5.2.1 Thiết kế theo tiêu chuẩn của Việt Nam TCVN 7540 – 1:2005 Hiệu suất động cơ với công suất P = 3 kW số cực 2p = 4 đã thiết kế ở chương 3 có được là nhờ vào sử dụng “phương pháp thiết kế mạch điện và mạch từ” kết hợp với việc chọn rồi điều chỉnh lặp lại theo kinh nghiệm của người thiết kế các thông số kích thước chủ yếu (D, l) và tải điện từ (Bδ, A). Vì
các thông số D, l, Bδ, A được chọn nên đ chính xác chưa cao. Sử dụng ộ chương trình TKHSCLA có sơ đồ cấu trúc hình 5.7 tiến hành tính toán thiết kế động cơ trên với các giới hạn chủ yếu ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam như loại thép sử dụng, chiều dài khe hở không khí δ, chiều dài lõi sắt qua hệ số , hệ số ép chặt lõi sắt kλ c. Kết quả tính toán thiết kế bảng 5.1.ở
Bảng 5.1: Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 3kW, 2p = 4 (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) Thông số Phương pháp ηηηηη (%) cosϕϕϕϕϕ (%) mk mmax ik gFe (kg/kW) gCu (kg/kW) gAl (kg/kW) Nghiên cứu [14] 86 83 2,56 2,6 7,4 10,1 1,5 0,37 TKCLA 86,1 83,01 2,24 2,38 6,37 9 1,067 0,3 TKHSCLA 86,1 83,44 2,2 2,44 6 8,5 1,067 0,27 TCVN 7540 – 1:2005 86 83 2,0 2,2 6,5 Ghi chú:
- TKCLA: Chương trình thiết kế có tổng tổn hao chính nhỏ nhất được thực hiện ở chương 3 có sơ đồ cấu trúc hình 3.9.
- TKHSCLA: Chương trình thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao có sơ đồ khối như hình 5.6.
Từ kết quả của bảng 5.1 cho thấy: để hiệu suất đạt 86,1% theo TCVN 7540 1:2005 TKHSCLA– , giảm được 5,9% vật liệu sắt và 1 % vật liệu nhôm 0 so với TKCLA. Đặc biệt là để đạt được kết quả này, TKHSCLA có thời gian tính toán giảm đi nhiều lần so với TKCLA.
Với giá thành của thép kỹ thuật điện, đồng và nhôm tương tự như đã tính ở chương 3, số liệu bảng 5.1 thể hiện dưới dạng biểu đồ như hình 5.8.
Hình 5.8: Biểu đồ so sánh hiệu suất, cosϕ và chi phí vật liệu của các phương pháp thiết kế động cơ hiệu suất cao công suất 3 kW, 2p =4
,
Để đạt mức hiệu suất như TKHSCLA các kích thước của động cơ vẫn nằm trong giới hạn công nghệ chế tạo ở các nhà máy của Việt Nam. Kết quả so sánh như bảng 5.2.
Bảng 5.2: Bảng so sánh các thông số thiết kế động cơ 3 kW, 2p = 4 Thông số Phương pháp D n (cm) (cm) D (cm)l Z 1 (rãnh) Z 2 (rãnh) Nghiên cứu [14] 20 12 10(11,2) 36 28 TKHSCLA 17 10,2 11 36 28
dụng từ biểu thức (4.34) (cho các động cơ công suất từ 3 đến 7,5 kW và số cực 2p = 4) với kD = 0,6; λ = 0,65; Bδ = 0, 7 . 7
Thực hiện tính toán thiết kế động cơ 3 kW số cực 2p = 4 trên ứng với giá trị kD, λ, Bδ khác, kết quả các phương án như bảng 5.3 và 5.4.
