Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước điện năng có vai trò rất quan trọng. Điện năng giúp chúng ta giảm đáng kể sức lao động của con người trong các nhà máy, xưởng sản xuất, trong các cầu cảng… Điện năng còn giúp chúng ta trong lĩnh vực chiếu sáng, thông tin, liên lạc…Để đạt được tối đa các ứng dụng của điện năng và an toàn cho các thiết bị tiêu thụ điện thì việc bảo vệ là hết sức quan trọng. Việc bảo vệ phải đảm bảo ngắt phần hư hỏng ra khỏi lưới điện để không ảnh hưởng đến các thiết bị dùng điện khác hay phải tách thiết bị ra khỏi lưới điện khi lưới điện gặp sự cố.Trước kia, với các khí cụ điện các đặc tính bảo vệ đã được thỏa mãn. Nhưng với cáckhí cụ điện thì việc bố trí tủ điện cồng kềnh, mất nhiều diện tích, hơn nữa giá thành lại khá cao. Để khác phục những nhược điểm trên em xin đưa ra một số phương pháp dùng các phần tử bảo vệ không tiếp điểm để thay thế cho các khí cụ điện. Dùng các phần tử không tiếp điểm này đặc tính bảo vệ của nó không khác gì so với các khí cụ điện, hơn nữa việc sử dụng các phần tử không tiếp điểm này khiến cho các tủ điện trở nên gọn nhẹ đáng kể. Không những thế dùng các phần tử không tiếp điểm còn đơn giản có thể tự chế tạo được.Khi nhận được đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. Đề tài gồm có 4 chương:

Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử LỜI MỞ ĐẦU Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước điện năng có vai trò rất quan trọng. Điện năng giúp chúng ta giảm đáng kể sức lao động của con người trong các nhà máy, xưởng sản xuất, trong các cầu cảng… Điện năng còn giúp chúng ta trong lĩnh vực chiếu sáng, thông tin, liên lạc…Để đạt được tối đa các ứng dụng của điện năng và an toàn cho các thiết bị tiêu thụ điện thì việc bảo vệ là hết sức quan trọng. Việc bảo vệ phải đảm bảo ngắt phần hư hỏng ra khỏi lưới điện để không ảnh hưởng đến các thiết bị dùng điện khác hay phải tách thiết bị ra khỏi lưới điện khi lưới điện gặp sự cố. Trước kia, với các khí cụ điện các đặc tính bảo vệ đã được thỏa mãn. Nhưng với cáckhí cụ điện thì việc bố trí tủ điện cồng kềnh, mất nhiều diện tích, hơn nữa giá thành lại khá cao. Để khác phục những nhược điểm trên em xin đưa ra một số phương pháp dùng các phần tử bảo vệ không tiếp điểm để thay thế cho các khí cụ điện. Dùng các phần tử không tiếp điểm này đặc tính bảo vệ của nó không khác gì so với các khí cụ điện, hơn nữa việc sử dụng các phần tử không tiếp điểm này khiến cho các tủ điện trở nên gọn nhẹ đáng kể. Không những thế dùng các phần tử không tiếp điểm còn đơn giản có thể tự chế tạo được. Khi nhận được đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. Đề tài gồm có 4 chương: Chương I: Các sự cố thường gặp 1 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Chương II: Tìm hiểu biện pháp bảo vệ cổ điển Chương III: Phương pháp bảo vệ dùng thiết bị bán dẫn Chương IV: Tính chọn thiết bị Ban đầu, khi nhận được đề tài em cảm thấy rất do dự, không biết khả năng của mình có thể hoàn thành được đề tài hay không, nhưng sau một thời gian học tập tại xưởng, được sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Trương Huy và các thầy cô giáo trong khoa, cùng với các bạn đến nay đồ án đồ án của em đã hoàn thành. Mặc dù vậy vì thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong được các thầy cô giúp đỡ thêm để em có được những kiến thức bổ ích để bước vào ngành khoa học đầy thú vị này! Em xin cảm ơn! Đại Học Sao Đỏ, ngày… tháng…. Năm 2014 Sinh viên 2 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử CHƯƠNG I: CÁC SỰ CỐ THƯỜNG GẶP Trong quá trình vận hành, hệ thống truyền động điện có thể xuất hiện sự cố và chế độ làm việc không bình thường của các phần tử. Trong phần lớn các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng khá cao và điện áp giảm khá thấp. Các thiết bị có dòng tăng cao chạy qua có thể bị đốt nóng quá mức cho phép và bị hư hỏng. Khi điệp áp giảm thấp các hộ tiêu thụ không thể làm việc bình thường và tính ổn định của các máy móc làm việc song song và của toàn bộ hệ thống bị giảm. Các chế độ làm việc không bình thường làm cho áp, dòng, tần số lệch khỏi giới hạn cho phép và nếu kéo dài tình trạng này có thể dẫn đến sự cố. Như vậy, có thể nói sự cố làm rối loạn sự làm việc bình thường của hệ thống truyền động điện nói chung và của các hộ tiêu thụ điện nói riêng. Còn chế độ làm việc không bình thường có thể tạo ngay khi xuất hiện sự cố. Muốn duy trì sự làm việc bình thường của hệ thống và của các hộ tiêu thụ khi xuất hiện sự cố cần phát hiện càng nhanh cành tốt chỗ bị sự cố và cách li nó khỏi phần tử không bị hư hỏng, nhờ vậy phần còn lại hoạt động như thường và đồng thời giảm được mức độ hư hại của phần tử bị sự cố. Chỉ có thiết bị tự động bảo vệ mới có thể thực hiện tốt yêu cầu trên.Các thiết bị bảo vệ này theo dõi liên tục tình trạng và chế độ làm việc của tất cả các phần tử của hệ thống điện. Khi xuất hiên sự cố các phần tử bảo vệ phát hiện và cắt phần tử hỏng ra khỏi lưới điện.Khi xuất hiện chế độ làm việc không bình thường thiết bị bảo vệ sẽ phát hiện và tùy thuộc vào yêu cầu có thể tác động để khôi phục lại chế độ làm việc bình thường hoặc báo tin cho nhân viên trực tiếp. 3 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Trong thực tế đối với hệ thống điện thường xảy ra các sự cố sau: 1.1. Sự cố ngắn mạch 1.1.1. Khái niệm sự cố ngắn mạch Ngắn mạch là hiện tượng nguồn điện khép kín mạch tạo thành dòng điện mà không đi qua phụ tải. Ngắn mạch là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tượng chạm chập giữa các pha không thuộc chế độ làm việc bình thường. - Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chập một pha hay nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch. - Trong hệ thống có trung tính cách điện hay nối đất qua thiết bị bù, hiện tượng chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất. Dòng chạm đất chủ yếu là do điện dung các pha với đất. Ngắn mạch gián tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian, gồm điện trở do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đường đi của dòng điện từ pha này đến pha khác hoặc từ pha đến đất. Điện trở hồ quang điện thay đổi theo thời gian, thường rất phức tạp và khó xác định chính xác. Theo thực nghiệm: R= [Ω] Trong đó: I - Dòng ngắn mạch [A] 4 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử l - Chiều dài hồ quang điện [m] Ngắn mạch trực tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian rất bé, có thể bỏ qua (còn được gọi là ngắn mạch kim loại). Ngắn mạch đối xứng là dạng ngắn mạch vẫn duy trì được hệ thống dòng, áp 3 pha ở tình trạng đối xứng. Ngắn mạch không đối xứng là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng, áp 3 pha mất đối xứng. - Không đối xứng ngang khi sự cố xảy ra tại một điểm, mà tổng trở các pha tại điểm đó như nhau. - Không đối xứng dọc khi sự cố xảy ra mà tổng trở các pha tại một điểm không như nhau. Sự cố phức tạp là hiện tượng xuất hiện nhiều dạng ngắn mạch không đối xứng ngang, dọc trong hệ thống điện. Ví dụ: Đứt dây kèm theo chạm đất, chạm đất hai pha tại hai điểm khác nhau trong hệ thống có trung tính cách đất. Inm = Trong đó: 5 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Inm: Dòng điện ngắn mạch U: Điện áp lưới điện Znm: Điện trở ngắn mạch (Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc chỗ ngắn mạch). 