Giáo trình Kỹ thuật điện – điện tử - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP. HCM

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:116

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Kỹ thuật điện – điện tử cung cấp những kiến thức lý thuyết và thực hành về kỹ thuật điện, điện tử. Trong đó phần lý thuyết gồm có 3 chương như sau: Chương I: kỹ thuật điện; chương II: linh kiện điện tử căn bản; chương III: kỹ thuật số. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật điện – điện tử - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP. HCM

1 TRƯỜNG CAO KINH TẾ - KỸ THUẬT VINATEX TP.HCM GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Thành Phố Hồ Chí Minh – 2017
2
3 PHẦN A: LÝ THUYẾT Chương I: KỸ THUẬT ĐIỆN I. MẠCH ĐIỆN: 1. Khái niệm chung:  Mạch điện: là một hệ gồm các thiết bị điện, điện tử ghép lại trong đó xảy ra các quá trình truyền đạt, biến đổi năng lượng hay tín hiệu điện từ đo bởi các đại lượng dòng điện, điện áp. Mạch điện có 2 loại phần tử chính là nguồn và phụ tải được nối với nhau bằng dây dẫn theo một cách thức nhất định thông qua các thiết bị phụ trợ (hình 1-1). Hình 1.1  Nguồn điện: là các phần tử dùng để cung cấp năng lượng điện hoặc tín hiệu điện cho mạch, ví dụ như máy phát điện, ắc quy, cảm biến nhiệt … Nguồn điện có thể là nguồn một chiều hoặc xoay chiều. - Nguồn một chiều: Pin, acquy, máy phát điện một chiều... - Nguồn xoay chiều: Lấy từ lưới điện, máy phát điện xoay chiều.  Phụ tải: là các thiết bị nhận năng lượng điện hay tín hiệu điện để chuyển hóa thành một dạng năng lượng khác, như dùng để thắp sáng (quang năng), chạy các động cơ điện (cơ năng), dùng để chạy các lò điện (nhiệt năng)..., ký hiệu bằng điện trở R hoặc bằng trở kháng Z.  Các thiết bị phụ trợ: như các thiết bị đóng cắt (cầu dao, công tắc...), các máy đo (ampemet, vônmet, wattmet …), các thiết bị bảo vệ (cầu chì, aptômát ... ). Một mạch điện phức tạp bao gồm nhiều nhánh kết nối với nhau tạo thành các mạch vòng khép kín (mắt) giao kết tại các nút: - Nhánh: là một phần của mạch điện, trong đó các phần tử mạch mắc nối tiếp với nhau sao cho có cùng một dòng điện chạy qua. - Nút: là chỗ giao nhau của các nhánh. - Mắt: là một mạch vòng khép kín liên kết nhờ các nhánh. Ví dụ: Mạch điện trên (hình 1-2) gồm 5 nhánh AB, AC, CB, CD và BD kết nối với nhau tạo thành 4 nút A, B, C và D. Các mạch vòng Hình 1.2 khép kín tạo thành các mắt (ACBA), (BCDB) và (ACDBA).
4 2. Các định luật cơ bản: 2.1. Định luật Ohm: U U - Mạch điện 1 chiều: I  - Mạch điện xoay chiều: I  R Z 2.2. Định luật Kirchhoff 1: Định luật Kirchhoff 1 còn gọi là định luật Kirchhoff về dòng điện, được phát biểu như sau : Tổng đại số các dòng điện tại một nút bất kỳ bằng không:  k  0 nút trong đó, nếu qui ước dòng điện đi đến nút mang dấu dương (+) thì dòng điện rời khỏi nút phải mang dấu âm (-) và ngược lại. Ví dụ : Áp dụng định luật Kirchhoff 1, viết tại nút K ở hình 1.3 . Ta có: 2.3. Định luật Kirchhoff 2: Định luật này còn gọi là định luật Kirchhoff về điện áp, được phát biểu như sau: Tổng đại số các điện áp trên các phần tử dọc theo tất cả các nhánh trong một vòng kín với chiều tùy ý bằng không:  uk  0 vòng Nếu chiều mạch vòng đi từ cực + sang - của một điện áp thì điện áp đó mang dấu +, còn ngược lại mang dấu -. Ví dụ: Như trên hình 1.4, áp dụng định luật Kirchhoff về điện áp viết phương trình điện áp cho hai mạch vòng I và II, như sau : u1 - u2 + e2 - e1 = 0 u1 - u3 + e3 - e1 = 0 3. Các biến đổi tương đương: Hai phần mạch được gọi là tương đương nếu quan hệ giữa dòng điện và điện áp trên các cực của hai phần mạch là như nhau. 3.1. Các nguồn sức điện động mắc nối tiếp: sẽ tương đương với một nguồn sức điện động duy nhất có trị số bằng tổng đại số các sức điện động đó: etđ =   ek ( hình 1.5a)