Bảng 5.3: Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 3 kW, 2p = 4 với kD = 0,6; λ = 0,65; Dn = 170 mm (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) Thông số Phương án Bδδδδδ (T) ηηηηη (%) cosϕϕϕϕϕ (%) mk mmax ik gFe (kg/kW) gCu (kg/kW) gAl (kg/kW) 1 0,74 0,86 83 2,02 2,27 5,5 8,5 1,267 0,29 2 0,77 86,1 83,44 2,2 2,44 6 8,5 1,067 0,27 3 0,82 85,2 83,62 2,31 2,54 6,2 8,5 0,767 0,25 Bảng 5.4: Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 3 kW,
2p = 4 với kD = 0,605; λ = 0,66; Dn= 170 mm (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) Thông số Phương án Bδδδδδ (T) ηηηηη (%) cosϕϕϕϕϕ (%) mk mmax ik gFe (kg/kW) gCu (kg/kW) gAl (kg/kW) 4 0,74 85,9 83 2,07 2,27 5,6 8,7 1,267 0,295 5 0,76 86,3 83,5 2,01 2,39 5,9 8,7 1,067 0,296 6 0,79 86,1 83,3 2,35 2,58 6,4 8,7 0,9 0,269
Kết quả ở bảng 5.3 và 5.4 thực hiện với hai hệ số khác nhau (ở bảng λ 5.3 với λ = 0,65 và bảng 5.4 có = 0,66), các phương án trong mỗi bảng λ được tính toán khi thay đổi mật độ từ thông khe hở không khí. Kích thước chủ yếu, điện áp, dòng điện cho các thiết kế trong một bảng là hư nhau. n Kết quả cho thấy khi Bδ tăng làm cho bội số mômen khởi động và mômen cực đại lớn. Điều này phù hợp với lý thuyết được phân tích rất chi tiết ở [3] .
Các kết quả ở bảng 5.3 và 5.4 cho thấy, khi đường kính của lõi thép stato (Dn, D) và chiều dài lõi thép (l) không đổi (tương ứng điều này là chỉ tiêu vật liệu thép không đổi), nếu Bδ nhỏ thì khả năng mở rộng tiết diện rãnh lớn (thể hiện ở gCu và gAl lớn) làm cho tiết diện dây quấn lớn nên điện trở dây quấn nhỏ nhưng khi Bδ nhỏ dẫn đến tải đường A lớn nên số vòng dây quấn stato tăng, kết quả là hiệu suất giảm, chỉ tiêu vật liệu đồng tăng. Ngược lại, khi Bδ lớn, tuy số vòng dây quấn giảm nhưng tiết diện dây nhỏ nên điện trở dây quấn tăng do đó hiệu suất giảm, chỉ tiêu vật liệu ít hơn.
B
Việc xác định được giá trị δ hợp lý sẽ mạng lại hiệu suất động cơ cao đồng thời tiết kiệm được chỉ tiêu vật liệu tác dụng, phương pháp xác định kích thước chủ yếu và mật độ từ thông khe hở không khí theo biểu thức
) , ,
(λ δ
η = f kD B đã giải quyết được điều này.
Các thiết kế ở bảng 5.3, 5.4 được tính toán khi thay đổi λ và Bδ, tiếp tục tính toán thiết kế cho động cơ này khi thay đổi kD, kết quả như bảng 5.5.
Bảng 5.5: Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 3 kW, 2p = 4 với λ = 0,66; Bδ = 0,76; Dn = 170 mm (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/kg) Thông số Phương án kD ηηηηη (%) cosϕϕϕϕϕ (%) mk mmax ik gFe (kg/kW) gCu (kg/kW) gAl (kg/kW) 7 0,6 86,3 83,97 2,08 2,39 5,9 8,7 1,067 0,286 8 0,595 86,4 83,14 2,31 2,47 6 8,7 1,2 0,266 9 0,59 8,61 83,29 2,01 2,27 5,5 8,7 1,267 0,29
Kết quả bảng 5.3, 5.4, 5.5 là các phương án thiết kế khác nhau, với các phương án này có thể chọn được phương án có chỉ tiêu kỹ thuật tốt đồng thời chi phí cho vật liệu tác dụng ít nhất.
