Kích thước động cơ nam châm vĩnh cửu – Cách xác định mô-men xoắn, tốc độ, công suất và chu kỳ làm việc

Kích thước động cơ nam châm vĩnh cửu – Cách xác định mô-men xoắn, tốc độ, công suất và chu kỳ làm việc

Việc chọn đúng động cơ nam châm vĩnh cửu bắt đầu từ việc hiểu rõ nhu cầu thực tế của thiết bị bạn sử dụng. Một động cơ có công suất định mức phù hợp vẫn có thể gặp khó khăn khi khởi động, quá nhiệt trong quá trình vận hành liên tục hoặc không cung cấp đủ mô-men xoắn ở một số tốc độ nhất định.

Để xác định kích thước động cơ nam châm vĩnh cửu một cách chính xác, bạn cần xác định bốn yêu cầu chính: mô-men xoắn liên tục và mô-men xoắn cực đại, dải tốc độ vận hành, công suất cơ học và chu kỳ làm việc. Sau đó, bạn so sánh các yêu cầu này với hiệu năng thực tế và giới hạn vận hành của động cơ.

Đối với các nhà sản xuất thiết bị, kỹ sư và người mua kỹ thuật, phương pháp tiếp cận này giúp ngăn ngừa việc lựa chọn sai động cơ và làm cho các cuộc thảo luận với nhà cung cấp trở nên hiệu quả hơn.

Hướng dẫn này giải thích những thông tin cần thu thập, cách ước tính các thông số kỹ thuật chính và những điều cần kiểm tra trước khi chọn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM).

1. Những thông tin nào bạn cần trước khi xác định kích thước động cơ nam châm vĩnh cửu?

Trước khi lựa chọn động cơ, hãy xác định tải mà động cơ sẽ kéo, tốc độ vận hành yêu cầu của thiết bị và cách điều kiện vận hành thay đổi theo thời gian. Những chi tiết này xác định các yêu cầu thực tế về hiệu suất của động cơ.

1.1 Xác định loại tải và điều kiện vận hành

Không phải mọi thiết bị đều đặt ra yêu cầu như nhau đối với động cơ.

Một băng chuyền thường yêu cầu mô-men xoắn tương đối ổn định trong quá trình vận hành bình thường, dù khởi động dưới tải đầy có thể đòi hỏi thêm mô-men xoắn. Một quạt ly tâm hoặc bơm ly tâm thường yêu cầu mô-men xoắn tăng lên khi tốc độ tăng. Thiết bị thường xuyên tăng tốc, dừng lại hoặc thay đổi tải cần một động cơ có khả năng đáp ứng những biến đổi đó.

Câu hỏi đầu tiên là tải có duy trì ổn định hay thay đổi đáng kể trong quá trình vận hành.

Nếu thiết bị hoạt động ở mức tải gần như không đổi, mô-men xoắn liên tục và tốc độ vận hành là hai yếu tố chính để bắt đầu phân tích. Nếu tải thay đổi thường xuyên, bạn cũng phải xác định mức tải cao nhất, thời gian kéo dài của mức tải đó và tần suất xuất hiện.

Sự phân biệt này giúp xác định xem khả năng chịu tải liên tục của động cơ có đủ hay không, hoặc liệu cần thêm khả năng cung cấp mô-men xoắn đỉnh hay không.

1.2 Xác định tải tại trục động cơ

Mô-men xoắn yêu cầu bởi thiết bị không luôn bằng mô-men xoắn cần thiết trực tiếp từ động cơ.

Ví dụ, hộp số giảm tốc độ đồng thời tăng mô-men xoắn sẵn có ở đầu ra. Do đó, động cơ có thể cần tạo ra ít mô-men xoắn hơn so với thiết bị được dẫn động, nhưng phải vận hành ở tốc độ cao hơn.

Xét một ứng dụng yêu cầu 100 Nm tại đầu ra hộp số. Nếu hộp số có tỷ số truyền giảm 5:1 và hiệu suất 90%, thì động cơ cần khoảng 22,2 Nm trong chế độ vận hành ổn định.

Tuy nhiên, ước tính này chưa bao gồm mô-men xoắn bổ sung cần thiết để gia tốc.

Khi chuẩn bị thông số kỹ thuật, hãy xác nhận xem các giá trị mô-men xoắn và tốc độ đề cập đến trục động cơ hay thiết bị được dẫn động. Đồng thời, ghi lại tỷ số truyền của hộp số và hiệu suất truyền động.

Đối với các hệ thống dẫn động trực tiếp, động cơ phải cung cấp đủ mô-men xoắn tải yêu cầu mà không cần khuếch đại qua hộp số.

