Bảo vệ chống sét lan truyền cho VFD: Nguồn, 24 VDC, I/O PLC & các đường tín hiệu

Bảo vệ chống xung cho VFD phải được thiết kế dựa trên các giao diện hệ thống, không phải chỉ tập trung vào một điểm thiết bị chống sét lan truyền (SPD) tại đầu vào tủ điện. Cần đánh giá riêng biệt nguồn AC đầu vào, đầu vào của biến tần, đầu ra động cơ điều chế độ rộng xung (PWM), nguồn điều khiển 24 VDC và mọi đường tín hiệu điều khiển hoặc truyền thông lộ ra ngoài.

Một thiết bị SPD nguồn ở phía đầu vào có thể giới hạn các quá áp quá độ đi qua đường nguồn đó. Nó không tự động bảo vệ các cảm biến từ xa, các đầu vào của bộ điều khiển logic lập trình (PLC), hệ thống dây dẫn RS-485, cáp Ethernet đồng, bộ mã hóa hoặc các mạch hiện trường dẫn điện khác. Một thiết bị SPD đa năng cũng không nên được lắp đặt ở đầu ra VFD trừ khi nhà sản xuất biến tần và thiết bị bảo vệ cho phép rõ ràng cách bố trí đó.

Những điểm chính

Xác định năm giao diện trước khi chọn sản phẩm: AC đầu vào, đầu vào VFD, đầu ra VFD và cáp động cơ, nguồn điều khiển 24 VDC, và các đường tín hiệu PLC/hiện trường.
Tách biệt các quá áp quá độ bên ngoài khỏi ứng suất đầu ra do biến tần tạo ra: sét và xung đột biến do đóng cắt đi vào tủ điện không phải là hiện tượng giống với các cạnh xung PWM lặp lại, điện áp sóng phản xạ, ứng suất dv/dt, hoặc dòng điện chế độ chung ở phía động cơ.
Hãy coi mọi cáp dẫn điện tại hiện trường là một đường xâm nhập tiềm ẩn: các mạch nguồn và mạch tín hiệu yêu cầu các loại SPD khác nhau và bằng chứng tương thích khác nhau.
Xác minh toàn bộ đường đi đã lắp đặt: điện áp, chế độ bảo vệ, phối hợp thượng nguồn, đi dây dẫn, liên kết đẳng thế, vỏ bọc cáp, chức năng tín hiệu và hướng dẫn thiết bị đều ảnh hưởng đến kết quả.

Bắt đầu với Ranh giới bảo vệ năm giao diện

Bản vẽ đầu tiên hữu ích nhất không phải là sơ đồ sản phẩm SPD. Đó là bản đồ ranh giới hiển thị nơi năng lượng hoặc điện áp quá độ có thể xâm nhập, thiết bị nào bị phơi nhiễm và tài liệu nào kiểm soát quyết định đó.

