Tại các khu tự động hóa công nghiệp, hai sự cố bảo vệ phổ biến nhất của biến tần (VFD/bộ chuyển đổi tần số) là quá áp (OV) và quá tải (OL). Sự cố quá áp có nghĩa là điện áp trên bus DC vượt quá ngưỡng an toàn; sự cố quá tải có nghĩa là dòng điện đầu ra vượt quá khả năng định mức trong một khoảng thời gian dài. Chúng có nguyên nhân và logic bảo vệ khác nhau nhưng thường bị nhầm lẫn, khiến nhân viên tại chỗ phải liên tục khắc phục sự cố trong khi các sự cố vẫn tiếp diễn. Dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế và các tài liệu kỹ thuật công khai từ các nhà sản xuất VFD lớn, bài viết này giải thích các nguyên nhân gây ra OV và OL, logic bảo vệ tối ưu bên trong của biến tần, cũng như các khuyến nghị chẩn đoán tại chỗ và tối ưu hóa thông số, giúp các kỹ sư giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động không cần thiết trong khi vẫn đảm bảo an toàn cho thiết bị.

1. Quá áp OV: Nguyên nhân và chẩn đoán

1.1 Điện áp quá tải trên đường dây DC là gì?

Biến tần (VFD) trước tiên chỉnh lưu dòng điện xoay chiều (AC) thành dòng điện một chiều (DC), lưu trữ trong các tụ điện trên bus DC, sau đó xuất ra nguồn điện có tần số thay đổi thông qua bộ biến tần. Sau khi chỉnh lưu ba pha, điện áp bus DC xấp xỉ 1,35 lần điện áp lưới; ví dụ, nguồn 400 V tạo ra điện áp bus khoảng 540 V khi có tải. Để ngăn ngừa hư hỏng các tụ điện trên bus và các thiết bị nguồn, khi điện áp bus vượt quá ngưỡng quá áp, mạch bảo vệ của biến tần sẽ hoạt động và xuất ra tín hiệu ngắt quá áp (OV trip). Đối với các biến tần loại 3AC 400 V, ngưỡng quá áp DC thường là khoảng 820 V DC. Ngưỡng này thay đổi tùy theo nhà sản xuất và cấp điện áp và thường được cố định trong phần cứng: không thể sửa đổi hoặc che giấu.

1.2 Ba nguyên nhân chính gây ra hiện tượng quá áp

Thứ nhất, điện áp phía nguồn quá cao. Sự dao động điện áp lưới, việc các tụ điện hiệu chỉnh hệ số công suất chuyển mạch và hiện tượng quá áp khi chuyển mạch ở phía nguồn có thể trực tiếp làm tăng điện áp trên thanh cái DC. Thứ hai, hiện tượng tái tạo năng lượng tải, nguyên nhân phổ biến nhất. Khi một tải có quán tính lớn giảm tốc nhanh, tải có thế năng (nâng/hạ) di chuyển, hoặc tải đột ngột rơi xuống, động cơ bị kéo theo tải và chuyển sang chế độ phát điện; năng lượng chảy ngược dọc theo động cơ vào thanh cái DC và điện áp trên thanh cái tăng nhanh. Thứ ba, các vấn đề về phần cứng và dây dẫn, chẳng hạn như mạch cảm biến điện áp DC bị lỗi, lỗi nối đất cáp đầu ra hoặc động cơ, hoặc các đầu nối bị lỏng, có thể gây ra hiện tượng quá áp giả hoặc quá áp thật.

2. Quá tải OL: Định nghĩa và nguyên nhân

2.1 Bảo vệ quá tải là gì?

Quá tải nghĩa là dòng điện đầu ra của biến tần vượt quá giá trị định mức và kéo dài trong một khoảng thời gian. Biến tần thường sử dụng bảo vệ quá tải nhiệt điện tử (I²t), tích hợp tích của bình phương dòng điện và thời gian để mô phỏng sự tích tụ nhiệt của động cơ và các thiết bị nguồn; thời gian hoạt động tỷ lệ nghịch với dòng điện (đặc tính nghịch đảo thời gian): dòng điện càng cao, thời gian hoạt động cho phép càng ngắn. Điều này khác với bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá dòng tức thời; nó chủ yếu bảo vệ chống lại hư hỏng do quá nhiệt từ sự tích tụ nhiệt lâu dài.

