Rơ le nhiệt cho bảo vệ quá tải động cơ: Nguyên lý, lựa chọn và ứng dụng
Trong các hệ thống điều khiển động cơ, cầu chì chủ yếu được sử dụng để bảo vệ chống ngắn mạch. Tuy nhiên, chúng không thể bảo vệ chống lại hiện tượng quá nhiệt do quá tải kéo dài, hoạt động chuyển hướng thường xuyên hoặc vận hành dưới điện áp. Hiện nay, rơ le nhiệt được sử dụng rộng rãi để bảo vệ quá tải động cơ. Rơ le nhiệt là thiết bị bảo vệ hoạt động dựa trên hiệu ứng nhiệt của dòng điện, và về bản chất là một loại rơ le dòng. Nó hoạt động bằng cách tạo ra nhiệt thông qua dòng điện chảy qua phần tử làm nóng, khiến dải kim loại kép (được làm từ hai kim loại có hệ số giãn nở khác nhau) biến dạng. Khi biến dạng đạt đến một ngưỡng nhất định, nó kích hoạt cơ chế liên kết, mở mạch điều khiển. Điều này làm mất điện cho contactor và ngắt mạch chính, do đó bảo vệ động cơ khỏi quá tải.
Rơ le nhiệt được phân loại theo số lượng phần tử làm nóng: loại hai cực và loại ba cực. Rơ le ba cực được chia thành các mô hình có và không có bảo vệ mất pha. Các series phổ biến bao gồm JR0, JR9, JR14 và JR16. Đặc tính dòng điện-thời gian (đặc tính ampe-giây) của rơ le nhiệt thường biểu hiện hành vi ngược thời gian phù hợp với đường cong quá tải cho phép của động cơ: dòng điện quá tải càng lớn, thời gian tác động càng ngắn; ngược lại, dòng điện quá tải càng nhỏ, thời gian tác động càng dài. Với việc lựa chọn phù hợp, rơ le có thể tác động trước khi động cơ đạt đến giới hạn nhiệt, do đó tận dụng tối đa khả năng quá tải của động cơ trong khi ngăn ngừa hư hỏng.
Do kích thước nhỏ, cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, rơ le nhiệt được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp để bảo vệ động cơ.
I. Bảo vệ động cơ bằng rơ le nhiệt
Loại kết nối cuộn dây stator của động cơ quyết định đặc tính dòng điện quá tải và mất pha, từ đó quyết định loại rơ le nhiệt phù hợp.
Cuộn dây stator kết nối sao (Y)
Trong kết nối sao, dòng điện đường dây bằng dòng điện pha. Trong quá trình quá tải động cơ, cả ba dòng điện pha thường tăng lên. Khi điện áp ba pha cân bằng và dòng điện động cơ đối xứng, rơ le nhiệt hai cực có thể bảo vệ hiệu quả động cơ ba pha. Tuy nhiên, nếu điện áp ba pha bị mất cân bằng nghiêm trọng (ví dụ: mất cân bằng 4% điện áp có thể gây ra mất cân bằng 25% dòng điện), hoặc nếu xảy ra ngắn mạch một pha mà dòng điện lỗi không đi qua phần tử làm nóng, rơ le hai cực có thể không cung cấp bảo vệ đầy đủ. Trong những trường hợp này, nên sử dụng rơ le nhiệt ba cực.
Cuộn dây stator kết nối tam giác (Δ)
Trong điều kiện hoạt động bình thường, dòng điện đường dây (I) = 0,58 × dòng điện pha (Iφ), và dòng điện pha Iφ = 0,58 × dòng điện đường dây I. Khi một pha nguồn bị mất (ví dụ: một cầu chì bị cháy), như được hiển thị trong Hình 1 (với pha B mở), do trở kháng cuộn dây bằng nhau, Ic = Ia + Ib = 1,5Iφ, và Ib = (2/3)Ic. Điều này cho thấy dòng điện đường dây không còn phản ánh chính xác dòng điện pha, do đó việc sử dụng dòng điện đường dây để bảo vệ không phát hiện được quá tải thực sự của cuộn dây.
Khi mất pha xảy ra ở tải đầy, Ia = 0,58Ie, Ib = 1,16Ie—dòng điện vượt quá này đủ để rơ le nhiệt ba cực tiêu chuẩn tác động. Tuy nhiên, ở 64% tải định mức với mất pha, Ia = 0,37Ie, Ib = 0,75Ie. Dòng điện vượt quá do mất pha ít hơn 20%, do đó rơ le ba cực tiêu chuẩn có thể không tác động, nhưng một pha mang dòng điện cao hơn 58% so với bình thường, có nguy cơ cháy động cơ. Do đó, đối với động cơ kết nối tam giác, rơ le nhiệt ba cực tiêu chuẩn không cung cấp bảo vệ hiệu quả; phải sử dụng rơ le bảo vệ mất pha.
Khi một cuộn dây stator bị đứt (ví dụ: mối nối giữa dây dẫn cuộn và đầu cuối bị lỏng, như đứt giữa A và B, như được hiển thị trong Hình 2), thì Ia = Ic = Iφ, và Ib = Iφ. Ở đây, một dòng điện đường dây bằng dòng điện pha, giống như trong điều kiện hoạt động bình thường. Trong trường hợp này, rơ le bảo vệ mất pha vẫn có thể cung cấp bảo vệ, trong khi các thiết bị bảo vệ mất pha dựa trên việc phát hiện mất pha phía nguồn sẽ không hoạt động.
