Các phần tử khống chế tự động truyền động điện

®m i i t RN Trong thực tế sử dụng, dòng ñiện ñịnh mức của rơle nhiệt thường ñược chọn bằng dòng ñiện ñịnh mức của ñộng cơ ñiện cần ñược bảo vệ quá tải, sau ñó chỉnh ñịnh giá trị của dòn

CH¦¥NG 5

CH¦¥NG 5 C¸C PHÇN Tö KHèNG CHÕ Tù §éNG C¸C PHÇN Tö KHèNG CHÕ Tù §éNG C¸C PHÇN Tö KHèNG CHÕ Tù §éNG

TRUYÒN §éNG §IÖN

Các phần tử khống chế là các phần tử tham gia vào mạch khống chế ñể khống chế một hệ Tðð với chức năng ñiều khiển hoặc bảo vệ Khống chế có thể là bằng tay hoặc tự ñộng Mỗi phần tử khống chế có thể chỉ giữ chức năng ñiều khiển hoặc chức năng bảo vệ hoặc giữ ñồng thời cả hai chức năng

5.1 Các phần tử bảo vệ

5.1.1 Cầu chảy

Cầu chảy là một loại khí cụ dùng ñể bảo vệ cho thiết bị ñiện và tránh lưới ñiện khỏi dòng ñiện ngắn mạch (hay còn gọi là ñoản mạch, chập mạch)

Bộ phận cơ bản của cầu chảy là dây chảy Dây chảy thường làm bằng các chất có nhiệt

ñộ nóng chảy thấp Với những dây chảy trong mạch có dòng ñiện làm việc lớn, có thể làm bằng các chất có nhiệt ñộ nóng chảy cao nhưng tiết diện nhỏ thích hợp

Dây chảy thường là những dây chì tiết diện tròn hoặc bằng các lá chì, kẽm, hợp kim chì thiếc, nhôm hay ñồng ñược dập, cắt theo các hình dạng như hình 5.1 Dây chảy ñược kẹp chặt bằng vít vào ñế cầu chảy, có nắp cách ñiện ñể tránh hồ quang bắn tung tóe ra xung quanh khi dây chảy ñứt

t(s)

I(A) 0

l

K

2 1 3

i

®m i gh

ðặc tính cơ bản của dây chảy là ñặc tính thời gian - dòng ñiện A-s như ñường 1 hình 5.2 Dòng ñiện qua dây chảy càng lớn, thời gian chảy ñứt càng nhỏ

ðể bảo vệ ñược ñối tượng cần bảo vệ với một dòng ñiện nào ñó trong mạch, dây chảy phải ñứt trước khi ñối tượng bị phá huỷ Do ñó, ñường ñặc tính A - s của dây chảy là ñường 1 phải nằm dưới ñặc tính của ñối tượng cần bảo vệ (ñường 2)

Thực tế thì dây chảy thường có ñặc tính như ñường 3 Như vậy trong miền quá tải lớn, ñường 3 thấp hơn ñường 2 thì cầu chảy bảo vệ ñược ñối tượng Ngược lại trong miền quá tải nhỏ (1,5÷2)Iñm, cầu chảy không bảo vệ ñược ñối tượng, trường hợp này dòng quá tải nhỏ, sự

Hình 5.1 - Một số hình dạng

dây chảy lá Hình 5.2 - ðặc tính A-s của dây chảy

Trị số dòng ñiện mà dây chảy ñứt ñược gọi là dòng ñiện giới hạn Rõ ràng cần có Igh >

I®m ñể dây chảy không bị ñứt khi làm việc với dòng ñiện ñịnh mức

- ðối với dây chảy chì:

dm

I

Igh = (1,25 ÷ 1,45)

CC

- Dây chảy hợp kim chì thiếc:

dm

I

Igh = 1,15

- Dây chảy ñồng:

dm

I

Igh = (1,6 ÷ 2)

5.1.2 Rơle nhiệt

Rơle nhiệt là phần tử dùng ñể bảo vệ các thiết bị ñiện (ñộng cơ) khỏi bị quá tải

Rơle nhiệt có dòng ñiện làm việc tới vài trăm Ampe, ở lưới ñiện một chiều tới 440V và xoay chiều tới 500V, tần số 50Hz

