Cách chọn MCB theo công suất tải

Ib ≤ In ≤ Iz

Trong đó, (I_z) là khả năng mang dòng cho phép của dây dẫn trong điều kiện lắp đặt thực tế. Sau bước này còn phải kiểm tra đặc tính tác động B/C/D đối với dòng khởi động và bảo đảm khả năng cắt của MCB không nhỏ hơn dòng ngắn mạch dự kiến tại điểm lắp.

Vì vậy, hai tải có cùng công suất chưa chắc dùng cùng một MCB. Điện áp, số pha, hệ số công suất, hiệu suất, tiết diện và cách lắp dây, dòng khởi động cũng như mức ngắn mạch đều có thể làm thay đổi lựa chọn cuối cùng.

Nguyên tắc chọn MCB theo công suất tải

MCB được chọn để dòng tải bình thường đi qua mà không gây tác động không mong muốn, nhưng vẫn phải giới hạn dòng điện ở mức dây dẫn và mạch điện có thể chịu được. Vì thế, công suất chỉ là dữ liệu đầu vào để xác định dòng điện; dòng định mức của MCB mới là thông số được phối hợp trực tiếp với tải và dây dẫn.

Ba đại lượng cần phân biệt là (I_b), (I_n) và (I_z). (I_b) là dòng điện thiết kế hoặc dòng làm việc của tải; (I_n) là dòng định mức ghi trên MCB; (I_z) là dòng cho phép của dây sau khi xét vật liệu, tiết diện, loại cách điện, nhiệt độ môi trường, phương pháp lắp đặt và việc đi chung nhiều mạch.

Nếu (I_n < I_b), MCB có thể tác động khi tải đang vận hành bình thường. Ngược lại, nếu chọn (I_n) lớn hơn khả năng chịu dòng của dây, dây có thể bị quá tải nhiệt trước khi MCB thực hiện đúng chức năng bảo vệ. Do đó, việc tăng MCB lên một cấp chỉ để tránh hiện tượng nhảy MCB không phải là giải pháp an toàn nếu chưa kiểm tra lại dây dẫn và nguyên nhân gây quá dòng.

Các cấp dòng MCB thông dụng gồm 6 A, 10 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 50 A và 63 A. Khi dòng tính toán nằm giữa hai cấp, có thể xem xét cấp gần phía trên, nhưng chỉ khi cấp đó vẫn thỏa mãn giới hạn của dây dẫn và các điều kiện bảo vệ khác.

Cũng không nên coi “dòng tải × 1,25” là công thức chọn MCB áp dụng cho mọi trường hợp. Tải làm việc kéo dài, nhiệt độ môi trường cao hoặc thiết bị có yêu cầu riêng có thể cần dự phòng hoặc hiệu chỉnh, nhưng mức hiệu chỉnh phải dựa trên đặc tính thiết bị và điều kiện lắp đặt, không được làm mất quan hệ bảo vệ giữa MCB và dây.

Tính dòng điện làm việc từ công suất tải

Muốn chọn đúng MCB, trước tiên cần xác định công suất đang được sử dụng là công suất điện đầu vào hay công suất đầu ra của thiết bị. Sai ở bước này có thể khiến dòng tải bị tính thấp hơn thực tế.

Tải điện 1 pha

Nếu (P) là công suất điện tác dụng mà tải lấy từ nguồn, dòng điện được tính gần đúng theo:

Ib = P / (U × cosφ)

Với tải thuần trở như điện trở gia nhiệt, (cosφ) thường gần 1. Một tải 3 kW sử dụng nguồn 230 V sẽ có dòng xấp xỉ:

Ib = 3.000 / 230 ≈ 13,0 A

Xét riêng dòng làm việc, cấp MCB 16 A là cấp tiêu chuẩn gần phía trên. Tuy nhiên, 16 A chỉ là lựa chọn hợp lệ khi dây dẫn tại điều kiện lắp đặt thực tế có (I_z) không nhỏ hơn 16 A và tải không có đặc tính khởi động khiến MCB tác động ngoài ý muốn.

Với tải cảm hoặc thiết bị có hệ số công suất nhỏ hơn 1, không được bỏ qua (cosφ). Chẳng hạn cùng 3 kW nhưng (cosφ = 0,8), dòng tính toán ở 230 V tăng lên khoảng 16,3 A. Việc chỉ dùng phép tính (P/U) trong trường hợp này sẽ đánh giá thấp dòng tải.

Tải điện 3 pha

Với hệ ba pha cân bằng và (P) là công suất điện tác dụng đầu vào:

Ib = P / (√3 × U × cosφ)

Ở đây (U) là điện áp dây giữa các pha. Nếu thiết bị được cấp từ hệ 400 V, giá trị 400 V được sử dụng trong công thức thay vì 230 V.

