PDA

View Full Version : Tìm hiểu về động cơ trong các nhà máy điện, dầu khí và nhà máy công nghiệp



Taita
11-08-2009, 08:41 AM
Bài viết này sẽ bàn về chi tiếtcác loại low and medium voltage induction mô tơ trong các nhà máy công nghiệp, nhà máy phát điện hoặc các nhà máy dầu khí.
Power
Công suất của mô tơ thường có đơn vị là horsepower (HP) theo tiêu chuẩn NEC hoặc Kilowatt (KW) theo tiêu chuẩn IEC. 1 KW = 0,746 HP. Công suất ghi trên nhãn động cơ chính là công suất output cần thiết để cung cấp cho tải như máy bơm, quạt v.v.. Công suất input có thể được tính theo công thức:

KVA (input) = KW (output) / (pf x eff.)
Pf = power factor = cos phi
Eff. = Efficiency = hiệu năng

Cường độ cần thiết để cung cấp cho mô tơ cũng có thể được tính như sau:

I = KW / (V x √3)
I = dòng hay cường độ ( 3 pha)
V = điện áp

Service Factor
Mô tơ thường có service factor = 1 hoặc 1.15. Mô tơ có sf = 1.15 có thể kéo được 125% số lượng tải trong một thời gianmà không làm hư hại mô tơ. Thí dụ mô tơ 100 KW có sf = 1.15 có thể tải được 125 KW trong một khoảng thời gian. Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn ISO, mô tơ trong vùng nguy hiểm (hazardous area) không được có service factor cao hơn 1.

Full Load Amp (FLA) / Full Load Current (FLC)
FLA là dòng lúc đầy tải, cường độ của mô tơ được đo bởi nhà sản suất và được ghi trên nameplate. FLC cũng là dòng đầy tải nhưng được lấy ra từ bảng 430.250 của National Electrical Code (NEC). FLA dùng để định mức cho overload heater, và FLC dùng để tính tiết diện dây dẫn điện, hoặc để tính mức setting cho CB hoặc cầu chì.

Starter dùng để khởi động mô tơ thường có 2 OCPD (Overcurrent Protective Device). Overload heater để bảo vệ quá tải, CB hoặc cầu chì bảo vệ ngắn mạch.

Sở dĩ người ta cần cả hai loại OCPD riêng biệt là vì khi khởi động mô tơ thường có cường độ cao hơn dòng đầy tải 6 hoặc 7 lần, vì thế CB phải được điều cao hơn dòng lúc khởi động, nếu không CB sẽ mở lúc khởi động và mô tơ không chạy được.

Tuy nhiên nếu set CB quá cao, nó cho phép mô tơ khởi động, nhưng khi có sự cố quá tải, CB sẽ không ngắt mạch được vì dòng quá tải tuy cao hơn đầy tải nhưng lại thấp hơn dòng khởi động.

Để giải quyết vấn đề này, người ta dùng overload heater để bảo vệ quá tải, còn CB hoặc cầu chì để bảo vệ ngắn mạch. CB và overload heater được nối nối tiếp (in series) với nhau, CB được set ở mức cao hơn dòng khởi động. Overload heater được set ở trên mức đầy tải nhưng dưới mức khởi động.

Overload heater sẽ ngắt mạch khi có dòng điện đi quá mức ấn định của nó (trip point). Tuy nhiên nó cần 1 thời gian ngắn để hâm nóng trước khi ngắt mạch. Overload heater sẽ không ngắt mạch khi có dòng khởi động hoặc dòng ngắn mạch đi qua vì hai dòng này xẩy ra trong 1 thời gian rất ngắn vì thế không đủ hâm nóng overload heater.

