Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống khởi động mềm động cơ dị bộ

Đồ án tốt nghiệp xây dựng hệ thống khởi động động cơ dị bộ lồng sóc. Phân tích nguyên lý, thiết kế mạch động lực và điều khiển chi tiết.

• Người hướng dẫn: GS. Thân Ngọc Hoàn
• Chuyên ngành: Điện công nghiệp và dân dụng
• Đề tài: Xây dựng hệ thống khởi động động cơ dị bộ lồng sóc
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống khởi động động cơ dị bộ lồng sóc

Hệ thống khởi động động cơ dị bộ lồng sóc là giải pháp quan trọng trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt tại Việt Nam khi nhu cầu nâng cấp công nghệ sản xuất ngày càng tăng. Động cơ không đồng bộ lồng sóc sở hữu cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và độ tin cậy cao, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp. Việc xây dựng hệ thống khởi động không chỉ giúp giảm dòng khởi động ban đầu gây sụt áp lưới điện mà còn bảo vệ động cơ khỏi quá tải nhiệt. Hệ thống này bao gồm các thành phần chính như biến tần, khởi động mềm, và các thiết bị điều khiển lập trình. Theo thống kê, hơn 80% động cơ công nghiệp tại Việt Nam sử dụng động cơ không đồng bộ, trong đó đa số là loại lồng sóc, do đó việc tối ưu hóa hệ thống khởi động mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật đáng kể.

1.1. Cấu tạo động cơ không đồng bộ lồng sóc

Động cơ không đồng bộ lồng sóc gồm hai phần chính: stato và rôto. Stato là phần tĩnh, bao gồm lõi thép ghép từ các lá thép kỹ thuật điện có độ dày 0,3-0,5mm, được phủ lớp cách điện chống dòng Foucault. Bên trong lõi thép có các rãnh để đặt cuộn dây stato, tạo ra từ trường quay khi cấp điện. Rôto là phần quay, gồm lõi thép ghép tương tự stato nhưng có rãnh chứa các thanh dẫn bằng nhôm hoặc đồng tạo thành lồng sóc. Khe hở không khí giữa stato và rôto ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động. Động cơ thường có điện áp hoạt động từ 100V đến 6000V, công suất từ vài W đến vài MW, phù hợp với đa dạng ứng dụng công nghiệp.

1.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi cấp điện xoay chiều vào cuộn dây stato, từ trường quay sinh ra sẽ cắt các thanh dẫn rôto, tạo ra dòng điện cảm ứng. Theo định luật Lenz, dòng điện này sinh ra từ trường chống lại sự biến thiên của từ trường stato, khiến rôto quay theo chiều từ trường stato nhưng tốc độ chậm hơn (tốc độ không đồng bộ). Hiệu suất hoạt động phụ thuộc vào độ trượt giữa tốc độ rôto và tốc độ từ trường quay. Động cơ lồng sóc có ưu điểm gọn nhẹ, dễ bảo trì nhưng khó điều chỉnh tốc độ trực tiếp.

II. Các vấn đề thường gặp trong khởi động động cơ dị bộ

Khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ lồng sóc gây ra dòng khởi động gấp 5-7 lần dòng định mức, gây sụt áp lưới điện nghiêm trọng ảnh hưởng đến các thiết bị khác. Đặc biệt trong hệ thống điện yếu tại Việt Nam, tình trạng này làm giảm tuổi thọ động cơ do ứng suất nhiệt và cơ học. Ngoài ra, khởi động đột ngột gây ra hiện tượng rung động mạnh, ảnh hưởng đến tuổi thọ ổ trục và kết cấu cơ khí. Vấn đề quá tải nhiệt trong quá trình khởi động cũng là nguyên nhân chính gây hỏng hóc cuộn dây. Theo khảo sát, hơn 60% sự cố động cơ công nghiệp liên quan đến khởi động không kiểm soát. Việc lựa chọn phương pháp khởi động phù hợp không chỉ giải quyết bài toán kỹ thuật mà còn tiết kiệm chi phí vận hành đáng kể.

