Thiết kế mạch bảo vệ tự động chống mất pha và đảo pha nguồn điện cho động cơ

ThiÕt kÕ m¹ch b¶o vÖ tù ®éng chèng mÊt pha vµ ®¶o pha<br /> nguån ®iÖn cho ®éng c¬<br /> Designing an automatic protection circuit to avoid phase loss and reverted phase<br /> for motors<br /> Ph¹m ViÖt S¬n1, Ng« ThÞ TuyÕn1<br /> Summary<br /> Automatic protection for motors in production is of importance. The situation when the<br /> motor losses a phase or changes its phase sequence often takes place in reality. In such a<br /> situation the motor will be burnt or revert its rotating direction, which causes considerable<br /> damages to production process and human beings. This article is mainly concerned about<br /> designing an automatic protection circuit for a motor when it losses a phase or changes its phase<br /> sequence, using semiconductor components. This circuit had a simple design, high accuracy,<br /> quick and selective responses, compact character, ease for use and repair, high reliability and<br /> high durability.<br /> Key words: motor, automatic protection, phase loss, reverted phase.<br /> <br /> 1. ®Æt vÊn ®Ò<br /> HiÖn nay ®éng c¬ ®iÖn ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c ngµnh kinh tÕ quèc d©n: C«ng<br /> nghiÖp, n«ng nghiÖp, giao th«ng vËn t¶i, sinh ho¹t… víi c«ng suÊt tõ vµi chôc o¸t (W) ®Õn hµng<br /> ngh×n kilo o¸t (kW). Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc ®éng c¬ rÊt dÔ bÞ mÊt pha do mét sè lý do hoÆc do<br /> c«ng nh©n vËn hµnh thao t¸c nhÇm khi nèi nguån cÊp ®iÖn cho ®éng c¬ nªn thø tù pha cña<br /> nguån bÞ thay ®æi. Trong c¶ hai tr−êng hîp ®Òu lµm cho ®éng lµm viÖc kh«ng b×nh th−êng g©y<br /> ra nh÷ng sù cè nghiªm träng trong s¶n xuÊt. Tõ tr−íc cho ®Õn nay, ng−êi ta th−êng dïng c¸c r¬<br /> le ®iÖn tõ (Bïi Hång HuÕ, 2003) hoÆc r¬ le sè ®Ó b¶o vÖ cho ®éng c¬ khi bÞ mÊt pha. Nh−îc<br /> ®iÓm cña r¬ le ®iÖn tõ lµ ®é tin cËy kh«ng cao, qu¸n tÝnh lín, kh«ng cã kh¶ n¨ng hiÓn thÞ th«ng<br /> tin cho ng−êi sö dông, cßn r¬ le sè cã cÊu t¹o phøc t¹p, khã kh¨n cho vËn hµnh vµ söa ch÷a, gi¸<br /> thµnh cao.<br /> §Ó kh¾c phôc mét sè nh−îc ®iÓm nªu trªn cña r¬ le ®iÖn tõ vµ r¬ le sè, chóng t«i nghiªn<br /> cøu l¾p r¸p m¹ch ®iÖn tù ®éng b¶o vÖ cho ®éng c¬ chèng mÊt pha vµ tù ®éng ®¶o pha khi thø tù<br /> pha cña nguån bÞ thay ®æi b»ng c¸c linh kiÖn b¸n dÉn.