BÀI TIỂU LUẬN NHÓM MÔN HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN CHUYÊN ĐỀ PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG MỀM Xã hội ngày càng phát triển, chúng ta đang sống trong kỉ nguyên của công nghệ, công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Bên cạnh đó trong các ngành công nghiệp hiện tại thì động cơ điện không đồng bộ là được sử dụng nhiều và phổ biến nhất lý do bởi vì tính chất đơn giản và dễ sử dụng của nó trong quá trình hoạt động. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng động cơ không đồng bộ có công suất không nhỏ thì sẽ phải cần chú ý tới các phương pháp khởi động động cơ lý do là khi mà chúng ta khởi động động cơ thì Rotor sẽ ở trạng thái ngắn mạch dẫn đến dòng lúc khởi động sẽ lớn, nếu không có biện pháp khởi động thích hợp có thể không khởi động được động cơ và có thể làm cho các thiết bị khác trong hệ thống điện bị hư hỏng. Bản thân nhóm chúng tôi, đang là sinh viên học tập dưới mái trường Học Viện Hàng Không Việt Nam tự ý thức được trách nhiệm của mình là phải cố gắng tìm tòi nghiên cứu về các phương pháp khởi động của động cơ điện không đồng bộ và đặc biệt là phương pháp khởi động mềm. Sau một học kì tiếp xúc với môn học” Kỹ thuật điện” dưới sự giảng dạy chỉ bảo nhiệt tình của thầy Nguyễn Hữu Khương thì nhóm chúng tôi đã quyết định trình bày sơ lược về một phần trong bài giảng của môn học là” Phương pháp khởi động động cơ điện không đồng bộ- Phương pháp khởi động mềm”. Hy vọng rằng bài báo cáo này có thể giúp các bạn có thể hiểu rõ và nắm được sơ lược về môn học này.
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
GIỚI THIỆU
Trong quá trình học tập với thầy Nguyễn Hữu Khương, nhóm tôi đặc biệt ấn tượng với “Động cơ không đồng bộ” trong môn Kỹ Thuật Điện Động cơ này hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các ngành kinh tế quốc dân, với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilôoat, nhờ vào khả năng làm việc hiệu quả Trong công nghiệp, động cơ không đồng bộ thường được dùng làm nguồn động lực cho máy cán thép và máy công cụ trong các nhà máy công nghiệp nhẹ Trong lĩnh vực khai thác mỏ, nó được sử dụng cho máy tời và quạt gió, trong nông nghiệp cho máy bơm và máy gia công sản phẩm Ngay trong đời sống hàng ngày, động cơ không đồng bộ cũng ngày càng quan trọng, xuất hiện trong các thiết bị như quạt gió, máy quay đĩa và tủ lạnh Những ưu điểm vượt trội của động cơ không đồng bộ so với máy điện một chiều và máy điện đồng bộ đã khẳng định vị thế của nó trong nhiều lĩnh vực.
Máy có thiết kế đơn giản và dễ dàng chế tạo, đảm bảo hoạt động ổn định và tin cậy Chi phí vận hành và bảo trì thấp, cùng với hiệu suất cao, giúp giảm giá thành sản phẩm.
Máy điện không đồng bộ sử dụng trực tiếp lưới điện xoay chiều do đó không cần phải tốn kếm thêm chi phí cho các thiết bị biến đổi.
Máy điện không đồng bộ chủ yếu hoạt động ở chế độ động cơ, nhưng có một số nhược điểm, bao gồm dòng khởi động lớn từ 4 đến 7 lần dòng định mức Dòng điện khởi động cao không chỉ gây nóng cho máy mà còn làm giảm điện áp lưới, đặc biệt là trong các hệ thống điện có công suất nhỏ, dẫn đến hiện tượng sụt áp lưới điện.
Để giảm dòng điện mở máy của động cơ không đồng bộ, đặc biệt là động cơ rôto lồng sóc, cần có những biện pháp hiệu quả Việc điều chỉnh động cơ rôto lồng sóc thường khó khăn hơn so với động cơ rôto dây quấn Tuy nhiên, nhờ vào sự phát triển của công nghệ điện tử, việc này đã trở nên dễ dàng hơn rất nhiều.