Nguồn: http://ttvnol.com/forum/dtvt/1152269/trang-1.ttvn

Taita
11-08-2009, 09:06 AM
Temperature rise:
Đây là nhiệt độ cuộn cảm (winding) của mô tơ được phép gia tăng bên trên 40ºC ambient (nhiệt dộ tiêu chuẩn chung quanh). Temperature rise của mô tơ có thể được đo bằng RTD (resistance temperature detector) hoặc do sự thay dổi điện trở của cuộn cảm


emperature rise
Class of Insu;ation system: A B F H
Open motor 60 80 105 125
Totally- enclosed nonventilated and
fan- cooled motors 65 85 110 135 65 85 110 135

Ví dụ mô tơ TEFC (totally-enclosed Fan-cooled) co Class B rise và class F insulation với nhiệt độ chung quanh là 40ºC, điều này có nghĩa là lớp cách nhiệt của mô tơ có thể chịu được 150ºC (110ºC + 40ºC = 150ºC), va hoạt động của mô tơ sẽ không làm mô tơ tăng quá 125ºC (85ºC + 40ºC = 125ºC).

Mô tơ thường được chọn Class B rise va class F insulation để giữ cho lớp cách nhiệt được bền hơn vì nhiệt độ của mô tơ phát ra sẽ không vượt quá nhiệt độ lớp cách nhiệt có thể chịu được.

TEFC là loại mô tơ được đóng kín hoàn toàn và được làm mát bằng quạt.

Nguồn: http://ttvnol.com/forum/dtvt/1152269/trang-1.ttvn

Taita
11-08-2009, 09:19 AM
Điện áp

ở bắc Mỹ châu, điện áp của mô tơ thường là 460V, 2300V, 4000V, 6600V hoặc 13200V với tần số là 60hz, 3 pha, được cung cấp bởi hệ thống điện 480V, 2400V, 4160V, và 13800V.

Bên ngoài Bắc Mỹ thường dùng 360V, 3000V, 6000V, 10000V, 50hz, được cung cấp bởi hệ thống điện 380V, 3150V, 6300V, và 10500V.

Bên Anh thường dùng 380V, 3300V, 6600V, 11000V, 50hz, được cung cấp bởi hệ thống điện 400V, 3450V, 6900V, và 11500V

Torque

Mỗi mô tơ có 1 speed torque curve, torque curve cho ta biết số lượng torque ở từng điểm từ khi vận tốc mô tơ bắt đầu từ 0% đến 100%. Ví dụ mô tơ NEMA design B, khi khởi động, lock rotor torque s ẽ là 150% so với torque lúc đầy tải, và break down torque s ẽ bằng 200% so với torque đầy tải.

Breakdown torque là torque tối đa mô tơ có thể đạt được mà không bị mất vận tốc (abrupt speed drop). Ví dụ mô tơ đang chạy đầy tải với vận tốc 3550 rpm, nếu ta bỏ thêm tải vào mô tơ sẽ giảm vận tốc, khi mô tơ giảm vận tốc, torque sẽ tăng lên để cân bằng với số tải mới. Nếu ta cứ tiếp tục tăng tải, thì tới 1 lúc nào đó torque sẽ không tăng được nữa và bắt đầu sụt giảm, và lúc này vận tốc sẽ sút giảm thật nhanh và mô tơ sẽ ngừng lại. Torque ở điểm mà nó ngừng tăng và mô tơ mất vận tốc gọi là breakdown torque.

Voltage dip

Khi mô tơ khởi động, dòng sẽ cao hơn dòng đầy tải khoảng 6, 7 lần, vì thế áp của toàn thể hệ thống có thể bị giảm xuống (voltage drop). Câu hỏi được đưa ra là mô tơ có thể khởi động với số lượng giảm áp là bao nhiêu?

Số lượng torque tăng hay giảm tùy thuộc vào bình phương của áp, vì thế nếu áp giảm 10%, torque sẽ giảm 20%. Giả sử ta có mô tơ design B, khi khởi động lock rotor torque sẽ là 150% so với torque đầy tải, vì thế áp sẽ có thể giảm xuống 80% mà mô tơ vẫn có 100% torque lúc khởi động.

T = (0,8)² x 150% = 100%

Nguồn: http://ttvnol.com/forum/dtvt/1152269/trang-1.ttvn

Taita
11-08-2009, 09:38 AM
BKW chính là KW của tải (load).
Có 1 cái máy bơm 50 KW, và cần mô tơ cho nó thì 50KW này chính là BKW.
Để tính KW cho mô tơ (nominal KW), theo API bạn lấy BKW nhân với API factor.
Nominal (KW) = BKW x API factor.
API factor = 1.25 nếu mô tơ có BKW nhỏ hơn 22KW. 1.1 nếu lớn hơn 55 KW, và 1.15 nếu ở từ 22-55 KW.

