mạch khởi động sao - tám giác

mạch khởi động sao - tám giác

Ti u lu n ể ậ

tám giác

Chương I 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Mục đích của đề tài 4

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài 4

1.4 Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài 4

Chương II 5

2.1 Giới thiệu về phương pháp khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác 5

2.1.1 Khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆) 5

2.1.2 Dòng điện khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆) 5

2.1.3 Moment khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆) 7

2.1.3.1 Moment quay của động cơ 7

2.1.3.2 Moment khởi động của động cơ khi đấu sao (Y) 8

2.1.3.3 Moment khởi động của động cơ khi chuyển sang đấu tam giác (∆) 8

2.1.3.4 Moment khởi động của động cơ cần tìm là : 9

Mà, 9

Suy ra, 9

2.1.4 Đặc tính cơ khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆) 9

M = f(s) 10

2.1.5 Thời gian khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆) 11

2.1.6 Nhận xét 14

2.1.7 Ứng dụng 14

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số khí cụ điện thường sử dụng trong mạch khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác 14

Dòng định mức trên contactor thường chọn : Iđm = (1.2 :1.5).Itt 17

Đặc tính của rơle ON DELAY 23

2.3 Mạch khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác dùng 2 contactor

và 1 timer 28 2.4 Mạch khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác dùng 2 contactor

và 2 timer 31

2.5 Mạch khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác dùng 3 contactor và 1 timer 34

Chương IĐẶT VẤN ĐỀ1.1 Giới thiệu chung

Nước ta là một nước đi lên từ nền nông nghiệp, công nghiệp kém pháttriển và lạc hậu.Tuy nhiên, những năm gần đây ngành công nghiệp nước ta đãthay đổi tích cực, nhanh chóng và hiện đại hóa mạnh mẽ Nhưng so với cácnước công nghiệp phát triển khác và các nước công nghiệp trong khu vực thìnền công nghiệp nước ta còn một khoảng cách khá xa Để đảm bảo chất lượngphát triển công nghiệp như thời buổi hiện nay thì việc nâng cao tính năng hoạtđộng và năng suất của các thiết bị máy móc là yêu cầu chủ yếu, thiết thực nhất

Đó là đưa thiết bị máy móc vào dây truyền tự động và bán tự động bằng cácmạch điều khiển điện công nghiệp hiện nay Trong đó, mạch khởi động động

cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆) là rất quan trọng và cần thiết.Vì vậy, việc tìmhiểu và vận hành kiểm tra thử nghiệm thực tế các thiết bị công nghiệp là vốnkiến thức không thể thiếu cho sinh viên ngành điện Do đây là một vấn đề chủyếu và cần thiết cho việc vận hành bão dưỡng kinh tế các thiết bị công nghiệpnhằm nâng cao năng suất sản xuất của các xí nghiệp vừa và nhỏ hiện tại

Về cấu tạo thì các mạch điều khiển điện công nghiệp nói chung và mạchkhởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆) nói riêng thực chất là tổ hợpcủa các thiết bị điện cơ bản đơn giản Nhưng việc tìm hiểu và nắm bắt phươngpháp vận hành các thiết bị công nghiệp có hiệu quả là một sự trãi nghiệmkhông thể xem nhẹ, coi thường

1.2 Mục đích của đề tài

Nhằm tìm hiểu sâu cơ sở lý thuyết và nắm bắt phương pháp vận hành thực

tế mạch điều khiển động cơ bằng mạch khởi động động cơ đổi nối sao – tamgiác (Y/∆) Từ kết quả đạt được có thể tìm ra hướng khắc phục hoặc hạn chế sựsai lệch giữa cơ sở lý thuyết và thực tập thực tế nhằm để vận hành bảo dưỡngcác thiết bị công nghiệp làm việc ổn định, lâu dài và kinh tế

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài

Tham khảo tài liệu, nghiên cứu thực tế và kết hợp với vốn kiến thức đãhọc để vận hành kiểm tra thử nghiệm đem đến kết quả xác thực trên các thiết bịđiện công nghiệp về mạch khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆)

