Trong hầu hết các trường hợp, động cơ điện không bị hư hỏng do ngắn mạch. Thông thường, chúng ngừng hoạt động do quá nhiệt vì vận hành liên tục ở 110% của dòng định mức trong 40 phút do ổ bi khô hoặc dòng chảy bị hạn chế qua bơm hoặc các lỗi tương tự khác không được phát hiện cho đến khi lớp cách điện cuộn dây bị hỏng. Thiết bị duy nhất có khả năng phát hiện sự cố là rơ le quá tải, đây là bộ phận bảo vệ rẻ nhất của bộ khởi động động cơ.
Thông tin dưới đây giải thích rơ le quá tải cung cấp gì trong mạch điều khiển động cơ, cách hoạt động của từng loại rơ le, các lớp ngắt cần chọn, nguyên nhân gây ngắt và cách cài đặt rơ le.
Nói ngắn gọn, rơ le quá tải động cơ là thiết bị trong bộ khởi động động cơ đo dòng điện và ngắt mạch điều khiển nếu động cơ tiêu thụ dòng điện quá lớn trong thời gian dài. Do đó, thiết bị này không cung cấp bảo vệ ngắn mạch, điều này được thực hiện bởi cầu dao. Loại nhiệt sử dụng dải kim loại kép được làm nóng bởi dòng điện, trong khi loại điện tử dựa vào biến dòng và mô hình động cơ. Cài đặt là dòng định mức của động cơ, trong khi lớp ngắt được định nghĩa ở mức 7,2 lần dòng đó phải xem xét thời gian khởi động động cơ.
Rơ le Quá Tải Làm Gì Trong Mạch Điều Khiển Động Cơ
Rơ le quá tải điện có vai trò cụ thể trong điều khiển động cơ. Mục đích của rơ le quá tải trong hệ thống là bảo vệ động cơ chống cháy cuộn dây hơn là bảo vệ cáp hoặc contactor. Điều này giải thích rất nhiều trong quá trình cài đặt thiết bị này.
Bộ bảo vệ sẽ hoạt động trong các tình huống khác nhau, vì vậy mỗi thiết bị sẽ chịu trách nhiệm cho loại sự cố của nó. Loại đầu tiên là thiết bị ngắn mạch như cầu chì và cầu dao vỏ đúc có thể chịu được dòng ngắn mạch lên đến hàng nghìn ampe trong vài mili giây. Loại bảo vệ thứ hai là contactor sử dụng công tắc điện khi bật tải. Rơ le quá tải được sử dụng giữa hai thiết bị này để xác định khi động cơ hoạt động trong điều kiện cuộn dây động cơ bị hỏng và động cơ quá nhiệt.
Vì vậy, nó hoạt động theo chức năng chính và không cho phép động cơ quá nhiệt hoặc bị hư hỏng. Khi phát hiện sự cố, rơ le mở một tiếp điểm nhỏ được sử dụng trong mạch contactor. Sau khi tiếp điểm contactor ngắt, động cơ ngừng hoạt động nhưng rơ le cần được đặt lại bằng tay.
Thực tế, rơ le bảo vệ khả năng chịu nhiệt của động cơ vì dòng điện chỉ là chỉ báo gián tiếp của nó. Nếu động cơ chạy nóng, rơ le sẽ khó ngắt động cơ hơn so với khi thiết bị chạy ở chế độ lạnh vì nó phải tính đến nhiệt tích tụ của động cơ trước khi vận hành.
Thực tế cho thấy nếu động cơ có bảo vệ thích hợp, kích thước của rơ le không quan trọng. Vấn đề chính với rơ le là nó có hoạt động hay không, việc tăng công suất rơ le không có ý nghĩa gì trừ khi nguyên nhân gốc rễ của sự cố được phát hiện. Phiên bản tích hợp của toàn bộ bộ phận, gồm contactor cộng với quá tải cộng với vỏ bảo vệ, chính là một bộ khởi động động cơ loại này được đóng gói, và mua nó như một đơn vị duy nhất loại bỏ rủi ro không khớp giữa contactor và rơ le gây ra hầu hết các lỗi lắp đặt.
Cách hoạt động của Rơ le Quá tải Động cơ, theo từng loại
Thị trường được đặc trưng bởi hai cơ chế chủ đạo và một cơ chế mới xuất hiện gần đây.
