Giáo trình điện kỹ thuật (nghề công nghệ ô tô trình độ cao đẳng)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Chúng ta sống thời kì đại hóa đất nước, chất lượng sống ngày nâng cao, nhu cầu tiêu thụ điện ngày nhiều Do cần có hiểu biết điện ĐIỆN KỸ THUẬT môn học sở quan trọng sinh viên khối kỹ thuật nói chung sinh viên nghề cơng nghệ tơ nói riêng Điện kỹ thuật nghiên cứu ứng dụng tượng điện từ nhằm biến đổi lượng tín hiệu, bao gồm việc phát, truyền tải, phân phối sử dụng điện sản xuất đời sống Ngoài ra, mơn học cịn giúp sinh viên khơng chun nghề điện bổ sung thêm kiến thức mạch điện, thiết bị điện, cấu tạo đặc tính làm việc chúng để vận hành thực tế Giáo trình ĐIỆN KỸ THUẬT biên soạn với tham khảo tài liệu ngồi nước, đóng góp tận tình đồng nghiệp môn Khi biên soạn giáo trình chúng tơi cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến mơn học phù hợp với đối tượng sử dụng Mặc dù có nhiều cố gắng khơng tránh khỏi sai sót Rất mong đóng góp ý kiến đồng nghiệp, sinh viên bạn đọc quan tâm đến giáo trình Cần Thơ, ngày tháng Tham gia biên soạn Cao Thị Nguyễn Phương năm MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠN HỌC CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN Mạch điện chiều Các khái niệm mạch điện xoay chiều Tính chất mạch điện xoay chiều pha 13 Ý nghĩa cách nâng cao hệ số công suất 18 Hệ thống điện xoay chiều ba pha 19 Cách đấu dây hệ thống điện xoay chiều ba pha 21 Cách nối nguồn tải mạch ba pha 21 CHƯƠNG 2: MÁY BIẾN ÁP 29 Máy biến áp pha 29 Máy biến áp ba pha 33 Các máy biến áp đặc biệt 36 Bảo dưỡng sửa chữa máy biến áp 37 CHƯƠNG 3: ĐỘNG CƠ ĐIỆN 42 Khái niệm chung động điện xoay chiều không đồng ba pha 42 Các đại lượng định mức động không đồng 49 Đấu dây vận hành đảo chiều quay 50 Mở máy động không đồng ba pha 53 Động không đồng pha 57 Động điện vạn 59 Sửa chữa động điện xoay chiều 62 CHƯƠNG 4: KHÍ CỤ ĐÓNG CẮT, ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ MẠCH ĐIỆN 66 Khí cụ đóng cắt điều khiển mạch điện hạ áp 66 Khí cụ bảo vệ mạch điện hạ áp 79 Một số mạch điện có sử dụng khí cụ điện .84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 GIÁO TRÌNH MƠN HỌC Tên mơn học: ĐIỆN KỸ THUẬT Mã mơn học: MH 07 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Vị trí: Là mơn học kỹ thuật sở Mơn học bố trí học trước môn học, mô đun chuyên môn nghề - Tính chất: Là mơn học bắt buộc chương trình đào tạo nghề Cơng nghệ tơ - Ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: mơn học Điện kỹ thuật giúp sinh viên không chuyên nghề điện bổ sung thêm kiến thức mạch điện, thiết bị điện, cấu tạo đặc tính làm việc chúng để vận hành thực tế Mục tiêu môn học: - Về kiến thức: Học xong môn học người học có khả năng: + Trình bày ngun lý sản sinh sức điện động xoay chiều dòng điện chiều + Giải toán mạch điện có thành phần điện trở, điện cảm điện dung (RLC) + Trình bày khái niệm cơng suất; ý nghĩa hệ số công suất biện pháp nâng cao + Mô tả cấu tạo giải tốn dịng điện chiều + Mơ tả cấu tạo trình bày ngun lý làm việc máy biến áp pha, ba pha + Mô tả thành phần cấu tạo trình bày nguyên lý làm việc động điện xoay chiều không đồng ba pha phương pháp đổi chiều quay + Mô tả thành phần cấu tạo trình bày nguyên lý làm việc động điện xoay chiều không đồng pha + Mơ tả cấu tạo trình bày ngun lý làm việc máy điện chiều + Mô tả cấu tạo trình bày nguyên lý làm việc máy phát điện đồng xoay chiều pha dùng làm máy nạp điện ắc quy ô tô + Trình bày cơng dụng phân loại loại khí cụ điện + Phân tích đựợc tượng, nguyên nhân biện pháp phòng tránh hư hỏng đơn giản máy điện dùng phạm vi nghề công nghệ ô tô - Về kỹ năng: + Vẽ sơ đồ đấu dây, sơ đồ mạch điện + Phân tích đựợc tượng, nguyên nhân biện pháp phòng tránh hư hỏng đơn giản máy điện dùng phạm vi nghề công nghệ ô tô - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Bảo đảm an toàn vệ sinh phịng học + Có ý thức tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần trách nhiệm công việc, có tinh thần hợp tác, giúp đỡ lẫn + Rèn luyện tính kỷ luật, kiên trì, cẩn thận, nghiêm túc, chủ động, tích cực sáng tạo học tập Nội dung môn học: CHƯƠNG 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MẠCH ĐIỆN Mã chương: MH 07 - Giới thiệu Nguồn điện chiều xoay chiều sử dụng phổ biến công nghiệp dân dụng Vấn đề tính tốn thơng số kỹ thuật mạch điện để