Tìm hiểu về động cơ, thiết bị đóng cắt, bảo vệ và các bộ biến đổi trong hệ thống trang bị điện

Tìm hiểu về động cơ, thiết bị đóng cắt, bảo vệ và các bộ biến đổi trong hệ thống trang bị điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Tìm hiểu về động cơ, thiết bị đóng cắt, bảo vệ và các bộ biến đổi

trong hệ thống trang bị điện.

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thị Liên Anh

Hà nội, 11-2015

Chương I TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ

I Giới thiệu chung về động cơ điện

Động cơ điện có 2 loại là động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực, trong đồ dùng gia đình, sản xuất công nghiệp…

1, Động cơ điện một chiều

- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

- Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một

bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

a Động cơ máy đùn nhựa

Tìm hiểu về động cơ điện 1 chiều của máy đùn nhựa trong dây chuyền sảnxuất ống nhựa HDPE tại : Km số 11+500m, đường Quốc lộ 32, xã Phú Diễn -Huyện Từ Liêm - Tp Hà Nội

Động cơ máy đùn chính có các thông số cơ bản như sau: Pđm = 56kW, Uđm =380V, nđm = 3000 (vòng/phút), η = 0,85, số đôi cực p = 2

b Động cơ một chiều hãng meidensha

Trong đó:

Type HE-MRO : là kiểu động cơ

OUTPUT 7.5 KW : là công suất định mức

Hình 2.7 Sơ đồ nối dây của động cơ kích từ độc lập

Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộc ứng quay trong từ trường của cuộncảm nên trong cuộn ứng lại xuất hiện một sức điện động cảm ứng E có chiều ngượcvới điện áp đặt vào phần ứng của động cơ Ta có thể viết phương trình cân bằngđiện áp của mạch phần như sau:

Uư=Eư+(Rư+Rf).IưTrong đó: Uư:điện áp phần ứng V

Eư: sức điện động phần ứng V

Rư:điện trờ mạch phần ứng Ω

I: dòng điện mạch phần ứng (A)Với Rư=rư+rcf+rb+rct

rư: điện trở cuộn dây phần ứng

Φ: từ thông kích từ dưới một cực từK: hệ số cấu tạo của động cơ

Từ phương trình đặc tính cơ của đông cơ điện một chiều kích từ độc lập:

ω= U ư

KΦωΦ−

R ư+R f

(KΦωΦ)2 M

Có 3 cách điều chỉnh dựa vào các thông số của phương trình như: Uư, Φ, Rư

1.3 Ưu điểm và nhược đểm của động cơ điện một chiều

a Ưu đểm của động cơ điện một chiều

- Chất lượng điều chỉnh tốc độ tốt: vì bộ biến đổi của động cơ điện một chiều

có khả năng tạo ra sai số tốc độ nhỏ, độ trơn điều chỉnh mịn, dải điều chỉnh rộng…

- Công suất phía kích từ của động cơ kích từ độc lập nhỏ hơn công suất phầnứng động cơ Chính vì vậy nó vẫn được sử dụng trong các dây chuyển công nghiệp

- Động cơ điện một chiều có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng: động cơ điệnmột chiều có thể điều chỉnh tốc độ thông qua việc thay đổi Rư, Uư, Φ, nên tốc độđộng cơ có thể điều chỉnh trong miền dưới và trên tốc độ định mức

b Nhược điểm của động cơ điện một chiều

- Cần nguồn một chiều

- Bảo quản cổ góp phức tạp

- Dễ sinh tia lửa điện

Mặc dù có nhược điểm như trên, nhưng động cơ điện một chiều vẫn có vai tròquan trọng trong việc sản xuất, phát triển công nghiệp và được sử dụng phổ biếntrong cuộc sống.

2 Động cơ điện xoay chiều

Động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor Stato gồm các cuộn dây của

ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay.Rôto hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép

Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato gây ra làmcho rôto quay trên trục Chuyển động quay của rôto được trục máy truyền ra ngoài

và được sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác

a Cấu tạo

Máy điện đồng bộ cũng như máy điện khác,gồm có 2 phần: phần quay,và phầntĩnh.Cuộn kích từ có thể đặt ở roto hoặc stato nhưng do khó khăn về gia công (do sửdụng nhiều tiếp xúc điện như: chổi than,vành trượt ) nên phần lớn các máy đồng

bộ có cuộn kích từ đặt ở roto,chỉ một số trường hợp đặc biệt thì cuộn kích từ mớiđặt ở stato (khi đó phần cảm lại là phần tĩnh (stato),còn roto đóng vai trò là phầnứng)

Stato : gồm vỏ lõi và dây quấn.

