Khởi động động cơ sao tam giác Star-Delta

Máy nén khí trục vít quay cấp công nghiệp thường được điều khiển bởi động cơ điện không đồng bộ 3 pha. Những động cơ này có công suất từ ​​5 kW đến 1000 kW trở lên.

Do kích thước của những động cơ này, việc khởi động chúng có thể dẫn đến dòng điện tăng vọt, có thể kéo dài trong vài giây hoặc hơn.

Đối với máy nén khí nhỏ (< 5 kW), đây không phải là vấn đề – chúng ta có thể khởi động chúng trực tiếp bằng cách sử dụng hệ thống “Direct Online” hoặc DOL.

Đối với máy nén lớn hơn, mức đỉnh hiện tại quá cao. Dòng điện tăng vọt này là kết quả của tình trạng quá tải ‘ảo’ mà động cơ gặp phải khi khởi động.

Chúng ta cần hạn chế dòng điện để ngăn chặn cả động cơ, hệ thống cáp điện và các bộ phận điện khác trong hệ thống điện lưới của máy nén.

Hệ thống khởi động được sử dụng

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn các cách khác nhau được sử dụng trong máy nén khí (và bất kỳ máy công nghiệp nào có động cơ điện). Tôi sẽ giới hạn số lượng lý thuyết về nó và cho bạn thấy điều này thực sự trông như thế nào trong một máy nén khí công nghiệp ngoài đời thực.

Có nhiều hệ thống khởi động khác nhau được sử dụng:

• DOL (direct online)
• Bộ khởi động sao/tam giác (YD hoặc Wye-Delta)
• Khởi động mềm
• Frequency drive

Bộ khởi động DOL và Star-Delta sử dụng công tắc tơ cơ học đơn giản (rơle lớn) để khởi động động cơ. Bộ khởi động mềm và bộ truyền động tần số sử dụng vi điện tử tiên tiến để thay đổi điện áp và tần số trong quá trình khởi động nhằm giảm đáng kể dòng điện khởi động. (hãy coi softstarter như một ổ tần số siêu đơn giản, chỉ được sử dụng khi khởi động).

Trong bài viết này, tôi sẽ thảo luận ngắn gọn về phương pháp DOL và dành phần thời gian còn lại cho phương pháp Star-Delta, vì phương pháp này được sử dụng trong 95% (nếu không muốn nói là nhiều hơn) máy nén khí công nghiệp.

DOL / Trực tiếp trực tuyến

Với DOL, hay ‘trực tiếp trực tuyến’, động cơ được khởi động đơn giản bằng cách đóng công tắc tơ. Không có hệ thống khởi động đặc biệt tại chỗ.

Điều này làm cho phương pháp này chỉ phù hợp với động cơ điện nhỏ, thường dưới 5 kW.

Ví dụ về hệ thống DOL trong máy nén nhỏ

Sơ đồ điện cũng khá đơn giản. Nó bao gồm một công tắc tơ duy nhất (rơle lớn hoặc công tắc điều khiển bằng điện) được đóng lại bằng tín hiệu từ bộ điều khiển chính. Dòng khởi động của động cơ gấp khoảng 7 đến 9 lần dòng chạy danh định.

Ví dụ, động cơ 4 kW có dòng điện danh nghĩa khoảng 7 amp. Khi khởi động DOL, dòng điện sẽ đạt cực đại khoảng 50 – 60 amp.

Đỉnh hiện tại khởi động cho hệ thống DOL

Động cơ điện 3 pha

Trước khi tìm hiểu phương pháp khởi động Star-Delta, trước tiên chúng ta cần biết thêm một chút về động cơ điện công nghiệp 3 pha.

Động cơ không đồng bộ 3 pha chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng quay bằng từ trường quay. Từ trường được tạo ra với sự trợ giúp của các cuộn dây hoặc cuộn dây động cơ khác nhau. Những cuộn dây này được cố định/đứng yên ở phần bên ngoài của động cơ (stato).

Do nguồn điện 3 pha ‘quay’ (3 pha lệch nhau 120 độ), một từ trường quay được tạo ra. Rôto quay bên trong stato, với tốc độ (vòng/phút) thấp hơn một chút – đó là lý do tại sao chúng được gọi là động cơ ‘không đồng bộ’. Sự khác biệt giữa tốc độ của rôto và tốc độ của từ trường được gọi là ‘độ trượt’ và thường là vài phần trăm.

