Bảo vệ quá tải nhiệt động cơ

Để hiểu về bảo vệ quá tải nhiệt động cơ trong động cơ cảm ứng, chúng ta có thể thảo luận về nguyên lý hoạt động của động cơ cảm ứng ba pha. Có một stator hình trụ và cuộn dây ba pha được phân bố đối xứng dọc theo phần bên trong của stator. Do sự phân bố đối xứng này, khi nguồn điện ba pha được cấp cho cuộn dây stator, sẽ tạo ra một từ trường quay. Từ trường này quay ở tốc độ đồng bộ. Rotor trong động cơ cảm ứng chủ yếu được tạo thành bởi các thanh đồng đặc được nối ngắn ở cả hai đầu để tạo thành cấu trúc như lồng sóc. Đó là lý do tại sao động cơ này cũng được gọi là động cơ cảm ứng lồng sóc. Bây giờ, hãy đến với điểm cơ bản của động cơ cảm ứng ba pha - điều này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về bảo vệ quá tải nhiệt động cơ.

Khi từ thông quay cắt qua mỗi thanh dẫn của rotor, sẽ có dòng điện tuần hoàn được cảm ứng chảy qua các thanh dẫn. Khi khởi động, rotor đứng yên và từ trường stator quay ở tốc độ đồng bộ, vận tốc tương đối giữa từ trường quay và rotor là tối đa.
Vì vậy, tốc độ cắt của từ thông với thanh rotor là tối đa, dòng điện cảm ứng cũng đạt giá trị tối đa trong điều kiện này. Tuy nhiên, do dòng điện cảm ứng là do vận tốc tương đối này, rotor sẽ cố gắng giảm vận tốc tương đối và do đó nó sẽ bắt đầu quay theo hướng của từ trường quay để đuổi kịp tốc độ đồng bộ. Ngay khi rotor đạt đến tốc độ đồng bộ, vận tốc tương đối giữa rotor và từ trường quay trở thành không, do đó không còn xảy ra việc cắt từ thông và do đó không còn dòng điện cảm ứng trong các thanh rotor. Khi dòng điện cảm ứng trở thành không, không cần thiết phải duy trì vận tốc tương đối bằng không giữa rotor và từ trường quay, do đó tốc độ rotor giảm.

Ngay khi tốc độ rotor giảm, vận tốc tương đối giữa rotor và từ trường quay lại đạt giá trị khác không, điều này lại gây ra dòng điện cảm ứng trong các thanh rotor, sau đó rotor sẽ cố gắng đạt tốc độ đồng bộ và điều này sẽ tiếp tục cho đến khi động cơ được tắt. Do hiện tượng này, rotor sẽ không bao giờ đạt được tốc độ đồng bộ cũng như không bao giờ dừng chạy trong quá trình hoạt động bình thường. Sự khác biệt giữa tốc độ đồng bộ và tốc độ rotor so với tốc độ đồng bộ được gọi là trượt của động cơ cảm ứng.

Trượt trong động cơ cảm ứng đang chạy bình thường thường dao động từ 1% đến 3% tùy thuộc vào điều kiện tải của động cơ. Bây giờ, chúng ta sẽ cố gắng vẽ đặc tính tốc độ-dòng điện của động cơ cảm ứng - hãy lấy ví dụ về quạt lò lớn.

Trên biểu đồ, trục Y đại diện cho thời gian (giây), trục X đại diện cho % dòng điện stator. Khi rotor đứng yên, tức là trong điều kiện khởi động, trượt là tối đa, do đó dòng điện cảm ứng trong rotor cũng là tối đa và do tác dụng biến áp, stator cũng sẽ rút một dòng điện lớn từ nguồn và nó sẽ khoảng 600% dòng điện định mức đầy tải của stator. Khi rotor được tăng tốc, trượt giảm, do đó dòng điện rotor và dòng điện stator giảm xuống khoảng 500% dòng điện định mức đầy tải trong vòng 12 giây khi tốc độ rotor đạt 80% tốc độ đồng bộ. Sau đó, dòng điện stator giảm nhanh chóng về giá trị định mức khi rotor đạt tốc độ bình thường.

