1.Giới thiệu về Bộ truyền động xoay chiều (Bộ truyền động có tần số thay đổi) Trong lĩnh vực kiểm soát công nghiệp hiện đại và ......
ĐỌC THÊMA khởi động mềm trung thế là một thiết bị điều khiển động cơ điện tử được thiết kế để tăng dần điện áp cung cấp cho động cơ cảm ứng xoay chiều trung thế trong quá trình khởi động, kiểm soát mô-men xoắn tăng tốc và hạn chế dòng điện khởi động có thể tăng vọt qua động cơ và hệ thống điện được kết nối khi sử dụng khởi động trực tiếp. Điện áp trung bình trong bối cảnh này đề cập đến điện áp cung cấp thường từ 2,3 kV đến 13,8 kV, bao gồm phạm vi hoạt động của động cơ công nghiệp lớn được sử dụng trong máy bơm, máy nén, quạt, băng tải, máy nghiền và các thiết bị hạng nặng khác trong các ngành công nghiệp như dầu khí, khai thác mỏ, xử lý nước, sản xuất điện và sản xuất xi măng.
Nguyên lý hoạt động cốt lõi của bộ khởi động mềm MV dựa trên các cặp thyristor chống song song (SCR - bộ chỉnh lưu điều khiển bằng silicon) được nối nối tiếp với từng pha của nguồn điện động cơ. Bằng cách kiểm soát góc mở của các thyristor này - tức là điểm chính xác trong mỗi chu kỳ điện áp xoay chiều mà tại đó thyristor được kích hoạt để dẫn điện - bộ khởi động mềm sẽ kiểm soát tỷ lệ điện áp cung cấp được cấp cho động cơ tại bất kỳ thời điểm nào. Khi bắt đầu trình tự khởi động, góc đánh lửa được thiết lập để cung cấp điện áp ban đầu thấp, hạn chế cả mômen khởi động và dòng điện khởi động. Khi quá trình khởi động diễn ra, góc mở được nâng cao dần để cung cấp điện áp tăng dần cho đến khi điện áp toàn đường được cấp và các thyristor được bỏ qua - bên trong bằng một công tắc tơ rẽ nhánh tích hợp hoặc bên ngoài bằng một mạch rẽ nhánh riêng biệt - cho phép động cơ chạy hết hiệu suất mà không có thyristor gây ra tổn hao trong mạch chạy.
Trường hợp sử dụng bộ khởi động mềm động cơ trung áp thay vì bộ khởi động trực tiếp hoặc phương pháp khởi động giảm điện áp khác sẽ trở nên rõ ràng khi bạn xem xét quy mô của lực điện và cơ khí liên quan đến việc khởi động động cơ MV lớn. Một động cơ cảm ứng trung áp trong khoảng từ 500 kW đến vài megawatt có thể tiêu thụ dòng điện đầy tải gấp sáu đến tám lần khi khởi động trực tiếp - một xung điện kéo dài vài giây và gây ra áp lực nghiêm trọng lên cuộn dây động cơ, các bộ phận cơ khí của thiết bị được dẫn động và mạng lưới cung cấp điện cho động cơ.
Trên mạng điện yếu hoặc bị cô lập — chẳng hạn như khu công nghiệp ở xa, giàn khoan ngoài khơi hoặc cơ sở được cung cấp bởi thế hệ chuyên dụng — dòng điện tăng vọt này gây ra sụt áp đáng kể ảnh hưởng đến các thiết bị khác được kết nối với cùng một bus. Trong các cơ sở được kết nối với lưới điện, việc khởi động với cường độ cao lặp đi lặp lại sẽ góp phần gây ra các vấn đề về chất lượng điện và có thể gây ra các thiệt hại về tiện ích hoặc hạn chế về khả năng cung cấp. Cú sốc cơ học liên quan đến mô-men xoắn khởi động cao khi khởi động trực tiếp cũng làm tăng tốc độ mài mòn trên khớp nối, hộp số, bộ truyền động dây đai và bản thân tải dẫn động, làm tăng tần suất bảo trì và chi phí ngừng hoạt động ngoài dự kiến trong suốt thời gian sử dụng của thiết bị.
