Bài giảng Máy điện - Chương 2: Các phương pháp khởi động động cơ

Chương 2:
CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỞI ĐỘNG ĐỘNG CƠ
2.1. Quá trình mở máy động cơ điện không đồng bộ
Trong quá trình mở máy động cơ điện, mômen mở máy là đặc tính chủ
yếu nhất trong những đặc tính mở máy của động cơ điện .Muốn cho máy quay
được thì mômen mở máy của động cơ điện phải lớn hơn mômen tải tĩnh và
mômen ma sát tĩnh .Trong quá trình tăng tốc, phương trình cân bằng động về
mômen như sau :
M – Mc = Mj =J (1)
Trong đó: M là mômen điện từ;
Mc là mômen cản;
Mj là mômen quán tính;
J = là hằng số quán tính;
g = 9,81,m/s2 là gia tốc trọng trường ;
G và D là trọng lượng và đường kính phần quay;
w là tốc độ góc của rôto.
Khi đã biết đặc tính cơ của động cơ điện M = f1 (n) và của tải Mc = f2(n) thì
có thể từ công thức (1) tìm ra quan hệ giữa tốc độ và thời gian n = f(t) trong quá
trình mở máy.
Cũng từ biểu thức trên ta thấy muốn đảm bảo tốc độ thuận lợi, trong
quá trình mở máy phải giữ > 0 nghĩa là M > Mc.
Với một quán tính như nhau, M – Mc càng lớn thì tốc độ càng nhanh Ngược lại
những máy có quán tính lớn thì thời gian mở máy càng lâu .
Đối với trường hợp có yêu cầu mở máy nhiều lần thì thời gian mở máy
ảnh hưởng nhiều tới năng suất lao động.
Khi bắt đầu mở máy thì rôto đang đứng yên, hệ số trượt s = 1 nên trị số
dòng điện mở máy có thể tính được theo mạch điện thay thế :
Ik = (2)
Trên thực tế , do mạch từ tản bão hòa rất nhanh điện kháng giảm xuống nên
dòng điện mở máy còn lớn hơn so với trị số tính theo công thức (2) .Ở điện áp
định mức, thường dòng điện mở máy bằng 4 đến 7 lần dòng điện định mức.
Dòng điện quá lớn không những làm cho bản thân máy bị nóng mà con làm cho
điện áp lưới sụt giảm nhiều, nhất là với những lưới điện có công suất nhỏ .
2.2.Các phương pháp mở máy
Theo yêu cầu của sản xuất , động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc
thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần . tùy theo tính chất của tải và
tình hinh của lưới điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác
nhau . Có khi yêu cầu mômen mở máy lớn , có khi cần hạn chế dòng điện mở
máy và có khi cần cả hai .Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính
năng mở máy thích ứng .
Trong nhiều trường hợp , do phương pháp mở máy hay chọn động cơ
điện có tính năng mở máy không thích đáng nên thường dẫn đến hỏng máy .
Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản
sau:
1: Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với những đặc tính cơ của tải;
2: Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt;
3: Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng phải đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn;
4: Tổn hao công suât trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt
Những yêu cầu trên thường mâu thuẫn với nhau như khi đòi hỏi dòng
điện mở máy nhỏ thì thường làm cho mômen mở máy giảm theo hoặc cần thiết
bị đắt tiền .Vì vậy phải căn cứ vào điều kiện làm việc cụ thể mà chon phươnh
pháp mở máy thích hợp.
2.2.1. Khởi động động cơ điện rôto lồng sóc
1. Khởi động trực tiếp
Đây là phương pháp mở máy đơn giản nhất, chỉ việc đóng trực tiếp động cơ
điện vào lưới điện là được (hình 2.1). Nhưng lúc mở máy trực tiếp, dòng điện
máy tương đối lớn. Nếu quán tính của tải tương đối lớn, thời gian mở máy quá
dài thì có thể làm cho máy nóng và ảnh hưởng đến điện áp của lưới điện .
Nhưng nếu nguồn tương đối lớn thi nên dung phương pháp này vì mở máy
nhanh và tương đối đơn giản.
Ưu điểm: Phương pháp này rất đơn giản. Thiết bị đóng cắt, bảo vệ đơn giản,
thao tác nhanh gọn . Hơn nữa phương pháp này có mômen mở máy lớn cho nên
thời gian khởi động nhanh .
