Lắp đặt điện trong Hệ thống Máy nén khí

Selecting the right motor for a compressor is essential to ensure that the system operates at its most efficient and effective level.

This minimizes the risk of mechanical failure and prevents costly repairs and downtime. The longer the motor lasts and works, the more money is saved.

When it comes to air compressor operations, three-phase squirrel cage induction motors are commonly used. Low voltage motors are ideal for power up to 450-500 kW, while high voltage motors are better for higher power. 

The motor is usually fan-cooled and selected to work in temperatures up to 40°C and an altitude of 1000m. Some manufacturers offer standard motors with a maximum ambient temperature capability of 46°C. When dimensioning compressor installations at higher altitudes or higher temperatures, the output must be derated. 

The motor is usually flange-mounted and directly connected to the compressor. The speed is adapted to the type of compressor, but in practice, only 2-pole or 4-pole motors with respective speeds of 3,000 rpm. The rated output of the motor is also determined (at 1,500 rpm).

Using an over-dimensioned motor can result in 

• higher costs, 

• an unnecessarily high starting current, 

• larger fuses, 

• low power factor, 

• and reduced efficiency levels. 

On the other hand, using a motor that is too small for the installation can result in

• overloading
• and the risk of breakdowns.

Matching the motor's output to the compressor's requirement helps to avoid potential issues and ensures that the motor performs at its best. This is good for both the motor and compressor since it helps them last longer and work more efficiently.

The motor protection class is a measure of how well a motor can withstand dust and water. The motor protection class is regulated by standards. 

It's important to note that open motors are not ideal for use with compressors, as they do not provide adequate protection from dust and water. For example, an IP23 motor will only be able to withstand splashes of water or fine mist, but not full immersion in liquid.

The dust and water jet-resistant design (IP55) is preferred over open motors (IP23), which may require regular disassembly and cleaning.

In other cases, dust deposits in the machine will eventually cause overheating, resulting in shortened service life. Since the compressor package enclosure also protects against dust and water, a protection class below IP55 may also be used.

The starting method is also important to consider when selecting a motor. For a star/delta-start, the motor is only started with a third of its normal starting torque, so comparing the motor and compressor torque curves can be useful to ensure proper compressor starts.

The most common starting methods are direct start, star/delta–start and soft start.

• Direct start is simple, but has a high starting current and torque that can damage the motor. 

• Star/delta-start limits the starting current and consists of three contactors, overload protection, and a timer that switches the motor from star to delta connection. 

• Soft start is a gradual start method that uses semiconductor switches to limit the starting current. 

Direct start is simple and only requires a contactor and overload protection. The disadvantage it presents is the high starting current, which is 6–10 times the motor's rated current, and its high starting torque, which may, for example, damage shafts and couplings.

The star/delta–start is used to limit the starting current. The starter consists of three contactors, overload protection and a timer.

The motor is started with the star connection and after a set time (when the speed has reached 90% of the rated speed), the timer switches the contactors so that the motor is delta-connected, which is the operating mode. 

The star/delta–start reduces the starting current to approximately 1/3 as compared to the direct start. However, at the same time, the starting torque also drops to 1/3.

The relatively low starting torque means that the motor's load should be low during the starting phase so that the motor virtually reaches its rated speed before switching to the delta connection.

If the speed is too low, a current/ torque peak as large as with a direct start will be generated when switching to the delta connection.

Soft start (or gradual start), which can be an alternative start method to the star/delta–start, is a starter composed of semiconductors (IGBT-type power switches) instead of mechanical contactors. The start is gradual and the starting current is limited to approximately three times the rated current. 

The starters for direct start and star/delta–start are, in most cases, integrated in the compressor.

For a large compressor plant, the units may be placed separately in the switchgear, due to:

• space requirements,
• heat development
• and access for service.

(See more information on how to create optimal working conditions in your compressor room.)

Note that a starter for soft start is usually positioned separately, next to the compressor due to heat radiation. But it may be integrated inside the compressor package, provided the cooling system has been properly secured. High-voltage powered compressors always have their start equipment in a separate electrical cabinet.