<br /> 2. VËt liÖu, ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu<br /> 2.1. VËt liÖu nghiªn cøu<br /> §éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha, c¸c linh kiÖn b¸n dÉn: ®ièt, tranzito, c¸c tô, c¸c ®iÖn trë<br /> l¾p r¸p thµnh c¸c m¹ch æn ¸p, c¸c m¹ch logic c¬ b¶n: AND (Vµ), NOT (§¶o), NAND (§¶o –<br /> Vµ), m¹ch vi, tÝch ph©n…<br /> 2.2. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu<br /> ThiÕt kÕ tÝnh to¸n m¹ch ®iÖn trªn lý thuyÕt: tæ hîp c¸c tÝn hiÖu ph¸t hiÖn mÊt pha vµ ®¶o<br /> pha trªn chÝnh c¸c pha cña nguån, tõ hai pha liªn tiÕp nhau ®Ó ®¶m b¶o ®óng thø tù c¸c pha.<br /> ViÖc tæ hîp c¸c tÝn hiÖu nµy ®−îc thùc hiÖn trªn c¸c m¹ch logic cña NhËt: 1011, 4049, 4081.<br /> TiÕn hµnh l¾p r¸p kh¶o nghiÖm trong thùc tÕ ®Ó hiÖu chØnh l¹i m¹ch<br /> 3. KÕt qu¶ nghiªn cøu<br /> 3.1. ¶nh h−ëng cña hiÖn t−îng nguån bÞ mÊt pha hoÆc thay ®æi thø tù pha ®Õn qu¸ tr×nh<br /> lµm viÖc cña ®éng c¬<br /> Khi vËn hµnh ®éng c¬ ba pha, cã sù cè ®øt mét pha, hai pha d©y quÊn cßn l¹i cña ®éng c¬<br /> sÏ t¹o thµnh d©y quÊn mét pha. Lóc ®ã ®éng c¬ ba pha sÏ chuyÓn sang lµm viÖc ë chÕ ®é mét<br /> pha. NÕu ®éng c¬ kÐo t¶i kh«ng ®æi th× c«ng suÊt ®iÖn ®−a vµo ®éng c¬ ë hai chÕ ®é mét pha vµ<br /> ba pha lµ nh− nhau (Vò Gia Hanh, 2001):<br /> <br /> 1<br /> Khoa C¬ §iÖn – Tr−êng §HNNI<br /> <br /> <br /> 226<br />  P3p = P1p<br /> Hay: 3 UdI3 ≈ UdI1<br /> Trong ®ã:<br /> I3 – Dßng ®iÖn stato ë chÕ ®é ba pha;<br /> I1 – Dßng ®iÖn stato ë chÕ ®é mét pha;<br /> Ud - §iÖn ¸p d©y cña nguån ®Æt vµo ®éng c¬ Ud = 380V.<br /> Tõ biÓu thøc trªn ta cã:<br /> I1 = 3 I3<br /> Nh− vËy dßng ®iÖn ë ®éng c¬ ba pha lµm viÖc ë chÕ ®é mét pha ®· t¨ng lªn 3 lÇn so<br /> víi khi lµm viÖc ë chÕ ®é b×nh th−êng (ba pha). Khi ®ã tæn hao sÏ t¨ng lªn ba lÇn, nÕu kh«ng c¾t<br /> ®éng c¬ ra khái l−íi ®iÖn, ®éng c¬ sÏ bÞ ch¸y.<br /> Tr−êng hîp thø tù pha cña nguån vµo ®éng c¬ thay ®æi, ®éng c¬ vÉn quay nh−ng chiÒu<br /> quay cña ®éng c¬ bÞ thay ®æi do tõ tr−êng quay ®æi chiÒu (Bïi Hång HuÕ, 2003). Nh− vËy quy<br /> tr×nh s¶n xuÊt bÞ ®¶o lén (vÝ dô b¨ng t¶i ®ang ch¹y tiÕn l¹i ch¹y lïi, cÇn trôc ®ang n©ng th× l¹i<br /> h¹…). §iÒu nµy cã thÓ g©y ra nh÷ng hËu qu¶ nghiªm träng dÉn ®Õn nh÷ng thiÖt h¹i kh«ng nhá<br /> vÒ ng−êi vµ cña.