khai thác, sử dụng hiệu thiết bị điện yêu cầu người công nhân nghề kỹ thuật công nghiệp Đối với người công nhân nghề công nghệ ô tơ khơng ngồi u cầu Các kiến thức, kỹ đạt chương tiền đề để tiếp thu mô đun/ môn học khác Mục tiêu Học xong chương người học có khả năng: - Trình bày khái niệm, nguyên lý sản sinh dòng điện chiều, đại lượng định luật mạch điện chiều - Nhận dạng máy phát chiều kiểm tra tính tốn mạch điện chiều - Trình bày nguyên lý sản sinh sức điện động xoay chiều đại lượng đặc trưng cho dịng điện xoay chiều hình sin - Trình bày quan hệ trị số pha dòng điện điện áp mạch điện xoay chiều có điện trở, điện cảm điện dung - Trình bày ý nghĩa hệ số công suất biện pháp nâng cao hệ số cơng suất - Trình bày sơ đồ đấu nối hệ thống điện xoay chiều ba pha kiểu hình (Y) hình tam giác (  ) mối quan hệ đại lượng pha dây Nội dung Mạch điện chiều gian 1.1 Những khái niệm mạch điện chiều 1.1.1 Dòng điện chiều Dòng điện chiều dịng điện có chiều cường độ không thay đổi theo thời 1.1.2 Nguồn điện chiều Nguồn điện thiết bị phát điện Về nguyên lý, nguồn điện thiết bị biến đổi dạng lượng năng, hoá năng, nhiệt năng… thành điện a Pin, acquy Biến đổi hóa thành điện b Pin Mặt Trời Hoạt động dựa vào tượng quang điện, biến đổi trực tiếp quang thành điện c Máy phát điện chiều Máy phát điện biến đổi đưa vào trục máy thành điện cực dây quấn + Lớp chặn + + + +n+ + + + g - - - p- - - - - Iqđ Etx G - Hình 1.1: Cấu tạo pin Mặt Trời Hình 1.2: Hình dáng máy điện chiều d Bộ nguồn điện tử công suất Bộ nguồn điện tử công suất không tạo điện mà biến đổi điện áp xoay chiều (lấy từ lưới điện) thành điện áp chiều lấy cực U~ UDC Hình 1.3: Bộ nguồn biến đổi điện áp xoay chiều thành chiều 1.1.3 Tải Tải thiết bị tiêu thụ điện biến đổi điện thành dạng lượng khác năng, hoá năng, nhiệt năng, quang năng… 1.1.4 Mạch điện Mạch điện tập hợp thiết bị điện (nguồn, tải, dây dẫn) nối lại với thành vòng khép kín dịng điện chạy qua Mạch điện phức tạp có nhiều nhánh, nhiều mạch vịng nhiều nút Nhánh: phận mạch điện gồm có phần tử nối tiếp có dịng điện chạy qua Nút: chỗ gặp nhánh (từ nhánh trở lên) Mạch vịng: lối khép kín qua nhánh Hình 1.4: Nút vịng mạch điện Hình 1.4 ví dụ mạch điện Nguồn điện máy phát điện (MF) cung cấp điện cho tải đèn (Đ) động điện (ĐC), mạch điện có nhánh (1, 2, 3), nút (A, B) mạch vòng (a, b, c) 1.2 Các đại lượng đặc trưng định luật dòng điện chiều 1.2.1 Các đại lượng đặc trưng a Cường độ dòng điện Cường độ dòng điện đại lượng đặc trưng cho tác dụng mạnh yếu dòng điện Cường độ dòng điện tính lượng điện tích chạy qua tiết diện thẳng vật dẫn đơn vị thời gian I = q/t Đơn vị dòng điện ampe (A) b Điện áp Điện áp đại lượng đặc trưng cho khả tích lũy lượng dòng điện Trong mạch điện, điểm có điện φ Hiệu điện hai điểm gọi điện áp U, đơn vị vôn (V) φB φA Ta có: UAB = φA - φB đó: φA: điện A UAB φB: điện B UAB: hiệu điện A B Qui ước: Chiều điện áp chiều từ điểm có điện cao đến điểm có điện thấp Đơn vị điện áp vơn (V), kí hiệu: U c Sức điện động Mỗi nguồn điện có đại lượng đặc trưng cho khả sinh cơng nó, gọi sức điện động Kí hiệu: E, đơn vị vơn (V) Sức điện động nguồn điện tính công nguồn điện sinh làm chuyển dời đơn vị điện tích dương hai cực nguồn điện E A Q d Điện tiêu thụ Lượng điện mà đoạn mạch tiêu thụ có dịng điện chạy qua để chuyển hóa thành dạng lượng khác đo công lực điện thực dịch chuyển có hướng điện tích A = U.q = U.I.t = P.t Đơn vị A Jun (J) đơn vị t giây (s) Đơn vị A kWh đơn vị t (h) Đơn vị P W e Công suất Công suất mạch đại lượng đặc trưng cho khả thu phát lượng điện trường dòng điện A P   U I = R.I2 t Công suất nguồn điện công suất tiêu thụ điện tồn mạch Png = E.I Đơn vị cơng suất oát (W) Nếu U = 1V, I = 1A P =1W 1kW = 1000W 1MW = 1000 000W 1.2.2 Các định luật a Định luật Ôm + Định luật Ôm đoạn mạch Cường độ dòng điện đoạn mạch tỉ lệ thuận với điện áp hai đầu đoạn mạch tỉ lệ nghịch với điện trở đoạn mạch U Từ công thức: I = suy ra: U = IR R I: cường độ dòng điện (A) U: hiệu điện (V) R: điện trở (Ω) + Định luật Ơm cho tồn mạch: Giả sử có mạch điện hình vẽ: R E, r Hình 1.5: Mạch kín Cường độ dịng điện mạch kín tỉ lệ thuận với sức điện động nguồn điện tỉ lệ nghịch với điện trở toàn mạch E I Rr b Định luật Kiếcshốp (Kirchhoff 1) Tổng đại số dòng điện nút khơng I = Trong qui ước dòng điện tới nút mang dấu dương, dịng điện rời