2.1. Dòng khởi động quá cao gây sụt áp lưới

Dòng khởi động cao (In ≈ 5-7 lần Iđm) xảy ra trong vài giây đầu tiên khi cấp điện. Hiện tượng này gây sụt áp lưới từ 10-20%, ảnh hưởng đến các thiết bị nhạy cảm như PLC, biến tần, đèn chiếu sáng. Tại Việt Nam, hệ thống điện công nghiệp thường có công suất hạn chế, đặc biệt trong các khu công nghiệp vừa và nhỏ. Sụt áp kéo dài làm giảm hiệu suất động cơ, tăng tổn thất năng lượng và có thể gây ngắt mạch bảo vệ. Giải pháp khắc phục bao gồm sử dụng khởi động mềm hoặc biến tần để kiểm soát dòng khởi động dưới 2 lần dòng định mức.

2.2. Ảnh hưởng của rung động đến thiết bị

Rung động mạnh trong quá trình khởi động gây ra ứng suất cơ học lên ổ trục, khung động cơ và các kết cấu liên quan. Theo nghiên cứu, rung động vượt quá 7mm/s có thể giảm tuổi thọ ổ trục xuống 50%. Tại Việt Nam, nhiều nhà máy sử dụng động cơ cũ có kết cấu không đủ vững chắc, dễ bị hư hỏng do rung động. Ngoài ra, rung động còn gây ra tiếng ồn môi trường vượt mức cho phép. Việc áp dụng hệ thống khởi động kiểm soát (soft starter) giúp giảm rung động xuống dưới 2mm/s, kéo dài tuổi thọ thiết bị và cải thiện môi trường làm việc.

III. Phương pháp xây dựng hệ thống khởi động hiệu quả

Xây dựng hệ thống khởi động động cơ dị bộ lồng sóc yêu cầu kết hợp giải pháp kỹ thuật và kinh tế. Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng khởi động mềm (soft starter) với nguyên lý điều khiển góc pha thyristor, giúp giảm dòng khởi động dần dần. Biến tần (VFD) là giải pháp cao cấp hơn, cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ linh hoạt, tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tại Việt Nam, chi phí đầu tư ban đầu là yếu tố quan trọng, do đó lựa chọn phương pháp phải cân nhắc giữa hiệu quả kỹ thuật và khả năng tài chính. Hệ thống cần tích hợp bảo vệ quá dòng, quá nhiệt, mất pha và sụt áp. Theo khảo sát, hệ thống khởi động mềm có thể giảm chi phí bảo trì lên đến 40% so với khởi động trực tiếp. Việc thiết kế hệ thống cũng phải tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như IEC 60947-4-2 và TCVN 7442.

3.1. Sử dụng khởi động mềm Soft Starter

Khởi động mềm hoạt động dựa trên điều khiển góc pha của thyristor, cho phép tăng dần điện áp cấp cho động cơ trong khoảng 0-100%. Quá trình khởi động kéo dài 5-30 giây tùy theo tải, giúp giảm dòng khởi động xuống 2-3 lần dòng định mức. Thiết bị này có cấu trúc đơn giản, giá thành hợp lý, dễ lắp đặt và bảo trì. Tại Việt Nam, soft starter thường được sử dụng trong các ứng dụng bơm, quạt, máy nén khí có tải thay đổi. Ưu điểm nổi bật là khả năng bảo vệ động cơ khỏi quá tải nhiệt và sụt áp lưới. Hiệu suất khởi động đạt 95-98%, cao hơn so với biến tần trong các ứng dụng đơn giản.

3.2. Ứng dụng biến tần VFD trong điều khiển

Biến tần sử dụng công nghệ PWM (Pulse Width Modulation) để điều chỉnh tần số và điện áp cấp cho động cơ, cho phép kiểm soát tốc độ chính xác. Hệ thống này không chỉ khởi động êm ái mà còn tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng theo tải. Theo nghiên cứu, biến tần có thể tiết kiệm 20-50% điện năng trong các ứng dụng có tải biến thiên. Tại Việt Nam, VFD thường được ứng dụng trong hệ thống băng tải, máy ép, hệ thống HVAC. Nhược điểm chính là chi phí đầu tư cao hơn soft starter, nhưng hiệu quả kinh tế dài hạn vượt trội. Hệ thống cần tích hợp các chức năng bảo vệ như quá dòng, quá áp, mất pha và giám sát nhiệt độ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn hệ thống

Xây dựng hệ thống khởi động động cơ dị bộ lồng sóc mang lại lợi ích kỹ thuật và kinh tế rõ rệt, đặc biệt trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa tại Việt Nam. Việc lựa chọn phương pháp khởi động phù hợp (soft starter hoặc biến tần) phụ thuộc vào yêu cầu kỹ thuật, ngân sách và đặc điểm tải. Tại các nhà máy sản xuất, hệ thống này giúp giảm chi phí bảo trì, kéo dài tuổi thọ thiết bị và tiết kiệm năng lượng. Theo khảo sát, doanh nghiệp áp dụng hệ thống khởi động hiện đại có thể giảm 30% chi phí vận hành trong 5 năm. Đối với sinh viên ngành điện công nghiệp, đồ án này cung cấp kiến thức thực tế về thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống tự động hóa. Việc áp dụng tiêu chuẩn quốc tế trong thiết kế đảm bảo độ tin cậy và an toàn cao. Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp IoT và trí tuệ nhân tạo vào hệ thống giám sát và bảo trì dự đoán.

