CHƯƠNG 2 : CÁC KỸ THUẬT CHẾ TẠO RƠLE
2.4 RƠLE DÒNG ĐIỆN KIỂU CẢM ỨNG
2.4.1 Nguyên tắc tác động
Rơle cảm ứng là loại rơle dựa trên nguyên tắc tác động tương hỗ giữa các từ thơng do dịng điện chạy trong cuộn dây đứng yên gây nên với các dòng điện cảm ứng gây ra bởi các từ thơng đó trong phần động của rơle. Do vậy, các rơle cảm ứng chỉ làm việc được với dòng điện xoay chiều.
Muốn tạo được mơ men quay các rơle cảm ứng phải có ít nhất là hai từ thông lệch pha nhau về khơng gian và về thời gian. Các dịng điện cảm ứng trong phần động của rơle chỉ tạo nên những thành phần mô men quay với các từ thông không sinh ra chúng.
Hình vẽ 2-7: Rơle dịng điện: a) có vịng cảm ứng ngắn mạch, b) và đồ thị véc tơ. Các rơle dòng điện cảm ứng thường dùng có bộ phận động là những đĩa quay. Để tạo nên hai từ thông, phương pháp đơn giản nhất là dùng vòng ngắn mạch. Rơle dòng điện cảm ứng có vịng ngắn mạch có mạch từ khá đơn giản (Hình vẽ 2-7-a) gồm lõi sắt 1, các vòng ngắn mạch 2 bằng đồng đặt trên một phần của cực từ xẻ đôi và đĩa quay 3. Các vịng ngắn mạch làm cho các từ thơng I (xuyên qua vòng ngắn mạch) và II (khơng xun qua vịng
ngắn mạch) lệch pha nhau một góc , giống như vòng ngắn mạch làm nhiệm vụ chống rung trong rơle điện từ. Các từ thông I và II gây nên trong đĩa các suất điện động cảm ứng EI và EII không phụ thuộc vào trạng thái của đĩa (quay hay khơng quay). Ngồi ra, khi đĩa quay cắt các từ thông I và II, trong đĩa sẽ xuất hiện thêm các suất điện động cắt và các dòng điện tác dụng tương hỗ với các từ thơng đó và gây nên mô men Mcắt chống lại chiều quay của đĩa.
Các suất điện động EI và EII sinh ra trong đĩa các dòng điện II và III tương ứng đồng pha (vì góc tổng trở của đĩa rất bé). Với chiều dương của các từ thông, suất điện động và dịng điện như đã chấp nhận trên Hình vẽ 2-7-a có thể vẽ được đồ thị véc tơ của chúng trên Hình vẽ 2-7-b.
Chọn chiều quay ngược chiều kim đồng hồ làm chiều dương thì mơ men quay MIt do từ thơng It và dịng điện III sinh ra có chiều dương, cịn mơ men quay MIIt do IIt và dịng II sinh ra có chiều âm (xác định theo quy tắc bàn tay trái).
Về trị số: MIt = kI. It .iII và: MIIt = kII. IIt.iI
Trị số tức thời của mô men quay tổng: Mt = MIt + MIIt = kI. It .iII - kII. IIt.iI
Kết quả tính tốn cho trị số trung bình của mơ men quay tổng của rơle cảm ứng trong một chu kỳ:
M = kI. I. II. sin
Nếu hệ thống từ khơng bão hồ, trong rơle có vịng ngắn mạch cả hai từ thông I và II đều tỷ lệ với dòng điện IR đã sinh ra chúng cho nên:
I II EN IN (a) EM IM Trục của II Trục của I MIIt
Chiều quay dương của đĩa
MIt EII III EI II 2 3 b II EI II I EII III φ 90º 90º (b) 1 b 2 b 3 b 4 6b 1 b 5 b 2 b 1. Lõi thép 2. Vòng ngắn 3. Đĩa quay
4. Nam châm vĩnh cửu 5. Lò xo cản 6. Cuộn dây 7. Nam châm 6a
M = k2. I2 R
Từ đó có thể rút ra những kết luận:
Mô men quay phụ thuộc vào góc lệch pha giữa các từ thơng, tần số của dịng điện xoay chiều và nhiệt độ của mơi trường xung quanh (liên quan đến sự thay đổi điện trở của đĩa).
Mô men quay luôn luôn hướng theo con đường ngắn nhất từ của từ thông vượt trước đến trục của từ thông chậm sau. Trong rơle có vịng ngắn mạch từ thơng vượt trước là từ thơng khơng qua vịng ngắn mạch, vì vậy đĩa luôn luôn quay theo con đường ngắn nhất từ trục của phần khơng có vịng ngắn mạch đến trục của phần có vịng ngắn mạch. Các mơ men hãm do các dòng điện cắt và nam châm vĩnh cửu 4 gây ra không ảnh
hưởng đến dòng điện khởi động của rơle vì chúng chỉ xuất hiện khi đĩa bắt đầu quay. Trong rơle mô men cản thường được tạo ra bởi một lị xo hình xoắn ốc 5 nối với trục của đĩa. Trong trường hợp này, khi tính đến cả mơ men ma sát Mms, điều kiện khởi động là:
M Mlx + Mms
Khi khởi động đĩa quay được một góc nào đó thì đầu tiếp xúc động 6a gắn trên trục của đĩa hoặc ngay trên đĩa sẽ đóng vào đầu tiếp xúc cố định 6b.
