Thiết kế mạch khởi động động cơ đổi nối sao tam giác

Thiết kế mạch khởi động động cơ đổi nối sao tam giác. Tổng quan về động cơ điện, các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ, khởi động trực tiếp, khởi động bằng phương phá đổi nối sao tam giác, khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu. Lý thuyết về mạch khởi động sao tam giác.

LỜI MỞ ĐẦU

Nước ta là một nước đi lên từ nền nông nghiệp, công nghiệp kém phát triển

và lạc hậu Tuy nhiên, những năm gần đây ngành công nghiệp nước ta đã thay đổi tích cực, nhanh chóng và hiện đại hóa mạnh mẽ.Nhưng so với các nước công nghiệp phát triển khác và các nước công nghiệp trong khu vực thì nền công nghiệp nước ta còn một khoảng cách khá xa.Để đảm bảo chất lượng phát triển công nghiệp như thời buổi hiện nay thì việc nâng cao tính năng hoạt động

và năng suất của thiết bị máy móc là yêu cầu chủ yếu, thiết thực nhất.Đó là đưa thiết bị máy móc vào dây truyền tự dộng và bán tự dộng bằng các mạch điều khiển điện công nghiệp hiện nay.Trong dó, mạch khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác là rất quan trọng và cần thiết.Vì vậy việc tìm hiểu và vận hành kiểm tra thử nghiệm thực tế các thiết bị công nghiệp là vốn kiến thức không thể thiếu cho sinh viên ngành điện Do đây là một vấn đề chủ yếu và cần thiết cho việc vận hành bảo dưỡng kinh tế các thiết bị công nghiệp nhằm nâng cao năng suất sản xuất của các xí nghiệp vừa và nhỏ hiện tại

Chính vì vậy,nhóm chúng em đã chọn đề tài “ Khởi động động cơ KĐB 3 pha bằng phương pháp đổi nối sao- tam giác”.Trong quá trình làm còn nhiều thiếu xót mong thầy cô và các bạn góp ý để hoàn thiện hơn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN

I. Định nghĩa:

Động cơ điện là máy dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ Máy điện dùng để chuyển đổi ngược lại (từ cơ sang điện) được gọi

là máy phát điện hay dynamo Các động cơ điện thường gặp dùng nhiều trong gia đình như tủ điện, tủ lạnh, máy giặt, máy bơm nước, máy hút bụi,… Trong công nghiệp được dùng nhiều trong máy nâng hạ, máy kéo, tời điện, máy bơm,…

II. Phân loại:

 Động cơ điện xoay chiều:

• Động cơ không đồng bộ

• Động cơ đồng bộ

 Động cơ điện một chiều:

• Động cơ điện kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

• Động cơ điện kích từ bằng điện

 Động cơ bước

III. Nguyên tắc hoạt động:

Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu Khi cuộn dây trên rotor và stator được nối với nguồn điện , xung quanh

nó tồn tại các từ trường , sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra sự chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 momen

Phần lớn các động cơ điện hoạt động theo nguyên lý điện từ, nhưng loại động cơ dựa trên nguyên lý khác như lực tĩnh điện và hiệu ứng điện áp cũng được sử dụng Nguyên lý cơ bản mà các động cơ điện từ dựa vào là có một lực cơ học trên một cuộn dây có dòng điện chạy qua nằm trong một từ

trường Lực này theo mô tả của định luật lưc Lorentz và vuông góc với cuộn dây và cả với từ trường

Phần lớn động cơ từ đều xoay nhưng cũng có động cơ tuyến tính Trong động cơ xoay, phần chuyển động được gọi là rotor, và phần đứng yên gọi là stator

IV. Các phương pháp khởi động động cơ không đồng bộ:

1. Khởi động trực tiếp:

- Đóng cầu dao CD nối trực tiếp dây quấn

stato vào lưới, động cơ quay

- Đây là phương pháp đơn giản nhất Áp dụng

cho động cơ có công suất nhỏ hơn 75KW Bằng cách

đóng các pha động cơ trực tiếp vào ba pha nguồn

bằng công tắc cơ khí

 Ưu điểm : Khi nguồn điện lớn so với công suất động cơ

,nên dùng phương pháp mở máy trực tiếp vì thời gian mở máy nhanh ,phương pháp mở máy đơn giản ,momen mở máy lớn

