Bộ điều khiển động cơ điện tử trong môi trường dễ nổ: Thách thức và giải pháp

Việc sử dụng bộ truyền động tần số biến thiên (VFD) đã giúp cải thiện hiệu quả và khả năng kiểm soát trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên, việc triển khai chúng trong môi trường dễ nổ đặt ra những thách thức bổ sung cần được quản lý cẩn thận để đảm bảo an toàn cho hoạt động.

Bảo vệ chống lại môi trường dễ nổ: Chúng ta cần biết những gì?
Để một môi trường được coi là nguy hiểm, ba yếu tố phải trùng nhau: vật liệu dễ cháy, oxy và nguồn đánh lửa. Động cơ được thiết kế để hoạt động trong những điều kiện này phải được bảo vệ để ngăn chặn ba yếu tố này kết hợp với nhau, hạn chế sự lan rộng của một vụ nổ có thể xảy ra.

1. Các hình thức bảo vệ phổ biến trong động cơ điện
Có nhiều hình thức bảo vệ khác nhau được áp dụng tùy thuộc vào loại môi trường và mức độ rủi ro:

• Ex nA (Không phát tia lửa điện): Ngăn ngừa việc tạo ra tia lửa điện hoặc hồ quang điện trong quá trình hoạt động bình thường.
• Ex e (An toàn bổ sung): Giảm thiểu rủi ro phát ra tia lửa điện và hồ quang điện, ngay cả trong điều kiện bất thường.
• Ex p (Thiết bị chịu áp suất): Động cơ được đặt bên trong vỏ bọc chịu áp suất để tránh tiếp xúc với khí dễ cháy.
• Ex d (Chống cháy): Ngăn ngừa sự lan truyền của vụ nổ bên trong động cơ.
• DIP (Bảo vệ chống bụi nổ): Ngăn bụi dễ cháy xâm nhập vào động cơ và gây ra hiện tượng đánh lửa.

2. Tác động của Biến tần (VFD)
VFD tạo ra nguồn điện không phải hình sin có thể dẫn đến một số vấn đề. Một trong những vấn đề chính là nhiệt độ tăng do mất năng lượng bên trong động cơ.

3. Sóng hài do VFD tạo ra ảnh hưởng đến chúng như thế nào?
VFD tạo ra sóng hài ảnh hưởng đến sự cô lập của động cơ và làm tăng tổn thất rôto. Điều này không chỉ tạo ra thêm nhiệt mà còn có thể làm giảm tuổi thọ của động cơ bằng cách ảnh hưởng đến các cuộn dây và tạo ra nguy cơ đánh lửa tiềm ẩn.

4. Các yếu tố quan trọng gây ra nhiệt độ tăng thêm trong động cơ VFD
Việc sử dụng VFD cũng tạo ra một số nguồn nhiệt bổ sung có thể ảnh hưởng tiêu cực đến động cơ:

• Tổn thất điện từ: Đây là nguyên nhân chính gây ra nhiệt độ tăng thêm, đặc biệt là trong các cuộn dây rôto.
• Đột biến điện áp tạm thời: Những đột biến này đè lên lớp cách điện của cuộn dây, làm giảm tuổi thọ của động cơ.
  Khởi động động cơ là một yếu tố quan trọng khác, vì dòng điện ban đầu có thể cao hơn dòng điện định mức từ 6 đến 10 lần, tạo ra ứng suất nhiệt đáng kể.

5. Thích ứng với Biến tần trong Khu vực Nguy hiểm
Một trong những thách thức lớn nhất là thích ứng với biến tần và động cơ trong khu vực nguy hiểm. Không phải tất cả các nhà sản xuất động cơ đều cung cấp biến tần tương thích, buộc người dùng phải kết hợp các sản phẩm từ các nhà cung cấp khác nhau. Việc thử nghiệm bổ sung là rất quan trọng để đảm bảo rằng sự kết hợp giữa động cơ và biến tần an toàn khi sử dụng trong môi trường dễ nổ.

