Khởi động động cơ điện không đồng bộ ba pha công suất trung bình và lớn trong các trạm bơm thuỷ nông

Khởi động động cơ điện không đồng bộ ba pha công suất trung bình và lớn trong các trạm bơm thuỷ nông

Bộ giáo dục và đào tạo

Trường đại học nông nghiệp I

Lêi cam ®oan

Tác giả chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa Cơ điện trường Đại học Nông nghiệp I, đ1 đóng góp những ý kiến quý báu cho bản luận văn

Tác giả chân thành cảm ơn Đảng uỷ, Ban giám hiệu trường Cao đẳng Nghề cơ giới Ninh Bình, nơi tác giả đang công tác, đ1 dành thời gian và tạo mọi

điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu

Tác giả chân thành cảm ơn tập thể l1nh đạo và công nhân viên của trạm bơm Cổ Đam, trạm bơm Vĩnh Trị, trạm bơm Cốc Thành, trạm bơm Gia viễn đ1 tạo điều kiện cho tôi được thăm quan thực tế, tiếp cận thiết bị, tài liệu

Cuối cùng tác giả chân thành cám ơn l1nh đạo khoa Cơ điện - Trường Cao

đẳng Nghề cơ giới Ninh Bình - nơi tác giả đang công tác đ1 tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi hoàn thành khóa học này Tác giả xin chân thành cảm ơn tới tập thể giáo viên khoa Cơ điện trường Cao đẳng Nghề cơ giới Ninh Bình đ1 giúp đỡ tôi về tài liệu, tinh thần và thời gian để tôi hoàn thành được khóa học

Do thời gian có hạn, khó khăn về tài liệu và hạn chế về trình độ nên chắc chắn bản luận văn sẽ còn nhiều thiếu sót, tác giả mong nhận được sự thông cảm

và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Đỗ Mạnh Cường

Mục lục

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục bảng vi

Danh mục hình vẽ vi

Mở đầu 1

chương 1 Tổng quan về động cơ điện công suất trung bình và lớn trong các trạm bơm thủy nông và các biện pháp khởi động 5

1.1 Khái quát chung 5

1.2 Khái quát hệ thống truyền động điện các máy bơm hiện nay 10

1.2.1 Chất lượng của hệ thống truyền động thủy lợi 10

1.2.2 Hệ thống truyền động điện các máy bơm hiện nay 10

1.3 Khởi động và dừng máy bơm 13

1.3.1 Khái quát chung 13

1.3.2 Tình hình trong nước 15

1.3.3 Tình hình nước ngoài 16

1.4 Động cơ không đồng bộ và các biện pháp khởi động 17

1.4.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ 17

1.4.2 Khảo sát hiện trạng thiết bị khởi động ở các trạm bơm 18

1.4.2.1 Phương pháp khởi động trực tiếp 19

1.4.2.2 Khởi động động cơ bằng đổi nối sao - tam giác 20

1.4.2.3 Khởi động động cơ bằng phương pháp dùng MBA 21

1.4.2.4 Khởi động phương pháp dùng cuộn kháng 24

1.4.2.5 Khởi động bằng phương pháp dùng điện trở phụ 27

1.4.2.6 Khởi động động cơ dùng bộ khởi động thyristor 28

1.5 Động cơ đồng bộ và các biện pháp khởi động 31

1.5.1 Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ 31

1.5.2 Khảo sát hiện trạng thiết bị khởi động ở các trạm bơm 32

1.5.2.1 Mở máy theo phương pháp không đồng bộ 32

1.5.2.2 Mở máy theo phương pháp hoà đồng bộ 36

1.5.2.3 Giới thiệu hệ thống điều khiển động cơ đồng bộ trạm bơm Vĩnh trị 1 36

1.6 Phương pháp nghiên cứu triển khai 37

1.6.1 Điều tra khảo sát 38

1.6.2 Nghiên cứu thực nghiệm và giải pháp kỹ thuật 38

1.7 Kết luận chương 1 38

Chương 2 Tính hiệu quả trong việc lựa chọn động cơ điện và các biện

pháp khởi động 40

2.1 Tình trạng hiện tại về việc lựa chọn sơ đồ cấp điện, máy biến áp, động cơ điện và biện pháp khởi động khi thiết kế trạm bơm thuỷ nông 40

2.1.1 Máy biến áp 40

2.1.2 Động cơ điện 41

2.1.3 Biện pháp khởi động (trạm bơm Vĩnh Trị 1) 43

2.2 Một số đề xuất khắc phục các tồn tại đ1 nêu 46

2.2.1 Phương án chọn động cơ phù hợp 46

2.2.2 Phương án chọn biện pháp khởi động phù hợp 47

2.2.3 Giải pháp tiết kiệm điện năng trong quá trình vận hành 48

2.3 Kết luận chương 2 49

Chương 3 Giải pháp cho một trạm bơm cụ thể 50

3.1 Tình trạng hiện tại trạm bơm Gia Viễn 50

3.2 Phân tích ưu nhược điểm của việc lựa chọn động cơ và biện pháp khởi động của trạm bơm Gia Viễn - Ninh Bình 52

3.2.1 Về việc lựa chọn động cơ 52

3.2.2 Về biện pháp khởi động 53

3.3 Các đề xuất nếu thiết kế trạm bơm tương tự 55

3.4 Lựa chọn biện pháp điều khiển quá trình khởi động động cơ 58

3.5 Phương pháp điều khiển tần số đặt vào stato động cơ trong quá

trình khởi động 60

3.5.1 Nguyên lý làm việc cơ bản của biến tần 60

3.5.2 Ưu điểm của biến tần trong điều khiển máy bơm nước 61

3.5.3 Các tiêu chí lựa chọn 62

3.5.3.1 Đặc điểm chính 62

3.5.3.2 Các thông số chính 63

3.5.3.3 Các đặc điểm vận hành 63

3.5.3.4 Các chức năng bảo vệ 63

3.5.4 Giới thiệu bộ biến tần chuyên dùng cho bơm và quạt của h1ng Siemens loại: MICROMASTER 430 64

3.6 Phương pháp điều khiển điện áp đặt vào stato động cơ trong quá trình khởi động 66

3.6.1 Đánh giá chung 66

3.6.2 Khởi động động cơ không đồng bộ bằng điện kháng phụ mắc vào mạch stato 68

3.6.3 Khởi động bằng bộ biến đổi thyristor 77

3.6.4 Giới thiệu khái quát về bộ khởi động mềm 83

3.7 Kết luận chương 3 85

Nhận xét và kiến nghị 87

Kết luận 88

Tài liệu tham khảo 90

Danh mục các Bảng

Số

bảng

1.1 Kết quả điều tra hiện trạng cung cấp điện một số trạm bơm 10

1.2 Một số loại bơm hướng trục đang sử dụng phổ biến tại các trạm

bơm hiện nay 13

1.3 Kết quả điều tra thiết bị khởi động tại một số trạm 17

3.1 Bảng thông số kỹ thuật, giá tiền biến tần loại Micromaster 430 -

điện áp làm việc 308 ữ480V 3AC; 50/60Hz 66

3.2 Kết quả đo khi khởi động động cơ 200kW - 590 vg/ph bằng cuộn

kháng khô 70

3.3 Số liệu động cơ 200 kW - 590vg/ph 71

3.5 Kích thước lắp đặt một số loại cuộn kháng khô 72

1.5 Đặc tính cơ bản của bơm hướng trục 15 1.6 Sơ đồ KĐ trực tiếp động cơ KĐB 3 pha dùng CD hoặc AT 20 1.7 Sơ đồ khởi động động cơ bơm bằng đổi nối Υ-∆ 21 1.8 Sơ đồ nguyên lý khởi động động cơ bơm bằng MBA tự ngẫu qua