Giao diện	Mức độ phơi nhiễm chính cần đánh giá	Câu hỏi về bảo vệ	Bằng chứng yêu cầu
Nguồn cấp AC đầu vào	Ảnh hưởng của sét, đóng cắt lưới điện, đóng cắt khởi động từ hoặc tụ điện ở những vị trí khác trong hệ thống lắp đặt	Có cần thiết phải chọn SPD nguồn phù hợp tại nút dịch vụ, phân phối hoặc bảng điều khiển VFD không?	Điện áp hệ thống và sơ đồ nối đất, đánh giá mức độ phơi nhiễm, các quy tắc lắp đặt áp dụng, dữ liệu SPD và bằng chứng phối hợp
Các đầu nối đầu vào VFD	Điện áp quá độ dư tại bộ biến tần sau khi qua thiết bị bảo vệ phía thượng nguồn và trở kháng dây dẫn	Thiết bị bảo vệ cấp tủ điện được chọn có giữ cho đầu vào bộ biến tần nằm trong phạm vi miễn nhiễm và điều kiện lắp đặt đã được ghi nhận không?	Hướng dẫn chính xác về bộ biến tần, dữ liệu điện áp/bảo vệ của SPD, đường dẫn dây dẫn, phối hợp phía thượng nguồn/hạ nguồn
Đầu ra VFD và cáp động cơ	Các cạnh PWM lặp lại, điện áp sóng phản xạ, dv/dt, dòng điện chế độ chung và các ảnh hưởng của cáp động cơ	Nhà sản xuất biến tần yêu cầu cuộn kháng đầu ra, bộ lọc dv/dt, bộ lọc hình sin, cáp, liên kết đẳng thế hay các biện pháp cách điện động cơ nào?	Tài liệu chính xác về biến tần và động cơ; không được thay thế bằng quy tắc SPD thông dụng
Nguồn điều khiển 24 VDC	Các quá độ được ghép nối thông qua bộ nguồn điều khiển, dây dẫn dùng chung hoặc các mạch 24 V bên ngoài	Nguồn DC hoặc bus điều khiển có cần một cấp bảo vệ DC tương thích không?	Điện áp vận hành danh định và tối đa, dòng tải, tiếp địa, cấp bảo vệ, hướng dẫn về nguồn cấp và PLC
PLC, I/O và truyền thông	Các xung điện áp cảm ứng hoặc dẫn truyền trên hệ thống dây dẫn ngoài trời, đường dài, liên tòa nhà hoặc tại hiện trường từ xa	Những mạch tín hiệu nào cần thiết bị bảo vệ tương thích đường dây tại ranh giới?	Điện áp tín hiệu, dòng điện, băng thông, cấu trúc liên kết, số lượng dây dẫn, tiếp địa/chống nhiễu và tài liệu thiết bị

Sơ đồ này là công cụ quyết định trọng tâm của trang. Nếu một đường dẫn điện đi qua ranh giới vùng được bảo vệ, cần phải có một quyết định cụ thể. “Được bảo vệ bởi SPD trong tủ điện” không phải là một giả định có thể chấp nhận được.

Đầu vào và đầu ra của VFD là các môi trường điện khác nhau

Phía đầu vào của VFD được kết nối với hệ thống điện. Các quá điện áp quá độ bên ngoài có thể truyền đến qua nguồn cấp đó, vì vậy việc lựa chọn và phối hợp SPD phía nguồn điện là rất quan trọng. Tiêu chuẩn IEC 61643-12 mô tả các nguyên tắc lựa chọn, vị trí, vận hành và phối hợp cho các SPD được kết nối với mạch điện AC hạ thế.

Đầu ra của VFD được tạo ra bởi bộ chuyển đổi bán dẫn và chứa các cạnh chuyển mạch PWM lặp lại. Chiều dài cáp động cơ, cấu tạo cáp, tiếp địa và liên kết đẳng thế, cách điện động cơ, tần số chuyển mạch và các thành phần đầu ra được nhà sản xuất biến tần cho phép đều ảnh hưởng đến ứng suất tại đầu nối. Đây là các vấn đề về hệ thống truyền động điện, không đơn thuần chỉ là một vị trí xảy ra xung điện áp đầu vào khác.

Một ví dụ từ nhà sản xuất làm rõ giới hạn này: tài liệu tham khảo kỹ thuật của Yaskawa FP605 hướng dẫn người dùng không được kết nối thiết bị chống sét lan truyền (SPD) vào phía đầu ra của biến tần. Tuyên bố đó không phải là quy tắc chung cho mọi loại biến tần; nó cho thấy lý do tại sao quyết định lắp đặt ở phía đầu ra phải dựa trên hướng dẫn cụ thể của biến tần thay vì một bài viết chung chung về SPD.

