Bài 1: LÀM QUEN VỚI THIẾT BỊ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP

1.1. CÔNG TẮC TƠ

1.1.1. Mục đích

-      Trình bày được cấu tạo và nguyên lý của công tắc tơ

-      Đấu lắp và kiểm tra xác định các thông số kỹ thuật của công tắc tơ

1.1.2. Tóm tắt lý thuyết

        Công tắc tơ làm việc dựa trên nguyên tắc nam châm điện, bao gồm các bộ phận chính sau:

-                Lõi thép tĩnh thường được gắn với than (võ) của công tắc tơ

-                Lõi thép động có gắn các tiếp điểm động. Trên lõi thếp động (hoặc tĩnh thường có gắn hai vòng ngắn mạch bằng đồng có tác dụng chống rung khi công tắc tơ làm việc ở điện áp xoay chiều.

-                Cuộn dây điện từ (cuộn hút) có thể làm việc ở điện áp xoay chiều hoặc một chiều

Trong các mạch điện công nghiệp công tắc tơ thường được dung để đóng cắt động cơ điện với tần số đóng cắt lớn và để bảo vệ động cơ thì công tắc tơ được lắp kèm với rơ le nhiệt gợi là bộ khởi động từ.

Khi đấu công tắc tơ và mạch điện ta cần chú ý các thong số kỹ thuật sau:

-                Dòng điện định mức trên công tắc tơ (A)

-                Điện áp định mức của các cặp tiếp điểm (V)

-                Điện áp định mức của cộng hút (V)

-                Nguồn điện sử dụng là nguồn một chiều (DC) hay xoay chiều (AC)

-                Các cặp tiếp điểm chính, phụ, thường đóng (Normal Close – NO)hay thường mở (Normal Open – NO)

Các tiếp điểm và cuộn hút trên công tắc tơ thường được ký hiệu như sau:

Trong đó:

        K là cuộn hút công tắc tơ

        L1-T1, L2-T2, L3-T3 là tiếp điểm động lực

        43-44, 31-32 tiếp điểm điều khiển

1.            Phân loại

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

a)           Phân theo nguyên lí truyền động

+     Công tắc tơ điện từ (truyền động bằng lực hút điện từ, loại này thường gặp).

+     Công tắc tơ kiểu hơi ép.

+     Công tắc tơ kiểu thủy lực.

b)           Phân theo dạng dòng điện

+     Công tắc tơ một chiều

+     Công tắc tơ xoay chiều

c)            Phân 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,...)

2.            Các bộ phận chính của công tắc tơ

Công tắc tơ điện từ có các bộ phận chính như sau:

+     Hệ thống tiếp điểm chính.

+     Hệ thống dập hồ quang.

+     Cơ cấu điện từ.

+     Hệ thống tiếp điểm phụ.

3.            Các yêu cầu cơ bản của công tắc tơ

a)           Điện áp định mức (U_đm)

+     Là điện áp của mạch điện tương ứng mà tiếp điểm chính phải đóng/cắt, có các cấp: + 110V, 220V, 440V một chiều và 127V, 220V, 380V, 500V xoay chiều.

+     Cuộn hút có thể làm việc bình thường ở điện áp trong giới hạn từ 85% đến 105%Uđm.

b)           Dòng điện định mức (I_đm)

+     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 ở trạng thái đóng không lâu quá 8 giờ.

+     Công tắc tơ hạ áp có các cấp dòng thông dụng: 10, 20, 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 cắt và khả năng đóng

+     Là dòng điện cho phép đi qua tiếp điểm chính khi cắt và khi đóng mạch.

Ví du:̣ công tắc tơ xoay chiều dùng để điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc cần có khả năng đóng yêu cầu dòng điện bằng ( 3 ¸ 7)Iđm . Khả năng cắt với công tắc tơ xoay chiều phải đạt bội số khoảng 10 lần dòng điện định mức khi tải cảm.

d)           Tuổi thọ công tắc tơ

-      Tính bằng số lần đóng mở (sau số lần đóng mở ấy công tắc tơ sẽ không dùng được tiếp tục nữa, hư hỏng có thể do mất độ bền cơ khí hoặc bền điện).

-      Độ bền cơ khí: xác định bởi số lần đóng cắt không tải, tuổi thọ cơ khí từ 10 đến 20 triệu lần.

-      Độ bền điện: xác định bởi số lần đóng cắt có tải định mức, công tắc tơ hiện nay đạt khoảng 3 triệu lần.

e)            Tần số thao tác

+     Số lần đóng cắt trong thời gian một giờ bị hạn chế bởi sự phát nóng của tiếp điểm chính do hồ quang. Có các cấp: 30, 100, 120, 150, 300, 600, 1.200 đến 1.500 lần trên một giờ, tùy chế độ công tác của máy sản xuất mà chọn công tắc tơ có tần số thao tác khác nhau.

f)             Tính ổn định lực điện động

+     Cho phép dòng lớn nhất qua tiếp điểm chính mà lực điện động gây ra không làm tách rời tiếp điểm. Quy định dòng thử lực điện động gấp 10 lần dòng định mức.

g)           Tính ổn định nhiệt

+     Công tắc tơ có tính ổn định nhiệt tức là khi có dòng ngắn mạch chạy qua trong khoảng thời gian cho phép thì các tiếp điểm không bị nóng chảy hoặc bị hàn dính.

h)           Hệ thống tiếp điểm

+     Yêu cầu của hệ thống tiếp điểm là phải chịu được độ mài mòn về điện và cơ trong các chế độ làm việc nặng nề, có tần số thao tác đóng cắt lớn, do vậy điện trở tiếp xúc của tiếp điểm công tắc tơ Rtx thường là tiếp xúc đường (tiếp điểm hình ngón hoặc kiểu bắc cầu).

i)              Nguyên lý làm việc của hệ thống dập hồ quang

Ø   Thiết bị dập hồ quang trong công tắc tơ một chiều

Trong công tắc tơ một chiều thường dùng phương pháp dập hồ quang bằng từ trường ngoài. Hệ thống này được chia ra làm ba loại :

+     Hệ thống có cuộn dây dập hồ quang nối nối tiếp (thường được sử dụng do có nhiều ưu điểm như: chiều thổi từ không đổi vì khi dòng điện thay đổi chiều thì chiều từ trường cũng thay đổi theo. Ngoài ra có sụt áp trên cuộn dây dập hồ quang nhỏ).

