Giáo trình môn khí cụ điện

Chia sẻ: Đồng Bá Tuyến | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:77

Thêm vào BST

Báo xấu

888
lượt xem 312
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khí cụ điện là những thiết bị điện dùng để đóng cắt, điều khiển, điều chỉnh, và bảo vệ các lưới điện, máy điện và máy móc sản xuất ngoài ra nó còn được dùng để kiểm tra, điều chỉnh và biến đổi đo lườngnhiều quá trình không điện khác.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình môn khí cụ điện

-1- Giáo trình Khí cụ điện
-2- CHƯƠNG I lý thuyết cơ sở Khí cụ điện 1.1 Khái niệm chung 1.1.1 Định nghĩa Khí cụ điện là những thiết bị điện dùng để đóng cắt, điều khiển, điều chỉnh, và bảo vệ các lưới điện, máy điện và máy móc sản xuất ngoài ra nó còn được dùng để kiểm tra, điều chỉnh và biến đổi đo lườngnhiều quá trình không điện khác. Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, hệ thống truyền tải điện và các trạm biến áp, trong các xí nghiệp, công nghiệp, nông nghiệp, giao thông và quốc phòng…. 1.1.2 Phân loại Khí cụ điện thường được phân loại như sau: a. Phân loại theo chức năng - Khí cụ điện dùng để đóng cắt (tự động hoặc bằng tay) lưới điện mạch điện ( VD : cầu dao, áptômát, máy ngắt ...) - Khí cụ điện dùng để mở máy, điều khiển (VD: công tắc tơ, khởi động từ, bộ khống chế, biến trở điện trở.) - Khí cụ điện dùng để duy trì ổn định các tham số điện (như ổn áp bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát, dòng điện, tần số, nhiệt độ ...) - Khí cụ điện dùng để bảo vệ lưới điên, máy điện (động cơ, máy phát …như quá tải, ngắn mạch, sụt áp như (rơle, cầu chì, máy ngắt). - Khí cụ điện làm nhiêm vụ đo lường (VD: máy biến dòng, máy biến áp đo lường). - Khí cụ điện nhằm hạn chế dòng ngắn mạch (như điện trở phụ, cuộn kháng phụ) b. Phân loại theo nguyên lý làm việc Khí cụ điện được chia theo các nhóm với nguyên lý: điện từ, từ điện, điện động, cảm ứng, nhiệt, có tiếp điểm và không có tiếp điểm. c. Phân loại theo nguồn điện - Khí cụ điện dùng trong mạch một chiều. - Khí cụ điện dùng trong mạch xoay chiều. - Khí cụ điện cao thế: được chế tạo để dùng ở điện áp định mức 1000V trở lên. - Khí cụ điện hạ thế được chế tạo để dùng ở điện áp định mức dưới 1000V d. Theo điều kiện làm việc: Khí cụ điên làm việc ở trong nhà, ngoài trời, vùng nhiệt đới, vùng nhiều rung động, có loại dùng ở vùng mỏ có khí nổ, ở môi trường ăn mòn hoá học … 1.2 Lực điện động 1.2.1 Định nghĩa
-3- Lực điện động là lực sinh ra khi một vật dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường, lực này có xu hướng làm biến dạng hoặc chuyển dời vật dẫn để từ thông qua mạch vòng vật dẫn có giá trị lớn nhất. 1.2.2 Phương pháp tính lực điện động dựa trên định luật tác dụng tương hỗ giữa dây dẫn mang dòng điện và từ trường. Một dây dẫn thẳng dài l mang dòng điện i đặt trong từ trường có cảm ứng từ B chịu tác dụng một lực cơ học có giá trị được tính bởi biểu thức sau: (1-1) F = B .I .l sin β β: góc hợp bởi chiều véc tơ cảm ứng từ B và chiều dòng điện chạy trong dây dẫn Một hệ thống gồm hai dây dẫn 1 và 2 đặt tuỳ ý có các dòng điện i 1 và i2 chạy qua. Trong trường hợp này dây dẫn 1 mang dòng điện i 1 được coi là đặt trong từ trường của dòng điện i2 chạy trong dây dẫn 2 khi đó lực điện động tác dụng giữa hai dây dẫn mang dòng điện i1 và i2 xác định: µ F = C.i1 .i2 . 