Ghi lại Hồ sơ vận hành yêu cầu

Hồ sơ vận hành của một động cơ mô tả những điều xảy ra trong một chu kỳ làm việc bình thường.

Thông tin yêu cầu	Những thông tin cần ghi lại
Load type	Tải hằng định, thay đổi hoặc lặp lại
Mô-men xoắn bình thường	Mô-men xoắn yêu cầu trong quá trình vận hành thông thường
Mô-men xoắn cực đại	Tải cao nhất và thời gian kéo dài của tải đó
Phạm vi tốc độ	Vòng quay mỗi phút (RPM) ở mức tối thiểu, bình thường và tối đa
Điều kiện khởi động	Tải khởi động và thời gian tăng tốc
Chu kỳ hoạt động	Thời gian vận hành, thời gian nghỉ và số lần khởi động mỗi giờ
Hộp số	Bố trí truyền động trực tiếp hoặc thông qua hộp số
Môi trường	Nhiệt độ, làm mát và điều kiện lắp đặt

Đối với thiết bị hiện có, nhãn tên động cơ, hồ sơ vận hành và dữ liệu tải đo được có thể cung cấp thông tin hữu ích.

Đối với thiết bị mới, hãy sử dụng các yêu cầu thiết kế cơ khí và xác định rõ bất kỳ giá trị ước tính nào.

Việc xác định chính xác các điều kiện này càng cao thì việc chọn động cơ phù hợp càng dễ dàng, đồng thời tránh tình trạng chọn động cơ quá cỡ một cách không cần thiết.

2. Cách xác định mô-men xoắn động cơ cần thiết

Mô-men xoắn mô tả lực xoay mà động cơ tạo ra để di chuyển hoặc dẫn động thiết bị. Thông số này đặc biệt quan trọng khi thiết bị khởi động dưới tải, vận hành ở tốc độ thấp hoặc chịu các đợt tăng tải đột ngột.

Việc xác định kích thước động cơ cần phân biệt giữa mô-men xoắn cần thiết trong chế độ vận hành bình thường và mô-men xoắn bổ sung cần thiết tạm thời.

2.1 Tính toán mô-men xoắn tải liên tục

Mô-men xoắn liên tục là lực xoay mà động cơ có thể duy trì trong điều kiện vận hành đã xác định mà không vượt quá giới hạn nhiệt độ cho phép của nó.

Để lựa chọn thực tế, hãy bắt đầu bằng cách xác định mô-men xoắn cần thiết cho thiết bị trong điều kiện vận hành bình thường.

Nếu một động cơ hiện có cung cấp khoảng 25 Nm khi vận hành dưới tải bình thường của nó, giá trị này sẽ là một điểm tham chiếu hữu ích để chọn động cơ thay thế. Tuy nhiên, bạn vẫn cần xác minh xem động cơ hiện có có được chọn đúng kích thước hay không và liệu điều kiện vận hành của nó có phù hợp với lắp đặt mới hay không.

Đối với thiết bị mới, mô-men xoắn liên tục có thể được ước tính từ các tính toán tải cơ học hoặc từ công suất trục và tốc độ đã biết.

Quyết định quan trọng là xác định xem động cơ ứng viên có thể cung cấp mô-men xoắn yêu cầu một cách liên tục ở tốc độ dự định hay không.

Không nên giả định rằng mô-men xoắn cực đại được nhà sản xuất quảng cáo chính là khả năng hoạt động liên tục của động cơ.

2.2 Cân nhắc mô-men xoắn khởi động và mô-men xoắn tăng tốc

Khởi động và tăng tốc có thể yêu cầu mô-men xoắn lớn hơn so với chế độ vận hành bình thường.

Động cơ phải vượt qua tải cơ học hiện có đồng thời tăng tốc các bộ phận quay. Thiết bị có bộ phận quay nặng hoặc thời gian tăng tốc ngắn có thể đòi hỏi mô-men xoắn bổ sung đáng kể.

Ví dụ, một máy mất 20 giây để đạt tốc độ vận hành có thể tạo ra nhu cầu khởi động khác biệt đối với động cơ so với cùng máy đó tăng tốc trong 3 giây.

Sự khác biệt này phụ thuộc vào tổng mô-men quán tính của động cơ và thiết bị được dẫn động. Mô-men quán tính mô tả mức độ các bộ phận quay kháng lại sự thay đổi tốc độ.

Khi chọn động cơ, hãy cung cấp tải khởi động dự kiến, thời gian tăng tốc mong muốn và thông tin về các bộ phận quay lớn.

