CHƯƠNG 4 : CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN pps

Ta tính được ln od bdod t θ τ 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 =τδd thì t = 3÷5 θ Kh

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

η

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 md0 −t mt0 : Nhiệt sai giữa máy điện và môi trường

C : nhiệt dung riêng của máy điện

A : Hệ số tỏa nhiệt

Giải phương trình này với điều kiện t =0;τ =τbd ta có nhiệm

τ τ (1 /θ) τ t/θ

bd

t

od −e− + e−

=

với :

A

C

=

θ : Hằng số thời gian phát nóng ;

A

P od

∆

=

τ : Nhiệt sai ổn định

τbd : Nhiệt sai ban đầu

Ta có đường cong phát nóng của máy điện như sau

Ta tính được ln od bd

od

t θ τ 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 =τδd 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:

.

.

1

dm

d dm

dm

dm dm

dm

P A

δ

δ

τ

η η

∆

=

−

Trong đó Pdm phụ thuộc ηđm 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

od

P

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

ln

t P

P A

θ

τ

∆ −

-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

Do Q2 = 0 nên P dt C d P t C P.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

A

θ

θ

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)

§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

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

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

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%

lv nghi lv

lv

t

t t t

+

= ε

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

c c

P M = f t =const

Bước 2: Tính chọn công suất động cơ :

Động cơ cần chọn phải có công suất đạt mức P dm≥P c

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 :

td q dm

H Q P

η

η 1000

≥

Trong đó : Q: lưu lượng gió

H : tổng áp lực

ηq : là hiệu suất của quạt

ηtd : hiệu suất của khâu biến đổi ( hộp số , bánh đà…)

- Nếu phụ tải là các bơm thì sử dụng biểu thức

[ ]kw H H Q P

td q

1000

) (

η η

≥

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 t1 đến tn và đoạn không tải là M0, t0

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

i

i i tb

i

i i tb

t

t P P

t

t M M

∑

∑

=

∑

∑

=

Công suất của động cơ điện phải lựa chọn : Mdm = (1,1 ÷1,3) Mtb

Pdm = (1,1 ÷1,3) Ptb

hoặc còn có thể xác định động cơ theo Mđm được xác định theo các biểu thức:

qf tb dm

qf tb d

M M M

M M M

2

=

+

=

Mqf trị số quân phương của mômen tải

ti

ti M

∑

§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 Pđm = 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

Công suất định mức của động cơ dài hạn cần chọn được xác định thông qua hệ số quá tải về nhiệt

nh od

dm od

P P

τ δ

τ

∆

∆

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

τod là nhiệt sai cực đại cho phép của cách điện được sử dụng trong động cơ dài hạn

- 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 :

dm

cf od

P 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

'

'

1 (*) 1

lv

nh

d

t d

P

A

e

δ

θ δ

τ δ τ

−

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

ln 1

lv

δ

=

−

- Công suất định mức của động cơ dài hạn còn có thể được xác định thông qua hệ số quá tải về cơ :

nh dm

P P

ξ =

ξ được xác định thông qua biểu thức

1

2

+

+

= +

+

=

∆

∆

=

γ

ξ γ ξ

δ

dm

dm dm

nh

V K

V K

P P

K gọi là tổn thất không đổi

Vdm gọi là tổn thất biến đổi định mức

V

K

=

γ gọi là hệ số tổn thất công suất định mức

Ta sẽ tính ra được :

( )

(γ ) γ ξ

γ γ

δ ξ

−

=

− +

=

1 1 1

/

te e

θ

θ θ

γ γ γ

1

1 1

1

tlv

tlv tlv

tlv

e

e e

e

−

−

−

−

−

+

=

−

+

− +

=

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 :

max

Inh nh

I I

λ =

- Khi làm việc với phụ tải dài hạn hệ số quá tải về dòng điện sẽ là

max

Idm dm

I I

λ =

Trong đó Imax là trị số dòng điện lớn nhất mà động cơ có thể chịu được vì Pdm < Pnh và Idm < Inh nên

I nh I dm

λ <λ

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 :

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

Việc đầu tiên là phải quy đổi phụ tải về thành giá trị đẳng trị trong suốt thời gian làm việc

i dt

t

t P t P t P ti

ti P

P 2 = 12 1 + 22 2 + 32 3

∑

∑

=

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 :

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

max

'

nl od dm

P P

τ δ

τ

∆

∆

∆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

d

δ

τ' : 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

max

τ : là nhiệt sai cho phép của cách điện

max

d dm

P A P A

δ τ τ

∆

=

∆

=

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

od

Và ở cuối chu kỳ nghỉ :

0

0 / max

θ là hằng số thời gian làm nguội

Thay vào phương trình trên ta có :

τ

max

od t

e− lv + + − −

=







= +

−

−

=

0

0 0

0

/

/ /

max

1 1

1

θ

θ θ

θ

θ

τ

τ

t t t

t

e e

lv lv

tlv

t tlv od

θθ = 0







 +

=

lv

lv

lv

t

t t

θ

β là hệ số xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi khi động cơ dừng làm việc

đặt lv lv 1/ '

lv

t

t

ε' là thời gian đóng điện tương đối có xét đến điều kiện làm mát bị xấu đi khi nghỉ

ta có : ( / 0 / 0) '

lv t tlv t

δ

−

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 θ0

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 λM =(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

( ) nl

P = 1,1÷1,3 + Xác định ε

Hệ số đóng điện tương đối tiêu chuẩn phù hợp với hệ số đóng điện tương đối của phụ tải

0

ft lv

t

t t

+

2 Tính chọn động cơ cho phụ tải ngắn hạn lặp lại biến đổi

Phụ tải ngắn hạn lặp lại có dạng như sau

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

2

i dt

lv dt

lv oi

P ti P

ti ti

ti t

ε

∑

=

∑

∑

=

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 P1 ; 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

2

100%

t

t t

ε

=

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 )

1

2

P t P t

P P

ξ ξ

=

=

§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:( M c = const )

Trường hợp này ta có thể tính chọn công suất động cơ theo phương pháp điều chỉnh tốc độ có Mcf = const hoặc Pcf = const

a Với các phương pháp điều chỉnh có mômen cho phép M cf = const.

Trong trường hợp này động cơ được lựa chọn phải có Mdm = Mc