 Nhược điểm :Mở máy trực tiếp ,dòng điện mở máy lớn ,nếu quán tính của tải lớn dẫn đến thời gian mở máy kéo dài ,có thể làm cho động cơ điện phát nóng , động cơ khởi động không êm Ảnh hưởng đến điện áp lưới điện vì thời gian giảm áp quá lâu

2. Khởi động bằng phương pháp đổi nối sao - tam giác:

- Sơ đồ: Các cầu dao CD1, CD2, cầu dao đảo chiều

CD

- Phương pháp này chỉ dùng cho động cơ lúc máy làm việc bình thường nối Δ, khi khởi động nối Y, sau khi tốc độ quay gần ổn định chuyển về nối Δ để làm việc

- Phương pháp này đơn giản , làm việc tin cậy nên

được sử dụng rộng rãi với những động cơ từ 11kW

đến 45kW

 Ưu điểm: Dòng khởi động giảm đi lần , bảo vệ an

toàn cho động cơ và thiết bị

 Nhược điểm: Momen khởi động giảm đi 3 làn, thời gian khởi động lâu hơn Đòi hỏi người vận hành phải được hướng dẫn cẩn thận

3. Khởi động dùng máy biến áp tự ngẫu:

- Sơ đồ: Các cầu dao CD1, CD2, CD3, biến áp tự ngẫu

TN

- Nguyên lý hoạt động:

• Khi khởi động: cắt CD2, đóng CD3, MBA TN để ở

vị trí điện áp đặt vào động cơ khoảng

(0.6÷0,8)Uđm, đóng CD1 để nối stato

vào lưới điện thông qua MBA TN

• Khi động cơ quay ổn định: cắt CD3, đóng

CD2 để ngắn mạch MBA TN, nối trực tiếp

dây quấn stato vào lưới

- Động cơ được kết nối thêm máy biến áp tự ngẩu trong quá trình khởi động

 Ưu Điểm : là dòng điện mở máy nhỏ , momen mở máy lớn Dùng cho các động cơ cao áp có dải lựa chọn các điện áp

 Nhược điểm : là giá thành thiết bị mở máy đắt tiền hơn phương pháp mởi máy trực tiếp hay mớ máy bằng phương pháp sao – tam giác

4. Khởi động dùng cuộn kháng ( hoặc điện trở phụ ) mạch stato:

- Sơ đồ: Các cầu dao CD1 và CD2, cuộn điện kháng CK

- Nguyên lý hoạt động:

• Khi khởi động: CD2 mở, CD1 đóng, stato nối vào lưới điện qua điện kháng CK

• Khi động cơ quay ổn định: đóng CD2, ngắn mạch điện kháng CK, stato nối trực tiếp vào lưới

- Quá trình khởi động có gắn nối tiếp cuộn kháng vào

cuộn stato bằng các khóa K

 Ưu điểm : của phương pháp này là thiết bị đơn giản

và có thể điều chỉnh điện kháng (trở kháng) stato

một cách dể dàng Có thể dùng cho động cơ roto lồng sóc lẫn roto dây quấn Dòng mở máy giảm

 Nhược điểm là khi giảm dòng điện mở máy thì momen mở máy giảm bình phương lần, thời gian mở máy chậm đắt tiền

5. Khởi động dùng cuộn kháng (hoặc điện trở phụ) rotor:

- Dùng cho động cơ không đồng bộ roto dây quấn bằng

cách lần lược đóng các trởi kháng phụ hay điện trở phụ

vào Roto bằng các khóa K

 Ưu điểm : thiết bị đơn giản và có thể điều chỉnh điện kháng

(trở kháng) Roto một cách dể dàng Dòng khởi động nhỏ

hơn phương pháp dùng trở kháng Stato

 Nhược điểm :là khi giảm dòng điện mở máy thì momen

mở máy giảm, thời gian mở máy chậm

6. Khởi động mềm:

- Là phương pháp hiện đại , dùng cho các động cơ có công

suất vừa và lớn Điện áp stato được điều khiển thay đổi liên tục theo thời gian nhờ bộ điều khiển điện áp xoay chiều Mạch sử dụng công tắc bán dẫn để dóng điện