Bộ khởi động mềm trung áp giải quyết đồng thời cả hai vấn đề. Bằng cách kiểm soát độ dốc điện áp trong khi khởi động, chúng giới hạn dòng điện khởi động cực đại ở mức bội số có thể lập trình của dòng điện đầy tải — thường gấp 2,5 đến 4 lần dòng điện đầy tải thay vì 6 đến 8 lần — và chúng áp dụng mô-men xoắn tăng dần lên hệ thống truyền động cơ khí, loại bỏ tải sốc liên quan đến việc khởi động ngang hàng. Đối với một số loại tải nhất định - đặc biệt là máy bơm và quạt ly tâm - chức năng dừng mềm được điều khiển cũng có giá trị như nhau, cho phép động cơ giảm tốc êm ái thay vì dừng đột ngột, giúp ngăn cản hiện tượng búa nước trong hệ thống đường ống và giảm căng thẳng cơ học trong quá trình giảm tốc.
Không phải tất cả các bộ khởi động mềm trung áp đều được chế tạo theo cùng một cách và sự khác biệt về cấu trúc liên kết bên trong cũng như phương pháp thiết kế có ý nghĩa thực tế đối với hiệu suất, độ phức tạp của việc lắp đặt, độ méo sóng hài và tính phù hợp cho các ứng dụng khác nhau. Việc hiểu rõ các cấu hình chính giúp các kỹ sư xác định được sản phẩm phù hợp với yêu cầu của mình.
Cấu trúc liên kết khởi động mềm MV đơn giản nhất đặt các cặp thyristor nối tiếp trực tiếp với các dây dẫn cấp nguồn cho động cơ ở phía trung áp, với một công tắc tơ rẽ nhánh giúp đoản mạch các thyristor khi động cơ đạt tốc độ tối đa. Cấu hình nội tuyến này đơn giản về mặt cơ học và trực tiếp bằng điện, nhưng nó yêu cầu thyristor, mạch điều khiển cổng và các thành phần bảo vệ liên quan phải được định mức ở mức điện áp trung bình đầy đủ — điều này làm tăng độ phức tạp và chi phí của cụm nguồn, đặc biệt ở điện áp trên 6 kV, nơi cần có các ngăn xếp thyristor nối tiếp hoặc các thiết bị thyristor điện áp cao. Bộ khởi động mềm MV nội tuyến đã có uy tín trên thị trường và là cấu hình vượt trội cho điện áp lên đến xấp xỉ 6,6 kV.
Cấu trúc liên kết kết nối tam giác bên trong đặt các mô-đun thyristor điện áp thấp hơn bên trong cuộn dây tam giác của động cơ được kết nối tam giác, thay vì trong đường dây cung cấp chính. Bởi vì điện áp trên mỗi cuộn dây của động cơ nối tam giác là điện áp pha chứ không phải điện áp lưới, nên các thyristor trong bố trí tam giác bên trong chỉ cần xử lý một phần điện áp toàn bộ các dây - cụ thể là 1/√3 của điện áp dây. Điều này cho phép sử dụng các thiết bị thyristor có điện áp thấp hơn, chi phí thấp hơn trong khi vẫn cung cấp khả năng điều khiển khởi động mềm hoàn toàn cho động cơ. Cấu trúc liên kết delta bên trong cũng dẫn đến độ méo sóng hài trên mạng cung cấp thấp hơn so với kết nối toàn tuyến, vì việc chuyển mạch thyristor xảy ra bên trong động cơ chứ không phải trực tiếp trên đường dây. Hạn chế là cấu trúc liên kết này chỉ áp dụng cho động cơ được kết nối tam giác và yêu cầu quyền truy cập vào hộp đầu cuối của động cơ để kết nối bên trong.