+     Hệ thống có cuộn dây dập hồ quang nối song song (loại này ít được dùng do nhiều nhược điểm như: chiều lực tác dụng vào hồ quang phụ thuộc chiều dòng tải, cách điện cuộn dập lớn do đấu song song với nguồn, khi sự cố ngắn mạch gây sụt áp thì hiệu quả dập giảm nhiều).

+     Hệ thống dùng nam châm điện vĩnh cửu (về bản chất gần giống cuộn dây mắc song song nhưng có những ưu điểm sau: không tiêu hao năng lượng để tạo từ trường, giảm được tổn hao cho công tắc tơ, không gây phát nóng cho công tắc tơ, vì vậy khi dòng điện bé loại này được sử dụng rộng rãi).

Ø   Thiết bị dập hồ quang trong công tắc tơ xoay chiều

+     Các công tắc tơ xoay chiều thông dụng dùng trong công nghiệp thường bố trí chế tạo có hai điểm ngắt trên một pha (dùng tiếp điểm kiểu bắc cầu).

+     Để nâng cao độ tin cậy làm việc của bộ phận dập hồ quang và để bảo vệ tiếp điểm thường bố trí bổ xung các các biện pháp như:

+     Chia hồ quang ra làm nhiều hồ quang ngắn, hồ quang bị thổi vào hộp cấu trúc bằng nhiều tấm thép ghép song song.

1.1.3. Nội dung thực hành

1.1.3.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị

1.1.3.2. Sơ đồ thực hành

1.1.3.3. Các bước thực hiện

Bước 1: Đọc các thong số kỹ thuật ghi trên nhãn công tắc tơ

Bước 2: Xác định cực đấu dây của cuộn hút.

-                Bằng trực quant a tìm cặp tiếp điểm có đầu dây nối với cuộn hút công tắc tơ hoặc có ghi chỉ số điện áp (thường là 220VAC hoặc 380VAC hoặc 24VDC)

-                Dùng ôm mét đo điện trở hai cực này, nếu ôm mét chỉ giá trị điện trở cở khoảng vài trăm ôm thì đó chính là hai cực đấu dây của cuộn hút.

Bước 3: Xác định các cặp tiếp điểm thường đóng, thường mở

-                Bằng cách quan sát ký hiệu trên các cặp tiếp điểm hoặc dung ôm mét đo từng cặp tiếp điểm. ở trạng thái cuộn hút chưa được cấp điện, cặp tiếp điểm nào thông mạch thì đó là tiếp điểm thường đóng, cặp tiếp điểm nào hở mạch thì đó là tiếp điểm thường mở. Ấn vào núm trên công tắc tơ ta sẽ có các trạng thái ngược lại.

Bước 4: Đấu mạch điện theo hình vẽ

Bước 5: Kiểm tra kỹ lại mạch điện

Bước 6: Hoạt động thử

-                Đóng điện

-                Ấn nút PB₂

Quan sát hoạt động của công tắc tơ và kim của ôm mét

1.1.4. Câu hỏi kiểm tra

1.            Mô tả cấu tạo và chức năng của từng bộ phận trong công tắc tơ. Giải thích rõ nguyên lý chống rung và vòng ngắn mạch đặt trong lõi thép.

2.            Khi điện áp đặt và công tắc tơ quá thấp (<60%U_đm), có hiện tượng gì xãy ra?

1.2. RƠ LE THỜI GIAN

1.2.1. Mục đích

-      Trình bày được cấu tạo và nguyên lý của rơ le thời gian thong dụng

-      Đấu lắp và kiểm tra xác định các thông số kỹ thuật của thời gian thong dụng

1.2.2. Tóm tắt lý thuyết

-                Rơ le thời gian được dung nhiều trong các mạch tự động điền khiển. Nó có tác dụng làm trễ quá trình đóng, mở các cặp tiếp điểm sau một thời gian chỉ định nào đó.

-                Thông thường rơ le thời gian không tác động (tức là đóng hoặc cắt) trực tiếp trên mạch động lực mà nó tác động gián tiếp qua mạch điều khiển, vì vậy dòng điện định mức của các cặp tiếp điêm trên rơ le thời gian không lớn, thường chỉ vài ampe. Bộ phận chính của rơ le thời gian là cơ cấu tác động trễ và hệ thống tiếp điểm.

Theo thời điểm trễ người ta chi thành 3 loại sau:

+     Trễ vào thời điểm cuộn hút được đóng điện (ON DELAY). Xem hình 2-1

Loại này có tiếp điểm thường đóng, mở chậm TS₁₁ và thường mở, đóng chậm TS₁₂

+     Trễ vào thời điểm cuộn hút mất điện (OFF DELAY). Xem hình 2-2

Loại này có tiếp điểm thường đóng, đóng chậm TS₂₁ và thường mở, mở chậm TS₂₂

+     Trễ vào cả hai thời điểm trên (ON/OFF DELAY). Xem hình 2-3

Loại này có tiếp điểm thường đóng, mở đóng chậm TS₃₁ và thường mở, đóng mở chậm TS₃₂

Ngoài ra trên rơ le thời gian còn bố trí them tiếp điểm tác động tức thời như cặp cực 1-3 hay 1-4 trong sơ đồ nói trên

Theo cơ cấu tác động trễ người ta chia làm các loại sau:

-                Rơ le thời gian khí nén, loại này thường được cài trực tiếp vào công tắc tơ.