Nếu những chi tiết này chưa rõ ràng, hãy yêu cầu đánh giá mô-men xoắn tăng tốc thay vì giả định rằng mô-men xoắn vận hành bình thường là đủ.

2.3 Phân biệt mô-men xoắn liên tục với mô-men xoắn cực đại

Mô-men xoắn liên tục và mô-men xoắn cực đại phục vụ các mục đích khác nhau.

Yêu cầu	Mô-men xoắn liên tục	Mô-men xoắn cực đại
Mục đích sử dụng	Vận hành liên tục	Khởi động hoặc quá tải tạm thời
Thời lượng	Hoạt động liên tục ở điều kiện dưới định mức	Thời gian giới hạn
Vấn Đề Chính	Tăng nhiệt độ dài hạn	Mô-men xoắn cực đại và thời gian quá tải cho phép
Kiểm tra lựa chọn	Đáp ứng tải liên tục	Đáp ứng tải tạm thời ở tốc độ yêu cầu

Giả sử một ứng dụng thường yêu cầu 30 Nm nhưng thỉnh thoảng cần 50 Nm trong vài giây.

Động cơ phải hỗ trợ tải bình thường liên tục và cung cấp mô-men xoắn tạm thời 50 Nm mà không vượt quá giới hạn vận hành cho phép.

Một động cơ có định mức đỉnh 50 Nm không tự động phù hợp. Bạn cũng cần kiểm tra thời gian nó có thể duy trì đầu ra đó và liệu bộ điều khiển có thể cung cấp dòng điện cần thiết hay không.

Quy tắc thực tế là khớp mô-men xoắn liên tục với nhu cầu kéo dài và mô-men xoắn cực đại với nhu cầu tạm thời cao nhất. Cả hai thông số này đều phải được xác minh ở tốc độ vận hành yêu cầu.

3. Cách xác định tốc độ động cơ và dải vận hành

Tốc độ động cơ thường được biểu thị bằng vòng mỗi phút, hay RPM. Thông số này cho biết trục quay được bao nhiêu vòng hoàn chỉnh trong một phút.

Để chọn kích thước chính xác, kỹ sư nên xác định toàn bộ dải tốc độ yêu cầu thay vì chỉ nêu tốc độ vận hành bình thường.

3.1 Xác định tốc độ định mức, tốc độ tối thiểu và tốc độ tối đa

Ba giá trị tốc độ này đặc biệt hữu ích trong quá trình lựa chọn động cơ.

Tốc độ định mức là tốc độ tương ứng với các điều kiện vận hành định mức do nhà sản xuất quy định. Tốc độ vận hành bình thường là tốc độ mà thiết bị sử dụng thường xuyên nhất.

Tốc độ tối thiểu và tốc độ tối đa mô tả toàn bộ dải tốc độ mà thiết bị phải đạt được.

Ví dụ, một máy có thể vận hành bình thường ở 1500 RPM nhưng đôi khi cần vận hành trong khoảng từ 500 đến 2500 RPM.

Một động cơ được thiết kế chủ yếu cho 1500 vòng/phút không tự động đáp ứng đầy đủ yêu cầu.

Việc lựa chọn cần xác nhận rằng động cơ có thể vận hành trong dải tốc độ yêu cầu đồng thời tạo ra mô-men xoắn đủ lớn tại mỗi điểm vận hành quan trọng.

3.2 Kiểm tra khả năng cung cấp mô-men xoắn trên toàn bộ dải tốc độ

Mô-men xoắn sẵn có của một động cơ có thể thay đổi khi tốc độ tăng lên.

Một số tổ hợp động cơ nam châm vĩnh cửu và bộ điều khiển có thể duy trì gần như không đổi mô-men xoắn trong một dải tốc độ xác định. Ở tốc độ cao hơn, các giới hạn về điện áp và điều khiển có thể làm giảm mô-men xoắn sẵn có.

Điều này có nghĩa là động cơ có thể đạt được tốc độ tối đa yêu cầu nhưng lại không thể cung cấp mô-men xoắn tải yêu cầu ở tốc độ đó.

Cách đơn giản nhất để kiểm tra điều này là xem xét đường cong mô-men xoắn–tốc độ do nhà sản xuất cung cấp.

Biểu đồ này cho thấy mô-men xoắn liên tục và tạm thời mà động cơ có thể cung cấp ở các tốc độ khác nhau.

So sánh các điểm vận hành bình thường và ở tải cực đại của thiết bị bạn với biểu đồ. Nếu một điểm yêu cầu nằm ngoài phạm vi cho phép, cần xem xét lại cấu hình động cơ hoặc bộ điều khiển.

