ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN
Các khái niệm cơ bản về dòng điện xoay chiều
2.1 Khái niệm và nguyên lý sản sinh ra dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều hình sin là dòng điện có chiều và trị số biến đổi theo quy luật của hàm số sin
2.1.2- Cách tạo ra sức điện động xoay chiều hình sin:
Sức điện động xoay chiều hình sin được tạo ra bằng máy phát điện xoay chiều một pha Về nguyên lý máy phát điện xoay chiều một pha gồm:
Hệ thống máy phát điện xoay chiều một pha bao gồm một phần cảm (cực từ) đứng yên và một bộ dây (phần ứng) quay trong lõi thép, cắt qua từ trường của các cực từ Trong cấu trúc này, phần đứng yên được gọi là stato, trong khi phần quay là rô to Hình 1.14 minh họa nguyên lý hoạt động của máy phát điện xoay chiều một pha một cách đơn giản.
- Phần cảm gồm nam châm có hai cực từ N-S.
Phần ứng bao gồm một khung dây, với hai đầu khung dây được kết nối với hai vành đồng Trên hai vành đồng này, có hai chổi than được nối vào phụ tải, cụ thể là một bóng đèn điện.
Hệ thống cực từ được thiết kế để tạo ra từ trường phân bố theo quy luật hình sin tại mặt cực giữa khe hở rô to và stato Điều này có nghĩa là khi khung dây ở bất kỳ vị trí nào trong khe hở, cường độ từ cảm tại vị trí đó sẽ có giá trị nhất định.
B = Bm sinα (1-14) Trong đó : Bm là trị số cực đạicủa từ cảm; α là góc giữa mặt phẳng trung tính OO’ và mặt phẳng khung dây (hình 1.15)
Khi máy phát điện hoạt động, rô to quay với tốc độ ω, khiến mỗi cạnh của khung dây di chuyển với vận tốc v theo phương vuông góc với đường sức từ Sự chuyển động này tạo ra sức điện động được tính theo công thức: e d = B l.v.
Giả sử tại thời điểm ban đầu (t = 0), khung dây nằm trên mặt phẳng trung tính, thì tại thời điểm t, khung dây ở vị trí α = ωt, ứng với trị số từ cảm:
Thay vào (1-15) ta có biểu thức tinh sức điện động mỗi cạnh dây: e d = Bm.l.v sinαt
Vì khung dây có hai cạnh tác dụng ( sinh ra hai sức điện động ed cùng chiều trong mạch vòng) nên sức điện động mỗi vòng: e v d = 2Bm.l.v sinωt
Nếu khung dây có w vòng, sức điện động của hệ khung được tính bằng công thức e = wev = w.2ed = 2 Bm.l.v.wsinωt Đặt Em = 2Bm.l.v.w là trị số cực đại hay biên độ của sức điện động, từ đó ta có E = Emsinωt.
Sức điện động trong mạch kín biến đổi theo hàm số hình sin, dẫn đến sự hình thành dòng điện cũng có dạng hình sin, được gọi là dòng điện hình sin.
Ta có: α = ωt = 0; sinα = 0; e= o α = ωt = 90o ; sinα = 1; e = Em α = ωt = 270o ; sinα = -1; e = -Em
* Dòng điện cùng pha, lệch pha:
Hai dòng điện hình sin được coi là cùng pha khi chúng biến đổi đồng thời, tức là cùng tăng, giảm, qua trị số không và cực đại, cũng như cùng đổi chiều Ngược lại, nếu hai dòng điện không biến đổi theo cách này, chúng được gọi là các dòng điện lệch pha Ví dụ, hình 1.18-a minh họa hai dòng điện lệch pha nhau 90 độ.
Hình 1.18- b biểu diễn hai dòng điện lệch pha nhau 180o còn gọi là hai dòng đối pha
2.2-Các đại lượng đặc trưng của dòng điện xoay chiều
Biểu thức của dòng điện, điện áp hình sin: i = I max sin (ωt + i ) u
= U max sin (ωt + u ) trong đó i, u : trị số tức thời của dòng điện, điện áp
Imax, Umax : trị số cực đại (biên độ) của dòng điện, điện áp i; u: pha ban đầu của dòng điện, điện áp
Góc lệch pha giữa các đại lượng là hiệu số pha đầu của chúng Góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện thường kí hiệu là :
> 0 điện áp vượt trước dòng điện
< 0 điện áp chậm pha so với dòng điện
= 0 điện áp trùng pha với dòng điện
2.2.1- Chu kỳ, tần số, biên độ
Chu kỳ, ký hiệu T, là khoảng thời gian ngắn nhất mà các trị số của dòng điện, điện áp và sức điện động lặp lại cả trị số lẫn chiều như ban đầu.
