TRANG THIẾT BỊ ĐIỆN Tài liệu học tập

Tài liệu học tập Trang bị điện được biên soạn theo kế hoạch đào tạo và chương trình môn học Trang bị điện của sinh viên ngành Cơ điện tử thuộc khối kỹ thuật, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật công nghiệp. Tài liệu cung cấp cho đọc giả kiến thức về các Khí cụ điện thông dụng sử dụng trong sơ đồ mạch điện, cấu trúc trong hệ truyền động điện, các phương pháp khởi động, điều chỉnh tốc độ, phương pháp hãm động cơ trong các hệ truyền động từ đó phân tích cấu trúc, nguyên lý làm việc một số mạch điều khiển các máy cắt kim loại điển hình. Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật công nghiêp, Khoa Điện, Bộ môn Điện công nghiệp đã động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhóm tác giả hoàn thiện liệu học tập. Trong quá trình biên soạn không tránh khỏi còn nhiều sai sót, nhóm tác giả mong nhận được ý kiến đóng góp của các bạn đồng nghiệp và đọc giả để cuốn sách được hoàn thiện hơn. Địa chỉ: Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp, 456 Minh Khai, Hai Bà Trưng, Hà nội. Website: khoadien.uneti.edu.vn. Email: khoadienuneti.edu.vn. Ngày tháng năm 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP KHOA ĐIỆN TÀI LIỆU HỌC TẬP TRANG BỊ ĐIỆN SV Nghành Cơ điện tử Năm 2020 LỜI NÓI ĐẦU Tài liệu học tập Trang bị điện biên soạn theo kế hoạch đào tạo chương trình mơn học Trang bị điện sinh viên ngành Cơ điện tử thuộc khối kỹ thuật, Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật công nghiệp Tài liệu cung cấp cho đọc giả kiến thức về các Khí cụ điện thông dụng sử dụng sơ đồ mạch điện, cấu trúc hệ truyền động điện, các phương pháp khởi động, điều chỉnh tốc độ, phương pháp hãm động các hệ truyền động từ đó phân tích cấu trúc, nguyên lý làm việc một số mạch điều khiển các máy cắt kim loại điển hình Nhóm tác giả chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật công nghiêp, Khoa Điện, Bộ môn Điện công nghiệp đã động viên tạo điều kiện thuận lợi để nhóm tác giả hoàn thiện liệu học tập Trong quá trình biên soạn khơng tránh khỏi cịn nhiều sai sót, nhóm tác giả mong nhận ý kiến đóng góp các bạn đồng nghiệp đọc giả để ćn sách hồn thiện Địa chỉ: Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp, 456 Minh Khai, Hai Bà Trưng, Hà nội Website: khoadien.uneti.edu.vn Email: khoadien@uneti.edu.vn Ngày tháng năm 2020 CHƯƠNG 1: CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ ĐIỂN HÌNH MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG Mục tiêu chương nhằm trang bị cho sinh viên: - Khái niệm về các khí cụ điều khiển, đóng cắt bảo vệ, biết cấu tạo, nguyên lý hoạt đợng, hình ảnh thực tế ứng dụng các loại khí cụ điện hạ áp - Nắm phép toán logic một số phương pháp tối thiểu hàm logic, phương pháp mạch tổ hợp dựa vào mạch số rơ le 1.1 Các phần tử bảo vệ 1.1.1 Cầu chì a Khái niệm, đặc điểm, yêu cầu - Khái niệm Cầu chì (Cầu chảy) loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị điện lưới điện bị cố ngắn mạch - Đặc điểm Cầu chì có đặc điểm đơn giản, kích thứớc nhỏ, khả cắt lớn giá thành hạ nên ngày nó sử dụng rộng rãi - Các yêu cầu Các phần tử bản cầu chì dây chảy dùng để cắt mạch điện cần bảo vệ, thiết bị dập hồ quang để dập tắt hồ quang sau dây chảy đứt Các yêu cầu bản sau + Đặc tuyến ampe - giây cầu chì cần phải thấp đặc tính thiết bị bảo vệ + Khi có ngắn mạch cầu chì phải làm việc có chọn lọc theo trình tự.