Bài tập thiết bị và hệ thống tự Động bài tập 3 Động cơ Điện

Ứng dụng của nó rất khác so với động cơ lồng sóc do khả năng tiếp cận mạch rotor.Các đặc tính hiệu suất khác nhau có thể đạt được bằng cách chèn các giá trị điện trở khácnhau vào mạch ro

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

BÀI TẬP THIẾT BỊ VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG BÀI TẬP 3: ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Trọng Tài

2 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

2.1 Nguyên Tắc Hoạt Động

Hầu hết động cơ AC là động cơ cảm ứng Điều này có nghĩa là không có dòng điện đượccung cấp cho các cuộn dây quay (cuộn rotor) Các cuộn dây này là các vòng khép kín códòng điện cảm ứng chạy trong nó

Dòng điện ba pha chảy trong cuộn dây stato tạo ra một từ trường quay giữa stato và rotor

Từ trường này liên tục dao động qua khoảng không và vào rotor Tham khảo hình 2.1.Đây là một biểu diễn đơn pha của các cuộn dây và dòng điện

Rotor của động cơ bao gồm các thanh đồng hoặc nhôm được kết nối với nhau ở hai đầubằng các vòng

Khi từ trường cắt qua các thanh rotor, xuất hiện điện áp cảm ứng, giống như điện áp cảmứng trong cuộn dây thứ cấp của máy biến áp Bởi vì các thanh rotor là một phần củamạch kín (bao gồm cả các vòng dây) Dòng điện rotor này tạo ra một từ trường tương tácvới từ trường của stato Vì từ trường này quay và khóa từ tính với rotor, rotor sẽ bị kéotheo từ trường của stato

Động cơ rotor dây quấn — Động cơ cảm ứng lồng sóc tương đối không linh hoạt về tốc

độ và đặc tính mô-men xoắn, động cơ rotor dây quấn có thể điều khiển tốc độ và mô-menxoắn Ứng dụng của nó rất khác so với động cơ lồng sóc do khả năng tiếp cận mạch rotor.Các đặc tính hiệu suất khác nhau có thể đạt được bằng cách chèn các giá trị điện trở khácnhau vào mạch rotor

Động cơ rotordây quấn thường được khởi động với điện trở thứ cấp trong mạch rotor.Điện trở này giảm dần để cho phép động cơ đạt được tốc độ Do đó, động cơ có thể tăngmô-men xoắn đáng kể trong khi giới hạn dòng điện khi rotor bị kẹt Điện trở thứ cấpđược thiết kế để liên tục phân tán nhiệt sinh ra bởi hoạt động liên tục ở tốc độ giảm, giatốc thường xuyên, hoặc gia tốc với tải có quán tính lớn Điện trở bên ngoài làm giảmđáng kể về vòng/phút Tốc độ giảm xuống khoảng 50% tốc độ định mức, hiệu suất thấp.

2.1.1 Tốc độ, Mô-men xoắn và Công suất

Tốc độ đồng bộ của động cơ cảm ứng AC phụ thuộc vào tần số của điện áp cấp và sốlượng cực mà động cơ được quấn Thuật ngữ "cực" chỉ tổng số cực từ bắc và nam đượctạo ra bởi cuộn dây stato khi được cấp dòng điện đa pha Tần số đầu vào càng cao, động

cơ chạy càng nhanh Số lượng cực càng nhiều, động cơ sẽ chạy chậm hơn ở cùng một tần

số đầu vào

Hệ số trượt là sự khác biệt giữa tốc độ đồng bộ (tốc độ từ trường quay) của Stator và tốc

độ cơ học của Rotor

Hệ số trượt ở tải tối đa thay đổi từ dưới 1% (trong các động cơ công suất lớn) đến hơn5% (trong các động cơ công suất nhỏ)

Mô-men xoắn là lực tạo ra sự quay Nó khiến một vật thể quay Mô-men xoắn bao gồm

một lực tác động lên một khoảng cách được đo bằng Newton-mét

Công suất tính đến tốc độ quay của trục Trục quay nhanh hơn yêu cầu nhiều công suất

hơn so với quay chậm Công suất định mức ghi trên bảng tên của một động cơ thường làcông suất đầu ra định mức

