đoạn không tải là M0, t0 80
MC , PC Mn M2 M2 M3 M1 M1 t tn t1 t3 t2 t ... t1 tCK Dựa vào t0 và M0 ta có các tính chất sau đây. - Khi mà t0≠ 0 ta được chu kỳ phụ tải biến đổi có khoảng thời gian nghỉ . - Khi mà t0≠ 0, M0≠ 0 ta có chu kỳ phụ tải biến đổi có khoảng thời gian không tải . - Khi t0= 0, M0=0 ta được chu kỳ phụ tải biến đổi không có thời gian nghỉ và không tải. Để tích chọn động cơ cho các phụ tải biến đổi ta phải tính theo trị số trung bình của mômen hoặc công suất. ∑ .M i .t i M tb = ∑ .t i ∑ .Pi .t i Ptb = ∑ .t i Mdm = (1,1 ÷ 1,3) Mtb Công suất của động cơ điện phải lựa chọn : Pdm = (1,1 ÷ 1,3) . Ptb hoặc còn có thể xác định động cơ theo Mđm được xác định theo các biểu thức: M tb + M qf Md = 2 M dm = M tb .M qf Mqf trị số quân phương của mômen tải ∑ M i2 .ti M qf = ∑ ti §4. 4 Tính chọn công suất động cơ điện làm việc với tải ngắn hạn 1. Phụ tải ngắn hạn không đổi . Ta có hai cách lựa chọn : Dùng động cơ điện dài hạn hoặc ngắn hạn a. Tính chọn công suất động cơ điện dài hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn không đổi . Động cơ điện dài hạn được chế tạo để khi công tác phụ tải định mức trong một thời gian dài thì nhiệt độ của nó mới đạt tới giá trị cực đại. Vì vậy khi sử dụng cho phụ tải ngắn hạn nếu ta lựa chọn công suất định mức bằng công suất của phụ tải P đm = Pnh thì sau khoảng thời gian tồn tại của phụ tải nhiệt độ của động cơ đạt tới một giá trị nhỏ hơn nhiệt độ ổn định của động cơ. Trong trường hợp này để tận dụng hết công suất và khả năng chịu nhiệt của động cơ ta cho động cơ làm việc quá tải . Vì vậy có thể lựa chọn động cơ có công suất Pđm < Pnh ( Pngắn hạn) sao cho cuối giai đoạn làm việc nhiệt độ động cơ đạt tới nhiệt độ cực đại. 81
Công suất định mức của động cơ dài hạn cần chọn được xác định thông qua hệ số quá tải về nhiệt . τ' ∆P δ = nh = od ∆Pdm τ od Tròn đó ∆ Pnh là tổn thất công suất của phụ tải ngắn hạn . ∆ Pdm là tổn thất công suất định mức của động cơ dài hạn. τ 'od là nhiệt sai ổn định mà động cơ dài hạn sẽ đạt được nếu làm việc với phụ tải ngắn hạn trong thời gian dài. τ od là nhiệt sai cực đại cho phép của cách điện được sử dụng trong động cơ dài hạn. τ,P Pnh τ 'od τ od 2 τx 1 t tlv - Để xác định hệ số quá tải về nhiệt δ ta làm như sau : Trong chế độ dài hạn khi làm việc với phụ tải định mức nhiệt độ của động cơ sẽ đạt tới trị số cho phép của cách điện tương ứng ta có nhiệt sai : ∆P τ cf = τ od = dm A còn khi làm việc với phụ tải ngắn hạn nhiệt độ của động cơ sẽ đạt tới trị số ổn định cho phép sau thời gian làm việc , nghĩa là ∆Pnh     − tlv − tlv τδd = 1 − e θ  = τ 'δ d 1 − e θ   A    τ 1 ⇒ δ = δd' = (*) τδd  θ − tlv 1 − e    Như vậy nếu biết tlv và θ thì ta sẽ xác định được δ và ngược lại nếu biết δ và θ ta sẽ tìm được tlv δ tlv = θ ln δ −1 - Công suất định mức của động cơ dài hạn còn có thể được xác định thông qua hệ số quá tải về cơ : P ξ = nh Pdm ξ được xác định thông qua biểu thức . ∆Pnh K + ξ 2 .Vdm γ + ξ 2 δ= = = γ +1 ∆Pdm K + .Vdm 82