-                Rơ le thời gian kiểu con lắc.

-                Rơ le thời gian điện từ.

-                Rơ le thời gian điện từ (dung bán dẫn, vi mạch).

Hiện nay người ta thường sử dụng loại rơ le điện từ được sản xuất từ Đài Loan, Trung Quốc, Hàn Quốc…

1.2.3. Nội dung thực hành

1.2.3.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị

1.2.3.2. Sơ đồ thực hành

1.2.3.3. Các bước thực hiện

Bước 1: Đọc các thong số kỹ thuật ghi trên nhãn rơ le thời gian

Bước 2: Xác định cực cấp nguồn

-                Bằng trực quan ta tìm cặp tiếp điểm có ký hiệu cấp nguồn nuôi (dấu tròn gạch chéo, kèm theo giá trị điện áp, thong thường là 220VAC, 24VDC). Sau đó dung ôm mét đo điện trở hai cực này, nếu ôm mét chỉ giá trị điện trở cỡ vài trăm ôm thì đó chính là hai cực cấp nguồn

Bước 3: Xác định các cặp tiếp điểm tác động trễ và cặp tiếp điểm tác động tức thời thông qua các ký hiệu ghi trên nhãn sau đó dung ôm mét kiểm tra lại.

Bước 4: Đấu dây theo sơ đồ 2-5

Bước 5: Điều chỉnh thời gian trễ trên rơ le thời gian

Bước 6: Kiểm tra kỹ lại mạch

Bước 7: Đóng điện, quan sát hoạt động của kim trên ôm mét

Nối que đo sang cặp tiếp điểm khác và lặp lại bước 6,7.

1.2.4. Câu hỏi kiểm tra

1.            Nêu công dụng của rơ le thời gian?

2.            Sự khác nhau giữa tiếp điểm tác động tức thời và tiếp điểm tác động trễ?

1.3. RƠ LE ĐIỆN TỪ

1.3.1. Mục đích

-      Trình bày được cấu tạo và nguyên lý của rơ le điện từ

-      Đấu lắp và kiểm tra xác định các thong số kỹ thuật của rơ le điện từ

1.3.2. Tóm tắt lý thuyết

Rơ le điện từ làm việc dựa trên nguyên tắc nam châm điện, bao gồm các bộ phận chính sau:

-                Lõi thép tĩnh thường được gắn với than (võ) của rơ le điện từ

-                Lõi thép động có gắn các tiếp điểm động. ở trạng thái cuộn hút chưa có điện lá thép động được tách xa khỏi lõi thếp tĩnh nhờ lò xo hồi vị.

-                Cuộn dây điện từ (cuộn hút) được lồng vào lõi thép tĩnh có thể làm việc ở điện áp xoay chiều hoặc một chiều.

-                Nếu tín hiệu điều khiển  hoạt động của rơ le là điện áp (tức là cuộn hút được đấu song song với nguồn điện) thì rơ le điện từ được gọi là rơ le điện áp. Khi đó cuộn hút thường có số vòng dây lớn, tiết diện dây nhỏ - điện trở thuần của cuộn dây lớn. Loại này được dung nhiều trong mạch điện công nghiệp.

-                Ngược lại nếu tín hiệu điều khiển  hoạt động của rơ le là dòng điện (tức là cuộn hút được đấu nối tiếp với phụ tải) thì rơ le điện từ được gọi là rơ le dòng điện. Khi đó cuộn hút thường có số vòng dây ít, tiết diện dây lớn - điện trở thuần của cuộn dây nhỏ.

-                Trong mạch điện công nghiệp rơ le điện từ thường không đóng, cắt trực tiếp trên mạch động lực mà nó tác động gián tiếp qua mạch điều khiển, vì vậy nó còn có tên gọi là rơ le trung gian.

Khi sử dụng rơ le điện từ trong mạch điện ta cần chú ý những thong số kỹ thuật sau:

+     Dòng điện định mức của cuộn hút (đối với rơ le dòng điện) hoặc điện áp định mức của cuộn hút (đối với rơ le điện áp)

+     Dòng điện định mức cá cặp tiếp điểm (A)

+     Điện áp định mức các cặp tiếp điểm.

+     Nguồn điện sử dụng là một chiều (DC) hay xoay chiều (AC)

+     Các cặp tiếp điểm thường đóng hay thường hở

Các cặp tiếp điểm và cuộn hút trên rơ le điện từ thường được ký hiệu như sau:

Hình 3-1

1.3.3. Nội dung thực hành

1.3.3.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị

1.3.3.2. Sơ đồ thực hành

Hình 3-2

1.3.3.3. Các bước thực hiện

Bước 1: Đọc cá thong số kỹ thuật ghi trên nhãn ro le điện áp.

Bước 2: Xác định cực đấu dây vào cuộn hút.

-                Ta có thể xác định thong qua ký hiệu ghi trên nhãn hoặc dung ôm mét tìm cặp tiếp điểm có giá trị điện trở cỡ vài chục đến vài trăm ôm, đó chính là hai cực đấu dây của rơ le điện áp.

Bước 3: Xác định các cặp tiếp điểm thường đóng, thường mở.

-                Bằng cách quan sát ký hiệu trên trên nhãn của rơ le hoặc dùng ôm mét đo từng cặp tiếp điểm. ở trạng thái cuộn hút chưa được cấp điện, cặp tiếp điểm nào thông mạch thì đó là tiếp điểm thường đóng, cặp tiếp điểm nào hở mạch thì đó là tiếp điểm thường mở. Khi cuộn hút rơ le có điện ta sẽ có các trạng thái ngược lại.