Nguyên lý cấu tạo của rơle nhiệt ñược biểu diễn ở hình 5.4 Mạch lực cần bảo vệ quá tải ñược mắc nối tiếp với phần tử ñốt nóng 1 Khi có dòng ñiện phụ tải chảy qua, phần tử ñốt nóng 1 sẽ nóng lên và tỏa nhiệt ra xung quanh Băng kép 2 khi bị ñốt nóng sẽ cong lên trên, rời khỏi ñầu trên của ñòn xoay 3 Lò xo 6 sẽ kéo ñòn xoay 3 ngược chiều kim ñồng hồ ðầu dưới ñòn xoay 3 sẽ quay sang phải và kéo theo thanh cách ñiện 7 Tiếp ñiểm thường ñóng 4

mở ra, cắt mạch ñiều khiển ñối tượng cần bảo vệ

Khi sự cố quá tải ñã ñược giải quyết, băng kép 2 nguội và cong xuống nhưng chỉ tỳ lên ñầu trên của ñòn xoay 3 nên tiếp ñiểm 4 không thể tự ñóng lại ñược Muốn rơle hoàn toàn trở

về trạng thái ban ñầu ñể tiếp tục nhiệm vụ bảo vệ quá tải, phải ấn nút hồi phục 5 ñể ñẩy ñòn xoay 3 quay thuận chiều kim ñồng hồ và ñầu tự do của băng kép sẽ tụt xuống giữ ñòn xoay 3

ở vị trí ñóng tiếp ñiểm 4

ðặc tính thời gian - dòng ñiện (A-s): Dòng ñiện quá tải càng lớn thì thời gian tác ñộng của rơle nhiệt càng ngắn

Hình 5.3 - Ký hiệu cầu chảy trên sơ ñồ ñiện

Hình 5.4 - Nguyên lý cấu tạo và làm việc của rơle nhiệt

®m

i i t

RN

Trong thực tế sử dụng, dòng ñiện ñịnh mức của rơle nhiệt thường ñược chọn bằng dòng ñiện ñịnh mức của ñộng cơ ñiện cần ñược bảo vệ quá tải, sau ñó chỉnh ñịnh giá trị của dòng ñiện tác ñộng là: Itñ = (1,2 ÷ 1,3)Iñm

Tác ñộng của rơle nhiệt bị ảnh hưởng của môi trường xung quanh, khi nhiệt ñộ môi trường xung quanh tăng, rơle nhiệt sẽ tác ñộng sớm hơn nghĩa là dòng ñiện tác ñộng bị giảm Khi ñó cần phải hiệu chỉnh lại Itñ

Rơle bảo vệ quá nhiệt loại LR9F của hãng Schneider Electric:

+ Sơ ñồ nối bảo vệ (cho ñộng cơ xoay chiều):

(1) Thiết bị ngắt khi quá tải nhiệt; (2) Báo ñộng quá nhiệt; (3) ðặt (ñiều chỉnh) dòng ñiện (4) Mạch chuyên dụng

Hình 5.5 - ðặc tính thời gian dòng ñiện

của rơle nhiệt

Hình 5.6 - Ký hiệu của rơle nhiệt a) Phần tử ñốt nóng; b) tiếp ñiểm thường

ñóng có nút hồi phục

5.1.3 Áptômat

Áptômat là khắ cụ ựiện ựóng mạch bằng tay và cắt mạch tự ựộng khi có sự cố như: Quá tải, ngắn mạch, sụt áp

đôi khi trong kỹ thuật cũng sử dụng áptômat ựể ựóng cắt không thường xuyên các mạch ựiện làm việc ở chế ựộ bình thường

Kết cấu các áptômat rất ựa dạng và ựược chia theo chức năng bảo vệ: áptômat dòng ựiện cực ựại, áptômat dòng ựiện cực tiểu, áptômat ựiện áp thấp, áptômat công suất ngược Hình 5.7 trình bày nguyên lý làm việc của một áptômat dòng ựiện cực ựại Áptômat dòng ựiện cực ựại ựược dùng ựể bảo vệ mạch ựiện khi quá tải và khi ngắn mạch

Hình 5.7 - Nguyên lý làm việc của aptômát dòng

ựiện cực ựại

Hình 5.8 - Ký hiệu của aptômát

trên sơ ựồ ựiện

Sau khi ñóng áptômat bằng tay, áptômat cấp ñiện cho mạch cần ñược bảo vệ Lúc này mấu của các chốt ở ñầu cần 4 và ñòn 5 móc vào nhau ñể giữ tiếp ñiểm ñộng tỳ vào tiếp ñiểm tĩnh Khi dòng ñiện vượt quá chỉ số chỉnh ñịnh của áptômat qua lực căng của lò xo 3, cuộn ñiện từ 1 nối tiếp với mạch lực sẽ ñủ lực, thắng lực cản của lò xo 3 và hút nắp từ ñộng 2, làm cần 4 quay nhả móc chốt Lò xo 6 kéo rời tiếp ñiểm ñộng ra khỏi tiếp ñiểm tĩnh ñể cắt mạch Chỉnh ñịnh dòng ñiện cực ñại có thể bằng nhiều cách, chẳng hạn qua chỉnh lực căng lò

xo 3 tăng theo dòng ñiện cực ñại mà áptômat phải cắt

Ký hiệu của áptômat trên sơ ñồ ñiện như hình 5.8

5.2 Các phần tử ñiều khiển

5.2.1 Công tắc

Công tắc là khí cụ ñóng - cắt bằng tay hoặc bằng tác ñộng cơ khí ở lưới ñiện hạ áp Công tắc có loại thường hở hoặc thường kín, có loại dùng ñể ñóng cắt trực tiếp mạch chiếu sáng hay mạch ñộng lực có công suất nhỏ, có loại chỉ dùng trong mạch ñiều khiển Hình dáng, cấu tạo của công tắc rất ña dạng song về nguyên lý ñều có các tiếp ñiểm ñộng và tĩnh mà ở vị trí này của công tắc thì tiếp ñiểm ñộng tiếp xúc với tiếp ñiểm tĩnh, còn ở

vị trí khác thì tiếp ñiểm ñộng rời khỏi tiếp ñiểm tĩnh Do vậy, mạch ñiện ñược nối thông hoặc

bị cắt tuỳ theo vị trí của công tắc Số các tiếp ñiểm của các loại công tắc cũng nhiều ít khác nhau tuỳ theo mục ñích sử dụng Việc ñóng cắt các tiếp ñiểm cũng có thể theo các nguyên tắc

cơ khí khác nhau: có loại lẫy, có loại xoay

CT

NO

NC

Công tắc hành trình ñược lắp ñặt tại một vị trí trên hành trình nào ñó trong một hệ Tðð

ñể ñóng, cắt mạch ñiều khiển Nó ñược dùng ñể ñiều khiển Tðð theo vị trí hoặc ñể bảo vệ, ñảm bảo an toàn cho một chuyển ñộng ở cuối hành trình

Một số loại công tắc hành trình của hãng Schneider:

Hình 5.9 - Ký hiệu tiếp ñiểm công tắc trên sơ ñồ ñiện

a) Tiếp ñiểm công tắc; b) Tiếp ñiểm công tắc hành trình

5.2.2 Nút ấn

Nút ấn (hay nút bấm, nút ñiều khiển) dùng ñể ñóng-cắt mạch ở lưới ñiện hạ áp

Nút ấn thường ñược dùng ñể ñiều khiển các rơle, côngtắctơ, chuyển ñổi mạch tín hiệu, bảo vệ Sử dụng phổ biến nhất là dùng nút ấn trong mạch ñiều khiển ñộng cơ ñể mở máy, dừng và ñảo chiều quay

Hình 5.10 trình bày kết cấu 1 số nút ấn và kí hiệu của chúng trên bản vẽ ñiện

Một số loại nút ấn thường ñóng dùng trong mạch bảo vệ hoặc mạch dừng còn có chốt khóa Khi bị ấn, nút tự giữ trạng thái bị ấn Muốn xóa trạng thái này, phải xoay nút ñi một góc nào ñó

5.2.3 Cầu dao

Cầu dao là khí cụ ñóng-cắt mạch ñiện bằng tay ở lưới ñiện hạ áp Cầu dao là khí cụ ñiện phổ biến trong dân dụng và trong công nghiệp và ñược dùng ở mạch công suất nhỏ với số lần ñóng cắt rất nhỏ