Nhóm tôi đã được giao chuyên đề "Phương pháp khởi động động cơ điện không đồng bộ - Phương pháp khởi động mềm" để thực hiện bài tiểu luận nhóm cho học kỳ 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
Nghiên cứu này được thực hiện dựa trên những kiến thức mà thầy Nguyễn Hữu Khương truyền đạt trong quá trình giảng dạy, cùng với các nghiên cứu bổ sung mà thầy hướng dẫn để nhóm tôi tìm hiểu thêm ngoài giờ học.
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” sẽ giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng trong lĩnh vực này.
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
2.1.1 Khái niệm chung về máy điện
Để hiểu rõ các phương pháp khởi động động cơ điện không đồng bộ, trước tiên cần nắm bắt khái niệm cơ bản về máy điện và các loại máy điện hiện có.
Máy điện là thiết bị điện từ hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, bao gồm hai phần chính: mạch từ (lõi thép) và mạch điện (các dây quấn) Chức năng của máy điện là biến đổi năng lượng, chẳng hạn như chuyển đổi cơ năng thành điện năng trong máy phát điện, hoặc ngược lại, chuyển đổi điện năng thành cơ năng trong động cơ điện Ngoài ra, máy điện còn có khả năng điều chỉnh các thông số điện như điện áp, dòng điện, tần số và số pha.
Máy điện được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau như công suất, cấu tạo, chức năng và loại dòng điện Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân loại máy điện dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượng, trong đó có nhóm máy điện tĩnh.
Máy điện tĩnh phổ biến nhất là máy biến áp, hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Hiện tượng này xảy ra do sự biến thiên từ thông giữa các cuộn dây, mà không có chuyển động tương đối giữa chúng.
Máy điện tĩnh là thiết bị quan trọng trong việc biến đổi thông số điện năng Nhờ vào tính chất thuận nghịch của các quy luật cảm ứng điện từ, quá trình biến đổi điện năng diễn ra một cách hiệu quả Chẳng hạn, máy biến áp có khả năng biến đổi các thông số như điện áp U1, dòng điện I1 và tần số f.
4 thành điện năng có thông số U 2 ,I 2 ,f , hoặc ngược lại biến đổi hệ thống điện U 2 ,I 2 ,f , thành hệ thống điện U 1 ,I 1 , f, (hình 1.1). b) Máy điện có phần động (quay hoặc chuyển động thẳng)
Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và lực điện từ, được hình thành bởi sự tương tác giữa từ trường và dòng điện của các cuộn dây khi chúng chuyển động tương đối với nhau.
Máy điện là thiết bị quan trọng dùng để chuyển đổi năng lượng, ví dụ như chuyển đổi điện năng thành cơ năng trong động cơ điện hoặc ngược lại, từ cơ năng thành điện năng trong máy phát điện Quá trình chuyển đổi này có tính chất thuận nghịch, cho phép máy điện hoạt động linh hoạt ở cả hai chế độ: máy phát điện và động cơ điện.
Trên hình 2.1.2.1 vẽ sơ đồ phân loại máy điện thông dụng thường gặp.
Hình 2.1.2.1: Sơ đồ phân loại máy điện
2.1.3 Động cơ không đồng bộ
Máy điện không đồng bộ là một loại máy điện xoay chiều, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, trong đó tốc độ quay của roto n không đồng nhất 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 sinh ra nhờ sức điện động cảm ứng, với 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 linh hoạt ở cả chế độ động cơ điện và máy phát điện.
Lõi thép trong máy được ép trong vỏ và có nhiệm vụ dẫn từ Lõi thép stato hình trụ được tạo thành từ các lá thép kỹ thuật điện có rãnh bên trong, ghép lại với nhau 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
Để khởi động động cơ điện không đồng bộ ba pha, mômen mở máy cần phải lớn hơn mômen cản của tải tại thời điểm khởi động Đồng thời, mômen động cơ cũng phải đủ lớn để đảm bảo thời gian khởi động nằm trong giới hạn 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 làm giảm điện áp của lưới điện, ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác Do đó, cần áp dụng các biện pháp để giảm thiểu dòng điện mở máy nhằm bảo đảm hiệu suất hoạt động của toàn hệ thống.