Đặc tính cầu chì phải ổn định + Cơng śt thiết bị bảo vệ tăng, cầu chì phải có khả cắt cao + Việc thay dây chảy phải dễ dàng tốn ít thời gian b Cầu chì hạ áp Dựa vào kết cấu có thể chia cầu chì thành các loại sau: - Loại hở: Loại không có vỏ bọc kín, thường chỉ gồm dây chảy, dập tắt hồ quang không khí nên không an toàn Loại liền với cầu dao dùng cho mạch điện có công suất nhỏ Có các cỡ định mức sau: 5A, 10A, 15A, 30A - Loại vặn: Dây chảy nối với nắp Nắp có dạng vít để vặn chặt vào đế Có các cỡ định mức sau: 5A, 10A, 15A, 20A, 25A, 30A, 60A, 100A ở điện áp 500V - Loại hộp: Hộp nắp đều làm sứ cách điện bắt chặt các tiếp xúc đồng Tiếp xúc có kết cấu đơn kép + Loại kín khơng có chất nhồi: Vỏ làm chất hữu (mợt loại xenlulơ) có dạng hình ớng mà ta thường gọi cầu chì ớng phíp Dây chảy đặt ống kín phíp, hai đầu có nắp đồng, có vít để vặn chặt kín, dây chảy nối chặt với các cực tiếp xúc các vịng đệm đờng + Loại kín có chất nhồi: vỏ cầu chì làm sứ có dạng hình chữ nhật Trong vỏ có trụ trịn rỗng để đặt dây chảy, sau đó đổ đầy thạch anh, dây chảy hàn vào vịng đệm đờng bắt chặt vào phiến có cực tiếp xúc c Cầu chì cao áp - Cầu chì có chất nhời (Cầu chì ớng) - Cầu chì bắn (cầu chì tự rơi cầu chì cao áp ) Hình 1.1 Hình ảnh thực cầu chì hạ áp Hình 1.2 Hình ảnh thực cầu chì tự rơi (cao áp) d Lựa chọn cầu chì Chọn cầu chì theo điều kiện làm việc dài hạn điều kiện mở máy: - Cầu chì chọn cho làm việc ở chế độ dài hạn nhiệt đợ phát nóng nó phải nhỏ giá trị cho phép mở máy cầu chì khơng cắt mạch điện - Dịng điện định mức cầu chì I cc, định nghĩa dịng điện cực đại lâu dài qua dây chảy mà không làm dây chảy bị đứt, đó giá trị lớn nhất cho phép cầu chì - Cầu chì chọn cho Icc cầu chì thỏa mãn hai điều kiện sau: F 1tb =F tb I cc ≥ I tt I kd I cc ≥ C (1-1) (1-2) (1-3) Trong đó: Ikđ dòng điện khởi động lớn nhất phụ tải động điện Itt:là dịng điện tính toán tương đương với cơng śt Ptt thiết bị tiêu thụ điện - Đối với một động điện I kđ =K mm I đm (1-4) Kmm hệ sớ dịng điện khởi đợng Iđm dịng điện định mức đợng điện - Đối với nhiều động điện đặt một tuyến, khởi động riêng lẻ: I đm=∑ I đm+ ( k – ) I đmmax (1-5) ∑Iđm tổng dòng điện định mức tất cả đợng Iđmmax dịng điện định mức đợng có dịng điện mở máy lớn nhất C bợi sớ dịng điện mở máy đợng có dòng điện mở máy lớn nhất Chọn C với giá trị sau: + C = 2,5 đối với động có thời gian khởi động ngắn (3 đến 10s), khởi động nhẹ nhàng sau một thời gian dài khởi động lại + C = 1,6 ÷2,0 đối với động khởi động dài (đến 40s), khởi động khó khăn sau một thời gian ngắn lại khởi động trở lại Khi động khởi đợng nhẹ nhàng, cầu chì có quán tính nhiệt lớn, dịng điện định mức cầu chì Icc xác định đúng dòng điện tính toán (Icc = Itt) 1.1.2 Aptomat (Circuit Breaker) a Khái niệm chung Áptômát khí cụ điện tự động cắt mạch điện có cố: quá tải, ngắn mạch, sụt áp, truyền công suất ngược…trong các mạch điện hạ áp có điện áp định mức đến 660V xoay chiều 330V điện một chiều, có dòng điện định mức tới 6000A Những máy cắt hạ áp đại có thể cắt dòng điện tới 300kA Aptomat tên thường gọi thiết