 Ưu điểm : mômen khởi động thay đổi mềm, khống chế được dòng khởi động Đáp ứng nhanh khi đóng và ngắt Không có vấn đề phát sinh hồ quang

 Nhược điểm : sử dụng linh kiên bán dẫn dẫn đến tổn hao nhiệt Linh kiện bán dẫn ngắt điện không hoàn toàn

V. Ứng dụng của động cơ :

Ngày nay động cơ điện được dùng trong hầu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay , hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hay DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt , sự động của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựa vào động cơ điện Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt trong các máy xe tầu điện…

CHƯƠNG II: LÝ THUYẾT VỀ MẠCH KHỞI ĐỘNG

SAO- TAM GIÁC (Y/Δ)

I. Giới thiệu về phương pháp khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác

1. Khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác(Y/Δ):

Khởi động sao- tam giác là một trong các biện pháp khởi động của động cơ có công suất trung bình.Chỉ áp dụng được với động cơ hoạt động với sơ đồ tam giác.Khi khởi động, động cơ được nối sao, lúc này điện áp trên mỗi cuộn dây chỉ là U pha(220V với lưới điện hạ

áp của Việt Nam) Sau một khoảng thời gian thì chuyển sang đẫu tam giác, lúc này điện áp trên các cuộn dây là U dây Bằng cách này giúp cho dòng khởi động nhỏ xuống, nhưng có nhược điểm là moment khởi động cũng giảm theo.Về sơ đồ đấu dây thì chúng ta có thể dễ dàng tìm kiếm, thiết bị sử dụng cũng đơn giản Tuy nhiên đòi hỏi người vận hành phải được hướng dẫn cẩn thận.Đối với động cơ nhỏ tới 7.5KW thì khởi động trục tiếp.Đối với động cơ từ 11KW tới

45KW thì khởi động sao- tam giác và thường là các loại động cơ không đồng bộ ba pha như động cơ rotor dây quấn, động lồng sóc,…

Ta có mạch khởi động động cơ đổi nối sao-tam giác như sau:

2. Dòng điện khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác (Y/Δ):

2.1. Dòng điện khởi động của động cơ khi đấu sao (Y)

Gọi UdY là điện áp dây của lưới điện

ZN là trở kháng của một cuộn dây pha

Lúc này điện áp đặt lên mỗi cuộn dây pha của động cơ là:

UpY =

Ta có dòng điện dây khi động cơ đấu sao là:

IdY = IpY 2.2. Dòng điện khởi động của động cơ khi đấu tam giác (Δ)

Kết thúc quá trình khởi động sao, động cơ được chuyển sang đâu tam giác Khi đó, điện áp đặt lên mỗi cuộn dây pha của động cơ là:

UpΔ = UdΔ

Và dòng điện dây khi động cơ đấu tam giác là:

IdΔ = IpΔ

2.3. Dòng điện khởi động cần tìm của động cơ:

Lấy tỷ lệ giữa dòng điện khởi động của động cơ khi đấu sao(Y)

và dòng điện khởi động của động cơ khi đấu tam giác(Δ), ta có kết quả như sau:

Vậy dòng điện khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác là:

Ikđ = IdY =

3. Moment khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác (Y/Δ)

3.1. Moment quay của động cơ:

Sơ đồ mạch tương đương gần đúng của động cơ không đồng bộ như sau:

Ở chế độ động cơ điện, moment điện từ đóng vai trò moment quay được tính theo công thức sau:

Trong đó:

là tần số góc của dòng điện stator

P là số đôi cực từ

R1 là điện trở dây quấn stator

R2 là điện trở dây quấn rotor quy đổi về stator

X1 là điện kháng tản dây quấn stator

X2 là điện kháng tản dây quấn rotor quy đổi về stator

N1 là tốc độ từ trường quay

N là tốc độ động cơ

S= là hệ số trượt Với s=1 ta có moment mở máy động cơ là:

