) (% Nci – Công suất hữu ích (W
3. Cơ sở khoa học và thực tiễn nghiên cứu triển kha
triển khai
3.1 Điều tra khảo sát hiện trạng thiết bị khởi động ở các trạm bơm
Các chỉ tiêu về chất l−ợng khởi động, các thiết bị khởi động động cơ là một khâu quan trọng và then chốt trong hệ thống truyền động điện của máy bơm thủy lợi công suất lớn. Chất l−ợng và hiệu quả của các bộ khởi động đ−ợc đánh giá trên các tiêu chí:
- Giới hạn cho phép của dòng điện khởi động Ikđmax.
- Phạm vi điều chỉnh Imin, Imax so với dòng định mức Iđm của động cơ. - Thời gian khởi động ngắn, sụt áp l−ới điện nhỏ.
- Các đặc tính khởi động Mk(t), ik(t), ω(t) tốt. - Vận hành đơn giản, an toàn và tin cậy. - Dễ thực hiện tự động hóa.
- Giá thành rẻ, độ bền cao.
- Tổn hao năng l−ợng trong quá trình khởi động thấp.
Mỗi loại thiết bị đ−ợc thiết kế chế tạo, áp dụng đều có những −u nh−ợc điểm nhất định. Việc khảo sát, nhận xét đánh giá chỉ tiêu kỹ thuật của từng kiểu khởi động trên cơ sở đó đ−a ra những nhận xét về −u nh−ợc điểm của từng kiểu, lựa chọn đ−ợc kiểu khởi động tối −u nhất cho động cơ công suất lớn tại các trạm bơm thủy lợi ở n−ớc ta là một vấn đề cấp bách và cần thiết.
3.1.1 Ph−ơng pháp khởi động trực tiếp
Ph−ơng pháp đơn giản nhất để điều khiển động cơ lồng sóc là làm gián đoạn nguồn cung cấp bằng cách dùng cầu dao, Aptomát. Nó là hình thức điều khiển phổ biến nhất hiện nay (hình 3 - 1).
Hình 3.1: Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ KĐB 3 pha dùng CD hoặc AT
- Ưu điểm của ph−ơng pháp này là thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền,
thích hợp với những loại động cơ công suất nhỏ cỡ từ 7,5 đến 22kW hoặc động cơ có công suất lớn hơn nh−ng có nguồn đủ lớn chịu đ−ợc sự tăng vọt của dòng khởi động.
- Nh−ợc điểm của nó là: Dòng điện khởi động của động cơ rất lớn,
th−ờng bằng từ (4ữ7)Iđm của động cơ. Đặc biệt với những động cơ công suất lớn, ví dụ: động cơ 200kW thì dòng khởi động sẽ là 800 ữ 1400A. Do nguồn điện có công suất giới hạn nên khi ta khởi động trực tiếp động cơ sẽ làm điện áp của l−ới điện bị sụt xuống d−ới giá trị cho phép, gây ảnh h−ởng xấu đến không chỉ động cơ đang khởi động mà còn các động cơ và phụ tải khác đang làm việc trên l−ới điện. Vì vậy, đối với động cơ công suất vừa và lớn không cho phép khởi động động cơ trực tiếp.
Bộ khởi động trực tiếp đơn giản, dễ sửa chữa và giá thành thấp nh−ng mức bảo d−ỡng tăng, tuổi thọ của thiết bị giảm rủi ro hỏng cao gây phá hủy nhiều. Tuy nhiên, những khuyết điểm của bộ khởi động trực tiếp trên đây đ^ đ−ợc nhận ra. Và ng−ời ta đ^ nghiên cứu các ph−ơng pháp khác để giảm những ảnh h−ởng có hại của bộ khởi động này.