<br /> 3..2. ThiÕt kÕ s¬ ®å tù ®éng b¶o vÖ ®éng c¬ chèng mÊt pha vµ thø tù pha cña nguån ®iÖn<br /> thay ®æi<br /> Trong nghiªn cøu nµy chóng t«i chØ tr×nh bµy c¸ch tiÕn hµnh l¾p r¸p m¹ch tù ®éng b¶o vÖ<br /> cho ®éng c¬ xoay chiÒu ba pha khi bÞ mÊt pha hoÆc thø tù pha cña nguån ®iÖn bÞ thay ®æi víi s¬ ®å<br /> nguyªn lý nh− ë h×nh 1.<br /> 3.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña s¬ ®å<br /> a) Khi nguån ®iÖn b×nh th−êng (cã c¶ ba pha theo ®óng thø tù pha A, B, C)<br /> TÝn hiÖu ®−îc lÊy trùc tiÕp tõ c¸c pha cña nguån xoay chiÒu ba pha cã Ud = 380V; Up =<br /> 220V. §éng c¬ ®−îc cÊp ®iÖn tõ nguån ba pha qua mét khëi ®éng tõ kÐp ®−îc ®iÒu khiÓn bëi<br /> m¹ch b¶o vÖ ®iÖn tö.<br /> Trong s¬ ®å nµy, c¸c ®ièt D1, ®iÖn trë R1, vµ ®ièt æn ¸p DZ1 cña pha A t¹o thµnh c¸c m¹ch<br /> chØnh l−u vµ ghim ®iÖn ¸p. Trªn ®Çu vµo 2 cña phÇn tö NAND V1 (øng víi nöa chu kú d−¬ng cña<br /> ®iÖn ¸p pha A) sÏ cã xung víi biªn ®é 12V vµ ®é réng xung b»ng mét nöa chu kú ®iÖn ¸p nguån.<br /> C¸c phÇn tö t−¬ng øng ë c¸c pha B vµ C còng t¹o nªn c¸c xung t−¬ng tù nh−ng lÖch pha nhau<br /> 1/3 chu kú (t−¬ng øng víi gãc pha 1200). Tæ hîp c¸c phÇn tö V1, m¹ch tÝch ph©n C1R4, phÇn tö<br /> NOT V4 vµ V7 t¹o nªn mét tÝn hiÖu øng víi s−ên ©m cña xung t¹o bëi m¹ch chØnh l−u, ghim pha<br /> A, cã biªn ®é b»ng 12V vµ ®é réng xung chØ phô thuéc vµo tham sè cña m¹ch tÝch ph©n, ®−a<br /> vµo ®Çu vµo 1 cña m¹ch AND V10. TÝn hiÖu nµy ®−îc tæ hîp víi tÝn hiÖu xung 12V ®é réng xung<br /> T/2 øng víi nöa chu kú d−¬ng cña pha B. Trªn ®Çu ra cña V10 sÏ cã mét tÝn hiÖu gièng nh− trªn<br /> ®Çu vµo 1 cña nã nÕu nguån ®ñ pha vµ c¸c pha cña nguån ®óng thø tù ®Þnh tr−íc. Qu¸ tr×nh diÔn<br /> ra t−¬ng tù ë pha B vµ pha C nh−ng kho¶ng thêi gian lÇn l−ît chËm sau 1/3 chu kú tÝnh tõ pha A.<br /> LÇn l−ît c¸c ®Çu ra cña m¹ch AND V11, V12 cã xung ra (ë møc cao), c¸c xung nµy lÖch nhau vÒ<br /> thêi gian 1/3 chu kú (vÒ gãc pha lµ 1200).<br /> §ièt D4 ®ãng vai trß m¹ch céng ®−a tÝn hiÖu cña ba xung qua tô läc C4. Tô läc C4 cã t¸c<br /> dông san b»ng ®iÖn ¸p trung b×nh cña ba xung nµy ®Ó ®−a vµo cùc bazo cña tranzito T. Tranzito<br /> T ®−îc tÝnh to¸n sao cho dßng ®iÖn vµo IB tháa m·n ®iÒu kiÖn UBE ≥ UBebh th× T lµm viÖc ë chÕ ®é<br /> më b·o hoµ. Lóc nµy cuén d©y r¬ le RL1 sÏ ®−îc cÊp ®iÖn ®ãng tiÕp ®iÓm th−êng më cung cÊp<br /> ®iÖn cho cuén d©y c«ng t¾c t¬ K1, c«ng t¾c t¬ K1 ®ãng c¸c tiÕp ®iÓm th−êng më cÊp ®iÖn nguån<br /> cho ®éng c¬ theo ®óng thø tù A, B, C.