2.2.1 Các thành phần tổn hao
Tổn hao trong động cơ có thể được diễn tả như hình 2.4 [4], [5], [19], [30] [56, [61], .
Hình 2.4: Giản đồ năng lượng của động cơ KĐB ba pha rôto lồng sóc P1 = Pvào Stato pCu1 PFe Khe hở kk P2 = Pra Pf pCu2 Pcơ Rôto
Các vùng mũi tên chỉ ra những thành phần tổn hao cần phải tính toán trong quá trình thiết kế hoặc kiểm tra. Đó là:
- Tổn hao đồng trong dây quấn stato: pcu1 = 3 2 1 1 .r I ; - Tổn hao đồng của rôto: pcu2 = 3 '
2 2 2.r I ; - Tổn hao sắt: pFe;
- Tổn hao cơ: pcơ; - Tổn hao phụ: pf .
Các thành phần tổn hao của động cơ KĐB ba pha thông thường có tỷ lệ như bảng 2.1 [20].
Bảng 2.1: Tỷ lệ các thành phần tổn hao của động cơ KĐB 3pha STT Các thành phần tổn hao (%)
1 Tổn hao đồng stato (pcu1) 38 2 Tổn hao đồng rôto (pcu2) 22 3 Tổn hao sắt (pFe) 20 4 Tổn hao cơ (pcơ) 8 5 Tổn hao phụ (pf) 12
Tổng tổn hao 100
Trong các thành phần tổn hao thì tổn hao đồng stato pcu1 chiếm tỷ lệ lớn nên nếu giảm thành phần tổn hao này thì khả năng nâng cao hiệu suất động cơ cao nhất. Tiếp đến cần có giải pháp giảm các thành phần tổn hao đồng rôto pcu2 và tổn sắt pFe (chủ yếu ở stato). Với vật liệu sẵn có, ba thành phần tổn hao này phụ thuộc nhiều vào quá trình thiết kế dây quấn và mạch từ. Do đó, phương án tính toán thiết kế hợp lý để giảm nhỏ các thanh phần tổn hao này sẽ là giải pháp hữu ích nâng cao hiệu suất động cơ.
Ta có thể nhóm các tổn hao ở động cơ thành các dạng: Một phần năng lượng sẽ tản đi trong máy dưới dạng tổn hao năng lượng do ma sát gọi là các tổn hao cơ (pcơ), tổn hao do hiện tượng từ trễ và dòng điện xoáy cảm ứng trong lõi thép gọi là các tổn hao sắt từ (p Fe) và tổn hao năng lượng khi dòng điện chạy trong các dây quấn gọi là các tổn hao đồng (p cu1 + pcu2) và tổn hao phụ (p f).
2.2.1.1 Tổn hao cơ:
Tổn hao cơ gồm có: các tổn hao do ma sát ổ bi, tổn hao do ma sát khi rôto quay quanh môi trường bao quanh nó (môi trường không khí) và các tổn hao làm mát đều thuộc tổn hao này.
- Tổn hao trên các ổ trục: phụ thuộc vào cấu tạo của chúng và dạng bôi
trơn. Trong các máy không lớn có thể dùng ổ bi tròn hoặc đĩa với mỡ xệt. Trong các máy công suất lớn người ta dùng các ổ trượt và dầu lỏng bôi trơn để giảm bớt ma sát.
- Tổn hao do ma sát với không khí khi rôto quay: Tổn hao này là công suất cần có để quay các cánh quạt gió.
Việc tính toán chính xác tổn hao cơ là rất khó, vì thế khi tính toán thường hay dùng công thức thực nghiệm.
2.2.1.2 Các tổn hao sắt :
Để giảm bớt tổn hao này có thể dùng lá thép mỏng hơn, dùng thép có tổn hao riêng thấp hơn.
2.2.1.3 Tổn hao đồng
Đây là tổn hao do hiệu ứng Joule ở dây quấn stato và rôto do sóng cơ bản gây ra, thành phần tổn hao này được xác định:
- Với stato: pcu1 = 3.I12r1 (2.1) trong đó: + I1: dòng điện định mức một pha dây quấn stato;
+ r1: điện trở pha dây quấn stato.
- Với rôto: pcu2 = 3. '2 2
I r2’ (2.2) trong đó: + '
2
I : dòng điện pha ở rôto quy đổi;
+ r2’: điện trở pha dây quấn rôto quy đổi. 2.2.1.4 Tổn hao phụ
Thành phần tổn hao này được xem như là tổn hao còn lại trong tổng tổn hao của động cơ sau khi đã trừ đi các tổn hao kể trên, có thể được xác định:
Pf = P1 - (pcu + pFe + pcơ + P2)
trong đó: P1 và P2 là công suất tiêu thụ và công suất cơ ra ở trục động cơ. 2.2.2 Hiệu suất
Hiệu suất của động cơ được tính theo biểu thức [3], [4] [5], , [19], [24], [30] [61], : 1 1 2 1 P P P P ∑∆ − = = η (2.3)
trong đó: P1 là công suất điện đưa vào, P2 là công suất cơ ra ở trục động cơ, Σ∆P là tổng các thành phần tổn hao ở hình 2.4.
