Mạch khởi động sao tam giác – Cấu tạo & ứng dụng

Mạch khởi động sao tam giác là một trong những mạch điện cực kỳ quen thuộc trong các tủ điện công nghiệp và sản xuất. Với mục đích chính là giảm dòng điện khi bắt đầu khởi động các động cơ công suất lớn, mạch sao tam giác là một giải pháp kinh tế và hiệu quả nhất. Vậy cùng tìm hiểu về cấu tạo và ứng dụng của mạch điện quan trọng này nhé!

Mạch khởi động sao tam giác là gì?

Mạch khởi động sao tam giác (tên tiếng Anh: Star-Delta Starter hoặc Wye-Delta Starter) là một phương pháp khởi động dùng để giảm dòng khởi động cho các động cơ điện 3 pha (rôto lồng sóc).

Đây là những động cơ có công suất tương đối lớn. Khi bắt đầu khởi động trực tiếp (DOL - Direct On Line), dòng điện khởi động có thể cao gấp 6 đến 8 lần dòng điện định mức. Nếu sử dụng các loại mạch khởi động trực tiếp thông thường, dòng điện "đề pa" quá lớn này sẽ gây ra các hậu quả nghiêm trọng như sụt áp toàn hệ thống (làm đèn bị mờ, các máy khác hoạt động chập chờn), gây sốc cơ khí làm hỏng trục, hộp số và làm CB (Aptomat) bị nhảy.

Do đó, mạch khởi động sao tam giác được ứng dụng như một giải pháp tốt nhất để "khởi động mềm" (giảm dòng) cho các loại máy móc này. Nguyên lý của nó là:

1. Giai đoạn 1 (Khởi động): Mạch sẽ kết nối các cuộn dây của động cơ theo kiểu hình SAO (Star / Wye). Ở chế độ này, điện áp đặt vào mỗi cuộn dây giảm đi √3 lần (căn 3), giúp dòng điện khởi động giảm xuống chỉ còn khoảng 1/3 so với khởi động trực tiếp.
2. Giai đoạn 2 (Chạy chính thức): Sau một khoảng thời gian cài đặt (khi động cơ đã đạt gần đến tốc độ định mức, thường là 75-80%), mạch sẽ tự động chuyển đổi, kết nối các cuộn dây sang kiểu hình TAM GIÁC (Delta). Ở chế độ này, động cơ được cấp đủ điện áp định mức và chạy ở 100% công suất.

→ Cấu tạo của mạch sao tam giác

Một mạch khởi động sao tam giác tiêu chuẩn là một hệ thống gồm các Contactor (Khởi động từ) và các thiết bị bảo vệ, điều khiển. Các thành phần chính bao gồm:

• Contactor (Khởi động từ): Cần 3 Contactor, thường ký hiệu là K (hoặc KM1), K1 (hoặc KM3 - Contactor SAO), và K2 (hoặc KM2 - Contactor TAM GIÁC).
• Thiết bị bảo vệ: Gồm Aptomat tổng (MCCB hoặc MCB) để bảo vệ ngắn mạch, và 1 Rơ le nhiệt (Thermal Relay) để bảo vệ quá tải.
• Thiết bị điều khiển:
  • Rơ le thời gian (Timer Relay): Đây là bộ phận then chốt, dùng để cài đặt thời gian chuyển đổi tự động từ chế độ SAO sang TAM GIÁC.
  • Nút nhấn: Ít nhất là 1 nút ON (để khởi động) và 1 nút OFF (để dừng).
  • Đèn báo: Có thể có đèn báo trạng thái (chạy, dừng, lỗi).

→ Nguyên lý đấu mạch sao tam giác

Để đấu mạch khởi động sao tam giác, anh em cần hiểu nguyên lý hoạt động của các contactor. Một động cơ 3 pha (phải là loại cho phép đấu sao/tam giác) sẽ có 6 đầu dây ra (U1, V1, W1 và U2, V2, W2).

Nguyên lý đấu nối như sau (tham khảo sơ đồ mạch động lực):

• Nguồn điện 3 pha (L1, L2, L3) đi qua Aptomat tổng (CB) và Contactor chính (K).
• Sau Contactor K là Rơ le nhiệt.
• Từ Rơ le nhiệt, 3 dây pha được đấu vào 3 đầu dây U1, V1, W1 của động cơ.
• 3 đầu dây còn lại (U2, V2, W2) được đấu nối song song vào cả Contactor SAO (K1) và Contactor TAM GIÁC (K2).

Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển:

1. Nhấn nút ON: Mạch điều khiển cấp điện cho Contactor chính (K) và Rơ le thời gian (Timer) đồng thời cấp điện cho Contactor SAO (K1). (Contactor K và K1 cùng đóng).
   • Khi K1 đóng, nó sẽ chụm 3 đầu U2, V2, W2 lại với nhau.
   • Kết quả: Động cơ được nối SAO và bắt đầu khởi động.
2. Sau 1 thời gian (do Rơ le thời gian đếm): Khi động cơ đã đạt tốc độ, Rơ le thời gian sẽ tác động:
   • Ngắt điện Contactor SAO (K1 mở ra).
   • Cấp điện cho Contactor TAM GIÁC (K2) đóng lại.
3. Chạy chế độ Tam Giác: Khi K2 đóng, nó sẽ đấu U2 với V1, V2 với W1, W2 với U1 (thông qua contactor K).
   • Kết quả: Động cơ được nối TAM GIÁC và chạy ở công suất định mức.

Lưu ý an toàn: Trong mạch điều khiển luôn phải có khóa chéo điện (dùng tiếp điểm thường đóng của contactor này để ngắt contactor kia) giữa K1 và K2. Điều này để đảm bảo không bao giờ cả K1 và K2 cùng đóng một lúc, vì nếu điều đó xảy ra sẽ gây ngắn mạch 3 pha (chập điện) cực kỳ nguy hiểm.

→ Mạch khởi động sao tam giác có công dụng gì?

Như đã đề cập, mạch khởi động sao tam giác được sử dụng với 2 mục tiêu chính:

1. Giảm dòng điện khởi động: Giảm dòng khởi động xuống còn 1/3 so với khởi động trực tiếp, bảo vệ động cơ khỏi bị quá nhiệt và tránh làm hỏng các thiết bị cơ khí do sốc mô-men xoắn.
2. Tránh sụt áp hệ thống: Giảm dòng khởi động cũng đồng nghĩa với việc giảm sụt áp trên lưới điện, giúp các thiết bị khác trong nhà xưởng hoạt động ổn định, không bị ảnh hưởng.

→ Khi nào cần dùng chế độ sao tam giác?

Mạch khởi động sao tam giác được sử dụng rất rộng rãi cho các động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc. Tuy nhiên, có một số điều kiện cần lưu ý:

• Yêu cầu về động cơ: Động cơ bắt buộc phải là loại cho phép hoạt động ở chế độ tam giác với điện áp lưới (ví dụ: trên nhãn động cơ phải ghi là Δ/Y 380V/660V - nghĩa là động cơ này nếu chạy lưới 380V thì phải đấu Tam giác, nếu chạy lưới 660V thì đấu Sao. Khi đó ta có thể khởi động Sao/Tam giác ở lưới 380V).
• Yêu cầu về công suất: Khởi động sao tam giác thường được dùng cho các động cơ có công suất trung bình đến lớn, ở Việt Nam thường là từ 7.5kW (10HP) đến khoảng 100kW.
  • Động cơ công suất nhỏ hơn (dưới 7kW) thường được khởi động trực tiếp (DOL).
  • Động cơ công suất rất lớn (trên 100kW) hoặc yêu cầu khởi động êm ái hơn, điều chỉnh được thời gian, thì thường sẽ dùng Biến tần (VFD) hoặc Khởi động mềm (Soft Starter).
• Yêu cầu về tải: Phương pháp này chỉ phù hợp cho các loại tải có mô-men xoắn khởi động không quá lớn (vì khi khởi động Sao, mô-men xoắn cũng bị giảm còn 1/3). Các loại máy phổ biến dùng mạch này là: máy bơm nước ly tâm, quạt thông gió, máy nén khí (khởi động không tải), máy nghiền (đã có đà)...

MUA NGAY HÀNG CÔNG NGHIỆP GIÁ TỐT TẠI MECSU

Có bao nhiêu loại mạch sao tam giác?

Mạch khởi động sao tam giác được phân loại thành 2 kiểu chính: mạch mở và mạch đóng.

→ Mạch khởi động Sao – Tam giác kiểu mạch hở (Open Transition)

• Đặc điểm: Đây là loại mạch được sử dụng rộng rãi nhất, chính là loại đã mô tả ở trên, sử dụng 3 công tắc tơ (K, K1, K2) và 1 rơ le thời gian.
• Ưu điểm: Chi phí thấp, đơn giản, dễ lắp đặt, không cần thêm thiết bị phức tạp.
• Nhược điểm: Gọi là "mạch hở" vì có một khoảnh khắc rất ngắn (vài mili giây) trong quá trình chuyển đổi từ Sao (K1 ngắt) sang Tam giác (K2 đóng), động cơ hoàn toàn không được kết nối với nguồn điện. Điều này có thể tạo ra sự đột biến dòng điện và mô-men xoắn lớn ngay tại thời điểm K2 đóng, gây sốc cơ khí cho hệ thống.

