Khí cụ điện

Giáo trình khí cụ điện

Chơng I

Khái niệm chung về khí cụ điện

Ô1 các trạng thái làm việc không bình thờng của khí cụ điện

1.1.Trạng thái làm việc bình thờng:

Khi thiết bị điện làm việc ở trạng thái bình thờng thì các thông số kỹ thuật vận hành nhdòng điện, điện áp, công suất đều đạt giá trị định mức hoặc trong giới hạn cho phép, vì vậy thiết bị điện vận hành đợc lâu dài, nhiệt độ không vợt quá giới hạn cho phép, cách điện và tuổi thọ của thiết bị điện đợc đảm bảo Nếu một trong các thông số kỹ thuật trên, vận hành vợt quá hoặc giảm quá thấp so với giá trị định mức ghi trên nhãn thiết bị điện thì xem nh nó đã chuyển sang trạng thái làm việc không bình thờng, có thể dẫn tới làm giảm tuổi thọ hoặc h hỏng thiết

bị điện

1.2.Các trạng thái làm việc không bình thờng của khí cụ điện:

a Quá tải: là trạng thái dòng điện chạy qua thiết bị điện lớn hơn giá trị định mức của nó:

Iđm < Ivh < INmin nhng vẫn nhỏ hơn dòng điện ngắn mạch nhỏ nhất, làm cho nhiệt độ của thiết

bị điện vợt quá chỉ số cho phép, dẫn tới cách điện của thiết bị điện mau chóng bị già hoá do nhiệt, nếu thiết bị điện vận hành trong trạng thái quá tải thì tuổi thọ của nó giảm rất nhanh,nguy cơ xảy ra ngắn mạch tăng

b Quá điện áp: Uvh > Uđm

Là trờng hợp điện áp đặt vào thiết bị điện lớn hơn giá trị định mức của nó bao gồm :

- Quá điện áp thiên nhiên (quá điện áp cảm ứng) do sét đánh trực tiếp vào thiết bị điện hoặc

do sét cảm ứng trên đờng dây, lan truyền vào thiết bị điện

- Quá điện áp nội bộ (quá điên áp thao tác) do việc đóng cắt mạng điện sai quy trình, quy phạm, hoặc điều chỉnh sai lệch trị số trong vận hành, hoặc do đứt dây trong mạng điện 3 pha 4 dây, do chạm đất 1 pha trong mạng 3 pha 3 dây hoặc do hồ quang điện chập chờn Khi bị quá điện áp thì điện trờng có thể vợt quá giới hạn điện trờng ion hoá E > Ei gây ra hiện tợng đánh thủng cách điện, làm h hỏng thiết bị điện Trong trờng hợp quá điện áp không đủ lớn thờng gây ra quá tải

- Ngắn mạch 3 pha (ngắn mạch đối xứng) ký hiệu N3 Đó là trờng hợp 3 pha bị nối tắt: Nếu xét ở cùng một điểm xảy ra ngắn mạch, thì thờng dạng ngắn mạch này có dòng điện lớn nhất

- Ngắn mạch hai pha ký hiệu N2 là trờng hợp 2 pha A và B hoặc B và C hoặc A và C bị nối tắt

- Ngắn mạch một pha nối đất ký hiệu N1 là dạng ngắn mạch một pha nối tắt với đất, trong mạng điện có trung tính trực tiếp nối đất

- Ngắn mạch 2 pha nối đất ký hiệu N1,1

AB

n(2)

n(1)

Trong mạng điện trung tính cách đất chỉ tồn tại 3 dạng ngắn mạch: N3, N2, N1,1 trờng hợp một pha nối tắt với đất, trong mạng điện này không gọi là ngắn mạch mà gọi là chạm đất một pha vì khi đó dòng điện qua điểm chạm đất là dòng điện dung có trị số nhỏ Iđ = (5 ữ30 ) A Dòng điện ngắn mạch bao giờ cũng chạy từ nguồn đổ về điểm ngắn mạch, rồi trở lại nguồn

Điện áp ở điểm ngắn mạch đợc xem là bằng không

Trị số dòng ngắn mạch thờng IN = (5 ữ 20)Iđm vì vậy khi nó chạy qua dây dẫn hoặc thiết bị điện sẽ gây ra cháy hỏng, vì nhiệt năng nó toả ra rất lớn Khi công suất nguồn càng lớn thì trị số dòng điện ngắn mạch càng lớn Ngắn mạch là trạng thái sự cố vì vậy cần phải loại trừ thiết bị hoặc bộ phận bị ngắn mạch ra khỏi hệ thống càng nhanh càng tốt

b. Sự cố cơ học trong hệ thống điện:

Do các nguyên nhân khách quan hoặc chủ quan gây ra bao gồm :

- H hỏng phần cơ máy phát điện: bó biên, lột biên, vợt tốc

- H hỏng đờng dây: vỡ sứ, đứt dây, đổ cột, gãy xà

- H hỏng bộ truyền động thiết bị đóng cắt điện, máy biến áp bị chảy dầu

Tất cả các loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện đều phải tạm ngừng cung cấp điện để sữa chữa

Trong luyện kim hoặc hàn điện ngời ta cần duy trì tia hồ quang ổn định để làm nóng chảy kim loại Nhng trong các loại thiết bị điện đóng, cắt mạch điện tia hồ quang thờng phát sinh ở hai đầu tiếp xúc động và tĩnh cần phải dập tắt nhanh chóng để tránh xảy ra h hỏng cho thiết bị điện

n

AB

I.Zt là điện áp đầu cực phụ tải.

