Các Phương Pháp Khởi Động Động Cơ Điện, Ưu - Nhược Điểm Của Từng Phương Pháp
Khởi động động cơ điện là đưa motor từ đứng yên lên tốc độ định mức sao cho dòng khởi động không làm sụt áp lưới, nhảy aptomat hay giật cơ khí. Có 6 cách chính: khởi động trực tiếp, sao – tam giác, giảm áp bằng điện trở hoặc cuộn kháng, biến áp tự ngẫu, khởi động mềm và biến tần; chọn cách nào tùy công suất motor, loại tải (nhẹ hay nặng lúc khởi động), sức chịu của nguồn điện và kinh phí.
Motor 3 pha rotor lồng sóc khởi động trực tiếp hút dòng 5–7 lần dòng định mức trong 1–10 giây. Motor 1,5 kW thì không sao, nhưng motor 37 kW kéo vọt 450–500 A là đèn cả xưởng chớp, máy khác nhảy contactor. Bài dưới đây đi qua từng phương pháp, số liệu dòng và momen, ưu nhược điểm khách quan.
Nội dung
1) Động cơ điện là gì và vì sao khởi động cần tính toán
Động cơ điện biến điện năng thành cơ năng. Phần đứng yên là stator mang cuộn dây, phần quay là rotor (lồng sóc, dây quấn hoặc nam châm vĩnh cửu). Khi cấp điện 3 pha vào stator, từ trường quay cảm ứng dòng điện trong rotor và kéo rotor quay theo. Chi tiết từng bộ phận có trong bài cấu tạo motor điện.
Lúc rotor còn đứng yên, độ trượt bằng 1, sức điện động cảm ứng trong rotor lớn nhất, nên dòng stator vọt lên rất cao, chỉ bị giới hạn bởi điện trở và điện kháng tản của cuộn dây. Rotor càng lên tốc, dòng càng giảm về định mức. Khởi động không tốt gây ra 3 việc: sụt áp lưới làm máy khác dừng; cuộn dây bị nung nóng và lực điện từ giật mạnh; trục, khớp nối, hộp số, dây đai bị sốc momen.
a) Dòng điện và điện áp của motor theo công suất
Motor 3 pha 380V có dòng định mức xấp xỉ 2 A cho mỗi kW (hệ số công suất 0,8–0,86). Motor 1 pha 220V có dòng khoảng 6–8 A mỗi kW. Bảng dưới để hình dung độ lớn dòng khởi động, số chính xác lấy theo tem hoặc bảng tra công suất motor 3 pha.
| Công suất motor 3 pha 380V | Dòng định mức tham khảo | Dòng khởi động trực tiếp ước tính | Cách khởi động thường gặp |
|---|---|---|---|
| 0,75 kW | 1,8 – 2 A | 10 – 14 A | Trực tiếp |
| 2,2 kW | 4,6 – 5 A | 28 – 35 A | Trực tiếp |
| 5,5 kW | 11 – 12 A | 70 – 80 A | Trực tiếp hoặc khởi động mềm |
| 11 kW | 21 – 23 A | 140 – 160 A | Sao – tam giác, khởi động mềm, biến tần |
| 22 kW | 41 – 43 A | 260 – 300 A | Sao – tam giác, khởi động mềm, biến tần |
| 37 kW | 68 – 72 A | 450 – 500 A | Sao – tam giác, khởi động mềm, biến tần |
| 90 kW | 160 – 170 A | 1.000 – 1.150 A | Khởi động mềm, biến áp tự ngẫu, biến tần |
- Dòng khởi động tính theo hệ số Ia/In in trên catalog, motor IE3 thường 6,5–7,5 lần.
- Motor 1 pha 220V 2,2 kW có dòng định mức khoảng 14–15 A, khởi động 60–80 A.
- Lưới yếu (cuối đường dây, trạm nhỏ) sụt áp mạnh hơn số liệu bảng.