Các phương pháp khởi động
Các yêu cầu mở máy cơ bản:
Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải.
Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt.
Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền , chắc chắn
Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng nhỏ càng tốt
Phương pháp khởi động trực tiếp là cách khởi động máy đơn giản, thường được áp dụng khi công suất nguồn cung cấp lớn hơn nhiều so với công suất động cơ hoặc trong trường hợp mở máy không tải Khi khởi động, dòng điện mở máy sẽ lớn, nhưng khi tốc độ động cơ tăng dần, dòng điện sẽ giảm xuống và ổn định ở mức bình thường khi động cơ đạt tốc độ ổn định Để thực hiện, chỉ cần đóng cầu dao CD nối trực tiếp dây quấn stato vào lưới, khiến động cơ quay Ưu điểm của phương pháp này là tính đơn giản và hiệu quả trong nhiều tình huống.
+ 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 thích hợp cho động cơ có công suất nhỏ, trong khi công suất nguồn phải lớn hơn nhiều lần so với công suất động cơ Ứng dụng của phương pháp này bao gồm các thiết bị như máy mài, máy tiện và bơm ly tâm.
2.2.2 Khởi động bằng phương pháp sao- tam giác
Hình 2.2.2.1: Khởi động theo phương pháp đổi nối Y-Δ
Phương pháp này áp dụng cho động cơ hoạt động bình thường, với dây quấn stator được đấu hình Δ và 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
2.2.3 Khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu Động cơ được kết nối thêm máy biến áp tự ngẩu trong quá trình khởi động.
Hình 2.2.3.1: Sơ đồ MBA tự ngẫu
Khi khởi động, cần cắt CD2 và đóng CD3, đồng thời điều chỉnh MBA TN để đạt điện áp đặt vào động cơ khoảng (0.6÷0,8) Uđm Sau đó, đóng CD1 để kết nối stato với lưới điện thông qua MBA.
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 Ưu điểm của phương pháp này là dòng điện khởi động nhỏ và mô-men khởi động lớn, rất phù hợp cho các động cơ cao áp với nhiều lựa chọn điện áp.
Nhược điểm: là giá thành thiết bị mở máy đắt tiền hơn phương pháp mởi máy trực tiếp hay mớ máy bằng phương pháp sao – tam giác Ứng dụng:
Dùng cho các động cơ có công suất lớn và quán tính lớn ví dụ như máy bơm và máy nén khí….
2.2.4 Khởi động dùng cuộn kháng (hoặc điện trở phụ) mạch Stato
Động cơ không đồng bộ roto dây quấn có thể được điều chỉnh bằng cách đóng các trở kháng phụ vào Roto thông qua các khóa K Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản và cho phép điều chỉnh điện kháng của Roto một cách dễ dàng, đồng thời giúp giảm dòng khởi động so với phương pháp sử dụng trở kháng Stato.
Nhược điểm: là khi giảm dòng điện mở máy thì momen mở máy giảm, thời gian mở máy chậm.
Khởi động từng phần là phương pháp hiệu quả khi nguồn điện không cho phép khởi động với toàn điện áp Phương pháp này thường được áp dụng trong ngành kỹ thuật lạnh và trong các nhà máy sản xuất máy nén.
2.2.6 Khởi động động cơ roto dây quấn bằng phương pháp mắc R phụ
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 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: s th = R 2 ' + R mở '
Từ đó xác định được điện trở R m ở cần thiết Khi có R mở dòng điện mở máy là:
Hình 2.1 Nhờ có R m ở dòng điện mở máy giảm xuống.
Như vậy, có R m ở mômen mở máy tăng, dòng điện mở máy giảm, đó là ưu điểm lớn của động cơ rôto dây quấn.
