Đồ án truyền động điện - TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ 4800MW11kV

TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ 4800MW11kVTheo yêu cầu của sản phẩm, động cơ điện lúc làm việc thường phải khởi động và dừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưới mà yêu cầu về khởi động đối với động cơ điện khác nhau. Có khi yêu cầu mômen khởi động dòng lớn, có khi cần hạn chế dòng điện khởi động và có khi cần cả 2. Những yêu cầu trên đòi hỏi phải có tính năng khởi động thích ứng.Trong nhiều trường hợp do phương pháp khởi động hay do chọn động cơ có tính năng khởi động không thích đáng nên thường gây nên những sự cố không mong muốn.

Võ Duy Luyện – Châu Thành Hiển

TÍNH TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG

b Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato

c. Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy

d Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y-∆

e Khởi động động bằng cách thêm điện trở phụ vào rôto

f Phương pháp khởi động bằng biến tần

g. Khởi động mềm

h Phương pháp khởi động động cơ bằng động cơ phụ

1.3 Kết luận

2. Tính toán khởi động động cơ 4800MW

2.1 Tính khởi động(dòng-moment-thời gian,…)

2.2 Thiết bị và các phương pháp khởi động động cơ 4800MW

3. Tính toán chọn động cơ phụ khởi động

3.1 Tính toán chọn động cơ phụ

3.2 Thiết bị điều khiển động cơ phụ

4. Chương trình điều khiển khởi động động cơ dùng PLC S7-1200

- Viết chương trình dựa trên thời gian khởi động động cơ , dòng khởi động , tốc độ quay cần đạt,…

5. Tủ điện điều khiển động cơ

- Chọn Thiết bị đóng ngắn cho động cơ chính

- Tủ điều khiển động cơ chính

6. Mô phỏng

7. Hướng phát triển đề tài

Võ Duy Luyện – Châu Thành Hiển

Trong nhiều trường hợp do phương pháp khởi động hay do chọn động cơ

có tính năng khởi động không thích đáng nên thường gây nên những sự cốkhông mong muốn

Nói chung khi khởi động một được cần xét đến để thích ứng với đặc tính cơ của tải

- Phải có mômen khởi động đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

- Dòng điện khởi động càng nhỏ càng tốt

Võ Duy Luyện – Châu Thành Hiển

- Phương pháp khởi động và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắcchắn ,

- Tổn hao công suất trong quá trình khởi động càng thấp càngtốt

Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau, khi yêu cầu dòng điệnkhởi động nhỏ thường làm cho mômen khởi động giảm theo hoặc cần cácthiết bị phụ tải đắt tiền Vì vậy căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chọnphương pháp khởi động thích hợp

Với động cơ không đồng bộ hiện nay có các phương pháp sau :

• Khởi động trực tiếp

• Phương pháp khởi động sử dụng cuộn kháng

• Phương pháp sử dụng biến áp tự ngẫu

• Phương pháp khởi động đổi nối Sao- Tam giác

o M - Mômen điện từ của động cơ f1(ω);

o MC - Mômen cản của tải: f2(ω);

o J - Mômen quán tính

Ta thấy:

o Tăng tốc độ thuận lợi khi dω/dt > 0 → M > MC

o (M - MC) càng lớn thì tốc độ tăng càng nhanh

o Máy có quán tính lớn thì thời gian khởi động tk lớn

Dòng điện khởi động Ik:

Ik = Thông thường: Ik = (4 ÷ 7)Iđm ứng với điện áp Uđm

Mômen khởi động Mk:

M k =

Yêu cầu khi khởi động động cơ :

• Mômen khởi động Mk phải lớn để thích ứng với đặc tính tải

• Dòng khởi động Ik càng nhỏ càng tốt để không ảnh hưởng đến các phụ tải khác

• Thời gian khởi động tk cần nhỏ để máy có thể làm việc được ngay

• Thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, tin cậy và ít tốn năng lượng

Những yêu cầu trên là trái ngược nhau, vì thế tùy theo yêu cầu sử dụng và côngsuất của lưới điện mà ta chọn phương pháp khởi động thích hợp.