Một số thiết kế bộ khởi động mềm MV sử dụng máy biến áp giảm áp để giảm điện áp trung thế xuống mức thấp hơn mà tại đó có thể sử dụng công nghệ thyristor điện áp thấp tiêu chuẩn, với điện áp điều khiển sau đó được tăng trở lại thông qua máy biến áp nối tiếp trước khi cấp vào động cơ. Cách tiếp cận này tận dụng sự hoàn thiện và hiệu quả về mặt chi phí của công nghệ thyristor điện áp thấp, nhưng các máy biến áp bổ sung sẽ làm tăng thêm kích thước, trọng lượng, chi phí và tổn thất điện năng so với thiết kế thyristor MV trực tiếp. Kiến trúc dựa trên máy biến áp phổ biến hơn ở các thế hệ khởi động mềm MV trước đây và ít phổ biến hơn trong các thiết kế sản phẩm hiện tại, mặc dù chúng vẫn giữ được những lợi thế ứng dụng trong một số trường hợp chuyên biệt nhất định.
Việc chỉ định bộ khởi động mềm trung áp cho một ứng dụng đòi hỏi phải hiểu một bộ thông số kỹ thuật xác định cả khả năng của thiết bị cũng như khả năng tương thích của thiết bị với động cơ và hệ thống mà thiết bị sẽ điều khiển. Các thông số kỹ thuật sau đây là quan trọng nhất để đánh giá và so sánh giữa các sản phẩm khác nhau.
| Đặc điểm kỹ thuật | Phạm vi / Giá trị điển hình | Những gì nó quyết định |
| Đánh giá điện áp | 2,3 kV, 3,3 kV, 4,16 kV, 6 kV, 6,6 kV, 10 kV, 11 kV, 13,8 kV | Phải khớp chính xác động cơ và điện áp cung cấp |
| Phạm vi công suất động cơ | 200 kW – 20.000 kW | Xác định kích thước động cơ mà thiết bị có thể điều khiển |
| Xếp hạng hiện tại (FLC) | Phù hợp với dòng điện đầy tải của động cơ | Công suất nhiệt liên tục của thiết bị |
| Giới hạn hiện tại bắt đầu | 2.0–4.5 × FLC (có thể lập trình) | Dòng khởi động tối đa trong quá trình khởi động |
| Thời gian tăng tốc | 2–120 giây (có thể điều chỉnh) | Thời gian của đoạn đường tăng tốc điện áp |
| Số lần bắt đầu mỗi giờ | 2–6 lần khởi động/giờ điển hình | Khả năng chu trình nhiệt |
| Chức năng bảo vệ | Quá tải, mất pha, lỗi thyristor, thấp/quá áp | Bảo vệ động cơ và hệ thống |
| Giao thức truyền thông | Modbus RTU/TCP, Profibus, DeviceNet, Ethernet/IP | Tích hợp với hệ thống SCADA và DCS |
| Lớp bao vây | IP42, IP54, IP65 (phụ thuộc vào ứng dụng) | Bảo vệ môi trường cho vị trí lắp đặt |
| Bỏ qua cấu hình | Công tắc tơ bypass bên trong hoặc bảng bypass bên ngoài | Hiệu suất vận hành và bảo vệ thyristor |
Mặc dù về mặt lý thuyết, bộ khởi động mềm điện áp trung thế có thể mang lại lợi ích cho bất kỳ ứng dụng động cơ lớn nào, nhưng một số trường hợp sử dụng nhất định sẽ mang lại lợi tức đầu tư lớn nhất. Việc hiểu ứng dụng nào là ứng cử viên mạnh nhất sẽ giúp ưu tiên chỉ định vị trí khởi động mềm MV thay vì các phương pháp khởi động đơn giản hơn.
