Thiết bị điều khiển và bảo vệ động cơ điện – Real Group

Thiết bị điều khiển và bảo vệ động cơ điện

Thiết bị điều khiển và bảo vệ động cơ điện  là nhóm thiết bị có vai quan trọng trong việc vận hành và bảo vệ động cơ khỏi các sự cố như quá tải hay ngắn mạch. Đảm bảo an toàn cho người vận hành khỏi các tác nhân huy hiểm đến tính mạng tránh các thiệt hại về người và tài sản không mong muốn. Chúng ta sẽ tìm hiểu các chức năng, các thiết bị điều khiển và bảo vệ động cơ và cách phối hợp các thiết bị đó qua bài viết này.

1. Chức năng của thiết bị điều khiển và bảo vệ động cơ

1.1. Chức năng cơ bản

Các thiết bị đóng cắt có các chức năng cơ bản :

• Cách ly: cách ly động cơ và mạch điện với nguồn 
• Bảo vệ ngắn mạch: bảo vệ động cơ và thiết bị khi có sự cố ngắn mạch
• Đóng cắt: đóng cắt dòng điện tải
• Bảo vệ quá tải: bảo vệ động cơ khi quá tải dài hạn.

Hình 1. Chức năng cơ bản của thiết bị điều khiển động cơ.

1.2. Chức năng điều khiển động cơ

Dựa vào cấu tạo của các thiết bị điều khiển và bảo vệ động cơ điện mà người ta chia thành hai mô hình điều khiển động cơ điện như hình bên dưới.

Hình 2. Mô hình điều khiển và bảo vệ động cơ.

Tùy thuộc vào mục đích, điều kiện kinh tế, quy mô của dự án mà chúng ta lựa chọn mô hình điều khiển phù hợp.

1.3. Chức năng khởi động

Bảng bên dưới cho ta thấy cách chức năng của từng thiết bị trong quá trình vận hành động cơ. Việc lựa chọn và tính toán các thiết bị trong quá trình khởi động động cơ phải thỏa mãn các yêu cầu cho việc khởi động.

Hình 3. Chức năng của các thiết bị trong quá trình vận hành động cơ. 

2. Các thiết bị điều khiển và bảo vệ động cơ điện quan trọng

2.1. MCB – MCCB (Miniature Circuit Breaker-Moulded Case Circuit Breaker)

Hình 4. Một số loại MCB và MCCB.

Chức năng của MCB và MCCB:

• Đóng/cắt điện thủ công
• Tự động cắt điện khi gặp sự cố quá tải/ngắn mạch
• Bảo vệ an toàn cho người và thiết bị điện
• Tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống và dải điện áp cần bảo vệ mà ta lựa chọn sử dụng MCB hay MCCB.

Link bài viết tham khảo về MCB: http://hocthatlamthat.edu.vn/mcb/

Link bài viết tham khảo về MCCB: http://hocthatlamthat.edu.vn/moulded-case-circuit-breaker/

2.2. Contactor

Hình 5. Một số loại Contactor.

Chức năng của Contactor:

• Đóng/cắt dòng tới 1800 A với tải AC3
• Có sẵn một cặp tiếp điểm N/O, một cặp N/C ứng dụng vào lắp đặt mạch điều khiển
• Độ bền cơ tới 20 triệu lần đóng/cắt
• Giải nhiệt độ làm việc rộng phù hợp với nhiều môi trường làm việc
• Tùy chọn: Tiếp điểm phụ, chống nhiễu…
• Ghép với Relay Nhiệt để tạo thành bộ khởi động từ

Link bài viết tham khảo về Contactor : http://hocthatlamthat.edu.vn/contactor/

2.3. Relay nhiệt (Thermal Overload Relay- TOR)

Hình 6. Một số loại Relay nhiệt.

Chức năng của Relay nhiệt:

• Bảo vệ quá tải cho động cơ
• Dải hoạt động rộng có nhiều khoảng tác động từ vài trăm mA đến vài trăm A.
• Kết hợp với Contactor tạo thành bộ khởi động từ.

Link bài viết tham khảo về Relay nhiệt: http://hocthatlamthat.edu.vn/tor/

2.4. Motor CB

Vấn đề đặt ra trong bảo vệ động cơ là làm sao để  bảo vệ được động cơ một cách chính xác khi sự  cố xảy ra  mà động cơ  đang hoạt  động đó là là tiền để cho sự ra đời của Motor CB hay MPCB (Motor Protection Circuit Breaker).

2.4.1. Motor CB là gì?

Hình 7. Một số loại Motor CB.

Motor CB, CB động cơ hay MPCB (Motor Protection Circuit Breaker) là thiết bị bảo vệ được thiết kế chuyên biệt để bảo vệ động cơ khỏi các sự cố, cho phép dòng vào nhưng ngăn chặn mọi tình trạng quá dòng (CB chuyên dụng cho động cơ).