→ Mạch khởi động Sao – Tam giác kiểu mạch đóng (Closed Transition)

• Đặc điểm: Trong mạch này, quá trình chuyển đổi từ Sao sang Tam giác được thực hiện mà không có thời điểm nào động cơ bị ngắt khỏi nguồn điện.
• Để làm được điều này, người ta phải sử dụng thêm một Contactor thứ 4 và một cụm điện trở phụ. Quá trình chuyển mạch sẽ phức tạp hơn: Ban đầu chạy Sao (K, K1 đóng) → Thêm điện trở vào (Contactor thứ 4 đóng, nối tiếp điện trở) → Ngắt Sao (K1 mở) → Đóng Tam giác (K2 đóng, lúc này điện trở vẫn ở trong mạch) → Ngắt điện trở (Contactor thứ 4 mở).
• Ưu điểm: Chuyển mạch cực kỳ êm ái, hoàn toàn không có đột biến dòng điện, khắc phục được toàn bộ nhược điểm của mạch hở.
• Nhược điểm: Yêu cầu nhiều thiết bị hơn (4 contactor + điện trở), mạch điều khiển phức tạp hơn, tốn chi phí hơn.

Hướng dẫn chọn thiết bị đóng cắt, điều khiển cho mạch sao tam giác

Để lắp một tủ điện sao tam giác chuẩn, việc chọn các thiết bị đóng cắt (Aptomat, Contactor, Rơ le nhiệt) là rất quan trọng.

→ Chọn thiết bị đóng ngắt mạch (Động lực)

1. Aptomat (CB/MCCB)

Các động cơ dùng mạch sao tam giác thường có công suất lớn, nên anh em phải chọn Aptomat khối (MCCB). Cách chọn dòng định mức của CB (I_cb) dựa trên dòng điện định mức của động cơ (I_đc - xem trên tem máy).

Công thức kinh nghiệm:

• Tính dòng định mức động cơ (nếu không có tem): I_đc ≈ P * 2 (Với P là công suất động cơ tính bằng kW. Ví dụ: động cơ 15kW có I_đc ≈ 30A).
• Chọn dòng CB: I_cb = (1.5 đến 2.0) * I_đc
  • Dùng hệ số 1.5 cho các tải nhẹ, khởi động nhanh (máy bơm, quạt).
  • Dùng hệ số 2.0 cho các tải nặng, khởi động lâu (máy nghiền, máy nén khí...).

2. Contactor (Khởi động từ)

Trong mạch sao tam giác, dòng điện không chạy hoàn toàn qua 1 contactor duy nhất. Dòng điện được chia ra:

• Contactor chính (K) và Contactor TAM GIÁC (K2) mỗi cái sẽ chịu 58% dòng định mức của động cơ (I_đc / √3).
• Contactor SAO (K1) chỉ chạy khi khởi động (dòng thấp) và chịu 33% dòng định mức (I_đc / 3).

Cách chọn an toàn:

• Chọn dòng định mức của Contactor K và K2: I_K = I_K2 ≥ 0.58 * I_đc
• Chọn dòng định mức của Contactor K1: I_K1 ≥ 0.33 * I_đc

Để đơn giản và an toàn, anh em thợ thường chọn Contactor K và K2 bằng nhau (ví dụ: 50A), và chọn K1 thấp hơn 1 cấp (ví dụ: 32A).

3. Rơ le nhiệt (Thermal Relay)

Lưu ý quan trọng: Rơ le nhiệt được lắp sau Contactor chính (K), nghĩa là nó nằm trên đường cấp vào 3 đầu U1, V1, W1. Dòng điện thực tế đi qua Rơ le nhiệt lúc này chính là dòng điện pha của động cơ khi chạy tam giác.

Vì vậy, anh em phải chọn dải điều chỉnh của Rơ le nhiệt phù hợp với giá trị 0.58 * I_đc, chứ KHÔNG chọn theo dòng I_đc (sẽ gây quá tải, không bảo vệ được động cơ).

→ Chọn thiết bị điều khiển

Rơ le thời gian (Timer Relay): Chọn loại Timer ON-Delay. Chỉ cần chọn loại có dải thời gian cài đặt phù hợp (ví dụ 0-30 giây) và có điện áp cuộn dây (Coil) tương ứng với mạch điều khiển (thông dụng nhất là 220VAC).

Nút nhấn, đèn báo: Chọn loại điện áp 220VAC (hoặc 24VDC nếu mạch điều khiển dùng 24V).

Sơ đồ đấu nối mạch khởi động sao tam giác

Để lắp đặt được mạch sao tam giác thì đầu tiên cần quan tâm tới những thông số ghi trên tem (nhãn) động cơ và chọn dây dẫn.