Taita
11-08-2009, 09:40 AM
Khi một dòng điện AC 50hz được nối vào mô tơ, dòng này sẽ tạo nên magnetic field ở stator, magnetic field này sẽ cắt ngang những thanh kim loại của rotor và tạo nên voltage trên rotor. Vì những thanh kim loại trên rotor được nối lại ở 2 đầu (ngắn mạch), dòng sẽ bắt đầu di chuyển và tạo ra magnetic field của chính nó và khiến mô tơ chuyển động.

Vận tốc magnetic field của stator còn được gọi là synchronous speed, nó tùy thuộc vào tần số và số pole của mô tơ. Mô tơ có thể có 2, 4, 6, 8 poles.

Mô tơ synchronous speed = (tần số X 120) / số pole

Vận tốc thực của mô tơ, tức là vận tốc của rotor không bao giờ bằng được synchronous speed, vì khi rotor chạy bằng với synch. speed, magnetic field sẽ không cắt ngang rotor nữa vì thế sẽ không tạo ra dòng và torque và vì thế nó sẽ tự chậm lại.

Sự khác biệt vận tốc giữa rotor và synchronous speed được gọi là slip.

Mô tơ có 4 poles, 4% slip, 60hz sẽ có vận tốc là 1728 RPM và synchronous spe ed là 1800 RPM.

Vận tốc của induction mô tơ cũng có thể được điều khiển lên xuống bằng cách dùng variable frequency drive.

Taita
11-08-2009, 09:41 AM
Mô tơ thường có space heater để giữ cho độ ẩm không làm ảnh hưởng đến mô tơ, đặc biệt là bearing của mô tơ rất dễ bị rỉ sét, heater thường là 1 pha, 120VAC hoặc 220VAC. Nhiệt độ của mô tơ thường được điều chỉnh khoảng 5 độ cao hơn nhiệt độ chung quanh để hơi ẩm không bị đóng trong mô tơ. Heater được tự động bật tắt bởi starter, khi mô tơ ngưng chạy, heater sẽ được tự động bật lên.
Temperature classification
Nhiệt đô ở bề mặt của mô tơ được dặt tên bởi code từ T1 đến T6
T temp. the tiêu chuẩn EN 60014 (IEC)
T1 = 450 độ C, T2 = 300, T3 = 200, T4 = 130, T5 = 100, T6 = 85
T temp. theo tiêu chuẩn ANSI/UL844
T1 = 450, T2 = 300, T2A = 280, T2B = 260, T2C = 230, T2D = 215, T3 = 200, T3A = 180, T3B = 165, T3C = 160, T4 = 130, T4A = 120, T5 = 100, T6 = 85.
Tiêu chuẩn của ANSI và EN giống nhau ngoại trừ ANSI có thêm vài nhiệt đô A,B,C,D xen giữa. Ở những vùng nguy hiểm (hazardous area) thường có 1 loại nhiệt độ nũa gọi là AIT (auto ignition temperature), nhiệt độ này tùy thuộc vào loại khí có thể gây nổ hiện diện trong vùng đó. Thí dụ vùng có khí Hydrogen Sulfide, AIT của khí này là 269 độ C, ở nhiệt độ này, hydrogen sulfide có thể tự phát nổ, vì thế nhiệt độ ở bề mặt mô tơ nên thấp hơn AIT khoảng 20% (dùng code T3 = 200 độ C cho mô tơ ở vùng có khí hydrogen sulfide).

