2.3.1. Khái quát khởi động mềm
2.3.1.1. Khái niệm
Khởi động mềm (soft start) là khởi động dùng bộ biến đổi điện áp xoay chiều để điều khiển điện áp stato bằng cách điều khiển góc kích SCR. Khởi động mềm thường được dùng cho những động cơ trung bình và lớn. Khi mà cách khởi động sao tam giác không còn hiệu quả, gây ảnh hưởng với lưới điện và các thiết bị khác. Bộ
16
khởi động mềm sẽ được ứng dụng để điện áp được tăng một cách từ từ cho động cơ hoạt động. Điều này sẽ giúp việc tăng tốc của động cơ được thực hiện một cách êm nhất, không có sự tăng tốc quá đột ngột khiến động cơ gặp sự cố. Trường hợp động cơ khởi động đột ngột sẽ xuất hiện tình trạng dòng điện chảy một cách ào ạt vào trong động cơ. Khi đó, sẽ đảm bảo công suất động cơ luôn có tính ổn định và mượt mà. Như vậy, nó có thể giảm thiểu sự hao mòn ở các mạch của động cơ. Sự hỗ trợ này sẽ đảm bảo tuổi thọ của động cơ được đảm bảo cao hơn, quá trình sử dụng cũng ít khi bị hư hỏng hay phát sinh sự cố.
Khởi động mềm nhằm
• 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
2.3.1.2. Cấu tạo
- 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: điều khiển số hoặc cơ khí, các ngõ ra chức năng rờle báo trạng thái, điều khiển bảo vệ chống quá nhiệt, quá tải, các cồng kết nối truyền thông Modbus, Profibus, điều khiển thời gian khởi động bằng biến trở hay bằng màn hình.
17 2.3.1.3. Nguyên lý hoạt động
Bộ khởi động mềm sẽ có tính năng hoạt động cơ bản bằng cách kiểm soát điện áp đi qua các mạch của động cơ. Điều này sẽ được tiến hành bằng cách thiết bị sẽ hạn chế các mô men xoắn trong động cơ. Khi đó, khởi động mềm sẽ có thể giảm điện áp để dòng điện có thể đi vào động cơ một cách dễ dàng và êm hơn.
Bên cạnh đó, thị trường cũng có một số kiểu khởi động mềm được sử dụng để kiểm soát lượng điện được cho phép khi đi qua động cơ. Đây thường là lựa chọn phổ biến trong các dòng điện 3 pha riêng biệt. Như vậy, hiệu quả điều khiển cũng sẽ trở nên chuẩn xác hơn.
Ngoài ra, có một số bộ khởi động mềm cũng sẽ sử dụng nhiều bộ chỉnh lưu có tính năng điều khiển CSR hay thyristor. Nó có vai trò giới hạn điện áp nằm trong một mức để có thể đảm bảo hiệu quả quản lý được tốt nhất khi động cơ tiến hành khởi động. Theo đó, khi SCR BẬT thì dòng điện có thể đi qua. Nhưng nếu chúng ở trạng thái TẮT thì dòng điện sẽ bị kiểm soát và giới hạn.
Hiện nay, có một số bộ khởi động mềm bằng điện được đánh giá là lựa chọn khả thi. Tuy nhiên, nó không phải cách duy nhất. Bởi ngoài lựa chọn này, bạn còn có thể chọn nhiều giải pháp vật lý, cơ học khác nữa.
Thiết kế của một bộ khởi động mềm cơ khí sẽ được dựa trên các khớp nối khác nhau và sự ly hợp. Thiết bị này sẽ sử dụng chất lỏng để giảm lượng mô men xoắn có trong động cơ. Như vậy, tình trạng tăng điện áp khi đi qua động cơ sẽ được hạn chế lại. Nó giúp cho động cơ có thể khởi động được nhẹ nhàng hơn.
2.3.1.4. Đặc tính kỹ thuật
Bộ khởi động mềm không thay đổi tần số nguồn cấp giống như biến tần, thay vào đó nó tăng dần điện áp cấp vào động cơ từ 1 mức điện áp định trước lúc vừa khởi động lên đến điện áp định mức. Với phương pháp khởi động này, người sử dụng có thể điều chỉnh được chính xác lực khởi động mong muốn, bất kể đó là khởi động không tải hay có tải.