5 Hình 1.5a: Các nguồn áp nối tiếp Hình 1.5b: Các nguồn dòng song song 3.2. Các nguồn dòng điện mắc song song: sẽ tương đương với một nguồn dòng duy nhất có trị số bằng tổng đại số các nguồn dòng đó: jtđ =   jk ( hình 1.5b) 3.3. Các phần tử điện trở mắc nối tiếp: sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có điện trở bằng tổng các điện trở các phần tử đó: Rtđ =  Rk ( hình 1.6a) Hình 1.6a: Điện trở ghép nối tiếp Hình 1.6b: Điện trở ghép song 3.4. Các phần tử điện trở mắc song song: sẽ tương đương với một phần tử điện trở duy nhất có điện dẫn bằng tổng các điện dẫn các phần tử đó: Gtđ =  Gk ( hình 1.6b) 3.5. Nguồn sức điện động mắc nối tiếp với một điện trở: sẽ tương đương với một nguồn dòng mắc song song với điện trở đó và ngược lại ( hình 1.7). Hình 1-7 3.6. Phép biến đổi sao – tam giác ( Y   ): ( hình 1.8) Hình 1-8
6 4. Các phương pháp phân tích mạch điện 1 chiều: 4.1. Phương pháp dòng điện nhánh:  Các bước thực hiện: Phương pháp này có ẩn số trực tiếp là các dòng điện nhánh: - Bước 1: Xác định số nhánh n và số nút d của mạch. Chọn chiều tùy ý dòng điện trong các nhánh và chiều mắt lưới độc lập (nếu bài toán chưa cho). - Bước 2: Lập hệ phương trình mạch điện: o Lập (d-1) phương trình nút theo định luật Kirhhoff 1 (K1). o Lập (n-d+1) phương trình vòng hoặc mắt lưới (nếu là mạch phẳng) theo định luật Kirhhoff 2 (K2). - Bước 3: Giải hệ phương trình mạch điện trên để tìm trị số dòng điện trong các nhánh (Chú ý: nếu dòng điện tìm được có giá trị âm thì kết luận chiều của dòng điện đó trong mạch là chiều ngược lại). Ví dụ : Tìm dòng điện trong các nhánh của mạch điện sau đây: Giải: B1: Mạch điện trên có 5 nhánh, 3 nút. Chiều dòng điện trong các nhánh đã cho sẵn. Chọn chiều mắt lưới như hình 1.9. B2: Lập hệ 5 phương trình mạch điện: - Tại nút A: I4 = I1 + I5 (1) - Tại nút B: I3 + I5 = I2 (2) - Vòng ACA: 2I4 + 2I1 = 16 (3) - Vòng ACBA: 4I3 – 2I4 – I5 = 0 (4) - Vòng BCB: 12I2 + 4I3 = 12 (5) B3: Giải hệ 5 phương trình trên, ta được: I1 = 4,5 (A); I2 = 0,5 (A); I3 = 1,5 (A); I4 = 3,5 (A); I5 = -1 (A) Vậy dòng I5 có chiều ngược lại so với hình 1.9. 4.2. Phương pháp thế nút:  Các bước thực hiện: - Bước 1: Xác định số nút d của mạch. Chọn chiều tùy ý dòng điện trong các nhánh (nếu bài toán chưa cho). Nếu trong mạch có chứa nguồn áp mắc nối tiếp với một trở kháng thì cần thay chúng bằng nguồn dòng tương đương.
7 - Bước 2: Chọn tùy ý 1 nút (nút gốc) có điện thế bằng 0. Viết phương trình thế các nút còn lại (mạch có n nút thì viết n-1 phương trình). - Bước 3: Giải hệ phương trình thế nút trên để tìm ra các thế nút. - Bước 4: Suy ra dòng trong từng nhánh theo định luật Ohm trong từng đoạn mạch.  Chú ý: - Nút gốc có thể chọn tuỳ ý, thường ta chọn nút có nhiều nhánh nối tới nhất làm nút gốc. - Điện thế (gọi tắt là thế) của một nút được định nghĩa là điện áp của nút đó so với nút gốc. - Trở kháng của nguồn áp bằng 0, trở kháng của nguồn dòng bằng . Trong trường hợp tổng quát đối với mạch có d nút, người ta chứng minh được hệ phương trình đối với (d-1) thế nút có dạng sau: Y111  Y12  2  ...  Y1 d 1  d 1  J đ 1 (Phương trình viết cho nút 1) Y211  Y22  2  ...  Y2 d 1  d 1  J đ 2 (Phương trình viết cho nút 2) …………………………………… Y d 111  Y d 1 2  2  ...  Y d 1 d 1  d 1  J đ  d 1 (Phương trình viết cho nút d-1) trong đó: o Yii (i = 1 ÷ d-1) = tổng các dẫn nạp của các nhánh nối tới nút i. o Yij = Yji (i = 1 ÷ d-1, j = 1 ÷ d-1, i  j ) = - (tổng các dẫn nạp của các nhánh nối giữa 2 nút i và j) o J đi = tổng đại số các nguồn dòng chảy vào nút i, mang dấu “+” nếu nguồn dòng chảy vào nút I, ngược lại mang dấu “-” 4.3. Phương pháp dòng mắt lưới:  Các bước thực hiện: - Bước 1: Xác định số nhánh n, số nút d của mạch  số mắt lưới (n-d+1). Chọn chiều tùy ý dòng điện trong các nhánh, các dòng điện mắt lưới (nếu bài toán chưa cho). Nếu trong mạch có nguồn dòng mắc song song với một trở kháng thì cần thay chúng bằng nguồn áp tương đương. - Bước 2: Viết hệ phương trình (n-d+1) dòng mắt lưới bằng định luật Kirchhoff 2. - Bước 3: Giải hệ phương trình trên, ta tìm được giá trị của các dòng mắt lưới. - Bước 4: Tìm ra các dòng nhánh theo nguyên tắc: o Nếu chỉ duy nhất 1 dòng mắt lưới chạy qua nhánh thì dòng mắt lưới đó chính là dòng nhánh. o Nếu có nhiều dòng mắt lưới chạy qua cùng 1 nhánh thì xếp chồng tất cả các dòng mắt lưới đó lại, ta sẽ có dòng nhánh. Trong trường hợp tổng quát đối với mạch có d nút, n nhánh, số mắt lưới L = n – d + 1, người ta chứng minh được hệ phương trình đối với L dòng mắt lưới có dạng sau: Z11 I m1  Z12 I m 2  ...  Z 1 L I mL  E m1 (Phương trình viết cho mắt lưới 1)