2.3 Ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến tổn hao và hiệu suất.
Căn cứ vào quá trình thiết kế máy điện [2], [3], [21], [36] các thông số chính ảnh hưởng đến hiệu suất trong quá trình thiết kế có thể gộp thành 3 nhóm chính:
- Nhóm thông số kích thước cơ bản: Các thông số thuộc nhóm này gồm: Đường kính ngoài lõi sắt stato Dn (thường được chọn theo chiều cao tâm trục chuẩn), kích thước chủ yếu và tải điện từ. Kích thước chủ yếu là đường kính trong lõi sắt stato D, chiều dài tính toán lõi sắt lδ (chiều dài thực lõi sắt l được lấy gần đúng bằng lδ). Tải điện từ là mật độ từ thông khe hở không khí Bδ và tải đường A.
- Nhóm thông số thiết kế mạch điện: bao gồm số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh ur, số vòng dây nối tiếp một pha w1, tiết diện rãnh stato Sr1, hệ số lấp đầy rãnh klđ, kích thước dây dẫn.
Với dây dẫn tròn kích thước dây là kích thước dây quấn không kể cách điện và kể cả cách điện (d/dcđ). Với dây dẫn chữ nhật kích thước dây là chiều rộng và bề dày của dây không kể cách điện và kể cả cách điện (a x b/ acđ x bcđ).
- Nhóm thông số thiết kế mạch từ: Các thông số thuộc nhóm này là các kích thước răng rãnh stato và rôto (hình 2.2 và hình 2.3) như: bề rộng răng stato, rôto (bzs, bzr); chiều cao rãnh stato, rôto (hrs, hrr); các chiều rộng rãnh stato, rôto (d1s, d2s, d1r, d2r).
2.3.1 Nhóm thông số kích thước cơ bản
Mối quan hệ giữa các thông số D, l, Bδ, A thể hiện ở biểu thức [2], [3],
[21] [36], : δ δ α k k AB P n l D C d s đb A . . . . 10 . 1 , 6 . . 1 7 ' 2 = = (2.4)
trong đó: + CA: hằng số máy điện, th ể hiện thể tích của máy trên một đơn λ vị mômen;
+ l: chiều dài lõi sắt stato; + nđb: tốc độ đồng bộ của động cơ; + A: tải đường;
+ Bδ : Mật độ từ thông khe hở không khí;
+ αδ, ks, kd1: hệ số cung cực từ, hệ số dạng sóng, hệ số dây quấn. Các hệ số này thay đổi trong khoảng hẹp;
+
ϕ
η cos
' kE Pđm
P = ⋅ : công suất tính toán. Với η, cos ϕ là hiệu suất, hệ
số công suất định mức của máy có thể tra theo bảng tiêu chuẩn; kE = E/U ban đầu tra theo đường cong.
Hệ số sử dụng máy điện đặc trưng cho việc sử dụng vật liệu tác dụng [2], [3]:
A A
C
k = 1 (2.5)
2.3.1.1 Ảnh hưởng của chiều dài lõi sắt stato l và đường kính trong stato D
a). Ảnh hưởng của chiều dài lõi sắt
Số vòng dây quấn một pha stato trong tính toán thiết kế được xác định:
đm r I t A q p a u q p w 1 1 1 1 1 . . . = = (2.6)
Khi xác định được w1, chiều dài một pha của dây quấn stato được tính toán:
L1 = 2(l + lđn).w1 (2.7) trong đó: + l: chiều dài lõi sắt stato;
+ lđn: chiều dài phần đầu nối dây quấn stato. Điện trở dây quấn stato:
d s L
r 1
1 =ρ (2.8)
Theo (2.1) và (2.2) cho thấy chiều dài lõi sắt ảnh hưởng đến tổn hao đồng của stato và rôto.
Khi số vòng dây thay đổi sẽ ảnh hưởng đến từ thông khe hở không khí như (2.9). 1 1 1 . . . . 4 . w f k k U k d s E = φ (2.9)
Từ thông khe hở không khí thay đổi sẽ ảnh hưởng mật độ từ thông ở răng, gông của stato và rôto. Điều này tác động đến tổn hao sắt (cả stato và rôto), tác động đến sức từ động làm thay đổi dòng từ hóa. Tất cả những tác động đó sẽ làm cho hiệu suất thay đổi.
