Giáo trình Trang bị điện Phần 2 (CĐ GTVT TP.HCM): Mạch điện cơ bản

Tài liệu Giáo trình trang bị điện phần 2 của trường CĐ GTVT TP.HCM, trình bày các mạch điện cơ bản, mạch điều khiển và bảo vệ động cơ điện.

• Trường học: Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử
• Chuyên ngành: Trang bị điện
• Đề tài: Các mạch điện điều khiển cơ bản
• Loại tài liệu: Giáo trình

Mục lục chi tiết

• 4. CHƯƠNG 4: NHỮNG MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN MÁY CÔNG NGHIỆP
• 4.1. Các mạch điện mở máy
• 4.1.1. Khởi động trực tiếp không đảo chiều
• 4.1.2. Khởi động trực tiếp có đảo chiều
• 4.1.3. Khởi động động cơ bằng điện trở phụ, điện kháng, biến áp tự ngẫu
• 4.1.4. Khởi động động cơ bằng cách đổi nối Y/Δ
• 4.2. Các mạch điện điều chỉnh bảo vệ
• 4.2.1. Điều khiển động cơ 2 tốc độ không đảo chiều
• 4.2.2. Điều khiển động cơ 2 tốc độ có đảo chiều
• 4.3. Các mạch điện hãm
• 4.3.1. Hãm động năng dùng rơle thời gian
• 4.3.2. Hãm ngược động cơ quay 1 chiều
• 4.3.3. Hãm ngược động cơ quay 2 chiều
• 4.3.4. Hãm bằng cơ cấu cơ khí điều khiển bằng nam châm điện
• 4.4. CÂU HỎI ÔN TẬP VÀ BÀI TẬP
• 5. CHƯƠNG 5: TRANG BỊ ĐIỆN MỘT SỐ MÁY ĐIỂN HÌNH
• 5.1. Trang bị điện của nhóm máy tiện
• 5.1.1. Những vấn đề chung
• 5.1.2. Máy tiện T616

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình trang bị điện và các mạch cơ bản

Giáo trình trang bị điện là nền tảng cốt lõi trong lĩnh vực điện công nghiệp và tự động hóa. Nội dung tập trung vào việc phân tích, thiết kế và vận hành các hệ thống cung cấp điện và điều khiển cho máy móc, dây chuyền sản xuất. Trọng tâm của học phần này là các mạch điện điều khiển cơ bản, sử dụng những khí cụ điện thông dụng để thực hiện các nhiệm vụ vận hành cụ thể cho động cơ không đồng bộ 3 pha – loại động cơ phổ biến nhất trong công nghiệp. Việc nắm vững các mạch này không chỉ giúp đảm bảo an toàn vận hành mà còn là tiền đề để tiếp cận các hệ thống điều khiển tự động phức tạp hơn. Các mạch điện này được thể hiện qua hai dạng sơ đồ chính: sơ đồ nguyên lý và sơ đồ lắp đặt. Mỗi sơ đồ phục vụ một mục đích riêng, từ việc hiểu rõ logic hoạt động đến việc thi công, lắp đặt và bảo trì thực tế. Toàn bộ hệ thống được chia thành hai phần rõ rệt là mạch động lực chịu trách nhiệm cung cấp nguồn năng lượng lớn cho động cơ và mạch điều khiển sử dụng điện áp thấp để thực hiện các thao tác đóng cắt, bảo vệ và thay đổi trạng thái hoạt động của máy.

1.1. Vai trò của khí cụ điện trong tự động hóa công nghiệp

Các khí cụ điện đóng vai trò là những phần tử chấp hành và điều khiển không thể thiếu trong mọi tủ điện công nghiệp. Chúng bao gồm Contactor (Công tắc tơ), Rơ le nhiệt, Aptomat (CB), khởi động từ, và các thiết bị phụ trợ như nút nhấn, đèn báo. Contactor là thiết bị đóng cắt trung gian, cho phép một dòng điện nhỏ ở cuộn hút điều khiển một dòng tải lớn ở các tiếp điểm chính. Rơ le nhiệt có nhiệm vụ bảo vệ mạch điện khỏi sự cố quá tải bằng cách tác động cắt mạch điều khiển khi dòng điện qua động cơ vượt ngưỡng cho phép trong một khoảng thời gian. Aptomat vừa là thiết bị đóng cắt bằng tay, vừa tự động ngắt mạch khi có sự cố ngắn mạch hoặc quá tải nghiêm trọng, đảm bảo an toàn điện cho toàn bộ hệ thống. Khởi động từ là bộ khí cụ kết hợp giữa contactor và rơ le nhiệt, tạo thành một giải pháp hoàn chỉnh để điều khiển và bảo vệ động cơ.