8 Z 21 I m1  Z 22 I m 2  ...  Z 2 L I mL  E m 2 (Phương trình viết cho mắt lưới 2) …………………………………… Z L1 I m1  Z L 2 I m 2  ...  Z LL I mL  E mL (Phương trình viết cho mắt lưới L) trong đó: o Zii (i = 1 ÷ L) = tổng các trở kháng của các nhánh thuộc mắt lưới i. o Zij = Zji (i = 1 ÷ L, j = 1 ÷ L, i  j ) =  (tổng các trở kháng của các nhánh chung giữa 2 mắt lưới i và j), lấy dấu “+” nếu trên các nhánh chung hai dòng mắt lưới chảy cùng chiều nhau, lấy dấu “-” trong trường hợp ngược lại. Nếu ta chọn tất cả các dòng mắt lưới có cùng chiều với nhau thì trên nhánh chung giữa hai mắt lưới hai dòng điện mắt lưới luôn chảy ngược chiều nhau, do đó luôn lấy dấu “-”. o Emi = tổng đại số các sức điện động thuộc mắt lưới i, nếu chiều dòng mắt lưới i đi từ cực – đến cực + của một nguồn sức điện động thì nguồn sức điện động đó mang dấu “+”, ngược lại lấy dấu “-”. 4.4. Phương pháp xếp chồng: Nguyên lý xếp chồng như sau: Đáp ứng tạo bởi nhiều nguồn kích thích tác động đồng thời thì bằng tổng các đáp ứng tạo bởi mỗi nguồn kích thích tác động riêng rẽ. Mạch có 2 nguồn kích thích là nguồn dòng độc lập J1 và nguồn áp độc lập E2. Nếu chỉ cho một mình E2 tác động, triệt tiêu J1 thì ta có mạch hình 1.10b với các đáp ứng I1' , I 2' , I 3' . Nếu chỉ cho một mình J1 tác động còn E2 triệt tiêu thì ta có mạch hình 1.10c với các đáp ứng I1'' , I 2'' , I3'' . Hình 1.10 Theo nguyên lý xếp chồng: I1  I1'  I1'' ; I 2  I 2'  I 2'' ; I 3  I 3'  I 3'' II. TỪ TRƯỜNG: 1. Khái niệm chung: - Từ trường là một dạng vật chất bao xung quanh hạt mang điện chuyển động và tác dụng lực từ lên hạt mang điện khác chuyển động trong đó.
9 - Đường sức từ trường: là đường cong mà tiếp tuyến tại mỗi điểm của nó trùng với trục kim nam châm đặt tại điểm đó. Chiều của đường sức từ trường là chiều từ cực nam sang cực bắc của kim nam châm đó. 2. Các đại lượng từ cơ bản của từ trường: 2.1. Cường độ từ cảm (cảm ứng từ): B - Cường độ từ cảm là đại lượng đặc trưng cho tác dụng lực của từ trường. ur - B tại một điểm là 1 vectơ có phương trùng tiếp tuyến của đường sức đi qua điểm F đó, có chiều cùng chiều đường sức từ và có độ lớn: B  Il sin  trong đó: F : Lực từ tác dụng lên dây dẫn [N] I : Cường độ dòng điện qua dây [A] l : Chiều dài dây dẫn [m] B : Cảm ứng từ tại điểm xét [T]: 1T = 104Gs 2.2. Từ thông:  Từ thông qua mặt S là tổng các đường sức từ xuyên vuông góc qua mặt S đó (còn ur gọi là thông lượng của B qua mặt S):  = BS trong đó: B : Cảm ứng từ [T] S : Diện tích mặt giới hạn [m2]  : Từ thông [Wb] 2.3. Hệ số từ thẩm tương đối:  Là tỉ số giữa cảm ứng từ trong môi trường chân không và cảm ứng từ trong môi B trường bất kỳ do cùng một dòng điện kích từ gây ra:   B  B0 B0 2.4. Cường độ từ trường: H Là đại lượng đặc trưng cho khả năng gây từ của dòng điện. Nó chỉ phụ thuộc vào dòng điện luyện từ mà không phụ thuộc vào môi trường. B 2.5. Hệ số từ thẩm tuyệt đối (a):  a  H   a  0 (0 = 4.10-7 H/m) 3. Định luật cảm ứng điện từ: 3.1. Trường hợp từ thông xuyên qua vòng dây biến thiên: Khi từ thông  = (t) xuyên qua vòng dây biến thiên, trong vòng dây sẽ cảm ứng suất điện động e(t). Suất điện động đó có chiều sao cho dòng điện do nó sinh ra tạo ra từ thông chống lại sự biến thiên của từ thông sinh ra nó. Hình 2.1 Chiều dương sđđ cảm ứng phù hợp với từ thông theo qui tắc văn nút chai
