1. Giới thiệu chung
Động cơ không đồng bộ 3 pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện. Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới.
Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức. Đó là quá trình khởi động mềm (ramp) toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mở thyristor bằng bộ vi sử lý 16 bit với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lưới. Ngoài ra còn cung cấp cho chúng ta những giải pháp tối ưu nhờ nhiều chức năng như khởi động mềm và dừng mêm, dừng đột ngột, phanh dòng trực tiếp, tiết kiệm năng lượng khi non tải. Có chức năng bảo vệ động cơ như bảo vệ quá tải, mất pha ..
* Những ứng dụng điển hình của bộ khởi động mềm
– 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 …
* Những đặc điểm khác:
– Bền vững tiết kiệm không gian lắp đặt.
– Có chức năng điều khiển và bảo vệ.
– Khoảng điện áp sử dụng 200 – 500 V, tần số 45 – 65 Hz.
– Có phần mềm chuyên dụng đi kèm.
– Lắp và đặt chức năng dễ dàng.
2. Kỹ thuật khởi động và dừng
a. Những nét chính
Mạch lực của hệ thống khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor đấu song song ngược cho 3 pha. Vì mô men động cơ tỉ lệ với bình phương điện áp, dòng điện tỉ lệ với điện áp, mô men gia tốc và dòng điện khởi động được hạn chế thông qua điều chỉnh trị số hiệu dụng của điện áp. Quy luật điều chỉnh này trong khi khởi động và dừng nhờ điều khiển pha (kích, mở 3 cặp thyristor song song ngược) trong mạch lực. Như vậy, hoạt động của bộ khởi động mềm hoàn toàn dựa trên việc điều khiển điện áp khi khởi động và dừng, tức là trị số hiệu dụng của điện áp là thay đổi.
Nếu dừng động cơ, mọi tín hiệu kích mở thyristor bị cắt và dòng điện dừng tại điểm qua không kế tiếp của điện áp nguồn.
Giải thích:
IA – Dòng điện ban đầu khi khởi động trực tiếp.
IS – Dòng điện bắt đầu có ramp điện áp.
In – Dòng điện định mức của động cơ.
Us – Điện áp bắt đầu ramp.
Un – Điện áp định mức của động cơ.
tr – Thời gian ramp.
n – Tốc độ động cơ.
Nếu phát hiện động cơ đạt tốc độ yêu cầu trước khi hết thời gian đặt của bộ khởi động mềm, điện áp vào lập tức được tăng lên 100% điện áp lưới, đó chính là chức năng phát hiện tăng tốc.
b. 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.
c. Dừng mềm
Không nên cắt 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, thiết bị và sản phẩm.
Nhờ chức năng dừng mềm mà điện áp động cơ được giảm từ từ trong khoảng từ 1 đến 20 giây tuỳ thuộc vào yêu cầu. Điện áp ban đầu cho dừng mềm Ustop = 0,9Un và điện áp cuối quá trình vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu. Thời gian ramp điện áp tới 1000 giây cùng điện áp đầu và cuối quá trình dừng mềm đặt theo chương trình.
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 sew. Nếu trong quá trình dừng mà có lệnh khởi động, thì quá trình dừng này lập tức bị huỷ bỏ và động cơ được khởi động trở lại.
d. Tiết kiệm năng lượng khi non tải
Nếu động cơ điện vận hành không tải hay non tải, trong trường hợp này khởi động mềm giúp tiết kiệm điện năng nhờ giảm điện áp động cơ tới gia trị U0, việc giảm điện áp do đó làm giảm dòng điện, dẫn đến giảm bớt cả tổn hao đồng và tổn hao sắt %.
Tại sao phải sử dụng khởi động mềm :
1.Khởi động sao -tam giác
Đây là một phương pháp cho phép giảm dòng khởi động và momen khởi động.Thông thường các thiết bị bao gồm 3 contactor ,1 rơ le bảo vệ quá tải, và một rơ le thời gian để đặt thời gian trong vị trí chạy sao. Động cơ phải được đấu nối để chạy tam giác trong chế độ làm việc bình thường để có thể sử dụng phương pháp này.