3 cấp (60%; 80%; 100%)Uđm của động cơ 23 1.9 Sơ đồ khởi động động cơ bơm bằng cuộn kháng 25 1.10 Sơ đồ cung cấp điện 1 sợi trạm bơm Vĩnh Trị 1 27 1.11 Sơ đồ điều khiển động cơ bơm nước bằng phương pháp dùng

điện trở phụ sử dụng khởi động từ và rơle thời gian 28

1.12 Đặc tính mômen khi thêm điện trở vào rôto để mở máy 28 1.13 Sơ đồ nguyên lý bộ khởi động thyristor loại KĐT 30 3.1 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc của biến tần 62 3.2 Sơ đồ khởi động động cơ không đồng bộ bằng điện kháng phụ

3.4 Kích thước lắp đặt cuộn kháng khô 71 3.5 Sơ đồ tính toán khởi động bằng kháng phụ stato 74 3.6 Sơ đồ đấu cuộn kháng khởi động trong thực tế 74 3.7 Đặc tính mômen khi khởi động không tải 75 3.8 Đặc tính mômen khi khởi động có tải 75

3.9 Đặc tính tốc độ khi khởi động không tải 75

3.10 Đặc tính tốc độ khi khởi động có tải 75

3.11 Đặc tính dòng điện khi khởi động không tải 76

3.12 Đặc tính dòng điện khi khởi động có tải 76

3.13 Đặc tính điện áp khi khởi động không tải 77

3.14 Đặc tính điện áp khi khởi động có tải 77

3.15 Đặc tính địên áp rơi trên một pha cuộn kháng và điện áp pha động cơ khi khởi động động cơ 200 theo sơ đồ hình 3 -6

78 3.16 Sơ đồ nguyên lý bộ khởi động thyristor loại KĐT 79

3.17 Dạng điện áp pha sau bộ điều khiển thyristor 80

3.18 Đặc tính mômen khi khởi động bằng thyristor 81

3.19 Đặc tính tốc độ khi khởi động bằng thyristor 82

3.20 Đặc tính dòng điện khi khởi động bằng thyristor 82

3.21 Đặc tính góc mở α thyristor 83

Các hệ thống công trình thuỷ lợi ở đồng bằng sông Hồng chủ yếu phục

vụ tưới, tiêu trong sản xuất nông nghiệp Trừ một số hồ chứa vừa và nhỏ không phụ thuộc nguồn nước sông Hồng, còn lại hầu hết các công trình thuỷ lợi đều lấy nước (qua cống, qua trạm bơm…) từ sông Hồng và sự điều tiết của thuỷ điện Hoà Bình nhất là vào mùa khô

Ngoài phục vụ tưới, tiêu các công trình thuỷ lợi còn cấp nước cho nuôi trồng thuỷ sản, cấp nước cho công nghiệp, sinh hoạt nông thôn, tiêu nước nơi úng ngập, cải thiện môi trường sinh thái.v.v…Nhưng do xây dựng trên 40 năm nên nhiều công trình thuỷ lợi đG xuống cấp nghiêm trọng nên rất cần thiết phải đầu tư nâng cấp, sửa chữa

Đồng bằng sông Hồng có khoảng 55 hệ thống thuỷ lợi, thuỷ nông vừa, gồm 500 cống, 1.700 trạm bơm điện chính, 35.000 trạm bơm nhỏ nội đồng, hơn 5 vạn kênh trục chính cấp 1,2,3; 35 hồ có sức chứa từ 0,5 triệu m3 đến 230 triệu m3, nhiều hồ chứa nhỏ, nhờ đó, đảm bảo tưới cho 765.000 ha (580.000

ha lúa mùa, 178.000 ha màu và cây công nghiệp ngắn ngày, 7.000ha cây công nghiệp dài ngày) đảm bảo tiêu nước cho 510.000 ha [16]

Chủ trương của Cục thuỷ lợi - Bộ nông nghiệp & PTNT là tận dụng nhà trạm bơm, chỉ cần thay mới máy bơm, cải tiến biện pháp khởi động cho phù hợp với các máy bơm trục ngang do trong nước chế tạo từ những năm 1970,

1980 (khoảng 800 tổ máy bơm loại 4.000 m3/h) chạy tốn điện, khởi động rất

khó, hiệu suất thấp

Tổng kinh phí mà Cục thuỷ lợi dự kiến cho khôi phục, nâng cấp cống

đập, cải tạo trạm bơm, bổ sung trạm bơm, nạo vét hệ thống sông trục khoảng 5.900 tỷ đồng

Công ty khai thác công trình thuỷ lợi Bắc Nam Hà có 8 trạm bơm công suất lớn đặt dọc sông Hồng và sông Đà thì có 2 trạm mới xây, trạm Như Trác mới nâng cấp, 5 trạm còn lại đều được lắp đặt từ những năm 60 - 70 của thế

kỷ trước Các máy bơm do Liên Xô cũ và một số nước Đông Âu chế tạo, nay

đG hết hạn sử dụng “Các bảng điện, tủ điều khiển, động cơ điện đều lo hoá, các linh kiện điện, thiết bị khởi động, phụ tùng máy bơm cũ không có thay thế” Hiện tại 5 trạm với 29 máy bơm công suất 11.000 ữ 32.000 m3 đang ở tình trạng nước sông cạn kiệt, máy cũ, hiệu suất thấp, càng hoạt động càng tốn

điện năng và càng hư hỏng nhiều do vậy nếu không có biện pháp cải tạo, nâng cấp các trạm bơm trên thì rất khó khăn cho việc tưới, tiêu nước cho khu vực Việc nghiên cứu, khảo sát thực tế về chế độ làm việc của các thiết bị khởi