4.1. Lợi ích kinh tế và kỹ thuật đạt được

Hệ thống khởi động hiện đại giúp giảm chi phí điện năng từ 15-40% tùy theo ứng dụng. Động cơ hoạt động êm ái, giảm rung động và tiếng ồn, cải thiện môi trường làm việc. Tuổi thọ động cơ tăng lên 30-50% nhờ kiểm soát nhiệt độ và dòng điện. Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp đã ghi nhận lợi nhuận tăng 10-20% sau khi áp dụng hệ thống này. Ngoài ra, hệ thống giúp tuân thủ các quy định về an toàn điện và bảo vệ môi trường. Chi phí đầu tư ban đầu có thể cao nhưng hoàn vốn trong 2-3 năm nhờ tiết kiệm năng lượng.

4.2. Triển vọng phát triển trong tương lai

Xu hướng tương lai tập trung vào tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và Internet vạn vật (IoT) trong hệ thống khởi động. Công nghệ này cho phép giám sát từ xa, phát hiện sớm hư hỏng và tối ưu hóa hiệu suất theo thời gian thực. Tại Việt Nam, sự phát triển của ngành công nghiệp 4.0 tạo điều kiện thuận lợi cho ứng dụng các giải pháp tiên tiến. Hệ thống khởi động thông minh có thể tự động điều chỉnh chế độ hoạt động dựa trên dữ liệu tải, nhiệt độ môi trường và tình trạng thiết bị. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp tiết kiệm năng lượng cũng là hướng đi quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Động cơ không đồng bộ ba pha dùng rộng rãi trong công nghiệp, vì chúng có cấu trúc đơn giản, làm việc tin cậy, nhưng có nhược điểm dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện. Phương pháp tối ưu hiện nay là dùng bộ điều khiển điện tử để hạn chế dòng điện khởi động, đồng thời điều chỉnh tăng mô men mở máy một cách hợp lý, vì vậy các chi tiết của động cơ chịu độ dồn nén về cơ khí ít hơn, tăng tuổi thọ làm việc an toàn cho động cơ. Ngoài việc tránh dòng đỉnh trong khi khởi động động cơ, còn làm cho điện áp nguồn ổn định hơn không gây ảnh hưởng xấu đến các thiết bị khác trong lưới. Phương pháp khởi động được áp dụng ở đây là cần hạn chế điện áp ở đầu cực động cơ, tăng dần điện áp theo một chương trình thích hợp để điện áp tăng tuyến tính từ một giá trị xác định đến điện áp định mức.

Đó là quá trình khởi động mềm (ramp) toàn bộ quá trình khởi động được điều khiển đóng mở tiristor bằng bộ vi điều khiển với các cổng vào ra tương ứng, tần số giữ không đổi theo tần số điện áp lưới. Về bản chất, đây là phương pháp hạ điện áp đặt vào động cơ. Cho ta thấy phương pháp này thích hợp nhất với động cơ kéo các máy thuỷ khí như máy bơm, quạt gió,… Đối với các ứng dụng có mômen cản không đổi, thì mômen cần phải nhỏ hơn mômen khởi động. Biện pháp này không phù hợp lắm với các ứng dụng có mômen cản tỉ lệ nghịch với tốc độ.

HỆ THỐNG KHỞI ĐỘNG MỀM 2. Sơ đồ hệ thống Điện áp cấp cho động cơ thay đổi phụ thuộc vào việc điều khiển thời điểm đóng mở của triac, hay chính là thay đổi góc điều khiển. Đối với bộ điều áp xoay chiều ba pha, mối tương quan giữa điện áp đầu ra và góc là 15 khá phức tạp, tuỳ thuộc vào từng khoảng giá trị của góc. Góc được giảm dần từ giá trị đặt về 0.