6. Rủi ro khi kết hợp các sản phẩm từ các nhà cung cấp khác nhau
Không kiểm tra đúng cách sự kết hợp giữa động cơ và biến tần có thể dẫn đến những rủi ro bổ sung, vì điều kiện vận hành thay đổi đáng kể khi sử dụng VFD thay vì nguồn điện trực tiếp. Ngoài ra, việc lắp đặt động cơ ban đầu được cung cấp năng lượng bằng khởi động trực tuyến cần phải đánh giá cẩn thận để tránh các tình huống nguy hiểm.

7. Đảm bảo sử dụng VFD an toàn trong Khu vực dễ nổ
Việc sử dụng biến tần trong môi trường dễ nổ đòi hỏi phải lập kế hoạch tỉ mỉ và đánh giá chặt chẽ tất cả các yếu tố liên quan. Nhiệt độ, khả năng tương thích của hệ thống và an toàn cách điện là những khía cạnh quan trọng để tránh hỏng hóc và rủi ro đánh lửa. Bằng cách tuân thủ các quy định và thực hiện các thử nghiệm cần thiết, chúng tôi có thể đảm bảo hoạt động an toàn của động cơ trong các khu vực nguy hiểm.

----------

Electronic Motor Controllers in Explosive Atmospheres: Challenges and Solutions

The use of variable frequency drives (VFDs) has led to improved efficiency and control in various industrial applications. However, their implementation in explosive atmospheres presents additional challenges that must be carefully managed to ensure the safety of operations.

Protection against explosive atmospheres: What do we need to know?
For an atmosphere to be considered hazardous, three factors must coincide: flammable material, oxygen, and an ignition source. Engines designed to operate in these conditions must be protected to prevent these three elements from combining, limiting the spread of a possible explosion.

Common Forms of Protection in Electric Motors
There are various forms of protection that are applied depending on the type of atmosphere and the level of risk:

• Ex nA (Non-Sparking): Prevents the generation of sparks or electric arcs during normal operation.
• Ex e (Additional Safety): Minimizes the risk of sparks and arcs, even under abnormal conditions.
• Ex p (Pressurized Appliance): The engine is placed inside a pressurized enclosure to avoid contact with flammable gases.
• Ex d (Flame Proof): Prevents the spread of an explosion inside the engine.
• DIP (Explosive Dust Protection): Prevents flammable dust from entering the engine and causing ignition.

The Impact of Variable Frequency Drives (VFDs) 
VFDs introduce a non-sinusoidal power supply that can lead to several problems. One of the main ones is the increase in temperature due to energy losses inside the engine.

How Do VFD-Generated Harmonics Affect Them?
VFDs produce harmonics that affect motor isolation and increase rotor losses. Not only does this generate additional heat, but it can also reduce the life of the motor by affecting the windings and creating potential ignition hazards.

Critical Factors That Cause Extra Heat in VFD Engines
The use of VFDs also generates several additional heat sources that can have a negative impact on motors:

• Electromagnetic losses: These are the main cause of extra heat, especially in rotor windings.
• Transient voltage spikes: These spikes press on the winding insulations, reducing the life of the motor.
• Engine starting is another critical factor, as the initial current can be between 6 to 10 times higher than the rated current, generating considerable thermal stress.

Adaptation of Variable Frequency Drives in Hazardous Areas
One of the biggest challenges is the adaptation of drives and motors in hazardous areas. Not all motor manufacturers supply compatible drives, forcing users to combine products from different suppliers. Additional testing is critical to ensure that the motor and drive combination is safe for use in explosive atmospheres.

The Risk of Combining Products from Different Suppliers
Failure to properly test the motor and drive combination can lead to additional risks, as operating conditions change significantly when using a VFD instead of a direct power supply. In addition, installations of engines originally powered by in-line start require careful evaluation to avoid dangerous situations.

Ensuring Safe Use of VFDs in Explosive Zones
The use of variable frequency drives in explosive atmospheres requires meticulous planning and rigorous evaluation of all factors involved. Temperature, system compatibility and insulation safety are key aspects to avoid failures and ignition risks. By following regulations and performing the necessary tests, we can ensure the safe operation of engines in hazardous areas.