K gọi là tổn thất không đổi Vdm gọi là tổn thất biến đổi định mức K γ= gọi là hệ số tổn thất công suất định mức . Vdm ξ = δ ( γ + 1) − γ Ta sẽ tính ra được : 1 ( γ + 1) − γ ξ= 1 − e −te / θ γ + 1 − γ + γ .e −tlv / θ 1 + γ .e −tlv / θ ξ= = 1 − e −tlv / θ 1 − e −tlv / θ Hệ số quá tải về cơ ta có thể xác định được công suất của động cơ dài hạn cần chọn. Khi lựa chọn động cơ dài hạn cho phụ tải ngắn hạn , ngoài khả năng quá tải về nhiệt và cơ ta cần chú ý tới khả năng quá tải về mô men và dòng điện . Hệ số quá tải về mô men và dòng điện của nó sẽ nhỏ hơn khi công tác với phụ tải dài hạn định mức. Điều này được chứng minh như sau : - Khi làm việc với phụ tải ngắn hạn hệ số quá tải về dòng điện sẽ là : I λInh = max I nh - Khi làm việc với phụ tải dài hạn hệ số quá tải về dòng điện sẽ là I max λIdm = I dm Trong đó Imax là trị số dòng điện lớn nhất mà động cơ có thể chịu được vì P dm < Pnh và Idm < Inh nên λI nh < λI dm b. Tính chọn công suất động cơ điện ngắn hạn làm việc với phụ tải ngắn hạn không đổi . Để vận dụng hết khả năng chịu nhiệt cũng như khả năng chịu tải người ta chế tạo một loại động cơ làm việc ngắn hạn với t = 15' , 30' , 45', 60', 90' Dựa vào đồ thị phụ tải ta chọn đông cơ điện có công suất định mức : Pdm = (1,1 ÷ 1,3) Pnh ( Lựa chọn phụ thuộc vào môi trường toả nhiệt điều kiện khởi động ) 2. Lựa chọn động cơ cho phụ tải ngắn hạn biến đổi . Dạng phụ tải có dạng như sau : Pc P1 Pđt P2 t t2 t3 t1 P3 tlv Để tính chọn động cơ điện cho loại phụ tải này ta có thể tính chọn động cơ dài hạn hoặc động cơ ngắn hạn . 83
Việc đầu tiên là phải quy đổi phụ tải về thành giá trị đẳng trị trong suốt thời gian làm việc . ∑ Pi 2 ti P12 t1 + P22 t 2 + P32 t 3 Pdt = = ∑ ti t lv Còn thời gian làm việc được xác định như sau : tlv = t1 + t2 + t3 Ngoài ra , trong một số trương hợp ta có thể chọn động cơ ngắn hạn lặp lại cho phụ tải ngắn hạn . Động cơ ngăn hạn lặp lại được chọn phải đảm bảo Pđm > Pnh còn thời gian đóng điện tương đối phải tương ứng với thời gian làm việc của phụ tải §4.5 Tính chọn công suất động cơ điện làm việc với tải ngắn hạn lặp lại 1. Đối với phụ tải ngắn hạn lặp lại không đổi . Đồ thị phụ tải ngắn hạn lặp lại không đổi đã quy đổi về trục động cơ có dạng như sau : Pτ Pnl Pnl Pnl τ 'od τ m ax τ min t tlv t0 tck Đối với phụ tải ngắn hạn sau một khoảng thời gian làm việc n(tlv + t0) = n.tck >4θ thì nhiệt độ của động cơ sẽ đạt tới trạng thái tựa xác lập ( trị số nhiệt độ trung bình trong các chu kỳ làm việc là không đổi) a. Tính chọn động cơ dài hạn cho phụ tải ngắn hạn lặp lại không đổi . Để tận dụng hết khả năng chịu nhiệt và khả năng quá tải của động cơ dài hạn ta phải cho động cơ dài hạn làm việc ở chế độ quá tải tức là Pdm < Pnl Công suất động cơ được chọn được xác định từ hệ số quá tải về