Khởi động mềm là gì? Cấu tạo và ứng dụng của khởi động mềm

Các phương pháp khởi động động cơ

Thời gian khởi động động cơ, dòng khởi động và quá trình quá độ
Thời gian khởi động động cơ là khoảng thời gian từ khi nguồn điện được nối với động cơ đến khi động cơ tăng tốc đến hết tốc độ. Độ dài của khoảng thời gian bắt đầu phụ thuộc vào sự kết hợp của động cơ và tải trọng cơ học, và nó có thể dài từ một phần giây đến 30 giây hoặc lâu hơn.

Cần có mức dòng điện cao trong giai đoạn khởi động, và chúng có thể gây ảnh hưởng bất lợi đến hệ thống cung cấp điện và các thiết bị khác được kết nối với nó. Thời gian bắt đầu quá độ phụ thuộc vào đặc tính tải và thời gian động cơ chạy đến tốc độ
định mức.

Hình dưới đây minh họa những gì xảy ra trong quá trình khởi động động cơ. Trong thời gian khởi động, dòng điện lớn hơn đáng kể so với dòng điện chạy đầy tải bình thường của động cơ được tạo ra, từ trường bên trong động cơ và EMF tăng trở lại và tải cơ học tăng tốc. Dòng khởi động có thể cao gấp 5-8 lần dòng đầy tải (định mức).

Khởi động trực tiếp DOL

Là phương pháp khởi động đơn giản nhất, chỉ việc đóng động cơ điện vào lưới điện với điện
áp thích hợp là được:

Ưu điểm:
• Mở máy nhanh.
• Thiết bị khởi động đơn giản -> giá thành rẻ
• Mômen khởi động lớn (0,6 đến 1,5).Tn
Nhược điểm:
• Dòng khởi động động cơ lớn (gấp 5-8xIn) -> ảnh hưởng bất lợi tới nguồn điện.
• Nếu quán tính của tải lớn, thời gian khởi động kéo dài -> gây sụt áp trên lưới, làm động cơ nóng nên.
• Sốc và hao mòn cơ khí khi khởi động
Ứng dụng:
Các máy truyền động, máy công cụ công suất nhỏ, thường khởi động có tải.

Khởi động sao-tam giác S/D

Đặc điểm:
Động cơ ban đầu động cơ chạy ở chế độ nối dây kiểu sao (Y) sau một thời gian sẽ chuyển sang chế độ nối dây kiểu tam giác (Δ)
Ưu điểm
• Dòng, mômen khởi động bằng 1/3 lần so với khởi động trực tiếp
• Chi phí không quá cao, vận hành và lắp đặt dễ dàng
Nhược điểm
• Đối với động cơ lớn khi dừng đột ngột dễ phá hỏng các thành phần cơ khí
• 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.
• Momen tải cao hơn 50% momen danh định của động cơ sẽ không thể sử dụng khởi động bằng đổi nối sao-tam giác.
Ứng dụng:
• Áp dụng cho những động cơ khi làm việc đấu tam giác.
• Động cơ chạy không tải hoặc tải nhỏ (bơm ly tâm, quạt...)

Lưu ý: Với điện lưới 3P, 380V (hoặc 400V), động cơ phải có thông số Δ/Y là 380/660V (hoặc 400/690V) thì mới dùng được phương pháp này, lưu ý khi ký hiệu Y/ Δ là 220/380 thì chúng ta không dùng khởi động Y/D được.

Khởi động bằng khởi động mềm

Đặc điểm:
• Tăng dần điện áp theo một đường tuyến tính từ một giá trị được xác định Us đến một điện áp định mức Un. Do vậy làm giảm dòng khởi động và làm gia tốc của động cơ không bị tăng đột ngột và đồng thời hạn chế được sụt áp của máy biến áp khi động cơ khởi động.
• Khi 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.

Ưu điểm:
• Hạn chế dòng khởi động đồng thời điều chỉnh momen mở máy một cách hợp lý -> chỉnh tốc độ động cơ khi khởi động rất mịn và êm
• Hiện nay, hầu như tất cả các khởi động mềm đều có tích hợp sẵn các chức năng bảo vệ động cơ.
• Có chức năng dừng mềm như biến tần, nó loại trừ được các hiện tượng xấu như xung áp lực nước, áp suất tăng vọt trong hệ thống bơm và tránh các hư hỏng cho các vật liệu dễ vỡ khi được tải trên băng chuyền, làm tăng tuổi thọ các chi tiết truyền dẫn lực.
• 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 xoắn
(Torque Control) nhằm giảm lực và dừng động cơ theo cách tối ưu nhất để tránh hoàn toàn hiện tượng búa nước. 

Nhược điểm của phương pháp khởi động này là giá thành cao hơn hai phương pháp khởi động trên.