Utx = I.Rtx là điện áp tiếp xúc trên bề mặt tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh của công tắc K

Giả sử công tắc K đang đóng ở vị trí 1 nếu bỏ qua điện trở kháng đờng dây thì U1 = Utx+ U2 Khi mạch điện đang đóng, điện trở tiếp xúc rất bé (Utx = 0) Vì vậy U1 = U2 Khi cắt

điện qua công tắc K, tiếp xúc động bắt đầu rời khỏi tiếp xúc tĩnh, làm cho điện trở tiếp xúc tăng dần lên, do đó Utx cũng tăng theo vì vậy U2 bị giảm dần (U1 = const) Khi tiếp xúc động của công tắc K di chuyển đến vị trí 2 thì có thể xem nh dòng điện trong mạch bị ngắt, do không khí giữa 2 đầu tiếp xúc rất nhỏ (d<<) vì vậy cờng độ điện trờng E rất lớn (E = U/d) có thể đạt tới 107 v/cm làm cho mật độ của dòng điện giữa hai đầu tiếp xúc động và tĩnh của công tắc K tăng lên hàng chục lần Không khí giữa khe hẹp của hai đầu tiếp xúc động và tĩnh bị ion hoá rất mạnh, cho nên không khí trở nên dẫn điện, gây ra phóng điện giữa hai đầu tiếp xúc động và tĩnh, ta gọi đó là hồ quang điện

Khi điện áp đặt vào giữa hai đầu tiếp xúc càng cao, hay dòng điện chạy qua mạch càng lớn thì hồ quang điện phát sinh càng mãnh liệt Nếu dòng điện tải lớn, khi tiếp xúc động bắt

đầu rời khỏi tiếp xúc tĩnh thì nhiệt độ tiếp xúc tăng lên đến mức làm nóng chảy lớp kim loại trên bề mặt tiếp xúc, tạo thành gọt kim loại lỏng Khi tiếp xúc động bắt đầu rời khỏi tiếp xúc tĩnh ra xa thì gọt kim loại lỏng cũng bị kéo dài ra tạo thành một cần kim loại lỏng nối liền giữa tiếp xúc động và tiếp xúc tĩnh Nếu nhiệt độ tăng quá cao làm cho cần kim loại bốc hơi xảy ra nhanh quá sẽ kèm theo tiếng nổ

Vậy bản chất hồ quang điện là quá trình ion hoá lớp điện môi giữa hai đầu cực, gây ra hiện tợng phóng điện khi cờng độ điện trờng ở đó đạt tới giới hạn điện trờng ion hoá Ei

2.3 Tác hại của hồ quang:

Ngoài lợi ích hồ quang điện dùng để cắt kim loại, làm nóng chảy kim loại, hàn điện thì tai hại hồ quang điện gây ra cho thiết bị điện cũng không nhỏ

- Hồ quang điện phát sinh nhiệt cao vì vậy sau một số lần đóng cắt mạch điện thì bề mặt tiếp xúc của các tiếp điểm trong thiết bị điện đóng cắt điện thờng bị cháy, bị rỗ, làm tăng Rtxcủa tiếp điểm

- Nếu để xảy ra hồ quang điện phóng chập chờn sẽ gây ra hiện tợng quá điện áp nội bộ làm hỏng cách điện của thiết bị điện hoặc cách điện của đờng dây tải điện

- Nếu thiết bị đóng cắt điện hỏng bộ phận dập hồ quang hoặc do thao tác đóng cắt sai quy trình, quy phạm thì hồ quang điện có thể phát sinh đan chéo giữa các pha gây ra ngắn mạch nhiều pha

- Hồ quang điện làm kéo dài thời gian đóng cắt điện, vì tai hồ quang dẫn điện, chỉ đến khi hồ quang tắt hẳn thì mạch điện mới đợc cắt hoàn toàn

- Hồ quang điện gây ra cháy nổ nếu nó phát sinh ở những nơi có vật liệu dễ cháy nổ

- Hồ quang điện có thể gây ra bỏng hoặc tử vong cho ngời

Ô3 các biện pháp dập tắt Hồ quang

Tác dụng nhiệt của hồ quang điện làm h hỏng các đầu tiếp xúc trong khí cụ điện đóng cắt mạch điện Vì vậy khi hồ quang điện phát sinh cần phải đợc dập tắt càng nhanh càng tốt Các phơng pháp dập tắt hồ quang thờng sử dụng là:

3.1 Phơng pháp tăng nhanh khoảng cách:

Hồ quang bị kéo dài thì điện áp duy trì cần phải cao Nếu điện áp giữa 2 đầu tiếp xúc nhỏ hơn điện áp duy trì thì hồ quang sẽ bị dập tắt Do đó khi thao tác đóng cắt mạch điện, phải

thực hiện nhanh và dứt khoát E = U/d nếu tăng nhanh khoảng cách d thì E giảm nhanh khi E <

Phơng pháp này thờng đợc ứng dụng để dập tắt hồ quang trong các loại aptomat, dao phụ tải, máy cắt dầu

3.3 Phơng pháp thổi bằng từ trờng:

Đặt cuộn dây thổi từ cạnh khe hở giữa hai đầu tiếp xúc động và tĩnh nh hình vẽ : Dòng

điện chạy qua cuộn dây thổi từ nối tiếp với tiếp xúc tĩnh

Từ trờng cuộn dây sinh ra nh hình vẽ Khi tiếp xúc động rời khỏi tiếp xúc tĩnh hồ quang phát sinh bắt cầu giữa 2 đầu tiếp xúc, lực điện từ do cuộn dây thổi từ sinh ra sẽ đẩy tia hồ quang kéo dài lên phía trên, bị làm nguội và dập tắt

Khi dòng điện đổi chiều thì từ trờng cuộn dây cũng đổi chiều, do đó lực điện từ F có

ph-ơng chiều không thay đổi Phph-ơng pháp này thờng đợc sử dụng để dập tắt hồ quang trong máy cắt điện hoặc dao phụ tải

3.4 Phơng pháp dập hồ quang bằng thổi sinh khí :

Vật liệu sinh khí thờng ở thể rắn, khi bị nhiệt phân do hồ quang nhiệt độ cao, sẽ chuyển sang thể hơi (thăng hoa) làm cho áp suất ở vùng phát sinh hồ quang tăng lên rất lớn, có thể đạt tới hàng chục at thổi dập tắt hồ quang

Phơng pháp này đợc ứng dụng để dập tắt hồ quang trong chống sét ống, cầu chì tự rơi

vật này sang vật khác Bề mặt tiếp xúc giữa các vật dẫn đợc gọi là bề mặt tiếp xúc điện.