Nhờ phân bố công suất trên ba pha, dòng dây của tải ba pha thường thấp hơn đáng kể so với tải một pha có cùng công suất. Vì vậy không thể lấy bảng MCB dành cho 230 V một pha để áp dụng trực tiếp cho tải ba pha.

Khi công suất ghi trên thiết bị là công suất đầu ra

Đối với động cơ, công suất kW trên nhãn thường có thể biểu thị công suất cơ đầu ra. Khi đó phải xét thêm hiệu suất (\eta):

Ib = P / (U × cosφ × η) đối với 1 pha

Ib = P / (√3 × U × cosφ × η) đối với 3 pha

Ví dụ, động cơ ba pha 5,5 kW, 400 V, (cosφ = 0,82) và hiệu suất (\eta = 0,90) có dòng tính toán:

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

Con số 10,8 A mới phản ánh gần đúng dòng ở chế độ định mức. Dòng khởi động có thể lớn hơn nhiều và phải được kiểm tra riêng khi chọn đặc tính MCB.

Đối với tải điện tử, bộ biến đổi hoặc thiết bị có dạng dòng không hình sin, dòng RMS trên nhãn thiết bị hoặc dữ liệu kỹ thuật của nhà sản xuất thường đáng tin cậy hơn việc cố suy ra dòng chỉ từ công suất danh nghĩa.

Chọn dòng định mức MCB theo dòng tải và dây dẫn

Sau khi tính được (I_b), bước tiếp theo là chọn (I_n). Quy tắc cốt lõi vẫn là:

Ib ≤ In ≤ Iz

Giả sử tải một pha có dòng làm việc 13 A. Chọn MCB 10 A sẽ không phù hợp vì (I_n < I_b). MCB 16 A có thể phù hợp nếu dây dẫn chịu được ít nhất mức dòng này trong điều kiện thực tế. Việc chọn thẳng 20 A hoặc 25 A chỉ để có “dư tải” sẽ làm giảm mức bảo vệ cho dây nếu tiết diện và điều kiện lắp đặt không tương ứng.

Khả năng mang dòng của dây không chỉ phụ thuộc tiết diện. Cùng một dây dẫn nhưng đi trong ống kín, đi chung nhiều mạch hoặc làm việc ở nhiệt độ môi trường cao có thể có khả năng tải thấp hơn trường hợp đi riêng trong điều kiện thông thoáng. Do đó, không có một bảng “công suất – MCB – tiết diện dây” duy nhất đúng cho mọi công trình.

Một trường hợp khác cần lưu ý là tổng công suất lắp đặt chưa chắc bằng công suất đồng thời thực tế. Nếu nhiều tải không vận hành cùng lúc, dòng thiết kế có thể được xác định theo chế độ sử dụng thực tế và hệ số đồng thời phù hợp. Ngược lại, với một tải đơn hoạt động liên tục ở gần công suất định mức, không nên giảm dòng tính toán chỉ vì tải “thường không chạy hết công suất” nếu không có căn cứ kỹ thuật.

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

Hai MCB cùng ghi 16 A nhưng có đặc tính B16, C16 hoặc D16 không phản ứng giống nhau với dòng tăng cao trong thời gian rất ngắn. Chữ B, C hoặc D chủ yếu mô tả vùng tác động từ tức thời của cơ cấu bảo vệ ngắn mạch; nó không làm thay đổi dòng định mức 16 A của MCB.

Một tải thuần trở có thể làm việc tốt với đường cong có ngưỡng tác động thấp hơn vì hầu như không xuất hiện dòng khởi động lớn. Với động cơ, máy biến áp hoặc một số thiết bị điện tử có tụ đầu vào, dòng đóng điện tức thời có thể cao hơn nhiều lần dòng định mức. Nếu chọn đường cong quá nhạy, MCB có thể nhảy ngay khi khởi động dù dòng làm việc sau đó hoàn toàn bình thường.

Tuy nhiên, chuyển từ B sang C hoặc D không phải cách mặc định để chữa hiện tượng nhảy MCB. Đường cong có ngưỡng từ càng cao thì mạch càng cần dòng sự cố đủ lớn để MCB cắt nhanh trong vùng tức thời. Vì vậy phải đối chiếu cả dòng khởi động của tải và dòng ngắn mạch dự kiến tại điểm lắp.

Riêng với động cơ, MCB không nên được xem là thiết bị thay thế mọi chức năng bảo vệ động cơ. Mạch có thể cần phần tử bảo vệ quá tải chuyên dụng phù hợp với đặc tính nhiệt và chế độ khởi động của động cơ.