<br /> b) Khi nguån mÊt mét pha<br /> Ta vÉn xÐt trong mét chu kú T, gi¶ sö mÊt pha C.<br /> ë pha A, qu¸ tr×nh diÔn ra nh− khi nguån cÊp ®iÖn b×nh th−êng (cã c¶ ba pha), tøc lµ sau<br /> 1/3 chu kú th× ®Çu ra cña m¹ch AND V10 cã mét xung ra (ë møc cao).<br /> ë pha B, do mÊt pha C nªn kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a ®Õn ®Çu vµo 2 cña m¹ch AND V11 do ®ã<br /> t¹i ®Çu ra cña V11 kh«ng cã xung ra.<br /> ë pha C, kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a vµo ch©n 1 cña V12 nªn t¹i ®Çu ra cña V12 kh«ng cã xung ra<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 227<br />  V1 C1 V4 V7 V10 A<br /> A B<br /> R4<br /> C<br /> O<br /> +12V<br /> <br /> <br /> V2 C2 V5 V8 V11<br /> B D5 RL1<br /> R5<br /> <br /> D4 R7<br /> C820<br /> V3 C3 V66 V9 C4 10K<br /> C V12<br /> 10K<br /> R6 10µ R8<br /> <br /> RL21<br /> RL12<br /> 100µ<br /> Nh− vËy, m¹ch céng D4 chØ cã 50V mét xung duy nhÊt cña pha A qua tô läc C4 ®−a vµo cùc baz¬ cña tranzito T, tÝn hiÖu nµy kh«ng ®ñ ®Ó T më, T bÞ khãa l¹i<br /> B RL11<br /> nªn kh«ng cung<br /> cung cÊp ®iÖn12Vcho cuén d©y r¬ le RL1, tiÕp ®iÓm th−êng më cña r¬ le më ra kh«ng cÊp ®iÖn cho cuén d©y c«ng t¾c t¬ K1, ®ång thêi lóc nµy do mÊt<br /> RL31<br /> pha C nªn cuén d©y cña<br /> 220V cña r¬ le RL2 kh«ng ®−îc<br /> ®−îc<br /> RL3cÊp ®iÖn, tiÕp ®iÓm th−êng më cña RL2 më ra nªn cuén d©y cña c«ng t¾c t¬ K2 còng kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn, c¸c<br /> cÊp<br /> tiÕp ®iÓm th−êng më cña nã më ra, ®éng c¬ bÞ c¾t khái l−íi ®iÖn, ngõng ho¹t ®éng.<br /> Víi ph©n tÝch t−¬ng tù nh− trªn, nÕu x¶y ra mÊt c¸c pha kh¸c, ®éng c¬ sÏ kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn nªn ngõng ho¹t ®éng.<br /> c) Khi thø tù pha bÞ thay ®æi<br /> Gi¶ sö thø tù pha lóc nµy lµ ACB<br /> Pha A khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V10, th× ®Çu vµo 2 cña V10 kh«ng cã tÝn hiÖu v× lóc nµy pha C ®ang ë nöa chu kú ©m, do ®ã ®Çu ra cña V10<br /> kh«ng cã tÝn hiÖu ra. 100µ RL2<br /> 50V<br /> T¹i pha B khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V12 th×+12V do pha A ®ang ë nöa chu kú ©m nªn kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a vµo ch©n 2 cña V12, ®Çu ra cña V12<br /> kh«ng cã xung ra. 7812<br /> Pha CC: khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V11 th× do pha A ®ang ë nöa chu kú ©m nªn kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a vµo ch©n 2 cña V11, ®Çu ra cña V11 kh«ng<br /> cã xung ra.