Tiếp xúc điện là phần rất quan trọng của khí cụ điện, trong quá trình đóng cắt mạch

điện, chỗ tiếp xúc của tiếp điểm đóng cắt bị phát nóng cao, bị mài mòn do va đập và ma sát, đặt biệt là sự huỷ hoại của hồ quang điện

4.2 Phân loại tiếp xúc điện : đợc chia ra làm 3 loại chính sau :

a Tiếp xúc cố định: Khi hai vật dẫn tiếp xúc không rời nhau bằng bu lông hoặc đinh tán Ví dụ nh: Tiếp xúc của kẹp nối dây, tiếp xúc giữa dây dẫn và cốt bắt dây ở sứ xuyên

b Tiếp xúc đóng mở:

Đó là tiếp xúc giữa tiếp điểm động và tĩnh của các loại khí cụ điện đóng cắt mạch điện

Ví dụ nh: Tiếp xúc của tiếp điểm cầu dao, công tắc, aptomat, máy cắt

d) e)

a. Tiếp điểm kiểu ngón.

b. Tiếp điểm kiểu bắt cầu

c. Tiếp điểm kiểu vút má

d. Tiếp điểm kiểu thuỷ ngân

e. Tiếp điểm kiểu lỡi

4.3 Hình thức tiếp xúc: Có 3 hình thức tiếp xúc :

- Tiếp xúc điểm : Là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau ở diện tích rất nhỏ đợc xem là một

điểm Ví dụ: Tiếp xúc giữa mặt cầu với mặt cầu, tiếp xúc giữa mặt cầu với mặt phẳng trong một

số loại Rơle điện từ

- Tiếp xúc đờng: Là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau trên đờng thẳng hoặc đờng cong

- Tiếp xúc mặt: là hình thức các vật dẫn tiếp xúc nhau trên nhiều điểm của mặt phẳng hoặc mặt cong Ví dụ : Tiếp xúc giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh của máy cắt, cầu dao, áptomát

4.4 Các yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với tiếp xúc điện:

- Thực hiện tiếp xúc phải đảm bảo chắc chắn, sức bền cơ khí phải cao

- Không đựơc phát nóng quá nhiệt độ cho phép khi dòng điện định mức chạy qua

- Phải ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện ngắn mạch cực đại chạy qua

4.5 Điện trở tiếp xúc và các yếu tố ảnh hởng đến điện trở tiếp xúc:

a. Điện trở tiếp xúc: Rtx

Tại vị trí tiếp xúc của vật dẫn, tồn tại một điện trở tiếp xúc đợc xác định theo công thức kinh nghiệm :

Trong đó: ρ : là điện trở suất của vật dẫn làm tiếp điểm

δb: ứng suất chống dập của vật liệu làm tiếp điểm

F : Lực ép lên bề mặt tiếp xúc của tiếp điểm do bu lông, đinh tán hoặc lò xo tạo nên

n : Là số điểm tiếp xúc trên bề mặt tiếp xúc của tiếp điểm

b. Các yếu tố ảnh hởng đến điện trở tiếp xúc:

Từ công thức (4-1) ta thấy điện trở tiếp xúc phụ thuộc vào: Điện trở suất của vật liệu làm tiếp

điểm, số điểm tiếp xúc, lực ép lên bề mặt tiếp xúc và ứng suất chống dập của vật liệu làm tiếp

điểm Ngoài ra điện trở tiếp xúc còn phụ thuộc vào tình trạng bề mặt tiếp xúc: Nếu bề mặt tiếp xúc bị bẩn, bị rỗ, bị cháy thì điện trở tiếp xúc tăng lên, làm tăng tổn thất điện áp, và tổn thất công suất trên mạng điện Điện trở tiếp xúc còn phụ thuộc vào nhiệt độ điểm tiếp xúc Khi nhiệt độ điểm tiếp xúc càng cao thì điện trở tiép xúc cũng tăng

Trong đó : a0 : hệ số điện trở nhiệt

θ0 : nhiệt độ ban đầu của tiếp điểm

θ : nhiệt độ của tiếp điểm tại thời điểm đang xét

Ô5 mạch từ

5.1 Khái niệm :

Các thiết bị nh Rơle, công tắc tơ, khởi động từ, áptomát đều có bộ phận làm nhiệm vụ biến điện năng thành cơ

πδ

ρ

2

b

tx

n F

R =

)2.4)(

(.3

21)

()

năng Gồm có cuộn dây và mạch từ gọi là cơ cấu điện từ.

