thiết kế tủ điều khiển sử dụng phương pháp sao – tam giác

Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực đời sống cũng như sản xuất bởi những ưu điểm vượt trội của nó so với những loại động cơ khác.. Giớ

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự giúp

đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.s Nguyễn Ngọc Dũng, người đã tận tình, chu đáo hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt quá trình làm

đồ án tốt nghiệp vừa qua

Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong trường ĐH Quảng Bình nói chung, các thầy cô trong Khoa kỹ thuật – công nghệ nói riêng đã dạy dỗ, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong thời gian hoc tập vừa qua, giúp em có được cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Cường

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 2

1 Lý do chọn đề tài 2

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung đề tài 3

4 Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu 3

5 Kế hoạch nghiên cứu 3

6 Dự kiến kết quả đạt được của đề tài và khả năng ứng dụng 3

B NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ 4

1.1 Giới thiệu chung 4

1.2 Cấu tạo 4

1.2.1 Phần tĩnh (Stato) 5

1.2.2 Phần quay (Rôto) 6

1.2.3 Các bộ phận khác 7

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ 8

1.4 Các phương pháp mở máy của động cơ không đồng bộ 9

1.4.1 Mở máy trực tiếp 9

1.4.2 Mở máy bằng phương pháp giảm điện áp đặt vào dây quấn stator 10

1.4.3 Mở máy bằng cách đưa điện trở phụ vào roto 13

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU TỔNG QUÁT MỘT SỐ KHÍ CỤ ĐIỆN CÓ TRONG MẠCH 15

2.1.Tổng quan về khí cụ điện 15

2.1.1 Khái niệm 15

2.1.2 Phân loại 15

2.1.3 Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện 15

2.2 Aptomát (CB – Circuit breaker) 16

2.3 Công tắc tơ (Contactor) 18

2.4 Rơle nhiệt (OLR – Overload relay) 21

2.5 Rơle thời gian (TR – Timer relay) 24

2.6 Bộ nút ấn (PB –Pushbutton) 27

2.7 Cầu chì (Fuse) 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SAO TAM GIÁC 30

3.1 Giới thiệu tổng quan 30

3.2.Thiết kế mạch khởi động động cơ KĐB ba pha sử dụng phương pháp đổi nối sao - tam giác 31

