CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các thiết bị, khí cụ điện
Nhóm 8 sử dụng các thiết bị, khí cụ điện như:
− MCB hãng LS loại 3 pha có mã là BKN 3P 10A và loại 1 pha có mã là BKN 1P 6A
− Contactor hãng LS có mã là MC-9b
− Relay nhiệt hãng LS có mã là MT-32 (1-1.6A)
− Đế cầu chì và ruột cầu chì hãng Omega có mã là OMG-FS32X và OFL10x38-2A
− Công tắc hành trình hãng CNTD có mã là TZ-8108 dạng cần gạt – đầu con lăn
− Nút dừng khẩn cấp hãng Schneider có mã là XB5AT845, ∅22mm
− Nút nhấn nhả hãng Schneider gồm màu xanh, đỏ, ∅22mm
− Đèn báo hãng Schneider gồm màu xanh, đỏ, vàng, ∅22mm
MCB là cầu dao tự động dùng để bảo vệ thiết bị điện khi ngắn mạch hoặc quá tải
− Tiếp điểm: MCB thường có cấu tạo hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và hồ quang) hoặc 3 tiếp điểm (tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ, hồ quang)
Hộp dập hồ quang có hai loại chính: kiểu nửa kín và kiểu hở Kiểu nửa kín được thiết kế trong vỏ kín của MCB với lỗ thoát khí, trong khi kiểu hở thường được sử dụng cho điện áp lớn hơn 50KA hoặc trên 1000V Hồ dập quang được cấu tạo từ nhiều tấm thép xếp thành lưới, giúp phân chia thành các đoạn khác nhau, tạo điều kiện thuận lợi cho việc dập tắt hồ quang hiệu quả.
Cơ cấu truyền động cắt MCB bao gồm hai phương thức: truyền động bằng tay và truyền động bằng cơ điện Phương pháp truyền động bằng tay thường được áp dụng cho các MCB có dòng điện định mức nhỏ, trong khi đó, truyền động cơ điện thích hợp cho các MCB với dòng điện lớn hơn.
Móc bảo vệ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ thiết bị điện khỏi tình trạng quá tải và ngắn mạch Hiện nay, có hai loại móc bảo vệ phổ biến: móc kiểu điện từ và móc kiểu rơle nhiệt.
− MCB dòng điện cực đại:
Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của MCB dòng điện cực đại
Khi đóng điện, dòng điện đạt cực đại trong trạng thái bình thường, và MCB sẽ giữ tiếp điểm ở trạng thái đóng nhờ vào móc (2) khớp và móc (3) khớp được kết nối vào một cụm tiếp điểm cộng.
+ Bật MCB ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện (5) và phần ứng (4) không hút
Khi mạch điện gặp tình trạng quá tải hoặc ngắn mạch, lực hút điện từ của nam châm điện vượt qua lực lò xo, dẫn đến việc nam châm điện kéo phần ứng xuống và làm bật nhả móc.
(3), móc (5) được thả tự do, lò xo (1) được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của MCB được mở ra, mạch điện bị ngắt
Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của MCB điện áp thấp
+ Khi bật MCB ở trạng thái ON thì điện áp định mức của nam châm điện (11) và phần ứng (10) hút lại với nhau
Khi sụt áp quá mức, nam châm điện nhả phần ứng, làm cho lò xo kéo móc bật lên và móc thả tự do Lò xo được thả lỏng dẫn đến việc các tiếp điểm của MCB mở ra, ngắt mạch điện.
Contactor là một thiết bị điện quan trọng, cho phép điều khiển việc đóng cắt thiết bị điện từ xa, có thể thực hiện bằng tay hoặc tự động khi kết hợp với các khí cụ điện khác như CB và nút nhấn Ưu điểm nổi bật của contactor là khả năng dập tắt hồ quang hiệu quả nhờ vào tốc độ đóng ngắt nhanh, có thể đạt tới 1500 lần mỗi giờ.
Nam châm điện bao gồm các thành phần chính như cuộn dây để tạo ra lực hút, lõi sắt và lò xo giúp đưa phần nắp trở về vị trí ban đầu.
Hệ thống dập hồ quang là cần thiết để ngăn chặn tình trạng cháy và mòn các tiếp điểm khi chuyển mạch, do sự xuất hiện của hồ quang điện.