Taita
11-08-2009, 09:42 AM
Theo tiêu chuẩn NEMA, mô tơ có nhiều loại design khác nhau:

Design B: loại này thông dụng nhất: (Locked rotor torque và Break down torque bình thường)
Locked rotor torque = 70 đến 275% torque định mức
Break down torque = 175 đến 300% torque định mức
Locked rotor current = 600 đến 700% dòng định mức
Slip – 0,5 đến 5%

Design C: (Locked rotor torque v à Break down torque cao)
Locked rotor torque = 200 đến 250% torque định mức
Break down torque = 190 đến 225% torque định mức
Locked rotor current = 600 đến 700% dòng định mức
Slip – 1 đến 5%

Design D: (Locked rotor torque và slip cao)
Locked rotor torque = 275% torque định mức
Break down torque = 275% torque định mức
Locked rotor current = 600 đến 700% dòng định mức
Slip – 5 đến 8%

Design N:
Locked rotor torque = 70 đến 200% torque định mức
Break down torque = 160 đến 300% torque định mức
Locked rotor current = 800 đến 1000% dòng định mức
Slip – 5 đến 3%

Design A cũng tương tự như design B, ngoại trừ lock rotor starting current cao hơn.

Taita
11-08-2009, 09:42 AM
Hazardous (classified) location

Theo IEC những vùng nguy hiểm được chia ra như sau:

Class 1: có sự hiện diện của khí gây cháy (flammable gas), hoặc chất lỏng có thể bốc hơi thành khí nổ.
Class 2: có sự hiện diện của chất bụi gây nổ (combustible dust)
Class 3: có sự hiện diện của bụi fiber có thể gây nổ

Zone 0: khu vực có chất nổ hiện diện liên tục hay trong 1 thời gian lâu dài
Zone 1: khu vực có chất nồ thường xuyên xẩy ra
Zone 3: khu vực có chất nổ nhưng ít xẩy ra trong lúc hoạt động bình thường hoặc chỉ xẩy ra khi có tai nạn.

Class IA: khí Methan - dưới hầm mỏ
Class IIA: Methan , Propane, petroleum và hydrocarbons
Class IIB: Ethylene & town gas, coke oven gas
Class IIC: Hydrogen, Acetylene, carbon Di-suphide
Có thể tìm tài liệu này trong PD IEC 60079-20

Theo NEC những vùng nguy hiểm được chia ra như sau:

Class 1: có sự hiện diện của khí gây cháy (flammable gas), hoặc chất lỏng có thể bốc hơi thành khí nổ.
Class 2: có sự hiện diện của chất bụi gây nổ (combustible dust)
Class 3: có sự hiện diện của bụi fiber có thể gây nổ

Division 1: khu vực có chất nổ hiện diện liên tục hay trong 1 thời gian lâu dài
Division 2: khu vực có chất nổ nhưng ít xẩy ra trong lúc hoạt động bình thường hoặc chỉ xẩy ra khi có tai nạn.

Group A: Acetylene
Group B: chất khí có MESG ít hơn hoặc bằng 0,45 hoặc MIC ratio <= 0,40
Group C: chất khí có MESG lớn hơn 0,45 v à ít hơn hoặc bằng 0,75 hoặc MIC ratio > 0,4 v à <= 0,80
Group D: chất khí có MESG lớn hơn 0,75 hoặc MIC ratio > 0,80

Sau đây là 1 ví dụ mô tơ trong vùng nguy hiểm được viết như sau trên nameplate:
Class 1 zone 2 class IIC

Taita
11-08-2009, 09:48 AM
Bảo vệ và khởi động low voltage motor

Phương pháp sau đây chỉ là 1 trong nhiều cách để bảo vệ và khởi động mô tơ, nó là phương pháp thong dụng được trình bày nơi đây cho dễ hiểu tuy nhiên nó không phải là phương pháp duy nhất.

Low voltage mô tơ thường được khởi động và bảo vệ bởi “starter”.

Starter thường bao gồm các phần tử theo thứ tự sau đây:

Disconnect mean
Short circuit & Ground fault protection
Motor controller
Overload protection

Disconnect mean: Dùng để ngắt toàn thể mạch điện của mô tơ. Disconnect mean phải có dòng định mức (amp rating) băng 115% so với dòng đầy tải của mô tơ.

Short circuit & Ground fault protection: Instantaneous trip CB còn được gọi là motor circuit protector (MCP) dùng để bảo vệ ngắn mạch hoặc ground fault ( ngắn mạch là sự kiện chạm điện xẩy ra giữa 2 dây điện hoặc 2 pha, ground fault xẩy ra giữa dây nóng (unground conductor) và đất.

