ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG TRANG BI DIỆN 1

nhằm mục đích đào tạo cho xã hội những kỹ sư, công nhân kỹ thuật để phục vụ trong các cơ quan, xí nghiệp được trang bị các hệ thống tự động điều khiển với qui mô lớn và hiện đại.. Giáo t

ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG TRANG BỊ ĐIỆN 1

NĂM HỌC 2020-2021

Mở đầu

Một vài năm gần đây, do yêu cầu tự động hóa công nghiệp trong xã hội ngày càng tăng, các trường đào tạo kỹ thuật đều có thêm ngành học mới với nhiều tên gọi khác nhau nhau: Điều khiển tự động, Tự động hóa, Điều khiển học, … nhằm mục đích đào tạo cho xã hội những kỹ sư, công nhân kỹ thuật để phục vụ trong các cơ quan, xí nghiệp được trang bị các hệ thống tự động điều khiển với qui mô lớn và hiện đại

“Giáo trình Trang bị điện ” được biên soạn theo chương trình khung trình độ trung cấp và cao đẳng của

Bộ Lao Động Thương Binh và Xã Hội nhằm mục đích hỗ trợ cho việc dạy và học các môn chuyên ngành

kỹ thuật trong trường Giáo trình đồng thời cũng là tài liệu nguyên cứu của các cán bộ kỹ thuật, công nhân kỹ thuật có điều củng cố kiến thức chuyên ngành, tiếp cận nhanh với các thiết bị tự động hiện đại được sử dụng ngày càng nhiều trong công nghiệp

Trong quá trình biên soạn, do giới hạn của thời gian và trình độ chắc chắn không tránh khỏi những thiếusót Rất mong nhận được sự góp ý, bổ sung của quý độc giả và đồng nghiệp.

BÀI 1: KHÁI QUÁT CHUNG VỀ HỆ THỐNG TRANG BỊ ĐIỆN- ĐIỆN TỬ

1 Đặc điểm của hệ thống trang bị điện của nhóm thiết công nghiệp dùng chung 1.1 Chức năng:

- Hệ thống trang bị điện –tự động hoá (TBĐ-TĐH) các máy sản xuất là tổng hợp các thiết bịđiện được lắp ráp theo một sơ đồ phù hợp nhằm đảm bảo cho các máy sản xuất thực hiệnnhiệm vụ sản xuất

- Hệ thống TBĐ-TĐH các máy sản xuất giúp cho việc

+ Nâng cao năng suất máy

+ Đảm bảo độ chính xác gia công

+ Rút ngắn thời gian máy

+ Thực hiện các công đoạn gia công khác nhau theo một trình tự cho trước

TBĐ-1.2 NHIỆM VỤ CỦA HỆ THỐNG TRANG BỊ ĐIỆN - TỰ ĐỘNG HOÁ (TBĐ-TĐH):

- Nhận và biến đổi năng lượng điện thành dạng năng lượng khác để thực hiện nhiệm vụ sảnxuất thông qua bộ phận công tác

- Khống chế và điều khiển bộ phận công tác làm việc theo trình tự cho trước với thông số kỹthuật phù hợp

- Góp phần nâng cao năng suất, chất lượng, hiệu quả của quá trình sản xuất, giảm nhẹ điều kiệnlao động cho con người

- Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị trong quá trình sản xuất

+ Các phần tử đốt nóng trong các thiết bị gia nhiệt

+ Các phần tử phát quang như các hệ thống chiếu sáng

+ Các phần tử R, L, C, để thay đổi thông số của mạch điện để làm thay đổi chế độ làm việccủa phần tử động lực…

1.3.2 Thiết bị điều khiển

- Là các khí cụ đóng cắt, bảo vệ, tín hiệu nhằm đảm bảo cho các thiết bị động lực làm việc theoyêu cầu của máy công tác

 Các trạng thái làm việc của thiết bị động lực được đặc trưng bằng:

+ Tốc độ làm việc của các động cơ điện hay của máy công tác

+ Dòng điện phần ứng hay dòng điện phần cảm của động cơ điện

+ Mômen phụ tải trên trục động cơ

- Tuỳ theo quá trình công nghệ yêu cầu mà động cơ truyền động có các chế độ công tác khácnhau

- Khi động cơ thay đổi chế độ làm việc, các thông số trên có thể có giá trị khác nhau

- Việc chuyển chế độ làm việc của động cơ truyền động được thực hiện tự động nhờ hệ thốngđiều khiển