3.1.2 Khởi động động cơ bằng đổi nối Υ - ∆
Những động cơ khi làm việc bình th−ờng nối ∆(tam giác). Khi bắt đầu khởi động, bộ dây Stato của động cơ đ−ợc nối theo sơ đồ hình Υ(sao), kết thúc quá trình khởi động bộ dây đ−ợc nối thành sơ đồ hình ∆(tam giác) . Nhờ đó mà đ^ giảm đ−ợc điện áp đặt vào mỗi pha dây quấn Stato của động cơ trong quá trình khởi động.
Hình 3.2: Sơ đồ khởi động động cơ bơm bằng đổi nối Υ- ∆
Ưu điểm: Bộ khởi động này dòng điện khởi động thấp hơn dòng điện
khởi động trực tiếp. Khi khởi động do điện áp đặt vào động cơ giảm 3 lần nên dòng điện giảm 3 lần và Mômen cũng giảm 3 lần. Khi tách động cơ ra khỏi nguồn từ chế độ nối sao để chuyển sang chế độ nối tam giác có dòng cảm ứng rất lớn xuất hiện trong động cơ. Khi nối lại với hình tam giác, dòng điện tăng mạnh gây ra dao động Mômen quay (những dao động này có thể tăng gấp 15 lần Mômen đủ tải) mặc dù nó chỉ xuất hiện trong thời gian ngắn nh−ng nó là nguồn áp lực gây thiệt hại cho động cơ và bộ truyền động. Ph−ơng pháp này phải dùng 6 đầu dây từ động cơ đến thiết bị khởi động và chi phí bảo d−ỡng vẫn còn cao.
3.1.3 Khởi động động cơ bằng ph−ơng pháp dùng MBA tự ngẫu
Tại trạm bơm Thanh Điền, Mê Linh – Vĩnh Phúc mới xây dựng dùng MBA tự ngẫu loại 3 cuộn dây ATR của ấn độ để khởi động cho động cơ công
suất 150 kW. Tùy thuộc vào công suất của động cơ và yêu cầu đặc tính khởi động của từng loại máy bơm mà xác định các cấp điện áp ra của MBA tự ngẫu.
Khởi động bơm bằng MBA 3 cuộn dây:
Trạm bơm Thanh Điền, Mê Linh – Vĩnh Phúc và một số các trạm bơm khác mới đ−ợc xây dựng trong thời gian gần đây lắp đặt loại bơm trục đặt nghiêng, sử dụng động cơ KĐB có công suất 150kW, điện áp ra: (60%; 80%; 100%)Uđm của động cơ.
Sơ đồ nguyên lý khởi động động cơ đ−ợc thể hiện trên hình 3 . 3
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khởi động động cơ bơm bằng MBA tự ngẫu qua 3 cấp (60%; 80%; 100%)Uđm của động cơ.
Hình 3.4: Đặc tính khởi động động cơ 200 kW với điện áp có cấp
Để điều khiển quá trình khởi động, ng−ời ta dùng 4 công tắc tơ từ K1đến K4loại 400A/380V.
Aptomat AT để cấp nguồn, công tắc tơ K1 cấp điện cho MBA tự ngẫu trong quá trình khởi động và đ−ợc mở ra khi quá trình khởi động đ^ kết thúc. Động cơ đ−ợc đ−a vào làm việc với l−ới điện với trị số điện áp định mức bằng công tắc tơ K4.
Các công tắc tơ K2, K3 làm nhiệm vụ cấp điện áp khởi động cho động cơ theo các mức (60%; 80%; 100%)Uđm của động cơ.
Hệ số dòng khởi động của động cơ.
Tại điện áp 0,65 Uđm thì dòng khởi động bằng 3,2 Iđm của động cơ. Tại điện áp 0,8 Uđm thì dòng khởi động bằng 4,8 Iđm của động cơ.
Tại điện áp Uđm (khởi động trực tiếp) thì dòng khởi động bằng 6 Iđm . - Nhờ có bộ tụ bù (3x18)kVAR/0,4 nên chế độ khởi động của động cơ đ−ợc cải thiện, chất l−ợng điện năng của l−ới điện cũng ít bị xấu đi khi động cơ khởi động. Đồng thời hệ số công suất Cosϕ của động cơ đ^ đ−ợc nâng cao tới > 0,93.