10 - Suất điện động cảm ứng trong một vòng dây được tính theo công thức Maxwell: ình 1.11 d e [V] (3-1) dt - Nếu cuộn dây có N vòng, suất điện động cảm ứng là: d d Hình 1.11. e  N  (3-2) dt dt trong đó:  = N [Wb] gọi là từ thông móc vòng của cuộn dây. 3.2. Trường hợp thanh dẫn chuyển động trong từ trường: Khi thanh dẫn chuyển động thẳng góc với đường sức từ trường (là trường hợp thường gặp nhất trong máy điện), trong thanh dẫn cảm ứng suất điện động có trị số: e = Blv (3-3) trong đó: B : Cường độ từ cảm [T]. Hình 2.2 Xác định sđđ cảm l : chiều dài tác dụng của thanh dẫn [m]. ứng theo qui tắc bàn tay phải v : tốc độ dài của thanh dẫn [m/s]. Chiều suất điện động cảm ứng xác định theo qui tắc bàn tay phải (hình 2.2). 4. Định luật lực điện từ: Khi thanh dẫn mang dòng điện đặt thẳng góc với đường sức từ trường, thanh dẫn sẽ chịu một lực điện từ tác dụng có trị số là: F = IBl (3-4) trong đó: I : dòng điện chạy trong thanh dẫn [A]. B : cường độ từ cảm [T]. l : chiều dài thanh dẫn [m]. Hình Hình 1.13 định sđđ cảm 2.3 Xác ứng theo qui tắc bàn tay trái F : lực điện từ [N] Chiều của lực điện từ được xác định theo qui tắc bàn tay trái (hình 2.3). 5. Dòng điện xoáy: - Khi từ thông qua khối vật dẫn bằng kim loại biến thiên thì sẽ xuất hiện suất điện động cảm ứng. Suất điện động này sẽ tạo ra dòng điện cảm ứng chạy quanh trong vật dẫn: đó là dòng điện xoáy hay dòng điện Phu-cô. - Tác hại: dòng điện xoáy làm nóng máy do đó làm giảm hiệu suất của máy. - Để giảm nhỏ dòng điện xoáy, các máy điện có mạch từ được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép cách điện với nhau. Dòng điện xoáy sinh ra chỉ chạy trong từng là thép mỏng (thường làm bằng tôn silic)  cường độ dòng điện xoáy bị giảm nhỏ. - Lợi ích: dòng điện xoáy được dùng để nấu chảy kim loại (trong lò điện cảm ứng), tôi kim loại (trong lò điện cao tần) và dùng trong công-tơ điện.
11 III. KHÍ CỤ ĐIỆN: 1. Khái niệm chung: Khí cụ điện là thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh các lưới điện, mạch điện, các loại máy điện và các máy trong quá trình sản xuất. 1.1. Phân loại: để thuận tiện cho việc nghiên cứu sử dụng và sửa chữa khí cụ điện, người ta phân loại như sau:  Theo công dụng: - Khí cụ điện dùng để đóng cắt lưới điện, mạch điện: Cầu dao, máy cắt, aptomat … - Khí cụ điện dùng để mở máy: Contactor, khởi động từ, bộ khống chế, biến trở … - Khí cụ điện dùng để duy trì tham số điện ở giá trị không đổi: thiết bị tự động điều chỉnh điện áp, dòng điện, tần số, tốc độ, nhiệt độ … - Khí cụ điện dùng để bảo vệ lưới điện, máy điện: Rơle, aptomat, cầu chì … - Khí cụ điện đo lường: Máy biến dòng, máy biến điện áp. - Theo điện áp: có khí cụ điện cao thế (U  1000 V), khí cụ điện hạ thế ( U < 1000 V).  Theo loại dòng điện: Khí cụ điện trong mạch điện 1 chiều và xoay chiều.  Theo nguyên lý làm việc: có khí cụ điện loại điện từ, cảm ứng, nhiệt, có tiếp điểm, không tiếp điểm …  Theo điều kiện làm việc và bảo vệ: Khí cụ điện làm việc ở vùng nhiệt đới, vùng rung động, vùng mỏ có khí nổ, môi trường có chất ăn mòn kim loại … 1.2. Các yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện: - Phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật ở định mức, dòng điện qua vật dẫn không được vượt quá trị số cho phép vì nếu không sẽ làm nóng khí cụ điện và chóng hỏng. - Phải ổn định nhiệt và điện động, vật liệu phải chịu nóng tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi quá tải hay ngắn mạch, dòng điện lớn có thể làm khí cụ điện bị hư hỏng hay biến dạng. - Vật liệu cách điện phải tốt để khi xảy ra quá điện áp trong phạm vi cho phép, khí cụ điện không bị chọc thủng. - Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc được chính xác, an toàn song phải gọn nhẹ, rẻ tiền và dễ gia công, dễ lắp ráp, dễ kiểm tra và sửa chữa. - Phải làm việc ổn định ở các điều kiện khí hậu và môi trường yêu cầu. 2. Cầu chì: 2.1. Định nghĩa – Đặc điểm: - Cầu chì là một loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị và lưới điện tránh sự cố ngắn mạch, thường dùng để bảo vệ cho đường dây dẫn, máy biến áp, động cơ điện, thiết bị điện, mạch điện điều khiển, mạch điện thắp sáng.
