Mục đích của phương pháp là giảm điện áp đặt vào động cơ điện để giảm dòng khởi động. Sau khi khởi động xong phải khôi phục điện áp định mức để động cơ điện làm việc bình thường.
25
Dòng khởi động của động cơ xác định bằng biểu thức:
1
k 2 2
1 '2 1 '2
đ
I U
R R X X
(2.2)
Từ biểu thức này chúng ta có thể thấy để giảm dòng khởi động ta có thể sử dụng các yếu tố ảnh hưởng đến dòng khởi động như sau:
Giảm điện áp nguồn cung cấp;
Đưa thêm điện trở vào mạch rotor;
hay đổi tần số.
Với động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc (động cơ dị bộ rotor ngắn mạch) để giảm dòng khởi động ta thực hiện biện pháp giảm điện áp. gười ta dùng các phương pháp sau đây để giảm điện áp khởi động: dùng cuộn kháng, dùng biến tự ngẫu, thực hiện đổi nối sao – tam giác và thay đổi tần số.
Đặc điểm chung của các phương pháp giảm điện áp là cùng với việc giảm dòng khởi động, moment khởi động cũng giảm.
Hình 2.2. Các phương pháp giảm điện áp khi khởi động động cơ dị bộ rotor lồng sóc; a. dùng cuộn kháng; b. dùng biến tự ngẫu; c. dùng đổi nối sao – tam giác.
26
Vì moment động cơ tỷ lệ với bình phương điện áp nguồn cung cấp, nên khi giảm điện áp moment giảm theo tỷ lệ bình phương, ví dụ điện áp giảm √ lần thì moment giảm đi 3 lần. Việc thực hiện đổi nối sao tam giác chỉ thực hiện được với những động cơ khi làm việc bình thường thì cuộn dây stato nối tam giác. Do khi khởi động cuộn dây stato nối sao, điện áp đặt lên stato nhỏ hơn √ lần khi chuyển sang nối tam giác, dòng điện giảm √ lần thì moment cũng giảm đi 3 lần.
Khi khởi động bằng biếp áp, nếu hệ số biến áp là kt thì điện áp trên tụ đấu dây của động cơ giảm đi kt lần so với điện áp định mức, dòng khởi động giảm đi kt , moment khởi động cũng sẽ giảm đi kt2 lần. Tất cả các phương pháp khởi động bằng giảm điện áp chỉ thực hiện được ở những động cơ có khởi động nhẹ, còn động cơ khởi động nặng không áp dụng được, người ta khởi động bằng phương pháp mềm. Để hiểu rõ hơn về các phương pháp khởi động trên đã giảm điện áp tạo dòng khởi động như thế nào ta sẽ lần lượt chỉ rõ trong các phần sau đây.
2.2.2.1. Phương pháp sử dụng cuộn kháng
Hình 2.3.Hạ áp khi khởi động bằng cuộn kháng.
Điện kháng là cuộn dây lõi thép có điện kháng lớn được nối tiếp với động cơ (hình 2.3). Khi khởi động cầu dao D2 mở, cầu dao D1 đóng. Điều chỉnh trị số của điện kháng được dòng điện khởi động cần thiết. Khi động cơ đã quay ổn định thì đóng cầu dao D2 để ngắn mạch điện kháng K.
27
Gọi Ikđ và Mkđ là dòng điện và moment khi khởi động trực tiếp với điện áp đặt vào động cơ điện là Uđm.
Khi có điện kháng thì khi đó:
Điện áp đặt vào động cơ điện là Uđc: Uđc = kUđm
Dòng điện khởi động: I’kđ = k.Ikđ
Moment khởi động: ’kđ = k2Mkđ
Do có điện áp giáng trên điện kháng mà điện áp đặt vào động cơ giảm k lần, k<1. Dòng điện khởi động cũng giảm k lần nhưng moment khởi động giảm k2 lần (vì moment tỷ lệ với bình phương điện áp theo (1.32)).
Ưu điểm: là thiết bị đơn giản.
Nhược điểm: khi giảm dòng điện khởi động thì moment khởi động cũng giảm xuống bình phương lần.
2.2.2.2. Phương pháp sử dụng biến tự ngẫu
Hình 2.4. Hạ áp khi khởi động bằng biến áp tự ngẫu.
Sơ đồ khởi động như hình 2.4. rong đó là biến áp tự ngẫu, bên sơ cấp nối với lưới điện, bên thứ cấp có điện áp thấp nối với động cơ điện. Khi khởi động cầu dao D1 và D3 đóng, D2 mở. Sau khi khởi động xong thì D2 đóng D3 mở.
28
Gọi kt là tỷ số biến áp của máy biến áp tự ngẫu (kt>1); UL là điện áp lưới điện bằng điện áp pha định mức của động cơ điện; Zn là mô đun tổng trở pha động cơ điện khi khởi động.