MPCB có 2 loại cơ bản: 1 loại chỉ có bảo vệ ngắn mạch, loại còn lại có bảo vệ ngắn mạch và quá tải (tích hợp chức năng Relay nhiệt).

2.4.2. Chức năng 

Hình 8. Đặc tuyến bảo vệ của Motor CB.

Chức năng của Motor CB:

• Bảo vệ ngắn mạch: Do Motor CB có ngưỡng cắt tức thời cao hơn MCCB (dòng cắt tức thời (In) khoảng 10 lần dòng định mức). Trong khi đó, Motor CB có dòng cắt tức thời cao hơn, khoảng 13 lần dòng định mức. Thông số này giúp Motor CB không tác động đối với một số tải có dòng khởi động cao quá 10 lần dòng định mức.
• Bảo vệ quá tải: Motor CB bảo vệ quá tải theo đặc tuyến quá tải của động cơ hay Class của tải (Class 10, Class 20…), MCCB bảo vệ không theo Class. Theo chuẩn IEC, các loại tải khác nhau có các đặc tính quá tải khác nhau và cần được bảo vệ quá tải khác nhau.

2.4.3. Ưu điểm

Ưu điểm của Motor CB:

• Công suất đến 900 kW
• Ngưỡng bảo vệ S/C: 12 – 14.In
• Tích hợp Relay nhiệt bảo vệ O/L
• Công suất cắt lên tới 100 kA
• Options: Tiếp điểm phụ, cuộn cắt…
• Độ bền cơ tới 100,000 lần đóng/cắt
• Việc lựa chọn kết hợp giữa Motor CB và MCB sẽ có giá thành rẽ hơn việc lựa chọn bộ khởi động từ (Contactor và Relay nhiệt ) với MCB nhưng hiệu suất bảo vệ lại hiệu quả hơn.

3. Tính chọn các thiết bị 

3.1. MCB và MCCB

Việc lựa chọn MCB hay MCCB phụ thuộc vào dòng điện tải. Tuy nhiên về khía cạnh dân dụng, kinh tế người ta chọn hai loại này dựa vào các yếu tố sau:

•  MCB: dòng điện không vượt quá 100A, điện áp dưới 1.000V
•  MCCB: dòng điện có thể lên tới 1.000A, điện áp dưới 1.000V.

Hình 9. Một số loại MCB và MCCB.

Có nhiều cách lựa chọn MCB, MCCB. Tuy nhiên, dù cách nào thì chúng cũng phải thỏa mãn điều kiện sau:

Ib  < In  < Iz và Iscb > Isc

Trong đó:

• Ib là dòng điện tải lớn nhất
• In là dòng điện định mức của MCB, MCCB
• Iz là dòng điện cho phép lớn nhất của dây dẫn điện (được cho bởi nhà sản xuất)
• Iscb là dòng điện lớn nhất mà MCB, MCCB có thể cắt
• Isc là dòng điện ngắn mạch.

3.2. Contactor

Hình 10. Một số loại Contactor.

Việc lựa chọn Contactor phụ thuộc vào các yếu tố:

Các thông tố của Contactor:

• Điện áp Ui: là điện áp chịu được khi làm việc của contactor, nếu vượt quá điện áp thì contactor sẽ bị phá hủy, hỏng.

•  Điện áp xung chịu đựng Uimp: là khả năng chịu đựng điện áp xung của Contactor

• Điện áp Ue: giải điện áp mà contactor chịu được, trên mỗi contactor thời ghi rõ dải dòng và áp làm việc mà nó chịu đựng được

• Dòng điện In: là dòng điện chạy qua tiếp điểm chính của Contactor khi làm việc (tải định mức và điện áp định mức)

• Dòng điện ngắn mạch Icu: dòng điện mà contactor chịu đựng được trong vòng 1s, thường nhà sản xuất cung cấp theo loại Contactor.

• Điện áp cuộn hút Uax: theo mạch điều khiển ta chọn, có thể là DC, AC, 110V hay 220V

Đặc tính của tải :

• AC1: Là tất cả các loại tải điện trở: Tải nhiệt, tải đèn thắp sáng (trừ các loại đèn phóng điện chưa có tụ bù), tải điện phân phối.
•  AC2: Khởi động các động cơ vành trượt : Khởi động, ngắt nguồn
•  AC3:Đây là tải tương ứng với việc khởi động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.
•  AC4: Định nghĩa cho trường hợp đảo chiều, hãm, hoặc inching hoặc plugging của động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc.

3.3. Relay nhiệt

Hình 11. Một số loại Relay nhiệt.

