Giáo trình Khí cụ điện và máy điện

LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình Khí cụ điện máy điện biên soạn làm tài liệu học tập cho sinh viên nghành Kỹ thuật điện – Điện tử trường Cao đẳng cơng nghiệp Phúc n Nội dung trình bày lý thuyết cấu tạo, nguyên lý làm việc số thiết bị điện thông dụng theo nội dung đề cương chi tiết chương trình mơn học ban hành Tồn giáo trình gồm chương Thời gian dành cho học phần tín (27 tiết lý thuyết, tiết tập) Trong q trình biên soạn nhóm tác giả cố gắng nêu vấn đề thật ngắn gọn dễ hiểu nội dung cần thiết chương Sau chương có câu hỏi hướng dẫn ôn tập lý thuyết Lần đầu biên soạn giáo trình nên khơng thể tránh thiếu sót nội dung bố cục, chúng tơi mong góp ý mặt bạn đọc để sau có giáo trình tái với chất lượng tốt Nhóm tác giả a MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU a MỤC LỤC b Chương LÝ THUYẾT CƠ SỞ KHÍ CỤ ĐIỆN 1.1 Khái niệm chung thiết bị điện .1 1.1.1 Định nghĩa .1 1.1.2 Phân loại 1.1.3 Các yêu cầu thiết bị điện .1 1.2 Lực điện động 1.2.1 Khái niệm chung .2 1.2.2 Ổn định lực điện động 1.3 Sự phát nóng khí cụ điện (KCĐ) .2 1.3.1 Khái niệm chung .2 1.3.2 Phân loại 1.4 Tiếp xúc điện 1.4.1 Khái niệm 1.4.2 Các yêu cầu tiếp xúc điện .4 1.4.3 Điện trở tiếp xúc tiếp điểm 1.5 Hồ quang điện 1.5.1 Khái niệm 1.5.2 Quá trình phát sinh dập hồ quang Câu hỏi ôn tập chương Chương KHÍ CỤ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY .7 2.1 Cầu dao 2.1.1.Công dụng 2.1.2 Cấu tạo 2.1.3 Nguyên lý làm việc 2.1.4 Phân loại 2.1.5 Các thông số định mức cầu dao 2.2 Công tắc 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Công tắc đổi nối kiểu hộp 2.2.3 Cơng tắc hành trình 10 2.3 Nút ấn .11 2.3.1 Khái quát công dụng 11 2.3.2 Cấu tạo phân loại 11 Câu hỏi ôn tập chương 12 Chương 13 KHÍ CỤ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ 13 3.1 Cầu chì 13 3.1.1 Khái niệm chung .13 3.1.2 Nguyên lý làm việc 13 3.1.3 Kết cấu cầu chì 14 3.2 Áp tô mát .14 3.2.1 Khái quát yêu cầu kỹ thuật 14 3.2.2 Cấu tạo chung 16 3.2.3 Nguyên lý làm việc 17 3.3 Công tắc tơ .18 3.3.1 Khái niệm chung .18 3.3.2 Công tắc tơ kiểu điện từ 19 b 3.4 Khởi động từ 20 3.4.1 Khái niệm chung .20 3.4.2 Các yêu cầu kỹ thuật .21 3.4.3 Sơ đồ nguyên lý dùng khởi động từ 21 Câu hỏi ôn tập chương 23 Chương 24 MỘT SỐ LOẠI RƠ LE THÔNG DỤNG 24 4.1 Khái quát chung .24 4.1.1 Công dụng .24 4.1.2 Cấu tạo chung 24 4.1.3 Phân loại 24 4.2 Rơle điện từ 25 4.2.1 Khái niệm 25 4.2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động rơ le điện từ 25 4.3 Rơle từ điện 26 4.3.1 Khái niệm 26 4.3.2 Nguyên lý cấu tạo 26 4.4 Rơle cảm ứng 27 4.4.1 Khái niệm 27 4.4.2 Rơ le cảm ứng dòng cực đại 28 4.5 Rơle điện động .29 4.5.1 Khái niệm 29 4.5.2 Nguyên lý cấu tạo 30 4.6 Rơle trung gian 30 4.6.1 Khái niệm 30 4.6.2 Nguyên lý cấu tạo 31 4.7 Rơ le thời gian 31 4.7.1 Khái niệm 31 4.7.2 Một số loại rơ le thời gian thông dụng 32 4.8 Rơle dòng điện .33 4.8.1 Khái niệm 33 4.8.2 Rơ le dòng điện cực đại điện từ 33 4.9 Rơle điện áp 34 4.10 Rơle nhiệt .35 4.10.1 Khái niệm 35 4.10.2 Rơle nhiệt kiểu kim loại kép 36 4.11 Rơle tốc độ 37 4.11.1 Khái niệm 37 4.11.2 Một số loại Rơ le thông dụng 37 Câu hỏi ôn tập chương 38 Chương 39 MÁY BIẾN ÁP 39 5.1 Khái niện chung .39 5.1.1 Định nghĩa .39 5.1.2 Vai trò cơng dụng .39 5.1.3 Các đại lượng định mức 40 5.2 Tổ nối dây mạch từ Máy biến áp 40 5.2.1 Cách ký hiệu đầu dây 40 5.2.2 Tổ nối dây 41 5.3 Các quan hệ điện từ máy biến áp 43 5.3.1 Các tượng xảy từ hoá lõi thép máy biến áp pha 43 5.3.2 Các tượng xảy lõi thép máy biến áp ba pha 44 c 5.3.3 Các quan hệ điện từ máy biến áp 46 Câu hỏi ôn tập chương 47 Chương 48 MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 48 6.1 Khái niệm .48 6.2 Cấu tạo chung 48 6.3 Nguyên lý làm việc 50 Câu hỏi ôn tập chương 53 Chương 54 MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 54 7.1 Khái niệm .54 7.2 Cấu tạo 55 7.3 Nguyên lý làm việc 58 Câu hỏi ôn tập chương 59 Chương 60 MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU .60 8.1 Khái niệm .60 8.2 Cấu tạo chung 60 8.3 Nguyên lý làm việc 63 Câu hỏi ôn tập chương 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 d Chương LÝ THUYẾT CƠ SỞ KHÍ CỤ ĐIỆN Trong chương chủ yếu cung cấp phần sở lý thuyết khí cụ điện số khái niệm, tượng thường gặp khí cụ điện 1.1 Khái niệm chung thiết bị điện 1.1.1 Định nghĩa Thiết bị điện hay gọi khí cụ điện (KCĐ) loại thiết bị làm nhiệm vụ đóng cắt điều chỉnh, chuyển đổi, khống chế kiểm tra hoạt động hệ thống lưới điện loại máy điện Ngoài thiết bị điện sử dụng để kiểm tra, điều chỉnh biến đổi đo lường nhiều trình không điện khác 1.1.2 Phân loại Để thuận lợi cho việc nghiên cứu, vận hành, sử dụng sử chữa thiết bị điện người ta phân loại sau: 1.1.2.1.Theo cơng dụng : + Thiết bị điện đóng cắt: Chức đóng cắt tự động tay mạch điện chế độ làm việc khác VD: Cầu dao, dao cách ly, áp tơ mát, cầu chì Đặc điểm nhóm tần số thao tác thấp (thỉnh thoảng phải thao tác), tuổi thọ chúng thường không cao (đến hàng chục ngàn lần đóng cắt) + Thiết bị điện hạn chế dòng điện, điện áp: Chức hạn chế dòng điện, điện áp mạch không tăng cao bị cố VD: Kháng điện dùng để hạn chế dòng điện ngắn mạch, van chống sét dùng để hạn chế điện áp + Thiết bị điện mở máy, điều khiển: Gồm loại KCĐ mở máy, khống chế, điện trở mở máy, công tắc tơ, khởi động từ…Đặc điểm thiết bị tần số thao tác cao, tới 1500 lần/giờ, tuổi thọ tới hàng triệu lần đóng cắt + Thiết bị điện kiểm tra, theo dõi: Các thiết bị điện có chức kiểm tra, theo dõi làm việc đối tượng biến đổi tín hiệu khơng điện thành tín hiệu điện Các KCĐ gồm loại rơle, cảm biến…Đặc điểm thiết bị điện công suất thấp, thường nối mạch thứ cấp để biến đổi, truyền tín hiệu + Thiết bị điện tự động điều chỉnh, khống chế, trì chế độ làm việc tham số đối tượng ổn định điện áp, ổn định tốc độ, ổn định nhiệt độ… + Thiết bị điện biến đổi dòng điện, điện áp gồm máy biến dòng điện, máy biến điện áp Chúng có chức biến đổi dòng điện lớn, điện áp cao thành dòng điện điện áp có trị số thích hợp, an tồn cho việc đo lường, điều khiển, bảo vệ 1.1.2.2 Theo nguyên lý làm việc Thiết bị điện chia theo nhóm với nguyên lý điện cơ, điện từ, từ điện, điện động, nhiệt, có tiếp điểm khơng có tiếp điểm 1.1.2.3 Theo tính chất dòng điện - Thiết bị điện dùng mạch chiều - Thiết bị điện dùng mạch xoay chiều 1.1.2.4 Theo cấp điện áp làm việc - Thiết bị điện hạ áp (có điện áp đến 1000V) - Thiết bị điện cao áp (điện áp từ 1000 V trở lên) 1.1.3 Các yêu cầu thiết bị điện Để đảm bảo an toàn cho thiết bị điện đảm bảo độ tin cậy thiết bị điện thiết bị điện phải đảm bảo số yêu cầu sau: Thiết bị điện đảm bảo làm việc lâu dài với thông số kỳ thuật trạng thái làm việc định mức: Uđm, Iđm - Thiết bị điện phải đảm bảo ổn định nhiệt, lực điện động, có cường độ khí cao q tải, ngắn mạch Vật liệu cách điện tốt, không bị chọc thủng dòng - Thiết bị điện phải đảm bảo làm việc tin cậy, xác, an toàn, gọn nhẹ, dễ lắp ráp, kiểm tra sửa chữa 1.2 Lực điện động 1.2.1 Khái niệm chung Một vật dẫn đặt từ trường, có dòng điện chạy qua chịu tác dụng lực Lực học có xu hướng làm biến dạng chuyển dời vật dẫn để từ thơng xun qua lớn Lực chuyển dời lực điện động (LĐĐ) Ở trạng thái làm việc bình thường, thiết bị điện chế tạo để LĐĐ không làm ảnh hưởng đến độ bền vững kết cấu Khi ngắn mạch dòng điện tăng lên lớn (có lúc lên tới hàng chục lần dòng định mức) LĐĐ lớn, LĐĐ làm biến dạng, đơi phá vỡ kết cấu thiết bị điện Ngoài người ta nghiên cứu ứng dụng LĐĐ để chế tạo thiết bị điện rơ le điện động, cấu đo điện động 1.2.2 Ổn định lực điện động Ổn định lực điện động khả chịu đựng tác động khí LĐĐ sinh ngắn mạch Để đảm bảo điều kiện cần là: Im > Ixk với: - Im dòng điện cho phép lớn thiết bị - Ixk dòng xung kích tính tốn ngắn mạch ba pha 1.3 Sự phát nóng khí cụ điện (KCĐ) 1.3.1 Khái niệm chung Nhiệt lượng sinh dòng điện chạy qua cuộn dây hay vật dẫn điện thiết bị điện làm việc gây tượng phát nóng Ngồi thiết bị điện xoay chiều tổn hao dòng xốy từ trễ lõi sắt từ sinh nhiệt Nếu nhiệt độ phát nóng thiết bị điện vượt trị số cho phép thiết bị điện nhanh bị hư hỏng, vật liệu cách điện nhanh bị gìa hóa, độ bền kim loại bị giảm sút Nhiệt độ cho phép phận thiết bị điện tham khảo bảng 1.1 1.2 - Bảng 1.1 Nhiệt độ cho phép vật liệu làm khí cụ điện Bảng 1.2 Nhiệt độ cho phép vật liệu cách điện 1.3.2 Phân loại Tùy theo chế độ làm việc khác nhau, KCĐ có phát nóng khác - Chế độ làm việc lâu dài KCĐ KCĐ làm việc lâu dài, nhiệt độ KCĐ bắt đầu tăng đến nhiệt độ ổn định khơng tăng nữa, lúc tỏa nhiệt môi trường xung quanh Hình 1- Nhiệt độ KCĐ chế độ làm việc dài hạn - Chế độ làm việc ngắn hạn KCĐ Chế độ làm việc ngắn hạn KCĐ chế độ đóng điện nhiệt độ khơng đạt tới nhiệt độ ổn định, sau phát nóng ngắn hạn, KCĐ ngắt nhiệt độ sụt xuống mức khơng so sánh với mơi trường xung quanh Hình 1- Nhiệt độ KCĐ chế độ làm việc ngắn hạn - Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại KCĐ Nhiệt độ KCĐ tăng lên khoảng thời gian KCĐ làm việc, nhiệt độ giảm xuống khoảng thời gian KCĐ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt đến giá trị ban đầu KCĐ làm việc lặp lại Sau khoảng thời gian, nhiệt độ tăng lên lớn gần nhiệt độ giảm nhỏ KCĐ đạt chế độ dừng Hình 1- Nhiệt độ KCĐ chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại 1.4 Tiếp xúc điện 1.4.1 Khái niệm Chỗ tiếp giáp hai vật dẫn điện dòng điện chạy từ vật dẫn sang vật dẫn gọi tiếp xúc điện Bề mặt chỗ tiếp giáp vật dẫn điện gọi bề mặt tiếp xúc điện Tiếp xúc điện chia làm ba dạng chính: - Tiếp xúc cố định: Các tiếp điểm nối cố định với chi tiết dẫn dòng điện là: cái, cáp điện, chỗ nối KCĐ vào mạch Trong trình sử dụng, hai tiếp điểm gắn chặt vào nhờ bu lơng, hàn nóng hay nguội - Tiếp xúc đóng mở: Là tiếp xúc để đóng ngắt mchj điện Trong trường hợp phát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách tiếp điểm tĩnh động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức chế độ làm việc KCĐ - Tiếp xúc trượt: Là tiếp xúc cố góp vành trượt, tiếp xúc dễ phát sinh hồ quang điện 1.4.2 Các yêu cầu tiếp xúc điện Tiếp xúc điện phần quan trọng KCĐ Trong thời gian hoạt động đóng mở, chỗ tiếp xúc phát nóng cao, mài mòn lớn va đập ma sát, đặc biệt hoạt động có tính chất hủy hoại hồ quang Vì tiếp xúc điện cần đảm bảo yêu cầu sau: - Nơi tiếp xúc điện phải chắn, đảm bảo - Nơi tiếp xúc phải có độ bền khí cao - Khơng phát nóng q giá trị cho phép dòng điện định mức - Ổn định nhiệt lực điện động có dòng ngắn mạch cực đại qua - Chịu tác dụng mơi trường xung quanh, nhiệt độ cao bị oxi hóa 1.4.3 Điện trở tiếp xúc tiếp điểm Tại chỗ tiếp xúc có điện trở tiếp xúc (Rtx) Điện trở tiếp xúc tiếp điểm ảnh hưởng đến chất lượng KCĐ, Rtx lớn làm cho tiếp điểm phát nóng Nếu phát nóng mức cho phép tiếp điểm bị nóng chảy chí bị hàn dính Trong tiếp điểm KCĐ mong muốn Rtx có giá trị nhỏ tốt thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến Rtx nên giảm Rtx cực nhỏ mong muốn Các yếu tố sau ảnh hưởng đến Rtx - Vật liệu làm tiếp điểm: Vật liệu mềm tiếp xúc tốt - Kim loại làm tiếp diểm khơng bị oxy hóa: Đồng, thép dùng làm tiếp điểm cố định Ngồi tiếp điểm làm bạc, bạch kim, Vonfram, niken, vàng - Lực ép tiếp điểm lớn tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc - Nhiệt độ tiếp điểm cao điện trở tiếp xúc lớn - Diện tích tiếp xúc - Hình dạng tiếp điểm 1.5 Hồ quang điện 1.5.1 Khái niệm Hồ quang điện tượng phóng điện chất khí với mật độ dòng điện tương đối lớn (104 đến 105 A/cm2), điện áp rơi catot bé (10÷20V), nhiệt độ cao (5000 đến 60000C), kèm theo hiệu ứng ánh sáng Hồ quang điện trình điện nhiệt liên quan mật thiết với Hồ quang điện dùng để hàn, luyện thép.v.v.trong trường hợp hồ quang điện có ích, nên trì cháy ổn định Tuy nhiên KCĐ như: cầu dao, cầu dao, cầu chì, rơle, cơng tắc v.v đóng hay ngắt mạch điện, hồ quang phát sinh tiếp điểm lại có hại Nếu hồ quang cháy lâu, KCĐ hệ thống điện hư hỏng cần phải có biện pháp nhanh chóng dập tắt hồ quang 1.5.2 Quá trình phát sinh dập hồ quang 1.5.2.1 Quá trình phát sinh hồ quang điện Quá trình phát sinh hồ quang chất q trình ion hóa Ở điều kiện bình thường, mơi trường khí gồm phần tử trung hòa nên khơng dẫn điện Nếu phần tử trung hòa bị phân tích thành điện tử tự do, ion dương, ion âm trở thành dẫn điện Q trình tạo điện tử tự ion chất khí gọi q trình ion hóa Q trình xảy tác dụng ánh sáng, nhiệt độ, điện trường, va đập… Ở tiếp điểm KCĐ đóng cắt, q trình cắt, tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh làm điện trở tiếp xúc tăng, tổn hao lớn, nhiệt độ tiếp điểm cao, tạo điều kiện thuận lợi cho trình phát xạ nhiệt điện tử (đây trình xảy nhiệt độ catot cao, điện tử tự điện cực có động lớn, khỏi bề mặt kim loại, tạo nên dòng điện chất khí) Tại thời điểm hai tiếp điểm tách ra, cường độ điện trường chúng lớn, thuận lợi cho việc tự phát xạ điện tử lớn nhiệt độ điện cực cao điện trường đặt lên lớn phát hồ quang điện 1.5.2.2 Các phương pháp dập hồ quang Yêu cầu hồ quang phải dập tắt khu vực hạn chế với thời gian ngắn nhất, tốc độ mở tiếp điểm phải lớn mà không làm hư hỏng phận KCĐ Đồng thời lượng hồ quang phải đạt đến giá trị nhỏ nhất, điện trở hồ quang phải tăng nhanh việc dập tắt không kéo dài theo điện áp nguy hiểm, tiếng kêu phải nhỏ ánh sáng không lớn Để dập tắt hồ quang ta dùng biện pháp tăng cường trình phản ion khu vực hồ quang (Quá trình phản ion trình ngược lại với trình ion hóa, tức q trình suy giảm số lượng ion vùng hồ quang Trong hồ quang điện, tồn song song hai q trình ion hóa phản ion Nếu q trình ion hóa lớn trình phản ion, hồ quang phát sinh phát triển mạnh, dòng điện hồ quang tăng Nếu q trình ion hóa cân với q trình phản ion, dòng điện hồ quang khơng tăng hồ quang cháy ổn định Nếu q trình ion hóa bé q trình phản ion dòng điện hồ quang suy giảm hồ quang tắt) là: - Tăng độ dài hồ quang - Dùng từ trường để tạo lực thổi hồ quang chuyển động nhanh - Dùng dòng khí hay dầu để thổi dập tắt hồ quang - Dùng khe hở hẹp để hồ quang cọ sát vào vách khe hẹp - Tạo thành chân không khu vực hồ quang - Chia hồ quang thành nhiều hồ quang ngắn nhờ vách ngăn - Cho hồ quang tiếp xúc với chất cách điện làm nguội Theo nguyên tắc dập hồ quang có loại: - Kéo dài hồ quang - Hồ quang tự sinh lượng để dập tắt dùng lượng để dập tắt - Dùng tiếp điểm bắc cầu: Áp dụng hệ thống công tắc tơ, phân chia hồ quang làm đoạn nhờ lực đẩy hồ quang hai phía Câu hỏi ơn tập chương Câu Nêu khái niệm, phân loại yêu cầu KCĐ Câu Nêu khái niệm lực điện động Câu Trình bày chế độ phát nóng KCĐ Câu Nêu khái niệm, phân loại tiếp xúc điện Câu Nêu nguyên nhân phát sinh hồ quang điện nguyên tắc dập hồ quang Đôi máy điện gọi máy điện kiểu cảm ứng, dòng điện i2 sinh dây quấn rôto nhờ đường cảm ứng từ, cung cấp từ nguồn Hiệu số tương đối tốc độ từ trường quay n1 tốc độ quay rôto n gọi hệ số trượt s: n n s (6.2) n1 Từ công thức (1.26), tính tốc độ quay rơto n qua hệ số trượt s: n = n1(1-s) (6.3) Theo cơng thức (6.2) (6.3), biểu thị hệ số trượt s (và tốc độ quay rôto n tương ứng) nằm phạm vi cho bảng 1.1, mà phạm vi - ứng với chế độ làm việc cụ thể, xét Bảng 6.1 Hệ số trượt s s=1 1>s>0 s=0 +s>1 0>s- Tốc độ quay rôto n -n