0 (1-2) 4π µ0: là độ từ thẩm của không khí µ0 = 4π.10-7H/m C: là hằng số, phụ thuộc vào khích thước hình học của hai dây dẫn, còn gọi hệ số mạch vòng Nếu thay µ0 vào (1-2)⇒ F = 10-7 i1.i2.C [N] (1-3) 1.2.3 Phương pháp cân bằng năng lượng Xét một dây dẫn có dòng điện chạy qua như hình 1-1. Khi dây dẫn dịch chuyển theo hướng x một đoạn dx thì lực điện động được xác định bởi: B dW (1-4) dW = F .dx ⇒ F = dx Trong đó : dw- độ biến thiên năng lượng từ trường của i vật mang dòng điện khi di chuyển một đoạn dx. F x- phương chuyển dời của dây dẫn dưới tác dụng của lực F. Lực tác dụng Hình 1-1: Chiều F trùng với chiều dx vào thanh dẫn Xét hệ hai vật dẫn mang hai dòng điện i1, i2 như hình 1-2, đặt song song cách nhau một khoảng x. 1 1 2 2 Năng lượng từ của hệ là: WM = L1i1 + L2 i2 + Mi1i2 2 2 1 12 d ( L1i12 + L2 i2 + Mi1i2 ) Và lực tác dụng là: F = dWM = 2 2 dx dx Ta có lực tác dụng riêng rẽ là : 1 2 dL1 F1 = (J/cm) i1 Hình 1-2: Lực giữa hai 2 dx vòng dây Hình 1-2: Lực giữa hai vòng dây
-4- 1 2 dL2 F2 = (J/cm) i2 2 dx M: Hỗ cảm của dòng điện i1 và dòng i2 sinh ra: 1 2 dL1 1 2 dL2 dM F= + i2 . + i1.i 2 i1 . 2 dx 2 dx dx (1-5) 1.2.4 Lực điện động của một số dạng dây dẫn a. Đối với hai dây dẫn song song có tiết diện tròn mang dòng điện i1, i2 Một hệ thống gồm hai dây dẫn song song có tiết diện tròn 1 và 2 đặt cách nhau a mang các dòng điện i1 và i2 hình 1-3. Tính lực điện động theo phương pháp thứ nhất như đã nêu ở trên. 1 2 α1 ρ l α y dx α2 i1 i2 a Hình 1-3: Xác định lực điện động giữa hai dây dẫn song song áp dụng công thức (1-3) với chú ý sin β = 1 vì hai dây dẫn trong cùng 1 mặt phẳng véc tơ cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng, ta có : F = 10-7 i1 i2 .C dy C = ∫ dx ∫ sin α Với hệ số mạch vòng ρ2 l1 l2 (1-6) Nếu coi dây dẫn 2 là vô hạn tức là trong khoảng (-∞ ,+∞ ) và lấy tích phân thứ hai trước, ta được 2 a∫ C= dx (1-7) l1 Nếu dây dẫn thứ nhất dài vô hạn thì C→∞ Nếu coi dây dẫn thư nhất (l1)có chiều dài hữu hạn l thì 2.l C= (1-8) a l −7 Khi đó lực điện động F = 2.10 . i1 .i 2 (N) (1-9) a Chú ý: 1N=0.102 kG Nếu cả hai dây dẫn đều có chiều dài hữu hạn: l  2  1 +  a  − a i1 .i2 (N) −7 F = 2.10  (1-10) a l l  
-5- 2 a a Trong thực tế < >a thì lực điện động xác định bằng công thức : F = 2.10 −7 l K h .i1 .i2 a (1-15) ở đây Kh hệ số hình dáng phụ thuộc vào khích thước hình học của dây dẫn và khoảng cách giữa chúng khi cho trên đường cong ở hình 1-5. 1.2.5 Cộng hưởng cơ khí Khi có dòng điện xoay chiều đi qua thanh dẫn, lực điện động sẽ gây chấn động và có thể phát sinh cộng hưởng cơ khí, nếu tần số của lực điện động bằng tần số riêng của thanh dẫn, Hình1-5: Quan hệ giữa hệ số Kh với các kích thước của dây
-6- cộng hưởng sẽ gây ra phá hỏng khí cụ điện. Do đó muốn tránh hiện tượng này thì tần số riêngcủa thanh dẫn phải bé hơn tần số tác động của lực điện động thông thường khi thiết kế người ta chỉ cần thay đổi khoảng cách giá đỗ thanh dẫn và chú ý đến sóng hài cơ bản. l 2 Thanh dẫn dẹt bằng đồng: ϖ1=215.104 b l 2 Thanh dẫn tròn bằng đồng: ϖ1=186.104 d Trong đó: b,h- Chiều rộng, chiều dày của thanh (m) d- Đường kính thanh tròn (m) l- Khoảng cách giữa hai giá đỡ cách điện (m) Khi biết ϖ1 ta xác định được tần số sóng hài cơ bản dao động riêng của ϖ thanh dẫn(f1= 1 ) từ đó so sánh f1 với 2fi, nếu f1 ixk im - Dòng điện cho phép lớn nhất của khí cụ điện ixk- Dòng điện xung kích tính toán khi ngắn mạch ba pha nguy hiểm nhất. Ngoài ra có thể dùng hệ số km là bội số dòng điện cho phép lớn nhất để kiểm tra ổn định lực điện động. 2 .I dm .k m ≥ i xk Iđm- Dòng điện định mức 1.3 Sự phát nóng của khí cụ điện 1.3.1 Khái niệm chung Dòng điện chạy trong vật dẫn làm khí cụ điện nóng lên, nếu nhiệt độ vượt qúa giá trị cho phép khí cụ điện chóng hỏng, vật liệu cách địên chóng già hoá và độ bền cơ khí của kim loại giảm đi nhanh chóng. Sự phát nóng do tổn hao nhiệt quyết định, đối với khí cụ điện một chiều đó là tổn hao đồng, khí cụ điện xoay chiều là tổn hao đồng và sắt. Ngoài ra còn có tổn hao phụ, nguồn phát nóng chính ở khí cụ điện là dây dẫn có dòng điện chạy qua, lõi thép có từ thông biến thiên theo thời gian. Do có tổn hao nên nhiệt độ của thiết bị tăng, nhiệt độ này gây cháy, già hóa cách điện, gây biến dạng. Song song với quá trình phát nóng là quá trình nguội lạnh(tỏa nhiệt), có 3 hình thức tỏa nhiệt: Truyền nhiệt, bức xạ và đối lưu. Theo Niutơn có: P = Kt.S.τ; W (1-16) Trong đó: P- Công suất tỏa nhiệt Kt- Hệ số tỏa nhiệt(W/m2 0C)
