Giáo trình Điện kỹ thuật - Lê Thị Kim

những kim loại chủ lực để chế tạo dây dẫn điện, dây quấn máy điện, các bộ phận trong máy điện, khí cụ điện . . . Khi chế tạo dây dẫn, thỏi đồng lúc đầu được cán nóng thành dây có đường kính (6,5 - 7,2 ) mm, sau đó được rửa sạch trong dung dịch axít sunfuríc loảng để khử đồng ôxít (CuO) sinh ra trên bề mặt khi đốt nóng đồng, cuối cùng kéo nguội thành sợi có đường kính cần thiết đến (0,03 - 0,02) mm. Đồng tiêu chuẩn là đồng ở trạng thái ủ, ở 200C có điện trở suất là 17,241.10-8 Wm. Người ta thường dùng số liệu này làm gốc để đáng giá điện dẫn suất của các kim loại và hợp kim khác. - Hợp kim đồng Trong một số trường hợp, ngoài đồng tinh khiết còn sử dụng cả hợp kim đồng với một lượng nhỏ thiếc, silic, phốtpho, beri, crôm, magiê, cadimi v.v làm vật dẫn. Có hai loại hợp kim đồng thường sử dụng là đồng thau và đồng thanh. Đồng thau: là hợp kim của đồng với kẽm với thành phần kẽm chứa trong đồng thau không quá 46%. Nếu thành phần kẽm chứa ít hơn 23% thì đồng thau có độ dẻo nhưng độ bền giảm. Nếu thành phần kẽm chứa nhiều hơn 23% thì đồng thau có độ bền tăng nhưng giảm độ dẻo. Đồng thau được sử dụng nhiều trong ngành điện v.v Đồng thanh: là hợp kim của đồng với các nguyên tố kim loại khác. Nếu trong đồng thanh chỉ có hai nguyên tố kim loại thì ta gọi là đồng thanh nhị nguyên, nếu có nhiều hơn hai nguyên tố kim loại thì ta gọi là đồng thanh đa nguyên. Đồng thanh có đặc tính dễ cắt gọt và tính chống ăn mòncao, một số đồng thanh còn có tính chống mài mòn làm hợp kim đỡ sát, chế tạo ổ trục. Đồng thanh có tính đúc tốt. đồng thanh với những thành phần thích hợp nó có những tính chất cơ học tốt hơn đồng. Điện trở suất của đồng thanh cao hơn đồng tinh khiết, đồng thanh còn được sử dụng rộng rãi để chế tạo lò xo dẫn điện, làm các tiếp điểm đặc biệt là tiếp điểm trượt. * Nhôm và hợp kim nhôm: - Nhôm: Sau đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai được sử dụng trong kỹ thuật điện, nhôm có điện dẫn suất cao (nó chỉ thua bạc, đồng và thiếc), trọng lượng riêng nhỏ (2,76 G/cm3), tính chất vật liệu và hoá học cho ta khả năng dùng nó làm dây dẫn điện. Nhôm có màu bạc trắng là kim loại tiêu biểu cho các kim loại nhẹ (nghĩa là kim loại có khối lượng riêng nhỏ hơn 5 G/cm3). Khối lượng riêng của nhôm đúc gần bằng 2,6 G/cm3, nhôm cán là 2,76 G/cm3, nhẹ hơn đồng 3,5 lần. Hệ số nhiệt độ, dãn nở dài, nhiệt dung và nhiệt nóng chảy của nhôm đều lớn hơn đồng. Ngoài ra nhôm còn có một số ưu nhược điểm sau: * Ưu điểm: - Giá thành thấp. - Trọng lượng nhẹ nên được dùng để chế tạo, tụ điện, các đường dây tải điện trên không, những đường cáp này để có điện trở nhỏ, đường kính dây phải lớn nên giảm được hiện tượng phóng điện vầng quang. * Nhược điểm: - Cùng một tiết diện và độ dài, nhôm có điện trở cao hơn đồng 1,63 lần - Khó hàn nối hơn đồng, chỗ nối tiếp xúc không hàn dễ hình thành lớp ôxit có trị số điện trở suất khá cao phá hủy chỗ tiếp xúc. Khi cho nhôm và đồng tiếp xúc nhau, nếu bị ẩm sẽ hình thành pin cục bộ có trị số suất điện động khá cao, dòng điện đi từ nhôm sang đồng phá hủy mối tiếp xúc rất nhanh. - Hợp kim nhôm: Là hợp kim của nhôm với các nguyên tố kim loại khác như đồng, silíc, mangan, magiê... Tùy theo thàng phần và đặc tính công nghệ của hợp kim nhôm người ta chia nó làm hai nhóm Nhóm hợp kim nhôm biến dạng. Nhóm hợp kim nhôm đúc. + Nhóm hợp kim nhôm biến dạng được dùng để chế tạo các tấm nhôm. các băng, các dây nhôm. cũng như các chi tiết có thể rèn, dập và ép được... + Nhóm hợp kim nhôm đúc dùng để sản xuất các chi tiết đúc như vỏ động cơ điện và các chi tiết máy có hình dạng từ đơn giản đến phức tạp... * Chì và hợp kim của chì: - Chì: Sản xuất và chế tạo: Chì nhận được từ các mỏ như: Galen (PbS), xeruzít (PbCO3), Anglezít (PbSO4) v.v và thường qua nhiều phương pháp để thu được chì thụ. Sản phẩm thu được (chì thụ) gồm (92 - 96)% chì. Chì được tinh luyện theo phương pháp khô, thông qua nóng chảy hay theo phương pháp điện phân để loại bỏ tạp chất và cuối cùng thu được chì với mức độ tinh khiết là (99,5 - 99,99)% chì kỹ thuật được cung cấp dưới dạng thỏi (35 - 55)kg và được dùng trong cấu tạo cáp điện và nhiều lĩnh vực khác. Chì dùng trong ắc quy cung cấp dưới dạng thỏi (35- 45)kg. Đặc tính: Chì có ký hiệu hóa học là: Pb, trọng lượng riêng là: 11.34 G/cm3, nóng chảy ở nhiệt độ 3270C. Chì là kim loại có màu tro sáng, nặng, hơi xanh da trời (màu xám) là kim loại công nghiệp rất mềm. Người ta có thể uốn cong dễ dàng hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp. Chỗ mới cắt sẽ ánh kim loại sáng nhưng nó sẽ mờ đi nhanh do oxy hóa bề mặt (Pb2O) và (PbO). Chì có điện trở xuất lớn và có thể chuyển sang trạng thái siêu dẫn. (-250,70C) điện trở của chì có 0,01311 mW/cm . Chì có sức bền với thời tiết xấu do có những tổ hợp bảo vệ hình thành trên bề mặt (PbCO3, PbSO4 v.v). Chì không bị tác dụng của axits HCl; H2SO4; axit sunfuarơ photphoric hoặc amoniăc, sút, clo. Chì hoà tan dễ dàng trong axit HNO3 pha loảng hay axit axetic (CH3COOH) pha loảng, bị phá hủy bởi các chất hữu cơ mục nát, vôi và một vài hợp chất khác. Sự bay hơi của chì rất độc. Chì là kim loại dễ dát mỏng, có thể được dát và kéo thành những lá mỏng. Chì không có sức đề kháng ở dao động, đặc biệt ở nhiệt độ cao nó rất dễ bị nứt khi có lực va đập (dao động). - Hợp kim chì: Là hợp kim của chì với các nguyên tố: Sb; Te và Sn với một hàm lượng nhỏ thì có cấu trúc sẽ mịn hơn và chịu được sự rung động song ít bền với sự ăn mòn. Hợp kim chì - thiếc: là chất hàn mềm có nhiệt độ nóng chảy 4000C. + Chì kỹ thuật: Có các ký hiệu PbTc1: 99,92% PbTc2: 99,80% PbTc3: 99,50% + Chì dùng sản xuất bình ăcquy: Có các ký hiệu PbAc1: 99,99% PbAc2: 99,98% PbAc3: 99,96% + Chì atimon: Có các ký hiệu PbSb3 = 96,5 - 99,2% PbSb6 = 93,4 - 96,3% PbSb12 = 86,8 - 92,7% PbSb20 = 77,1 - 85% PbSb30 = 66,5 - 76,4% Chì dẫn điện tốt, mềm dẽo, nhiệt nóng chảy thấp. Chì và hợp kim của chì (chì + thiếc, chì + kẽm, . . .) được dùng làm dây chảy, dây để hàn nối. Ứng dụng của chì và hợp kim chì: Chì và hợp kim chì được dùng để làm lớp vỏ bảo vệ cáp điện nhằm chống lại ẩm ướt. Vỏ chì ở cáp điện được chế tạo từ chì kỷ thuật. Đôi khi lớp vỏ này sử dụng như dây dẫn thứ 4 (ví dụ: trường hợp cáp có 3 dây dẫn). Chì còn được dùng