- Số chu kỳ mà dòng điện thực hiện trong một đơn vị thời gian (1 giây) gọi là tần số, ký hiệu f
Từ định nghĩa ta có: = 1 Đơn vị tần số là héc, ký hiệu Hz
Trong công nghiệp thường dùng dòng điện xoay chiều có tần số f = 50 Hz gọi là tần số công nghiệp
Dòng điện xoay chiều có trị số biến đổi theo thời gian, với trị số tại từng thời điểm được gọi là trị số tức thời, ký hiệu là e, u, i Trị số cực đại, tức trị số tức thời lớn nhất, được gọi là biên độ và ký hiệu là Em, Um, Im.
2.2.2- Trị số hiệu dụng của các đại lượng dòng điện, điện áp và sức điện động của dòng điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều khi đi qua dây dẫn sẽ làm dây dẫn nóng lên, cho thấy nhiệt lượng sinh ra không phụ thuộc vào chiều dòng điện Tuy nhiên, trị số dòng điện thay đổi theo thời gian, dẫn đến tác dụng nhiệt cũng biến đổi theo Để so sánh tác dụng nhiệt giữa dòng điện xoay chiều và dòng điện một chiều, dòng điện một chiều được sử dụng làm tiêu chuẩn.
Khi một dòng điện xoay chiều đi qua dây dẫn, nó tỏa ra nhiệt lượng Q trong thời gian t Tương tự, nếu cho dòng điện một chiều đi qua dây dẫn trong cùng thời gian t và cũng tạo ra nhiệt lượng Q, ta có thể khẳng định rằng cường độ dòng điện xoay chiều và cường độ dòng điện một chiều là bằng nhau.
Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là giá trị tương đương với dòng điện một chiều, khi chạy qua cùng một dây dẫn trong cùng một khoảng thời gian, tạo ra nhiệt lượng tương đương Trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều được ký hiệu là I, trong khi trị số hiệu dụng của điện áp và sức điện động được ký hiệu là U và E.
Hằng ngày dùng điện ta nói dòng diện qua bóng đèn là 0,5A chính là cường độ hiệu dụng
Người ta đã chứng minh trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều hình sinquan hệ với trị số cực đại theo công thức: = (1 − 17)
Ví dụ: Dòng điện xoay chiều có trị số cực đại là 10A thì trị số hiệu dụng là:
Tương tự trị số hiệu dụng của sức điện động và điện áp: = √2 ; = √2 2.3- Biểu diễn các đại lượng xoay chiều bằng đồ thị vectơ
Trong kỹ thuật điện, việc biểu diễn dòng điện hình sin bằng biểu thức tức thời hoặc đường cong trị số tức thời không thuận tiện cho việc so sánh và thực hiện các phép tính cộng trừ Do đó, người ta sử dụng véc tơ để biểu diễn các đại lượng sin cùng tần số, với độ lớn bằng trị số hiệu dụng và góc tạo với trục ox tương ứng với pha đầu của các đại lượng.
Mỗi đại lượng sin có thể được biểu diễn bằng một véc tơ, và ngược lại, mỗi véc tơ thể hiện một đại lượng sin tương ứng Hình 1.19-a) minh họa các véc tơ cho góc pha ϕ>0 và ϕ 0
Chiều của dòng điện được biểu diễn trong hình 3.13-a, và bằng cách áp dụng quy tắc vặn nút chai, ta xác định được chiều đường sức từ, với các đường sức được thể hiện bằng các đường chấm chấm và từ trường tổng hợp được biểu diễn bằng mũi tên B Tại thời điểm b, dòng điện pha A đạt giá trị cực đại, tạo thành một mạch từ riêng, trong khi hai dòng điện pha B và C có trị số bằng nhau và cũng hình thành một mạch từ riêng Khi biểu diễn chiều của dòng điện và đường sức từ của từ trường tổng hợp trong hình 3.13-b, ta nhận thấy từ trường B ở trường hợp này đã xoay một góc 90 độ theo chiều quay của kim đồng hồ so với trường hợp trước.
Tại thời điểm c trên đồ thị và khi biểu diễn từ trường tổng hợp trong hình 3.13-c, chúng ta nhận thấy rằng từ trường tổng hợp B đã lệch một góc nhất định.
Từ trường của dòng điện 3 pha có sự thay đổi vị trí trong không gian, quay theo chiều kim đồng hồ và hoàn thành một vòng trong mỗi chu kỳ quay.
Muốn đổi chiều quay của từ trường đó chỉ cần đổi vị trí 2 pha bất kỳ cho nhau
3.2.3- Nguyên lý làm việc của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ
MÁY BIẾN ÁP
Nhiệm vụ, yêu cầu và phân loại máy biến áp
Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh có chức năng chuyển đổi điện áp của dòng điện xoay chiều từ mức này sang mức khác, trong khi vẫn giữ nguyên tần số.
