TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
GIỚI THIỆU
Trong quá trình học tập dưới sự giảng dạy của thầy Nguyễn Hữu Khương, nhóm tôi đã rất ấn tượng với chủ đề "Động cơ không đồng bộ" trong môn Kỹ Thuật Điện.
Máy điện không đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilôoat, đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày Chúng thường được dùng làm nguồn động lực cho máy cán thép, máy công cụ, máy bơm và các thiết bị như quạt gió hay tủ lạnh Ưu điểm nổi bật của máy điện không đồng bộ là cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, vận hành tin cậy, chi phí bảo trì thấp và hiệu suất cao Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là dòng khởi động cao, gây nóng máy và sụt áp lưới điện, đặc biệt với động cơ rôto lồng sóc Việc giảm dòng khởi động cho động cơ không đồng bộ, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc, đã trở nên dễ dàng hơn nhờ vào ứng dụng công nghệ điện tử hiện đại.
3 pháp khởi động động cơ điện không đồng bộ- Phương pháp khởi động mềm” làm đề tài cho bài tiểu luận nhóm cuối học kì I
Mục tiêu chính của nhóm chúng tôi là trình bày rõ các nội dung:
- Tổng quan về động cơ máy điện không đồng bộ
- Các phương pháp khởi động động cơ điện không đồng bộ
- Phương pháp khởi động mềm
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các kiến thức liên quan đến đề tài
Trong quá trình giảng dạy của thầy Nguyễn Hữu Khương, nhóm tôi đã tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích, đồng thời thực hiện các nghiên cứu mà thầy hướng dẫn để tìm hiểu sâu hơn ngoài bài giảng trên lớp.
Nghiên cứu kiến thức từ thầy Nguyễn Hữu Khương, kết hợp với việc tìm hiểu thêm thông tin trên mạng và trong các sách liên quan đến môn "Kỹ Thuật Điện" là rất quan trọng.
1.5 Kết cấu của đề tài: Đề tài bao gồm 2 phần và 3 chương:
Phần 1: Tổng quan về đề tài
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Kết luận đề xuất kiến nghị
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các nội dung lý thuyết liên quan đến vấn đề nghiên cứu
Là hình thức mở máy làm cho động cơ bắt đầu đi vào hoạt động
2.1.2 Vì sao phải sử dụng các phương pháp khởi động động cơ: Động cơ không đồng bộ ba pha có mômen mở máy Để mở máy được, mômen mở máy động cơ phải lớn hơn mômen cản của tải lúc mở máy, đồng thời mômen động cơ phải đủ lớn để thời gian mở máy trong phạm vi cho phép
Khi mở máy, hệ số trượt 𝑠 = 1, theo sơ đồ thay thế gần đúng, dòng điện pha lúc mở máy :
Dòng điện mở máy thường lớn gấp 5 đến 7 lần so với dòng điện định mức, điều này có thể gây tụt áp trên lưới điện, ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác Do đó, việc áp dụng các biện pháp giảm dòng điện mở máy là cần thiết để đảm bảo hiệu suất và ổn định cho hệ thống điện.
2.1.3 Các yêu cầu khởi động động cơ không đồng bộ:
Phải có mômen khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải
Thời gian khởi động nhanh
Dòng điện khởi động càng nhỏ càng tốt
Phương pháp khởi động và thiết bị cần dùng đơn giản , rẻ tiền , chắc chắn
Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng nhỏ càng tốt
2.1.4 Động cơ không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến điện từ, trong đó tốc độ quay của roto n không trùng khớp với tốc độ quay của từ trường.
Máy điện không đồng bộ bao gồm hai dây quấn: dây quấn stato (sơ cấp) kết nối với lưới điện có tần số không đổi và dây quấn roto (thứ cấp) Dòng điện trong dây quấn roto được tạo ra nhờ sức điện động cảm ứng, có tần số phụ thuộc vào roto và tải trên trục của máy.
Máy điện không đồng bộ, giống như các loại máy điện khác, có tính thuận nghịch, cho phép hoạt động cả ở chế độ động cơ điện và máy phát điện.
Lõi thép trong máy điện, được ép trong vỏ máy, có vai trò dẫn từ Lõi thép stato hình trụ được tạo thành từ các lá thép kỹ thuật điện dập rãnh bên trong, ghép lại để hình thành các rãnh Mỗi lá thép đều được phủ sơn cách điện nhằm giảm thiểu hao tổn do dòng xoáy gây ra.
