Phân Tích Tính Chọn Động Cơ Dầu Hay Động Cơ Điện Cho Trạm Nguồn Cỡ Lớn

Các thành phần cho bộ nguồn thủy lực cơ bản bao gồm: động cơ dẫn động bơm (có thể một hoặc nhiều động cơ trên 1 bộ nguồn) được định kích thước dựa trên các yêu cầu về mô-men xoắn, tốc độ và công suất của bơm thủy lực. Điều này khá đơn giản đối với động cơ điện vì chúng thường có mô-men xoắn khởi động vượt xa mô-men xoắn chạy. Tuy nhiên, thông thường, các nhà thiết kế chỉ định động cơ có kích thước lớn hơn mức cần thiết. Điều này dẫn đến lãng phí năng lượng vì động cơ hoạt động ở hiệu suất thấp hơn tối đa.

Động cơ diesel và  xăng là một vấn đề khác. Chúng có đường cong tốc độ mô-men xoắn phẳng hơn nhiều, vì vậy chúng cung cấp mô-men xoắn gần giống ở tốc độ cao cũng như ở tốc độ thấp. Điều này có nghĩa là động cơ đốt trong có thể phát triển mô-men xoắn đủ cao để dẫn động một máy bơm có tải, nhưng không đủ để tăng tốc nó đến tốc độ vận hành. Do đó, với tất cả các yếu tố khác bằng nhau, một đơn vị công suất yêu cầu động cơ điện có công suất xác định thường yêu cầu động cơ xăng hoặc diesel có công suất định mức cao hơn gấp đôi so với động cơ điện.

Chọn size động cơ tối ưu như thế nào?

Chi phí điện năng để vận hành một động cơ điện trong toàn bộ tuổi thọ của nó thường gấp nhiều lần chi phí của chính động cơ đó. Do đó, việc định cỡ động cơ một cách chính xác cho bộ nguồn thủy lực có thể tiết kiệm một khoản tiền khá lớn trong suốt thời gian sử dụng của máy. Nếu áp suất và lưu lượng của hệ thống không đổi, việc định cỡ động cơ chỉ đơn giản là liên quan đến phương trình tiêu chuẩn:

HP = (Q × P) ÷ (1,714 × EM)

Trong đó: HP là mã lực, Q là lưu lượng tính bằng gpm, P là áp suất tính bằng psi và EM là hiệu suất cơ học của bơm.

Tuy nhiên, nếu ứng dụng yêu cầu các áp suất khác nhau trong các phần khác nhau của chu kỳ hoạt động, bạn thường có thể tính công suất bình phương căn bậc hai (RMS) và chọn một động cơ nhỏ hơn, ít tốn kém hơn. Cùng với việc tính toán công suất rms (Hình 1), cũng phải tìm ra mômen xoắn cực đại yêu cầu ở mức áp suất cao nhất của ứng dụng. Trên thực tế, hai phép tính khá đơn giản.

Hình 1. Tính toán cho lũy thừa bình phương căn bậc hai

Ví dụ, một ứng dụng như vậy có thể sử dụng máy bơm bánh răng 6 gpm, 3.450 vòng / phút để cung cấp năng lượng cho liên kết xi lanh hoạt động trong chu kỳ 85 giây (Hình 2). Hệ thống yêu cầu 3.000 psi trong 10 giây đầu tiên, 2.200 psi trong 30 giây tiếp theo, 1.500 psi trong 10 giây tiếp theo và 2.400 psi trong 10 giây tiếp theo. Sau đó, máy bơm chạy ở tốc độ 500 psi trong 20 giây, tiếp theo là 15 giây với động cơ tắt.

Hình 2. Chu kỳ làm việc nhiều áp suất cho máy bơm bánh răng 6 gpm từ ví dụ với các giá trị mã lực được tính toán.

Bạn nên sử dụng công thức tiêu chuẩn, cắm phân đoạn áp suất cao nhất của chu trình và sau đó tính:

HP = (6 × 3.000) ÷ (1714 × 0,9) = 11,7 mã lực trong 10 giây.

Để cung cấp công suất này, một số nhà thiết kế sẽ chọn một động cơ 10 mã lực; những người khác sẽ cực kỳ bảo thủ và sử dụng động cơ 15 mã lực; một số ít có thể có cơ hội với 7½ HP. Những động cơ này trong các kiểu mặt C chống nước nhỏ giọt mở có chân sẽ có giá tương đối khoảng 900 đô la, 1.200 đô la và 600 đô la, vì vậy bạn có thể tiết kiệm hàng trăm đô la cho mỗi đơn vị điện bằng cách chọn động cơ 7 ½ mã lực — nếu nó sẽ thực hiện công việc.