-7- S- Diện tích tỏa nhiệt m2 τ- Độ chênh nhiệt 1.3.2 Sự phát nóng của vât thể đồng chất ở chế độ làm việc dài hạn. Chế độ làm việc dài hạn là chế độ khí cụ điện làm việc trong thời gian dài t P.d t = RI 2 d t > t1 (t1 là thời gian phát nóng của khí cụ điện từ nhiệt độ môi trường xung quanh đến nhiệt độ ổn định). Khi có dòng điện I chạy trong vật dẫn sẽ gây ra một tổn hao về công suất P trong thời gian dt sẽ gây ra một nhiệt lượng: P.dt = C.M.dτ + α.S.τ.dt (1-17) Nhiệt lượng này hao tổn này bao gồm 2 phần: - Đốt nóng vật dẫn: C.M.dτ - Toả ra môi trường xung quanh: α.S.τ.dt Trong đó: C - Tỷ nhiệt vật dẫn, (ws/kgoc) M - Khối lượng vật dẫn, (kg) τ - Độ chênh nhiệt độ so với môi trường xung quanh, oC α - Hệ số toả nhiệt, W/m2 oC −t Từ đó giải ra ta được: τ =τo+(τođ -τo)(1- e T ) (1-18) τo- Độ tăng nhiệt độ so với nhiệt độ môi trường ở thời điểm đầu của quá trình τođ - Độ tăng nhiệt độ ở quá trình ổn nhiệt. CM Trong đóT hằng số thời gian phát nóng: T = Sα * Quá trình nguội lạnh I 2 R.dt = 0 Khi ngắt dòng điện, lúc đó nhiệt lượng sinh ra không còn nữa. Nhiệt lượng tích lũy trong khí cụ điện sẽ toả ra môi trường xung quanh. Từ phương trình (1-17) suy ra: - C.M.dτ = α.S.τ.dt (1-19) −t Giải ra ta được: τ = τ od .e T 1.3.3 Chế độ làm việc ngắn hạn của vật thể đồng chất ở chế độ làm việc ngắn hạn độ chênh lệnh nhiệt của thiết bị điện sau thời gian làm việc chưa đạt trị số ổn định thì thiết bị đã ngừng làm việc, nhiệt độ phát nóng ở chế độ này là nhỏ nhất. Khi ngừng làm việc (I = 0) quá trình nguội lạnh lại bắt đầu. Nếu làm việc dài hạn thì đường phát nóng sη là đường 1, lúc đó phụ tải là Pcp ẽ θ CP ( θ CP - Độ chênh nhiệt cho phép) nhưng nếu sau khoảng thời gian làm ứng với việc tlv chỉ đạt đến θ1 < θ CP mà đã ngắt điện để ax ắt đầu quá trình nguội lạnh thì θb m chưa lợi dụng hết khả năng chịu nhiệt. 2 Do đó, ta có thể nâng phụ tải lên để cũngθ chỉ ứng với thời gian làm việc t lv cp khí cụ vừa đạt đến θ CP . Vậy phụ tải lúc này là phụ tải ngắn hạn1 nh , Pnh>Pcp P t 0 t lv Hỡnh 1-6: Đường đặc tính phát nóng theo thời gian ở chế độ ngắn hạn
-8- 1.4 Hồ quang điện Đối với khí cụ điện, cầu dao, rơ le, cầu chì, công tắc vv… Khi đóng và cắt mạch điện, hồ quang phát sinh trên tiếp điểm. Nếu hồ quang cháy lâu khí cụ điện và hệ thống sẽ hư hỏng do đó phải nhanh chóng dập tắt hồ quang. Bản chất của hồ quang điện là hiện tượng phóng điện với mật độ dòng điện lớn( tới khoảng 104 ữ 105 A/cm2 ) có nhiệt độ rất cao (tới khoảng 500046000oC) và điện áp rơi trên cực âm bé khoảng (10ữ 20V) và thường kèm theo hiện tượng phát sáng. 1.4.1 Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang a. Quá trình phát sinh hồ quang. Là do môi trường giữa các điện cực (hoặc giữa các cặp tiếp điểm) bị ion hoá ion có thể xảy ra bằng các con đường khác nhau dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường mạnh… Trong thực tế quá trình phát sinh hồ quang có dạng Ion hoá sau: + Quá trình phát xạ điện tử. + Quá trình tự phát xạ nhiệt điện tử. + Quá trình ion hoá do va chạm . + Quá trình ion hoá do nhiệt. b. Quá trình dập tắt hồ quang. Hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi môi trường giữa các điện cực không còn dẫn điện, hay nói cách khác hồ quang điện sẽ bị dập tắt khi quá trình phản ion hoá xảy ra mạnh hơn quá trình ion hoá. Quá trình phản ion hoá gồm hai hiện tượng sau: + Hiện tượng tái hợp + Hiện tượng khuếch tán 1.4.2 Hồ quang điện một chiều. Khảo sát quá trình xuất hiện hồ quang giũa hai điện cực trong một mạch điện một chiều. U(V) di - Uo + 0 L R A dt B 3 di L