- Hệ thống khống chế truyền động điện là tập hợp các khí cụ điện và dây nối được lắp ráp theomột sơ đồ nào đó nhằm đáp ứng việc việc điều khiển, khống chế và bảo vệ cho phần tử độnglực trong quá trình làm việc theo yêu cầu công nghệ đặt ra

2 Yêu cầu trang bị điện thiết bị công nghiệp dùng chung

2.1 Phù hợp nhất với quy trình công nghệ

- Đây là yêu cầu quan trọng nhất của hệ thống khống chế vì hệ thống khống chế được hìnhthành từ yêu cầu công nghệ Một hệ thống khống chế được gọi là "phù hợp nhất với quy trìnhcông nghệ" phải có các đặc điểm sau:

+ Động cơ điện truyền động phải có đặc tính cơ và đặc tính điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặctính cơ của cơ cấu sản xuất mà nó dẫn động

+ Động cơ phải có các chế độ công tác cần thiết đáp ứng được đòi hỏi máy công tác

+ Khi đó hệ thống truyền động sẽ được khai thác triệt để nhất về mặt công suất, hiệu suất, nângcao được hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của phương án lựa chọn

2.2 Kết cấu đơn giản, tác động tin cậy

-Tính đơn giản được thể hiện:

+ Kết cấu của thiết bị đơn giản

+ Sử dụng ít chủng loại thiết bị Số lượng thiết bị là ít nhất

+ Số lượng và chiều dài dây nối là ít nhất

-Tính tin cậy được thể hiện:

+ Thiết bị phải có thống số và đặc tính làm việc ít biến đổi theo thời gian và điều kiện môitrường

+ Thiết bị co tuổi thọ về cơ, điện, tần số đóng cắt phù hợp với đặc tính máy công tác

- Thuận tiện, linh hoạt trong điều khiển:

 Tính linh hoạt:

- Một hệ thống điều khiển được coi là linh hoạt khi nó nhanh chóng và dễ dàng

Chuyển từ chế độ điều khiển bằng tay sang điều khiển tự động, bán tự động và ngược lại

- Chuyển từ khối làm việc sang khối dự phòng và ngược lại

- Chuyển từ quy trình làm việc này sang quy trình làm việc khác

 Tính thuận tiện:

- Tính thuận tiện trong điều khiển nghĩa là:

+Từ một chỗ có thể điều khiển được nhiều đối tượng

+Từ nhiều chỗ điều khiển được một đối tượng

2.3 Đơn giản cho kiểm tra và phát hiện sự cố

- Quá trình hoạt động của hệ thống kỹ thuật nói chung cũng như hệ thống truyền động điện nóiriêng có thể xảy ra các chế độ làm việc không mong muốn hoặc sự cố Các chế độ này thườnggây thiệt hại về nhiều mặt Do đó khi xuất hiện các chế độ này cần nhanh chóng loại bỏ đểgiảm thiểu những thiệt hại do chúng mang lại Việc thiết kế và xây dựng hệ thống phải làm saocho cho nhân viên vận hành có các xử lý đúng đắn trong quá trình làm việc đồng thời giúp cho

nhân viên sửa chữa thuận tiện cho việc bảo dưỡng, thay thế và nhanh chóng phát hiện ra cácphần mạch bị sự cố

 Khi thiết kế và xây dựng hệ thống nên bố trí thiết bị theo các quy tắc:

+ Bố trí thiết bị thành nhóm theo từng cụm chức năng của sơ đồ

+ Các nhóm khác nhau được cung cấp từ cầu dao, cầu chì riêng

+ Các cụm quan trọng phải có tín hiệu báo về tình trạng làm việc bình thường hay sự cố củachúng bằng âm thanh, ánh sáng

+ Các thiết bị phải thường xuyên kiểm tra bảo dưỡng phải được bố trí ở chỗ thuận tiện choxem xét, tháo lắp thay thế, sửa chữa

+ Đặt ký hiệu và số hiệu đầu nối của dây dẫn

+ Sử dụng các dây dẫn với màu sắc khác nhau

BÀI 2: CÁC PHẦN TỬ ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ THỐNG TRANG BỊ ĐIỆN -ĐIỆN TỬ

1.1.2 Cấu tạo cầu chì

- Cấu tạo chung của một chiếc cầu chì là một dây chì mắc nối tiếp với hai đầu dây dẫn trongmạch điện Vị trí lắp đặt cầu chì là ở sau nguồn điện tổng và trước các bộ phận của mạch điện,mạng điện cần được bảo vệ như các thiết bị điện