12 - Cầu chì có đặc điểm là đơn giản, kích thước bé, khả năng cắt lớn và giá thành hạ nên được ứng dụng rộng rãi. 2.2. Các tính chất và yêu cầu của cầu chì: - Cầu chì có đặc tính làm việc ổn định, không tác động khi có dòng điện mở máy và dòng điện định mức lâu dài đi qua. - Đặc tính A-s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính của đối tượng bảo vệ. - Khi có sự cố ngắn mạch, cầu chì tác động phải có tính chọn lọc. - Việc thay thế cầu chì bị cháy phải dễ dàng và tốn ít thời gian. 2.3. Cấu tạo: Cầu chì bao gồm các thành phần sau: - Phần tử ngắt mạch: đây chính là thành phần chính của cầu chì, phần tử này phải có khả năng cảm nhận được giá trị hiệu dụng của dòng điện qua nó. Phần tử này có giá trị điện trở suất rất bé (thường bằng bạc, đồng, hay các vật liệu dẫn có giá trị điện trở suất nhỏ lân cận với các giá trị nêu trên ..). Hình dạng của phần tử có thể ở dạng là một dây (tiết diện tròn), dạng băng mỏng. - Thân của cầu chì: thường bằng thủy tinh, ceramic (sứ gốm) hay các vật liệu khác tương đương. Vật liệu tạo thành thân của cầu chì phải đảm bảo được hai tính chất: o Có độ bền cơ khí . o Có độ bền về điều kiện dẫn nhiệt, và chịu đựng được các sự thay đổi nhiệt độ đột ngột mà không hư hỏng. - Vật liệu lấp đầy (bao bọc quanh phần tử ngắt mạch trong thân cầu chì): thường bằng vật liệu silicat ở dạng hạt, nó phải có khả năng hâp thu được năng lượng sinh ra do hồ quang và phải đảm bảo tính cách điện khi xảy ra hiện tượng ngắt mạch. - Các đầu nối: Các thành phần này dùng định vị cố định cầu chì trên các thiết bị đóng ngắt mạch ; đồng thời phải đảm bảo tính tiếp xúc điện tốt. 2.4. Phân loại cầu chì và phạm vi sử dụng: Cầu chì có thể được chia thành hai dạng cơ bản, tùy thuộc vào nhiệm vụ: - Cầu chì loại g: cầu chì dạng này có khả năng ngắt mạch, khi có sự cố quá tải hay ngắn mạch xảy ra trên phụ tải. - Cầu chì loại a: cầu chì dạng này chỉ có khả năng bảo vệ duy nhất trạng thái ngắn mạch trên tải. Cầu chì dùng trong lưới điện hạ thế có nhiều hình dạng khác nhau, trong sơ đồ nguyên lý ta thường ký hiệu cho cầu chì theo một trong các dạng sau ( hình 3.1& 3.2): Hình 3.1 Các ký hiệu cầu chì
13 Hình 3.2: Hình dạng của cầu chì ống, và vỏ hộp (Cầu chì của SIEMENS) 2.5. Các thông số và phương pháp lựa chọn cầu chì:  Trong lưới điện ánh sáng sinh hoạt : U dmCC  U dmLD Cầu chì được chọn theo 2 điều kiện sau: I dm  I tt Trong đó: UđmCC : điện áp định mức của cầu chì. Iđm : dòng định mức của dây chảy (A), nhà chế tạo cho theo các bảng. Itt : là dòng lâu dài lớn nhất chạy qua dây chảy cầu chì (A). Với thiết bị một pha (ví dụ các thiết bị diện gia dụng), dòng tinh toán chính là Pdm dòng định mức của thiết bị điện: I tt  I dmtb  U dm cos  Trong đó: Idmtb: Là dòng định mức của thiết bị (A) Udm: điện áp pha định mức bằng 220V cos: lấy theo thiết bị điện Với đèn sợi đốt, bàn là, bếp điện, bình nóng lạnh: cos = 1 Với quạt, đèn tuýp, điều hoà, tủ lạnh, máy giặt: cos = 0,8 Pdm Khi cầu chì bảo vệ lưới ba pha, dòng tính toán xác định như sau: I tt  3U dm cos  Trong đó: Udm: điện áp dây định mức của lưới điện bằng 380V.  Cầu chì bảo vệ một động cơ:  I dm  I tt  K t * I dmD  Cầu chì bảo vệ một động cơ chọn theo hai điều kiện sau:  I mm K mm * I dmD  I dm     Kt: hệ số tải của động cơ, nếu không biết lấy Kt = 1, khi đó: I dm  I dmD
14 PdmD IdmD: dòng định mức của động cơ xác định theo công thức: I dmD  3 *U dm *cos dm *  Với: Uđm = 380V là điện áp định mức lưới hạ áp của mạng 3 pha 380V, Cos: hệ số công suất định mức của động cơ nhà chế tạo cho thường bằng 0.8, : hiệu suất của động cơ, Kmm: hệ số của động cơ nhà chế tạo cho, thường Kmm = (4 ÷7).  :  = 2.5 (động cơ mở máy nhẹ hoặc không tải: máy bơm, máy cắt gọt kim loại),  = 1.6 (động cơ mở máy nặng hoặc có tải: cần cẩu, cầu trục, máy nâng). 3. CB (CIRCUIT BREAKER): CB (Circuit Breaker), hay Aptômát là khí cụ điện dùng đóng ngắt mạch điện (một pha, ba pha); có công dụng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp … mạch điện. 3.1. CB phải thỏa ba yêu cầu sau: - Chế độ làm việc ở định mức của CB phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa là trị số dòng điện định mức chạy qua CB lâu tùy ý. Mặt khác, mạch dòng điện của CB phải chịu được dòng điện lớn (khi có ngắn mạch) lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng. - CB phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn, có thể vài chục KA. Sau khi ngắt dòng điện ngắn mạch, CB đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điện định mức. - Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của các thiết bị