Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha

Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
LỜI MỞ ĐẦU
Trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước điện năng có vai trò rất
quan trọng. Điện năng giúp chúng ta giảm đáng kể sức lao động của con người trong
các nhà máy, xưởng sản xuất, trong các cầu cảng… Điện năng còn giúp chúng ta trong
lĩnh vực chiếu sáng, thông tin, liên lạc…Để đạt được tối đa các ứng dụng của điện
năng và an toàn cho các thiết bị tiêu thụ điện thì việc bảo vệ là hết sức quan trọng.
Việc bảo vệ phải đảm bảo ngắt phần hư hỏng ra khỏi lưới điện để không ảnh hưởng
đến các thiết bị dùng điện khác hay phải tách thiết bị ra khỏi lưới điện khi lưới điện
gặp sự cố.
Trước kia, với các khí cụ điện các đặc tính bảo vệ đã được thỏa mãn. Nhưng
với cáckhí cụ điện thì việc bố trí tủ điện cồng kềnh, mất nhiều diện tích, hơn nữa giá
thành lại khá cao. Để khác phục những nhược điểm trên em xin đưa ra một số phương
pháp dùng các phần tử bảo vệ không tiếp điểm để thay thế cho các khí cụ điện. Dùng
các phần tử không tiếp điểm này đặc tính bảo vệ của nó không khác gì so với các khí
cụ điện, hơn nữa việc sử dụng các phần tử không tiếp điểm này khiến cho các tủ điện
trở nên gọn nhẹ đáng kể. Không những thế dùng các phần tử không tiếp điểm còn đơn
giản có thể tự chế tạo được.
Khi nhận được đề tài: Nghiên cứu và thiết kế cho hệ thống bảo vệ tổng hợp cho
động cơ không đồng bộ xoay chiều ba pha. Đề tài gồm có 4 chương:
Chương I: Các sự cố thường gặp
Chương II: Tìm hiểu biện pháp bảo vệ cổ điển
Chương III: Phương pháp bảo vệ dùng thiết bị bán dẫn
Chương IV: Tính chọn thiết bị
Ban đầu, khi nhận được đề tài em cảm thấy rất do dự, không biết khả năng của
mình có thể hoàn thành được đề tài hay không, nhưng sau một thời gian học tập tại
xưởng, được sự giúp đỡ của thầy Nguyễn Trương Huy và các thầy cô giáo trong khoa,
cùng với các bạn đến nay đồ án đồ án của em đã hoàn thành. Mặc dù vậy vì thời gian
có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Em mong được các thầy cô giúp đỡ thêm
để em có được những kiến thức bổ ích để bước vào ngành khoa học đầy thú vị này!
Em xin cảm ơn!

Đại Học Sao Đỏ, ngày… tháng…. Năm 2014
Sinh viên
1
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
CHƯƠNG I: CÁC SỰ CỐ THƯỜNG GẶP
Trong quá trình vận hành, hệ thống truyền động điện có thể xuất hiện sự cố và
chế độ làm việc không bình thường của các phần tử.
Trong phần lớn các sự cố thường kèm theo hiện tượng dòng điện tăng khá cao
và điện áp giảm khá thấp. Các thiết bị có dòng tăng cao chạy qua có thể bị đốt nóng
quá mức cho phép và bị hư hỏng. Khi điệp áp giảm thấp các hộ tiêu thụ không thể làm
việc bình thường và tính ổn định của các máy móc làm việc song song và của toàn bộ
hệ thống bị giảm. Các chế độ làm việc không bình thường làm cho áp, dòng, tần số
lệch khỏi giới hạn cho phép và nếu kéo dài tình trạng này có thể dẫn đến sự cố.
Như vậy, có thể nói sự cố làm rối loạn sự làm việc bình thường của hệ thống
truyền động điện nói chung và của các hộ tiêu thụ điện nói riêng. Còn chế độ làm việc
không bình thường có thể tạo ngay khi xuất hiện sự cố.
Muốn duy trì sự làm việc bình thường của hệ thống và của các hộ tiêu thụ khi
xuất hiện sự cố cần phát hiện càng nhanh cành tốt chỗ bị sự cố và cách li nó khỏi phần
tử không bị hư hỏng, nhờ vậy phần còn lại hoạt động như thường và đồng thời giảm
được mức độ hư hại của phần tử bị sự cố. Chỉ có thiết bị tự động bảo vệ mới có thể
thực hiện tốt yêu cầu trên.Các thiết bị bảo vệ này theo dõi liên tục tình trạng và chế độ
làm việc của tất cả các phần tử của hệ thống điện. Khi xuất hiên sự cố các phần tử bảo
vệ phát hiện và cắt phần tử hỏng ra khỏi lưới điện.Khi xuất hiện chế độ làm việc
không bình thường thiết bị bảo vệ sẽ phát hiện và tùy thuộc vào yêu cầu có thể tác
động để khôi phục lại chế độ làm việc bình thường hoặc báo tin cho nhân viên trực
tiếp.
Trong thực tế đối với hệ thống điện thường xảy ra các sự cố sau:
1.1. Sự cố ngắn mạch
1.1.1. Khái niệm sự cố ngắn mạch
Ngắn mạch là hiện tượng nguồn điện khép kín mạch tạo thành dòng điện mà