Khi ngắt cầu dao, thường xảy ra hồ quang mạnh ðể dập tắt hồ quang nhanh, cần phải kéo lưỡi dao ra khỏi kẹp nhanh Tốc ñộ kéo tay không thể nhanh ñược nên người ta làm thêm lưỡi dao phụ như hình Lưỡi dao phụ 3 cùng lưỡi dao chính 1 kẹp trong kẹp 2 lúc ñầu dẫn ñiện Khi ngắt, tay kéo lưỡi dao chính 1 ra trước còn lưỡi dao phụ 3 vẫn bị kẹp lại trong kẹp 2

Lò xo 4 bị kéo căng và tới một mức nào ñó sẽ bật nhanh, kéo lưỡi dao phụ 3 ra khỏi kẹp 2 Do vậy, hồ quang sẽ bị kéo dài nhanh và bị dập tắt trong thời gian ngắn

Cầu dao có thể là một cực, hai cực hoặc ba, bốn cực và có thể ñóng chỉ về một ngả hoặc ñóng về hai ngả Ký hiệu các cầu dao như trên hình vẽ

Cầu dao ñược phân loại theo ñiện áp (250V, 500V, ), theo dòng ñiện (5A, 10A, ) và có loại hở, có loại có hộp bảo vệ Cầu dao thường dùng kết hợp với cầu chảy ñể bảo vệ khỏi ngắn mạch

a)

b)

Hình 5.10 - a) Nguyên lý cấu tạo của nút ấn thường ñóng, thường

mở, và kết hợp; b) Ký hiệu nút ấn thường mở, thường ñóng

CD

CC

5.2.4 Bộ khống chế

Bộ khống chế là khí cụ dùng ñể ñiều khiển gián tiếp (qua mạch ñiều khiển) hoặc ñiều khiển trực tiếp (qua mạch ñộng lực) các thiết bị ñiện

Bộ khống chế ñiều khiển gián tiếp còn gọi là bộ khống chế từ hay khống chế chỉ huy

Bộ khống chế ñiều khiển trực tiếp còn gọi là bộ khống chế ñộng lực

Bộ khống chế là khí cụ ñóng-cắt ñồng thời nhiều mạch (ñiều khiển hoặc ñộng lực hoặc

cả ñiều khiển lẫn ñộng lực) nhờ tay quay hay vô lăng quay ñể ñiều khiển một quá trình nào ñó như mở máy, ñiều chỉnh tốc ñộ, ñảo chiều, hãm ñiện

Về nguyên lý có hai loại bộ khống chế:

- Bộ khống chế ñộng lực khi mà các tiếp ñiểm của nó ñóng - cắt trực tiếp các phần tử trong mạch ñộng lực của hệ truyền ñộng Nó thường dùng ñể khống chế các ñộng cơ truyền ñộng các cơ cấu máy sản xuất có công suất nhỏ với chế ñộ làm việc nhẹ nhàng hoặc trung bình

- Bộ khống chế từ gồm bộ khống chế chỉ huy và hệ thống rơle và côngtăctơ

Các tiếp ñiểm của bộ khống chế chỉ huy ñóng – cắt các phần tử trong mạch lực của hệ truyền ñộng một cách gián tiếp thông qua hệ thống tiếp ñiểm của các phần tử trung gian như rơle và côngtăctơ Bộ khống chế từ thường dùng ñể ñiều khiển các ñộng cơ truyền ñộng các

cơ cấu máy sản xuất có công suất trung bình và lớn làm việc trong chế ñộ nặng nề và rất nặng

nề với số lần ñóng cắt ñiện lớn (hơn 600 lần/giờ)

Hình 5.11 - Cầu dao 2 cực Hình 5.12 - Cầu dao có lưỡi dao phụ

Hình 5.13 - Ký hiệu cầu dao trên sơ ñồ ñiện

Ngoài ra bộ khống chế ñược chia ra theo dòng ñiện một chiều hoặc xoay chiều và tuỳ theo cấu tạo còn có bộ khống chế hình trống hay bộ khống chế hình cam