khỏi nút mang dấu âm, ngược lại Ví dụ: nút hình 1.6, định luật Kiếcshốp viết: I1 – I2 – I3 = ta viết lại: I1 = I2 + I3 Hình 1.6: Dịng điện nút Định luật Kirchhoff nói lên tính chất liên tục dịng điện Trong nút khơng có tượng tích lũy điện tích, có điện tích tới nút có nhiên điện tích rời khỏi nút c Định luật Kiếcshốp (Kirchhoff 2) Trong mạch vịng tổng đại số sức điện động tổng đại số điện áp rơi điện trở vòng E = U Qui ước dấu: sức điện động dịng điện có chiều trùng với chiều vòng lấy dấu dương, ngược lại mang dấu âm Áp dụng định luật Kirchhoff cho mạch vịng hình 1.7, ta có: E1 + E2 – E3 = I1.R1 – I2.R2 + I3.R3 Định luật Kirchhoff nói lên tính chất dịng điện Trong mạch điện xuất phát từ điểm mạch vịng kín trở lại vị trí xuất phát lượng tăng Hình 1.7: Mạch vòng dòng điện d Định luật Jun – Lenxơ Nhiệt lượng toả vật dẫn có dịng điện không đổi chạy qua tỉ lệ thuận với điện trở vật, với bình phương cường độ dịng điện với thời gian dòng điện chạy qua Q  I R.t (J) Q = 0,24 I2Rt (calo) Các khái niệm dòng điện xoay chiều 2.1 Định nghĩa dòng điện xoay chiều nguyên lý sản sinh sức điện động xoay chiều hình sin 2.1.1 Định nghĩa Dòng điện xoay chiều dòng điện có i chiều cường độ biến đổi (hay cịn gọi biến I m thiên) theo thời gian, dòng điện xoay chiều thường biến đổi tuần hoàn, sau khoảng + Im T/2 thời gian định, lại lặp lại trình biến thiên cũ, khoảng thời gian ngắn để dòng t điện lặp lại trình biến thiên cũ gọi chu kì T dòng điện xoay chiều 2.1.2 Nguyên lý sản sinh sức điện -Im động xoay chiều hình sin Sức điện động xoay chiều hình sin T tạo máy phát điện xoay chiều pha ba pha Hình 1.7 Về nguyên tắc, máy phát điện xoay chiều pha gồm có hệ thống cực từ gọi phần cảm đặt stato dây gọi phần ứng đặt rôto Dựa định luật cảm ứng điện từ: Xét máy phát điện xoay chiều đơn giản Cho khung dây quay từ trường nam châm vĩnh cửu, khung dây cắt đường sức từ trường cảm ứng khung dây sức điện động cảm ứng xoay chiều Nối đầu khung dây với tải có dịng điện xoay chiều chạy qua tải Dòng điện cung cấp cho tải thông qua vành trượt chổi than Khi công suất điện lớn, lấy cách điện gặp nhiều khó khăn chỗ tiếp xúc vành trượt chổi than Trong công nghiệp, máy phát điện xoay chiều chế tạo sau: dây quấn đứng yên rãnh lõi thép phần tĩnh nam châm N-S phần quay Khi tác dụng lực học vào trục làm nam châm N-S quay, dây quấn phần tĩnh cảm ứng sức điện động xoay chiều hình sin Dây quấn đứng yên nên việc lấy điện cung cấp cho tải an tồn thuận lợi Mơ hình máy phát điện xoay chiều vẽ hình 1.8 Hình 1.8: Nguyên lý máy phát điện xoay chiều 2.2 Các đại lượng đặc trưng cho dịng điện xoay chiều 2.2.1 Chu kì – tần số - pha a Chu kì khoảng thời gian ngắn để dịng điện lặp lại q trình biến đổi cũ Kí hiệu T; đơn vị giây (s) b Tần số số chu kì mà dịng điện thực đơn vị thời gian (tính giây) Kí hiệu: f Ta có f = 1/T (đơn vị Héc: Hz) Dịng điện có tần số 1Hz dịng điện thực chu kì giây 1kHz = 103 Hz 1MHz = 106 Hz c Tần số góc  tốc độ biến thiên dịng điện hình sin, đơn vị rad/s Quan hệ tần số góc  tần số f:  = 2 f Ví dụ: Dịng điện xoay chiều sản xuất sinh hoạt nước ta có tần số f = 50Hz Tính chu kỳ T tần số góc ω Lời giải: Chu kỳ dịng điện: T = 1/f = 1/50 = 0,02s Tần số góc dịng điện:  =  f = 3,14 50 = 314Rad/s d Pha lệch pha: - Pha: Trị số dòng điện, điện áp, sức điện động lượng hình sin thời điểm t gọi trị số tức thời biểu diễn là: u = U m sin(t +  u ) e = E m sin(t +  e ) i = I m sin(t +  i ) Trong đó: i, u, e trị số tức thời dịng điện, điện áp, sức điện động lượng hình sin Im, Um, Em trị số cực đại (biên độ) dòng điện, điện áp, sức điện động + Lượng ( t   ) đặc trưng cho biến thiên sức điện động hình sin gọi góc pha hay pha đại lượng hình sin + Pha ban đầu (  i ,  u,  e ) pha thời điểm t = Phụ thuộc vào chọn toạ độ thời gian, pha ban đầu khơng, âm dương 10 1.5.4 Cấu tạo nguyên lý làm việc khống chế hình cam Trên trục quay bắt chặt hình cam 2, trục nhỏ có vấu có lị xo đàn hồi luôn đẩy trục cấu tỳ hình cam Các tiếp điểm động bắt chặt giá trục 3, tiếp điểm bắt giá cách điện thành khống chế Khi quay tay gạt trục quay làm xoay hình cam 2, trục nhỏ có vấu khớp vào phần lõm hay phần lồi hình cam, làm đóng mở tiếp điểm 4, Trên hình X trình bày nguyên lý cấu tạo tầng tiếp điểm khống chế huy hình cam Trong tầng tiếp điểm đĩa gắn cứng với trục 10 quay nhờ tay quay Đòn bẩy 