-vỏ làm bằng thép đúc,có nhiệm vụ bảo vệ mạch từ và cùng với tấm chắn để bắtchặt tất cả các phần khác vào máy.Trên vỏ có gắn biển máy

Lõi stato: được chế tạo hoàn toàn giống như lõi stato của máy điện dị bộ dây quấnphần ứng như dây quấn 3 pha (stato,hay roto) của máy điện dị bộ

Roto : nếu phần quay là phần cảm (đặt cuộn kích từ) thì nó gồm: lõi và dây quấn.

Ngoài ra,trên roto còn đặt vành trượt và chổi than

- Sự phân bố cảm ứng từ trong khe khí phụ thuộc vào hình dạng phần cuối của cựctừ.Vậy nên khe khí trong máy cực lồi sẽ được chế tạo như sau: độ rộng khe khí sẽđược sẽ được tăng dần theo chiều rộng của mặt cực

- khe khí của máy đồng bộ lớn hơn nhiều so với máy dị bộ vì ở máy di bộ khe khíphải giảm nhỏ để giảm dòng không tải Khe khí máy đồng bộ khoảng 0,5 - 5mm

b Nguyên lý làm việc

Khi nam châm điện quay ( tốc độ n1vòng/ phút ) làm đường sức từquay cắt quacác cạnh của khung dây cảm ứng gây nên sức điện động E trên khung dây Sứcđiện động E sinh ra dòng điện I chạy trong khung dây Vì dòng điện I nằm trong từtrường nên khi từ trường quay làm tác động lên khung dây một lực điện từ F Lựcđiện từ này làm khung dây chuyển động với tốc độn n vòng/ phút

Vì n < n1 nên gọi là không đồng bộ ĐCKĐB ba pha có dây quấn ba phaphía stator, Roto của ĐCKĐB là một bộ dây quấn ba pha có cùng số cực trên lõithép của Roto

c Động cơ điện roto lồng sóc 1 pha, 3 pha của Công ty cổ phần chế tạo điện cơ Hà Nội (HEM)

Sơ đồ đấu bản cực Stato: điện áp 220V/380V (hoặc 380V/660V)

Động cơ có điện áp vận hành ghi trên nhãn là 220/380V

Động cơ có điện áp vận hành ghi trên nhã là 380/660V:

3 Phương pháp lựa chọn động cơ

Đối với phụ tải không có yêu cầu điều chỉnh tốc độ, mômen khởi động không lớn,công suất dưới 100kW thì nên chọn lọai động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồngsóc Động cơ dễ vận hành và giảm các thiết bị điện kèm theo so với các loại động

cơ khác

Khi chọn động cơ phải chọn sao cho sử dụng được gần hết công suất (Thôngthường chọn công suất động cơ bằng 1,3 lần so với công suất tải đặt lên trục độngcơ)

Ta có thể lựa chọn động cơ theo các tiêu chí như sau:

a) Môi trường làm việc

Nhiệt đọ quá cao có thể phá hủy lớp bảo vệ cách điện

b) Chê độ làm việc

Cơ cấu làm việc bao gồm có ba chế độ làm việc đó là: Chế độ làm việc dàihạn, chế độ làm việc ngắn hạn và chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại

c) Lựa chọn động cơ theo công suất

d) Lựa chọn động cơ theo tốc độ làm việc của cơ cấu

Chương II TÌM HIỂU VỀ CÁC THIẾT BỊ BẢO VỆ &

ĐÓNG CẮT MẠCH ĐIỆN

I Rơle

Các chế độ làm việc không bình thường làm cho điện áp, dòng điện và tần số lệchkhỏi giới hạn cho phép Nếu để kéo dài tình trạng này, có thể xuất hiện sự cố Muốn duytrì hoạt động bình thường của hệ thống và các hộ tiêu thụ khi xuất hiện sự cố, cần pháthiện càng nhanh càng tốt chỗ sự cố và cách ly nó ra khỏi phần tử bị hư hỏng, nhờ vậyphần còn lại duy trì được hoạt động bình thường Chỉ có thiết bị tự động bảo vệ mới cóthể thực hiện tốt được yêu cầu trên, thiết bị này gọi là bảo vệ rơle