Hình 5.14 trình bày nguyên lý cấu tạo một bộ khống chế hình trống Tang trống 1 có trục quay 2 ñược quay từng vị trí nhờ vôlăng 3 Trên tang trống có gắn các ñoạn vành trượt 4 (vành tiếp xúc ñộng) Các vành này có thể ñược nối với nhau bằng thanh nối 6 Do vậy mà các má ñồng tiếp xúc tĩnh 7 và 8 gắn trên thanh 11 có thể ñược nối liền mạch qua hai vành tiếp xúc ñộng 4 và 5 ở một góc quay tương ứng nào ñó Vị trí quay ñược chỉ trên ñĩa chia ñộ

cố ñịnh 12

0 1' 2' 3'

Sơ ñồ nối tiếp ñiểm cho trên hình 5.14b Các dấu chấm chỉ rõ vị trí của bộ khống chế

mà các tiếp ñiểm tương ứng ñược nối thông Những tiếp ñiểm không có dấu chấm thì các tiếp ñiểm bị mở Ví dụ như trên hình 5.14b thì tiếp ñiểm 9,10 ñược nối thông tại các vị trí 3', 0, 1,

2 và 3

Bộ khống chế hình trống có kết cấu cồng kềnh, phức tạp và chương trình ñóng-ngắt tiếp ñiểm không thay ñổi ñược Bộ khống chế hình cam khắc phục ñược một phần nhược ñiểm trên

Hình 5.15 cho nguyên lý cấu tạo của một bộ khống chế hình cam kiểu vôlăng Cấu tạo của nó gồm nhiều ñơn nguyên (hình 5.15b) lắp trên trục gắn với vôlăng quay có vỏ bảo vệ bằng ximăng amiăng 3 Cấu tạo của một ñơn nguyên gồm tiếp ñiểm tĩnh 1 gắn trên giá ñỡ 10

là chất cách ñiện Tiếp ñiểm ñộng 9 gắn trên tay ñòn 8, có thể quay xung quanh trục 5 ðầu cuối của tay ñòn 8 có con lăn 6 và bánh cam 2 lắp trên trục 7 Khi quay vôlăng 4, bánh cam 2

sẽ ép vào con lăn 6 (phần lồi của bánh cam 2) làm cho tay ñòn 8 quay ñi và tiếp ñiểm 9 và 1

sẽ hở ra và ngược lại ở phần lõm của cam 2, tiếp ñiểm 9 và 1 kín

Bộ khống chế hình cam có tần số ñóng cắt lớn (vài ngàn lần/giờ) hơn bộ khống chế hình trống (vài trăm lần/giờ) và thao tác dứt khoát hơn bộ khống chế hình trống do lực tiếp xúc khỏe hơn

Lựa chọn một bộ khống chế phải căn cứ vào ñiện áp ñịnh mức của mạch thao tác và quan trọng hơn là dòng ñiện cho phép ñi qua các tiếp ñiểm ở chế ñộ làm việc liên tục và ngắn hạn lặp lại (liên quan ñến tần số ñóng-cắt/giờ)

Hình 5.14 - Bộ khống chế hình trống: a) Cấu tạo; b) Sơ ñồ tiếp ñiểm

a)

b)

Trị số dòng ñiện của tiếp ñiểm bộ khống chế ñộng lực thường ñược chọn với hệ số dự trữ là 1,2 ñối với dòng ñiện một chiều:

I = 12 103

U

P

và là 1,3 ñối với dòng xoay chiều:

3 3 1

U

P

Trong ñó P là công suất ñộng cơñiện (kW), U là ñiện áp ñịnh mức nguồn cung cấp

5.2.5 Công tắc tơ

Côngtắctơ là khí cụ ñiện ñiều khiển từ xa dùng ñể ñóng-cắt các mạch ñiện ñộng lực ở ñiện áp tới 500V và các dòng ñiện tới vài trăm, vài nghìn ampe

Tuỳ theo dòng ñiện sử dụng, côngtắctơ chia ra loại một chiều và loại xoay chiều

Phần tử chính của một côngtắctơ là cuộn hút ñiện từ K và hệ thống các tiếp ñiểm Khi cuộn K không có ñiện, lò xo kéo cần C mở các tiếp ñiểm ñộng lực (tiếp ñiểm chính) a, b, c và tiếp ñiểm phụ 1, ñóng tiếp ñiểm phụ 2 Các tiếp ñiểm 1, a, b, c gọi là tiếp ñiểm thường mở Tiếp ñiểm 2 gọi là tiếp ñiểm thường ñóng