Bước 4: Đấu mạch điện theo hình 3-2

Bước 5: Kiểm tra kỹ lại mạch

Bước 6: Hoạt động thử theo các bước sau

-                Đóng điện

-                Ấn nút PB

-                Quan sát hoạt động của ro le và ôm mét

1.3.4. Câu hỏi kiểm tra

1.            Hiện tượng gì xãy ra khi đấu rơ le điện áp xoay chiều vào nguồn một chiều có trị số tương đương hoặc ngược lại?

2.            Sự giống và khác nhau của rơ le dòng điện và điện áp?

3.            Sự giống và khác nhau của rơ le điện từ và công tắc tơ?

1.4. RƠ LE NHIỆT

1.4.1. Mục đích

-      Trình bày được cấu tạo và nguyên lý và công dụng của rơ le nhiệt

-      Đấu lắp và kiểm tra, điều chỉnh rơ le nhiệt

1.4.2. Tóm tắt lý thuyết

Rơ le nhiệt là loại khí cụ điện đóng cắt tiếp điểm nhờ sự co dãn vì nhiệt của các thanh kim loại. Nó thường dung để bảo vệ quá tải cho thiết bị tiêu thụ điện.

Cấu tạo gồm các bộ phận chính sau:

-                Thanh lưỡng kim gồm hai lá kim loại có hệ số dãn nở vì nhiệt khác nhau đem gắn chặt và ép sát vào nhau.

-                Dây đốt nóng (phần tử đốt nóng) làm nhiệm vụ tăng cường nhiệt độ cho thanh lưỡng kim. Một số rơ le nhiệt dung phương pháp đốt nóng trực tiếp trên thanh lưỡng kim nên không có bộ phận này.

-                Cơ cấu đóng ngắt (lẫy tác động) nhận năng lượng trực tiếp từ sự co dãn của thanh lưỡng kim để đóng ngắt tiếp điểm. Hầu hết rơ le nhiệt dung trong điện công nghiệp đều sử dụng cơ cấu này để cách ly về điện giữa tiếp điểm và thanh lưỡng kim, còn một số loại rơ le nhiệt dung trong thiết bị gia dụng thì không sử dụng cơ cấu này mà thanh lưỡng kim thường gắn trực tiếp với tiếp điểm.

Khi sử dụng rơ le nhiệt trong mạch điện ta cần chú ý các thong số kỹ thuật sau:

-                Dòng điện định mức: Đây là dòng điện lớn nhất mà rơ le nhiệt có thể làm việc được trong thời gian lâu dài (A)

-                Dòng tác động (dòng ngắn mạch) dòng điện lớn nhất trước khi ro le nhiệt tác động để các tiếp điểm chuyển trạng thái (tiếp điểm đang đóng sẽ chuyển sang trạng thái ngắt hoặc ngược lại

Để bảo vệ động cơ thì dòng tác động được điều chỉnh như sau:

I_đc = (1,1 đến 1,2) I_đm

Thông thường với dòng điều chỉnh như trên, ở nhiệt độ môi trường là 20⁰C khi dòng quá tải tăng 20%, rơ la nhiệt sẽ tác động làm ngắt mạch sau khoảng 20 phút. Nếu nhiệt độ môi trường cao hơn thì thời gian tác động sớm hơn.

Nguyên lý làm việc

-      Ấn nút điều khiển PB₁, cuộn hút của công tắc tơ K được cấp điện. Nó sẽ đóng các tiếp điểm cấp điện cho động cơ M hoạt động. Ơ chế độ định mức hoặc không tải của động cơ thì dòng điện qua động cơ không vươt quá dòng định mức nên nhiệt lượng trên dây đốt nóng ở mức bình thường và nhiệt độ trên thanh lưỡng kim 5 bình thường. Thanh lưỡng kim chưa bị cong các tiếp điểm thường đóng 2 và thường mở 3 của relay nhiệt chưa tác động, động cơ vẫn hoạt động bình thường.

-      Khi động cơ M bị quá tải dòng điện qua động cơ vượt quá dòng điện định mức làm cho nhiệt lượng trên dây đốt nóng 7 tăng lên, nhiệt độ trên thanh lưỡng kim cũng tăng cao. Do thanh lưỡng kim được chế tạo từ 2 vật liệu có hệ số giãn nở vì nhiệt khác nhau ép sát vào nhau, lá kim loại phía bên phải của thanh lưỡng kim có hệ số giản nở vì nhiệt nhiều hơn nên làm thanh lưỡng kim bị cong về phía bên trái. Khi thanh lưỡng kim bị cong về phía bên trái sẽ đẩy cần gạt 8 sang trái tác động vào đòn bẩy 1 mở tiếp điểm thường đóng 2 ngắt điện mạch điều khiển, cuộn hút công tắc tơ bị ngắt điện các tiếp điểm K mở ra bảo vệ an toàn cho động cơ.

-      Muốn điều chỉnh tiếp điểm đóng cắt ở mức độ khác nhau ta điều chỉnh vít 4 để tăng hay giảm lực căng của lò xo ép vào đòn bẩy 1.

1.4.3. Nội dung thực hành

1.4.3.1. Chuẩn bị dụng cụ, thiết bị

1.4.3.2. Sơ đồ thực hành

Hình 4

1.4.3.3. Các bước thực hiện

Bước 1: Tìm hiểu cấu tạo thực tế và các thong số kỹ thuật của rơ le nhiệt:

-                Giới hạn điều chỉnh dòng điện  I_min             I_max

-                Dòng điện định mức của rơ le

Bước 2: Đấu dây theo hình vẽ

Bước 3: Kiểm tra kĩ lại mạch điện.

