Một băng tải bị kẹt. Động cơ kéo dòng 38 ampe từ mạch điện được định mức chỉ 32 ampe trong thời gian 90 giây trong khi có người đi sửa. Mọi thứ đều nguyên vẹn. Bộ ngắt mạch và tất cả các tiếp điểm của nó cũng nguyên vẹn. Mặc dù cuộn dây tăng nhiệt độ lên 40 độ C cao hơn giới hạn ghi trên bảng động cơ, lớp cách điện bị hư hại và cháy trong vòng 3 tuần. Một kỹ sư điện phải chịu trách nhiệm. Một động cơ mới được mua. Một sự cố khác xảy ra trong vòng 3 tháng.
Khoảng cách giữa các phát biểu “tiêu thụ điện năng quá lớn” và “bảo vệ mạch hoạt động” chính là khoảng cách mà các máy phát điện được phát triển để bao phủ. Các tình huống liên quan đến khoảng cách này là những trường hợp phổ biến nhất của việc lắp đặt và cài đặt sai các phần tử bảo vệ động cơ.
Theo câu trả lời nhanh, bảo vệ quá tải là một loại bảo vệ thời gian nghịch đảo bảo vệ động cơ khỏi dòng điện kéo dài vượt quá giới hạn vận hành định mức nhưng dưới giá trị của một ngắn mạch. Loại bảo vệ này được cung cấp bởi rơ le quá tải nhiệt, rơ le quá tải điện tử, bộ ngắt mạch bảo vệ động cơ hoặc phần tử nhiệt bên trong bộ ngắt mạch vỏ đúc. Thời gian được quy định bởi IEC 60947-4-1 sử dụng các lớp 10A, 10, 20 và 30 và giới hạn trên của cài đặt được xác định bởi NEC 430.32. HUYU sản xuất các bộ khởi động điện từ ExQ7, contactor ExC7 và bộ ngắt mạch vỏ đúc ExM3 để thực hiện chức năng này trong các khởi động động cơ.
Những gì Bảo Vệ Quá Tải Bao Phủ, và Những gì Nó Không Bao Phủ
Có ba loại lỗi thường bị nhầm lẫn. Ngắn mạch đề cập đến lỗi tức thời có dòng lỗi được đo bằng kiloampe và chỉ kéo dài trong vài mili giây. Lỗi nối đất xảy ra khi dòng lỗi đi xuống đất và được xử lý bởi RCD hoặc GFCI. Quá tải nằm giữa hai loại này; xảy ra khi dòng điện vượt nhẹ so với bình thường trong thời gian dài.
Tuy nhiên, sự khác biệt nhỏ hơn nhiều so với mọi người nghĩ. Một động cơ 32 A hoạt động ở 36 A bị quá tải 12,5%, điều này chấp nhận được vào một ngày hè nóng, nhưng nếu cùng động cơ đó chạy ở 45 A, cuộn dây sẽ bị quá nhiệt. Trường hợp chạy ở 200 A sẽ ngụ ý rằng bảo vệ từ tính phải hoạt động trong vòng chưa đầy 20 mili giây.
Vì lý do này, bảo vệ quá tải phải hoạt động chậm hơn rõ rệt. Dựa trên nhiệt độ chứ không chỉ dòng điện, điều này có nghĩa là nếu thiết bị ngắt sau hai giây đạt 1,5 lần dòng tải đầy đủ, nó sẽ hỏng ở mỗi lần khởi động thiết bị. Nó phải chịu được thời gian khởi động trong khi nhận biết quá nhiệt cùng lúc.
Cách Ngắt Mạch Thực Sự Xảy Ra
Một rơ le nhiệt được thiết kế sao cho nó chứa hai thành phần kim loại có khả năng giãn nở khác nhau. Ví dụ, hành động uốn cong cho phép đạt đến ngưỡng đặt trước để kích hoạt cơ chế hành động bật nếu độ uốn vượt quá một mức nhất định.
Ngoài ra, một bimetal thứ hai được cung cấp năng lượng bởi nhiệt độ môi trường làm nóng bimetal còn lại chịu trách nhiệm cho chức năng của động cơ. Trong trường hợp không có tuần hoàn không khí trong vỏ ở nhiệt độ 50°C, rơle có thể ngắt không mong muốn suốt mùa hè hoặc cuối mùa đông.
Rơle điện tử hiện đại sử dụng biến áp và vi điều khiển để cung cấp các phép đo RMS thực bằng cách lấy mẫu. Chúng cũng có thể thêm các chức năng như bộ nhớ nhiệt và phát hiện mất pha cũng như lớp ngắt có thể điều chỉnh và rất thường xuyên, một đầu ra 4–20 mA. Trong một bộ khởi động đóng gói, rơle được bắt vít trực tiếp dưới contactor và được đấu dây qua cùng một khối quá tải, đó là cách mà HUYU’s bộ khởi động điện từ EXQ7 kết hợp contactor với phần tử quá tải trong một cụm thay vì hai thiết bị riêng biệt trên thanh DIN.
