Cách thức đánh giá hoạt động của động cơ điện

1 Hiệu suất của động cơ điện

Động cơ chuyển đổi điện năng thành cơ năng để phục vụ tải nhất định. Trong quy trình này, năng lượng mất đi được minh hoạ trong hình.

Tổn thất động cơ (US DOE)

Hiệ u suấ t của động cơ được xác định bởi tổn thất bên trong chỉ có thể giảm bằng cách thay đổi thiết kế động cơ và điều kiện vận hành. Tổn thất có thể thay đổi từ 2%-20%. Bảng 1 cho thấy các loại tổn thất ở một động cơ cảm ứng

Bảng 1. Các loại tổn thất ở động cơ không đồng bộ (BEE India, 2004)

Hiệu suất của động cơ có thể định nghĩa là “tỷ số của công suất đầu ra hữu dụng của động cơ với công suất đầu ra toàn phần.”

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ bao gồm:

• Lão hóa: động cơ mới hoạt động hiệu quả hơn.
• Công suất. Với phần lớn các thiết bị, hiệu suất của động cơ tăng khi làm việc ở công suất định mức
• Tốc độ. Các động cơ tốc độ cao hơn thường hiệu quả hơn
• Loại. Ví dụ như, động cơ lồng sóc thường hiệu quả hơn động cơ có vành trượt.

Phần này dựa trên tài liệu dài 16 trang về “Xác định tải và hiệu suất của động cơ điện” do US DOE thực hiện trong khuôn khổ chương trình Những thách thức của động cơ. Chúng tôi đề nghị các bạn tham khảo thêm tài liệu này để biêt thông tin chi tiết.

• Nhiệt độ. Động cơ có quạt làm mát hiệu quả hơn so với động cơ có lớp bảo vệ chống ẩm (SPDP)
• Quấn lại động cơ có thể làm giảm hiệu suất
• Tải động cơ, được mô tả dưới đây

Giữa hiệ u suất và tải của động cơ có mối liên hệ rõ ràng với nhau. Các nhà sản xuấ t thiết kế động cơ vận hành ở mức tải 50-100% và hiệu quả nhấ t ở mức tải 75%. Nhưng khi tải giảm xuống dưới mức 50%, hiệu suất sẽ giảm rất nhanh, như đã cho trong hình 11. Vận hành động cơ dưới 50% mức t ải cũng có tác động tương tự, nhưng nhẹ hơn đối với hệ số công suất. Hiệu suấ t của động cơ cao và hệ số công suất gần bằng 1 là mức vận hành hiệ u quả mong muốn và giúp giảm chi phí của toàn bộ dây chuyền chứ không chỉ riêng với động cơ.

Hiệu suất t ải bộ phận của động cơ (hàm số của % hiệu suất đầy tải) (US DOE)

Vì lý do trên, khi đánh giá kết quả hoạt động của một động cơ, c ần xác định cả tải và hiệu suất. Ở hầu hết các nước, các nhà sản xuất phải ghi rõ hiệu suất đầy tải trên phần ghi các thông s ố (nhãn) của động cơ . Tuy nhiên, với một động cơ vận hành trong một thời gian dài, thườ ng rất khó xác định hiệu suất vì phần nhãn máy của động cơ bị mất đi hoặc bị sơn đè lên trên.

Để đo hiệu suất của động cơ, cần ngắt tải và đem động cơ đến bộ phận kiểm tra để thực hiện một số ki ểm tra. Kết quả của những lầ n kiểm tra được so sánh với thông số hoạt động chuẩn của động cơ do nhà sản xuất cung cấp.

Trong trường hợp không thể ngắt động cơ khỏi tải, có thể lấy giá trị tương đối về hiệ u suất trong bảng cung cấp các giá trị tương đối của hiệu suất động cơ. Tài liệ u US DOE  cung cấp các bảng giá trị hiệu suất điển hình của các động cơ chuẩn bạn có thể sử d ụng nếu nhà sả n xuất không thể cung cấp cho bạn những thông số đó. Những giá trị hiệu suất được cung cấp cho:

• Động cơ hiệu suất tiêu chuẩn 900, 1200, 1800 và 3600 vòng/phút
• Kích thước động cơ trong khoảng từ 10 đến 300 HP
• Hai loại động cơ: động cơ chống ẩm kiểu hở (ODP) và động cơ đóng kín làm mát bằng quạt (TEFC)
• Mức tải 25%, 50%, 75% và 100%.

Tài liệu trên cũng đưa ra ba phương pháp tiên tiến để đánh giá hi ệu suất của động cơ: các thiết bị đặc biệt, phương pháp phần mềm và phương pháp phân tích.

Có thể sử dụng một cách thay thế khác, thực hiện một cuộc khảo sát động cơ để xác định tải, cách này cũng thu được chỉ số hoạt động của động cơ. Phần tiếp theo sẽ giải thích thêm về cách này.

