BÀI 3 : KHÍ CỤ ĐIỆN BẢO VỆ
3.3 Rơle nhiệt: (Over Load OL)
Rơle nhiệt là loại rơle có đại lượng tác động đầu vào là nhiệt độ, đại lượng đầu ra là sự thay đổi các thông số điện hay trạng thái đóng, mở tiếp điểm của rơle. Vì vậy về cấu tạo rơle nhiệt gồm: bộ phận nhạy cảm với nhiệt độ (cảm biến) ở đầu vào, bộ phận so sánh, hệ thống tiếp điểm ở đầu ra và bộ phận điều chỉnh các thông số làm việc của rơle.
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 61
3.3.1 Cấu tạo:
Rơ le nhiệt là một loại khí cụ để bảo vệ động cơ và mạch điện khi có sự cố quá tải. Rơ le nhiệt không tác động tức thời theo trị số dịng điện vì nó có qn tính nhiệt lơn, phải có thời gian phát nóng, do đó nó làm việc có thời gian từ vài giây đến vài phút.
Hình 3.8: Rơ le nhiệt
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của Role nhiệt:
Nguyên lý chung của Rơ le là dựa trên cơ sở tác dụng nhiệt của dòng điện làm giãn nở phiến kim loại kép. Phiến kim loại kép gồm hai lá thép kim loại có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau (hệ số giãn nở nhiệt hơn kém nhau gần 20 lần) ghép chặt với nhau thành một phiến bằng phương pháp cán nóng hoặc hàn. Khi có dịng điện quá tải đi qua, phiến lưỡng kim được đốt nóng, uốn cong về phía kim loại có hệ số giãn nở bé, đẩy cần gạt làm lò xo co lại và chuyển đổi hệ thống tiếp điểm phụ.
Để rơ le nhiệt làm việc trở lại , phải đợi phiến kim loại nguội trở lại và kéo cần reset của rơ le nhiệt.
Phân loại :
10
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 62
- Theo kết cấu : rơ le nhiệt chia thành hai loại : kiểu hở và kiểu kín.
- Theo yêu cầu sử dụng : loại một cực và hai cực. - Theo phương thức đốt nóng :
+ Đốt nóng trực tiếp : Dịng điện đi qua trực tiếp tấm kim loại kép. Loại này có cấu tạo đơn giản, nhưng khi thay đổi dòng điện định mức phải thay đổi tấm kim loại kép, loại này không tiện dụng.
+ Đốt nóng gián tiếp : dịng điện đi qua phần tử đốt nóng độc lập, nhiệt lượng tỏa ra gián tiếp làm tấm kim loại cong lên. Loại này có ưu điểm là muốn thay đổi dòng điện định mức ta chỉ cần thay đổi phần tử đốt nóng. Khuyết điểm của loại này là khi có quá tải lớn, phàn tử đốt nóng có thể đạt nhietj độ khá cao nhưng vì khơng khí truyền nhiệ t kém, nên tấm kim loại chưa kịp tác động mà phần tử đốt nóng đã bị cháy đứt.
+ Đốt nóng hỗn hợp : loại này tương đối tốt vì vừa đốt trực tiếp vừa đốt gián tiếp. Nó có tính ổn định nhiệt tương đối cao và có thể làm việc ở bội số quá tải lớn.
