Phương pháp chọn động cơ truyền động cho tải theo nguyên lý phát nhiệt

1.1. Mục đích của việc tính toán công suất động cơ.

Nguồn động lực trong một hệ thống truyền động điện là động cơ điện.

Các yêu cầu kỹ thuật, độ tin cậy trong quá trình làm việc và tính kinh tế của hệ thống truyền động điện phụ thuộc chính vào sự lựa chọn đúng động cơ điện và phương pháp điều khiển động cơ.

Chọn một động cơ điện cho một hệ thống truyền động điện bao gồm nhiều tiêu chuẩn phải đáp ứng:

 Động cơ phải có đủ công suất kéo.

 Tốc độ phù hợp và đáp ứng được phạm vi điều chỉnh tốc độ với một phương pháp điều chỉnh thích hợp.

 Thỏa mãn các yêu cầu mở máy và hãm điện.

 Phù hợp với nguồn điện năng sử dụng (loại dòng điện, cấp điện áp...).

 Thích hợp với điều kiện làm việc (điều kiện thông thoáng, nhiệt độ, độ ẩm, khí độc hại, bụi bặm, ngoài trời hay trong nhà...).

Việc chọn đúng công suất động cơ có ý nghĩa rất lớn đối với hệ truyền động điện. Nếu nâng cao công suất động cơ chọn so với phụ tải thì động cơ sẽ kéo dễ dàng nhưng giá thành đầu tư tăng cao, hiệu suất kém và làm tụt hệ số công suất cosθ của lưới điện do động cơ chạy non tải. Ngược lại nếu chọn

84 công suất động cơ nhỏ hơn công suất tải yêu cầu thì động cơ hoặc không kéo nổi tải hay kéo tải một cách nặng nề, dẫn tới các cuộn dây bị phát nóng quá mức, làm giảm tuổi thọ động cơ hoặc làm động cơ bị cháy hỏng nhanh chóng.

Việc tính công suất động cơ cho một hệ truyền động điện phải dựa vào sự phát nóng các phần tử trong động cơ, đặc biệt là các cuộn dây. Muốn vậy, tính công suất động cơ phải dựa vào đặc tính phụ tải và các quy luật phân bố phụ tải theo thời gian. Động cơ được chọn đúng công suất thì khi làm việc bình thường cũng như khi quá tải ở mức cho phép, nhiệt độ động cơ không được tăng quá trị số giới hạn cho phép η_cp.

1.2. Sự phát nóng và nguội lạnh của động cơ điện.

Khi máy điện làm việc, phát sinh các tổn thất ∆P và tổn thất năng lượng . Tổn thất này sẽ đốt nóng máy điện.

Đối với vật thể đồng nhất, ta có quan hệ:

∆Pdt = Cdη + Aηdt (8- 1) Trong đó:

η là nhiệt sai giữa máy điện và môi trường (⁰C)

C là nhiệt dung của máy điện, là nhiệt lượng cần thiết để nâng nhiệt độ của máy điện lên 1⁰C (J/độ).

A là hệ số tỏa nhiệt (W/độ) phụ thuộc vào tốc độ truyền nhiệt của không khí làm mát máy điện (ở máy điện có quạt làm mát, hệ số A phụ thuộc vào tốc độ quay).

Giải phương trình ta nhận được:

(7 - 2)

Trong đó:

η là nhiệt sai ban đầu của động cơ ứng với khi t = 0.

ηođ là nhiệt sai ổn định của động cơ ứng với khi t = ∞.

(8 - 3)

Tn là hằng số thời gian phát nóng của động cơ.

85

(8 - 4)

Như vậy giả sử ban đầu động cơ làm việc ổn định với phụ tải nhỏ là Pc1, ứng với tổn thất công suất (nhỏ) ∆P₁ và nhiệt sai làm việc ổn định là η1 = ∆P1/A.