Lớp Ngắt Quyết Định Thời Gian
Số lớp được định nghĩa trong IEC 60947-4-1 là thời gian ngắt tối đa được biểu thị bằng giây tại hệ số 7.2 của dòng ngắt từ điều kiện ấm. Tiêu chuẩn này cũng quy định giới hạn trên là 1.05 lần, sao cho rơle không thể ngắt và giới hạn dưới là 1.2 lần sao cho rơle phải ngắt không quá hai giờ.
| Lớp | Thời gian ngắt tại 7.2 × cài đặt (lạnh) | Ngắt tối đa tại 1.5 × (ấm) | Tải điển hình |
|---|---|---|---|
| 10A | 2–10 giây | 120 giây | Máy nén kín, nhiệm vụ khởi động lại nóng |
| 10 | 4–10 giây | 240 giây | Động cơ IEC tiêu chuẩn, bơm và quạt điều khiển VFD |
| 20 | 6–20 giây | 480 giây | Động cơ thiết kế NEMA B, băng tải tải, máy nén |
| 30 | 9–30 giây | 720 giây | Máy nghiền, máy ly tâm, máy nghiền, quạt quán tính cao |
Việc lựa chọn lớp luôn được quyết định bởi thời gian khởi động và không phụ thuộc vào sở thích cá nhân. Một bơm nhận lớp 10 được phân loại chính xác khi nó chạy ở tốc độ tối đa chỉ trong ba giây. Ngược lại, một quạt ly tâm 200 kW mất 25 giây để đạt tốc độ tối đa sẽ cần lớp 30 để không gây ngắt rơle khi khởi động trong điều kiện bình thường và người vận hành sẽ cần xoay núm để vô hiệu hóa hệ thống bảo vệ.
Logic này có thể áp dụng cho trường hợp bộ bảo vệ mạch động cơ và cầu dao vỏ đúc. Các thiết bị này có thể không được sử dụng thay thế cho nhau trong bộ khởi động. Có các bộ bảo vệ mạch động cơ chỉ hoạt động theo nguyên lý từ tính và không có phần tử nhiệt tích hợp, điều này có nghĩa là không thể thực hiện bảo vệ nhiệt. Sự khác biệt được trình bày trong so sánh này giữa bộ bảo vệ mạch động cơ và cầu dao, và chúng quan trọng khi bạn đặt hàng một bộ khởi động từ danh mục vật tư do người khác viết.
Bốn Thiết Bị Thực Hiện Công Việc Này
| Thiết bị | Phần tử quá tải | Đánh giá ngắn mạch | Đặt lại | Phù hợp nhất |
|---|---|---|---|---|
| Rơ le quá tải nhiệt | Bimetal, thời gian nghịch đảo | Không có, cần dự phòng | Thủ công hoặc tự động | Bộ khởi động tiêu chuẩn, động cơ IEC |
| Rơle quá tải điện tử | CT cộng phần mềm nhúng | Không có, cần dự phòng | Thủ công, từ xa hoặc tự động | Tải quan trọng, VFD, đặt lại từ xa |
| Cầu dao bảo vệ mạch động cơ | Bimetal hoặc thủy lực-từ tính | Bao gồm, thường là 50–100 kA tại 400 V | Tay gạt thủ công | Bộ khởi động nhỏ gọn đơn, cách ly tại chỗ |
| Bộ ngắt mạch vỏ đúc với chức năng ngắt nhiệt-từ | Bimetal cộng với từ tính | Bao gồm, 25–150 kA | Công tắc gạt thủ công | Bộ cấp nguồn, động cơ lớn hơn, bộ khởi động kết hợp |
Bạn có thấy điều gì thiếu trong bảng không? Không có một trong bốn tùy chọn này nào tốt hơn tùy chọn khác. Rơ le nhiệt giám sát cho $25 và thực hiện một chức năng mà không cần phiên bản firmware. Bộ ngắt mạch bảo vệ động cơ có giá gấp ba lần rơ le nhiệt và loại bỏ thành phần phát hiện ngắn mạch cũng như hệ thống dây điện. Tất cả điều này dẫn đến bảng điều khiển nhỏ hơn và lắp ráp đơn giản hơn cho dự án động cơ 500.
Cách các thiết bị khác nhau trong thực tế
Rơ le nhiệt không đáng tin cậy. Bimetal bị suy giảm, và hiệu chuẩn có thể thay đổi vài phần trăm trong khoảng thời gian mười năm. Ví dụ, khi rơ le mới, nó có giới hạn 1.15, nhưng sau 8 năm trong môi trường nóng của tủ, nó có khả năng thay đổi thành 1.30. Thông thường, rơ le nhiệt được kiểm tra một lần mỗi năm bằng cách đưa dòng điện gấp 1.5 lần. Việc kiểm tra này mất khoảng mười phút cho mỗi rơ le với thiết bị kiểm tra phù hợp.