2) Các phương pháp khởi động động cơ điện, ưu nhược điểm từng cách
Bảng so sánh nhanh dòng và momen khởi động của từng phương pháp:
| Phương pháp khởi động | Dòng khởi động (so với dòng định mức In) | Momen khởi động (so với khởi động trực tiếp) | Dải công suất hay gặp | Chi phí thiết bị |
|---|---|---|---|---|
| Trực tiếp (DOL) | 5 – 7 lần In | 100% | 0,18 – 11 kW, lớn hơn nếu trạm biến áp đủ khỏe | Thấp nhất |
| Sao – tam giác | khoảng 1/3 so với trực tiếp (1,7 – 2,3 In) | khoảng 33% | 7,5 – 132 kW, motor 380V đấu tam giác | Thấp – trung bình |
| Điện trở hoặc cuộn kháng nối tiếp stator (áp còn 80%) | khoảng 80% so với trực tiếp | khoảng 64% | Motor trung áp, máy cũ | Trung bình |
| Biến áp tự ngẫu (nấc 65%) | khoảng 42% so với trực tiếp | khoảng 42% | 45 – 500 kW, bơm, máy nghiền | Cao |
| Khởi động mềm (soft starter) | đặt được 2 – 4 In | giảm theo bình phương điện áp, chỉnh được | 5,5 – 500 kW, bơm, quạt, băng tải | Trung bình – cao |
| Biến tần | khoảng 1 – 1,5 In | đến 150% momen định mức | 0,2 – 500 kW, mọi tải cần chỉnh tốc | Cao nhất |
| Điện trở rotor (motor rotor dây quấn) | 1,5 – 2,5 In | có thể đạt momen cực đại | Cầu trục, máy nghiền, cối xay lớn | Cao |
- Momen motor tỷ lệ với bình phương điện áp: giảm áp còn 80% thì momen còn 64%, còn 50% thì momen chỉ 25%.
- Tải nặng lúc khởi động (máy nghiền đầy liệu, băng tải chở hàng) cần momen khởi động cao.
- Giảm dòng khởi động luôn đi kèm giảm momen, trừ biến tần và điện trở rotor.
a) Khởi động trực tiếp (DOL)
Đóng thẳng điện lưới vào motor qua aptomat, contactor và rơ le nhiệt. Mạch đơn giản nhất, ít hỏng vặt, momen khởi động lớn nhất (khoảng 1,8–2,5 lần momen định mức với motor lồng sóc thông dụng). Nhược điểm: dòng khởi động 5–7 In, gây sụt áp và sốc cơ khí. Phổ biến cho motor từ vài trăm W tới khoảng 7,5–11 kW, máy bơm gia đình, quạt hút, máy nén khí nhỏ.
b) Khởi động sao – tam giác (thay đổi cách đấu dây quấn)
Motor 6 đầu dây, điện áp tem Δ380V/Y660V (hoặc ghi 380/660V). Lúc khởi động đấu sao, mỗi cuộn chỉ chịu 220V, dòng dây và momen đều còn khoảng 1/3 so với đấu tam giác trực tiếp. Sau 5–15 giây, rơ le thời gian chuyển sang tam giác chạy định mức. Cần 3 contactor (chính, sao, tam giác) có khóa liên động. Motor tem Δ220V/Y380V thì ở lưới 380V chỉ đấu sao, không chạy sao – tam giác được. Motor 9 đầu dây (hai cấp điện áp kiểu Mỹ) có cách đấu riêng, xem sơ đồ trên nắp hộp cực.
Ưu điểm: rẻ, phổ biến, không phát nhiệt thêm. Nhược điểm: momen chỉ còn 33%, tải nặng khó lên tốc; lúc chuyển sang tam giác có xung dòng và xung momen, chuyển quá sớm thì xung gần bằng khởi động trực tiếp.
c) Giảm áp bằng điện trở hoặc cuộn kháng nối tiếp stator
Mắc điện trở Rmm hoặc cuộn kháng Xmm nối tiếp mỗi pha. Dòng khởi động đi qua làm sụt áp trên điện trở, điện áp lên cuộn dây motor còn khoảng 50–80%. Khi motor gần đạt tốc độ, contactor nối tắt điện trở. Điện trở tỏa nhiệt nhiều, chỉ hợp khởi động không thường xuyên; cuộn kháng ít tổn hao hơn, hay gặp ở motor trung áp. Hai cách này giảm dòng tỷ lệ thuận với điện áp nhưng momen giảm theo bình phương, nên dùng cho tải nhẹ lúc khởi động như quạt, bơm ly tâm đóng van.