Cấu tạo và ứng dụng của khởi động mềm

Nguyên lý hoạt động của khởi động mềm

• Cấu tạo của khởi động mềm gồm 3 cặp thyristor (SCR) đấu song song ngược. Ở trạng thái ngắt điện, thyristor ngăn không cho dòng điện chạy qua, khi ở trạng thái mở, thyristo mở dần góc kích (góc mở của các van bán dẫn) cho phép dòng điện chạy qua từ từ, động cơ bắt đầu khởi động và tăng tốc dần. Điện áp được điều khiển bằng cách điều khiển góc mở của van. Khi van mở hoàn toàn, điện áp đạt đến giá trị điện áp định mức và lúc đó động cơ sẽ đạt đến tốc độ tối đa cho phép. 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.
• Khi động cơ đạt đến tốc độ định mức, contactor bypass trong khởi động mềm được đóng lại, hệ thống tự động bypass qua điện lưới mà không qua bộ thyristor.
Lưu ý: Tất cả các dòng khởi động mềm 3RW của Siemens đều tích hợp Contactor Bypass bên trong.

Cấu tạo của hoạt động của khởi động mềm

① Kết nối mạch chính (nguồn điện)
② Khe cắm cho Màn hình (HMI 3RW5) tiêu chuẩn hoặc nâng cao (phụ kiện)
③ Cổng kết nối màn hình (phụ kiện)
④ Cài đặt tham số khởi động và bảo vệ (điều chỉnh bằng biến trở hay bằng màn hình tùy dòng sản phẩm)
⑤ Phím MODE
⑥ Khe cắm cho mô-đun truyền thông 3RW5 (phụ kiện) như Modbus, Profibus, Profinet,…
⑦ Chỉ dẫn mặt cắt dây dẫn có thể kết nối
⑧ Tỷ lệ cài đặt dòng Ie
⑨ Đèn LED báo trạng thái/lỗi và phím RESET
⑩ Lỗ kẹp chì
⑪ Kết nối mạch chính (động cơ)
⑫ Đầu nối tín hiệu điều khiển (đầu vào / đầu ra)
⑬ Nắp che cáp điều khiển

Các chức năng của khởi động mềm

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. 

Dừng mềm (soft stopping):

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 1-20s tuỳ thuộc vào yêu cầu. Điện áp ban đầu cho dừng mềm Udừng = 0,9Un và điện áp cuối quá trình Udc vào khoảng 0,85 điện áp ban đầu. 

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, việc giảm điện áp do đó làm giảm dòng điện.

Lưu ý: tùy từng dòng khởi động mềm mà có các chức năng bổ sung/nâng cao hay không.

Làm sạch bơm (Pump cleaning):

Bộ khởi động mềm bắt đầu chức năng làm sạch, trong đó bộ khởi động mềm khởi động động cơ thuận trong vài giây và sau đó hướng
quay được thay đổi theo chiều ngược lại cũng trong vài giây. Quá trình này sau đó được lặp lại nhiều lần (do người dùng xác định).

Tự động điều chỉnh thông số cài đặt (Autoparameterization):

Bộ khởi động mềm có chức năng tự dạy (self-teaching) lựa chọn các tham số cài đặt để dòng khởi động của ứng dụng được duy trì ở mức thấp nhất có thể đạt được thời gian tăng tốc mong muốn và đảm bảo khởi động thành công.

Lưu ý: tùy từng dòng khởi động mềm mà có các chức năng bổ sung/nâng cao hay không.

Giám sát trạng thái hoạt động (Condition Monitoring - CM):

Chức năng CM giám sát trạng thái của ứng dụng hoàn chỉnh được điều khiển bởi động cơ, để có thể phát hiện sự hao mòn có thể có của máy và lên kế hoạch trước cho công việc bảo trì tương ứng.

Đảo chiều quay ở tốc độ tối đa (Reversing operation at full speed):

Hoạt động đảo chiều cho phép người dùng có khả năng điểu khiển ứng dụng tiến và lùi ở tốc độ tối đa, với sự kết hợp của hai công tắc tơ bên ngoài (hoặc kết hợp đảo chiều) mà không cần bộ điều khiển bên ngoài / bổ sung.

Ứng dụng thực tế của khởi động mềm

• Động cơ điện cho chuyên chở vật liệu.
• Động cơ bơm.
• Động cơ vận 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 ép, máy khuấy, máy dệt …)
Ngoài ra, khởi đồng mềm còn tích hợp bảo vệ nhiệt cho động cơ, bảo vệ máy móc quá tải, non tải với ngưỡng bảo vệ và khoảng thời gian được điều chỉnh, bảo vệ các rotor của động cơ khi đảo chiều quay của các động cơ.