động, các phương pháp khởi động, tính chọn chủng loại, công suất động cơ để mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm năng lượng là một vấn đề hết sức quan trọng Ngoài việc chú trọng về địa lý vùng miền và các vấn đề kinh tế, xG hội thì việc lựa chọn các động cơ điện và giải pháp khởi động các động cơ này cũng rất cần được quan tâm nhất là vấn đề đầu tư và năng lượng sử dụng Khảo sát và tìm ra giải pháp tối ưu trong việc lựa chọn động cơ điện và thiết bị khởi động cho từng trạm bơm cụ thể trong việc xây mới và cải tạo các trạm bơm luôn là đề tài mang tính thời sự và cấp thiết Trên cơ sở đó, tìm ra những tồn tại cần được khắc phục mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật nhằm tìm ra các biện pháp khởi động hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng truyền động điện của máy bơm công suất trung bình và lớn trong các trạm thủy lợi, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng điện tại các trạm bơm và giảm thiểu các ảnh hưởng xấu tới lưới điện, tiết kiệm điện năng, nâng cao được tuổi thọ các thiết bị trong hệ thống

Qua tìm hiểu, khảo sát thực tế tại một số trạm bơm thuộc khu vực đồng bằng sông Hồng thì hiện nay còn rất nhiều các trạm bơm đang phải sử dụng những bộ khởi động chất lượng thấp, thiếu đồng bộ, mất an toàn trong vận hành và thao tác, ảnh hưởng lớn đến sản xuất nông nghiệp và khả năng tiết kiệm điện năng

Việc nghiên cứu, tổng hợp về mặt lý thuyết nguyên lý hoạt động của các

động cơ điện có công suất trung bình và lớn thường sử dụng trong các trạm bơm thuỷ nông và các giải pháp khởi động các động cơ này, trên cơ sở đó phân tích ưu nhược điểm của từng giải pháp, đưa ra những nhận xét mang tính tổng hợp định hướng cho việc lựa chọn hợp lý Đề tài có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo khi thiết kế các trạm bơm thuỷ nông mới và các trạm cần được cải tạo nâng cấp

Là một giáo viên công tác giảng dạy trong một trường đào tạo các nghề thuộc về lĩnh vực cơ điện nông nghiệp nông thôn nên việc nghiên cứu các hệ thống truyền động điện, tính chọn thiết bị điện cho các máy bơm công suất trung bình và lớn là một vấn đề bổ ích và thiết thực cho bản thân và hỗ trợ nhiều cho công tác giảng dạy và truyền đạt Do đó tôi đG chọn vấn đề này làm

đề tài nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp cao học của mình

Với mục đích như đG nêu trên, được sự đồng ý của khoa Sau đại học, khoa Cơ điện và bộ môn Điện kỹ thuật Trường Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, tôi xin được thực hiện đề tài: “Khởi động động cơ điện không đồng bộ ba

Luận văn được chia làm 3 chương với nội dung tóm tắt như sau:

Chương 1 nêu nên những vấn đề tổng quan về động cơ điện công suất trung bình và lớn trong các trạm bơm thủy nông và các biện pháp khởi động Bao gồm các kết quả, các phương pháp tính toán, các biện pháp khởi động

động cơ đồng bộ 3 pha và động cơ không đồng bộ 3 pha Những tồn tại của các biện pháp khởi động qua điều tra khảo sát ở một số trạm trên địa bàn

Chương 2 nghiên cứu tính hiệu quả trong việc lựa chọn động cơ điện và các biện pháp khởi động đối với các trạm bơm điện công suất trung bình và lớn Đi sâu vào việc phân tích tính kinh tế, tính kỹ thuật, tính phù hợp và tính thuận tiện Từ đó đưa ra được biện pháp khởi động phù hợp đảm bảo tính kinh

Chương 1

Tổng quan về động cơ điện công suất trung bình

và lớn trong các trạm bơm thủy nông

và các biện pháp khởi động

1.1 Khái quát chung

Ngày 07 tháng 11 năm 2006 Việt Nam đG trở thành thành viên thứ 150 của tổ chức thương mại thế giới (WTO) nhưng nền kinh tế chủ yếu vẫn là nông nghiệp, tỉ lệ dân số sống bằng nghề nông chiếm 73% dân số cả nước [17]

Trong sản xuất nông nghiệp, nước có vai trò quan trọng trong các khâu thâm canh lúa và cây trồng Tưới tiêu là biện pháp hiệu quả để nâng cao năng suất, ổn định an ninh lương thực và thực phẩm cho xG hội Việc tưới tiêu cho cây trồng hầu hết phải dựa vào hệ thống mương máng, các công trình thủy lợi trong đó có các trạm bơm nước

Nhờ có hệ thống các công trình thủy lợi khá phát triển, nhất là gần đây

hệ thống kênh mương được xây dựng kiên cố rộng khắp, đặc biệt là nhờ các trạm bơm thủy lợi, nên khá chủ động trong việc tưới tiêu theo mùa vụ và nhu cầu canh tác cây trồng đG khá đa dạng, người nông dân canh tác trên đồng ruộng đG bớt đi được nặng nhọc trong khâu tưới tiêu Nhờ hệ thống thuỷ lợi phát triển trong nhiều năm gần đây không có tình trạng lũ lụt kéo dài, do vậy

đG đưa nền nông nghiệp nước ta phát triển tương đối mạnh Đời sống nhân dân

được nâng lên rõ rệt

Hầu hết các trạm bơm thủy lợi được cung cấp điện từ lưới điện 6 đến 35

kV qua trạm biến áp hạ áp đặt tại trạm bơm Tùy thuộc vào đặc điểm, địa bàn

cụ thể của từng trạm bơm, để cấp điện cho các trạm bơm người ta thường dùng một đường dây phân nhánh riêng Hầu hết các máy biến áp (MBA) của trạm bơm đều sử dụng loại MBA ngoài trời Năng lượng từ lưới điện được dẫn tới máy bơm theo sơ đồ khối (hình 1.1)

Hình 1.1: Sơ đồ cung cấp điện cho trạm bơm

1: Lưới điện; 2: Biến áp hạ thế ; 3: Trạm phân phối; (41 ữ 4n): Các tủ điều khiển ; (51 ữ 5n ): Các máy bơm Lưới điện (1) thường được dùng là lưới 35 kV

Các MBA (2) có nhiệm vụ cung cấp đủ điện năng và đủ công suất để đáp ứng điều kiện khi khởi động các máy bơm

Qua điều tra cho thấy đường dây và MBA cung cấp điện cho các trạm bơm được bố trí gần trạm trung gian, do vậy khi máy bơm khởi động điện áp nguồn không bị dao động đáng kể

Qua khảo sát các trạm bơm hiện nay thường được cấp điện theo các sơ

đồ sau:

Sơ đồ dùng một biến áp công suất lớn phục vụ cho tất cả các máy bơm của trạm, còn các phụ tải phụ khác và phụ tải sinh hoạt thì sử dụng MBA tự dùng (hình 1.2) Đối với các trạm bơm loại này thường công suất của MBA

được chọn bẳng tổng công suất của các máy bơm

(Trạm Cổ Đam - ý Yên - Nam Định; Trạm Vĩnh Trị 1 - ý Yên - Nam

Định; Trạm Cốc Thành - Vụ Bản - Nam Định đều dùng 1 máy biến áp từ 4000KVA đến 5600kVA cung cấp điện cho 5 - 7 máy bơm công suất 500kW)

Hình 1.2: Sơ đồ 1 MBA công suất lớn cung cấp

cho tất cả các máy bơm của trạm Các trạm bơm được trang bị theo sơ đồ này vận hành khá đơn giản, MBA thường xuyên làm việc ở chế độ non tải, hệ số cosϕ của trạm thấp Nhưng các trạm thường sử dụng động cơ điện đồng bộ xoay chiều 3 pha công suất tương

đối lớn do vậy khi vận hành hệ số công suất cosϕ được cải thiện và không cần phải lắp đặt tụ bù vì cosϕ của động cơ đến 0,9; hiệu suất η đặt đến 91,6% Nhưng trong thực tế, khi chỉ cần vận hành 1 đến 2 máy bơm mà vẫn phải

đóng máy biến áp Khi đó máy biến áp vận hành non tải dẫn đến tổn hao điện năng, hệ số công suất cosϕ thấp.v.v Để khắc phục tình trạng trên người ta đG

đưa ra sơ đồ cung cấp điện như hình 1.3 như sau:

Hình 1.3: Sơ đồ dùng nhiều MBA vận hành song song

Sơ đồ cung cấp điện nh− hình 1.3 đG khắc phục đ−ợc những nh−ợc điểm của sơ đồ hình 1.2 nh−ng công tác tổ chức, vận hành song song các MBA khó khăn và phức tạp, nhất là vấn đề thao tác và đóng cắt phía điện áp cao Sơ đồ này các trạm Gia Viễn - Ninh Bình; Vĩnh Trị 2 - ý Yên - Nam Định đang sử dụng và vận hành tốt đảm bảo an toàn và tiết kiệm đ−ợc điện năng

Bảng 1.1: Kết quả điều tra hiện trạng cung cấp điện một số trạm bơm

T

Số máy bơm (cái)

Công suất

1 MB (kW)

Số MBA (cái)

Công suất MBA (kVA)

Sơ

đồ cung cấp

đến 37 kW có 104 tổ máy; động cơ 75 kW chiếm 36 máy) Các động cơ trên

đều là động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc và đều sử dụng phương pháp khởi động trực tiếp Sơ đồ cung cấp điện theo sơ đồ hình 1.2 và 1.3 Với những trạm bơm công suất trung bình và lớn được xây dựng trong những năm gần đây thì các thiết bị làm việc tin cậy và an toàn hơn, sơ đồ cung cấp điện đG phù hợp hơn, các thiết bị được trang bị đồng bộ do vậy hiệu suất

- Tính mới, tính tiên tiến, tính phù hợp và mức độ tự động hóa;

- Tính năng bảo vệ, độ tin cậy, mức độ ổn định, độ bền;

- Chi phí đầu tư, vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế

1.2.2 Cấu trúc hệ thống truyền động điện máy bơm thuỷ lợi

Hệ thống truyền động điện của các máy bơm nước thủy lợi thuộc loại truyền động điện xoay chiều, theo quan điểm về năng lượng được mô tả bằng sơ đồ khối cấu trúc như hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống TĐĐ máy bơm nước thủy lợi

1 - Bộ khởi động động cơ; 2 - Động cơ điện;

3 - Bộ truyền lực; 4 - Máy bơm ; 5 - Bộ điều khiển Nhìn chung, những động cơ được chế tạo vào thời kỳ những năm 1970 về

trước có hiệu suất thấp (thường η ≤ 0,85), hệ số cosϕ cũng thấp (thường cosϕ

≤ 0,82) Việc chọn công suất động cơ Pđm = (1- 1,3)Pc [11 tr 249] dư khá nhiều

so với máy bơm nên động cơ sử dụng điện với hiệu quả thấp Một số máy bơm công suất lớn đến 500 kW dùng động cơ đồng bộ làm việc lưới điện áp cao 6kV Loại động cơ này hệ số cosϕ cao hơn đạt đến cosϕ ≥ 0,9

Thiết bị khởi động (1) phụ thuộc vào mức độ trang bị, trình độ kỹ thuật của thời điểm xây dựng và lắp đặt máy, công suất, loại động cơ Những trạm bơm được xây dựng từ những năm 1970 trở về trước hầu hết các bộ khởi động

đều áp dụng các biện pháp khởi động trực tiếp hoặc gián tiếp bằng các thiết bị

đơn giản, chất lượng khởi động kém nay đG quá cũ kỹ, các thiết bị đóng cắt và

điều khiển đG phải sửa chữa, thay thế chắp vá và thiếu đồng bộ, không an toàn cho người và thiết bị, ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm việc của máy bơm

Động cơ điện (2) thường được sử dụng động cơ xoay chiều 3 pha

Bộ phận truyền lực (3) cơ năng do trục động cơ truyền cho trục máy bơm

có thể qua các thiết bị khác nhau như khớp nối đĩa, khớp nối thủy lực, khớp nối điện từ, truyền động đai truyền, truyền động bánh răng [1 tr128].v.v Nhưng hiện nay hầu hết các máy bơm nước thủy lợi đều được dẫn động thẳng trục thông qua các khớp nối mềm có vòng đàn hồi hoặc trục các đăng Một số máy bơm công suất lớn ở các trạm đầu mối có kết cấu động học dài, đG có không ít số máy bơm xảy ra sự cố cong trục phải ngưng hoạt động làm ảnh hưởng không nhỏ đến sản xuất

Các máy bơm thủy lợi (4) chủ yếu dùng loại bơm ly tâm, bơm hướng trục (HT) hoặc bơm hỗn lưu Công suất từ 75 kW trở lên, hầu hết đều dùng loại bơm hướng trục đứng (HTĐ) và hướng trục nghiêng (HTN)

Thiết bị điều khiển (5) chủ yếu là điều khiển bằng tay, một số điều khiển bằng điện nhưng cũng chỉ bằng một số công tắc tơ, rơle thời gian có tiếp

điểm, mức độ tự động hóa rất thấp, độ tin không cao

Các tín hiệu liên lạc giữa động cơ, thiết bị truyền lực, máy bơm với bộ

điều khiển là các tín hiệu một chiều

Kết quả điều tra tình hình sử dụng các loại máy bơm có công suất vừa

và lớn phổ biến hiện nay ở nước ta bảng 1.2

Bảng 1.2: Một số loại bơm hướng trục đang sử dụng

phổ biến tại các trạm bơm hiện nay

Đối với những trạm bơm được xây dựng từ những năm 1980 trở về trước,

hệ thống truyền động điện đG quá cũ kỹ và lạc hậu, hiệu quả sử dụng điện thấp, các thiết bị trong hệ thống đG phải sửa chữa thay thế nhiều không đồng

bộ Các thiết bị bảo vệ an toàn trong vận hành chưa có, những vấn đề về tự

động theo dõi, điều khiển chưa được nghiên cứu lắp đặt Nói chung, những loại trạm bơm này có hệ thống truyền động điện chất lượng thấp, kém hiệu quả, tiêu hao điện năng cao

