Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


62
Khi ngắn mạch, trong mạng điện xuất hiện quá trình quá độ nghĩa là
dòng điện và điện áp đều thay đổi, dòng điện tăng lên rất nhiều so với lúc làm
việc bình thờng. Song song với sự biến thiên về dòng điện, điện áp trong
mạng cũng giảm xuống. Mức độ giảm điện áp nhiều hay ít là tuỳ thuộc vào vị
trí điểm ngắn mạch so với nguồn cung cấp. Thời gian điện áp giảm xuống xác
định bằng thời gian tác động của rơle bảo vệ và của máy cắt điện đặt gần điểm
ngắn mạch nhất.
Trong thực tế ta thờng gặp các dạng ngắn mạch sau: ngắn mạch ba
pha, hai pha, một pha và hai pha chạm đất.
Thiết bị bảo vệ ngắn mạch ta có thể sử dụng là các cầu chảy, rơle,
áptômat ở đây chúng tôi xin giới thiệu thiết bị bảo vệ ngắn mạch dùng
cầu chảy.
Cầu chảy là một loại khí cụ dùng để bảo vệ thiết bị điện và lới điện
tránh khỏi dòng điện ngắn mạch (hay còn gọi là đoản mạch, chập mạch).
Bộ phận cơ bản của cầu chảy là dây chảy. Dây chảy thờng làm bằng
các chất có nhiệt độ nóng chảy thấp. Với những dây chảy trong mạch có dòng
điện làm việc lớn, có thể làm bằng các chất có nhiệt độ nóng chảy cao, nhng
thiết diện nhỏ thích hợp. Do vậy dây chảy thờng là dây chì thiết diện tròn
hoặc bằng các lá chì, kẽm, hợp kim chì thiếc, nhôm hay đồng đợc dập.
Dây chảy đợc kẹp chặt bằng vít vào đế cầu chảy. Cầu chảy thờng có
nắp cách điện để tránh hồ quang bắn ra xung quanh khi dây chảy đứt.
Đặc tính cơ bản của dây chảy là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt
dây chảy theo dòng điện chạy qua nó. Hình: 4.1
t(s)

3

2
L K 1
.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


63

0 I
đm
I
gh
I(A)
Hình 4.1: Đặc tính A- s của dây chảy
Đặc tính này còn gọi là đặc tính thời gian- dòng điện A- s (đờng 1
hình 1). Dòng điện qua dây chảy càng lớn, thời gian chảy đứt càng nhỏ.
Để cầu chảy bảo vệ đợc đối tợng cần bảo vệ với một dòng điện nào
đó trong mạch, dây chảy phải đứt trớc khi đối tợng bị phá huỷ. Nói cách
khác , đờng đặc tính A- s của dây chảy phải nằm dới đặc tính của đối tợng
cần bảo vệ (đờng 2 hình 1).
Thực tế thì dây chảy thờng có đặc tính nh đờng 3. Nh vậy trong
miền qua tải lớn (K
), đờng 3 thấp hơn đờng 2: cầu chảy bảo vệ đợc đối
tợng. Trong miền quá tải nhỏ (đoạn LK), cầu chảy không bảo vệ đợc đối
tợng. Trờng hợp này, dòng quá tải nhỏ, sự phát nóng của dây chảy toả ra
môi trờng xung quanh là chủ yếu nên không đủ làm chảy dây.
Trị số dòng điện mà dây chảy bị chảy đứt đợc gọi là dòng điện giới
hạn. Rõ ràng cần có I
gh
> I

đm
để dây chảy không bị đứt khi làm việc với dòng
điện định mức.
Thông thờng đối với dây chảy chì thì: I
gh
/I
đm
= 1.25 ữ 1.45
Các cầu chảy sử dụng trong kỹ thuật có nhiều dạng, kiểu khác nhau
nhng nguyên lý làm việc hoàn toàn giống nhau, hình: 4.2 là ký hiệu cầu chảy
trên sơ đồ điện.

