 |
1. Đặt vấn đề
Các loại động cơ điện cao áp với các cấp điện áp 3; 6; và 10kV được sử dụng phổ biến trong các hệ truyền động bơm; máy nén; thông gió; và các tổ hợp máy nghiền. Với các loại máy này đều có đặc điểm chung là công suất và mô-men quán tính lớn hoặc rất lớn, và có yêu cầu nghiêm ngặt là độ tin cậy của nguồn cung cấp điện năng cho chúng phải rất cao.
Khởi động các động cơ điện cao áp này bằng phương pháp khởi động trực tiếp là cách đơn giản nhất, nhưng đi kèm là hiện tượng tăng đột biến dòng điện trong thời gian ngắn và lực điện động trong cuộn dây, xuất hiện tải trọng xung kích trong các khớp nối cơ khí, sụt áp lớn trên thanh dẫn điện của thiết bị đóng - cắt nguồn.
Nếu lưới điện nguồn không đủ công suất thì những hiện tượng này xuất hiện với cường độ mạnh, dẫn đến mất tính bền vững ổn định trong toàn bộ hệ thống điện (bao gồm lưới điện và toàn bộ thiết bị điện khác trong lưới điện).
Để giảm thiểu số lượng và cường độ của các hiện tượng nêu trên, một vài phương pháp khởi động động cơ cao áp được sử dụng:
* khởi động bằng cuộn cảm hoặc máy biến áp tự ngẫu: giảm được dòng điện khởi động nhờ cách giảm điện áp đặt lên stator, nhưng điều này lại dẫn đến giảm mô-men điện từ của động cơ điện;
** khởi động bằng bộ khởi động mềm với bộ điều chỉnh điện áp là thyristor: cách này cho dòng điện khởi động có hình dạng đường cong mềm mại hơn cách (*), nhưng ảnh hưởng lớn (theo hàm mũ bậc 2) đến mô-men của động cơ (không đồng bộ) cao áp;
*** khởi động bằng biến tần: thay đổi tần số nguồn điện cấp cho động cơ cao áp sẽ cải thiện rất đáng kể dòng điện khởi động và triệt tiêu tải trọng xung kích, nhưng lại làm tăng đáng kể thời gian khởi động.
Vì thế, đối với động cơ điện cao áp có mô-men cản lớn thì cách hiệu quả nhất cho quá trình khởi động là kết hợp khởi động bằn cách điều chỉnh điện áp và tần số một cách đồng thời.
Bộ truyền động tần số biến đổi (Variable-Frequency Drive - VFD) cho phép tạo ra quỹ đạo gia tốc mong muốn; duy trì tốt sự liên kết từ thông (flux linkage) của động cơ gần giá trị định mức và giới hạn được giá trị dòng điện stator ở giá trị xác định.
Đối với các hệ truyền động điện cao áp có các yêu cầu khắt khe đặt ra cho việc chuyển đổi động lực, hệ thống điều khiển và điều kiện vận hành. Những yêu cầu này đã được thảo luận trong các tài liệu quy định cho các bộ truyền động AC biến tấn trên 1kV.
2. Nội dung chính
2.1. Đặc điểm khởi động động cơ cao áp
Động cơ điện không đồng bộ cao áp (sử dụng nguồn điện từ 3kV trở lên) có hình dạng điển hình như H. 1a. Nó khác hẳn động cơ điện không đồng bộ thông thường với cấp điện áp dưới 660V như H. 1b.
 |
| H. 1. Động cơ điện cao áp và thấp áp công nghiệp |
Khi lựa chọn phương pháp khởi động động cơ điện cao áp, cần phải xét: loại động cơ điện cao áp; mô-men cản của truyền động cơ khí; mô-men quán tính được quy đổi lên trục động cơ điện; mức giảm điện áp cho phép của nguồn điện và trạng thái nhiệt của cuộn dây của động cơ điện.
Đối với các truyền động cơ khí có đặc tính quạt thì đặc tính của mô-men tải thường là thấp ở tần số quay nhỏ của rotor động cơ điện, bởi vậy, quá trình khởi động có thể diễn ra tương đối êm ái. Đối với truyền động máy nghiền, máy nén và bơm, làm việc trong điều kiện chịu áp lực thì mô-men cản ban đầu có thể cao. Điều này đòi hỏi duy trì được khả năng quá tải của động cơ điện ngay cả ở tần số quay thấp của rotor động cơ điện.