3.2.1 Mạch khởi động động cơ 31

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 32

3.2.3 Nhận xét 32

3.3 Lắp đặt tủ điều khiển đổi nối sao – tam giác 33

3.3.1 Thông số động cơ 33

3.3.2 Tính chọn các các thiết bị 33

3.3.3 Hình ảnh mô hình thực tế 36

C KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ 4

Hình 1.2 a) Lá thép kỹ thuật điện của lõi thép stato; b) Lõi thép stato 5

Hình 1.3 Dây quấn stato 5

Hình 1.4 Lá thép roto 6

Hình 1.5 Rôto kiểu dây quấn 7

Hình 1.6 Rôto kiểu lồng sóc 7

Hình 1.7 Từ trường quay của động cơ không đồng bộ……….9

Hình 1.8 Mở máy trực tiếp 9

Hình 1.9 Giảm điện áp mở máy bằng điện kháng 10

Hình 1.10 Hạ áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu 11

Hình 1.11 Mở máy bằng phương pháp sao - tam giác 12

Hình 1.12 Mở máy động cơ không đồng bộ roto dây quấn 13

Hình 2.1 Các loại aptomat 16

Hình 2.2 Cấu tạo aptomat 17

Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của aptomat 1pha 18

Hình 2.4 Contator 19

Hình 2.5 Cấu tạo của contator 20

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của contator 21

Hình 2.7 Role nhiệt 21

Hình 2.8 Cấu tạo của Role nhiệt 22

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của Rơle nhiệt 23

Hình 2.10 Rơle thời gian 25

Hình 2.11 Cấu tạo của Rơle thời gian 25

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của Rơle ON DELAY 26

Hình 2.13 Nguyên lý hoạt động của rơle OFF DELAY 26

Hình 2.14 Bộ nút ấn 27

Hinh 2.15 Kí hiệu bộ nút ấn 28

Hình 2.16 Các loại cầu chì 29

Hình 3.1 Mạch khởi động đổi nối sao – tam giác 30

Hình 3.2 Mạch động lực 31

Hình 3.3 Mạch điều khiển 31

Hình 3.4.Mô hình mạch động cơ sao – tam giác trong thực tế 36

A MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, điện năng đã đi vào hầu hết trong các ngành kinh tế quốc dân Trong hầu hết các nhà máy, xí nghiệp đều sử dụng động cơ để truyền động, hay dùng trong các thiết bị dân dụng Do đó, việc sử dụng, vận hành các loại động cơ vào các lĩnh vực kinh tế là vô cùng quan trọng Với mục đích nâng cao hiệu quả, năng suất lao động, hạn chế sử dụng sức người trong lao động đặc biệt là trong các ngành công nghiệp then chốt

Hiện nay trong công nghiệp có rất nhiều loại động cơ Tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng, đặc tính mà mỗi loại động cơ được áp dụng trong một giới hạn riêng Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng phổ biến và rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực đời sống cũng như sản xuất bởi những

ưu điểm vượt trội của nó so với những loại động cơ khác Tuy nhiên, một hạn chế của loại động cơ này là dòng điện khi khởi động lớn làm ảnh hưởng đến thiết bị và lưới điện Vỳ vậy, em muốn tìm hiểu và thiết kế một phương án khởi động cho động cơ không đồng bộ đảm bảo các tiêu chí đơn giản, dễ lắp đặt, sửa chữa Đó là lí do em chọn đề tài “ thiết kế tủ điều khiển sử dụng phương pháp sao – tam giác ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu, đề xuất phương án lắp đặt mô hình mạch điều khiển đổi nối sao – tam giác hướng tới các tiêu chí sau:

- Đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật, quy trình, máy móc hiện đại hóa công nghiệp

- Nâng cao tính năng hoạt động và năng suất của thiết bị máy móc Trên cơ sở việc nghiên cứu, giúp sinh viên chúng em biết liên hệ, vận dụng thực tiễn các kiến thức đã học Từ đó trang bị thêm cho mình

những kỹ năng nghề nghiệp trong tương lai

3 Nội dung đề tài

Tìm hiểu về động cơ không đồng bộ ba pha, một số khí cụ điện cần thiết được sử dụng để thiết kế mạch điều khiển

Thiết kế được mô hình mạch điều khiển đổi nối sao – tam giác và lắp đặt mô hình thực nghiệm

4 Đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Mạch điều khiển đổi nối sao – tam giác, động

cơ không đồng bộ ba pha

Phạm vi nghiên cứu: thiết kế được mạch điều khiển sao - tam giác và lắp đặt mô hình thực tế

Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết  Mô hình thực tế

5 Kế hoạch nghiên cứu

Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài: 1/2016

Tính toán chọn thiết bị và xây dựng mô hình mạch sao tam giác trên

lý thuyết: 2/2016

Lắp đặt mô hình thực nghiệm: 3/2016

Viết báo cáo: 4/2016

Hoàn thiện và bảo vệ đề tài: 5/2016

6 Dự kiến kết quả đạt được của đề tài và khả năng ứng dụng

Giúp sinh viên có kinh nghiệm từ các kiến thức nhận được và ứng dụng từ lý thuyết học được để vận dụng vào thực tế

Áp dụng mô hình mạch điều khiển đổi nối sao – tam giác để có thể

áp dụng cho việc khởi động động cơ không đồng bộ ba pha

B NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ

1.1 Giới thiệu chung

Động cơ không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ, có tốc độ rôto n khác tốc độ từ trường quay trong máy n1

Động cơ không đồng bộ được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt vì chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao và gần như không bảo trì Gần đây do kỹ thuật điện tử phát triển, nên động cơ không đồng bộ đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc

độ vì vậy động cơ càng sử dụng rộng rãi hơn Dãy công suất của nó rất rộng từ vài W đến hàng ngàn kW Hầu hết là động cơ ba pha, có một số động cơ công suất nhỏ là một pha

1.2 Cấu tạo

Hình 1.1 Cấu tạo động cơ không đồng bộ

Cấu tạo động cơ không đồng bộ gồm hai bộ phận chủ yếu là stato và roto, ngoài ra còn có các bộ phận khác như vỏ máy, nắp máy và trục máy

a) b)