5, cần tiếp điểm động lăn xoay quanh trục 8, tiếp điểm tĩnh gắn cách điện Dây dẫn mạch điện nối vào ốc vít Thường tầng có hai cặp tiếp điểm (4, 3) (4’, 3’) Khi quay trụ 10 ngược chiều kim đồng hồ, lăn tiếp xúc với đĩa phần có bán kính lớn nên bị đẩy để mở cặp tiếp điểm (4, 3) Còn lăn 6’ tiếp xúc với đĩa đoạn cung có bán kính nhỏ, lị xo 7’ đẩy địn bẩy 5’ đóng cặp tiếp điểm (4’, 3’) Hình 4.16: Cấu tạo khống chế hình cam 1.5.5 Các thông số kỹ thuật khống chế Bộ khống chế hình trống có số lần thao tác khống chế hình cam 1000 lần / Bộ khống chế huy sản xuất điện áp 600 V dòng điện tới 10 A 1.6 Contactor 1.6.1 Khái qt cơng dụng Contactor khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện động lực từ xa, tay (thông qua nút ấn) tự động Như sử dụng Contactor ta điều khiển mạch điện từ xa có phụ tải với điện áp đến 500V dòng 600A (vị trí điều khiển, trạng thái hoạt động Contactor xa vị trí tiếp điểm đóng ngắt mạch điện) 1.6.2 Phân loại Theo số cực người ta chia thành loại: + Contactor cực + Contactor cực + Contactor cực 75 loại: Theo điện áp làm việc người ta chia thành loại: + Contactor chiều + Contactor xoay chiều Theo kết cấu công tắc tơ người ta chia thành loại: + Contactor kiểu kín (thường dùng mơi trường có độ ẩm cao) + Contactor kiểu hở Theo công dụng người ta chia thành + Contactor đơn: sử dụng để điều khiển động quay chiều + Contactor kép: Loại gồm contactor gắn liền có liên động khí với (chuyên dùng để điều khiển động quay chiều) Trong thực tế, ta thường gặp loại contactor xoay chiều pha kiểu điện từ 6.3 Cấu tạo - Trục quay; 2, - Tiếp điểm chính; 2, - Tiếp điểm chính; - Lõi thép động 4, - Tiếp điểm phụ; 7- Lõi thép tĩnh; - Cuộn dây hút; - Động điện; Đ - Nút bấm đóng; C - Nút bấm cắt Hình 4.17: Sơ đồ cấu tạo contactor loại cực 6.4 Nguyên lý làm việc Contactor đóng mở lực điện từ nhờ cuộn hút 8, lõi thép tĩnh lõi thép động gắn trục quay Cuộn dây mắc vào điện áp nguồn, thông qua nút bấm điều khiển Đ C Khi cuộn dây có điện, lực điện từ hút lõi thép nhập vào lõi thép tĩnh 7, làm trục quay quay góc theo chiều đóng tiếp điểm Khi điện vào cuộn hút bị cắt, lực lị xo (trên hình 4.17 khơng vẽ lị xo này) trọng lực phần động làm lõi rời khỏi lõi 7, phần động trở trạng thái cũ, công tắc tơ bị cắt Contactor điều khiển chỗ hay từ xa nhờ nút bấm Đ C Đ nút bấm đóng Khi ấn nút bấm này, dịng điện khống chế Ikc qua cuộn hút để đóng cơng tắc tơ Nhờ nút Đ đấu song song với tiếp điểm thuận nên bỏ tay, nút Đ mở ra, mạch điện cuộn hút liền nhờ tiếp điểm Muốn cắt công tắc tơ, ta ấn nút bấm cắt C, làm dịng Ikc qua cuộn hút, làm cơng tắc tơ bị cắt Lúc tiếp điểm phụ mở ra, nên ta bỏ nút C, mạch điện cuộn hút bị cắt Tiếp điểm phụ đấu song song với nút bấm Đ gọi tiếp điểm tự giữ hay tiếp điểm khóa Contactor có lắp hộp dập hồ quang riêng cho cực để tăng cường khả đóng cắt (hình 4.17 khơng vẽ) Ngồi tác dụng đóng cắt, cơng tắc tơ cịn có tác dụng bảo vệ điện áp Khi điện áp giảm tới 0,5 ÷ 0,6 Uđm, cuộn hút không đủ lực hút, lõi thép nhả công tắc tơ bị cắt Hiện cơng tắc tơ chế tạo với dịng điện làm việc đến 600A có khả đóng cắt tới 20 ÷ 50 triệu lần, thời gian tác động nhanh (khoảng 0,04  0,1s) 1.6.5 Các thông số kỹ thuật contactor a Điện áp định mức 76 Điện áp định mức Contactor Uđm điện áp mạch điện tương ứng mà tiếp điểm phải đóng ngắt, điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây nam châm điện cho mạch từ hút lại Cuộn dây hút làm việc bình thường điện áp giới hạn (85 ÷ 105%) điện áp định mức cuộn dây Thông số ghi nhãn đặt hai đầu cuộn dây Contactor, có cấp điện áp định mức: 110V, 220V, 440V chiều 127V, 220V, 380V, 500V xoay chiều b Dòng điện định mức Dòng điện định mức Contactor Iđm dịng điện định mứcđi qua tiếp điểm chế độ làm việc lâu dài Dòng điện định mức Contactor hạ áp thơng dụng có cấp là: 10A, 20A, 25A, 40A, 60A, 75A, 100A, 150A, 250A, 300A, 600A Nếu đặt tủ điện dịng điện định mức phải lấy thấp 10% làm mát, dịng điện cho phép qua Contactor phải lấy thấp chế độ làm việc dài hạn 1.7 Rơ le trung gian (Relay control) 1.7.1 Khái niệm kí hiệu Rơle trung gian khí cụ điện dùng lĩnh vực điều khiển tự động, cấu kiểu điện từ Rơle trung gian đóng vai trị điều khiển trung gian thiết bị điều khiển (Contactor, Rơle thời gian ) Trong sơ đồ điều khiển, relay trung gian thơng thường lắp đặt vị trí trung gian, nằm