Cấp điện hiện trường cho máy gia nhiệt cảm ứng trung tần: công suất, tổ máy phát, sụt áp cáp và sóng hài

Vì sao hệ thống cấp điện tại hiện trường hay bị bỏ qua nhất

Thảo luận chọn thiết bị thường dừng ở câu «bao nhiêu kW, tần số nào, dùng cuộn cảm ra sao». Nhưng khi máy về hiện trường, thứ chặn đường đầu tiên thường không phải quá trình gia nhiệt mà là hệ thống cấp điện: công suất máy biến áp không đủ, aptomat cắt ngay khi đóng, cáp kéo 80 m làm điện áp cuối nguồn tụt, tổ máy phát không gánh nổi, hoặc servo drive trên cùng thanh cái bắt đầu báo lỗi.

Tải của máy gia nhiệt cảm ứng trung tần có ba đặc điểm khác hoàn toàn lò điện trở:

• Mật độ công suất cao: vài chục kW dồn trong tủ và cuộn cảm nhỏ, khởi động là đầy tải ngay;
• Tải phi tuyến: cấu trúc AC—DC—AC, phía trước là bộ chỉnh lưu, dạng sóng dòng không sin;
• Chế độ làm việc không liên tục: cả ngày có thể chỉ gia nhiệt vài chục chi tiết, nhưng mỗi chi tiết là một cú đầy tải.

Ba điểm này khiến thiết kế cấp điện không thể sao chép kinh nghiệm «tải động cơ». Phần dưới tách thành «công suất — nguồn — đường dây — nhiễu — an toàn».

Tính ngược từ công suất đầu vào: kVA, dòng điện và hệ số đồng thời

Bước đầu là đổi công suất trên nhãn máy thành công suất biểu kiến mà phía cấp điện thực sự cần. Cần phân biệt: 60 kW trên nhãn thường là công suất đầu vào định mức (công suất tác dụng lấy từ lưới), không phải toàn bộ nhiệt đưa vào chi tiết — phần sau còn phải nhân hiệu suất ghép của cuộn cảm và hiệu suất nhiệt.

S = P_in / PF　[kVA]　　I = S / (√3 · U)　[A]

Sau chỉnh lưu và nghịch lưu, hệ số công suất của nguồn trung tần thường 0,85–0,92; loại có lọc thụ động hoặc hiệu chỉnh hệ số công suất chủ động có thể trên 0,95. Bảng dưới tính với PF = 0,90, lưới 400 V ba pha:

Công suất vào định mức	Công suất biểu kiến S (PF=0,90)	Dòng vào 400 V	Aptomat đề nghị
10 kW	11,1 kVA	16 A	20 A
25 kW	27,8 kVA	40 A	50 A
40 kW	44,4 kVA	64 A	80 A
60 kW	66,7 kVA	96 A	125 A

Khi nhiều máy dùng chung một tuyến cấp phải nhân hệ số đồng thời, thường lấy 0,6–0,8. Nhưng có một bẫy: đường công suất của máy gia nhiệt trong giai đoạn tăng nhiệt là đầy tải liên tục, không phải xung nhất thời như động cơ. Nếu hai máy cùng vào giai đoạn tăng nhiệt (ví dụ gá gia nhiệt hai vị trí đồng thời) thì hệ số đồng thời phải lấy 1,0, nếu không máy biến áp sẽ quá tải đúng mười phút cần nhất.

Máy biến áp, aptomat và tổ máy phát điện di động

Hai kinh nghiệm thường dùng: công suất máy biến áp lấy 1,2–1,3 lần phụ tải tính toán; aptomat đầu vào chỉnh theo 1,1–1,25 lần dòng định mức. Điều trước dự phòng trường hợp điện áp thấp làm dòng tăng (tải công suất không đổi tự tăng dòng), điều sau tránh dòng xung nạp tụ khi đóng aptomat.

• Không dùng chung tuyến với biến tần công suất lớn: hai tải phi tuyến cộng dồn làm méo điện áp tăng gấp bội và nhiễu lẫn nhau về chỉnh định bảo vệ;
• Kiểm tra thanh cái và đầu cực theo độ tăng nhiệt: nhiệt độ trong tủ cao hơn phòng điện 10–15 ℃, dòng định mức của cáp 25 mm² trong tủ có thể chỉ còn 80% so với khi đi trên máng;
• Không cấp điện qua ổ có RCD thông thường: thiết bị trung tần có dòng rò điện dung xuống đất, RCD loại AC 30 mA sẽ cắt liên tục. Hiện tượng «vừa bật đã cắt» phần lớn do nguyên nhân này chứ không phải máy hỏng.

Khi không có lưới tin cậy — điện gió, ngoài khơi, đường ống, sửa chữa đường sắt — phải dùng tổ máy phát diesel. Công suất không thể tính kiểu «máy 60 kW ghép tổ 60 kW» vì ba lý do: tải chỉnh lưu buộc máy phát giảm định mức (thường còn 0,7–0,8); độ điều chỉnh điện áp và tần số khi đóng tải đột ngột có thể khiến nguồn trung tần vào bảo vệ thấp áp; và công suất liên tục khác công suất dự phòng trên nhãn.

Ước lượng thực dụng: công suất PRP của tổ ≈ 1,4–1,6 lần công suất vào định mức. Máy 60 kW nên dùng tổ 90–100 kVA (PRP); nếu còn chiếu sáng, máy nén khí, bơm nước thì cộng thêm. Ưu tiên máy phát đồng bộ có AVR; tổ inverter cỡ nhỏ có khả năng quá tải kém, dạng sóng méo, dễ mất đồng bộ khi gánh tải chỉnh lưu.