1.4 Thời gian và địa điểm thực hiện đề tài

Thời gian : Từ ngày 04/09/2010 đến ngày 19/11/2010

Địa điểm thực hiện : Tại phòng thí nghiệm điện công nghiệp – Bộ môn

Kỹ thuật điện - Khoa Công Nghệ - Trường Đại học Cần Thơ

L Ý THUYẾT VỀ MẠCH KHỞI ĐỘNG SAO – TAM GIÁC (Y/∆)2.1 Giới thiệu về phương pháp khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác

2.1.1 Khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆).

Khởi động - sao tam giác là một trong các biện pháp khởi động của động

cơ có công suất trung bình Chỉ áp dụng được với động cơ hoạt động với sơ đồtam giác Khi khởi động, động cơ được nối sao, lúc này điện áp trên mỗi cuộndây chỉ là U pha (220V với lưới điện hạ áp của Việt nam) Sau một khoảng thờigian thì chuyển sang đấu tam giác, lúc này điện áp trên các cuộn dây là U dây.Bằng cách này giúp cho dòng khởi động nhỏ xuống, nhưng có nhược điểm làmoment khởi động cũng giảm theo Về sơ đồ đấu dây thì chúng ta có thể dễdàng tìm kiếm, thiết bị sử dụng cũng đơn giản Tuy nhiên đòi hỏi người vậnhành phải được hướng dẫn cẩn thận Đối với động cơ nhỏ tới 7.5KW thì khởiđộng trực tiếp Đối với động cơ từ 11KW tới 45KW thì khởi động sao - tamgiác (Y/∆) và thường là các loại động cơ không đồng bộ ba pha như động cơrotor dây quấn, động cơ lồng sóc v.v…

Ta có mạch khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác như sau :

2.1.2 Dòng điện khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆)

2.1.2.1 Dòng điện khởi động của động cơ khi đấu sao (Y)

Lúc này điện áp đặt lên mỗi cuộn dây pha của động cơ là :

Ta có dòng diện dây khi động cơ đấu sao là :

2.1.2.2 Dòng điện khởi động của động cơ khi đấu tam giác (∆)

Kết thúc quá trình khởi động sao, động cơ được chuyển sang đấu tam

giác Khi đó, điện áp đặt lên mỗi cuộn dây pha của động cơ là :

Và dòng điện dây khi động cơ đấu tam giác là :

2.1.2.2 Dòng điện khởi động cần tìm của động cơ

Lấy tỷ lệ giữa dòng điện khởi động của động cơ khi đấu sao (Y) và dòng điện khởi động của động cơ khi đấu tam giác (∆), ta có kết quả như sau :

Vậy dòng điện khởi động động cơ đổi nối sao – tam gác là :

Với :

2.1.3 Moment khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆)

2.1.3.1 Moment quay của động cơ

Sơ đồ mạch tương đương gần đúng của động cơ không đồng bộ như sau:

Ở chế độ động cơ điện, moment điện từ đóng vai trò moment quay, đượctính theo công thức sau :

Trong đó,

là công suất điện từ

là dòng điện pha lúc mở máy

là tần số góc của từ trường quay

là tần số góc của dòng điện stator

' 2



E

' 2

jX

' 2



I

' 2



I

R 1 là điện trở dây quấn stator

R 2 ’ là điện trở dây quấn rotor quy đổi về stator.

X 1 là điện kháng tản dây quấn stator

X 2 ’ là điện kháng tản dây quấn rotor quy đổi về stator

n 1 là tốc độ từ trường quay

n là tốc độ động cơ.

là hệ số trượt

Với s = 1, ta có moment mở máy động cơ là :

2.1.3.2 Moment khởi động của động cơ khi đấu sao (Y)

Động cơ không đồng bộ ba pha có moment khởi động Để khởi độngđược, moment khởi động động cơ phải lớn hơn moment cản của tải lúc khởiđộng, đồng thời moment động cơ phải đủ lớn để thời gian khởi động trongphạm vi cho phép

Với hệ số trượt s = 1, ta có moment khởi động của động cơ khi đấu sao là:

Do dòng khởi động I kdY nhỏ nên điện áp U 2

pY cũng nhỏ và moment khởi

động M kdY giảm xuống Vì moment khởi động tỷ lệ với bình phương điện áp đặt

vào động cơ

2.1.3.3 Moment khởi động của động cơ khi chuyển sang đấu tam giác ( ∆ )

Kết thúc quá trình khởi động thì động cơ chuyển sang đấu tam giác ngaytức thì Lúc này, dòng điện đi vào cuộn dây động cơ tăng lên tương đương vớidòng điện định mức và điện áp cũng tăng theo Từ đó, moment động cơ tănglên rất nhanh và được tính theo công thức sau :

2.1.3.4 Moment khởi động của động cơ cần tìm là :

Lấy moment khởi động của động cơ khi đấu sao (Y) và moment khởi

động của động cơ khi chuyển sang đấu tam giác (∆) Ta được kết quả như sau :

Mà,

Suy ra,

Vậy moment khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác là :

2.1.4 Đặc tính cơ khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆)

2.1.4.1 Đặc tính cơ khởi động động cơ không đồng bộ ba pha

Ta có hàmquan hệ moment theo hệ số trượt là :

M = f(s)

Thay ta sẽ có quan hệ n = f(M)

và đây là đường đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ như giản đồ sau :

Từ hình vẽ a) ta thấy động cơ sẽ làm việc khi moment mở máy (M mở) lớn

hơn hoặc bằng moment cản (M C) Vì khi động cơ được cấp điện thì xuất hiện

moment mở máy và moment động cơ (M) xuất hiện sau đó, nhưng đến khi hệ

số trượt s = 1 thì động cơ bắt đầu khởi động Khi động cơ khởi động thì

moment mở máy và moment động cơ giám vì xuất hiện moment cản, do đóchúng ta cần xác định thời gian phù hợp để moment cản không lớn hơnmoment động cơ

2.1.4.2 Đặc tính cơ khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆)

Do đây là phương pháp dùng cho những động cơ không đồng bộ ba phakhi làm việc bình thường dây quấn stator nối hình tam giác nên cũng có đặctính cơ tương tự Nhưng chúng ta cần xem xét quá trình khởi động động cơcũng như mối liên hệ mật thiết giữa các moment xuất hiện trong động cơ cùngvới việc điều chỉnh thời gian

Để hiểu rõ hơn, chúng ta có thể xem xét giản đồ biểu thị đường đặc tính

cơ khởi động sao – tam giác như sau :

Động cơ làm việc

Động cơ bắt đầu khởi động

Hình a Hình b

Khi mở máy ta nối cuộn dây hình sao để điện áp đặt vào giảm xuống Khi

đó, moment mở máy (M mở ), moment động cơ (M đc ) và moment cản (M cản) lầnlượt xuất hiện Ở hình a ta thấy rằng, nếu để thời gian chạy lúc các cuộn dây

nối sao (Y) quá lâu thì moment cản (M cản ) sẽ lớn hơn moment mở máy (M mở ).

Vì khi đó, động cơ bắt đầu khởi động thì hệ số trượt giảm xuống từ s = 1 đến còn khoảng s = ( 0.02 : 0.06) Trong trường hợp này, dòng điện khởi động sẽ

giảm nhưng không có lợi về moment động cơ do moment cản sẽ tăng lên

Còn ở hình b ta thấy rằng nếu chuyển các cuộn dây của động cơ từ đấu

sao (Y) sang đấu tam giác (∆) sớm thì dòng khởi động tăng lên rất cao sẽ gây ra

hiện tượng sụt áp của mạng điện

Từ đó, ta có thể kết luận rằng không nên để thời gian chạy sao lâu quá vàcũng không nên chuyển sang tam giác sớm Chính vì vậy, ta cần xác định vàtính toán thời gian phù hợp của quá trình khởi động động cơ đổi nối sao – tamgiác (Y/∆)