- Khe hở không khí phụ δp và khe hở không khí chính δc

Khi cho dòng điện chạy trong cuộn dây thì sẽ có một

Khi có dòng điện trong cuộn dây sẽ sinh ra từ trờng Vật liệu sắt từ của cuộn dây sẽ bị từ hoá

có cực tính ngợc với cực tính của cuộn dây do đó đợc hút về phía cuộn dây

fđt

nssn

Nếu đổi chiều dòng điện trong cuộn dây từ trờng đổi chiều Vật liệu sắt từ sẽ bị từ hoá

có đờng sức từ ngợc với cực của cuộn dây cho nên nó cũng đợc hút về phía cuộn dây

5.3 Phân loại :

ƒ Phân theo nguồn điện :

Nam châm điện một chiều

Nam châm điện xoay chiều

ƒ Theo cách nối cuộn dây vào nguồn :

Nối tiếp

Song song

ƒ Theo các dạng mạch từ : Mạch từ nắp hút thẳng, chập

Mạch từ nắp hút xoay

Trong quá trình làm việc nắp mạch từ chuyển động khe hở không khí giữa nắp và lõi sẽ thay

đổi lực hút điện từ sẽ thay đổi

Chơng II Khí cụ điện đóng cắt Điện áp thấp

- Cầu dao một pha, cầu dao ba pha

- Cầu dao một chiều, cầu dao hai chiều

- Cầu dao có cầu chì, cầu dao không có cầu chì

- Cầu dao có lỡi dao phụ và cầu dao không có lỡi dao phụ

1.3 Cấu tạo một số loại cầu dao thờng gặp:

Cấu tạo chính của cầu dao gồm : Tiếp xúc động và tiễp xúc tĩnh, cốt bắt dây từ nguồn vào cầu dao và từ cầu dao ra tải, tiếp xúc động thờng là lỡi dao, ngoài ra cầu dao còn có tay

đóng cắt bằng vật liệu cách điện là gỗ, sứ, nhựa để đảm bảo an toàn cho ngời thao tác, cầu

1 cực 2 cực 3 cực

dao còn đợc bao bọc bằng võ nhựa cách điện Cầu dao sử dụng trong mạch điện hạ áp thờng lắp kèm theo cầu chì để bảo vệ quá tải hoặc ngắn mạch Ưu điểm cầu dao là đơn giản, dễ lắp

đặt và dễ thao tác, dễ kiểm tra và sữa chữa, giá thành rẻ nên đợc sử dụng rộng rãi

Cầu chì tác động theo nguyên tắc dựa vào hiệu ứng nhiệt của dòng điện Khi thiết bị

điện hoặc mạng điện phía sau cầu chì bị ngắn mạch hoặc quá tải lớn, dòng điện chạy qua dây chảy cầu chì sẽ lớn hơn dòng điện định mức làm cho dây chảy bị đốt nóng chảy, do đó dây chảy bị đứt, cho nên phần lới điện bị ngắn mạch đợc tách ra khỏi hệ thống

2.3 Cấu tạo:

Cấu tạo cầu chì gồm các bộ phận chính nh sau :

- Thân cầu chì đợc chế tạo từ gốm sứ hoặc nhựa tổng hợp có thể có nắp hoặc không có nắp

- ốc, đinh vít bắt dây chảy còn đợc gọi là cốt bắt dây đợc chế tạo từ kim loại dẫn điện nh

1 Đờng đặc tính A-s của dây chảy cầu chì

2 Đờng đặc tính A-s của đối tợng đợc đặt cầu chì bảo vệ

A là vùng bảo vệ của cầu chì Khi xảy ra ngắn mạch hoặc quá tải ở vùng A thì cầu chì tác động cắt mạch theo hiệu ứng nhiệt Q = RI2t

Khi đó nhiệt độ dây chảy cầu chì θ > θôđ

B là vùng cầu chì không tác động do dòng điện chạy qua dây chảy là dòng định mứhoặc dòng quá tải nhỏ, khi đó nhiệt độ của dây chảy θ0 < θ ≤ θôđ nên dây chảy cầu chì khôn

bị đứt (khi quá nhỏ nhiệt độ dây chảy ≈ θôđ)

b. Yêu cầu kỹ thuật cơ bản khi lắp đặt cầu chì:

ƒ Cầu chì phải đợc lắp đặt nối tiếp ở dây pha, không lắp đặt ở dây trung tính

ƒ Đặctính A-s của dây chảy cầu chì phải thấp hơn đặc tính A-s của đối tợng đợc lắp đặt cầu

ƒ Khi cần thay thế sữa chữa cầu chì phải đảm bảo an toàn tiện lợi.

áptomát là một loại khí cụ điện đóng cắt và bảo vệ chính trong mạch điện hạ áp Nó

đợc sử dụng để đóng cắt từ xa và tự động cắt mạch khi thiết bị điện hoặc đờng dây phía sau

nó bị ngắn mạch hoặc quá tải, quá áp, kém áp, chạm đất

3.2 Phân loại :

ƒ áptomát bảo vệ quá dòng (ngắn mạch hoặc quá tải)

ƒ áptomát bảo vệ quá điện áp

4.1.Sơ đồ nguyên lý cấu tạo một pha:

Khi aptomát đang ở vị tri đóng, tiếp xúc động 2 đóng chặt lên tiếp xúc tĩnh 1, dòng

điện từ nguồn chạy qua tiếp xúc tĩnh , qua tiếp xúc động, qua Rơle dòng điện 10, qua Rơle nhiệt 7, đi về tải ở chế độ làm việc bình thờng thì lực điện từ Rơle dòng điện sinh ra nhỏ hơn lực căng lò xo 8 nên áptomát luôn giữ ở trạng thái đóng