a) Rơ le nhiệt kiểu kim loại kép :
Nguyên lý làm việc của rơle nhiệt kiểm kim loại kép như sau : Hai thanh bằng kim loại khác nhau, có cùng kích thước tiết diện ngang và cùng chiều dài l0, nhưng có hệ số dãn nở dài do nhiệt độ α khác nhau, giả sử α1>α2. Nếu thanh 1 và thanh 2 cùng được đốt nóng từ nhiệt độ t1 lên nhiệt độ t2, chiều dài hai thanh sẽ tăng lên đến :
l1 = lo (1 + αΔt) l2 = lo (1 + αΔt)
Trong đó lo là chiều dài hai thanh ở nhiệt độ ban đầu t1 ; 11, l2 là chiều dài hai thanh ở nhiệt độ t2 ;
Δt là độ tăng nhiệt độ :
Δt = t2 – t1 = τ Như vậy chiều dài mỗi thanh tăng thêm là :
Δl1 = l1 – lo = loα1Δt = loα1τ Δl2 = l2 – lo = loα2Δt = loα2τ
Vì α1>α2 nên Δl1 > Δl2 như trên hình 4 lúc này hai thanh vẫn ở trạng thái thẳng.
Trong trường hợp hai thanh được hàn hoặc được cán dính với nhau, tạo thành thanh (tấm) kim loại kép thì khi tăng nhiệt độ, vì thanh 1 dãn dài hơn thanh 2, nên làm thanh kim loại kép vừa dãn dài vừa cong về phía thanh 2
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 63
(thanh có hệ số dãn nở dài α nhỏ). Nếu gắn cố định một đầu thanh kim loại kép, thì đầu kia cong đi một đoạn x lớn nhất là
1 2 2 max ( ) 4 3 lo x = −
δ là chiều dày của tấm kim loại kép. Đầu cong sẽ tạo ra lực F bằng :
) . . ( 16 3 2 2 1 E l b F = −
Trong đó b là chiều rộng của tấm kim loại kép.
E = 0,5 (E1 + E2) là mơ đun đàn hồi trung bình của tấm kim loại kép. E1, E2 là mô đun đàn hồi của tấm kim loại 1 và kim loại 2.
Người ta sử dụng hiện tượng dịch chuyển và tạo ra lực ở đầu cong (đầu tự do) của tấm kim loại kép để thực hiện việc đóng, ngắt tiếp điểm trong mạch điện. Như vậy là đã có được rơle nhiệt kim loại kép. Theo công thức trên thấy rằng, độ dịch chuyển x và lực F càng lớn khi hiệu số α1 – α2 càng lớn. Cho nên để chế tạo tấm kim loại kép, người ta hay dùng vật liệu invar (có hệ số α lớn) làm thanh 1.
Có các phương pháp cấp nhiệt để tăng nhiệt độ cho tấm kim loại kép tác động như sau :
- Dùng ngay các đối tượng cần đo, cần khống chế và ổn định nhiệt độ đang ở nhiệt độ cao làm nguồn nhiệt để cấp nhiệt cho tấm kim loại kép. Khi nóng đến nhiệt độ tác động đã đ ặt trước tt d, rơle nhiệt sẽ tác động. Loại rơle này hay dùng để khống chế ổn định nhiệt độ làm việc của các thiết bị nhiệt như : lị sấy, bình đun nước nóng, bàn là và các thiết bị nhiệt công nghiệp và gia đình khác. Để rơle tác động chính xác, tin cậy, rơl e, nhất là bộ phận kim loại kép phải được đặt tiếp xúc tốt với bộ phận nhiệt độ cần khống chế.Có nghĩa là sau khi rơle tác động ngắt tiếp điểm, ngắn mạch công suất gia nhiệt, nhiệt độ thiết bị giảm xuống đến nhiệt độ đóng tđ, rơle tự đóng tiếp điểm trở lại, đóng mạch gia nhiệt. Nhiệt độ thiết bị nhiệt được tự động duy trì ở quanh giá trị nhiệt độ làm việc tl v đã đặt trước bên trong của rơle nhiệt khi làm chức năng bảo vệ cho các thiết bị nhiệt này.
Nếu rơle làm chức năng bảo vệ thiết bị nhiệt, thì rơle tác động khi nhiệt độ tăng đến giá trị cao nhất cho phép của thiết bị. Sau khi tác động ngắt mạch, rơle không tự trở về. Muốn đưa rơle về trạng thái làm việc bình thường (đóng mạch), người sử dụng phải tác động vào nút phục hồi (giải trừ)
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 64
sau khi đã tìm rõ nguyên nhân và khắc phục xong, bảo đảm an toàn cho thiết bị.