- Dây quấn: được làm bằng dây đồng bọc cách điện, đặt trong rãnh của lõi thép
- Vỏ máy: được làm bằng gang hoặc nhôm để cố định máy trên bệ và lõi thép Còn có nắp máy và bạc đạn…
- Lõi thép: lá thép được dùng như stato Lõi thép được ép trực tiếp lên lõi máy hoặc lên giá roto của máy
- Roto: roto lồng sóc và roto dây quấn
- Roto chi làm 2 loại: cực lồi và cực ẩn
Máy điện không đồng bộ có nhiều loại được chia theo nhiều cách khác nhau:
- Theo kết cấu của vỏ: máy điện không đồng bộ có thể chia theo các kiểu chính sau: kiểu kín, kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu chống nổ…
- Theo kết cấu roto: roto kiểu lồng sóc và roto kiểu dây quấn
- Theo số pha trên dây quấn sato: 1 pha, 2 pha, 3 pha.
Các phương pháp khởi động động cơ điện không đồng bộ
Phương pháp khởi động trực tiếp là cách mở máy đơn giản, thích hợp khi công suất nguồn cung cấp lớn hơn nhiều so với công suất động cơ hoặc khi mở máy không tải Khi đóng điện, dòng khởi động ban đầu sẽ lớn, nhưng khi tốc độ động cơ tăng dần, dòng điện sẽ giảm xuống và ổn định ở mức bình thường Việc đóng cầu dao CD để nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới sẽ khiến động cơ quay Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn giản và hiệu quả trong các trường hợp cụ thể.
+ Thiết bị khởi động đơn giản
+ Mômen khởi động Mk lớn,
+ Thời gian khởi động tk nhỏ
+ Dòng khởi động Ik lớn làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác
Phương pháp này được áp dụng cho các động cơ có công suất nhỏ, trong khi công suất nguồn cung cấp lớn hơn nhiều lần so với công suất của động cơ Các ứng dụng điển hình bao gồm máy mài, máy tiện và bơm ly tâm.
2.2.2 Khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu Động cơ được kết nối thêm máy biến áp tự ngẩu trong quá trình khởi động Điện áp đặt vào đông cơ giảm tùy ý theo tải, thích hợp cho khởi động không tải hoặc các phụ tải nhẹ
Hình 2.2.2.1: Sơ đồ MBA tự ngẫu
Khi khởi động, cần cắt CD2 và đóng CD3 Đặt MBA TN ở vị trí điện áp khoảng (0.6÷0,8) Uđm vào động cơ Cuối cùng, đóng CD1 để kết nối stato với lưới điện thông qua MBA TN.
Khi động cơ hoạt động ổn định, cần cắt CD3 và đóng CD2 để ngắn mạch MBA TN, sau đó nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới điện Phương pháp này có ưu điểm là dòng điện khởi động nhỏ và momen khởi động lớn, phù hợp cho các động cơ cao áp với dải điện áp lựa chọn đa dạng Nếu tỷ số Uđm/U1 = k (lần) lớn hơn 1, hiệu quả khởi động sẽ được cải thiện.
1 thì dòng điện khởi động Ik, giảm k² lần (tức là còn nhỏ hơn so với dùng điện kháng)
Nhược điểm của phương pháp mở máy này là chi phí thiết bị cao hơn so với các phương pháp mở máy trực tiếp hoặc mở máy bằng phương pháp sao – tam giác Đồng thời, mômen khởi động giảm k² lần do ảnh hưởng của M - U².
Dùng cho các động cơ có công suất lớn và quán tính lớn ví dụ như máy bơm và máy nén khí…
Để điều chỉnh điện áp cho động cơ, hãy thay đổi vị trí con chạy để khi khởi động, điện áp đầu vào là thấp Sau đó, từ từ tăng điện áp lên mức định mức để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định.