Dòng điện và điện áp định mức: Đây là dòng điện mà động cơ tiêu thụ khi cung cấp

công suất định mức ở điện áp định mức Dòng điện và điện áp định mức của động cơđược ghi trên bảng tên Điện áp của động cơ ba pha thường được giữ ở mức 415 volt.Tuy nhiên, chúng có thể hoạt động liên tục ở mức ± 10% điện áp; ± 5% tần số và biến đổiđiện áp và tần số là ± 10%

Theo tiêu chuẩn 1S: 325, tất cả các động cơ đều được định mức để chịu tải quá mức vàmô-men xoắn dư thừa lên đến 60% mô-men xoắn định mức của chúng ở điện áp và tần sốđịnh mức trong 15 giây Các động cơ này thường được thiết kế để tăng nhiệt độ lên750°C (đối với cách điện lớp B) so với nhiệt độ môi trường 450°C

2.1.2 Tải

Các đặc tính của thiết bị được truyền động quyết định lượng công suất trục mà động cơcần cung cấp tại điểm hoạt động

Tải có mô-men không đổi: Đây là loại tải thường gặp nhất (thực chất là tải ma sát),

trong đó mô-men yêu cầu bởi tải là không đổi trong toàn bộ dải tốc độ Đặc tính mô-menkhông đổi là cần thiết để vượt qua ma sát Tải ma sát yêu cầu cùng một lượng mô-menxoắn ở tốc độ thấp như ở tốc độ cao Các ứng dụng phổ biến bao gồm máy móc chung,thang nâng, băng tải, máy in, v.v

Tải có công suất không đổi

Trong nhóm này, tải giảm khi tốc độ tăng Các ứng dụng phổ biến là những quy trình cóthay đổi đường kính như máy tiện, máy cuốn, máy tháo cuốn, và các công cụ cắt kim loạihoạt động ở nhiều dải tốc độ khác nhau Với một vật liệu có đường kính lớn ban đầu, cần

có mô-men xoắn tối đa và tốc độ chậm Khi đường kính của vật liệu giảm, mô-men xoắncũng giảm; nhưng tốc độ lại tăng lên để duy trì tốc độ bề mặt không đổi

Tải có Mô-men biến đổi

Các tải này thường liên quan đến tải của quạt ly tâm và bơm Khi điều khiển các bơm thểtích dương, một số máy trộn, và một số loại máy ép, về lý thuyết, yêu cầu công suất thayđổi theo bình phương của sự thay đổi tốc độ giúp tiết kiệm điện và kiểm soát tốc độ dễdàng hơn

2.1.3 Hệ số Công suất

Nó là tỷ lệ giữa Công suất Thực, tính bằng kilowatt, và Công suất biểu kiến, tính bằngkilovolt-amps Nếu một tải tiêu thụ Công suất phản kháng, hệ số công suất trễ Hầu hếtcác động cơ điện có hệ số công suất trễ Việc vận hành các hệ thống điện với hệ số côngsuất thấp dẫn đến giảm khả năng tải điện tổng thể của hệ thống cung cấp điện

Để khuyến khích khách hàng vận hành ở hệ số công suất cao, các công ty điện lực ápdụng các khoản phạt đối với khách hàng có hệ số công suất tổng thể thấp hơn mức quyđịnh

Trong một hệ thống năng lượng điện, một tải có hệ số công suất thấp sẽ tiêu hao dòngđiện nhiều hơn tải có hệ số công suất cao cho cùng một lượng điện năng hữu ích đượctruyền tới Dòng điện cao hơn làm tăng năng lượng bị mất trong hệ thống phân phối, vàđòi hỏi dây lớn hơn và các thiết bị khác Do chi phí cho các thiết bị lớn hơn và lãng phínăng lượng, các tiện ích điện thường sẽ tính chi phí cao hơn cho các khách hàng côngnghiệp hoặc thương mại nơi có hệ số công suất thấp.