Hình 4.2: Ký hiệu cầu chảy
4.2 bảo vệ bằng áp tô mát
áp tô mát là khí cụ điện đóng mạch bằng tay và cắt mạch tự động khi có
sự cố nh: quá tải, ngắn mạch, sụt áp Nó đợc sử dụng rộng rãi trong việc
bảo vệ động cơ điện áp dới 1000 V.
Trong thực tế thờng thấy những loại sau đây:
.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


64
- Loại 2 cực, loại 3 cực.
- Loại bảo vệ ngắn mạch, loại bảo vệ quá tải, loại bảo vệ quá dòng điện
có kết hợp bảo vệ thấp áp và loại liên hợp bảo vệ ngắn mạch, quá tải.
- Loại đóng bằng tay, loại đóng bằng nam châm điện, loại đóng bằng
môtơ điện.
Để bảo vệ động cơ ba pha ngời ta sử dụng loại áp tô mát 3 cực. Sơ đồ
nguyên lý Hình 4.3 của áp tô mát 3 cực có bộ phận cắt qúa tải, ngắn mạch và

điện áp thấp.

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý của ap tô mát ba pha
Khi nguồn hoạt động bình thờng áp tô mát đang ở vị trí đóng, cần 5 có
móc cài chặt với móc của cần 15 nhờ lực kéo xuống phía dới của lò xo 14.
Khi quá tải, ngắn mạch thì dòng điện trong mạch áp tô mát tăng lên làm lực
hút của cuộn dây điện từ 10 hoặc 12. Khi lực hút này thắng lực kéo của lò xo
11 hoặc 13

thì cán 4 bị hút vào lõi thép của cuộn dây, lúc này vấu 3 sẽ đập vào
cần 5, làm cần 5 nâng lên phía trên, thả tự do cho cần 15, dới tác dụng của
các lò xo các tiếp điểm của áp tô mát làm cắt mạch.
Nếu điện áp trong mạch cuộn dây 9 bị giảm thấp quá mức quy định
hoặc mất điện thì áp tô mát cũng cắt mạch và cuộn dây 9 mất lực hút làm thả
cần 7 và dới tác dụng của lò xo 8 và vấu 6 đập vào cần 5 làm nhả chốt cần
15. Trong mạch cuộn dây điện áp thấp 9 có mắc nối tiếp một tiếp điểm phụ
.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


65
thờng mở 17 và điện trở phụ 16 để cắt từ xa những áp tô mát không có bộ
phận bảo vệ quá tải.
áp tô mát có thể đóng băng tay nhờ cơ cấu tay đòn hoặc từ xa nhờ cơ
cấu điện từ. Dù là cơ cấu truyền động nào cũng có khả năng cắt áp tô mát cả ở
thời điểm đang đóng, nhờ đó mà áp tô mát bảo vệ động cơ một cách chắc chắn
và an toàn cho ngời vận hành khi đang thao tác.
Tuy nhiên ta thấy các phơng pháp bảo vệ động cơ bằng cầu chì và áp
tô mát chỉ bảo vệ đợc cho động cơ trong một số trờng hợp nhất định.
Ta thử tởng tợng xem giả sử nh bây giờ một dây truyền trộn xi

măng đang hoạt động bình thờng bỗng xảy ra sự cố đảo pha, lúc đó các động
cơ sẽ quay ngợc lại làm cho quá trình trộn nguyên vật liệu sẽ đảo ngợc lại
gây hậu quả rất nghiêm trọng về mặt kinh tế có khi còn làm hại tính mạng của
con ngời. Hoặc trong các cầu thang máy, các dây truyền sản xuất khác cũng
gây ra các hậu quả tơng tự.
Rõ ràng trong những trờng hợp nguồn bị mất pha hoặc thứ tự pha bị
thay đổi thì các phần tử trên rất khó bảo vệ, hơn nữa nếu có thiết kế đợc
mạch bảo vệ thì rất tốn kém về mặt kinh tế so với dùng các kinh kiện bán dẫn
công suất. Về mức độ an toàn cũng nh tin cậy là rất cao vì mạch bảo vệ sử
dụng các linh kiện bán dẫn. Hơn nữa trong một số môi trờng làm việc nh có
độ ẩm hoặc nhiết độ cao thì các cầu chì và áp tô mát có nhiều hạn chế.
Nh vậy ta thấy mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất có một ý
nghĩa thực tế rất sâu sắc và thiết thực.
4.3 bảo vệ thấp áp, quá áp và mất đối xứng
4.3.1 Sơ đồ nguyên lý (Hình 4.4)