d) Khởi động bằng biến áp tự ngẫu
Biến áp tự ngẫu 3 pha có các nấc 50%, 65%, 80%. Ở nấc 65%, điện áp motor còn 65%, dòng motor còn 65%, nhưng dòng phía lưới chỉ còn khoảng 0,65² ≈ 42% so với khởi động trực tiếp, momen cũng còn 42%. So với điện trở cùng mức momen, biến áp tự ngẫu kéo ít dòng lưới hơn, đó là lợi thế lớn nhất. Đổi lại thiết bị to, nặng, đắt, thường dùng cho bơm và máy nghiền 45 kW trở lên. Biến áp chỉ làm việc vài chục giây mỗi lần nên chế tạo theo chế độ ngắn hạn, khởi động liên tục nhiều lần sẽ quá nhiệt.
e) Khởi động mềm (soft starter)
Dùng cặp thyristor (SCR) mỗi pha, tăng dần điện áp từ mức đặt ban đầu (ví dụ 30–40%) lên 100% trong thời gian đặt 5–30 giây, hoặc giới hạn dòng ở 2–4 In. Có chức năng dừng mềm, hạn chế búa nước trong đường ống bơm. Sau khi lên tốc thường có contactor bypass để thyristor không phát nhiệt. Khởi động mềm không điều chỉnh được tốc độ khi chạy, chỉ làm mềm quá trình khởi động và dừng.
f) Khởi động bằng biến tần
Biến tần nâng tần số và điện áp từ 0 lên 50Hz theo tỷ lệ U/f, motor được cấp đúng từ thông ở mọi tốc độ nên khởi động với dòng chỉ khoảng 1–1,5 In mà momen vẫn đạt 100–150% định mức. Đây là cách êm nhất, thêm được chức năng chỉnh tốc, tiết kiệm điện mạnh với bơm, quạt chạy non tải. Nhược điểm: đắt, sinh sóng hài, motor chạy tốc thấp lâu cần quạt làm mát cưỡng bức. Chọn biến tần theo dòng định mức motor, tải nặng chọn lớn hơn một cấp. Đọc thêm biến tần là gì và các phương pháp điều khiển tốc độ motor 3 pha.
g) Khởi động motor rotor dây quấn và motor 1 pha
Motor rotor dây quấn đưa 3 đầu rotor ra vành trượt, nối với biến trở. Lúc khởi động để điện trở rotor lớn, dòng giảm mà momen tăng (có thể đạt momen cực đại ngay khi đứng yên), sau đó cắt dần điện trở. Dùng cho cầu trục, máy nghiền bi, máy cán. Motor 1 pha thì khởi động bằng cuộn đề nối tiếp tụ đề, khi đạt 70–80% tốc độ thì công tắc ly tâm cắt cuộn đề; loại tụ chạy giữ tụ trong mạch suốt quá trình chạy.
Video đấu điện, đo ampe motor điện 90kw 125hp 4 cực:
3) Cách chọn phương pháp khởi động động cơ điện
- Theo công suất và nguồn: motor nhỏ hơn khoảng 10–15% công suất trạm biến áp thường khởi động trực tiếp được. Lưới điện nông thôn, cuối đường dây yếu thì motor 5,5–7,5 kW đã nên tính giảm áp.
- Theo tải: bơm ly tâm, quạt có momen cản tăng theo bình phương tốc độ, khởi động nhẹ, hợp sao – tam giác hoặc khởi động mềm. Băng tải đầy hàng, máy nghiền, máy trộn bê tông có tải, máy nén piston khởi động nặng, hợp biến tần hoặc khởi động trực tiếp nếu nguồn chịu được.
- Theo số lần khởi động: khởi động nhiều lần mỗi giờ (cẩu, máy đột dập) thì biến tần hoặc rotor dây quấn ít nóng motor hơn.
- Theo nhu cầu chỉnh tốc: cần chỉnh tốc độ khi chạy thì biến tần là lựa chọn duy nhất trong danh sách.