1.1.2. Điện trở ngắn mạch phụ thuộc vào - Khoảng cách từ điểm ngắn mạch tới bảo vệ - Phụ thuộc vào dây dẫn - Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc tại vị trí ngắn mạch. Nhưng dù phụ thuộc gì thì điện trở ngắn mạch cũng rất nhỏ do vậy dòng điện ngắn mạch sẽ rất lớn. 1.1.3. Tác hại của sự cố ngắn mạch - Gây lực điện động rất lớn. - Phá hỏng dây từ điểm ngắn mạch tới nguồn. - Phát nóng: Dòng ngắn mạch rất lớn so với dòng định mức làm cho các phần tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng quá mức cho phép dù với một thời gian rất ngắn. - Tăng lực điện động: Ứng lực điện từ giữa các dây dẫn có giá trị lớn ở thời gian đầu của ngắn mạch có thể phá hỏng thiết bị. - Điện áp giảm và mất đối xứng: Làm ảnh hưởng đến phụ tải, điện áp giảm 30 đến 40% trong vòng một giây làm động cơ điện có thể ngừng quay, sản xuất đình trệ, có thể làm hỏng sản phẩm. 6 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử - Gây nhiễu đối với đường dây thông tin ở gần do dòng thứ tự không sinh ra khi ngắn mạch chạm đất. - Gây mất ổn định: Khi không cách ly kịp thời phần tử bị ngắn mạch, hệ thống có thể mất ổn định và tan rã, đây là hậu quả trầm trọng nhất. 1.1.4. Nguyên nhân dẫn đến ngắn mạch Có nhiều nguyên nhân như: Già hóa cách điện do thao tác của người vận hành, do đứt dây…Vì nguyên nhân gì thì cứ xảy ra sự cố ngắn mạch cần bảo vệ hệ thống khi sự cố ngắn mạch còn chưa phát huy tác hại. 1.2. Sự cố quá tải 1.2.1. Khái niện quá tải - Quá tải là hiện tượng thiết bị phải làm việc vượt quá khả năng về mặt công xuất nhà chế tạo đã đặt. Qúa tải là sự cố khá phổ biến của động cơ không đồng bộ 3 pha. - Biểu hiện của sự cố quá tải: + Dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức, khi bị sự cố quá tải dòng điện sẽ tăng lên vượt qua trị số dòng điện dịnh mức của động cơ làm nóng đồng cơ.Tốc độ làm việc nhỏ hơn tốc độ định mức, nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phát nóng cho phép của động cơ. + Sự cố quá tải được chia làm 2 loại: Quá tải ngắn hạn là hiện tượng dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức 2 đến 3 lần nhưng trong thời gian ngắn. 7 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử Quá tải dài hạn là hiện tượng dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức 1,2 đến 1,4 lần trong thời gian dài. Quá tải dài hạn làm cho nhiệt độ động cớ lớn hơn nhiệt độ cho phép. 1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến quá tải Đối với quá tải ngắn hạn: Khởi động động cơ I kđ = (2 đến 5)I đm U ư = E đ + I ư .r ư E đ = K e n Khi bắt đầu khởi động Eđ=0 Suy ra I ư = I kđ = U ư / r ư Do vậy dòng khởi động rất lớn Đối với quá tải dài hạn + Do lưới điện bị tụt + Mất điện một pha 1.2.3. Tác hại của sự cố quá tải. - Quá tải ngắn hạn có thể gây hư hỏng cho thiết bị về mặt cơ khí. - Quá tải dài hạn làm hỏng các cách điện, hỏng do nhiệt. - Làm già hóa cuộn dây. - Do vậy phải tìm cách bảo vệ để sự cố chưa kịp gây ra tác hại. 1.3. Sự cố mất pha, đảo pha 8 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử 1.3.1. Khái niệm Trong thực tế khi vận hành hệ thống điện ba pha đặt ra rất nhiều vấn đề. Nguồn điện được nhà máy tạo ra là nguồn điện xoay chiều ba pha. Nguồn điện này đến được nơi tiêu thụ cần qua dây dẫn