Mô tơ Design B, 3 pha, MCP có thể được chỉnh ở 1100% so với dòng đầy tải của mô tơ. Ví dụ mô tơ có dòng đầy tải là 100A, MCP sẽ được phép chỉnh ở tối đa là 1100A. Th6ng thường MCP không chỉnh ở mức tối đa mà thường được chỉnh ởcao hơn mức khởi động 1 chút để MCP có thể bảo vệ ngắn mạch mà không bị ngắt mạch (trip) lúc khởi động. Ví dụ mô tơ có dòng đầy tải là 100A, dòng khởi động khoảng 600A, người ta có thể chỉnh MCP ở khoảng 610A nếu dòng ngắn mạch la 620A, CB se trip. Nếu MCP chỉnh ở 1000A, nó sẽ không trip khi dòng ngắn mạch thấp hơn 1000A. Ghi chú: ở đây ta đabg bàn về instantaneous CB chứ không bàn về loại inverse time CB. Inverse time CB sẽ được bàn sau.

Branch circuit conductor:
Amp rating của dây dẫn điện cho mô tơ phải bằng với 125% so với dòng đầy tải của mô tơ. Dòng đầy tải có thể được lấy ra từ bảng 430.250 trong NEC chứ không lấy ra từ nameplate. Ví dụ ta có mô tơ 10 HP, 480V, 3 pha, theo bảng 430.250, 10HP mô tơ có dòng đầy tải là 14A, vì thế amp rating của dây dẫn sẽ là 17.5A (14 x 1.25 = 17.5A). Dĩ nhiên đây blà cách tính của NEC chứ không phải IEC.

Mô tơ controller

Mô tơ controller có thể là 1 công tắc để nố hoặc ngắt mạch của mô tơ, công tắc được điều khiển bởi 1 cuộn cảm kháng (giống như hình thức của 1 rờ lê). Cuộn cảm kháng này được nối nối tiếp với 1 nút bật tắt mô tơ (trong trường hợp muốn điều khiển bằng tay (manual)), hoặ nối với 1 công tắc của control system hoặc PLC để điều khiển tự động. Công tắc này được gọi la discrete output (DO).

Khi PLC đóng DO, dòng điện DC hoặc 1 pha sẽ đi qua DO và cuộn cảm kháng của controller sẽ khởi động (vì chúng được nối nối tiếp). Khi cuộn cảm kháng khởi động , công tắc của nó sẽ đóng lại để dòng điện 3 pha di vào mô tơ. Vì thế mô tơ có thể được bật tắt tùy theo phần mềm của PLC. Mô tơ controller phải có horse power rating không nhỏ hơn horse power rating của mô tơ, vì contact của controller phải chịu được dòng và áp cao đi qua nó trước khi vào mô tơ.

Overload protection:

Overload heater được dùng để bảo vệ trường hợp quá tải. Nó được chỉnh như sau:

Mô tơ có service factor = 1.15: chỉnh ở mức 125% dòng đầy tải
Mô tơ có temperature rise 40 độ C hoặc thấp hơn: chỉnh ở 125% dòng đầy tải
Tất cả mọi mô tơ khác: 115% dòng đầy tải

Overload heater cũng có nhiệm vụ bảo vệ mô tơ trong trường hợp bị khóa, ví dụ như trong trường hợp mô tơ cố gắng khởi đông nhưng không đủ torque để quay. Class 10 overload heater sẽ ngắt mạch trong vòng 10 giây nếu dòng vượt qúa 6 lân dòng định mức của overload heater; class 20 sẽ ngắt trong vòng 20 giây, và class 30 sẽ ngắt trong vòng 30 giây.

Khi dùng với MCP, overload heater là bảo vệ duy nhất để bảo vệ quá tải, nếu nó bị hư hại sẽ không có bảo vệ quá tải. Để back up cho overload heater , người ta có thể dùng inverse time CB thay vì instantaneous CB.

Inverse time CB sẽ ngắt mạch tùy theo cường độ củ dòng ngắn mạch. Dòng càng cao, nó càng được ngắt sớm. Trong khi instantaneous CBchỉ ngắt mạch khi cường độ của dòng đạt đến mức ấn định và không tùy thuộc vào thời gian.