Dùng nguyên tắc cảm ứng có thể kết hợp được cả bộ phận khởi động và bộ phận thời gian vào cùng một rơle dòng điện. Các rơle cảm ứng thường gặp có thời gian tác động từ 0,5 đến 10 - 15 giây.
2.4.2 Lĩnh vực ứng dụng:
Rơle dòng điện cảm ứng bảo đảm được thời gian làm việc cần thiết mà không cần rơle thời gian riêng. Nếu chế tạo tốt rơle có hệ số trở về khá cao, độ chính xác đầy đủ, sai số do qn tính bé và cơng suất tiêu thụ thích hợp. Các rơle dịng điện cảm ứng thường dùng để bảo vệ các mạng điện áp thấp (đến 10 kV) khơng địi hỏi rơle thời gian riêng và có thể làm việc với dịng điện thao tác xoay chiều.
Tuy nhiên rơle dòng điện cảm ứng không thể thay thế cho rơle dòng điện điện từ có cơng suất tiêu thụ bé hơn và độ nhạy cao hơn.
2.4.3 Rơle điện áp
Nối cuộn dây của rơle trực tiếp hoặc gián tiếp qua biến điện áp, vào điện áp U của mạng ta được rơle làm việc theo trị số điện áp của mạng.
Vì M = k'. I2R mà dòng điện qua rơle bằng:
R R R z U I trong đó,
ZR - tổng trở của cuộn dây rơle
UR - điện áp đặt vào rơle R R u U U n Do vậy: M = k'.U2R
Hay nếu xét đến quan hệ: M = k''.UR
Biểu thức trên cho thấy rơle làm việc theo điện áp của mạng.
2.4.4 Rơle thời gian
Rơle thời gian dùng để tạo thời gianlàm việc cần thiết cho bảo vệ rơle và tự động hoá. Nguyên lý cấu tạo của rơle được trình bày trên Hình vẽ 2-8.
Khi cuộn dây 1 có dịng điện, phần động 2 bị hút tức thời, cần động 4 được tự do và dưới tác động của lị xo 3 nó sẽ quay chậm nhờ có cơ cấu đặc biệt định thời gian giữ lại.
Sau một thời gian tR nào đó tuỳ thuộc vào khoảng cách l (hoặc góc ) và tốc độ chuyển động cần 4 hồn thành góc quay và đóng tiếp điểm 8 lại. Như vậy rơle thời gian tác động với thời gian: R R t
. Cơ cấu định thời gian thường là một cơ cấu đồng hồ. Khi cắt mạch cuộn dây phần động 2 và cần 4 trở về ngay vị trí ban đầu nhờ lị xo 3, tiếp điểm 8 mở ra tức thời. Muốn điều chỉnh thời gian tR, ta thay đổi góc quay bằng cách thay đổi vị trí của tiếp điểm 8.
Trong một vài loại rơle thời gian cịn có thêm tiếp điểm đóng ngay 9 cho phép đóng mạch với thời gian bé (khoảng 0,15 - 0,2 giây) và không điều chỉnh được.
a) Nguyên lý cấu tạo của rơle thời gian b) Ổn định nhiệt cho rơle thời gian
Hình vẽ 2-8: Rơ le thời gian
Để giảm kích thước của rơle, cuộn dây của rơle thường được tính tốn thiết kế theo chế độ làm việc ngắn hạn. Do vậy, để ổn định nhiệt cho cuộn dây cần nối lâu dài vào điện áp của nguồn thao tác, phải mắc một điện trở phụ nối tiếp với cuộn dây như trên Hình vẽ 2-8-b. Bình thường điện trở phụ rP bị nối tắt bởi tiếp điểm thường đóng mở ngay (tiếp điểm trên. Sau khi rơle tác động, tiếp điểm này mở ra và điện trở phụ được đưa vào mạch cuộn dây để hạn chế dòng điện đến trị số cho phép theo điều kiện phát nóng, đồng thời đủ để duy trì rơle ở trạng thái tác động.
2.4.5 Rơle trung gian
Rơle trung gian là một loại rơle phụ được sử dụng khi cần đóng, cắt đồng thời nhiều mạch điện độc lập hoặc khi cần đến các rơle có tiếp điểm cơng suất đủ lớn để đóng cắt mạch có dịng điện lớn như Hình vẽ 2-9:
Hình vẽ 2-9: Các sơ đồ nối rơ le trung gian: a)Sơ đồ nối các rơle RG song song, b) nối tiếp, c) song song có tự giữ bằng cuộn dây nối tiếp
2.4.6 Rơle tín hiệu
Rơle tín hiệu báo hiệu sự tác động của bảo vệ hoặc của một phần tử bất kỳ của mạch điện. Khi bảo vệ tác động, trong cuộn dây của rơle có tín hiệu dịng điện chạy qua, rơle đóng tiếp điểm để cho con bài tín hiệu rơi xuống vị trí trơng thấy được qua nắp vỏ trong suốt của rơle.
Do dòng điện chỉ chạy qua rơle trong một thời gian rất ngắn nên rơle tín hiệụ được chế tạo sao cho con bài tín hiệu và tiếp điểm của rơle vẫn được giữ ở trạng thái tác động cho đến khi nhân viên vận hành phục hồi lại trạng thái ban đầu của chúng.
Hình vẽ 2-10: Sơ đồ nối dây của rơle tín hiệu, a) nối tiếp, b) song song