- Theo môi trường: nơi nóng, bụi, ẩm thì tủ khởi động trực tiếp và sao – tam giác ít linh kiện điện tử, dễ sửa ở địa phương; khởi động mềm và biến tần cần tủ kín, quạt và lọc bụi.
4) Ứng dụng các phương pháp khởi động trong thực tế
- Khởi động motor máy bơm nước gia đình 0,37–2,2 kW: trực tiếp qua rơ le áp suất hoặc phao điện.
- Khởi động motor bơm công nghiệp 11–75 kW: khởi động mềm có dừng mềm chống búa nước, hoặc biến tần cho hệ bơm tăng áp giữ áp ổn định.
- Khởi động quạt hút công nghiệp, quạt lò hơi: sao – tam giác hoặc biến tần (quạt quán tính lớn cần thời gian lên tốc dài 20–60 giây).
- Khởi động motor băng tải, máy nghiền đá, máy trộn: biến tần hoặc khởi động trực tiếp với nguồn khỏe; motor rotor dây quấn với máy nghiền bi lớn.
- Khởi động motor máy nén khí trục vít 7,5–75 kW: sao – tam giác là phổ biến, dòng biến tần cho máy nén tiết kiệm điện.
- Khởi động motor 1 pha máy nén tủ lạnh, máy bơm, máy cưa: tụ đề, công tắc ly tâm hoặc rơ le dòng.
5) Ưu điểm và nhược điểm tổng hợp
a) Ưu điểm nổi bật của từng cách
- Trực tiếp: rẻ, đơn giản, momen khởi động cao nhất, ít hỏng vặt.
- Sao – tam giác: giảm dòng khởi động còn 1/3, chi phí thấp, thợ điện nào cũng lắp được.
- Biến áp tự ngẫu: dòng lưới thấp nhất trong nhóm giảm áp kiểu cơ – điện, chọn được nấc 50–80%.
- Khởi động mềm: chỉnh được thời gian và dòng, có dừng mềm, bảo vệ quá tải, mất pha tích hợp.
- Biến tần: dòng khởi động thấp nhất mà momen vẫn cao, chỉnh tốc độ, tiết kiệm điện 20–40% với bơm quạt chạy non tải.
b) Nhược điểm cần biết
- Trực tiếp: sụt áp, sốc cơ khí, motor lớn dễ nhảy aptomat tổng.
- Sao – tam giác: momen khởi động thấp, xung dòng khi chuyển mạch, cần motor 6 đầu dây có điện áp tam giác bằng điện áp lưới.
- Điện trở, cuộn kháng: tổn hao nhiệt, momen giảm mạnh.
- Khởi động mềm: momen thấp lúc đầu, sinh hài khi khởi động, không chỉnh tốc.
- Biến tần: chi phí cao, cần lọc hài và cáp có chống nhiễu khi cáp motor dài.
Nội dung có thể bạn quan tâm:
- Động Cơ Điện 1 Chiều Là Gì? Nguyên Lý, Ứng Dụng Và Các Phương Pháp Khởi Động
- Động Cơ Không Đồng Bộ 3 Pha Roto Lồng Sóc: Nguyên Lý Làm Việc Và Sơ Đồ Khởi Động
- Biến Tần Điều Khiển Tốc Độ Motor 3 Pha, Lợi Ích, Khái Niệm
- Động Cơ Parma, Thương Hiệu Bán Chạy Nhất Việt Nam, Quy Mô Tập Đoàn
- Cách Đấu Điện Motor 1 Pha, Đấu tụ, Đảo Chiều Tùy Ý
- Giá Motor 3 Pha Hitachi Toshiba Mitsu Nhật, ABB, Siemens Đức, Giá Quấn Lại Motor Toàn Quốc
6) Câu hỏi thường gặp về khởi động động cơ điện
a) Người sắp mua thiết bị khởi động động cơ điện cần hỏi gì, xác minh gì
- Mua motor để chạy sao – tam giác cần xem gì trên tem? Tem phải ghi Δ380V (thường kèm Y660V) và hộp cực có đủ 6 đầu dây U1, V1, W1, U2, V2, W2. Motor ghi Δ220V/Y380V thì ở lưới 380V chỉ chạy sao, mua về sẽ không đấu sao – tam giác được. Motor từ 4 kW trở lên của nhiều hãng mới để Δ380V.