Những động cơ này có 3 cuộn dây/cuộn dây và 6 kết nối (2 kết nối trên mỗi cuộn dây). Chúng ta có thể nối các cuộn dây này theo 2 cách khác nhau vào mạng điện 3 pha:

• Sao – chúng ta gộp 3 kết nối lại với nhau và kết nối 3 kết nối còn lại với 3 pha.
• Delta – chúng tôi kết nối từng cuộn dây giữa hai pha – dẫn đến hai kết nối trên mỗi pha.

Thiết bị đầu cuối kết nối – động cơ này được kết nối ở Delta

Trong hình trên bạn có thể thấy 6 dây/kết nối. Hai cái được kết nối với nhau bằng các tấm liên kết. Trong ví dụ này, động cơ được nối dây cứng ở cấu hình delta. Nguồn 3 pha đến phải được kết nối với từng cặp. Nếu động cơ được kết nối theo cấu hình hình sao, chúng ta sẽ thấy các tấm kết nối ở một bên, tạo thành một điểm sao duy nhất.

Điện áp

Sự khác biệt giữa hai cách bố trí này là điện áp trên từng pha riêng lẻ. Điện áp cung cấp trong hệ thống điện công nghiệp điển hình là 400 volt (pha này sang pha khác).

Ở dạng delta , cuộn dây của động cơ được nối trực tiếp giữa các pha nên chúng ‘nhìn thấy’ 400 volt.

Ở dạng sao – mọi thứ phức tạp hơn một chút: điện áp giữa các pha (400 volt) được chia giữa hai cuộn dây (và cũng đi qua kết nối sao trung tâm) – điện áp thu được trên mỗi cuộn dây là 230 volt (400 volt / căn bậc hai của 3).

Kết nối Delta và Star

Điện áp thấp hơn trên mỗi cuộn dây này làm giảm dòng điện (và cả mô-men xoắn/công suất của động cơ). Bảng tên của động cơ công nghiệp sẽ cho bạn biết điện áp danh định khi được kết nối ở chế độ tam giác và/hoặc sao.

Ví dụ về bảng tên động cơ điện

Động cơ trong ví dụ này là động cơ 400/690 volt – nếu hệ thống điện của bạn là 4400 volt, bạn nên kết nối nó ở dạng delta. Nếu bạn có hệ thống 690 volt – bạn nên kết nối nó theo hình sao. (lưu ý rằng điện áp trên cuộn dây là như nhau trong cả hai trường hợp – trong cấu hình sao, điện áp trên cuộn dây là 690/sqr 3 = 400 volt).

Star/Delta

Quay lại hệ thống khởi động… Star/delta (YD) là hệ thống phổ biến nhất được triển khai trong máy nén khí hoặc trong các máy công nghiệp nói chung. Nó đơn giản, dễ hiểu, dễ khắc phục sự cố và không yêu cầu các thiết bị điện tử đắt tiền.

Với bộ khởi động YD, chúng tôi tận dụng điện áp trên mỗi cuộn dây thấp hơn khi động cơ được nối sao. Vì vậy, chúng tôi sử dụng một động cơ thường chạy ở chế độ tam giác, nhưng khởi động nó ở cấu hình sao.

Hãy nhớ rằng, động cơ trong ví dụ của chúng ta có điện áp danh định là 400 ở dạng tam giác và 690 ở dạng sao. Nếu chúng ta có nguồn điện 400 volt và chúng ta kết nối động cơ này theo hình sao – về cơ bản chúng ta kết nối động cơ 690 volt với nguồn điện 400 volt. Điều này làm giảm dòng khởi động đi 3 lần.

Sau một khoảng thời gian nhất định, khi động cơ đã có thời gian đạt đến tốc độ nhất định, chúng tôi sẽ tự động chuyển sang cấu hình delta.

Dòng khởi động sao delta

Động cơ 100 kW có dòng điện danh định khoảng 170 amp – tức là trong điều kiện hoạt động bình thường.