- Dùng hiệu ứng nhiệt hay tổn hao nhiệt trên vật liệu dẫn điện khi có dịng điện chạy qua vật dẫn đó làm nguồn nhiệt đốt nóng thanh kim loại kép. Nhiệt lượng tỏa ra Q trên vật dẫn có điện trở R khi có dịng điện I chạy qua trong một thời gian t được xác định theo công thức :
Q = 0,24.I2.R.t
Nhiệt lượng Q đốt nóng thanh kim loại kép đến nhiệt độ tác độn g tt d thì rơle sẽ tác động. Nhiệt lượng Q phụ thuộc vào dòng điện tải I2 và thời gian dòng tải sẽ đi qua t. Nhiệt lượng Q phụ thuộc vào dòng điện tải I2 và thời gian dòng tải đi qua t. Với một phần tử đốt nóng có điện trở đã định R, nếu dịng điện tải tăng lớn thì thời gian tác động sẽ giảm và ngược lại. Quan hệ giữa dòng điện và thời gian tác động t ỉ lệ nghịch được biểu diễn bằng đường đặc tính dịng điện theo thời gian I(t) hoặc cịn gọi là đặc tính ‘ampe giây’ là đặc tính quan trọng nhất của rơle nhiệt kim loại kép (hình 3.3).
đm t i I I K = 1 t Hình 3.9: Rơ le điện áp
Thường để thuận tiện cho việc so sánh giữa các loại rơle nhiệt, dòng điện được biểu thị ở đơn vị tương đối
đm i I I K = và đặc tính là quan hệ t = f(Ki).
Theo đặc tính I(t) trên hình 3.3 ta thấy:
- Dịng điện định mức của rơle Iđ m, ứng với Ki = 1, là dòng qua rơle
trong thời gian dài vô hạn mà không làm cho rơle tác động trong điều kiện nhiệt độ môi trường không thay đổi.
- Khi có dịng điện q tải (Ki > 1) , sau một thời gian t tương ứng, rơle sẽ tác động. Quá tải càng nhiều (Ki tăng) thì thời gian tác đ ộng t càng
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 65
- Khi quá tải nặng hoặc ngắn mạch (Ki ≥ 8), dòng điện tăng rất nhanh
và lớn, q trình đốt nóng tấm kim loại kép là đoạn nhiệt, nhiệt độ tấm kim loại kép tăng nhanh nên thời gian tác động sẽ rất nhanh gần như tức thì. Lúc này rơle làm việc không ổn định, không tin cậy, và tấm kim loại kép bị quá nhiệt (nhiệt độ tăng quá cao), độ bền cơ và đồ đàn hồi bị suy giảm, đặc tính làm việc bị thay đổi. Đơi khi, phần tử đốt nóng bị cháy hỏng do dịng ngắn mạch trước khi rơle nhiệt tác động.
Vì vậy, chỉ nên dùng rơle nhiệt kiểu đốt nóng bằng dịng điện để bảo vệ các thiết bị điện (như động cơ) trong chức năng bảo vệ quá tải; còn bảo vệ ngắn mạch thì dùng rơle dịng điện kiểu điện từ. Thơng thường rơle được điều chỉnh ở chế độ không tự phục hồi và được l ắp kèm với công tắc tơ để tạo thành khởi động từ là loại thiết bị dùng rộng rãi trong điều khiển đóng ngắt động cơ điện hoặc làm phần tử bảo vệ quá tải trong attomat.