Hệ thống tiếp điểm của contactor trong tủ điện kết nối với lõi từ di động thông qua bộ phận liên động cơ Dựa vào khả năng tải dẫn qua các tiếp điểm, chúng ta có thể phân loại các tiếp điểm thành hai loại.
Tiếp điểm chính có khả năng cho dòng điện lớn từ 10A đến vài nghìn A, thường thấy ở các mức như 1600A hoặc 2250A, và hoạt động bằng cách đóng lại khi có nguồn điện cấp vào mạch từ của contactor trong tủ điện Trong khi đó, tiếp điểm phụ cho phép dòng điện nhỏ hơn 5A và có hai trạng thái: thường đóng và thường hở Tiếp điểm thường đóng giữ trạng thái kết nối khi cuộn dây nam châm trong contactor không được cấp điện, còn tiếp điểm thường hở sẽ mở ra khi contactor hoạt động.
Hệ thống tiếp điểm chính của tủ điện điều khiển thường được lắp đặt trong mạch điện động lực, trong khi các tiếp điểm phụ được sử dụng trong hệ thống mạch điều khiển.
Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của Contactor
Khi cung cấp điện áp định mức cho contactor trong tủ điện điều khiển, dòng điện chạy qua cuộn dây trên lõi từ cố định tạo ra lực từ hút lõi từ di động, hình thành mạch từ kín Lực từ này vượt quá phản lực của lò xo, khiến contactor chuyển sang trạng thái hoạt động.
Bộ phận liên động giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm đóng vai trò quan trọng trong việc đóng tiếp điểm chính và chuyển đổi trạng thái của tiếp điểm phụ Cụ thể, tiếp điểm phụ thường đóng sẽ mở ra, trong khi tiếp điểm thường hở sẽ đóng lại, và trạng thái này được duy trì liên tục.
− Khi ngưng cấp nguồn cho cuộn dây thì contactor ở trạng thái nghỉ, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu
Relay nhiệt là một thiết bị dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi bị quá tải, thường dùng kèm với contactor
4 Vít chỉnh dòng điện tác động
Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của relay nhiệt
− Relay nhiệt hoạt động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ của dòng điện
Phần tử cơ bản của relay nhiệt là phiến kim loại kép (bimetal), bao gồm hai tấm kim loại với các hệ số giãn nở khác nhau Tấm kim loại có hệ số giãn nở nhỏ thường là invar, chứa 36% Ni và 64% Fe, trong khi tấm còn lại, có hệ số giãn nở lớn, thường là đồng thau hoặc thép crom-niken, có khả năng giãn nở gấp 20 lần so với invar Hai phiến này được kết hợp với nhau thông qua phương pháp cán nóng hoặc hàn.
Tính chọn các thiết bị, khí cụ điện cho mạch động lực
− Tải có công suất là 0.37kW, điện áp 380/400V
− Chọn hệ số công suất cos φ=0,95 và hiệu suất động cơ η=0,9
− Chọn MCB 3 pha của hãng LS: BKN-3P-10A
− Chọn contactor của hãng LS: MC-9b
− Chọn điện áp cuộn coil là 220VAC
− Chọn relay nhiệt hãng LS: MT-32 (1-1.6 A)
Hình 2.17 Relay nhiệt LS MT-32
Tính chọn các thiết bị, khí cụ điện cho mạch điều khiển
Chọn MCB 1 pha hãng LS : BKN-1P-6A
− Chọn đế cầu chì 32A của hãng OMEGA: OMG-FS32X
− Chọn ruột cầu chì 2A của hãng OMEGA: OFL10x38 2A
Hình 2.19 Đế cầu chì Omega FS32X
Hình 2.20 Ruột cầu chì Omega OFL10x38 2A
− Đèn báo ta sử dụng điện áp 220VAC
− Chọn đèn báo hãng Schneider:
− Chọn nút nhấn hãng Schneider:
+ Xanh lá, 1NO: XB5AA31
− Chọn nút nhấn khẩn cấp (1NC + 1NO) hãng Schneider: XB5AT845
Hình 2.23 Nút nhấn khẩn cấp Schneider Hình 2.21 Đèn báo Schneider
Hình 2.22 Nút nhấn nhả Schneider
2.3.5 Tính chọn công tắc hành trình
Chọn công tắc hành trình dạng cần gạt – đầu con lăn hãng CNTD: TZ-8108
Hình 2.24 Công tắc hành trình TZ-8108
THIẾT KẾ BẢN VẼ VÀ TRÌNH BÀY NGUYÊN LÝ CỦA TỦ ĐIỆN
Phần mềm hỗ trợ
CADe SIMU là phần mềm hữu ích cho việc thiết kế sơ đồ mạch điện công nghiệp, cung cấp đầy đủ các ký hiệu thiết bị như CB, contactor, relay, timer, và motor Phần mềm này giúp kỹ sư vẽ sơ đồ nhanh chóng và mô phỏng chính xác các hoạt động thực tế.
