Cách chọn MCB cho động cơ

Chọn MCB phải thỏa đồng thời dòng tải và dòng khởi động

Có hai trạng thái dòng điện rất khác nhau cần xét khi chọn MCB cho động cơ.

Khi động cơ đã đạt tốc độ ổn định, dòng điện thường xấp xỉ dòng định mức ghi trên nhãn máy. MCB phải có dòng định mức đủ lớn để mang dòng này liên tục mà không tác động ngoài ý muốn. Đồng thời, nếu MCB còn đảm nhiệm bảo vệ quá tải cho dây dẫn thì nguyên tắc cơ bản là:

Ib ≤ In ≤ Iz

Trong đó:

· Ib là dòng làm việc thiết kế của tải

· In là dòng định mức hoặc dòng cài đặt của thiết bị bảo vệ

· Iz là dòng cho phép lâu dài của dây dẫn sau khi đã xét các hệ số hiệu chỉnh

Như vậy, không thể tăng In của MCB tùy ý chỉ để tránh nhảy khi khởi động. MCB quá lớn có thể không còn bảo vệ dây dẫn đúng yêu cầu.

Trạng thái thứ hai là lúc khởi động. Dòng khởi động của động cơ không đồng bộ có thể lớn hơn nhiều lần dòng định mức. Với khởi động trực tiếp, một số động cơ hiệu suất cao có dòng khởi động nhiều lần dòng định mức và còn xuất hiện đỉnh dòng rất ngắn ở thời điểm đóng điện. Biên độ cũng như thời gian tồn tại của dòng này phụ thuộc thiết kế động cơ, tải cơ khí và phương pháp khởi động.

Vì vậy, một MCB đúng về In vẫn có thể nhảy ngay khi khởi động nếu đặc tính tác động từ của nó không phù hợp. Đây là lý do phải kiểm tra cả dòng tải lẫn đường cong thời gian–dòng điện.

Xác định dòng làm việc của động cơ trước khi chọn In

Dữ liệu nên ưu tiên đầu tiên là dòng định mức trên nhãn động cơ. Giá trị này đã phản ánh đặc tính thực tế của động cơ tại điện áp, công suất, hiệu suất và hệ số công suất thiết kế nên thường đáng tin cậy hơn việc chỉ suy ra dòng điện từ số kW.

Khi chưa có dòng trên nhãn, có thể ước tính động cơ ba pha theo:

I ≈ P / (√3 × U × η × cosφ)

Trong đó P là công suất cơ ra trục nếu công thức có tính hiệu suất η, U là điện áp dây, η là hiệu suất và cosφ là hệ số công suất.

Với động cơ một pha:

I ≈ P / (U × η × cosφ)

Ví dụ, động cơ ba pha 5,5 kW, 400 V, giả sử η = 0,90 và cosφ = 0,82 thì dòng tính toán xấp xỉ:

I ≈ 5.500 / (1,732 × 400 × 0,90 × 0,82) ≈ 10,8 A

Con số này chỉ dùng để ước tính. Nếu nhãn động cơ ghi 11,2 A thì nên sử dụng 11,2 A làm cơ sở lựa chọn.

Từ đây chưa thể kết luận ngay rằng phải chọn MCB 13 A hay 16 A. Cần kiểm tra tiếp:

· Khả năng tải của dây dẫn

· Phương pháp khởi động

· Dòng và thời gian khởi động

· Đặc tính B, C hoặc D của MCB

· Điều kiện nhiệt độ và lắp đặt

· Thiết bị bảo vệ quá tải đi kèm

Do đó, quy tắc kiểu “MCB bằng 1,25 lần dòng động cơ” không phải công thức chung có thể áp dụng cho mọi động cơ.

Chọn đặc tính B, C hay D theo dòng khởi động

Điểm khác nhau quan trọng giữa MCB B, C và D nằm ở vùng tác động tức thời bằng cơ cấu điện từ. Với các đặc tính thông dụng theo chuẩn MCB lắp đặt, phạm vi điển hình là:

Các ngưỡng trên không nên được coi là thông số cố định cho mọi model. Một số dòng sản phẩm hoặc tiêu chuẩn áp dụng có thể sử dụng giới hạn khác; chẳng hạn có thiết bị đặc tính D được công bố với vùng tác động hẹp hơn. Vì vậy phải kiểm tra datasheet và đường cong tác động của đúng MCB dự kiến sử dụng.

Điều quan trọng hơn tên “C” hay “D” là tỷ số:

Dòng khởi động / In của MCB

Giả sử động cơ có dòng định mức 11 A và dòng khởi động thực tế khoảng 77 A.

Nếu dùng MCB C13:

77 / 13 ≈ 5,9 lần In

Giá trị này đã đi vào vùng tác động từ 5–10 In của đặc tính C. MCB có nguy cơ tác động khi khởi động, tùy dung sai và đường cong cụ thể.