Nếu đờng dây hoặc thiết bị điện sau áptomát bị ngắn mạch thì dòng điện chạy qua

áptomát sẽ lớn hơn rất nhiều so với dòng điện định mức Vì vậy dòng điện ở rơle 10 sinh ra sẽ lớn hơn lực căng lò xo 8, cho nên thanh truyền động 6 bị lực điện từ kéo tụt xuống làm cho móc hãm 5 mở ra, khi đó lò xo 13 sẽ kéo thanh truyền động 4 sang trái đa tiếp xúc động 2 rời khỏi tiếp xúc tĩnh 1, mạch điện đợc cắt, hồ quang điện phát sinh giữa hai đầu tiếp xúc động

và tĩnh đợc cách tử 14 dập tắt

Sau khi kiểm tra khắc phục xong sự cố ngắn mạch ta đóng lại áptomát qua tay thao tác đóng cắt 12 Trờng hợp đờng dây hoặc thiết bị điện sau khi áptomát bị quá tải sau thời gian t (khoảng 1-2 phút) rơle nhiệt sẽ tác động lên thanh truyênf 6 làm cho móc hãm 5 mở ra.Khi đó lò xo 13 sẽ kéo thanh truyền động 4 sang trái đa tiếp xúc động rời khỏi tiếp xúc tĩnh, nên mạch điện đợc cắt ra Muốn đóng, cắt mạch thì tác động vào tay thao tác 12 (đẩy lên

đóng, đẩy xuống cắtnh hình vẽ)

Ô5 áptomát bảo vệ kém áp và mất điện

5.1 Nhiệm vụ: Đóng, cắt và tự động bảo vệ kém áp cho mạch điện hạ áp

5.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc:

a.Cấu tạo:

10

11 12

đầu tiếp xúc động và tĩnh đợc buồng dập hồ quang 3 dập tắt

Ô6 áptomát bảo vệ quá áp

áptomát bảo vệ kém áp và mất điện

Fđt

1

9 10

nguồn

tải

2 3

13

8

7

5

6.1 Nhiệm vụ: Đóng, cắt và tự động bảo vệ quá điện áp cho mạch điện hạ áp khi Uvh > Uđm

6.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Nếu áptomát đang ở vị trí đóng nh hình vẽ, tiếp xúc động 4 đóng chặt vào tiếp xúc tĩnh

áptomát bảo vệ quá áp

9

2

4 3

3, mạch điện nối liền, tải có điện ở trạng thái làm việc bình thờng Uvh = Uđm lực điện

từ của cuộn dây điện áp sinh ra nhỏ hơn lực kéo của lò xo 10 Vì vậy áptomát đợc giữ ở vị trí

đóng

Khi mạch điện bị quá áp Uvh > Uđm (khoảng 1,2 Uđm) thì lực điện từ của cuộn dây

điện áp áp lớn hơn lực kéo của lò xo 10 Khi đó lõi thép 6 bị hút chập vào mạch từ rơle điện

áp, kéo theo tiếp động 4 rời khỏi tiếp xúc tĩnh 3 mạch điện đợc cắt ra, hồ quang phát sinh giữa hai đầu tiếp xúc động và tĩnh đợc buồng cách rử 7 dập tắt

Muốn đóng hoặc cắt điện khỏi tải thì tác động vào tay thao tác1 ở vị đóng, cắt nh hình vẽ: tay thao tác quay quanh chốt 2 đẩy lên đóng mạch, kéo xuống cắt điện khỏi tải

Ô7 áptomát vạn năng

7.1 Nhiệm vụ:

Là một loại áptomát đa chức năng, sử dụng để đóng cắt mạch điện hạ áp tại chỗ hoặc

từ xa, và tự đóng cắt mạch khi đờng dây hoặc thiết bị điện sau nó : ngắn mạch, quá tải, quá

áp, kém áp

7.2 Cấu tạo:

áptomát này là tổ hợp các loại áptomát : bảo vệ quá dòng, quá áp, kém áp, và có thể

điều khiển đóng căt từ xa nhờ hệ thống nam châm điện điều khiển và đóng cắt mạch

Do tính chất đặc thù, cấu tạo phức tạp, giá thành cao nên phạm vi sử dụng loại áptomát này rất hạn chế Thờng chỉ đợc sử dụng lắp đặt trong các nhà máy công nghiệp có yêu cầu cao về chất lợng điện năng và an toàn

Ô8 công tắc tơ

8.1 Công dụng:

Công tắc tơ là một loại khí cụ điện hạ áp đợc sử dụng để điều khiển đóng cắt mạch 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 đóng- cắt Tần số có thể đến 1500 lần/giờ

Nhiệm vụ

Công tắc tơ là một thiết bị điện đóng cắt điện áp thấp dùng để khống chế tự động và điều khiển xa các thiết bị điện một chiều và xoay chiều có điện áp tới 500 v Công tắc tơ đợc tính với tần số đóng cắt lớn nhất tới 1500 lần trong một giờ

b Phân loại theo dạng dòng điện:

- Loại công tắc tơ điều khiển điện áp một chiều

- Loại công tắc tơ điều khiển điện áp xoay chiều

c Phân loại theo kiểu kết cấu:

- Công tắc tơ hạn chế chiều cao

- Công tắc tơ hạn chế chiều rộng

k

8.3 Đặc điểm cấu tạo:

Cấu tạo nguyên lý mh hình vẽ: gồm các bộ phận chính sau:

- Cuộn dây điện áp điều khiển số 7

- Mạch từ chế tạo từ thép kỹ thuật điện

- Vỏ thờng chế tạo từ nhựa cứng

- Bộ phận truyền động gồm lò xo và thanh truyền động

- Hệ thống tiếp điểm thờng mở và thờng đóng

Gồm các tiếp điểm công tác (tiếp điểm chính) và các tiếp điểm phụ Tiếp điểm công tác gồm các đầu tiếp xúc tĩnh 6 và đầu tiếp xúc động 2 gắn trên trục quay 1 bằng nhựa cách

điện Tiếp điểm phụ gồm các đầu tiếp xúc tĩnh 5 và tiếp xúc động 4 cũng gắn trên trục quay

1 Tiếp điểm phụ gồm hai loại tiếp điểm thờng mở và tiếp điểm thờng đóng Công dụng của tiếp điểm phụ thờngg đợc thực hiện chức năng trong mạch điều khiển tự động