Điện áp pha đặt vào động cơ điện là:
m
'đc L đ
t t
U U U
k k
(2.3)
Vậy khi sử dụng biến áp giảm áp đặt dây quấn stato lúc khởi động, dòng điện mở máy qua dây quấn giảm thấp. hưng dòng điện này chỉ xuất hiện phía thứ cấp biến áp còn dòng qua nguồn chính là dòng qua sơ cấp biến áp.
Dòng điện khởi động phía thứ cấp chạy vào động cơ điện hay dòng điện khởi động của động cơ điện lúc khởi động là:
c k
k
'đ 'đ đm đ
n t n t
U U I
I Z k Z k (2.4)
Gọi I”kđ là dòng điện khởi động phía sơ cấp máy biến áp hay dòng điện lấy từ lưới vào: ''kđ 'kđ k2đ
t t
I I
I k k (2.5)
Vì điện áp giảm kt lần nên moment khởi động cũng giảm kt2 lần:
k
k 2
''đ đ
t
M M
k (2.6)
Với biến áp giảm áp, dòng điện phía sơ cấp sẽ có giá trị thấp hơn dòng điện phía thứ cấp. Tóm lại khi dùng máy biến áp giảm áp để giảm dòng khởi động, dòng điện khởi động qua biến tự ngẫu sẽ thấp hơn dòng điện khởi động khi dùng với điện kháng hay trực tiếp.
Ưu điểm: so với phương pháp trên ta thấy, khi ta chọn kt = 0,6 thì moment khởi động vẫn bằng ”kđ = 0.36 Mkđ nhưng dòng khởi động lấy từ lưới điện vào thì nhỏ hơn nhiều I’kđ = 0,36 Ikđ ngược lại ta lấy từ lưới vào một dòng điện khởi động bằng dòng điện khởi động của phương pháp trên thì phương pháp này thì moment khởi động lớn hơn. Đó là ưu điểm của phương pháp dùng biến áp tự ngẫu hạ thấp điện áp khởi động.
29 Nhược điểm:
oment có các bước nhảy do sự chuyển đổi giữa các điện áp.
Chỉ có một số lượng điện áp do đó dẫn đến sự lựa các dòng điện không tối ưu.
Không có khả năng cung cấp một điện áp khởi động có hiệu quả đối với tải trọng thay đổi.
Trong một số điều kiện khởi động đặc biệt giá thành của bộ khởi động thường rất cao.
2.2.2.3. Phương pháp nối sao - tam giác Y - ∆
Hình 2.5.Hạ áp khi khởi động bằng phương pháp nối sao – tam giác
Phương pháp này chỉ dùng được với những động cơ điện khi làm việc bình thường dây quấn stato nối tam giác.
Khi khởi động ta nối hình sao để điện áp đặt vào mỗi pha giảm √ lần. Sau khi khởi động xong thì nối lại hình tam giác để động cơ điện làm việc bình thường. Sơ đồ đấu dây như hình 2.5, khi khởi động đóng cầu dao D1 còn cầu dao D2 đóng về phía Y, khởi động xong đóng về phía Y.
Dòng điện khởi động khi đấu sao là:
k 3
L đY
n
I U
Z (2.7)
30 Dòng điện khởi động khi đấu tam giác là:
k
3 L
đ
n
I U
Z (2.8)
So sánh hai biểu thức IkđY và Ikđ∆ ta thấy khi khởi động đấu sao Y dòng khởi động giảm 3 lần so với khi khởi động đấu tam giác.
Khi đấu sao Y điện áp giảm √ lần nên moment khởi động giảm đi (√ )2=3 lần; nghĩa là khi đấu sao Y dòng điện và moment khởi động đều bằng 1/3 dòng và moment khởi động trực tiếp. Trên thực tế trường hợp này cũng như dùng máy biến áp tự ngẫu để khởi động mà tỉ số biến đổi điện áp kt = 1/3.
Ví dụ: Một động cơ ghi 10 kW – 380V/220V – Y/∆. Cho động cơ này làm việc ở lưới 3 pha 220V.
Phương pháp đổi nối sao – tam giác với động cơ thực hiện như sau:
Khi khởi động, đấu động cơ theo hình Y, điện áp khởi độnglúc này là 220V.
Kết thúc khởi động, chuyển về đấu tam giác để động cơ làm việc với điện áp định mức 380V. Dùng mạch thay thế đơn giản động cơ điện không đồng bộ để tính toán, so sánh dòng, áp, moment khi khởi động ta thấy:
Nếu đấu trực tiếp tam giác, điện áp khởi động là U1 = 220V, dòng (dây) khởi động là 220.√ /Zn với Zn là tổng trở ngắn mạch pha.