1.2. Phân biệt sơ đồ nguyên lý và sơ đồ lắp đặt trong điện

Trong các tài liệu trang bị điện, hai loại sơ đồ luôn được sử dụng song song là sơ đồ nguyên lý và sơ đồ lắp đặt. Sơ đồ nguyên lý (hay sơ đồ mạch điện) tập trung thể hiện logic hoạt động của mạch. Các phần tử được vẽ theo quy ước và sắp xếp một cách logic để người đọc dễ dàng theo dõi dòng điện và nguyên tắc hoạt động, không phụ thuộc vào vị trí vật lý thực tế của chúng. Ngược lại, sơ đồ lắp đặt (hay sơ đồ đi dây) mô tả chính xác vị trí, cách đấu nối dây giữa các khí cụ điện trong tủ điện và ra thiết bị ngoại vi. Sơ đồ này là bản vẽ kỹ thuật trực tiếp cho việc thi công, sửa chữa, giúp xác định đúng các đầu nối, tiết diện dây và đường đi của dây dẫn. Hiểu rõ cả hai loại sơ đồ là yêu cầu bắt buộc đối với kỹ sư và kỹ thuật viên ngành điện.

1.3. Cấu trúc cơ bản Mạch động lực và mạch điều khiển

Một hệ thống trang bị điện luôn bao gồm hai thành phần chính: mạch động lực và mạch điều khiển. Mạch động lực là phần mạch có chức năng cung cấp dòng điện công suất lớn trực tiếp từ nguồn đến tải, điển hình là động cơ không đồng bộ 3 pha. Mạch này sử dụng các dây dẫn có tiết diện lớn và các tiếp điểm chính của Aptomat, Contactor để chịu tải. Trong khi đó, mạch điều khiển hoạt động với điện áp thấp hơn (thường là 220V hoặc 24V), dòng điện nhỏ. Nhiệm vụ của nó là nhận tín hiệu từ các nút nhấn, cảm biến và xử lý logic để điều khiển các cuộn hút của Contactor, rơ le. Sự tách biệt này đảm bảo an toàn cho người vận hành và cho phép điều khiển các thiết bị công suất lớn một cách gián tiếp, chính xác và linh hoạt.

II. Thách thức khi điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha

Việc điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha trong công nghiệp đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật cần được giải quyết triệt để. Vấn đề lớn nhất là dòng điện khởi động rất lớn, có thể cao gấp 5-7 lần dòng định mức, gây sụt áp lưới và ảnh hưởng tiêu cực đến các thiết bị khác cũng như tuổi thọ của chính động cơ. Do đó, việc áp dụng các phương pháp khởi động gián tiếp để hạn chế dòng điện là yêu cầu bắt buộc đối với các động cơ công suất lớn. Bên cạnh đó, bảo vệ mạch điện là ưu tiên hàng đầu. Động cơ phải được bảo vệ khỏi hai sự cố chính: quá tải (làm việc vượt công suất định mức) và ngắn mạch (chập pha). Mỗi sự cố đòi hỏi một thiết bị bảo vệ chuyên dụng. Ngoài ra, nhu cầu vận hành thực tế rất đa dạng, đòi hỏi động cơ phải có khả năng hoạt động linh hoạt như đảo chiều quay, dừng chính xác tại một vị trí (hãm), hoặc thay đổi tốc độ. Việc thiết kế các mạch điện điều khiển cơ bản chính là giải pháp để giải quyết hiệu quả các thách thức này, đảm bảo động cơ vận hành ổn định, an toàn và đáp ứng yêu cầu công nghệ.

2.1. Vấn đề dòng khởi động lớn và các giải pháp giảm dòng

Dòng khởi động đột biến của động cơ không đồng bộ 3 pha là một nhược điểm cố hữu. Để khắc phục, các phương pháp khởi động gián tiếp được áp dụng rộng rãi. Phương pháp phổ biến và hiệu quả nhất là mạch khởi động sao-tam giác, giúp giảm dòng khởi động xuống còn 1/3 so với khởi động trực tiếp. Theo Giáo trình Trang bị điện, khi khởi động, cuộn dây stato được đấu hình sao (Y) để giảm điện áp đặt vào mỗi pha, từ đó giảm dòng điện. Sau khi động cơ đạt tốc độ gần định mức, mạch tự động chuyển sang đấu hình tam giác (Δ) để hoạt động với công suất đầy đủ. Ngoài ra, các phương pháp khác như khởi động qua điện trở phụ, điện kháng hoặc biến áp tự ngẫu cũng được sử dụng cho các động cơ công suất rất lớn, với nguyên lý chung là đưa một phần tử hạn chế dòng vào mạch động lực trong giai đoạn đầu.