- Các thành phần còn lại bao gồm: hộp giữ cầu chì, các chấu mắc, nắp cầu chì, v.v… được thayđổi tùy thuộc vào loại cầu chì cũng như mục đích thẩm mỹ

1.1.3 Nguyên lý làm việc

-Khi làm việc dây chảy của cầu chì được mắc nối tiếp với thiết bị cần được bảo vệ Tổn

thất công suất trên điện trở của cầu chì theo hiệu ứng jun là w = i2Rt , khi có quá tải hay

ngắn mạch, nhiệt lượng sinh ra tại dây chảy đủ làm tăng nhiệt độ của dây

chảy lên đến nhiệt độ nóng chảy của kim loại làm dây chảy, dây chảy đứt loại sự cốkhỏi lưới điện

1.2 Rờ le nhiệt

1.2.1 Định nghĩa

- Rơ le nhiệt hay còn còn có tên gọi khác là Relay nhiệt, là khí cụ điện được sử dụng với mụcđích đóng ngắt điện tự động mỗi khi thiết bị điện được lắp với nó bị quá nhiệt cho phép, giúpbảo vệ thiết bị điện không bị cháy hỏng trong quá trình vận hành Thực tế thì relay nhiệt được

sử dụng nhiều trong gia đình, trong công nghiệp Rờ le nhiệt thường được lắp chung vớicontactor Rơ le nhiệt không có tác dụng tức thời theo trị dòng điện vì nó quán tính nhiệt lớnnên cần thời gian để làm nóng

1.2.3 Các ký hiệu Rơ le nhiệt có ý nghĩa gì?

Có thể nhìn thấy trên rơ le nhiệt có các ký hiệu: NO, NC và COM

+ NO (Normally Open): Khi Relay ở trạng thái ON tức là có dòng chạy qua cuộn dây, chânCOM sẽ được nối với chân này

+ COM (common): là chân chung, nó luôn được kết nối với một trong hai chân còn lại Phụthuộc vào trạng thái hoạt động của Relay mà COM sẽ kết nối chung với chân nào

+ NC (Normally Closed): Bình thường nó đóng Tức là khi Relay ở trạng thái OFF, chân COM

Kết nối COM và NC khi muốn có dòng điện cần điều khiển, khi Relay ở trạng thái OFF Vàkhi Relay ON thì dòng này bị ngắt Ngược lại thì nối COM và NO

1.2.4 Nguyên lý hoạt động và phân loại rờ le nhiệt

- Phần tử cơ bản rơle nhiệt là phiến kim loại kép (bimetal) cấu tạo từ hai tấm kim loại, một tấm

hệ số giãn nở bé (thường dùng invar có 36% Ni, 64% Fe) một tấm hệ số giãn nở lớn (thường làđồng thau hay thép crôm – niken, như đồng thau giãn nở gấp 20 lần invar) Hai phiến ghép lạivới nhau thành một tấm bằng phương pháp cán nóng hoặc hàn

Khi đốt nóng do dòng I phiến kim loại kép uốn về phía kim loại có hệ số giãn nở nhỏ hơn, cóthể dùng trực tiếp cho dòng điện qua hoặc dây điện trở bao quanh Để độ uốn cong lớn yêu cầuphiến kim loại phải có chiều dài lớn và mỏng Nếu cần lực đẩy mạnh thì chế tạo tấm phiếnrộng, dày và ngắn.

 Phân loại theo phương thức đốt nóng :

+ Đốt nóng trực tiếp : Dòng điện đi qua trực tiếp tấm kim loại kép, thường thì rơ le loại này cócấu tạo đơn giản, nhưng khi muốn thay đổi dòng điện định mức phải thay đổi tấm kim loại képcho phù hợp thường không tiện dụng

+ Đốt nóng gián tiếp: Dòng điện đi qua phần tử đốt nóng độc lập khi đó sẽ tỏa ra một lượngnhiệt gián tiếp làm tấm kim loại cong lên

+ Đốt nóng hỗn hợp: Loại này được sử dụng nhiều vì vừa có thể đốt trực tiếp lại vừa có thể đốtgián tiếp Nó có tính ổn định nhiệt tương đối cao và phù hợp để làm việc ở bội số quá tải lớngiúp đảm bảo an toàn cho người sử dụng

a Công tắc hành trình b Công tắc hạt

c Công tắc hai cực

Hình ảnh một số loại công tắc

- Ký hiệu một số công tắc thường gặp:

Hình : Ký hiệu của một số loại công tắc thông dụng.

