Thiết kế mạch điều khiển động cơ bơm nước tự động lên bồn Trạm cấp nước sinh hoạt

Được sự dạy dỗ và chỉ bảo tận tình của thầy cô trong bộ môn Điện – Điện lạnh và nhất là khi được học môn trang bị điện do thầy Mã học Nhân giảng dạy em thấy được đây là một môn học có nh

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn:

- Trường Đại Học Trà Vinh đã tạo cơ hội cho em làm đồ án

- Khoa kỹ thuật và công nghệ đã tạo điều kiện cho em làm tốt đồ án về thiết bị, cũng như kiến thức và tài liệu tham khảo

- Tất cả các thầy cô trong bộ môn Điện – Điện lạnh đặc biệt là Thầy Mã Học Nhân đã tận tình hướng dẫn,cũng như hỗ trợ kiến thức và lời khuyên thiết thực trong suốt quá trình em thực hiện đồ án

- Toàn thể tất cả các bạn trong lớp CA11KD đã giúp đỡ em tận tình trong việc tìm kiếm tài liệu và cũng như hổ trợ kiến thức cho em

Một lần nữa em xin gửi tới thầy hướng dẫn cùng toàn thể thầy cô trong bộ môn lời cảm ơn chân thành nhất

NHẬN XÉT

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển nên việc ứng dụng thành tựu của khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất từ lâu đã không còn xa lạ với con người.Chính vì thế trong công nghiệp, tự động điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng nó nâng dần tính hiện đại hóa của công nghiệp đẩy nền công nghiệp từ thô sơ lên một nền đại công nghiệp mà đỉnh cao của nó là tự động hoá một cách hoàn toàn

Nhờ việc ứng dụng công nghệ tự động trong công nghiệp mà sức lao động của con người giảm đi rất nhiều nhờ đó mà năng suất lao động được tăng lên gấp bội, con người ít phải quan tâm đến những vấn đề phụ như là: nhấn nút, bật công tắc…và một người có thể làm công việc của nhiều người

Sau hơn hai năm học tập ngành kỹ thuật điện tại trường Đại học Trà Vinh Được

sự dạy dỗ và chỉ bảo tận tình của thầy cô trong bộ môn Điện – Điện lạnh và nhất là khi được học môn trang bị điện do thầy Mã học Nhân giảng dạy em thấy được đây là một môn học có nhiều ứng dụng vào thực tế.Nên khi thực hiện đồ án môn học 1, em quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển động cơ bơm nước tự động lên bồn Trạm

cấp nước sinh hoạt”

Trong quá trình làm đồ án, với kiến thức còn hạn chế, nên bản đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót.vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý bổ sung của thầy,cô để bản đồ án được hoàn thiện hơn

Trà Vinh,tháng 12 năm 2013

Sinh Viên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

NHẬN XÉT 2

LỜI NÓI ĐẦU 4

MỤC LỤC 5

DANH SÁCH CÁC HÌNH 7

Chương 1: 8

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8

1.1 Giới thiệu về đề tài 8

1.2 Khái niệm chung về hệ thống cấp nước 10

1.3 Đặc vấn đề 11

1.4 Mục tiêu của đề tài 11

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

Chương 2: 13

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 Động cơ bơm nước 13

2.2 Contactor 16

2.3 Rơle nhiệt 17

2.4 Aptomat 19

2.5 Rơle thời gian 29

Chương 3: 31

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC TỰ ĐỘNG 31

3.1 Sơ đồ nguyên lý 31

3.2 Mạch điều khiển 33

3.3 Mạch động lực 35

Chương 4: 36

KẾT LUẬN 36

HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của công trình cấp nước 10

Hình 2.1 Cấu tạo của máy bơm nước 15

Hình 2.2 Cấu tạo của rơle nhiệt 18

Hình 2.3 Ký hiệu của rơle nhiệt 18

Hình 2.4 Aptomat một cực 21

Hình 2.5 Aptomat hai cực 21

Hình 2.6 Aptomat ba cực 22

Hình 2.7 Cấu tạo Aptomat 22

Hình 2.8 Cơ cấu nhả khớp tự do của Aptomat 25

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý aptomat dòng điện cực đại 26

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý aptomat điện áp thấp 27

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý aptomat dòng điện cực tiểu 27

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý aptomat công suất ngược 28

Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc của rơle thời gian 29

Hình 2.14 sơ đồ phân loại rơle thời gian 29

Hình 2.15 Ký hiệu của rơle thời gian trong sơ đồ mạch điện 30

Hình 3.1 sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển bơm nước tự động 31

Hình 3.2 Mạch điều khiển bơm nước tự động 33

Hình 3.3 mạch động lực của mạch điều khiển bơm nước tự động 35

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về đề tài

1.1.1 Vai trò của nước đối với con người trong nền kinh tế quốc dân

Cũng như không khí và ánh sáng, nước không thể thiếu được trong đời sống con người Trong quá trình hình thành sự sống trên Trái đất thì nước và môi trường nước đóng vai trò quan trọng Nước tham gia vào vai trò tái sinh thế giới hữu cơ ( tham gia quá trình quang hợp) Trong quá trình trao đổi chất nước đóng vai trò trung tâm Những phản ứng lý hóa học diễn ra với sự tham gia bắt buộc của nước Nước là dung môi của nhiều chất và đóng vai trò dẫn đường cho các muối đi vào cơ thể

Trong khu dân cư, nước phục vụ cho mục đích sinh hoạt, nâng cao đời sống tinh thần cho dân ( một ngôi nhà hiện đại không có nước khác nào một cơ thể không có máu)

Nước đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sản xuất công nghiệp

Đối với cây trồng nước là nhu cầu thiết yếu, đồng thời còn có vai trò điều tiết các chế độ nhiệt, ánh sáng, chất dinh dưỡng, vi sinh vật, độ thoáng khí trong đất…

1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển ngành kỹ thuật cấp nước trên thế giới và Việt Nam

Theo lịch sử ghi nhận hệ thống cấp nước đô thị xuất hiện sớm nhất tại La Mã vào năm 800 TCN Điển hình là công trình dẫn nước vào thành phố bằng kênh tự chảy, trong thành phố nước được đưa đến các bể tập trung, từ đó theo đường ống dẫn nước đến các nhà quyền quí và bể chứa công cộng cho người dân sử dụng 300 năm TCN đã biết khai thác nước ngầm bằng cách đào giếng Người Babilon có phương pháp nâng nước lên độ cao khá lớn bằng ròng rọc, guồng nước Thế kỷ thứ XIII, các thành phố ở châu Âu đã có hệ thống cấp nước Thời đó chưa có các loại hóa chất phục vụ cho việc

keo tụ xử lý nước mặt, người ta phải xây dựng các bể lắng có kích thước rất lớn (gần như lắng tĩnh) mới lắng được các hạt cặn bé Do đó công trình xử lý rất cồng kềnh, chiếm diện tích và kinh phí xây dựng lớn

1600 việc dùng phèn nhôm để keo tụ nước được các nhà truyền giáo Tây Ban Nha phổ biến tại Trung Quốc

1800 các thành phố ở châu Âu, châu Mỹ đã có hệ thống cấp nước khá đầy đủ

thành phần như công trình thu, trạm xử lý, mạng lưới …

1810 hệ thống lọc nước cho thành phố được xây dựng tại Paisay- Scotlen

1908 việc khử trùng nước uống với qui mô lớn tại Niagara Falls, phía Tây nam

New york

Thế kỷ XX kỹ thuật cấp nước ngày càng đạt tới tình độ cao và còn tiếp tục phát triển, các loại thiết bị cấp nước ngày càng đa dạng phong phú và hoàn thiện Thiết bị dùng nước trong nhà luôn được cải tiến để phù hợp và thuận tiện cho người sử dụng.Kỹ thuật điện tử và tự động hóa cũng được sử dụng rộng rãi trong cấp thoát nước.Có thể nói kỹ thuật cấp nước đã đạt đến trình độ rất cao về công nghệ xử lý, máy móc trang bị thiết bị và hệ thống cơ giới hóa, tự động hóa trong vận hành, quản lý

Ở Việt Nam, hệ thống cấp nước đô thị được bắt đầu bằng khoan giếng mạch nông tại Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh (Sài Gòn) cũ vào năm 1894 Nhiều đô thị khác như Hải Phòng, Đà Nẵng…hệ thống cấp nước đã xuất hiện, khai thác cả nước ngầm và nước mặt

Hiện nay hầu hết các khu đô thị đã có hệ thống cấp nước.Nhiều trạm cấp nước đã áp dụng công nghệ tiên tiến của các nước phát triển như Pháp, Phần Lan, Australia…Những trạm cấp nước cho các thành phố lớn đã áp dụng công nghệ tiên tiến và tự động hóa