Kiểm tra khả năng cắt và điều kiện lắp đặt

Dòng định mức đúng chưa đủ để kết luận MCB phù hợp. MCB còn phải có khả năng ngắt an toàn dòng ngắn mạch có thể xuất hiện tại vị trí lắp đặt.

Điều kiện cơ bản là:

Khả năng cắt của MCB ≥ dòng ngắn mạch dự kiến tại điểm lắp

Các mức khả năng cắt như 4,5 kA, 6 kA hoặc 10 kA thường gặp trên thiết bị hạ áp. Không thể khẳng định 6 kA luôn đủ cho mọi nhà ở hoặc 10 kA luôn cần thiết cho mọi công trình; giá trị thích hợp phụ thuộc trở kháng nguồn, máy biến áp, chiều dài và tiết diện dây cũng như vị trí MCB trong hệ thống.

Nhiệt độ môi trường cũng có thể ảnh hưởng tới khả năng mang tải của MCB. Khi nhiều MCB được lắp sát nhau trong tủ, nhiệt tích tụ có thể làm điều kiện vận hành khác với điều kiện tham chiếu của thiết bị. Hệ số hiệu chỉnh cần lấy theo dữ liệu kỹ thuật của dòng MCB sử dụng thay vì tự cộng thêm một tỷ lệ dự phòng tùy ý.

Dây dẫn phải được kiểm tra theo nguyên tắc tương tự. (I_z) là khả năng mang dòng sau hiệu chỉnh, không đơn giản là trị số tra theo tiết diện trong một bảng bất kỳ. Nhiệt độ, số mạch đi chung, phương pháp lắp, vật liệu ruột dẫn và loại cách điện đều có thể làm thay đổi giá trị này.

Nhờ kiểm tra đồng thời (I_b), (I_n), (I_z), đường cong tác động và khả năng cắt, MCB mới vừa tránh tác động không cần thiết trong vận hành bình thường vừa duy trì chức năng bảo vệ khi xuất hiện quá tải hoặc ngắn mạch.

Ví dụ chọn MCB theo công suất thực tế

Với tải một pha 230 V, (cosφ = 1), công suất trong bảng là công suất điện đầu vào và chưa xét dòng khởi động hay hệ số giảm tải, có thể quy đổi sơ bộ như sau:

Bảng này chỉ cho biết cấp MCB gần phía trên xét theo dòng tải. Nó không thay thế bước kiểm tra (I_z), đường cong tác động, khả năng cắt và điều kiện lắp đặt. Ví dụ tải 4 kW cho kết quả khoảng 17,4 A nên 20 A là cấp dòng hợp lý về mặt tải, nhưng MCB 20 A không được sử dụng nếu dây của mạch không có khả năng mang dòng tương ứng sau hiệu chỉnh.

Với động cơ ba pha 5,5 kW trong ví dụ trước, dòng định mức tính được khoảng 10,8 A. Xét dòng làm việc, một cấp MCB 16 A có thể nằm trong vùng lựa chọn nếu dây dẫn đáp ứng (I_z ≥ 16 A). Tuy nhiên không thể kết luận chỉ từ con số 5,5 kW rằng phải dùng C16 hay D16. Cần biết dòng khởi động, thời gian khởi động, phương pháp khởi động và dòng sự cố tại điểm lắp trước khi quyết định đường cong tác động.

Có thể áp dụng trình tự thực tế sau:

1. Xác định công suất là công suất điện đầu vào hay công suất đầu ra, điện áp, số pha, (cosφ) và hiệu suất nếu cần; tính (I_b); chọn cấp (I_n) tiêu chuẩn không nhỏ hơn (I_b); kiểm tra (I_n ≤ I_z); đối chiếu dòng khởi động để chọn B/C/D; cuối cùng kiểm tra khả năng cắt so với dòng ngắn mạch dự kiến

Chọn MCB theo công suất thực chất là bài toán quy đổi công suất thành dòng điện rồi phối hợp MCB với tải và dây dẫn. Công thức một pha hoặc ba pha giúp xác định (I_b), nhưng dòng MCB cuối cùng phải thỏa mãn nguyên tắc (I_b ≤ I_n ≤ I_z).

Sau khi chọn được cấp dòng định mức, cần kiểm tra thêm dòng khởi động để xác định đặc tính B, C hoặc D và bảo đảm khả năng cắt của MCB đủ lớn đối với dòng ngắn mạch tại vị trí lắp. Cách làm này chính xác hơn việc chọn MCB chỉ theo số kW hoặc áp dụng một hệ số dự phòng cố định cho mọi loại tải.