- Chọn khởi động mềm theo công suất hay theo dòng? Theo dòng định mức motor trên tem và theo kiểu tải. Bơm, quạt chọn khởi động mềm có dòng định mức bằng hoặc lớn hơn dòng motor; máy nghiền, băng tải nặng hoặc khởi động nhiều lần mỗi giờ chọn lớn hơn một cấp. Hỏi người bán có contactor bypass tích hợp không, thời gian khởi động tối đa và số lần khởi động mỗi giờ.
- Chọn biến tần cho motor cần xác minh gì? Điện áp vào (1 pha 220V hay 3 pha 380V), điện áp ra phải khớp cách đấu motor, dòng ra định mức lớn hơn dòng motor, kiểu tải (tải nhẹ bơm quạt hay tải nặng momen không đổi). Biến tần nhái dễ nhận ra qua dòng định mức ghi thấp bất thường so với công suất danh nghĩa, ví dụ 7,5 kW mà dòng ra chỉ 13 A.
- Làm sao biết bộ khởi động bán kèm đúng như quảng cáo? Đọc mã contactor và rơ le nhiệt trong tủ: contactor phải có dòng AC-3 lớn hơn dòng motor (với sao – tam giác, contactor chính và tam giác chọn khoảng 0,58 In, contactor sao khoảng 0,33 In). Rơ le nhiệt đặt theo dòng pha của cuộn dây khi đặt sau contactor chính, khoảng 0,58 In.
- Giá các bộ khởi động khoảng bao nhiêu? Theo giá trung bình thị trường Việt Nam, tủ khởi động sao – tam giác cho motor 11–15 kW khoảng 4–7 triệu; khởi động mềm 11 kW khoảng 6–12 triệu tùy hãng; biến tần 11 kW 3 pha khoảng 9–20 triệu; biến tần 1 pha 2,2 kW khoảng 2,5–5 triệu. Giá dao động theo hãng và tính năng.
b) Người đã mua: lắp cho đúng, dùng cho tối ưu
- Đặt thời gian chuyển sao sang tam giác bao nhiêu giây? Đo bằng ampe kìm khi khởi động: chuyển lúc dòng ở giai đoạn sao đã tụt về gần dòng định mức, motor đạt khoảng 85–90% tốc độ. Bơm ly tâm 15 kW thường 5–8 giây; quạt quán tính lớn có khi 15–25 giây. Chuyển sớm quá thì dòng vọt gần bằng khởi động trực tiếp.
- Cài khởi động mềm cho bơm thế nào? Điện áp khởi đầu 30–40%, thời gian tăng 8–15 giây, giới hạn dòng 3–3,5 In, dừng mềm 10–20 giây để hạn chế búa nước. Đặt dòng định mức motor đúng tem để bảo vệ quá tải hoạt động đúng.
- Cài biến tần cơ bản ra sao? Nhập thông số motor theo tem (điện áp, dòng, tần số, tốc độ, công suất), cho biến tần tự dò thông số (auto-tuning) nếu có, đặt thời gian tăng tốc 5–20 giây, giảm tốc tương ứng. Tải quán tính lớn mà giảm tốc nhanh sẽ báo lỗi quá áp, cần tăng thời gian giảm tốc hoặc lắp điện trở xả.
- Dây cáp từ tủ tới motor chọn thế nào? Chọn theo dòng định mức và chiều dài, sụt áp lúc chạy dưới 5%. Ví dụ motor 22 kW (khoảng 42 A), cáp đồng 3 × 10 mm² cho chiều dài dưới 50 m. Đấu sao – tam giác cần 2 sợi cáp 3 lõi ra motor.
- Làm sao tiết kiệm điện khi motor chạy? Bơm và quạt chạy biến tần ở 40Hz chỉ tiêu thụ khoảng 50% công suất so với 50Hz (công suất tỷ lệ lập phương tốc độ). Motor chạy non tải lâu dài dưới 40% thì cân nhắc thay motor nhỏ hơn hoặc motor hiệu suất IE3.