1 Đóng AT1, đóng AT cấp điện cho MBA tự ngẫu
2 Đóng K1, động cơ bắt đầu khởi động
3 Khi tốc độ đạt 70-80% định mức, ngắt K1, đóng K2
4 Ngắt MBA ra bằng ngắt AT
2.2.3 Khởi động bằng đưa điện trở R1, X1 vào mạch stator:
Hình 2.3.3.1: Phương pháp đưa điện trở R1 vào mạch stator Đây là phương pháp khá phổ biến và hiệu quả cao:
+ Cho phép khởi đông với các loại phụ tải nhẹ hoặc không tải
+ Có thể thiết kế với bất kỳ cấp điện áp nào đặt vào đông cơ khi khởi động + Khá nhỏ gọn và đơn giản
+ Không bị xung khi ngắn mạch kháng
1 Đóng AT cấp điện cho mạch điều khiển
2 Đóng K1, động cơ bắt đầu khởi động
3 Khi tốc độ đạt 70-80% định mức, đóng K2 ngắn mạch kháng
Mục đích của việc thay đổi trị số điện kháng ĐK là để đạt được dòng điện mở máy cần thiết Do điện áp giảm trên điện kháng, điện áp mở máy tại đầu cực động cơ U1 sẽ thấp hơn điện áp lưới Uđm.
10 Đặc điểm: Rẻ tiền, tin cậy, đơn giản Ưu điểm: nếu đặt trị số Uđm/U1 = K (lần) > 1 thì dòng điện khởi động Ik giảm K lần
Nhược điểm: Moment khởi động giảm đi K lần (vì M ~ U²) Đặc tuyến cơ:
• Khi thay đổi 𝑅 1 và 𝑋 1 thì
• Tốc độ đồng bộ 𝜔 0 không đổi,
• Độ trượt tới hạn 𝑆 th và mô men tới hạn 𝑀 th đều giảm, tỷ lệ với các gia trị 𝑅 1 và 𝑋 1 theo công thức sau:
Khi nối thêm 𝑅 1 hoặc 𝑋 1 vào mạch stato có sự giảm áp trên cực động cơ, đặc tính cơ tương tự trường hợp giảm áp nguồn
Hình 2.3.3.2: Sơ đồ nối dây và đặc tính cơ động cơ KĐB khi nối thêm 𝑅 1 hoặc 𝑋 1 vào mạch stato
2.2.4 Khởi động đổi nối sao –Tam giác:
Phương pháp này áp dụng cho động cơ hoạt động bình thường với dây quấn stator đấu hình Δ, trong đó điện áp pha tương đương với điện áp dây của lưới Phương pháp thường được sử dụng cho các động cơ có công suất từ 11KW đến 45KW.
Dòng mở máy giảm k 2 lần, Mmm giảm k 2 lần
Thứ tự đóng mạch biến áp: Đóng K1 để nối sao các cuộn máy biến áp
Thay đổi vị trí con chạy để cho lúc mở máy điện áp đặt vào động cơ nhỏ sau đó tăng dần lên (70-80)%.Uđm
Sau khi động cơ quay ổn định, ngắt K1 đóng K2 đưa Uđm vào động cơ Ưu điểm:
Dòng khởi động giảm đi căn 3 lần bảo vệ an toàn cho động cơ và thiết bị Đây là phương pháp đơn giản nên được dùng nhiều
Momen khởi động giảm đi 3 lần, thời gian khởi động lâu
Yêu cầu người vận hành phải hiểu được bài bản, được hướng dẫn cẩn thận
Hình 2.2.4.1: Phương pháp đổi nối sao – tam giác
2.2.5 Khởi động thêm điện trở phụ vào roto:
Khi khởi động máy, dây quấn rôto được kết nối với biến trở mở máy, bắt đầu với giá trị lớn nhất và sau đó giảm dần đến mức không Đường đặc tính mômen tương ứng với các giá trị R mở được thể hiện trong hình 2.1 b.
Muốn mômen mở máy cực đại, hệ số trượt tới hạn phải bằng 1:
Từ đó xác định được điện trở R mở cần thiết Khi có R mở dòng điện mở máy là:
Hình 2.2.5.1: Phương pháp mắc R phụ vào Roto
Nhờ có 𝑅 𝑚ở dòng điện mở máy giảm xuống
Như vậy, có 𝑅 mở mômen mở máy tăng, dòng điện mở máy giảm, đó là ưu điểm lớn của động cơ rôto dây quấn
2.2.6 Khởi động bằng thay đổi tần số nguồn:
Tốc độ của động cơ KĐB:
Khi hệ số trượt thay đổi ít thì tốc độ tỷ lệ thuận với tần số
Mặt khỏc, từ biểu thức: E 1 = 4.44f 1 W 1 K dq ỉ max ta nhận thấy max tỷ lệ thuận với E1/f1
Chỳng ta mong muốn giữ cho ỉ max = const?