thể gấp dòng định mức từ 4 đến 8 lần Tuy dòng khởi động lớn như vậy nhưng

mô men khởi động lại nhỏ do hệ số công suất cos 0 rất nhỏ (cos 0 = 0,1- 0,2),

mặt khác khi khởi động, từ thông cũng bị giảm do điện áp giảm làm cho mô menkhởi động càng nhỏ

Dòng khởi động lớn gây ra 2 hậu quả quan trọng:

- Nhiệt độ máy tăng vì tổn hao lớn, nhiệt lượng toả ra ở máy nhiều (đặcbiệt ở các máy có công suất lớn hoặc máy thường xuyên phải khởi động)

- Vì thế trong sổ tay kỹ thuật sử dụng máy bao giờ cũng cho số lần khởiđộng tối đa, và điều kiện khởi động

- Dòng khởi động lớn làm cho sụt áp lưới điện lớn, gây trở ngại cho các phụtải cùng làm việc với lưới điện.

- Vì những lý do đó khởi động trực tiếp chỉ áp dụng cho các động cơ có côngsuất nhỏ so với các công suất của nguồn, và khởi động nhẹ (moment cảntrên trục động cơ nhỏ) Khi khởi động nặng người ta không dùng phươngpháp này

o Dòng khởi động Ik lớn làm ảnh hưởng đến các phụ tải khác

o Phương pháp này dùng cho những động cơ công suất nhỏ và công

suất của nguồn lớn hơn nhiều lần công suất động cơ

b Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato

Khởi động bằng cách giảm điện áp đặt vào dây quấn stator:

Mục đích của phương pháp này là giảm dòng điện mở máy nhưng đồng thờimômen mở máy cũng giảm xuống, do đó đối với những tải yêu cầu có mômen mởmáy lớn thì phương phap này không dùng được Tuy vậy đối với những thiết bị

yêu cầu mômen mở máy nhỏ thì phương pháp này rât thích hợp Các phương pháp

sau đây nhằm mục đích giảm dòng điện khởi động Nhưng khi giảm điện áp thìmômen khởi động cũng giảm theo

o Khởi động dùng cuộn kháng mắc nối tiếp vào mạch stator

o Khởi động dùng mba tự ngẫu

o Khởi động bằng cách đổi nối Y → Δ

Khi mở máy trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện kháng Sau khi mở máy song bằng cách đóng cầu dao D2 thì điện kháng này bị nối ngắn mạch Điều chinh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện mở máy cần thiết Do có

điện áp giáng trên điện kháng nên điện áp mở máy trên đầu cực động cở điện U’k

sẽ nhỏ hơn điện áp lưới U1.

Gọi:

o Dòng điện mở máy khi mở máy trực tiếp là Ik

o Mômen mở máy khi mở máy trực tiếp Mk.

Sau khi thêm điện kháng vào, dòng điện mở máy còn lại :

M’k = k Mk’.

Ví dụ: nối điện kháng vào phần ứng với k = 0,6 thì

I’k = 0,6Ik & M’k = 0,36Mk

Nghĩa là chỉ bằng 0,36 lần mômen mở máy lúc Uđm

Ưu điểm: của phương pháp này là thiết bị đơn giản

Nhược điểm: là làm giảm dòng điện mở máy thì mômen giảm xuống bình phươnglần Phương pháp này dùng trong động cơ có công suất nhỏ và trung bình

o Khi động cơ quay ổn định: đóng CD2, ngắn

mạch điện kháng CK, stato nối trực tiếp vào

lưới

c Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy

Sơ đồ mở máy như ỏ hình 2.3 trong đó TN là biến áp tự ngẫu ,bên cao áp nối với

lưới điện , bên hạ áp nối với động cơ điện Trước khi khởi động :Cắt CD2 và đóngCD3 MBA TN để ở vị trí điện áp đặt vào động cơ khoảng (0.6÷0.8)Uđm ĐóngCD1 để nối dây quấn stato vào lưới điện thông qua MBA TN sau khi động cơquay ổn định đóng cầu dao CD2 và mở cầu dao CD3ra Gọi tỉ số biến đổi điện áp

của biến áp tự ngẫu là kT (kT<1) thì U’k = k T U 1 do đó dòng điện mở máy vàmômen mở máy của động cơ điện sẽ là:

I’k = kTIk.