Điều quan trọng là ta phải chọn inverse time CB có trip curve cho chính xác để nó có thể bảo vệ quá tải và ngắn mạch mà vẫn cho phép mô tơ khởi động.

Taita
11-08-2009, 09:49 AM
Như đã bàn ở phần trên low voltage motor thường có 3 bảo vệ chính: short circuit, ground fault, và over load. Ở medium voltage motor, mô tơ được bảo vệ ở mức độ cao hơn, ngoài 3 thứ trên, người ta còn có nhiều sự bảo vệ khác nữa ví dụ như unbalance / single phase protection, under-voltage protection, lock rotor protection,v.v..

Ở LV motor, khi có dòng ngắn mạch xẩy ra, magnetic field của dòng sẽ mở CB, hoặc khi có quá tải, overload heater sẽ ngắt dòng không cho điện đi vào mô tơ.

Ở MV mô tơ, khì có ngắn mạch xẩy ra, overcurrent relay sẽ gửi tín hiệu đến trip coil của CB để ngắt mạch.

Trước đây người ta thường dùng loại điện cơ relay, ngày nay hầu như loại này không còn được dùng nữa và thay vào đó là loại digital multifunction relay.

Digital multifunction relay có rât nhiều function giống như 1 relay có rất nhiều relay nhỏ bên trong, mỗi relay (function) có 1 số riêng biệt thí dụ instantaneous over-current relay có số 50, 27 under-voltage, 32 reverse power, 81 differential relay…..

Với dòng điện hàng ngàn amp và hàng chục ngàn volts, người ta không thể nối thẳng digital relay vào mạch điện được, thay vào đó người ta dùng máy biến áp (VT) và biến dòng (CT) để cung cấp đữ kiện cho relay. Ví dụ VT có thể là 13800:120V, 11500:220V, CT có thể có tỉ số 3000:5A hoặc 3000:1A……

Nếu dùng voltage transformer (VT) có tỉ số 13800:120 và current transformer (CT) có tỉ số 3000:5 để nối vào relay, và nếu relay nhận được từ 120V từ VT và 5A từ CT, dìều này có nghĩa là relay đang nhìn thấy ở mạch điện 13800V và 3000A.

Taita
11-08-2009, 09:49 AM
Theo tiêu chuẩn ANSI, mô tơ thường có những bảo vệ sau:
46—current unbalance
47---phase reversal
49---motor thermal
50P---phase overcurrent
50G---residual overcurrent
50N---neutral & ground overcurrent
50Q----negative sequence overcurrent
66---start/hous, time between starts, load jam, load lost, breaker failure

Những function phụ khác
27----undervoltage
37----underpower
59----overvoltage
60----loss of potential
81----over/under frequency

Trên đây là 1 số function của protective relay dùng để bảo vệ mô tơ. Dòng và áp của mạch điện cung cấp cho mô tơ được thông tin đến relay xuyên qua máy biến dòng và biến áp. Giả sử máy biến dòng có tỉ số là 800:5, điều này có nghĩa là dòng điện sẽ giảm xuống 160 lần (800/5=160) khi đi từ primary qua secondary side của CT, nếu ta muốn device 50P trip khi mạch điện ở mô tơ có ngắn mạch xẩy ra ở 700A, ta phải chỉnh mức cho device 50P trip ở 4.375A (700/160=4.375A).

Mỗi function trên đây có 1 công tắc output, những công tắc này thường được nối nối tiếp với trip coil của CB và nó cũng được nối sẵn với 1 mạch điện 125VDC.
Khi device 50P trip, công tắc của nó sẽ đóng lại, dòng 125CDC sẽ đi qua nó và trip coil của CB, và vì thế CB sẽ được mở để ngắt mạch.
Relay thường được power bởi 24VDC, tuy nhiên những công tắc của nó có thể chịu được 125VDC.
Sở dĩ người ta dung dòng DC cho protective relay là vì khi có sự cố xẩy ra, tức là những trường hợp khẩn cấp, dòng AC thường bị mất, dòng DC lấy từ bình ắc quy nên không bị ảnh hưởng.