Hình 5.15 - Bộ khống chế hình cam

Khi cấp ñiện cho cuộn K, miếng sắt Fe bị hút, kéo căng lò xo LX và cần C sẽ ñóng các tiếp ñiểm a, b, c, 1 và mở tiếp ñiểm 2

Tuỳ theo mục ñích sử dụng mà các tiếp ñiểm ñược nối vào mạch lực hay mạch ñiều khiển một cách thích hợp

Một số loại Côngtăctơ của hãng Melin Gerin:

5.3 Rơle

Rơle là loại khí cụ ñiện tự ñộng dùng ñể ñóng-cắt mạch ñiều khiển, hoặc mạch bảo vệ,

ñể liên kết giữa các khối ñiều khiển khác nhau, thực hiện các thao tác logic theo một quá trình công nghệ

Rơle có rất nhiều loại với các nguyên lý làm việc và chức năng khác nhau Các rơle ñược phân loại theo nhiều cách sau:

Hình 5.16 - Nguyên lý cấu tạo của một côngtắctơ

Loại một tiếp ñiểm và hai tiếp ñiểm

Loại 4 tiếp ñiểm

- Theo nguyên lý làm việc có: rơle ñiện từ, rơle từ ñiện, rơle ñiện ñộng, rơle cảm ứng, rơle nhiệt, rơle quang, rơle ñiện tử

- Theo ñại lượng ñiện ñầu vào có: rơle dòng ñiện, rơle ñiện áp, rơle công suất, rơle tổng trở, rơle tần số, rơle lệch pha

- Theo dòng ñiện có: rơle một chiều, rơle xoay chiều

- Theo nguyên lý tác ñộng của cơ cấu chấp hành có: rơle tiếp ñiểm và rơle không tiếp ñiểm

- Theo trị số và chiều ñại lượng ñầu vào có: rơle cực ñại, rơle cực tiểu, rơle sai lệch, rơle hướng

- Theo cách mắc cơ cấu thu (như cuộn hút trong rơle ñiện từ) vào mạch, rơle ñược chia ra: rơle sơ cấp (cơ cấu thu nối thẳng vào mạch) và rơle thứ cấp (cơ cấu thu nối vào mạch qua biến áp, biến dòng hay ñiện trở)

5.3.1 Rơle ñiện từ

Rơle ñiện từ là loại rơle ñơn giản nhất và dùng rộng rãi nhất Rơle làm việc dựa trên nguyên lý ñiện từ và về kết cấu, nó tương tự như côngtắctơ nhưng chỉ ñóng-cắt mạch ñiện ñiều khiển, không trực tiếp dùng trong mạch lực

Hình 5.17a trình bày nguyên lý kết cấu một rơle ñiện từ một chiều kiểu bản lề Cuộn nam châm ñiện 1 quấn quanh lõi sắt 2 Hai ñầu dây cuộn 1 nối ra 2 chấu cắm 8 Nắp từ ñộng 3 ñược lò xo 4 kéo bật lên ñể tiếp ñiểm ñộng 5 (tiếp ñiểm chung COM) tỳ vào tiếp ñiểm tĩnh 6 thành tiếp ñiểm thường kín NC, còn tiếp ñiểm tĩnh 7 bị hở mạch (tiếp ñiểm thường mở NO) Khi cuộn ñiện từ ñược cấp ñiện, nó sẽ hút nắp từ ñộng và tiếp ñiểm NO ñược nối với tiếp ñiểm COM, tiếp ñiểm NC bị ngắt khỏi tiếp ñiểm COM

Hình 5.17b là nguyên lý làm việc của một rơle ñiện từ dạng piston với tiếp ñiểm ñộng dạng bắc cầu 2 Cuộn hút rơle 1 là xoay chiều

Qua cách làm việc của rơle ñiện từ, ta có thể thấy một rơle có 3 phần chính: cơ cấu thu,

cơ cấu trung gian và cơ cấu chấp hành

- Cuộn hút ñiện từ là cơ cấu thu vì nó tiếp nhận tín hiệu ñầu vào (dòng ñiện, ñiện áp) và khi ñạt một giá trị xác ñịnh nào ñó thì rơle tác ñộng

Hình 5.17 - Nguyên lý kết cấu của rơle ñiện từ