Như vậy, chiều dài của lõi sắt thay đổi dẫn đến thay đổi các thành phần tổn hao đồng và sắt nên ảnh hưởng đến hiệu suất động cơ.
b). Ảnh hưởng của đường kính trong lõi sắt stato.
Khi xác định kích thước chủ yếu của động cơ KĐB, giữa hai đường kính trong và ngoài của lõi sắt stato có một quan hệ nhất định [2], [3], [21], [36]:
n D
D D
k = (2.10)
Theo thực tế thiết kế, hệ số kD biến thiên trong khoảng kDmin ≤ kD ≤ kDmax và phụ thuộc vào số đôi cực của động cơ.
Đường kính ngoài Dn có liên quan mật thiết với kết cấu của động cơ và chiều cao tâm trục h đã được tiêu chuẩn hóa. Vì vậy thường chọn Dn theo h và từ đó tính ngược lại D. Ở Việt Nam, quan hệ giữa đường kính ngoài Dn và chiều cao tâm trục h (theo tiêu chuẩn [17], [18]) của các động cơ điện KĐB Hungari dãy VZ cách điện cấp E và của Nga dãy 4A cách điện cấp F có thể tham khảo qua bảng 2.2 [3].
Bảng 2.2: Trị số của Dn theo h h(cm) 5,0 5,6 6,3 7,1 8 9 10 11,2 13,2 16 Dn(VZ),cm 13,2 13,2 17 17 20 24,5 Dn(4A),cm 8,1 8,9 10 11,6 13,1 14,9 16,8 19,1 22,5 27,2 h(cm) 18 20 22,5 25 28 31,5 35,5 40 45 56 Dn(VZ),cm 28 32 37 39 42,5 52 54 Dn(4A),cm 31,3 34,9 39,2 43,7 52 59 66 74 85 99
Đường kính trong stato D thay đổi sẽ làm ảnh hưởng đến chiều dài phần đầu nối, đến tiết diện rãnh stato Sr1 và tiết diện rãnh rôto Sr2.
Xét trường hợp đường kính trong stato D giảm: chiều dài phần đầu nối dây quấn stato giảm, vì chiều dài phần đầu nối dây quấn stato được xác định [3], [36]:
lđn = kđ1 + τy.B (2.11) trong đó: - Các hệ số kđ1, B của stato tra theo bảng 3.4 [3];
- 1 ) ( Z y h D rs y + =π τ . (2.12)
Khi chiều dài phần đầu nối giảm, theo (2.7) và (2.8) sẽ dẫn đến giảm tổn hao đồng.
Đường kính trong stato D giảm làm cho tiết diện rãnh stato Sr1 tăng Có . thể tham khảo kết quả khảo sát động cơ 5,5 kW, 2p = 4 như bảng 2.3 [9].
Bảng 2.3: Một số tiết diện rãnh stato theo đường kính trong stato Tiết diện rãnh stao
Đường kính trong D Sr1(mm2)
D = 11 cm 136,3 137,8 129,6 119,5 D = 11,5 cm 119,9 102,7 98,6 80,2 D = 12,2 cm 87,8 78,4 69,9 62,7 D = 13 cm 50,8 40,6 28,4 20,7
Với một giá trị đường kính trong lõi sắt stato D sẽ có một số tiết diện rãnh stato Sr1 thỏa mãn điều kiện ràng buộc về mật độ từ thông ở răng và gông stato.
Khi Sr1 lớn, nếu số thanh dẫn trong rãnh không đổi thì tiết diện dây quấn stato sd sẽ lớn hơn, điện trở dây quấn stato r1 giảm. Do đó tổn hao đồng stato pCu1 giảm.
Mặt khác khi D nhỏ thì bước răng stato t1 = .π D/Z1 giảm. Theo (2.6), số vòng dây quấn giảm dẫn đến điện trở dây quấn stato giảm. Do đó tổn hao pCu1 cũng giảm.
2.3.1.2 Ảnh hưởng của tải đường A và mật độ từ thông khe hở không khí Bδ
Việc chọn A và Bδ ảnh hưởng rất nhiều đến kích thước chủ yếu D và l. Đứng về mặt tiết kiệm vật liệu thì nên chọn A và Bδ lớn, nhưng nếu A và Bδ
quá lớn thì tổn hao đồng và sắt tăng lên, hiệu suất của động cơ giảm xuống. Mặt khác, A và Bδ quá lớn sẽ làm máy quá nóng, ảnh hưởng đến tuổi thọ sử dụng máy. Do đó khi chọn A và Bδ cần xét đến chất lượng vật liệu sử dụng. Nếu sử dụng vật liệu sắt từ tốt (có tổn hao ít hay độ từ thẩm cao) thì có thể
chọn Bδ lớn. Dùng dây đồng có cấp cách điện cao thì có thể chọn A lớn.