nhiệt δ . ∆Pnl τ 'od δ= = ∆Pdm τ max ∆ Pnl là tổn thất công suất của phụ tải ngắn hạn lặp lại đã được quy đổi vì trục động cơ . ∆ Pdm tổn thất công suất định mức của động cơ dài hạn. τ 'δd : nhiệt sai ổn định mà động cơ sẽ đạt được nếu làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại trong một thời gian dài. τ max : là nhiệt sai cho phép của cách điện . ∆Pnl τ 'δ d = A ∆P τ max = dm A Trong các chu kỳ làm việc ổn định nhiệt sai cực đại ở cuối chu kỳ làm việc được tính theo biểu thức sau đây . τ max = τ min .e −tlv /θ + τ 'od ( 1 − e −tlv / θ ) Và ở cuối chu kỳ nghỉ : 84
τ min = τ max .e −t0 / θ 0 θ 0 là hằng số thời gian làm nguội . Thay vào phương trình trên ta có : τ max = τ max .e −( tlv / θ +t0 / θ0 ) + τ od (1 − e − tlv / θ ) ' τ ' od 1 − e −( tlv / θ +t0 / θ0 ) δ= = τ max 1 − e −tlv / θ θ =β đặt θ0 t lv t 0 1   θ =  t lv + t 0  +   θ θ0 θ  θ0   t lv + βt 0  t lv   = t  θ   lv β là hệ số xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi khi động cơ dừng làm việc. tlv + βlv = 1/ ε ' đặt tlv ε ' là thời gian đóng điện tương đối có xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi khi nghỉ. − tlv − ( tlv / θ + t0 / θ0 ) ta có : δ = 1 − e 1− e ε 'θ = − tlv / θ 1 − e −tlv / θ 1− e Như vậy để xác định công suất của động cơ dài hạn cho phụ tải ngắn hạn ta tiến hành như sau : Bước 1 : từ đồ thị đặc tính cơ của máy sản xuất ta xác định đồ thị mômen cản trên trục động cơ . Bước 2 : Xác định Pnh , tlv , t0 từ đồ thị phụ tải . Bước 3 : Chọn sơ bộ động cơ điện và từ đó xác định được θ và θ 0 Bước 4 : Tìm β ; ε ' Bước 5 : Tìm δ -> ∆ Pnl -> Pdm b. Tính chọn động cơ ngắn hạn lặp lại cho phụ tải ngắn hạn lặp lại không đổi . Để tận dụng khả năng chịu nhiệt và chịu quá tải cho động cơ người ta thường sử dụng động cơ chuyên dùng cho phụ tải ngắn hạn lặp lại . - Đặc điểm của động cơ này : + có độ bền cơ khí cao và quán tính cơ học nhỏ. + Khả năng chịu quá tải của động cơ lớn và thường nằm trong khoảng λ M = ( 2,3 ÷ 2,6 ) và có hệ số đóng điện tương đối tiêu chuẩn : ε % = 15%, 40%, 60% - Tính chọn động cơ : + Từ đồ thị phụ tải xác định Pnl , ε Pdm = (1,1 ÷ 1,3) Pnl + Xác định ε Hệ số đóng điện tương đối tiêu chuẩn phù hợp với hệ số đóng điện tương đối của phụ tải t ε ft % = lv 100% tlv + t0 85
2. Tính chọn động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại biến đổi . Phụ tải ngắn hạn lặp lại có dạng như sau P P P1 P1 P4 P1 P1 P8 P2 P2 P2 P2 P5 P7 t t t1 t2 t3 t0 P3 P6 P3 t7 t4 t6 t8 t 03 t2 t 01 t5 t 02 t3 t1 P P Pđt2 Pđt1 t t t0 t lvđt1 tlvđt2 t0 Để tính chọn động cơ điện cho phụ tải ngắn hạn lặp lại không đổi ta có thể sử dụng động cơ dài hạn hoặc ngắn hạn lặp lại . Tuy nhiên trước khi lựa chọn động cơ ta phải xác định công suất và thời gian đong điện đẳng trị trong một hoặc nhiều chu kỳ . ∑ Pi 2ti Pdt = ∑ ti ∑ tilv ε dt = ∑ tilv + ∑ toi Trong một số trường hợp hệ số đóng điện