Máy biến áp chủ yếu được sử dụng để truyền tải điện đi xa, giúp giảm tổn hao công suất và điện năng bằng cách tăng cao điện áp, từ đó giảm dòng điện Việc này không chỉ tiết kiệm kim loại màu mà còn giảm chi phí xây dựng đường dây dẫn điện Sau khi điện được tải đến nơi tiêu thụ, máy biến áp sẽ giảm áp xuống để phù hợp với điện áp của phụ tải.
Máy biến áp không chỉ được sử dụng trong các thiết bị lò nung và hàn điện, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn điện cho các thiết bị điện và điện tử với nhiều cấp điện áp khác nhau Ngoài ra, máy biến áp còn được ứng dụng trong lĩnh vực đo lường, bao gồm máy biến điện áp và máy biến dòng.
- Có khả năng chịu quá tải, chịu ngắn mạch tốt
- Liên tục vận hành độc lập hoặc song song, tổn hao thấp.
- Chế độ làm việc phù hợp với khí hậu nhiệt đới
1.3- Phân loại a- Dựa vào số pha máy biến áp được chia ra:
- Máy biến áp nhiều pha (ba pha và nhiều hơn 3 pha) b- Theo hệ số biến áp (ku) máy biến áp được chia thành:
- Máy biến áp tăng áp nếu ku1
- Máy biến áp cách li nếu ku=1 c- Phân loại theo công dụng
- Biến áp dùng trong các bộ biến đổi tĩnh
- Biến áp đặc biệt: Biến áp hàn, biến áp đo lường, biến áp tự ngẫu
Cấu tạo và nguyên lý làm việc máy biến áp
2.1- Máy biến áp một pha
Máy biến áp một pha đơn giản gồm có:
Một lõi thép được cấu tạo từ nhiều lá thép kỹ thuật điện, với độ dày mỗi lá từ 0,35 đến 0,5 mm Các lá thép này được cách điện với nhau bằng sơn hoặc giấy cách điện.
Máy biến áp hạ áp bao gồm hai cuộn dây quấn quanh lõi thép, trong đó cuộn dây nối với nguồn điện được gọi là cuộn sơ cấp, còn cuộn dây nối với phụ tải là cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp có thiết kế bằng dây dẫn có mặt cắt nhỏ và nhiều vòng, trong khi cuộn thứ cấp sử dụng dây dẫn có mặt cắt lớn và ít vòng.
Máy biến áp không chỉ bao gồm các cuộn dây và lõi thép mà còn có các thành phần quan trọng khác như vỏ máy, dầu biến áp, bộ phận làm mát, bộ phận điều chỉnh điện áp và van phòng nổ.
Khi cuộn sơ cấp được kết nối với nguồn điện xoay chiều có điện áp U1, dòng điện I1 trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông xoay chiều trong lõi thép Từ thông này khép kín và tác động lên cuộn thứ cấp, sinh ra sức điện động xoay chiều E2, đồng thời cũng tạo ra sức điện động E1 trong cuộn sơ cấp Do đó, điện áp U2 ở hai đầu cuộn thứ cấp gần bằng E2.
Tỉ số: = 1 = 1 = 1 g ọ i là tỉ số b iến áp (4 -1 )
W1, W2 là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp
Nếu số vòng của cuộn sơ cấp (W1) lớn hơn số vòng của cuộn thứ cấp (W2), thì tỷ số k sẽ lớn hơn 1, điều này cho thấy đây là máy biến áp giảm áp, thường được sử dụng tại các trạm biến áp trong các xí nghiệp.
Hình 4.2- Sơ đồ nguyên lý máy biến áp một pha
Cuộn sơ cấp một máy biến áp có 2100 vòng đấu vào nguồn điện 3300V Tìm tỷ số biến áp và số vòng dây, biết điện áp cuộn thứ cấp là U2 = 220 V
Số vòng dây cuộn thứ cấp: 2 = 1 = 210015 = 40 ò
- Các trạng thái làm việc của máy biến áp: + Trạng thái làm việc không tải
Khi cuộn thứ cấp không có dòng điện (I2 = 0) và cuộn sơ cấp được kết nối với nguồn điện có điện áp U1, dòng điện không tải I0 trong cuộn sơ cấp sẽ không vượt quá 10% dòng điện I1 ở trạng thái bình thường.
Dòng điện không tải I0 gây ra tổn hao công suất Po, chủ yếu là tổn hao trong lõi thép, được gọi là tổn hao sắt, có giá trị từ 0,2% đến 2% công suất định mức của máy biến áp.
Trạng thái làm việc ngắn mạch xảy ra khi cuộn thứ cấp bị nối tắt, dẫn đến điện áp hai đầu cuộn thứ cấp U2 = 0 Nếu cuộn sơ cấp có điện áp định mức hoặc gần bằng định mức, dòng điện ngắn mạch trong các cuộn dây sẽ tăng lên gấp 10 đến 20 lần so với dòng điện định mức.
Tình trạng này có thể xảy ra khi làm việc rất nguy hiểm cho máy biến áp
Để bảo vệ máy biến áp khỏi hư hỏng, cần lắp đặt thiết bị bảo vệ ngắn mạch nhằm tự động ngắt nguồn điện trong thời gian ngắn nhất.
+ Trạng thái làm việc có phụ tải
Trạng thái làm việc có phụ tải xảy ra khi cuộn thứ cấp được kết nối với phụ tải, trong khi đó, các cuộn dây thứ cấp và sơ cấp vẫn tồn tại tổn hao đồng P đ.
Tổn hao đồng là tổn hao trên điện trở dây quấn tỷ lệ với bình phương dòng điện qua máy biến áp (P đ =I 2 R)
Khi dòng điện phụ tải tăng, điện áp tổn hao trong cuộn thứ cấp tăng, điện áp thứ cấp U2 giảm
Máy biến áp có hiệu suất thấp hơn 1 do tổn hao đồng và tổn hao sắt, nhưng vẫn đạt hiệu suất cao so với các loại máy điện khác, thường lên đến 90%.
2.2- Máy biến áp ba pha
5- Xà đỡ có bánh xe
Để biến đổi điện áp trong hệ thống dòng điện 3 pha, có thể sử dụng 3 máy biến áp một pha hoặc một máy biến áp 3 pha.
Về cấu tạo, lõi thép của máy biến áp 3 pha(hình 4.6) gồm 3 trụ, cuộn cao áp
Cuộn hạ áp bao gồm trụ pha và ống lót cách điện Dây quấn sơ cấp được ký hiệu bằng chữ in hoa: Pha A là AX, Pha B là BY, và Pha C là CZ Trong khi đó, dây quấn thứ cấp được ký hiệu bằng chữ thường: Pha a là ax, Pha b là by, và Pha c là cz Cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp có thể được nối theo hình sao hoặc hình tam giác Khi dây quấn sơ cấp nối hình sao và thứ cấp nối hình tam giác, ký hiệu sẽ là Y/∆.
Số vòng dây pha của một pha sơ cấp được ký hiệu là W1, trong khi số vòng dây của một pha thứ cấp được ký hiệu là W2 Tỷ số điện áp pha giữa sơ cấp và thứ cấp được xác định dựa trên tỷ lệ giữa W1 và W2.
Tỷ số điện áp dây không những phụ thuộc vào số vòng dây mà còn phụ thuộc vào cách nối hình sao hay tam giác
2.3- Các máy biến áp đặc biệt
2.3.1-Máy biến áp tự ngẫu
Máy biến áp tự ngẫu còn gọi là
√3 2 √3 2 máy tự biến áp Máy tự biến áp một pha
Máy biến áp 63 thường có công suất nhỏ, được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm và thiết bị, giúp điều chỉnh điện áp đầu ra theo yêu cầu.
Máy tự biến áp 3 pha thường dùng để điều chỉnh điện áp khi mở máy các động cơ 3 pha
Sơ đồ lắp đặt máy biến áp trong hệ thống điện
Điện áp máy phát điện phổ biến là 6,3; 10,5; và 22kV, giúp nâng cao khả năng truyền tải và giảm tổn hao công suất trên đường dây Để đạt được điều này, cần giảm dòng điện bằng cách tăng điện áp, do đó, máy biến áp tăng áp được lắp đặt ở đầu đường dây Ở cuối đường dây, do điện áp tải thường từ 127 – 500V và động cơ lớn có công suất khoảng 3 hoặc 6kV, cần lắp đặt máy biến áp hạ áp để điều chỉnh điện áp phù hợp.
Đối với các xí nghiệp nhỏ như trường học và bệnh viện với công suất tiêu thụ khoảng vài trăm kW, việc xây dựng một trạm biến áp riêng là cần thiết Sơ đồ mạng điện bao gồm một đường dây trung áp nhận điện từ hệ thống điện, một trạm biến áp và mạng lưới cấp điện hạ áp.
Hình 4.11 minh họa sơ đồ cấp điện với trạm biến áp riêng, bao gồm các thành phần như trạm biến áp, tủ phân phối, tủ động lực và tủ chiếu sáng Đối với các xí nghiệp có quy mô vừa, có thể xây dựng từ hai đến ba trạm biến áp, kết nối trực tiếp đường dây trung áp đến các trạm này (hình 4.12).
Hình 4.12- Sơ đồ cấp điện cho xí nghiệp có quy mô vừa 1- Trạm biến áp; 2- Tủ phân phối; 3- Tủ động lực; 4- Tủ chiếu sáng
1- Mô tả cấu tạo và trình bày nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha đơn giản 2- Vẽ sơ đồ các tổ đấu dây máy biến áp ba pha
3- Trình bày công dụng của máy biến áp tự ngẫu
4- Tại sao trong máy biến áp hàn lại mắc thêm cuộn kháng.