Hình 1.2 a) Lá thép kỹ thuật điện của lõi thép stato; b) Lõi thép stato

1.2.1.2 Dây quấn

Hình 1.3 Dây quấn stato

Dây quấn stato thường được làm bằng dây đồng có bọc cách điện và

đặt trong rãnh các lõi thép (hình 1.3) Dòng điện xoay chiều ba pha chạy

trong dây quấn ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay

Hình 1.4 Lá thép roto

1.2.2.2 Dây quấn rôto

Phân làm 2 loại chính: Loại rôto kiểu dây quấn và loại roto kiểu lồng

sóc

- Loại rôto kiểu dây quấn (hình 1.5): Rôto có dây quấn giống dây quấn ba pha của stato và có số cực từ như dây quấn stato Dây quấn kiểu này luôn đấu sao (Y) và có ba đầu ra đấu vào ba vành trượt, gắn vào trục quay của roto và cách điện với truc Ba chổi than cố định và luôn tỳ trên vành trượt này để dẫn điện vào một biến trở cũng nối sao nằm ngoài động

cơ để khởi động hoặc điều chỉnh tốc độ

Hình 1.5 Rôto kiểu dây quấn

- Loại rôto kiểu lồng sóc (hình 1.6): Gồm các thanh đồng hoặc thanh

nhôm đặt trong rãnh và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đấu Với động cơ nhỏ, dây quấn rôto được đúc nguyên khối gồm thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát Các động cơ công suất trên 100kW thanh dẫn làm bằng đồng được đặt vào các rãnh rôto và gắn chặt vành ngắn mạch

Hình 1.6 Rôto kiểu lồng sóc

1.2.3 Các bộ phận khác

- Vỏ máy: có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ Thân vỏ máy làm bằng gang Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW) thường dùng tấm kim loại làm thành vỏ

- Nắp máy: có tác dụng kết cấu đồng thời làm giá đỡ ổ bi

- Trục làm bằng thép, trên đó gắn rôto, ổ bi và phía cuối trục có gắn một quạt gió để làm mát máy dọc truc

- Ngoài ra, có các bộ phận khác như ổ bi, quạt gió…

1.3 Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng bộ

Sau khi nối thông cuộn dây stato với nguồn điện 3 pha, thì sẽ sản sinh ra từ trường quay

Nếu từ trường quay theo chiều kim đồng hồ thì theo quy tắc bàn tay phải dây dẫn của rôto ở phía cực N cắt từ trường, dòng điện cảm ứng đi theo chiều xuyên từ mặt giấy ra Dây dẫn này chịu tác dụng của lực đó sẽ làm cho rôto quay theo chiều kim đồng hồ Tương tự như vậy ở phía cực S, rôto chịu tác dụng của lực cũng quay theo chiều kim đồng hồ Các lực điện

từ đó tạo thành một mômen điện từ đối với trục quay, do đó làm cho rôto quay theo chiều quay của từ trường quay.(Hình 1.7)

Hình 1.7 Từ trường quay của động cơ không đồng bộ

Tốc độ quay của n2 của rôto luôn luôn nhỏ hơn tốc độ quay của n1

của từ trường quay (tốc độ quay đồng bộ) Nếu tốc độ quay của rôto đạt đến tốc độ quay đồng bộ thì không còn có sự chuyển động tương đối giữa

nó và từ trường nữa Dây điện của rôto sẽ không cắt đường sức do đó sức điện động cảm ứng , dòng điện và momen điện từ của nó đều bằng 0 Do

đó ta thấy rôto luôn quay theo từ trường quay với tốc độ n2 < n1

Ta gọi động cơ không đồng bộ vì tốc độ quay n2 của rôto không bằng tốc độ quay đồng bộ của trường quay của rôto

Trong đó: n1 - n2 là hiệu số tốc độ quay của động cơ KĐB

Tỷ số giữa hiệu số tốc độ quay với tốc độ quay đồng bộ gọi là độ trượt Ký hiệu là s: s =

1

2 1

Hình 1.8 Mở máy trực tiếp

1.4.2 Mở máy bằng phương pháp giảm điện áp đặt vào dây quấn stator

1.4.2.1 Nối điện kháng nối tiếp vào mạch điện stato

Hình 1.9 Giảm điện áp mở máy bằng điện kháng

Khi mở máy trong mạch điện stato đặt nối tiếp một điện kháng ta hoàn tất việc mở máy bằng cách đóng cầu dao D2 thì điện kháng trên sẽ bị ngắn mạch Có thể điều chỉnh trị số mà điện kháng để có được dòng điệnmở máy cần thiết Do có sụt áp trên điện kháng nên điện áp đặt vào động cơ Ut sẽ giảm đi và nhỏ hơn điện áp lưới UL

Giả sử: Udc = Error! Reference source not found.