2.1.5 Thời gian khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác (Y/∆)

Nếu ta khởi động cơ bằng phương pháp trực tiếp thì dòng điện khởi độngrất cao sẽ gây ra hiện tượng sụt áp trên mạng điện Do đó, ta phải khởi độngđộng cơ bằng cách đổi nối sao – tam giác Như vậy, dòng điện khởi động sẽgiảm xuống nhưng không thể thiếu đến việc điều chỉnh thời gian khởi độnghợp lí và khả thi

Khi ta bắt đầu khởi động động cơ, dòng điện đi vào các cuộn dây statorđược đấu sao (Y) Lúc này, moment quay trong lòng stator xuất hiện và cómoment cản cũng xuất hiện chống lại nó, do động cơ trong quá trình làm việcthì kéo tải theo Nhưng ta tính toán khả năng mà động cơ kéo tải phải đảm bảoyêu cầu sau:

M đc là moment quay chủ động của động cơ và phụ thuộc vào giá trị công

suất điện từ, được tính như sau :

Mc là moment cản xuất hiện trong lúc động cơ kéo tải hay không tải vàthường thì nó phụ thuộc vào trọng lượng của tải Khi tải lớn thì công suất P2

trên rotor lớn nên tổn hao ∆P r ở dây quấn rotor tăng lên và moment cản M c

cũng tăng lên cao Cụ thể như sau :

Ta thấy moment cản Mth tỷ lệ thuận với tổn hao trên trục rotor ∆P r nên

chúng có quan hệ tuyến tính với nhau

Khi đó, moment cản ban đầu M cb của phụ tải bằng tổng moment cản trên

trục rotor Mcr , moment tổn hao M Ck và moment quán tính M qt như sau :

Khi đó, moment gia tốc (M a ) được tính :

Vậy công thức tính thời gian khởi động động cơ đổi nối sao tam giác là :

o Trường hợp động cơ kéo tải nhỏ

o Trường hợp động cơ kéo tải lớn

2.1.6.1 Ưu điểm

Giảm dòng khởi động giảm đi một phần ba lần so với phương pháp khởiđộng trực tiếp Chi phí không đắt hơn khi so sánh với các phương pháp khởiđộng làm giảm dòng điện khác Đơn giản và tiết kiệm điện năng

2.1.6.2 Nhược điểm

Làm giảm mô men khởi động một phần ba lần so với mô men đủ tải, điềunày cho phép sử dụng phương pháp này khởi động động cơ với chế độ tải trọngnhỏ

Xuất hiện nhiễu trên đường dây khi chỉnh lại từ chế độ Sao thành Tamgiác (Loại chuyển hở) Do xuất hiện hồ quang điện trong quá trình chuyểnmạch từ sao sang tan giác.Chỉ làm việc với động cơ nối Δ, tốn công tắc tơ khichuyển từ Y → Δ động cơ bị giật do xung dòng điện lớn

2.1.7 Ứng dụng

Sử dụng phương pháp này để khởi động động cơ dưới chế độ không tảinhư là bơm, các máy trong ngành gỗ Ngoài ra, nếu có tải thì phải sử dụng phùhợp với tải không yêu cầu moment khởi động lớn

2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một số khí cụ điện thường sử dụng trong mạch khởi động động cơ đổi nối sao – tam giác

2.2.1 Áp to mát (CB – Circuit breaker)

Áp to mát là loại khí cụ điện dùng để đóng, ngắt điện bằng tay nhưng có thể tự ngắt mạch điện khi có sự cố quá tải hoặc ngắn mạch

Theo cơ cấu tắc động tự ngắt có 3 loại : CB

Theo điện áp sử dụng có 2 loại : CB 1 pha (có cực hoặc không có cực) và

6) Tiếp điểm cố định7) Tiếp điểm di động8) Thanh dẫn hồ quang9) Thanh lưỡng kim10) Ngõ vào dây điện dưới11) Kẹp thanh ray

( dùng để gài cầu dao )Dòng điện bảo vệ ngắn mạch của CB : Inm > Ikd

Dòng điện bảo vệ quá tải của CB thường là : Iqt = (1,1 : 1,2) Itt

Điện áp làm việc của CB phải là : UCB > ULưới điện

2.2.1.2 Nguyên lý hoạt động chung

Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, CB được giữ ở trạng tháiđóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một điểm với tiếp điểm động.Bật CB ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng

4 không hút Nếu mạch điện bị quá tải hay ngắn mạch, lực điện từ ở nam châmđiện 5 lớn hơn lò xo 6 làm cho nam châm điện sẽ hút phần ứng 4 xuống làmnhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng Kết quả các tiếp điểm

Bật CB ở trạng thái ON, với điện áp cùng phần ứng nam châm điện 11 vàphần ứng 10 hút lại với nhau Khi sụt áp định mức nam châm điện sẽ nhả phầnứng 10 ra, lò xo 9 kéo móc 8 bật lên, thả lỏng và lò xo 1 được thả lỏng Kết quảcác tiếp điểm của CB mở ra và mach điện bị ngắt ra.

2.2.2 Công tắc tơ (Contactor)

Công tắc tơ là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa, tự động hoặcbằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện đến600A Công tắc tơ có hai vị trí là đóng và cắt Tần số đóng có thể tới 1500 lầnmột giờ

Công tắc tơ hạ áp thường là kiểu không khí được phân ra các loại sau:

+ Phân theo nguyên lí truyền động

Công tắc tơ điện từ (truyền động bằng lực hút điện từ )

Công tắc tơ kiểu hơi ép

Công tắc tơ kiểu thủy lực

+ Phân theo dạng dòng điện

Công tắc tơ một chiều

+ Phân theo kiểu kết cấu

Công tắc tơ hạn chế chiều cao (dùng ở gầm xe, )

Công tắc tơ hạn chế chiều rộng (như lắp ở buồng tàu điện, )

Dòng định mức trên contactor thường chọn : Iđm = (1.2 :1.5).Itt

Điện áp định mức trên contactor thường chọn theo mạch điều khiển

Khi cuộn hút của công tắc tơ chưa được cấp điện, lò xo 5 đẩy lõi thépđộng số (4) tách ra khỏi lõi thép tĩnh Các cặp tiếp điểm chính (1) và tiếp điểmphụ (3) ở trạng thái mở, cặp tiếp điểm phụ ở trạng thái đóng Vì vậy tiếp điểm(1) và (3) gọi là tiếp điểm thường mở.

Khi cấp điện cho cuộn hút, trong cuộn hút sẽ có dòng điện chạy qua.Dòng điện này sẽ sinh ra từ thông móc vòng qua cả hai lõi thép và khép làmkín mạch từ Chiều và trị số của từ thông sẽ biến thiên theo chiều và trị số củadòng điện sinh ra nó, nhưng xét tại một thời điểm nhất đinhj thì từ thông đi qua

bề mặt tiếp xúc của hai lõi thép là cùng chiều nên sẽ tạo thành ở 2 bề mặt nàyhai cực N –S trái dấu nhau Kết quả là lõi thép sẽ bị hút về phía lõi thép tĩnh,kéo theo tay đòn (2) làm cho các tiếp điểm chính (1) và tiếp điểm phụ (3) đónglại, tiếp điểm phụ (2) mở ra Khi cắt điện vào cuộn hút, lò xo hồi vị đẩy lõi thépđộng (4) về trở lại vị trí ban đầu

2.2.3 Rơle nhiệt (OLR – Overload relay)

Rơle nhiệt là loại khí cụ điện tự động đóng, cắt tiếp điểm nhờ sự co dãn vìnhiệt của các thanh kim loại Trong mạch điện công nghiệp , nó thường đượcdùng để bảo vệ quá tải cho các động cơ điện Khi đó, rơle nhiệt được lắp kèmvới công tắc tơ và được gọi là “ khởi động từ”

Dòng điện tác động thường chọn để bảo vệ động cơ : Itđ = (1,1 : 1,2) Iđm

Thông thường chọn dòng tác động như trên, ở nhiệt độ môi trường là 250C

và dòng quá tải tăng 20% thì rơle nhiệt sẽ tác động làm ngắt mạch sau khoảng

20 phút Nếu nhiệt độ môi trường cao hơn thì rơle tác động nhanh hơn