Bước 4: Đóng điện, đọc giá trị dòng điện trên ampe met. Giả thiết đây là dòng điện định mức (I_đm) của phụ tải

Bước 5: Điều chỉnh rơ le nhiệt theo các bước sau:

-                Ngắt điện

-                Chỉnh dòng tac động của rơ le nhiệt I_đc

-                Đóng điện

-                Chỉnh biến trở để dòng điện quá tải tăng lên. Dòng điện này ta gọi là dòng quá tải I_qt

-                Quan sát hoạt động của mạch điện. Ghi thời gian tác động T_tđ của rơ le (thời gian kể từ khi bị quá tải đến khi rơ le nhiệt tác động làm chuông kêu) vào bảng.

Bước 6: Lần lượt thay đổi dòng tác động của rơ le nhiệt I_đc và dòng quá tải I_qt. Lặp lại bước 5, ghi kết quả  vào bảng

Chú ý: Mỗi lần thử cách nhau ít nhất 3 phút để nhiệt độ trên rơ le nhiệt trở lại trạng thái nhiệt độ môi trường.

1.4.4. Câu hỏi kiểm tra

1.            Nêu công dụng của rơ le nhiệt

2.            Thời gian tác động của rơ le nhiệt phụ thuộc và yếu tố nào? Rờ le nhiệt có bảo vệ ngắn mạch được không? Tại sao?

1.5. MỘT SỐ KHÍ CỤ ĐIỆN THƯỜNG GẶP KHÁC

1.5.1. Mục đích

-      Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động và công dụng của một số khí cụ điện đóng ngắt, bảo vệ thông dụng như cầu dao, áp tô mát, công tắc, nút ấn…

-      Đấu lắp, vận hành các thiết bị trên

1.5.2. Tóm tắt lý thuyết

1.5.2.1. Công tắc – chuyển mạch

Là loại khí cụ điện đóng ngắt nhờ ngoại lực (có thể bằng tay hoặc điều khiển qua một cơ cấu nào đó…). Trạng thái của công tắc sẽ bị thay đổi khi có ngoại lực tác động và giữ nguyên khi bỏ lực tác động. Thông thường công tắc (chuyển mạch) dung để đóng ngắt mạch điện có công suất nhỏ, điện áp thấp.

-                Theo phương thức kết nối mạch người ta chia thành các loại sau:

+     Công tắc 1 ngả (hình 61-a)

+     Công tắc 2 ngả (hình 61-b)

+     Công tắc 3 ngả (hình 61-c)

…

-                Theo cơ cấu tác động người ta chia thành các loại sau:

+     Công tắc ấn

+     Công tắc gạt

+     Công tắc xoay

+     Công tắc kéo dây

-                Khi lựa chọn công tắc ta cần chú ý đến 2 thông số kỹ thuật sau:

+     Dòng điện định mức

+     Điện áp định mức

-                Trên sơ đồ nguyên lý công tắc (chuyển mạch) thường được ký hiệu như sau:

Hình 6-1

1.5.2.2. Nút ấn

-                Là loại khí cụ điện dùng để đóng, ngắt các thiết bị điện bằng tay. Các cặp tiếp điểm trong nút nhấn sẽ chuyễn trạng thái khi có ngoại lực tác động còn khi bỏ lực tác động nút ấn sẽ trở lại trạng thái cũ. Đó chính là điểm khác biệt cơ bản giữa nút nhấn và công tắc.

-                Trong mạch điện công nghiệp nút ấn thường dung để khởi động, dừng, đảo chiều quay động cơ thong qua công tắc tơ hoặc rờ le trung gian.

-                Theo kết cấu người ta chia thành các loại sau:

+     Nút nhấn đơn (1 tầng tiếp điểm)

+     Nút nhấn kép (2 tầng tiếp điểm)

-                Theo phương thức kết nối mạch người ta chia thành các loại sau:

+     Nút nhấn đơn thường mở (ở trạng thái hở mạch khi chưa có ngoại lực tác động) xem nguyên lý cấu tạo và ký hiệu ở hình 62-a

+     Nút nhấn đơn thường đóng (ở trạng thái đóng mạch khi chưa có ngoại lực tác động) xem nguyên lý cấu tạo và ký hiệu ở hình 62-b

+     Nút nhấn kép sẽ tồn tại đồng thời 2 cặp tiếp điểm ở trạng thái trên (xem nguyên lý cấu tạo và ký hiệu ở hình 62-c)

-                Khi lựa chọn nút nhấn ta cần chú ý đến 2 thông số kỹ thuật sau:

+     Dòng điện định mức

+     Điện áp định mức

-                Trên sơ đồ nguyên lý nút nhấn thường được ký hiệu như sau:

Hình 6-2

1.5.2.3. Cầu chì

-                Là loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị điện và lưới điện khi bị ngăn mạch. Về nguyên tắc thì dây chảy (bộ phận chính của cầu chì) được chế tạo sao cho khả năng chiệu dòng điện của nó kém hơn các phần tử khác trong mạch điện mà nó được dung để bảo vệ ngắn mạch.

-                Như vậy nếu dây chảy chế tạo bằng vật liệu như của dây dẫn thì tiết diện của dây chảy phải bé hơn tiết diện của dây dẫn hoặc đôi khi được chế tạo từ vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của dây dẫn.

-                Nếu cầu chì lựa chọn phù hợp thì khi bị ngắn mạch, dây chảy của cầu chì sẽ bị đứt trước khi các phần tử trong mạch bị phá hỏng.

-                Hiện nay xuất hiện một loại cầu chì có thể bảo vệ quá tải cho thiết bị đó là cầu chì nhiệt độ. Với loại này khi thiết bị sử dụng bị quá tải – nhiệt độ tăng lên quá giới hạn cho phép thì điện trở của cầu chì này tăng rất cao và coi như đã ngắt mạch bảo vệ cho thiết bị. Các thiết bị gia dụng như máy biến áp, quạt điện, máy xay sinh tố, nồi cơm điện thường dùng loại cầu chì này.

-                Trong công nghiệp, hiện nay người ta dung phổ biến loại cầu chì ống được đặt trong giá đỡ bằng nhựa. Giá đỡ này có thể được gá lắp trên thanh cài (thanh ray) rất thuận tiện.