Hiệu chỉnh hệ số công suất là làm tăng hệ số công suất của tải, nâng cao hiệu quả cho hệ

thống phân phối mà nó được gắn vào

Các tải tuyến tính với hệ số công suất thấp, như các động cơ cảm ứng, có thể được chỉnh

sửa bằng một mạng thụ động các tụ điện hoặc cuộn cảm, thường gọi là tụ điện

bù hay cuộn cảm bù Các tải phi tuyến tính, chẳng hạn như bộ chỉnh lưu, làm biến dạng

dòng điện rút ra từ hệ thống Trong những trường hợp như vậy, hiệu chỉnh hệ số côngsuất chủ động hoặc thụ động có thể được sử dụng để chống lại sự biến dạng và nâng cao

hệ số công suất Các thiết bị để hiệu chỉnh hệ số công suất có thể ở một trạm biến áptrung tâm, trải rộng trên một hệ thống phân phối hoặc được tích hợp vào các thiết bị tiêuthụ điện

2.1.4 Hiệu Suất

Hiệu suất của động cơ là thước đo hiệu quả mà động cơ chuyển đổi năng lượng điện đầuvào thành năng lượng cơ học đầu ra để điều khiển tải Nó được định nghĩa là tỷ lệ giữacông suất đầu ra của động cơ và công suất đầu vào từ nguồn Sự chênh lệch giữa côngsuất đầu vào và công suất đầu ra bao gồm các tổn hao điện và cơ học Các động cơ cócông suất lớn hơn thường tương ứng với các chỉ số hiệu suất cao hơn Các động cơ nhỏ

có công suất phân đoạn thường có hiệu suất hoạt động thấp, trong khi các động cơ lớnvới công suất toàn phần thường rất hiệu quả

Tại một điện áp và tải trục nhất định, hiệu suất của động cơ được cố định theo thiết kế, nókhông thể thay đổi từ bên ngoài, trong khi hệ số công suất có thể được điều chỉnh bênngoài

Công suất tiêu thụ của động cơ AC ba pha được cho bởi công thức:

Công suất đầu vào của động cơ thay đổi theo tải trục đầu ra

Hiệu Suất Động Cơ: Hiệu suất của động cơ giữ ổn định gần như không đổi cho đến 40%

tải, dưới mức này, hiệu suất giảm đáng kể và trở thành bằng không ở 0% tải Đối với mộtđiện áp hoạt động và tải trục nhất định, hiệu suất động cơ được xác định bởi thiết kế vàkhông thể thay đổi từ bên ngoài

Hệ Số Công Suất: Hệ số công suất giảm khi tải tăng Ở chế độ không tải, hệ số công suất

nằm trong khoảng từ 0.05 đến 0.2, tùy thuộc vào kích thước của động cơ

Biến Động Khi Tải 50%: Tại 50% tải, hiệu suất đã giảm 3%, trong khi hệ số công suất

đã giảm từ 0.84 xuống 0.7 cho cùng một thay đổi tải

Tiêu Thụ Công Suất Không Tải: Ở chế độ không tải, mức tiêu thụ công suất chỉ khoảng

1 đến 5%, đủ để cung cấp năng lượng cho các tổn thất do sắt, ma sát và gió

Dòng Điện Không Tải: dòng điện không tải thường vào khoảng 30 đến 50% dòng điện ở

tải đầy đủ Dòng điện này cần thiết để từ hóa do khoảng cách không khí trong động cơ

2.1.5 Đặc Tính Mô-men Xoắn và Dòng Điện Theo Tốc Độ của Động Cơ

 Mô-men xoắn khởi động: Còn được gọi là mô-men xoắn rotor kẹt Mô-men xoắn

khởi động cần thiết để vượt qua ma sát tải khi đứng yên

 Mô-men xoắn kéo: Là mô-men xoắn tối thiểu do động cơ tạo ra khi nó tăng tốc từ

trạng thái đứng yên đến tốc độ hoạt động Nếu mô-men xoắn kéo của động cơ thấphơn yêu cầu của tải ứng dụng, động cơ sẽ bị quá nhiệt và cuối cùng bị kẹt