Nếu ta tăng phụ tải động cơ lên giá trị P_c2 (Pc2 > Pc1) thì tổn thất công suất trong động cơ tăng lên ∆P2, tương ứng với nhiệt sai làm việc ổn định là η2 = ∆P2/A.

Thay các giá trị ηbđ = η1 và η0đ = ηođ2 vào (8 - 2) ta sẽ được biểu thức của nhiệt sai η = f(t) trong quá trình tăng nhiệt của động cơ, theo đó ta vẽ được

„đường cong phát nóng‟ như trên hình 8.1a

Ngược lại, giả sử động cơ đang làm việc với tải P_c2, tương ứng với nhiệt sai là η₂

= η0đ2, nếu ta giảm phụ tải xuống Pc1, thì nhiệt sai của nó sẽ giảm từ giá trị ban đầu η_bđ = η2 = η0đ2 xuống giá trị ổn định . Thay η_bđ = η2 = η0đ2 và η0đ = η_0đ1 vào biểu thức (8 - 2) ta sẽ nhận được biểu thức tính nhiệt sai η = f(t) trong quá trình giảm nhiệt của động cơ, và theo đó ta được „đường cong nguội lạnh‟

như trên hình 8.1b

Biểu thức (8 - 2) cho thấy thời gian thay đổi nhiệt độ của động cơ phụ thuộc vào hằng số thời gian phát nóng T_n. Về lý thuyết, động cơ đạt đến nhiệt sai ổn định η0đ khi thòi gian tiến đến vô cùng (t→∞). Nhưng thực tế khi nhiệt sai đạt đến 95 % η_0đ người ta coi như đã ổn định, tương ứng ta có thời gian phát nóng của động cơ là:

Hình 8-1: Đường cong phát nóng (a) và nguội lạnh của động cơ (b).

a) b)

86

(8 -5)

Động cơ càng lớn, T_n càng lớn và tpn càng lâu. Ngoài ra, Tn còn phụ thuộc vào điều kiện làm mát của động cơ và kiểu vỏ bảo vệ. Đối với loại động cơ tự quạt mát, Tn còn phụ thuộc vào tốc độ làm việc. Sau đây là giá trị của một số loại động cơ:

 Động cơ nhỏ, kiểu hở: T_n ≈ 5 † 20 phút

 Động cơ công suất trung bình, kiểu hở, quạt gió ngoài: T_n ≈ 20 † 40 phút.

 Động cơ công suất lớn, kiểu hở, quạt gió ngoài: Tn ≈ 30 † 50 phút.

 Động cơ kiểu kín, làm mát bề mặt: T_n ≈ 50 † 120 phút.

1.3. Các chế độ làm việc của động cơ.

Căn cứ vào đặc tính phát nóng và nguội lạnh của máy điện, người ta chia chế độ làm việc của truyền động thành 3 loại: Dài hạn, ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại.

a) Chế độ dài hạn: Do phụ tải duy trì trong thời gian dài, cho nên nhiệt độ của động cơ đủ thời gian đạt tới trị số ổn định.

b) Chế độ ngắn hạn: Do phụ tải duy trì trong thời gian ngắn, thời gian nghỉ dài, cho nên nhiệt độ động cơ chưa kịp đạt tới giá trị ổn định và nhiệt độ động cơ sẽ giảm về giá trị ban đầu.

c) Chế độ ngắn hạn lặp lại: Phụ tải làm việc có tính chất chu kỳ, thời gian làm việc và thời gian nghỉ xen kẽ nhau. Nhiệt độ động cơ chưa kịp tăng đến trị số ổn định thì được giảm do mất tải, và khi nhiệt độ động cơ suy giảm chưa kịp về giá trị ban đầu thì lại tăng lên do có tải. Do vậy người ta đưa ra khái niệm thời gian dùng điện tương đối:

(8 - 6)

Trong đó:

là thời gian làm việc có tải.

là thời gian của một chu kỳ.

87