Khi mất một hoặc hai pha trong ba pha thì động cơ vẫn quay nhưng lúc này chế độ làm việc của động cơ tương tự như chế độ làm việc không có nguồn đối xứng.. Chương 4 một số phương pháp bả
Trang 1Nguồn điện xoay chiều ba pha cấp điện cho động cơ không đồng bộ ba pha có thể xảy ra hiện tượng mất thứ tự pha và mất pha
+ Hiện tượng mất thứ tự pha
Khi động cơ đang làm việc bình thường mà xảy ra mất thứ tự pha thì
động cơ sẽ đảo chiều quay, quay theo chiều ngược lại
Trong thực tế thì hiện tượng mất thứ tự pha có thể xảy ra vô tình hay hữu ý Vô tình là do công nhân kĩ thuật thao tác nhầm khi nối nguồn cấp cho
động cơ, hoặc thứ tự hai trong ba pha của nguồn bị nối sai Hữu ý là do chủ ý của người vận hành muốn thay đổi hai trong ba pha để động cơ quay theo chiều ngược lại
Hiện tượng mất thứ tự pha có thể khống chế bằng tay hay tự động nhờ
hệ thống khởi động từ điều khiển động cơ quay theo chiều phù hợp với yêu cầu công nghệ
+ Hiện tượng mất pha
Khi xảy ra hiện tượng này thì động cơ vẫn quay theo chiều cũ Khi mất một hoặc hai pha trong ba pha thì động cơ vẫn quay nhưng lúc này chế độ làm việc của động cơ tương tự như chế độ làm việc không có nguồn đối xứng Nhưng trong trường hợp mất pha động cơ làm việc nặng nề hơn nhiều, có hiện tượng nóng phát nhiệt, tiếng kêu khác thường do từ trường quay của một hoặc hai pha trong ba pha dây quấn stato của động cơ
Chương 4 một số phương pháp bảo vệ động cơ ba pha
4.1 bảo vệ ngắn mạch
Ngắn mạch là hiện tượng các pha chập nhau (đối với mạng trung tính cách điện với đất) hoặc là hiện tượng các pha chập nhau và chạm đất (đối với mạng trung tính trực tiếp nối đât) Nói cách khác đó là hiện tượng bị nối tắt qua một tổng trở rất nhỏ có thể xem như bằng không Khi ngắn mạch tổng trở của hệ thống bị giảm xuống và tuỳ theo vị trí điểm ngắn mạch xa hay gần nguồn cung cấp mà tổng trở hệ thống giảm xuống ít hay nhiều
Trang 2Khi ngắn mạch, trong mạng điện xuất hiện quá trình quá độ nghĩa là dòng điện và điện áp đều thay đổi, dòng điện tăng lên rất nhiều so với lúc làm việc bình thường Song song với sự biến thiên về dòng điện, điện áp trong mạng cũng giảm xuống Mức độ giảm điện áp nhiều hay ít là tuỳ thuộc vào vị trí điểm ngắn mạch so với nguồn cung cấp Thời gian điện áp giảm xuống xác
định bằng thời gian tác động của rơle bảo vệ và của máy cắt điện đặt gần điểm ngắn mạch nhất
Trong thực tế ta thường gặp các dạng ngắn mạch sau: ngắn mạch ba pha, hai pha, một pha và hai pha chạm đất
Thiết bị bảo vệ ngắn mạch ta có thể sử dụng là các cầu chảy, rơle,
áptômat ở đây chúng tôi xin giới thiệu thiết bị bảo vệ ngắn mạch dùng cầu chảy
Cầu chảy là một loại khí cụ dùng để bảo vệ thiết bị điện và lưới điện tránh khỏi dòng điện ngắn mạch (hay còn gọi là đoản mạch, chập mạch)
Bộ phận cơ bản của cầu chảy là dây chảy Dây chảy thường làm bằng các chất có nhiệt độ nóng chảy thấp Với những dây chảy trong mạch có dòng
điện làm việc lớn, có thể làm bằng các chất có nhiệt độ nóng chảy cao, nhưng thiết diện nhỏ thích hợp Do vậy dây chảy thường là dây chì thiết diện tròn hoặc bằng các lá chì, kẽm, hợp kim chì thiếc, nhôm hay đồng được dập
Dây chảy được kẹp chặt bằng vít vào đế cầu chảy Cầu chảy thường có nắp cách điện để tránh hồ quang bắn ra xung quanh khi dây chảy đứt