chế tạo ắcquy điện có các tấm bản chì PbAc1, PbAc2. Một ứng dung quan trọng của chì là tham gia vào các hợp kim. Chì được sử dung như một vật liệu bảo vệ đối với tia X (rơnghen). Những tấm chì bảo vệ thường theo tiêu chuẩn chiều dày (4 - 9)mm, (1mm chiều dày ở (200 - 300)kv, chì có tác dụng bảo vệ như 1 tấm thép dày 11,5mm hay 1 lớp gạch có chiều dày 110mm). *Vonfram: Ký hiệu là: W Là điện trở chủ yếu làm sợi tóc của bóng đèn có tim. Điện trở suất: 0,55mWm (55*10-8Wm) Nhiệt độ nóng chảy: 33800C (cao nhất trong các kim loại) Hệ số nhiệt độ: 0,00464 Là kim loại rắn, rất nặng, có màu xám, vonfram được dùng làm tiếp điểm. * Ưu điểm: Ổn định khi làm việc. Độ mài mòn cơ nhỏ do vật liệu có độ cứng cao. Có khả năng chống tác dụng của hồ quang không làm dính tiếp điểm do khó nóng chảy. Độ ăn mòn bề mặt nhỏ, nghĩa là ăn mòn điện tạo thành những vết rổ và gờ do bị làm nóng cục bộ. * Nhược điểm: Khó gia công. Ở điều kiện bình thường dễ tạo thành màng oxít. Cần có áp lực lớn để giảm điện trở tiếp xúc. * Constantan: (60%Cu + 40%Ni) Có hệ số nhiệt độ thấp nên điện trở ít phụ thuộc nhiệt, sử dụng làm điện trở chuẩn trong phòng thí nghiệm, biến trở khởi động. Không làm điện trở tỏa nhiệt quá nhiệt độ 4500C (là hợp kim của đồng và niken) Điện trở suất: 0,49 mWm (49*10-8Wm) Nhiệt độ nóng chảy: 12400C * Maganin: là hợp kim của (86%Cu + 12% Mn + 2% Ni) có điện trở suất cao, hệ số nhiệt bé dùng làm điện trở mẫu (thời gian làm việc lâu dài thì nhiệt độ làm việc không quá 600C), điện trở đo lường. Điện trở suất: 0,42 mWm (42*10-8Wm) 2. VẬT LIÊU CÁCH ĐIỆN 2.1 Khái niệm Vật liệu dùng làm cách điện( còn gọi là chất điện môi) là các chất mà trong điều kiện bình thường điện tích xuất hiện ở đâu thì ở nguyên chỗ đấy . Tức là trong điều kiện bình thường, điện môi không dẫn điện, điện dẫn suất của chúng bằng không hoặc không đáng kể. 2.2. Tính chất - Tính hút ẩm của vật liệu cách điện - Tính cơ học của vật liệu cách điện - Tính hóa học của vật liệu cách điện - Hiện tượng đánh thủng điện môi: Trong điều kiện bình thường, vật liệu cách điện có điện trở rất lớn nên nó làm cách ly các phần mang điện với nhau. Nhưng nếu các vật liệu này đặt vào môi trường có điện áp cao thì các mối liên kết bên trong vật liệu sẽ bị phá hủy làm nó mất tính cách điện đi. Khi đó, người ta nói vật liệu cách điện đó bị đánh thủng. Giới hạn điện áp cho phép mà vật liệu cách điện còn làm việc được, được gọi là độ bền cách điện của vật liệu điện. - Độ bền cách điện. Độ bền cách điện phụ thuộc vào bản chất của vật liệu. Giá trị độ bền cách điện cho trong bảng sau: Vật liệu Độ bền cách điện Ebđ[kV/mm] Giới hạn điện áp an toàn e Không khí Giấy tẩm dầu Cao su Nhựa PVC Thủy tinh Mica Dầu máy biến áp Sứ Carton 3 10 – 25 15 – 20 32,5 10 – 15 50 – 100 5 –18 15 – 20 8 – 12 1 3,6 3 – 6 3,12 6 – 10 5,4 2 – 2,5 5,5 3 – 3,5 Giá trị điện áp đánh thủng (Uđt ) được tính: Uđt = Ebđ.d Trong đó: Ebđ: độ bền cách điện của vật liệu (kV/mm). d: bề dày tấm vật liệu cách điện (mm) Như vậy để vật liệu làm việc an toàn mà không bị đánh thủng thì điện áp đặt vào vật phải bé hơn Uđt một số lần tùy vào các chất khác nhau. Tỉ số giữa điện áp đánh thủng và điện áp cho phép vật liệu còn làm việc gọi là hệ số an toàn (e). Với: Ucp: điện áp cho phép vật liệu làm việc [kV] e: giới hạn an toàn, phụ thuộc vào bản chất vật liệu. - Độ bền nhiệt: Trong quá trình làm việc vật liệu cách điện luôn tiếp xúc với vật dẫn có dòng điện chạy qua. Bản thân vật dẫn lại bị phát nóng theo định luật Jounle-Lenx. Nghĩa là vật liệu cách điện cũng bị phát nóng theo vật dẫn. Như vậy, ngoài khả năng cách điện, điện môi còn phải chịu được một nhiệt độ nhất định nào đó. Căn cứ vào tính chịu nhiệt, người ta chia vật liệu cách điện thành 7 cấp sau đây: Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép ( 0C) Các vật liệu cách điện chủ yếu Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương tự, không tẩm nhựa.Các loại nhựa như: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin... A 105 Giấy, vải sợi, lụa tẩm dầu, cao su nhân tạo, nhựa polieste,các loại sơn cách điện có dầu làm khô. E 120 Nhựa PE, sơn emay, nhựa eboxi. Giấy ép hoặc vải có tẩm nhưa phenolfocmandehit (gọi chung là giấy bakelit). Vải có tẩm poliamit. Nhựa poliamit, nhựa phênol -phurol có độn xenlulo B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinhcó chất độn. Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng ở cá bộ phận không tiếp xúc với không khí. Các loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng). Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica,hoặc thủy tinh có chất độn. F 155 - Vật liệu cấp B có tẩm cách điện. - Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính H 180 Mica tinh chế, sợi thuỷ tinh tẩm sơn hữu cơ C Trên 180 - Gốm, thạch anh, oxid nhôm (Al2O3) - Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ. Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen. 2.3 Một số loại vật liệu cách điện thông dụng Vật liệu cách điện thể rắn: như thủy tinh, sứ, cao su, mica . . . Vật liệu cách điện thể lỏng: như véc ni, dầu máy biến áp . . . Vật liệu cách điện thể khí: không khí, hyđro, khí trơ . . . Ngoài ra vật liệu cách điện còn có nhiều loại khác nhau chịu ở các nhiệt độ khác nhau. Dưới đây là một số loại vật liệu cách điện thông dụng: * Sứ cách điện: được chế tạo từ đất sét, sau đó gia công định hình được nung và tráng men, có độ bền cách điện, độ bền nhiệt cao. Là một trong những vật liệu chủ yếu dùng trong lưới điện cao thế, trung thế và ha thế, dùng cách điện trong máy điện, khí cụ điện. * Nhựa PVC: (poly vinyl clorua) là hợp chất cao phân tử, được trùng hợp từ Vinyclorua [C2H3CL; (CH2=CHCL)n], chịu được tác dụng của acid, kiềm, nước, dầu . . .Dùng làm vỏ bọc dây dẫn điện, cáp điện, đầu ra các thiết bị điện, vỏ bình ắc qui.... Nó bị hóa nhảo ở nhiệt độ 850C. * Vecni cách điện: là dung dịch của loại keo nhựa tổng hợp hoặc điều chế từ dầu thực vật, dầu mỏ vẹc-ni để sơn tẩm, tăng cường cách điện, chống ẩm, nâng cao độ bền cơ trong dây quấn máy điện, khí cụ điện. * Dầu máy biến áp: là dung dịch của các loại dầu thực vật, dầu mỏ, vừa làm vật liệu cách điện, vừa giải nhiệt cho dây quấn. Dầu có tác dụng lấp đầy các khoảng trống giữa các vòng dây quấn. Dầu được dùng trong máy biến áp điện lực, máy cắt cao thế . . .Ngoài các tác dụng trên, dầu còn có nhiệm vụ dập hồ quang sinh ra. CHƯƠNG V: DỤNG CỤ VÀ KỸ THUẬT ĐO ĐIỆN Mã chương : MH 07- 05 Giới thiệu: Đo lường là một kỹ năng quan trọng để đánh giá định lượng đại lượng cần đo với đơn vị của đại lượng đo. Thông qua các dụng cụ đo, kỹ thuật đo lường cho ta biết chính xác các đại lượng cần đo từ đó áp dụng các thành tựu của đo lường vào việc chế tạo, lắp đặt, sửa chữa, vận hành ... Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm về đo lường điện. - Nhận dạng và phân loại được một số dụng cụ đo lường điện thông dụng; - Sử dụng thành thạo các dụng cụ đo và đo được các đại lượng dùng điện, điện áp; - Thực hiện nghiêm túc nhiệm vụ học tập, giữ an toàn cho người và thiết bị trong quá trình thực hành. Nội dung: 1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN 1.1 Khái niện và ý nghĩa của đo lường điện 1.1.1. Khái niệm Đo lường là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo với đơn vị của đại lượng đo. Như vậy đối tượng của đo điện chính là các đại lượng cần đo như: Dòng điện; Điện áp; Điện trở; Công suất; Điện năng tiêu thụ..... và các đơn vị của chúng như: A ( Ampe); V (Vôn); ( Ôm); W (Oát) . . . vv 1.1.2. Ý nghĩa của đo điện Thông qua các dụng cụ đo kỹ thuật đo lường cho ta biết chính xác các đại lượng cần đo từ đó áp dụng các thành tựu của đo lường vào việc chế tạo, lắp đặt, sửa chữa, vận hành các máy điện, thiết bị điện phục vụ cho sản xuất của đất nước và đời sống hàng ngày của nhân dân. 1.2. Phân loại và ký hiệu dụng cụ đo 1.2.1 Phân loại a. Phân loại theo dòng điện - Đo dòng điện 1 chiều - Đo dòng điện xoay chiều: + Đo dòng điện xoay chiều 1 pha + Đo dòng điện xoay chiều 3 pha b. Phân loại theo đại lượng đo - Đo dòng điện - Đo điện áp - Đo điện trở - Đo công suất - Đo điện năng - Đo các đại lượng không điện như: nhiệt độ, di chuyển, ứng suất c. Phân loại theo cơ cấu đo - Cơ cấu đo từ điện - Cơ cấu đo điện từ - Cơ cấu đo điện động - Cơ cấu đo cảm ứng - Cơ cấu đo điện tử tương tự 1.2.2. Một số ký hiệu - hướng dẫn sử dụng Hình 5.1: Một số ký hiệu trên cơ cấu đo Đây là đồng hồ đo đo điện đa năng hiện số có một núm xoay chọn đại lượngcần đo , nó có nhiêù thang đo với chức năng khác nhau: - Thang ACV đo điện áp dòng điện xoay chiều - Thang DCV đo dòng điện một chiều - Thang ACA đo dòng điện xoay chiều - Thang đo điện trở - Thang CX đo điện dung của tụ điện Khi sử dụng vặn núm xoay đến vị trí tương ứng với chức năng và thang cần đo sau đó nối cực đồng hồ vào vào mạch điện rồi bật công tắc tới nấc ON để chữ số hiện ở màn hình - Nếu chưa rõ giá trị giới hạn đại lượng đo cần chọn thang đo có trị số lớn nhất phù hợp với chức năng đã chọn - Không đo cường độ dòng điện và hiệu điện thế vượt quá giới hạn thang đo đã chọn - Không chuyển đổi chức năng thang đo của đồng hồ khi có dòng điện chạy qua nó - Không dùng nhầm thang đo cường độ dòng điện đo hiệu điện thế - Khi thực hiện xong phép đo phải tắt đồng hồ bằng cách bật về nút OFF - Thay pin vào trong đồng hồ phải có hiển thị biểu tượng của ắc quy - Phải tháo pin ra ngoài khi lâu ngày không sử dụng đồng hồ. 2. MỘT SỐ DỤNG CỤ THÔNG DỤNG 2.1. Ampe kế 2.1.1. Cấu tạo Hình 5.2: Cơ cấu đo kiểu từ điện Thông thường Ampe kế gồm có cơ cấu chỉ thị từ điện hoặc điện từ mắc song song với một sơn (điện trở ) Hình 5-2 là Ampe kế có cơ cấu kiểu từ điện. Cơ cấu gồm có hai phần cơ bản: - Phần tĩnh gồm có nam châm vĩnh cửu 1, mạch từ 2, cực từ 3 và lõi sắt 4 hình thành mạch từ khép kín. Giữa cực từ 3 và lõi sắt 4 có khe hở không khí. - Phần động gồm có khung dây 5 được cuốn bằng dây đồng có đường kính bằng 0,030.07mm khung dây( dây căng hoặc dây treo ) được đặt vào trục quay và di chuyển trong khe hở không khí giữa cực từ 3 và lõi sắt 4. - Nam châm được chế tạo bằng hợp kim : Vonfram, Alnicô, Crôm . . .vv có trị số từ cảm từ 0,10,12 Tesla và từ 0,20,3 Tesla. 2.1.2.. Nguyên lý Khi cho dòng điện chạy qua khung dây dưới tác dụng của từ trường nam châm vĩnh cửu khung dây lệch khỏi vị trí ban đầu một góc tuỳ theo giá trị của dòng điện từ đó ta xác định được giá trị đại lượng cần đo thông qua sự dịch chuyển của kim trên mặt số của Ampe kế. 2.2. Vôn kế 2.2.1. Cấu tạo Vôn kế thông thường gồm có cơ cấu chỉ thị kiểu điện từ hoặc từ điện mắc nối tiếp với một điện trở phụ Hình 5.3.Vôn kế kiểu từ điện dây dẹt Hình 5.4.Vôn kế kiểu từ điện dây tròn 1.Cuộn dây dẹt; 2,Lõi thép; 1.Cuộn dây 3.Lò xo cản; 4.Cần dịu; 5.Trục Quay; 2.Tấm kim loại tĩnh 6.Kim chỉ; 7.Đối trọng; 8.Thang đo. 3. Tấm kim loại động Trên hình 5.3 và hình 5.4 là một vôn kế có cơ cấu chỉ thị kiểu từ điện. Cơ cấu bao gồm hai loại vôn kế cuộn dây dẹt và vôn kế cuộn dây tròn - Vôn kế cuộn dây dẹt : Có phần tĩnh là một cuộn dây phẳng 1 bên trong có khe hở không khí. Phần động là lõi thép 2 được gắn trên trục 5 . Lõi thép có thể quay tự do trong khe hở không khí. - Vôn kế cuộn dây tròn : Phần tĩnh là cuộn dây có mạch từ khép kín 1 bên trong có bố trí tấm kim loại cố định 2 . Phần động là tấm động 3 có gắn với trục quay của kim vôn kế. 2.2.2. Nguyên lý - Đối với vôn kế cuộn dây dẹt khi có dòng điện chạy qua cuộn dây 1 sẽ tạo thành nam châm điện hút lõi thép 2 vào khe hở không khí tạo thành mô men quay làm dịch chuyển kim vôn kế trên mặt số cho ta xác định được giá trị đại lượng cần đo. - Đối với vôn kế cuộn dây tròn: khi có dòng điện chạy trong cuộn dây1 sẽ suất hiện từ trường và từ hoá các tấm kim loại tĩnh và động để tạo thành nam châm. Giữa các tấm kim loại hình thành lực đẩy lẫn nhau và suất hiện mô men quay. Mô men quay, quay kim vôn kế đi một góc nào đó trên măt số cho ta xác định được giá trị đại lượng cần đo. 2.3. Công tơ điện Hình 5.5: Cấu tạo công tơ điện 2.3.1. Cấu tạo Công tơ có cấu tạo gồm: Cuộn dây điện áp, cuộn dây dòng điện, đĩa nhôm, nam châm - Cuộn dây điện áp được cuốn trên lõi thép kỹ thuật điện gồm nhiều vòng dây tiết diện nhỏ. - Cuộn dây dòng điện được cuốn trên lõi thép kỹ thuật điện tiết diện dây lớn số vòng ít. - Đĩa nhôm nằm giữa khe hở từ của cuộn dây điện áp và cuộn dây dòng điện. Trên đĩa nhôm có gắn trục quay. Trục quay gắn với vít vô tận và bộ số để đếm số vòng quay của đĩa nhôm. - Nam châm vĩnh cửu đặt ở đĩa nhôm làm nhiệm vụ sinh ra mô men cản. Hình 5.6: đồ thị véc