Sử dụng phương pháp DOL, dòng khởi động sẽ vào khoảng 1250 amp (!!). Khi sử dụng bộ khởi động sao-tam giác, dòng khởi động được giới hạn ở khoảng 1/3 lượng đó, hoặc khoảng 415 amp.

Thiết lập điển hình của bộ khởi động sao-tam giác

Ở đây chúng ta thấy một thiết lập điển hình của bộ khởi động sao-tam giác:

*Thiết lập điển hình của bộ khởi động sao-tam giác. Có 6 dây cáp đi vào động cơ (màu trắng, ở phía dưới)

Công tắc tơ chính

Hệ thống luôn bao gồm 3 contactor chính (relais lớn) có cấu hình điển hình dễ nhận biết. 3 contactor là:

• Công tắc tơ chính/đường dây
• Công tắc tơ Delta
• Công tắc tơ sao

Star

Khi khởi động, công tắc tơ chính và công tắc tơ được cấp điện. Chúng ta có thể nhận biết được contactor hình sao vì một mặt của nó tất cả các kết nối đều được kết nối với nhau.

Dòng điện trong ngôi sao

Delta

Khi chuyển từ sao sang tam giác, công tắc tơ hình sao mở ra và công tắc tơ tam giác đóng lại.

Dòng chảy ở đồng bằng

Thời gian từ khi khởi động đến khi chuyển từ sao sang tam giác là từ 3 đến 15 giây – tùy thuộc vào kích thước của máy nén/động cơ.

Hệ thống điều khiển

Để làm cho hệ thống YD hoạt động, chúng ta cần một hệ thống điều khiển nhỏ – cả về tính thời gian và thực hiện chuyển đổi cũng như đảm bảo không xảy ra đoản mạch. Điều không bao giờ nên xảy ra là các công tắc tơ hình sao và tam giác đóng cùng một lúc. Về cơ bản, điều này sẽ tạo ra một sự đoản mạch lớn – vì thực ra chúng ta chỉ đơn giản là kết nối trực tiếp 3 pha với nhau.

Các tiếp điểm phụ và rơle hẹn giờ

Để ngăn chặn điều này, mọi hệ thống sao-tam giác đều có một số tiếp điểm bổ sung (một loại hệ thống điều khiển thu nhỏ) để ngăn điều này xảy ra.

Những tiếp điểm này được gọi là ‘tiếp điểm phụ’. Chúng mở và đóng cùng lúc với các tiếp điểm chính nhưng hoàn toàn tách biệt. Các tiếp điểm phụ đôi khi được tích hợp sẵn trong công tắc tơ, nhưng thường thuộc loại bấm vào (bạn có thể “bấm vào” một hoặc nhiều tiếp điểm phụ vào công tắc tơ chính).

Bằng cách định vị thông minh các tiếp điểm phụ này trên đường đi của đường dây điều khiển đến công tắc tơ khác – chúng tôi ngăn không cho chúng đóng cùng lúc – mãi mãi. Việc chuyển đổi được điều khiển bởi rơle hẹn giờ. Bộ hẹn giờ được kích hoạt khi contactor chính đóng lại. Sau một khoảng thời gian đã đặt (giây), rơle hẹn giờ sẽ mở công tắc tơ hình sao và đóng công tắc tơ tam giác.

Máy nén khí có bộ điều khiển trung tâm đôi khi có bộ hẹn giờ và logic an toàn này được lập trình trong bộ điều khiển – các tiếp điểm phụ được sử dụng làm đầu vào cho bộ điều khiển trung tâm – vì vậy nó có thể ngăn ngừa đoản mạch xảy ra và nó có thể cảm nhận được khi có sự cố (ví dụ: ví dụ như một công tắc tơ không đóng, khi cần thiết).

Đây là hệ thống điều khiển điển hình của bộ khởi động động cơ sao-tam giác:

Các tiếp điểm phụ trong hệ sao-tam giác

Như bạn có thể thấy, khi công tắc tơ hình sao được cấp điện, tiếp điểm phụ sẽ mở ra (6-16) – điều này ngăn công tắc tơ tam giác đóng cùng lúc (trong trường hợp có sự cố). Điều tương tự cũng đúng đối với công tắc tơ hình sao – khi công tắc tơ tam giác đóng, tiếp điểm phụ 42-15 mở ra, ngăn không cho công tắc tơ hình sao đóng lại.