bị đóng cắt tự động (cầu dao tự động) Trong tiếng Anh thiết bị đóng cắt Circuit Breaker (viết tắt CB) Aptomat có chức bảo vệ quá tải ngắn mạch hệ thống điện Một số dịng Aptomat có thêm chức bảo vệ chớng dịng rị gọi aptomat chớng rị hay aptomat chớng giật Aptomat đơi cịn gọi theo cách ngắn gọn Át b Phân loại Aptomat Phân loại theo cấu tạo: - Aptomat dạng tép MCB (Miniature Circuit Breaker): bảo vệ quá tải ngắn mạch Hình 1.3 Aptomat dạng tép MCB hãng LS - Aptomat dạng khối MCCB (Moulded Case Circuit Breaker): bảo vệ quá tải ngắn mạch Hình 1.4 Aptomat dạng khối MCCB hãng Mitsubishi Phân loại theo chức năng: - Aptomat thường (bảo vệ quá tải, ngắn mạch): MCB, MCCB - Aptomat chớng rị: RCCB (Residual Current Circuit Breaker – aptomat chớng dòng rò dạng tép), RCBO (Residual Current Circuit Breaker with Overcurrent Protection – aptomat chớng dịng rị bảo vệ quá tải dạng tép), ELCB (Earth Leakage Circuit Breaker – aptomat chớng dịng rị bảo vệ quá tải dạng khối) Phân loại theo số pha / số cực: - Aptomat pha: cực - Aptomat pha + trung tính (1P+N): cực - Aptomat pha: cực - Aptomat pha: cực - Aptomat pha + trung tính (3P+N): cực - Aptomat pha: cực Phân loại theo dòng cắt ngắn mạch: - Dòng cắt thấp: thường dùng dân dụng Ví dụ: MCCB NF125-CV 3P 100A Mitsubishi có dòng cắt 10kA - Dịng cắt tiêu chuẩn: thường dùng cơng nghiệp Ví dụ: MCCB NF125-SV 3P 100A Mitsubishi có dòng cắt 30kA - Dòng cắt cao: thường dùng công nghiệp các ứng dụng đặc biệt Ví dụ: MCCB NF125-HV 3P 100A Mitsubishi có dòng cắt 50kA Phân loại theo khả chỉnh dòng: - Aptomat có dịng định mức khơng đổi Ví dụ MCCB NF400-SW 3P 400A Mitsubishi có dịng định mức 400A khơng thay đổi - Aptomat chỉnh dòng định mức Ví dụ MCCB NF400-SEW 3P 400A Mitsubishi có dòng định mức điều chỉnh từ 200A - 400A c Cấu tạo Hình 1.5 Cấu tạo Aptomat Cấu tạo Aptômát: gồm bộ phận - Hệ thống tiếp điểm - Hệ thống dập hồ quang - Cơ cấu truyền động đóng cắt - Phần tử bảo vệ - Hệ thống tiếp điểm: + Yêu cầu ở trạng thái đóng, điện trở tiếp xúc phải nhỏ để giảm tổn hao tiếp xúc + Chế tạo có dạng:  cấp tiếp điểm: Tiếp điểm làm việc + Tiếp điểm hồ quang  cấp tiếp điểm : Tiếp điểm làm việc + Tiếp điểm trung gian + Tiếp điểm hồ quang + Hoạt động:  Khi đóng mạch: Tiếp điểm hồ quang đóng trước sau đó đến Tiếp điểm trung gian đến Tiếp điểm làm việc  Khi ngắt mạch: Quy trình ngược lại so với đóng mạch Tiếp điểm làm việc ngắt trước đến Tiếp điểm trung gian đến Tiếp điểm hồ quang + Yêu cầu đối với vật liệu chế tạo tiếp điểm:  Phải chịu nhiệt độ hồ quang sinh  Thường làm hợp kim gốm như: Bạc – vonfram; đồng – vonfram; bạc – niken – graphit - Hệ thống dập hồ quang: Dập tắt hồ quang ngắt, không cho nó cháy lặp lại + Cấu tạo:  Đối với aptômát xoay chiều: Buồng dập hồ quang có cấu tạo kiểu dàn dập (như hình vẽ 1.5)  Đối với aptômát một chiều: Kết hợp nhiều buồng dập hồ quang có khe hẹp khe rộng - Cơ cấu truyền động đóng cắt áptơmát + Cơ cấu đóng cắt: Có dạng  Bằng tay: Dạng núm gạt núm ấn Iđm ≤ 600A  Bằng điện: Nam châm điện, động điện, hệ thống thủy lực Dùng đóng cắt từ xa có Iđm> 600A - Phần tử bảo vệ: gồm có phần tử + Bảo vệ quá tải: Kết cấu giống rơle nhiệt + Bảo vệ ngắn mạch: Kết cấu một rơle dịng điện + Bảo vệ sụt áp: Kết cấu giớng rơle