KHÍ CỤ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ TRONG MẠCH ĐIỆN 68 1- Khí cụ điều khiển trong mạch điện
Khí cụ bảo vệ trong mạch điện hạ áp
Khi xảy ra ngắn mạch, dòng điện trong dây dẫn và thiết bị điện có thể vượt quá mức cho phép, dẫn đến nguy cơ cháy nổ và hỏng hóc máy móc Để phòng ngừa tình trạng này, việc lắp đặt cầu chì nối tiếp trong mạch điện là rất cần thiết.
Khi dòng điện vượt quá mức định mức, dây chảy của cầu chì sẽ nóng chảy, ngắt mạch điện trước khi dây dẫn hoặc thiết bị điện bị quá nhiệt Dây chảy của cầu chì có thể được làm từ các vật liệu như chì, nhôm hoặc bạc.
Dòng điện lớn làm dây chảy nhanh hơn, dẫn đến thời gian ngắt mạch giảm Nếu dòng điện không vượt quá 20% đến 25% trị số định mức, dây chảy sẽ không có khả năng hoạt động.
-Phân loại: Cầu chì hạ áp thường có các loại như: kiểu nắp xoáy, kiểu lá, kiểu ống,…
Cầu chì nắp xoáy bao gồm một đế bằng sứ, được gắn chặt bằng một nút hình tròn có ren bằng kim loại Nó có mặt tiếp xúc bằng kim loại, cách điện với dây dẫn Một đầu dây được hàn với trụ và đầu kia hàn với mặt tiếp xúc Đế cầu chì được lắp vào hộp cầu chì, nơi có sẵn hai đầu dây dẫn, giúp nối liền mạch điện khi nút cầu chì được vặn vào đế.
Hình 5.10 : Cầu chì nắp xoáy
+ Cầu chì lá có dây chảy là một lá kim loại hoặc một số sợi dây có đầu cốt bắt vào bảng bằng vít (hình 5.11)
Cầu chì ông phíp là một thiết bị bảo vệ điện, bao gồm một ống phíp kín chứa dây chảy bên trong Khi dây chảy nóng chảy, khí sinh ra từ ống phíp tạo áp lực, giúp dập tắt nhanh tia lửa điện và đảm bảo cắt mạch một cách nhanh chóng.
Hình 5.12 : Cầu chì ống phíp
Cầu chì tự rơi là thiết bị thiết yếu trong hệ thống điện, giúp ngăn chặn hiện tượng quá tải gây cháy nổ và bảo vệ mạch điện Đây là một phần không thể thiếu trong hầu hết các hệ thống điện của hộ gia đình và nhà máy xí nghiệp.
Hình 5.13 : Cầu chì tự rơi
Cầu chì là thiết bị bảo vệ mạch điện, được lắp đặt nối tiếp giữa nguồn điện tổng và các bộ phận của mạng điện cần bảo vệ.
Cầu chì hoạt động dựa trên nguyên lý tự uốn cong hoặc tan chảy khi cường độ dòng điện vượt mức cho phép Để đảm bảo hiệu quả, cầu chì cần được chế tạo từ vật liệu có nhiệt độ nóng chảy phù hợp cùng với kích thước và thành phần thích hợp.
Để bảo đảm hiệu suất của cầu chì, cần giữ cho chúng khô ráo và tránh nhiệt độ cao, vì điều này có thể làm giảm chất lượng tiếp xúc, dẫn đến dây chảy và đầu tiếp xúc bị oxy hóa Ngoài ra, ốc vít bắt dây chảy cần phải được siết chặt đủ để đảm bảo kết nối an toàn.
+ Tránh không để dây chảy bị va chạm về cơ học, bị biến dạng hay có dấu vết
Sau khi dây chảy bị cháy đứt, cần thay thế bằng dây cùng loại và đúng kích thước Nếu không thể tìm thấy dây chảy tương tự, cần phải thực hiện tính toán cẩn thận để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Khi tính toán lựa chọn cầu chì, cần đảm bảo rằng trong điều kiện mạch điện hoạt động bình thường, dây cầu chì không bị chảy Đồng thời, cầu chì cũng phải có khả năng chịu đựng dòng điện tăng cao trong thời gian ngắn, chẳng hạn như khi khởi động động cơ.
Khi lựa chọn cầu chì, cần phải có sự chọn lọc để đảm bảo tính hiệu quả Cầu chì cần được đặt gần nơi xảy ra sự cố để cắt mạch kịp thời, đồng thời vẫn giữ cho các khu vực khác hoạt động bình thường.
Trong bất cứ mạch điện nào, không được chọn dây chảy có dòng điện định mức bé hơn dòng điện làm việc
Rơle là thiết bị điện tự động, cho phép tín hiệu đầu ra thay đổi khi tín hiệu đầu vào đạt giá trị xác định Thiết bị này được sử dụng để đóng cắt mạch điện, bảo vệ và điều khiển hoạt động của mạch điện động lực.