Sử dụng quy tắc quyết định này:

Vị trí	Xử lý kỹ thuật mặc định	Điều kiện dừng
Phía đầu vào của VFD hoặc tủ điều khiển	Đánh giá SPD nguồn như một phần của cấu trúc bảo vệ phía thượng nguồn	Dừng lại nếu chưa rõ về điện áp hệ thống, cấu trúc liên kết, phối hợp dòng sự cố hoặc các điều kiện từ nhà sản xuất
Giữa VFD và động cơ	Chỉ sử dụng các linh kiện và cách bố trí đã được phê duyệt cho hệ thống biến tần/động cơ cụ thể	Không tự ý thực hiện kết nối SPD dựa trên sơ đồ chung
Các đầu nối điều khiển và truyền thông	Đánh giá từng đường dẫn điện bên ngoài như một giao diện tín hiệu/điều khiển	Dừng lại nếu không biết điện áp tín hiệu, dòng điện, băng thông, tiếp địa hoặc cấu trúc liên kết đi dây

Để có giải thích sâu hơn về việc xác minh nút thượng nguồn/hạ nguồn, hãy sử dụng VIOX Hướng dẫn phối hợp và phân cấp SPD.

Xây dựng hệ thống bảo vệ phía nguồn xung quanh các nút

Một cơ sở có thể có nhiều nút bảo vệ liên quan: đầu vào dịch vụ, phân phối chính, trung tâm điều khiển động cơ, bảng điều khiển VFD cục bộ và khu vực thiết bị. Thiết kế đúng không mặc định là “một SPD tại mỗi bảng điện”. Mỗi nút phải có tải được bảo vệ, mức độ phơi nhiễm, hệ thống điện áp, chế độ bảo vệ và mối quan hệ với các giai đoạn liền kề được xác định rõ ràng.

Tại bảng điều khiển VFD, hãy ghi lại ít nhất:

Điện áp và tần số hệ thống AC;
cấu hình nối đất và các chế độ bảo vệ theo yêu cầu của cấu hình đó;
liệu mức độ phơi nhiễm của nguồn cấp hoặc khái niệm chống sét có làm thay đổi nhiệm vụ của SPD hay không;
khả năng miễn nhiễm đầu vào của VFD và hướng dẫn lắp đặt;
Uc hoặc MCOV, Up, Loại hoặc cấp thử nghiệm, In/Imax/Iimp của SPD khi áp dụng, và các điều kiện ngắn mạch/bảo vệ dự phòng đã công bố;
các model SPD phía thượng nguồn và hạ nguồn cùng bằng chứng phối hợp của nhà sản xuất;
chiều dài dây dẫn, cách đi dây, hình học vòng lặp, kết nối dây dẫn bảo vệ (PE), và bố trí vỏ tủ điện.

Không được chọn SPD chỉ dựa trên một con số kA. Việc hướng dẫn bảng dữ liệu SPD giải thích cách các tuyên bố kết hợp với nhau, trong khi hướng dẫn MCOV và hướng dẫn TOV tách biệt khả năng phù hợp với điện áp liên tục khỏi đặc tính quá điện áp tạm thời.

Coi Nguồn điều khiển 24 VDC là một giao diện riêng biệt

PLC, giao diện người-máy, I/O từ xa, cảm biến, rơ le và thiết bị truyền thông có thể vẫn tiếp tục bị phơi nhiễm ngay cả khi phía AC đầu vào đã được bảo vệ. Quá áp quá độ có thể xâm nhập thông qua mạch 24 VDC bên ngoài, vượt qua ranh giới nguồn cấp trong giới hạn ghép nối của nó, hoặc bị cảm ứng trên hệ thống dây dẫn tại hiện trường.

Đừng chỉ chọn SPD cho đường điều khiển DC dựa trên nhãn “24 V”. Hãy xác minh:

điện áp vận hành bình thường tối đa và cực tính;
các chế độ bảo vệ dây-dây và dây-đất;
dòng điện tải liên tục khi thiết bị bảo vệ được lắp nối tiếp;
mức bảo vệ điện áp trong các điều kiện thử nghiệm đã công bố;
mối quan hệ tiếp địa hoặc lớp chắn;
hành vi khi xảy ra lỗi và chỉ báo trạng thái;
ảnh hưởng đến chức năng an toàn hoặc tính sẵn sàng của mạch điện.