86.1 86.1 83.3 84 81.5 82 82.5 83 83.5 84 84.5 85 85.5 86 86.5 % 1 2
Hiệu suất Cosphi
BIỂU ĐỒ HIỆU SUẤT VÀ COSPHI
Thép 2211 Thép CS-50S600 1186200 1220700 0 200000 400000 600000 800000 1000000 1200000 1400000 VN Đồng 1 Chi phí vật liệu
BIỂU ĐỒ CHI PHÍ VẬT LIỆU
Thép 2211 Thép CS-50S600
hở không khí thay đổi) cho thấy nếu sử dụng loại thép tốt hơn (loại thép có suất tổn hao nhỏ hơn và độ từ thẩm cao hơn) động cơ sẽ có kích thước gọn nhẹ hơn. Ứng dụng điều này, dùng loại thép CS-50S600 có suất tổn hao riêng p1/50 = 1,63 W/kg (đây là loại thép của Hàn Quốc đang được một số nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam nghiên cứu sử dụng) và tiến hành thiết kế cho động cơ 3 kW trên, kết quả như bảng 5.6.
Bảng 5.6: Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 3 kW, 2p = 4 khi sử dụng các loại thép khác nhau
Thông số Phương án ηηηηη (%) cosϕϕϕϕϕ (%) mk mmax ik gFe (kg/kW) gCu (kg/kW) gAl (kg/kW) Thép 2211 86,1 83,3 2,2 2,44 6 8,5 1,067 0,27 Thép CS-50S600 86,1 84 2,0 2,26 5,7 8 0,967 0,27 - 3
Với giá thành của thép kỹ thuật điện CS 50S600 gấp khoảng 1, lần giá thành của thép 2211, của đồng và của nhôm tương tự như đã tính, chi phí vật liệu η, và cos ở bảng 5.6 thể hiện dưới dạng biểu đồ như hình 5.9. ϕ
Hình 5.9: Biểu đồ so sánh hiệu suất, cos và chi phí vật liệu khi sử dụng loại ϕ thép 2211 và CS-50S600
Từ kết quả bảng 5.6 và hình 5.9 cho thấy khi sử dụng vật liệu thép kỹ thuật điện tốt hơn máy sẽ gọn nhẹ hơn. Tuy nhiên do giá thành của thép (có suất tổn hao nhỏ và độ từ thẩm cao) cao nên tổng chi phí cho vật liệu trên cùng một sản phẩm có thể cao hơn.
5.2.2 Thiết kế theo tiêu chuẩn của Châu Âu mức Eff1
Các kết quả ở bảng 5.3, 5.4, 5.5 được tính toán cho động cơ 3 kW, số cực 2p = 4 với điều kiện sản xuất ở phần lớn các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam, cụ thể là chiều dài khe hở không khí δ = 0,3 mm; hệ số ép chặt lõi sắt kc = 0,95; chiều dài tối đa của lõi thép thông qua hệ số λmax (λmax ≤ 0,66 ; ) thép có tổn hao riêng p1/50 = 2,5 W/kg. Để hiệu suất có thể đạt được theo tiêu chuẩn của Châu Âu mức Eff1 (với động cơ 3 kW, 2p = 4 là 87,4%) cần sử dụng vật liệu và công nghệ tốt hơn như dùng loại thép CS 50S600 có tổn hao - riêng p1/50 = 1,63 W/kg (đây là loại thép của Hàn Quốc, có đường cong từ hóa gần giống thép 2312, đang được một số nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam nghiên cứu sử dụng); chiều dài khe hở không khí δ = 0,25 mm hệ số ép ; chặt kc = 0,97; hệ số λ lớn λ > 0,66). (
Ứng dụng phương pháp thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao như đã xây dựng, hực hiện tính toán thiết kế động cơ 3 kW t có số cực 2p = 4 theo các phương án công nghệ và vật liệu khác nhau, kết quả thể hiện ở các bảng 5.7.