Cáp điện: sụt áp, giảm định mức và cuộn cáp chưa tháo

Trực giác khi chọn cáp là «chọn theo dòng định mức», nhưng với tuyến tạm dài vài chục mét, sụt áp thường là điều kiện giới hạn trước dòng định mức. Sụt áp hệ ba pha:

ΔU = √3 · I · L · (R·cosφ + X·sinφ)　[V]

Ví dụ 60 kW (96 A), cosφ = 0,90, đồng 35 mm² (R ≈ 0,63 Ω/km, X ≈ 0,08 Ω/km):

Chiều dài cáp	Sụt áp ΔU	% so với 400 V	Kết luận
30 m	3,0 V	0,75%	Dùng được
50 m	5,0 V	1,25%	Dùng được
100 m	10,0 V	2,50%	Gần giới hạn, nên tăng một cấp tiết diện

Thông thường khống chế sụt áp cuối nguồn dưới 3% (gồm cả máy biến áp và thiết bị đóng cắt); tuyến tạm đường dài có thể nới đến 5%, nhưng đổi lại công suất gia nhiệt giảm và chu kỳ dài hơn.

Ba lỗi hay gặp tại hiện trường:

• Không tháo cuộn cáp: tản nhiệt rất kém, dòng định mức có thể chỉ còn một nửa so với đi rời;
• Dùng 3×16 mm² kéo 60 kW: ở 50 m sụt áp đã 2,6%, cộng giảm định mức do đầu cực và cuộn, điện áp cuối nguồn thường dưới 370 V;
• Dùng cáp nước làm cáp nguồn: cáp nước giữa cuộn cảm và nguồn được thiết kế theo dòng trung tần và điều kiện cộng hưởng; nối dài tùy ý sẽ đổi điện cảm mạch và ảnh hưởng điểm cộng hưởng.

Sóng hài, hệ số công suất và «hàng xóm trên cùng máy biến áp»

Phía trước nguồn trung tần là cầu chỉnh lưu; loại 6 xung điển hình có THDi khoảng 25%–40% khi đầy tải (chưa lọc). Khi đổ vào thanh cái hạ áp, sóng hài gây hai hệ quả:

• Méo điện áp ảnh hưởng tải nhạy: PLC, servo, cân điện tử, biến tần trên cùng thanh cái có thể lỗi truyền thông hoặc mất xung encoder;
• Tủ tụ bù cộng hưởng với sóng hài: nhiều người thấy PF thấp liền lắp tụ bù, nhưng tụ và điện kháng tản của máy biến áp có thể cộng hưởng đúng tần số hài, khuếch đại méo điện áp nhiều lần, thậm chí cháy tụ.

Thứ tự khả thi:

1. Tách tuyến trước — tách thiết bị trung tần khỏi tải nhạy, chi phí thấp nhất và hiệu quả trực tiếp nhất;
2. Thêm lọc — lọc thụ động trong máy (cuộn kháng phía DC) đưa THDi xuống 10%–15%; lọc chủ động phù hợp khi nhiều máy tập trung một phòng điện;
3. Cuối cùng mới tính bù — phải đo sóng hài trước, chọn tủ bù có cuộn kháng nối tiếp, hoặc dùng loại AFE.

Xin lưu ý một hiểu lầm phổ biến: PF thấp không có nghĩa «công tơ quay nhanh hơn». Công tơ gia dụng đo công suất tác dụng; khách hàng công nghiệp mới bị tính theo nhu cầu hoặc PF. Với một thiết bị, PF ảnh hưởng công suất khả dụng của máy biến áp và cáp, không phải điện năng tiêu thụ.

Nối đất, RCD và ví dụ tính toán hiện trường 60 kW

Dòng rò của thiết bị trung tần gồm hai phần: rò qua tụ Y phía nguồn, và ghép điện dung tần số cao giữa cuộn cảm — chi tiết — khung máy. Cộng lại, dù cách điện tốt, dòng rò xuống đất cũng có thể vài chục mA, đủ để RCD loại AC 30 mA cắt. Cách làm đúng:

• Chọn thiết bị bảo vệ dòng dư loại B hoặc loại dành cho biến tần, giá trị tác động 100–300 mA, phối hợp chọn lọc với cấp trên;
• Tủ, khung máy và chi tiết nối đất riêng và liên kết đẳng thế, điện trở nối đất theo quy định hiện trường (thường ≤ 4 Ω);
• Cuộn cảm làm mát bằng nước nên có cảm biến lưu lượng và phát hiện rò, vì nước rò là nguyên nhân cắt máy phổ biến nhất khi vận hành.

Ghép các phần trên lại, bài tính cấp điện cho máy 60 kW tại hiện trường điện gió như sau:

Bước	Cách tính	Kết quả
1 Công suất tác dụng	Công suất vào định mức	60 kW
2 Công suất biểu kiến	60 / 0,90	66,7 kVA
3 Dòng vào	66,7 / (√3 × 0,4)	96 A
4 Chỉnh aptomat	96 × 1,25	125 A
5 Cáp	35 mm² × 50 m	Sụt áp 5,0 V (1,25%)
6 Máy biến áp	66,7 × 1,25	≥ 83 kVA, chọn 100 kVA
7 Tổ máy phát	60 × 1,5 theo PRP	90–100 kVA

Bảy bước này tính xong trên một tờ giấy, nhưng tránh được phần lớn việc làm lại kiểu «máy không hỏng mà vẫn không dùng được». Nên dùng bảng này làm checklist trước khi xuất phát: công suất, aptomat, chiều dài cáp, cách nối đất, và có tải nhạy trên cùng thanh cái hay không — xác nhận đủ năm mục rồi mới đóng thùng.