Rơ le điện tử giữ hiệu chuẩn tốt hơn nhiều và cung cấp các tính năng bổ sung giải quyết các vấn đề thực tế. Tính năng nhớ nhiệt của rơ le điện tử ngăn chu trình khởi động lại và thử lại làm hỏng cuộn dây. Khả năng phát hiện mất pha cho phép rơ le điện tử bắt được quá tải có hại nhất cho động cơ vì khi mất hai pha, động cơ sẽ kéo khoảng 1.7 đến 2 lần công suất mười cực trong các cuộn dây còn lại trong khi pha thứ ba không hoạt động, và rơ le bimetal ba phần tử đơn giản sẽ quá chậm vì chỉ có 2 phần tử có thể được làm nóng.
Đối với contactor, không có lý do gì để vượt qua rơ le nếu contactor không chịu được nhiệm vụ. HUYU’s Contactor AC EXC7 được đánh giá cho nhiệm vụ động cơ AC-3 với loại sử dụng được in trên bảng tên, và việc phù hợp loại này với nhiệm vụ chuyển mạch thực tế quan trọng hơn việc so sánh định mức ampe, con số mà hầu hết người mua so sánh.
Phù hợp thiết bị với tải
Quạt và hệ thống bơm khởi động không tải là trường hợp đơn giản; Lớp 10, FLA trên bảng tên với việc sử dụng bù nhiệt độ môi trường là đủ.
Băng tải và máy nén vít chạy tải nhưng khởi động chống mô men xoắn. Lớp 20 áp dụng cho động cơ NEMA có hệ số dịch vụ 1.15. Trong trường hợp này, cài đặt là FLA trên bảng tên khi động cơ tải trong chế độ vận hành bình thường.
Bơm chìm, máy nén lạnh kín và tất cả hệ thống điều khiển VFD khởi động với lớp 10 hoặc 10A. VFD giới hạn dòng khởi động, làm cho rơ le quá tải bảo vệ chống lại sự kiện nhiệt chậm thay vì khởi động; lớp nhanh hơn cung cấp bảo vệ cuộn dây tốt hơn mà không gây ngắt không cần thiết.
Máy nghiền, máy nghiền bi và quạt hút lớn có khối lượng quay đáng kể, vì vậy cần từ 20 đến 60 giây để tăng tốc. Lớp 30 tồn tại cho các quy trình như vậy. Khi tải thực sự nặng như vậy, chế độ lỗi cần chú ý không phải là ngắt mạch mà là tiếp điểm giữ động cơ bị kẹt ở dòng điện rôto khóa trong một phút mỗi lần, và các triệu chứng của việc lạm dụng đó xuất hiện lâu trước khi động cơ hỏng, như hướng dẫn này về triệu chứng hỏng tiếp điểm mô tả.
Cài đặt núm vặn: Các con số quan trọng
NEC 430.32 giới hạn cài đặt quá tải ở 125% dòng điện định mức tải đầy đủ của động cơ đối với các động cơ có nhiệt độ tăng không quá 40°C hoặc hệ số dịch vụ từ 1,15 trở lên. Nếu không, giới hạn được đặt ở 115%. Theo Bảng 430.32(A)(1), có thể sử dụng 140% và 130% tương ứng, khi động cơ không khởi động ở cài đặt thấp hơn.
Đặt núm vặn theo dòng điện trên bảng tên của động cơ thay vì dòng điện ngắt mạch và dòng điện định mức. Rơ le 7,5–11 A cài đặt ở 10 A sẽ không ngắt ở 10,5 A nhưng sẽ ngắt ở 12 A trong vòng hai giờ. Ví dụ, nếu đồng hồ kẹp đo dòng điện chạy là 9,6 A, cài đặt là tốt và không cần điều chỉnh thêm. Nếu đọc được 10,8 A, cho thấy có vấn đề với tải, chỉ cần tăng cài đặt lên 12 A sẽ dẫn đến các phức tạp hơn.
Cài đặt cho nhiệt độ môi trường đứng thứ hai. Rơ le có bù nhiệt có thể hoạt động trong phạm vi từ −20°C đến +60°C mà không cần điều chỉnh. Rơ le không bù nhiệt lắp cạnh tiếp điểm 300 A sẽ được đặt thấp 10% và điều chỉnh bù sẽ được thực hiện bằng cách vặn núm lên, điều này không phải là cách đúng để chỉnh cài đặt.