điện, hạn chế sự phá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra, CB phải có thời gian cắt bé. Muốn vậy thường phải kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong CB. Để thực hiện yêu cầu thao tác bảo vệ có chọn lọc, aptomat phải có khả năng điều chỉnh trị số dòng điện tác động và thời gian tác động. 3.2. Cấu tạo: gồm các bộ phận chính sau đây: 3.2.1. Tiếp điểm: CB thường được chế tạo có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và hồ quang), hoặc ba cấp tiếp điểm (chính, phụ, hồ quang). Khi đóng mạch, tiếp điểm hồ quang đóng trước, tiếp theo là tiếp điểm phụ, sau cùng là tiếp điềm chính. Khi cắt mạch thì ngược lại, tiếp điểm chính mở trước, sau đến tiếp điểm phụ, cuối cùng là tiếp điểm hồ quang. Như vậy hồ quang chỉ cháy trên tiếp điểm hồ quang, do đó bảo vệ được tiếp điểm chính để dẫn điện. Dùng thêm tiếp điểm phụ để tránh hồ quang cháy lan vào làm hư hại tiếp điểm chính. 3.2.2. Hộp dập hồ quang: Để CB dập được hồ quang trong tất cả các chế độ làm việc của lưới điện, người ta thường dùng hai kiểu thiết bị dập hồ quang là: kiểu nửa kín và kiểu hở. Kiểu nửa kín được đặt trong vỏ kín của CB và có lỗ thoát khí. Kiểu này có dòng điện giới hạn cắt không quá 50KA. Kiểu hở được dùng khi giới hạn dòng điện cắt lớn hơn 50KA hoặc điện áp > 1000V (cao áp).
15 Trong buồng dập hồ quang thông dụng, người ta dùng những tấm thép xếp thành lưới ngăn, để phân chia hồ quang thành nhiều đọan ngắn thuân lợi cho việc dập tắt hồ quang. 3.2.3. Cơ cấu truyền động cắt CB: Truyền động cắt CB thường có hai cách: bằng tay và bằng cơ điện (điện từ, động cơ điện). Điều khiển bằng tay được thực hiện với các CB có dòng điện định mức không lớn hơn 600A. Điều khiển bằng điện từ (nam châm điện) được ứng dụng ở các CB có dòng điện lớn hơn (đến 1000A). Để tăng lực điều khiển bằng tay người ta dùng một tay dài phụ theo nguyên lý đòn bẩy. Ngoài ra còn có cách điều khiển bằng động cơ điện hoặc khí nén. 3.2.4. Móc bảo vệ: CB tự động cắt nhờ các phần tử bảo vệ – gọi là móc bảo vệ, sẽ tác động khi mạch điện có sự cố quá dòng điện (quá tải hay ngắn mạch) và sụt áp. - Móc bảo vệ quá dòng điện (còn gọi là bảo vệ dòng điện cực đại) để bảo vệ thiết bị điện không bị quá tải và ngắn mạch, đường thời gian – dòng điện của móc bảo vệ phải nằm dưới đường đặc tính của đối tượng cần bảo vệ. Người ta thường dùng hệ thống điện từ và rơle nhiệt làm móc bảo vệ, đặt bên trong CB. - Móc bảo vệ sụt áp (còn gọi là bảo vệ điện áp thấp) cũng thường dùng kiểu điện từ. Cuộn dây mắc song song với mạch điện chính, cuộn dây này được quấn ít vòng với dây tiết diện nhỏ chịu điện áp nguồn. 3.3. Nguyên lý hoạt động: 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý của CB dòng điện cực đại (hình 3.3): Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, CB được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm với tiếp điểm động. Bật CB ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút. Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 lớn hơn lực lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của CB được mở ra, mạch điện bị ngắt. Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý của CB dòng điện cực đại Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý của CB điện áp thấp
16 3.3.2. Sơ đồ nguyên lý của CB điện áp thấp (hình 3.4): Bật CB ở trạng thái ON, với điện áp định mức nam châm điện 11 và phần ứng 10 hút lại với nhau. Khi sụt áp quá mức, nam châm điện 11 sẽ nhả phần ứng 10, lò xo 9 kéo móc 8 bật lên, móc 7 thả tự do, thả lỏng, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của CB được mở ra, mạch điện bị ngắt. 3.4. Phân loại CB: - Theo kết cấu, người ta chia CB ra ba loại: một cực, hai cực và ba cực. - Theo thời gian thao tác, người ta chia CB ra loại tác động không tức thời và loại tác động tức thời (nhanh). - Theo công dụng bảo vệ, người ta chia CB ra các loại: CB cực đại theo dòng điện, CB cực tiểu theo điện áp, CB dòng điện ngược v.v… - Trong một vài trường hợp có yêu cầu bảo vệ tổng hợp (cực đại theo dòng điện, cực tiểu theo điện áp), ta có loại CB vạn năng. 4. Contactor: Contactor là một loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ xa tự động hoặc bằng nút nhấn các mạch điện có phụ tải, điện áp đến 500V và dòng đến 600A (vị trí điều khiển, trạng thái hoạt động của contactor rất xa vị trí các tiếp điểm đóng ngắt mạch điện). 4.1. Cấu tạo: Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: cơ cấu điện từ (nam châm điện), hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (tiếp điểm chính và phụ). ( hình 3.5) 4.1.1. Nam châm điện: Nam châm điện gồm có 4 thành phần: - Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm. - Lõi sắt (hay mạch từ) của nam châm gồm hai phần: phần cố định, và phần nắp di động. Lõi thép nam châm có thể có dạng EE, EI hay dạng CI. - Lò xo phản lực có tác dụng đẩy phần nắp di động trở về vị trí ban đầu khi ngừng cung cấp điện vào cuộn dây. Hình 3.5