điện áp + Bảo vệ dòng điện dư + Bảo vệ tổng hợp tổ hợp mạch điện tử d Nguyên lý hoạt động Aptomat dòng cực đại Hình 1.6 Cấu tạo áp tơ mát dịng cực đại Nam châm điện Phần ứng Lò xo cản Mấu Đòn Lò xo ngắt Bật áptômát hay áptômát ở trạng thái ON, mấu khớp với đòn 5, nam châm điện phần ứng tách rời (hay không hút nhau), lò xo ngắt giữ nguyên, tiếp điểm AB đóng Áptơmát làm việc bình thường Khi quá tải ngắn mạch, INC1 tăng lên, lực điện từ nam châm điện lớn lực cản lò xo 3, nam châm điện hút phần ứng x́ng làm mấu địn bật ra, lò xo ngắt kéo đòn về phía trái làm tiếp điểm AB mở ra, mạch điện bị ngắt e Cách lựa chọn áptômát Về sở lựa chọn: Dịng khởi đợng phần tử nhiệt I kd ≥ I ap = I mmmax n−1 (1-6) α mdt ∑ I n Trong đó: Kđt- Hệ số đờng thời I mmMax :Dịng điện khởi đợng lớn nhất một động n I :n Tổng các dịng điện định mức trừ đợng lớn nhất - Dịng khởi đợng cắt nhanh c̣n điện từ I kđcn ≥ ( 1,25 ÷ 1,5 ) I mm Trong đó: (1-7) Ikđcn- Dịng điện khởi động cắt nhanh Imm - Dòng điện mở máy (làm việc) - Tiết diện dây dẫn phải phù hợp với dịng khởi đợng k lđ I cp ≥ k bv I kđ (1-8) Trong đó: Icp - Dòng điện cho phép ở điều kiện lắp đặt bình thường klđ - Hệ sớ tính đến thay đổi điều kiện lắp đặt kbv – Bợi sớ dịng điện cho phép, phụ tḥc vào mạng điện điều kiện bảo vệ Các thông số kỹ thuật Aptomat: Iđm: Dòng điện định mức Ví dụ: MCCB 3P 250A 36kA, In = 250A Iđc: dịng hoạt đợng chỉnh phạm vi cho phép Aptomat Ví dụ aptomat chỉnh dòng 250A có thể điều chỉnh từ 125A đến 250A Uđm: Điện áp làm việc định mức Inm: Dòng cắt ngắn mạch khả chịu đựng dòng điện lớn nhất tiếp điểm giây Icnm: Khả chịu dòng ngắn mạch đơn vị thời gian Ics: khả cắt thực tế xảy cố thiết bị Khả phụ thuộc vào từng nhà sản xuất công nghệ chế tạo khác Ví dụ một hãng sản xuất có loại MCCB Ics = 50% Icu Ics = 100% Icu AT: Ampe Trip (dịng điện tác đợng) AF: Ampe Frame (dòng điện khung) Ví dụ NF250A 3P 200A NF250A 3P 250A đều có AF = 250A một cái tác đợng dịng vượt quá AT = 200A, mợt cái tác đợng dịng vượt quá AT = 250A Thông số AT/AF cho biết độ bền tiếp điểm đóng cắt Ví dụ Aptomat 250AT/400AF có độ bền cao Aptomat 250AT/250AF, kích thước aptomat 400AF lớn hơn, giá thành cao 1.2 Khí cụ điện điều khiển tay 1.2.1 Cầu dao a Khái niệm chung Cầu dao khí cụ điện đóng cắt tay ở lưới điện hạ áp Cầu dao dùng rất phổ biến mạch điện dân dụng công nghiệp ở dải công suất nhỏ tần suất đóng cắt bé Điện áp nguồn cung cấp đến 440V điện một chiều 660V điện xoay chiều Với điện áp cao cơng śt lớn cầu dao chỉ làm nhiệm vụ đóng cắt không tải b Phân loại và cấu tạo - Phân loại + Theo kết cấu: cầu dao chia làm loại cực, cực, cực + Theo cách đóng ngắt, cầu dao chia làm hai loại: đóng ngắt trực tiếp đóng ngắt từ xa + Theo điều kiện bảo vệ có loại không có hộp có loại có hộp + Theo dòng điện định mức loại: 15, 25, 30, 60, 75, 100, 200, 350, 600, 1000A + Theo vật liệu cách điện: có loại đế sứ, đế nhựa bakêlit, đế đá + Theo khả cắt có loại cắt không tải, có loại cắt có tải + Theo yêu cầu sử dụng: loại có cầu chì loại khơng có cầu chì - Ký hiệu cầu dao Hình 1.7 Cầu dao - Cấu tạo Lưỡi dao chính( tiếp điểm động) Tiếp điểm tĩnh( má dao) Lưỡi dao phụ Lò xo bật nhanh Tay cầm vật liệu cách điện Đế cách điện Hình 1.8 Cấu tạo cầu dao 10