18
Dừng tự do theo quán tính: Nếu điện áp cấp bị cắt trực tiếp, động cơ chạy theo quán tính cho tới khi dừng trong khoảng thời gian xác định. Thời gian dừng với mômen quán tính nhỏ có thể rất ngắn, cần tránh trường hợp này đề phòng sự phá huỷ về cơ và sự dừng tải đột ngột không mong muốn.
Dừng mềm: Nhờ vào tính năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng từ 1-20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu sử dụng có thể cài đặt thời gian khác nhau.
Khả năng tiết kiệm năng lượng khi vận hành trong điều kiện non tải: Nếu động cơ điện vận hành không tải hay trong điều kiện thiếu tải, các trường hợp này khởi động mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp cho động cơ, nhờ việc giảm điện áp sẽ làm giảm dòng điện.
2.3.1.5. Ưu điểm
❖ Ưu điểm
Khởi động mềm có nhiều ưu điểm vượt trội so với thiết bị khởi động cổ điểm. Khởi động mềm chỉnh tốc độ động cơ giúp cho việc khởi động rất mượt và êm ái.
Hiện nay bộ khởi động mềm được sử dụng phổ biến được xem là phương án tối ưu nhất trong các động cơ để hạn chế dòng điện tăng cao khi khởi động, đồng thời việc điều chỉnh tăng mô-men mở máy một cách hợp lý giúp các chi tiết máy của động cơ ít bị áp lực dồn nén từ đó động cơ có tuổi thọ cao hơn, hiệu suất làm việc tốt hơn và đạt khả năng an toán cao khi làm việc.
Khởi động mềm làm tăng tuổi thọ động cơ và các cơ cấu cơ khí chấp hành. Làm giảm tổn thất điện năng và không làm ảnh hưởng đến chất lượng lưới điện, cái mà những phương pháp khởi động trực tiếp hay sao tam giác không có được.
Ngoài ra, khởi động mềm còn bảo vệ được quá dòng, quá áp và mất pha động cơ. Giúp kết nối, truyền thông với các hệ thống điều khiển trung tâm.
2.3.1.6. Lợi ích khi sử dụng khởi động mềm
19
Một ưu điểm vượt trội mà khởi động mềm mang lại chính là giúp máy móc giảm năng lượng sử dụng một cách hiệu quả. Nếu theo các khởi động thông thường, động cơ sẽ cần một nguồn năng lượng cao nhất và duy trì chúng như vậy trong suốt thời gian hoạt động. Trong khi đó, có thêm sự tham gia của khởi động mềm, điện áp sẽ dần tăng lên đến mức tối đa. Theo đó, năng lượng cũng bắt đầu tư số nhỏ mới đến số cao nhất.
❖ Giảm thiểu rủi ro đột biến điện
Nếu điện áp ngay lúc động cơ khởi động đạt mức tối đa có thể sẽ khiến các mạch bị quá tải. Khi đó, động cơ sẽ xuất hiện tình trạng tăng điện. Vì thế, khởi động mềm chính là giải pháp để giải quyết vấn đề này.
❖ Có thể điều chỉnh thời gian tăng tốc
Mặc dù thực tế thì không phải khởi động mềm nào trên thị trường cũng có tích hợp tính năng này. Nhưng nếu chọn dòng có hiệu năng điều chỉnh thời gian tăng tốc thì nó cũng mang đến những lợi ích không thể chối từ. Bạn có thể chủ động hơn trong việc cài đặt thời gian để động cơ tăng tốc hoạt động. Lợi ích này sẽ thực sự cần thiết đối với các động cơ đã có tuổi thọ lâu năm.
❖ Khả năng tăng số lần bắt đầu có thể xảy ra mỗi giờ
Bạn nên biết rằng, để động cơ hoạt động một cách bình thường sẽ cần rất nhiều năng lượng. Như vậy, tùy vào từng máy khác nhau mà thiết bị sẽ không thể bật nguồn với số lần quá nhiều trong 1 giờ. Tuy nhiên, nếu ứng dụng thêm khởi động mềm thì động cơ sẽ tiêu tốn nguồn năng lượng ít hơn trong quá trình làm việc. Theo đó, động cơ cũng có thể hoạt động một cách thường xuyên hơn.
❖ Giảm nguy cơ quá nhiệt
Nếu để xuất hiện sự gia tăng năng lượng lớn trong một khoảng thời gian ngắn có thể gây nên tình trạng nóng động cơ. Mặc dù tình trạng này là vô hại nhất thời nhưng nó cũng có thể gây nên tình trạng tạm ngừng hoạt động nhất thời, thậm chí nếu tình trạng này xuất hiện nhiều có thể khiến động cơ bị hư hỏng. Nếu để khởi
20
động mềm tham gia vào quá trình khởi động sẽ giúp động cơ giảm tình trạng quá nhiệt một cách hiệu quả nhất.
❖ Cải thiện hiệu quả hoạt động
Có thể, động cơ bình thường hoạt động tốt. nhưng về lâu về dài chúng có thể xuất hiện vấn đề như: quá nóng, hoạt động sai lệch hay đột biến điện...Điều này có thể gây nên nhiều rủi ro cho động cơ và cho cả hệ thống máy móc. Nếu ứng dụng khởi động mềm thì các rủi ro này sẽ được giảm thiểu đến mức tối đa.
❖ Tuổi thọ kéo dài
Thực tế, tuổi thọ là điều mà không gì có thể đảm bảo được, kể cả khi bạn mua được sản phẩm chất lượng. Bởi trong quá trình sử dụng, có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của máy. Nếu muốn giảm thiểu các yếu tố có thể tác động đến việc giảm sút tuổi thọ động cơ thì việc lắp đặt thêm khởi động mềm là điều rất cần thiết.
2.3.1.7. Ứng dụng
Thực tế thì không phải động cơ nào cũng cần phải có khởi động mềm mới có thể làm việc. Chúng đều có khả năng tự làm việc mà không cần đến khởi động mềm. Nhưng nếu chọn lắp đặt thêm khởi động mềm thì khả năng làm việc của động cơ cũng sẽ tốt hơn, người dùng cũng có được nhiều lợi ích hơn từ lựa chọn này. Đặc biệt là tiết kiệm chi phí bảo trì, sửa chữa vì khởi động mềm sẽ giúp giảm tình trạng hư hỏng, sự cố của động cơ một cách hiệu quả nhất.
Ứng dụng máy bơm
- Việc lắp khởi động mềm sẽ giúp động cơ máy bơm không gặp nguy cơ tăng
điện đột ngột. Dòng điện cung cấp vào động cơ cũng sẽ nhẹ nhàng tăng dần. Khi đó, sự cố cũng sẽ được giảm thiểu đến mức tối đa nhất.
21
- Nếu băng tải khởi động đột ngột, chúng sẽ dễ xuất hiện sự cố. Đó là thể là
tình trạng dây curoa bị lệch hay bị giật. Thậm chí, các sự cố nặng hơn có thể xuất hiện ở bộ phận truyền động của dây curoa. Vì thế, nhiều nơi chọn lắp đặt thêm khởi động mềm để đảm bảo dây curoa có thể hoạt động theo chiều tăng dần và đi đúng hướng, ít sự cố hơn.
Quạt và các hệ thống tương tự
- Ít ai biết rằng, khởi động mềm cũng có thể giúp đảm bảo tính ổn định trong
hoạt động của quạt và các hệ truyền động khác. Sự cố cũng sẽ được khắc phục nhờ việc ứng dụng thiết bị này.
Ngoài ra khởi đông mềm còn có các tính năng ứng dụng nâng cao như sau
- Dùng cho bơm cho ngành nước thải, cấp nước có tính năng Kick Start giúp động cơ chạy dễ dàng cho các tải nặng khi khởi động như Bơm bùn, máy khuấy có rác chặn, motor bơm bị nghẹt bùn. tính năng này giúp khởi động dễ dàng hơn
- Điều khiển momen- Torque Control điều khiển điện áp theo sát đường tuyến tính của tải trọng chống lai sự tăng dòng đột ngột và giảm môt cách từ từ chống sốc cho hệ thống thiết bị như Bơm cấp nước, nước thải, tòa nhà, máy nghiền, máy thổi, động cơ gắn các bơm có tạp chất, bơm bùn, bơm thực phẩm, máy đùn thức ăn gia súc…vv
- Tính năng bảo vệ trong một số môi trường hóa chất, nhiều hơi ẩm bằng cách phủ bo một lớp hóa chất.
- Bảo vệ quá tải động cơ, tính năng khóa Rotor khi quá dòng.