Dòng khởi động nhận được chỉ khoảng 30% dòng khởi động trực tiếp và mô men xoắn ban đầu được giảm xuống còn khoảng 25% mô men xoắn trong khởi động trực tiếp.
Phương pháp khởi động này chỉ hoạt động khi các ứng dụng là tải nhẹ trong quá trình khởi động. Nếu tải của động cơ là quá lớn thì phương pháp này không đủ mô men xoắn để đẩy nhanh tốc độ động cơ trước khi chuyển sang chế độ tam giác.
Ví dụ khi khởi động các bơm và quạt, tải định mức là thấp tại lúc bắt đầu khởi động và tăng lên cùng với bình phương tốc độ .
Khi đạt xấp xỉ 80-85% tốc độ định mức của động cơ mô men định mức là bằng mô men động cơ và gia tốc không còn.
Để đạt được tốc độ định mức chuyển sang chế độ tam giác là cần thiết và điều này thường đem lại kết quả truyền tải cao, và dòng đỉnh. Trong một số trường hợp dòng đỉnh có thể đạt đến một giá trị lớn hơn khi khởi động trực tiếp.
Các ứng dụng với mô men tải cao hơn 50% mô men danh định của động cơ sẽ không thể sử dụng khởi động bằng đổi nối sao-tam giác.
2. Khởi động mềm
Một bộ khởi động mềm có các đặc trưng khác với các phương pháp khởi động khác. Nó có các thysistor trong mạch chính, và điện áp đặt vào động cơ được điều chỉnh với một bảng mạch in. Bộ khởi động mềm sử dụng trong thực tế là khi trong quá trình bắt đầu khởi động thì điện áp đặt vào động cơ thấp. Dòng khởi động 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 này là khả năng để điều chỉnh mô men chính xác khi cần thiết cho dù ứng dụng là tải hay không.
Trong nguyên tắc đầy đủ mô men khởi động là có ích, nhưng với sự khác biệt lớn là biện pháp khởi động 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.
Các giải pháp khởi động động cơ và ưu điểm của bộ khởi động mềm:
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, ta có thể điều chỉnh được chính xác lực khởi động mong muốn, bất kể đó là khởi động không tải hay có tải. Khởi động mềm giúp giảm dòng khởi động từ đó tránh gây sụt áp trong hệ thống nguồn điện. Bên cạnh đó nó cũng giúp giảm các xung lực cơ khí lên thiết bị khi khởi động do vậy giàm được chi phí bảo trì, bảo dưỡng. Khởi động mềm cũng có chức năng dừng mềm như biến tần, nó loại trừ được các hiện tượng xấu như xung áp lực nước, tăng vọt áp suất trong hệ thống bơm và tránh các hư hỏng cho các vật liệu dễ vỡ khi được tải trên băng chuyền.
Tất cả động cơ đều đều được dùng để khởi động hay lai các ứng dụng khác nhau. Chúng ta sẽ tìm hiểu vài ứng dụng động cơ thông dụng nhất: bơm ly tâm, quạt và máy nén….
1/ Quạt ly tâm:
Quạt thường cần momen quán tính lớn khi khởi động do nó có các cánh gió lớn. Đôi khi để giảm tải khi khởi động, người ta đóng kín van cấp gió, quạt khởi động ở chế độ không tải nên việc khởi động dễ dàng hơn . Tuy nhiên momen quán tính khởi động vẫn cao nên thời gian khởi động vẫn còn khá dài.
Khởi động trực tiếp: monen quán tính cao của cánh quạt sẽ dẫn tới thời gian khởi động dài. Dòng khi khởi động trực tiếp rất cao có thể làm sụt nghiêm trọng điện áp nguồn gây ảnh hưởng tới các thiết khác.