truyền tải và các trạm biến áp. Trong các thiết bị điện ba pha để tránh nhầm lẫn nhà chế tạo đã chỉ dẫn bằng màu. Nhưng vì lí do nào đó khi sửa chữa hoặc lắp đặt dẫn đến thứ tự các pha bị thay đổi. Điều này rất nguy hiểm cho phụ tải. Do vậy cần có các thiết bị bảo vệ cho sự cố mất pha hay đảo pha. Sự cố mất pha là sự cố mà lưới điện cung cấp ba pha không còn đủ ba pha cung cấp cho phụ tải. Điện ba pha là điện được định nghĩa là có ít nhất ba dây, điện áp giữa hai dây luôn bằng nhau và lệch nhau 120 độ. Đối với điện ba pha bốn dây thì có thêm dây trung tính, người ta có thêm khái niệm điện áp pha tức là giữa 1 pha với trung tính. Điện áp pha của 3 pha cũng bằng nhau và cũng lệch nhau 120 độ. Như vậy hệ thống điện 3 pha nào không thỏa mãn điều kiện trên thì bị gọi là mất pha. Khi bị mất pha nào thì điện áp pha đó giảm đến một giá trị nào đó hoặc về 0 và góc lệch pha cũng bị biến đổi. 1.3.2. Biểu hiện của sự cố mất pha. Đối với các phụ tải ba pha sẽ dẫn đến tình trạng quá tải dài hạn do thiết bị điện áp cung cấp bị sụt đi. Đối với các phụ tải một pha sẽ không làm việc được nếu mất pha chính là pha cung cấp cho phụ tải. 9 Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử 1.3.3. Nguyên nhân dẫn đến sự cố mất pha. - Đa số nguyên nhân mất pha là do hở mạch đứt dây, đứt chì, tiếp xúc kém trong các khí cụ điện. - Mất pha có thể do chạm đất mà rơ le chưa kịp bảo vệ hoặc từ chối bảo vệ. - Mất pha do hỏng máy biến áp. - Mất pha có thể phân biệt mất pha nguồn máy biến áp, mất pha sơ cấp máy biến áp, mất pha thứ cấp máy biến áp, mất pha do hệ thống, mất pha do riêng một thiết bị. 1.3.4. Tác hại của sự cố mất pha. Vì một sự cố nào đó gây nên hiện tượng mất pha đảo pha cho toàn hệ thống điện, điện áp pha thay đổi góc pha thay đổi, hệ thống làm việc không bình thường rất nguy hiểm cho toàn bộ hệ thống. Khi mất pha điện áp 3 pha không bằng nhau, góc lệch pha cũng không bằng nhau vì thế khi đưa động cơ vào nó sẽ ko tạo ra từ trường quay mà tạo ra từ trường đập mạch. Vì thế động cơ không khởi động được, dòng điện sẽ tăng cao ở các pha không bị mất, pha bị mất dòng điện bằng 0. Còn khi động cơ đang hoạt động bị mất pha thì công suất của các pha còn lại sẽ tăng lên, pha bị mất sẽ giảm xuống. Nếu động cơ lớn các pha còn lại sẽ làm việc ở chế độ quá tải sẽ gây hại rất lớn cho hệ thống, gây hư hại cho thiết bị điện. Khi thứ tự các pha bị thay đổi tức là các pha không lần lượt đạt cực đại sau 120 độ nó làm thay đổi từ trường của động cơ, làm cho động cơ quay 10 [...]... Công nghệ kỹ thuật điện, điện ngược lại so với chiều ban đầu Nếu trong các hệ thống mà động cơ chỉ quay một chiều thì việc đảo chiều quay là vô cùng nguy hiểm nó có thể phá hỏng hệ thống cơ khí và các thiết bị điện gây thiệt hại nặng Tình trạng mất pha, đảo pha là rất nguy hiểm người ta đã thiết kế nhiều cách bảo vệ cho hề thống Một trong nhưng cách đó là sử dụng rơ le nhệt với nguyên lý dựa vào dòng... Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện bảo vệ các loại sự cố có thể xảy ra Khi có sự cố, các thiết bị này sẽ tác động để tách động cơ truyền động và hệ thống ra khỏi lưới điện Đảm bảo anh toàn cho máy móc thiết bị cũng như bảo đảm an toàn cho con người Để giải quyết vấn đề chọn loại bảo vệ nào, tác động của bảo vệ là cắt nhanh hay duy trì thời gian rồi cắt hoặc chỉ báo tín hiệu Trong từng trường hợp cụ thể... CỔ ĐIỂN Đối với hệ thống điều khiển tự động bảo vệ truyền động điện có thể có nhiều nguyên nhân dẫn đến các sự cố như: ngắn mạch, quá tải ngắn hạn, quá tải dài