Hiện nay Đảng và nhà nước đang quan tâm đến vấn đề cấp nước cho nông thôn, đòi hỏi các chuyên gia trong lĩnh vực cấp nước cần phải đóng góp sức mình và sáng tạo nhiều hơn để đáp ứng yêu cầu thực tế

1.2 Khái niệm chung về hệ thống cấp nước

1.2.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống cấp nước và chức năng từng công trình

Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của công trình cấp nước

Ký hiệu và chức năng từng công trình

1- Công trình thu nước: dùng để thu nước từ nguồn

2- Trạm bơm cấp1: dùng để bơm nước từ công trình thu lên các công trình xử lý

(trạm xử lý)

3- Trạm xử lý: dùng để làm sạch nước theo yêu cầu của đối tượng sử dụng nước 4- Các bể chứa nước sạch: dùng để chứa nước đã làm sạch, dự trữ nước chữa

cháy và điều hòa áp lực giữa xử lý (trạm bơm 1) và trạm bơm 2

5- Trạm bơm 2: dùng để bơm nước từ bể chứa nước sạch lên đài hoặc vào mạng

phân phối cung cấp cho các đối tượng sự dụng

6- Đài nước: dùng để dự trữ nước, điều hòa áp lực cho mạng giữa các giờ dùng

nước khác nhau

7- Các đường ống chuyển tải: dùng để vận chuyển nước từ trạm bơm cấp 2 đến

điểm đầu tiên của mạng lưới phân phối nước

8- Mạng lưới phân phối nước: dùng để vận chuyển và phân phối nước trực tiếp

đến các đối tượng phân phối nước

1.3 Đặc vấn đề

Ngày nay, tình trạng thiếu nước sạch sinh hoạt vẫn diễn ra trầm trọng.Đặc biệt nhất là ở những nơi như: khu vực nông thôn, vùng biên giới, hải đảo… ở đó người dân vẫn chưa tiếp cận được với nguồn nước sạch.Họ vẫn đang sử dụng những nguồn nước

bị ô nhiễm từ sông ,hồ hoặc suối.Mặc dù họ vẫn đang khát khao có được một nguồn nước sạch để sử dụng Do đó nhu cầu đặt ra là cần phải xây dựng một trạm cấp nước sinh hoạt để cung cấp nước cho người dân Tuy nhiên do hoàn cảnh của người dân ở khu vực này vẫn còn khó khăn cho nên nếu xây dựng một trạm cấp nước với quy mô lớn và hiện đại như ở các khu đô thị và thành phố lớn thì sẽ cần một nguồn kinh phí rất lớn,kéo theo là giá thành bán nước cho người dân sẽ ở mức cao, làm cho họ sẽ cảm thấy e ngại và lo lắng về chi phí trong việc sử dụng nước.Chính vì lý do đó, và đồng thời cũng muốn kiểm chứng những kiến thức đã được học tại nhà trường vào công việc thực tế,cũng cố những kiến thức chuyên ngành liên quan từ đó em đã quyết định chọn

đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển bơm nước tự động lên bồn cho Trạm cấp nước sinh hoạt” Đề tài này được thực hiện chủ yếu là giảm được chi phí xây dựng cho một trạm cấp nước ở khu vực nông thôn, bởi vì trong đề tài này em cố gắng tìm kiếm và sử dụng những thiết bị ở mức chi phí thấp nhưng vẫn có công dụng không khác gì so với những thiết bị hiện đại,để từ đó có thể góp phần giảm được một phần chi phí tốn kém trong việc xây dựng một Trạm cấp nước

1.4 Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu và nghiên cứu về các thiết bị liên quan đến ngành cấp thoát nước

- Giúp tiết kiệm một phần chi phí cho người dân khi sử dụng nước sạch sinh hoạt

- Rèn luyện khả năng tìm kiếm tài liệu cũng như việc bản thân tự nghiên cứu cho sinh viên

- Rèn luyện kỹ năng thiết kế mạch cho bản thân

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Dựa trên phương pháp nghiên cứu và phân tích đặc tính của các loại thiết bị điện công nghiệp, đồng thời áp dụng các kiến thức đã học cùng với sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn em đã thiết kế được mạch bơm nước tự động lên bồn chứa nước cho Trạm cấp nước sinh hoạt theo đúng yêu cầu của mình đề ra,do thời gian có hạn cũng như kiến thức của bản thân còn hạn chế nên trong đồ án này em chỉ giới hạn thiết kế mạch với quy mô của một trạm cấp nước nhỏ,trong đó em chỉ sử dụng hai động cơ bơm nước chính và một động cơ bơm nước dự phòng.Khi có sự cố xảy ra,ở một trong hai động cơ bơm chính thì động cơ bơm dự phòng sẽ hoạt động,tất cả các động cơ sử dụng trong mạch này đều là ba pha

2.1.2 Phân loại máy bơm nước

Người ta chia máy bơm nước ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như: nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng nước, dạng năng lượng làm chạy máy bơm, kết cấu máy bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm Trong đó thường dùng đặc điểm thứ nhất để phân loại máy bơm; theo đặc điểm này máy bơm được chia làm hai nhóm: Bơm động học và Bơm thể tích

- Bơm động học:

Trong buồng công tác của máy bơm động học, chất lỏng được nhận năng lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đến cửa ra của bơm Loại máy bơm này gồm có những bơm sau:

Bơm cánh quạt ( gồm máy bơm nước li tâm, hướng trục, cánh chéo ): Trong loại

máy bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác ( BXCT ) sẽ truyền trực tiếp năng lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển Loại bơm này thường có lưu lượng lớn, cột áp thấp ( trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước ) và hiệu suất tương đối cao, do vậy thường được dùng trong nông nghiệp và các ngành cấp nước khác

Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh BXCT của máy bơm sẽ nhận được năng

lượng để tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra BXCT Người ta dùng máy bơm này chủ yếu trong công tác hút nước hố thấm, tiêu nước, cứu hỏa

Bơm tia: Dùng một dòng tia chất lỏng hoặc dòng khí bên ngoài có động năng lớn

phun vào buồng công tác của bơm nhờ vậy hút và đẩy chất lỏng Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng để hút nước giếng và dùng trong thi công

Bơm rung: Cơ cấu công tác của bơm này là pít tông-van giao động qua lại với

tầng số cao gây nên tác động rung cơ học lên dòng chất lỏng để hút đẩy chất lỏng Loại bơm này có lưu lượng nhỏ, thường được dùng bơm nước giếng và giếng mỏ

Bơm khí ép: Loại bơm này nhờ tạo hỗn hợp khí và nước có trọng lượng riêng

nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước để dâng nước cần bơm lên cao Loại bơm này thường dùng để hút nước bẩn hoặc nước giếng

Bơm nước va ( bơm Taran ): Lợi dụng hiện tượng nước va thủy lực để đưa nước

lên cao Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng cấp nưóc cho vùng nông thôn miền núi

- Bơm thể tích:

Nguyên lý làm việc của loại bơm này là thay đổi có chu kỳ thể tích của buồng công tác truyền áp lực hút đẩy chất lỏng Máy bơm nước thể tích có những loại sau:

Bơm pít tông: Pít tông chuyển động tịnh tiến qua lại có chu kỳ trong buồng công

tác để hút và đẩy chất lỏng Loại bơm này tạo được cột áp cao, lưu lượng nhỏ nên trong nông nghiệp ít dùng, thường được dùng trong máy móc công nghiệp

Bơm rô to: Dùng cơ cấu bánh răng hoặc bánh vít, cánh trượt đặt ở chu vi phần

quay của bơm để đẩy chất lỏng Bơm này gồm có: bơm răng khía, bơm pít tông quay, bơm tấm trượt, bơm vít, bơm pít tông quay, bơm chân không vòng nước Bơm rô to

có lưu lương nhỏ thường được dùng trong công nghiệp Ngoài ra còn có rất nhiều loại bơm động học và bơm thể tích khác được sử dụng trong thực tế sản xuất và đời sống

2.1.3 Cấu tạo của máy bơm nước

Hình 2.1 Cấu tạo của máy bơm nước Gồm có bốn bộ phận:

Bánh công tác: kết cấu có 3 dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở một phần và

cánh kín Bánh công tác được lắp trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác cố định với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là Rôto Bánh công tác được đúc bằng gang hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao (tam giác 3 đến 6) để giảm tổn thất Bánh công tác

và Rôto của máy bơm nước đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng động để khi làm việc bánh công tác không cọ xát vào thân bơm

Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp với bánh công

tác thông qua mối ghép then

Bộ phận dẫn hướng vào: Hai bộ phận này thuộc thân máy bơm thường

Bộ phận dẫn hướng ra: (buồng xoắn ốc) đúc bằng gang có hình dạng tương đối

phức tạp

thái hoạt động của Contactor rất xa vị trí các tiếp điểm đóng ngắt mạch điện)

2.2.2 Cấu tạo

Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: Cơ cấu điện từ (nam châm điện),hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (tiếp điểm chính và phụ)

a) Nam châm điện:

Nam châm điện gồm có 4 thành phần:

- Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm

- Lõi sắt (hay mạch từ) của nam châm gồm hai phần: Phần cố định và phần nắp

di động Lõi thép nam châm có thể có dạng EE, EI hay dạng CI

- Lò xo phản lực có tác dụng đẩy phần nắp di động trở về vị trí ban đầy khi

ngừng cung cấp điện vào cuộn dây

b) Hệ thống dập hồ quang điện:

Khi Contactor chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị

cháy, mòn dần Vì vậy cần có hệ thống dập hồ quang gồm nhiều vách ngăn làm

bằng kim loại đặt cạnh bên hai tiếp điểm tiếp xúc nhau, nhất là ở các tiếp điểm

chính của Contactor

c) Hệ thống tiếp điểm của Contactor

Hệ thống tiếp điểm liên hệ với phần lõi từ di động qua bộ phận liên động về cơ Tuỳ theo khả năng tải dẫn qua các tiếp điểm, ta có thể chia các tiếp điểm của Contactor thành hai loại:

- Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua (từ 10A đến vài nghìn A, thí

dụ khoảng 1600A hay 2250A) Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của Contactor làm mạch từ Contactor hút lại

Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển (dùng điều khiển việc cung cấp điện đến các cuộn dây nam châm của các Contactor theo quy trình định trước)

Theo một số kết cấu thông thường của Contactor, các tiếp điểm phụ có thể được liên kết cố định về số lượng trong mỗi bộ Contactor, tuy nhiên cũng có một vài nhà sản xuất chỉ bố trí cố định số tiếp điểm chính trên mỗi Contactor, còn các tiếp điểm phụ được chế tạo thành những khối rời đơn lẻ Khi cần sử dụng ta chỉ ghép thêm vào trên Contactor, số lượng tiếp điểm phụ trong trường hợp này có thể bố trí tuỳ ý

2.3 Rơle nhiệt

2.3.1 Khái niệm và công dụng

Rơle nhiệt là một loại thiết bị điện dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi bị quá tải Thường dùng kèm với khởi động từ, công tắc tơ Dùng ở điện áp xoay chiều đến 500V, tần số 50 Hz, loại mới Iđm đến 150A điện áp một chiều tới 400V Rơle không tác động tức thời theo trị dòng điện vì có quán tính nhiệt lớn phải có thời gian để phát nóng Thời gian làm việc khoảng vài giây đến vài phút, nên không dùng để bảo vệ ngắn mạch đợc Muốn bảo vệ ngắn mạch thường dùng kèm cầu chì

2.3.2 Cấu tạo chung

1 Đòn bẩy

2 Tiếp điểm thường đóng

3 Tiếp điểm thường mở

2.3.4 Nguyên lý làm việc

 Ở chế độ định mức, không tải

Đi qua thanh lưỡng kim và dây đốt nóng

 Nhiệt lượng trên thanh lưỡng kim tăng ít làm thanh lưỡng kim cong không đáng kể, rơ le chưa tác động

 Mạch làm việc bình thường

 Xảy ra sự cố quá tải:

Ilv = Iqt> Iđm Đi qua thanh lưỡng kim và dây đốt nóng

 Nhiệt độ trên dây đốt nóng và thanh lưỡng kim tăng cao

 Thanh lưỡng kim bị cong về phía trái đẩy cần gạt sang trái tác động và đòn bẩy

 Mở tiếp điểm thường đóng, đóng tiếp điểm thường mở

 Ngắt điện khỏi mạch bảo vệ an toàn cho thiết bị

b ) Yêu cầu

Yêu cầu đối với aptomat như sau:

- Chế độ làm việc ở định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa là trị số dòng điện định mức chạy qua aptomat lâu bao nhiêu cũng được Mặt khác mạch vòng dẫn điện của aptomat phải chịu được dòng điện ngắn mạch lớn khi có ngắn mạch lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng

đm

lv I

I 