tơ 2.3.2. Nguyên lý Khi đặt điện áp vào cuộn dây điện áp sẽ có dòng điện IU chạy qua cuộn dây điện áp. Giả thiết cuộn dây điện áp thuần điện cảm nên dòng điện IU chậm pha sau điện áp một góc 900 . Dòng điện IU tạo ra từ thông U . Giả thiết lõi thép không có tổn hao nên từ thông U trùng pha với dòng điện IU đồng thời cho dòng điện I vào cuộn dây dòng điện. Dòng điện I tạo nên từ thông I. Giả thiết lõi thép có tổn hao nên từ thông I trùng pha với dòng điện I. Quan hệ giữa điện áp, dòng điện và từ thông được vẽ trên đồ thị véc tơ. Với phụ tải có tính điện cảm nên dòng điện I lệch pha so với điện áp U một góc . - Từ thông U và I xuyên qua đĩa nhôm cảm ứng trên đĩa nhôm dòng điện tương ứng. Đồng thời từ thông U , I tác dụng tương hộ với dòng điện cảm ứng trên đĩa nhôm tạo lên lực điện từ, lực điện từ tạo lên mô mem quay làm cho đĩa nhôm quay M= KU I . Sin K là hệ số tỷ lệ góc lệch pha giữa U và I Hay M = K’UI Cos = KP Với K’ = K . KU KI KU KI là hệ số tỷ lệ điện áp và dòng điện Vậy mô men quay tỷ lệ với công suất tác dụng nên công tơ đo được điện năng tiêu thụ. 3. PHƯƠNG PHÁP ĐO MỘT SỐ ĐẠI LƯỢNG ĐIỆN 3.1. Đo điện áp (một chiêu, xoay chiều) Hình 5.7: Phương pháp đo điện áp Hình 5.8: Bộ khuyếch đại 1 chiều Để đo điện áp U người ta dùng 1 vôn kế mắc song song với mạch cần đo. Để kết quả đo chính xác thì điện trở trong của vôn kế phải càng lớn càng tốt. Để mở rộng thang đo ta dùng điện trở phụ mắc nối tiếp với cơ cấu đo. Giả thiết cơ cấu đo có điện áp là điện áp làm cho kim chỉ hết thang đo UCC muốn mở rộng thang đo m lần nghĩa là U/ UCC = m thì = = m -1 hay là R= R(m-1) - Khi cần đo điện áp rất lớn (cỡ KV ) ta dùng máy biến điện áp. - Để đo điện áp và dòng điện nhỏ người ta dùng điện kế từ điện. Để tăng độ nhạy của điện kế từ điện người tăng từ cảm khe hở không khí , giảm hệ số phản kháng của dây treo và dùng hệ số chỉ thị ánh sáng. - Để nâng cao độ chính xác của phép đo người ta tiến hành đo bằng phương pháp bù. Nội dung của phương pháp này là so sánh điện áp cần đo U với điện áp mẫu đã biết U có độ chính xác cao (hình 5.7). Độ chênh áp U= U- U được phát hiện bằng cơ cấu chỉ không. ở vôn kế điện tử điện áp cần đo được chỉnh lưu và đưa vào bộ khuyếch đại 1 chiều (Hình 5.8). Đầu ra của khuyếch đại 1 chiều là cơ cấu điện tử. Vôn kế điện tử có độ nhạy cao điện trở vào lớn có thể đạt tới 100M , công suất tiêu thụ rất ít, khoảng tần số làm việc rộng dễ dàng điều chỉnh và mở rộng thang đo. 3.2. Đo cường độ dòng điện (một chiều, xoay chiều) Hình 5.9:Đo cường độ dòng điện - Để đo dòng điện ta mắc nối tiếp Ampe kế với mạch điện cần đo. Để Ampe kế không làm thay đổi dòng điện trong mạch thì điện trở của Ampe kế càng nhỏ càng tốt. - Để đo dòng điện 1 chiều có thể dùng ampe kế từ điện và điện từ. Để mở rộng thang đo dòng điện 1 chiều ta dùng điện trở sơn R nối song song với cơ cấu đo. Dòng điện qua cơ cấu đo là I= I. Trong đó I là dòng điện cần đo, Rđiện trở của cơ cấu đo. Nếu muốn mở rộng Hình 5.10: Dụng cụ đo từ điện có nhiều thang đo khác nhau thang đo n lần tức là = n = Suy ra điện trở của sơn R: R= Hình 5.10 là sơ đồ sơn của dụng cụ đo từ điện có nhiều thang đo khác nhau Hình 5.11 Ampe điện từ 2 thang đo Hình 5.11 Ampe điện từ 2 thang đo Để đo dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp có thể sử dụng ampe kế điện từ hay điện động với dòng điện xoay chiều người ta dùng máy biến dòng để mở rộng thang đo. Ampe mét điện từ nhiều thang đo được chế tạo bằng cách phân đoạn cuộn dây phần tĩnh thành nhiều đoạn bằng nhau và có thể đổi nối song song hoặc nối tiếp. - Để đo dòng điện xoay chiều bằng dụng cụ từ điện người ta phải chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều. Hình 5.12. a sơ đồ chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ; b,c. là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ 3.3. Đo điện năng 3.3.1. Đo điện năng trong mạch xoay chiều một pha Hình 5.13.Mắc trực tiếp công tơ vào mạch điện Hình 5.14: Mắc công tơ gián tiếp qua máy biến áp dòng Để đo điện năng trong mạch điện xoay chiều 1 phải dùng công tơ một pha kiểu cảm ứng 3.3.2. Đo điện năng trong mạch điện xoay chiều ba pha - Đối với mạch 3 pha 4 dây: Để đo điện năng trong mạch điện xoay chiều 3 pha 4 dây ta dùng 3 công tơ một pha hoặc dùng một công tơ 3 pha 3 phần tử Hình 5.15: Sơ đồ mắc 3 công tơ 1 pha Hình 5.16: Sơ đồ mắc công tơ 3 pha 3 phần tử Hình 5-18: Sơ đồ mắc công tơ 3 pha 2 phần tử Hình 5.19: Sơ đồ mắc công tơ 3 pha qua máy biến dòng - Đối với mạch 3 pha 3 dây ta có thể dùng một công tơ 3 phần tử hoặc một công tơ ba phần tử mắc qua máy biến dòng CHƯƠNG VI: MÁY ĐIỆN Mãchương: MH 07- 06 Giới thiệu: Máy điện nghiên cứu những ứng dụng của các hiện tượng điện từ nhằm biến đổi năng lượng. Máy điện là phần tử quan trọng nhất của bất kỳ thiết bị điện năng nào. Nó được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp, dân dụng, công nghiệp, giao thông vận tải, các hệ điều khiển và tự động điều chỉnh, khống chế. Kiến thức về Máy điện rất quan trọng đối với người thợ điện, đặc biệt là đối với những người phụ trách phần điều khiển và vận hành máy điện trong mạch truyền động điện công nghiệp ở các xí nghiệp, nhà máy. Mục tiêu: - Trình bày được định nghĩa về các loại máy điện cơ bản: máy biến áp, máy điện đồng bộ, không đồng bộ và máy điện 1 chiều; - Mô tả được cấu tạo và giải thích được nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha, máy phát điện đồng bộ, động cơ không đồng bộ và máy điện 1 chiều; - Nhận biết và nêu được ứng dụng các loại máy điện cơ bản trong thực tế; - Vận hành được các máy điện đơn giản; - Thực hiện nghiêm túc nhiệm vụ học tập, giữ an toàn cho người và thiết bị trong quá trình thực hành. 1. MÁYBIẾN ÁP 1.1 Định Nghĩa Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh làm việc theo nguyên lý cảm ứng điện từ dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không thay đổi. 1.2. Phân loại máy biến áp - Máy biến áp dùng để truyền tải và phân phối công suất trong hệ thống điện lực - Máy biến áp chuyên dùng cho các lò luyện kim, các thiết bị chỉnh lưu, máy biến áp hàn - Máy biến áp tự ngẫu dùng để liên tục trong hệ thống điện, mở máy động cơ không đồng bộ công suất lớn - Máy biến áp đo lường dùng để giảm điện áp và dòng điện lớn đưa vào các dụng cụ đo tiêu chuẩn hoặc để điều khiển - Máy biến áp thí nghiệm dùng để thí nghiệm điện áp cao 1.