Quạt ly tâm thường được kéo bởi 1 hay nhiều dây đai truyền lực. Trong khi khởi động, các đai này có xu hướng bị trượt do lực khởi động quá lớn và các đai này không thể truyền tất cả lực do động cơ tạo ra. Điều này làm tăng chi phí bảo dưỡng cho đai truyền, các ổ đỡ và gây tổn thất do dừng sản xuất để thay thế.
Khởi động sao-tam giác : phương pháp này tạo lực khởi động thấp. Do lực tỷ lệ với bình phương dòng điện, lực do động cơ tạo ra ở chế độ sao có thể không đủ mạnh để gia tốc cánh quạt đạt tới tốc độ định mức. Khi chuyển sang chế độ tam giác, xung lực và dòng điện tăng vọt với cường độ bằng hoặc thậm chí lớn hơn so với khởi động trực tiếp. Điều này làm đai truyền động bị trượt. Ta có thể khắc phục bằng cách kéo căng đai truyền, nhưng làm vậy sẽ tăng áp lực cơ lên các ổ đỡ tại cả động cơ và quạt từ đó làm tăng chi phí bảo dưỡng.
Khởi động mềm: để khắc phục vấn đề đai truyền bị trượt, ta cần giàm momen lực tại thời điểm khởi động. Các bộ khởi động mềm của ABB sẽ giàm điện áp cấp vào động cơ tại thời điểm khởi động. Sau đó điện áp sẽ được tăng lên để kéo cánh quạt. Bộ khởi động mềm cho phép ta điều chỉnh lực khởi động phù hợp với bất kỳ điều kiện khởi động nào, cả không tải lẫn toàn tải. Dòng khởi động sẽ giảm và tránh được sụt áp nguồn lưới.
Một số bộ khởi động mềm được tích hợp sẵn bộ bảo vệ non tải, nó sẽ dừng động cơ khi nhận thấy dòng điện bị sụt do đứt dây đai.
Lựa chọn bộ khởi động: Cánh quạt thường lớn, tạo ra lực quán tính lớn nên khởi động thường khó khăn. Ta nên chọn bộ khởi động mềm có công suất lớn hơn công suất thực của động cơ. Quán tính lớn của quạt làm tăng thời gian dừng, ta nên tránh sử dụng chức năng dừng theo hàm dốc.
2/Bơm ly tâm:
Có nhiều loại bơm như bơm pít-tông, bơm ly tâm, bơm trục vít… Trong đó bơm ly tâm là loại phổ biến nhất, ta sẽ thảo luận về loại bơm này.
Khởi động trực tiếp: khởi động bơm không gây vấn đề gì về điện nhưng nó sẽ làm hệ thống ống dẫn bị mòn và trầy xướt do các xung áp lực chất lỏng, đặt biệt là khi dừng đột ngột. Do quán tính cánh bơm nhỏ và momen hãm lớn, dừng trực tiếp bơm đột ngột sẽ tạo ra các xung búa và áp lực rất lớn. Nếu hê thống ít khi dừng thì không có vấn đề, nhưng nếu cần khởi động-dừng liên tục nó sẽ bào mòn toàn bộ hệ thống bơm. Điều này gây ra chi phí bảo trì lớn, thậm chí phải dừng sản xuất bất thường để sửa chữa.
Khởi động sao-tam giác: dùng phương pháp này sẽ giảm được dòng khởi động. Tuy nhiên động cơ có thể không đủ lực để khởi động và không đạt tới được tốc độ định mức ở chế độ sao. Momen xoắn tải bậc hai trở nên quá lớn đối với động cơ khi nó đạt tới 80-85% tốc độ đinh mức. Để tiếp tục gia tốc lên tốc độ định mức, chế độ tam giác được đưa vào, khi đó côngtắctơ sao mở, côngtắctơ tam giác đóng. Để tránh ngắn mạch, cần có thời gian trễ khoảng 50ms khi chuyển giữa 2 chế độ. Tuy nhiên, do momen hãm của bơm lớn, động cơ sẽ giảm tốc trong khoảng thời gian này. Trong động cơ vẫn có từ trường và khi côngtắctơ tam giác đóng vào, điện áp chênh lệch giữa lưới và động cơ có thể tăng lên gấp đôi, tới 800V đối với lưới 400V. Điện áp 800V này sẽ tạo ra xung dòng điện rất cao, có thể cao hơn cả xung từ hóa cực đại khi khởi động trực tiếp. Nó cũng có thể tạo ra xung lực lớn và sau vài lần khởi động ,trục nối giữa động cơ và tải có thể bị hỏng.