Khi mở máy đấuY, điện áp mỗi pha giảm chỉ còn U1/√ =220/√ . Dòng điện (dây) khởi động lúc này là IdY = U1/(√ . Zn) =220/(√ .Zn). Còn moment khởi động giảm 3 lần (moment tỉ lệ với bình phương điện áp).
hư vậy, khi khởi động đấu Y, điện áp giảm √ lần, còn dòng điện và moment giảm 3 lần so với khởi động trực tiếp đấu tam giác.
Ưu điểm: Phương pháp tương đối đơn giản nên được sử dụng rộng rãi với những động cơ điện đấu tam giác.
Nhược điểm:
Mức độ giảm của cường độ và moment không thể điều khiển được và tương đối cố định bằng 1/3 giá trị định mức.
Có bước nhảy lớn về cường độ và moment khi bộ khởi động chuyển đổi sao tam giác. Chính các bước nhảy này tạo ra các ứng suất cơ khí và đột biến về
31
điện làm cho hệ thống dễ bị hư hỏng. Bước nhảy này suất hiện do khi động cơ đang hoạt động nguồn điện bị ngắt động cơ sẽ chuyển sang chế độ máy phát với nguồn điện được tạo ra có giá trị tương đương với nguồn cung cấp.
Giá trị điện áp này vẫn được duy trì khi động cơ nối lại với nguồn ở chế độ đấu sao, tại đây xảy ra hiện tượng xung pha. Kết quả tạo ra một dòng điện có cường độ lên đến gấp 2 lần giá trị dòng khởi động và moment lên đến 4 lần giá trị moment khởi động, ta có đồ thị thể hiện như sau:
Hình 2.6.a Điện áp, cường độ dòng điện khi chuyển từ sao sang tam giác.
Hình 2.6.b. Đặc tính điện – cơ; hình 2.6.c. Đặc tính cơ.
2.2.2.4. Khởi động bằng phương pháp tần số
Do sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật vi điện tử và điện tử công suất nên ngày càng có nhiều loại thiết bị điều khiển động cơ điện không đồng bộ với các chức năng hoàn hảo (thuận tiện trong sử dụng, an toàn và có khả năng tiết kiệm điện tối đa) mà “ biến tần AC ” là một điển hình.
Biến tần là bộ nguồn bán dẫn điều khiển kết hợp với động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha để thực hiện khởi động/dừng và điều chỉnh chính xác số vòng quay động cơ theo yêu cầu công nghệ. Có nhiều loại biến tần được thiết kế phù hợp với động cơ công suất từ rất nhỏ (vài trăm Woat) đến hàng 100kW.
32
Thực chất phương pháp này hoạt động như sau:
Tốc độ đồng bộ (chưa tính đến độ trượt s) của động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha được tính: n = 60f/p (vg/ph).
Ở đây f - tần số lưới điện 50Hz (một số quốc gia trên thế giới có tấn số f=60Hz); p - số cặp cực từ trên stato động cơ.
Stato được quấn theo số cặp cực: p = 1, 2, 3 và 4; tương ứng với tốc độ đồng bộ: n = 3.000, 1.500, 1.000 và 750 vg/ph. hông thường mỗi động cơ chỉ có thể được thiết kế để làm việc ở hai tốc độ đồng bộ. Ví dụ: n = 3.000 - 1.500vg/ph; n = 1.500 - 1.000vg/ph... Nếu động cơ được quấn với nhiều tốc độ thì phức tạp dẫn đến giá thành không dễ chấp nhận.
Mặt khác, việc thay đổi số cặp cực (p) chỉ đạt được một tốc độ rất hạn chế , nhiều trường hợp không phù hợp công nghệ sản xuất. Vì vậy, dựa vào công thức tính n, người ta có thể thay đổi tần số (f) ở nguồn vào động cơ, do đó tốc độ động cơ sẽ được thay đổi theo để đạt giá trị mong muốn, thiết bị này được gọi là bộ biến tần. Bộ biến tần phải thực hiện được các chức năng:
Biến đổi điện áp xoay chiều ba pha của nguồn điện vào thành điện áp một chiều nhờ bộ chỉnh lưu cầu ba pha;
Sau đó nhờ bộ nghịch lưu (I VER ER) sẽ đổi ngược lại thành điện áp xoay chiều ba pha biến đổi theo phương pháp điều chế độ rộng của xung;
Kết quả là đầu ra của biến tần dòng điện có dạng hình sin, còn điện áp có dạng xung vuông nối tiếp nhau và tần số sẽ được điều chỉnh tùy ý để được tốc độ theo công nghệ đã chọn.
Ưu điểm: hay đổi tần số f phù hợp thì thời gian khởi động sẽ ngắn do đó ít tổn hại đến động cơ.
Nhược điểm:
- Giá thành cao.
- Khó sử dụng.
- Khi tăng tần số f đến giá trị max thì bão hòa.
33