đm t i I I K = 1 t 1 2 3 9 12 3 5 7
Hình 3.10: Đường đặc tính ampe-giây của động cơ (1) và rơle nhiệt kim loại kép (2) Trong các rơle nhiệt kim loại kép, có thể thực hiện đốt nóng tấm kim loại bằng các cách sau:
- Đốt nóng trực tiếp: (như hình 3.4) cho dòng điện tải chạy trực tiếp qua tấm kim loại kép để đốt nóng.
Cách này đơn giản, điều chỉn h thơng số làm việc của rơle khó khăn. Khi thay đổi công suất thiết bị cần được bảo vệ, phải thay tấm kim loại kép khác phù hợp rồi hiệu chỉnh lại. Điều này dẫn đến việc chế tạo tấm kim loại kép khó khăn vì phải làm rất nhiều khuôn dập các tấm kim loại kép kích thước khác nhau nhưng với dòng điện khác nhau.
- Đốt nóng gián tiếp: (như hình 2.31b) tấm kim loại kép được đốt nóng nhờ một phần tử đốt nóng riêng biệt (thường làm bằng dây điện trở gia nhiệt tiết diện tròn hoặc dẹt) đặt gần cạnh tấm kim loại kép. Cùng một tấm kim
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 66
loại kép, nếu thay đổi dòng điện định mức của rơle, chỉ cần thay đổi phần tử đốt nóng, khơng phải thay tấm kim loại kép, rất thuận tiện cho công nghệ chế tạo rơle nhiệt.
- Đốt nóng hỗn hợp: (Hình 2.31c) là kết hợp cả hai cách đốt nóng trự c tiếp và gián tiếp. Tấm kim loại kép được đốt nóng do chính dịng điện qua nó gây ra (trực tiếp) và do phần tử dây điện trở đốt nóng đặt cạnh hoặc quấn trên tấm kim loại kép (gián tiếp). Ưu điểm của loại này là hằng số thời gian đốt nóng tương đối lớn (30 phút) và có đặc tuyến ampe – giây I(s) gần với đặc tính quá tải theo thời gian của động cơ điện cần bảo vệ. Hiện nay, phần lớn các rơle nhiệt được chế tạo theo loại này.
Trong trường hợp dòng quá tải lớn, có thể mắc thêm điện trở phụ song sóng với phần tử đốt nóng R để có dịng điện nhỏ phù hợp với dòng làm việc của rơle.
Để dùng rơle nhiệt bảo vệ thiết bị được hiệu quả và khai thác tốt khả năng chịu quá tải của thiết bị được bảo vệ (ví dụ động cơ điện) cần chú ý:
- Chọn dòng định mức của rơle bằng dò ng định mức của động cơ. - Hệ số tải đm tai i I I
K = = 1,2÷ 1,3, thời gian tác động của rơle tt đ bằng 2 0 phút.
- Với động cơ công suất nhỏ và trung bình, có điều kiện khởi động nặng, bộ số dòng khởi động lớn, thời gian khởi động tương đối dài, yêu cầu Ki = 8 có tt đ = (1÷5) giây.
- Với mạch động lực có bộ số dịng khơng cao, thời gian khởi độn g ngắn, thường chọn Ki = 2,5 và tt đ = (3 ÷ 20) giây.
- Đường đặc tính bảo vệ I(t) của rơle phải ở dưới và có dạng cong gần với đặc tính quá tải It(t) của động cơ như hình 7. Khi có quá tải, rơle tác
động trước khi động cơ bi cháy.
- Hiệu chỉnh rơle ở nhiệt độ môi trường giống nhiệt độ môi trường làm việc của rơle, vì đặc tính làm việc của rơle phụ thuộc vào môi trường.
- Rơle lắp đặt trên các thiết bị rung độ ng, va đập, chuyển động dễ bị tác động sai lệch.
- Nhiệt độ tác động của rơle từ 90 đến 150oC.
- Kết cấu rơle nhiệt kim loại kép : Rơle nhiệt có nhiều kiểu kết cấu khác nhau. Theo hình dáng của tấm kim loại kép có các kiểu : tấm thẳng, tấm trịn và hình sóng như hình 3.11
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 67 a
b
c d
Hình 3.11: Các hình dạng của tấm kim loại kép.
