Bộ bảo vệ nhiệt động cơ có tác dụng gì và hoạt động như thế nào?

Động cơ điện là công cụ được tìm thấy trong mọi thứ, từ thiết bị gia dụng và hệ thống HVAC đến máy nén và trạm bơm công nghiệp. Bất chấp độ tin cậy của chúng, động cơ vẫn dễ bị ảnh hưởng bởi một tình trạng có sức tàn phá đặc biệt: quá nóng. Nhiệt độ quá cao làm suy giảm lớp cách điện của cuộn dây, làm tăng tốc độ hỏng ổ trục và trong trường hợp nghiêm trọng có thể gây cháy động cơ vĩnh viễn. Bộ bảo vệ nhiệt động cơ là thiết bị an toàn chuyên dụng được thiết kế để phát hiện sự tăng nhiệt độ nguy hiểm bên trong động cơ và ngắt mạch điện trước khi xảy ra hư hỏng không thể khắc phục. Hiểu cách thức hoạt động của các thiết bị bảo vệ nhiệt, loại nào phù hợp với ứng dụng của bạn cũng như cách cài đặt và kiểm tra chúng một cách chính xác là kiến ​​thức cần thiết cho các kỹ sư, kỹ thuật viên bảo trì cũng như nhà thiết kế thiết bị.

Bộ bảo vệ nhiệt động cơ là gì?

A bảo vệ nhiệt động cơ là một thiết bị chuyển mạch nhạy cảm với nhiệt độ được nhúng bên trong hoặc gắn trên cuộn dây động cơ để theo dõi nhiệt độ vận hành và ngắt kết nối động cơ khỏi nguồn điện khi vượt quá nhiệt độ ngắt đặt trước. Không giống như rơle quá tải bên ngoài suy ra nhiệt độ từ dòng điện rút ra, bộ bảo vệ nhiệt phản ứng trực tiếp với nhiệt độ thực tế ở bề mặt cuộn dây động cơ, mang lại phản ứng bảo vệ chính xác hơn và nhanh hơn đối với ứng suất nhiệt bất kể nguyên nhân của nó.

Bộ bảo vệ nhiệt được sử dụng trong động cơ một pha và ba pha với nhiều mức công suất khác nhau, từ động cơ mã lực nhỏ trong quạt gia dụng và tủ lạnh đến động cơ nhiều kilowatt trong máy móc công nghiệp. Chúng được phân loại là đặt lại tự động — trong đó thiết bị kết nối lại mạch sau khi động cơ nguội đến nhiệt độ an toàn — hoặc đặt lại thủ công, trong đó cần có sự can thiệp của người vận hành trước khi động cơ có thể khởi động lại. Việc lựa chọn giữa hai chế độ đặt lại này mang ý nghĩa quan trọng đối với sự an toàn và phù hợp với ứng dụng.

Bộ bảo vệ nhiệt động cơ hoạt động như thế nào

Nguyên lý hoạt động của hầu hết các thiết bị bảo vệ nhiệt động cơ đều dựa trên cơ chế đĩa lưỡng kim. Đĩa lưỡng kim là một bộ phận được chế tạo chính xác được làm từ hai hợp kim kim loại liên kết với nhau với hệ số giãn nở nhiệt khác nhau. Ở nhiệt độ hoạt động bình thường, đĩa duy trì hình dạng lồi và giữ các tiếp điểm điện ở vị trí đóng (dẫn điện). Khi nhiệt độ tăng đến ngưỡng ngắt - thường là từ 115°C đến 150°C tùy thuộc vào loại cách điện của động cơ - sự giãn nở chênh lệch giữa hai lớp kim loại làm cho đĩa chuyển sang dạng lõm ngược, tách các tiếp điểm điện về mặt vật lý và làm hở mạch.