Bây giờ, chúng ta sẽ thảo luận về quá tải nhiệt của động cơ điện hoặc vấn đề quá nhiệt của động cơ điện và nhu cầu về bảo vệ quá tải nhiệt động cơ.
Khi nghĩ về quá nhiệt của động cơ, điều đầu tiên xuất hiện trong tâm trí là quá tải. Do quá tải cơ học, động cơ rút dòng điện lớn từ nguồn, dẫn đến quá nhiệt quá mức của động cơ. Động cơ cũng có thể bị quá nhiệt nếu rotor bị khóa cơ học, tức là trở nên tĩnh do lực cơ học bên ngoài. Trong tình huống này, động cơ sẽ rút dòng điện cực kỳ cao từ nguồn, cũng dẫn đến quá tải nhiệt của động cơ điện hoặc vấn đề quá nhiệt quá mức. Một nguyên nhân khác của quá nhiệt là điện áp nguồn thấp. Do công suất mà động cơ rút từ nguồn phụ thuộc vào điều kiện tải của động cơ, với điện áp nguồn thấp, động cơ sẽ rút dòng điện cao hơn từ lưới để duy trì mô-men xoắn yêu cầu. Việc mất một pha cũng gây ra quá tải nhiệt của động cơ. Khi một pha của nguồn bị mất, hai pha còn lại rút dòng điện cao hơn để duy trì mô-men xoắn tải yêu cầu, điều này dẫn đến quá nhiệt của động cơ. Điều kiện không cân bằng giữa ba pha nguồn cũng gây ra quá nhiệt của cuộn dây động cơ, vì hệ thống không cân bằng dẫn đến dòng điện thứ tự âm trong cuộn dây stator. Ngoài ra, do mất đột ngột và tái lập điện áp nguồn có thể gây ra quá nhiệt nghiêm trọng của động cơ. Vì mất đột ngột điện áp nguồn, động cơ bị giảm tốc và do tái lập đột ngột điện áp, động cơ được tăng tốc để đạt tốc độ định mức và do đó động cơ rút dòng điện cao hơn từ nguồn.

Vì quá tải nhiệt hoặc quá nhiệt của động cơ có thể dẫn đến hỏng cách điện và hư hỏng cuộn dây, do đó, để bảo vệ bảo vệ quá tải nhiệt động cơ đúng cách, động cơ cần được bảo vệ khỏi các điều kiện sau:

1. Quá tải cơ học,

2. Rotor bị khóa,

3. Điện áp nguồn thấp,

4. Mất một pha của nguồn,

5. Không cân bằng của nguồn,

6. Mất và tái lập đột ngột điện áp nguồn.

Phương án bảo vệ cơ bản nhất của động cơ là bảo vệ quá tải nhiệt, chủ yếu bao gồm bảo vệ cho tất cả các điều kiện đã đề cập. Để hiểu nguyên lý cơ bản của bảo vệ quá tải nhiệt, hãy xem xét sơ đồ mạch điều khiển động cơ cơ bản.

Trong hình trên, khi nút START được đóng, cuộn dây khởi động được kích thích thông qua biến áp. Khi cuộn dây khởi động được kích thích, các tiếp điểm thường mở (NO) 5 được đóng, do đó động cơ nhận được điện áp nguồn tại các đầu cuối và bắt đầu quay. Cuộn dây khởi động này cũng đóng tiếp điểm 4, làm cho cuộn dây khởi động được kích thích ngay cả khi nút START được thả. Để dừng động cơ, có nhiều tiếp điểm thường đóng (NC) nối tiếp với cuộn dây khởi động như được hiển thị trong hình. Một trong số đó là tiếp điểm nút STOP. Nếu nút STOP được nhấn, tiếp điểm này sẽ mở và ngắt mạch cuộn dây khởi động, do đó làm cho cuộn dây khởi động bị mất kích thích. Do đó, các tiếp điểm 5 và 4 trở lại vị trí thường mở. Sau đó, do thiếu điện áp tại các đầu cuối động cơ, nó sẽ cuối cùng dừng chạy. Tương tự, bất kỳ tiếp điểm NC nào (1, 2 và 3) nối tiếp với cuộn dây khởi động nếu mở; nó cũng sẽ dừng động cơ. Các tiếp điểm NC này được kết nối điện với các rơ-le bảo vệ khác nhau để dừng hoạt động của động cơ trong các điều kiện bất thường.

Hãy xem xét rơ-le quá tải nhiệt và chức năng của nó trong bảo vệ quá tải nhiệt động cơ.
Các cuộn dây thứ cấp của CTs nối tiếp trong mạch cung cấp động cơ, được kết nối với một thanh song kim của rơ-le quá tải nhiệt (49). Như được hiển thị trong hình dưới đây, khi dòng điện qua cuộn dây thứ cấp của bất kỳ CT nào vượt quá giá trị xác định trước trong thời gian xác định, thanh song kim sẽ bị nóng và biến dạng, cuối cùng gây ra hoạt động của rơ-le 49. Ngay khi rơ-le 49 hoạt động, các tiếp điểm NC 1 và 2 sẽ mở, làm mất kích thích cuộn dây khởi động và do đó dừng động cơ.

Một điều khác chúng ta cần nhớ khi cung cấp bảo vệ quá tải nhiệt động cơ. Thực tế, mỗi động cơ đều có một giá trị dung lượng quá tải xác định trước. Điều đó có nghĩa là mỗi động cơ có thể chạy vượt quá tải định mức trong một khoảng thời gian cho phép cụ thể tùy thuộc vào điều kiện tải. Thời gian động cơ có thể chạy an toàn cho một tải cụ thể được chỉ định bởi nhà sản xuất. Mối quan hệ giữa các tải khác nhau trên động cơ và các khoảng thời gian cho phép tương ứng để chạy an toàn được gọi là đường cong giới hạn nhiệt của động cơ. Hãy xem đường cong của một động cơ cụ thể dưới đây.