2.2. Yêu cầu bảo vệ mạch điện Ngắn mạch và tình trạng quá tải

An toàn là yếu tố cốt lõi, và bảo vệ mạch điện là chức năng không thể thiếu. Sự cố ngắn mạch xảy ra khi các pha chập vào nhau hoặc chập đất, gây ra dòng điện cực lớn có thể phá hủy thiết bị và gây cháy nổ. Aptomat (CB) hoặc cầu chì là thiết bị chuyên dụng để bảo vệ ngắn mạch, chúng có khả năng tác động cắt mạch tức thời khi dòng điện tăng đột biến. Trong khi đó, sự cố quá tải xảy ra khi động cơ phải làm việc với tải nặng hơn thiết kế, khiến dòng điện tăng cao hơn định mức nhưng chưa đến mức ngắn mạch. Tình trạng này kéo dài sẽ làm động cơ nóng lên và cháy. Rơ le nhiệt được thiết kế để phát hiện sự tăng dòng từ từ này. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng, thanh lưỡng kim trong rơ le sẽ cong lên, tác động vào tiếp điểm thường đóng trong mạch điều khiển, ngắt nguồn cuộn hút contactor và dừng động cơ.

2.3. Nhu cầu vận hành Mạch đảo chiều quay và mạch hãm động cơ

Nhiều ứng dụng trong điện công nghiệp như cầu trục, thang máy, băng tải hai chiều đòi hỏi động cơ phải quay được cả hai chiều thuận và ngược. Mạch đảo chiều quay được thiết kế để thực hiện nhiệm vụ này. Về nguyên lý, để đảo chiều quay của động cơ không đồng bộ 3 pha, chỉ cần đảo thứ tự của hai trong ba pha cấp vào động cơ. Mạch sử dụng hai contactor riêng biệt, một cho chiều thuận và một cho chiều ngược, kết hợp với khóa chéo điện và cơ khí để ngăn chặn tuyệt đối việc cả hai contactor cùng hoạt động, tránh gây ngắn mạch nguồn. Bên cạnh đó, mạch hãm động cơ cũng rất quan trọng để dừng máy nhanh và chính xác. Các phương pháp phổ biến bao gồm hãm động năng (đưa nguồn điện một chiều vào cuộn dây stato) và hãm ngược (đảo chiều quay đột ngột khi động cơ đang chạy).

III. Hướng dẫn các mạch khởi động động cơ 3 pha cơ bản nhất

Phần này trình bày chi tiết nguyên lý hoạt động của các mạch điện điều khiển cơ bản dùng để khởi động động cơ không đồng bộ 3 pha. Việc lựa chọn phương pháp khởi động phụ thuộc chủ yếu vào công suất động cơ và yêu cầu của lưới điện. Đối với động cơ công suất nhỏ, phương pháp khởi động trực tiếp là đơn giản và tiết kiệm nhất. Tuy nhiên, với các động cơ công suất lớn hơn, phải sử dụng các mạch khởi động gián tiếp để hạn chế dòng điện. Trong đó, mạch khởi động sao-tam giác là giải pháp được ưa chuộng nhất nhờ sự cân bằng giữa hiệu quả và chi phí. Mỗi mạch đều có cấu trúc gồm mạch động lực và mạch điều khiển riêng biệt. Việc phân tích sơ đồ nguyên lý sẽ giúp làm rõ logic hoạt động của các khí cụ điện như contactor, rơ le nhiệt, rơ le thời gian và nút nhấn trong từng giai đoạn của quá trình khởi động. Những kiến thức này là nền tảng vững chắc cho bất kỳ ai làm việc trong lĩnh vực tự động hóa và điện công nghiệp.