- Loại đầu tiên là Bimetal, sử dụng nhiệt gián tiếp. Mỗi pha đi qua một phần tử được làm nóng bởi thành phần bimetal, bao gồm hai kim loại khác nhau giãn nở với tốc độ khác nhau nên nó uốn cong khi nóng. Khi uốn cong, nó tác động lên thanh tổng hợp và một cần gạt, giải phóng cơ chế bật và mở tiếp điểm 95-96. Nhiệt gián tiếp có nghĩa là bộ gia nhiệt chịu trách nhiệm làm nóng bimetal thay vì dòng điện truyền nhiệt qua bimetal. Ưu điểm là có thể sử dụng một khung cho các mức dòng điện khác nhau bằng cách thay đổi bộ gia nhiệt. Kết quả của thiết kế này là đạt được hiệu ứng thời gian nghịch đảo. Ở dòng điện gấp đôi định mức, bimetal uốn cong chậm, ở dòng điện gấp sáu lần thì uốn cong nhanh. Điều này tương ứng với hành vi vật lý của động cơ, có khả năng chịu dòng điện cao trong thời gian ngắn và chạy không tải với dòng điện thấp. Có một bimetal khác để bù nhiệt độ môi trường nhằm loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ xung quanh.
- Loại thứ hai là Điện tử. Biến dòng giám sát giá trị dòng điện cho mỗi pha, và dựa trên đó một mạch điện tử đưa ra quyết định theo mô hình nhiệt và kích hoạt một rơ le nhỏ hoặc một transistor đóng mạch. Quá trình này không có bộ gia nhiệt – và DVR có khả năng chuyển đổi các dòng điện khác nhau chỉ bằng cách thay đổi cài đặt. Các thiết bị điện tử như vậy được sử dụng để bảo vệ động cơ, kết hợp trong một thiết bị các chức năng của thiết bị ngắn mạch từ tính và quá tải nhiệt.
Bất kể loại bảo vệ nào được sử dụng, kết nối điện là giống nhau: các đầu nối 95-96 là tiếp điểm nhả thường đóng được nối nối tiếp với cuộn dây contactor trong khi các đầu nối 97-98 thường mở và được dùng làm tiếp điểm báo hiệu hoặc để báo tín hiệu cho PLC. Rơ le được kết nối qua các đầu nối 97-98 thay vì 95-96 sẽ không bao giờ nhả, và lỗi này xảy ra khá thường xuyên nên cần được kiểm tra bằng đồng hồ mỗi khi nhận được một tủ điện. Phía cuộn dây của cùng mạch được đề cập trong các thông số kỹ thuật contactor AC, cung cấp điện áp cuộn dây mà mạch điều khiển phải phù hợp.
Quá tải Nhiệt hay Điện tử: So sánh Trung thực
Cả hai đều là lựa chọn đúng cho các công việc khác nhau, và sự khác biệt về giá nhỏ hơn sự khác biệt về tính năng.
| Yếu tố | Nhiệt (bimetal) | Điện tử |
|---|---|---|
| Độ chính xác | ±10% đến 20% quanh cài đặt | Thông thường ±5% hoặc tốt hơn |
| Bù môi trường | −20 đến +60 °C trên hầu hết các khung | −25 đến +60 °C, rộng hơn trên một số |
| Lớp ngắt | Cố định khi mua, thường là Lớp 10 | Có thể chọn, thường từ 5E đến 30E |
| Bộ nhớ nhiệt | Bằng làm mát vật lý, điều này là thực tế | Theo mô hình và trạng thái lưu trữ |
| Chẩn đoán | Ngắt hoặc không ngắt | Dòng điện mỗi pha, tải nhiệt, nguyên nhân ngắt |
| Giá | Thấp nhất | Hai đến năm lần nhiệt, giảm dần |
| Phù hợp nhất cho | Bơm tiêu chuẩn, quạt, bộ khởi động đơn giản | Ổ đĩa quan trọng, tải quán tính cao, nhà máy mạng |
Nhược điểm của rơ le nhiệt là nó sử dụng bimetal hoạt động giống như động cơ nhưng không loại bỏ được các hạn chế của nó. Rơ le nhiệt không chỉ ra nguyên nhân ngắt và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ trong tủ điện. Hơn nữa, độ chính xác của rơ le nhiệt bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác, chẳng hạn như dung sai của bộ gia nhiệt.
Nhược điểm của rơ le điện tử là phụ thuộc vào cài đặt chính xác và nguồn điện. Nếu có sự cố với đầu ra, sẽ không phát tín hiệu. Tuy nhiên, có lợi ích do các số liệu thu được từ rơ le điện tử có thể được đội bảo trì sử dụng cho các ứng dụng khác. Hành vi của phía contactor dưới cùng một nhiệm vụ được trình bày trong các Hướng dẫn lựa chọn và đấu dây contactor AC, vì rơ le chỉ bảo vệ động cơ nếu contactor tồn tại đủ lâu để ngắt nó.