Các ứng dụng bơm ly tâm là một trong những trường hợp sử dụng mạnh mẽ nhất cho bộ khởi động mềm trung thế, đặc biệt là trong các ứng dụng cấp nước, tưới tiêu, đường ống và công nghiệp chế biến. Sự kết hợp giữa khả năng tăng tốc có kiểm soát để hạn chế dòng khởi động và giảm tốc được kiểm soát nghiêm trọng để ngăn hiện tượng búa nước khiến bộ khởi động mềm MV trở thành giải pháp khởi động ưu tiên cho các hệ thống bơm lớn, nơi mà sự thay đổi áp suất đường ống là mối lo ngại. Một máy bơm dừng đột ngột do ngắt điện động cơ trong khi đang chạy ở tốc độ tối đa sẽ tạo ra một sóng áp suất truyền qua đường ống và có thể làm hỏng các khớp nối ống, hư hỏng đế van hoặc trong trường hợp nghiêm trọng là vỡ đường ống. Chức năng dừng mềm giúp giảm tốc máy bơm một cách trơn tru trong khoảng thời gian có thể lập trình sẽ loại bỏ hoàn toàn nguy cơ này.
Quạt ly tâm lớn và quạt hướng trục - được sử dụng trong các hệ thống gió cưỡng bức và gió cảm ứng của nhà máy điện, thông gió mỏ, thông gió đường hầm và hệ thống không khí trong quy trình công nghiệp - có các cụm quay với mô men quán tính rất cao. Việc khởi động các tải này trên toàn đường dây sẽ dẫn đến dòng điện cao kéo dài khi động cơ tăng tốc rôto và cánh quạt nặng từ trạng thái dừng đến tốc độ tối đa, tạo ra ứng suất nhiệt kéo dài trên cuộn dây động cơ và suy giảm điện áp đáng kể trên thanh nguồn. Bộ khởi động mềm trung áp cho phép dòng điện khởi động được kẹp ở mức an toàn trong suốt thời gian tăng tốc, bất kể thời gian tăng tốc đó mất bao lâu, bảo vệ cả động cơ và hệ thống cung cấp ngay cả trong chuỗi khởi động dài nhất.
Máy nén khí, máy nén khí và máy nén lạnh có nhiều khó khăn khi khởi động tùy thuộc vào loại của chúng. Máy nén ly tâm và hướng trục hoạt động tương tự như quạt về đặc tính khởi động. Máy nén pittông có thể có yêu cầu về mômen xoắn cao cần được giải quyết thông qua việc lập trình thông số khởi động mềm cẩn thận để đảm bảo có đủ mômen khởi động trong khi vẫn hạn chế dòng điện. Máy nén trục vít thường thích hợp cho khởi động mềm. Trong tất cả các ứng dụng máy nén, khả năng chỉ định trình tự khởi động được kiểm soát chính xác — thay vì dựa vào các đặc điểm không thể đoán trước khi khởi động trực tiếp hoặc khởi động bằng máy biến áp tự động — là một lợi thế đáng kể xét từ cả độ tin cậy của quy trình và khía cạnh chất lượng điện.
Máy nghiền bi, máy nghiền SAG, máy nghiền và bộ truyền động băng tải trong khai thác mỏ và chế biến khoáng sản đại diện cho một số ứng dụng khởi động động cơ đòi hỏi khắt khe nhất trong bất kỳ ngành công nghiệp nào. Những tải trọng này kết hợp quán tính rất cao, yêu cầu mô men xoắn đáng kể và nhu cầu khởi động thường xuyên ở một số cấu hình, cùng với thực tế là những hư hỏng ở các địa điểm khai thác ở xa sẽ cực kỳ tốn kém về chi phí sửa chữa và tổn thất sản xuất. Bộ khởi động mềm MV được sử dụng trong các ứng dụng khai thác mỏ thường được chỉ định với các chức năng bảo vệ nâng cao, xếp hạng chu kỳ làm việc cao hơn và kết cấu chắc chắn phù hợp với môi trường rung, bụi bặm. Khả năng lập trình cấu hình mô-men xoắn chính xác trong quá trình khởi động - bao gồm xung khởi động để phá vỡ ma sát tĩnh trước đoạn đường nối chính - là một tính năng đặc biệt có giá trị cho các ứng dụng máy nghiền và máy nghiền.