        Khi sử dụng cầu chì cần chú ý các thong số kỹ thuật sau:

-      Dòng điện định mức (A)

-      Điện áp định mức (V)

        Trên sơ đồ nguyên lý cầu chì thong thường được ký hiệu như hình 6-3a và cầu chì rơi trong mạch 3 pha hình 6-3b

Hình 6-3

1.5.2.4. Cầu dao hạ áp

a)           Khái niệm

Cầu dao hạ áp là loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện bằng tay với tần số đóng cắt thấp, điện áp lên tới 500KV.

Theo kết cấu người ta chia ra làm các loại sau:

§    Cầu dao 1 cực

§    Cầu dao 2 cực

§    Cầu dao 3 cực…

Theo vật liệu đế cách điện người ta chia ra làm các loại sau:

§    Cầu dao đế sứ

§    Cầu dao đế nhựa

§    Cầu dao đế gỗ

Theo công dụng người ta chia ra làm 2 loại sau:

§    Cầu dao đóng cắt thông thường: thường dùng đóng cắt phụ tải công suất nhỏ.

Cầu dao cách ly: thường dùng đóng cắt dòng không tải cho các phụ tải trung bình và lớn.

b)           Cấu tạo và nguyên lý làm việc của cầu dao hạ áp

Ø   Cấu tạo chung

Những cầu dao nhỏ thường có kết cấu đơn giản (hình 1.1) còn những cầu dao lớn (cỡ hàng trăm Ampère) thì kết cấu khá phức tạp (hình 1.2).

Hình 1.1.

-                Các cầu dao đơn giản như hình 1.1 thường dùng để đóng cắt mạch điện công suất nhỏ, dòng điện cỡ vài chục Ampe.

-                Các cầu dao cấu tạo phức tạp như hình 1.2 thường dùng để đóng ngắt mạch điện công suất tương đối lớn, dòng điện cỡ vài trăm Ampère. Trong trường hợp này khi ngắt mạch dòng ngắt mạch lớn nên hồ quang phát sinh lớn còn gây nguy hiểm cho người thợ vận hành. Để khắc phục hiện tượng này người ta có thể giảm dòng ngắt mạch và khi đóng ngắt mạch phải thao tác một cách dứt khoát.

Hình 1.2.

-                Để giảm dòng ngắt mạch thì trước khi ngắt cầu dao, người ta phải cắt điện các phụ tải trước. Như vậy cầu dao này chỉ có nhiệm vụ đóng ngắt dòng không tải rất thuận tiện cho quá trình sửa chữa mạch điện và vì vậy nó còn có tên gọi là cầu dao cách ly. Hệ thống điều khiển động cơ 3 pha gồm : cầu dao – cầu chì – khởi động từ đơn là một ví dụ. Trong hệ thống này khi ta đóng cầu dao thì động cơ chưa hoạt động ngay (tức là đóng điện không tải) còn khi cắt điện thì công tắc tơ phải được cắt điện trước (tức là động cơ đã ngừng hoạt động) sau đó ta mới ngắt cầu dao (tức là cầu dao chỉ ngắt dòng không tải).

-                Để giúp cho việc ngắt mạch điện bằng cầu dao một cách nhanh chóng và dứt khoát người ta bố trí thêm lưỡi dao phụ như sơ đồ nguyên lý cấu tạo hình 1.3.

-                Bộ phận chính của nó gồm: Giá đỡ (1), đế cách điện (2), tiếp xúc tĩnh – ngàm (3), lưỡi dao phụ (4), tay gạt (5), lưỡi dao chính (6), lò xo bật nhanh (7).

-                Ngoài ra, người ta còn trang bị thêm cho cầu dao hệ thống bảo vệ ngắn mạch điện. Với cầu dao công suất nhỏ thường trang bị các dây chảy bằng đồng hoặc chì, còn các cầu dao công suất lớn thường trang bị cầu chì ống, bên trong có chứa cát và dây chảy, lớp cát này có tác dụng tản nhiệt và chặn hồ quang, bảo vệ cho vỏ sứ khỏi bị nứt vỡ khi có hiện tượng ngắn mạch.

Ø   Nguyên lý làm việc

(xem sơ đồ nguyên lý cấu tạo hình 1.3)

-                Khi đóng mạch điện ta kéo tay gạt (5) lên, lưỡi dao phụ số  (4) sẽ tiếp xúc với ngàm (3) trước, sau đó đến lượt lưỡi dao chính (6).

-                Khi ngắt mạch điện, ta kéo tay gạt (5) xuống, lưỡi dao chính sẽ di chuyển khỏi ngàm trước, làm cho lò xo (7) bị kéo căng,  đồng thời lưỡi dao phụ (4) cũng di chuyển và tách khỏi ngàm, nhưng nhờ có lực căng của lò xo (7) nên lưỡi dao phụ tách khỏi ngàm một cách dứt khoát, mạch điện được cắt đột ngột, hạn chế được sự  phát sinh của hồ quang.

Hình 1.3

c)            Thông số kỹ thuật và cách chọn lựa cầu dao  hạ áp

Khi lựa chọn cầu dao ta cần chú ý các thông số kỹ thuật chính như sau:

Dòng điện định mức của cầu dao (A). dòng điện này không được nhỏ hơn dòng điện tính toán của phụ tải.

Để tiết kiệm người ta thường chọn I_đm= (1,2÷1,5).I_tt

Điện áp làm việc của cầu dao (V). Đây là điện áp cách điện an toàn giữa các bộ phận tiếp điện với đế cách điện của cầu dao. Điện áp này phụ thuộc vào điện áp của lưới điện mà cầu dao sử dụng. Về nguyên tắc điện áp này không nhỏ hơn điện áp cực đại của lưới điện.