tương đối tính toán từ đồ thị phụ tải không đổi với các hệ số đóng điện tương đối tiêu chuẩn thì ta phải xác định lại của động cơ điện . Giả sử từ đồ thị phụ tải ta xác định được công suất yêu cầu là P 1 ; thời gian làm việc là t1 , thời gian nghỉ là t01 . Cần phải xác định động cơ điện có thời gian làm việc t2 và thời gian nghỉ t02   t2 ε = 100%  t2 + t02   Để tính chọn động cơ trong trường hợp này ta phải đảm bảo điều kiện động cơ không được phát nóng quá nhiệt độ cho phép ( Pdt trong một chu kỳ làm việc không đổi ). P22t2 P 2t1 = 1 t2 + t02 t1 + t01 P2 ε 2 = P ε1 1 ξ1 ⇒ P2 = P ξ2 1 §4.6 Tính chọn công suất động cơ điện làm việc hệ TĐĐ có điều chỉnh tốc độ 1. Hệ truyền động điện có mô men cản là hằng số:( Mc= const ) Trường hợp này ta có thể tính chọn công suất động cơ theo phương pháp điều chỉnh tốc độ có M cf = const hoặc Pcf = const 86
a. Với các phương pháp điều chỉnh có mômen cho phép Mcf = const. Trong trường hợp này động cơ được lựa chọn phải có Mdm = Mc Do các phương pháp điều chỉnh tốc độ với Mcf = const thì thường điều chỉnh ở những tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản. Vì vậy động cơ lựa chọn phải có tốc độ định mức bằng tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh ωdm = ωmax Trong trường hợp này công suất định mức của động cơ được chọn phải là Pdm = M dm .ωdm = M c .ωmax = Pc max Pcmax : công suất cực đại của phụ tải b. Với các phương pháp điều chỉnh có Pcf = const Đối với phương pháp này công suất động cơ được lựa chọn phải là . Pdm = Pc max = M C .ωmax Với các phương pháp điều chỉnh có Pcf = const thường điều chỉnh ở những tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản nên các động cơ được chọn phải có tốc độ định mức bằng tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh ωdm = ωmin Mô men định mức của động cơ phải là Pdm Pc max M c .ωmax M dm = = = = McD ωdm ωmin ωmin ωmax D= ωmin Kết luận : Với các truyền động có điều chỉnh tốc độ yêu cầu Mc = const nếu chọn động cơ theo phương pháo điều chỉnh có Pc = const thì sẽ làm tăng mô men định mức của động cơ lên D lần so với Mc do đó làm tăng kích thước và giá thành của động cơ . Nếu muốn giảm mô men định mức để giảm kích thước thì phải dùng hộ số có tỷ số truyền là D và động cơ được chọn có tốc độ cao hơn 2. Hệ truyền động điện có công suất của máy sản xuất là hằng số: ( Pc= const ) Trường hợp này ta có thể tính chọn công suất động cơ theo phương pháp điều chỉnh tốc độ có P cf = const hoặc Mcf = const a. Với các phương pháp điều chỉnh có Pcf = const Động cơ được chọn có công suất định mức bằng công suất của phụ tải Pđm = Pc Mô men của động cơ được xác định theo tốc độ định mức P M dm = dm ωdm Trong trường hợp sử dụng động cơ điện một chiều kích từ độc lập , vì phương pháp này chỉ thực hiện ở những tốc độ cao hơn tốc độ cơ bản bằng cách giảm từ thông , nên động cơ được chọn phải có tốc độ định mức bằng tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh ωđm = ωmin Khi đó mô men định mức của động cơ là P M dm = c = M c.max ωmin 87