II. Lựa chọn rơ le nhiệt
Việc lựa chọn và sử dụng rơ le nhiệt đúng cách là một chủ đề được biết đến rộng rãi, nhưng tai nạn cháy động cơ do lựa chọn và sử dụng không đúng vẫn xảy ra thường xuyên. Do đó, người mới bắt đầu nên chú ý các điểm sau bên cạnh việc tuân theo các hướng dẫn tiêu chuẩn:
Hiểu rõ mô hình, thông số kỹ thuật và đặc tính của động cơ cần bảo vệ.
Lựa chọn loại: Trong các vùng nông thôn thường gặp mất cân bằng điện áp ba pha, sử dụng rơ le nhiệt ba cực tiêu chuẩn cho động cơ kết nối sao, và rơ le bảo vệ mất pha cho động cơ kết nối tam giác.
Lựa chọn dòng điện định mức: Chọn dòng điện định mức của rơ le nhiệt dựa trên dòng điện định mức của động cơ, sau đó chọn dòng điện định mức của phần tử làm nóng. Phạm vi điều chỉnh dòng điện đặt của phần tử làm nóng có thể tìm thấy trong bảng của nhà sản xuất. Nếu dòng điện khởi động của động cơ khoảng 6 lần dòng điện định mức và thời gian khởi động dưới 5 giây, đặt dòng điện của phần tử làm nóng bằng dòng điện định mức của động cơ. Đối với động cơ có thời gian khởi động lâu, tải va đập, hoặc không cho phép tắt, đặt dòng điện từ 1,1–1,15 lần dòng điện định mức của động cơ.
Ví dụ: Động cơ có dòng điện định mức 30,3 A, dòng điện khởi động 6 lần dòng điện định mức, thời gian khởi động ngắn, và không có tải va đập. Các mô hình phù hợp bao gồm JR0-40, JR0-60, hoặc JR16-60. Sử dụng JR16-60: dòng điện định mức của rơ le là 60 A, loại ba cực. Chọn phần tử làm nóng 32 A, điều chỉnh khoảng 30,3 A.
Lựa chọn dây kết nối: Sử dụng dây quá to hoặc quá nhỏ ảnh hưởng đến tản nhiệt và do đó hiệu suất của rơ le nhiệt. Kích thước dây nên tuân theo hướng dẫn của nhà sản xuất hoặc sách điện.
Động cơ có khả năng quá tải kém hoặc làm mát kém: Đặt dòng điện định mức của rơ le nhiệt từ 60%–80% dòng điện định mức của động cơ.
Chế độ đặt lại: Rơ le nhiệt thường cung cấp cả chế độ đặt lại thủ công và tự động, có thể chuyển đổi qua lại bằng vít điều chỉnh. Nhà sản xuất thường cung cấp chúng ở chế độ tự động. Sự lựa chọn phụ thuộc vào mạch điều khiển. Theo quy tắc, ngay cả khi rơ le tự động đặt lại, động cơ được bảo vệ không nên tự động khởi động lại—trong trường hợp này, đặt rơ le ở chế độ đặt lại thủ công để tránh khởi động lặp đi lặp lại trong điều kiện lỗi và hư hỏng thiết bị. Ví dụ, trong các mạch khởi động/tắt bằng nút nhấn, chế độ tự động đặt lại là chấp nhận được; trong các mạch khởi động tự động, sử dụng chế độ đặt lại thủ công.
III. Lưu ý khi sử dụng
Để kéo dài tuổi thọ của rơ le nhiệt và đảm bảo hiệu suất tối ưu, hãy tuân theo các lưu ý sau:
Sử dụng dây kết nối tại các đầu rơ le với tiết diện theo đúng quy định.
Rơ le nhiệt không cung cấp bảo vệ ngắn mạch—phải lắp cầu chì riêng biệt. Chúng không phù hợp cho động cơ có thời gian khởi động rất dài, hoạt động thường xuyên, hoặc chu kỳ hoạt động gián đoạn.
Khi lắp đặt cùng các thiết bị khác, hãy gắn rơ le nhiệt dưới chúng để tránh nhiễu nhiệt. Làm sạch bụi và bẩn thường xuyên.
Sau khi tác động, đặt lại tự động xảy ra trong vòng 5 giây; đặt lại thủ công yêu cầu chờ 2 phút trước khi nhấn nút đặt lại.
Sau khi xảy ra lỗi ngắn mạch, kiểm tra phần tử làm nóng có bị hỏng và dải kim loại kép có bị biến dạng (không bao giờ uốn cong dải kim loại kép), nhưng không tháo rời các thành phần.
Khi thay thế rơ le nhiệt, đảm bảo rơ le mới phù hợp với các thông số kỹ thuật ban đầu.
Kết luận
Chỉ bằng cách lựa chọn, đấu dây và sử dụng rơ le nhiệt đúng cách, mới có thể đạt được bảo vệ quá tải hiệu quả cho động cơ.