Tài liệu của Siemens cho các mô-đun an toàn S7-1200 cụ thể cung cấp một ví dụ giới hạn hữu ích: nó xác định các thiết bị chống sét lan truyền bên ngoài cho nguồn 24 VDC, Industrial Ethernet, I/O kỹ thuật số, nguồn cấp cảm biến, I/O tương tự và các đường cấp nguồn AC. Các thiết bị được liệt kê chính xác áp dụng cho hệ thống được tài liệu hóa đó, nhưng bài học rộng hơn có thể áp dụng được: các giao diện nguồn, điều khiển và tín hiệu được đánh giá riêng biệt.

Bảo vệ PLC, Cảm biến và các Đường truyền thông theo Chức năng Tín hiệu

Một thiết bị SPD nguồn AC không được kết nối trong đường dẫn tín hiệu và không thể kẹp xung quá áp đi đến thông qua cảm biến từ xa hoặc cáp truyền thông trước khi xung đó chạm tới giao diện PLC.

Tiêu chuẩn IEC 61643-21 bao gồm các thiết bị SPD được kết nối với mạng viễn thông và mạng tín hiệu, bao gồm cả các mạng truyền tải điện trên cùng một đường dây. Đối với tủ điều khiển công nghiệp, quy trình lựa chọn bắt đầu từ giao diện thực tế—chứ không phải từ nhãn “SPD tín hiệu” chung chung.

Mạch điện	Các đầu vào cần được lập tài liệu	Rủi ro tương thích phổ biến
Vòng lặp analog 4–20 mA	Điện áp/dòng điện vòng lặp tối đa, tiếp địa, lớp chắn, độ chính xác đo lường	Trở kháng nối tiếp hoặc dòng rò tăng thêm làm thay đổi tín hiệu
I/O kỹ thuật số 24 V	Loại đầu vào/đầu ra, dòng điện, tham chiếu chung, đặc tính đóng cắt	Các giới hạn điện áp hoặc dòng điện của thiết bị bảo vệ không khớp với kênh I/O
RS-485 hoặc Modbus RTU	Điện áp vi sai, dải điện áp chế độ chung, cấu trúc liên kết, tốc độ dữ liệu, số lượng dây dẫn	Điện dung dư thừa hoặc tiếp địa không chính xác làm suy giảm khả năng truyền thông
Ethernet công nghiệp cáp đồng	Danh mục, tốc độ dữ liệu, Power over Ethernet nếu có, cách bố trí lớp chắn	Thiết bị bảo vệ không tương thích với băng thông hoặc phương thức cấp nguồn
Bộ mã hóa hoặc đường truyền xung tốc độ cao	Biên độ tín hiệu, tần số, bộ điều khiển đường truyền, tham chiếu, lớp bọc cáp	Điện dung và hiệu ứng chèn làm méo dạng sóng
Cáp cảm biến từ xa	Nguồn cấp cảm biến, loại tín hiệu, tuyến cáp, phơi nhiễm ngoài trời/giữa các tòa nhà	Thiết bị bảo vệ chỉ được lắp đặt tại một đầu của ranh giới cần được xử lý phối hợp

Sử dụng VIOX hướng dẫn lựa chọn thiết bị chống xung điện cho tín hiệu cho toàn bộ điện áp, dòng điện, băng thông, cấu trúc liên kết, tiếp địa và quy trình tài liệu.

Liên kết đẳng thế, lớp bọc và đi dây hoàn thiện ranh giới bảo vệ

SPD là một phần của đường dẫn dòng điện. Khả năng bảo vệ khi lắp đặt của thiết bị này bị ảnh hưởng bởi đường dẫn từ dây dẫn hở qua SPD và hệ thống liên kết—chứ không chỉ bởi giá trị được in trên mô-đun.

Đối với tủ VFD và thiết bị được kết nối, hãy xác minh:

đường dẫn liên kết bảo vệ xác định giữa tủ, tấm lắp đặt, thiết bị và dây dẫn bảo vệ đầu vào;
các hướng dẫn của nhà sản xuất biến tần về đấu nối tấm chắn và cáp động cơ;
khoảng cách vật lý và cách đi dây phù hợp cho các mạch nguồn, đầu ra động cơ, điều khiển và truyền thông;
hình học kết nối SPD ngắn, trực tiếp nằm trong giới hạn hướng dẫn của sản phẩm;
các điểm đi cáp hiện trường được căn chỉnh với ranh giới bảo vệ tín hiệu đã chọn;
không có đường dẫn vòng không mong muốn xung quanh SPD thông qua hệ thống dây song song, tấm chắn hoặc các điểm tham chiếu đất từ xa.