Để xác định điều này, trước tiên hãy tính toán công suất cần thiết cho mỗi phân đoạn áp suất của chu trình:

• HP1 = (6 × 2,200) ÷ (1,714 × 0,9) = 8,5 mã lực trong 30 giây.
• HP2 = (6 × 1500) ÷ (P3 = (6 × 500)1,714 × 0,9) = 5,8 mã lực trong 10 giây. H
• p₃ = (6 × 500) ÷ (1714 × 0.9) = 1,9 mã lực trong 30 giây.

Mã lực RMS được tính bằng cách lấy căn bậc hai của tổng các giá trị công suất này bình phương, nhân với khoảng thời gian tại công suất đó và chia cho tổng thời gian cộng với số hạng (toff ÷ F), như được chỉ ra trong Hình. 1.

Thay các giá trị ví dụ vào phương trình đóng hộp và giải ra rằng hprms = 7,2. Do đó, động cơ 7 ½ mã lực có thể được sử dụng từ quan điểm riêng về công suất. Tuy nhiên, mục thứ hai, mô-men xoắn cực đại, vẫn phải được kiểm tra trước khi đi đến quyết định cuối cùng. Mô-men xoắn cực đại cần thiết để điều khiển máy bơm cụ thể này sẽ được tìm thấy ở áp suất cao nhất — vì lưu lượng đầu ra của máy bơm bánh răng là không đổi. Sử dụng phương trình này:

T = DP ÷ (12 × 6,28 × EM)

Trong đó T là mô-men xoắn tính bằng ft-lb và D là dịch chuyển trong

Đối với ví dụ này, D = (6 × 231) ÷ (3,450) = 0,402 in. 3

Khi đó T = (0,402 × 3.000) ÷ (12 × 6,28 × 0,9) = 17,8 ft-lb.

Vì động cơ điện chạy ở tốc độ 3450 vòng / phút tạo ra 1,5 ft-lb / mã lực, nên mô-men xoắn 17,8 ft-lb yêu cầu 11,9 mã lực (17,8 ÷ 1,5) ở 3000 psi. Điều này đủ khớp với ứng dụng ví dụ. (Ở các tốc độ động cơ tiêu chuẩn khác: 1725 vòng / phút tạo ra 3 ft-lb mỗi mã lực; 1.150 vòng / phút, 4,5 ft-lb mỗi mã lực; 850 vòng / phút, 6 ft-lb mỗi mã lực.)

Bây giờ tiêu chí thứ hai có thể được kiểm tra dựa trên những gì động cơ được đề xuất có thể cung cấp mô-men xoắn. Mômen kéo lên của động cơ 7 ½ mã lực được chọn là bao nhiêu? Vì mô-men xoắn nhỏ nhất khi động cơ tăng tốc từ 0 đến 3450 vòng / phút, nên nó phải trên 11,9 ft-lb với biên độ an toàn chấp nhận được.

Lưu ý rằng động cơ chạy ở mức điện áp thấp 10% sẽ chỉ tạo ra 81% mô-men xoắn kéo lên danh định: nói cách khác, (208 ÷ 230) 2 = 0,81. Xem xét đường cong hiệu suất của các nhà sản xuất động cơ sẽ hiển thị một số mẫu 7 ½ mã lực có sẵn với mô-men xoắn kéo lên cao hơn. Bất kỳ động cơ nào trong số này đều có thể là lựa chọn tốt cho ứng dụng này.

Cả hai tiêu chí về động cơ hiện đã được làm rõ. Công suất RMS bằng hoặc nhỏ hơn công suất danh định của động cơ. Mô-men xoắn kéo lên của động cơ lớn hơn mức tối đa yêu cầu.

Động cơ  và động cơ Diesel

Xác định chính xác động cơ điện cho bộ nguồn thủy lực là một quy trình đơn giản. Và nếu áp suất và lưu lượng tải không đổi, việc xác định yêu cầu công suất tương đối đơn giản bằng cách sử dụng phương trình quen thuộc:

HP = (q × p) ÷ (1714 × EM) 

Trong đó: q là lưu lượng, gpm (và tính hiệu suất thể tích của máy bơm), p là áp suất hệ thống khi đầy tải, psi và EM là hiệu suất cơ học của máy bơm

Ví dụ: giả sử một ứng dụng yêu cầu lưu lượng 13,7 gpm ở áp suất tối đa 2.000 psi và với hiệu suất bơm là 0,80. Từ phương trình trên:

HP = (13,7 × 2.000) ÷ (1,714 × 0,80) = 20 mã lực

Có vẻ như động cơ xăng hoặc diesel làm động cơ chính sẽ có cùng mức công suất như động cơ điện. Tuy nhiên, nguyên tắc chung là chỉ định động cơ đốt trong có công suất định mức gấp 2 ½ lần so với động cơ điện tương đương (Hình 2). Điều này chủ yếu là do động cơ đốt trong có mối quan hệ mô-men xoắn-tốc độ khác với động cơ điện. Việc xem xét các đặc tính mô-men xoắn khác nhau sẽ cung cấp sự hiểu biết để đưa ra lựa chọn dựa trên lý luận vững chắc, thay vì đặt niềm tin vào một quy tắc ngón tay cái.