3.1. Phân tích mạch khởi động trực tiếp dùng khởi động từ đơn

Mạch khởi động trực tiếp là phương pháp đơn giản nhất, cấp thẳng nguồn điện 3 pha vào động cơ thông qua một bộ khởi động từ đơn (gồm contactor K1 và rơ le nhiệt F2). Theo sơ đồ trên Hình 4.1 trong Giáo trình Trang bị điện, khi nhấn nút nhấn ON (S2), cuộn dây contactor K1 được cấp điện. Điều này làm các tiếp điểm chính K1 trên mạch động lực đóng lại, cấp nguồn cho động cơ quay. Đồng thời, tiếp điểm phụ K1 (7-9) đóng lại để tự duy trì dòng điện cho cuộn hút khi tay người vận hành rời khỏi nút nhấn. Khi nhấn nút OFF (S1), mạch cấp điện cho cuộn hút K1 bị hở, contactor nhả ra, cắt nguồn khỏi động cơ. Rơ le nhiệt F2 bảo vệ động cơ khỏi quá tải. Mạch này chỉ phù hợp với các động cơ công suất nhỏ do gây ra dòng khởi động lớn.

3.2. Nguyên lý mạch khởi động sao tam giác Y Δ tối ưu

Mạch khởi động sao-tam giác sử dụng ba contactor (K, KY, KΔ) và một rơ le thời gian T. Khi nhấn nút ON, cuộn dây contactor chính K và contactor sao KY có điện. Các tiếp điểm chính của chúng đóng lại, đấu 3 đầu cuối của cuộn dây stato lại với nhau (đấu sao) và cấp nguồn, động cơ khởi động với dòng điện thấp. Rơ le thời gian T cũng bắt đầu đếm. Sau một khoảng thời gian cài đặt, khi động cơ đã đạt khoảng 80% tốc độ định mức, tiếp điểm thời gian của T sẽ tác động. Nó sẽ ngắt điện cuộn KY và đóng điện cho cuộn KΔ. Lúc này, mạch động lực chuyển từ đấu sao sang tam giác, cấp đủ điện áp định mức cho động cơ làm việc bình thường. Khóa chéo giữa KY và KΔ là bắt buộc để đảm bảo an toàn điện, tránh ngắn mạch 3 pha.

3.3. Phương pháp khởi động qua điện trở phụ hoặc điện kháng

Đối với những động cơ công suất rất lớn, phương pháp khởi động qua điện trở phụ (hoặc điện kháng) trong mạch stato là một lựa chọn. Nguyên lý là hạn chế dòng khởi động bằng cách mắc nối tiếp các điện trở phụ (Rp) vào mạch động lực. Sơ đồ này thường dùng hai contactor: K1 để nối động cơ vào lưới qua điện trở phụ và K2 để nối tắt các điện trở này. Khi nhấn nút khởi động, chỉ có contactor K1 hoạt động, dòng điện đi qua Rp vào động cơ, giúp giảm dòng khởi động. Sau một thời gian, người vận hành hoặc rơ le thời gian sẽ tác động để cấp điện cho contactor K2. Tiếp điểm chính của K2 đóng lại sẽ ngắn mạch các điện trở Rp, cấp toàn bộ điện áp lưới cho động cơ làm việc ở chế độ bình thường. Phương pháp này ít phổ biến hơn sao-tam giác do tổn hao năng lượng trên điện trở.

IV. Bí quyết thiết kế mạch đảo chiều quay và mạch hãm động cơ

Vận hành linh hoạt là một yêu cầu quan trọng trong tự động hóa sản xuất. Mạch đảo chiều quay và mạch hãm động cơ là hai trong số các mạch điện điều khiển cơ bản đáp ứng nhu cầu đó. Việc đảo chiều quay cho phép máy móc thực hiện các chu trình làm việc phức tạp, trong khi hãm động cơ giúp tăng độ chính xác và đảm bảo an toàn. Phần này sẽ đi sâu vào nguyên lý thiết kế và phân tích sơ đồ nguyên lý của các mạch này, dựa trên tài liệu trang bị điện chuẩn. Điểm mấu chốt trong thiết kế mạch đảo chiều là cơ cấu khóa chéo an toàn giữa hai contactor điều khiển hai chiều quay. Đối với mạch hãm, có nhiều phương pháp như hãm động năng, hãm ngược, mỗi loại có ưu nhược điểm và ứng dụng riêng. Nắm vững các kỹ thuật này là chìa khóa để làm chủ các hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ 3 pha.