thiết bị điều khiển cơng suất nhỏ thiết bị điều khiển công suất lớn Hiện nay, thị trường có loại rơ le trung gian sau: - Rơ le trung gian 12VDC, 24VDC, 220VAC - Rơ le trung gian 5, 8, 11, 14 chân Hình 4.18: Kí hiệu loại rơ le trung gian a Loại chân; b Loại chân; c Loại 11 chân; d Loại 18 chân 1.7.2 Cấu tạo Thiết bị nam châm điện có thiết kế gồm lõi thép tĩnh, lõi thép động cuộn dây Cuộn dây bên cuộn cường độ, cuộn điện áp cuộn cường độ cuộn điện áp Lõi thép động găng lò xo định vị vít điều chỉnh 77 Hình 4.19: Cấu tạo rơ le trung gian Lõi thép tĩnh; Cuộn dây; Nắp di động; Lò xo phản hồi; Tiếp điểm 1.7.3 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động Rơle trung gian tương tự nguyên lý hoạt động Contactor Khi cấp điện áp giá trị điện áp định mức vào hai đầu cuộn dây Rơle trung gian (ghi nhãn), lực điện từ hút mạch từ kín lại, hệ thống tiếp điểm chuyển đổi trạng thái trì trạng thái (tiếp điểm thường đóng hở ra, tiếp điểm thường hở đóng lại) Khi ngưng cấp nguồn, mạch từ hở, hệ thống tiếp điểm trở trạng thái ban đầu Điểm khác biệt Contactor Rơle tóm lược sau: - Trong Rơle có loại tiếp điểm có khả tải dòng điện nhỏ, sử dụng cho mạch điều khiển (tiếp điểm phụ) - Trong Rơle có loại tiếp điểm thường đóng tiếp điểm thường hở, nhiên tiếp điểm khơng có buồng dập hồ quang (khác với hệ thống tiếp điểm Contactor hay CB) Các ký hiệu dùng cho Rơle trung gian: Trong trình lắp ráp mạch điều khiển dùng Rơle hay số mạch điện tử công nghiệp, ta thường gặp kí hiệu sau đây: - Kí hiệu SPDT: Kí hiệu viết tắt từ thuật ngữ SING POLE DOUBLE THROW, Rơle mang kí hiệu có cặp tiếp điểm, gồm tiếp điểm thường đóng thưịng hở, cặp tiếp điểm có đầu chung - Kí hiệu SPST: Kí hiệu viết tắt từ thuật ngữ SING POLE SINGE THROW, Rơle mang ký hiệu gồm có tiếp điểm thường hở - Kí hiệu DPST viết tắt từ thuật ngữ DOUBLE POLE SINGE THROW, Rơle mang kí hiệu gồm có hai tiếp điểm thường hở Ngồi ra, Rơle lắp ghép tủ điều khiển thường lắp đế chân Tuỳ theo số lượng chân có kểu khác nhau: Đế chân, đế 11 chân, đế 14 chân 1.7.4 Công dụng rơ le trung gian Rơ le trung gian làm nhiệm vụ trung gian chuyển tiếp mạch điện cho thiết bị khác, ví dụ bảo vệ tủ lạnh chẳng hạn – điện yếu rơ le ngắt 78 điện khơng cho tủ làm việc cịn điện ổn định lại cấp điện bình thường Trong nạp acquy xe máy, tơ máy phát điện đủ khỏe rơ le trung gian dóng mạch nạp cho acquy, … Rơ le trung gian chất lượng có lượng tiếp điểm nhiều, khoảng đến tiếp điểm, vừa mở đóng, thiết bị thường sử dụng nhằm truyền tín hiệu relay khơng đảm bảo khả ngắt, đóng số lượng tiếp điểm dùng để chia tín hiệu đến phận khác từ relay hệ thống sơ đồ mạch điện điều khiển Ngoài bảng mạch điều khiển sử dụng linh kiện điện tử, thiết bị điện rơ le trung gian hay sử dụng để truyền tín hiệu cho phận mạch phía sau cách làm phần tử đầu Hình 4.20: Một số loại rơ le trung gian Khí cụ bảo vệ mạch điện hạ áp 2.1 Cầu chì 2.1.1 Khái qt cơng dụng Cầu chì loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị điện lưới điện tránh khỏi dòng điện ngắn mạch, thường dùng bảo vệ cho đường dây, máy biến áp động Cầu chì có đặc điểm đơn giản, kích thước nhỏ, khả cắt lớn giá thành hạ nên ngày sử dụng rộng rãi Thời gian cắt mạch cầu chì phụ thuộc vào vật liệu làm dây chảy Dây chảy cầu chì làm chì, hợp kim chì với thiếc, kẽm, nhơm, đồng, bạc…chì kẽm, hợp kim chì với thiếc có nhiệt độ nóng chảy tương đối thấp, điện trở suất tương đối lớn Do loại dây chảy thường chế tạo có tiết diện lớn thích hợp với điện áp 500V Đối với điện áp cao 1000V, khơng thể dùng dây chảy có tiết diện lớn lúc nóng chảy lượng kim loại tỏa lớn khó khăn cho việc dập hồ quang Do điện áp thường dùng dây chảy đồng, bạc, có điện trở suất nhỏ, nhiệt độ nóng chảy cao Cầu chì có đặc điểm cấu tạo đơn giản, kích thước bé, khả cắt lớn, giá thành hạ nên ứng dụng rộng rãi, tác động có dịng điện lớn định mức nhiều lần, chủ yếu xuất dịng điện ngắn mạch Cầu chì sử dụng rộng rãi cho mạng điện 1000V Ở thiết bị điện 035 kV cầu chì dùng để bảo vệ cho mạng hình tia, máy biến áp lực cơng suất bé Các tính chất yêu cầu cầu chì: - Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, khơng tác động có dịng điện mở máy dòng điện định mức lâu dài qua - Đặc tính A – s cầu chì phải thấp đặc tính đối tượng bảo vệ - Khi có cố ngắn mạch, cầu chì tác động phải có tính chọn lọc - Việc thay