- Motor khởi động lâu, aptomat nhảy thì kiểm tra gì? Đo điện áp lưới lúc khởi động (sụt dưới 85% là nguồn yếu), kiểm tra mất pha, kiểm tra tải có bị kẹt, bạc đạn khô. Với sao – tam giác thì xem rơ le thời gian có chuyển mạch không.
c) Các lỗi người dùng thường mắc và cách chỉnh sửa
- Đấu sao – tam giác cho motor tem Δ220V/Y380V. Triệu chứng: khi chuyển sang tam giác ở lưới 380V, motor rú, dòng vọt, nóng nhanh, có thể cháy. Cách sửa: motor này đấu sao cố định ở lưới 380V; muốn giảm dòng khởi động thì dùng khởi động mềm hoặc biến tần.
- Đấu sai thứ tự đầu dây khi chuyển tam giác. Triệu chứng: lúc chuyển sang tam giác motor khựng lại, đổi tiếng, dòng tăng vọt. Cách sửa: đấu tam giác theo đúng cặp U1–W2, V1–U2, W1–V2 để chiều quay ở sao và tam giác giống nhau.
- Đặt rơ le nhiệt sai dòng. Triệu chứng: rơ le nhảy liên tục hoặc không bao giờ nhảy khi motor quá tải. Cách sửa: rơ le đặt trên mạch pha sau contactor chính của sao – tam giác thì đặt khoảng 0,58 In; đặt trên đường dây tổng thì đặt bằng In.
- Chọn khởi động mềm cho tải nặng. Triệu chứng: motor không lên tốc, khởi động mềm báo lỗi quá dòng hoặc quá thời gian. Cách sửa: tăng điện áp khởi đầu, tăng giới hạn dòng lên 4 In, hoặc chuyển sang biến tần với tải momen không đổi.
- Bỏ contactor bypass trên khởi động mềm. Triệu chứng: tủ nóng, thyristor hỏng sau vài tháng. Cách sửa: lắp contactor bypass đóng khi khởi động xong, kiểm tra quạt tủ.
- Đặt tần số tối thiểu biến tần quá thấp cho motor tự làm mát. Triệu chứng: motor chạy 15–20Hz lâu thì nóng dù dòng không cao. Cách sửa: tăng tần số tối thiểu hoặc lắp quạt làm mát độc lập cho motor.
d) Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước
- Khái niệm cần nắm trước? Độ trượt s, tốc độ đồng bộ n = 60f/p, đặc tính momen – tốc độ của motor lồng sóc (momen khởi động, momen cực đại, momen định mức), quan hệ momen tỷ lệ bình phương điện áp, dòng khởi động Ia/In, điện áp pha và điện áp dây trong cách đấu sao và tam giác.
- Nên học sản phẩm nào trước? Motor 3 pha rotor lồng sóc 6 đầu dây trước, kế đến contactor, rơ le nhiệt, rơ le thời gian. Sau đó mới tới khởi động mềm và biến tần. Ai học motor 1 pha thì đọc trước bài công tắc ly tâm để hiểu cách cắt cuộn đề.
- Thứ tự thực hành hợp lý? Đấu khởi động trực tiếp có tự giữ, dừng khẩn → mạch đảo chiều có khóa liên động → mạch sao – tam giác dùng rơ le thời gian → cài khởi động mềm → cài biến tần cơ bản và auto-tuning. Mỗi bước đều đo dòng khởi động bằng ampe kìm có chức năng inrush để so sánh.
- Tự kiểm chứng bằng đồng hồ đo thế nào? Đo điện trở 3 cuộn dây, sai lệch dưới 2–3%; đo cách điện cuộn dây với vỏ bằng megomet 500V hoặc 1000V, motor hạ áp đạt từ 1 MΩ trở lên. Dùng ampe kìm inrush đo dòng khởi động trực tiếp, rồi đo lại với sao – tam giác để thấy dòng giảm còn khoảng 1/3.
- Bài tập tính toán nên làm? Motor 22 kW, In = 42 A, Ia/In = 7. Khởi động trực tiếp: 294 A. Sao – tam giác: khoảng 98 A. Biến áp tự ngẫu nấc 65%: dòng lưới khoảng 0,42 × 294 ≈ 124 A, momen khoảng 42%. Làm xong bài này sẽ hiểu vì sao mỗi phương pháp có chỗ dùng riêng.