3.2. Moment khởi động của động cơ khi đấu sao(Y)

Động cơ không đồng bộ bap ha có moment khởi động Để khởi động được, moment khởi động động cơ phải lớn hơn moment cản của tải lúc khởi động, đồng thời moment động cơ phải đủ lớn để thời gian khởi động trong phạm vi cho phép

Với hệ số trượt s=1 , ta có moment khởi động của động cơ khi đâu sao là;

Do dòng khởi động IkdY nhỏ nên điện áp cũng nhỏ và moment khởi động MkdY giảm xuống Vì moment khởi động tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào động cơ

3.3. Moment khởi động của động cơ khi chuyển sang đấu tam giác: Kết thúc quá trình khởi động thì động cơ chuyển sang đấy tam giác ngay tức thì.Lúc này, dòng ddienj đi vào cuộn dây động cơ tăng lên tương đương với dòng điện định muwucs và điện áp cũng tăng theo.từ đó moment động cơ tăng lên rất nhanh và được tính theo công thức sau:

3.4. Moment khởi động của động cơ cần tìm là:

Lấy moment khở động của động cơ khi đau sao(Y) và moment khởi động của động cơ khi chuyển sang đấu tam giác Ta được kết quả như sau:

Vậy moment khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác là:

Mkd = MkdY =

4. Đặc tính cơ khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác:

4.1. Đặc tính cơ khởi động động cơ không đồng bộ ba pha:

Ta có hàm quan hệ moment theo hệ số trượt :

M= f(s) Thay ta sẽ có quan hệ n=f(M)

Và đây là đường đặc tính của động cơ không đồng bộ như giản

đồ sau :

Từ hình vẽ a) ta thấy động cơ sẽ làm việc khi moment mở máy (Mmở ) lớn hơn hoặc bằng moment cản (Mc) Vì khi động cơ được cấp điện thì xuất hiện moment mở máy và moment động cơ (M) xuất hiện sau đó, nhưng đến khi hệ số trượt s=1 thì động cơ bắt đầu khởi động Khi đọng cơ khởi động thì moment mở máy và moment động cơ giảm vì xuất hiện moment cản, do dó chúng ta cần xác định thời gian phù hợp để moment cản không lớn hơn moment động cơ

4.2. Đặc tính cơ khởi động động cơ đổi nối sao- tam giác(Y/Δ)

Do đây là phương pháp dùng cho những động cơ không đồng bộ

3 pha khi làm việc bình thường dây quấn stator nối hình tam giác nên cùng có đặc tính cơ tương tự

II. Các phần tử trong mạch khởi động sao- tam giác:

1. Aptomat 3 pha

Aptomat là một khí cụ điện dùng để tự động cắt mạch điện, bảo vệ quá tải ngắn mạch, sụt áp,… trong kỹ thuật thì nó được sử dụng để đóng cắt không thường xuyên các mạch làm việc ở chế độ bình thường

Ảnh: Aptomat MCCB của hãng Schneider

Chế độ làm việc định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa là trị số dòng điện định mức chạy qua aptomat lâu bao nhiêu cũng được

Aptomat phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn, có thể đến vài chục kilo Ampere (kA) Sau khi ngắt dòng điện ngắn mạch, aptomat phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điện định mức (Idm)

Để nâng tính ổn định nhiệt và điện động của các thiết bị điện, hạn chế

sự phá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra, aptomat phải có thời gian cắt nhỏ

Điều kiện để chọn Aptomat là: Iaptomat >=(1.25÷ 1.5) Iđm, vì vậy tính toán chọn lắp đặt trong thực tế phải dựa vào bất đẳng thức trên Chủ yếu dựa vào:

• Dòng điện tính toán đi trong mạch

• Dòng điện quá tải

• Tính thao tác có chọn lọc

2. Rơ le nhiệt:

Rơle nhiệt là loại khí cụ điện tự động đóng cắt tiếp điểm nhờ sự co dãn

vì nhiệt của các thanh kim loại

Ứng dụng: Rơle nhiệt thường dùng để bảo vệ quá tải cho các thiết bị điện Trong công nghiệp rơle nhiệt được lắp kèm với công tắc tơ

Phân loại Rơle nhiệt

• Theo kết cấu: Kiểu hở và kiểu kín.