- Các bộ phận (các khối) chính của rơle + Cơ cấu tiếp thu (khối tiếp thu)
Có nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cung cấp tín hiệu phù hợp cho khối trung gian
+ Cơ cấu trung gian (khối trung gian)
Làm nhiệm vụ tiếp nhận những tín hiệu đưa đến từ khối tiếp thu và biến đổi nó thành đại lượng cần thiết cho rơle tác động
+ Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành)
Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển
Ví dụ các khối trong cơ cấu rơle điện từ (Hình 5.14)
-Cơ cấu tiếp thu ở đây là cuộn dây
-Cơ cấu trung gian là mạch từ nam châm điện
-Cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm
Hình 5.14: sơ đồ khối của rơ le điện từ
Có nhiều loại rơle với nguyên lý và chức năng hoạt động khác nhau Do đó, có nhiều cách để phân loại rơle, trong đó một phương pháp phổ biến là phân loại theo nguyên lý làm việc, bao gồm các nhóm khác nhau.
Rơle điện cơ (rơle điện từ, rơle từ điện, rơle điện từ phân cực, rơle cảm ứng, )
Rơle điện tử -bán dẫn, vi mạch
Rơle số b) Phân theo nguyên lí tác động của cơ cấu chấp hành
Rơle có tiếp điểm: loại này tác động lên mạch bằng cách đóng mở các tiếp điểm
Rơle không tiếp điểm, hay còn gọi là rơle tĩnh, hoạt động bằng cách thay đổi đột ngột các tham số của cơ cấu chấp hành trong mạch điều khiển, bao gồm điện cảm, điện dung và điện trở Phân loại rơle này dựa trên đặc tính tham số vào.
Rơle tổng trở, d) Phân loại theo cách mắc cơ cấu
Rơle sơ cấp: loại này được mắc trực tiếp vào mạch điện cần bảo vệ
Mạch điện điều khiển máy phát điện
3.1- Hệ thống máy kích thích một chiều
Hình 5.19- Hệ thống kích thích một chiều (DC)
Hệ thống kích thích cho máy phát điện một chiều điều chỉnh dòng điện kích từ thông qua việc thay đổi điện áp đầu ra của máy kích thích một chiều.
Máy điện một chiều được kết nối trực tiếp với trục của hệ thống tua-bin hoặc máy phát, hoặc thông qua bộ giảm tốc cho các máy có công suất nhỏ và trung bình Đối với các máy có công suất lớn hơn, chúng sẽ được kéo bởi một động cơ riêng biệt.
3.2- Hệ thống kích thích xoay chiều
(hệ thống không tiếp xúc, hệ thống không chổi than.) a) b)
Hình 5.20- Hệ thống kích thích xoay chiều (AC) Ở đây muốn nói đến mạch kích thích kết hợp giữa một máy phát đồng bộ và hệ thống chỉnh lưu
Máy phát đồng bộ, hay còn gọi là máy kích thích xoay chiều, bao gồm một máy phát điện đồng bộ với phần cảm tĩnh và phần ứng quay Thiết bị này được trang bị bộ chỉnh lưu quay lắp đặt trực tiếp trên trục, giúp tối ưu hóa quá trình kích thích.
Dòng điện kích thích sẽ được truyền trực tiếp từ phần ứng của máy kích từ qua bộ chỉnh lưu vào rotor, mà không cần đi qua bất kỳ mối tiếp xúc nào của vòng nhận điện với chổi than.
Do đó, hệ thống này thường được gọi là hệ thống kích thích không chổi than
3.3- Hệ thống kích thích tĩnh
Hệ thống này nói đến loại máy kích từ có sử dụng phối hợp biến áp kích thích và bộ chỉnh lưu
* Bộ điều chỉnh điện áp tự động (bộ điều áp) có các nhiệm vụ sau:
- Điều chỉnh điện áp máy phát điện (a)
- Giới hạn tỷ số điện áp / tần số (b)
- Điều chỉnh công suất vô công máy phát điện (c)
- Bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây (d)
Để tạo độ suy giảm điện áp theo công suất vô công, cần cân bằng sự phân phối công suất vô công giữa các máy trong hệ thống khi máy vận hành nối lưới Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống điện.
- Khống chế dòng điện kháng do thiếu kích thích, nhằm tạo sự ổn định cho hệ thống, khi máy nối lưới (g) a- Điều chỉnh điện áp của máy phát điện
Bộ điều chỉnh điện thế tự động liên tục giám sát điện áp đầu ra của máy phát điện và so sánh với điện áp tham chiếu Nó thực hiện các lệnh điều chỉnh dòng điện kích thích để giảm thiểu sai số giữa điện áp đo được và điện áp tham chiếu.
Muốn thay đổi điện áp của máy phát điện, người ta chỉ cần thay đổi điện áp tham chiếu này b- Giới hạn tỷ số điện áp / tần số
Khi khởi động tổ máy, tốc độ quay của Rotor thấp khiến tần số phát ra cũng thấp, dẫn đến bộ điều chỉnh điện áp tự động tăng dòng kích thích để đạt điện áp đầu ra cần thiết Hậu quả là cuộn dây rotor bị quá nhiệt và các thiết bị kết nối như biến thế chính và máy biến áp tự dùng cũng bị quá kích thích, bão hòa từ và quá nhiệt.