Nhược điểm:

- Dùng biến áp có giá thành cao, không kinh tế

d Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y-∆

Phương pháp mở máy Y-∆ thích ứng với những máy khi làm việc bình thường đấu

tam giác Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện áp dưa vào hai đầu mỗi pha

chỉ còn U1/ Sau khi máy đã chạy rồi, đấu lại thành cách đấu tam giác Sơ đồ đấu

dây như ở hình2.4, khi mở máy thì đóng cầu dao D1, còn cầu dao D2 thì đóng vềphía dưới, như vậy máy đấu Y khi máy đã chạy rồi thì đóng cầu dao D2 về phíatrên, máy đấu theo tam giác Theo phương pháp Y - ∆ thì khi dây quấn đấu Y, điện

áp pha trên dây quấn là:

U kf = U 1.

I’ kf = I k.

M’ k = M k.

Do khi đấu Y để mở máy thì dòng điện 3 pha bằng dòng điện dây mà khi mở

máy trực tiếp thì máy đấu tam giác (khi ấy U kf = U 1 và I k = I kf) cho nên khi mởmáy đấu Y thì dòng điện bằng:

I 1 = I’ kf = I kf = I k.

Nghĩa là dòng điện và mômen mở máy đều bằng 1/3 dòng điện và mômen khi ởmáy trực tiếp trên thực tế trường hợp này tương tự như dùng một biến áp tự ngẫu

để mở máy mà tỷ số biến đổi điện áp k T = Phương pháp mở máy Y - ∆ Tương đối

đơn giản nên được dùng rộng rãi đối với những động cơ điện khi làm việc đấu

o Mômen khởi động giảm đi 3 lần không thích hợp cho máy yêu cầu mômen

khởi động lớn Sự thay đổi dòng điện đột ngột khi chuyển từ mạch Y sang

∆ có thể làm bộ bảo vệ tác động Khi đổi nối có khoảng thời gian dòng điện

bị gián đoạn

e Khởi động động bằng cách thêm điện trở phụ vào rôto :

Phương pháp này chỉ thích dụng với những động cơ điện rôto dây quấn

vì đặc điểm của loại động cơ này là có thể thêm điện trở vào cuộn dây rôto

Để mở máy động cơ điện không đồn bộ rôto dây quấn, người ta giảm dòng điệntrực tiếp trong rôto

Khi khởi động dây quấn rôto được mắc nối tiếp với các điện trở phụ Rpk (hình2.5) Đầu tiên K1 và K2 mở, động cơ khởi động qua điện trở phụ lớn nhất, sau

đó đóng K1 rồi K2 giảm dần điện trở phụ về không Khi tốc độ động cơ gầnbằng tốc độ định mức, ta loại điện trở phụ ra khỏi mạch rôto Đường đặc tínhmômen ứng với các điện trở phụ khởi động Rp1 và Rp2 (Hình 2.5 b) Lúc khởiđộng n = 0 thì s =1 Muốn mômen khởi động Mk = Mmax thì Sth = 1

Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp khởi động:

Ưu điểm:

o Mômen khởi động Mk lớn

o Dòng điện khởi động Ik nhỏ

Nhược điểm:

o Chỉ áp dụng được với động cơ KĐB rô to dây quấn

o Động cơ rôto dây quấn chế tạo phức tạp hơn rôto lồng sóc nên giá thành đắthơn, bảo quản khó khăn hơn và hiệu suất cũng thấp hơn

f Phương pháp khởi động bằng biến tần :

Do sự phát triển của công nghệ điện tử, ngày nay người ta đã chế tạo được các bộ biến tần có tính chất kỹ thuật cao và giá thành rẻ, do đó ta có thể áp dụng phương pháp khởi động bằng tần số Thực chất của phương pháp này như sau: Động cơ được cấp điện từ bộ biến tần tĩnh, lúc đầu tần số và điện áp nguồn cung cấp có giátrị rất nhỏ, sau khi đóng động cơ vào nguồn cung cấp, ta tăng dần tần số và điện