3.1.2 Phần mềm EPLAN Electric P8/EPLAN Pro Panel
− EPLAN Electric P8 là một phần mềm mạnh mẽ, toàn diện trong thiết kế điện như thiết kế tủ bảng điện, tủ PLC, tủ động lực Các chức năng chính:
+ Thiết kế bản vẽ nguyên lý (schematics)
+ Thiết kế Layout tủ, bảng điện 2D
+ Xuất báo cáo phục vụ mua sắm và thi công
+ Thiết kế và giao tiếp với PLC
+ Review, comment và thay đổi bản vẽ
EPLAN Pro Panel là phần mềm chuyên dụng cho thiết kế layout tủ và bảng điện, cho phép xây dựng tủ điều khiển, hệ thống thiết bị đóng cắt và cung cấp điện bằng công nghệ 3D Phần mềm này nổi bật với các tính năng như bố trí lắp đặt 3D, đi dây 3D, cùng khả năng thiết kế, sửa đổi và điều chỉnh busbar một cách hiệu quả.
Sơ đồ mạch động lực
− Giải thích các ký hiệu có trong sơ đồ:
Sơ đồ mạch điều khiển
− Giải thích các kí hiệu có trong sơ đồ:
+ -1F4.1(95-96): tiếp điểm thường đóng của relay nhiệt
+ -1F4.1(97-98): tiếp điểm thường mở của relay nhiệt
+ -2S2.1: tiếp điểm thường đóng của nút nhấn STOP
+ -2S2.2, -2S4: tiếp điểm thường mở của nút nhấn STF, STR
+ -1K4(13-14), -1K6(13-14): tiếp điểm phụ thường mở của contactor
+ -2B2, -2B4: tiếp điểm thường đóng của công tắc hành trình
+ -1K6(11-12), -1K4(11-12): tiếp điểm phụ thường đóng của contactor
+ -2P3, -2P5, -2P7: đèn báo chế độ hoạt động, sự cố quá tải động cơ
Nguyên lý hoạt động của tủ điện
Mạch động lực bao gồm cầu chì -1F3, -1F3.1, -1F2, đèn báo pha -1P2.1, -1P2, -1P3, MCB 3 pha, contactor -1K4, -1K6, relay nhiệt -1F4.1 và động cơ 3 pha -1M4 Cầu chì bảo vệ đèn báo pha, giúp xác định tình trạng hoạt động của pha MCB 3 pha có chức năng đóng ngắt nguồn điện cho toàn bộ mạch phía sau Contactor điều khiển hoạt động của động cơ thông qua mạch điều khiển, trong khi relay nhiệt bảo vệ động cơ khỏi tình trạng quá tải.
Mạch điều khiển bao gồm MCB 1 pha, các nút nhấn khẩn cấp, dừng, chạy thuận và chạy ngược, cùng với công tắc hành trình và đèn báo hoạt động MCB 1 pha có chức năng đóng ngắt nguồn điện cho mạch điều khiển Nút nhấn khẩn cấp ngắt điện trong trường hợp sự cố, trong khi nút nhấn dừng dừng động cơ đang hoạt động Nút nhấn chạy thuận và chạy ngược điều khiển hướng di chuyển của động cơ Công tắc hành trình giới hạn hành trình di chuyển của cổng kéo, và đèn báo thông báo trạng thái hoạt động của động cơ cũng như tình trạng sự cố.