Đặc tính cơ bản của dây chảy là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt dây chảy theo dòng điện chạy qua nó Hình: 4.1
t(s)
3
2
L K 1
Trang 3
0 Iđm Igh I(A)
Hình 4.1: Đặc tính A- s của dây chảy
Đặc tính này còn gọi là đặc tính thời gian- dòng điện A- s (đường 1 hình 1) Dòng điện qua dây chảy càng lớn, thời gian chảy đứt càng nhỏ
Để cầu chảy bảo vệ được đối tượng cần bảo vệ với một dòng điện nào
đó trong mạch, dây chảy phải đứt trước khi đối tượng bị phá huỷ Nói cách khác , đường đặc tính A- s của dây chảy phải nằm dưới đặc tính của đối tượng cần bảo vệ (đường 2 hình 1)
Thực tế thì dây chảy thường có đặc tính như đường 3 Như vậy trong miền qua tải lớn (K∞), đường 3 thấp hơn đường 2: cầu chảy bảo vệ được đối tượng Trong miền quá tải nhỏ (đoạn LK), cầu chảy không bảo vệ được đối tượng Trường hợp này, dòng quá tải nhỏ, sự phát nóng của dây chảy toả ra môi trường xung quanh là chủ yếu nên không đủ làm chảy dây
Trị số dòng điện mà dây chảy bị chảy đứt được gọi là dòng điện giới hạn Rõ ràng cần có Igh> Iđm để dây chảy không bị đứt khi làm việc với dòng
điện định mức
Thông thường đối với dây chảy chì thì: Igh/Iđm = 1.25 ữ 1.45
Các cầu chảy sử dụng trong kỹ thuật có nhiều dạng, kiểu khác nhau nhưng nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau, hình: 4.2 là ký hiệu cầu chảy trên sơ đồ điện
Hình 4.2: Ký hiệu cầu chảy
4.2 bảo vệ bằng áp tô mát
áp tô mát là khí cụ điện đóng mạch bằng tay và cắt mạch tự động khi có
sự cố như: quá tải, ngắn mạch, sụt áp Nó được sử dụng rộng rãi trong việc bảo vệ động cơ điện áp dưới 1000 V
Trong thực tế thường thấy những loại sau đây:
Trang 4- Loại 2 cực, loại 3 cực
- Loại bảo vệ ngắn mạch, loại bảo vệ quá tải, loại bảo vệ quá dòng điện
có kết hợp bảo vệ thấp áp và loại liên hợp bảo vệ ngắn mạch, quá tải
- Loại đóng bằng tay, loại đóng bằng nam châm điện, loại đóng bằng môtơ điện
Để bảo vệ động cơ ba pha người ta sử dụng loại áp tô mát 3 cực Sơ đồ nguyên lý Hình 4.3 của áp tô mát 3 cực có bộ phận cắt qúa tải, ngắn mạch và
điện áp thấp
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của ap tô mát ba pha Khi nguồn hoạt động bình thường áp tô mát đang ở vị trí đóng, cần 5 có móc cài chặt với móc của cần 15 nhờ lực kéo xuống phía dưới của lò xo 14 Khi quá tải, ngắn mạch thì dòng điện trong mạch áp tô mát tăng lên làm lực hút của cuộn dây điện từ 10 hoặc 12 Khi lực hút này thắng lực kéo của lò xo
11 hoặc 13thì cán 4 bị hút vào lõi thép của cuộn dây, lúc này vấu 3 sẽ đập vào cần 5, làm cần 5 nâng lên phía trên, thả tự do cho cần 15, dưới tác dụng của các lò xo các tiếp điểm của áp tô mát làm cắt mạch
Nếu điện áp trong mạch cuộn dây 9 bị giảm thấp quá mức quy định hoặc mất điện thì áp tô mát cũng cắt mạch và cuộn dây 9 mất lực hút làm thả cần 7 và dưới tác dụng của lò xo 8 và vấu 6 đập vào cần 5 làm nhả chốt cần
15 Trong mạch cuộn dây điện áp thấp 9 có mắc nối tiếp một tiếp điểm phụ
Trang 5thường mở 17 và điện trở phụ 16 để cắt từ xa những áp tô mát không có bộ phận bảo vệ quá tải
áp tô mát có thể đóng băng tay nhờ cơ cấu tay đòn hoặc từ xa nhờ cơ cấu điện từ Dù là cơ cấu truyền động nào cũng có khả năng cắt áp tô mát cả ở thời điểm đang đóng, nhờ đó mà áp tô mát bảo vệ động cơ một cách chắc chắn
và an toàn cho người vận hành khi đang thao tác