Số cực (số lưỡi dao chính).

d)           Áp tô mát

Ø   Khái niệm

Là loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt điện bằng tay nhưng có thể tự động ngắt mạch điện khi có sự cố quá tải hoặc ngắn mạch.

Theo cơ cấu tác động tự ngắt người ta chia ra 3 loại sau:

§    Áp tô mát nhiệt: tác động nhờ cơ cấu điện-nhiệt, như vậy thời gian tác động sẽ rất chậm. Loại này thường dùng để bảo vệ quá tải.

§    Ap tô mát điện từ: tác động nhờ cơ cấu điện -từ , như vậy thời gian tác động sẽ rất nhanh. Loại này thường dùng để bảo vệ ngắn mạch.

§    Ap tô mát điện từ nhiệt

Theo kết  cấu người ta chia ra làm các loại sau:

§    Ap tô mát 1 cực

§    Ap tô mát 2 cực

§    Ap tô mát 3 cực

Theo điện áp sử dụng người ta chia ra làm các loại sau:

§    Ap tô mát một pha (có 1 hoặc 2 cực)

§    Ap tô mát ba pha (có 3 cực)

Theo công dụng người ta chia làm các loại sau:

§    Ap tô mát dòng cực đại

§    Ap tô mát điện áp thấp

§    Ap tô mát chống giật

§    Ap tô mát đa năng…

Ø   Cấu tạo và nguyên lý làm việc của áp tô mát dòng cực đại và điện áp thấp

Cấu tạo chung

Hình dáng và cấu tạo của một áp tô mát ba pha thông thường hình 1.4. Tuỳ theo chức năng cụ thể mà áp tô mát có thể  có đầy đủ hoặc một số bộ phận chính như sau:

§    Hệ thống tiếp điểm và bộ phận dập hồ quang

§    Cơ cấu tác động (cơ cấu ngắt mạch) nhiệt: cơ cấu này làm nhiệm vụ ngắt mạch khi quá tải, hoạt động dựa trên sự co giãn vì nhiệt của thanh lưỡng kim tương tự như rơ le nhiệt thông thường.

§    Cơ cấu tác động điện từ: cơ cấu này gồm 1 nam châm điện (cuộn dây điện từ và lõi thép) làm nhiệm vụ ngắt mạch khi có hiện tượng ngắn mạch, hoạt động tương tự rơ le điện từ. Về nguyên tắc khi có hiện tượng ngắn mạch thì cơ cấu tác động điện từ sẽ tác động trước, vì vậy nếu 1 áp tô mát được trang bị cả hai cơ cấu trên thì dòng điện tác động tức thời phải có giá trị lớn hơn nhiều dòng điện tác động chậm.

Hình 1.4

Ø   Nguyên lý làm việc của áp tô mát dòng cực đại

Xem nguyên lý cấu tạo trên hình 1.5.

Hình 1.5.

-                Khi đóng áp tô mát bằng tay thì các tiếp điểm (2) của áp tô mát đóng lại để cấp điện cho phụ tải làm việc.

-                Khi mạch điện bị quá tải, dòng điện quá tải chạy qua phần tử đốt nóng (8) lớn hơn bình thường. Nó sẽ đốt nóng thanh lưỡng kim làm cho thanh lưỡng kim bị cong lên tác động vào đòn bẩy số (4). Đòn bẩy (4) sẽ đập và lẫy (7), mở ngàm (3), lò xo (1) kéo tiếp điểm (2) mở ra – mạch điện bị cắt.

-                Thời gian mở tiếp điểm (2) phụ thuộc vào dòng điện quá tải, dòng điện càng lớn thời gian cắt càng nhanh.

-                Trường hợp phụ tải bị ngắn mạch, dòng điện rất lớn đi qua cuộn dây (5) (tiết diện dây lớn, ít vòng) lập tức hút đòn bẩy (4) tác động làm cho ngàm (3) mở, lò xo (1) kéo tiếp điểm (2)mở ra. Như vậy mạch điện bị cắt tức thời nhờ lực điện từ của cuộn dây (5).

-                Trường hợp mất điện nguồn hoặc điện áp thấp thì lực hút của cuộn dây điện áp (9) (dây nhỏ nhiều vòng) sẻ không thắng lực kéo của lò xo làm đòn (6) bật lên, tác động vào lẫy (7) mở ngàm (3) – tự động ngắt điện khi điện áp thấp hoặc mất điện.

Lưu ý: trên sơ đồ hình 1.5 chỉ minh hoạ cơ cấu tự ngắt của 1 pha, cơ cấu tự ngắt của các pha còn lại tương tự.

Ø   Cấu tạo và nguyên lý làm việc của áp tô mát chống giật

-                Ap tô mát chống giật 1 pha:

·               Cấu tạo

Xem sơ đồ nguyên lý cấu tạo trên hình 1.6a,b.

·               Nguyên lý làm việc

-                Khi không có dòng rò từ dây pha, ta nhận thấy trị số dòng điện tức thời chạy qua dây pha và dây trung tính luôn bằng nhau (i_L=i_N) nhưng luôn ngược chiều nhau. Tương ứng từ thông do 2 dòng điện này sinh ra có cùng độ lớn và ngược chiều nhau nên từ thông tổng chạy trong lõi thép hình xuyến bị triệt tiêu:

o      F_T=F_L+F_N=0

-                Cuộn thứ cấp (8) sẽ không có điện áp cảm ứng cấp cho cuộn dây (6). Hệ thống giữ nguyên trạng thái, phụ tải làm việc bình thường.