− Có 2 chế độ hoạt động:
Khi nhấn nút chạy thuận STF, dòng điện sẽ đi qua các thiết bị như MCB, nút nhấn khẩn cấp ESTOP, và nút nhấn dừng STOP, trước khi đến tiếp điểm thường đóng NC của công tắc hành trình -2B2 và contactor -1K6 Điều này kích hoạt cuộn coil của contactor -1K4, làm cho tiếp điểm phụ thường mở NO của contactor -1K4 đóng lại, duy trì hoạt động của động cơ ở chế độ chạy thuận Khi nút nhấn được nhả ra, đèn báo chạy thuận -2P3 sẽ sáng Khi cổng kéo di chuyển đến cuối hành trình và va vào công tắc hành trình -2B2, tiếp điểm thường đóng NC sẽ chuyển thành thường mở Ngoài ra, khi nhấn nút STOP, động cơ sẽ ngừng hoạt động và cổng kéo sẽ dừng lại.
Khi nhấn nút chạy ngược STR, dòng điện đi qua các thiết bị như MCB, nút nhấn khẩn cấp ESTOP, nút nhấn dừng STOP, và tiếp điểm thường đóng NC của công tắc hành trình -2B4 Dòng điện tiếp tục đến tiếp điểm thường đóng NC của contactor -1K4 và cuộn coil của contactor -1K6, khiến tiếp điểm phụ thường mở NO của contactor -1K6 đóng lại, duy trì hoạt động cho động cơ ở chế độ chạy ngược ngay cả khi nút nhấn được nhả ra, và đèn báo chạy ngược -2P5 sẽ sáng Khi cổng kéo di chuyển đến cuối hành trình và va vào công tắc hành trình -2B4, tiếp điểm thường đóng NC chuyển sang trạng thái thường mở, hoặc khi nhấn nút STOP thì động cơ sẽ ngừng hoạt động và cổng kéo dừng lại.
Trong mạch động lực, việc sử dụng hai contactor để điều khiển một động cơ là cần thiết, trong đó tiếp điểm phụ thường đóng (NC) của contactor -1K6 được kết nối trước cuộn coil của contactor -1K4, và ngược lại Điều này đảm bảo rằng hai contactor không hoạt động đồng thời, giúp ngăn ngừa sự cố chạm pha và bảo đảm an toàn trong quá trình vận hành.
Khi động cơ quá tải, relay nhiệt -1F4.1 sẽ kích hoạt, làm cho tiếp điểm thường đóng NC(95-96) mở ra và tiếp điểm thường mở NO(97-98) đóng lại Điều này ngăn dòng điện đi qua cuộn coil của contactor, khiến động cơ ngừng hoạt động và đèn báo sự cố -2P7 sẽ sáng lên.
Layout 3D tủ điện trên phần mềm
THI CÔNG, LẮP ĐẶT TỦ ĐIỆN
Chuẩn bị vật tư, thiết bị
4.1.1 Danh sách vật tư, thiết bị
STT Tên thiết bị Hãng Mô tả Số lượng
14 Công tắc hành trình CNTD Dạng cần gạt - đầu con lăn 2
15 Dây điện Lion Xanh, 2.5mm2 10 (m)
17 Đầu cosse chỉa 2.5mm2, đỏ, vàng, xanh 300
18 Đầu cosse pin rỗng 2.5mm, 4mm, đỏ 200
Nhãn thiết bị Đèn báo, nút nhấn 9
26 Vỏ tủ điện H400xW400xD200 1
4.1.2 Các công cụ cần thiết
− Kềm bấm đầu cosse chỉa
− Kềm bấm đầu cosse pin rỗng
Thi công, lắp đặt rail, máng cáp lên panel của tủ điện
− Thanh rail được cắt theo kích thước như bản vẽ và được bắn vít cố định theo vị trí trên bản vẽ
− Máng cáp được cắt theo kích thước như bản vẽ và được bắn vít cố định theo vị trí trên bản vẽ
Hình 4.1 Lắp rail, máng cáp
Lắp các thiết bị như MCB, contacor, relay nhiệt, cầu chì, terminal lên thanh rail đã được bắn vít cố định trên panel của tủ điện
4.2.3 Đi dây mạch động lực
− Dây động lực dùng đấu nối trong tủ chủ yếu dùng dây ruột đồng mềm có tiết diện 2.5mm2
− Trước khi đấu dây cần phải bấm đầu cosse để phân biệt 3 pha với ba màu đỏ, vàng, xanh
− Đấu dây mạch động lực như bản vẽ mạch động lực và đi dây gọn gàng trong máng cáp
Hình 4.3 Đi dây mạch động lực
Thi công trên mặt tủ
Dùng mũi khoét phi 22 khoét lỗ trên mặt tủ để gắn nút nhấn, đèn báo, nhãn tên lên mặt tủ như bố trí trong bản vẽ
Hình 4.5 Mặt ngoài tủ thực tế
Hình 4.6 Mặt trong tủ thực tế
4.3.3 Đi dây mạch điều khiển
Dây điều khiển thường được sử dụng với tiết diện nhỏ 0,75mm2 và nên có màu sắc khác biệt so với dây động lực để thuận tiện cho việc sửa chữa.