Muốn vậy phải điều chỉnh đồng thời cả E/f, có nghĩa là phải sử dụng một nguồn điện đặc biệt, đó là các bộ máy biến tần công nghiệp
Sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật vi điện tử và điện tử công suất đã dẫn đến sự ra đời của các bộ máy biến tần, mở ra triển vọng lớn trong việc điều khiển động cơ xoay chiều bằng phương pháp tần số Việc sử dụng biến tần để điều khiển động cơ theo các quy luật khác nhau như quy luật U/f và điều khiển véc tơ đã tạo ra các hệ thống điều khiển tốc độ motor với những tính năng vượt trội.
• Khi thay đổi f thì tốc độ đồng bộ 𝜔 0 sẽ thay đổi,
• 𝑋 1 , 𝑋 2 cũng bị thay đổi (vì 𝑋 = 2𝜋𝑓.L),
• Độ trượt tới hạn S th và mô men tới hạn M th thay đổi
Khi giảm tần số 𝑓, năng lượng 𝐸 sẽ là 4,44 𝐾 𝑤 ⋅ 𝑁 1 ⋅ 𝜑 ⋅ 𝑓 giảm và 𝑍 1 sẽ bằng 2𝜋𝑓 Đồng thời, chiều dài 𝐿 1 cũng giảm Nếu điện áp 𝑈 1 giữ nguyên bằng U dm, dòng điện trong động cơ sẽ tăng lên so với I dm Do đó, khi thay đổi tần số 𝑓, cần phải điều chỉnh điện áp 𝑈 1 tương ứng.
• Nếu điều chỉnh f < f dm ta muốn giữ M th = const thì:
• Có nghĩa là phải giảm điện áp để U/f = const Đặc tính chia làm hai khu vực 𝑓 < 𝑓𝕞 và 𝑓 > fom
Hình 2.2.6.1: Đặc tính cơ động cơ KĐB khi thay đổi tần số
Nguyên lý hoạt động của bộ biến tần:
• Lưới nguồn xoay chiều 50Hz (1 pha hay 3 pha) được chỉnh lưu, san phẳng, sau đó được tách thành 2: biến tần số và điện áp 3 kiểu biến tần
• Bộ dao động dùng nguồn dòng (CSI) Động cơ vận hành êm, không sử dụng cho nhiều động cơ đấu song song
• Bộ điều biên xung (PAM) Cho nhiều động cơ đấu song song, nhưng gây ồn Bộ điều rộng xung( PWM)
Phương pháp khởi động mềm
2.3.1 Khái quát khởi động mềm
Khởi động mềm (soft start) là phương pháp khởi động sử dụng bộ biến đổi điện áp xoay chiều để điều chỉnh điện áp stato thông qua việc kiểm soát góc kích SCR Phương pháp này thường được áp dụng cho các động cơ trung bình và lớn, đặc biệt khi khởi động sao tam giác không còn hiệu quả, gây ảnh hưởng đến lưới điện và các thiết bị khác.
Khởi động mềm được ứng dụng để tăng điện áp cho động cơ một cách từ từ, giúp quá trình tăng tốc diễn ra êm ái, tránh tình trạng tăng tốc đột ngột có thể gây hỏng hóc cho động cơ Việc khởi động đột ngột sẽ dẫn đến dòng điện chảy mạnh vào động cơ, gây mất ổn định công suất Nhờ khởi động mềm, sự hao mòn ở các mạch của động cơ được giảm thiểu, đảm bảo tuổi thọ cao hơn và giảm thiểu hư hỏng hay sự cố trong quá trình sử dụng.
• Giảm dòng khởi động cho động cơ,
• Tránh sụt áp cho nhà máy khi khởi động tải
• Tránh hư hỏng các bộ phận cơ khí
Hiện nay hầu như tất cả các khởi động mềm điều có tích hợp sẵn các chức năng bảo vệ động cơ
- Bộ phận điều khiển (tùy loai có màn hình và bàn phím hoặc điều khiển bằng vít hay cài đặt bằng vặn biến trở)
- Thyristor hay SCR (Silicon controler rectifier) dùng để điều khiển, đóng ngắt dòng điện
- Tản nhiệt và quạt làm mát
- Contactor Bypass (tùy theo từng loại khởi động mềm có sẵn hay không có sẵn)
- Vỏ bảo vệ tùy loai theo các tiêu chuẩn bảo vệ do môi trường sử dung
Bộ phận điều khiển của hệ thống bao gồm điều khiển số hoặc cơ khí, với các ngõ ra chức năng như rờle báo trạng thái và các cơ chế bảo vệ chống quá nhiệt, quá tải Hệ thống cũng tích hợp các cổng kết nối truyền thông như Modbus và Profibus, cùng với khả năng điều khiển thời gian khởi động thông qua biến trở hoặc màn hình.