VIOX Hướng dẫn đi dây SPD bao gồm các kiểm tra về dây dẫn phía nguồn và bảo vệ dự phòng. Các quy trình chính xác về cáp VFD, lớp chắn, tiếp địa và EMC vẫn được kiểm soát bởi hướng dẫn của nhà sản xuất biến tần và thiết kế EMC của dự án. Tiêu chuẩn IEC 61800-3 xác định các yêu cầu và phương pháp thử nghiệm EMC cho các hệ thống truyền động điện tốc độ điều chỉnh được, nhưng nó không thay thế cho tài liệu hướng dẫn lắp đặt cụ thể.

Chuyển đổi kiến trúc thành một đặc tính kỹ thuật có thể kiểm chứng

Hoàn thành một hàng cho mỗi giao diện trước khi phê duyệt bản vẽ sản phẩm hoặc tủ điện.

ID giao diện	Mạch điện và thiết bị được bảo vệ	Điều kiện điện bình thường	Phơi nhiễm quá độ và ranh giới	SPD/chức năng yêu cầu	Bằng chứng yêu cầu	Hồ sơ xác minh
AC-01	Đầu vào tủ điện và đầu vào VFD	Điện áp, tần số, cấu trúc liên kết	Nguồn cấp ngược dòng và nút tủ điện	SPD nguồn nếu thiết kế yêu cầu	Dữ liệu SPD, hướng dẫn vận hành bộ truyền động, quy tắc phối hợp và lắp đặt	Model, chế độ bảo vệ, đường đi dây dẫn, kết quả kiểm tra
DC-01	Thanh cái điều khiển 24 VDC	Dải điện áp, dòng điện, nối đất	Các mạch nguồn và mạch trường DC bên ngoài	Thiết bị bảo vệ DC tương thích khi được yêu cầu	Hướng dẫn về nguồn/PLC và dữ liệu thiết bị bảo vệ	Kiểm tra cực tính, đường dẫn dòng điện, trạng thái, phục hồi
SIG-01	PLC hoặc giao diện hiện trường từ xa	Điện áp tín hiệu, dòng điện, băng thông, cấu trúc liên kết	Ranh giới cáp và thiết bị từ xa	SPD tín hiệu tương thích khi được yêu cầu	Bảng dữ liệu giao diện và thiết bị bảo vệ	Ánh xạ kênh, tấm chắn/liên kết, kiểm tra chức năng
MOT-01	Đầu ra VFD và cáp động cơ	Đầu ra PWM, dữ liệu cáp và động cơ	Ứng suất do biến tần tạo ra và sự tiếp xúc của cáp bên ngoài	Chỉ sử dụng các biện pháp giảm thiểu đầu ra đã được biến tần phê duyệt	Hướng dẫn chính xác về biến tần/động cơ	Hồ sơ về linh kiện và vận hành thử nghiệm đã được phê duyệt
BOND-01	Hệ thống liên kết đẳng thế cho tủ điện và cáp	PE, lớp chắn, dây dẫn tham chiếu	Đường dẫn dòng điện xung và đường dẫn ghép nối	Các biện pháp liên kết/đi dây	Bản vẽ dự án và hướng dẫn thiết bị	Kiểm tra trực quan và hồ sơ hoàn công

Bảng tính này giúp ngăn ngừa ba lỗi kỹ thuật phổ biến: gán một thiết bị cho mọi đường dẫn, chọn linh kiện phía đầu ra mà không có sự phê duyệt của bộ truyền động, và chọn thiết bị bảo vệ tín hiệu mà không có sự tương thích về giao diện.