2.3 Tổn hao

 Tổn hao lõi thép: gồm tổn thao do từ hóa và tổn hao do dòng điện xoáy, chủ yếu

xảy ra trong lõi stator Tần số quay của từ trường trong rotor là nhỏ trong điều kiệnhoạt động, do đó, tổn hao lõi ở rotor có thể được xem là không đáng kể

 Tổn thất do ma sát và quạt gió: Những tổn hao này phát sinh từ ma sát của ổ trục

và sự quay của rotor cùng quạt trong không khí Tổn hao lõi và tổn hao do ma sát

và gió là cố định vì chúng không thay đổi đáng kể với tải

 Tổn hao đồng stator (Stator Copper Losses): do dòng điện chạy qua các dẫn

điện của stator

 Tổn hao đồng rotor (Rotor Copper Losses): Tương tự như tổn thất ở stator, tổn

thất này xảy ra do dòng điện chạy qua các dẫn điện của rotor

2.4 Ảnh hưởng của sự mất cân bằng điện áp đến hiệu suất động cơ

Phần trăm độ chênh lệch điện áp được định nghĩa là 100 lần độ lệch của điện áp

đường dây so với điện áp trung bình, chia cho điện áp trung bình

Mất cân bằng điện áp 1% có thể làm tăng tổn thất của động cơ lên tới 5% Điềunày có thể dẫn đến giảm hiệu suất, tăng nhiệt độ và giảm tuổi thọ của động cơ

Việc theo dõi và điều chỉnh điện áp cân bằng rất quan trọng để duy trì hiệu suất tối

ưu của động cơ

3.1 Tầm quan trọng của chi phí vận hành máy – Chi phí vòng đời

 Chi phí vận hành máy chiếm phần lớn trong tổng chi phí vòng đời (LCC) Ví dụ,

một máy nhỏ 7.5 kW tiêu thụ khoảng Rs 26 lakh trong 10 năm, trong khi chi phíđầu tiên của nó chỉ khoảng 1% của tổng chi phí này

 Hiệu suất máy cao giúp giảm chi phí vận hành Ngay cả một sự khác biệt nhỏ về

hiệu suất cũng có thể tạo ra một sự chênh lệch lớn trong chi phí điện Sự khác biệt3% về hiệu suất có thể dẫn đến tiết kiệm đáng kể năng lượng trong thời gian dài

 Phân tích chi phí vòng đời (LCCA) là một công cụ quyết định quan trọng Nó

giúp người dùng lựa chọn các dự án năng lượng dựa trên hiệu quả lâu dài chứkhông chỉ chi phí ban đầu

 Lợi ích của việc thay thế máy sớm: Thay thế máy ngay cả khi còn tuổi thọ sử

dụng đáng kể có thể hợp lý nếu máy đang hoạt động không hiệu quả, bởi vì chi phívận hành vượt xa chi phí đầu tư ban đầu

3.2 Khảo sát đánh giá công suất máy

 Mục tiêu của khảo sát là xác định các máy hoạt động dưới tải (dưới 40% công

suất định mức) và máy thường xuyên bị hỏng hoặc phải quấn lại

 Phương pháp khảo sát:

o Chọn máy quan trọng dựa trên công suất và thời gian hoạt động

o Đo lường dòng điện và công suất đầu vào của máy trong khi hoạt động.Lưu ý rằng máy vẫn tiêu thụ khoảng 30-40% dòng điện định mức ngay cảkhi không tải

o Ước lượng tải dựa trên dòng điện đo được so với dòng điện định mức Nếu

tải thực tế của máy dưới 40%, máy nên được xem xét để thay thế bằng máy

có kích thước đúng và hiệu suất cao

 Kết quả khảo sát: Máy quá kích thước hoặc không hiệu quả có thể được thay thế

để giảm tiêu thụ năng lượng và tăng hiệu suất tổng thể

3.3 Dừng hoạt động nghỉ/thừa thỉ của thiết bị điều khiển bằng máy

 Dừng hoạt động nghỉ: Nhiều máy trong ngành công nghiệp kỹ thuật và sản xuất

hoạt động mà không thực sự cần thiết Ví dụ: băng tải, quạt, máy công cụ thườngchạy ngay cả khi không có sản xuất

