Mạch sao tam giác là gì? Nguyên lý hoạt động và cấu tạo

Mạch sao tam giác là gì? – Giới thiệu về khởi động sao – tam giác

Khởi động sao – tam giác được sử dụng ở đâu? Thông thường, phần lớn các động cơ cảm ứng (induction motors) được khởi động trực tiếp trên đường dây (DOL – Direct On Line). Tuy nhiên, khi các động cơ có công suất rất lớn được khởi động theo cách này, dòng khởi động cao sẽ gây ra sự sụt áp trên đường dây cấp điện.

Để giới hạn dòng khởi động, các động cơ cảm ứng lớn thường được khởi động ở điện áp giảm, sau đó được nối lại với điện áp nguồn đầy đủ khi động cơ đạt gần đến tốc độ quay định mức.

Hai phương pháp được sử dụng để giảm điện áp khởi động là: khởi động sao – tam giác và khởi động bằng máy biến áp tự ngẫu.

Nguyên lý hoạt động của bộ khởi động sao tam giác

Khởi động sao tam giác của động cơ là phương pháp khởi động bằng điện áp giảm. Việc giảm điện áp trong quá trình khởi động sao tam giác được thực hiện bằng cách thay đổi cấu hình nối dây của cuộn dây động cơ. Trong giai đoạn khởi động, các cuộn dây của động cơ được nối theo cấu hình sao, giúp giảm điện áp trên mỗi cuộn dây xuống còn 1/√3 lần.

Điều này cũng làm giảm mô-men xoắn (torque) xuống khoảng một phần ba.

Sau một khoảng thời gian, các cuộn dây được chuyển sang cấu hình tam giác và động cơ hoạt động bình thường. Bộ khởi động sao – tam giác có lẽ là loại bộ khởi động điện áp giảm phổ biến nhất. Chúng được sử dụng nhằm giảm dòng điện khởi động tác động lên động cơ khi khởi động, qua đó giảm nhiễu loạn và can thiệp lên nguồn điện cung cấp.

Theo truyền thống, tại nhiều khu vực cung cấp điện, có yêu cầu phải lắp bộ khởi động điện áp giảm cho tất cả các động cơ có công suất lớn hơn 5 mã lực (5HP) hoặc 4 kW. Bộ khởi động sao tam giác (Star/Delta hoặc Wye/Delta) là một trong những loại khởi động điện áp giảm cơ điện rẻ nhất có thể được sử dụng.

Bộ khởi động sao – tam giác bao gồm ba khởi động từ (contactor), một bộ định thời (timer) và một rơ-le quá tải nhiệt (thermal overload). Các khởi động từ này nhỏ hơn so với loại dùng trong bộ khởi động trực tiếp (DOL) vì chúng chỉ điều khiển dòng điện qua các cuộn dây. Dòng điện chạy qua cuộn dây bằng 1/√3 (tức khoảng 58%) dòng điện trên đường dây.

Có hai khởi động từ được đóng trong quá trình động cơ chạy, thường được gọi là khởi động từ chính và khởi động từ tam giác. Hai khởi động từ này được định mức AC3 ở 58% dòng điện định mức của động cơ.

Khởi động từ thứ ba là khởi động từ sao, chỉ dẫn dòng sao trong khi động cơ được nối theo cấu hình sao.

Dòng điện trong cấu hình sao bằng 1/3 dòng điện trong cấu hình tam giác, vì vậy khởi động từ này có thể được định mức AC3 ở mức 1/3 (33%) công suất định mức của động cơ.

Các thành phần của bộ khởi động sao tam giác

• Khởi động từ (contactors): gồm khởi động từ chính, khởi động từ sao và khởi động từ tam giác – tổng cộng 3 cái (đối với loại Open State Starter) hoặc 4 cái (đối với loại Close Transition Starter).
• Rơ-le thời gian (time relay) – loại kéo trễ (pull-in delayed): 1 cái.
• Bộ nhả quá dòng nhiệt ba cực (three-pole thermal overcurrent release): 1 cái.
• Cầu chì hoặc thiết bị ngắt tự động cho mạch chính: 3 cái.
• Cầu chì hoặc thiết bị ngắt tự động cho mạch điều khiển: 1 cái.

Mạch nguồn của bộ khởi động sao tam giác

Cầu dao mạch chính hoạt động như công tắc nguồn chính, cung cấp điện cho mạch nguồn.

Khởi động từ chính nối nguồn điện tham chiếu gồm các pha R, Y, B đến các đầu cực chính của động cơ U1, V1, W1.