Ngoài ra tỷ số A và Bδ cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc và khởi động của động cơ KĐB [3].
Trong quá trình tính toán thiết kế động cơ KĐB, chiều rộng răng và chiều cao gông được xác định [3]:
- Bề rộng răng stato: c z zs k B t B b . . 1 1 δ = (2.13)
trong đó: + Bz1: mật độ từ thông trên răng của động cơ; + t1: bước răng stato;
+ kc: hệ số ép chặt, phụ thuộc vào công nghệ. - Chiều cao gông stato:
c g gs k l B h . . . 2 1 φ = (2.14)
trong đó: + Bg1: mật độ từ thông trên gông của động cơ; + l: chiều dài lõi sắt;
+ φ: từ thông khe hở không khí (2.9).
Mỗi giá trị D và l xác định, tổn hao đồng và sắt phụ thuộc vào cấu trúc của mạch từ mà đặc trưng là kích thước răng, rãnh. Với mỗi bộ kích thước răng rãnh sẽ có mật độ từ thông ở răng Bz, ở gông Bg và tiết diện rãnh Sr
tương ứng. Xét trường hợp mật độ từ thông ở gông và răng không đổi (Bz = const và Bg = const), để tăng tiết diện rãnh Sr phải giảm chiều rộng răng bz và chiều cao gông hg, theo (2.13), (2.14) cần giảm mật độ từ thông khe hở không khí Bδ. Từ đây cho thấy Bδ nhỏ khả năng mở rộng tiết diện rãnh nhiều hơn, sẽ được tiết diện dây quấn lớn hơn nên giảm được điện trở dây quấn. Tuy
nhiên, khi D và l xác định nếu giảm giá trị mật độ từ thông khe hở không khí Bδ, theo (2.4), (2.6), (2.7) và (2.8) sẽ tăng tổn hao đồng stato. Vì thế trong
thiết kế cần phải chọn A và Bδ phù hợp để tổn hao được nhỏ đồng thời nâng cao mômen khởi động Mk, mômen cực đại Mmax và đảm bảo độ tăng nhiệt θs.
Tóm lại, các thông số kích thước chủ yếu (D, l) và tải điện từ (A, Bδ) có quan hệ phụ thuộc lẫn nhau. Trong tính toán thiết kế, khi đã có kích thước lắp đặt chuẩn (chiều cao tâm trục h) và công suất cần thiết của động cơ (công suất định mức Pđm, số cực 2p) thì giá trị các thông số D, l, A, B δ có một khoảng biến thiên nhất định. Việc chọn giá trị của chúng có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và đặc tính của động cơ. Do đó cần có sự phối hợp trong việc chọn giá trị các thông số này sao cho giảm được các thành phần tổn hao để hiệu suất động cơ được nâng cao.
2.3.2 Nhóm thông số thiết kế mạch điện
Các thông số này bao gồm: số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh ur, số vòng dây nối tiếp của một pha w1, kích thước dây quấn, tiết diện rãnh stato Sr1 và hệ số lấp đầy klđ.
Quan hệ giữa các thông số dây quấn phải thỏa mãn hệ số lấp đầy rãnh: - Với dây dẫn tròn: 1 2 1. . r cd r ld S d n u k = (2.15)
trong đó : + Sr1: tiết diện có ích của rãnh stato;
+ dcđ: đường kính của dây quấn kể cả cách điện;
+ klđ : hệ số lấp đầy, biến thiên trong khoảng klđmin k≤ lđ k≤ lđmax; + n1:số sợi chập.
- Với dây dẫn chữ nhật: 1 1. . . r r ld S b a n u k = (2.16)
trong đó: a là chiều rộng, b là bề dày của dây dẫn.
2.3.2.1 Ảnh hưởng của số thanh dẫn tác dụng trong một rãnh u r đến tổn hao đồng stato pcu1.
Trong tính toán thiết kế, số thanh dẫn tác dụng của một rãnh được xác định [2], [3], [21], [36]: 1 1 1. . I a t A ur = (2.17)
trong đó: + A: tải đường;
+ a1: số mạch nhánh song song; + I1: dòng điện định mức;
+ t1: bước răng stato, t1 = π.D/Z1 với Z1 là số rãnh stato.
Khi tải đường A giảm, theo (2.7) và (2.8) làm cho điện trở dây quấn stato nhỏ nên giảm được tổn hao đồng stato.
Như vậy, khi tính toán thiết kế có thể chọn A và D nhỏ. Tuy nhiên việc chọn A và D cần phải gắn vào quá trình chọn các thông số nhóm kích thước cơ bản như đã trình bày.
2.3.2.2 Ảnh hưởng của tiết diện rãnh stato Sr1 và hệ số lấp đầy klđ.