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy biến áp 1 pha 1.3.1. Cấu tạo a. Lõi thép Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo bằng các vật liệu dẫn từ tốt thường là lá thép kỹ thuật điện có bề dày 0,3 1mm. Mặt ngoài của các lá thép có sơn cách điện rồi ghép lại với nhau thành lõi thép. Lõi thép gồm hai phần, phần gông và phần trụ. Phần trụ T là phần để dặt dây cuốn còn phần gông G là phần nối liền giữa các trụ tạo thành mạch từ kín. b. Dây cuốn Dây cuốn thường làm bằng dây dẫn đồng hoặc nhôm tiết diện tròn hay chữ nhật bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. Dây cuốn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây cuốn và giữa dây cuốn với lõi thép đều có cách điện. Khi các dây cuốn đặt trên cùng một trụ thì dây cuốn điện áp thấp đặt sát trụ thép còn dây cuốn điện áp cao đặt bên ngoài làm như vậy giảm được vật liệu cách điện. Hình 6.1:Mạch từ máy biến áp một pha: a. Kiểu trụ ; b. Kiểu bọc c. Vỏ máy Vỏ máy gồm có thùng máy biến áp và nắp thùng - Thùng máy biến áp để đặt lõi thép, dây cuốn và dầu biến áp - Nắp thùng để lắp sứ ra dây cuốn cao áp, dây cuốn hạ áp, bình dầu phụ và ống bảo hiểm 1.3.2. Nguyên lý làm việc Trên hình 6.2 vẽ sơ đồ nguyên lí của máy biến áp có hai dây quấn w1 và w2. Khi ta nối dây quấn sơ cấp w1 vào nguồn điện xoay chiều điện áp u1, sẽ có dòng điện sơ cấp i1 chạy trong dây quấn sơ cấp. Dòng i1 sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng (xuyên qua) đồng thời với cả hai dây quấn sơ cấp w1và thứ cấp w2 được gọi là từ thông chính. Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp sức điện động là: e1 = -w1 và cảm ứng vào dây quấn thứ cấp sức điện động là: e2 = -w2 trong đó w1, w2 là số vòng của dây quấn sơ cấp và thứ cấp. Khi máy biến áp không tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện thứ cấp I2 = 0, từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I0 sinh ra. Hình 6.2: Nguyên lý làm việc của máy biến áp I1 W1 U1 CD1 CD2 I2 W2 U2 F Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp i2 cung cấp điện cho tải. Khi ấy từ thông chính do đồng thời cả hai dòng sơ cấp i1 và thứ cấp i2 sinh ra. Điện áp u1 sin nên từ thông cũng biến thiến sin, ta có: F = Fmaxsinwt e1 = -w1 = 4,44fw1Fmaxsin(wt-) = E1sin(wt-) e2 = -w2 = 4,44fw2Fmaxsin(wt-) = E2sin(wt-) trong đó: E1 = 4,44fw1Fmax E2 = 4,44fw2Fmax E1, E2 là trị số hiệu dụng sức điện động sơ cấp, thứ cấp. Nhìn công thức ta thấy: sức điện động thứ cấp và sơ cấp có cùng tần số, nhưng trị số hiệu dụng khác nhau. Nếu chia E1 cho E2 ta có: k = k được gọi là hệ số biến áp. Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí, có thể coi gần đúng U1 » E1, U2 » E2 ta có: » = k nghĩa là tỷ số điện áp sơ cấp và thứ cấp đúng bằng tỷ số vòng dây. Đối với máy biến áp tăng áp có: U2 > U1; w2 > w1. Đối với máy biến áp giảm áp có: U2 < U1; w2 < w1. Như vậy dây quấn sơ cấp và thứ cấp không trực tiếp liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ có từ thông chính, năng lượng đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang dây quấn thứ cấp. Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng quan hệ giữa các lượng sơ cấp và thứ cấp như sau: U2I2 » U1I1 hoặc » » k Hiệu suất của máy biến áp: h = 2. MÁY ĐIỆN ĐỒNG BỘ 2.1. Định nghĩa Những máy điện có tốc độ quay của roto n bằng tốc độ quay của từ trường quay n1 gọi là máy điện đồng bộ. ở chế độ xác lập máy điện đồng bộ có tốc độ quay của roto luôn không đổi khi tải thay đổi. 2.2. Cấu tạo 2.2.1. Phần cảm Phần cảm (roto ) có các cực từ và dây cuốn kích từ. Có hai loại roto, roto cực ẩn và roto cực lồi Roto cực ẩn thường dùng ở máy tốc độ cao n = 3000 vòng/ phút có một đôi cực. Dây cuốn kích từ được đặt trong rãnh của roto. Hình 6.3: Roto cực ẩn Roto cực lồi dùng cho máy tốc độ chậm có nhiều đôi cực. Dây cuốn kích từ cuốn xung quanh thân cực từ. Hình 6.4: Roto cực lồi 2.2.2 .Phần ứng Phần ứng ( stato ) là lõi thép hình trụ gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện dập rãnh bên trong ghép lại với nhau . Các rãnh được dập theo hướng trục. Lõi thép được ép vào vỏ máy. Trên các rãnh có cuốn các cuộn dây ba pha được bọc cách điện với nhau và với stato. Hình 6.5: stato 2.3. Nguyên lý hoạt động của máy phát điện đồng bộ * Quá trình thành lập điện áp Khi cho dòng điện kích từ ( dòng điện không đổi ) vào dây cuốn kích từ sẽ tạo nên từ trường roto. Khi roto quay từ trường của roto sẽ cắt qua dây cuốn phần ứng stato và cảm ứng ra suất điện động xoay chiều hình sin có trị số hiệu dụng E0 =4,44W1 .Kdq .0 Trong đó E0 , W1, Kdq, 0 Là suất điện động pha, số vòng dây pha, hệ số dây cuốn và từ thông cực từ roto. Nếu roto có p đôi cực khi roto quay được một vòng suất điện động phần ứng sẽ biến thiên được p chu kỳ khi đó tốc độ quay của roto là n ( vòng/ phút ), tần số f của suất điện động là f = p. n Nếu tính bằng vòng phút f = Dây cuốn stato có trục lệch nhau 1200 điện trong không gian nên suất điện động trong các pha lệch nhau một góc 1200 . Khi dây cuốn ba pha nối với tải trong các dây cuốn sẽ có dòng điện ba pha. Dòng điện ba pha tạo nên từ trường quay với tốc độ n1 = 60f/ p đúng bằng tốc độ n của Roto. * Điều chỉnh điện áp Điều chỉnh diện áp máy đồng bộ ta điều chỉnh dòng điện kích từ IKT theo dòng tải I khi U không đổi thông thường máy phát tự điều chỉnh. 3. ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3.1. Định nghĩa Động cơ không đồng bộ là động cơ có phần quay làm việc với điện xoay chiều theo nguyên lý cảm ứng điện từ có tốc độ quay của roto n khác với tốc độ quay của từ trường n1. 3.2. Phân loại - Động cơ không đồng bộ 3 pha - Động cơ không đồng bộ 2 pha - Động cơ không đồng bộ 1 pha 3.3. Cấu tạo 3.3.1. Phần tĩnh (stato) Hình 6.6.Cấu tạo động cơ Hình 6.6: Cấu tạo động cơ 1. Lõi thép stato 2. Dây cuốn stato 3.Nắp máy 4.