- Nút ấn còn gọi là nút điều khiển là một loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ xa

các thiết bị điện từ khác nhau; các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch điệnđiều khiển, tín hiệu liên động bảo vệ …Ở mạch điện một chiều điện áp đến 440V và mạchđiện xoay chiều điện áp 500V, tần số 50HZ; 60HZ, nút ấn thông dụng để khởi

động, đảo chiều quay động cơ điện bằng cách đóng

và ngắt các cuôn dây của nối với động cơ

-Nút ấn thường được đặt trên bảng điều khiển, ở

tủ điện, trên hộp nút nhấn Nút ấn thường được

nghiên cứu, chếâ tạo làm việc trong môi trường

không ẩm ướt, không có hơi hóa chất và bụi bẩn

-Nút ấn có thể bền tới 1.000.000 lần đóng không tải và

200.000 lần đóng ngắt có tải Khi thao tác nhấn nút cần

phải dứt khoát để mở hoặc đóng mạch điện

2.2.2 Cấu tạo và phân loại

2.2.2.1 Cấu tạo:

- Nút ấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường hở – thường đóng và vỏ bảo

vệ Khi tác động vào nút ấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái; khi không còn tác động, cáctiếp điểm trở về trạng thái ban đầu

2.2.2.2 Phân loại:

- Nút ấn được phân loại theo các yếu tố sau:

- Phân loại theo chức năng trạng thái hoạt động của nút ấn, có các loại:

+ Nút ấn đơn: Mỗi nút nhấn chỉ có một trạng thái (ON hoặc OFF)

+ Nút ấn kép : Mỗi nút ấn có hai trạng thái ON hoặc OFF

ON OFF

- Trong thực tế, để dễ dàng sử dụng và lắp ráp trong quá trình sửa chữa thường người tadùng nút ấn kép, ta có thể dùng nó như là nút ấn On hay OFF.

- Phân loại theo hình dạng bên ngoài, người ta chia nút ấn ra thành 4 loại : Loại hở ; loạibảo vệ ; loại bảo vệ chống nước và chống bụi ; Loại bảo vệ khỏi nổ

- Theo yêu cầu điều khiển người ta chia nút ấn ra ba loại : một nút ; hai nút ; ba nút

- Theo kết cấu bên trong : Nút ấn có đèn báo ; Nút ấn không có đèn báo

-Phần chính của cầu dao là lưỡi dao (tiếp điểm động) và hệ thống kẹp lưỡi (tiếp

xúc tĩnh) được làm bằng hợp kim của đồng, ngoài ra bộ phận nối dây cũng làm bằnghợp kim đồng

2.3.2 Nguyên lý làm việc

- Khi thao tác trên cầu dao, nhờ vào lưỡi dao và hệ thống kẹp

lưỡi , mạch điện được đóng cắt

-Trong quá trình ngắt mạch, cầu dao thường xảy ra hồ quang điện tại đầu lưỡi dao vàđiểm tiếp xúc trên hệ thống kẹp lưỡi Người sử dụng cần phải kéo lưỡi dao ra khỏi kẹpnhanh và dứt khoát để dập tắt hồ quang

- Do tốc độ kéo bằng tay không thể nhanh được nên người ta làm thêm lưỡi daophụ Lúc dẫn điện thì lưỡi dao phụ cùng lưỡi dao chính được kẹp trong ngàm

- Khi ngắt điện, tay kéo lưỡi dao chính trước, lò xo được kéo căng ra và tới mộtmức nào đó sẽ bật nhanh kéo lưỡi dao phụ ra khỏi ngàm một cách nhanh chóng Do đó,

hồ quang được kéo dài nhanh và hồ quang bị dập tắt trong thời gian ngắn

mở các van bán dẫn (thyristor, triac) Công tắc tơ có tần số đóng cắt lớn, có thể

tới 1800 lần trong một giờ

2.5.1.2 Cấu tạo của một contactor

- Về cơ bản, một contactor có tiếp điểm được cấu thành bởi những bộ phận như sau:

 Nam châm điện:

-Nam châm điện gồm 4 thành phần: Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm,  Lõi sắt,

Lò xo tác dụng đẩy phần nắp trở về vị trí ban đầu

trạng thái: thường đóng và thường hở Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạngthái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châmtrong contactor ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện) Tiếp điểm này hở ra khichúng sẽ ở trạng thái hoạt động Ngược lại là tiếp điểm thường hở.

-Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính tủ điện điều khiển thường được lắp trong mạch điệnđộng lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiể

2.5.1.3 Nguyên lý hoạt động của Contactor

- Khi cấp nguồn trong tủ điện điều khiển bằng giá trị điện áp định mức của Contactor vàohai đầu của cuộn dây quấn trên phần lõi từ cố định, thì lực từ tạo ra hút phần lõi từ di động

hình thành mạch từ kín (lực từ lớn hơn phản lực của lò xo), Contactor sẽ ở trạng thái hoạt

động

- Lúc này nhờ vào bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm làmcho tiếp điểm chính của Contactor trong tủ điện đóng lại, tiếp điểm phụ chuyển đổi trạngthái (thường đóng sẽ mở ra, thường hở sẽ đóng lại) và duy trì trạng thái này

- Khi ngưng cấp nguồn cho cuộn dây thì Contactor ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm trở vềtrạng thái ban đầu

2.5.2 Khởi động từ

2.5.2.1 Khái niệm chung

- Khởi động từ (KĐT) là một loại khí cụ điện dùng để điều khiển từ xa việc

đóng–ngắt, đảo chiều và bảo vệ quá tải (nếu có lắp thêm rơle nhiệt) các động cơ khôngđồng bộ ba pha rôto lồng sóc

-Khởi động từ có một CTT gọi là khởi động từ đơn thường để đóng- ngắt động cơ điện.Khởi động từ có hai contactor gọi là khởi động từ kép dùng để thay đổi chiều

quay của động cơ gọi là khởi động từ đảo chiều Muốn bảo vệ ngắn mạch phải lắpthêm cầu chì

- Khởi động từ được cấu tạo từ hai khí cụ điện: công tắc tơ xoay chiều và rơle nhiệt nênkết cấu khởi động từ rất đa dạng và phong phú

 Khởi động từ thường được phân chia theo:

- Điện áp định mức của cuộn dây hút: 36V, 127V, 220V, 380V, 500V

- Kết cấu bảo vệ chống các tác động bởi môi trường xung quanh: hở, bảo vệ, chốngbụi, nước, nổ…

- Khả năng làm biến đổi chiều quay động cơ điện: không đảo chiều quay và đảo chiềuquay

- Số lượng và loại tiếp điểm: thường mở, thường đóng

- Để khởi động từ làm việc tin cậy, khi lắp đặt cần phải bắt chặt cứng khởi động từ trênmột mặt phẳng đứng (độ nghiêng cho phép so với trục thẳng đứng 50), không cho phépbôi mỡ vào các tiếp điểm và các bộ phận động Sauk hi lắp đặt khởi động từ và trước khi

vận hành, phải kiểm tra:

- Cho các bộ phận chuyển động bằng tay không bị kẹt, vướng

- Điện áp điều khiển phải phù hợp điện áp định mức của cuộn dây

- Các tiếp điểm phải tiếp xúc đều và tốt

- Các dây đấu điện phải theo đúng sơ đồ điều khiển

- Rơle nhiệt phải đặt khởi động từ cần đặt kẻm theo cầu chì bảo vệ

 lắp đặt

a) Mô hình khởi động từ đơn

b) Mô hình khởi động từ kép

2.6 Áp tô mát

2.6.1 Khái quát và yêu cầu kỹ thuật

- Áptômát (CB) hay còn gọi là máy cắt là KCĐ tự động cắt mạch điện khi có sự

cố: quá tải, ngắn mạch, điện áp suất, công suất ngược… Trong mạch điện hạ áp cóđiện áp đinh mức đến 660V xoay chiều, có dòng điện định tới 6KA

Đôi khi CB cũng được dùng để đóng, cắt không thường xuyên các mạch điện ở

chế độ bình thường

-Theo kết cấu, người ta chia áp tô mát ra làm ba loại: một cực, hai cực và ba cực Theothời gian thao tác, người ta chia áp tô mát ra thành 2 loại: tác động không

tức thời và tác động tức thời (nhanh)

Theo công dụng bảo vệ, người ta chia áp tô mát thành các loại: áp tô mát dòng cực đại, áp

tô mát điện áp thấp, áp tô mát chống giật, áp tô mát đa năng…

 Hình Hình ảnh một số áp tô mát thông dụng

a) Áp tô mát dùng trong chiếu sáng

b) Áp tô mát dùng trong công nghiệp

Áp tô mát ba pha Áp tô mát một pha

Hình: Ký hiệu Áp tô mát