Yêu cầu về mô-men xoắn lai bơm

Công suất, tất nhiên, là sự kết hợp của mô-men xoắn và tốc độ quay. Yêu cầu về mô-men xoắn của máy bơm là yếu tố chính xác định xem động cơ hoặc động cơ có phù hợp cho một ứng dụng hay không. Tốc độ ít quan trọng hơn, bởi vì nếu một máy bơm chạy chậm, nó vẫn sẽ bơm chất lỏng. Tuy nhiên, nếu động cơ chính không phát triển đủ mô-men xoắn để dẫn động máy bơm, máy bơm sẽ không tạo ra bất kỳ dòng đầu ra nào.

Để xác định mô-men xoắn yêu cầu của bơm thủy lực, hãy sử dụng công thức sau:

T = (p × D) ÷ (6,28 × 12 × EM)

Trong đó: T là mô-men xoắn, lb-ft và D là dịch chuyển, in. 3 / vòng quay

Dịch chuyển máy bơm được cung cấp trong tài liệu của nhà sản xuất. Tiếp tục với ví dụ được giới thiệu ở bên trái, nếu máy bơm có dịch chuyển 1,75 in.3 / vòng, mô-men xoắn yêu cầu được tính như sau:

T = (2.000 × 1,75) ÷ (75,36 × 0,80) T = 58 lb-ft

Mô-men xoắn cũng có thể được tính bằng phương trình mã lực quen thuộc:

HP = (T × n) ÷ 5,250

Trong đó: n là tốc độ trục, vòng / phút. Các giá trị thay thế từ ví dụ: 20 = (T × 1.800) ÷ 5250 T. = 58 lb-ft.

Đặc điểm mô-men xoắn của động cơ điện như thế nào!

Để hiểu sự khác biệt về đặc tính công suất giữa động cơ điện và động cơ đốt trong, trước tiên b2bmart sẽ xem xét các đặc điểm của động cơ điện 3 pha tiêu chuẩn. Hình 3 cho thấy mối quan hệ mô-men xoắn-tốc độ của động cơ NEMA Design B 20 mã lực, 1.800 vòng / phút. Khi nhận được năng lượng, động cơ tạo ra mômen quay rôto ban đầu, bị khóa và rôto quay.

Khi rôto tăng tốc, mô-men xoắn giảm một chút, sau đó bắt đầu tăng khi rôto tăng tốc vượt quá khoảng 400 vòng / phút. Sự sụt giảm này trong đường cong mô-men xoắn nói chung được gọi là mô-men xoắn kéo lên. Mô-men xoắn cuối cùng đạt giá trị tối đa ở khoảng 1.500 vòng / phút, là mô-men xoắn phá vỡ của động cơ. Khi tốc độ rôto tăng lên ngoài thời điểm này, mômen xoắn tác dụng lên rôto giảm mạnh. Đây được gọi là mô-men xoắn đang chạy, trở thành mô-men xoắn đầy tải khi động cơ đang chạy ở tốc độ toàn tải danh định — thường là 1.725 hoặc 1.750 vòng / phút.

Đường cong tốc độ mô-men xoắn cho động cơ 3.600 vòng / phút sẽ trông gần giống với đường cong của động cơ 1.800 vòng / phút. Sự khác biệt sẽ là giá trị tốc độ sẽ tăng lên gấp đôi và giá trị mô-men xoắn sẽ giảm đi một nửa.

Thực tế phổ biến là đảm bảo rằng mô-men xoắn yêu cầu từ động cơ sẽ luôn nhỏ hơn mô-men xoắn đánh thủng. Việc áp dụng mô-men xoắn bằng hoặc lớn hơn mô-men xoắn đánh thủng sẽ khiến tốc độ của động cơ giảm đột ngột và nghiêm trọng, điều này sẽ có xu hướng dừng động cơ và rất có thể bị cháy. Nếu động cơ đang chạy, có thể tải động cơ trong giây lát đến gần mômen đánh thủng của nó. Nhưng để đơn giản hóa việc thảo luận, giả sử động cơ điện được chọn dựa trên mô-men xoắn đầy tải.