Bên cạnh đó, ta chỉ có thể dừng trực tiếp và điều này cũng gây ra các xung búa và áp suất cao khi dừng.
Khởi động mềm: Bộ khởi động mềm của ABB sẽ giúp làm giảm momen khởi động ban đầu của động cơ bằng việc giảm điện áp cấp vào. Trong quá trình khởi động, nó sẽ tăng điện áp lên cho động cơ đủ mạnh để gia tốc bơm lên tốc độ định mức mà không gây ra các xung lực hay xung dòng nào. Bộ khởi động mềm cũng hỗ trợ khi dừng bơm nhờ chức năng giảm tốc theo hàm dốc của điện áp đầu vào, nhờ vậy tránh được các xung búa và áp suất cao khi dừng. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, chức năng trên vẫn chưa đủ. Khi đó ta phải dùng bộ khởi động mềm điều khiển được momen nhằm giảm lực và dừng động cơ theo cách tối ưu nhất để tránh hoàn toàn hiện tượng búa nước.
Một số bộ khởi động mềm còn có chức năng: bảo vệ non tải giúp bảo vệ động cơ khi bơm không có nước, kích khởi động các bộ bơm và khóa rôto để tránh hư hỏng do bị kẹt khi vận hành.
Lựa chọn bộ khởi động: bơm thường có cánh bơm nhỏ với quán tính ít. Điều này giúp ta chọn bộ khởi động mềm có công suất bằng với công suất thực của bơm. Nếu bơm phải thường xuyên khởi động, 10 lần/giờ thì nên chọn công suất bộ khởi động cao hơn 1 cấp.
3/ Máy nén :
Máy nén loại nhỏ thường là loại pít-tông và momen tải tăng tuyến tính theo tốc độ. Máy nén trục vít được dùng khi có yêu cầu lưu lượng khí lớn hơn và momen tải tăng theo bình phương tốc độ. Truyền động giữa động cơ và đầu nén là loại dây đai hoặc trực tiếp qua các bánh răng cơ khí. Hầu hết máy nén được khởi động khi không tải.
Khởi động trực tiếp: máy nén khởi động trực tiếp tạo ra xung cơ học rất lớn không những lên ngay chính bản thân nó mà còn lên các dây đai, khớp nối. Điều đó làm giảm độ bền của các thiết bị.Trong trường hợp dùng đai truyền động, đai sẽ bị trượt rất nhiều khi khởi động do momen khởi động lớn.
Khởi động sao-tam giác: giúp giảm xung lực và dòng khởi động nhưng động cơ sẽ tạo lực rất yếu khó gia tốc để tăng lên tốc độ định mức. Khi chuyển sang chế độ tam giác, cả dòng và momen tải tăng vọt sẽ gây ra các xung lực cơ khí lớn.
Khởi động mềm: Khởi động mềm ABB có khả năng giới hạn momen khởi động tới 1 mức phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Nhờ vậy, các khớp nối, ổ đỡ ít chịu các xung áp lực, đai truyền động cũng không bị trượt khi khởi động. Chí phí bảo trì sẽ giảm xuống mức tối thiểu. Dòng khởi động trong giải pháp này chỉ từ 3-4 lần dòng định mức.
Lựa chọn khởi động mềm:
Chọn bộ khởi động mềm theo công suất thực động cơ. Nếu máy nén làm việc ở môi trường công nghiệp nặng, cần nâng công suất của bộ khởi động mềm lên 1 cấp. Tương tự, nếu khởi động máy nén 10 lần/ giờ thì cũng phải nâng công suất bộ khởi động mềm.
Nguồn: Sưu tập