Ở động cơ điện không đồng bộ, khi điện áp nguồn điện của động cơ loại này giảm sẽ kéo theo mô-men xoắn và mô-men khởi động giảm theo. Bởi vậy, việc gia tốc lâu thông qua bộ điều chỉnh điện áp bằng cuộn cảm hoặc bằng van điều khiển thyristor để khởi động động cơ có thể đi kèm hiện tượng quá nhiệt rotor và stator.
Với bộ khởi động bằng biến tần, tần số của điện áp nguồn điện đặt lên động cơ điện sẽ được tăng dần từ giá trị ban đầu đến giá trị định mức, còn giá trị điện áp được thay đổi theo quy luật gần với mô hình toán học
.
Chính vì quy luật này, từ thông của động cơ điện được duy trì ở mức cần thiết, còn mô-men điện từ sẽ không giảm mạnh như khi đơn giản giảm giá trị điện áp.
Đối với động cơ điện đồng bộ, việc khởi động nó trở nên phức tạp hơn so với động cơ điện không đồng bộ, do cần phải phối hợp tốt giữa sự gia tốc rotor với từ trường quay của stator và hệ thống kích thích.
Việc khởi động động cơ điện đồng bộ cao áp có thể sử dụng phương pháp khởi động như khởi động động cơ điện không đồng bộ với điều kiện bắt buộc là hệ thống kích thích phải được ngắt kết nối, nhưng nếu động cơ điện đồng bộ là loại cao áp cao thì sử dụng biến tần để khởi động trong điều kiện hệ thống kích thích vẫn được kết nối bình thường lại tốt hơn cách khởi động như khởi động không đồng bộ.
Trong trường hợp này, bộ biến tần sẽ có tần số ban đầu được cài đặt với giá trị thấp, còn hệ thống điều khiển sẽ bảo đảm tốc độ gia tốc tần số quay của rotor động cơ sao cho (động cơ đồng bộ cao áp) không bị lệch đồng bộ. Sau khi tần số quay của rotor đạt gần đến giá trị định mức, sự đồng bộ hóa với lưới điện nguồn được thực hiện và sự “bypass” biến tần xảy ra.
2.2. Cấu trúc bộ truyền động tần số biến đổi - VFD
Bộ biến tần cao áp được dùng để khởi động động cơ điện cao áp, gồm: khí cụ chuyển mạch đầu vào; cuộn cảm hạn chế hoặc máy biến áp có công dụng hạn chế dòng điện; bộ chỉnh lưu; liên kết DC; bộ biến tần (inverter); hệ thống điều khiển; hệ thống bảo vệ và bộ lọc (nếu cần) đầu ra. Nếu VFD cao áp chỉ được như một thiết bị khởi động để khoải động động cơ điện cao áp thì sau quá trình tăng tốc, động cơ điện cao áp sẽ được kết nối với lưới điện nguồn thông qua khí cụ điện có chức năng “bypass” và bộ VFD cao áp này sẽ được chuẩn bị để có thể tiếp tục thức hiện chức năng khởi động cho động cơ cao áp tiếp theo. Hệ thống kỹ thuật như thế được gọi là hệ thống khởi động VF nhóm.
Các hệ tuyền động điện cao áp hiện đại thường sử dụng hai nhóm mạch điện lực chính:
* Nhóm đầu tiên - các bộ chuyển đổi điện áp đa cấp sử dụng thiết bị IGBT hoặc IGCT. Chúng bảo đảm được sự điều chỉnh trơn cho tốc độ trong dải làm việc, chức năng chẩn đoán cao và khả năng sử dụng tốt trong các quy trình công nghiệp (là nơi luôn đòi hỏi thay đổi tần số quay của rotor động cơ điện);
** Nhóm thứ hai - các bộ chuyển đổi thyristor với bộ chỉnh lưu được điều khiển và bộ biến tần dòng điện phụ thuộc. Các thiết bị thuộc nhóm thứ hai này, phù hợp để khởi động các loại động cơ đồng bộ công suất có đặc điểm là không yêu cầu điều chỉnh tốc độ sau khi kết thúc quá trình khởi động.