2 Tải của động cơ

2.1 Tại sao cần đánh giá tải của động cơ?

Bở i vì rất khó đánh giá hiệu suất của động cơ trong đi ều kiện vận hành bình thường, có thể đo tải của động cơ như là một chỉ số đánh giá hiệu suất của động cơ. Khi tải tăng, hệ số công suất và hiệu suất của động cơ tăng lên tới giá trị tối ưu ở quanh mức đầy tải.

2.2 Cách đánh giá tải của động cơ

Phương trình dưới đây được sử dụng để xác định tải:

Tải = ( P_i x η ) / ( HP x 0.7457)

Trong đó,

• η= Hiệu suất vận hành của động cơ tính bằng %
• HP = Mã lực ghi trên nhãn động cơ
• Mức tải= Công suất ra chiếm % công suất thiết kế
• P_i = công suất ba pha tính bằng kW

Tiến hành khảo sát tải động cơ để đo mức tải vận hành của các động c ơ khác nhau trong toàn bộ dây chuyền. Sử dụng kết quả khảo sát để xác định những động cơ công suất nhỏ hơn yêu cầu- quá tải (có thể gây cháy động cơ) hoặc công suất quá lớn – non tải (làm hoạt động kém hiệu quả). Theo US DOE đề xuất, nên thực hiện khảo sát tất cả các động cơ hoạt động hơn 1000 giờ mỗi năm.

Có ba phương pháp để xác định tải của động cơ cho những động cơ điện vận hành riêng lẻ:

• Đo công suất đầu vào. Phương pháp này tính toán mức tải là tỷ số giữa công suất đầu vào (đo bằng bộ phân tích công suất) và công suất định mức ở mức tải 100 % .
• Đo cường độ dòng điện. Tải được xác định bằng cách so sánh cường độ dòng điện (được đo bằng bộ phân tích công suất) với cường độ dòng điện định mức. Phương pháp này được sử dụng khi không xác định được hệ số công suất và chỉ có sẵn giá trị cường độ dòng điện. Người ta cũng đề xuất sử dụng phương pháp này khi phần trăm tải ít hơn 50%
• Phương pháp trượt. Xác định tải bằng cách so sánh phương pháp trượt khi động cơ đang hoạt động với mức trượt động cơ ở đầy tải. Độ chính xác của phương pháp này hạn chế và chỉ có thể sử dụng phương pháp này với máy đo tốc độ gốc (không cần sử dụng bộ phân tích công suất).

Vì cách đo công suất đầu vào là phương pháp thông dụng nhất, chỉ có phương pháp này được mô tả cho động cơ ba pha.

2.3 Đo công suất vào

Mức tải được đo theo ba bước.

Bước 1. Xác định công suất đầu vào sử dụng phương trình sau:

Pi = (V x I x PF x 3)/1000

Trong đó,

• Pi = Công suất ba pha tính bằng kW
• V = điện áp hiệu dụng, giá trị trung bình giữa hai dây của ba pha
• I = dòng điện hiệu dụng, giá trị trung bình của ba pha
• PF = Hệ số công suất, số thập phân

Lưu ý rằng bộ phân tích công suất có thể đưa ra giá trị công suất trực tiếp. Các công ty không có thiết bị này có thể sử dụng đa kế hoặc kìm ampe để đo điện áp, cường độ dòng điện và hệ số công suất riêng lẻ sau đó tính công suất đầu vào.

Bước 2. Xác định công suất định mức bằng cách lấy giá trị trên nhãn động cơ hoặc sử dụng phương trình sau:

Pr = hp x (0.7457/ηr )
Trong đó,

• Pr = Công suất vào ở mức đầy tải định mức, kW
• HP = Mã lực ghi trên nhãn động cơ
• ηr = Hiệu suất ở mức đầy tải (giá trị trên nhãn động cơ hoặc lấy từ bảng hiệu suất động cơ)

Bước 3. Xác định phần trăm tải sử dụng phương trình sau:

Load = (Pi / P_r ) x 100%

Trong đó,

• Mức tải= Công suất ra chiếm % công suất thiết kế
• Pi = Công suất ba pha đo được bằng kW
• P_r = Công suất đầu vào ở mức đầy tải theo thiết kế tính bằng kW

2.4 Ví dụ

Câu hỏi:

Dưới đây là kết quả quan sát được từ quá trình đo công suất của một động cơ không đồng bộ ba pha 45 kW với hiệu suất 88% đầy tải.

• V = 418 Volt
• I = 37 Amp
• PF = 0.81 Tính mức tải.

Trả lời:

• Công suất đầu vào = (1,732 x 418 x 37 x 0,81)/1000 = 21,70 kW
• % Tải = [21,70 /(45/0,88)] x 100 = 42,44 %