không đi qua phụ tải.
Ngắn mạch là một loại sự cố xảy ra trong hệ thống điện do hiện tượng chạm
chập giữa các pha không thuộc chế độ làm việc bình thường.
- Trong hệ thống có trung tính nối đất (hay 4 dây) chạm chập một pha hay
nhiều pha với đất (hay với dây trung tính) cũng được gọi là ngắn mạch.
- Trong hệ thống có trung tính cách điện hay nối đất qua thiết bị bù, hiện tượng
2
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
chạm chập một pha với đất được gọi là chạm đất. Dòng chạm đất chủ yếu là do điện
dung các pha với đất.
Ngắn mạch gián tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian, gồm điện trở
do hồ quang điện và điện trở của các phần tử khác trên đường đi của dòng điện từ pha
này đến pha khác hoặc từ pha đến đất.
Điện trở hồ quang điện thay đổi theo thời gian, thường rất phức tạp và khó xác
định chính xác. Theo thực nghiệm:
R= [Ω]
Trong đó: I - Dòng ngắn mạch [A]
l - Chiều dài hồ quang điện [m]
Ngắn mạch trực tiếp là ngắn mạch qua một điện trở trung gian rất bé, có thể bỏ
qua (còn được gọi là ngắn mạch kim loại).
Ngắn mạch đối xứng là dạng ngắn mạch vẫn duy trì được hệ thống dòng, áp 3
pha ở tình trạng đối xứng.
Ngắn mạch không đối xứng là dạng ngắn mạch làm cho hệ thống dòng, áp 3
pha mất đối xứng.
- Không đối xứng ngang khi sự cố xảy ra tại một điểm, mà tổng trở các pha tại
điểm đó như nhau.
- Không đối xứng dọc khi sự cố xảy ra mà tổng trở các pha tại một điểm không
như nhau.
Sự cố phức tạp là hiện tượng xuất hiện nhiều dạng ngắn mạch không đối xứng
ngang, dọc trong hệ thống điện.

Ví dụ: Đứt dây kèm theo chạm đất, chạm đất hai pha tại hai điểm khác nhau
trong hệ thống có trung tính cách đất.
Inm =
Trong đó:
Inm: Dòng điện ngắn mạch
U: Điện áp lưới điện
Znm: Điện trở ngắn mạch (Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc chỗ ngắn
mạch).
1.1.2. Điện trở ngắn mạch phụ thuộc vào
3
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
- Khoảng cách từ điểm ngắn mạch tới bảo vệ
- Phụ thuộc vào dây dẫn
- Phụ thuộc vào tính chất tiếp xúc tại vị trí ngắn mạch.
Nhưng dù phụ thuộc gì thì điện trở ngắn mạch cũng rất nhỏ do vậy dòng điện
ngắn mạch sẽ rất lớn.
1.1.3. Tác hại của sự cố ngắn mạch
- Gây lực điện động rất lớn.
- Phá hỏng dây từ điểm ngắn mạch tới nguồn.
- Phát nóng: Dòng ngắn mạch rất lớn so với dòng định mức làm cho các phần
tử có dòng ngắn mạch đi qua nóng quá mức cho phép dù với một thời gian rất ngắn.
- Tăng lực điện động: Ứng lực điện từ giữa các dây dẫn có giá trị lớn ở thời
gian đầu của ngắn mạch có thể phá hỏng thiết bị.
- Điện áp giảm và mất đối xứng: Làm ảnh hưởng đến phụ tải, điện áp giảm 30
đến 40% trong vòng một giây làm động cơ điện có thể ngừng quay, sản xuất đình trệ,
có thể làm hỏng sản phẩm.
- Gây nhiễu đối với đường dây thông tin ở gần do dòng thứ tự không sinh ra khi
ngắn mạch chạm đất.
- Gây mất ổn định: Khi không cách ly kịp thời phần tử bị ngắn mạch, hệ thống
có thể mất ổn định và tan rã, đây là hậu quả trầm trọng nhất.

1.1.4. Nguyên nhân dẫn đến ngắn mạch
Có nhiều nguyên nhân như: Già hóa cách điện do thao tác của người vận hành,
do đứt dây…Vì nguyên nhân gì thì cứ xảy ra sự cố ngắn mạch cần bảo vệ hệ thống khi
sự cố ngắn mạch còn chưa phát huy tác hại.
1.2. Sự cố quá tải
1.2.1. Khái niện quá tải
- Quá tải là hiện tượng thiết bị phải làm việc vượt quá khả năng về mặt công
xuất nhà chế tạo đã đặt. Qúa tải là sự cố khá phổ biến của động cơ không đồng bộ 3
pha.
- Biểu hiện của sự cố quá tải:
+ Dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức, khi bị sự cố quá tải dòng
điện sẽ tăng lên vượt qua trị số dòng điện dịnh mức của động cơ làm nóng đồng
cơ.Tốc độ làm việc nhỏ hơn tốc độ định mức, nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phát nóng cho
phép của động cơ.
4
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
+ Sự cố quá tải được chia làm 2 loại:
Quá tải ngắn hạn là hiện tượng dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức
2 đến 3 lần nhưng trong thời gian ngắn.
Quá tải dài hạn là hiện tượng dòng điện làm việc lớn hơn dòng điện định mức
1,2 đến 1,4 lần trong thời gian dài. Quá tải dài hạn làm cho nhiệt độ động cớ lớn hơn
nhiệt độ cho phép.
1.2.2. Nguyên nhân dẫn đến quá tải
Đối với quá tải ngắn hạn:
Khởi động động cơ
I
kđ
= (2 đến 5)I
đm
U