• Theo yêu cầu sử dụng: Loại một cực và hai cực

• Theo phương thức đốt nóng: trực tiếp, gián tiếp

Ảnh:Một rơle nhiệt thực tế.

Đặc tính cơ bản của Role nhiệt là quan hệ giữa dòng điện phụ tải chạy qua và thời gian tác động của nó (gọi là đặc tính thời gian – dòng điện,

A - s) Mặt khác, để đảm bảo yêu cầu giữ được tuổi thọ lâu dài của thiết

bị theo đíng số liệu kỹ thuật đã cho của nhà sản xuất, các đối tượng bảo

vệ cũng cần đặc tính thời gian dòng điện

Chọn dòng điện định mức của Rơle nhiệt bằng dòng điện định mức của động cơ điện cần bảo vệ, Rơle sẽ tác động ở giá trị (1,2 ÷ 1,3)Iđm Bên cạnh, chế độ làm việc của phụ tải và nhiệt độ môi trường xung quanh phải được xem xét

3. Contactor:

Contactor là một khí cụ điện dùng để đóng ngắt các tiếp điểm, khi sử dụng contactor ta có thể điều khiển mạch điện từ xa

Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: nam châm điện, hệ thống dập hồ quang, hệ thông tiếp điểm (tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ)

Ảnh cấu tạo contactor.

Contactor 3 pha thực tế.

Hệ thống tiếp điểm của contactor trong tủ điện liên hệ với phần lõi từ

di động qua bộ phận liên động về cơ Tuỳ theo khả năng tải dẫn qua các tiếp điểm, ta có thể chia các tiếp điểm thành hai loại:

• Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua (từ 10A đến vài nghìn A, thí dụ khoảng 1600A hay 2250A) Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của contactor trong tủ điện làm mạch từ hút lại

• Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường hở Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong contactor ở

trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện) Tiếp điểm này hở ra khi contactor ở trạng thái hoạt động Ngược lại là tiếp điểm thường hở

Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính tủ điện điều khiển thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển của Contactor

Khi cấp nguồn trong tủ điện điều khiển bằng giá trị điện áp định mức của Contactor vào hai đầu của cuộn dây quấn trên phần lõi từ cố định thì lực từ tạo ra hút phần lõi từ di động hình thành mạch từ kín (lực từ lớn hơn phản lực của lò xo), Contactor ở trạng thái hoạt động Lúc này nhờ vào bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điẻm làm cho tiếp điểm chính đóng lại, tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (thường đóng sẽ mở ra, thường hở sẽ đóng lại) và duy trì trạng thái này Khi ngưng cấp nguồn cho cuộn dây thì Contactor ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu

4. Rơ le thời gian:

Rơ le thời gian là thiết bị có tiếp điểm (đóng lại hoặc mở ra) chậm hơn so với thời điểm nhận (được) tín hiệu điều khiển Có thể điều chỉnh độ trì hoãn về thời gian của RTG Dùng trong các sơ đồ bảo vệ

và tự động, trong những hệ thống điều khiển các quá trình công nghệ Rơle thời gian là có chức năng tạo ra thời gian duy trì cần thiết khi truyền tín hiệu từ một thiết bị này sang một thiết bị khác

Hiện nay tại trên thị trường bạn có thể dễ dàng tìm thấy các loại rơle thời gian sau: - Rơ le thời gian điện tử - Rơle thời gian cơ - Rơ le thời gian 24h : Với dòng timer tuần hoàn 24h, đơn giản về tính năng nên rơle thời gian 24h được sử dụng rất nhiều vào hệ thống chiếu sáng hoặc nhiều ứng dụng khác

Nguyên lý hoạt động: Khi cấp nguồn vào cuộn dây của Rơle thời gian ON DELAY, các tiếp điểm tác động không tính thời gian chuyển đổi trạng thái tức thời (thường đóng mở ra, thường mở đóng lại), các tiếp điểm tác động có tính thời gian không đổi Sau khoảng thời gian

đã định trước, các tiếp điểm tác động có tính thời gian sẽ chuyển trạng thái và duy trì trạng thái này Khi ngưng cấp nguồn vào cuộn dây, tất cả các tiếp điểm tức thời trở về trạng thái ban đầu