Kích thước máy biến áp cho việc khởi động động cơ: Giải thích về độ sụt điện áp, dòng điện khởi động khi roto bị khóa và trở kháng

Kích thước máy biến áp cho việc khởi động động cơ: Giải thích về độ sụt điện áp, dòng điện khởi động khi roto bị khóa và trở kháng

 

Một nhà máy chế biến thực phẩm ở Vùng Vịnh đã gửi cho chúng tôi sơ đồ một dòng vào quý trước, với ba động cơ 200 mã lực được kết nối vào một máy biến áp duy nhất 1.000 kVA, tất cả đều khởi động trực tiếp trên lưới. Máy biến áp phù hợp với tải vận hành và còn dư công suất. Sự cố xảy ra ngay lần khởi động đầu tiên trong ngày: điện áp thanh cái 480 V sụt giảm mạnh đến mức các công tắc tơ đường dây mở ra, động cơ không bao giờ đạt tốc độ định mức, và nhà máy phải chờ thợ điện đến xử lý. Không có thiết bị nào bị hỏng. Việc chọn dung lượng máy biến áp cho việc khởi động động cơ chưa từng được tính toán.

Khoảng trống này là điều bình thường — và cũng rất tốn kém. Nhãn hiệu động cơ chỉ cung cấp thông tin về mã lực và dòng điện tải định mức. Nhãn hiệu không cho biết công suất biểu kiến (kVA) mà máy biến áp phải cung cấp trong vài giây khi rô-to đang tăng tốc — và con số này, chứ không phải tải vận hành, thường mới là yếu tố quyết định xem thanh cái có duy trì được điện áp hay không.

 

 

 

Tại sao việc khởi động động cơ lại là vấn đề của máy biến áp

 

Một động cơ đang quay và một động cơ đang khởi động là hai tải khác nhau nhưng mang cùng nhãn hiệu. Khi vận hành ở tốc độ định mức, động cơ cảm ứng tiêu thụ dòng điện gần bằng dòng điện tải đầy đủ với hệ số công suất khoảng 0,85 đến 0,9, và tải chủ yếu là công suất tác dụng. Khi đứng yên, trở kháng rôto sụp đổ, dòng điện tăng vọt lên khoảng sáu lần dòng điện tải đầy đủ đối với động cơ kiểu NEMA Design B, và hệ số công suất giảm xuống còn khoảng từ 0,15 đến 0,3.

Một động cơ đang khởi động tiêu thụ gần như toàn bộ dòng điện phản kháng. Đối với máy biến áp và thanh cái, nó giống như một cuộn cảm lớn được đóng vào mạch một cách đột ngột, và chính dòng điện phản kháng gây ra độ sụt áp trên trở kháng của máy biến áp.

Đây là phần mà đa số người mua bỏ sót: hiện tượng này không phải là lỗi của động cơ, cũng không phải vấn đề mà nhà cung cấp động cơ có thể khắc phục bằng cách nâng cao cấp cách điện. Hiện tượng sụt áp là đặc tính của toàn bộ hệ thống. Nó phụ thuộc vào tỷ lệ giữa kVA khởi động của động cơ và dung lượng ngắn mạch của máy biến áp, do đó chọn dung lượng máy biến áp cho việc khởi động động cơ việc lựa chọn thông số kỹ thuật phải được thực hiện ở phía máy biến áp trên bản vẽ.

Sự kiện vật lý giống nhau này xác định tiêu chuẩn mà cả hai bên cùng sử dụng. NEMA MG 1 gán cho mỗi động cơ một chữ cái mã kVA khi rô-to bị khóa và định nghĩa hiệu năng khởi động mà người dùng có thể dựa vào — đây là một tài liệu tham khảo hữu ích khi một câu hỏi dành cho nhà cung cấp trở thành một điều khoản trong hợp đồng. NEMA Chương trình tiêu chuẩn Động cơ & Máy phát xuất bản tài liệu này.

 

Đọc tải khởi động từ nhãn tên động cơ

 

Chữ cái mã là cách nhanh nhất để xác định kVA khi rô-to bị khóa mà không cần bảng dữ liệu động cơ.

Giá trị này chuyển đổi trực tiếp mã lực (hp) thành kVA khi rô-to bị khóa, và luôn được in trên nhãn tên của mọi động cơ chuẩn NEMA.

 

Chữ cái mã	KVA khi rô-to bị khóa trên mỗi mã lực (hp)
E	4,5 – 4,99
F	5,0 – 5,59
G	5,6 – 6,29
Giờ	6,3 – 7,09
J	7,1 – 7,99
K	8,0 – 8,99

 

Thang điểm chạy từ A đến V và tăng dần theo từng chữ cái, do đó một động cơ mã K yêu cầu khoảng 60% công suất nhiều hơn từ máy biến áp so với một động cơ mã F có cùng công suất định mức. Một động cơ 200 mã lực mã F có nhu cầu khởi động từ 1.000 đến 1.118 kVA; cùng động cơ 200 mã lực nhưng mã K đạt mức 1.600 đến 1.798 kVA. Hãy đọc chữ cái trực tiếp trên nhãn hiệu gắn thực tế thay vì trong danh mục sản phẩm, bởi đây là thông số duy nhất tự nó ảnh hưởng đến kết luận về kích thước thiết bị.

Ba chi tiết khác cần được ghi kèm theo:

• Số lần khởi động mỗi giờ. Mỗi lần khởi động đều là một sự kiện nhiệt đối với cả cuộn dây động cơ và cuộn dây máy biến áp. Nhà sản xuất động cơ cung cấp đường cong cho phép số lần khởi động mỗi giờ, và máy biến áp cũng phải chịu đựng được chế độ làm việc tương tự.
• Đặc tính mô-men xoắn tải. Một bơm ly tâm khởi động gần như không tải; còn băng chuyền có tải, máy nén thể tích dương hoặc quạt có quán tính cao có thể nằm trong dải tăng tốc đủ lâu để gây ảnh hưởng.
• Phương pháp khởi động. Khởi động trực tiếp, khởi động bằng biến áp tự ngẫu, khởi động sao–tam giác, bộ khởi động mềm và bộ điều khiển tần số biến đổi (VFD) mỗi loại đều tạo ra dạng dòng điện khác nhau trên biến áp.

 

Kích thước biến áp cho việc khởi động động cơ: Phép tính cần có trong mọi yêu cầu báo giá (RFQ)

 

Phép tính sơ bộ đủ ngắn để thực hiện bằng tay. Dung lượng ngắn mạch của biến áp bằng công suất biểu kiến (kVA) của nó chia cho trở kháng phần trăm theo đơn vị tương đối (pu); công suất biểu kiến khởi động (kVA) của động cơ chia cho dung lượng đó, biểu thị dưới dạng phần trăm, cho ra độ sụt áp điện áp xấp xỉ:

%Sụt áp điện áp ≈ (Công suất biểu kiến khởi động của động cơ tính bằng kVA × %Z của biến áp) ÷ Công suất biểu kiến của biến áp tính bằng kVA

Áp dụng cho trường hợp trạm bơm với trở kháng 5,75%, khi một động cơ mã F công suất 200 hp đang khởi động trong khi hai động cơ còn lại đang vận hành:

 

Máy biến áp	Khả năng chịu ngắn mạch	KVA Khởi Động	Độ sụt áp tính toán
500 KVA	8.696 kVA	1.060 kVA	12.2%
750 kVA	13.043 kVA	1.060 kVA	8.1%
1.000 kVA	17.391 kVA	1.060 kVA	6.1%

 

Ba điểm nổi bật. Thứ nhất, độ sụt giảm gần như thay đổi tuyến tính theo công suất kVA của máy biến áp, do đó quyết định chọn kích thước cũng chính là quyết định về mức độ sụt giảm. Thứ hai, điện trở kháng là một yếu tố điều khiển riêng biệt: tại mức 500 kVA, việc giảm điện trở kháng từ 5,75% xuống còn 4,0% sẽ kéo mức sụt giảm về khoảng 8,5% mà không cần mua máy biến áp có công suất lớn hơn. Thứ ba, đây chỉ là kiểm tra sơ bộ, chứ không thay thế cho một nghiên cứu chi tiết. Kiểm tra này bỏ qua điện trở kháng nguồn của đơn vị cung cấp điện và các động cơ đang vận hành trên cùng một thanh cái — cả hai yếu tố này đều làm tăng mức sụt giảm thực tế, vì vậy hãy giữ một khoảng dự phòng trên kết quả thay vì coi đó là giá trị cuối cùng.

Thực hiện lại phép tính tương tự đối với từng động cơ có thể khởi động khi nhà máy đang hoạt động ở tải đầy, sau đó lặp lại với tổ hợp bất lợi nhất có thể xảy ra. Các đơn vị cung cấp điện và chuyên gia tư vấn sẽ tiến hành nghiên cứu đầy đủ; một nhà cung cấp máy biến áp không thể tái tạo được kiểm tra sơ bộ này chỉ đang báo giá công suất kVA, chứ không phải giải pháp hệ thống.

 

Mức sụt giảm nào là chấp nhận được, và điều gì thực sự gây ngắt mạch

 

Mục tiêu kiểm tra sơ bộ mà hầu hết các dự án công nghiệp sử dụng là sụt giảm điện áp tối đa 10% hoặc ít hơn tại các đầu cực động cơ trong quá trình khởi động. Trên một đường cấp điện chuyên dụng, nơi không có thiết bị nhạy cảm nào khác chia sẻ thanh cái, mức 15% đôi khi được chấp nhận, nhưng quyết định này phải do kỹ sư điện của nhà máy đưa ra bằng văn bản thay vì phát hiện trong giai đoạn hiệu chỉnh.

Lý do giới hạn này khắt khe hơn mức cần thiết cho động cơ là vì động cơ hiếm khi là thiết bị đầu tiên phản ứng:

• Các công tắc tơ thường được xếp hạng để duy trì trạng thái đóng ở mức điện áp cuộn dây thấp tới khoảng 85%, do đó độ sụt áp 15% có thể làm mở một bộ khởi động ngay cả khi chính động cơ vẫn có thể chịu đựng được.
• Các bộ biến tần và nguồn điện chỉ duy trì hoạt động qua đợt sụt áp trong thời gian dự trữ (hold-up time) của tụ điện trên đường dây một chiều (DC bus) của chúng.
• Các rơ-le bảo vệ chống điện áp thấp cho các thiết bị khác thường được cài đặt để tác động cắt tải ở mức sụt áp cao hơn 20%, khiến một lần khởi động đơn lẻ có thể gây ra sự cố cắt tải toàn nhà máy.
• Giới hạn nhấp nháy (flicker) từ lưới điện công cộng có thể hạn chế việc khởi động lặp lại tại một điểm cấp điện chung, ngay cả khi mọi tải tại hiện trường đều chịu đựng được độ sụt áp.

Bảo vệ động cơ trong quá trình khởi động là một chủ đề riêng biệt, và tài liệu tham khảo tiêu chuẩn ngành là IEEE 3004.8, tài liệu Thực hành đề xuất cho việc bảo vệ động cơ trong các hệ thống điện công nghiệp và thương mại , bao gồm bảo vệ khởi động, chuyển đổi thanh cái và bảo vệ giảm điện áp đối với cả bộ khởi động điều khiển bằng công tắc tơ và bộ khởi động điều khiển bằng cầu dao.

 

Các quyết định đặc tả thực sự khắc phục hiện tượng sụt điện áp

 

Khi các con số đã được đưa ra, các phương án sẽ tự phân loại theo chi phí và tác động phụ.

• Mua thêm kVA. Tỷ lệ thuận trực tiếp, đơn giản, đồng thời cũng làm tăng dòng ngắn mạch khả dụng, điều này có thể yêu cầu rà soát lại định mức thiết bị phía hạ lưu.
• Đặc tả trở kháng thấp hơn. Hiệu quả, nhưng %Z thấp hơn đồng nghĩa với dòng ngắn mạch cao hơn và lực cơ học lớn hơn tác động lên dây quấn trong trường hợp ngắn mạch. Cần đặc tả giá trị này dưới dạng mục tiêu kèm dung sai, chứ không phải như một mong muốn chung chung.
• Dành riêng một máy biến áp cho động cơ công suất lớn. Cách ly thường rẻ hơn việc chọn máy biến áp chung có công suất dư, đồng thời giúp ngăn việc khởi động một bơm gây nhiễu đường dây quy trình.
• Chọn phương pháp khởi động một cách có chủ ý. Bộ khởi động biến áp tự ngẫu ở mức độ cuộn dây 65% làm giảm dòng điện đường dây xuống khoảng 42% so với khởi động trực tiếp, bởi vì mô-men xoắn và dòng điện đường dây đều tỷ lệ thuận với bình phương điện áp đặt vào. Sơ đồ sao–tam giác cung cấp khoảng một phần ba dòng điện khởi động trực tiếp. Bộ khởi động mềm hoặc bộ biến tần cho đặc tuyến mượt nhất nhưng lại tạo thêm các vấn đề về sóng hài và bảo vệ riêng đối với biến áp.
• Kiểm tra chế độ tải nhiệt, chứ không chỉ kiểm tra độ sụt điện áp. Các lần khởi động lặp đi lặp lại làm nóng cuộn dây. Một biến áp vượt qua được phép tính cho một lần khởi động duy nhất vẫn có thể không đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật quy định sáu lần khởi động mỗi giờ ở nhiệt độ môi trường tối đa.
• Đừng kỳ vọng hiệu suất động cơ sẽ hỗ trợ. Động cơ đạt chuẩn NEMA Premium giúp giảm tổn thất khi vận hành — lý do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ duy trì chương trình Hệ thống động cơ của mình — nhưng không làm giảm kVA khi rô-to bị khóa hiệu suất khởi động và hiệu suất vận hành là hai thông số ghi trên nhãn riêng biệt.

Lưu ý sự khác biệt so với dòng điện xung kích khi đóng điện. Dòng điện dao động mạnh do cuộn kháng gây ra — làm nhảy aptomat khi đóng điện vào máy biến áp không tải — là một hiện tượng riêng biệt, có những hệ quả riêng đối với thông số kỹ thuật, được trình bày chi tiết trong hướng dẫn của chúng tôi về dòng xung kích máy biến áp . Cả hai hiện tượng này đều xuất hiện trong cùng một dự án; tuy nhiên, việc giải quyết hiện tượng này sẽ không khắc phục được hiện tượng kia.

 

Cách Công ty Ryan Electric tiếp cận các dự án tải động cơ

 

Công ty Ryan Electric (Công ty TNHH Điện Ryan Giang Tô) đã sản xuất máy biến áp từ năm 2007 và kể từ năm 2023 trở thành đối tác liên doanh chính thức của Eaton. Các dự án công nghiệp có tải động cơ lớn thường được đưa ra dưới dạng yêu cầu máy biến áp máy biến đổi năng lượng hoặc máy biến áp phân phối, kèm theo mục tiêu về điện trở kháng và yêu cầu về chế độ khởi động; đây chính là phần trong báo giá mà kỹ sư của chúng tôi dành nhiều thời gian nhất để xử lý.

Hầu hết công việc được thực hiện ở giai đoạn đầu. Chúng tôi yêu cầu bảng kê động cơ — gồm mã lực, ký tự mã, điện áp và phương pháp khởi động — trước khi báo giá công suất kVA, bởi vì việc lựa chọn điện trở kháng và thiết kế dây quấn đều dựa trên chọn dung lượng máy biến áp cho việc khởi động động cơ tính toán, không từ trang danh mục. Khi một dự án yêu cầu dải trở kháng cụ thể, phạm vi điều chỉnh (tap) bất thường hoặc cuộn thứ cấp hai điện áp, thiết kế đó sẽ trải qua cùng quy trình kỹ thuật tùy chỉnh mà chúng tôi áp dụng cho máy biến áp dùng trong ứng dụng chỉnh lưu và lò nung. Phạm vi chứng nhận bao gồm UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS và CE; mỗi đơn vị đều được kèm theo dữ liệu kiểm tra định kỳ — tỷ số biến áp, điện trở cuộn dây, trở kháng, tổn thất không tải, tổn thất có tải và kiểm tra điện môi — để đội ngũ vận hành có thể xác minh giá trị trở kháng thực tế giao hàng so với giá trị đã dùng làm cơ sở cho nghiên cứu.

 

 

 

Những nội dung cần đưa vào RFQ

 

Năm yếu tố biến một yêu cầu chung chung thành thông số kỹ thuật máy biến áp đủ để báo giá:

• Lịch biểu động cơ gồm mã lực, chữ mã NEMA, điện áp và chữ thiết kế hoặc cấp khởi động IEC.
• Phương pháp khởi động và dạng đặc trưng dòng điện trên đường dây do phương pháp đó tạo ra.
• Số lần khởi động tối đa mỗi giờ và nhiệt độ môi trường thiết kế.
• Mức sụt áp cho phép và việc liệu đã có nghiên cứu khởi động động cơ hay chưa.
• Dòng sự cố khả dụng ở phía sơ cấp, để có thể phối hợp đồng bộ giữa điện trở kháng và định mức cắt.

Gửi năm thông số này và báo giá máy biến áp sẽ không còn chỉ là phép so sánh giá dựa trên các giả định. Nếu quý khách có bảng kê động cơ và sơ đồ một dây, xin vui lòng gửi cho chúng tôi qua trang liên hệ của chúng tôi và đội ngũ kỹ sư của chúng tôi sẽ phản hồi lại khuyến nghị về công suất kVA và điện trở kháng, kèm theo tính toán độ sụt áp.

Về tác giả — Tài liệu hướng dẫn này do đội kỹ sư máy biến áp điện áp trung thế của Công ty TNHH Điện Ryan Giang Tô, một nhà sản xuất có trụ sở tại Nam Thông chuyên về các sản phẩm máy biến áp kiểu khô, ngâm dầu, lắp trên bệ và trạm biến áp dạng gọn, đồng thời là đối tác liên doanh chính thức của Eaton kể từ năm 2023. Đội ngũ này hỗ trợ các dự án công nghiệp, ngành điện lực và cơ sở hạ tầng từ khâu rà soát đặc tả kỹ thuật cho đến kiểm tra nghiệm thu tại nhà máy, và thực hiện thiết kế máy biến áp trong dải điện áp từ 10 kV đến 110 kV.