Bộ khởi động mềm kiểm soát điện áp đi qua mạch động cơ, giúp hạn chế mô men xoắn Điều này cho phép giảm điện áp, giúp dòng điện vào động cơ một cách dễ dàng và êm ái hơn.
Thị trường hiện nay có nhiều kiểu khởi động mềm để kiểm soát lượng điện đi qua động cơ, đặc biệt là trong các hệ thống điện 3 pha Việc sử dụng khởi động mềm không chỉ giúp điều chỉnh hiệu quả mà còn nâng cao độ chính xác trong quá trình điều khiển.
Một số bộ khởi động mềm sử dụng bộ chỉnh lưu với tính năng điều khiển CSR hoặc thyristor, giúp giới hạn điện áp trong mức tối ưu để quản lý hiệu quả khi động cơ khởi động Khi SCR được kích hoạt, dòng điện sẽ được phép đi qua, trong khi khi ở trạng thái tắt, dòng điện sẽ được kiểm soát và giới hạn.
Hiện nay, bộ khởi động mềm bằng điện là một lựa chọn khả thi, nhưng không phải là giải pháp duy nhất Ngoài phương án này, còn nhiều giải pháp vật lý và cơ học khác mà bạn có thể xem xét.
Bộ khởi động mềm cơ khí được thiết kế dựa trên các khớp nối và sự ly hợp, sử dụng chất lỏng để giảm mô men xoắn trong động cơ Nhờ đó, tình trạng tăng điện áp khi qua động cơ được hạn chế, giúp động cơ khởi động một cách nhẹ nhàng hơn.
Bộ khởi động mềm là thiết bị không thay đổi tần số nguồn cấp như biến tần, mà tăng dần điện áp cấp vào động cơ từ mức điện áp định trước đến điện áp định mức Phương pháp khởi động này cho phép người sử dụng điều chỉnh chính xác lực khởi động mong muốn, phù hợp cho cả khởi động không tải và có tải.
Dừng tự do theo quán tính xảy ra khi điện áp cấp bị cắt, khiến động cơ tiếp tục chạy cho đến khi dừng lại trong một khoảng thời gian nhất định Thời gian dừng này có thể rất ngắn nếu mômen quán tính nhỏ, do đó cần tránh tình huống này để ngăn chặn sự hư hỏng cơ khí và hiện tượng dừng tải đột ngột không mong muốn.
Tính năng dừng mềm cho phép giảm điện áp động cơ một cách từ từ trong khoảng thời gian từ 1-20 giây, tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, giúp người dùng có thể cài đặt thời gian phù hợp với nhu cầu của mình.
Khả năng tiết kiệm năng lượng của động cơ điện khi hoạt động trong điều kiện non tải rất quan trọng Khi động cơ vận hành không tải hoặc thiếu tải, việc khởi động mềm giúp tiết kiệm điện năng bằng cách giảm điện áp cung cấp cho động cơ Sự giảm điện áp này sẽ dẫn đến việc giảm dòng điện tiêu thụ, từ đó tiết kiệm hiệu quả năng lượng.
Khởi động mềm mang lại nhiều lợi ích nổi bật so với thiết bị khởi động truyền thống Việc điều chỉnh tốc độ động cơ bằng khởi động mềm giúp quá trình khởi động diễn ra mượt mà và êm ái hơn.
Bộ khởi động mềm hiện nay được sử dụng phổ biến như một giải pháp tối ưu cho động cơ, giúp hạn chế dòng điện tăng cao khi khởi động Việc điều chỉnh mô-men mở máy một cách hợp lý không chỉ giảm áp lực cho các chi tiết máy, mà còn nâng cao tuổi thọ và hiệu suất làm việc của động cơ, đồng thời đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động.
Khởi động mềm giúp tăng tuổi thọ cho động cơ và các cơ cấu cơ khí chấp hành, đồng thời giảm tổn thất điện năng Phương pháp này không ảnh hưởng đến chất lượng lưới điện, điều mà các phương pháp khởi động trực tiếp hay sao tam giác không thể đạt được.