Cables shall, according to the provisions of the standard, "be dimensioned so that during normal operations they do not experience excessive temperatures and that they shall not be damaged thermally or mechanically by an electric short circuit".

To choose the right cables for a job, you need to consider:

• the load,
• allowed voltage drop,
• routing method (on a rack, wall etc.)
• and ambient temperature.

Fuses can also be used to protect the cables from short circuits and overloads.

When using motors, you need two types of protection. Short-circuit protection, like fuses, is used to prevent dangerous electrical shorts. Overload protection, which is usually the motor protection included in the starter, trips and breaks the starter if the current exceeds a certain level. This protects the motor and its cables.

Short-circuit protection shields the starter, overload protection, and cables. To pick the right cable size, you can look at IEC 60364-5-52. 

But there's another important factor: the "tripping condition". This means that the installation should be designed to quickly and safely break if there's a short circuit. To make sure the condition is met, you need to consider the cable length, cross-section, and short-circuit protection.

Short-circuit protection is placed on one of the cables' starting points and can include fuses or a circuit breaker. Either option provides the proper level of protection, given that the solution you select is correctly matched to the system. 

Fuses work better for large short-circuit currents but don't create a fully-isolating break and have long tripping times for small faults. Circuit breakers create a quick and fully-isolating break, even for small faults, but require more planning. Dimensioning short-circuit protection depends on the expected load and the limitations of the starter unit.

For starter short-circuit protection, see the IEC (International Electrotechnical Commission) standard 60947-4-1 Type 1 & Type 2.

The selection of Type 1 or Type 2 is based on how a short-circuit will affect the starter. 

Type 1: "… under short circuit conditions, the contactor or starter shall cause no danger to persons or installation and may not be suitable for further service without repair and replacement of parts." 

Type 2: "… under short circuit conditions, the contactor or starter shall cause no danger to persons or installation and shall be suitable for further use. The risk of light welding of the contactors is recognized, in which case the manufacturer shall indicate the maintenance measures …"

Electric motors consume both active power (which turns into mechanical work) and reactive power (which magnetizes the motor). The reactive power puts a load on the cables and transformer. The power factor, cos φ, determines the relationship between the two, this is usually between 0.7 and 0.9, with smaller motors having a lower value.

You can raise the power factor to virtually 1 by generating the reactive power directly by the machine using a capacitor. This means you don't have to draw as much reactive power from the mains. This is done to avoid extra charges from the power supplier for drawing reactive power over a predetermined level. It also helps take some of the load off heavily used transformers and cables.

Đối với hầu hết các phần, động cơ cảm ứng lồng sóc ba pha được sử dụng cho các hoạt động của máy nén. Động cơ điện áp thấp thường được sử dụng lên tới 450 - 500 kW, trong khi đối với công suất cao hơn, động cơ điện áp cao là lựa chọn tốt nhất.

Các lớp bảo vệ động cơ được quy định bởi các tiêu chuẩn. Thiết kế chống bụi và nước (IP55) được ưa thích hơn động cơ mở (IP23), loại yêu cầu tháo gỡ và vệ sinh thường xuyên. Trong các trường hợp khác, bụi bẩn trong máy cuối cùng sẽ gây ra quá nhiệt, dẫn đến tuổi thọ được rút ngắn. Vì vỏ bọc máy nén cung cấp bảo vệ dòng đầu tiên khỏi bụi và nước, nên lớp bảo vệ cấp dưới IP55 cũng có thể được sử dụng.

Động cơ, thường được làm mát bằng quạt, được chọn để hoạt động ở nhiệt độ môi trường tối đa 40˚C và độ cao lên tới 1000 m. Một số nhà sản xuất cung cấp động cơ tiêu chuẩn với khả năng nhiệt độ môi trường tối đa là 46 °C. Ở nhiệt độ hoặc độ cao cao hơn, công suất đầu ra phải được giảm xuống. Động cơ thường được gắn mặt bích và kết nối trực tiếp với máy nén. Tốc độ được điều chỉnh phù hợp với loại máy nén, nhưng trên thực tế, chỉ có động cơ 2 cực hoặc 4 cực với tốc độ tương ứng 3.000 vòng/phút. Đầu ra định mức của động cơ cũng được xác định (tại 1.500 vòng/phút).

Các phương thức khởi động phổ biến nhất là khởi động trực tiếp, khởi động sao/tam giác và khởi động mềm. Khởi động trực tiếp đơn giản và chỉ cần một công tắc tơ( Khởi động từ)  và bộ phận bảo vệ quá tải. Nhược điểm của nó là dòng khởi động cao, gấp 6 lần 10 lần so với dòng định mức của động cơ và mô-men xoắn khởi động cao, ví dụ, có thể làm hỏng trục và khớp nối. Khởi động sao/tam giác được sử dụng để giới hạn dòng khởi động. Bộ khởi động bao gồm ba công tắc tơ ( khởi động từ ), bộ phận bảo vệ quá tải và đồng hồ hẹn giờ. Động cơ được khởi động với kết nối sao và sau một thời gian đã đặt (khi tốc độ đã đạt 90% tốc độ định mức), bộ hẹn giờ sẽ chuyển các tiếp điểm để động cơ được kết nối sang tam giác là chế độ vận hành.

Khởi động sao/Tam giác giảm dòng khởi động xuống khoảng 1/3 so với khởi động trực tiếp. Tuy nhiên, mô-men xoắn khởi động cũng đồng thời giảm xuống còn 1/3. Mô-men xoắn khởi động tương đối thấp có nghĩa là tải của động cơ sẽ thấp trong giai đoạn khởi động, vì thế động cơ khó đạt tốc độ định mức trước khi chuyển sang kết nối tam giác. Nếu tốc độ quá thấp, một đỉnh mô-men xoắn lớn như lúc khởi động trực tiếp sẽ được tạo ra trước khi chuyển sang kết nối tam giác

Khởi động mềm (hoặc khởi động dần dần), có thể là phương pháp khởi động thay thế cho khởi động sao/delta, là một bộ khởi động bao gồm các thiết bị bán dẫn (công tắc nguồn loại IGBT) thay vì các công tắc tơ cơ học. Quá trình khởi động là dần dần và dòng bắt đầu được giới hạn ở khoảng ba lần dòng định mức.

Các phần khởi động cho khởi động trực tiếp và khởi động sao/tam giác, , được tích hợp hầu hết trong máy nén khí . Đối với một tổ hợp máy nén khí lớn, các thiết bị có thể được đặt riêng trong thiết bị đóng cắt, do yêu cầu về không gian, phát nhiệt và dễ dàng sửa chữa. Một bộ khởi động cho khởi động mềm thường được đặt riêng, bên cạnh máy nén, do bức xạ nhiệt, nhưng có thể được tích hợp bên trong gói máy nén, miễn là hệ thống làm mát đã được bảo vệ đúng cách. Máy nén khí hoạt động bằng điện áp cao luôn có thiết bị khởi động trong một tủ điện riêng.

Bảo vệ chập mach, được đặt phía đầu trên của sợi dây cáp, có thể bao gồm cầu chì hoặc cầu dao. Bất kể giải pháp nào bạn chọn nếu nó phù hợp với hệ thống, nó sẽ bảo vệ đúng đắn. Cả 2 phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm. Thường thì cầu chì hoạt động tốt hơn so với cầu dao đối với dòng điện ngắn mạch lớn, nhưng  không ngắt cô lập hoàn toàn,  và thời gian để ngắt mạch kéo dài  với dòng ngắn mạch nhỏ. Cầu dao cho phép ngắt sự cố nhanh chóng và cách ly hoàn toàn, ngay cả đối với dòng sự cố nhỏ nhưng đòi hỏi nhiều công đoạn  lắp đặt so với cầu chì. Kích thước của bộ bảo vệ chập mạch dựa trên tải dự kiến nhưng cũng dựa trên những hạn chế của bộ khởi động.

Để bảo vệ chập mạch cho bộ khởi động, hãy xem tiêu chuẩn IEC (Kỹ thuật điện quốc tế) theo tiêu chuẩn60947-4-1 loại 1 và loại 2. Việc lựa chọn loại 1 hoặc 2 dựa trên cách chập mạch sẽ làm ảnh hưởng tới bộ khởi động.

Loại 1: “ trong điều kiện đoản mạch, công tắc tơ hoặc bộ khởi động sẽ không gây nguy hiểm cho người hoặc lắp đặt và có thể không phù hợp để tiếp tục hoạt động mà không cần sửa chữa và thay thế các bộ phận.”

Loại 2: “ trong điều kiện đoản mạch, công tắc tơ hoặc bộ khởi động sẽ không gây nguy hiểm cho người hoặc lắp đặt. Nguy cơ ánh sang hàn của các công tắc tơ được công nhận trong từng trường hợp mà nhà sản xuất sẽ chỉ ra các biện pháp duy trì.”

Cáp theo các quy định tiêu chuẩn, "được lựa chọn kích thước sao cho trong quá trình hoạt động bình thường, chúng không gặp nhiệt độ quá cao và chúng sẽ không bị hư hỏng do nhiệt hoặc cơ học do chập điện". Việc lựa chọn kích thước và lựa chọn cáp dựa trên tải, độ sụt điện áp cho phép, phương pháp đi cáp (trên giá, tường, v.v.) và nhiệt độ môi trường. Cầu chì có thể được sử dụng, ví dụ, để bảo vệ cáp và có thể được sử dụng cho cả bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá tải. Đối với hoạt động của động cơ, bảo vệ ngắn mạch được sử dụng (ví dụ: cầu chì) cũng như bảo vệ quá tải tách riêng biệt (thường là bảo vệ động cơ có trong bộ khởi động).

Bộ bảo vệ quá tải bảo vệ động cơ và cáp bằng cách ngắt bộ khởi động khi dòng tải vượt quá giá trị đã đặt trước. Bộ bảo vệ chập mạch bảo vệ cho bộ khởi động, bộ bảo vệ quá tải và cáp. Tính toán kích thước đo cáp cho tải được đặt ra trong IEC 60364-5-52. Một số thông số bổ sung phải được lưu ý  khi lựa chọn kích thước cáp và bảo vệ chập mạch. Điều này biểu thị rằng  quá trình lắp đặt phải được thiết kế sao cho dù chập mạch ở bất cứ đâu cũng sẽ bị ngăn chặn và an toàn. Dù điều kiện đáp ứng đã được xác định nhưng vẫn phải đảm bảo bộ bảo vệ chập mạch, chiều dài cáp và tiết diện.

Động cơ điện không chỉ tiêu thụ năng lượng thực thế, nó được chuyển đổi thành công việc cơ khí, mà còn cả công suất phản kháng, cần thiết cho từ hóa của động cơ. Công suất phản kháng tải các dây cáp và máy biến áp. Mối quan hệ giữa công suất  thực tế và công suất phản kháng được xác định bởi hệ số công suất, cos phi. Giá trị này thường nằm trong khoảng từ 0,7 đến 0,9, trong đó giá trị thấp hơn áp dụng đến các động cơ nhỏ.

Hệ số công suất có thể được nâng lên gần như 1 bằng cách tạo ra công suất phản kháng trực tiếp bằng các máy sử dụng tụ điện. Điều này làm giảm nhu cầu công suất phản kháng từ nguồn điện. Lý do đằng sau việc bù công suất là nhà cung cấp điện có thể tính phí về công suất phản kháng ở mức đã định trước, và các máy biến áp và cáp được tải nặng cần phải được giảm tải

Tìm hiểu thêm quy trình lắp đặt hệ thống máy nén khí