Bảng 5. : Bảng so sánh chỉ tiêu kỹ thuật và vật liệu tác dụng động cơ 3 kW, 7 2p = 4 khi thay đổi vật liệu và công nghệ
Thông số Phương án thiết kế ηηηηη (%) cosϕϕϕϕϕ (%) mk mmax ik gFe (kg/kW) gCu (kg/kW) gAl (kg/kW) 1 Thép 2211, =0,65, kλλλλλ c = 0,95 86,1 83,3 2,2 2,44 6 8,5 1,067 0,27 2 Thép CS-50S600, λλλλλ =0,65; k c= 0,95 87 83,37 2,2 2,44 6 8,5 1,067 0,273 3 Thép CS-50S600; δδδδδ = 0,25 mm, λλλλλ = 0,65 87,2 84,15 2,3 2,35 6,2 8,5 1,067 0,279 4 Thép CS-50S600; δδδδδ = 0,25 mm, k c= 0,97, λλλλλ =0,65 87,4 84,3 2,1 2,3 6,1 8,5 1,067 0,293 5 Thép CS-50S600; k c = 0,97, λλλλλ =0,66 87,6 83,02 2,2 2,47 6,1 8,7 1,2 0,284
Với kết quả ở bảng 5.7, phương án 1 có xét đến điều kiện sản xuất ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam, các phương án còn lại sử dụng loại thép CS 50S600 có tổn hao riêng nhỏ (- p1/50 = 1,63 W/kg). Phương án 3 thực hiện giảm nhỏ chiều dài khe hở không khí, phương án 4 thực hiện giảm
nhỏ chiều dài khe hở không khí đồng thời tăng hệ số ép chặt lõi thép kc, phương án 5 tăng hệ số ép chặt lõi thép kc và hệ số λ (hệ số λ = 0,66 vẫn còn nằm trong giới hạn cho phép của các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam).
Qua kết quả ở bảng 5.7 cho thấy nếu trọng lượng thép không đổi (đường kính ngoài và chiều dài lõi thép stato không đổi) thì vật liệu tốt sẽ chiếm tỷ lệ lớn trong việc nâng cao hiệu suất so với đầu tư về công nghệ như làm nhỏ chiều dài khe hở không khí và tăng hệ số ép chặt lá thép, chiều dài khe hở không khí nhỏ sẽ có tác dụng rất tốt trong việc tăng hệ số công suất.
Qua khảo sát động cơ 3 kW số cực 2p = 4 cho thấy trong giới hạn công nghệ và vật liệu chủ yếu đã xét ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam như chiều dài khe hở không khí δ = 0,3 mm; kc = 0,95; λmax ≤ 0,66; thép có tổn
hao riêng p1/50 = 2,5 W/kg thì chỉ cần đầu tư thêm về công nghệ là tăng hệ số ép chặt từ 0,95 lên 0,97 sử dụng loại thép có tổn hao riêng thấp (như loại thép , CS-50S600) và kết hợp với phương pháp thiết kế đã xây dựng có thể nâng cao hiệu suất theo tiêu chuẩn của Châu Âu.
5.3 Lợi ích của các phương án nâng cao hiệu suất động cơ
Nâng cao hiệu suất động cơ mang lại nhiều lợi ích như hạn chế hiệu ứng nhà kính, bảo vệ tài nguyên môi trường, giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe con người và cụ thể là giảm nhỏ tiêu hao điện năng.
Năng lượng tiết kiệm trong vòng đời của động cơ hiệu suất cao được xác định [67]:
W = Pđm.h.(1/η1 – 1/η2), kWh trong đó: + Pđm: công suất định mức của động cơ;
+ h: số giờ vận hành tương ứng với tuổi thọ của động cơ; + η1: hiệu suất của động cơ bình thường;
+ η2: hiệu suất của động cơ hiệu suất cao.