Động cơ bơm cao áp trong các nhà máy khử muối thẩm thấu ngược, trạm bơm nâng nước biển và các cơ sở xử lý nước lớn thường xuyên hoạt động từ các tổng đài trung thế chuyên dụng, nơi độ ổn định điện áp là rất quan trọng. Một lần khởi động máy bơm lớn gây ra sụt áp đáng kể có thể làm dừng các thiết bị xử lý nhạy cảm trên cùng một bus, gây ra hàng loạt sự gián đoạn quy trình và việc khắc phục sẽ tốn kém. Bộ khởi động mềm trung áp với khả năng điều khiển giới hạn dòng điện chính xác là giải pháp tiêu chuẩn để quản lý việc khởi động máy bơm trong những môi trường này mà không làm mất ổn định hệ thống điện.
Bộ khởi động mềm trung áp không phải là cách duy nhất để khởi động động cơ MV lớn và quyết định sử dụng bộ khởi động mềm này phải được đưa ra khi bạn hiểu rõ nó như thế nào so với các lựa chọn thay thế có sẵn trên các kích thước quan trọng nhất đối với ứng dụng cụ thể.
| Phương pháp bắt đầu | Dòng điện khởi động | Kiểm soát mô-men xoắn khởi động | Dừng mềm | Chi phí vốn | Kiểm soát tốc độ |
| Trực tiếp trực tuyến (DOL) | 600–800% FLC | không có | Không | Thấp nhất | Không |
| máy biến áp tự ngẫu | 300–400% FLC | Bị giới hạn (vòi cố định) | Không | Trung bình | Không |
| Bộ khởi động lò phản ứng (Trở kháng) | 300–500% FLC | bị giới hạn | Không | Trung bình | Không |
| Khởi động mềm MV | 250–400% FLC (có thể lập trình) | Chính xác, liên tục | Có | Trung bình-High | Không (start/stop only) |
| Ổ đĩa biến tần MV | 100–150% FLC | Đầy đủ, chính xác | Có | Cao nhất | Tốc độ biến đổi đầy đủ |
Sự so sánh ở trên cho thấy rõ rằng bộ khởi động mềm trung áp chiếm một vị trí được xác định rõ ràng trong hệ thống phân cấp phương pháp khởi động - cung cấp khả năng giới hạn dòng điện và kiểm soát mô-men xoắn tốt hơn đáng kể so với các phương pháp cơ học giảm điện áp với chi phí chỉ bằng một phần chi phí của bộ truyền động biến tần trung áp hoàn chỉnh. Đối với các ứng dụng không yêu cầu vận hành tốc độ thay đổi trong khi chạy và nhu cầu chính là giới hạn dòng khởi động, mômen khởi động được kiểm soát và khả năng dừng mềm, bộ khởi động mềm MV thường là giải pháp tối ưu từ cả quan điểm kỹ thuật và kinh tế.
Bộ khởi động mềm trung thế hiện đại kết hợp các chức năng bảo vệ hệ thống và động cơ toàn diện mà trước đây cần có bảng bảo vệ rơle riêng biệt. Sự tích hợp bảo vệ này vào hệ thống điều khiển khởi động mềm giúp giảm số lượng thành phần tổng thể và đơn giản hóa thiết kế trung tâm điều khiển động cơ đồng thời cung cấp khả năng bảo vệ phối hợp luôn nhận biết được trạng thái vận hành của động cơ.
Việc triển khai thành công bộ khởi động mềm trung thế đòi hỏi phải chú ý cẩn thận đến các yêu cầu lắp đặt, quy trình vận hành và thực hành bảo trì liên tục. Việc làm đúng những khía cạnh này cũng quan trọng như việc lựa chọn đúng thông số kỹ thuật của sản phẩm.