3.3 Cân nhắc vận hành ở tốc độ thấp và làm mát

Vận hành ở tốc độ thấp cần được chú ý đặc biệt khi thiết bị yêu cầu mô-men xoắn cao trong thời gian dài.

Một số động cơ phụ thuộc vào quạt gắn trên trục để làm mát. Khi tốc độ động cơ giảm, quạt có thể đẩy ít không khí hơn, dẫn đến khả năng tản nhiệt giảm.

Do đó, một động cơ có thể vận hành liên tục ở một mức mô-men xoắn nhất định gần tốc độ định mức nhưng lại không duy trì được cùng đầu ra đó ở tốc độ rất thấp.

Các động cơ sử dụng làm mát bằng quạt độc lập hoặc làm mát bằng chất lỏng có thể có khả năng vận hành khác biệt.

Nếu thiết bị của bạn thường xuyên vận hành ở tốc độ thấp dưới tải nặng, hãy yêu cầu nhà cung cấp xác nhận mô-men xoắn liên tục sẵn có trong đúng điều kiện đó.

Đừng chọn phương pháp làm mát chỉ dựa trên công suất động cơ. Tốc độ vận hành, thời gian tải, điều kiện môi trường và thiết kế động cơ cũng phải được xem xét.

4. Cách tính công suất động cơ từ mô-men xoắn và tốc độ

Công suất động cơ biểu thị lượng công cơ học mà động cơ cung cấp trong một đơn vị thời gian. Công suất này phụ thuộc vào cả mô-men xoắn và tốc độ quay.

Việc tính toán công suất giúp xác định sơ bộ cấp công suất động cơ, nhưng không thay thế được việc kiểm tra mô-men xoắn và chu kỳ làm việc.

4.1 Sử dụng phép tính đơn giản về mô-men xoắn, tốc độ và công suất

Khi biết mô-men xoắn và tốc độ, có thể ước tính công suất cơ học trên trục bằng một mối quan hệ cơ bản.

Công suất tính theo kW = Mô-men xoắn tính theo Nm × Tốc độ tính theo vòng/phút ÷ 9550

Ví dụ, nếu một động cơ cần cung cấp mô-men xoắn 20 Nm ở tốc độ 1500 vòng/phút, phép tính sẽ là

20 × 1500 ÷ 9550 = khoảng 3,14 kW.

Giá trị này cho biết công suất cơ học cần thiết tại điểm vận hành đó.

Tuy nhiên, động cơ có công suất định mức 3,14 kW chưa chắc đã là lựa chọn phù hợp. Bạn vẫn cần tính đến tải khởi động, khả năng hoạt động liên tục và giới hạn hiệu suất do nhà sản xuất quy định.

Sử dụng kết quả này để xác định một dải động cơ ứng viên phù hợp, chứ không phải để quyết định cuối cùng.

4.2 Phân biệt công suất đầu ra trên trục với công suất đầu vào điện

Các danh mục động cơ thường nêu rõ công suất cơ học đầu ra định mức, trong khi hệ thống điện phải cung cấp đủ công suất đầu vào để bù cho tổn thất của động cơ.

Ví dụ, nếu một động cơ cung cấp 3,14 kW công suất trên trục với hiệu suất giả định là 94%, thì công suất điện đầu vào của nó sẽ khoảng 3,34 kW.

Giá trị hiệu suất trong ví dụ này chỉ mang tính minh họa, không phải là thông số kỹ thuật của bất kỳ động cơ cụ thể nào.

Hiệu suất thực tế phụ thuộc vào thiết kế động cơ, tốc độ, tải và điều kiện vận hành. Bộ điều khiển cũng gây thêm tổn thất điện.

Khi đánh giá các yêu cầu về nguồn cung cấp điện, hãy sử dụng thông số kỹ thuật do nhà sản xuất động cơ và bộ điều khiển cung cấp, thay vì giả định rằng công suất đầu ra trên trục bằng công suất đầu vào.

4.3 Vì sao công suất động cơ bằng nhau không đảm bảo độ phù hợp ứng dụng như nhau

Hai động cơ có công suất định mức giống nhau có thể tạo ra mô-men xoắn khác nhau vì chúng hoạt động ở tốc độ định mức khác nhau.

Ví dụ, một động cơ lý thuyết 5 kW có tốc độ định mức 1500 vòng/phút tạo ra khoảng 31,8 Nm tại điểm vận hành định mức của nó.

Một động cơ 5 kW khác có tốc độ định mức 3000 vòng/phút tạo ra khoảng 15,9 Nm tại điểm vận hành định mức của nó.

Cả hai đều có cùng công suất định mức, nhưng giá trị mô-men xoắn định mức của chúng chênh lệch đáng kể.