Muốn đóng điện cho tải thì đóng khoá K trên mạch điều khiển, cuộn dây công tắctơ

sẽ sinh ra lực điện từ hút chập hai nửa mạch từ lại với nhau, vì Ftđ > Flò xo nên lò xo bị nén lại

đồng thời thanh truyền động 1 kéo tiếp xúc động đóng chặt vào tiếp xúc tĩnh, khi đó tiếp

điểm thờng đóng mở ra, còn tiếp điểm thờng mở đóng lại, mạch điện đợc nối liền

Muốn cắt điện khỏi tải, ngắt khoá K cuộn dây điện áp mất điện, lực điện từ bị triệt tiêu, lò xo 6 đẩy 2 nửa mạch từ ra xa nhau đa tiếp xúc động rời khỏi tiếp xúc tĩnh, mạch điện

đợc cắt

8.5 Các tham số chủ yếu của công tắc tơ:

a Điện áp định mức: là điện áp của mạch điện tơng ứng mà tiếp điểm chính phải đóng cắt, có các cấp : + 110V, 220V, 440 V một chiều

+ 127V, 220V, 380V, 500V xoay chiều

Cuộn hút có thể làm việc bình thờng ở điện áp trong giới hạn từ 85% tới 105%

b Dòng điện định mức: là dòng điện đi qua tiếp điểm chính trong chế độ làm việc gián đoạn lâu dài, nghĩa là ở chế độ này thời gian công tắc tơ đóng không lâu quá 8 giờ

Công tắc tơ hạ áp có các cấp dòng thông dụng: 10, 25, 40, 60, 75, 100, 150, 250, 300, 600A Nếu đặt công tắc tơ trong tủ điện thì dòng điện định mức phải lấy thấp hơn 10% vì làm mát kém, khi làm việc dài hạn thì chọn dòng điện định mức nhỏ hơn nữa

c Khả năng đóng cắt: là dòng điện cho phép đi qua tiếp điểm chính khi cắt và khi

đóng mạch Ví dụ nh công tắc tơ xoay chiều dùng để điều khiểnđộng cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc cần có khả năng đóng yêu cầu (3ữ7)Iđm.

d Tuổi thọ công tắc tơ: Tính bằng số lần đóng cắt, sau số lần đóng cắt ấy công tắc tơ

sẽ không dùng đợc tiếp tục H hỏng có thể do mất độ bền cơ học hoặc bền điện

e Tần số thao tác: số lần đóng cắt trong thời gian 1 giờ, bị hạn chế bởi sự phát nóng của tiếp điểm chính do hồ quang Có các cấp : 30, 100, 120, 150, 300, 600, 1200, 1500 lần trên một giờ, tuỳ chế độ công tác của máy sản xuất mà chọn công tắc tơ có tần số thao tác khác nhau

8.6 u nhợc điểm :

Kích thớt gọn nhỏ có thể tận dụng khoảng không gian hẹp để lắp đặt và thao tác mà cầu dao không thực hiện đợc Điều khiển đóng cắt từ xa, có vỏ ngăn hồ quang phóng ra bên ngoài nên an toàn tuyệt đối cho ngời thao tác, thời gian đóng cắt nhanh, vì những u điểm trên

công tắc tơ đợc sử dụng rộng rãi điều khiển đóng cắt trong mạch điện hạ áp đặc biệt sử dụng nhiều trong các nhà máy công nghiệp.

Câu hỏi:

1. Trình bày nhiệm vụ công tắc tơ

2. Nêu nguyên lý làm việc công tắc tơ

Ô9 khởi động từ

9.1 Khái niệm và công dụng:

Khởi động từ là một loại thiết bị điện dùng để điều khiển từ xa việc đóng cắt đảo chiều và bảo vệ quá tải (nếu có mắc thêm rơle nhiệt) cho các động cơ rôto dây lồng sóc Khởi

động từ khi có một công tắc tơ gọi là khởi động từ đơn, thờng dùng để đóng cắt động cơ điện Khởi động từ khi có hai công tắc tơ gọi là khởi động từ kép, thờng dùng khởi động và điều khiển đảo chiều động cơ điện Muốn khởi động từ bảo vệ đợc ngắn mạch phải mắc thêm cầu chì

9.2 Điều khiển động cơ bằng khởi động từ đơn:

a Công dụng: Khởi động từ đơn là một loại khí cụ điện hạ áp đợc sử dụng để điều khiển đóng cắt từ xa và bảo vệ quá tải cho động cơ điện

b Cấu tạo: Khởi động từ đơn gồm một công tắc tơ và một bộ rơle nhiệt ghép lại với nhau(bộ rơle nhiệt có từ 2-3 rơle)

c Sơ đồ điều khiển động cơ điện:

- Mạch động lực gồm : cầu dao, cầu chì, tiếp điểm công tắc tơ K2, cuộn dây dòng điện của rơle nhiệt

- Mạch điều khiển gồm : nút ấn dừng D (stop) thờng đóng, nút ấn mở máy M thờng mở (start) Nếu hộp nút bấm điều khiển kép sẽ có 3 nút ấn : dừng D (stop) điều khiển động cơ quay thuận MT (For), Điều khiển động cơ quay ngợc MN (REV) Cuộn dây công tắc tơ

K, tiếp điểm tự duy trì của công tắc tơ K1 và tiếp điểm 1RN, 2RN của Rơle nhiệt

Muốn đóng điện cho động cơ điện trớc hết đóng cầu dao, nhng động cơ vẫn cha có

điện vì K2 đang mở Muốn khởi động nhấn nút đóng M thì công tắc tơ K có điện, nó sẽ đóng tiếp điểm K1 để tự duy trì đồng thời đóng tiếp điểm K2 đa điện vào cho động cơ khởi động Khi khởi động cơ đang làm việc nếu bị quá tải rơle nhiệt RN sẽ tác động mở tiếp điểm thờng

a b c

D

M

k

2kn 1kn

m

k

đóng 1RN và 2RN làm cho công tắc tơ K bị mất điện khi đó K1 và K2 sẽ đợc mở ra cắt điện khỏi động cơ.