− Bấm đầu cosse dây điều khiển trước khi đấu
− Đấu dây mạch điều khiển theo bản vẽ mạch điều khiển và đi dây gọn gàng trong máng cáp
Hình 4.7 Đi dây mạch điều khiển
Kiểm tra tủ trước khi đóng điện 3 pha
4.4.1 Kiểm tra nguội các đầu dây bằng đồng hồ VOM
− Kiểm tra phần mạch động lực:
+ Kiểm tra xem đã đủ dây pha và dây trung tính chưa, đấu mạch động lực đúng theo sơ đồ nguyên lý hay chưa
+ Kiểm tra đầu cosse và độ chặt của các điểm đấu nối cơ khí và điện
+ Đo thông mạch giữa các pha, giữa các pha và dây trung tính, nếu không thông mạch là được
− Kiểm tra phần mạch điều khiển:
+ Kiểm tra xem đã đủ dây trung tính và dây pha chưa, đấu mạch điều khiển đúng theo sơ đồ nguyên lý hay chưa
+ Kiểm tra đầu cosse và độ chặt của các điểm đấu nối cơ khí và điện
+ Đo thông mạch theo sơ đồ đấu nối theo phương pháp đo cuối thiết bị trước, đầu thiết bị sau
4.4.2 Kiểm tra mạch điều khiển bằng cách cấp điện áp xoay chiều một pha vào
Tiến hành đấu điện vào để kiểm tra hoạt động khi không có tải của tủ điện bằng cách cấp 1 pha và 1 trung tính cho mạch điều khiển
− Các chế độ hoạt động:
+ Kiểm tra xem khi nhấn nút STF, STR thì contactor nào hoạt động có đúng với sơ đồ nguyên lý hay không
+ Kiểm tra xem khi nhấn nút STOP hoặc khi gạt công tắc hành trình thì contactor có còn hoạt động hay không, nếu không thì đúng
− Cuộn hút contactor, đèn báo kèm theo:
+ Kiểm tra đèn báo khi contactor hoạt động có đúng với sơ đồ nguyên lý hay không + Kiểm tra đèn báo pha có sáng đủ hay không
Để kiểm tra tình trạng quá tải, hãy nhấn nút test trên relay nhiệt khi contactor đang hoạt động Nếu hệ thống dừng hoạt động và đèn báo sự cố sáng, điều này cho thấy quá trình kiểm tra là chính xác.
Khí cụ điện là thiết bị quan trọng dùng để điều khiển và bảo vệ các hệ thống điện và không điện trong trường hợp sự cố Với nhiều chủng loại và kích thước khác nhau, khí cụ điện được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực Tủ điện, nơi chứa các thiết bị điện và mạch điều khiển, là phần không thể thiếu trong hệ thống cung cấp điện cho các phụ tải, từ gia đình đến nhà máy và tòa nhà cao tầng Tủ điện giúp điều khiển máy móc và động cơ điện, với tủ điện công nghiệp mang lại nhiều ưu điểm như công suất lớn, độ bền cao và khả năng điều khiển hiệu quả Tủ điện điều khiển được ứng dụng phổ biến trong các không gian như nhà máy bơm nước, xưởng sản xuất và khu công nghiệp lớn.