Nhược điểm: phương pháp này có dòng điện mở máy lớn cho nên cần công suất
nguồn cung cấp cho động cơ là lớn. Nếu công suất nguồn cấp là nhỏ dẫn đến sụt
áp lớn có thể không khởi động được động cơ .
Phương pháp này được áp dụng đối với các động cơ có công suất nhỏ và trung
bình .
Hình 2.1 :Khởi động trực tiếp
2. Khởi động gián tiếp
Mục đích của phương pháp này là giảm dòng điện mở máy nhưng đồng
thời mômen mở máy cũng giảm xuống, do đó đối với những tải yêu cầu có
mômen mở máy lớn thì phương phap này không dùng được .Tuy vậy đối với
những thiết bị yêu cầu mômen mở máy nhỏ thì phương pháp này rât thích hợp.
a. Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato
Khi mở máy trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện kháng .Sau khi mở may
song bằng cách đóng cầu dao D2 (Hinh2.2) thì điện kháng này bị nối ngắn
mạch. Điều chinh trị số của điện kháng thì có thể có được dòng điện mở máy
cần thiết .Do có điện áp giáng trên điện kháng nên điện áp mở máy trên đầu cực
động cở điện U’k sẽ nhỏ hơn điện áp lưới U1 (Hình 2.2) .
Gọi: dòng điện mở máy khi mở máy trực tiếp là Ik
mômen mở máy khi mở máy trực tiếp Mk.
Sau khi thêm điện kháng vào, dòng điện mở máy còn lại I’k = k Ik’ trong
đó k< 1.
Nếu cho rằng khi hạ điện áp mở máy, tham số của máy điện vẫn giữ không đổi
thì khi dòng điện mở máy nhỏ đi, điện áp đầu cực động cơ sẽ bằng:
U’k=kU1.
Vì mômen mở máy tỉ lệ với bình phương của điện áp nên lúc đó mômen mở
máy bằng:
M’k = k Mk’.
Ví dụ: nối điện kháng vào phần ứng với k = 0,6 thì I’k = 0,6Ik và
M’k = 0,36Mk, nghĩa là chỉ bằng 0,36 lần mômen mở máy lúc Uđm.
Ưu điểm: của phương pháp này là thiết bị đơn giản
Nhược điểm: là làm giảm dòng điện mở máy thì mômen giảm xuống bình
phương lần.
Phương pháp này dùng trong động cơ có công suất nhỏ và trung bình .
Hình 2.2: Khởi động bằng điên kháng
b. Dùng biến áp tự ngẫu hạ điện áp mở máy
Sơ đồ mở máy như ỏ hình 2.3 trong đó TN là biến áp tự ngẫu ,bên cao
áp nối với lưới điện , bên hạ áp nối với động cơ điện. Trước khi khởi động :Cắt
CD2 và đóng CD3 MBA TN để ở vị trí điện áp đặt vào động cơ khoảng
(0.6÷0.8)Uđm Đóng CD1 để nối dây quấn stato vào lưới điện thông qua MBA
TN sau khi động cơ quay ổn định đóng cầu dao CD2 và mở cầu dao CD3ra. Gọi
tỉ số biến đổi điện áp của biến áp tự ngẫu là kT (kT<1) thì U’k = kTU1. do đó
dòng điện mở máy và mômen mở máy của động cơ điện sẽ là:
I’k = kTIk
M’k = k2TMk.
Gọi dòng diện lấy từ lưới vào là I1 (dòng điện sơ cấp của máy biến áp tự ngẫu)
thì dòng điện đó bằng:
I1 = kTIk = k2T I’k.
So với phương pháp trên ta thấy, khi chọn kT = 0,6 thì mômen mở máy vẫn
bằng M’k = 0,36Mk nhưng dòng điện mở máy lấy từ lưới vào nhỏ hơn nhiều:
I1 = k2T Ik = 0,36Ik.
Ngược lại khi lấy từ lưới vào một dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy
của phương pháp trên thì với phương pháp này ta có mômen mở máy lớn hơn
Ưu điểm: dùng biến áp tự ngẫu đảm bảo mômen mở máy lớn nhất ở một giới
hạn dòng điện đã cho do đó quy trình mở máy diễn ra nhanh.hơn .Phương pháp
này rất ít hao phí điện năng và có hiệu suất đạt cao hơn.