b. Điều chỉnh để giữ cho Mcf = const Đây là phương pháp điều chỉnh không phù hợp với yêu cầu phụ tải vì vậy động cơ cần chọn có mômen định mức bằng mômen cực đại của phụ tải. Mdm = Mcmax Phương pháp này thường chỉ thực hiện điều chỉnh ở những tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản , vì vậy ωdm = ωmax Pc Pdm = M dm .ωdm = .ωmax = Pc .D ωmin Đối với phương pháp điều chỉnh này công suất định mức của động cơ sẽ gấp D lần công suất của phụ tải. Như vậy ở mọi tốc độ điều chỉnh động cơ sẽ làm việc non tải cả về mômen và công suất. Khi dải điều chỉnh càng rộng thì động cơ càng làm việc non tải. § 4.7 Kiểm nghiệm công suất động cơ vừa lựa chọn I. Kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng . 1. Kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện nhiệt sai cực đại Động cơ được kiểm nghiệm phải thoả mãn điều kiện sau đây τ max ≤ τ c f Trong đó : τ max là nhiệt sai cực đại mà động cơ đạt được khi công tác với phụ tải . τ cf là nhiệt sai cho phép của động cơ ( là phụ thuộc và điều kiện làm việc và nhiệt độ của cách điện .) τ max được xác định dựa vào đồ thị phụ tải chính xác đã được xây dựng trong một hoặc nhiều chu kỳ làm việc ở đồ thị phụ tải thứ i ta có : ∆Pi τ i = τ odi ( 1 − e −t /θ ) + τ bdi .e −t /θ = ( ) 1 − e −t / θ + τ bdi .e −t / θ A ∆Pi,τ odi ,τ bdi : Tổn thất công suất, nhiệt sai ổn định, nhiệt sai ban đầu của chu kỳ làm việc thứ i . Nếu đồ thị phụ tải là dạng đường cong liên tục thì ta phải biến nó thành các đường bậc thang ( diện tích của đường bậc thang phải bằng diện tích của đường cong liên tục bao quanh đối với trục hoành. Để tìm được trị số τ max ta phải sử dụng đồ thị phụ tải trong nhiều chu kỳ cho đến khi động cơ đạt tới trạng thái xác lập về nhiệt độ ( nhiệt sai ban đầu và nhiệt sai cuối kỳ của một chu kỳ là bằng nhau) . t4 m S = ∫ P( t ) dt = ∑ Pi.ti 1 0 88
Pc Pi Δti t Nếu biến đổi đồ thị phụ tải thành những đoạn có ∆ t bằng nhau và kết hợp với tổn thất xác lập về nhiệt độ. Khi đó nhiệt sai ban đầu của đoạn phụ tải thứ nhất: (1 − e ).∑τ i − ∆t / θ .e −tci − ∆ti / θ odi τ bdi = λ 1 − e −tck / θ Dựa vào phường trên ta sẽ xác định được đường cong τ = f(t) và từ đường cong này ta sẽ tìm được τ max. So sánh với giá trị cho phép : +Nếu τ max ≤ τ cf thì động cơ được lựa chọn là phù hợp +Nếu τ max > τ cf thì động cơ được lựa chọn là không phù hợp ta phải chọn lại Phương pháp nhiệt sai cực đại đòi hỏi phải tính toán nhiều nhất là khi đồ thị phụ tải là những đường cong phức tạp. 2. Kiểm nghiệm công suất động cơ theo tổn thất trung bình ∆ Ptb Theo phương pháp nhiệt sai cực đại khi động cơ đạt tới tổn thất cực đại về nhiệt thì ta có biểu thức sau: − tck −t1 − tck −t1 −t2 τ bd ( 1 − e −tck /θ ) = τ od 1 ( 1 − e −t1/θ ) .e ( ) + τ od 2 1 − e −t 2 / θ .e + ........ + τ odm (1 − e −tm / θ ) θ θ Trong đó : τ bd : nhiệt sai ban đầu cũng bằng nhiệt sai cuối cùng của chu kỳ xem xét. m : số đoạn phụ tải có trong chu kỳ Giả thiết τ bd là do tổn thất trung bình ∆ Ptb sinh ra . Thay vào chúng ta sẽ có : − tck − t1 − tck −t1 −t2 ∆Ptb ∆P ∆P ∆P2 ( ) ( ) ( ) − tck / θ − t1/ θ −t 2 /θ + ........ + m (1 − e − tm / θ ) 1− e = 1− e + 1− e θ .e θ 1 .e (*) A A A A Như vậy trong quá trình động cơ làm việc với phụ tải biến đổi có thể thay đẳng trị bằng quá trình làm việc của phụ tải không đổi với điều kiện phát nóng của động cơ phải như nhau . Khai triển biểu thức (*) theo chuỗi Macloranh thì chúng ta sẽ có biểu thức. ∆Ptb t ck ∆P1 t1 ∆P2 t 2 ∆Pm t m = .+ . + ... + . . Aθ Aθ Aθ Aθ Giải thiết A, θ = const ta có : ∆P .t1 + ∆P2 .t2 + ..... + ∆Pm .tm . ∆Ptb = 1 t1 + t2 + ... + tm 89
Khi xác định được ∆Ptb so sánh với ∆Pdm ta có : ∆Ptb ≤ ∆Pdm thì động cơ được lựa chọn sơ bộ là đúng Để xác định ∆Pth ta tiến hành như sau : Dựa vào đồ thị phụ tải P = f(t) và đường cong hiệu suất η = f ( P ) của động cơ đã được lựa chọn sơ bộ ta xác định các giá trị Pm , ηm , tm và xác định được 1 − ηm ∆Pm = Pdm ηm Tổn thất công suất định mức của động cơ được xác định theo biểu thức 1 − η dm ∆Pdm = Pdm ηdm P P P2 P3 P1 P4 t η4 η2,3 η1 t1 t2 t3 t4 Phương pháp tổn thất trung bình cho kết quả chính xác và có thể áp dụng cho bất kỳ loại động cơ nào . Tuy nhiên trong một số trường hợp động cơ có tự làm mát thì khi tính toán ta phải thêm vào các hệ số xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi khi nghỉ . Xét một động cơ tự làm mát có đồ thị tổn thất công suất ΔP và ω biến thiên theo thời gian nư sau ω,P ΔP1 ΔP1 ΔP2 (t) ω=f t t1 t2 t3 t4 ΔP3 Trong trường hợp này ∆ Ptb được tính : 90
∆P1t1 + ∆P2 t 2 + ∆P3 t 3 ∆Ptb = α ( t1 + t 3 ) + t 2 + β .t 4 α,β là hệ số làm mát bị xấu đi khi … khởi động, đảo chiều và thời gian nghỉ. α = 0,5 thường β = 0,4 ÷ 0,5 3. Kiểm nghiệm động cơ theo các đại lượng đẳng trị: a) Phương pháp dòng điện đẳng trị Idt Phương pháp dòng điện đẳng trị được suy ra từ phương pháp tổn thất trung bình Tổn thất toàn phần bên trong động cơ gồm hai thành phần là tổn thất không đổi và tổn thất biến đổi . ∆P = K + V K : tổn thất không đổi V: tổn thất biến đổi Tổn thất K là tổn thất của lõi thép, ma sát tổn thất do tự quạt mát. Tổn thất V phụ thuộc vào dòng điện chạy qua dây quấn của động cơ V = b.I 2 ở đó : b là hệ số tính đến điện trở của các cuộn dây. Coi tổn thất trung bình ΔPtb do dòng điện đẳng trị Iđt gây ra. Còn tổn thất biến đổi ứng với một dòng điện phụ tải nào đó Px = K + bI x2 Như vậy ta có : ∆Ptb = K + b.I dt = K + b.I dt 2 2 (I ) t + I 2 t 2 + ... + I m .tm 2 2 2 K + b.I dt = K + b 2 11 t1 + t 2 + ...t m giả thiết K, b = const (I ) t + I 22 t 2 + ... + I m .tm 2 2 I dt = 11 t1 + t 2 + ...t m ∑ I x .tx 2 I dt = t ck Hoặc nếu nó là đường cong phức tạp. tck ∫ 2 I x .dt I dt = 0 tck I dt ≤ I dm thì động cơ được lựa chọn sơ bộ là đúng I dt > I dm lựa chọn lại Lưu ý : Nếu đồ thị phụ tải là đường cong liên tục thì ta phải chia nó thành đường bậc thang mà trong từng khoảng thời gian giá trị của dòng điện tải không đổi. 91