o Việc dừng hoạt động của những máy này có thể tiết kiệm 100% điện năngtiêu thụ khi không cần thiết

o Thiết bị phụ trợ như tháp làm mát, máy nén khí, máy bơm cũng nên được

dừng trong thời gian không cần thiết, chẳng hạn như khi dừng sản xuất

 Tránh hoạt động thừa: Máy không nên hoạt động khi không góp phần vào quá

trình sản xuất Ví dụ: vận hành quạt tháp làm mát hoặc hệ thống điều hòa khôngkhí khi môi trường không yêu cầu có thể gây lãng phí năng lượng Việc tắt nhữngthiết bị này có thể giảm thiểu tiêu thụ điện

3.4 Kích thước đúng của các máy

 Máy quá kích thước: Máy được chọn với công suất quá cao thường dẫn đến hiệu

suất thấp và lãng phí năng lượng

 Nguyên nhân phổ biến của việc quá kích thước:

1 Sự không chắc chắn về tải

2 Dự phòng cho sự gia tăng tải trong tương lai

3 Sự sẵn có của máy có kích thước lớn hơn trên thị trường

 Hiệu suất giảm: Máy hoạt động dưới 40% tải định mức thường là ứng viên tốt để

thay thế hoặc giảm kích thước vì chúng không hoạt động ở mức hiệu suất tối ưu

o Một máy quá kích thước có thể tiêu thụ năng lượng không cần thiết và làmtăng chi phí vận hành

 Cách cải thiện hiệu suất:

o Đảm bảo rằng máy được chọn đúng kích thước dựa trên nhu cầu thực tế.Nếu máy hoạt động ở 50-100% tải định mức, nó hoạt động gần với hiệusuất tối ưu

o Ví dụ, một máy 100 mã lực thường hoạt động ở 35 mã lực có thể cần đượcgiảm kích thước nếu không có thay đổi tải lớn trong tương lai

3.5 Lựa chọn & ứng dụng các máy hiệu suất cao

3.5.1 Thiết kế máy hiệu suất cao

 Cải tiến trong thiết kế máy hiệu suất cao nhằm giảm tổn thất năng lượng:

o Tổn thất lõi giảm bằng cách sử dụng thép có tổn thất thấp, diện tích lõi lớn

hơn và tấm thép mỏng hơn

o Tổn thất ma sát và gió giảm nhờ thiết kế quạt tốt hơn và cải thiện ổ bi.

o Tổn thất đồng stator được giảm bằng cách tăng kích thước dây quấn,

giảm điện trở và tổn thất I²R

o Tổn thất rotor giảm nhờ tăng kích thước thanh rotor và vòng cuối.

o Tổn thất lạc được giảm nhờ tăng khoảng không khí và thiết kế điện từ tốt

hơn

3.5.2 Tiêu chuẩn hiệu suất

 Tiêu chuẩn IS 12615: 2004 đưa ra các mức hiệu suất Eff1 và Eff2 cho máy 4 cực.

Để có được máy hiệu suất cao, cần chỉ định rõ ràng các giá trị hiệu suất, không chỉdựa vào nhãn "hiệu suất cao"

 Hiệu suất Eff1 thường cao hơn Eff2, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí

vận hành

3.5.3 Một số lưu ý cảnh giác

 Sự trượt thấp: Máy hiệu suất cao có sự trượt thấp hơn, do đó tốc độ hơi cao hơn,

điều này có thể dẫn đến lưu lượng cao hơn trong các ứng dụng bơm và quạt Điềunày có thể làm tăng công suất tiêu thụ nếu không được kiểm soát

 Cân nhắc cẩn thận khi sử dụng máy hiệu suất cao trong các ứng dụng bơm và

quạt Điều chỉnh thiết bị hoặc hệ thống (như thay đổi tỷ lệ đai hoặc cắt giảm cánhquạt) có thể cần thiết để duy trì hiệu quả năng lượng