ổ bi 5.Trục máy 6.Hộp đấu dây 7.Lõi thép roto 8.Thân máy 9.Quạt làm mát 10.Hộp quạt Hình 6.7: Stato và sơ đồ dây quấn Stato là một lõi thép dạng hình trụ làm bằng lá thép kỹ thuật điện được dập rãnh bên trong rồi ghép lại với nhau thành rãnh theo hướng trục rồi được ép vào trong vỏ máy đúc bằng gang. Trong rãnh của stato có cuốn dây đồng bọc cách điện. Dòng điện xoay chiều ba pha chạy trong dây cuốn ba pha stato sẽ tạo nên từ trường quay. 3.3.2. Phần quay (Rôto) Roto gồm lõi thép là các lá thép kỹ thuật điện được lấy từ phần bên trong của lõi thép stato mặt ngoài có dập rãnh để đặt lồng sóc vào. Lồng sóc gồm các thanh đồng hoặc thanh nhôm được đặt trong rãnh của roto và bị ngắn mạch bởi hai vành ngắn mạch ở hai đầu. Ở động cơ cỡ nhỏ lồng sóc được đúc liền bằng nhôm gồm các thanh dẫn, vành ngắn mạch, cánh tản nhiệt và cánh quạt làm mát. Hình 6.8: a.Lồng sóc b.Lõi thép Roto c.Ký hiệu trên sơ đồ * Các bộ phận khác Ngoài ra trên động cơ không đồng ba pha còn có các nắp trước và nắp sau trên đó có lắp các vòng bi (hoặc bạc) để đỡ trục roto.Trên vỏ có hộp đấu dây điện ba pha vào động cơ . Trên trục roto của động cơ cỡ lớn còn lắp cách quạt gió để làm mát động cơ. 3.4. Nguyên lý làm việc 3.4.1.Từ trường quay của stato Để xét việc tạo ra từ trường quay ta cho dòng điện xoay chiều ba pha vào ba cuộn dây của stato có trục lệch nhau trong không gian một góc 1200 về điện của một động cơ không đồng bộ Mỗi cuộn dây sinh ra một từ trường được xác định bằng quy tắc vặn nút chai và tổng hợp lại thành từ trường tổng cộng có cực S – N Tại một thời điểm nào đó ( Hình 6.9.a) từ trường cuộn dây pha A cực đại . Từ trường tổng cộng theo chiều từ trường cuộn dây pha A hướng sang trái. Tương tự như trên ( Hình 6.9.b) khi từ trường cuộn dây pha B cực đại . Trường tổng cộng theo chiều từ trường cuộn dây pha B hướng lên trên. Tiếp tục( Hình 6.9.c) thì từ trường cuộn dây pha C cực đại . Trường tổng cộng theo chiều từ trường cuộn dây pha C hướng xuống dưới. Hình 6.9: Từ trường 2 cực dây cuốn Stato Như vậy từ trường tổng cộng của cả ba cuộn dây quay quanh tâm 0 với tần số bằng tần số góc của dòng điện xoay chiều. 3.4.2. Nguyên lý làm việc Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha vào dây cuốn stato sẽ tạo ra từ trường quay p đôi cực với tốc độ n1 =60f/p . Từ trường quay cắt các thanh dẫn của dây cuốn roto cảm ứng ra suất điện động E2 .Vì dây cuốn nối ngắn mạch nên suất điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng điện I2 trong các thanh dẫn roto. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn roto mang dòng điện I2 kéo roto quay theo chiều quay của từ trưòng Suất điện động cảm ứng xuất hiện trên thanh dẫn ; Với L là chiều dài thanh dẫn roto và dòng điện I2 đặt trong cảm ứng từ B chịu tác dụng lực cùng chiều với từ trường quay Stato Hình 6.10 Quá trình tạo mô men quay động cơ không đồng bộ Tốc độ quay n của roto luôn nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay n1. Độ chênh lệch giữa tốc độ của từ trưòng quay n1và tốc độ roto n gọi là tốc độ trượt n2 n2 = n1- n Hệ số trượt S = Khi roto đứng yên thì : n = 0 ; S = 1 Khi roto quay định mức thì : S = 0,02 0.06 . Thì tốc độ của động cơ : n = n1( 1-S ) = 60( 1-S )/p 4. MÁY ĐIỆN MỘT CHIỀU 4.1 Định nghĩa Máy điện một chiều là loại máy tạo ra dòng điện một chiều để mạ điện , điều chế kim loại , nạp điện cho ắc quy . . . vv ở chế độ máy phát . Đồng thời nó có thể nhận dòng điện một chiều để tạo ra mô men quay lớn khởi động động cơ đốt trong . 4.2. Phân loại - Máy phát điện một chiều - Động cơ điện một chiều 4.3. Cấu tạo 4.3.1.Phần cảm ( Stato ) Stato gồm lõi thép bằng thép đúc vừa là vỏ vừa là mạch từ . Gắn với Stato là các cực từ chính có dây cuốn kích từ . Hình 6-11.Cấu tạo máy phát điện a.Stato b. Roto c,f. Nắp d. Cổ góp Hình 6-12:Mặt cắt của máy Hình 6-13:Lá thép của Roto Hình 6.13: Lá thép của Roto Hình 6.11: Cấu tạo máy phát điện Hình 6.12: Mặt cắt của máy 6.14: Hình Chổi than Hình 6-14: Chổi than 4.3.2. Phần ứng ( Roto ) Roto bao gồm lõi thép, dây cuốn phần ứng , cổ góp và chổi than - Lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện ghép lại với nhau nó có lỗ thông gió và rãnh để đặt dây cuốn phần ứng. Mỗi phần tử dây cuốn gồm nhiều vòng dây hai đầu nối với hai phiến góp . - Cổ góp gồm phiến góp bằng đồng ghép cách điện với nhau nó có dạng hình trụ và được gắn vào roto. - Chổi than làm bằng than Graphít tỳ lên cổ góp nhờ lò xo. * Các phương pháp kích từ - Máy điện một chiều kích từ độc lập : Dòng điện kích từ của máy lấy từ nguồn điện khác không liên hệ với phần ứng của máy. Hình 6.15: Kích từ độc lập Wkt Hình 6.16: Kích từ song song Wkt Wkt Hình 6.16: Kích từ song song - Máy điện một chiều kích từ song song : Dây cuốn kích từ song song với mạch phần ứng. Wkt Hình 6.17: Kích từ nối tiếp Wkt - Máy điện một chiều kích từ nối tiếp : Dây cuốn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng. Hình 6.18: Kích từ hỗn hợp Wkt Wkt - Máy điện một chiều kích từ hỗn hợp : Gồm hai dây cuốn kích từ dây cuốn kích từ song song và dây cuốn kích từ nối tiếp trong đó làm việc chủ yếu là dây cuốn kích từ song song. 4.4.Nguyên lý làm việc 4.4.1. Nguyên lý làm việc của máy phát điện 1 chiều kích thích song song Hình 6.19: Nguyên lý làm việc của máy phát điện 1 chiều kích thích song song Lúc đầu máykhông có dòng kích từ, từ thông trong máy do từ dư của cực từ tạo ra bằng khoảng 2 3% từ thông định mức. Khi quay phần ứng trong dây cuốn phần ứng sẽ tạo ra suất điện động cảm ứng do từ thông sinh ra. Suất điện động này khép mạch cuộn dây kích từ ( RKT nhỏ nhất ) sinh ra dòng điện kích từ làm tăng từ trường cho máy. Quá trình tiếp tục khi điện áp đạt mức ổn định. Để máy thành lập điện áp cần phải có từ dư và chiều từ trường dây cuốn kích từ phải cùng chiều với chiều từ dư. Nếu không có từ dư ta phải mồi từ để tạo từ dư Nếu chiều hai từ trường ngược nhau ta phải đổi cực tính dây cuốn kích từ hoặc đổi chiều quay phần ứng - Mạch phần ứng : U = UU – RUIU ; - Mạch kích từ : U = IKT( RKT – RĐC ) IƯ = I + IKT 4.4.2. Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp Hình 6.17: Nguyên lý làm việc của động cơ điện 1 chiều kích thích nối tiếp Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi than thì trong dây cuốn phần ứng có dòng điện. Các dây cuốn phần ứng nằm trong từ trường ( phần cảm ) sẽ chịu tác dụng tương hỗ lên nhau tạo lên mô men tác dụng lên roto làm roto quay. Nhờ có phiến góp đổi chiều dòng điện nên dòng điện một chiều đưa vào phần ứng thành dòng điện xoay chiều đưa vào phần ứng giữ cho lực điện từ tác dụng lên roto theo một chiều nhất định đảm bảo cho động cơ có chiều quay không đổi. Do cuộn dây kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng nên dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng. Vì vậy cuộn dây kích từ có tiết diện lớn, số vòng ít và tiết diện nhỏ I = IƯ = IKT EU = U – ( RKT + RƯ )IU Nên khi chạy không tải hoặc tải nhỏ thì dòng điện nhỏ , từ thông nhỏ làm tốc độ động cơ cao ta mắc thêm RMở để tránh gây hỏng hóc. Động cơ kích từ nối tiếp thích hợp cho chế độ tải nặng nề như ở các thiêt bị cần trục, cầu trục CHƯƠNG 7: THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN VÀ BẢO VỆ Mã chương : MH 07- 07 Giới thiệu: Điều khiển và bảo vệ là hai vấn đề cơ bản trong việc lắp đặt và sửa chữa các mạch điện.Vậy ứng dụng và nguyên lý hoạt động của các thiết bị này như thế nào, ta sẽ tìm hiểu trong chương này. Mục tiêu: - Mô tả được cấu tạo và giải thích được nguyên lý hoạt động của các thiết bị điều khiển và bảo vệ : nút bấm, cấu chì, công tắc, aptomat, công tắc tơ; - Nhận biết được các loại khí cụ trên trong thực tế; - Sử dụng và đấu nối được một số thiết bị điều khiển trong mạch điện đơn giản: công tắc, cầu chì, aptomat; - Thực hiện nghiêm túc nhiệm vụ học tập, giữ an toàn cho người và thiết bị trong quá trình thực hành. 1. THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN 1.1. Nút bấm 1.1.1. Công dụng và phân loại a. Công dụng Nút bấm là loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt các thiết bị điện bằng tay Hình 7.1: Hình ảnh của nút ấn b. Phân loại: 3 loại - Nút bấm thường mở - Nút bấm thường đóng - Nút bấm liên động Hình 7.2: Ký hiệu của nút ấn 1.1.2. Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động - Đối với nút bấm thường mở và thường đóng có 1 cặp tiếp điểm mỗi tiếp điểm được đấu với 1đầu dây điện và 1 lò xo. + Với nút bấm thường mở ta tác dụng lực vào nút thì tiếp điểm được đóng lại, khi buông tay tiếp điểm vẫn đóng. + Với nút bấm thường đóng ta tác lực vào thì tiếp điểm mở ra, khi buông tay tiếp điểm vẫn mở. - Đối với nút bấm liên động có chứa 2 tiếp điểm thường đóng và thường mở. Khi tác dụng lực vào nút bấm tiếp điểm thường mở đóng lại tiếp điểm thường đóng mở ra, khi buông tay ra tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu. 1.2. Công tắc 1.2.1. Công dụng và phân loại a. Công dụng Công tắc là khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện có công suất nhỏ và có dòng điện định mức nhỏ hơn 6A. Công tắc thường có hộp bảo vệ để tránh sự phóng điện khi đóng mở. Điện áp của công tắc nhỏ hơn hay bằng 5OOV. 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. b. Phân loại Phân loại theo công dụng làm việc, có các loại công tắc sau: + Công tắc đóng ngắt trực tiếp. + Công tắc chuyển mạch (công tắc xoay, công tắc đảo, công tắc vạn năng), dùng dể đóng ngắt chuyển đổi mạch diện, đổi nối sao tam giác cho động cơ. + Công tắc kiểu hộp +Công tắc vạn năng 1.2.2. Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động + Công tắc kiểu hộp Phần chính là tiếp điểm tĩnh 3 gắn trên các vành nhựa bakờlớt cách điện 2 có hai đầu vặn vít thò ra khỏi hộp . Các tiếp điểm động 4 gắn trên cùng trục và cách điện với trục, nằm ở các mặt phẳng khác nhau tương ứng với vành 2. Khi quay trục đến vị trí thích hợp sẽ có một số tiếp điểm động đến tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh, còn một số khác sẽ rời khỏi tiếp điểm tĩnh. Chuyển dịch tiếp điểm động nhờ cơ cấu cơ khí có núm vặn 5. Ngoài ra còn có lò xo phản kháng đặt trong vỏ để tạo nên sức bật nhanh làm cho hồ quang được dập tắt nhanh chóng . Hình 7.3: Công tắc kiểu hộp +Công tắc vạn năng Gồm các đoạn riêng rẽ cách điện với nhau và lắp trên cùng một trục có tiết diện vuông . Các tiếp điểm 1và 2 sẽ đóng và mở nhờ xoay vành cách điện 3 lồng trên trục 4 khi ta vặn công tắc .Tay gạt công tắc có một số vị trí chuyển đổi trong đó các tiếp điểm sẽ đóng hoặc ngắt theo yêu cầu . Hình 7.4: Công tắc vạn năng 1.3. Công tắc tơ 1.3.1. Công dụng Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện động lực bằng tay (thông qua bộ nút ấn) hoặc tự động. Công tắc tơ có thể dùng cho các mạch điện động lực có điện áp đến 500V, dòng điện định mức đến 800A và tần số đóng cắt đến 1500 lần trong một giờ. - Phân loại và ký hiệu + Phân loại - Theo điện áp điều khiển: Loại 1 chiều hoặc xoay chiều - Theo số cực: Loại 1 cực, 2 cực hoặc 3 cực. - Theo công dụng: Loại đơn hoặc kép. - Theo nguyên lý tác động: Loại điện từ, thuỷ lực hoặc khí nén. Trong thực tế, ta thường gặp loại công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ. + Ký hiệu Cuộn hút 1.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc a. Cấu tạo Xét công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ Các bộ phận chính của công tắc tơ + Lõi thép tĩnh (1) và lõi thép động (2) đều có dạng hình chữ E, được chế tạo bằng các lá thép kỹ thuật điện được sơn cách điện, có bề dày từ 0,35 ¸ 0,5mm ghép lại với nhau. Lõi thép tĩnh (1) cố định. Lõi thép động (2) chuyển động lên xuống được dọc theo rãnh ở vỏ công tắc tơ. + Cuộn hút (K) bằng dây đồng kỹ thuật điện, được quấn trên khung cách điện và lồng vào lõi thép tĩnh (1). Hai đầu dây nối với mạch điều khiển để tạo nam châm điện. + Giá đỡ tiếp điểm động (3) bằng nhựa cách điện, bắt cố định với lõi thép động (2). Trên giá đỡ (3) gá các tiếp điểm động. Để thuận tiện cho việc lắp ghép, giá đỡ (3) thường được chế tạo thành nhiều khối rồi ghép với nhau. 1. Lõi thép tĩnh 2. Lõi thép động 3. Giá đỡ tiếp điểm động 4. Vòng ngắn mạch 5. Lò xo hồi vị K. Cuộn hút K1. Các tiếp điểm chính K2. Tiếp điểm phụ thường mở K3. Tiếp điểm phụ thường đóng 5 4 3 K3 K1 N UĐK K2 1 2 K S Hình 7.5: Cấu tạo của công tắc tơ + Các tiếp điểm chính (K1), tiếp điểm phụ thường mở (K2) và tiếp điểm phụ thường đóng (K3) đều có các tiếp điểm động có thể tiếp xúc với các tiếp điểm tĩnh theo kiểu bắc cầu để đóng cắt mạch điện. Các tiếp điểm tĩnh và động đều được làm bằng đồng, phần tiếp xúc bằng hợp kim dẫn điện tốt, chịu mòn, chịu được hồ quang. + Vòng ngắn mạch (4) thường gắn trên lõi thép tĩnh (1) để chống rung. Lò xo hồi vị (5) luôn có xu hướng đẩy tách hai lõi thép động và tĩnh ra xa nhau. Tuỳ từng loại công tắc tơ, lò xo (5) có 1 hoặc 2 chiếc. * Nguyên lý làm việc Công tắc tơ làm việc dựa trên nguyên tắc của nam châm điện. + Khi cuộn hút (K) chưa