Lưu ý rằng Hình 3 cho thấy mức dư mô-men xoắn lớn tạm thời có thể cung cấp thêm cơ để điều khiển bơm thủy lực thông qua việc tăng tải tạm thời. Các loại động cơ điện này cũng có thể chạy vô thời hạn với mã lực định mức của chúng cộng với một tỷ lệ phần trăm bổ sung dựa trên hệ số dịch vụ của chúng — thường là 1,15 đến 1,25 (ở độ cao đến 3.300 ft).

Danh mục xếp hạng cho động cơ điện liệt kê công suất có thể sử dụng của chúng ở tốc độ định mức. Nếu tải tăng, tốc độ động cơ sẽ giảm và mô-men xoắn sẽ tăng đến giá trị cao hơn mô-men xoắn toàn tải (nhưng nhỏ hơn mô-men xoắn sự cố). Vì vậy, khi vận hành máy bơm ở tốc độ 1.800 vòng / phút, động cơ điện có đủ mô-men xoắn dự trữ để dẫn động máy bơm.

Đặc điểm mô-men xoắn của động cơ

Động cơ  có đường biểu diễn tốc độ mô-men xoắn khác biệt đáng kể (Hình 4) so với động cơ điện. Điều này có nghĩa là động cơ  có công suất mô-men xoắn ít thay đổi hơn nhiều trong toàn bộ dải tốc độ của nó. Tùy thuộc vào thiết kế của chúng, động cơ diesel có cùng mức công suất có thể tạo ra mô-men xoắn cao hơn hoặc thấp hơn một chút ở tốc độ thấp hơn so với động cơ, nhưng động cơ diesel thể hiện một đường cong mô-men xoắn tương tự trong suốt dải tốc độ vận hành của chúng.

Hình 4: Đường cong tốc độ mô-men xoắn đối với động cơ đốt trong tuyến tính hơn nhiều so với đối với động cơ điện. Điều này minh họa rằng để cung cấp mô-men xoắn để dẫn động một máy bơm thủy lực ở tốc độ thấp, xăng và diesel phải có công suất điện lớn hơn động cơ điện để dẫn động cùng một máy bơm.

Các tính toán ở trên xác định rằng cần có mô-men xoắn 58 lb-ft để điều khiển máy bơm ở bất kỳ tốc độ nào. Theo Hình 4, động cơ  20 mã lực tạo mô-men xoắn cực đại chỉ 31 lb-ft — rõ ràng là không đủ để điều khiển máy bơm. Điều này là do đánh giá 20 mã lực của nó dựa trên hiệu suất tại 3.600 vòng / phút. Mô-men xoắn cực đại xảy ra ở tốc độ gần 3.000 vòng / phút nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với 58 lb-ft mà máy bơm yêu cầu. Ngay cả khi động cơ tạo ra đủ mô-men xoắn ở tốc độ này, công suất vẫn sẽ không đủ do tốc độ thấp hơn.

Đây là nơi xuất phát quy tắc kích thước 2½. Một HPU yêu cầu động cơ điện 20 mã lực để điều khiển máy bơm ở tốc độ 1.800 vòng / phút sẽ yêu cầu xăng hoặc diesel có công suất khoảng 50 mã lực. Hơn nữa, những giá trị này dựa trên động cơ hoạt động ở mức mô-men xoắn cực đại và công suất của nó.

Tuy nhiên, các nhà sản xuất khuyến cáo rằng động cơ và diesel chỉ hoạt động liên tục ở khoảng 85% giá trị định mức tối đa để ngăn ngừa việc giảm tuổi thọ nghiêm trọng. Vì vậy, hãy tham khảo lại Hình 4, một động cơ 20 mã lực sẽ chỉ phát triển mô-men xoắn cực đại hơn 26 lb-ft và chỉ 24 lb-ft tại 3.600 vòng / phút.

Hình 5: Tùy thuộc vào thiết kế của nó, hiệu suất nhiên liệu tối ưu của xăng hoặc diesel thường xảy ra ở tốc độ khác với tốc độ tạo ra mô-men xoắn cực đại

Cũng rất thú vị khi so sánh hiệu suất này với mức tiêu hao nhiên liệu. Biểu đồ tiêu thụ nhiên liệu (Hình 5) cho thấy động cơ 20 mã lực đạt được hiệu suất nhiên liệu lớn nhất ở khoảng 2.400 vòng / phút, trong đó nó chỉ tiêu thụ hơn 8,2 lb / giờ (0,41 lb / HP × 20 HP). Ở tốc độ 3.600 vòng / phút, động cơ sẽ tiết kiệm nhiên liệu hơn đáng kể.

Bộ nguồn, trạm nguồn là rất phổ biến hiện nay, hy vọng bạn đọc của B2bmart.vn có thêm kinh nghiệm để lựa chọn động cơ cho thiết bị của mình