-9- Hình 1-7: Hồ quang điện 1 chiều U0 : Điện áp nguồn R : Điện trở của mạch L : Điện cảm của mạch Rhq: Đặc trưng của điện trở hồ quang Uhq: Điện áp trên hồ quang Theo định luật kiêchôp II ta có phương trình cân bằng điện áp trong mạch khi mở tiếp điểm và hồ quang bắt đầu cháy như sau: di U 0 = i.R + U hq + L (1-20) dt di =0 Khi hồ quang cháy ổn định thì dòng điện không đổi i =I và có dt U 0 = i.R + U hq = iR + I .rhq Phương trình cân bằng điện áp sẽ là: (1-21) Các thành phần điện áp trong phương trình(1-20) được thể hiện trên hình (1-7) Đường 1: Điện áp nguồn Đường 2: Điện áp rơi trên điện trở Đường 3: Đặc tính U(i) của hồ quang Theo đồ thị các đường 2 và 3 giao nhau ở hai điểm A và B, tại hai điểm này phương trình (1-21) được thỏa mãn, các điểm A,B được gọi là hai điểm cháy của hồ quang. * Xét tại A: di Nếu i< IA thì U hq > U ng − i.R → L < 0 nên dòng điện trong mạch giảm đến i= 0 và dt hồ quang tắt. di Nếu i> IA thì U hq < U ng − i.R → L > 0 nên dòng điện trong mạch tiếp tục tăng dt đến IB và hồ quang cháy ổn định tại B. Vậy điểm A là điểm hồ quang cháy không ổn định. * Xét tại B: di Nếu i> IB thì U hq > U ng − i.R → L < 0 nên dòng điện trong mạch giảm đến IB. dt di Nếu i< IB thì U hq < U ng − i.R → L > 0 nên dòng điện trong mạch tiếp tục tăng đến dt IB. Vậy điểm B là điểm hồ quang cháy ổn định. 1.4.2 Hồ quang điện xoay chiều Đặc điểm của mạch điện xoay chiều là trong một chu kỳ biến thiên dòng điện có hai lần qua trị số i =0. Nếu chọn thời điểm dòng đi qua 0 để dập hồ quang là thời điểm tốt nhất. Dòng điện có dạng sóng gần giống hình sin còn điện áp thì trong một chu kỳ có hai đỉnh nhọn tương ứng với 2 giá trị điện áp cháy(U ch) và điện áp tắt(Ut) của hồ quang điện. Đặc tính Vôn-Ampe của hồ quang điện xoay chiều được trình u(v) u(v) bày trên hình(1-8) uCH uch uT Hình 1-8: Hồ quang điện xoay chiều
- 10 - uT ωT i c. Các nguyên tắc cơ bản để dập tắt hồ quang . + Kéo dài ngọn lửa hồ quang. + Dùng năng lượng hồ quang sinh ra để tự dập. + Dùng năng lượng nguồn ngoài để dập. + Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn. + Mắc thêm điện trở song song để dập. * Trong các thiết bị hạ áp thường dùng các biện pháp: 1. Kéo dài hồ quang bằng cơ khí . 2. Dùng cuộn dây thổi từ kết hợp vớ buồng dập tắt hồ quang. 3. Dùng buồng dập tắt hồ quang có khe hở quanh co. 4. Phân chia hồ quang ra làm nhiều hồ quang ngắn. 5. Tăng tốc độ chuyển động của tiếp điểm. 6. Kết cấu tiếp điểm bằng bắc cầu. * Các biện pháp và trang bị dập hồ quang ở thiết bị trung và cao áp: 1. Dập hồ quang trong dầu biến áp kết hợp phân chia hồ quang 2. Dập hồ quang bằng khí nén 3. Dập hồ quang bằng vật liệu tự sinh khí 4. Dập hồ quang trong chân không 5. Dập hồ quang trong khí áp suất cao. Hình1-7: Các biện pháp nhân tạo dập tắt hồ quang thường dùng
- 11 - 1.5 Tiếp xúc điện 1.5.1 Khái niệm -phân loại a. Khái niệm : Chỗ tiếp giáp giữa hai vật dẫn điện để cho dòng điện chạy từ vật này sang vật khác gọi là tiếp xúc điện. Bề mặt chỗ tiếp xúc của vật dẫn gọi là bề mặt tiếp xúc điện b. Phân loại Tiếp xúc điện được chia ra làm ba loại : - Tiếp xúc cố định: Hai vật tiếp xúc không rời nhau, bằng bu lông, đinh tán - Tiếp xúc đóng mở: Là tiếp xúc mà có thể làm cho dòng điện chạy hoặc ngừng chạy từ vật này sang vật khác như tiếp điểm của các khí cụ điện. - Tiếp xúc trượt: Là vật dẫn điện này có thể trượt trên bề mặt vật dẫn điện kia (chổi than trượt trên vành góp của máy điện ). Ba dạng tiếp xúc trên đều có thể tiến hành dưới ba