ư
= E
đ
+ I
ư
.r
ư
E
đ
= K
e n
Khi bắt đầu khởi động Eđ=0
Suy ra I
ư
= I
kđ
= U
ư
/ r
ư
Do vậy dòng khởi động rất lớn
Đối với quá tải dài hạn
+ Do lưới điện bị tụt
+ Mất điện một pha
1.2.3. Tác hại của sự cố quá tải.
- Quá tải ngắn hạn có thể gây hư hỏng cho thiết bị về mặt cơ khí.
- Quá tải dài hạn làm hỏng các cách điện, hỏng do nhiệt.
- Làm già hóa cuộn dây.
- Do vậy phải tìm cách bảo vệ để sự cố chưa kịp gây ra tác hại.
1.3. Sự cố mất pha, đảo pha

1.3.1. Khái niệm
Trong thực tế khi vận hành hệ thống điện ba pha đặt ra rất nhiều vấn đề. Nguồn
điện được nhà máy tạo ra là nguồn điện xoay chiều ba pha. Nguồn điện này đến được
nơi tiêu thụ cần qua dây dẫn truyền tải và các trạm biến áp. Trong các thiết bị điện ba
pha để tránh nhầm lẫn nhà chế tạo đã chỉ dẫn bằng màu. Nhưng vì lí do nào đó khi sửa
chữa hoặc lắp đặt dẫn đến thứ tự các pha bị thay đổi. Điều này rất nguy hiểm cho phụ
tải. Do vậy cần có các thiết bị bảo vệ cho sự cố mất pha hay đảo pha.
5
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Sự cố mất pha là sự cố mà lưới điện cung cấp ba pha không còn đủ ba pha cung
cấp cho phụ tải.
Điện ba pha là điện được định nghĩa là có ít nhất ba dây, điện áp giữa hai dây
luôn bằng nhau và lệch nhau 120 độ.
Đối với điện ba pha bốn dây thì có thêm dây trung tính, người ta có thêm khái
niệm điện áp pha tức là giữa 1 pha với trung tính. Điện áp pha của 3 pha cũng bằng
nhau và cũng lệch nhau 120 độ.
Như vậy hệ thống điện 3 pha nào không thỏa mãn điều kiện trên thì bị gọi là
mất pha. Khi bị mất pha nào thì điện áp pha đó giảm đến một giá trị nào đó hoặc về 0
và góc lệch pha cũng bị biến đổi.
1.3.2. Biểu hiện của sự cố mất pha.
Đối với các phụ tải ba pha sẽ dẫn đến tình trạng quá tải dài hạn do thiết bị điện
áp cung cấp bị sụt đi. Đối với các phụ tải một pha sẽ không làm việc được nếu mất pha
chính là pha cung cấp cho phụ tải.
1.3.3. Nguyên nhân dẫn đến sự cố mất pha.
- Đa số nguyên nhân mất pha là do hở mạch đứt dây, đứt chì, tiếp xúc
kém trong các khí cụ điện.
- Mất pha có thể do chạm đất mà rơ le chưa kịp bảo vệ hoặc từ chối bảo vệ.
- Mất pha do hỏng máy biến áp.
- Mất pha có thể phân biệt mất pha nguồn máy biến áp, mất pha sơ cấp máy
biến áp, mất pha thứ cấp máy biến áp, mất pha do hệ thống, mất pha do riêng một thiết

bị.
1.3.4. Tác hại của sự cố mất pha.
Vì một sự cố nào đó gây nên hiện tượng mất pha đảo pha cho toàn hệ thống
điện, điện áp pha thay đổi góc pha thay đổi, hệ thống làm việc không bình thường rất
nguy hiểm cho toàn bộ hệ thống.
Khi mất pha điện áp 3 pha không bằng nhau, góc lệch pha cũng không bằng
nhau vì thế khi đưa động cơ vào nó sẽ ko tạo ra từ trường quay mà tạo ra từ trường đập
mạch. Vì thế động cơ không khởi động được, dòng điện sẽ tăng cao ở các pha không
bị mất, pha bị mất dòng điện bằng 0. Còn khi động cơ đang hoạt động bị mất pha thì
công suất của các pha còn lại sẽ tăng lên, pha bị mất sẽ giảm xuống. Nếu động cơ lớn
các pha còn lại sẽ làm việc ở chế độ quá tải sẽ gây hại rất lớn cho hệ thống, gây hư hại
cho thiết bị điện.
6
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Khi thứ tự các pha bị thay đổi tức là các pha không lần lượt đạt cực đại sau 120
độ nó làm thay đổi từ trường của động cơ, làm cho động cơ quay ngược lại so với
chiều ban đầu. Nếu trong các hệ thống mà động cơ chỉ quay một chiều thì việc đảo
chiều quay là vô cùng nguy hiểm nó có thể phá hỏng hệ thống cơ khí và các thiết bị
điện gây thiệt hại nặng.
Tình trạng mất pha, đảo pha là rất nguy hiểm người ta đã thiết kế nhiều cách
bảo vệ cho hề thống. Một trong nhưng cách đó là sử dụng rơ le nhệt với nguyên lý
dựa vào dòng tải và điện áp.
1.3.5. Bảo vệ đối với sự cố mất pha, đảo pha.
Yêu cầu đối với sự cố mất pha là khi xảy ra sự cố mất pha cần phải ngắt ngay
nguồn cũng cấp bị mất pha ra khỏi phụ tải, tránh những hiện tượng làm khi không đủ
pha dẫn đến các sự cố khác.
Khi bị đảo pha hệ thống phải dừng làm việc.
1.4. Sự cố cao – thấp điện áp
1.4.1. Khái niệm
Trong quá trình làm việc vì một hay nhiều nguyên nhân nào đó mà điện áp cấp