Muốn cắt điện động cơ nhấn nút cắt C công tắc tơ K mất điện do đó K1 và K2sẽ mở

ra Nếu động cơ hay mạch động lực hoặc mạch điện điều khiển bị ngắn mạch thì cầu chì sẽ tác động cắt mạch

d u nhợc điểm và phạm vi ứng dụng:

Khởi động từ u điểm hơn cầu dao ở chỗ điều khiển đóng cắt từ xa nên an toàn cho ngời thao tác đóng cắt nhanh, bảo vệ đợc quá tải cho động cơ, khoảng không gian lắp đặt và thao tác gọn (một tủ điện có thể lắp đặt nhiều động cơ) Vì vậy đựoc sử dụng rộng rãi cho mạch điện hạ áp

9.3 Điều khiển động cơ bằng khởi động từ kép:

a Công dụng: Khởi động từ kép là một loại khí cụ điện hạ áp đợc sử dụng để điều khiển đóng cắt, bảo vệ quá tải và đảo chiều quay cho động cơ điện

b Cấu tạo: Khởi động từ kép gồm 2 công tắc tơ và một bộ rơle nhiệt ghép lại với nhau

c Sơ đồ mạch điện và nguyên tắc điều khiển:

Khi đóng cầu dao động cơ vẫn cha có điện vì tiếp điểm KT2 và KN2 đang mở Muốn

động cơ quay theo chiều thuận ta nhấn nút điều khiển MT thì công tắc tơ KT có điện, sẽ đóng tiêp điểm KT1 để tự duy trì, đóng tiếp điểm KT2 trên mạch động lực, đa điện vào cho động cơ khởi động đồng thời mở tiếp điểm KT3 khoá không cho điện vào công tắc tơ điều khiển quay ngợc KN Để tránh trờng hợp khi động cơ đang quay thuận nếu nhấn tiếp nút điều khiển MN

sẽ gây ra ngắn mạch

Muốn đảo chiều quay động cơ phải nhấn nút dừng D thì công tắc tơ KT mới mất điện làm tiếp điểm KT1 và KT2 mở ra, tiếp điểm KT3 đóng lại, chờ cho động cơ dừng hẳn, nhấn nút điều khiển ĐN thì công tắc tơ điều khiển quay ngợc KN có điện, nó sẽ đóng tiếp điểm

KN1 và KN2 đa điện vào cho động cơ khởi động theo chiều quay ngợc lại, đồng thời mở tiếp

điểm KN3 khoá không cho điện vào công tắc tơ điều khiển quay thuận

Muốn cắt điện nhấn nút dừng D, công tắc tơ mất điện do đó tiếp điểm KT2 hoặc KN2

sẽ mở ra cắt điện khỏi động cơ

Nếu động cơ bị quá tải thì rơle nhiệt sẽ tác động mở tiếp điểm 1RN và 2RN công tắc tơ sẽ mất điện do đó KT2 hoặc KN2 mở ra Nếu động cơ bị ngắn mạch thì cầu chì sẽ tác động cắt mạch

kn kt kn

kt kn

hơng III Rơle và cơ cấu điện từ chấp hành

Ô1 khái niệm chung về rơle

1.1 Công dụng :

Rơle điện là một loại thiết bị điện tự động, thờng đợc lắp đặt ở mạch điện nhị thứ, dùng để

điều khiển đóng cắt hoặc báo tín hiệu, bảo vệ an toàn trong quá trình vận hành của thiết bị điệnmạch nhất thứ trong hệ thống điện

1.2 Các bộ phận chính của rơle :

a Cơ cấu tiếp nhận tín hiệu (khối tiếp nhận tín hiệu vào) có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệulàm việc không bình thờng hoặc sự cố trong hệ thống điện từ BU, BI hoặc các bộ cảm biến điện,

để biến đổi thành đại lợng cần thiết cung cấp tín hiệu cho khối trung gian

b Cơ cấu trung gian (khối trung gian) làm nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu đa đến từ khối tiếp nhận tín hiệu, để biến đổi nó thành đại lợng cần thiết cho rơle tác động

c Cơ cấu chấp hành (khối chấp hành) Làm nhiệm vụ phát tín hiệu cho mạch điều khiển

Ví dụ : các khối trong cấu tạo rơle điện từ

ƒ Khối tiếp nhận tín hiệu vào là cuộn dây điện từ

ƒ Khối trung gian là mạch từ

ƒ

Khối chấp hành là hệ thống tiếp điểm

1.3 Phân loại rơle điện :

Có nhiều loại rơle điện với nguyên lý và chức năng làm việc rất khác nhau đợc phân thành các nhóm sau :

a Phân loại theo nguyên lý làm việc : Gồm

ƒ Rơle điện cơ (rơle điện từ, rơle cảm ứng, rơle từ điện, rơle phân cực )

ƒ Rơle từ

ƒ Rơle nhiệt

ƒ Rơle điện tử, bán dẫn, vi mạch

ƒ Rơle số

b Phân loại theo nguyên tắc tác động của cơ cấu chấp hành :

ƒ Rơle có tiếp điểm : đóng ngắt mạch bằng tiếp điểm

ƒ Rơle không có tiếp điểm (rơle tĩnh) tác động đóng cắt mạch bằng cách thay đổi tham số điệntrở, điện cảm hoặc điện dung

c Phân loại theo tín hiệu đầu vào :

ƒ Rơle nhất thứ lắp đặt trực tiếp ở mạch động lực

ƒ Rơle nhị thứ lắp đặt ở mạch nhị thứ thông qua BU, BI, cảm biến

e Phân loại theo trị số và chiều của tín hiệu đầu vào :