4.1. Sơ đồ mạch đảo chiều quay động cơ dùng contactor kép

Mạch đảo chiều quay sử dụng hai contactor (K1 cho chiều thuận, K2 cho chiều ngược). Nguyên lý hoạt động dựa trên việc hoán vị hai trong ba pha cấp cho động cơ. Khi nhấn nút chạy thuận (S2), contactor K1 có điện, cấp nguồn theo thứ tự pha L1-L2-L3. Khi nhấn nút chạy ngược (S3), contactor K2 có điện, cấp nguồn theo thứ tự L3-L2-L1 (đảo pha L1 và L3). Điểm quan trọng nhất của mạch này là khóa chéo. Theo Hình 4.2 của giáo trình, trong mạch điều khiển, một tiếp điểm thường đóng của K2 được mắc nối tiếp với cuộn hút K1, và ngược lại. Điều này đảm bảo khi K1 đang hoạt động thì không thể cấp điện cho K2, và ngược lại, ngăn chặn tuyệt đối nguy cơ ngắn mạch giữa hai pha.

4.2. Chi tiết mạch hãm động năng sử dụng rơ le thời gian

Mạch hãm động năng là phương pháp dừng động cơ nhanh bằng cách ngắt nguồn xoay chiều 3 pha và cấp nguồn một chiều vào hai pha của cuộn dây stato. Sơ đồ mạch này sử dụng một contactor K1 để chạy và một contactor K2 để hãm, cùng một rơ le thời gian T. Khi nhấn nút OFF, K1 mất điện, động cơ bị ngắt khỏi lưới điện xoay chiều. Đồng thời, một tiếp điểm của nút nhấn OFF sẽ cấp điện cho contactor K2 và rơ le thời gian T. Contactor K2 đóng các tiếp điểm chính, nối nguồn điện một chiều (thường được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều) vào stato động cơ. Từ trường một chiều này sẽ tạo ra một momen hãm làm động cơ dừng lại rất nhanh. Sau khoảng thời gian hãm đã cài đặt, rơ le T sẽ ngắt K2, kết thúc quá trình hãm.

4.3. Tìm hiểu mạch hãm ngược và vai trò của rơ le tốc độ

Hãm ngược là phương pháp hãm bằng cách đảo chiều quay của từ trường khi động cơ đang chạy theo một chiều nhất định. Thao tác này tạo ra một momen hãm rất lớn. Tuy nhiên, nếu không ngắt mạch kịp thời khi động cơ dừng lại, nó sẽ quay theo chiều ngược lại. Để giải quyết vấn đề này, người ta thường sử dụng rơ le tốc độ (RKT). Khi nhấn nút dừng, mạch điều khiển sẽ ngắt contactor chiều thuận và đóng contactor chiều ngược. Động cơ bắt đầu hãm. Rơ le tốc độ, được gắn đồng trục với động cơ, sẽ giám sát tốc độ. Khi tốc độ động cơ giảm xuống gần bằng không (khoảng 10-15% tốc độ định mức), tiếp điểm của rơ le tốc độ sẽ mở ra, cắt điện contactor hãm, ngắt hoàn toàn động cơ khỏi lưới. Điều này đảm bảo động cơ dừng hẳn mà không bị quay ngược.

V. Ứng dụng thực tiễn của các mạch điều khiển cơ bản

Lý thuyết về các mạch điện điều khiển cơ bản sẽ không hoàn chỉnh nếu thiếu đi các ứng dụng thực tiễn. Trong môi trường điện công nghiệp, các mạch khởi động, đảo chiều và hãm động cơ được tích hợp trong hầu hết các máy móc sản xuất, từ đơn giản đến phức tạp. Việc phân tích trang bị điện của các máy công cụ điển hình như máy tiện, máy phay, máy khoan là cách tốt nhất để hiểu rõ cách các mạch này được phối hợp với nhau để tạo thành một hệ thống điều khiển hoàn chỉnh. Mỗi loại máy có những yêu cầu đặc thù về vận hành, đòi hỏi các mạch điều khiển phải được thiết kế và tùy chỉnh cho phù hợp. Ví dụ, máy tiện cần đảo chiều quay tức thời để tiện ren, trong khi máy phay cần các cơ cấu dừng chính xác. Bên cạnh đó, yếu tố an toàn điện trong vận hành và bảo trì luôn được đặt lên hàng đầu, với các cơ cấu liên động và bảo vệ được tích hợp chặt chẽ.

5.1. Trang bị điện máy tiện Điều khiển trục chính và hệ thống phụ

Trên máy tiện vạn năng như T616, hệ thống điện sử dụng các mạch điện điều khiển cơ bản để vận hành các động cơ. Động cơ trục chính M1 (thực hiện chuyển động quay của phôi) được điều khiển bởi một bộ contactor kép (KP, KΠ) cho phép chạy thuận và chạy ngược. Việc đảo chiều quay là cực kỳ quan trọng trong gia công ren. Mạch điều khiển được thiết kế với cơ chế liên động khóa, ví dụ động cơ bơm dầu bôi trơn M2 phải chạy trước thì động cơ trục chính M1 mới có thể khởi động, nhằm bảo vệ mạch điện và các chi tiết cơ khí. Hệ thống cũng bao gồm các động cơ phụ như bơm nước làm mát (M3). Toàn bộ hệ thống được bảo vệ ngắn mạch bằng cầu chì và bảo vệ điện áp thấp bằng rơ le điện áp, đảm bảo an toàn điện tối đa.

5.2. Phân tích sơ đồ mạch điện điều khiển máy phay 6P81

Máy phay 6P81 là một ví dụ điển hình về việc ứng dụng kết hợp nhiều mạch điều khiển. Động cơ trục chính (Đ2) quay dao phay có thể đảo chiều. Động cơ chạy bàn (Đ3) và động cơ bơm nước (Đ1) hoạt động độc lập. Một tính năng đặc biệt trên máy phay là chế độ "nhấp máy" (Jog), cho phép trục chính nhích nhẹ để các bánh răng trong hộp số ăn khớp. Mạch này thường sử dụng một rơ le thời gian để cấp một xung điện ngắn cho contactor. Hơn nữa, máy phay 6P81 còn trang bị hệ thống hãm điện từ (ly hợp điện từ LH) để dừng trục chính nhanh chóng và chính xác. Sơ đồ nguyên lý cho thấy sự phối hợp phức tạp giữa các contactor, rơ le thời gian và các công tắc hành trình để tự động hóa một phần quy trình và giới hạn di chuyển của bàn máy.

5.3. An toàn điện trong vận hành và bảo trì hệ thống máy móc

An toàn điện là nguyên tắc tối cao trong điện công nghiệp. Các mạch điều khiển cơ bản phải tích hợp đầy đủ các tính năng an toàn. Nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop) phải được bố trí ở vị trí dễ tiếp cận, có khả năng ngắt toàn bộ mạch điều khiển ngay lập tức. Cơ cấu khóa chéo (interlock) giữa các contactor trong mạch đảo chiều quay hoặc mạch khởi động sao-tam giác là bắt buộc. Hệ thống nối đất vỏ thiết bị và nối đất an toàn phải được thi công đúng tiêu chuẩn. Ngoài ra, việc bảo trì định kỳ các khí cụ điện như kiểm tra độ nhạy của rơ le nhiệt, làm sạch bề mặt tiếp điểm của contactor, và siết lại các đầu cốt là rất cần thiết để ngăn ngừa sự cố, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định và an toàn cho người lao động.

VI. Tương lai ngành trang bị điện và các tài liệu tham khảo

Lĩnh vực trang bị điện và tự động hóa đang phát triển không ngừng. Mặc dù các mạch điện điều khiển cơ bản sử dụng rơ le và contactor vẫn là kiến thức nền tảng không thể thiếu, xu hướng hiện đại đang dịch chuyển mạnh mẽ sang các hệ thống điều khiển lập trình được. Sự ra đời của Bộ điều khiển Logic khả trình (PLC) đã cách mạng hóa ngành công nghiệp, cho phép xây dựng các hệ thống điều khiển linh hoạt, thông minh và dễ dàng thay đổi hơn rất nhiều so với mạch rơ le cứng. Tuy nhiên, để lập trình và làm việc hiệu quả với PLC, kiến thức về nguyên lý hoạt động của các khí cụ điện và các mạch điện cơ bản vẫn là yêu cầu tiên quyết. Phần cuối cùng này sẽ phác thảo xu hướng phát triển và cung cấp nguồn tài liệu trang bị điện hữu ích để người học có thể tiếp tục nghiên cứu sâu hơn.