I t t1 t2 t3 t4 t5 t6 Nếu đồ thị phụ tải là những đường cong gấp khúc thì ta phải chia nó làm nhiều đoạn . Các đoạn này tiệm cận với đường cong phụ tải đã cho . I t I® Ici ti i - Sau khi đã chia làm nhiều đường hình thang ta phải tính dòng điện đồ thị cho từng đoạn và cuối cùng tính cho toàn chu kỳ làm việc . ti ∫ I 2 .dt I dt = 0 ti - Xét cho đoạn làm việc thứ i thì chúng ta sẽ có : I ci − I di I = I di + .t ti Idi , Ici là dòng điện ban đầu và dòng điện cuối của đoạn thứ i. ti là thời gian xem xét . I ci − I di d .I = .dt ti Để tiện cho việc xem xét ta dời trục về ti ti ∫I 2 dt I dti = 0 ti Khi chuyển ti ra ta sẽ có : tci 1 ti ∫ I . Ici − Idi dI I dt .i = 2 ti Idi ( ∆I ) 2 => I dti = I + I di .∆I + 2 di 3 92
Trong đó : ∆I = Ici − Idi ( ∆I ) 2 Idt.i = Idi.Ici + 3 Phương pháp dòng điện đẳng trị sử dụng chính xác với những động cơ mà trong các quá trình làm việc điện trở của cuộn dây không thay đổi Nếu Mi là đường cong phức tạp : tck 1 ∫ M (t M dt = 2 ).dt t ck 0 Nếu mômen đẳng trị Mdt ≤ Mdm thì động cơ được lựa chọn đúng . Lưu ý : Khi sử dụng phương pháp này . Phương pháp này sử dụng chính xác với máy điện và kích từ độc lập ( vì từ thông φ = const > nên M -= CI) . Còn đối với các động cơ không đồng bộ khi sử dụng phương pháp này ngoài điều kiện φ = const thì cos ϕ 2 = const . M = K M .I M .φ . cos ϕ 2 Như vậy trong một phạm vi công suất nào đó mới có thể sử dụng được phương pháp này ( trong phạm vi công suất đó ta có ϕ , cos ϕ 2 = const 2 . Phương pháp công suất đẳng trị Pdt Với những hệ TĐĐ làm việc với tốc độ ít thay đổi thì chúng ta có : P = M. ω ~ M. ( vì ω không thay đổi hay ít thay đổi ) tck ∑ Pi 2 .dt 1 ∫ P .dt Pdt = = 2 t tck tck 0 Việc lựa chọn phải thoả mãn điều kiện Pdt ≤ Pdm Vơí những động cơ điện làm việc ở tốc độ thay đổi đầu tiên phải xác định M = f(t) và ω= f(t) . Sau đó chúng ta xác định P (t) ta phải tìm công suất đẳng trị trong các đoạn có P biến đổi . Từ các giá trị Pdti tìm công suất đẳng trị cho cả chu kỳ rồi so sánh với Pdm . II. Kiểm nghiệm theo điều kiện quá tải và khởi động . 1. Theo điều kiện quá tải : Khả năng quá tải của động cơ về mômen và dòng điện được đặc trưng bởi các hệ số quá tải . M max Hệ số quá tải về mômen : λ M = M dm I max Hệ số quá tải về dòng điện: λ I = I dm Trong đó Mmax được cho trong các sổ tay chế tạo. 93