Hiện nay giá tiền của 1 kWh trong kinh doanh là 1725 đồng [15] thì số tiền tiết kiệm được của động cơ hiệu suất cao:
W)
T = (1725. , đồng
Khi đạt đến mức hiệu suất η2 chi phí do tăng vật liệu ứng với mỗi kg thép kỹ thuật điện khoảng 20000 đồng, của đồng khoảng 200000 đồng và nhôm khoảng 50000 đồng. Ngoài ra, theo kinh nghiệm ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam thì chi phí vật liệu trên một sản phẩm chiếm 70% còn các chi phí khác chiếm 30 %.
Các động cơ thông thường sản xuất tại Việt am có tuổi thọ khoảng N 60.000 giờ vận hành [14], ta có số tiền tiết kiệm được của các phương án nâng cao hiệu suất động cơ 3 kW (các thiết kế ở bảng 5.3, 5.4, 5.5 mang lại qua ) bảng tính toán 5.8.
Bảng 5.8: Bảng tính toán lợi ích kinh tế của động cơ hiệu suất cao (thép 2211, p1/50 = 2,5 W/Kg)
Thông số
Phương án
ηηηηη
(%)
Điện tiết kiệm (kWh)
Chi phí do tăng thêm vật liệu so với động cơ
thông thường
(đồng)
Chi phí khác (đồng)
Số tiền tiết kiệm 103(đồng) 1 86 10210 205200 87900 17319 2 86,1 10452 82200 35 002 17914 5 86,3 10937 98000 42000 18 678 6 86,1 10452 61000 26000 17945 7 86,3 10937 96600 41400 18729 8 86,4 11179 173400 74310 19036 9 8,61 10452 217200 93000 17721
Trên đây chỉ là lợi ích mang lại của một động cơ theo các phương án khác nhau, trong thực tế số lượng động cơ được sử dụng hàng ngày khá nhiều (riêng CTAMAD hàng năm sản xuất khoảng 35.000.000 sản phẩm) nên lợi ích mang lại cho việc nâng cao hiệu suất động cơ là rất lớn. Với số lượng động cơ sử dụng trong công nghiệp và xây dựng tiêu thụ khoảng 50% lượng điện của quốc gia nên số tiền tiết kiệm mà các động cơ mang lại có thể hàng ngàn tỷ đồng. Ngoài lợi ích về kinh tế được tính như bảng 5.7 nó còn mang lại nhiều lợi ích về xã hội và môi trường.
Kết luận chương 5
Kết quả của chương này đạt được là:
- Đã xây dựng phương pháp thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao tương đối hoàn chỉnh bao gồm xác định nhóm thông số kích thước cơ bản theo hiệu suất, thiết kế mạch điện và mạch từ tối ưu và cuối cùng là chương trình tính toán thiết kế động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao (chương trình được đặt tên là TKHSCLA).
- Đã thực hiện thiết kế nâng hiệu suất động cơ 3kW số cực 2p = 4 với các phương án khác nhau có hiệu suất thỏa mãn tiêu chuẩn động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc hiệu suất cao (TCVN 7540- 1:2005) mà không phải tăng nhiều vật liệu. Quá trình thiết kế có xét các yếu tố công nghệ, vật liệu chủ yếu liên quan đến chiều dài khe hở không khí, độ dài lõi sắt qua hệ số λ, hệ số ép chặt kc và các loại thép đang được dung phổ biến ở các nhà máy chế tạo động cơ điện Việt Nam.
- Đã thực hiện và đưa ra giải pháp về vật liệu, công nghệ có thể nâng hiệu suất động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc đạt với tiêu chuẩn Châu Âu mức Eff1.
- Lợi ích của việc sử dụng động cơ hiệu suất cao là rất lớn, do vậy cần sớm đưa động cơ hiệu suất cao vào thiết kế, chế tạo ở Việt Nam.
KẾT LUẬN CHUNG
Động cơ KĐB ba pha mà chủ yếu là loại rôto lồng sóc được sử dụng phổ biến trong công nghiệp và tiêu thụ một lượng điện năng lớn. Do vậy, nghiên cứu thiết kế, chế tạo động cơ hiệu suất cao là rất cần thiết, hiệu suất