1 Một số loại Rơle thường dùng

a Rơ le thời gian

Rơle thời gian là rơle tác động đóng mở tiếp điểm có thời gian trì hoãn sau khi đượccấp điện Khoảng thời gian trì hoãn có thể thay đổi được trong một phạm vi nhất định Rơle thời gian có thể được chế tạo để làm việc theo dòng điện hoặc theo điện áp

Về nguyên lý rơle thời gian cấu tạo gồm phần tĩnh là cuộn dây, phần động mang tiếpđiểm và được gắn với bộ phận hãm nhằm làm chậm quá trình chuyển động đóng mở tiếpđiểm

b Rơ le quá dòng

Rơle quá dòng tức thì là rơle tác động khi dòng điện qua rơle vượt quá trị số địnhtrước và tác động cắt máy cắt ngay lập tức, không có thời gian trì hoãn Về nguyên lýrơle quá dòng tức thì gồm phần tĩnh là cuộn dây có lõi sắt, phần động là tấm sắt non cómang tiếp điểm động Khi dòng điện qua cuộn dây đủ lớn, tấm sắt non sẽ bị hút vào lõisắt của phần tĩnh và kéo theo tiếp điểm động đóng vào tiếp điểm tĩnh

Chỉnh định rơle quá dòng tức thời là đặt trị số dòng điện khởi động của rơle Để đảmbảo tính chọn lọc, tránh tác động sai khi ngắn mạch ngoài vùng được bảo vệ, dòng điệnkhởi động được chọn theo quy tắc sau:

Ikđ = Kat INmax

c Rơ le nhiệt

Rơ le nhiệt có 2 loại là rơ le nhiệt độ cuộn dây và rơ le nhiệt độ dầu

Rơ le nhiệt độ cuộn dây

Rơle nhiệt độ cuộn dây gồm bốn bộ tiếp điểm, lắp bên trong một nhiệt kế có kim chỉ thị Sự co giãn của chất lỏng trong ống mao dẫn thay đổi theo nhiệt độ mà bộ cảm biến nhận được, tác động cơ cấu chỉ thị và bốn bộ tiếp điểm Tác động lên cơ cấu chỉ thị

và các tiếp điểm, còn có một điện trở nung Cuộn dây thứ cấp của một máy biến dòng điện đặt tại chân sứ máy biến áp được nối với điện trở nung

Có 4 vít điều chỉnh nhiệt độ để đặt trị số tác động cho bốn bộ tiếp điểm Tùy theothiết kế, các tiếp điểm rơle nhiệt độ có thể được nối vào các mạch: báo hiệu sự cố "nhiệt

độ cuộn dây cao", mạch tự động mở máy cắt để cô lập máy biến áp, mạch tự động khởiđộng và ngừng các quạt làm mát máy biến áp

Rơ le nhiệt độ dầu

Rơle nhiệt độ dầu gồm các tiếp điểm thường đóng, thường mở lắp bên trong một nhiệt kế có kim chỉ thị nhiệt độ Nhiệt kế gồm có cơ cấu chỉ thị quay để ghi số đo, một

bộ phận cảm biến nhiệt, một ống mao dẫn nối bộ phận cảm ứng nhiệt với cơ cấu chỉ thị Bên trong ống mao dẫn là chất lỏng (dung dịch hữu cơ) được nén lại Sự co giãn của chất lỏng (trong ống mao dẫn) thay đổi theo nhiệt độ mà bộ phận cảm biến nhiệt nhận được,

sẽ tác động cơ cấu chỉ thị và các tiếp điểm Các tiếp điểm sẽ đổi trạng thái "mở" thành

"đóng", "đóng" thành "mở" khi nhiệt độ cao hơn trị số đặt trước

II Contactor

Contactor trong tủ điện điều khiển là một khí cụ điện dùng để đóng ngắt các tiếp điểm, tạo liên lạc trong mạch điện bằng nút nhấn Như vậy khi sử dụng Contactor ta có thể điều khiển mạch điện từ xa có phụ tải với điện áp và dòng điện rất lớn cỡ 600A

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

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

* 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

- Lò xo phản lực có tác dụng đẩy phần nắp di động trở về vị trí ban đầu Hệ thốngdập hồ quang điện tủ điện điều khiển: Khi Contactor trong tủ điện chuyển mạch, hồquang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy, mòn dần Hệ thống tiếp điểm củaContactor trong tủ điện điều khiển

Nguyên lý hoạt động của contactor

Khi cấp nguồn trong tủ điện điều khiển bằng giá trị điện áp định mức của Contactor vàohai đầu của cuộn dây quấn trên phần lõi từ cố định thì lực từ tạo ra hút phần lõi từ di độnghình thành mạch từ kín (lực từ lớn hơn phản lực của lò xo), Contactor ở trạng thái hoạtđộng Lúc này nhờ vào bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điẻmlàm cho tiếp điểm chính của Contactor trong tủ điện đóng lại, tiếp điểm phụ chuyển đổitrạng thái (thường đóng sẽ mở ra, thường hở sẽ đóng lại) và duy trì trạng thái này Khingưng cấp nguồn cho cuộn dây thì Contactor ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm trở về trạngthái ban đầu

2 Cách đấu dây nối

đóng-lắp thêm cầu chì.

Khởi động từ được cấu tạo từ 02 khí cụ điện: Công tắc tơ xoay chiều và rơle nhiệt nên

kết cấu khởi động từ rất đa dạng và phong phú

1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Khởi động từ được cấu tạo gồm cuộn dây hút, phần dẫn từ tính bằng vật liệu sắt từ,nắp từ động, tiếp điểm chính

Trước khi có dòng điều khiển: Khi chưa có lực từ tác động, lò xo kéo mở nắp từ 3,tiếp điểm chính 4 mở

2 Các yêu cầu an toàn khi khởi động từ

Động cơ không đồng bộ ba pha làm việc liên tục hay không nhờ chủ yếu vào độ làmviệc tin cậy của khởi động từ

Khởi động từ muốn làm việc tin cậy cần thỏa mãn các yêu cầu kĩ thuật:

+Tiếp điểm phải có độ bền cao

+Khả năng đóng cắt của khởi động từ phải cao

+ Thao tác đóng cắt phải dứt khoát

+Tiêu thụ công suất ít

+ Bảo vệ tin cậy động cơ điện khỏi quá tải lâu dài

+ Thỏa mãn các điều kiện khởi động động cơ không đồng bộ rotor lồng sóc có hệ số dòngkhởi động từ bằng từ 5 đến 7 lần dòng điện định mức

IV APTOMAT

APTOMAT là loại khí cụ điện dùng để tự động ngắt mạch điện, bảo vệ quá tải,ngắn mạch, sụt áp v.v…Thường gọi là aptomat không khí vì hồ quang dập tắt trongkhông khí Aptomat là khí cụ điện làm việc ở chế độ dài hạn nghĩa là chỉ số dòng điệnchạy qua aptomat tùy ý Aptomat ngắn mạch được trị số dòng điện lớn đến vài chụcKiloampe

1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

b Nguyên lý làm việc

Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, aptomat được giữ ở trạng thái đóngnhờ móc khớp với móc 3 cùng một cụm với nối tiếp điểm động.Bật aptomat ở trạng thái

ON , với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút

Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 lớn hơnlực lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng xuống làm bật nhả móc 3, móc 2được thả tự do, lò xo 1 kéo tiếp điểm động ra khỏi tiếp điểm tĩnh, kết quả các tiếp điểmcủa aptomat được mở ra, mạch bị ngắt điện

c MCCB của hãng Hager(Pháp)

Trong quá trình ngắt, hồ quang xuất hiện giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, nóđược dập tắt nhờ sự kéo dài hồ quang bằng cơ khí và lực điện động hướng kính tác độnglên hồ quang

Có thể phân loại theo:

Số than dao trên mỗi cầu có các loại: 1 cực, 2 cực, 3 cực và nhiều cực

Theo cách đóng ngắt, dao cắt được chia làm 2 loại: đóng cắt trực tiếp và đóng cắt từ xa Theo điều kiện bảo vệ loại có hộp và không có hộp

Theo khả năng cắt có loại cắt không tải và cắt có tải

Theo yêu cầu sử dụng gồm có loại có cầu chì bảo vệ, loại không có cầu chì bảo vệ

VI Cầu chì

Cầu chì là một Khí Cụ Điện bảo vệ mạch điện khi có tải và ngắn mạch

Dây chảy: phần quan trọng nhất ,là nơi đứt ra khi có sự cố

+ Vật liệu : đồng ,bạc,kẽm và chì

Chương III TÌM HIỂU VỀ THIẾT BỊ CẤP NGUỒN VÀ

Cấu tạo: Máy biến áp gồm có một cuộn dây sơ cấp và một hay nhiều cuộn dây thứ

cấp liên kết qua trường điện từ Khi đưa dòng điện với điện áp xác định vào cuộn sơ cấp,

sẽ tạo ra trường điện từ Theo định luật cảm ứng Faraday trường điện từ tạo ra dòng điệncảm ứng ở các cuộn thứ cấp Để đảm bảo sự truyền đưa năng lượng thì bố trí mạch dẫn từqua lõi cuộn dây Vật liệu dẫn từ phụ thuộc tần số làm việc

2 Nguyên lý làm việc

Dòng điện được tạo ra trong cuộn dây sơ cấp khi nối với hiệu điện thế sơ cấp, và 1 từtrường biến thiên trong lõi sắt Từ trường biến thiên này tạo ra trong mạch điện thứ cấp 1hiệu điện thế thứ cấp Như vậy hiệu điện thế sơ cấp có thể thay đổi được hiệu điện thế thứcấp thông qua từ trường Sự biến đổi này có thể được điều chỉnh qua số vòng quấn trênlõi sắt

Máy biến áp có thể chuyển đổi hiệu điện thế (điện áp) đúng với giá trị mong muốn, ví

dân cư Tại các nhà máy phát điện, máy biến áp thường chuyển hiệu điện thế mức trungthế từ máy phát điện (10 kV đến 50 kV) sang mức cao thế (110 kV đến 500 kV hay caohơn) trước khi truyền tải lên đường dây điện cao thế Trong truyền tải điện năng vớikhoảng cách xa, hiệu điện thế càng cao thì hao hụt càng ít.

Ngoài ra còn có các máy biến thế có công suất nhỏ hơn, máy biến áp (ổn áp) dùng để

ổn định điện áp trong nhà, hay các cục biến thế, cục sạc, dùng cho các thiết bị điện vớihiệu điện thế nhỏ

II Bộ biến đổi

1 Khái niệm

Bộ biến đổi điện tử công suất còn được gọi là bộ biến đổi tĩnh (static converter) đểphân biệt với các máy điện truyền thống (electric machine) biến đổi điện dựa trên nguyêntắc biến đổi điện từ trường

Nhiệm vụ của bộ biến đổi là xử lý và điều khiển dòng năng lượng điện bằng cáchcung cấp điện áp và dòng điện ở dạng thích hợp cho các tải Tải sẽ quyết định các thông

số về điện áp, dòng điện, tần số, và số pha tại ngõ ra của bộ biến đổi Thông thường, một

bộ điều khiển có hồi tiếp sẽ theo dõi ngõ ra của bộ biến đổi và cực tiểu hóa sai lệch giữagiá trị thực của ngõ ra và giá trị mong muốn (hay giá trị đặt)

2 Các dạng của bộ biến đổi

Ta có thể phân loại các hệ thống biến đổi điện tử công suất dựa vào tín hiệu vào và

ra là xoay chiều hay một chiều:

Bộ chỉnh lưu (AC -> DC)

Bộ nghịch lưu (DC -> AC)

Bộ biến đổi điện xoay chiều (AC -> AC)

Bộ biến đổi điện một chiều (DC -> DC)

III Biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi tần số dòng điện xoay chiều với nguyên lý làm việckhá đơn giản

1 Nguyên lý hoạt động