Vận hành thử và kiểm tra lại toàn bộ hệ thống

Trước khi cấp điện, hãy xác nhận rằng các số model đã lắp đặt khớp với tài liệu được phê duyệt, các mô-đun cắm đã được lắp chặt, các tiếp điểm trạng thái và tiếp điểm từ xa khớp với bảng trạng thái đã ghi chép, và mọi kết nối nguồn hoặc tín hiệu đều tuân theo các hướng dẫn áp dụng. Ghi lại các đường dẫn dây dẫn cuối cùng, các đầu nối chống nhiễu, liên kết bảo vệ và thiết bị bảo vệ phía nguồn.

Các kiểm tra chức năng phải phù hợp với mạch điện. Một đồng hồ vạn năng thông thường không thể tái tạo các thử nghiệm xung tiêu chuẩn hoặc chứng minh khả năng chống sét còn lại của SPD. Đối với các mạch truyền thông và I/O, hãy xác minh hoạt động bình thường mà không coi việc kiểm tra chức năng thành công là bằng chứng về hiệu suất chống sét.

Sau một sự kiện nghiêm trọng, lỗi bộ truyền động không rõ nguyên nhân, báo động SPD lặp lại hoặc nhiễu hệ thống điều khiển, không được thay thế linh kiện một cách mù quáng. Hãy lưu giữ hồ sơ sự kiện và báo động, kiểm tra mọi giao diện và xác định xem bằng chứng có chỉ ra các vấn đề như quá áp đột biến đầu vào, quá áp tạm thời, vấn đề về đi dây/liên kết, ứng suất đầu ra động cơ, sự xâm nhập từ đường dây hiện trường, hư hỏng do môi trường hoặc cơ chế lỗi khác hay không.

Quy tắc thiết kế cuối cùng

Tủ VFD chỉ được bảo vệ khi mọi giao diện dẫn điện liên quan đều có quyết định rõ ràng và được ghi chép lại. Hãy bắt đầu tại nút AC đầu vào, giữ đầu ra PWM dưới sự kiểm soát của nhà sản xuất biến tần, đánh giá riêng biệt 24 VDC và từng đường tín hiệu hở, đồng thời xác minh các đường dẫn liên kết và phối hợp giúp các thiết bị hoạt động như một hệ thống.

Để đánh giá SPD ở cấp độ dự án, hãy xem xét dòng thiết bị chống sét lan truyền VIOX và gửi sơ đồ đơn tuyến, điện áp AC và DC, sơ đồ tiếp địa, kiểu máy VFD, thông tin cáp động cơ, lịch trình I/O và truyền thông, điều kiện phơi nhiễm, thị trường mục tiêu và tài liệu yêu cầu đến [email protected].

Nguồn tham khảo

Bài viết này xác định một khung đánh giá kỹ thuật, không phải là hướng dẫn thi công cho một tủ điện cụ thể. Hãy tuân thủ chính xác tài liệu về VFD, động cơ, PLC, SPD và bảo vệ tín hiệu, đánh giá rủi ro dự án và các quy tắc điện áp dụng cho việc lắp đặt. Công việc bên trong thiết bị điều khiển công nghiệp chỉ nên được thực hiện bởi nhân viên có chuyên môn theo quy trình làm việc an toàn đã được phê duyệt.

Về tác giả

Joe

Joe là Trưởng nhóm Biên tập của VIOX. Anh ấy đã làm việc với tư cách là biên tập viên ngành điện từ năm 2013, chịu trách nhiệm dẫn dắt công tác lập kế hoạch, biên tập và kiểm soát chất lượng nội dung của VIOX. Công việc của anh tập trung vào việc chuyển đổi các thông số kỹ thuật sản phẩm, kiến thức ứng dụng và các tiêu chuẩn điện hiện hành thành những hướng dẫn rõ ràng, thiết thực cho các kỹ sư, nhà phân phối, đơn vị lắp ráp tủ điện, người mua hàng và các chuyên gia trong ngành điện. Joe giám sát định hướng biên tập và quy trình kiểm duyệt cho thông tin sản phẩm cũng như các bài viết chuyên môn của VIOX. Đối với các câu hỏi về biên tập, vui lòng liên hệ [email protected].

Bảo vệ chống xung cho VFD: Nguồn, 24 VDC, I/O PLC & các đường tín hiệu