hình thức: - Tiếp xúc điểm: Là hai vật tiếp xúc nhau chỉ ở một điểm hoặc trên bề mặt diện tích với đường kính rất nhỏ (tiếp xúc hình cầu với nhau, hình cầu và mặt phẳng) - Tiếp xúc đường: Hai vật tiếp xúc nhau theo một đường thẳng hoặc trên bề mặt rất hẹp (như hình trụ với hình trụ). - Tiếp xúc mặt: Là hai vật tiếp xúc nhau trên bề mặt rộng (ví dụ: mặt phẳng -măt phẳng) i i Hình1-8: Tiếp xúc điện c. Yêu cầu. - Thực hiện chỗ tiếp xúc chắc chắn, đảm bảo. - Sức bền cơ khí cao. - Không phát nóng quá trị số cho phép dòng điên định mức. - ổn định nhiệt và điện động khi có dòng ngắn mạch đi qua. 1.5.2 Điện trở tiếp xúc Xét khi hai vật tiễp xúc nhau như hình 1-8 a l
- 12 - Hình1-8: Dịên tích tiếp xúc Ta có điện trở tiếp xúc : Sbk= a.l (1-22) Diện tích tiếp xúc thực ở một điểm(như mặt cầu tiếp xúc với mặt phẳng) xác F S= định bởi công thức : δd (1-23) Trong đó: F : Lực ép lên tiếp điểm(Kg) δd : ứng suất chống dập nát của vật liệu làm tiếp điểm(Kg/cm2) Bảng 1-1 : ứng suất của một số vật liệu ứng Suấtδd (N/cm2) Kim loại Bạc 30.400 Đồng mềm 38.200 Đồng cứng(hợp kim) 51.000 Nhôm 88.300 K RTX = . (1-24) Fm Với K - Hệ số phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng bề mặt tiếp xúc m – Hệ số phụ thuộc số điểm tiếp xúc và kiểu tiếp xúc m = 0,5 tiếp xúc điểm m = 1 tiếp xúc mặt m= 0,7 tiếp xúc đường Bảng 1-2 : Trị số K của vật liệu làm tiếp điểm Kim loại tiếp xúc Trị số K (Ω .N) Đồng- Đồng (0,08÷ 0,14)10-2 Bạc- Bạc 0,06.10-2 0,127.10-2 Nhôm- Nhôm Sắt- Đồng 3,1.10-2 Nhôm- Đồng 0,38.10-2 1.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc RTX a. Vật liệu làm tiếp điểm
- 13 - Nếu δd càng bé thì Rtx càng bé. Vì vậy đứng về mặt yêu cầu cần có R tx bé nên dùng các vật liệu mềm để làm tiếp điểm. b. Lực ép nên tiếp điểm Từ công thức(1-23) nếu lực ép càng lớn thì Rtx càng nhỏ. c. Hình dạng của tiếp điểm. Hình dạng của tiếp điểm cũng ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc. Có cùng một lực nhưng kiểu tiếp xúc khác nhau thì Rtx cũng khác nhau. d. Nhiệt độ của tiếp điểm. Nhiệt độ của tiếp điểm thay đổi dẫn đến R tx thay đổi. Theo kết quả thí nghiệm với nhiệt độ nhỏ hơn 2000C có thể tính điện trở tiếp xúc theo công thức: 2 Rtx (θ ) = Rtx ( 0) (1 + αθ ) (1-25) 3 Trong đó: Rtx(0): Điện trở tiếp xúc tại 00C. Rtx(θ): Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm tại nhiệt độ đang xét α: Hệ số nhiệt điên trở(1/0C) e. Tình trạng bề mặt tiếp xúc Bề mặt tiếp xúc bị bẩn hoặc khi bị oxi hóa có Rtx lớn hơn nhiều so với Rtx của tiếp điểm sạch. Khi bị oxi hóa càng nhiều thì nhiệt độ phát nóng trên bế mặt tiếp xúc càng cao. f. Mật độ dòng điện. Diện tích tiếp xúc được xác định tùy theo mật độ dòng điện cho phép. Theo kinh nghiệm với thanh dẫn bằng đồng cho tiếp xúc với nhau khi nguồn có tần số f = 50Hz thì mật độ dòng điện cho phếp là: [( ] ) I ≈ 0,31 − 1,05.10− 4 ( I − 200 ) (A/mm2) J CP = (1-26) S Trong đó: I: Là gía trị hiệu dụng của dòng điện S = Sbk: Diện tích tiếp xúc biểu kiến. Biểu thức trên ong khoảng chỉ đúng với dòng điện biến thiên khoảng từ 200A đến 2000A. Nếu ngoài trị số đó thì có thể lấy: I2000A lấy Jcp=0.12(A/mm2). Chuơng 2 Các khí cụ điện khiển bằng tay 2.1 Cầu dao tay 2.1.1 Khái quát và công dụng Cầu dao là một loại khí cụ điện đóng, cắt bằng tay đơn giản nhất được sử dụng trong các mạch điện có điện áp nguồn cung cấp đến 220V địên một chiều, 380V điện xoay chiều. Cầu dao thường dùng để đóng ngắt mạch điện có công suất nhỏ và khi làm việc không cần thao tác nhiều lần. Nếu điện áp cao hơn hoặc mạch điện có công suất trung bình và lớn thì cầu dao làm nhiệm vụ đóng ngắt không tải. Vì trong trường hợp nếu có tải khi ngắt sẽ sinh ra hồ quang lớn, tiếp xúc sẽ bị phá huỷ trong thời gian ngắn.