2.3.1.8. Ví dụ một vài bộ khởi động mềm
22
Hình 2.3.8.1: Bộ khởi động mềm ATS01
-Hãng Sản Xuất: Schneider
-Bộ khởi động và dừng mềm, từ 3A đến 85A
-Điện áp cung cấp: 230VAC đến 415VAC -Ứng dụng: Quạt, máy nén nhỏ, băng tải,…
❖ Khởi động mềm LS
Hình 2.3.8.2: Bộ khởi động mềm LS
23
Hình 2.3.8.3: Bộ khởi động mềm Chint
Được áp dụng công nghệ mới nhất, khởi động mềm Chint có nhiều tính năng ưu việt, khả năng làm việc ổn định cao và quan trọng hơn là an toàn tuyệt đối cho người sử dụng. Bộ khởi động mềm này được sử dụng nhiều cho các hệ thống điện công nghiệp, nhà máy, dây chuyền tự động hóa, các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, các nhà máy xử lý nước, xử lý chất thải. Ngoài ra, các dòng sản phẩm thiết bị điện khác của Chint cũng được tin tưởng sử dụng cho các công trình lớn như tòa nhà cao tầng, các khu nghỉ dưỡng cao cấp, sân bay, cầu cảng… Độ bền cao và đặc biệt rất thích hợp với môi trường nóng ẩm, mưa nhiều tại Việt Nam.
24
Hình 2.3.8.4: Bộ khởi động mềm Siement
Các dòng thiết bị điện mang thương hiệu Siemens trong đó bao gồm dòng sản phẩm khởi động mềm Siemens (Soft Starter Siemens) đã và đang được sử dụng nhiều trong các nhà máy, dây chuyền sản xuất hiện đại. Thương hiệu này khẳng định được uy tín, chất lượng, độ bền qua thời gian, dễ dàng lắp đặt và đưa vào hoạt động, độ tin cậy làm việc rất cao, rất an toàn cho người vận hành.
Được chế tạo theo công nghệ mới nhất, khởi động mềm Siemens phù hợp với những tiêu chuẩn công nghiệp của những sản phẩm khác.
❖ Khởi động mềm ABB
Hình 2.3.8.5: Bộ khởi động mềm ABB
ABB là một trong những công ty hàng đầu của thế giới về các thiết bị, hệ thống kỹ thuật điện, tự động hóa có trụ sở đặt tại Zurich một thành phố lớn của Thụy Sỹ,
25
cung cấp những phương thức sử dụng điện hiệu quả nhất và với mục đích tăng năng suất phát triển công nghiệp một cách bền vững. Tại Việt Nam, thương hiệu này hoạt động trên năm quy mô bao gồm: Thiết bị điện, hệ thống điện, tự động hóa và truyền động, tự động hóa quy trình và thiết bị điện hạ thế
2.3.2. Đồ thị quá trình biến đổi dòng điện, điện áp và momen trong khởi động mềm động mềm
- Mạch lực của bộ khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược cho 3 pha.
Hình 2.3.2.1: Đồ thị điện áp và dòng điện của động cơ khi khởi động mềm có ramp điện áp
- Vì mômen động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỷ lệ với điện áp nên mômen gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp.
- Dạng khởi động mềm đơn giản nhất là hàm thoai thoải (ramp) điện áp, bộ khởi động mềm điều khiển việc tăng áp tuyến tính từ giá trị ban đầu xác định (có thể điều chỉnh được từ 20 đến 100% điện áp nguồn) tới điện áp lưới sau khoảng thời gian đặt.
26
Hình 2.3.3.1: Điện áp động cơ khi dừng tự do
Khi dừng, không nên ngắt trực tiếp các động cơ có mômen quán tính nhỏ như băng truyền, thang máy, máy nâng để đảm bảo không nguy hiểm cho người hoặc thiết bị. Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng từ 1 đến 20s tùy thuộc yêu cầu. Điệp áp ban đầu cho dừng mềm Ustop = 0,9UN và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu.
Hình 2.3.3.2: Điện áp động cơ khi dừng mềm
Như vậy, thực chất dừng mềm là cố ý kéo dài quá trình dừng bằng cách giảm từ từ điện áp nguồn cung cấp vào động cơ. Nếu trong quá trình dừng mà có lệnh khởi động, thì quá trình dừng này lập tức bị hủy bỏ và động cơ được khởi động trở lại.