Bộ điều chỉnh điện áp tự động liên tục theo dõi tỷ số này để điều chỉnh dòng kích thích một cách phù hợp, ngay cả khi điện áp máy phát chưa đạt đến mức điện áp tham chiếu Điều này đảm bảo hiệu quả trong việc kiểm soát công suất vô công của máy phát điện.
Khi máy phát chưa kết nối với lưới điện, việc điều chỉnh dòng điện kích từ chỉ ảnh hưởng đến điện áp đầu cực của máy phát Mối quan hệ giữa điện áp của máy phát và dòng điện kích từ được thể hiện qua một đường cong, được gọi là đặc tuyến không tải.
Khi máy phát điện được kết nối với lưới điện có công suất lớn hơn nhiều so với máy phát, việc điều chỉnh dòng kích thích sẽ không ảnh hưởng đáng kể đến điện áp của lưới.
Bộ điều áp không chỉ có tác dụng điều khiển điện áp máy phát mà còn đảm nhiệm vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh dòng công suất phản kháng, hay còn gọi là công suất vô công hay công suất ảo của máy phát.
Khi dòng kích thích tăng, công suất vô công cũng tăng theo, trong khi khi dòng kích thích giảm, công suất vô công sẽ giảm Nếu dòng kích thích giảm đến một mức nhất định, công suất vô công sẽ giảm xuống 0 và có thể tăng trở lại theo chiều âm nếu dòng kích thích tiếp tục giảm Điều này cho thấy rằng nếu hệ thống điều khiển điện áp của máy phát quá nhạy, nó có thể gây ra sự thay đổi lớn trong công suất vô công khi điện áp lưới dao động.
Bộ điều khiển điện áp tự động không chỉ theo dõi và điều khiển điện áp mà còn cần quản lý dòng điện vô công Việc điều khiển này liên quan đến việc điều chỉnh dòng kích thích khi có sự thay đổi về công suất vô công và điện áp lưới, nhằm đảm bảo mối quan hệ hợp lý giữa điện áp máy phát, điện áp lưới và công suất vô công Đồng thời, bộ điều khiển cũng thực hiện chức năng bù trừ điện áp suy giảm trên đường dây.
Khi máy phát điện hoạt động độc lập hoặc kết nối vào lưới với một trở kháng lớn, việc tăng tải sẽ dẫn đến hiện tượng sụt áp trên đường dây Sự sụt áp này làm giảm điện áp tại hộ tiêu thụ tương ứng với mức tải tăng lên, từ đó ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng điện năng.
Để giảm thiểu tác hại của hệ thống, bộ điều áp cần dự đoán khả năng sụt giảm điện áp trên đường dây và tạo ra điện áp bù trừ tương ứng Tác động bù này giúp ổn định điện áp tại một điểm giữa máy phát và hộ tiêu thụ theo tải Mặc dù điện áp tại hộ tiêu thụ sẽ giảm nhẹ so với tải, nhưng điện áp tại đầu cực máy phát sẽ tăng nhẹ Để đạt được tác động này, cần đưa thêm một tín hiệu dòng điện vào mạch đo lường.
Mạch điện điều khiển động cơ điện
4.1- Mạch điện điều khiển mở máy trực tiếp và bảo vệ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha
Sơ đồ trong Hình 5.22 minh họa cách sử dụng khởi động từ để khởi động trực tiếp động cơ ba pha Các tiếp điểm chính của cuộn dây công tắc tơ được kết nối trong mạch điện động cơ, cùng với hai cuộn dây đốt 1RN và 2RN của rơ le nhiệt.
Mạch điện khống chế bao gồm nút bấm cắt C và nút bấm đóng Đ, được đấu song song với tiếp điểm khóa K1 của công tắc tơ Hai tiếp điểm 1RN và 2RN được kết nối nối tiếp với cuộn dây hút của công tắc tơ.
Sơ đồ hoạt động như sau: Để khởi động máy động cơ, người dùng chỉ cần nhấn nút Đ, cuộn hút K sẽ được cấp điện, từ đó đóng mạch động cơ và kích hoạt tiếp điểm tự khóa K1.
Để ngừng động cơ, nhấn nút C để ngắt điện vào cuộn K, khiến công tắc tơ trở về trạng thái cắt Các tiếp điểm chính K mở ra, cắt mạch điện động cơ, trong khi đó, tiếp điểm phụ K1 cũng mở để ngắt mạch tự khóa.
Khi động cơ bị quá tải, các rơ le nhiệt 1RN, 2RN tác động mở tiếp điểm ra làm cắt mạch cuộn hút
Trên sơ đồ, cầu dao CD có chức năng cách ly mạch điện động cơ khỏi mạng điện chung Để phòng ngừa hư hỏng máy do đứt một pha, người ta thường sử dụng aptomat thay cho cầu dao và cầu chì.