Sai lầm làm mất hiệu quả bảo vệ
Sai lầm phổ biến là sử dụng bộ gia nhiệt quá lớn. Khi rơ le thiết kế cho động cơ tiêu thụ 40 A hoạt động cùng thiết bị cần 32 A, nó hoạt động ở 80% mức đúng và không tắt, nghĩa là không cung cấp bảo vệ cho đến khi cuộn dây điều khiển bị cháy.
Vấn đề khác là thiết bị tự đặt lại được sử dụng cho thiết bị từ xa. Trong khi sử dụng thiết bị tự đặt lại cho bơm chỉ tắt một lần mỗi mùa là ổn, việc chúng kích hoạt mỗi 90 giây với băng tải bị kẹt làm tình hình tệ hơn so với chính sự kẹt đó.
Hơn nữa, người ta thường bỏ qua tiếp điểm 95–96 trong quá trình lắp đặt vì bộ khởi động không khóa được vị trí và thậm chí không bật lại sau đó. Mặc dù rơ le đã được hiệu chuẩn đúng, nó không còn hoạt động đúng nữa. Nên kiểm tra hệ thống định kỳ để đảm bảo bảo vệ quá tải không kết nối với cuộn dây bị lỗi và việc kiểm tra hệ thống bằng đồng hồ đo cũng không phải là ý tưởng tồi.
Câu hỏi thường gặp
Bảo vệ quá tải có giống với bộ bảo vệ chống sét không?
Không, cũng không thể sử dụng thay thế cho nhau. Bộ bảo vệ chống sét giữ một đỉnh điện áp tạm thời xảy ra trong micro giây và không xử lý dòng điện chút nào. Bảo vệ quá tải hoạt động sau khi tiếp xúc với dòng điện vượt quá liên tục trong vài giây hoặc phút. Một bảng điều khiển có thể và thường cần cả hai, và cách chúng tương tác trong một điểm vào dịch vụ được đề cập trong so sánh của một bộ ngắt mạch so với một bộ bảo vệ chống sét.
Hình thức đơn giản nhất của bảo vệ quá tải là gì?
Rơ le quá tải nhiệt bao gồm một phần tử kim loại kép được kết nối nối tiếp với cuộn dây tiếp điểm thông qua tiếp điểm 95-96. Có hai dây cho đầu vào và đầu ra mỗi bên, cũng như núm điều chỉnh dòng điện và nút đặt lại thủ công. Nó không yêu cầu nguồn điện phụ trợ hoặc cấu hình nào, đó là lý do tại sao nó vẫn tiếp tục là lựa chọn hàng đầu cho các bộ khởi động đa năng.
“Không có bảo vệ quá tải” có nghĩa là gì?
Nó cho thấy mạch chỉ được bảo vệ khỏi ngắn mạch và lỗi đất. Một bộ ngắt từ hoặc một nhóm cầu chì sẽ giữ cho động cơ chạy ở 150% dòng điện định mức liên tục vì 150% khá xa điểm ngắt từ. Thật không may, động cơ sẽ hỏng, nhưng nó sẽ hỏng do nhiệt thay vì hỏng đột ngột.
Bộ bảo vệ quá tải làm gì?
Nó giám sát dòng điện, mô phỏng nhiệt sinh ra trong cuộn dây của mạch động cơ điện, và ngắt mạch điều khiển khi nhiệt vượt quá giới hạn của cuộn dây. Hành động đầu ra không liên quan đến việc ngắt các tiếp điểm chính mà chỉ làm rơi cuộn dây của tiếp điểm, do đó tiếp điểm quá tải được nối vào mạch điều khiển thay vì mạch nguồn.
Tài liệu tham khảo
- ABB — Danh mục Khởi động và Bảo vệ Động cơ
- Rockwell Automation — Điều khiển Động cơ Allen-Bradley
- NFPA 70 — Mã Điện Quốc gia, Điều 430
- UL 508 — Thiết bị Điều khiển Công nghiệp
- Electrical Engineering Portal — Tham khảo Bảo vệ Động cơ
Kết luận
Bảo vệ quá tải nhiệt được coi là một thành phần phần cứng. Thiết bị phải chịu được dòng khởi động 600% và phải có khả năng phản ứng với tải tăng hơn 40% so với bình thường trong vài giây. Số lớp chỉ mức độ chịu đựng của thiết bị trong khi núm điều chỉnh dòng điện chỉ mức được coi là bình thường và NEC 430.32 chỉ giới hạn trên cho cả hai.
Nếu ba yếu tố này đúng, thiết bị gần như không quan trọng. Tuy nhiên, nếu ba tham số này sai, rơ le đắt nhất cũng sẽ không bảo vệ được, điều này không thể xuất hiện trên sơ đồ ngay cả khi bảng điều khiển được trang bị đầy đủ các tiếp điểm 95–96 được định mức và cài đặt đúng.