Hình 3.12: Rơle nhiệt 3 pha bảo vệ động cơ.
1. Tấm kim loại kép bù nhiệt ; 2. tiếp điểm tĩnh thường mở NO ; 3. đầu nối dây tiếp điểm thường mở NO ; 4. Đầu nối chung ; 5. Đầu nối dây tiếp điểm thường đóng NC ; 6. Núm điều chỉnh dòng tác động ; 7. Núm phục hồi ; 8. Tiếp điểm thường đóng NC ; 9. Tiếp điểm tĩnh ; 10. Đầu nối dây phía nguồn ;11. đầu nối dây phía tải ; 12. dây nối điện trở nhiệt (phàn tử đốt nóng) ; 13. Tấm kim loại kép ; 14. Thanh cắt.
Thơng thường mõi rơle nhiệt có một tấm kim loại kép, một phần tử dây điện trở đốt nóng, một hệ thống tiếp điểm, và một vít hoặc núm vặn, núm gạt để điều chỉnh dịng tác động của rơle. Riêng rơle nhiệt lắp kèm trong atto mat và khởi động từ thì có hai hoặc ba tấm kim loại kép. Mỗi tấm được nối trong một pha mạch điện. Cấu tạo rơle này như hình 9. Trong đó, tấm kim loại kép 13 được đốt nóng gián tiếp nhờ dây điện trở gia nhiệt 12 quấn ngoài tấm kim loại kép và được cách điện giữa chúng với nhau bằng lớp vật liệu cách điện,
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 68
chịu nhiệt cao như micanit. Khi dòng động cơ qua rơle nhiệt bằng định mức, rơle không tác động. Nếu động cơ bị quá tải, dòng qua dây điện trở tăng lên, tấm kim loại kép nóng dần lên và đầu tự do của nó co ng về phía trái, sau một thời gian dài hay ngắn tùy thuộc vào mức độ quá tải nhẹ hay nặng, tấm kim loại kép thực hiện đóng (hoặc mở) tiếp điểm, dẫn đến ngắt điện cho động cơ qua mạch điện điều khiển, đảm bảo an toàn cho động cơ. Sau khi ngắt động cơ, tiếp điểm rơle không tự trở về trạng thái ban đầu. Để trở về trạng thái ban đầu, phải ấn nút phục hồi.
Hình 3.13 : Cấu tạo rơle nhiệt kim loại kép kiểu ‘đồng tiền’
1. Cọc nối điện ; 2. tiếp điểm tĩnh ; 3. Vỏ ; 4. Tấm kim loại kép ; tiếp điển động ; 5. Dây điện trở nung nóng ; 6. Vít điều chỉnh ;7. Đầu nối điện ra ; 8. Nắp dây.
Hình 3.13b trình bày rơle nhiệt kiểu đồng tiền. Trong đó tấm kim loại kép 4 có dạng hình trịn và lõm về một phía. Tấm kim loại kép được đốt nóng kiểu hỗn hợp. Khi có dịng q tải qua rơle hoặc nhiệt độ nắp 8 tăng cao, tấm kim loại kép sẽ bị uốn cong và bật phía lõm về hướng ngược lại làm ngắt tiếp điểm 1- 2. Rơle này hay được sử dụng để bảo vệ động cơ một pha và đặt rơle áp sát nắp 8 vào vỏ động cơ (ví dụ động cơ máy nén của các máy đi ều hịa khơng khí). Loại rơle này tự phục hồi khi nhiệt độ giảm.
Bài 3: Khí cụ điện bảo vệ Trang 69 Hình 3.14: Rơle nhiệt kiểu kín (đặt bên trong động cơ)
Hình 3.14 là loại rơle nhiệt kim loại kép kiểu kín, thường được đặt sát