Hình 5.23 - Sơ đồ lắp đặt mạch điều khiển trực tiếp động cơ điện
- Dụng cụ, vật liệu và thiết bị điện
Vật liệu và thiết bị điện bao gồm dây dẫn bọc cách điện có đường kính 3 mm, động cơ không đồng bộ ba pha, áp tô mát 3 cực, 2 rơ le nhiệt, khởi động từ, nút ấn đóng/cắt và cầu chì.
+ Dụng cụ: Kìm điện và kìm cắt dây, bút thử điện, tua vít, băng keo
- Trình tự lắp đăt: Động cơ →rơ le nhiệt → khởi động từ → nút ấn → cầu chì
→ áp tô mát → cầu nối
Sau khi lắp xong, kiểm tra lại và mở máy vận hành động cơ
4.2- Mạch điện điều khiển mở máy trực tiếp và bảo vệ động cơ điện xoay chiều không đồng bộ một pha
Hình 5.24 là sơ đồ dùng khởi động từ để khởi động trực tiếp động cơ xoay chiều không đồng bộ một pha
Tiếp điểm chính của cuộn dây công tắc tơ mắc trong mạch điện động cơ, cùng với cuộn dây đốt RN của rơ le nhiệt
Mạch điện khống chế bao gồm nút bấm cắt C và nút bấm đóng Đ, được đấu song song với tiếp điểm khóa K1 của công tắc tơ và tiếp điểm RN Tất cả các thành phần này được kết nối nối tiếp với cuộn dây hút của công tắc tơ.
- Cách hoạt động của sơ đồ này như sau:
+ Muốn mở máy động cơ , ta bấm nút Đ, cuộn hút K có điện sẽ đóng mạch động cơ, đồng thời đóng tiếp điểm tự khóa K1
Để ngừng động cơ, nhấn nút C để cắt điện vào cuộn K, khiến công tắc tơ trở về trạng thái cắt Điều này làm cho tiếp điểm chính K mở ra, ngắt mạch điện động cơ, đồng thời tiếp điểm phụ K1 cũng mở ra để cắt mạch tự khóa.
+ Khi động cơ bị quá tải, rơ le nhiệt RN tác động mở tiếp điểm ra làm cắt mạch cuộn hút, động cơ ngừng hoạt động
Hình 5.24- Sơ đồ nguyên lý mạch điện điều khiển động cơ điện xoay chiều 1 pha
Hình 5.25- Sơ đồ lắp đặt mạch điều khiển động cơ điện xoay chiều một pha
- Dụng cụ, vật liệu và thiết bị điện
Vật liệu và thiết bị điện cần thiết bao gồm dây dẫn bọc cách điện có đường kính 3 mm, động cơ không đồng bộ 1 pha, áp tô mát 2 cực, 1 rơ le nhiệt, 1 công tắc tơ, nút ấn cắt và nút ấn đóng, cùng với cầu chì.
+ Dụng cụ: Kìm điện và kìm cắt dây, bút thử điện, tua vít, băng keo
- Trình tự lắp đăt: Động cơ → rơ le nhiệt → công tắc tơ → nút ấn đóng
→ nút cắt → cầu chì → áp tô mát → cầu nối
Sau khi lắp xong, kiểm tra lại và mở máy vận hành động cơ
1- Trình bày công dụng và nguyên lý làm việc của áp tô mát (trên sơ đồ) 2- Trình bày công dụng và nguyên lý làm việc của các loại nút ấn
3- Nêu cách sử dụng và bảo quản cầu chì
4- Tại sao rơ le nhiệt chỉ bảo vệ quá tải mà không bảo vệ được ngắn mạch? 5- Trình bày nguyên lý làm việc của công tắc tơ (trên sơ đồ)
6- Vẽ sơ đồ lắp đặt mạch điện điều khiển mở máy trực tiếp động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha
7- Trình bày nguyên lý mạch điều khiển đảo chiều quay động cơ không đồng bộ ba pha
8- Vẽ sơ đồ lắp đặt mạch điện điều khiển động cơ điện xoay chiều không đồng bộ một pha
PHỤ LỤC - MỘT SỐ KÝ HIỆU THƯỜNG DÙNG
TT Tên gọi Ký hiệu
2 Đường dây dẫn điện không nối
3 Đường dây dẫn điện có nối
4 Máy phát điện xoay chiều
5 Máy phát điện một chiều
6 Nguồn điện một chiều: Pin, ăc quy
8 Động cơ không đồng bộ
9 Động cơ không đồng bộ 3 pha rô to lồng sóc
10 Động cơ không đồng bộ 3 pha rô to dây quấn
11 Động cơ có cổ góp
Cầu dao hai cực, ba cực
17 Áp tô mát hai cực