áp nguồn cung cấp cho động cơ, tốc độ động cơ tăng dần, khi tần số đạt giá trị định mức, thì tốc độ động cơ đạt giá trị định mức Phương pháp khởi động này đảm bảo dòng khởi động không vượt quá giá trị dòng định mức

• Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng

• Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau

• Các thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc (dệt, băng tải )

• Đầy đủ các chức năng bảo vệ động cơ: Quá dòng, quá áp, mất pha, đảo pha

• Có thể kết nối mạng với hệ thống điều khiển trung tâm

Nhược điểm:

• Đòi hỏi người lắp đặt và vận hành thiết bị phải có kiến thức nhất định.

• Chi phí đầu tư ban đầu cao

g. Khởi động mềm

Khởi động mềm (soft start ) là khởi động dùng bộ biến đổi điện áp xoay chiều đểđiều khiển điện áp stato bằng cách điều khiển góc kích SCR.Thường dùng chođộng cơ vừa và lớn, động cơ nhỏ có thể dùng phương pháp đổi sao – tam giác.Công dụng của khởi động mềm?

Đặc trưng của khởi động mềm khác với các phương pháp khởi động khác Khởiđộng mềm có các thysistor trong mạch chính, và điện áp đặt vào động cơ đượcđiều chỉnh với một bảng mạch in Bộ khởi động mềm sử dụng trong thực tế là khitrong quá trình bắt đầu khởi động thì điện áp đặt vào động cơ thấp Dòng khởiđộng và mô men khởi động cũng thấp

Trong phần đầu của khởi động, điện áp đặt vào động cơ là thấp …

Nói một cách khác, loại bỏ dao động là không cần thiết trong quá trình khởi động.Dần dần, điện áp và mô men tăng lên để động cơ bắt đầu tăng tốc

Một trong những lợi ích của phương pháp khởi động mềm này là khả năng để điều chỉnh mô men chính xác khi cần thiết cho dù ứng dụng là tải hay không

Khởi động mềm giúp tránh đi những ảnh hưởng nhiều hơn cho các thiết bị máy móc, và kết quả là chi phí bảo trì thấp hơn.

Một tính năng của bộ khởi động mềm là chức năng dừng mềm, chức năng này thực

sự hữu ích khi dừng bơm, nơi mà xảy ra hiện tượng búa nước khi dừng trực tiếp như trong khởi động sao- tam giác và khởi động trực tiếp

Chức năng dừng mềm cũng rất hữu ích khi dừng băng tải vận chuyển các vật liệu

dễ vỡ, có thể bị hư hỏng khi các vành đai dừng quá nhanh

Ứng dụng khởi động mềm vào thực tiễn?

• Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu

• Động cơ bơm

• Động cơ vân hành non tải lâu dài

• Động cơ có bộ chuyển đổi (ví dụ hộp số, băng tải )

• Động cơ có quán tính lớn (quạt, máy nén, bơm, băng truyền, thang máy, máy nghiền, máy ep, máy khuấy, máy dệt …

Ưu điểm của khởi động mềm:

• Khó bảo trì bảo dưỡng

• Điện áp và dòng điện sau điều chỉnh không sin hoàn toàn

• Càng điều chỉnh càng bị méo và biên độ sóng hài củng cao hơn

h Phương pháp khởi động động cơ bằng động cơ phụ

Đây là phương pháp áp dụng cho những động cơ lớn Những động cơ cần khởiđộng đảm bảo tốc độ thời gian và Mômen Ngăn được quá dòng đối với động cơ

Phương pháp : dùng động cơ phụ kéo động cơ chính quay đúng bằng tốc độ

định mức , cơ cấu cơ khí ngắt cơ cấu truyền động giữa động cơ chính và động cơphụ và đóng điện động cơ chính Thường thì phương pháp này được áp dụng đốivới những động cơ lớn yêu cầu về dòng khởi động thấp từ Ikd= 11.3Idm Để đảmbảo về thời gian và dòng khởi động chúng ta dùng thêm PLC để giám sát hệ thốngmột cách toàn vẹn nhất.