<br /> 220V 12V 220µ<br /> 10µ<br /> R<br /> 25V<br /> Nh− vËy khi thø tù pha cña nguå2200n thay ®æi<br /> 15Vth× kh«<br /> 25V ng cã xung ra ë c¸c ®Çu ra cña c¸c V10, V11, V12 do ®ã tô C4 kh«ng ®−îc n¹p ®iÖn nªn T bÞ khãa, cuén d©y r¬<br /> 25V<br /> le RL1 mÊt ®iÖn, tiÕp ®iÓm th−êng<br /> th−êng ®ãng cña r¬ le RL1 ®ãng l¹i, cÊp ®iÖn cho cuén d©y cña c«ng t¾c t¬ K2 qua c¸c tiÕp ®iÓm th−êng më cña c¸c r¬ le RL3 vµ<br /> ®ãng<br /> RL2, ®¶o l¹i thø tù pha cña nguån ®iÖn (®ang bÞ ®¶o thø tù pha) ®éng c¬ vÉn quay theo chiÒu nh− cò.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 226 H×nh 1. S¬ ®å nguyªn lý cña m¹ch tù ®«ng b¶o vÖ cho ®éng c¬ khi bÞ mÊt pha hoÆc thø tù pha bÞ thay ®æi<br /> Nh− vËy, m¹ch céng D4 chØ cã mét xung duy nhÊt cña pha A qua tô läc C4 ®−a vµo cùc baz¬ cña<br /> tranzito T, tÝn hiÖu nµy kh«ng ®ñ ®Ó T më, T bÞ khãa l¹i nªn kh«ng cung cÊp ®iÖn cho cuén d©y<br /> r¬ le RL1, tiÕp ®iÓm th−êng më cña r¬ le më ra kh«ng cÊp ®iÖn cho cuén d©y c«ng t¾c t¬ K1,<br /> ®ång thêi lóc nµy do mÊt pha C nªn cuén d©y cña r¬ le RL2 kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn, tiÕp ®iÓm<br /> th−êng më cña RL2 më ra nªn cuén d©y cña c«ng t¾c t¬ K2 còng kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn, c¸c tiÕp<br /> ®iÓm th−êng më cña nã më ra, ®éng c¬ bÞ c¾t khái l−íi ®iÖn, ngõng ho¹t ®éng.<br /> Víi ph©n tÝch t−¬ng tù nh− trªn, nÕu x¶y ra mÊt c¸c pha kh¸c, ®éng c¬ sÏ kh«ng ®−îc cÊp<br /> ®iÖn nªn ngõng ho¹t ®éng.<br /> c) Khi thø tù pha bÞ thay ®æi<br /> Gi¶ sö thø tù pha lóc nµy lµ ACB<br /> Pha A khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V10, th× ®Çu vµo 2 cña V10 kh«ng cã tÝn hiÖu<br /> v× lóc nµy pha C ®ang ë nöa chu kú ©m, do ®ã ®Çu ra cña V10 kh«ng cã tÝn hiÖu ra.<br /> T¹i pha B khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V12 th× do pha A ®ang ë nöa chu kú ©m<br /> nªn kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a vµo ch©n 2 cña V12, ®Çu ra cña V12 kh«ng cã xung ra.<br /> Pha C: khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V11 th× do pha A ®ang ë nöa chu kú ©m<br /> nªn kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a vµo ch©n 2 cña V11, ®Çu ra cña V11 kh«ng cã xung ra.