Chọn dây dẫn: Chọn tiết diện dây dẫn (mm²) phù hợp với dòng điện định mức của động cơ. Có một quy tắc kinh nghiệm là 1mm² tiết diện dây đồng có thể chịu được dòng điện khoảng 4A (để đảm bảo an toàn).
Ví dụ: Động cơ 22kW, I_đc ≈ 44A. Dòng điện trên mỗi dây (cấp cho K và K2) là 44 * 0.58 ≈ 25.5A. Tiết diện dây cần chọn là 25.5 / 4 ≈ 6.4 mm². Do đó, anh em nên chọn dây có tiết diện 10mm² hoặc 16mm² (luôn chọn lớn hơn 1 cấp) cho 6 dây đi từ tủ điện đến động cơ.

Đấu nối động cơ: Khi tiến hành đấu mạch, nên đánh dấu cẩn thận 6 đầu dây của động cơ (U1, V1, W1 và U2, V2, W2) để tránh đấu nhầm pha.

Giải đáp thắc mắc thêm về mạch sao tam giác

#1 Mối quan hệ điện áp và dòng điện trong mạch như thế nào?

Gọi U_d là điện áp dây (điện áp giữa 2 pha, ví dụ 380V), U_p là điện áp pha (điện áp đặt lên mỗi cuộn dây).
Gọi I_d là dòng điện dây (dòng điện từ nguồn đi vào), I_p là dòng điện pha (dòng điện chạy qua mỗi cuộn dây).

• Khi đấu mạch SAO:
  • U_p = U_d / √3 (Điện áp đặt lên mỗi cuộn dây bị giảm √3 lần)
  • I_d = I_p
  • Dòng điện khởi động: I_kđ(sao) = I_{kđ(trực tiếp)} / 3
• Khi đấu mạch TAM GIÁC:
  • U_p = U_d (Mỗi cuộn dây nhận đủ điện áp dây 380V)
  • I_d = I_p * √3

#2 Làm sao nhận biết cuộn dây động cơ 3 pha?

Để đấu sao tam giác, anh em phải xác định đúng 3 cặp cuộn dây (U1-U2, V1-V2, W1-W2) trong 6 đầu dây.

Cách làm: Dùng đồng hồ VOM, chuyển sang thang đo điện trở (Ω).

1. Chọn 1 đầu dây bất kỳ (ví dụ T1). Lần lượt quẹt que đo còn lại vào 5 đầu dây kia.
2. Đầu dây nào mà làm kim đồng hồ lên (hoặc hiển thị một giá trị điện trở nhỏ vài Ôm) thì đó chính là cặp cuộn dây thứ nhất (ví dụ T1-T4, ta ký hiệu là U1-U2).
3. Làm tương tự với 4 đầu còn lại để tìm 2 cặp cuộn dây kia (V1-V2, W1-W2).

(Việc xác định đúng chiều U1-U2 hay U2-U1 cần có thêm pin và đồng hồ VOM kim để kiểm tra cực tính, nhưng trong đấu nối sao tam giác, chỉ cần xác định đúng 3 cặp là đủ).

#3 Động cơ nào KHÔNG nên dùng mạch sao tam giác?

Những động cơ có đặc điểm sau thì không nên (hoặc không thể) dùng mạch sao tam giác:

• Động cơ công suất quá thấp (ví dụ dưới 7kW): Không cần thiết, dùng khởi động trực tiếp (DOL) cho rẻ.
• Động cơ yêu cầu mô-men xoắn khởi động lớn (khởi động có tải nặng): Như máy nén piston, máy trục vít có tải... Vì khi chạy Sao, mô-men xoắn chỉ còn 1/3, có thể không đủ sức kéo tải.
• Động cơ có tem ghi điện áp không phù hợp: Ví dụ, tem ghi Δ/Y 220V/380V. Động cơ này nếu dùng lưới 380V thì bắt buộc phải đấu Sao. Nếu anh em đấu Tam giác, động cơ sẽ cháy ngay lập tức. Do đó, không thể khởi động Sao/Tam giác ở lưới 380V.

MUA NGAY HÀNG CÔNG NGHIỆP GIÁ TỐT TẠI MECSU

Hy vọng với những thông tin về cấu tạo và ứng dụng của mạch khởi động sao tam giác được chúng tôi chia sẻ đã mang đến bạn đọc kiến thức hữu ích. Tin chắc rằng đây là loại mạch được rất nhiều người, đặc biệt các anh em trong lĩnh vực điện, động cơ sẽ rất quan tâm! Mời bạn đón đọc các bài viết tiếp theo của chúng tôi nhé!