Ở đây, trục Y hoặc trục dọc đại diện cho thời gian cho phép (giây) và trục X hoặc trục ngang đại diện cho tỷ lệ quá tải (%). Dựa trên đường cong, động cơ có thể chạy an toàn mà không bị hỏng do quá nhiệt trong thời gian dài ở 100% tải định mức. Nó có thể chạy an toàn 1000 giây ở 200% tải định mức. Nó có thể chạy an toàn 100 giây ở 300% tải định mức. Nó có thể chạy an toàn 15 giây ở 600% tải định mức. Phần trên của đường cong đại diện cho điều kiện chạy bình thường của rotor và phần dưới cùng đại diện cho điều kiện rotor bị khóa cơ học.

Bây giờ, đường cong thời gian hoạt động – dòng điện tác động của rơ-le quá tải nhiệt được chọn nên nằm dưới đường cong giới hạn nhiệt của động cơ để hoạt động an toàn và hiệu quả. Hãy thảo luận thêm chi tiết:

Nhớ đặc tính dòng điện khởi động của động cơ – Trong quá trình khởi động động cơ cảm ứng, dòng điện stator vượt quá 600% dòng điện định mức nhưng chỉ kéo dài 10 đến 12 giây, sau đó dòng điện stator đột ngột giảm về giá trị định mức. Vì vậy, nếu rơ-le quá tải nhiệt hoạt động trước 10 đến 12 giây cho dòng điện 600% định mức thì động cơ không thể khởi động. Do đó, có thể kết luận rằng đường cong thời gian hoạt động – dòng điện tác động của rơ-le quá tải nhiệt được chọn nên nằm dưới đường cong giới hạn nhiệt của động cơ nhưng trên đường cong đặc tính dòng điện khởi động của động cơ. Vị trí có thể của đặc tính rơ-le quá tải nhiệt được giới hạn bởi hai đường cong này như được hiển thị trong biểu đồ bằng khu vực được đánh dấu.

Một điều khác cần nhớ khi chọn rơ-le quá tải nhiệt. Rơ-le này không phải là rơ-le tức thời. Nó có một độ trễ tối thiểu trong hoạt động vì thanh song kim cần một thời gian tối thiểu để nóng lên và biến dạng cho giá trị dòng điện tác động tối đa. Từ biểu đồ, thấy rằng rơ-le nhiệt sẽ hoạt động sau 25 đến 30 giây nếu rotor bị chặn đột ngột hoặc động cơ không khởi động. Trong tình huống này, động cơ sẽ rút một dòng điện rất lớn từ nguồn. Nếu động cơ không được tách rời sớm, có thể xảy ra hư hỏng nghiêm trọng.

Vấn đề này được khắc phục bằng cách cung cấp rơ-le quá dòng theo thời gian với giá trị pickup cao. Đặc tính dòng điện theo thời gian của các rơ-le quá dòng này được chọn sao cho, với giá trị quá tải nhỏ, rơ-le sẽ không hoạt động vì rơ-le quá tải nhiệt sẽ hoạt động trước. Nhưng với giá trị quá tải lớn và điều kiện rotor bị chặn, rơ-le quá dòng theo thời gian sẽ hoạt động thay vì rơ-le nhiệt vì rơ-le quá dòng theo thời gian sẽ hoạt động sớm hơn.
Vì vậy, cả rơ-le quá tải nhiệt và rơ-le quá dòng theo thời gian đều được cung cấp để bảo vệ hoàn chỉnh chống quá tải nhiệt động cơ.
Một nhược điểm chính của rơ-le quá tải nhiệt song kim là tốc độ nóng lên và nguội đi của song kim bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, do đó hiệu suất của rơ-le có thể khác nhau ở các nhiệt độ môi trường khác nhau. Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng RTD hoặc bộ phát hiện nhiệt độ bằng điện trở. Các động cơ lớn và phức tạp hơn được bảo vệ chống quá tải nhiệt chính xác hơn bằng cách sử dụng RTD. RTD được đặt trong các khe stator cùng với cuộn dây stator. Điện trở của RTD thay đổi theo nhiệt độ và giá trị điện trở thay đổi này được cảm biến bởi mạch cầu Wheatstone.
Phương án bảo vệ quá tải nhiệt động cơ này rất đơn giản. RTD của stator được sử dụng làm một cánh của cầu Wheatstone cân bằng. Lượng dòng điện qua rơ-le 49 phụ thuộc vào mức độ mất cân bằng của cầu. Khi nhiệt độ cuộn dây stator tăng, điện trở điện của bộ phát hiện tăng, làm mất cân bằng trạng thái cân bằng của cầu. Kết quả là, dòng điện bắt đầu chảy qua rơ-le 49 và rơ-le sẽ hoạt động sau khi dòng điện mất cân bằng đạt giá trị xác định trước, cuối cùng các tiếp điểm khởi động sẽ mở để ngắt nguồn cung cấp cho động cơ.

Tuyên bố: Tôn trọng nguyên bản, bài viết tốt xứng đáng được chia sẻ, nếu có vi phạm quyền sở hữu trí tuệ xin liên hệ để xóa.