Phương pháp 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 có công suất trung bình và lớn, đặc biệt khi cách khởi động sao tam giác không còn hiệu quả, gây ảnh hưởng đến lưới điện và các thiết bị khác.
Bộ khởi động mềm giúp tăng điện áp từ từ cho động cơ, đảm bảo quá trình tăng tốc diễn ra êm ái, tránh tình trạng tăng tốc đột ngột gây sự cố cho động cơ Khi khởi động đột ngột, dòng điện sẽ chảy ào ạt vào động cơ, làm giảm tính ổn định và mượt mà của công suất Việc sử dụng bộ khởi động mềm không chỉ giúp duy trì hiệu suất hoạt động của động cơ mà còn giảm thiểu hao mòn cho các mạch bên trong.
13 hỗ trợ này sẽ nâng cao tuổi thọ của động cơ, giúp giảm thiểu hư hỏng và 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 cơ chế bảo vệ chống quá nhiệt, quá tải Hệ thống cũng được trang bị các cổng kết nối truyền thông như Modbus và Profibus, cùng với khả năng điều chỉnh thời gian khởi động thông qua biến trở hoặc màn hình.
Hình 2.3.3.1: Điện áp động cơ khi dừng tự do
Khi dừng các động cơ có mômen quán tính nhỏ như băng truyền, thang máy hay máy nâng, cần tránh việc ngắt trực tiếp để đảm bảo an toàn cho người và thiết bị Chức năng dừng mềm giúp giảm điện áp động cơ từ từ trong khoảng thời gian từ 1 đến 20 giây, tùy theo yêu cầu Điện áp ban đầu cho quá trình dừng mềm là Ustop 0,9UN, trong khi điện áp cuối của quá trình đạt khoảng 0,85 lần điện áp ban đầu.
Hình 2.3.3.2: Điện áp động cơ khi dừng mềm
Dừng mềm là phương pháp kéo dài quá trình dừng của động cơ bằng cách giảm từ từ điện áp nguồn cung cấp Nếu trong quá trình dừng có lệnh khởi động, quá trình này sẽ bị hủy bỏ ngay lập tức và động cơ sẽ được khởi động lại.
Bộ khởi động mềm hoạt động bằng cách kiểm soát điện áp đi qua các mạch của động cơ, giúp hạn chế mô men xoắn Nhờ đó, khởi động mềm có khả năng giảm điện áp, cho phép dòng điện vào động cơ một cách nhẹ nhàng và êm ái hơn.
Thị trường hiện nay cung cấp nhiều kiểu khởi động mềm nhằm 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 nhiều bộ chỉnh lưu với tính năng điều khiển CSR hoặc thyristor, giúp giới hạn điện áp trong một mức nhất định Điều này đảm bảo hiệu quả quản lý tối ưu khi động cơ hoạt động.
SCR (Silicon Controlled Rectifier) hoạt động với hai trạng thái: BẬT và TẮT Khi SCR ở trạng thái BẬT, dòng điện có thể tự do đi qua, trong khi ở trạng thái TẮT, dòng điện sẽ bị kiểm soát và giới hạn, đảm bảo an toàn cho mạch điện.
Hiện nay, bộ khởi động mềm bằng điện được coi là một lựa chọn khả thi, nhưng không phải là phương án duy nhất Ngoài giải pháp này, còn nhiều lựa chọn 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 ly hợp, sử dụng chất lỏng để giảm mô men xoắn trong động cơ Nhờ đó, tình trạng tăng điện áp khi động cơ khởi động được hạn chế, giúp động cơ khởi động nhẹ nhàng hơn.
Bộ khởi động mềm giúp tăng dần điện áp cấp vào động cơ từ mức điện áp định trước đến điện áp định mức, mà không thay đổi tần số nguồn cấp như biến tần 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 trạng này để ngăn ngừa hư hỏng cơ học và sự dừng tải đột ngột không mong muốn.
Dừng mềm là tính năng cho phép giảm điện áp động cơ một cách từ từ, trong khoảng thời gian từ 1-20 giây Thời gian dừng có thể được cài đặt linh hoạt tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng.