U

1

Vì mômen mở máy tỷ lệ với bình phương của điện áp nên:

Mmck = 2

ck

m

k M

1.4.2.2 Dùng điện áp tự ngẫu giảm điện áp mở máy

Hình 1.10 Hạ áp mở máy bằng biến áp tự ngẫu

Trong sơ đồ: T là biến áp tự ngẫu, bên cao áp nối với lưới điện, bên

hạ áp nối với động cơ Sau khi mở máy xong thì ta cắt T ra bằng cách đóng cầu dao D2 và mở D3

Máy biến áp tự ngẫu nối Y – Y có điểm trung bình tính nối đất

1

I

I

= Error! Reference source not found

Mặt khác dựa vào sơ đồ ta thấy:

U1 Error! Reference source not found.U e ; Error! Reference source not found

Uđc =

ba

k

U1 Error! Reference source not

found.(Giống ở phương pháp cuộn kháng)

Imđc =

ba

m

k I

Error! Reference source not found.Iml =

2 '

'

2

ba

m ba

c

mđ

I k

Phương pháp này thấy dòng điện mở máy lấy từ lưới vào nhỏ hơn rất nhiều so với phương pháp mở máy trên Mặt khác khi lấy từ lưới vào 1 dòng điện mở máy bằng dòng điện mở máy của phương pháp trên thì phương pháp này có mômen mở máy lớn hơn Đây chính là ưu điểm của phương pháp dùng biến áp tự ngẫu hạ biến áp mở máy

1.4.2.3 Mở máy bằng phương pháp Y – Δ

Hình 1.11 Mở máy bằng phương pháp sao - tam giác

Phương pháp này thích ứng với những máy khi làm việc bình thường đấu tam giác Lúc mở máy chuyển sang đấu Y Như vậy điện áp đi vào 2

đầu mỗi pha chỉ còn Error! Reference source not found

Khi mở máy đóng cầu dao D1 còn cầu dao D2 thì đóng xuống dưới điểm mở máy dấu Y khi máy đã chạy rồi thì đóng cầu dao D2 về phía trên máy đầu tam giác

Theo phương pháp này ta có:

- Khi đấu Δ:

đc

đ đc

xm mđ

m

Z

U Z

U I

I

I

3

1 3

M

M  Error! Reference source not found

(vì điện áp đặt lên dây quấn giảm Error! Reference source not found lần)

1.4.3 Mở máy bằng cách đưa điện trở phụ vào roto

Hình 1.12 Mở máy động cơ không đồng bộ roto dây quấn

Phương pháp này chỉ dùng với những động cơ roto dây quấn vì đặc của loại động cơ này là có thể thêm điện trở vào cuộn dây roto.Khi điện trở roto thay đổi thì M = f(S) cũng thay đổi Ta điều chỉnh điện trở mạch điện roto thích hợp thì sẽ được trạng thái mở máy lý tưởng

Khi có điện trở phụ Rf thì ta có:

Imrf =

2 ' 2 1 2 ' ' 2

) [(

2

) (

3

2 ' 2 1 ' 1 ' 2 1 1

' 2 2

X X R R R f

R R U

Như vậy dùng động cơ không đồng bộ rôto dây quấn có thể đạt được momen mở máy lớn, dòng điện mở máy nhỏ nên ta thường dùng ở những nơi nào mở máy khó khăn, yêu cầu mở máy cao Cấu tạo phức tạp, bảo quản khó khăn, giá thành cao… là những nhược điểm của động cơ không đồng bộ roto dây quấn

CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU TỔNG QUÁT MỘT SỐ KHÍ CỤ ĐIỆN CÓ