Động cơ điện được lựa chọn sơ bộ phải thoả mãn các điều kiện sau : λ m .M dm ≥ M c max λ I .I dm ≥ I c max Mcmax , Icmax là mômen và dòng điện lớn nhất của phụ tải đã quy đổi về trục động cơ . 2. Theo điều kiện khởi động . Đối với các động cơ không đồng bộ thì hệ số mômen khởi động : M KD λ kd = M dm III. Kiểm nghiệm số lần đóng cắt cho phép đối với động cơ lồng sóc Động cơ không đồng bộ lồng sóc được sử dụng nhiều trong các hệ truyền động và làm việc ở chu kỳ đóng cắt lớn như khởi động , hãm , đảo chiều … Cùng với các phương pháp kiểm tra điều kiện phát nóng , các nhà sản xuất còn đưa ra sốlần đóng cắt cho phép trong một giờ : Jω 2 1 Z= Z kd 0 k 1 2 ∑ ∆W 1 Trong đó : Zkd0 : số lần khởi động không tải trong một giờ K dg Z kd 0 = 4 Z dc 0 = J Zdc0 : số lần đảo chiều không tải Kđg : Hằng số động học : mô men quán tính của hệ qui đổi về trục động cơ J ω1 : tốc độ đồng bộ ΔW : tổn thất năng lượng trong mỗi quá trình làm việc K : số chu kỳ làm việc Biểu thức tính gần đúng tổn thất năng lượng R1   1   t s ∆W = ∫ ∆Pdt =  1 + '   J ω1 ( s1 − s2 ) ± M cω1 + ∫ sdt  2 2 2  R2   2  0 0 Trong đó R1 , R2 : điện trở cuộn dây stato và roto qui đổi ’ s1 , s2 : độ trượt ban đầu và kết thúc chu kỳ làm việc : mô men phụ tải Mc Ta có thể tính tổn thất năng lượng trong các giai đoạn như sau 1 + Khi khởi động không tải s1 =1 , s2 ≈ 0 , s ≈ 1 − tqd 0 1 1 ∆Wkd 0 = J ω12 + M cω1tqd 0 2 2 tqd0 : thời gian quá độ không tải 1 + Khi hãm ngược s1 =2 , s2 = 1 , s ≈ 2 − tqdh 3 3 ∆Whn = J ω12 − M cω1tqdh 2 2 + Khi làm việc ổn định với Mc = const 2  Mc  ∆Wc = sdm Pdm   tlv M cdm   + Khi hãm động năng 94
t 1 1 1 = J ω12 − ∫ M c ω dt = J ω12 − M c ω1thdn ∆Whdn 2 2 2 0 Tổn thất năng lượng trong một chu kỳ làm việc : Khởi động không tải Ζ làm việc với tải McΖkhởi động theo chiều ngược lại , chạy không tảiΖhãm động năng và dừng k ∑ ∆W =∆W + ∆Wc + ∆Whn + ∆Wkd 0 + 0 + ∆Whn + 0 kd 0 0 1 J ω12 = K kd 0 .∆Wkd0 ; K kd 0 = 1 + Khi khởi động : ∆Wkd 0 = 2 3 + Khi hãm ngược ∆Whn = J ω1 = K hn .∆Wkd0 ; K hn = 3 2 2 1 + Khi hãm động năng ∆Whdn = J ω1 = K hdn .∆Wkd0 ; K hdn = 1 2 2 Quá trình làm việc không tải , hãm cơ khí , dừng K0 = 0 . Nếu hệ làm việc không tải ta có : K JZ Z 0 = k kd 0 = k dg J ∑ Ki J ∑ Ki 0 0 Số lần đóng cắt trong một giờ được xác định như sau : Z0 Z= ≤ Z chophep Z0 M c 1+ . .T 3600 M dm Trong đó: T : chu kỳ làm việc , nếu Z > Z chophep thì phải tính chọn lại động cơ. Câu hỏi ôn tập: 1. Thiết lập phương trình phát nóng và vẽ dạng đường cong ụ = f(t) phát nóng, nguội lạnh của động cơ điện ? 2. Trình bày phương pháp tính chọn động cơ điện làm việc với phụ tải dài hạn ? cho ví dụ? 3. Trình bày phương pháp tính chọn động cơ điện làm việc với phụ tải ngắn hạn ? 4. Trình bày phương pháp tính chọn động cơ điện làm việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại ? 5. Trình bày phương pháp kiểm nghiệm động cơ điện lựa chọn theo điều kiện phát nóng bằng tổn thất trung bình ? 6. Trình bày phương pháp kiểm nghiệm động cơ điện lựa chọn theo điều kiện phát nóng bằng các đại lượng đẳng trị ? 7. Trình bày phương pháp kiểm nghiệm động cơ điện theo điều kiện quá tải và điều kiện khởi động ? 95