Việc lựa chọn Relay nhiệt cần quan tâm những vấn đề sau :

• Relay nhiệt dùng để bảo vệ quá tải cho động cơ, do đó khi chọn rơ le nhiệt cần phải chọn loại phù hợp với động cơ thì mới có tác dụng bảo vệ. Nhiều trường hợp người dùng chọn Relay nhiệt theo dòng của Contactor hoặc MCB hay MCCB là không đúng dẫn tới động cơ bị cháy khi quá tải
• Chọn Relay nhiệt có ngưỡng điều chỉnh tương ứng với dải hoạt động của động cơ hoặc cao hơn một chút. Ngưỡng điều chỉnh thấp nhất của Relay nhiệt nhiệt nên thấp hơn khoảng giữa trong dải hoạt động của động cơ. Ngưỡng điều chỉnh cao nhất của rơ le nhiệt phải cao hơn ngưỡng trên của dải hoạt động của động cơ.

3.4. Motor CB

Hình 12. Một số loại Motor CB.

• MPCB có dòng cắt tức thời cao hơn, khoảng 13 lần dòng định mức. Thông số này giúp MPCB không tác động đối với 1 số tải có dòng khởi động cao quá 10 lần dòng định mức.
• Tính năng bảo vệ quá tải của MPCB được thiết kế theo Class nên nếu bạn có  tải Class 10 → chọn MPCB Class 10, nếu tải Class 20 → chọn MPCB Class 20. Thiết bị sẽ bảo vệ đúng. Nếu bạn chọn MCCB thì có khả năng MCCB sẽ trip lúc đang khởi động.

Vậy nên:

•  Đối với động cơ công suất nhỏ (<100A) bạn nên dùng: MPCB loại có tích hợp Relay nhiệt + Contactor.
• Đối với động cơ công suất lớn (>100A), MPCB sẽ đắt tiền, do đó, bạn nên dùng MCCB + Contactor + Relay nhiệt
• Tuy nhiên cũng lưu ý với bạn rằng: MCCB nên chọn loại chỉ bảo vệ ngắn mạch.

Trong thực tế tùy thuộc vào hệ thống điều khiển động cơ điện mà chúng ta áp dụng cho việc tính toán và chọn lựa. Bài viết này sẽ giải đáp thắc mắc về việc tính toán và lựa chọn thiết bị một cách hiệu quả :http://hocthatlamthat.edu.vn/tinh-chon-thiet-bi-dong-cat-va-bao-ve/

4. Phối hợp các thiết bị bảo vệ

Câu hỏi được đặt ra nếu không có sự phối hợp của các thiết bị bảo vệ thì sẽ ra sao ?

Hình 13. Mô hình phối hợp sai các thiết bị bảo vệ .

Trường hợp như hình trên nếu có sự cố ngắn mạch thì các thiết bị bảo vệ ngắn mạch sẽ không hoạt động và dẫn đến hiện tượng ngắn mạch rất nguy hiểm với người vận hành và tài sản.

Hình 14. Mô hình phối hợp các thiết bị bảo vệ an toàn.

Trong một hệ thống bảo vệ và điều khiển động cơ điện việc tính toán và lựa chọn các thiết bị trên là vô cùng quan trọng, để đảm bảo cho việc vận hành lâu rài của động cơ và đảm bảo an toàn cho người vận hành, tránh thiệt hại không mong muốn đối với quán trình sản xuất.

Chính vì thế IEC đã đưa ra các mức phối hợp bảo vệ tiêu chuẩn để đảm bảo hệ thống được vận hành an toàn :

Type 1 Coordination (IEC 947- 4 -1): 

• Không nguy hiểm cho con người và hệ thống
• Công tắc tơ và Relay nhiệt có thể bị hư hỏng sau sự cố
• Trước khi khởi động lại, có thể phải sửa chữa thay thế các thiết bị trong mạch

Ví dụ: bộ khởi động tiêu chuẩn như :

• Quạt, điều hòa không khí 
• Dây chuyền đóng gói…

Type 2 Coordination (IEC 947- 4 – 1):

• Không nguy hiểm cho con người và hệ thống
• Thiết bị khởi động không bị hư hỏng
• Cách điện vẫn duy trì và thiết bị khởi động phải có khả năng khởi động lại
• Trước khi khởi động lại, chỉ cần kiểm tra sơ bộ

Ví dụ: Bộ khởi động hiệu năng cao như :

• Thang máy
• Dây chuyền đóng chai…

Total Coordination (IEC 947- 6 – 2):

• Không nguy hiểm cho con người và hệ thống
• Thiết bị khởi động không bị hư hỏng, tiếp điểm công tắc tơ không bị dính
• Cách điện vẫn duy trì và thiết bị khởi động phải có khả năng khởi động lại ngay
• Khởi động lại ngay mà không cần kiểm tra lại thiết bị

Ví dụ:

• Quạt thông gió hầm ngầm
• Công nghiệp dầu khí…  

Vậy chúng ta cần chọn mức bảo vệ nào?

Hình 15. Tiêu chí chọn mức bảo vệ.

Có nhiều yếu tố để chúng ta lựa chọn mức bảo về nhưng hai yếu tố quan trọng nhất mà chúng ta quyết định chọn mức bảo vệ là:

•  Điều kiện làm việc
• Mục đích: tối ưu giữa yêu cầu sử dụng của khách hàng và giá thành lắp đặt.