- 14 - Cầu dao cần đảm bảo ngắt điện tin cậy các thiết bị dùng điện ra khỏi nguồn điện áp. Do đó khoảng cách giữa tiếp xúc điện đến và đi, tức chiều dài của l ưỡi dao ≥ 50mm 2.1.2 Phân loại và cấu tạo a. Phân loại 1. Theo kết cấu : cầu dao 1 cực, cầu dao 2cực, 3 cực hoặc 4 cực loại có tay nắm ở giữa, hay tay nắm ở bên ngoài và có cầu dao một ngả, hai ngả. 2. Theo điện áp định mức: 250 V và 500 V 3. Theo dòng điện định mức: 15, 25, 30, 40, 60, 75, 100, 150, 200, 300, 350, 600, 1000 A 4. Theo vật liệu cách điện: Loại đế sứ, đế nhựa, đế đá, đế bakênít. 5. Theo điều kiện bảo vệ có: Loại không có hộp , loại có hộp che chắn 6. Theo yêu cầu sử dụng: Chế tạo loai có cầu chì bảo vệ, loại không có cầu chì bảo vệ. b. Cấu tạo Trên hình 2.1 cho kết cấu của cầu dao có lưỡi dao phụ lắp ở trên đế cách điện 3 2 4 1 Hình 2-1: Cầu dao có lưỡi dao phụ Cấu tạo: 1. Lưỡi dao chính 3. Lưỡi dao phụ 2. Má kép 4. Lò xo Khi ngắt cầu dao thường xẩy ra hồ quang mạnh. Để dập tắt hồ quang nhanh cần phải kéo lưỡi dao ra khỏi má kẹp nhanh. Tốc độ kéo bằng tay không thể nhanh vì vậy người ta làm thêm lưỡi dao phụ, lưỡi dao phụ và lưỡi dao chính kẹp trong má kẹp lúc dẫn điện. Khi ngắt lưỡi dao chính ra trước còn lưỡi dao phụ vẫn nằm trong má kẹp. Lò xo bị kéo ra căng và tới một mức nào đó sẽ bật nhanh, kéo lưỡi dao phụ khỏi má kẹp và hồ quang dập tắt nhanh chóng. Bịên pháp dập tắt hồ quang trên đây là tăng vận tốc của tiếp điểm. 2.2 Công tắc 2.2.1 Khái quát và công dụng
- 15 - Công tắc là một loại khí cụ điện đóng ngắt dòng điện bằng tay kiểu hộp dùng để đóng ngắt dòng điện có công suất bé có điện áp một chiều đ ến 440V và điện áp xoay chiều đến 500V Công tắc hộp thường được dùng làm cầu dao tổng cho các máy công cụ, dùng đóng mở trực tiếp cho các động cơ công suất bé, hoặc dùng để thay đổi chiều quay động cơ điện hoặc đổi cách đấu cuộn dây stato động cơ sao sang tam giác. Công tắc hộp làm việc chắc chắn hơn cầu dao, dập tắt hồ quang nhanh hơn vì thao tác ngắt nhanh và dứt khoát hơn cầu dao. 2.2.2 Phân loại và cấu tạo a. Phân loại Theo hình dang bên ngoài có: Loại hở, loại bảo vệ, loại kín. 7. Theo công cụ có: Công tắc đóng ngắt trực tiếp, công tắc chuyển mạnh, công tắc hành trình và cuối hành trình. Công tắc vạn năng dùng để đóng, ngắt, chuyển đổi mạch điện các cuộn dây hút của công tắc tơ, khởi động từ … chuyển đổi mạch điện ở các dụng cụ đo lường. Công tắc hành trình dùng để đóng, ngắt ở mạch điều khiển trong truyền động điện tự động hoá, tuỳ thuộc vào vị trí cần gạt ở các cơ cấu chuyển động cơ khí nhằm tự động điều khiển hành trình làm việc hay tự động ngắt điện ở cuối hành trình để đảm bảo an toàn. b. Cấu tạo công tắc hộp Phần chính là các tiếp điểm tĩnh 3 gắn trên các vành nhựa bakêlit 2 có đầu vặn vít chìa ra hộp. Các tiếp điểm động 4 gắn trên cùng trục và cách điện với trục, nằm trong các mặt phẳng khác nhau tương ứng với các vành 2. Khi trục quay đến vị trí thích hợp, sẽ có một số tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh. Chuyển dịch tiếp điểm động nhờ cơ cấu cơ khí có núm vặn 5. Ngoài ra lò xo phản kháng đặt trong vỏ 1 để tạo nên sức bật nhanh làm hồ quang được dập tắt nhanh chóng. Hình 2-2: Cấu tạo công tắc kiểu hộp a, Hình dạng chung. b, mặt cắt c, kiểu bảo vệ. d, kiểu bảo vệ 2.2.3 Một số yêu cầu thử Bên cạnh các yêu cầu cơ khí, va đập, dao động, vv….Trong việc kiểm tra chất lượng công tắc, người ta phải thử.