TRONG MẠCH 2.1 Tổng quan về khí cụ điện

2.1.1 Khái niệm

Khí cụ điện là thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh các lưới điện, mạch điện, các loại máy điện và các máy trong quá trình sản xuất

Khí cụ điện làm việc lâu dài trong các mạch dẫn điện, nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng các bộ phận dẫn điện và cách điện của khí cụ Vì vậy khí cụ điện làm việc được trong mọi chế độ khi nhiệt độ của các bộ phận phải không quá những giá trị cho phép làm việc an toàn lâu dài

2.1.2 Phân loại

Khí cụ điện được phân ra các loại sau:

- Khí cụ điện dùng để đóng cắt các mạch điện: Cầu dao, Máy cắt, Aptômat…

- Khí cụ điện dùng mở máy: Công tắc tơ, Khởi động từ, Bộ khống chế chỉ huy…

- Dùng để bảo vệ ngắn mạch của lưới điện: cầu chì, Aptômat, các loại máy cắt, Rơle nhiệt…

2.1.3 Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện

Để đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện và đảm bảo độ tin cậy của khí cụ điện thì Khí cụ điện đảm bảo một số yêu cầu:

- Khí cụ điện đảm vảo làm việc lâu dài với các thông số kỹ thuật ở trạng thái làm việc định mức: Uđm, Iđm

- Ổn định nhiệt, điện động, có cường độ cơ khí cao khi quá tải, khi ngắn mạch, vật liệu cách điện tốt, không bị chọc thủng khi quá dòng

- Khí cụ điện làm việc chắc chắn, an toàn khi làm việc

2.2 Aptomát (CB – Circuit breaker)

Áptomát là loại khí cụ điện dùng để đóng, ngắt điện bằng tay nhưng

có thể tự ngắt mạch điện khi có sự cố quá tải hoặc ngắn mạch

Hình 2.1 Các loại aptomat

Phân loại:

- Theo cơ cấu tắc động tự ngắt có 3 loại: CB nhiệt, CB điện từ và CB

từ - điện

- Theo kết cấu có loại: CB 1 cực, CB 2 cực, CB 3 cực

- Theo điện áp sử dụng có 2 loại: CB 1 pha (có cực hoặc không có cực) và CB 3 pha (có 3 cực)

- Theo công dụng có nhiều loại: CB dòng cực đại, CB điện áp thấp,

CB chống giật, CB đa năng…

Dòng điện bảo vệ ngắn mạch của CB : Inm > Ikd

Dòng điện bảo vệ quá tải của CB thường là : Iqt = (1,1 : 1,2) Itt

Điện áp làm việc của CB phải là : UCB > ULưới điện

2.2.2 Nguyên lý hoạt động chung

Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, CB được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một điểm với tiếp điểm động Bật CB ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút Nếu mạch điện bị quá tải hay ngắn mạch, lực điện từ ở nam châm điện 5 lớn hơn lò xo 6 làm cho nam châm điện sẽ hút phần ứng 4 xuống làm nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng Kết quả các tiếp điểm của CB mở ra và mach điện bị ngắt ra

Hình 2.3 Nguyên lý làm việc của aptomat 1pha

2.3 Công tắc tơ (Contactor)

Công tắc tơ là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa, tự động hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải điện áp đến 500V, dòng điện

đến 600A Công tắc tơ có hai vị trí là đóng và cắt Tần số đóng có thể tới

1500 lần một giờ

Công tắc tơ hạ áp thường là kiểu không khí được phân loại như sau:

- Theo nguyên lý truyền động:

+ Công tắc tơ điện từ (truyền động bằng lực hút điện từ ) + Công tắc tơ kiểu hơi ép

+ Công tắc tơ kiểu thủy lực

- Theo dạng dòng điện:

+ Công tắc tơ một chiều

+ Công tắc tơ xoay chiều

- Theo kiểu kết cấu:

+ Công tắc tơ hạn chế chiều cao (dùng ở gầm xe, ) + Công tắc tơ hạn chế chiều rộng (như lắp ở buồng tàu điện, )

Hình 2.4 Contator

Dòng định mức trên contactor thường chọn : Iđm = (1.2 :1.5).Itt

Điện áp định mức trên contactor thường chọn theo mạch điều khiển

U = 220V AC

2.3.1 Cấu tạo