Đối với thiết bị yêu cầu mô-men xoắn lớn hơn ở tốc độ thấp hơn, động cơ đầu tiên có thể phù hợp hơn, miễn là các thông số kỹ thuật khác của nó đáp ứng yêu cầu ứng dụng.

Điều này cho thấy lý do việc lựa chọn động cơ cần xem xét mô-men xoắn, tốc độ và thời gian vận hành đồng thời , thay vì chỉ dựa vào kW.

5. Chu kỳ làm việc ảnh hưởng như thế nào đến việc chọn kích thước động cơ nam châm vĩnh cửu?

Chu kỳ làm việc mô tả cách một động cơ hoạt động theo thời gian, bao gồm thời gian vận hành, mức độ tải và thời điểm dừng hoặc nghỉ.

Điều này quan trọng vì động cơ sinh nhiệt trong quá trình vận hành. Ngay cả khi động cơ có thể tạo ra mô-men xoắn yêu cầu, nó cũng phải duy trì trong giới hạn nhiệt độ cho phép suốt toàn bộ chu kỳ làm việc.

5.1 Hiểu các loại chu kỳ làm việc S1, S2, S3 và các loại khác có liên quan

Các động cơ công nghiệp có thể được phân loại theo chu kỳ làm việc theo tiêu chuẩn IEC 60034-1, quy định các yêu cầu về công suất định mức và hiệu năng đối với máy điện quay.

Các loại chu kỳ làm việc quan trọng nhất đối với việc chọn sơ bộ được tóm tắt bên dưới.

Loại nhiệm vụ	Ý nghĩa	Tình huống lựa chọn điển hình
S1	Vận hành liên tục ở tải không đổi	Thiết bị vận hành trong thời gian dài
S2	Vận hành trong thời gian ngắn, sau đó nghỉ đủ lâu để làm mát	Thiết bị vận hành trong khoảng thời gian giới hạn trước khi làm mát
S3	Thao tác lặp đi lặp lại và nghỉ ngơi, với tổn thất lúc khởi động có ảnh hưởng nhiệt không đáng kể	Thiết bị hoạt động ngắt quãng với các chu kỳ làm việc lặp đi lặp lại

Ví dụ, một động cơ hoạt động liên tục trong suốt ca sản xuất thường được đánh giá theo yêu cầu chế độ làm việc liên tục.

Một động cơ chạy trong vài phút rồi nghỉ có thể đủ điều kiện cho một cấp định mức khác, tùy thuộc vào điều kiện nhiệt thực tế.

Nếu việc khởi động thường xuyên góp phần đáng kể vào việc làm nóng động cơ, có thể cần phân loại chế độ làm việc S4 hoặc phân loại phù hợp khác.

Các khác biệt này cũng được giải thích trong Hướng dẫn về chế độ làm việc của SEW-EURODRIVE .

Phân loại chế độ làm việc đúng phụ thuộc vào mô hình vận hành thực tế, chứ không chỉ đơn thuần dựa trên việc máy chạy liên tục hay ngắt quãng.

5.2 Đánh giá các thay đổi tải lặp đi lặp lại

Một số thiết bị hoạt động liên tục nhưng trải qua các thay đổi mô-men xoắn lặp đi lặp lại.

Ví dụ, một máy có thể hoạt động ở mức tải trung bình trong phần lớn mỗi phút, sau đó chịu tải nặng hơn nhiều trong vài giây.

Mặc dù tải nặng hơn chỉ kéo dài trong thời gian ngắn, nhưng nó gây ra thêm nhiệt lượng mà cần được xem xét.

Các kỹ sư đôi khi sử dụng ước tính mô-men xoắn liên tục tương đương, thường gọi là mô-men xoắn RMS, để hỗ trợ đánh giá kiểu tải lặp lại này.

Nói một cách đơn giản, ước tính này biểu thị mức mô-men xoắn ổn định xấp xỉ sẽ tạo ra hiệu ứng gia nhiệt liên quan đến dòng điện tương tự dưới các giả định phù hợp.

Bạn không cần thực hiện phép tính phức tạp để chuẩn bị yêu cầu ban đầu về động cơ. Thay vào đó, hãy ghi lại mô-men xoắn trong từng giai đoạn vận hành và thời gian duy trì mô-men xoắn đó.

Ví dụ, cung cấp 20 Nm trong 58 giây, sau đó 35 Nm trong 2 giây, lặp lại liên tục.

Nhà cung cấp sau đó có thể đánh giá biểu đồ tải bằng đặc tính nhiệt thực tế của động cơ.