- Ưu điểm:
Sơ đồ nguyên lý, vận hành đơn giản, dạng điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động là dạng hình Sin.
- Nh−ợc điểm:
Do quá trình khởi động điện áp đặt vào động cơ tăng theo kiểu nhảy bậc. ở những thời điểm tăng điện áp nh− vậy sẽ có sự biến động rất lớn về dòng điện và mômen. Trong thực tế cho thấy, mỗi khi chuyển đổi điện áp động cơ th−ờng bị giật mạnh do sự biến đổi đột ngột về Mômen quá độ tại thời điểm đó. Vì vậy đặc tính khởi động xấu.
Do phải sử dụng MBA tự ngẫu công suất lớn nên tổn hao năng l−ợng trong quá trình khởi động lớn, kết cấu cồng kềnh. Do các MBA chế tạo ở chế độ làm việc ngắn hạn nên số lần khởi động liên tiếp ít (không quá 3 lần), thời gian mang tải ngắn (không quá 2 phút). Trong thực tế, ng−ời ta th−ờng bố trí số bộ khởi động bằng số máy bơm của trạm nên rất tốn kém về chế tạo, mất nhiều diện tích lắp đặt, chi phí cho nhà x−ởng tăng.
Khả năng tự động hóa với những bộ khởi động bằng tay là khó có tính khả thi vì nếu cải tiến để tự động hóa quá trình khởi động thì phải bổ sung rát nhiều thiết bị đóng cắt và khống chế, chi phí tốn kém.
Với những tồn tại đó nên hiện nay những bộ khởi động bằng MBA tự ngẫu đang dần dần đ−ợc thay thế bằng các bộ khởi động khác có tính năng −u việt hơn.
3.1.4 Khởi động động cơ bằng ph−ơng pháp dùng cuộn kháng
Hình 3.5 : Sơ đồ khởi động động cơ qua cuộn kháng
Với sơ đồ này, khi mở máy CD2, CD1 đóng để đ−a điện vào động cơ. Dòng điện mở máy Imm qua cuộn kháng sẽ tạo ra sụt áp nên điện áp đặt vào động cơ chỉ là một phần của điện áp mạng điện.
Trong đó: - XKĐ là điện kháng của kháng điện bằng cách thay đổi XKĐ ng−ời ta sẽ thay đổi đ−ợc dòng điện mở máy. Sau khi động cơ máy bơm quay ổn định ta đóng cầu dao CD2 để loại kháng điện ra khỏi mạch động cơ kết thúc quá trình mở máy.
- r2N là điện trở ngắn mạch. - XN là điện kháng ngắn mạch.
Ph−ơng pháp mở máy qua điện kháng có một nh−ợc điểm lớn là Mômen mở máy giảm quá nhiều (bằng bình ph−ơng lần mức giảm điện áp). Tuy nhiên, −u điểm của nó là đơn giản, rẻ tiền, dễ lắp đặt, sửa chữa, bảo quản và sử
dụng vì vậy hiện nay ở một số trạm bơm công suất trung bình và nhỏ ng−ời ta vẫn sử dụng nhiều, cụ thể nh−: ở trạm bơm Ngoại Độ – Vân Đình – Hà Tây.
ở trạm bơm Ngoại Độ – Vân Đình – Hà Tây đ^ lắp đặt bộ khởi động bằng cuộn kháng cho 10 máy bơm có công suất 200kW. Các cuộn kháng này có 4 cấp khởi động và cho ra t−ơng ứng với 4 cấp điện áp trong quá trình khởi động là (50%; 65%; 80%; 100%)Uđm của động cơ. Các bộ khởi động này đ−ợc nhập từ Nhật Bản.
Điều chỉnh các cấp điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động đ−ợc thực hiện bằng 4 công tắc tơ K1, K2, K3, K4 loại KN – 400A/380V đ−ợc khống chế tự động theo nguyên tắc thời gian.