17 4.1.2. Hệ thống dập hồ quang điện: Khi contactor chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy, mòn dần. Vì vậy cần có hệ thống dập hồ quang gồm nhiều vách ngăn làm bằng kim loại đặt cạnh bên hai tiếp điểm tiếp xúc nhau, nhất là ở các tiếp điểm chính của contactor. 4.1.3. Hệ thống tiếp điểm của contactor: Hệ thống tiếp điểm liên hệ với phần lõi từ di động qua bộ phận liên động về cơ. Tùy theo khả năng tải dẫn qua các tiếp điểm, ta có thể chia các tiếp điểm của contactor thành hai loại: - Tiếp điểm chính: có khả năng cho dòng điện lớn đi qua (từ 10A đến vài nghìn A, thí dụ khoảng 1600A hay 2250A). Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của contactor làm mạch từ contactor hút lại. - Tiếp điểm phụ: có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A. Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: thường đóng và thường hở, Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong contactor ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện). Tiếp điểm này hở ra khi contactor ở trạng thái hoạt động. Ngược lại là tiếp điểm thường hở. Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển (dùng điều khiển việc cung cấp điện đến các cuộn dây nam châm của các contactor theo quy trình định trước). 4.2. Nguyên lý hoạt động của contactor: Khi cấp nguồn điện bằng giá trị điện áp định mức của contactor vào hai 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 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 làm cho tiếp điểm chính đóng lại, tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (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 về trạng thái ban đầu. 4.3. Các thông số cơ bản của contactor: 4.3.1. Điện áp định mức: - Điện áp định mức của contactor Uđm là điện áp của mạch điện tương ứng mà tiếp điểm chính phải đóng ngắt, chính là điện áp đặt vào hai đầu cuộn dây của nam châm điện sao cho mạch từ hút lại. - Cuộn dây hút có thể làm việc bình thường ở điện áp trong giới hạn (85- 105)% điện áp định mức của cuộn dây. Thông số này được ghi trên nhãn đặt ở hai đầu cuộn dây contactor, có các cấp điện áp định mức: 110V, 220V, 440V một chiều và 127V, 220V, 380V, 500V xoay chiều. 4.3.2. Dòng điện định mức:
18 - Dòng điện định mức của contactor Iđm là dòng điện định mức đi qua tiếp điểm chính trong chế độ làm việc lâu dài, thời gian contactor ở trạng thái đóng không quá 8 giờ. - Dòng điện định mức của contactor hạ áp thông dụng có các cấp là: 10A, 20A, 25A, 40A, 60A, 75A, 100A, 150A, 250A, 300A, 600A. - Nếu contactor đặt trong tủ điện thì dòng điện định mức phải lấy thấp hơn 10% vì làm kém mát, dòng điện cho phép qua contactor còn phải lấy thấp hơn nữa trong chế độ làm việc dài hạn. 4.3.3. Khả năng cắt và khả năng đóng: - Khả năng cắt của contactor điện xoay chiều đạt bội số đến 10 lần dòng điện định mức với phụ tải điện cảm. - Khả năng đóng: contactor điện xoay chiều dùng để khởi động động cơ điện cần phải có khả năng đóng từ 4 đến 7 lần Iđm. 4.3.4. Tuổi thọ của contactor: được tính bằng số lần đóng mở, sau số lần đóng mở ấy thì contactor sẽ bị hỏng và không dùng được. - Độ bền cơ khí: được xác định bởi số lần đóng cắt không tải contactor, contactor hiện đại đạt tuổi thọ cơ khí từ 10  20 triệu lần thao tác. - Độ bền điện: được xác định bởi số lần đóng cắt có tải định mức, contactor đạt tuổi thọ về điện tới 3 triệu lần thao tác. 4.3.5. Tần số thao tác: - Là số lần đóng cắt contactor trong một giờ. Tần số thao tác bị hạn chế bởi sự phát nóng của các tiếp điểm chính do hồ quang. Có các cấp: 30, 100, 120, 150, 300, 600, 1200, 1500 lần/h. 4.3.6. Tính ổn định lực điện động: - Tiếp điểm chính của contactor cho phép một dòng điện lớn đi qua (khoảng 10 lần dòng điện định mức) mà lực điện động không làm tách rời tiếp điểm thì contactor có tính ổn định lực điện động. 4.3.7. Tính ổn định nhiệt: - Contactor có tính ổn định nhiệt nghĩa là khi có dòng điện ngắn mạch chạy qua trong một khoảng thời gian cho phép, các tiếp điểm không bị nóng chảy và hàn dính lại. 5. Khởi động từ: Khởi động từ 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 không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc. Muốn bảo vệ ngắn mạch phải lắp thêm cầu chì.