Tuy nhiên ta thấy các phương pháp bảo vệ động cơ bằng cầu chì và áp tô mát chỉ bảo vệ được cho động cơ trong một số trường hợp nhất định
Ta thử tưởng tượng xem giả sử như bây giờ một dây truyền trộn xi măng đang hoạt động bình thường bỗng xảy ra sự cố đảo pha, lúc đó các động cơ sẽ quay ngược lại làm cho quá trình trộn nguyên vật liệu sẽ đảo ngược lại gây hậu quả rất nghiêm trọng về mặt kinh tế có khi còn làm hại tính mạng của con người Hoặc trong các cầu thang máy, các dây truyền sản xuất khác cũng gây ra các hậu quả tương tự
Rõ ràng trong những trường hợp nguồn bị mất pha hoặc thứ tự pha bị thay đổi thì các phần tử trên rất khó bảo vệ, hơn nữa nếu có thiết kế được mạch bảo vệ thì rất tốn kém về mặt kinh tế so với dùng các kinh kiện bán dẫn công suất Về mức độ an toàn cũng như tin cậy là rất cao vì mạch bảo vệ sử dụng các linh kiện bán dẫn Hơn nữa trong một số môi trường làm việc như có
độ ẩm hoặc nhiết độ cao thì các cầu chì và áp tô mát có nhiều hạn chế
Như vậy ta thấy mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất có một ý nghĩa thực tế rất sâu sắc và thiết thực
4.3 bảo vệ thấp áp, quá áp và mất đối xứng
4.3.1 Sơ đồ nguyên lý (Hình 4.4)
Trang 74.3.2 Nguyên lý hoạt động
+ Mạch bảo vệ gồm:
Các tụ C0 tạo thành bộ lọc thứ tự không
Biến áp BA1 và cầu chỉnh lưu CL1 tạo thành nguồn nuôi
Các tụ C0 tạo thành bộ lọc áp thứ tự không
Biến áp BA1 và cầu chỉnh lưu CL1 tạo thành nguồn nuôi
Các biến áp BA2 ữ BA5 và cầu chỉnh lưu CL2 ữ CL5 tạo ra điện áp
điều khiển một chiều
C1 ữ C8 là các tụ lọc
R5, R6, R11, R17 và R18 là các biến trở dùng để đặt lên một cực của bộ so sánh
Đ điôt ổn áp loại zener, tạo ra điện áp chuẩn Uc= 1ữ 35 V; Ur= 12V
R1, R2: Các điện trở phân áp
T1ữ T8 là các tranzito làm việc ở chế độ đóng mở bão hoà
D1 ữ D7 không cho điện áp âm đặt lên các tranzito tương ứng
D8 bảo vệ mạch rơle trong quá trình đóng mở
Bộ lọc áp thứ tự không:
Dùng để xác định thành phần thứ tự không xuất hiện khi ngắn mạch một pha hoặc hai pha với đất, đứt một pha, hai pha hoặc các chế độ không đối xứng của mạng điện
Thành phần điện áp thứ tự không trong hệ thống ba pha đối xứng:
.
U = U +U +U (4- 1)
Hệ số biến đổi của bộ lọc bằng 1:
K= Ura/U0= 1
Trang 8Biểu diễn các thành phần điện áp dưới dạng véc tơ
UCA UAB UAB O’
Khi đối xứng thì :
.
0
U +U +U = từ đây U0= 0 Khi mất đối xứng (pha C) U0= 1
3(
.
U +U ) (4-2)
Từ hình 4.5b ta thấy điểm trung tính của bộ lọc lệch đi ở vị trí O’ là
điểm giữa của UAB Khi đó điện áp của bộ lọc so với điểm trung tính làm việc là:
'
U =U
+ Nguyên tắc hoạt động
Điện áp chuẩn Uc=3V
Nhờ IC 7812 và điôt zener nên điện áp chuẩn UC không thay đổi khi
điện áp ở biến áp nguồn BA1 biến thiên
Các pha A, B, C đều có mạch bảo vệ như nhau nên ta chỉ cần xét với một pha bất kỳ Chẳng hạn pha A
- ở chế độ bình thường
Điện áp các pha UA, UB, UC là đối xứng nhau và bằng 220V Khi đó
điện áp đầu ra của bộ lọc cung cấp cho biến áp BA2 bằng 0 làm cho điện áp
điều khiển trên cực không đảo của khuếch đại thuật toán KTT1 cũng bằng 0
và nhỏ hơn điện áp chuẩn đặt vào cực đảo Do đó đầu ra của khuếch đại thuật
Trang 9toán KTT1 ở mức thấp Điốt D1 ngăn không cho điện áp âm xuất hiện trên cực
B của đèn T2 , UBE = 0 đèn T2 bị khoá
Điện áp qua BA3 bằng 5,5V, qua chiết áp R5 vào cực không đảo của KTT2 là Ua2= 2,7V < 3V = UC và làm cho điện áp ra bão hoà âm Chiết áp R6