Bộ khởi động mềm MV tản nhiệt thông qua thyristor và mạch điện liên quan trong trình tự khởi động và việc làm mát đầy đủ là điều cần thiết để vận hành đáng tin cậy. Hầu hết các thiết bị sử dụng làm mát không khí cưỡng bức bằng quạt bên trong và môi trường lắp đặt phải cung cấp đủ nguồn cung cấp và xả không khí mát — thông qua hệ thống thông gió mở trong môi trường sạch sẽ hoặc thông qua hệ thống làm mát chuyên dụng trong môi trường bụi bặm hoặc hung hãn. Nhiệt độ môi trường xung quanh phòng chuyển mạch thường phải được duy trì dưới 40°C đối với thiết bị được xếp hạng tiêu chuẩn và cần phải giảm công suất khi lắp đặt ở nhiệt độ môi trường cao hơn hoặc độ cao đáng kể. Trọng lượng và kích thước của bộ khởi động mềm MV - có thể là đáng kể đối với các bộ công suất cao - phải được tính đến trong thiết kế cấu trúc của trung tâm điều khiển động cơ hoặc phòng chuyển mạch.
Việc vận hành bộ khởi động mềm MV một cách chính xác là rất quan trọng để đạt được những lợi ích mong muốn và tránh những chuyến đi phiền toái hoặc sự bảo vệ không đầy đủ. Quá trình vận hành thử bao gồm việc thiết lập các tham số trên bảng tên động cơ - định mức điện áp, dòng điện, công suất và tốc độ - xác định đường cơ sở cho tất cả các tính toán bảo vệ. Các thông số khởi động bao gồm điện áp ban đầu, giới hạn dòng điện và thời gian tăng tốc phải được điều chỉnh để phù hợp với đặc tính tốc độ mô-men xoắn thực tế của tải, có thể yêu cầu điều chỉnh lặp lại trong một số lần bắt đầu thử nghiệm. Cài đặt rơle bảo vệ - đặc biệt là cấp quá tải, ngưỡng mất cân bằng pha và bộ đếm thời gian ngừng hoạt động - phải được phối hợp với kỹ sư bảo vệ hệ thống để đảm bảo phân biệt đúng đắn với các thiết bị bảo vệ ngược dòng.
Bộ khởi động mềm trung áp nói chung là thiết bị đáng tin cậy với yêu cầu bảo trì tương đối khiêm tốn so với thiết bị khởi động cơ khí, nhưng chương trình bảo trì phòng ngừa có cấu trúc là cần thiết để đảm bảo độ tin cậy lâu dài trong các ứng dụng quan trọng. Các hoạt động bảo trì chính bao gồm kiểm tra và làm sạch hàng năm các đường thông gió và hoạt động của quạt làm mát, kiểm tra định kỳ các kết nối cáp MV để tìm dấu hiệu căng thẳng hoặc lỏng lẻo, kiểm tra chức năng của các chức năng rơle bảo vệ bằng cách sử dụng chế độ thử nghiệm hoặc tiêm thứ cấp, xác minh hoạt động của công tắc tơ rẽ nhánh và tình trạng tiếp điểm, đồng thời xem xét nhật ký sự kiện để tìm bất kỳ lỗi nào được ghi lại hoặc các sự kiện cảnh báo có thể chỉ ra các sự cố đang phát triển trước khi chúng gây ra sự cố ngoài kế hoạch.
Việc kết hợp tất cả các cân nhắc kỹ thuật được thảo luận ở trên vào một quy trình lựa chọn mạch lạc đòi hỏi một cách tiếp cận có cấu trúc. Danh sách kiểm tra sau đây bao gồm các câu hỏi quan trọng nhất cần trả lời trước khi hoàn thiện thông số kỹ thuật của bộ khởi động mềm MV.