- 16 - Thử xuyên thủng: đặt điện áp xoay chiều 1500V trong thời gian 1 phút ở 1. các điểm cần cách điện giữa chúng. 2. Thử cách điện: đo điện trở cách điện, điện trở này không được bé hơn 2 ΜΩ Thử phát nóng: cho dòng điện chạy bằng 125%Iđm đi qua ở các đầu cực 3. không được phép có một điên áp với 50 mV ứng với mỗi vị trí đóng c ủa công t ắc và không phát nóng. 4. Thử công suất cắt: Cho dòng điện bằng 125% Iđm đi qua và ở điện áp bằng Uđm công tắc phải chịu được số lần ngắt với thời gian như sau: Đối với công tắc ≤ 10 A, 90 lần ngắt trong thời gian 3 phút Đối với công tắc 25 A, 60 lần ngắt trong thời gian 3 phút Thử sức bền cơ khí:Tiến hành 10.000 lần thay đổi vị trí với tần số thao tác 5. 25 lần/phút không có điện áp và dòng điện. Sau đó công tắc phải ở trạng thái làm việc tốt và có thể chịu được tiêu chuẩn xuyên thủng trên. 6. Thử nhiệt độ với các chi tiết cách điện: Các chi tiết cách điện phải chịu được nhiệt độ 1000 C trong thời gian hai giờ mà không bị biến dạng hoặc sủi nhám. 2.2.4 Một số thông số kỹ thuật của công tắc. 1- Công tắc xoay Việt Nam . Bảng 2.1 Ký hiệu Dòng định mức 10 Α CX10 25Α CX25 2- Công xoay Trung Quốc kiểu HZ1, HZ2 Bảng 2..2 Kiểu Dòng điện định mức Điện áp định mức 25A 250V HZ1 − 25 / E16TH 15A 500V 100A 250V HZ1 − 100 / 3TH 60A 500V 3- Công tắc xoay chiều hở của Liên Xô
- 17 - Bảng 2.3 Dòng điện Kích thước(mm) Định ở điện mức ở Trọng áp 220v Tên gọi Kiểu địên áp Lượng một chiều A B C 380v xoay và xoay chiều chiều Công tắc một πB1 − 10 6 4 45 65 59 0,125 cực πB 2 − 10 Công tắc hai 10 6 51 65 59 0,140 cực πB 2 − 25 25 15 71 100 90 0,470 πB3 − 10 10 6 57 0,155 πB3 − 25 65 59 25 15 81 0,520 Công tắc ba 100 90 πB3 − 60 60 40 120 1,320 cực 142 130 100 60 134 1,500 πB3 − 100 142 130 250 150 πB3 − 250 πB 2 − 10 / 112 Công tắc hai 10 6 51 65 59 0,150 πB 2 − 25 / 112 chiềucó vị trí 25 15 71 100 90 0,500 giữa (trung 60 40 104 142 130 1,280 πB 2 − 60 / 112 hoà) 100 60 118 142 130 1,660 πB 2 − 100 / 112 πB3 − 10 / 112 Công tắc ba 10 6 57 65 59 0,170 pha πB3 − 25 / 112 25 15 81 100 90 0,550 cực hai chiều 60 40 120 142 130 1,500 πB3 − 60 / 112 có 100 60 134 142 130 2,000 πB3 − 100 / 112 vị trí giữa Công tắc vôn 1,550 ππ − 3 kế - - 57 65 59 đến 380V ππ − 10 / 2C Công tắc đúc 10 6 57 65 59 0,170 Chiều 25 15 81 100 0,520 ππ − 25 / 2C πB 2 − 60 60 40 Công tắc hai πB 2 − 100 100 60 104 142 130 1,200 cực 250 150 118 142 130 1,210 πB 2 − 250 2.3 Nút ấn 2.3.1 Khái quát và công dụng Nút ấn còn gọi là nút điều khiển, là một loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ xa các thiết bị điện từ khác nhau, các dụng cụ báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch điều khiển, tín hiệu liên động, bảo vệ v v …ở mạch địên một chiều điên áp đến 440 V và mạch điện xoay chiều điện áp đến 500V, tần số 50ữ60 Hz Nút ấn thông dụng để khởi động, dừng và đảo chiều quay động cơ điện bằng cách đóng và ngắt mạch cuộn hút của công tắc tơ, khởi động từ mắc ở mạch động lực của động cơ. Nút ấn được đặt trên bảng điều kiển, ở tủ điện trên hộp nút ấn.