6.1. Xu hướng tự động hóa và vai trò của PLC trong điều khiển

Tương lai của điện công nghiệp gắn liền với tự động hóa sâu rộng. Thay vì dùng các rơ le và dây nối chằng chịt để thực hiện logic điều khiển, các hệ thống hiện đại sử dụng PLC. PLC là một máy tính công nghiệp chuyên dụng, nhận tín hiệu đầu vào từ nút nhấn, cảm biến, xử lý chúng theo một chương trình được lập sẵn và xuất tín hiệu ra để điều khiển các cơ cấu chấp hành như cuộn hút contactor, van điện từ. Logic của mạch khởi động sao-tam giác, mạch đảo chiều quay hay bất kỳ chu trình phức tạp nào đều có thể được "vẽ" lại bằng ngôn ngữ lập trình PLC (như Ladder Logic). Điều này giúp giảm thiểu phần cứng, tăng độ tin cậy, dễ dàng sửa đổi và giám sát hệ thống từ xa.

6.2. Tổng hợp tài liệu và Ebook trang bị điện PDF chất lượng

Để nắm vững kiến thức, việc tham khảo các tài liệu học thuật là vô cùng cần thiết. Nguồn tài liệu chính thống bao gồm các giáo trình trang bị điện từ các trường đại học kỹ thuật, các tiêu chuẩn ngành (TCVN, IEC). Ngoài ra, có rất nhiều tài liệu trang bị điện và Ebook trang bị điện PDF chất lượng được chia sẻ trực tuyến. Khi tìm kiếm, nên ưu tiên các tài liệu có nguồn gốc rõ ràng, được biên soạn bởi các chuyên gia hoặc giảng viên uy tín. Các chủ đề nên tập trung nghiên cứu sâu hơn bao gồm: thiết kế tủ điện công nghiệp, lập trình PLC cơ bản, biến tần điều khiển tốc độ động cơ và các hệ thống giám sát thu thập dữ liệu (SCADA). Việc kết hợp kiến thức từ giáo trình với thực hành trên các mô hình hoặc thiết bị thực tế sẽ mang lại hiệu quả học tập cao nhất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Trang bị điện CHƢƠNG 4: NHỮNG MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN TRONG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN MÁY CÔNG NGHIỆP Mục tiêu: Trình bày được nguyên lý hoạt động của các mạch điện mở máy, mạch điều chỉnh bảo vệ và các mạch điện hãm 4. Các mạch điện mở máy 4. Khởi động trực tiếp không đảo chiều: Hình 4.1: Khởi động trực tiếp động cơ bằng khởi động từ đơn. Khởi động động cơ: Đóng 2 Aptomat AP1 và AP2, nhấn nút S2, cuộn dây Contactor K1 sẽ có điện (mạch 1- 3-5-7-9-cuộn dây K1-0) đóng 3 tiếp điểm chính K1 bên mạch động lực cấp nguồn 3 pha vào động cơ.

Tiếp điểm K1 (7-9) đóng để duy trì dòng điện cho cuộn dây Contactor K1khi ta buông tay khỏi nút nhấn S2. Tiếp điểm K1 (3-13) đóng điện cấp nguồn cho đèn báo H2 báo tình trạng động cơ đã khởi động. Dừng động cơ: Nhấn nút dừng S1, cuộn dây Contactor K1 mất điện làm mở 3 tiếp điểm chính của Contactor K1 cắt điện để động cơ dừng lại. Để dừng khẩn cấp động cơ, ta nhấn nút dừng khẩn û 48 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Trang bị điện cấp S0, khi đó toàn bộ mạch điều khiển bị mất điện.

Tiếp điểm chính K1 bên mạch động lực mở ra, động cơ dừng. Bảo vệ ngắn mạch cho toàn mạch bằng Aptomat AP2, bảo vệ quá tải cho động cơ bằng rơle nhiệt F2. Khi xảy ra sự cố quá tải, tiếp điểm F2 (3-5) sẽ mở ra cắt điện vào cuộn dây K1làm mở 3 tiếp điểm chính của Contactor K1, động cơ dừng lại. Đồng thời tiếp điểm F2 (3- 11) đóng lại cấp nguồn cho đèn báo H1 báo sự cố quá tải.

Khởi động trực tiếp có đảo chiều: - Trong các máy công nghiệp, nhiều động cơ có nhu cầu phải quay được 2 chiều. Muốn khống chế động cơ điện này ta phải dùng 2 Contactor: - K1 để động cơ quay thuận, K2 để động cơ quay ngược. - Nút nhấn S2 để động cơ quay thuận, nút nhấn S3 sử dụng khi động cơ quay ngược. Đây là 2 nút nhấn kép.2: Khởi động có đảo chiều động cơ bằng khởi động từ kép.