Lớp Ngắt: Cài Đặt Gây Ra Hầu Hết Các Ngắt Phiền Phức
Theo tiêu chuẩn IEC 60947-4-1, lớp ngắt đề cập đến thời gian cần để ngắt ở 7,2 lần dòng cài đặt khi động cơ còn lạnh. Nó được phát triển để cho phép động cơ trải qua quá trình khởi động mà không cảm nhận dòng điện cho đến khi động cơ dừng hoàn toàn.
| Lớp | Thời gian ngắt ở 7,2 × cài đặt, từ trạng thái lạnh | Tải điển hình |
|---|---|---|
| 10A | 2 đến 10 giây | Khởi động nhanh, quán tính thấp, làm lạnh kín |
| 10 | 4 đến 10 giây | Bơm, quạt, băng tải nhỏ, nhiệm vụ chung |
| 20 | 6 đến 20 giây | Băng tải tải nặng, máy nén, quạt lớn hơn |
| 30 | 9 đến 30 giây | Máy nghiền, máy xay, máy ly tâm, tải quán tính cao |
Yêu cầu sử dụng dải dung sai E trong rơle điện tử là các tỷ lệ tối thiểu cho các lớp thấp hơn so với các lớp khác, 3 giây cho 5E, 5 giây cho 10E, 10 giây cho 20E, và 20 giây cho 30E với tỷ lệ trên bằng với tỷ lệ cho các lớp khác.
Để quyết định lớp ngắt phù hợp, các yêu cầu ban đầu có thể được đơn giản hóa: nó nên dài hơn thời gian dẫn đầu của động cơ. Tuy nhiên, mặc dù quy tắc mô tả đơn giản, vẫn có nguy cơ mắc sai lầm khi chọn rơle. Khi sử dụng rơle Lớp 10 với động cơ mất 14 giây để đạt tốc độ làm việc, nó sẽ ngắt ở mỗi lần thử, do đó sẽ có xu hướng điều chỉnh dòng cài đặt thay vì thay đổi lớp của rơle, điều này sẽ khắc phục vấn đề nhưng làm mất đi sự bảo vệ cho động cơ.
Mọi người thường mắc sai lầm khi tính toán dòng điện có thể xảy ra khi sử dụng bộ khởi động sao - tam giác. Dòng điện chạy qua rơle quá tải được lắp trên tiếp điểm chính bằng 0,58 lần dòng định mức của động cơ. Nếu có thêm rơle quá tải bảo vệ động cơ trong pha sao, nó sẽ được cài đặt hoạt động ở một phần ba giá trị dòng điện.
Nguyên nhân khiến rơle quá tải ngắt, và những nguyên nhân không phải
Danh sách các nguyên nhân thực tế nhỏ so với danh sách dài các nguyên nhân được cho là liên quan đến quá tải.
Quá tải động cơ xảy ra khi dòng điện hiệu dụng vượt quá định mức đủ lâu để vượt quá giới hạn nhiệt. Có bốn nguyên nhân chính gây quá tải: vấn đề cơ học, như ổ bi bị kẹt, hoặc cánh quạt bị chặn hoặc lệch; vấn đề cung cấp, như điện áp thấp, làm tăng dòng điện; thay đổi sử dụng, như chi tiết gia công nặng hơn, hoặc bộ giảm chấn bị đóng; và khởi động thất bại, khi động cơ không thay đổi tốc độ và vẫn ở chế độ dòng điện khóa.
Tuy nhiên, cần lưu ý một số sai lầm mà người dùng mắc phải trong việc giải thích quá tải. Một số trong đó là: ngắn mạch liên quan đến bộ ngắt; lỗi nối đất, cần bảo vệ bằng RCD; tiếp điểm chính của contactor bị cháy dẫn đến mạch hở; và lỗi trong mạch điều khiển biểu hiện qua sự cố khóa. Sai lầm cuối cùng là sự hiểu nhầm phổ biến nhất vì nó tạo ra cùng một triệu chứng: động cơ dừng hoàn toàn, phải khởi động lại. Một contactor mất pha do ăn mòn tiếp điểm sẽ kéo dòng điện lớn hơn trên các pha còn lại và trông giống như quá tải cho đến khi ai đó kiểm tra, và các triệu chứng của lỗi đó được trình bày trong phần này. Triệu chứng hỏng bộ tiếp điểm AC.