Sơ đồ nguyên lý khởi động dùng cuộn kháng có 4 cấp điện trở nh− hình 3 - 4. Điện áp đ−a vào động cơ trong quá trình khởi động lần l−ợt bằng (50%; 65%; 80%; 100%)Uđm của động cơ. Bằng các công tắc tơ từ K1 đến K4.
- Ưu điểm:
Bộ khởi động động cơ bằng cuộn kháng có cấu tạo đơn giản, độ bền cao, giá thành rẻ so với MBA tự ngẫu. Trong quá trình khởi động điện áp đặt vào động cơ dạng hình Sin nên tránh đ−ợc các tổn hao phụ do các thành phần sóng hài bậc cao gây ra.
Điều khiển quá trình khởi động bơm có thể thực hiện bằng tự động hoặc tự động bằng các công tắc, rơle. Kích th−ớc bộ khởi động t−ơng đối nhỏ gọn, chế tạo và sửa chữa, vận hành đơn giản.
Điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động tăng theo quy luật nhảy bậc, nên khởi động không êm, dòng điện cực đại tại thời điểm bắt đầu khởi động vẫn có giá trị lớn từ (3ữ4)Iđm, dòng khởi động sau biến thiên nhảy bậc, tổn thất năng l−ợng trên cuộn kháng còn cao, Mômen khởi động nhỏ và thời gian khởi động bị kéo dài. Do điều khiển quá trình khởi động phải dùng các thiết bị đóng ngắt có tiếp điểm khi làm việc với dòng điện lớn thì không thể tránh khỏi sự phá hỏng bề mặt các tiếp điểm do hồ quang điện. Mỗi máy bơm phải dùng một bộ khởi động riêng nên chi phí cho việc lắp đặt nhà x−ởng cao.
Tuy nhiên đối với n−ớc ta trong điều kiện hiện tại, về kinh tế và trình độ kỹ thuật thì các bộ khởi động động cơ bơm bằng cuộn kháng vẫn đ−ợc sử dụng rộng r^i ở các trạm bơm có công suất trung bình và lớn.
Hình 3.6: Khởi động động cơ qua cuộn kháng có 3 cấp
3.1.5 Khởi động động cơ bơm bằng ph−ơng pháp dùng điện trở phụ
Hình 3.7: Sơ đồ điều khiển động cơ bơm n−ớc bằng ph−ơng pháp dùng điện trở phụ sử dụng khởi động từ và Rơle thời gian
Đây là ph−ơng pháp áp dụng cho những động cơ Rôto ruột quấn. Tại trạm bơm Bạch Hạc – Vĩnh Phúc có 05 máy bơm trục đứng công suất mỗi máy là 300 kW, sử dụng động cơ loại Rôto dây quấn . Và ng−ời ta sử dụng biến trở tay quay để đ−a điện trở phụ vào trong quá trình khởi động và loại điện trở phụ ra khi kết thúc quá trình khởi động động cơ.
Hiện nay ng−ời ta th−ờng dùng bộ khởi động từ và Rơle thời gian để thay cho biến trở tay quay. So với sơ đồ sử dụng biến trở tay quay thì sơ đồ dùng khởi động từ và Rơle thời gian có −u điểm hơn đó là: an toàn, dễ dàng thao tác, vận hành và đặc biệt là trong quá trình khởi động dòng điện khởi động tuy vẫn tăng theo cấp nh−ng nó cũng tăng đều hơn và không còn phụ thuộc vào kinh nghiệm vận hành của ng−ời công nhân nh− ở sơ đồ dùng biến trở tay quay.