.
B¸o c¸o tèt nghiÖp NguyÔn V¨n HiÖu T§H46


66













.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


67
4.3.2 Nguyên lý hoạt động
+ Mạch bảo vệ gồm:
Các tụ C
0
tạo thành bộ lọc thứ tự không.
Biến áp BA1 và cầu chỉnh lu CL1 tạo thành nguồn nuôi.
Các tụ C
0
tạo thành bộ lọc áp thứ tự không.
Biến áp BA1 và cầu chỉnh lu CL1 tạo thành nguồn nuôi.
Các biến áp BA2
ữ BA5 và cầu chỉnh lu CL2 ữ CL5 tạo ra điện áp
điều khiển một chiều.
C
1
ữ C
8
là các tụ lọc

R
5
, R
6
, R
11
, R
17
và R
18
là các biến trở dùng để đặt lên một cực của bộ so
sánh.
Đ điôt ổn áp loại zener, tạo ra điện áp chuẩn U
c
= 1ữ 35 V; U
r
= 12V
R
1
, R
2
: Các điện trở phân áp.
T
1
ữ T
8
là các tranzito làm việc ở chế độ đóng mở bão hoà.
D
1
ữ D

7
không cho điện áp âm đặt lên các tranzito tơng ứng.
D
8
bảo vệ mạch rơle trong quá trình đóng mở.
Bộ lọc áp thứ tự không:
Dùng để xác định thành phần thứ tự không xuất hiện khi ngắn mạch
một pha hoặc hai pha với đất, đứt một pha, hai pha hoặc các chế độ không đối
xứng của mạng điện.
Thành phần điện áp thứ tự không trong hệ thống ba pha đối xứng:

.

0
1
()
3
ABC
UUUU=++
(4- 1)
Hệ số biến đổi của bộ lọc bằng 1:
K= U
ra
/U
0
= 1


.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46



68
Biểu diễn các thành phần điện áp dới dạng véc tơ.

U
A
U
A


U
CA
U
AB
U
AB
O


O O

U
C
U
B
U
B
Hình 4.5 a) Khi đối xứng b) Khi mất đối xứng
Khi đối xứng thì :

.

0
ABC
UUU
+
+= từ đây U
0
= 0
Khi mất đối xứng (pha C) U
0
=
1
3
(

A
B
UU+
) (4-2)
Từ hình 4.5b ta thấy điểm trung tính của bộ lọc lệch đi ở vị trí O

là
điểm giữa của U
AB
. Khi đó điện áp của bộ lọc so với điểm trung tính làm việc
là:

'


ra oo
UU
=

+ Nguyên tắc hoạt động
Điện áp chuẩn U
c
=3V
Nhờ IC 7812 và điôt zener nên điện áp chuẩn U
C
không thay đổi khi
điện áp ở biến áp nguồn BA1 biến thiên.
Các pha A, B, C đều có mạch bảo vệ nh nhau nên ta chỉ cần xét với một pha
bất kỳ. Chẳng hạn pha A.
- ở chế độ bình thờng
Điện áp các pha U
A
, U
B
, U
C
là đối xứng nhau và bằng 220V. Khi đó
điện áp đầu ra của bộ lọc cung cấp cho biến áp BA2 bằng 0 làm cho điện áp
điều khiển trên cực không đảo của khuếch đại thuật toán KTT1 cũng bằng 0
và nhỏ hơn điện áp chuẩn đặt vào cực đảo. Do đó đầu ra của khuếch đại thuật
.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


69

toán KTT1 ở mức thấp. Điốt D
1
ngăn không cho điện áp âm xuất hiện trên cực
B của đèn T
2
, U
BE
= 0 đèn T
2
bị khoá.
Điện áp qua BA3 bằng 5,5V, qua chiết áp R
5
vào cực không đảo của
KTT2 là U
a2
= 2,7V < 3V = U
C
và làm cho điện áp ra bão hoà âm. Chiết áp R
6

đã đợc điều chỉnh phân áp cho cực đảo của KTT3 là U
a3
=3,5V>3V=U
c
do đó
U
r3
cũng bão hòa âm. Các điốt D
2
, D

3
ngăn điện áp âm đặt lên cực B của đèn
T3, T4. ở trạng thái này U
BE
= 0 đèn T
3
, T
4
bị khóa.
Rơ le trung gian ở trạng thái đóng vì vậy ở trạng thái bình thờng đèn
T
1
thông, mạch kín. Cho phép tải hoạt động bình thờng.
- ở chế độ mất 1 pha
Khi mất bất kỳ 1 pha trong 3 pha thì đầu ra của bộ lọc thứ tự không
xuất hiện một điện áp 110V. Qua BA2, CL2 và biến trở R
23
vào cực không đảo
của khuếch đại thuật toán là U
a1
= 3,6V > 3V = U
c
lên điện áp đầu ra của
KTT1 ở mức cao, đèn T
2
đợc đặt một thiên áp thuận nên T
2
thông bão hòa
nên T
2

thông bão hòa đèn T
1
khóa, vì T
1
khóa nên rơle không có dòng chạy
qua làm cho tiếp điểm thờng đóng nhả ra, tải đợc ngắt ra khỏi lới.
Khi mất 2 pha lúc này điện áp đầu ra của bộ lọc thứ tự không là 220V. Điện
áp điều khiển đặt lên cực không đảo U
a1
=7V > 3V =U
c
. Nguyên lý chấp hành
tiếp theo của mạch tơng tự nh trong trờng hợp mất một pha.
- Chế độ quá áp và thấp áp
Ta biết rằng trong mạng điện nông nghiệp điện áp cung cấp cho các hộ
tiêu thụ điện cho phép thay đổi trong khoảng
10% điện áp định mức.
Với U
đm
= 220 V thì U
maxcp
240 V và U
mincp
198 V
Vì thế trong phần này, ngời ta chọn điện áp cao và thấp để làm cơ sở
cho việc tính toán mạch bảo vệ:
U
max
240 V và U
mincp

198V
Khoảng điện áp cho phép này còn đợc mở rộng tuỳ thuộc vào yêu cầu
và các tính chất của thiết bị cần đợc bảo vệ nhờ các biến trở.
.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


70
Giả sử điện áp pha A vợt quá giá trị 240V. Qua biến áp BA3, cầu
chỉnh lu CL3 và biến trở R
5
cực không đảo của khuếch đại thuật toán KTT2
đợc cung cấp điện áp là U
a2
> 3V (điện áp chuẩn U
C
). Do đó điện áp đầu ra
của KTT bão hoà dơng.
Rơle cũng chấp hành tơng tự nh trong trờng hợp mất pha.
Khi điện áp pha A nhỏ hơn 198V= U
mincp
. Khi đó điện áp một chiều
qua biến trở đã đợc chỉnh định R
6
đặt lên cực cực đảo của khuếch đại thuật
toán KTT3 nhỏ hơn điện áp chuẩn: U
a3
< U
C
, do đó điện áp đầu ra của KTT3 là

U
r3
bão hoà dơng đèn T
4
thông bão hoà và rơle chấp hành nh trong trờng
hợp mất pha.
ở sơ đồ nối thiết bị với động cơ. Nguyên tắc hoạt động của sơ đồ nh sau:
ở thời điểm ban đầu các công tắc đều ở vị trí mở. Ta đóng cầu dao CD,
sau đó đóng tiếp các công tắc CT1, CT2, CT3, các đèn ở trong mạch sẽ sáng.
Rơle RL có điện đóng tiếp điểm thờng mở của nó là RL. Lúc này công tắc
CT4 vẫn mở, khởi động từ hở mạch làm cho tiếp điểm K trên mạch động cơ ở
trạng thái mở. Động cơ cha có điện.
Khi đóng công tắc CT4 khởi động từ có điện, đóng các tiếp điểm K, nối
kín mạch cho động cơ. Động cơ hoạt động ở trạng thái bình thờng.
Khi xảy ra sự cố nh mất pha, thấp áp hoặc quá áp thì rơle RL sẽ tác
động làm mở tiếp điểm RL, Khởi động từ mất điện sẽ làm nhả các tiếp điểm
K. Đồng thời động cơ đợc ngắt khỏi lới điện, đảm bảo an toàn cho toàn bộ
dây truyền sản xuất cũng nh động cơ.
Ta thấy rằng mạch bảo vệ động cơ này có hạn chế đó là khó điều khiển
các biến trở một cách chính xác sau một thời gian mạch hoạt động. Trong
mạch vẫn còn sử dụng một số tiếp điểm bằng rơ le, điều này có hạn chế khi
mạch bảo vệ phải đặt trong môi trờng có độ cháy nổ cao. Hơn nữa trong một
số trờng hợp mạch hoạt động không chính xác. Vì vậy chúng tôi xin giới
thiệu mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất.

.
Báo cáo tốt nghiệp Nguyễn Văn Hiệu TĐH46


71

4.3 nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất
4.3.1 Yêu cầu của mạch bảo vệ
Ngắn mạch nhiều pha trong cuộn dây phần tĩnh là dạng h hỏng cơ bản
của động cơ điện không đồng bộ, nó có thể làm hỏng động cơ, làm tụt áp
trong mạch điện và ảnh hởng đến công tác của động cơ khác. Ta có thể sử
dụng cầu chảy hoặc áp tô mát để bảo vệ cho động cơ.
Ta thấy rằng cầu chảy, áp tô mát chỉ bảo vệ đợc ngắn mạch, thấp áp
hoặc quá áp còn khi xảy ra hiện tợng đảo pha hoặc mất thứ tự pha thì chúng
không bảo vệ đợc. Do đó nhất thiết trong các dây truyền sản xuất ta phải có
thiết bị bảo vệ mất pha và đảo pha. Vì khi xảy ra 2 hiện tợng trên thì hậu quả
rất nghiêm trọng.
Hơn nữa trong các hệ truyền động đặc biệt nh: thang máy, băng tải,
cần trục khi xảy ra sự cố mà không có mạch bảo vệ thì hậu quả thật không thể
lờng trớc đợc.
Từ đó việc nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ chống mất pha và mất thứ
tự pha và các dạng bảo vệ khác là đặc biệt quan trọng. Vậy đề tài Nghiên
cứu thiết kế mạch bảo vệ động cơ dùng bán dẫn công suất mà ở đây là
nghiên cứu thiết kế mạch bảo vệ chống mất pha và mất thứ tự pha cho động cơ
ba pha mang tính thực tế sâu sắc và thực sự cần thiết.
4.3.2 Nhiệm vụ của mạch bảo vệ
Trong thực tế vận hành động cơ phục vụ cho sản xuất thì mạch bảo vệ
động cơ đóng một vai trò hết sức quan trọng. Mạch bảo vệ động cơ có nhiệm
vụ phát hiện kịp thời, báo tín hiệu có sự cố (bằng còi, đèn báo ) , cắt động cơ
ra khỏi nguồn nếu có sự cố.
Yêu cầu: Tác động tin cậy
Độ chính xác cao
Tác động nhanh, có chọn lọc
Đơn giản gọn nhẹ, dễ vận hành, dễ sửa chữa, độ bền cao.
4.3.3 Mạch bảo vệ động cơ
.