cho động cơ không được duy trì ổn định, tạo ra sự sai khác với điện áp định mức.
Sự cố cao thấp điện áp là sự cố mà điện áp tăng quá 10% điện áp định mức
hoặc giảm quá 25% điện áp định mức.
1.4.2. Biểu hiện của sự cố cao – thấp điện áp.
Bằng trực quan quan sát ta thấy, tốc độ của động cơ tăng hay giảm hơn so với
bình thường, đối với các thiết bị khác công suất cũng tăng giảm bất thường.
1.4.3. Tác hại của sự cố cao - thấp điện áp
Sự cố cao thấp điện áp sẽ gây ra tốc độ động cơ không đều. Đối với máy sản
xuất các chi tiết có chất lượng cao thì việc thay đổi tốc độ động cơ sẽ ảnh hưởng tới
chất lượng sản phẩm. Sự cố cao thấp điện áp còn gây phá hỏng vật liệu cách điện và
các khí cụ điện. Khi điện áp tăng, giảm quá mức cho phép sẽ gây phát nóng trong các
khí cụ điện và phá hủy lớp cách điện.
1.4.4. Nguyên nhân của sự cố cao - thấp điện áp.
Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sự cố cao - thấp điện áp. Nhưng vì nguyên
nhân nào thì khi xảy ra sự cố cao - thấp điện áp cũng gây ra các hiện tượng không
mong muốn. Vì vậy cần phải bảo vệ cho động cơ và hệ thông điện khi có sự cố cao –
thấp điện áp xảy ra để nó không kịp gây tác hại.
7
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ CỔ ĐIỂN
Đối với hệ thống điều khiển tự động bảo vệ truyền động điện có thể có nhiều
nguyên nhân dẫn đến các sự cố như: ngắn mạch, quá tải ngắn hạn, quá tải dài hạn, điện
áp cao – thấp… Các sự cố này khi xảy ra có thể phá hỏng động cơ truyền động cũng
như các khí cụ điện khác. Vì vậy việc bảo vệ cho các động cơ nói riêng và toàn bộ lưới
điện nói chung là rất cần thiết. Phương pháp bảo vệ kinh điển là phương pháp dùng
cầu chì, aptomat, các loại rơle, công tắc tơ bảo vệ các loại sự cố có thể xảy ra. Khi có
sự cố, các thiết bị này sẽ tác động để tách động cơ truyền động và hệ thống ra khỏi
lưới điện. Đảm bảo anh toàn cho máy móc thiết bị cũng như bảo đảm an toàn cho con
người.
Để giải quyết vấn đề chọn loại bảo vệ nào, tác động của bảo vệ là cắt nhanh hay

duy trì thời gian rồi cắt hoặc chỉ báo tín hiệu. Trong từng trường hợp cụ thể cần phải
tuân thủ đúng các quy định trong tiêu chuẩn của khí cụ điện và quy phạm vận hành
của hệ thống. Ta cần tìm hiểu một số phương pháp bảo vệ cho sự cố ngắn mạch, quá
tải, sự cố cao- thấp điện áp.
2.1. Phương pháp bảo vệ ngắn mạch
2.1.1. Bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì.
Cầu chì là khí cụ điện đơn giản nhất, kích thước nhỏ, khả năng đóng cắt lớn.
a. Cấu tạo của cầu chì:
Cầu chì nói chung gồm ba bộ phận:
- Vỏ: Được dùng làm bằng vật liệu cách điện, chịu nhiệt và có nhiều thành
vách.
- Dây chảy: Được làm bằng kim loại (chì…) là bộ phận chính, tỏa nhiệt và dẫn
điện tốt.
- Hệ thống tiếp diểm: Dùng để nối dây chảy với mạch điện cần bảo vệ. thường
liên kết ốc vít hay kiểu cầu dao.
b. Trạng thái làm việc của cầu chì:
- Giai đoạn 1: Kể từ khi xảy ra sự cố cho đến khí nhiệt độ bằng nhiệt độ nóng
chảy.
- Giai đoạn 2: Dây chảy bắt đầu chảy.
- Giai đoạn 3: Hồ quang xuất hiện và dập tắt hồ quang.
Trạng thái làm việc nặng nề của dây chảy khi nó chuyển từ trạng thái 1 sang
trạng thái 2. Để giảm trạng thái làm việc nặng nề cần:
8
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
+ Nếu dây chảy có tiết diện tròn thì ta sử dụng hiện tượng hiệu ứng luyện kim
gắn với với dây chảy một giọt kim loại mà:
Ønckl< Øncdc
Trong đó:
Ø
nckl

: Nhiệt độ nóng chảy dọt kim loại.
Ø
ncdc
: Nhiệt độ nóng chảy dây chảy.
+ Nếu dây chảy có tiết diện chữ nhật ta cắt hẹp tiết diện nganh của dây chảy,
gây phát nóng cục bộ tại chỗ hẹp.
c. Đặc tính bảo vệ của dây chảy:
Là quan hệ giữa dòng điện và thời gian tác động của dây chảy. Đặc tính A-S,
cần phải phối hợp đặc tính A-S của dây chảy với đặc tính A-S cần bảo vệ.
d. Yêu cầu đối với cầu chì:
- Đặc tính A-s của cầu chì phải thấp hơn đặc tính A-s của đối tượng bảo vệ.
- Khí có ngắn mạch cầu chì phải làm việc có lựa chọn theo thứ tự.
- Cầu chì phải có đặc tính làm việc ổn định.
- Công suất của thiết bị càng tăng thì khả năng cắt của cầu chì phải càng cao.
- Việc thay thế dây chảy phải đảm bảo đặc tính A-s như tính toán thiết kế ban
đầu.
Lựa chọn cầu chì phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ Quan hệ giữa điên áp trên cầu chì và điện áp lưới
U
cc
>U
l
Trong đó:
U
cc
: Điện áp của cầu chì
U
l
: Điện áp lưới
+ Quan hệ giữa dòng điện dây chảy và dòng điện làm việc:

T
cc
= k.I
max
Trong đó:
I
cc
: Dòng điện cầu chì
K: Hệ số an toàn, phụ thuộc đặc tính của tải
I
max
: Dòng tải lớn nhất
+ Thời gian chảy ngắn nhất của dây chảy có thể đạt được nếu thỏa mãn
Trong đó:
I
nm
: Dòng ngắn mạch
I
cc
: Dòng điện dây chảy
Nhược điểm khi dùng cầu chì bảo vệ:
- Đặc tính bảo vệ của cầu chì sẽ thay đổi nếu thay dây chảy, có thể cầu chì sẽ
mất tác dụng bảo vệ nếu thay dây chảy không đúng.
- Đối với hệ truyền động ba pha, trường hợp ngắn mạch 1pha này bị cắt dẫn đến
chế độ công tác 2 pha. Vì vậy cần có thêm các biện pháp bảo vệ khác để khắc phục
nhược điểm này.
2.1.2. Bảo vệ bằng Aptomat
9
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Để thay cho cầu chì thông thường người ta dùng aptomat. Aptomat có đặc tính

bảo vệ hoàn thiện hơn so với cầu chì, khi có sự cố aptomat sẽ cắt cả ba pha tránh được
chế độ công tác 2 pha.
Cấu tạo chung :
Hình 2.1: Cấu tạo áptomat
Chú thích:
1: Móc răng
2: Nam châm điện
3: Lò xo
4: Phần ứng
5: Cần răng
6: Lò xo
Nguyên lý làm việc:
Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện aptomat được giữ ở trạng thái đóng
nhờ móc răng (1) ăn khớp với cần rang (5), cùng với tiếp điểm khởi động. Khi mạch
điện có sự cố, dòng điện qua nam châm điện (2) sẽ hút phần ứng (4) xuống làm nhả
móc rang (1), cần rang (5) được tự do, aptomat được mớ ra dưới tác dụng của lực lò xo
(6) mạch điện được ngắt ra khỏi lưới điện.
Aptomat có 3 yêu cầu:
10
1
5
3
2
6
4
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
- Chế độ làm việc định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn. Nghĩa
là, trị số dòng điện định mức chạy trong aptomat lâu bao nhiêu cũng được. Mặt khác
dòng điện qua aptomat phải chịu dòng lớn (khi có ngắn mạch) lúc tiếp điểm của nó đã
đóng hay đang đóng.

- Aptomat phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn (vài chục KA). Sau
khi ngắt dòng ngắn mạch, aptomat phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở trị số dòng điện
định mức.
- Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của thiết bị điện, hạn chế sự phá
hoại của dòng ngắn mạch gây ra aptomat phải có thời gian cắt nhỏ do vậy phải kết hợp
lực thao tác cơ học với dập hồ quang bên trong aptomat.
- Dựa theo tham số bảo vệ và dựa theo tính chất dòng điện bảo vệ mà aptomat
được chia làm những loại sau:
+ Aptomat một chiều
+ Aptomat xoay chiều
+ Aptomat dòng điện cực đại, cực tiểu
+ Aptomat công suất
+ Aptomat diện áp thấp
2.2. Bảo vệ quá tải ngắn hạn
2.2.1.Bảo vệ quá tải ngắn hạn bằng rơle dòng cực đại.
Rơle là phần tử tự động, tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào
đạt một giá trị xác định.
Cấu tạo chung của rơle, được chia làm ba bộ phận:
- Cơ cấu thu: Thu thập tín hiệu, biến đổi tìn hiệu thành đại lượng cận thiết để
rơle tác động.
- Cơ cấu trung gian: Đại lượng đầu ra của cơ cấu thu được chuyển sang cơ cấu
trung gian. So sánh đại lượng cơ cấu thu với đại lượng mẫu và truyền tín hiệu đến cơ
cấu cuối.
- Cơ cấu chấp hành: Thực lệnh của cơ cấu trước đưa sang.
Phân loại rơle:
+ Dựa vào tham số bảo vệ:
Rơ le điện áp, rơ le dòng điện.rơ le nhiệt, rơ le công suất.
+ Dựa theo loại có tiếp điểm hay không có tiếp điểm:
Rơ le tiếp xúc, rơ le không tiếp xúc
+ Dựa vào nguyên lí làm việc:

Rơ le điện từ, làm việc dựa trên nguyên lí điện từ, được sử dụng nhiều nhất vì
kết cấu đơn giản và tính kinh tế cao.
11
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Rơ le từ điện, dựa trên sự tác động tương hỗ của từ trường nam châm vĩnh cửu
với dòng điện chạy trong cuộn dây nằm ở phần động.
Rơ le điện động, dựa trên tác động tương hỗ giữa 2 dòng điện; Giữa một dòng
đặt trong từ trường được gọi là lực điện động làm phần quay.
Rơ le cảm ứng, tác dụng tương hỗ giữa từ trường của một cơ cấu điện từ với
dòng điện cảm ứng ở phần động do một từ trường khác tạo nên.
Rơ le nhiệt, làm việc trên nguyên lý sự giãn nở của kim loại dự trên tác động
của nhiệt độ.
Đặc tính cơ bản của rơ le:
Rơ le có đường đặc tính cơ bản là dặc tính vào- ra.
Đối với rơ le có tiếp xúc:
Quá trình tác động của rơ le:
O -> Xtác dộng : Y = 0
X = Xtác động : Ytăng = Ymax
X tăng, Y = Ymax
Quá trình trở về của rơ le nhiệt
X > X tác động: giẳm dần xuống
X tác động, Y = Y max
X = X trở về , Y giảm về 0
Một vài tham số cơ bản của rơ le
+ Hệ số trở về của rơ le (hệ số nhả)
Ktv = knh
Gọi ktv =
Với từng loại role khác nhau thì hệ số trở về khác nhau
Với rơ le cực đại: ktv<1
12

X
trở về
Y
max
X
X
tác động
Hình 2.2: Đặc tính cơ bản
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Với ro le cực tiểu: ktv >1
+ Hệ số khuếch đại(hệ số điều khiển)
P
đk
= P
kđ
k
kđ
=
Trong đó:
P
đk
: Công suất điều khiển
P
tđ
: Công suất chấp hành
Với các loại rơ le khác nhau có hệ số điều khiển khác nhau, với rơ le này được
gọi là kđk, còn với rơ le khác lại gọi là k
kđ
+ Thời gian tác động của rơ le là khoảng thời gian từ khi có tín hiệu vào cơ cấu
thu cho đến khi cơ cấu chấp hành tác động.

Ttđ < 0,001s: Rơ le không có quán tính.
0,001s < Ttđ<0,05s: Rơ le tác động nhanh.
0,05s<Ttđ<0,15s: Rơ le tác động trung bình.
0,15s< Ttđ<1s: Rơ le tác động chậm.
Thời gian tác động do nhà chế tạo thiết kế.
Rơ le dòng điện cực đại là loại rơ le mà phần ứng của loại rơle này lúc có điện
áp bình thường thì đứng yên. Khi điện áp tăng quá mức quy định thì lực điện động
thắng lực cẳn rơ le tác động.
Rơ le dòng điện cực đại kiểu điện từ, được dùng để bảo vệ quá tải ngắn hạn,
ngắn mạch và bảo vệ những thiết bị có công suất lớn.
Cấu tạo:
1: Mạch từ
2: Cuộn dây
3: Trục
4: Nắp cực từ
5: Vít điều khiển nghiêng của nắp
6: Cơ cấu chấp hành
7: Lò xo nhả
8: Kim chỉnh định xoắn
13
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Hình 2.3: Cấu tạo của rơ le
Nguyên lý làm việc:
Mạch từ C đặt ngược, mõm cực từ nhọn, cuộn dây 2 mắc nối tiếp vào dòng
điện, khi làm việc bình thường từ thông sinh ra lực từ hút điện từ nhỏ hơn lực lò xo ≥
nắp cực từ không tác động, cơ cấu đang làm việc.
Khi có sự cố từ thông tăng ≥ lực điện từ lớn hơn lực lò xo ≥ nắp cực từ quay,
trục quay mở tiếp điểm làm việc.
Đặc điểm: Không được sử dụng ở những nơi không được va đập, rung động,
tránh gây tác động nhầm.

14
1
3
2
4
5
6
7
8
Đ
D
C
D
R
M
D
g




M
D
D
g
A
B
D
C
M

CD
A O
RM
1RM
Dg
Dg
Dg
3RM
ĐC
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Hình 2.4: Sơ đồ đấu nối
Nguyên lý bảo vệ:
Ba rơ le dòng điện cực đại lắp trên ba pha cấp điện cho động cơ. Các tiếp điểm
của rơ le được mắc trong mạch điều khiển.khi có sự cố, dòng điện cấp cho động cơ
tăng lên, rơ le đạt tới giá trị hút sẽ tác đọng mở các tiếp điểm trên mạch điều khiển.
Các tiếp điểm mở sẽ ngắt nguồn cung cấp cho cuộn dây, công tắc tơ, tiếp điểm trên
mạch lực nhả động cơ được bảo vệ.
2.3. Bảo vệ quá tải dài hạn
2.3.1. Bảo vệ quá tải dài hạn dùng rơ le nhiệt
Rơ le nhiệt là khí cụ điện dựa trên nguyên lý sự dãn nở của kim loại dươi tác
dụng của nhiệt độ.
Dựa vào cấu tạo và chức năng rơ le nhiệt được chia làm 2 loại:
- Rơ le nhiệt bảo vệ: rơ le nhiệt bảo vệ quá tải và ngắn mạch có thời gian
- Dùng 2 tấm kim loại có hệ số giãn nở khác nhau (
Tấm 1 có hệ số giãn nở rất nhỏ gọi là thanh bị động
Tấm 2 có có hệ số giãn nở vì nhiệt lớn gọi là thanh chủ động
Bằng công nghệ ép chặt 2 tấm kim loại vào nhau gọi là một chi tiết. Gọi là tấm
kim loại kép.
Khi nhiệt độ tấm kim loại tăng nó bị cong về phía tấm kim loại có hệ số giãn nở
nhỏ hơn.

Nếu ngắn mạch không có thời gian thì rơ le nhiệt không bảo vệ được.
Đốt nóng trực tiếp: Dòng qua trực tiếp mức độ chính xác cao nhưng khi dòng
lớn thì thanh kim loại kép yêu cầu phải to.
Đốt nóng gián tiếp: Dòng qua điện trở nhiệt mức độ chính xác thấp nhưng chỉ
cần tấm kim loại kép nhỏ.
Đốt nóng hỗn hợp: Mắc song song điện trở và thanh kim loại kép, cách này thì
dẫn đến kết cấu của rơ le trở nên phức tạp.
2.3.2. Rơ le nhiệt dùng điều chỉnh nhiệt độ
15
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Nó có tác dụng duy trì một nhiệt độ trong một thiết bị. Phần tử nhạy cảm nhiệt
tấm kim loại kép được đặt vào nơi cần duy trì nhiệt độ.
Rơ le nhiệt không tác động theo trị số dòng điện vì nó cso quán tính nhiệt lớn.
thường là vài phút hoặc vài dây do vậy nó không bảo vệ ngắn mạch được, thường kết
hợp rơ le nhiệt và cầu chì để bảo vệ ngắn mạch
Hình 2.5: Sơ đồ đấu nối rơ le nhiệt
2.3.3.Nguyên tắc bảo vệ
Khi xảy ra sự cố quá tải dài hạn, dòng điện tăng lên làm nóng thanh kim loại
kép và tác dụng vào tiếp điểm thường đóng của rơ le nhiệt mở ra. Tiếp điểm thường
đóng của của rơ le nhiệt mở ra cắt điện cho cuộn công tắc tơ Dg. Công tắc tơ Dg mất
điện sẽ mở tiếp điểm Dg trên mạch.
2.4. Bảo vệ không và cực tiểu
2.4.1. Các khái niệm
Bảo vệ không là bảo vệ mà nó tránh sự làm việc trở lại không mong muốn của
hệ thống khi lưới điện mất và sau đó có trở lại.
Để giải quyết vấn đề này người ta dùng rơ le điên áp cực tiểu.
Rơ le điện áp cực tiểu có cấu tạo gồm:
16
1
RN

1RN
A
B
C
O
Đ
D
C
D
D
g




M
D
Dg
2RN
2
RN
D
g
C
A
BA
2RN
ĐC
CD
Dg

Dg
A
M
1RN
D
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
+ Cơ cấu thu tín hiệu.
+ Cơ cấu trung gian.
+ Cơ cấu chấp hành.
2.4.2. Nguyên lý làm việc
Nguyên lý làm việc của rơ le điện áp cực tiểu là ở điện áp bình thường, phần
ứng của rơ le chịu lực điện từ tác động.khi điện áp hạ dưới mức quy định, lực cản của
lò xo sẽ thắng lực điện từ. Lúc này phần ứng sẽ đóng hay mở các tiếp điểm của rơ le.
Rơ le thực hiện chức năng bảo vệ.
Rơ le điện áp cực tiểu có các tham số:
+ Hệ số trở vệ
+ Hệ số khuếch đại
+ Thời gian tác động
Rơ le điện áp cực tiểu thường được mắc trong các mạch điều khiển.Tiếp điểm
của rơ le điện áp cực tiểu sẽ đưa điện áp vào các cuộn dây của các rơ le và các công
tắc tơ trong mạch điều khiển.
Hình 2.6: Sơ đồ nguyê lý rơ le điện áp
Rơ le điện áp được mắc cùng bộ khống chế nó hoạt động theo nguyên tắc:
Khi tiếp điểm của bộ khống chế đóng, cuộn hút của rơ le có điện.Nó đóng tiếp
điểm RA trên bộ khống chế, điện áp được đưa vào mạch điều khiển.
Giả sử điện áp hạ xuống mức quy định, RA đạt tới giá trị nhả và nhả ra, tiếp
điểm RA mở ngắt điện vào mạch điều khiển. Điều này làm toàn bộ rơ le và công tắc tơ
trong mạch điều khiển không có điện vào cuộn hút, dẫn đến các tiếp điểm trên mạch
mở ra.Đặc tính bảo vệ được thực hiện.
17

1RN
3RM
2RM
1RM
KC
1
RA
A
2RN
O
RA
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP BẢO VỆ DÙNG THIẾT BỊ BÁN DẪN
Tất cả các sự cố vì lý do gì, khi xảy ra yếu cầu phải được bảo vệ ngay lưới điện
khi sự cố còn chưa gây ra tác hại.
Đối với các thiết bị bảo vệ dùng rơ le, công tắc tơ các đặc tính bảo vệ của thiết
bị này đủ tin cậy nhưng kích thước của các thiết bi này lớn gây nhiều khó khăn cho
việc bố trí tủ điện.Hơn nữa trên thị trường hiện nay giá các rơ le, công tắc tơ lại rất
cao, thậm chí có những thiết bị không còn trên thị trường.
Vì vậy, ở đây ta đưa ra phương án nghiên cứu thay thế các thiết bị này bằng các
thiết bị điện tử có ưu điểm hơn mà vẫn có được đặc tính bảo vệ tối ưu.
Mạch bảo vệ bằng linh kiện bán dẫn gồm các phần:
18
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
- Nhận tín hiệu cần bảo vệ.
- So sánh tín hiệu đâù vào với đại lượng đặt.
- Khối chấp hành.

3.1. Nhiệm vụ và chức năng của các phần tử dùng trong mạch bảo vệ
3.1.1. Khuếch đại thuật toán
Về hình thức nó giống một transystor bình thường. Nó cũng làm nhiệm vụ
khuếch đại điện áp, khuếch đại xung, khuếch đại công suất hoặc các mạch tạo dao
động xung.
Đối với các bộ khuếch đại, thông thường người ta đánh giá chất lượng các bộ
khuếch đại theo sơ đồ. Đối với khuếch đại thuật toán thì tính chất và các tham số xác
định bởi khối tiếp bên ngoài. Ưu điểm của khuếch đại thuật toán là có trở kháng bên
ngoài lớn.
Khi sử dụng khuếch đại thuật toán ta phải biết được tính chất của nó.Trong các
mạch phải biết được cấu trúc bên trong của nó.
Hình 3.1: Ký hiệu khuếch đại thuật toán
Khuếch đại thuật toán có đầu vào đảo, đầu vào không đảo, đầu ra và nguồn nuôi
(trên hình vẽ).
- Uvd : Đầu vào đảo
- Uvk: Đầu vào không đảo
- Ura : Đầu ra
+ Vcc, - Vcc: Nguồn nuôi
Theo quy ước nguồn nuôi của khuếch đại thuật toán là . Khi nguồn là
thì điện áp ra bao giờ cũng nhỏ hơn nguồn nuôi. Thường nhỏ hơn 3v, nhằm
tránh bị méo tín hiệu.
Ứng dụng của khuếch đại thuật toán để tạo khâu so sánh một cửa.
19
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Khâu so sánh một cửa là khâu so sánh mà tín hiệu đặt và tín hiệu so sánh cùng
đưa vào một cửa đảo. Ở cửa không đảo ta đưa vào một điện áp phân áp ở đầu ra tạo
đường đặc tính rơle thực tế.
20

U
đ
R4
R3
U
v
U r
R1
R2
Uv
Ủr
-Ud
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Hình 3.2: Khâu so sánh một cửa
Khâu so sánh làm việc theo nguyên tắc:
Khi < thì ở đầu ra, giá trị điện đầu ra mang dấu của điện áp đầu vào.
Còn khi > thì đầu ra, giá trị điện áp đầu ra mang dấu theo giá trị điện
áp đặt.
Các bộ khuếch đại thông thường được chế tạo dạng vi mạch (IC). Trong sơ đồ
ta sử dụng vi mạch LM324. Trong vi mạch LM324 làm việc cần có nguồn nuôi đơn
cực đặt cho nó. Nó có thể bị hỏng nếu bị ngắn mạch trực tiếp hoặc bị đảo nguồn.
Sơ đồ chân của vi mạch LM324
21
Uv
Ur
+Ud

Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Hình 3.3: Sơ đồ chân vi mạch LM324
3.1.2. Các phần tử logic
a. Phần tử và
Hình 3.4: Ký hiệu phần tử và
Phần tử và thực hiện phép nhân logic.Tích của hai biến logic cũng là một biến
logic.Tích này nhận giá trị “0” khi ít nhất một trong hai biến nhận giá trị “0”, nhận giá
trị “1” khi cả hai biến có giá trị “1”.
22


5
4
8
13
12
11
10
9
14
1
2
3
6
7
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Bảng 3.1
A B Ra
0 0 0
0 1 0

1 0 0
1 1 1
Giá trị vào, ra của phần tử và
Thực tế chế tạo phần tử và trong IC logic 4081, IC họ 40… làm việc chắc chắn,
năng lượng tiêu hao nhỏ.IC logic họ 40…thường có 14 chân.07 chân và, chân 14 là
chân nguồn.
Sơ đồ chân của vi mạch 4081
Hình3.5: Sơ đồ chân của vi mạch 4081
b. Phần tử và – không
Hình 3.6: Ký hiệu phần tử và - không
23
A
B
Ra
+
Vcc
1
2
4 5
6
8
3
2
1
91011121314
6
5
4
7
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử

Phần tử và – không thực hiên phép nhân đảo.tích của hai biến logic. Tích hai
biến đầu ở đầu ra nhận giá trị “1” khi một trong hai biến đầu vào nhận giá trị “0”, nhận
giá trị “0” khi cả hai biến đầu vào mang giá trị “1”.
Bảng 3.2
A B C
0 0 1
1 0 1
0 1 1
1 1 0
Giá trị vào, ra của phần tử và- không
Phần tử và – không được chế tạo trong IC logic 4011, IC LOGIC 4011 chứa 4
phần tử và – không.
Sơ đồ chân của IC 4011
Hình 3.7: Sơ đồ chân của IC 4011
c. Phần tử hoặc – không
Hình 3.8: Ký hiệu phần tử hoặc - không
24
A
B
Ra
+
Vcc
3
1
2
4
5
7
8
9

10
11
12
13
14
1 62
3 4
5
Đồ án tốt nghiệp Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
Phần tử hoặc – không thực hiện phép cộng đảo logic, tổng của 2 biến logic là
một biến logic. Tổng này nhận giá trị “1” khi cả 2 biến đầu vào đều mang giá trị “0”,
tổng này nhận giá trị “0” khi 1 trong 2 biến đầu vào mang giá trị “1”
Bảng 3.3
A B C
0 0 1
1 0 0
0 1 0
1 1 0
Giá trị vào, ra của phần tử hoặc- không
Chế tạo phần tử hoặc – không dưới dạng IC lo gic 4001 chứa 4 phần tử hoặc –
không.
Sơ đồ chân
Hình 3.9: Sơ đồ chân của 4001
3.1.3. Ứng dụng của các phần tử logic
Các phần tử logic thường dùng trong các mạch cộng, nhân tín hiệu. Ngoài ra nó
còn được ứng dụng để tạo một số khâu như khâu đảo, khâu trễ….
Ứng dụng của phần tử logíc trong việc tạo khâu trễ khi dùng phần tử và
25
+Vcc
3

1
2
4
5
6
7
8
910
11
12
14
4
3
2
6
5
13
1