cầu chì bị cháy phải dễ dàng tốn thời gian 79 * Cách lắp đặt lưới điện Cầu chì mắc nối tiếp mạch điện, sau cầu dao - Với điện chiều cầu chì mắc dây dương (+) - Với lưới điện xoay chiều pha, cầu chì mắc dây pha Với lưới điện xoay chiều ba pha khơng có dây trung tính, cầu chì mắc dây pha Với lưới điện xoay chiều ba pha có dây trung tính, cầu chì mắc dây pha 2.1.2 Phân loại Cầu chì hạ áp thường có loại như: kiểu nắp xoáy, kiểu lá, kiểu ống,… a) b) Hình 4.21: Các loại cầu chì c) Cầu chì nắp xốy (hình 4.21 a) gồm đế sứ có vặn chặt nút hình trịn ốc có ren kim loại mặt tiếp xúc kim loại cách điện với Dây chảy đầu hàn với trụ đầu hàn với mặt tiếp xúc Đế cầu chì bắt vào hộp cầu chì sẵn đầu dây dẫn để vặn nút cầu chì vào đế chúng nối liền mạch điện Cầu chì có dây chảy kim loại số sợi dây có đầu cốt bắt vào bảng vít (hình 4.21 b) Cầu chì ống phíp gồm ống làm phíp bọc kín chứa dây chảy (hình 4.21 c) Khi dây chảy nóng chảy, chất khí ống nhíp sinh tạo áp lực làm dập tắt nhanh tia lửa điện, đảm bảo cắt mạch nhanh chóng 2.1.3 Cấu tạo Cầu chì bao gồm thành phần sau: + Phần tử ngắt mạch: thành phần cầu chì có khả cảm nhận giá trị hiệu dụng dòng điện qua Phần tử có giá trị điện trở suất nhỏ (thường bạc, đồng hay vật liệu dẫn có giá trị điện trở suất nhỏ lân cận với giá trị nêu ) Hình dạng phần tử dạng dây (tiết diện trịn) dạng băng mỏng + Thân cầu chì: thường thuỷ tinh, sứ gốm hay vật liệu khác tương đương Vật liệu tạo thành thân cầu chì phải đảm bảo hai tính chất: • Có độ bền khí • Có độ bền điều kiện dẫn nhiệt chịu đựng thay đổi nhiệt độ đột ngột mà không hư hỏng 80 + Vật liệu lấp đầy (bao bọc quanh phần tử ngắt mạch thân cầu chì): thường vật liệu Silicat dạng hạt, phải có khả hấp thụ lượng sinh hồ quang phải đảm bảo tính cách điện xảy tượng ngắn mạch + Các đấu nối: thành phần dùng định vị cố định cầu chì thiết bị đóng ngắt mạch; đồng thời phải đảm bảo tính tiếp xúc điện tốt Cầu chì dùng lưới điện hạ có nhiều hình dạng khác nhau, sơ đồ nguyên lý ta thường kí hiệu cho cầu chì theo dạng sau: Hình 4.22: Kí hiệu cầu chì 2.1.4 Ngun lý làm việc Đặc tính cầu chì phụ thuộc thời gian chảy đứt với dòng điện chạy qua (đặc tính Ampe - giây) Để có tác dụng bảo vệ, đường Ampe – giây cầu chì điểm phải thấp đặc tính đối tượng cần bảo vệ + Đối với dòng điện định mức cầu chì: Năng lượng sinh hiệu ứng Joule có dịng điện định mức chạy qua toả mơi trường khơng gây nên nóng chảy, cân nhiệt thiết lập giá trị mà khơng gây già hố hay phá hỏng phần tử cầu chì + Đối với dịng điện ngắn mạch cầu chì: Sự cân cầu chì bị phá huỷ, nhiệt cầu chì tăng cao dẫn đến phá huỷ cầu chì: Người ta phân thành hai giai đoạn xảy phá huỷ cầu chì: • Q trình tiền hồ quang (tp) • Q trình sinh hồ quang (ta) Hình 4.23: Giản đồ tồn q trình phát sinh hồ quang 81 Trong đó: t0: Thời điểm bắt đầu cố tp: Thời điểm chấm dứt giai đoạn tiền hồ quang tt: Thời điểm chấm dứt trình phát sinh hồ quang * Quá trình tiền hồ quang: Giả sử thời điểm t0 phát sinh q dịng, khoảng thời gian làm nóng chảy cầu chì phát sinh hồ quang điện Khoảng thời gian phụ thuộc vào giá trị dòng điện tạo nên cố cảm biến cầu chì * Quá trình phát sinh hồ quang: Tại thời điểm hồ quang sinh thời điểm t0 dập tắt toàn hồ quang Trong suốt trình này, lượng sinh hồ quang làm nóng chảy chất làm đầy mơi trường hồ quang sinh ra; điện áp hai đầu cầu chì hồi phục lại, mạch điện ngắt 2.1.5 Các đặc tính cầu chì - Điện áp định mức giá trị điện áp hiệu dụng xoay chiều xuất hai đầu cầu chì (khi cầu chì ngắt mạch), tần số nguồn điện phạm vi 48Hz đến 62Hz - Dòng điện định mức giá trị hiệu dụng dòng điện xoay chiều mà cầu chì tải liên tục thường xun mà khơng làm thay đổi đặc tính - Dịng điện cắt cực tiểu giá trị nhỏ dịng điện cố mà dây chì có khả ngắt mạch Khả cắt định mức giá trị cực đại dịng điện ngắn mạch mà cầu chì cắt Sau vị trí biểu đồ dòng điện khác nhau: Các đặc tính dịng điện Các đặc tính cầu chì Dòng điện sử dụng Dòng điện ngắn mạch Dòng điện Dòng điện Khả cắt cực cắt giới cắt định tiểu hạn mức Dòng điện định mức 82 2.2 Rơ le nhiệt 2.2.1 Khái quát công dụng Rơ-le nhiệt loại thiết bị điện dùng để bảo vệ động mạch điện khỏi bị tải, thường dùng kèm với khởi động từ, contactor Dùng điện áp xoay chiều đến 500 V, tần số 50Hz, loại Iđm đến 150A, điện áp chiều tới 440V Rơle nhiệt không tác động tức thời theo trị số dịng điện có qn tính nhiệt lớn phải cần thời gian để phát nóng Thời gian làm việc từ khoảng vài giây [s] đến vài phút, nên không dùng để bảo vệ ngắn mạch Muốn bảo vệ ngắn mạch thường dùng kèm cầu chảy Hình 4.24: Hình dạng rơle nhiệt 2.2.2 Phân loại kí hiệu + Theo kết cấu: Rơ le nhiệt kiểu hở kiểu kín + Theo phương pháp đốt nóng: Rơ le nhiệt có phân tử đốt nóng trực tiếp, gián tiếp hỗn hợp + Theo yêu cầu sử dụng: Rơ le nhiệt cực, cực Hình 4.25: Kí hiệu rơle nhiệt 2.2.