- 18 - Nút ấn được nghiên cứu chế tạo để làm việc trong môi trường không ẩm ướt ,không có hơi hoá chất và bụi bẩn. 2.3.2 Phân loại và cấu tạo Theo hình dạng bên ngoài người ta chia nút ấn ra làm bốn loại : Loại hở, loại bảo vệ, loại bảo vệ chống nước và chống bụi, loại bảo vệ chống nổ Theo yêu cầu điều khiển có loại : 1 nút, 2 nút, 3 nút. Theo kết cấu bên trong: Nút ấn có loại có đèn báo, và loại không có đèn báo. Nút ấn kiểu hở có kết cấu như hình 2.3 nó được đặt trên bề mặt một giá đặt trong bảng điện, hộp nút ấn hay ở tủ điện. Nút ấn kiểu hở có kết cấu như hình 2.3a nó được đặt trong vỏ nhựa hay vỏ sắt. a, b, Hình 2-3: Nút ấn a- Nút ấn kiểu hở b- Nút ấn kiểu bảo vệ 2.3.3 Một số thông số kỹ thuật của nút ấn 1. Nút ấn của Việt Nam Nước ta sản xuất hai loại nút ẩn kiểu hở, kiểu bảo vệ, gồm loại 1 nút, loại 2 nút, 3 nút (để chạy hai chiều ): ký hiệu NB-1, NB-2, NB-3, có dòng điện qua tiếp điểm tới 5A. 2. Nút ấn của các nước khác. Nút ẩn được kiến với với một hay nhiều nhóm tiếp điểm thường đóng và thường mở. Màu của nút ẩn có thể là mầu đỏ, màu xanh, màu đen hay không trong suốt. Các nút ấn được dùng để dừng thường có nút màu đỏ. Bảng 2.4 a và thông số liệu kĩ thuật của nút ấn tự giữ. Dùng để điều khiển các khí cụ điện sử dụng dòng điện xoay chiều có điện áp đến 380V-2A với dòng điện xoay chiều và 220V– 0,25 A đối với dòng điện 1 chiều.
- 19 - Bảng 2.4 a Giá trị Đặc tính kỹ thuật Phần yêu cầu Đơn vị Dòng điện Dòng điện đối với KCĐ đo một chiều xoay chiêu Điện áp định mức Tiếp điểm V 380 220 chính Dòng điện định mức Tiếp điểm A 2 0,25 chính Tần số lưới điện Tiếp điểm Hz 50 chính Số lần 100.000 100.000 Tuổi thọ Tổng hợp thao tác Khả Dòng điện đóng A 10 0,32 năng Dòng điện cắt A 2,5 0,32 đóng và cos ϕ Hệ số công suất Tiếp điểm 1 cắt chính điên áp khử V 418 242 Thời gian nghỉ S 20 20 (s)giữa hai chu kỳ Bất kỳ Tối đa Vị trí lắp đặt Cực chính tối thiểu 2,5mm2 KG Dây dẫn nối điện 1,0mm2 0,15 2.4 Bộ KHống chế 2.4.1 Khái quát và công dụng Bộ khống chế là khí cụ điện dùng để điều khiển gián tiếp(qua mạch điều khiển) hoặc điều khiển trực tiếp (qua mạch động lực) các thiết bị điện. Bộ khống chế điều khiển gián tiếp còn gọi là bộ khống chế từ hay khống chế chỉ huy. Bộ khống chế điều khiển trực tiếp còn gọi là bộ khống chế động lực Bộ khống chế là khí cụ điện đóng- cắt đồng thời nhiều mạch(điều khiển hoặc động lực hoặc cả điều khiển lẫn động lực) nhờ tay quay và vô lăng quay để điều khiển một quá trình nào đó như: mở máy, điều chỉnh tốc độ, đảo chiều, hãm điện… 2.4.2 Phân loại và cấu tạo
- 20 - a. Phân loại - Theo kết cấu: Bộ khống chế hình trống và bộ khống chể hình cam. - Theo nguyên lý sủ dụng: Bộ khống chế một chiều và bộ khống chế xoay chiều. b. Cấu tạo 3 12 3’ 3 2’ 1’ 12 0 3 1’ 3’ 2 7 0 1 2’ 8 7 8 5 9 4 10 9 10 6 11 b, 1 a, 2 Hình 2-4: Cấu tạo bộ khống chế hình trồng Tang trống 1 có trục quay 2 được quay từng vị trí nhờ vô lăng3. Trên tang trống có gắn các đoạn vành trượt 4 (vành tiếp xúc động) các vành này có thể được nối với nhau nhờ thanh nối 6. Do vậy mà các má đồng tiếp xúc tĩnh 7 và 8 (chẳng hạn) gắn trên thanh 11 có thể được nối liền mạch qua 2 vành tiếp xúc động 4 và 5 ở một góc quay tương ứng náo, đó vị trí quay được chỉ trên đĩa chia độ 12. Hình 2-4: Sơ đồ nối tiếp điểm của tang trống. Các dấu chấm chỉ rõ vị trí của bộ khống chế mà các tiếp điểm tương ứng được nối thông. Những vị trí không có dấu chấm thì các tiép điểm được mở. Ví dụ trên hình 2-4b thì tiếp điểm 9 và 10 được nối thông tại các vị trí 3 ’, 1, 2, 3 của bộ khống chế còn tại các vị trí 1’, 2’ thì tiếp điểm 9, 10 bị mở. 2.4.3 Lựa chọn 1 bộ khống chế Phải căn cứ vào điện áp định mức của mạch thao tác và quan trọng hơn là dòng điện cho phép đi qua các tiếp điểm ở chế độ làm việc liên tục và chế độ ngắn hạn lặp lại(liên quan đến tần số đống- cắt/ giờ). Trị số dòng điện của tiếp điểmbộ khống chế động lực thường được lựa chọn với hệ số dự chữ 1,2 đối với dòng 1 chiều P I = 1,2 .103 (A) (2-1) U và 1,3 với dòng xoay chiều. P I = 1,3 .103 ( A) (2-2) 3U Trong đó : P: Công suất động cơ điện(KW)