Nhược điểm: dùng biến áp có giá thành cao, không kinh tế.
Hình2.3. khởi động bằng biến áp tự ngẫu
c. Mở máy bằng phương pháp đổi nối Y-∆
Phương pháp mở máy Y-∆ thích ứng với những máy khi làm việc bình
thường đấu tam giác .Khi mở máy ta đổi thành Y, như vậy điện áp dưa vào hai
đầu mỗi pha chỉ còn U1/ .Sau khi máy đã chạy rồi, đấu lại thành cách đấu tam
giác. Sơ đồ đấu dây như ở hình2.4, khi mở máy thì đóng cầu dao D1, còn cầu
dao D2 thì đóng về phía dưới, như vậy máy đấu Y. khi máy đã chạy rồi thì đóng
cầu dao D2 về phía trên, máy đấu theo tam giác. Theo phương pháp Y - ∆ thì
khi dây quấn đấu Y, điện áp pha trên dây quấn là:
Ukf = U1
I’kf = Ik
Ta có:
M’k = Mk
Do khi đấu Y để mở máy thì dòng điện 3 pha bằng dòng điện dây mà khi mở
máy trực tiếp thì máy đấu tam giác (khi ấy Ukf = U1 và Ik = Ikf) cho nên khi mở
máy đấu Y thì dòng điện bằng:
I1 = I’kf = Ikf = Ik
Nghĩa là dòng điện và mômen mở máy đều bằng 1/3 dòng điện và mômen khi ở
máy trực tiếp .trên thực tế trường hợp này tương tự như dùng một biến áp tự
ngẫu để mở máy mà tỷ số biến đổi điện áp kT = .
Phương pháp mở máy Y - ∆ tương đối đơn giản nên được dùng rộng rãi đối với
những động cơ điện khi làm việc đấu tam giác.
Ưu điểm: phương pháp này khởi độn đơn giản, dùng với thiết bị đóng cắt thông
thường.
Nhược điểm: mômen khởi động giảm đi 3 lần không thích hợp cho máy yêu cầu
mômen khởi động lớn. Sự thay đổi dòng điện đột ngột khi chuyển từ mạch Y
sang ∆ có thể làm bộ bảo vệ tác động .Khi đổi nối có khoảng thời gian dòng
điện bị gián đoạn.
Hình2.4. Khởi động đổi nối Y - ∆
2.2.2 Khởi động động bằng cách thêm điện trở phụ vào rôto
Phương pháp này chỉ thích dụng với những động cơ điện rôto dây quấn
vì đặc điểm của loại động cơ này là có thể thêm điện trở vào cuộn dây rôto
Để mở máy động cơ điện không đồn bộ rôto dây quấn, người ta giảm dòng điện
trực tiếp trong rôto .
Khi khởi động dây quấn rôto được mắc nối tiếp với các điện trở phụ Rpk (hình
2.5) .Đầu tiên K1 và K2 mở, động cơ khởi động qua điện trở phụ lớn nhất, sau
đó đóng K1 rồi K2 giảm dần điện trở phụ về không . Khi tốc độ động cơ gần
bằng tốc độ định mức, ta loại điện trở phụ ra khỏi mạch rôto . Đường đặc tính
mômen ứng với các điện trở phụ khởi động Rp1 và Rp2 (Hình 2.5 b) . Lúc khởi
động n = 0 thì s =1 Muốn mômen khởi động Mk = Mmax thì sth = 1
sth =
Từ đó xác định được điện trở khởi động ứng với mômen khởi động
Mk = Mmax .
Khi có Rpk dòng điện khởi động là
IKp=
Nhờ có IKp nên có được ưu điểm:
+có thể đạt 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: +điện trở phụ tiêu thụ năng lượng của nguồn nên làm cho
tổn
hao tăng.
+rôto dây quấn chế tạo phức tạp hơn rôto lồng sóc nên đắt
hơn
+việc bảo quản rôto dây quấn cũng khó khăn hơn .
+hiệu suất của máy cũng thấp hơn rôto lồng sóc .
Hình 2.5.Khởi động động cơ rôto dây quấn
Hình 2.5b : Đặc tính mômen