Việc ngắt mạch lặp lại trên một động cơ đã sử dụng nhiều năm là vấn đề cơ khí, không phải tín hiệu. Việc ngắt mạch lặp lại trên một lắp đặt mới có khả năng cao là lỗi cài đặt hoặc lỗi lớp. Bất kỳ ngắt mạch nào chỉ xảy ra trong mùa hè có khả năng liên quan đến nhiệt độ. Bất kỳ ngắt mạch nào khi khởi động có khả năng là lỗi lớp hoặc lỗi cài đặt sao-tam giác. Cách nhanh nhất để phân loại một lần ngắt mạch là dựa vào thời gian của nó.
Cài đặt Núm Vặn: Dòng Định Mức, Không Phải Dòng Ngắt Mạch
Núm vặn được hiệu chuẩn theo dòng điện định mức tải đầy đủ của động cơ được ghi trên bảng tên và không phải theo giá trị ngăn ngừa ngắt mạch. Tiêu chuẩn IEC 60947-4-1 quy định rằng rơle không được ngắt mạch trong điều kiện dòng điện vượt quá giá trị này với hệ số 1,05, và phải ngắt mạch trong vòng 2 giờ khi dòng điện vượt quá với hệ số 1,2. Giá trị trên núm vặn trở thành điểm khởi đầu để vẽ đặc tính thời gian nghịch đảo cho rơle.
Phạm vi cài đặt điển hình là 1,5:1, ví dụ 7,5-11 Ampe, và nên đảm bảo động cơ hoạt động trong phạm vi quy định thay vì ở các giá trị cực đại để cho phép điều chỉnh nhỏ sau đó. Trong các tình huống khi hệ số dịch vụ của động cơ vượt quá 1,0, việc cài đặt cao hơn một chút so với thông tin trên bảng tên là hợp lý. Nếu hệ số dịch vụ bằng 1,0, thì nên cài đặt theo dữ liệu trên bảng tên hoặc thấp hơn một chút so với con số này.
Khi việc vận hành hoàn tất, ba bước sau đây cần được tuân thủ. Dòng điện chạy của bộ thiết lập hoàn chỉnh nên được đo và so sánh với dòng điện trên bảng tên. Cài đặt phải được ghi lại trên lịch trình bảng điều khiển. Bước cuối cùng là chọn chế độ thay đổi, thủ công hoặc tự động, tùy thuộc vào việc có người quan sát thiết bị hay không.
Khi Mất Pha Thay Đổi Mọi Thứ
Mất pha đơn có thể tạo ra điều kiện quá tải nguy hiểm nhất mà một động cơ ba pha phải đối mặt. Khi một pha bị hỏng và động cơ tiếp tục chạy trên hai pha, dòng điện chạy qua các cuộn dây còn lại tăng mạnh và chịu một phần tải dòng điện của rơle nhiệt bimetal. Một rơle bimetal ba pha đơn giản có thể chậm đến mức cho phép sự hỏng cuộn dây đầu tiên xảy ra.
Cấu trúc nhạy cảm với mất pha, đôi khi gọi là khác biệt, sẽ bao gồm một thanh tổng hợp thứ hai để cảm nhận sự khác biệt trong độ lệch giữa các pha. Một pha mất cân bằng hoặc bị thiếu sẽ làm rơle ngắt nhanh hơn so với quá tải đối xứng cùng cường độ. Các số liệu công bố làm rõ hiệu ứng này. Trên một dòng rơle phổ biến, dòng ngắt tối đa là 120% của tải đầy đủ, và khi mất pha, là 115%. Rơle IEC hiện đại mặc định nhạy cảm với mất pha; hàng tồn kho cũ và hàng nhập khẩu giá rẻ thường không, và bảng dữ liệu không phải lúc nào cũng ghi rõ bằng tiếng Anh đơn giản.
Lựa Chọn Rơle Theo Ứng Dụng
Năm tình huống phổ biến và những gì cần chỉ định cho từng trường hợp.
| Ứng dụng | Thông số quan trọng | Loại đề xuất |
|---|---|---|
| Bơm hoặc quạt, trực tiếp trên đường dây | Lớp 10, nhạy cảm mất pha, đặt lại thủ công | Rơ le nhiệt, gắn trên contactor |
| Băng tải hoặc máy nén có tải | Lớp 20, bộ nhớ nhiệt, đặt lại từ xa | Rơ le điện tử với lớp có thể chọn |
| Máy nghiền, máy xay, máy ly tâm | Lớp 30, phát hiện rotor kẹt, dòng điện theo pha | Rơ le điện tử có truyền thông |
| Bộ khởi động sao - tam giác | Cài đặt ở 0,58 lần dòng định mức, rơ le thứ hai ở sao | Nhiệt, kích thước phù hợp với contactor chính |
| Động cơ đơn, công suất nhỏ | Kết hợp từ tính và nhiệt, một thiết bị | Cầu dao bảo vệ mạch động cơ |
Trong trường hợp một cơ sở tự sản xuất bộ khởi động thay vì mua, rơ le là một phần của bộ ba yếu tố cần thiết để đưa ra quyết định. Sự phối hợp giữa rơ le và contactor phải được thực hiện để bộ khởi động không bị hư hại do việc xóa lỗi; đây chính là bản chất của phối hợp loại 2, và mức độ thành công trong việc đạt được điều này hoàn toàn phụ thuộc vào việc lựa chọn thiết bị phía trên. Bộ ngắt mạch khung 63 A loại nhỏ là lựa chọn thông thường phía trên cho các bộ khởi động nhỏ, và đường cong của nó phải phù hợp với dòng khởi động của động cơ hoặc lần khởi động đầu tiên sẽ làm ngắt bộ ngắt thay vì rơ le.
Câu hỏi thường gặp
Chức năng của rơ le quá tải trong mạch động cơ là gì?
Để bảo vệ cuộn dây động cơ khỏi dòng quá tải kéo dài, phương pháp bao gồm mở mạch điều khiển khi thời gian dòng điện đủ để vượt quá khả năng chịu nhiệt của động cơ. Nó không loại bỏ được ngắn mạch và không thể thay thế bộ ngắt hoặc cầu chì phía trước mạch điều khiển.
Mục đích của rơ le quá tải nhiệt trong bộ khởi động động cơ là gì?
Cơ chế bảo vệ này hoạt động bằng cách sử dụng dải bimetal được làm nóng bởi dòng điện động cơ. Ưu điểm của nó trong công tắc khởi động là không cần nguồn điện bổ sung và có đặc tính nhiệt độ và dòng điện giống như động cơ. Do đó, loại bảo vệ này vẫn là tiêu chuẩn cho các bộ khởi động trực tiếp đơn giản.
Rơ le quá tải động cơ hoạt động như thế nào?
Nhiệt sinh ra bởi dòng điện trong bimetal hoặc biến dòng được so sánh với mô hình nhiệt. Tuy nhiên, nếu tín hiệu thu được vượt quá giới hạn theo lớp ngắt, một tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra và contactor sẽ ngắt. Contactor sẽ giữ trạng thái khóa cho đến khi được đặt lại.
Các loại rơ le quá tải được sử dụng trong bộ khởi động động cơ là gì?
Có bốn loại rơ le thường được sử dụng trong thực tế. Đó là rơ le bimetal nhiệt, rơ le quá tải điện tử, bộ ngắt mạch bảo vệ động cơ kết hợp tính năng của cả rơ le nhiệt và từ tính, và khối quá tải bán dẫn sử dụng phương pháp điện tử để đo quá tải nhưng có kích thước giống rơ le nhiệt.
Nguyên nhân nào khiến rơ le quá tải nhảy?
The occurrence of mechanical overload, low voltage supply, changes in the operational load, or a motor that fully fails to attain speed. In an older installation, a potential mechanical problem will show signs of multiple trips; however, a new installation could simply indicate the need for a different trip class or the wrong trip setting.
Does an overload relay protect against short circuit?
No, it is purposely made slow so that it can be able to pass through the starting of motors. Hence, it does not work for fault current. Hence, separate protection has to be provided against short circuit failures. These two devices have to be chosen together, so that starter survives the failure without being damaged.
Can I set the overload relay above the motor’s rated current?
The service factor can only be set higher if there is a valid reason for that. Putting the service factor higher to avoid nuisance trips defeats the purpose of having the motor in the first place, and instead of a trip, the next failure will be a winding.
Tài liệu tham khảo
- Siemens — SIRIUS Overload Relay Technical Documentation
- ABB — Thermal and Electronic Overload Relays
- Newark — Overload Relay and Motor Protection Components
- Grainger — Motor Controls and Overload Relays
- NEMA — Motor Control Equipment Standards
Kết luận
An overload relay is slow at its work, guarding the appliance energetically. The essence of its task is to detect slight prolonged overcurrent, which implies setting its dial at motor rated current, the trip class just over the start time, and understanding that a trip is information only.
The only defects to watch for are a relay set too high and a relay 95-96 contact not connected to the coil circuit. In both cases, a motor is still unprotected even with a seemingly fully assembled panel, and checking for both cases doesn’t take more than a minute.