hạn, điện áp cao – thấp… Các sự cố này khi xảy ra có thể phá hỏng động cơ truyền động cũng như các khí cụ điện khác Vì vậy việc bảo vệ cho các động cơ nói riêng và toàn bộ lưới điện nói chung là rất cần thiết Phương pháp bảo vệ kinh điển là... Công nghệ kỹ thuật điện, điện Icc: Dòng điện dây chảy Nhược điểm khi dùng cầu chì bảo vệ: - Đặc tính bảo vệ của cầu chì sẽ thay đổi nếu thay dây chảy, có thể cầu chì sẽ mất tác dụng bảo vệ nếu thay dây chảy không đúng - Đối với hệ truyền động ba pha, trường hợp ngắn mạch 1pha này bị cắt dẫn đến chế độ công tác 2 pha Vì vậy cần có thêm các biện pháp bảo vệ khác để khắc phục nhược điểm này 2.1.2 Bảo vệ bằng... rơle, được chia làm ba bộ phận: - Cơ cấu thu: Thu thập tín hiệu, biến đổi tìn hiệu thành đại lượng cận thiết để rơle tác động - Cơ cấu trung gian: Đại lượng đầu ra của cơ cấu thu được chuyển sang cơ cấu trung gian So sánh đại lượng cơ cấu thu với đại lượng mẫu và truyền tín hiệu đến cơ cấu cuối - Cơ cấu chấp hành: Thực lệnh của cơ cấu trước đưa sang Phân loại rơle: + Dựa vào tham số bảo vệ: Rơ le điện áp,... điểm trên mạch lực nhả động cơ được bảo vệ 2.3 Bảo vệ quá tải dài hạn 2.3.1 Bảo vệ quá tải dài hạn dùng rơ le nhiệt 22 Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Rơ le nhiệt là khí cụ điện dựa trên nguyên lý sự dãn nở của kim loại dươi tác dụng của nhiệt độ Dựa vào cấu tạo và chức năng rơ le nhiệt được chia làm 2 loại: - Rơ le nhiệt bảo vệ: rơ le nhiệt bảo vệ quá tải và ngắn mạch có thời... Tiếp điểm thường đóng của của rơ le nhiệt mở ra cắt điện cho cuộn công tắc tơ Dg Công tắc tơ Dg mất điện sẽ mở tiếp điểm Dg trên mạch 2.4 Bảo vệ không và cực tiểu 2.4.1 Các khái niệm 24 Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Bảo vệ không là bảo vệ mà nó tránh sự làm việc trở lại không mong muốn của hệ thống khi lưới điện mất và sau đó có trở lại Để giải quyết vấn đề này người ta dùng... ra.Đặc tính bảo vệ được thực hiện 26 Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DÙNG THIẾT BỊ BÁN DẪN Tất cả các sự cố vì lý do gì, khi xảy ra yếu cầu phải được bảo vệ ngay lưới điện khi sự cố còn chưa gây ra tác hại 27 Đồ án tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện Đối với các thiết bị bảo vệ dùng rơ le, công tắc tơ các đặc tính bảo vệ của thiết bị... tính nhiệt lớn thường là vài phút hoặc vài dây do vậy nó không bảo vệ ngắn mạch được, thường kết hợp rơ le nhiệt và cầu chì để bảo vệ ngắn mạch A B A CB C C D CD g Dg D A O A M D 1RN RN 1 2RN RN M D 2 Dg Dg g ĐC 1RN D 2RN D Đ Hình 2.5: Sơ đồ đấu nối rơ le nhiệt 2.3.3.Nguyên tắc bảo vệ Khi xảy ra sự cố quá tải dài hạn, dòng điện tăng lên làm nóng thanh kim loại kép và tác dụng vào tiếp điểm thường đóng... tốt nghiệp tử Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện + Thời gian tác động của rơ le là khoảng thời gian từ khi có tín hiệu vào cơ cấu thu cho đến khi cơ cấu chấp hành tác động Ttđ < 0,001s: Rơ le không có quán tính 0,001s < Ttđ . tượng mất pha đảo pha cho toàn hệ thống điện, điện áp pha thay đổi góc pha thay đổi, hệ thống làm việc không bình thường rất nguy hiểm cho toàn bộ hệ thống. Khi mất pha điện áp 3 pha không bằng. pha bị thay đổi. Điều này rất nguy hiểm cho phụ tải. Do vậy cần có các thiết bị bảo vệ cho sự cố mất pha hay đảo pha. Sự cố mất pha là sự cố mà lưới điện cung cấp ba pha không còn đủ ba pha. cho các tủ điện trở nên gọn nhẹ đáng kể. Không những thế dùng các phần tử không tiếp điểm còn đơn giản có thể tự chế tạo được. Khi nhận được đề tài: Nghiên cứu và thiết kế hệ thống bảo vệ tổng