Nếu chuyển sang C16:

77 / 16 ≈ 4,8 lần In

Dòng khởi động nằm dưới ngưỡng dưới 5 In của vùng tác động từ điển hình, nên khả năng vượt qua quá trình khởi động tốt hơn. Tuy nhiên vẫn phải kiểm tra thời gian khởi động trên đường cong time-current, vì dòng điện kéo dài vài giây còn chịu ảnh hưởng của phần tử nhiệt.

D16 cho biên độ chịu dòng khởi động lớn hơn nữa, nhưng không vì thế mà D luôn tốt hơn C. Ngưỡng tác động từ càng cao thì cần dòng sự cố đủ lớn để MCB cắt nhanh trong trường hợp ngắn mạch. Vì vậy, chuyển từ C sang D để chữa hiện tượng “nhảy MCB” mà không kiểm tra dòng ngắn mạch có thể tạo ra một vấn đề bảo vệ khác.

Động cơ khởi động trực tiếp là trường hợp cần chú ý đặc biệt. Dòng khởi động có thể đạt nhiều lần dòng định mức, trong khi đỉnh dòng đóng điện ở những mili giây đầu còn có thể cao hơn đáng kể. Với soft starter hoặc biến tần, đặc tính dòng khởi động thay đổi nên không được lấy hệ số của khởi động trực tiếp để áp dụng máy móc.

Kiểm tra khả năng cắt, điện áp, số cực và điều kiện lắp đặt

Sau khi In và đặc tính tác động có vẻ phù hợp, MCB vẫn chưa được xem là chọn xong.

Khả năng cắt ngắn mạch phải không nhỏ hơn dòng ngắn mạch dự kiến tại điểm đặt MCB. Nếu tại tủ điện có dòng ngắn mạch dự kiến 4,5 kA thì một thiết bị chỉ có khả năng cắt 3 kA là không phù hợp; cần chọn cấp đáp ứng dòng sự cố, chẳng hạn 6 kA hoặc mức cao hơn theo kết quả tính toán và hệ thống phối hợp bảo vệ. Nguyên tắc chung là khả năng cắt của thiết bị bảo vệ phải bằng hoặc lớn hơn dòng ngắn mạch tại vị trí lắp đặt.

Ngoài dòng ngắn mạch cực đại, với MCB có ngưỡng từ cao như đặc tính D còn nên kiểm tra dòng ngắn mạch tối thiểu ở cuối tuyến. Đường dây dài hoặc tiết diện nhỏ làm tăng tổng trở, khiến dòng sự cố giảm. Nếu dòng này quá thấp so với ngưỡng tác động từ, thời gian cắt có thể dài hơn dự kiến.

Điện áp định mức của MCB phải phù hợp điện áp hệ thống. Với động cơ ba pha, thiết bị bảo vệ thường phải đồng thời cắt các pha của mạch động lực; cấu hình số cực cụ thể còn phụ thuộc hệ thống nguồn và cách xử lý dây trung tính.

Nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến MCB nhiệt–từ. Dòng định mức được xác lập ở điều kiện nhiệt độ tham chiếu, trong khi nhiệt độ cao trong tủ, nhiều thiết bị đặt sát nhau hoặc thông gió kém có thể làm khả năng mang dòng thay đổi. Vì thế các hệ số derating phải lấy theo đúng catalogue của model sử dụng, thay vì mặc định rằng MCB 16 A luôn mang được 16 A trong mọi tủ điện.

Phối hợp MCB với dây dẫn và bảo vệ quá tải động cơ

Một hiểu nhầm phổ biến là chỉ cần lắp MCB đúng dòng thì động cơ đã được bảo vệ đầy đủ.

Trong một mạch động cơ điển hình, thực tế có nhiều chức năng bảo vệ khác nhau. Ngắn mạch cần thiết bị cắt có khả năng chịu và cắt dòng sự cố lớn; quá tải động cơ lại liên quan đến tình trạng dòng vượt định mức trong thời gian dài, kẹt tải, khởi động quá lâu hoặc các bất thường khác.

MCB thông thường có bảo vệ quá dòng nhiệt–từ nhưng đặc tính đó được thiết kế trước hết cho bảo vệ mạch điện theo đặc tính của thiết bị. Nó không mặc nhiên thay thế một thiết bị bảo vệ quá tải chuyên dụng cho động cơ.

Với hệ thống dùng MCB contactor, thông thường phải xem xét thêm relay quá tải được chọn và chỉnh theo đặc tính của động cơ. Một phương án khác là sử dụng thiết bị bảo vệ động cơ chuyên dụng có phần bảo vệ quá tải điều chỉnh được và bảo vệ ngắn mạch tích hợp. Các giải pháp bảo vệ động cơ công nghiệp cũng phân biệt rõ chức năng bảo vệ ngắn mạch và chức năng bảo vệ quá tải.