-                Khi có người hoặc vật chạm vào dây pha sẽ xuất hiện dòng rò từ dây pha đi qua người hoặc vật xuống đất, khi đó trị số dòng điện chạy qua dây pha lớn hơn dây trung tính (I_L=I_R+I_N) và ngược chiều nhau. Tương ứng, từ thông do hai dòng điện này sinh ra có độ lớn và chiều khác nhau nên từ thông tổng chạy trong lõi thép hình xuyến không bị triệt tiêu (F_T=F_L+F_N>0). Cuộn thứ cấp (8) có điện áp cảm ứng cấp cho cuộn dây (6). Cuộn (6) sẽ hút lõi thép (5), tác động vào lẫy (3) mở ngàm (2) mạch điện tự động cắt điện.

-                Tuy nhiên, nếu có hiện tượng rò điện ở mạch điện phía trên áp tô mát thì dòng I_L và dòng I_N vẫn bằng nhau, áp tô mát sẽ không tự ngắt.

-                Đối với áp tô mát chống giật dây trung tính của phụ tải phải được đấu vào cực dưới của áp tô mát. Còn nếu dây trung tính được đấu ở vị trí khác (cực phía trên hoặc nối đất chẳng hạn) thì áp tô mát sẽ ngắt ngay khi ta đóng mạch điện

Hình 1.6

-                Người ta có thể quấn cuộn sơ cấp của lõi thép vài vòng để tăng độ nhạy cho áp tô mát hoạt động hoặc dùng mạch điện tử. Hình 1.7 giới thiệu hình dáng và sơ đồ mạch điện của áp tô mát chống giật 1 pha hiệu F362 của Mỹ sản xuất.

Hình 1.7.

·               Nguyên lý hoạt động như sau:

-                Khi có người hoặc vật chạm vào dây pha, chỉ cần xuất hiện dòng rò rất nhỏ (cỡ mA) từ dây pha qua người hoặc xuống đất làm xuất hiện trên cuộn thứ cấp một điện áp cảm ứng. Điện áp này sẽ kích vào chân G của thyristor (SCR) làm SCR dẫn. Tuy SCR dẫn dòng điện một chiều nhưng nhờ cầu diode D1÷D4 mà chúng tạo thành khoá điện xoay chiều cấp điện cho cuộn hút (6) làm việc. Cụ thể:

-                Bán kỳ dương dòng điện chạy từ N⁺ ® cuộn dây (6) ® D₂® SCR® D₃® N^-

-                Bán kỳ âm dòng điện chạy từ N⁺® D₄® SCR® D₁® cuộn dây (6) ® L^-

-                Đối với SCR chỉ cần điện áp kích thích cỡ vài vol là SCR có thể dẫn, khi đó cuộn dây (6) có điện chạy qua (như phân tích trên) và áp tô mát tự ngắt mạch. Như vậy nhờ mạch điện tử mà độ nhạy của áp tô mát chống giật tăng lên rất nhiều.

-                Trong trường hợp muốn cắt khẩn cấp, ta có thể ấn vào nút ấn thường mở (K) để tạo ra sự chênh lệch về trị số dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp, lập tức áp tômát bị ngắt điện.

-                Trong mạch sử dụng SCR mã hiệu BT1690 và diode mã hiệu 1N4007.

·               Ap tô mát chống giật 3 pha:

Xem sơ đồ nguyên lý cấu tạo hình 1.8

-                Kết cấu tương tự áp tô mát chống giật 1 pha, chỉ khác là 3 dây pha và một dây trung tính đều lồng qua lõi thép. Nếu không có hiện tượng rò điện từ các dây pha thì dòng điện qua dây trung tính cân bằng tổng dòng điện qua các dây pha nên từ thông trong lõi thép bị triệt tiêu, cuộn thứ cấp khôngcó điện áp – áp tô mát làm việc bình thường. Nếu có hiện tượng rò điện từ một trong các dây pha thì dòng điện qua dây trung tính không cân bằng với tổng dòng điện qua các dây pha nên từ thông trong lõi thép không bị triệt tiêu, cuộn thứ cấp có điện áp Cuộn hút (6) làm việc, áp tô mát tự ngắt.

Hình 1.8.

Chú ý: khi chọn áp tô mát chống giật bạn phải chú ý đến một thông số rất là quan trọng đó là dòng rò (thường từ 30 – 50mA). Khi lắp đặt hệ thống điện ở nơi có độ ẩm cao, dễ gây tai nạn điện giật như trong nhà tắm, trạm bơm nước … bạn nên sử dụng áp tô mát này.

·               Thông số kỹ thuật và cách lựa chọn áp tô mát

Khi lựa chọn áp tô mát ta cần chú ý đến các thông số kỹ thuật chính như sau:

§    Dòng điện định mức của áp tô mát I_dm (A). Đây là dòng điện nhỏ nhất cho phép áp tô mát làm việc trong thời gian lâu dài mà không bị tác động (không bị ngắt). Dòng điện này không được nhỏ hơn dòng điện tính toán của phụ tải.

§    Dòng điện bảo vệ ngắn mạch của áp tô mát I_nm (A). Đây là dòng điện nhỏ nhất (tác động trong thời gian rất ngắn) đủ để làm cho áp tô mát tự ngắt. Chỉ những áp tô mát có kết cấu ngắt kiểu điện từ mới có các thông số này. Đối với áp tô mát loại này khi chọn để đóng ngắt động cơ thì dòng điện này không được nhỏ hơn dòng khởi động động cơ (I_nm>I_kđ).

§    Dòng điện bảo vệ quá tải của áp tô mát I_qt (A): dòng điện này có thể điều chỉnh được nhờ các vít điều chỉnh đặt bên trong áp tô mát. Thông thường nhà chế tạo đã chỉnh định sẵn và gắn keo, trong một số trường hợp ta có thể chỉnh lại theo giá trị sau.

                        I_qt = (1,1 ÷ 1,2).I_tt

§    Điện áp làm việc của áp tô mát: (điện áp định mức của áp tô mát). Điện áp này được chọn phụ thuộc vào điện áp của lưới điện mà áp tô mát sử dụng.

§    Số cực của áp tô mát: loại 1 cực, hai cực hay ba cực.