Trong quá trình hoạt động, khởi động từ chính (KM3) và khởi động từ sao (KM1) được đóng ban đầu. Sau một khoảng thời gian, khởi động từ sao sẽ mở ra, sau đó khởi động từ tam giác (KM2) được đóng lại.

Việc điều khiển các khởi động từ được thực hiện bởi bộ định thời (K1T) tích hợp sẵn trong bộ khởi động. Hai chế độ Sao và Tam giác được liên khóa điện (electrically interlocked) và ưu tiên có thêm liên khóa cơ khí (mechanically interlocked) để đảm bảo an toàn.

Mạch điều khiển của khởi động sao tam giác

Nút nhấn ON khởi động mạch bằng cách kích hoạt cuộn dây khởi động từ sao (KM1) của mạch sao và cuộn định thời (KT). Khi cuộn khởi động từ sao (KM1) được kích hoạt, tiếp điểm chính và phụ của khởi động từ sao sẽ thay đổi trạng thái từ NO (mở) sang NC (đóng).

Khi tiếp điểm phụ của khởi động từ sao (1) (đặt trong mạch cuộn dây của khởi động từ chính) chuyển từ NO sang NC, mạch của cuộn dây khởi động từ chính (KM3) được hoàn thành, khiến KM3 được kích hoạt. Khi đó, các tiếp điểm chính và phụ của khởi động từ chính cũng chuyển từ NO sang NC. Toàn bộ quá trình này diễn ra rất nhanh trong tích tắc.

Sau khi nhấn nút ON, tiếp điểm phụ (2) của cuộn dây khởi động từ chính, được mắc song song với nút nhấn ON, sẽ chuyển từ NO sang NC, tạo thành mạch tự duy trì (latch) cho cuộn dây khởi động từ chính. Nhờ đó, mạch điều khiển vẫn duy trì hoạt động ngay cả khi nhả nút nhấn ON.

Khi khởi động từ sao chính (KM1) đóng, động cơ được nối theo sơ đồ sao (STAR) và duy trì ở chế độ sao cho đến khi tiếp điểm phụ trễ thời gian (KT3) chuyển từ NC sang NO.

Khi hết thời gian định sẵn, tiếp điểm phụ của bộ định thời (KT3) trong mạch cuộn sao sẽ chuyển từ NC sang NO. Đồng thời, tiếp điểm phụ (KT4) trong mạch cuộn tam giác sẽ chuyển từ NO sang NC, kích hoạt cuộn dây khởi động từ tam giác (KM2). Khi đó, khởi động từ tam giác chuyển từ NO sang NC, và các đầu nối của động cơ được chuyển từ sao sang tam giác (STAR → DELTA).

Một tiếp điểm phụ thường đóng của cả khởi động từ sao và tam giác (5&6) được bố trí ngược chiều với cuộn dây khởi động từ sao và tam giác. Các tiếp điểm liên động này đóng vai trò như công tắc an toàn, nhằm ngăn chặn việc hai cuộn dây khởi động từ sao và tam giác hoạt động cùng lúc. Do đó, một cuộn chỉ có thể được kích hoạt khi cuộn kia đã ngắt hoàn toàn.

Mạch điều khiển trên cũng có hai tiếp điểm ngắt dùng để dừng động cơ.

Nút nhấn OFF sẽ ngắt mạch điều khiển, đồng thời dừng động cơ khi cần thiết.

Tiếp điểm bảo vệ quá tải nhiệt là thiết bị bảo vệ tự động, nó sẽ mở mạch điều khiển (STOP) khi dòng quá tải của động cơ được rơ-le nhiệt phát hiện.

Mục đích là ngăn chặn động cơ bị cháy trong trường hợp tải vượt quá công suất định mức của động cơ.

Tại một giai đoạn nào đó trong quá trình khởi động, động cơ cần được chuyển đổi từ đấu sao (STAR) sang đấu tam giác (DELTA).

Các mạch công suất và mạch điều khiển có thể được bố trí theo hai cách:

• Chuyển mạch hở.
• Chuyển mạch kín.

Khởi động chuyển mạch hở hoặc kín là gì?

Khởi động chuyển mạch hở

Phương pháp được đề cập ở trên được gọi là chuyển mạch hở, vì tồn tại một trạng thái hở giữa chế độ sao và chế độ tam giác. Trong chuyển mạch hở, nguồn điện được ngắt khỏi động cơ trong khi các cuộn dây được cấu hình lại thông qua công tắc ngoài.