3.5.4 Ước lượng tiết kiệm năng lượng

 Ví dụ về tiết kiệm năng lượng:

o Thay thế một máy 7.5 kW tiêu chuẩn với hiệu suất 85% bằng máy hiệu suấtcao với hiệu suất 88% có thể tiết kiệm 0.3 kW

o Nếu máy hoạt động 6000 giờ/năm, năng lượng tiết kiệm được là 1800kWh/năm, tương đương với Rs 9000/năm (với giá điện Rs 5/kWh)

o Chi phí cho máy hiệu suất cao có thể cao hơn khoảng 3000 Rs, nhưng thờigian hoàn vốn là khoảng 4 tháng

3.6 Bảo dưỡng & Quấn lại Động cơ

Động cơ hiếm khi bị cháy do quá tải Nguyên nhân thường là do điều kiện bấtthường trong thiết bị được truyền động, vòng bi bị kẹt, hỏng hóc hoặc cài đặt sai/trục trặccủa thiết bị bảo vệ, điều kiện môi trường bất thường Vui lòng điều tra nguyên nhântrước khi gửi động cơ đi quấn lại và sửa chữa

3.6.1 Bôi trơn đúng cách

Bôi trơn đúng cách là điều cần thiết để kéo dài tuổi thọ hoạt động của động cơ và tất

cả các thiết bị cơ khí Phải thực hiện định kỳ và thường xuyên—đã quá muộn khi động cơtruyền đạt rõ ràng nhu cầu của nó Nhiều lần, nhân viên bảo dưỡng cố gắng làm động cơ

ồn ào im lặng bằng cách bơm chất bôi trơn vào ổ trục Cách này có thể hiệu quả trongmột thời gian ngắn nhưng tuổi thọ của ổ trục ồn ào là có hạn và có thể dẫn đến tình trạngbôi trơn quá mức

Bôi trơn quá nhiều cũng có thể gây hại như quá ít Dầu hoặc mỡ thừa có xu hướngtích tụ: Các cuộn dây bị phủ và lớp màng này tích tụ nhiều bụi bẩn, độ ẩm hơn và nếu cóchổi than thì còn có bụi than Dầu và mỡ trên các tiếp điểm công tắc cố định có thể khiếnchúng quá nóng, hồ quang hoặc cháy, và thậm chí tự hàn kín Chất bôi trơn gây hại chonhiều bộ phận bên trong của động cơ Nếu nhà sản xuất có khuyến nghị về chất bôi trơnthì nên tuân theo, đặc biệt là trong các ứng dụng chịu tải nặng

3.6.2 Dây đai và ròng rọc

Hiệu suất truyền lực cơ học phụ thuộc vào độ bám giữa ròng rọc và dây đai, phụthuộc thêm vào µ (Hệ số ma sát) và độ bền (Độ kéo) của dây đai Trong trường hợp dâyđai vải bạt phủ cao su hoặc dây đai da có sẵn trước đó, µ chỉ thấp tới 0,2 Sau đó, với sự

ra đời của V-Belt, µ hiệu quả đã được cải thiện lên tới 0,55 Sau đó, với sự ra đời của dâyđai da mạ crôm, µ đã được cải thiện lên tới 0,7 Gần đây, lớp phủ Elastomer bắt đầu được

áp dụng cho bề mặt bên ròng rọc của dây đai phẳng và µ được cải thiện thêm lên tới 0,75

Độ bền kéo cũng được cải thiện lên tới 70.000 psi với sự ra đời của dây đai Polyamide.Hiệu suất của dây đai V-Belt thường là 90 95% so với 95 đến 98% của dây đai phẳng,giúp tiết kiệm 3-5% vì những lý do sau:

 Ở V Belt, độ bám tốt nhưng kém hơn so với đai polyamide mới nhất (phẳng) cólớp phủ đàn hồi

 V-Belt dày nên có lực cản uốn cong lớn hơn ở bề mặt puli

 Do nặng hơn nên lực kéo ra ngoài do lực ly tâm lớn hơn, do đó cần nhiều lực hơn

để giữ cho nó kéo về phía puli