Bộ chuyển đổi với biến tần số của dòng điện có chức năng tạo ra dòng điện stator và thay đổi tần số của dòng điện stator trong quá trình gia tốc của động cơ điện. Ở dải nhỏ của tốc độ thấp, sự chuyển mạch của các thyristor có thể được ép buộc cho đến khi sức điện động của động cơ tăng lên thì bộ biến tần số dòng điện này sẽ được chuyển sang chế độ chuyển mạch tự nhiên. Việc giới hạn giá trị dòng điện ở mức gần giá trị định mức sẽ làm giảm được giá trị sụt áp trong lưới điện nguồn và giảm tải nhiệt trong động cơ điện.
Ngoài ra, động cơ điện đồng bộ còn thêm yêu cầu về sự làm việc thống nhất (tức đồng bộ hóa) giữa bộ chuyển đổi với bộ kích thích [4].
2.3. Thuật toán khởi động và thiết lập tham số
Thuật toán khởi động được bắt đầu từ việc kiểm tra: trạng thái sẵn sàng của mạch điện động lực; khả năng phục vụ của mạch điều khiển; trạng thái của các khóa điện-cơ liên động và mạch bảo vệ động cơ. Tiếp theo là bộ chuyển đổi tạo ra tần số và điện áp ban đầu với giá trị đủ lớn để tạo ra mô-men khởi động.
Đối với động cơ điện không đồng bộ thì phương pháp điều khiển vô hướng với
và tăng giá trị điện áp ở tần số thấp để bù sự giảm điện áp trên điện trở stator sẽ được sử dụng phổ biến. Đối với các yêu cầu cao về động lực học thì điều khiển vertor với điều chỉnh riêng biệt cho “flux linkages” và mô-men sẽ được sử dụng.
Thời gian gia tốc (thời gian của quá trình khởi động) được cài đặt dựa trên đặc tính cơ học của máy chấp hành được dẫn động từ động cơ điện. Một đoạn dốc quá ngắn (theo thời gian) sẽ dẫn đến tăng quá dòng điện khởi động và kích hoạt giới hạn, ngược lại, một đoạn dốc quá dài sẽ làm tăng tổn thất do nhiệt trong động cơ điện và cả trong bộ chuyển đổi.
Đối với tải là bơm và quạt thì nên sử dụng đặc tính tăng tần số có dạng hình chữ S để giảm sốc thủy lực và sốc cơ học. Đối với tải là các cơ cấu chấp hành có mô-men cản không thay đổi thì điều quan trọng là phải bảo đảm giá trị mô-men đủ lớn trong suốt thời gian gia tốc, đặc biệt trong dải tần số thấp.
Các tham số chính có thể được điều chỉnh, gồm: giá trị điện áp ban đầu; giá trị tần số ban đầu; dòng điện khởi động lớn nhất; thời gian khởi động cho phép; hình dạng đường cong gia tốc; cài đặt bảo vệ từ quá tải và từ giá trị điện áp thấp nhất.
Trong thực tế, giá trị dòng điện khởi động khi gia tốc bới bộ điều chỉnh tần số sẽ được tính chọn thấp hơn đáng kể so với dòng điện khởi động theo phương pháp khởi động trực tiếp, và thường tính chọn trong khoảng 1,1 đến 1,5 lần giá trị dòng điện định mức của động cơ điện. Cụ thể, giá trị được chọn phụ thuộc vào loại bộ chuyển đổi; động cơ điện; và đặc tính tải [3; 4].
Sau thời gian gia tốc, khi tần số đầu ra của VFD đạt đến tần số lưới xuất hiện quá trình chuyển mạch đồng bộ. Hệ thống điều khiển thực hiện phép so sánh giữa điện áp đầu ra của VFD đặt lên động cơ với điện áp lưới về các giá trị: biên độ, tần số, và pha.
Khi thực hiện so sánh, phát hiện sự chênh lệch ở giá trị chấp nhận được thì một lệch điều khiển được gửi đi từ hệ thống điều khiển để máy cắt “bypass” chuyển vào trạng thái “ON”, sau đó VFD được giảm tải ngay và “OFF” khỏi mạch stator của động cơ điện. Chất lượng tốt của quá trình chuyển mạch đồng bộ được xác định bởi sự không tồn tại của: các xung dòng điện; các cú sốc mô-men và quá áp chuyển mạch.