2.2 So sánh giữa tải nhẹ và tải nặng, và khả năng chịu tải

Các thiết bị biến tần thường được phân loại theo khả năng chịu quá tải thành loại hoạt động bình thường (ND) và loại hoạt động mạnh (HD). Định nghĩa điển hình là: loại hoạt động nhẹ cho phép dòng điện định mức khoảng 110% trong 60 giây (trong chu kỳ 300 giây); loại hoạt động mạnh cho phép quá tải cao hơn (ví dụ: 150%). Các thông số khác nhau giữa các nhà sản xuất; hãy tham khảo bảng thông số kỹ thuật và sách hướng dẫn của từng model cụ thể. Khả năng chịu quá tải ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn kích thước: các ứng dụng hoạt động mạnh với tình trạng quá tải thường xuyên nên sử dụng model hoạt động mạnh có công suất định mức thấp hơn, hoặc model có công suất lớn hơn, để tránh tình trạng quá tải kéo dài gây ra hiện tượng ngắt mạch do quá tải (OL).

2.3 Các nguyên nhân phổ biến gây quá tải

Tải trọng cơ học quá cao, hiện tượng chết máy hoặc kẹt máy; thời gian tăng/giảm tốc quá ngắn, gây ra dòng khởi động và tăng tốc quá mức; sự không phù hợp giữa kích thước biến tần và động cơ; làm mát động cơ kém hoặc làm mát không đầy đủ trong quá trình hoạt động ở tần số thấp kéo dài; và cài đặt thông số không chính xác (ví dụ: dòng điện định mức sai hoặc ngưỡng quá tải nhiệt điện tử sai) đều có thể kích hoạt bảo vệ quá tải.

3. Logic bảo vệ tối ưu của ổ đĩa

3.1 Logic bảo vệ tối ưu hóa ở phía quá áp

Ở cấp độ phần mềm, có chức năng “ngăn ngừa kẹt do quá áp” và “bộ điều khiển điện áp tối đa”. Bộ điều khiển liên tục giám sát điện áp bus DC; khi điện áp tiến gần đến ngưỡng quá áp, bộ điều khiển sẽ tự động kéo dài đoạn giảm tốc, tạm thời giảm tốc độ hoặc giảm tần số đầu ra, để năng lượng tái tạo được hấp thụ trong động cơ và hệ thống, đồng thời điện áp bus ngừng tăng; sau khi điện áp bus trở lại bình thường, cài đặt ban đầu sẽ được khôi phục. Chức năng này có sẵn trong cả điều khiển V/F và điều khiển vector.

Ở cấp độ phần cứng, có "mạch chuyển đổi phanh cộng với điện trở hãm": khi điện áp bus vượt quá giá trị đặt trước, thiết bị công suất của mạch chuyển đổi phanh sẽ dẫn và tiêu tán năng lượng tái tạo dưới dạng nhiệt thông qua điện trở hãm, làm giảm điện áp bus. Cần nhấn mạnh rằng vai trò của điện trở hãm là tiêu tán năng lượng tái tạo được đưa trở lại phía DC do quán tính tải, chứ không phải trực tiếp tạo ra lực hãm.

Đối với các ứng dụng có tần suất phanh cao và giá trị thu hồi năng lượng lớn, một bộ phận tái tạo năng lượng / mạch giao tiếp chủ động (AFE) có thể đưa năng lượng tái tạo trở lại lưới điện để đạt hiệu quả cao hơn. Nhiều bộ truyền động cũng có thể được kết nối với nhau trên một bus DC chung, do đó năng lượng tái tạo từ một bộ truyền động phanh được hấp thụ bởi các bộ phận khác đang hoạt động ở chế độ động cơ, giảm yêu cầu về điện trở phanh.

3.2 Logic bảo vệ tối ưu hóa ở phía quá tải

Bảo vệ quá tải nhiệt điện tử (I²t) theo thời gian nghịch đảo: liên tục giám sát dòng điện và mô phỏng sự tích tụ nhiệt; khi ngưỡng cài đặt bị vượt quá, nó sẽ hoạt động theo đường cong thời gian nghịch đảo. Đây là cốt lõi của bảo vệ quá tải.

Chức năng chống kẹt và giới hạn dòng điện: khi dòng điện đầu ra vượt quá mức chống kẹt, bộ điều khiển sẽ tự động giảm tần số đầu ra hoặc giới hạn dòng điện để dòng điện trở lại phạm vi cho phép, ngăn ngừa hiện tượng quá dòng; sau khi dòng điện phục hồi, tần số đã cài đặt sẽ được khôi phục.

Phát hiện tải trọng thấp: báo động hoặc dừng máy khi tải trọng duy trì dưới giá trị cài đặt trong thời gian dài, cho thấy các bất thường về cơ khí hoặc quy trình như trượt băng tải hoặc chạy không tải. Cảnh báo quá tải sớm: đưa ra cảnh báo sớm trước khi đạt đến ngưỡng ngắt, cho phép phía quy trình phản ứng kịp thời và giảm thiểu việc dừng đột ngột.

4. Chẩn đoán tại chỗ và các khuyến nghị tối ưu hóa

Lỗi OV và OL có nguyên nhân khác nhau; nên phân biệt bản chất lỗi trước, như thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1 So sánh cách khắc phục sự cố OV so với OL

Để tối ưu hóa thông số: đối với quá áp (OV), hãy kéo dài đường dốc giảm tốc một cách thích hợp và kích hoạt bộ điều khiển điện áp tối đa / ngăn ngừa kẹt do quá áp; đối với tải giảm tốc thường xuyên hoặc tải năng lượng tiềm năng, hãy cấu hình bộ hãm với điện trở hãm và kiểm tra điện trở tối thiểu và công suất hãm của điện trở theo nhà sản xuất. Đối với quá tải (OL), hãy kiểm tra cài đặt dòng điện định mức của biến tần và dòng điện định mức của động cơ, kiểm tra xem thời gian tăng/giảm tốc có quá ngắn hay không, xác nhận ngưỡng quá tải nhiệt điện tử phù hợp với thông số trên nhãn động cơ (động cơ tự làm mát cần dòng điện cho phép thấp hơn ở tần số thấp hơn) và kiểm tra môi trường lắp đặt và hệ thống làm mát.

5. Kết luận

Quá áp OV và quá tải OL là hai sự cố về cơ bản khác nhau nhưng phổ biến, cả hai đều có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách tối ưu hóa logic bảo vệ. Hiểu rõ nguồn điện áp bus DC và nguyên tắc tích hợp của bảo vệ quá tải nhiệt điện tử là cơ sở để tính toán kích thước, vận hành và khắc phục sự cố chính xác. Tại công trình, cần điều tra một cách có hệ thống bốn khía cạnh: nguồn cung cấp, tải, phần cứng và thông số, đồng thời tham khảo hướng dẫn sử dụng của nhà sản xuất và các tiêu chuẩn IEC 61800 để giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động không cần thiết trong khi vẫn đảm bảo an toàn thiết bị và cải thiện khả năng hoạt động của đường dây.

6 Tài liệu tham khảo

[1] IEC 61800-5-1:2007+A1:2016, Hệ thống truyền động điện có thể điều chỉnh tốc độ – Phần 5-1: Yêu cầu an toàn – Điện, nhiệt và năng lượng. Cửa hàng trực tuyến IEC.

[2] Hỗ trợ trực tuyến của Siemens Industry. Cách xử lý lỗi F0002 (điện áp quá cao liên kết DC) của bộ biến tần dòng MM4. Tháng 11 năm 2015.

[3] ABB. Phanh điện, Hướng dẫn kỹ thuật số 8. 2010.

[4] Mitsubishi Electric. Dòng FREQROL-F800, Chức năng bảo vệ.

[5] GB/T 12668.1-2002, Hệ thống truyền động điện tốc độ điều chỉnh – Phần 1: Yêu cầu chung – Thông số định mức cho hệ thống truyền động điện một chiều tốc độ điều chỉnh điện áp thấp. Cục Tiêu chuẩn hóa Trung Quốc.

[6] Schneider Electric. Khả năng chịu tải nặng (HD) và tải thường (ND) của ATV630. 2020.