đã được điều chỉnh phân áp cho cực đảo của KTT3 là Ua3 =3,5V>3V=Uc do đó
Ur3 cũng bão hòa âm Các điốt D2, D3 ngăn điện áp âm đặt lên cực B của đèn T3, T4 ở trạng thái này UBE = 0 đèn T3, T4 bị khóa
Rơ le trung gian ở trạng thái đóng vì vậy ở trạng thái bình thường đèn
T1 thông, mạch kín Cho phép tải hoạt động bình thường
- ở chế độ mất 1 pha
Khi mất bất kỳ 1 pha trong 3 pha thì đầu ra của bộ lọc thứ tự không xuất hiện một điện áp 110V Qua BA2, CL2 và biến trở R23 vào cực không đảo của khuếch đại thuật toán là Ua1 = 3,6V > 3V = Uc lên điện áp đầu ra của KTT1 ở mức cao, đèn T2 được đặt một thiên áp thuận nên T2 thông bão hòa nên T2 thông bão hòa đèn T1 khóa, vì T1 khóa nên rơle không có dòng chạy qua làm cho tiếp điểm thường đóng nhả ra, tải được ngắt ra khỏi lưới
Khi mất 2 pha lúc này điện áp đầu ra của bộ lọc thứ tự không là 220V Điện
áp điều khiển đặt lên cực không đảo Ua1 =7V > 3V =Uc Nguyên lý chấp hành tiếp theo của mạch tương tự như trong trường hợp mất một pha
- Chế độ quá áp và thấp áp
Ta biết rằng trong mạng điện nông nghiệp điện áp cung cấp cho các hộ tiêu thụ điện cho phép thay đổi trong khoảng ±10% điện áp định mức
Với Uđm= 220 V thì Umaxcp≈ 240 V và Umincp≈ 198 V
Vì thế trong phần này, người ta chọn điện áp cao và thấp để làm cơ sở cho việc tính toán mạch bảo vệ:
Umax≈ 240 V và Umincp≈ 198V Khoảng điện áp cho phép này còn được mở rộng tuỳ thuộc vào yêu cầu
và các tính chất của thiết bị cần được bảo vệ nhờ các biến trở
Trang 10Giả sử điện áp pha A vượt quá giá trị 240V Qua biến áp BA3, cầu chỉnh lưu CL3 và biến trở R5 cực không đảo của khuếch đại thuật toán KTT2
được cung cấp điện áp là Ua2> 3V (điện áp chuẩn UC) Do đó điện áp đầu ra của KTT bão hoà dương
Rơle cũng chấp hành tương tự như trong trường hợp mất pha
Khi điện áp pha A nhỏ hơn 198V= Umincp Khi đó điện áp một chiều qua biến trở đã được chỉnh định R6 đặt lên cực cực đảo của khuếch đại thuật toán KTT3 nhỏ hơn điện áp chuẩn: Ua3< UC, do đó điện áp đầu ra của KTT3 là
Ur3 bão hoà dương đèn T4 thông bão hoà và rơle chấp hành như trong trường hợp mất pha
ở sơ đồ nối thiết bị với động cơ Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ như sau:
ở thời điểm ban đầu các công tắc đều ở vị trí mở Ta đóng cầu dao CD, sau đó đóng tiếp các công tắc CT1, CT2, CT3, các đèn ở trong mạch sẽ sáng Rơle RL có điện đóng tiếp điểm thường mở của nó là RL Lúc này công tắc CT4 vẫn mở, khởi động từ hở mạch làm cho tiếp điểm K trên mạch động cơ ở trạng thái mở Động cơ chưa có điện
Khi đóng công tắc CT4 khởi động từ có điện, đóng các tiếp điểm K, nối kín mạch cho động cơ Động cơ hoạt động ở trạng thái bình thường
Khi xảy ra sự cố như mất pha, thấp áp hoặc quá áp thì rơle RL sẽ tác
động làm mở tiếp điểm RL, Khởi động từ mất điện sẽ làm nhả các tiếp điểm
K Đồng thời động cơ được ngắt khỏi lưới điện, đảm bảo an toàn cho toàn bộ dây truyền sản xuất cũng như động cơ
Ta thấy rằng mạch bảo vệ động cơ này có hạn chế đó là khó điều khiển các biến trở một cách chính xác sau một thời gian mạch hoạt động Trong mạch vẫn còn sử dụng một số tiếp điểm bằng rơ le, điều này có hạn chế khi mạch bảo vệ phải đặt trong môi trường có độ cháy nổ cao Hơn nữa trong một
số trường hợp mạch hoạt động không chính xác Vì vậy chúng tôi xin giới thiệu mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất
