Giáo trình khí cụ điện

1

ỦY BAN NHÂN DÂN TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GIÁO TRÌNH

HỌC PHẦN: KHÍ CỤ ĐIỆN

NGÀNH/NGHỀ: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG

Ban hành kèm theo Quyết định số:... /QĐ-… ngày....tháng….năm...

của………………………………

TP. Hồ Chí Minh, năm 2018

2

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN

Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép

dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.

Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu

lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

3

LỜI GIỚI THIỆU

Sự phát triển của các ngành công nghiệp đã tạo ra nhiều chủng loại các máy công

nghiệp, thiết bị điện đa dạng, các khí cụ điện được sử dụng để điều khiển, bảo vệ các máy

công nghiệp, các thiết bị điện và mạng điện cung cấp cũng phát triển. Việc lựa chọn, lắp

đặt, thay thế, kiểm tra, bảo dưỡng khí cụ điện là yêu cầu quan trọng đặt ra đối người nhân

viên bảo dưỡng, lắp đặt, vận hành máy công nghiệp, mạng điện nhà máy, tòa nhà.

Giáo trình “Khí Cụ Điện” được biên soạn nhằm đáp ứng một phần yêu cầu trên,

cho sinh viên chuyên ngành CNKT Điện - Điện tử đang học tại trường Cao Đẳng Công

Nghệ Thủ Đức.

Giáo trình “Khí Cụ Điện” được biên soạn thành 5 bài với nội dung sau:

Bài 1 “Tổng quan về khí cụ điện”

Bài 2 “ Khí cụ điện đóng cắt và bảo vệ”

Bài 3 “Khí cụ điện đo lường và điều khiển”

Bài 4 “Lắp đặt và vận hành mạch trang bị điện sử dụng các khí điện cơ bản”

Bài 5 “Thiết kế, lắp đặt và vận hành mạch trang bị điện sử dụng các khí điện cơ

bản”

Cuối mỗi chương có câu hỏi ôn tập và bài tập, nhằm củng cố lại các kiến thức đã

học và vận dụng kiến thức để làm những bài tập ứng dụng thực tiễn.

Với thời gian ngắn biên soạn cuốn giáo trình này chắc chắn còn nhiều thiếu sót.

Tác giả chân thành cảm ơn sự đóng góp ý kiến của đồng nghiệp và độc giả.

TP. HCM Tháng 6 năm 2018

Tham gia biên soạn

1. Phạm Văn Lới

2. Phan Quốc Hưng

4

MỤC LỤC

Tựa Trang

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN............................................................................................................. 2

LỜI GIỚI THIỆU............................................................................................................................ 3

MỤC LỤC....................................................................................................................................... 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU SỐ LIỆU............................................................................................. 8

DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................................... 8

GIÁO TRÌNH HỌC PHẦN........................................................................................................... 11

Tên học phần: Khí cụ điện............................................................................................................. 11

Mã học phần: CSC112050............................................................................................................. 11

BÀI 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN.................................................................................... 12

1.1. Định nghĩa, các định luật cơ bản, vật liệu dẫn từ..............................................................................12

1.2. Khái niệm về khí cụ điện...................................................................................................................14

1.3. Lực hút điện từ trong nam châm điện ...............................................................................................14

1.4. Lực điện động....................................................................................................................................19

1.5. Sự phát nóng của khí cụ điện ............................................................................................................21

1.6. Tiếp xúc điện.....................................................................................................................................24

1.7. Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang...............................................................................27

1.8. Công dụng và phân loại khí cụ điện..................................................................................................29

BÀI 2: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐÓNG CẮT VÀ BẢO VỆ....................................................................... 32

Nội dung chính: ............................................................................................................................. 32

2.1. Cầu dao..............................................................................................................................................32

2.1.1. Cấu tạo .......................................................................................................................................32

2.1.2. Phân loại.....................................................................................................................................34

2.1.3. Nguyên lý hoạt động ..................................................................................................................35

2.1.4. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng ................................................................................35

2.1.5. Sửa chữa cầu dao........................................................................................................................36

2.2. Công tắc ............................................................................................................................................36

2.2.1. Khái quát và công dụng..............................................................................................................36

2.2.2. Phân loại và cấu tạo....................................................................................................................37

2.3. Rơle bảo vệ thấp áp, quá áp, mất pha...............................................................................................40

2.4. Máy cắt hạ áp ....................................................................................................................................42

2.4.1. Cấu tạo .......................................................................................................................................42

2.4.2. Nguyên lý hoạt động ..................................................................................................................44

5

2.4.3. Tính chọn CB.............................................................................................................................45

2.4.4. Các loại CB thông dụng .............................................................................................................46

2.5. Cầu chì ..............................................................................................................................................47

2.5.1. Cấu tạo .......................................................................................................................................47

2.5.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại..............................................................................................48

2.5.3. Tính chọn cầu chì .......................................................................................................................50

2.5.4. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng ................................................................................51

2.5.5. Sửa chữa cầu chì.........................................................................................................................51

2.6. Rơle nhiệt ..........................................................................................................................................52

2.6.1. Cấu tạo .......................................................................................................................................52

2.5.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại..............................................................................................52

2.6.3. Chọn lựa rơ-le nhiệt....................................................................................................................53

2.6.4. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng ................................................................................54

2.6.5. Sửa chữa rơle nhiệt.....................................................................................................................54

2.7. Thiết bị chống rò ...............................................................................................................................55

2.7.1. Cấu tạo .......................................................................................................................................55

2.7.2. Nguyên lý hoạt động và phân loại..............................................................................................56

2.7.3. Chọn thiết bị chống rò................................................................................................................57

2.7.4. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng ................................................................................59

2.7.5. Giới thiệu một số thiết bị chống rò thường sử dụng..................................................................60

BÀI 3: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN .............................................................. 62

3.1. Biến áp đo lường (BU)......................................................................................................................62

3.2. Biến dòng đo lường (BI) ...................................................................................................................63

3.3. Nút nhấn điều khiển ..........................................................................................................................64

3.3.1. Khái quát và công dụng..............................................................................................................64

3.3.2. Phân loại và cấu tạo....................................................................................................................64

3.3.3. Thông số kỹ thuật và đặc điểm sử dụng.....................................................................................65

3.3.4. Sửa chữa nút nhấn điều khiển ....................................................................................................65

3.4. Công tắc tơ ........................................................................................................................................66

3.4.1. Cấu tạo .......................................................................................................................................66

3.4.2. Nguyên lý hoạt động của contactor............................................................................................68

3.4.3. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng ................................................................................68

3.4.4. Sửa chữa contactor.....................................................................................................................68

4.4.5. Các thông số cơ bản của công tắc tơ ..........................................................................................68

3.5. Rơle trung gian..................................................................................................................................70

6

3.5.1. Khái niệm và cấu tạo..................................................................................................................70

3.5.2. Nguyên lý hoạt động ..................................................................................................................70

3.5.3. Các ký hiệu dùng cho rơ-le trung gian .......................................................................................70

3.6. Rơle thời gian....................................................................................................................................72

3.6.1. Cấu tạo .......................................................................................................................................72

3.6.2. Nguyên lý hoạt động ..................................................................................................................72

3.6.3. Giới thiệu một số rơle thời gian .................................................................................................73

3.6.4. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng ................................................................................74

3.7. Rơle tốc độ ........................................................................................................................................75

3.7.1. Khái quát, phân loại rơle tốc độ .................................................................................................75

3.7.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động rơle tốc độ kiểu cảm ứng ........................................................75

3.7.3. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng ................................................................................77

3.8. Bộ khống chế.....................................................................................................................................77

3.8.1. Công dụng và Phân loại .............................................................................................................77

3.8.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ khống chế hình trống .........................................................78

3.8.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bộ khống chế hình cam...........................................................79

3.8.4. Các thông số kỹ thuật của bộ khống chế ....................................................................................80

3.8.5. Chọn bộ khống chế.....................................................................................................................81

3.8.6. Hư hỏng và các nguyên nhân gây hư hỏng ................................................................................81

3.8.7. Sửa chữa bộ khống chế ..............................................................................................................81

BÀI 4: LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH MẠCH TRANG BỊ ĐIỆN SỬ DỤNG CÁC KHÍ ĐIỆN CƠ

BẢN............................................................................................................................................... 83

4.1. Lắp đặt và vận hành mạch khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha.................................83

4.1.1. Mạch khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha...........................................................83

4.1.2. Mạch khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha điều khiển 2 vị trí .............................84

4.2. Lắp đặt, vận hành mạch đảo chiều quay động cơ..............................................................................86

4.2.1. Mạch đảo chiều gián tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha...........................................................86

4.2.2. Mạch đảo chiều quay trực tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha...................................................88

4.3. Lắp đặt, vận hành mạch động cơ theo trình tự..................................................................................90

4.3.1. Mạch điện điều khiển 3 động cơ hoạt động tuần tự sử dụng nút nhấn.......................................90

4.3.2. Mạch điều khiển 3 động cơ điện hoạt động tuần tự sử dụng rơ le thời gian ..............................92

BÀI 5: THIẾT KẾ, LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH MẠCH TRANG BỊ ĐIỆN SỬ DỤNG CÁC

KHÍ ĐIỆN CƠ BẢN ..................................................................................................................... 95

5.1. Thiết kế, lắp đặt và vận hành mạch chống mất pha động cơ 3 pha...................................................95

5.2. Thiết kế, lắp đặt và vận hành mạch khởi động Y động cơ 3 pha...............................................97

7

5.2.1. Mạch khởi động Y/Δ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng nút nhấn..........................................97

5.2.2. Mạch khởi động Y/Δ động cơ không đồng bộ 3 pha dùng Timer..............................................99

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................... 102

PHỤ LỤC .................................................................................................................................... 103

8

DANH MỤC BẢNG BIỂU SỐ LIỆU

Trang

Bảng 1.1 Nhiệt độ cho phép của một số vật liệu 22

Bảng 1.2 Trị số dòng điện của một số vật liệu gây hồ quang điện 28

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Đường cong từ trễ 14

Hình 1.2 Kết cấu mạch từ 15

Hình 1.3 Mạch từ xoay chiều 17

Hình 1.4 Mạch từ đẳng trị:a) Khi đóng nắp ; b) Khi mở nắp 17

Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động của nam châm điện. 18

Hình 1.6 Xác định lực điện từ F 20

Hình 1.7 Chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện 23

Hình 1.8 Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện 23

Hình 1.9 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện 24

Hình 1.10 Tiếp xúc cố định 25

Hình 1.11 Tiếp xúc đóng mở 25

Hình 1.12 Tiếp xúc trượt 25

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý phóng hồ quang của khí cụ điện 27

Hình 2.1: Cấu tạo cầu dao 33

Hình 2.2: Cấu tạo cầu dao hai ngã (đảo) 33

Hình 2.3: Hình dạng cầu dao một pha, cầu dao ba pha 34

Hình 2.4: Cầu dao đảo ba pha 34

Hình 2.5: Cầu dao có tay nắm ở bên 35

Hình 2.6: Hình dạng của các loại công tắc thường (dân dụng) 38

Hình 2.7: Hình dạng công tắc hộp; a) hình dạng chung, b) mặt cắt vị trí đóng, c)

mặt cắt vị trí ngắt, d) kiểu bảo vệ, e) kiểu kín.

38

Hình 2.8 : Hình dạng công tắc vạn năng (công tắc chuyển đổi mạch) a) hình 39

9

dạng chung, b) hình mặt cắt ngang.

Hình 2.9 Rơ le bảo vệ UV/OV 40

Hình 2.10 Một số loại rơ le bảo vệ UV/OV 40

Hình 2.11 Sơ đồ đấu dây dùng rơ le bảo vệ UV/OV 41

Hình 2.12 Cấu tạo của CB 42

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý của CB dòng điện cực đại 44

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý của CB điện áp cực tiểu 45

Hình 2.15 Một số loại MCB 46

Hình 2.16 Một số loại MCCB 47

Hình 2.17 Cầu chì của hãng SIEMENS 47

Hình 2.18 Mô tả cấu tạo dạng cầu chì dùng kèm theo contact đóng (ON) mở

(OFF).

48

Hình 2.19 : Hình dạng của đế dùng lắp đặt cầu chì (dạng xoay) 49

Hình 2.20 Đặc tính ampe-giây của các loại cầu chì 50

Hình 2.21 Đặc tính làm việc của cầu chì và dòng điện 51

Hình 2.22 Cấu tạo rơ-le nhiệt 52

Hình 2.23 Đặc tính A-s của rơle nhiệt 54

Hình 2.24 Rơle nhiệt của hãng Merlin gerin 54

Hình 2.25 Thiết bị chống dòng điện rò 1 pha 55

Hình 2.26 Thiết bị chống dòng điện rò 3 pha 56

Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị chống dòng điện rò 3 pha 57

Hình 2.28 Sơ đồ nguyên lý các thiết bị chống dòng điện rò theo 2 cấp 58

Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý các thiết bị chống dòng điện rò theo 3 cấp 58

Hình 2.30 Thiết bị chống dòng rò hãng Merlin Gerin 59

Hình 2.31 Cài đặt thông số cho thiết bị chống dòng điện rò 59

Hình 2.32 Phân loại RCD theo số cực 60

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý BU 62

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý BI 63

10

Hình 3.3 Một số loại nút nhấn 64

Hình 3.4 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của contactor 67

Hình 3.5 Một số contactor. 70

Hình 3.6 Cấu tạo của rơle trung gian loại 4, 5, 8 chân 71

Hình 3.7 Rơle trung gian loại 8 chân và chân đế 71

Hình 3.8 Rơ le thời gian hiệu CIKACHI 72

Hình 3.9 Sơ đồ chân của rơle thời gian loại 8 chân. 73

Hình 3.10 Một số loại rơle thời gian của Omron. 73

Hình 3.11 Giản đồ thời gian các chế độ hoạt động của rơle thời gian H3CR. 74

Hình 3.12 Cấu tạo của rơle tốc độ kiểu cảm ứng 75

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điện hãm ngược động cơ 3 pha 76

Hình 3.14 Cấu tạo bộ khống chế hình trống 78

Hình 3.15 Ký hiệu và bảng trạng thái của bộ khống chế 79

Hình 3.16 Cấu tạo bộ khống chế hình cam 80

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý mạch khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha 83

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch khởi động trực tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha

điều

85

Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều gián tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha 87

Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch đảo chiều trực tiếp động cơ không đồng bộ 3 pha 89

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch khởi động tuần tự 3 động cơ dùng nút nhấn 91

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch khởi động tuần tự 3 động cơ dùng timer 93

Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ mất pha 95

Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch khởi động Y-∆ động cơ 3 pha dùng nút nhấn 97

Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch khởi động Y-∆ động cơ 3 pha dùng timer 99