được cấp điện: Lò xo (5) đẩy lõi thép động (2) tách xa lõi thép tĩnh (1). Các tiếp điểm chính (K1) và tiếp điểm phụ (K2) ở trạng thái mở, K3 ở trạng thái đóng (xem hình 4.1). + Khi cuộn hút (K) được cấp điện: Dòng điện này sẽ sinh ra từ thông móc vòng qua cả hai lõi thép và khép kín mạch từ. Chiều và trị số của từ thông sẽ biến thiên theo chiều và trị số của dòng điện sinh ra nó. Xét tại một thời điểm nhất định, từ thông đi qua bề mặt của hai lõi thép sẽ tạo thành ở hai bề mặt này hai cực N-S trái dấu nhau (vào nam, ra bắc). Kết quả là hai lõi thép sẽ bị biến thành “nam châm điện“ và luôn có xu thế hút nhau (không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong cuộn dây). Lõi thép động (2) sẽ bị hút về phía lõi thép tĩnh (1) thắng lực cản của lò xo (5), kéo theo giá đỡ (3) làm cho các tiếp điểm chính (K1) và tiếp điểm phụ (K2) đóng lại, tiếp điểm phụ (K3) mở ra. Khi cuộn hút (K) bị cắt điện, lò xo (5) đẩy phần động về vị trí ban đầu. Công tắc tơ là khí cụ điện đóng ngắt mạch điện hạ áp truyền động điện từ. Công tắc tơ dùng để điều khiển mạch điện từ xa thường là đóng ngắt mạch DC hay AC (U = 500V) 2. THIẾT BỊ BẢO VỆ 2.1 Cầu chì 2.1.1. Công dụng - Cầu chì là loại khí cụ điện dùng để bảo vệ thiết bị điện và lưới điện khi bị sự cố quá tải hoặc ngắn mạch. 2.1.2. Phân loại - Cầu chì hạ áp dùng cho mạng điện dưới 1000V - Cầu chì cao áp dùng cho mạng điện trên 1000V - Cầu chì hạ áp gồm 5 loại Cầu chì lá Cầu chì ống Cầu chì tháo được Cầu chì không tháo được Cầu chì ren. 2.1.3. Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động Hình 7.6: Hình ảnh của một số loại cầu chì a. Cấu tạo Cầu chì gồm có một ống sứ hai đầu có gắn hai tiếp điểm hình trụ bằng đồng. Dây chì được đặt trong ống sứ và nối vào hai tiếp điểm và ống sứ này được lắp vào đầu tiếp xúc bắt trên giá cố định của đầu cầu chì. Giá cố định được nối với dây điện. b. Nguyên lý hoạt động Khi cho dòng điện chạy qua cầu chì với cường độ dòng điện nhỏ hơn cường độ dòng điện định mức của dây chảy thì dây chảy cho dòng điện qua và cầu chì làm việc bình thường. Khi dòng điện chạy qua lớn hơn dòng định mức nó toả nhiệt trên dây chảy và dây chảy chảy ra không cho dòng điện chạy qua. Tuỳ theo chế độ tải của mạng điện ta phải chọn cỡ dây chảy cho hợp lý 2.2. Áp tô mát 2.2.1.Công dụng Áp tô mát là khí cụ điện dùng đóng ngắt mạch điện (1 pha và 3 pha). Nó có công dụng bảo vệ quá tải ngắn mạch sụt áp trong mạch điện. 2.2.2. Phân loại Áp tô mát bảo vệ quá dòng (ngắn mạch hoặc quá tải) Áp tô mát bảo vệ quá điện áp Áp tô mát kém điện áp Áp tô mát bảo vệ chống giật (áp tô mát vi sai) Áp tô mát bảo vệ vạn năng 2.2.3. Nguyên tắc cấu tạo và hoạt động a. Cấu tạo Hình 7.7: Cấu tạo của Áp tômát Tiếp điểm áp tô mát được chế tạo có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và hồ quang), hoặc 3 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 điểm chính. Khi cắt mạch thì ngược lại tiếp điểm chính thì mở trước sau đến tiếp điểm phụ cuối cùng là tiếp điểm hồ quang. Hộp dập hồ quang để át tô mát 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 át tô mát và có lỗ thoát khí kiểu này có dòng điện giới hạn không quá 50KA. Kiểu hở được dùng khi giới hạn dòng điện cắt lớn hơn 50 KA hoặc điện áp lớn hơn 1000V (cao áp). Trong buồng dập hồ quang thông dụng người ta thường dùng những tấm thép xếp thành lưới ngăn để phân chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn thuận lợi cho việc dập hồ quang. - Cơ cấu truyền động cắt át tô mát truyền động cắt át tô mát có hai cách: bằng tay và bằng cơ điện (điện từ, động cơ điện). Điều khiển bằng tay được thực hiện với các át tô mát có dòng điện định mức không lớn hơn 600A. Điều khiển bằng điện từ (nam châm điện) được ứng dụng ở các át tô mát có dòng điện lớn hơn 1000A. Để tăng lực điều khiển bằng tay người ta dùng một tay dài phụ theo nguyên lý đòn bảy. Ngoài ra còn có cách điều khiển bằng động cơ điện và khí nén. Móc bảo vệ át tô mát 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. b. Nguyên lý hoạt động * Áp tô mát dòng cực đại Hình 7.8: Áp tô mát dòng cực đại Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, áp tô mát giữ được trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 4 khớp với móc 5 cùng một cụm với tiếp động. Bật áp tô mát ở trạng thái ON với dòng điện định mức nam châm điện 1 và phần ứng 2 không hút. Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 1 lớn hơn lực lò xo 3 làm cho nam châm điện 1 hút phần ứng 2 xuống làm bật nhả móc 4, móc 5 được thả tự do, lò xo 6 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của áp tô mát được mở ra mạch điện bị ngắt. * Áp tô mát điện áp thấp Hình 7.8: Áp tô mát điện áp thấp Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện át tô mát được giữ trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 4 khớp với móc 5 cùng một cụm tiếp điểm với tiếp điểm động. Bật át tô mát ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 1 và phần ứng 2 hút nhau. Khi mạch điện sụt áp quá mức, lực hút điện từ ở nam châm điện 1 nhỏ hơn lực lò xo 3 làm cho nam châm điện 1 sẽ nhả phần ứng 2 xuống làm bật nhả móc 4, móc 5 được thả tự do, lò xo 6 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của át tô mát được mở ra mạch điện bị ngắt. 2.3. Rơle điện từ 2.3.1. Công dụng Rơle điện từ để bảo vệ các thiết bị điện khi dòng điện hay điện áp của nó tăng hay hạ quá mức quy định 2.3.2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc a. Cấu tạo Hình 7.9: Cấu tạo rơ le điện từ Rơle điện từ gồm có mạch từ dạng chữ C trên hai đầu mỏ có quấn hai nửa cuộn dây 2. Hai nửa cuộn dây này có thể đấu song song hay nối tiếp. Trục quay phần động có mang lá thép động 8, tiếp điểm động 6. Lò xo 3 nối với kim chỉ định 5 để thay lực căng của lò xo do đó theo dõi được dòng điện tác động của rơ le. Hình 7.9 .Cấu tạo rơ le điện từ 1.Khung từ hình chữ C 2 .Cuộn dây 3. Lò xo 4.Mặt Số đồng hồ của Rơle 5. Kim chỉ định 6.Tiếp điểm động 7.Tiếp điểm tĩnh 8.Lá thép 9. Đầu đấu dây b. Nguyên lý làm việc Khi dòng điện qua cuộn dây 2 vượt quá trị số tác động lên lực điện từ của cuộn dây 2 thắng sức căng của lò xo 3 hút lá thép 8 chuyển động về phía đầu cực, mạch từ tĩnh và tiếp điểm 6 nối tắt hai đầu tiếp xúc tiếp điểm 7 ta bảo vệ rơ le tác động.