Điều này dẫn tới một nguyên tắc quan trọng: không tăng MCB lên nhiều cấp chỉ để động cơ khởi động được. Nếu MCB liên tục nhảy khi khởi động, cần tìm nguyên nhân theo thứ tự:

· In của MCB có quá sát dòng tải hay không

· Đặc tính B/C/D có phù hợp dòng khởi động hay không

· Thời gian khởi động có dài bất thường hay không

· Động cơ có đang khởi động dưới tải nặng hoặc bị kẹt cơ khí hay không

· Điện áp lúc khởi động có sụt nhiều hay không

· Dây dẫn và đầu nối có đúng thiết kế hay không

· MCB có chịu ảnh hưởng của nhiệt độ hoặc lắp ghép trong tủ hay không

Nếu chỉ thay MCB 16 A bằng 25 A để hết nhảy mà không kiểm tra dây dẫn và chức năng bảo vệ, hệ thống có thể chạy được nhưng mức bảo vệ đã thay đổi đáng kể.

Quy trình chọn MCB cho động cơ trong thực tế

Trình tự kiểm tra

Có thể thực hiện việc lựa chọn theo trình tự sau:

1. Lấy dòng định mức trên nhãn động cơ, chỉ tính từ công suất khi chưa có dữ liệu này

2. Xác định phương pháp khởi động: trực tiếp, sao–tam giác, soft starter hay biến tần

3. Lấy dòng khởi động và thời gian khởi động từ tài liệu động cơ, thiết bị khởi động hoặc số liệu đo

4. Chọn In ban đầu sao cho mang được dòng tải nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép của dây dẫn

5. Đặt dòng khởi động lên đường cong time-current của MCB để quyết định đặc tính C, D hoặc loại khác phù hợp

6. Kiểm tra khả năng cắt, dòng ngắn mạch tối thiểu, nhiệt độ và điều kiện lắp đặt

7. Kiểm tra phối hợp với contactor và relay quá tải hoặc thiết bị bảo vệ động cơ chuyên dụng

8. Ưu tiên bảng phối hợp đã được nhà sản xuất kiểm chứng đối với hệ thống motor starter công nghiệp

Ví dụ minh họa

Giả sử có động cơ ba pha với:

· Dòng định mức trên nhãn: 11 A

· Khởi động trực tiếp

· Dòng khởi động xác định được: 77 A

· Khả năng tải sau hiệu chỉnh của dây: 20 A

· Dòng ngắn mạch dự kiến tại tủ: 4 kA

Nếu xét điều kiện dòng tải và dây dẫn, MCB 16 A thỏa quan hệ:

11 A ≤ 16 A ≤ 20 A

Tiếp theo xét dòng khởi động.

Với C16, dòng 77 A tương đương:

77 / 16 ≈ 4,8 In

Giá trị này thấp hơn ngưỡng dưới 5 In của vùng tác động từ điển hình của đặc tính C. C16 vì vậy có thể là một ứng viên hợp lý hơn C13, nhưng vẫn cần kiểm tra thời gian khởi động trên đường cong của đúng model.

Nếu động cơ còn có đỉnh dòng lớn khiến C16 tác động, D16 có vùng tác động từ cao hơn và có thể chịu quá trình đóng điện tốt hơn. Tuy nhiên trước khi chuyển sang D16 phải kiểm tra lại dòng sự cố tối thiểu và thời gian cắt.

Với dòng ngắn mạch dự kiến 4 kA, khả năng cắt của MCB phải ít nhất bằng giá trị này; một cấp 6 kA chẳng hạn có thể đáp ứng riêng tiêu chí khả năng cắt trong ví dụ. Việc lựa chọn cuối cùng vẫn phải kiểm tra cùng dây dẫn, thiết bị phía trước và phía sau cũng như bảng phối hợp của nhà sản xuất.

Ví dụ này cho thấy dòng định mức chỉ quyết định một phần của bài toán. Cùng là động cơ 11 A nhưng lựa chọn C13, C16 hay D16 cho kết quả khác nhau khi đặt dòng khởi động lên đường cong tác động.

Muốn chọn MCB cho động cơ chính xác, hãy bắt đầu từ dòng định mức thực tế của động cơ, sau đó kiểm tra dòng và thời gian khởi động trên đường cong tác động của MCB. In phải đủ mang tải nhưng không được vượt khả năng bảo vệ của dây dẫn; đặc tính C hay D phải đủ tránh tác động nhầm khi khởi động nhưng vẫn bảo đảm cắt sự cố; khả năng cắt phải đáp ứng dòng ngắn mạch tại điểm lắp đặt. Với mạch dùng contactor, cũng cần phân biệt rõ vai trò của MCB với bảo vệ quá tải động cơ và phối hợp các thiết bị như một hệ thống, thay vì chọn từng phần tử độc lập.