2.4. Ưu điểm và giới hạn sử dụng VFD
2.4.1. Ưu điểm chính của VFD khởi động
- Khả năng giảm được dòng điện khởi động mà không làm mất mô-men, Điều này đặc biệt quan trọng đối với các cơ sở công nghiệp có: công suất lưới điện hạn chế, đường dây truyền tải điện năng quá dài và số lượng lớn các thiết bị quan trọng có tiêu thu điện năng;
- Giảm được tải trọng cơ học lên: trục quay, khớp nối, hộp số và máy móc chấp hành được dẫn động từ nguồn động lực cơ học là động cơ điện;
- Khả năng lập trình cho quỹ đạo gia tốc quá trình khởi động, giúp tăng tính lặp lại của sự khởi động và tạo điều kiện thuận lợi cho cài đặt quy trình công nghệ.
2.4.2. Những hạn chế sử dụng VFD
- Chi phí cao cho bộ chuyển đổi;
- Cần có vị trí thích hợp đển lắp đặt thiết bị điện cao áp với hệ thống kỹ thuật phụ trợ (thông gió, giải nhiệt);
- Những tác động ngược lại của VFD cao áp đến chất lượng điện năng của lưới điện nguồn.
Trong quá trình thiết kế VFD cao áp cho mục tiêu khởi động động cơ cao áp, cần phải đánh giá thành phần hài của dòng điện đầu vào; công suất phản kháng (do tính cảm của động cơ điện); khả năng tương thích điện từ của VFD với các hệ thống bảo vệ relays và tự động hóa.
Đối với các động cơ điện cao áp có kết nối cáp điện dài và cách điện đã cũ thì cần xem xét độ dốc sườn trước của điện áp đầu ra của VFD, nếu cần nên sử dụng thêm một bộ lọc lắp ở đầu ra VFD và là lắp ở đầu vào động cơ điện hoặc lựa chọn loại cáp đặc biệt khác [1; 6].
Nếu sử dụng VFD cao áp không chỉ để khởi động động cơ điện cao áp, mà còn dùng để điều khiển tốc độ hiệu quả kinh tế sẽ đến từ việc giảm tiêu thụ điện năng với những tải có đặc tính quạt. Tuy nhiên, nếu quy trình chỉ yêu cầu VFD khởi động động cơ điện cho đến tốc độ định mức cần phải so sánh tính khả thi của việc dùng VFD có điều chỉnh theo cách
với phương pháp thiết bị khởi động nhóm và kết nối “bypass” động cơ điện vào lưới điện nguồn.
3. Kết luận
Khởi động động cơ điện cao áp bằng cách sử dụng VFD là một phương pháp hiệu quả nhất để hạn chế dòng điện khởi động; giảm sụt áp của lưới điện nguồn; giảm các hiện tượng sốc động lực học cơ khí.
Điểm khác biệt của phương pháp này so với các phương pháp khởi động động cơ điện cao áp bằng cách giảm giá trị điện áp đặt lên stator là ở chỗ, tần số của nguồn điện đặt lên động cơ điện cao áp, kể từ thời điểm khởi động cho đến khi kết thúc quá trình gia tốc, được thay đổi.
Điều này cho phép giữu được mô-men điện từ cần thiết trong dải rộng tốc độ thay đổi. Đối với động cơ điện không đồng bộ, việc giữ được mô-men điện từ cần thiết được thực hiện bởi luật điều khiển
hoặc bởi luật điều chỉnh vector, còn đối với động cơ điện đồng bộ - bởi điều khiển theo cách phối hợp điều khiển tần số; dòng điện stator và kích thích.
Khi tính chọn VFD cao áp cần phải tính đến: công suất và loại động cơ điện cao áp; đặc tính cơ của tải; thời gian gia tốc cho phép; thông số của lưới điện nguồn cao áp; điều kiện chuyển mạch đồng bộ và các yêu cầu về tương thích điện từ giữa VFD với các hệ thống bảo vệ relays và tự động hóa khác.
Đối với các cơ sở công nghiệp có các động cơ điện cao áp không đòi hỏi có sự thay đổi tốc độ cách hợp lý nhất là sử dụng VFD cao áp như là thiết bị chuyên khởi động các động cơ cao áp theo trình tự xác định.
Đối với các tổ hợp công nghệ có yêu cầu thay đổi tốc độ của các động cơ điện cao áp sử dụng các loại VFD cao áp hoàn chỉnh là lựa chọn đúng vì chúng cho khả năng khởi động mềm và điều chỉnh êm ái tốc độ với hiệu suất sử dụng điện năng rất tốt.
Nguyễn Tiến Dũng
Hội Tự động hóa Việt Nam