5.3 Xác minh thời gian quá tải và giới hạn nhiệt

Ngay cả khi tải vận hành trung bình có vẻ chấp nhận được, những khoảng thời gian ngắn với mô-men xoắn cao cũng có thể vượt quá giới hạn của động cơ hoặc bộ điều khiển.

Một động cơ có khả năng tạo ra mô-men xoắn 50 Nm trong hai giây có thể không duy trì được mô-men xoắn như vậy trong ba mươi giây.

Tương tự, các lần quá tải lặp đi lặp lại có thể làm tích tụ nhiệt nếu động cơ không có đủ thời gian hoặc khả năng làm mát để phục hồi.

Khi xem xét một động cơ ứng cử viên, hãy xác minh mô-men xoắn quá tải tối đa, thời gian quá tải cho phép, tần suất lặp lại và điều kiện làm mát.

Đối với chế độ vận hành liên tục hoặc chu kỳ đòi hỏi cao, việc lựa chọn cuối cùng có thể yêu cầu đánh giá nhiệt do nhà sản xuất thực hiện.

6. Cách xác minh động cơ dựa trên biểu đồ vận hành yêu cầu

Sau khi đã biết các yêu cầu ban đầu về mô-men xoắn, tốc độ, công suất và chế độ làm việc, bước tiếp theo là xác minh xem một động cơ cụ thể có đáp ứng được các yêu cầu đó hay không.

Bước này biến các tính toán chọn kích thước tổng quát thành việc lựa chọn sản phẩm thực tế.

6.1 So sánh biểu đồ tải với đường cong mô-men xoắn–tốc độ của động cơ

Bắt đầu bằng cách thu thập thông tin về hiệu suất mô-men xoắn–tốc độ của động cơ ứng viên.

Kiểm tra xem động cơ có cung cấp đủ mô-men xoắn liên tục ở tốc độ vận hành bình thường của thiết bị hay không.

Tiếp theo, xác minh mô-men xoắn sẵn có của động cơ ở tốc độ yêu cầu thấp nhất và cao nhất.

Cuối cùng, kiểm tra xem động cơ có thể chịu được các tải đỉnh tạm thời ở những tốc độ mà các tải đó xuất hiện hay không.

Ví dụ, một động cơ có thể cung cấp đủ mô-men xoắn liên tục ở 1500 vòng/phút nhưng lại thiếu mô-men xoắn ở 2500 vòng/phút.

Trong tình huống đó, việc lựa chọn động cơ chỉ dựa trên công suất định mức sẽ bỏ qua một giới hạn vận hành quan trọng.

Các công cụ như ABB DriveSize minh họa cách lựa chọn động cơ và bộ biến tần có thể tính đến các loại tải và chu kỳ làm việc khác nhau.

6.2 Kiểm tra nguồn điện, phương pháp khởi động và khả năng tương thích với bộ biến tần

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu phải hoạt động với nguồn điện và hệ thống điều khiển phù hợp.

Nhiều động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM) công nghiệp điều khiển tốc độ biến đổi sử dụng bộ điều khiển điện tử để điều khiển tốc độ và mô-men xoắn của động cơ. Tuy nhiên, một số động cơ PMSM khởi động trực tiếp từ lưới điện được thiết kế đặc biệt có thể vận hành với các phương pháp khởi động khác nhau.

Do đó, phương pháp khởi động yêu cầu cần được xác nhận cụ thể cho từng mẫu động cơ.

Khi lựa chọn động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu điều khiển tốc độ biến đổi, cần kiểm tra điện áp nguồn cấp, loại bộ điều khiển tương thích, dòng điện liên tục, dòng điện cực đại và các chức năng điều khiển tốc độ cần thiết.

Một động cơ có thể đủ khả năng mô-men xoắn cơ học nhưng vẫn hoạt động sai nếu bộ điều khiển được chọn không cung cấp được điện áp hoặc dòng điện cần thiết.

Động cơ và bộ điều khiển cần được đánh giá đồng thời trước khi phê duyệt cuối cùng.

6.3 Xác nhận các ràng buộc về làm mát, lắp đặt và môi trường

Các điều kiện cơ học và môi trường có thể ảnh hưởng đến việc một động cơ có phù hợp hay không.

Nhiệt độ môi trường cao, thông gió không đủ và không gian lắp đặt bị hạn chế có thể ảnh hưởng đến khả năng công suất đầu ra liên tục.

Kích thước lắp đặt, đường kính trục, kết nối cơ học và mức độ bảo vệ vỏ bọc cũng phải phù hợp với thiết bị.

Đối với các ứng dụng có thể yêu cầu quản lý nhiệt bổ sung, nhà sản xuất có thể cung cấp các phương án làm mát khác nhau, bao gồm động cơ nam châm vĩnh cửu làm mát bằng nước .

Tuy nhiên, cấu hình làm mát riêng lẻ không đủ để xác định tính phù hợp. Quyết định cuối cùng phải dựa trên hiệu suất định mức và yêu cầu lắp đặt cụ thể của động cơ.

7. Ví dụ minh họa cho băng tải có tải biến thiên

Một ví dụ đơn giản minh họa cách các yêu cầu chính về chọn kích thước kết hợp với nhau.

Cùng cách tiếp cận này có thể áp dụng cho các thiết bị khác bằng cách thay thế các giá trị trong ví dụ bằng dữ liệu vận hành thực tế.

7.1 Xác định yêu cầu ứng dụng

Xét một băng tải giả định được dẫn động bởi động cơ nam châm vĩnh cửu.

Băng tải vận hành ở tốc độ 1450 vòng/phút và thường yêu cầu mô-men xoắn trên trục động cơ là 20 Nm.

Cứ sau mỗi 60 giây, mô-men xoắn tăng lên 35 Nm trong 2 giây, rồi trở lại 20 Nm trong 58 giây còn lại.

Trong ví dụ này, các giá trị đã biểu thị tải tại trục động cơ. Gia tốc khởi động, phanh và các hiệu ứng truyền động bổ sung đều bị loại trừ.

7.2 Ước tính công suất và đánh giá chu kỳ làm việc

Sử dụng phép tính công suất cơ bản, yêu cầu công suất cơ học bình thường vào khoảng 3,04 kW.

Trong giai đoạn tải tạm thời 35 Nm, công suất cơ học tăng lên khoảng 5,31 kW ở cùng tốc độ.

Điều này không nhất thiết có nghĩa là ứng dụng yêu cầu một động cơ có công suất định mức liên tục là 5,31 kW.

Thay vào đó, động cơ phải có khả năng cung cấp công suất liên tục đủ để đáp ứng chu kỳ vận hành lặp lại và mô-men xoắn tạm thời đủ lớn cho đỉnh cao kéo dài hai giây.

Giá trị công suất liên tục chính xác phụ thuộc vào mức độ phát nhiệt do dòng điện gây ra trên động cơ ứng cử viên, hệ thống làm mát và các tổn thất khác.

7.3 Xác định các kiểm tra lựa chọn còn lại

Trước khi phê duyệt động cơ cho ví dụ này, hãy xác nhận rằng động cơ có thể hỗ trợ biểu đồ tải lặp lại ở tốc độ 1450 vòng/phút.

Nhà sản xuất cũng cần xác minh rằng mô-men xoắn 35 Nm có sẵn trong hai giây tại tần số lặp lại đã nêu.

Nếu băng chuyền khởi động dưới tải hoặc tăng tốc nhanh, những điều kiện đó phải được bổ sung vào các yêu cầu tính chọn.

Bài học cốt lõi là công suất định mức, công suất cực đại và thời gian vận hành mô tả các khía cạnh khác nhau của cùng một bài toán tính chọn.

Một động cơ phù hợp phải đáp ứng đầy đủ cả ba yếu tố này.

8. Những sai lầm phổ biến khi tính chọn động cơ nam châm vĩnh cửu

Hầu hết các vấn đề tính chọn đều có thể tránh được bằng cách kiểm tra toàn bộ yêu cầu vận hành thay vì chỉ tập trung vào một thông số kỹ thuật duy nhất.

Ba sai lầm cần đặc biệt lưu ý.

8.1 Chọn động cơ chỉ dựa trên công suất định mức (kW)

Công suất định mức không cho biết mô-men xoắn mà động cơ có thể cung cấp tại mọi tốc độ.

Một động cơ có công suất định mức đủ lớn vẫn có thể không phù hợp với hoạt động tốc độ thấp kéo dài hoặc tải khởi động cao.

Trước khi so sánh giá hoặc kích thước của các động cơ, hãy xác nhận rằng mô-men xoắn yêu cầu có sẵn trong toàn bộ dải tốc độ vận hành của thiết bị.

8.2 Bỏ qua tải đỉnh hoặc sử dụng mô-men xoắn đỉnh như một định mức liên tục

Khả năng mô-men xoắn tạm thời không bao giờ được coi là đầu ra liên tục vô hạn.

Nếu thiết bị thường xuyên khởi động dưới tải, tăng tốc nhanh hoặc chịu tải quá mức định kỳ, thì những điều kiện đó phải được đưa vào đặc tả.

Nếu không, động cơ có thể bị quá nhiệt, tự ngắt bảo vệ hoặc tăng tốc không đủ.

Kiểm tra cả định mức mô-men xoắn liên tục và mô-men xoắn đỉnh, bao gồm cả các điều kiện áp dụng tương ứng.

8.3 Áp dụng hệ số an toàn tùy tiện thay vì kiểm tra chế độ làm việc thực tế

Việc chọn một động cơ lớn hơn đáng kể so với yêu cầu tính toán có vẻ an toàn hơn, nhưng việc chọn động cơ quá cỡ không phải lúc nào cũng là giải pháp tối ưu.

Một động cơ lớn hơn có thể làm tăng chi phí, kích thước và quán tính quay mà không giải quyết được các vấn đề liên quan đến khả năng tương thích với bộ điều khiển, làm mát hoặc tốc độ vận hành.

Thay vì cộng thêm một tỷ lệ phần trăm tùy ý vào công suất định mức, trước tiên hãy xác định rõ những điều kiện vận hành nào chưa chắc chắn.

Khi cần thiết, hãy đưa ra biên độ phù hợp dựa trên sự biến thiên của tải, độ chính xác của phép đo, khuyến nghị từ nhà sản xuất và các điều kiện vận hành dự kiến.

9. Danh sách kiểm tra quy trình chọn kích thước động cơ nam châm vĩnh cửu trước khi yêu cầu báo giá

Bước cuối cùng là chuyển các phép tính và yêu cầu vận hành của bạn thành một đặc tả rõ ràng để nhà cung cấp động cơ có thể xem xét.

Một đặc tả được chuẩn bị kỹ lưỡng sẽ giảm thiểu nhu cầu làm rõ không cần thiết và giúp đảm bảo rằng các động cơ đề xuất được đánh giá dựa trên cùng một điều kiện vận hành.

9.1 Hoàn tất bảng đặc tả chọn kích thước động cơ

Trước khi gửi yêu cầu kỹ thuật, hãy kiểm tra xem các thông tin sau đã sẵn có hay chưa.

Loại thiết bị và đặc tính tải cơ học

Mô-men xoắn liên tục bình thường tính bằng Nm

Mô-men xoắn yêu cầu tối đa và thời gian duy trì tương ứng

Tốc độ vận hành tối thiểu, bình thường và tối đa tính bằng vòng/phút (RPM)

Công suất cơ học ước tính trên trục tính bằng kW

Điều kiện khởi động và thời gian tăng tốc

Thời gian vận hành, thời gian nghỉ và số lần khởi động mỗi giờ

Tỷ số truyền hộp số và bố trí truyền động, nếu có

Nguồn điện khả dụng và cấu hình bộ điều khiển dự kiến

Yêu cầu làm mát và nhiệt độ môi trường vận hành

Kích thước lắp đặt động cơ và yêu cầu về trục

Nếu chưa xác định được tất cả các giá trị, hãy nêu rõ giá trị nào đã được xác nhận và giá trị nào mới chỉ là ước tính sơ bộ.

Điều này cho phép nhà cung cấp tập trung vào những thông tin còn thiếu có thể ảnh hưởng đến việc lựa chọn.

9.2 Xác nhận Thông số Kỹ thuật Cuối cùng với Nhà cung cấp Động cơ

Sau khi chuẩn bị các thông số kỹ thuật, yêu cầu nhà cung cấp so sánh các yêu cầu của bạn với dữ liệu hiệu suất thực tế của động cơ.

Quá trình rà soát cần xác nhận mô-men xoắn liên tục, mô-men xoắn cực đại, dải tốc độ, khả năng chu kỳ làm việc, tính tương thích với bộ điều khiển và yêu cầu làm mát.

Đối với các điều kiện vận hành khắc nghiệt, hãy yêu cầu thực hiện thêm các phép tính hoặc thử nghiệm phù hợp.

Nếu bạn đang đánh giá một động cơ cho thiết kế thiết bị mới hoặc lắp đặt hiện hữu, bạn có thể gửi các yêu cầu vận hành của mình tới Hiest để được rà soát kỹ thuật theo từng dự án.

Quyết định chọn kích thước động cơ nam châm vĩnh cửu đáng tin cậy nhất dựa trên yêu cầu tải thực tế, chứ không chỉ đơn thuần dựa vào công suất danh định gần nhất có sẵn. Bằng cách xác định đồng thời mô-men xoắn, tốc độ, công suất và chu kỳ làm việc, kỹ sư có thể xác định các lựa chọn động cơ phù hợp, tránh các sai sót phổ biến khi chọn kích thước và tiến hành với các thông số kỹ thuật rõ ràng hơn.