Những máy bơm công suất lớn mới nhập của nước ngoài đa số không có hoặc hiếm phụ tùng thay thế, các máy bơm sản xuất trong nước hệ thống truyền động điện đơn giản, hiệu suất lại thấp Trước những thực trạng hiện nay, về hệ thống cung cấp, sử dụng điện, hệ thống truyền động điện các máy bơm công suất vừa và lớn cần phải tiến hành nghiên cứu từng bước, có các giải pháp cải tạo nâng cấp song song với các giải pháp cải tạo nâng cấp hệ thống cung cấp điện, nghiên cứu các giải pháp để nâng cao chất lượng hệ thống truyền động điện máy bơm thủy lợi công suất vừa và lớn là vấn đề bức thiết Với những tiêu chí về chất lượng nêu trên, muốn nghiên cứu một cách

đầy đủ cần phải có sự phối hợp nhiều đề tài nghiên cứu của nhiều nhà khoa học

Do điều kiện về thời gian nên những nội dung trong bản luận văn này chỉ tổng hợp về mặt lý thuyết nguyên lý hoạt động của các động cơ điện có công suất trung bình và lớn thường sử dụng trong các trạm bơm thuỷ nông; cách chọn động cơ phù hơp và các giải pháp khởi động các động cơ này, trên cơ sở

đó phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp, đưa ra nhận xét mang tính tổng hợp định hướng cho việc lựa chọn hợp lý Đề tài cũng tập trung phân tích một trạm bơm cụ thể để minh chứng tính hiệu quả của giải pháp lưa chọn 1.3 Khởi động và dừng máy bơm

1.3.1 Khái quát chung

Khi khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ thì dòng điện khởi động của động cơ rất lớn, thường bằng từ (4ữ7) dòng điện định mức [5] của động cơ, làm ảnh hưởng xấu không chỉ động cơ mà còn các động cơ và các phụ tải khác đang làm việc trên lưới điện Vì vậy, đối với những động cơ công suất vừa và lớn rất ít khởi động động cơ trực tiếp Mặt khác, khi khởi động động

cơ, do sự gia tốc về tốc độ

dt

dω cùng với sự tăng của dòng điện gây nên độ giật

Mc0

truyền động gây nguy hiểm cho kết cấu cũng như độ bền cơ làm giảm tuổi thọ

và có thể gây sự cố làm hư hỏng các tổ máy hoặc toàn bộ công trình trạm, đặc biệt đối với các loại máy bơm có kết cấu động học dài (trục bơm từ 5ữ20m) Trên thực tế đối với máy bơm thủy lợi mômen khởi động ban đầu Mkđbđ (thời điểm bắt đầu khởi động) thường chỉ cần bằng 20% đến 30% mômen cản

định mức Mkhbđ = (0,2ữ0,3)Mcđm của máy bơm [1]

Từ đường đặc tính cơ của động cơ Mđ và đặc tính tải Mc của máy bơm

Ta có điểm làm việc xác lập của hệ truyền động điện máy bơm là điểm A trên hình 1- 5

Hình 1.5: Đặc tính cơ của động cơ KĐB (Mđ) và của máy bơm (Mc) Muốn khởi động được máy thì tại thời điểm bắt đầu khởi động yêu cầu mômen khởi động ban đầu Mkđbđ phải lớn hơn mômen cản tĩnh Mco

Gia số mômen ∆M = Mkđbđ - Mco càng lớn thì hiện tượng giật bơm tại thời điểm bắt đầu khởi động càng mạnh và dòng khởi động của động cơ điện càng lớn, đó là điều bất lợi

dừng trực tiếp (tức là cắt động cơ ra khỏi nguồn ngay tại thời điểm cần dừng) thì hiện tượng giật sẽ xảy ra càng mạnh, nếu quán tính cơ của hệ và chiều cao của cột nước càng lớn thì rất nguy hiểm cho các bộ phận truyền động nhất là với hệ có kết cấu động học dài

1.3.2 Tình hình trong nước

Hiện nay, tại các trạm bơm các tổ bơm có công suất ≤ 75 kW đều khởi

động trực tiếp, mặc dù các động cơ trên có thể khởi động theo phương pháp

đổi nối sao - tam giác Nhưng do điều kiện kinh tế các động cơ trên thường

được khởi động trực tiếp Đây là một trong các nguyên nhân làm cho các động cơ bị hư hỏng và xuống cấp nhanh Các thiết bị đóng cắt dễ bị cháy rỗ tiếp

điểm, kéo theo những hư hỏng đường dây và trạm biến áp Vì vậy, hàng năm

đầu tư kinh phí cho việc sửa chữa phần điện khá lớn, ngoài ra còn phải sửa chữa cả về cơ khí như thay thế bạc, trục, ổ bi.v.v…

Một số trạm bơm lớn được xây dựng trước đây do nước ngoài giúp chúng

ta thiết kế và lắp đặt, sử dụng máy bơm trục đứng, động cơ điện là động cơ không đồng bộ 3 pha rôto dây quấn Động cơ được khởi động bằng điện kháng dầu tồn tại ở Việt Nam từ những năm 1960 Cho tới nay, hệ thống này phần lớn đG bị hư hỏng Một số trạm bơm như tạm bơm Gia Viễn Ninh Bình; trạm bơm Vĩnh Trị 2 - ý Yên - Nam Định hệ thống khởi động được trang bị thiết bị khởi động đồng bộ của Nhật Bản, Trung Quốc là cuộn kháng khô có tính năng và ưu điểm hơn các hệ thống khởi động trên, kết cấu gọn nhẹ hơn Qua điều tra các bộ khởi động các máy bơm trung bình và lớn tại một số

địa bàn ta có được số liệu sau: (bảng 1.3)

Bảng 1.3: Kết quả điều tra thiết bị khởi động tại một số trạm

S

TT Tên trạm bơm

Số lượng

Công suất (kW)

Kiểu thiết bị khởi động

1 Khai khẩn -Yên Mô - NB 6 75 Trực tiếp

2 Yên thái -Yên Mô - NB 7 75 Trực tiếp

3 Vĩnh lợi -Yên Mô - NB 10 75 Trực tiếp

4 Quang Hiển - Ninh Bình 10 75 Trực tiếp

5 Gia Viễn - Ninh Bình 12 200 Cuộn kháng khô

6 Vĩnh Trị 2 - Nam Định 03 650 Cuộn kháng khô

7 Vĩnh Trị 1 - Nam Định 5 500 Kiểu Không đồng bộ

8 Hồng Vân - Hà Tây 05 200 Thyristor

9 Cốc Thành - Nam Định 07 500 Kiểu Không đồng bộ

10 Cổ Đam - Nam Định 07 500 Kiểu Không đồng bộ

Nói chung, các thiết bị khởi động trên vẫn còn nhiều hạn chế và bất cập chưa đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật

Hầu hết các bộ khởi động được trang bị từ trước đến những năm gần đây chỉ có chức năng duy nhất là khởi động, không có chức năng điều khiển quá trình làm việc và quá trình dừng bơm

1.3.3 Nước ngoài

Hiện nay, trên thế giới đG có nhiều hệ thống truyền động điện (TĐĐ) máy bơm rất hiện đại, mức độ tự động hóa cao, nhiều hGng sản xuất chế tạo thiết bị khởi động và kèm theo các chức năng khác phục vụ hoạt động của

động cơ điện 3 pha mang lợi ích kinh tế lớn Như thiết bị khởi động và điều khiển động cơ của MOTOROLA (Mỹ), SIEMEN (Đức), TOSHIBA,

riêng, phụ thuộc vào công nghệ khác nhau Vì vậy, việc lựa chọn cần có sự sàng lọc phù hợp với từng loại thiết bị công nghệ và phù hợp với điều kiện từng vùng miền ở nước ta chưa thể chế tạo và sản xuất được phần mềm của

thiết bị này, chủ yếu vẫn là nhập khẩu đồng bộ Hiện nay các trạm bơm ở khu vực đồng bằng sông Hồng có trạm bơm Văn Thai- Hải Dương là trạm bơm tiêu bao gồm 8 tổ máy công suất 200kW, có lưu lượng 8000m3/h Hiện nay trạm đang sử dụng 2 loại thiết bị khởi động cho động cơ là: 7 tổ máy sử dụng khởi động mềm điện tử của hGng Danfoss và QFE, 1 tổ máy sử dụng cuộn kháng khô có hệ số k = 0,8 Trạm bơm sử dụng 2 máy biến áp 1000kVA, mỗi máy biến áp cấp điện cho 4 tổ máy bơm Điện cho phụ tải sinh hoạt của trạm

được lấy từ 1 trong 2 máy biến áp trên

Các thông số kỹ thuật của động cơ như sau:

Động cơ 3 pha rô to lồng sóc Kiểu DHD 114 – 10 TCVN Công suất: P = 200kW

động phù hợp là rất cần thiết Là một trong các biện pháp nhằm nâng cao chất lượng truyền động điện máy bơm thuỷ lợi, góp phần tiết kiệm đáng kể năng lượng điện

1.4 Động cơ không đồng bộ và các biện pháp khởi động

1.4.1 Giới thiệu chung về động cơ không đồng bộ

Ngày nay, động cơ không đồng bộ đang chiếm lĩnh phần lớn thị trường Hàng năm các nhà máy sản xuất động cơ cho ra thị trường khoảng 60 đến 70 ngàn động cơ không đồng bộ [8], chưa kể đến các loại động cơ nhập từ nước ngoài Động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc đG và đang chiếm ưu thế,

đóng vai trò quan trọng trong các ngành kinh tế bởi nó có những ưu điểm nổi bật như kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, kích thước nhỏ gọn, dễ vận hành, làm việc tin cậy, giá thành hạ.v.v…

Động cơ điện là bộ phận quan trọng trong các máy móc công nghiệp, nông nghiệp, làm nhiệm vụ biến đổi điện năng thành cơ năng Trong công nghiệp động cơ điện tiêu thụ khoảng 60% tổng điện năng trong các nhà máy sản xuất, tại các nhà máy, động cơ điện thường dùng cho các tải sau: động cơ máy nén lạnh, động cơ máy nén khí, động cơ thông gió làm mát, hút bụi, động cơ bơm trong hệ thống cấp nước sinh hoạt, nước làm mát, cấp nước lò hơi,

động cơ trong các máy công cụ, động cơ băng tải, thang máy.v.v [3] Có một

số loại động cơ thông thường với cấp điện áp như 220V đối với động cơ không

đồng bộ một pha; 220/380 V đối với động cơ không đồng bộ ba pha công suất nhỏ hơn 1000 kW; 6 kV đối với động cơ không đồng bộ ba pha công suất lớn hơn 1000 kW

Trong nông nghiệp động cơ điện dùng cho máy bơm thường là động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc hoặc rôto dây quấn Nhược điểm nổi bật của động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc này là dòng điện khi

mở máy lớn (gấp 4 đến 7 lần) dòng định mức [5], khó điều chỉnh tốc độ, nên khi mở máy trực tiếp dễ gây hiện tượng sụt áp mạng điện động lực, gây hao tốn năng lượng điện Do những đặc điểm về cấu tạo, xuất hiện sự méo dạng sóng sức điện động và dòng điện, gây ảnh hưởng xấu đến tính năng và hiệu suất của động cơ, ảnh hưởng xấu đến tính chất của hệ thống lưới điện mà động cơ làm việc, làm giảm hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật trong khai thác vận hành lưới điện và có tác động tiêu cực đến nền kinh tế

1.4.2 Khảo sát hiện trạng thiết bị khởi động ở các trạm bơm

Chất lượng và hiệu quả của các bộ khởi động được 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 lưới 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;

Hình 1.6: Sơ đồ khởi động trực tiếp động cơ KĐB 3 pha dùng CD hoặc AT

Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị khởi động đơn giản, rẻ tiền, vận hành đơn giản thích hợp với những loại động cơ công suất nhỏ cỡ từ vài W

đến 22kW hoặc động cơ có công suất lớn đến 75kW nhưng có nguồn đủ lớn chịu được sự tăng vọt của dòng điện khởi động

Nhược điểm do dòng điện khởi động của động cơ rất lớn, thường bằng từ (4ữ7)Iđm của động cơ [5] Đặc biệt với những động cơ công suất lớn, do nguồn điện có công suất giới hạn nên khi khởi động trực tiếp động cơ sẽ làm

điện áp của lưới điện bị sụt xuống dưới giá trị cho phép, gây ảnh hưởng xấu

đến không chỉ động cơ đang khởi động mà còn các động cơ và phụ tải khác

đang làm việc trên lưới điện Vì vậy, đối với động cơ công suất vừa và lớn không cho phép khởi động động cơ trực tiếp Còn những động cơ công suất lớn có cấp điện áp cao ≥ 6 kV thì có thể khởi động trực tiếp

Bộ khởi động trực tiếp đơn giản, dễ sửa chữa, dễ vận hành và giá thành thấp nhưng mức bảo dưỡng tăng, tuổi thọ của thiết bị giảm rủi ro hỏng cao gây phá hủy nhiều Tuy nhiên, với điều kiện hiện tại phương pháp này vẫn

được áp dụng đối với những động cơ điện xoay chiều 3 pha rôto lồng sóc công suất từ 75 kW trở xuống và rất phổ biến

1.4.2.2 Khởi động động cơ bằng đổi nối sao – tam giác (ΥΥΥ - ∆∆∆)

Những động cơ khi làm việc bình thường nối ∆ (tam giác), khi bắt đầu khởi động, bộ dây stato của động cơ được nối theo sơ đồ hình ΥΥΥ (sao), kết thúc quá trình khởi động bộ dây được nối thành sơ đồ hình ∆ Nhờ đó mà đG giảm được điện áp đặt vào mỗi pha dây quấn stato của động cơ trong quá trình khởi động

Hình 1.7: Sơ đồ khởi động động cơ bơm bằng đổi nối ΥΥΥ - ∆∆∆

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 mỗi pha giảm 3lần nên dòng điện giảm 3 lần và mômen cũng giảm 3 lần [4] 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 Mặc dù nó chỉ xuất hiện trong thời gian ngắn, nhưng nó là nguyên nhân gây ảnh hưởng xấu cho động cơ và bộ truyền động Người ta có thể dùng khởi động từ kết hợp với rơ le thời gian để

tự động đổi nối (ΥΥΥ - ∆∆∆) đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình vận hành Phương pháp này rất hay được áp dụng

Nhược điểm Phương pháp này phải dùng 6 đầu dây từ động cơ đến thiết

bị khởi động, nếu dùng cầu dao thì thao tác vận hành phức tạp Người ta thường dùng khởi động từ kết hợp với rơ le thời gian để tự động đổi nối sao - tam giác

1.4.2.3 Khởi động động cơ bằng phương pháp dùng MBA tự ngẫu Một số trạm bơm sử dụng MBA tự ngẫu loại 3 cuộn dây để khởi động cho động cơ công suất đến 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:

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 được thể hiện trên hình 1.8

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý khởi động động cơ bơm bằng MBA tự ngẫu

qua 3 cấp (60%; 80%; 100%)Uđm của động cơ

Để điều khiển quá trình khởi động, người ta dùng 4 công tắc tơ từ K1đến

K4 áptômát (AT) để cấp nguồn, công tắc tơ K1 cấp điện cho MBA tự ngẫu

trong quá trình khởi động và được mở ra khi quá trình khởi động đG kết thúc

Động cơ được đưa vào làm việc với lưới 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%)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 nên chế độ khởi động của động cơ được cải thiện, chất

lượng điện năng của lưới điện cũng ít bị xấu đi khi động cơ khởi động Đồng thời hệ số công suất cosϕ của động cơ đG được nâng cao tới > 0,90

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

Nhược điểm:

Do quá trình khởi động điện áp đặt vào động cơ tăng theo kiểu nhảy bậc

ở những thời điểm tăng điện áp như 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 thường 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 lượng 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, người ta thường 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 xưởng tăng

Với phương pháp này sơ đồ nối dây tương đối cồng kềnh, phức tạp và tiêu hao năng lượng điện (phương pháp này hiện nay đG được thay thế bằng cuộn klháng khô và ít được sử dụng)

1.4.2.4 Khởi động động cơ bằng phương pháp dùng cuộn kháng

Hình 1.9: Sơ đồ khởi động động cơ qua cuộn kháng

Với sơ đồ này, khi mở máy CD2, CD1 đóng để đưa 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

2 2

U I

+ +

Phương pháp mở máy qua điện kháng có một nhược điểm lớn là mômen

mở máy giảm quá nhiều (bằng bình phương lần mức giảm điện áp) Tuy nhiên, ưu 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 nâng cấp, cải tạo và xây mới thường

sử dụng biện pháp này cụ thể như trạm bơm Gia Viễn - Ninh Bình (xây dựng năm 1991); trạm bơm Vĩnh Trị 2 - ý Yên - Nam Định (xây dựng năm 2003)

ở trạm bơm Vĩnh Trị 2 - ý Yên - Nam Định là trạm mới được xây dựng

đầu năm 2003, trạm gồm 3 máy bơm, dùng động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc, công suất mỗi máy là 650 kW Với thiết bị đồng bộ của Trung Quốc, bộ khởi động bằng cuộn kháng khô Các cuộn kháng này có 3 cấp khởi

động và cho ra tương ứng với 3 cấp điện áp trong quá trình khởi động là (50%; 65%; 80%;) Uđm của động cơ Nhưng người ta đG chọn nấc 80% và là nấc khởi động cố định và phù hợp với công suất động cơ

Điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi động được thực hiện bằng 3 công tắc tơ, 1 máy cắt Khi khởi động người ta đóng máy cắt không khí tổng QF sau đó đóng công tắc tơ Q3 để động cơ khởi động qua cuộn kháng, sau thời gian chỉnh định rơ le thời gian ngắt công tắc tơ Q3 và đóng công tắc tơ Q2 đưa động cơ làm việc trực tiếp và ổn định Sau khi động cơ đG

ổn định làm việc nhờ rơ le thời gian không chế, khi này tự động đóng công tắc tơ Q4 đưa bộ tụ bù cosϕ vào làm việc Các công tắc tơ Q2; Q3; Q4 được sử dụng điện áp 380V và được khống chế tự động theo nguyên tắc thời gian Sơ đồ 1 sợi, nguyên lý khởi động dùng cuộn kháng cho 3 động cơ tại trạm bơm Vĩnh Trị 2 như hình vẽ sau:

Hình 1.10 : Sơ đồ cung cấp điện 1 sợi trạm bơm Vĩnh Trị 2

Điều khiển quá trình khởi động bơm có thể thực hiện bằng tự động hoặc

tự động bằng các công tắc, rơle Kích thước bộ khởi động tương đối nhỏ gọn, chế tạo và sửa chữa, vận hành đơn giản

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

Tuy nhiên đối với nước ta trong điều kiện hiện tại, về kinh tế và trình độ

kỹ thuật thì các bộ khởi động động cơ dùng trong nông nghiệp bằng cuộn kháng vẫn được sử dụng rộng rGi ở các trạm bơm có công suất trung bình và lớn

1.4.2.5 Khởi động động cơ bằng phương pháp dùng điện trở phụ

Hình 1.11: Sơ đồ điều khiển động cơ bơm nước

bằng phương pháp dùng điện trở phụ

Đây là phương pháp áp dụng cho những động cơ rôto ruột quấn Sơ đồ thường dùng các bộ khởi động từ kết hợp với rơle thời gian để điều khiển quá trình khởi động Do vậy quá trình vận hành dễ dàng thao tác, an toàn và đặc biệt là trong quá trình khởi động dòng điện khởi động tuy vẫn tăng theo cấp nhưng nó cũng tăng tương đối đều

Hình 1.12: Đặc tính mômen khi thêm điện trở vào Rôto để mở máy Khi điều chỉnh mạch điện trở mạch rôto thì sẽ được trạng thái mở lý tưởng (đường 3) Sau khi máy đG quay, để duy trì 1 mômen điện từ nhất định

3

2

1

trong quá trình mở máy, ta cắt dần điện trở thêm vào rôto làm cho quá trình tăng tốc của động cơ thay đổi từ đường M = f(s) này sang M = f(s) khác (Từ

đường 3 → 2 → 1 và sau khi cắt toàn bộ điện trở thì sẽ theo đường 1 tăng trước đến điểm làm việc)

Dùng động cơ điện rôto dây quấn sẽ có được mômen mở máy lớn đồng thời có dòng điện mở máy nhỏ nên những nơi nào mở máy khó khăn thì dùng

động cơ điện loại này

Nhược điểm: Động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có trọng lượng, kích thước, giá thành lớn, độ tin cậy trong vận hành nhỏ Chế tạo phức tạp, giá thành cao, bảo quản khó khăn, hiệu suất máy thấp

1.4.2.6 Khởi động động cơ dùng bộ khởi động thyristor

Bộ khởi động thyristor làm việc dựa theo nguyên tắc điều khiển góc mở (α), thyristor chỉ mở cho dòng điện chạy qua khi có điện áp dương đặt lên anốt và xung điện áp dương đặt lên cực điều khiển (G) Sau khi thyristor đG

mở thì xung điều khiển không còn tác dụng, khi này dòng chảy qua thyristor

do thông số của mạch động lực quyết định Để điều khiển điện áp đặt vào

động cơ trong quá trình khởi động theo một quy luật thích ứng Khi điều khiển giảm điện áp đặt vào stato động cơ trong quá trình khởi động, dòng điện khởi động của động cơ sẽ giảm và mômen khởi động cũng giảm Người ta

điều chỉnh góc mở của thyristor sao cho điện áp đặt vào stato động cơ tăng dần, kết thúc quá trình khởi động động cơ được đóng trực tiếp vào lưới điện, bộ khởi động được loại ra khỏi mạch động cơ vừa được khởi động

Bộ khởi động KĐT gồm 3 thiết bị chính:

Khối mạch lực;

Mạch điều khiển;

Mạch logic

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý bộ khởi động Thyristor loại KĐT Khối mạch lực gồm có 06 thyristo nối song song ngược từng cặp, các thyristor được bảo vệ quá áp dùng R - C và cuộn kháng L để hạn chế tăng dòng

Khối thiết bị mạch điều khiển (ĐK) thực hiện điều khiển thyristor theo một quy luật mong muốn, đồng thời ĐK nhận các tín hiệu bảo vệ từ các vị trí cần được bảo vệ đưa tới (các điều kiện trước khi khởi động) Mạch được bố trí

2 Panel: Panel nguồn bảo vệ và panel phát xung mở các thyristor Khi thay đổi góc mở α của các thyristor từ 1800 đến CP (CP là góc phụ tải của động cơ) Người ta sẽ điều chỉnh được điện áp đặt vào động cơ từ giá trị 0 đến giá trị

Mặc dù điện áp ra của bộ khởi động thyristor là không sin nhưng so với các thiết bị khởi động như đổi nối Υ - ∆, qua cuộn kháng, qua MBA tự ngẫu hay dùng điện trở phụ thì bộ khởi động này có nhiều ưu điểm:

Khởi động êm vì điều chỉnh điện áp đặt vào động cơ trong quá trình khởi

động là vô cấp;

Có thể giữ được gia tốc không đổi;

Trị số dòng cực đại giảm có thể điều chỉnh được trong phạm vi từ (1ữ5)Iđm của động cơ;

Thời gian khởi động có khả năng điều chỉnh được theo yêu cầu của hệ thống; Thiết bị tương đối gọn nhẹ, tin cậy;

Khả năng tự động hóa cao, vận hành dễ dàng, an toàn

Nhược điểm là giá rất cao, thiết bị phải nhập ngoại hoàn toàn Linh kiện

điện tử nên phải được đặt trong môi trường khí hậu khô, do vậy bảo quản khó khăn

Trên cơ sở nguyên lý làm việc của bộ khởi động thyristor, khai thác khả năng của thiết bị để điều khiển tối ưu công suất trong chế độ làm việc, đồng thời giảm thiểu những tác hại khi dùng máy bơm là những yêu cầu thực tế khách quan của hệ thống truyền động điện các máy bơm giai đoạn hiện nay Hầu hết các trạm bơm thủy lợi của nước ta hiện nay đều được xây dựng

từ trước đây, có những trạm bơm đG được xây dựng từ thời Pháp thuộc, số còn lại cũng được xây dựng từ những năm 60, 70 của thế kỷ trước 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 đG cũ, lạc hậu Tuy ở một số trạm đG được sửa chữa, thay thế một số thiết bị nhưng do

điều kiện về kinh tế, trình độ kỹ thuật nên ở các trạm bơm này chỉ được thay thế một cách chưa toàn diện, chắp vá và thiếu đồng bộ Vì vậy đG không đảm bảo được các chỉ tiêu về chất lượng, 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 được xây dựng trong những năm gần đây, một số những hạn chế, những nhược điểm của các trạm bơm cũ đG được khắc phục Các thiết bị điện của trạm cũng được trang bị tốt hơn, đồng bộ hơn và công suất cũng tăng hơn Đặc biệt, người 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 được tốt hơn và bền hơn Với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật trên thế giới, đặc biệt là sự phát triển vượt bậc của ngành điện tử tin học,

điện tử công suất, vi điều khiển… đG nâng mức độ tự động hoá và điều khiển

tự động cho các trạm bơm được toàn diện hơn

Trong số các thiết bị điện trang bị cho các trạm bơm thủy lợi ở nước ta phần lớn đG được sản xuất và lắp ráp ngay tại trong nước Ưu điểm của các thiết bị này là giá thành rẻ, dễ lắp đặt, bảo quản và sử dụng Tuy nhiên, còn một số các hạn chế chưa khắc phục được, đó là tính đồng bộ của các thiết bị chưa cao, tính ổn định, độ bền và độ an toàn còn nhiều điểm chưa đáp ứng

được Vì vậy, trong giai đoạn hiện nay, các trạm bơm thủy lợi lại mới được xây dựng vẫn đang được trang bị đồng bộ các thiết bị nhập từ nước ngoài, đặc biệt là các thiết bị khởi động cho động cơ máy bơm Vì vậy, việc nghiên cứu các bộ khởi động cho động cơ không đồng bộ, để hiểu được và sử dụng được một cách có hiệu quả nhất, nhằm đáp ứng được tính kinh tế, đảm bảo kỹ thuật

và thuận tiện, phù hợp với từng vùng miền và phát triển rộng rGi các ứng dụng của nó vào trong thực tế, tại các trạm bơm thủy lợi ở nước ta là một việc làm cần thiết và cấp bách của các nhà khoa học, của các cán bộ kỹ thuật có liên quan

1.5 Động cơ đồng bộ và các biện pháp khởi động

1.5.1 Giới thiệu chung về động cơ đồng bộ

Các động cơ điện xoay chiều dùng nhiều trong sản xuất thường là những

động cơ không đồng bộ, vì loại động cơ điện này do có cấu tạo đơn giản, làm việc chắc chắn, bảo quản dễ dàng và giá thành hạ Tuy nhiên các động cơ điện