Khởi động chuyển mạch hở có 4 trạng thái:

• Trạng thái TẮT: Tất cả các contactor đều mở.
• Trạng thái sao: Contactor chính [KM3] và contactor sao [KM1] đóng, còn contactor tam giác [KM2] mở. Động cơ được nối theo kiểu sao và tạo ra mô-men xoắn bằng một phần ba mô-men xoắn của phương pháp khởi động trực tiếp (DOL) với dòng điện bằng một phần ba.
• Trạng thái mở: Kiểu vận hành này được gọi là chuyển mạch chuyển tiếp mở vì có một giai đoạn mở giữa trạng thái sao và trạng thái tam giác. Contactor chính đóng, còn contactor sao và tam giác đều mở. Có điện áp ở một đầu cuộn dây động cơ, nhưng đầu kia mở nên dòng điện không thể chạy qua. Động cơ có rotor đang quay và hoạt động giống như một máy phát điện.
• Trạng thái tam giác (Delta): Contactor chính và contactor tam giác đóng, còn contactor sao mở. Động cơ được nối với điện áp đường dây đầy đủ, và công suất cũng như mô-men xoắn đầy đủ đều sẵn có.

Bộ khởi động sao/tam giác chuyển tiếp kín

Có một kỹ thuật dùng để giảm biên độ của hiện tượng quá độ khi chuyển mạch. Kỹ thuật này yêu cầu sử dụng thêm một contactor thứ tư và một bộ gồm ba điện trở. Các điện trở này phải được chọn sao cho có thể cho phép dòng điện đáng kể chạy qua các cuộn dây của động cơ trong khi chúng còn nằm trong mạch.

Bộ khởi động sao/tam giác chuyển tiếp kín có 5 trạng thái:

• Trạng thái TẮT: Tất cả các contactor đều mở.
• Trạng thái SAO (Star): Contactor chính [KM3] và contactor sao [KM1] đóng, còn contactor tam giác [KM2] mở. Động cơ được nối theo kiểu sao và tạo ra mô-men xoắn bằng một phần ba mô-men xoắn của phương pháp khởi động trực tiếp (DOL) với dòng điện bằng một phần ba.
• Trạng thái CHUYỂN TIẾP SAO: Động cơ được nối theo kiểu sao, và các điện trở được kết nối song song qua contactor tam giác thông qua contactor phụ [KM4].
• Trạng thái CHUYỂN TIẾP KÍN: Contactor chính [KM3] đóng, còn các contactor tam giác [KM2] và sao [KM1] mở. Dòng điện chạy qua cuộn dây động cơ và các điện trở chuyển tiếp thông qua KM4.
• Trạng thái TAM GIÁC (Delta): Contactor chính và contactor tam giác đóng, các điện trở chuyển tiếp bị nối tắt. Contactor sao mở. Động cơ được nối với điện áp đường dây đầy đủ, và công suất cũng như mô-men xoắn tối đa đều sẵn có.

Ưu điểm của bộ khởi động sao – tam giác

Phương pháp khởi động sao – tam giác có cách vận hành đơn giản và chắc chắn. So với các phương pháp giảm điện áp khác, nó có chi phí thấp hơn tương đối. Phương pháp này cho hiệu suất mô-men xoắn/dòng điện tốt và chỉ cần dòng điện khởi động gấp đôi dòng điện định mức toàn tải của động cơ được nối.

Nhược điểm của bộ khởi động sao – tam giác

• Mô-men xoắn khởi động thấp vì Mô-men xoắn = (Bình phương của điện áp) cũng bị giảm.
• Gián đoạn nguồn điện – có thể gây ra hiện tượng quá độ (transients).
• Yêu cầu động cơ có 6 đầu nối (đấu theo kiểu tam giác).
• Cần 2 bộ cáp riêng biệt nối từ bộ khởi động đến động cơ.
• Chỉ cung cấp khoảng 33% mô-men xoắn khởi động, và nếu tải gắn với động cơ yêu cầu mô-men xoắn khởi động cao hơn, thì khi chuyển mạch từ sao sang tam giác sẽ tạo ra hiện tượng quá độ và ứng suất rất lớn, có thể dẫn đến hư hỏng điện và cơ học.
• Trong phương pháp này, ban đầu động cơ được nối theo kiểu sao, sau đó khi chuyển mạch thì động cơ được nối theo kiểu tam giác. Dạng tam giác của động cơ được hình thành trong bộ khởi động, không phải ngay trên các đầu cực của động cơ.
• Đỉnh truyền tải và dòng điện cao: Khi khởi động các thiết bị như bơm hoặc quạt, mô-men tải ban đầu thấp và tăng theo bình phương của tốc độ. Khi đạt khoảng 80–85% tốc độ định mức, mô-men tải bằng mô-men động cơ và quá trình tăng tốc dừng lại.