Khi động cơ nguội đến nhiệt độ cài đặt lại — nhiệt độ này luôn thấp hơn nhiệt độ ngắt để tạo khoảng trễ nhiệt — đĩa lưỡng kim sẽ quay trở lại vị trí ban đầu, đóng các tiếp điểm và cho phép động cơ khởi động lại. Cơ chế tác động nhanh này rất quan trọng vì nó đảm bảo việc mở tiếp điểm nhanh chóng, sạch sẽ thay vì tách dần dần có thể gây ra hiện tượng phóng điện và ăn mòn tiếp điểm. Một số thiết bị bảo vệ nhiệt tiên tiến kết hợp thành phần điện trở gia nhiệt cùng với đĩa lưỡng kim, giúp tạo ra nhiệt bổ sung tỷ lệ thuận với dòng điện động cơ, kết hợp lợi ích của cảm biến nhiệt độ trực tiếp với khả năng bảo vệ đáp ứng dòng điện.

Các loại thiết bị bảo vệ nhiệt động cơ

Hiện có một số loại thiết bị bảo vệ nhiệt động cơ riêng biệt, mỗi loại phù hợp với thiết kế động cơ, yêu cầu lắp đặt và triết lý bảo vệ khác nhau.

Tự động thiết lập lại bộ bảo vệ nhiệt

Bộ bảo vệ thiết lập lại tự động khôi phục nguồn điện cho động cơ mà không cần sự tham gia của người vận hành khi động cơ đã đủ nguội. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như tủ lạnh, máy điều hòa không khí và máy giặt, nơi cần hoạt động liên tục với sự giám sát tối thiểu. Rủi ro chính với các thiết bị đặt lại tự động là động cơ có thể khởi động lại đột ngột sau một chuyến đi, điều này không thể chấp nhận được trong các ứng dụng mà việc khởi động lại tự phát có thể gây thương tích cho nhân viên hoặc làm hỏng thiết bị. Trong những trường hợp như vậy, nên sử dụng bộ bảo vệ thiết lập lại tự động kết hợp với mạch điều khiển công tắc tơ hoặc khóa bên ngoài.

Thiết lập lại thủ công bộ bảo vệ nhiệt

Bộ bảo vệ đặt lại thủ công yêu cầu người vận hành nhấn nút đặt lại trước khi động cơ có thể khởi động lại sau chuyến đi nhiệt. Loại này được quy định bắt buộc theo các quy định an toàn đối với động cơ được sử dụng trong các thiết bị mà việc khởi động lại đột ngột sẽ rất nguy hiểm, chẳng hạn như dụng cụ điện, máy bơm và máy móc công nghiệp. Yêu cầu đặt lại thủ công buộc người vận hành phải quan tâm đến động cơ, tạo cơ hội điều tra nguyên nhân gây ra hiện tượng quá nhiệt trước khi đưa thiết bị trở lại hoạt động — một bước quan trọng để ngăn chặn các hiện tượng nhiệt lặp lại.

Bộ bảo vệ đĩa kiểu Klixon

Bộ bảo vệ kiểu Klixon (được đặt theo tên thương hiệu ban đầu nhưng hiện được sử dụng rộng rãi) là một thiết bị đĩa lưỡng kim nhỏ gọn, kín được thiết kế để nhúng trực tiếp vào cuộn dây động cơ. Hệ số dạng nhỏ của nó cho phép nó được đặt ở điểm nóng nhất của cuộn dây trong quá trình sản xuất động cơ, đảm bảo giám sát nhiệt độ trực tiếp và nhạy nhất. Các thiết bị kiểu Klixon là tiêu chuẩn trong động cơ máy nén kín được sử dụng trong hệ thống làm lạnh và điều hòa không khí.

Bộ bảo vệ dựa trên nhiệt điện trở PTC

Điện trở nhiệt có hệ số nhiệt độ dương (PTC) là cảm biến bán dẫn có điện trở tăng mạnh ở một ngưỡng nhiệt độ cụ thể. Khi được nhúng vào cuộn dây động cơ và được kết nối với rơle bên ngoài hoặc mô-đun điều khiển, nhiệt điện trở PTC sẽ cung cấp đầu ra ở mức tín hiệu thay vì làm gián đoạn mạch trực tiếp. Mô-đun điều khiển giám sát điện trở và ngắt công tắc tơ khi điện trở vượt quá giá trị ngưỡng. Bảo vệ nhiệt điện trở PTC được ưu tiên sử dụng trong động cơ công nghiệp ba pha vì nó cho phép giám sát từ xa, tích hợp với các trung tâm điều khiển động cơ và phản ứng với sự trôi nhiệt dần dần mà các bộ bảo vệ lưỡng kim có thể không phát hiện được.

Thông số kỹ thuật chính cần hiểu trước khi chọn thiết bị bảo vệ nhiệt

Việc chọn đúng bộ bảo vệ nhiệt đòi hỏi phải kết hợp các thông số kỹ thuật của nó với đặc tính điện của động cơ và môi trường xung quanh nơi nó sẽ hoạt động. Việc sử dụng bộ bảo vệ có xếp hạng không chính xác sẽ dẫn đến việc vấp ngã khó chịu trong điều kiện hoạt động bình thường hoặc tệ hơn là không thể ngắt khi xảy ra hiện tượng quá nhiệt thực sự.

Nhiệt độ chuyến đi phải được chọn để phù hợp với lớp cách điện của động cơ. Lớp cách nhiệt loại B (được định mức ở 130°C) thường kết hợp với nhiệt độ chuyến đi từ 120°C đến 130°C, trong khi lớp cách nhiệt Loại F (được định mức đến 155°C) có thể chịu được nhiệt độ chuyến đi lên tới 145°C đến 155°C. Việc chọn nhiệt độ ngắt quá gần với giới hạn cấp cách điện sẽ làm giảm giới hạn bảo vệ; việc chọn một mức quá thấp sẽ gây ra những chuyến đi khó chịu khi vận hành tải nặng thông thường.

Nguyên nhân phổ biến khiến động cơ quá nóng mà bộ bảo vệ nhiệt bảo vệ chống lại

Bộ bảo vệ nhiệt động cơ là tuyến phòng thủ cuối cùng chống lại một loạt các bất thường khi vận hành, tất cả đều dẫn đến cùng một kết quả: nhiệt độ cuộn dây tăng cao đến mức nguy hiểm. Hiểu được những nguyên nhân này giúp nhóm bảo trì giải quyết các nguyên nhân gốc rễ thay vì liên tục dựa vào bộ bảo vệ nhiệt để che giấu các vấn đề cơ bản.

• Quá tải: Việc vận hành động cơ trên dòng điện đầy tải định mức của nó sẽ làm tổn thất I2R trong cuộn dây tăng tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện vượt quá. Ngay cả khi duy trì tình trạng quá tải dòng điện 10% trong thời gian dài cũng sẽ làm tăng đáng kể ứng suất nhiệt lên cách điện cuộn dây.
• Tình trạng rôto bị khóa: Khi rôto bị kẹt cơ học và không thể quay, động cơ sẽ liên tục rút dòng điện rôto bị khóa - thường gấp 5 đến 7 lần dòng điện đầy tải. Nếu không có bộ bảo vệ nhiệt, tình trạng này sẽ phá hủy động cơ trong vòng vài giây đến vài phút tùy thuộc vào kích thước động cơ.
• Mất cân bằng điện áp hoặc một pha: Trong động cơ ba pha, sự mất cân bằng điện áp chỉ ở mức 3,5% sẽ gây ra sự mất cân bằng dòng điện lên tới 25%, làm tăng nhiệt đáng kể trong cuộn dây pha bị ảnh hưởng. Pha đơn - mất một pha cung cấp - khiến động cơ cố gắng duy trì tải trên hai pha, tạo ra dòng điện và ứng suất nhiệt cực lớn.
• Khởi động và dừng thường xuyên: Mỗi lần khởi động động cơ sẽ tạo ra dòng điện khởi động cao tạo ra xung nhiệt trong cuộn dây. Động cơ phải chịu các chu kỳ khởi động-dừng thường xuyên bất thường sẽ tích tụ ứng suất nhiệt nhanh hơn mức định mức ở trạng thái ổn định của chúng, khiến cho việc bảo vệ nhiệt bên trong trở nên đặc biệt quan trọng.
• Thông gió không đầy đủ: Đường dẫn khí làm mát bị chặn, bộ lọc không khí bị tắc hoặc nhiệt độ môi trường xung quanh quá cao làm giảm khả năng tản nhiệt của động cơ. Một động cơ hoạt động trong môi trường xung quanh 50°C có khoảng trống nhiệt ít hơn đáng kể so với động cơ hoạt động ở nhiệt độ môi trường xung quanh 40°C tiêu chuẩn trên bảng tên của nó.
• Vòng bi bị hỏng: Vòng bi bị kẹt hoặc mòn nhiều làm tăng tải trọng ma sát cơ học, buộc động cơ phải tiêu thụ dòng điện cao hơn để duy trì tốc độ. Tổn thất I2R bổ sung tạo ra nhiệt trực tiếp tại cuộn dây và bản thân ma sát cũng tạo ra nhiệt tại vị trí ổ trục, cả hai đều góp phần làm tăng nhiệt tổng thể.

Đi dây và lắp đặt thiết bị bảo vệ nhiệt động cơ

Đi dây đúng cách là điều cần thiết để bộ bảo vệ nhiệt hoạt động như dự định. Bộ bảo vệ nối dây không đúng cách có thể không làm gián đoạn mạch điện khi di chuyển hoặc có thể gây ra hiện tượng vấp ngã phiền toái không cần thiết do tiếp xúc nhiệt kém với cuộn dây.

Nối dây nối tiếp trong mạch chính

Trong động cơ một pha mã lực nhỏ, bộ bảo vệ nhiệt được mắc nối tiếp trực tiếp với mạch cuộn dây chính. Khi đĩa lưỡng kim hoạt động, nó sẽ trực tiếp làm gián đoạn nguồn cung cấp dòng điện cho động cơ. Đây là phương pháp bảo vệ đơn giản và trực tiếp nhất, không cần tới rơ le hay mạch điều khiển bên ngoài. Bộ bảo vệ phải được định mức cho toàn bộ dòng điện động cơ và điện áp nguồn để đảm bảo ngắt tiếp điểm an toàn trong mọi điều kiện lỗi bao gồm cả rôto bị khóa.

Mạch điều khiển nối dây cho động cơ lớn hơn

Đối với các động cơ lớn hơn mà định mức tiếp điểm của bộ bảo vệ không đủ để mang toàn bộ dòng điện của động cơ, bộ bảo vệ nhiệt được nối vào mạch điều khiển của công tắc tơ hoặc bộ khởi động động cơ. Các tiếp điểm của bộ bảo vệ chỉ mang dòng điện mạch điều khiển thấp (thường là 5 A trở xuống) và khi bị ngắt, sẽ ngắt điện cuộn dây công tắc tơ, sau đó mở các tiếp điểm nguồn chính và ngắt động cơ khỏi nguồn điện. Sự sắp xếp này cung cấp khả năng bảo vệ hoàn toàn cho động cơ dòng điện cao sử dụng bộ phận bảo vệ nhiệt nhỏ gọn, rẻ tiền. Trong các ứng dụng ba pha, điện trở nhiệt PTC được nối với mô-đun rơle chuyên dụng tuân theo nguyên tắc ngắt mạch điều khiển tương tự.

Vị trí vật lý trong cuộn dây

Đối với các bộ bảo vệ nhiệt nhúng được lắp đặt trong quá trình sản xuất động cơ, thiết bị phải được đặt trực tiếp vào các đầu cuộn dây tại điểm nóng nhất của stato, thường là ở điểm giữa của phần nhô ra của cuộn dây. Tiếp xúc nhiệt tốt giữa thân bảo vệ và cuộn dây là rất quan trọng. Các bộ bảo vệ phải được bảo vệ bằng vecni hoặc epoxy chịu nhiệt và được phủ bằng vật liệu cách điện tương tự như cuộn dây xung quanh. Khe hở không khí giữa bộ bảo vệ và bề mặt cuộn dây làm giảm khả năng ghép nhiệt và khiến thiết bị hoạt động muộn hơn dự định — làm giảm hiệu quả bảo vệ.

Kiểm tra và khắc phục sự cố Bộ bảo vệ nhiệt động cơ

Bộ bảo vệ nhiệt bị ngắt và không được đặt lại hoặc bộ bảo vệ ngắt nhiều lần mà không có nguyên nhân rõ ràng, cần phải chẩn đoán một cách có hệ thống trước khi động cơ được đưa trở lại hoạt động. Việc đặt lại và khởi động lại một cách mù quáng mà không điều tra có nguy cơ gây hư hỏng động cơ và sự cố an toàn.

• Kiểm tra tính liên tục ở nhiệt độ môi trường: Sử dụng đồng hồ vạn năng ở chế độ liên tục hoặc điện trở để kiểm tra các tiếp điểm bảo vệ nhiệt khi động cơ nguội. Bộ bảo vệ thiết lập lại tự động hoạt động bình thường sẽ có điện trở gần như bằng 0 (các tiếp điểm đóng) ở nhiệt độ môi trường. Số đọc mở ở nhiệt độ lạnh cho biết thiết bị bị lỗi hoặc bộ bảo vệ đặt lại thủ công chưa được đặt lại.
• Xác minh nhiệt độ chuyến đi bằng hệ thống sưởi có kiểm soát: Đối với các thiết bị bảo vệ đã được tháo ra, lò nướng hoặc súng nhiệt có cặp nhiệt điện đã hiệu chỉnh có thể xác nhận rằng thiết bị hoạt động trong phạm vi nhiệt độ đã chỉ định. Thử nghiệm này rất hữu ích khi xác nhận các bộ phận thay thế hoặc điều tra các thiết bị bị nghi ngờ không có thông số kỹ thuật.
• Kiểm tra các nguyên nhân gây vấp ngã phiền toái: Nếu bộ bảo vệ ngắt liên tục trong khi hoạt động bình thường, hãy đo dòng điện thực tế của động cơ dựa trên định mức ampe đầy tải (FLA) trên bảng tên. Chỉ số dòng điện trên FLA cho biết tình trạng quá tải cơ học, điện áp nguồn thấp hoặc lỗi động cơ - tất cả những lỗi này phải được sửa trước khi bộ bảo vệ có thể cung cấp khả năng bảo vệ ổn định.
• Kiểm tra tiếp xúc nhiệt kém: Ở những động cơ có thể tiếp cận được bộ bảo vệ, hãy kiểm tra xem nó có được đặt chắc chắn vào cuộn dây mà không nhìn thấy khe hở không khí hay không. Rung theo thời gian có thể làm lỏng các bộ phận bảo vệ, giảm khả năng ghép nhiệt của chúng và gây ra phản ứng ngắt chuyến hoặc bị trễ.

Kết luận

Bộ bảo vệ nhiệt động cơ là một thiết bị nhỏ gọn nhưng cực kỳ quan trọng giúp bảo vệ chống lại một trong những nguyên nhân phổ biến và tốn kém nhất gây ra lỗi động cơ. Bằng cách chọn đúng loại — đặt lại tự động hoặc thủ công, đĩa lưỡng kim hoặc nhiệt điện trở PTC — và điều chỉnh nhiệt độ chuyến đi, định mức dòng điện và định mức điện áp một cách chính xác với các thông số kỹ thuật và yêu cầu ứng dụng của động cơ, các kỹ sư và chuyên gia bảo trì có thể đảm bảo rằng động cơ nhận được sự bảo vệ nhiệt đáp ứng, đáng tin cậy trong suốt thời gian sử dụng của chúng. Kết hợp với các biện pháp bảo trì tốt nhằm giải quyết tận gốc nguyên nhân gây ra tình trạng quá nhiệt của động cơ, bộ bảo vệ nhiệt được chỉ định và lắp đặt đúng cách sẽ giúp giảm thời gian ngừng hoạt động ngoài dự kiến, kéo dài tuổi thọ động cơ và cải thiện độ an toàn của thiết bị trong mọi ngành phụ thuộc vào hệ thống truyền động bằng động cơ điện.