Muốn phát xung vào cực điều khiển của mỗi triac theo chu kỳ, theo luật, phải xây dựng cho bộ biến đổi một hệ thống điều khiển. Đặt BĐ Vi điều góc khiển mở AVR M Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống khởi động mềm Hệ thống gồm có : bộ điều áp ba pha và vi điều khiển avr là hai bộ phận chính: Bộ điều áp có nhiệm vụ điều chỉnh điện áp để đưa vào động cơ. Vi điều khiển avr có nhiệm vụ là điều chỉnh góc mở triac của bộ điều áp để điện áp đưa vào động cơ thay đổi liên tục.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Ban đầu ta đặt góc mở và nạp chương trình điều khiển cho vi điều khiển. Từ tham số đặt, vi điều khiển nhận tín hiệu đồng bộ và so sánh, tính toán để phát xung mở triac ở bộ điều áp. 16 Khi mới đóng động cơ vào lưới do tốc độ động cơ bằng không nên sức phản điện động của động cơ nhỏ dòng điện chay qua động cơ lớn để dòng điện không lớn thì điện áp đặt vào động cơ phải nhỏ lúc này góc mở triac lớn. Khi động cơ bắt đầu quay sức phản điện động của động cơ lớn, dòng điện chạy qua động cơ giảm để đảm bảo mômen khởi động của động cơ không nhỏ ta phải giảm góc mở triac.

Ta đã thay đổi liên tục điện áp đặt vào động cơ điều đó đảm bảo mômen khởi động lớn. Khi động cơ đã chạy ta cắt bộ biến đổi khỏi động cơ, nối trực tiếp động cơ với điện áp lưới. A B C K1 K2 K3 RN RN Hình 2. Sơ đồ hoạt động của hệ thống 2.

BỘ ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU Các bộ điều áp xoay chiều , dùng để điều chỉnh giá trị điện áp xoay chiều với hiệu suất cao. Bộ điều áp xoay chiều chủ yếu sử dụng các Tiristor mắc song song ngược hoặc Triac để thay đổi giá trị điện áp trong nửa chu kỳ của 17 điện áp lưới theo góc mở -> Từ đó thay đổi được giá trị hiệu dụng của điện áp ra tải. Dưới đây trình bày các bộ điều chỉnh điện áp dòng xoay chiều hay sử dụng nhất. Sơ đồ đấu sao có trung tính [4] Hình 2.

Sơ đồ đấu sao có trung tính Với sơ đồ này thì các cặp tiristor mắc ngược nhau làm độc lập với nhau. Ta có thể thực hiện điều khiển riêng biệt từng pha, tải có thể đối xứng hoặc không đối xứng. Do đó điện áp trên các van bán dẫn nhỏ hơn vì điện áp đặt vào van bán dẫn là điện áp pha. Các van đấu ở điện trung tính nên số van giảm đi một nửa.

Nhược điểm của sơ đồ là trên dây trung tính có tồn tại dòng điện điều hòa bậc cao, khi góc mở các van khác không có dòng tải gián đoạn và loại sơ đồ nối này chỉ thích hợp với loại tải ba pha có bốn đầu dây ra. Sơ đồ tải đấu tam giác [4] Hình 2. Sơ đồ đấu tam giac Sơ đồ này có nhiều điểm khác với sơ đồ có dây trung tính. Ở đây dòng điện chạy giữa các pha với nhau nên đồng thời phải cấp xung điều khiển cho hai Tiristor của hai pha một lúc.

Việc cấp xung điều khiển như thế đôi khi gặp khó khăn trong mạch điều khiển, ngay cả khi việc đổi thứ tự pha nguồn lưới cũng có thể làm cho sơ đồ không hoạt động. Sơ đồ đấu sao không trung tính Hình 2. Sơ đồ đấu sao không dây trung tính 19 Hoạt động của bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều ba pha nối sao không dây trung tính là sự hoạt động tổng hợp của các pha. Việc điều chỉnh điện áp bộ điều áp ba pha không dây trung tính phụ thuộc vào góc Trường hợp tổng quát sẽ có sáu đoạn điều khiển và sáu đoạn điều khiển không đối xứng.

đối xứng khi cả ba tiristor dẫn, không đối xứng khi hai tiristor dẫn. Việc xác định điện áp phải căn cứ vào chương trình làm việc của các tiristor. Giả thiết rằng tải đối xứng và sơ đồ điều khiển đảm bảo tạo ra các xung mở và góc mở lệch nhau 1200 Khi đóng hoặc mở một tiristor của một pha nào đó sẽ làm thay đổi dòng của hai pha còn lại. Ta lưu ý rằng trong hệ thống điện áp ba pha, dòng có thể chảy qua cả ba pha hoặc chỉ qua hai pha.