• Cơ cấu cơ khí chuyển động cũng là một vấn đề cần chú trọng kỹ lưỡng

• Tính toán chi tiết

• Chỉ dùng với những động cơ lớn

1.3 Kết Luận

Như vậy với những phương pháp trình bày ở trên ta thấy được ưu và nhược điểm của từng loại Các phương pháp trên ứng với từng ứng dụng cụ thể trong công nghiệp , trong đời sống thực tế Đề tài này đưa qua để khởi độngđộng cơ lớn cực lớn những động cơ trung thế hoặc hạ thế cần dòng khởi động lớn Yêu cầu đặt ra là vẫn đáp ứng được dòng khởi đông lớn nhưng Moment khởi động không giảm , thêm vào đó yêu cầu tối cần thiết là phải tránh sụt áp lưới điện, tránh quá dòng cho dây dẫn trong và ngoài động cơ Nhằm đảm bảo những yêu cầu khắc khe phía trên ta cần có một phương pháp thích hợp nhất Phương pháp khởi động bằng động cơ phụ và kết hợp với PLC trong khởi động là phương pháp tối ưu nhất nên ta dùng phương

pháp đó

CHƯƠNG 2 : TÍNH TOÁN KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ

I. Tính toán các thông số khởi động

Yêu cầu khi khởi động một động cơ cần chú ý các đặc điểm sau

+ Momen khởi động phải lớn để thích ứng với đặc tính tải

+ Dòng khởi động càng nhỏ càng tốt để tránh ảnh hưởng đến phụ tải khác

+ Thời gian khởi động cần nhỏ để máy có thể hoạt động được ngay

+ Thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, tin cậy và ít tốn năng lượng

+ Phương pháp khởi động phải phù hợp với yêu cầu sử dụng, công suất động cơ vàcông suất lưới điện

Phương trình cân bằng mômen trong quá trình khởi động:

Trong đó: M - Mômen điện từ của động cơ f1(ω); MC - Mômen cản

của tải: f2(ω); J - Mômen quán tính

1 ' 2 ' 2

1 1 2 1 1 2

( ) ( )

K

U I

r C r x C x

= + + +

Dòng khởi động Ik thường bằng 7 ~ 10 lần Iđm ứng với điện áp định mức

khởi động được tính toán theo công thức :

khởi động để làm giảm dòng khởi động xuống nhiều nhất có thể nên sẽ tốn thờigian khởi động cho động cơ chính.

Khi chọn khởi động bằng động cơ phụ, ta đã giảm tối đa dòng khởi động Ik củađộng cơ chính xuống tới bằng định mức Idm Nhờ động cơ phụ được khởi độngtrước kéo theo rotor động cơ chính quay đạt đến ổn định n = 1493 rpm thì mới tiếnhành đóng điện cho động cơ chính Lúc này xem như động cơ chính đang hoạtđộng ở định mức, quán tính rotor đang quay với tốc độ định mức nên dòng cấp vàocũng chính là dòng Idm

Phương pháp khởi động gián tiếp này được áp dụng khá phổ biến ở các nhàmáy công nghiệp nặng với các motor có công suất lớn, dòng khởi động là quá lớn

so với mức có thể điều khiển thì người ta áp dụng phương pháp khởi động gián tiếpnhư thế này để làm giảm dòng định mức và có thể dễ dàng kiểm soát được dòngđiện cấp, dòng sự cố và tránh ảnh hưởng tới các thiết bị khác trong lưới khi khởiđộng động cơ công suất lớn

2. Khởi động bằng động cơ phụ

Do động cơ chính được kéo quay trước bằng động cơ phụ, sau khi động cơchính đạt tốc độ ổn định thì mới đóng máy cắt cấp điện cho động cơ chính nêndòng khởi động của động cơ chính sẽ bằng dòng định mức của nó Hay nói cáchkhác, thời gian động cơ chính quay từ n = 0 cho đến khi n = 1493 rpm thì động cơchưa được cấp điện, lúc đóng máy cắt cấp điện thì động cơ đã hoạt động ở tốc độđịnh mức, dòng điện cấp vào lúc đó được gọi là Ik cũng chính là dòng Idm của độngcơ

4700000

474 cos 11000 0,92