<br /> Nh− vËy khi thø tù pha cña nguån thay ®æi th× kh«ng cã xung ra ë c¸c ®Çu ra cña c¸c V10,<br /> V11, V12 do ®ã tô C4 kh«ng ®−îc n¹p ®iÖn nªn T bÞ khãa, cuén d©y r¬ le RL1 mÊt ®iÖn, tiÕp ®iÓm<br /> th−êng ®ãng cña r¬ le RL1 ®ãng l¹i, cÊp ®iÖn cho cuén d©y cña c«ng t¾c t¬ K2 qua c¸c tiÕp ®iÓm<br /> th−êng më cña c¸c r¬ le RL3 vµ RL2, ®¶o l¹i thø tù pha cña nguån ®iÖn (®ang bÞ ®¶o thø tù pha)<br /> ®éng c¬ vÉn quay theo chiÒu nh− cò.<br /> Trong s¬ ®å, ®ièt D5 cã t¸c dông lo¹i trõ ®iÖn ¸p ng−îc ®Æt lªn tranzito vµ ng¾n m¹ch cuén<br /> d©y cña r¬ le RL1 ®¶m b¶o an toµn cho tranzito.<br /> 3.2.2. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè cña m¹ch<br /> Trªn c¬ së tÝnh to¸n (Vò §øc Thä, 2001), (§ç Xu©n Thô, 2001) chóng t«i cã ®−îc trÞ<br /> sè cña c¸c linh kiÖn nh− sau:<br /> R1 = R2 = R3 = 16,8 K<br /> R4 = R5 = R6 = 6,8 K<br /> C1 = C2 = C3 = 470 nF<br /> R7 = 51 K<br /> R8 = 10K<br /> C¸c m¹ch NAND chän lo¹i 4011<br /> C¸c m¹ch NOT chän lo¹i 4049<br /> C¸c m¹ch AND chän lo¹i 4081<br /> C¸c ®ièt chän lo¹i 1N4007<br /> C¸c r¬le chän lo¹i 5A – 12V cña OMRON<br /> <br /> 3.3. Kh¶o nghiÖm<br /> Qua qu¸ tr×nh vËn hµnh, m¹ch b¶o vÖ tù ®éng chãng mÊt pha vµ ®¶o pha nguån ®iÖn cho<br /> ®éng c¬ ho¹t ®éng th«ng suèt, ®¶m b¶o tin cËy c¸c yªu cÇu ®Æt ra.<br /> 4. KÕt luËn<br /> Qua nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm, chóng t«i ®· l¾p ®Æt thµnh c«ng m¹ch ®iÖn tù<br /> ®éng b¶o vÖ cho ®éng c¬ chèng mÊt pha vµ tù ®éng ®¶o pha khi thø tù pha cña nguån bÞ thay ®æi<br /> b»ng c¸c linh kiÖn b¸n dÉn. So víi ph−¬ng ph¸p dïng c¸c r¬ le ®iÖn tõ vµ r¬ le sè, s¬ ®å nµy cã<br /> rÊt nhiÒu −u ®iÓm:<br /> - T¸c ®éng tin cËy;<br /> - §é chÝnh x¸c cao;<br /> - T¸c ®éng nhanh, cã chän läc;<br /> - §¬n gi¶n, gän nhÑ, dÔ vËn hµnh, dÔ söa ch÷a, ®é bÒn cao.<br /> <br /> Tµi liÖu tham kh¶o<br /> V−¬ng Céng (1979). Kü thuËt xung. Nxb §¹i häc vµ Trung häc chuyªn nghiÖp, Hµ Néi, tr. 11-<br /> 12.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 229<br /> Vò Gia Hanh (chñ biªn) (2001). M¸y ®iÖn tËp I, II. Nxb Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi 2001, tr. 226-<br /> 230.<br /> Bïi Hång HuÕ (chñ biªn) (2003). §iÖn c«ng nghiÖp. Nxb X©y dùng, Hµ Néi 2003, tr. 178 - 182.<br /> Vò §øc Thä (ng−êi dÞch) (2001). §¹i häc Thanh Hoa, B¾c Kinh.<br /> §ç Xu©n Thô (chñ biªn) (2001). Kü thuËt §iÖn tö. Nxb Gi¸o dôc, Hµ Néi.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 230<br />