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc rơ le nhiệt a b Hình 4.26: Nguyên lý cấu tạo rơ le nhiệt 1- Phần tử đốt nóng 2- Thanh lưỡng kim 3- Địn xoay 4- Tiếp điểm thường đóng 5- Nút phục hồi 6- Lò xo 7- Thanh kéo cách điện 83 Nguyên lý chung rơ le nhiệt dựa sở tác dụng nhiệt dòng điện Nguyên lý tác dụng loại rơ le dựa khác hệ số giãn nở dài hai kim loại bị đốt nóng Do phần tử rơ le phiến kim loại kép (bi mê tan) cấu tạo từ hai kim loại Bình thường lưỡng kim loại hai trạng thái hình 4.26a, tiếp điểm thường đóng đóng, đối tượng bảo vệ làm việc bình thường đối tượng cần bảo vệ bị tải nhỏ lâu dài, phần tử đốt nóng bị cong lên toả nhiệt xung quanh Thanh lưỡng kim bị nóng cong lên trên, rời khỏi đầu đòn xoay Lò xo kéo đòn xoay quay ngược chiều kim đồng hồ, đầu đòn xoay quay sang phải kéo kéo cách điện 7, tiếp điểm thường đóng mở cắt điện mạch điều khiển đối tượng bảo vệ nên tiếp điểm khơng tự động đóng lại Muốn rơ le hồn toàn trở trạng thái ban đầu phải ấn nút phục hồi Khi cố tải giải quyết, lưỡng kim nguội cong xuống tỳ vào đầu địn xoay hình 4.26b Một số mạch điện có sử dụng khí cụ điện 3.1 Mạch điện điều khiển mở máy trực tiếp bảo vệ động điện xoay chiều khơng đồng ba pha Hình 4.27 sơ đồ dùng khởi động từ để khởi động trực tiếp động ba pha Các tiếp điểm cuộn dây công tắc tơ mắc mạch điện động với hai cuộn dây đốt 1RN, RN rơ le nhiệt Mạch điện khống chế gồm nút bấm cắt C, nút bấm đóng Đ đấu song song với tiếp điểm khóa K1 cơng tắc tơ với hai tiếp điểm RN, RN, tất đấu nối tiếp với cuộn dây hút công tắc tơ Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý mở máy trực tiếp ĐKB ba pha Cách hoạt động sơ đồ sau: muốn mở máy động ta bấm nút Đ, cuộn hút K có điện đóng mạch động cơ, đồng thời đóng tiếp điểm tự khóa K1 84 Muốn ngừng động ta bấm nút C làm điện vào cuộn K, công tắc tơ trở trạng thái cắt, tiếp điểm K mở để cắt mạch điện động cơ, đồng thời tiếp điểm phụ K1 mở để cắt mạch tự khóa Khi động bị tải, rơ le nhiệt 1RN, 2RN tác động mở tiếp điểm làm cắt mạch cuộn hút Trên sơ đồ cịn có cầu dao CD làm nhiệm vụ cách ly mạch điện động khỏi mạng điện chung Để tránh trường hợp đứt pha làm hỏng máy người ta thường dùng áptômát thay cho cầu dao cầu chì 3.2 Mạch điện điều khiển đảo chiều quay bảo vệ động điện xoay chiều không đồng ba pha khởi động từ kép Để thay đổi chiều quay động xoay chiều ba pha nguyên tắc ta phải thay đổi chiều từ trường quay stato cách đổi thứ tự hai ba pha vào động Chúng ta thay đổi thứ tự pha vào động cầu dao hai ngả Nhưng sử dụng cách điều khiển có giảm giá thành, dễ đấu lắp song bất tiện trình vận hành, q trình đóng nhả tiếp điểm khơng dứt khốt dễ phát sinh hồ quang Để khắc phục nhược điểm sử dụng khởi động từ kép kèm theo nút ấn Tuy nhiên, tùy theo yêu cầu công việc mà ta chọn cách điều khiển phù hợp Ở ta nghiên cứu mạch điện đảo chiều quay động ba pha khởi động từ kép với phương thức điều khiển: trước đảo chiều quay phải ấn nút “dừng” * Trang bị điện mạch: - Cầu dao cách ly Q - Bộ khởi động từ kép gồm: công tắc tơ K1, K2 rơ le nhiệt OLB - Động xoay chiều ba pha rơ to lồng sóc M - Bộ nút ấn (3 phím, tầng tiếp điểm) PB0, PB1, PB2 Trong đó: + Nút ấn PB0: dừng động (stop) + Nút ấn PB1 động quay thuận (Forward) + Nút ấn PB0: động quay ngược (Revert) * Nguyên lý hoạt động: - Mở máy cho động chạy thuận: Đóng cầu dao cách ly Q, ấn nút PB1, cuộn hút cơng tắc tơ K1 có điện đóng tiếp điểm K11 (cấp nguồn cho động hoạt động) K12 (duy trì cho cơng tắc tơ K1) Động quay theo chiều thuận (theo quy ước) mạch động lực nối sau: Anguồn → ađộng Bnguồn → bđộng Cnguồn → cđộng - Dừng động Ấn nút PB0, cuộn hút công tắc tơ K1 điện nhả tiếp điểm K11 K12 Động ngừng hoạt động Hình 4.28: Sơ đồ nguyên lý đảo chiều quay động KĐB pha khởi động từ kép 85 - Đảo chiều động Ấn nút PB2, cuộn hút công tắc tơ K2 có điện đóng tiếp điểm K21 (cấp nguồn