Hầu hết các trạm bơm thủy lợi của n−ớc ta hiện nay đều đ−ợc xây dựng từ tr−ớc đây, có những trạm bơm đ^ đ−ợc xây dựng từ thời Pháp thuộc, số còn lại cũng đ−ợc xây dựng từ những năm 50, 60 của thế kỷ tr−ớc. Tất cả các trạm bơm này cho đến nay các hệ thống cung cấp điện, động cơ và các thiết bị đóng cắt, bảo vệ và thiết bị khởi động cho động cơ máy bơm đều đ^ cũ nát, lạc hậu. Tuy ở một số trạm đ^ đ−ợc sửa chữa, thay thế một số thiết bị nh−ng do điều kiện về kinh tế, trình độ kỹ thuật nên ở các trạm bơm này chỉ đ−ợc thay thế một cách ch−a toàn diện, chắp vá và thiếu đồng bộ. Vì vậy đ^ không đảm bảo đ−ợc các chỉ tiêu về chất l−ợng, kỹ thuật và đặc biệt là các chỉ tiêu về an toàn kỹ thuật cho toàn bộ trạm nói chung và an toàn lao động cho công nhân vận hành nói riêng.
Tại một số trạm mới đ−ợc xây dựng trong những năm gần đây, một số những hạn chế, những nh−ợc điểm của các trạm bơm cũ đ^ đ−ợc khắc phục. Các thiết bị điện của trạm cũng đ−ợc trang bị tốt hơn, đồng bộ hơn và công suất cũng tăng hơn. Đặc biệt, ng−ời ta chú ý và cải thiện nhiều hơn đến các thiết bị khởi động và bảo vệ máy bơm, giúp cho quá trình hoạt động của trạm
bơm đ−ợc tốt hơn và bền hơn. Với sự phát triển nh− vũ b^o của các ngành khoa học kỹ thuật trên thế giới, đặc biệt là sự phát triển v−ợt bậc của ngành điện tử tin học, điện tử công suất. Vì vậy, việc ứng dụng các thành tựu này của khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất là một nhiệm vụ quan trọng hàng đầu của các quốc gia trên thế giới. ở n−ớc ta, việc đ−a các tiến bộ khoa học vào áp dụng vào trong sản xuất công, nông nghiệp cũng đ−ợc Đảng và nhà n−ớc ta −u tiên hàng đầu.
Trong số các thiết bị điện trang bị cho các trạm bơm thủy lợi ở n−ớc ta phần lớn đ^ đ−ợc sản xuất và lắp ráp ngay tại trong n−ớc. Ưu điểm của các thiết bị này là giá thành rẻ, rễ lắp đặt, bảo quản và sử dụng. Tuy nhiên, còn một số các hạn chế ch−a khắc phục đ−ợc, đó là: tính đồng bộ của các thiết bị ch−a cao, tính ổn định, độ bền và độ an toàn còn nhiều điểm ch−a đáp ứng đ−ợc. Vì vậy, trong giai đoạn hiện nay, các trạm bơm thủy lợi lại mới đ−ợc xây dựng vẫn đang đ−ợc trang bị đồng bộ các thiết bị nhập từ n−ớc ngoài, đặc biệt là các thiết bị khởi động cho động cơ máy bơm. Vì vậy, việc nghiên cứu các thiết bị này, để hiểu đ−ợc và sử dụng đ−ợc một cách có hiệu quả nhất, nhằm phát triển rộng r^i các ứng dụng của nó vào trong thực tế, tại các trạm bơm thủy lợi ở n−ớc ta là một việc làm cần thiết và cấp bách của các nhà khoa học, của các cán bộ kỹ thuật có liên quan.
3.1.6 Ph−ơng pháp khởi động động cơ dùng bộ khởi động Thyristo
Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu và đ−a vào sử dụng bộ khởi động bằng Thyristo và vấn đề tự động hóa trong các trạm bơm thủy lợi đ^ và đang đ−ợc nghiên cứu. Một phần của đề tài “ứng dụng điện tử công suất” cấp nhà n−ớc mang m^ số 52B0203 đ^ chế tạo thành công động cơ công suất 200kW – 380V. Và từ năm 1988, bộ khởi động Thyristo để khởi động động cơ bơm n−ớc đ^ đ−ợc sản xuất và đang đ−ợc sử dụng tại một số trạm bơm lớn