19 5.1. Các yêu cầu kỹ thuật: Khởi động từ cần phải thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật sau: - Tiếp điểm có độ bền chịu mài mòn cao. - Khả năng đóng – cắt cao. - Thao tác đóng – cắt dứt khoát. - Tiêu thụ công suất ít nhất. - Bảo vệ động cơ không bị quá tải lâu dài (có rơle nhiệt). - Thỏa điều kiện khởi động: Ikđ = (4  7)Iđm. 5.2. Phân loại: - 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, chống bụi, nước, nổ… - Khả năng làm biến đổi chiều quay động cơ điện: không đảo chiều quay và đảo chiều quay. - Số lượng và loại tiếp điểm: thường hở, thường đóng. 5.3.Nguyên lý làm việc của khởi động từ: 5.3.1. Khởi động từ đơn: Khi cung cấp điện áp cho cuộn dây bằng nhấn nút khởi động M, cuộn dây contactor có điện hút lõi thép di động và mạch từ khép kín lại; làm đóng các tiếp điểm chính để khởi động động cơ và đóng tiếp đểm phụ thường hở để duy trì mạch điều khiển khi buông tay khỏi nút nhấn khởi động. Khi nhấn nút dừng D, khởi động từ bị ngắt điện, dưới tác dụng của lực lò xo nén làm phần lõi từ di động trở về vị trí ban đầu; các tiếp điểm trở về trạng thái thường hở. Động cơ dừng hoạt động. ( a) (b) Hình 3.6 Sơ đồ điều khiển ĐCKĐB rotor lồng sóc quay một chiều mở máy trực tiếp (a), và đặc tính cơ khi mở máy ( b) Khi có sự cố quá tải động cơ, rơle nhiệt sẽ thao tác làm ngắt mạch điện cuộn dây, do đó cũng ngắt khởi động từ và dừng động cơ điện.
20 Mạch lực và mạch điều khiển được bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì. Sơ đồ còn có tác dụng bảo vệ điện áp thấp. Khi điện áp tụt còn (50  60)%Udm hay mất điện ngẫu nhiên thì contactor K bị nhả đưa sơ đồ về trạng thái ban đầu. Sau đó điện lưới có được khôi phục thì động cơ cũng không thể tự chạy lại. Muốn động cơ chạy phải ấn nút M. 5.3.2. Khởi động từ kép: (hình 3.7) Khi ấn nút MT, côngtắctơ KT tác động, nối mạch lực cấp điện cho động cơ quay thuận. Muốn dừng, ấn nút D, động cơ dừng tự do. Khi ấn nút MN, côngtắctơ KN tác động, nối mạch lực có đảo chỗ 2 pha R và T để động cơ quay ngược . Để tránh ngắn mạch 2 pha R và T khi cả hai công tắc tơ KT và KN cùng hút, mạch điều khiển cuộn KT và KN được khóa chéo: - Khóa chéo về điện: tiếp điểm thường đóng KT gửi vào mạch cuộn KN và ngược lại. - Khóa chéo về cơ nhờ nút ấn liên động: khi ấn nút thường mở MT để đóng mạch cuộn KT quay thuận thì đồng thời nút ấn thường đóng liên động với nó ở mạch cuộn KN mở ra để không cho cuộn KN có điện. Tương tự như vậy, nút thường đóng liên động với nút ấn thường mở MN được gửi vào cuộn KT. ( a) (b) Hình 3.7 Sơ đồ điều khiển ĐCKĐB rotor lồng sóc quay một chiều mở máy trực tiếp (a), và đặc tính cơ khi mở máy ( b) 6. Rơle thời gian: 6.1. Khái niệm: Rơle thời gian là một khí cụ điện dùng trong lĩnh vực điều khiển tự động, với vai trò điều khiển trung gian giữa các thiết bị điều khiển theo thời gian định trước. Tùy theo yêu cầu sử dụng khi lắp ráp hệ thống mạch điều khiển truyền động, ta có hai loại rơle thời gian: rơle thời gian ON DELAY, rơle thời gian OFF DELAY.