ƒ Rơle so lệch

ƒ Rơle định hớng chiều tiếp nhận tín hiệu đầu vào

1.4 Các thông số kỹ thuật cơ bản của rơle điện

a Hệ số điều khiển :

Trong đó : Pđk là công suất điều khiển định mức của rơle (chính là công suất của tiếp

điểm Rơle)

Ptđ là công suất tác động (công suất khối tiếp nhận tín hiệu vào) loại rơle điện

từ chính là công suất của cuộn dây điện từ

b Thời gian tác động :

Ttđ là thời gian kể từ khi khối tiếp nhận có tín hiệu đến khi khối chấp hành làm việc, ví dụ

đối với loại rơle điện từ là quãng thời gian từ khi cuộn dây rơle có điện đến khi tiếp điểm của nó

đóng hoặc mở hoàn toàn

c Hệ số trở về :

Trong đó : Itv là trị số dòng điện trở về xác định bằng cách sau khi tiếp điểm thờng mở rơle đóng hoàn toàn, thí nghiệm giảm từ từ dòng điện khởi động đến khi tiếp điểm rơle mở ra, tại thời điểm đó sẽ đo đợc Itv Ktv càng gần 1 thì rơle càng chính xác

d Độ nhạy của rơle :

Trong đó : IR là dòng điện chạy qua rơle khi ngắn mạch cuối vùng bảo vệ Yêu cầu kỹthuật đối với sơ đồ bảo vệ chính Kn >= 1,5 và đối với sơ đồ bảo vệ dự trữ (dự phòng) Kn >= 1,2

Ô2 rơle điện từ

2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc :

Xét một Rơle nh hình vẽ: khi cho dòng điện đi vào cuộn dây nam châm điện thì nắp sẽ chịu một lực hút F

F =

4

1 2

3

Rơle dòng cực tiểu Ktv > 1

Rơle càng chính xác thì Ktv càng gần 1 Hệ số điều khiển rơle :

Với Pđk là công suất điều khiển

Ptđ là công suất tác động của rơle

có U là điện áp đặt vào cuộn dây

+ Rơle xoay chiều : lực F = 0 (tần số 2f) khi I = 0 Giá trị trung bình của lực hút sẽ là : nếu cuộn dây đặt song song với nguồn U thì

Nam châm xoay chiều khi lực F = 0 lò xo kéo nắp ra do vậy rơle loại này khi làm việc có rung

động gây tiếng kêu, để hạn chế ngời ta sử dụng vòng ngắn mạch

Rơle điện từ có :

- Công suất điều khiển Pđk từ vài (W) đến vài nghìn (W)

- Công suất tác động Ptđ từ vài (W) đến vài nghìn (W)

- Hệ số điều khiển Kđk = (5 - 20)

- Thời gian tác động ttđ = (2 - 20)ms

2.2 Nhợc điểm của rơle điện từ :

Công suất tác động Ptđ tơng đối lớn, độ nhạy thấp, Kđk nhỏ

a. Phân loại theo nguyên tắc tác động :

♦ Rơle dòng điện kiểu điện từ

♦ Rơle dòng điện kiểu cảm ứng

♦ Rơle dòng điện kiểu không tiếp điểm

b. Phân loại theo chức năng bảo vệ :

♦ Rơle dòng điện cực đại

♦ Rơle dòng điện thứ tự không

ri

td

dk dk

δ

U K F R

U

2

2 ''

δ

I K

F =

2

2 ''

δ

U K

F tb =

♦ Rơle dòng điện thứ tự nghịch

♦ Rơle dòng điện so lệch

♦ Rơle dòng điện xung

♦ Rơle dòng điện tần số cao

♦ Rơle dòng điện định hớng

3.3 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc của rơle kiểu điện từ :

a Cấu tạo : nh hình vẽ

- Phần tĩnh gồm : mạch từ số 10 Trên hai nửa mạch từ đợc quấn hai nửa cuộn dây dòng điện số

1, tiếp xúc tĩnh 3, bảng chỉnh định số 6 và giá đỡ trục quay 7

- Phần động gồm : trục quay 9 trên đó có gắn tiếp điểm động 4, lá thép động số 2 và lò xo phản kháng số 8

1. Cuộn dây dòng điện

Khi bộ phận nào đó trong hệ thống điện bị quá dòng, thì dòng điện thứ cấp của biến dòng

điện BI chạy qua cuộn dây rơle tăng lên lớn hơn trị số dòng khởi động của bảo vệ đã đợc chỉnh

định sẵn IR > Ikđbv làm cho lực điện từ rơle sinh ra lớn hơn lực cản lò xo phản kháng số 8, kéo láthép động số 2 quay đi một góc, làm cho trục 9 đa tiếp xúc động 4 đóng chặt vào tiếp xúc tĩnh 3 nối liền mạch cho rơle thời gian hoặc trung gian khởi động

- Cách chỉnh định : gạt cần chỉnh định số 5 để thay đổi sức căng lò xo 8 nhằm thay đổi moment cảm, tức là thay đổi đợc trị số dòng khởi động của rơle Khi Mq > Mc thì rơle sẽ tác động Hoặc cúng có thể thay đổi cách đấu nối hai nửa cuộn dây dòng điện (đấu song song hoặc nối tiếp).3.4 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý làm việc của rơle dòng điện kiểu so lệch :

ở các máy biến áp công suất từ 1000 KVA trở lên thờng đợc lắp đặt nhiều hình thức bảo

vệ trong đó có 3 hình thức bảo vệ chính là : bảo vệ dòng điện cực đại, bảo vệ bằng rơle hơi, bảo

vệ so lệch Mỗi loại bảo vệ có chức năng và nhiệm vụ riêng