Không có trường hợp chỉ có một pha dẫn dòng. Khi dòng chảy qua cả ba pha thì điện áp trên mỗi pha đúng bằng điện áp pha 1 Khi dòng chảy qua cả hai pha thì điện áp trên pha tương ứng bằng 2 điện áp dây Sau đây ta phân tích sự hoạt động của sơ đồ qua các trường hợp sau với tải R Với 0 600 : Chỉ có các giai đoạn ba van và hai van cùng dẫn Với 600 900 : Chỉ có các giai đoạn hai van cùng dẫn Với 900 1500 : Chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không có van nào dẫn cả Với = 0 - 600. Trong phạm vi góc này sẽ có các giai đoạn ba van và hai van dẫn xen kẽ nhau. 20 Dạng điện áp Ua b c a a T1 T2 T3 T4 T5 T6 Hình 2.

Đồ thị điện áp pha A với góc = 30 mở Nguyên lý hoạt động của sơ đồ XAXC ba pha Dùng sáu Tiristor đấu song song ngược đấu với tải thuần trở, tải đấu theo hình sao và cách ly với nguồn = 30 +Trong khoảng : = 1 2 Van một dẫn dòng ở pha A ; Van 6 dẫn ở pha B ; van 5 dẫn ở pha C -> dòng có thể chảy qua ba pha -> Có UZA = UA + Trong khoảng : = 2 - 3 Van một dẫn ở pha A ; van 6 dẫn ở pha B -> dòng có thể chảy qua hai pha -> có UZA = 1/2. UAB + Trong khoảng : = 3- 4 21 Van 1 dẫn ở pha A ; Van 2 dẫn ở pha C ; Van 6 dẫn ở pha B -> UZA = 1/2. UAB + Trong khoảng : = 4- 5 Van 1 dẫn ở pha A ; Van 2 dẫn ở pha C -> UZA = 1/2. UAB + Trong khoảng : = 5- 6 Van 1 dẫn ở pha A ; Van 2 dẫn ở pha C ; Van 3 dẫn ở pha B -> UZA = UA Với = 600 ÷ 900 Trong phạm vi này luôn chỉ có các giai đoạn hai van dẫn.

Dạng điện áp Ua UAB UAC 2 2 B C A A 0 0 0 = 75 = 60 = 60 0 = 120 T1 T2 T3 T4 T5 T5 Hình 2. Đồ thị điện áp pha A với góc mở = 750, 22 Với = 90 ÷ 120 Trong trường hợp này chỉ có các giai đoạn hai van dẫn hoặc không van nào dẫn cả. Dạng điện áp Ua 0 0 = 45 = 45 0 = 105 = 150 T1 T2 T3 T4 T5 T5 Hình 2. Đồ thị điện áp pha A với góc mở = 1050, 23 2.

VI ĐIỀU KHIỂN AVR Vi điều khiển AVR do công ty Atmel sản suất, là bộ xử lý RISC (Reduce Instruction Set Computer) với kiến trúc Harvard. Với những ưu điểm được nêu ra sau đây, loại chip này đang được dùng rộng dãi trong các hệ thống nhúng. Các đặc điểm chính của AVR - Kiến trúc RISC với hầu hết các lệnh có chiều dài cố định, truy nhập bộ nhớ nạp – lưu trữ và 32 thanh nghi đa năng. - Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip, bao gồm: Cổng và/ra số, bộ biến đổi ADC, bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), … - Hầu hết các lệnh đều thực hiện trong một chu kỳ xung nhịp.

- Hoạt động với chu kỳ xung nhịp cao, có thể lên đến 20 MHz tuỳ thuộc từng loại chip cụ thể. - Bộ nhớ chương trình va bộ nhớ dữ liệu được tích hợp ngay trên chip. - Khả năng lập trình được trong hệ thống, có thể lập trình được ngay khi đang được cấp nguồn trên bản mạch không cần phải nhấc chip ra khỏi bản mạch. - Hỗ trợ cho việc lập trình bằng ngôn ngữ bậc cao – ngôn ngữ C.

Cốt lõi của AVR là sự kết hợp tập lệnh đầy đủ với các thanh ghi đa năng 32 bit. Tất cả các thanh ghi 32 bit này liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh ghi độc lập được truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ. Kết quả là tốc độ nhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường.