CHƯƠNG 2 : CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO RƠLE
2.3 RƠLE ĐIỆN CƠ
2.3.1 Rơle dòng điện kiểu điện từ
2.3.1.1 Nguyên tắc tác động
Rơle dòng điện kiểu điện từ làm việc dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa phần động làm bằng chất sắt từ và từ trường của cuộn dây có dịng điện chạy qua.
Về cấu tạo rơle điện từ được chia thành ba loại: Rơle điện từ có phần động đóng mở (Hình vẽ 2-4- a) Rơle điện từ có phần động quay (Hình vẽ 2-4-b)
Rơle điện từ có phần động chuyển động tịnh tiến (Hình vẽ 2-4-c )
Mỗi loại đều có lõi sắt 3 trên đó có quấn cuộn dây 5, phần động 1, các tiếp điểm 4 và lò xo cản 2.
Dòng điện iR chạy trong cuộn dây gây nên từ thông đi qua lõi sắt và khe hở khơng khí
. Khi hệ thống từ khơng bão hồ trị số tức thời của mơ men quay tỷ lệ với bình phương của
trị số tức thời của từ thơng t hay của dịng điện iR: Mt = k1. t2 = k2. iR2
Từ biểu thức này ta thấy dấu của mô men quay khơng phụ thuộc vào dấu của dịng điện tạo nên mơ men đó. Như vậy các rơle điện từ làm việc được với cả dòng điện một chiều và dòng điện xoay chiều.
2.3.1.2 Dòng điện khởi động và dòng điện trở về
Để rơle tác động được (phần động bị hút vào lõi sắt và tiếp điểm 4 đóng lại ) phải tăng dịng điện iR đến trị số sao cho mô men quay điện từ Mt thắng được mơ men cản cơ khí khởi động Mckđ :
Mt Mckđ
Mơ men cản cơ khí khi rơle khởi động gồm mơ men cản của lị xo Mlx, mơ men ma sát Mms và mô men do trọng lượng của phần động Mp. Vậy ở điều kiện khởi động:
Hình vẽ 2-4: Một số loại rơle điện từ: a) Rơle điện từ có phần động đóng mở, b) Có phần động quay, c) phần chuyển động tịnh tiến
Tương ứng với Mkđ có một giá trị xác định của dịng điện iR cần thiết cho sự khởi động.
a) Dòng điện bé nhất tương ứng với điều kiện khởi động gọi là dòng điện khởi động của
rơle IkđR.
Sau khi rơle đã tác động, để phần động của rơle có thể trở về vị trí ban đầu phải giảm dịng điện iR sao cho mơ men quay điện từ M phải nhỏ hơn mơ men cản cơ khí. Cần chú ý rằng mô men ma sát cản trở phần động khi trở về nên dấu của nó ngược với dấu của mô men cản của lị xo và mơ men do trọng lượng. Vậy mơ men cản cơ khí khi trở về Mcv là:
Mcv = Mlx - Mms + Mp Điều kiện để rơle trở về: M = Mv < Mlx - Mms + Mp
Tương ứng với mô men về Mv có một giá trị xác định của dòng điện IR bảo đảm cho rơle trở về.
b) Dòng điện lớn nhất tương ứng với điều kiện trở về, gọi là dòng điện trở về IvR của rơle.
Tỷ số giữa dòng điện trở về với dòng điện khởi động gọi là hệ số trở về kvR của rơle: R kđ v vR I I
k . Vì Mckđ và Mcv khác nhau khá nhiều nên IkđR và IvR cũng khác nhau khá nhiều và hệ số trở về của rơle bé. Đây là khuyết điểm đáng kể của rơle có phần động đóng mở.
c) Hiện tượng phần động rung của rơle điện từ
Khi rơle làm việc với dòng điện xoay chiều iR = IRm sint thì trị số của mô men quay Mt bằng: 2 3 4a 4b 5 1 c đ 2 1 3 4 5 4 3 1 5 2
Mt = k2.i2R = k2 I2Rm.sin2t = k2.I2R - k2 I2Rm.cos2t
Số hạng thứ nhất của biểu thức trên không phụ thuộc vào thời gian cho giá trị trung bình trong một chu kỳ của mơ men quay. Số hạng thứ hai biến thiên theo quy luật hình sin với tần số gấp đơi. Kết quả là phần động của rơle dòng điện xoay chiều chịu tác động của mô men biến thiên với tần số gấp đôi từ tr ị số không đến cực đại (Hình vẽ 2-5). Sau khi rơle đã tác động, tại những thời điểm Mt < MC, phần động có khuynh hướng bị kéo ra khỏi lõi rồi sau đó lại bị hút vào khi Mt > MC. Phần động rung làm cho các tiếp điểm rung theo và có thể bị đốt cháy bằng tia lửa điện.
2 T= 2 2 R -k I cos2 t 2 2 R k I t t M R I t M IR
Hình vẽ 2-5: Quan hệ giữa trị số tức thời của mô men quay Mt và các thành phần của nó với thời gian đối với rơle dòng điện điện từ
Để loại trừ hiện tượng rung cần phải có biện pháp làm giảm sự đập mạch của mô men quay theo thời gian. Điều này có thể thực hiện được bằng cách tạo ra hai từ thông lệch pha nhau. Phương pháp thường dùng để tạo ra hai từ thông lệch pha nhau là dùng vòng ngắn mạch (thường là một vòng đồng) bọc lấy một phần cực của rơle (Hình vẽ 2-6).
Hình vẽ 2-6: Vịng ngắn mạch của rơle và đồ thị véc tơ.
Từ thông chạy trong lõi sắt gồm hai thành phần: I qua vòng ngắn mạch, II khơng qua vịng ngắn mạch. Từ thông I cảm ứng ra trong vịng ngắn mạch suất điện động EN có chiều xác định theo quy tắc vặn nút chai chậm pha sau từ thơng I một góc 90o. Suất điện động EN gây ra trong vòng ngắn mạch dòng I’N (đã tính đổi về số vịng của cuộn dây của rơle) coi như
EN ,, IN EN ,, IN 900 I 'N EN II 1 IR -I 'N
trùng pha với EN (Hình vẽ 2-6) vì góc tổng trở của vòng ngắn mạch rất bé. Nếu bỏ qua tổn hao trong lõi thép, từ thơng I đồng pha với dịng điện từ hố: I IR IN
Từ thơng II tỷ lệ và đồng pha với dòng điện IR. Đồ thị véc tơ ở Hình vẽ 2-6 cho thấy vịng ngắn mạch đã làm cho các từ thông I và II lệch nhau một góc .
Trị số tức thời của mô men quay tổng Mt gồm hai thành phần MIt và MIIt do hai từ thông I và II gây nên:
Mt = MIt + MIit = kI. 2I. sin2t + kII. 2II. sin2( t+ ).
Khi hai từ thơng I và II có trị số gần bằng nhau và góc lệch pha giữa chúng gần bằng 90o thì độ đập mạch theo thời gian của mô men tổng sẽ giảm đi rất nhiều và giá trị tức thời có thể ln ln lớn hơn mơ men cản cơ khí, lúc này phần động sẽ không rung nữa
d) Lĩnh vực ứng dụng
Hiện nay nguyên tắc điện từ được ứng dụng rộng rãi để chế tạo các rơle làm việc theo một đại lượng điện (dòng điện, điện áp) và cả một số tác động rơle phụ khác (rơle trung gian, tín hiệu vv...)
Khi lựa chọn được cấu tạo hợp lý, rơle có phần động quay có thể chế tạo được các rơle có hệ số trở về cao, thời gian trở về bé, sai số qn tính nhỏ, cơng suất tiêu thụ khơng lớn lắm và có độ chính xác cần thiết.