QUÁ TRÌNH NHIỆT TRONG ĐỘNG CƠ ĐIỆN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN

Nghiên cứu, tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của bộ biến tần Mitsubishi FR – E700 sử dụng trong công nghiệp. Qua đó chọn lựa công suất một bộ biến tần 2,2kW (3HP) FR – E740 để cài đặt và vận hành một số chế độ nhằm hỗ trợ người sử dụng dễ tiếp cận hơn khi sử dụng loại biến tần FR – E700 của hãng Mitsubishi

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Việt Nam ta ngày phát triển và giàu mạnh Một trong những thay đổi đáng kể là Việt

Nam đã gia nhập “WTO”, một bước ngoặc quan trọng để đất nước thay đổi bộ mặt nghèo

nàn của mình, để chúng ta con người Việt có cơ hội nắm bắt nhiểu thành tựu vĩ đại của thế giới, đặc biệt là về các lĩnh vực khoa học kỹ thuật nói chung và ngành Điện Tử nói riêng Trong công nghiệp rất nhiều máy sản xuất yêu cầu phải điều chỉnh tốc độ động cơ truyền động với phạm vi rộng và chất lượng điều chỉnh tốt Với sự ra đời và phát triển của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ không đồng bộ ba pha bằng phương pháp thay đổi tần

số nguồn cấp cho mạch stator nhờ các bộ biến tần đã giải quyết được rất nhiều vấn đề mà thực tế sản xuất yêu cầu

Thế hệ trẻ chúng em không tự mình phấn đấu học hỏi không ngừng thì chúng ta sẽ sớm lạt hậu và nhanh chóng thụt lùi Chính vì điều này nhóm sinh viên chúng em đã cùng nhau

chọn đề tài: “Tìm hiểu về các bộ biến tần của hãng Mitsubishi FR-E700 trong công nghiệp” để nghiên cứu và tìm hiểu nhằm nâng cao trình độ chuyên môn cũng như rèn luyện

thêm những kỹ năng lựa chọn, sử dụng thiết bị truyền động trong thực tế để góp phần vào công việc cụ thể của phát triển bản thân trong tương lai

MỤC TIÊU CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu, tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của bộ biến tần

Mitsubishi FR – E700 sử dụng trong công nghiệp Qua đó chọn lựa công suất một bộ biến tần 2,2kW (3HP) FR – E740 để cài đặt và vận hành một số chế độ nhằm hỗ trợ người sử dụng dễ tiếp cận hơn khi sử dụng loại biến tần FR – E700 của hãng Mitsubishi

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

1.1 Động cơ điện là gì

Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ Máy điện dùng để chuyển đổi ngược lại (từ cơ sang điện) được gọi là máy phát điện hay dynamo Các động cơ điện thường gặp dùng trong gia đình như quạt điện, tủ lạnh, máy giặt,máy bơm nước, máy hút bụi

1.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện

Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên rotor

và stator được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen

Phần lớn các động cơ điện họat động theo nguyên lý điện từ, nhưng loại động cơ dựa trên nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng Nguyên lý cơ bản mà các động cơ điện từ dựa vào là có một lực lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ trường Lực này theo mô tả của định luật lực Lorentz và vuông góc với cuộn dây và cả với từ trường

Phần lớn động cơ từ đều xoay nhưng cũng có động cơ tuyến tính Trong động cơ xoay, phần chuyển động được gọi là rotor, và phần đứng yên gọi là stator

1.3 Phân loại động cơ điện

Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều kiểu và công suất khác nhau Theo

sơ đồ nối điện có thể phân ra làm 2 loại chính: động cơ 3 pha và 1 pha, và nếu theo tốc độ có động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ

Tuy nhiên, ngoài 2 loại động cơ điện cơ bản trên còn có một số những loại động cơ điện khác mà các bạn có thể tham khảo thêm:

+ Động cơ điện một chiều

+ Động cơ điện một chiều kích thích bởi nam châm vĩnh cửu

+ Động cơ điện một chiều kích thích bởi dòng điện

+ Động cơ bước

+ Động cơ giảm tốc

+ Động cơ rung

+ Động cơ Servo

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH NHIỆT CỦA ĐỘNG CƠ

2.1 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

2.2 Phương trình cân bằng nhiệt

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 :

 : 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 ; bd ta có nhiệm

  /   / 

) 1





 : Nhiệt sai ổn định

bd : Nhiệt sai ban đầu

Ta có đường cong phát nóng của máy điện như sau

.

1

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  có thể được xác định dựa vào đường cong phát nóng với giả thiết bd  0 ta có

2.2.2 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.dA..dt

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  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)

2.3 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 :

độ môi trường Đặc trưng cho chế độ làm việc ngắn hạn là tlv < 90 phút

Ví dụ: Các động cơ cấp nhiên liệu cho két, các động cơ của cơ cấu nâng hạ

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

Ví dụ: động cơ bơm nước két

nghi lv

lv

t

t t t





Thông thường tck  10 phút

2.4 Tính chọn công suất động cơ điện làm việc với phụ tải dài hạn

2.4.1 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 P M c, c  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



 1000



Trong đó : Q: lưu lượng gió

H : tổng áp lực

q : là hiệu suất của quạt

td : 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

)(





 



Trong đó  : 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

2.4.2 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

qf tb dm

qf tb d

M M M

M M M

2.5 Tính chọn công suất động cơ điện làm việc với tải ngắn hạn

2.5.1 Phụ tải ngắn hạn không đổi

Ta có hai cách lựa chọn : Dùng động cơ điện dài hạn hoặc ngắn hạn

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

Trong 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

'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

od là nhiệt sai cực đại cho phép của cách điện được sử dụng trong động

, P



P nh

t

- 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

 

ξ được xác định thông qua biểu thức

1

dm

nh

V K

V K

P P

K gọi là tổn thất không đổi

Vdm gọi là tổn thất biến đổi định mức

/

te e

.1

tlv tlv

tlv tlv

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

 

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

max

Idm dm

I I

2.5.3 Lựa chọn động cơ cho phụ tải ngắn hạn biến đổi

Dạng phụ tải có dạng như sau :

t P t P t P ti

ti P

2 3 2 2 2 1 2 1

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

2.6 Tính chọn công suất động cơ điện làm việc với tải ngắn hạn lặp lại

2.6.1 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 :

2.6.2 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

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

Và ở cuối chu kỳ nghỉ :

0

0 / max

 là hằng số thời gian làm nguội

Thay vào phương trình trên ta có :

0

/

/ /

max

11

t

e e

lv lv

tlv

t tlv od

t

t t

2.6.3 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 M 2,32,6

và có hệ số đóng điện tương đối tiêu chuẩn :

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

 



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

Phụ tải ngắn hạn lặp lại có dạng như sau

i dt

lv dt

lv oi

P ti P

ti ti

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

2.7 Tính chọn công suất động cơ điện làm việc hệ TĐĐ có điều chỉnh tốc độ

2.7.1 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

Do các phương pháp điều chỉnh tốc độ với Mcf = const thì thường điều chỉnh ở những tốc độ thấp hơn tốc độ cơ bản Vì vậy động cơ lựa chọn phải có tốc độ định mức bằng tốc độ lớn nhất của dải điều chỉnh

ωdm = ωmax

Trong trường hợp này công suất định mức của động cơ được chọn phải là