cho động hoạt động) K22 (duy trì cho cơng tắc tơ K2) Động quay theo chiều ngược thứ tự hai pha vào động bị đảo Mạch động lực nối sau: Anguồn → cđộng Bnguồn → bđộng Cnguồn → ađộng - Chức khóa (liên động) Trong q trình làm việc, cơng tắc tơ khơng thể làm việc đồng thời để tránh gây tượng ngắn mạch mạch động lực Vì vậy, cơng tắc tơ làm việc phải khóa cơng tắc tơ Trong mạch ta dùng tiếp điểm thường đóng cơng tắc tơ khống chế hoạt động công tắc tơ Trong sơ đồ việc đấu lắp mạch đơn giản Tuy nhiên, q trình làm việc số máy móc, việc đổi chiều quay diễn tức Chẳng hạn trình cắt ren máy tiện, dao cắt hết hành trình cắt người thợ phải kéo dao ra, cho hành trình cắt Việc đổi chiều quay yêu cầu diễn cách nhanh chóng, khơng có đủ thời gian cho người thợ sử dụng thêm thao tác ấn nút dừng Để đáp ứng yêu cầu ta sử dụng nút ấn tầng tiếp điểm thay cho nút ấn tầng tiếp điểm thơng thường Hình 4.29: Sơ đồ nguyên lý chức khóa 86 3.3 Mạch điện điều khiển mở máy gián tiếp động điện xoay chiều không đồng ba pha phương pháp đổi nối Y/  3.3.1 Trang bị điện mạch a Cầu chì F1, F2, F3, F4 b Bộ nút ấn phím PB0, PB1 Trong đó: + Nút ấn PB0: nút dừng động (stop) + Nút ấn PB1: nút mở máy (start) c Công tắc tơ K1, K2, K3 d Rơ le nhiệt OL e Rơ le thời gian TS f Động xoay chiều pha rơto lồng sóc M 3.3.2 Ngun lý hoạt động a Mở máy Đóng áp tơ mát nguồn Ấn nút PB1, cuộn hút công tắc tơ K1, K2, K3 TS có điện đóng điện cho động mở máy chế độ cuộn dây stato đấu Hình 4.30: Sơ đồ nguyên lý hình nhằm làm giảm dòng khởi động Sau thời gian tiếp điểm thường đóng mở chậm TS1 mở đồng thời tiếp điểm thường mở đóng chậm TS2 đóng lại, cuộn K2 điện, cuộn K3 có điện, đóng điện để cuộn dây đấu thành hình tam giác 3.3.3 Dừng động Ấn nút PB0, cuộn hút K1, TS K3 điện, cắt điện mạch động lực, động ngừng hoạt động 3.4 Mạch điện điều khiển bảo vệ động điện xoay chiều không đồng pha pha Hình 4.31 sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trực tiếp động điện xoay chiều Tiếp điểm cuộn dây cơng tắc tơ mắc mạch điện động cơ, với cuộn dây đốt RN rơ le nhiệt Mạch điện khống chế gồm nút bấm cắt C, nút bấm đóng Đ đấu song song với tiếp điểm đóng K1 cơng tắc tơ với tiếp điểm RN tất đấu nối tiếp với cuộn dây hút công tắc tơ Cách hoạt động sơ đồ sau: + Muốn mở máy động ta bấm nút Đ, cuộn hút K có điện đóng mạch động đồng thời đóng tiếp điểm tự khóa K1 + Muốn ngừng động ta ấn nút C làm điện vào cuộn K công tắc tơ trở trạng thái cắt, tiếp điểm K mở để cắt mạch điện động cơ, đồng thời tiếp điểm phụ K1 mở để cắt mạch tự khóa Khi động bị tải, rơ le nhiệt RN tác động mở tiếp điểm làm cắt mạch cuộn hút, động ngừng hoạt động 87 Hình 4.34: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trực tiếp động điện xoay chiều pha CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Nêu cấu tạo, công dụng nguyên lý làm việc cầu dao, áp-tô-mát, công tắc, nút ấn, khống chế contactor Nêu cấu tạo nguyên lý hoạt động cầu chì rơ le nhiệt Vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điện mạch điều khiển mở máy trực tiếp bảo vệ động điện xoay chiều không đồng ba pha Vẽ sơ đồ nguyên lý đảo chiều quay bảo vệ động điện xoay chiều không đồng ba pha khởi động từ kép Vẽ sơ đồ nguyên mạch điện mạch điều khiển mở máy gián tiếp động điện xoay chiều không đồng ba pha phương pháp đổi nối Y/∆ Vẽ sơ đồ nguyên mạch điện mạch điều khiển bảo vệ động điện xoay chiều không đồng pha Phương pháp thực câu hỏi tập - Vấn đáp, trực quan (xem video), sơ đồ tư duy: câu 1, - Bài tập nhóm: câu 3, 4, 5, Yêu cầu đánh giá kết học tập chương - Kiến thức: + Trình bày cơng dụng, cấu tạo, kí hiệu, ngun lý làm việc khí cụ đóng cắt, điều khiển bảo vệ mạch điện - Kỹ năng: + Phân biệt loại khí cụ đóng cắt, điều khiển bảo vệ mạch điện hạ áp + Đọc thơng số kĩ thuật loại khí cụ điện thường dùng hệ thống điện - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Ý thức tích cực, tự giác, chủ động học tập nghiên cứu 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình Kĩ thuật điện, Vụ trung học chuyên nghiệp dạy nghề, NXB Giáo dục, 2005 [2] Giáo trình Kĩ thuật điện, Đặng Văn Đào – Lê Văn Doanh, NXB Giáo dục, 2001 [3] Giáo trình thiết bị điện, Lê Thành Bắc, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 [4] Giáo trình máy điện, Đào Hoa Việt – Vũ Hữu Thích – Vũ Đức Thoan – Đỗ Duy Hiệp, NXB Giáo dục 2012 89