Chạy máy chiều thuận: Đóng 2 Aptomat AP1 và AP2, nhấn nút S2, cuộn dây Contactor K1 sẽ có điện (mạch 1-3-5-7-9-11-13-cuộn dây K1-0). Các tiếp điểm chính của K1 bên mạch động lực đóng lại để û 49 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Trang bị điện cấp điện 3 pha cho động cơ quay thuận; đồng thời các tiếp điểm phụ K1 (7-9) đóng lại để tự duy trì (buông tay khỏi S2 động cơ vẫn tiếp tục quay); tiếp điểm K1 (19-21) mở ra để cấm không cho K2 làm việc khi K1 đã làm việc. Tiếp điểm K1 (13-15) đóng lại cấp nguồn cho đèn H1 báo trạng thái động cơ đã quay thuận. Chạy máy theo chiều ngƣợc: Nhấn nút S3, cuộn dây Contactor K2 sẽ có điện (mạch 1-3-5-7-17-19-21-cuộn dây K2- 0).

Các tiếp điểm chính của K2 bên mạch động lực đóng lại (2 pha L1-L3 đã đảo cho nhau) để cấp điện 3 pha vào cho động cơ quay ngược; đồng thời các tiếp điểm phụ K2 (17-19) đóng lại để tự duy trì; tiếp điểm K2 (11-13) mở ra để cấm K1 làm việc khi K2 đã làm việc. Tiếp điểm K2 (21-23) đóng lại cấp nguồn cho đèn H2 báo trạng thái động cơ đã quay ngược. Dừng máy: Nhấn nút S1, cuộn dây Contactor K1 (hoặc K2) mất điện các tiếp điểm chính của contactor K1 (hoặc K2) mở ra cắt điện để động cơ dừng lại. Để dừng khẩn cấp động cơ, ta nhấn nút dừng khẩn cấp S0, khi đó toàn bộ mạch điều khiển bị mất điện.

Tiếp điểm chính K1 (hoặc K2) bên mạch động lực mở ra, động cơ dừng. Liên động và bảo vệ: Khoá liên động (khoá chéo) K2 (11-13) và K1 (19-21) không cho K1 và K2 làm việc đồng thời tránh ngắn mạch nguồn điện. Bảo vệ ngắn mạch cho toàn mạch bằng Aptomat AP2, bảo vệ quá tải cho động cơ bằng rơle nhiệt F2. Khi xảy ra sự cố quá tải, tiếp điểm F2 (3-5) sẽ mở ra cắt điện vào cuộn dây K1(hoặc K2) làm mở 3 tiếp điểm chính của Contactor K1 (hoặc K2), động cơ dừng lại.

Đồng thời tiếp điểm F2 (3-25) đóng lại cấp nguồn cho đèn báo H3 báo sự cố quá tải. Khởi động động cơ bằng điện trở phụ, điện kháng, biến áp tự ngẫu: Đối với những động cơ có công suất lớn, để hạn chế dòng điện mở máy, ta có thể đấu Stato qua điện trở phụ (có thể thay thế bằng điện kháng hoặc biến áp tự ngẫu). Sau khi mở máy xong, ta mới nối tắt điện trở phụ, điện kháng hay biến áp tự ngẫu. Mạch điện điều khiển có thể dùng chung một sơ đồ (Hình 4.

Cụ thể trong sơ đồ contactor K1 dùng để mở máy và contactor K2 để làm việc. û 50 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Trang bị điện Hình 4.3: Khởi động khi có điện trở phụ trong mạch Stato. Để khởi động động cơ ta đóng 2 Aptomat AP1 và AP2 rồi nhấn nút S2. Contactor K1 có điện (mạch 1-3-5-7-9-cuộn dây K1-0) sẽ đóng các tiếp điểm chính K1 ở mạch động lực để động cơ khởi động qua điện trở phụ Rp, tiếp điểm K1 (7-9) đóng lại để duy trì điện.

Đèn báo H1 có điện báo trạng thái động cơ đang khởi động. Sau vài giây động cơ khởi động xong, ta nhấn nút S3, cuộn dây K2có điện (mạch 1-3-5-7-9-11-cuộn dây K2-0), tiếp điểm chính của Contactor K2 ở mạch động lực đóng lại để tạo vòng ngắn mạch qua điện trở phụ Rp, lúc này dòng điện 3 pha không qua Rp mà chỉ đi qua tiếp điểm chính K2và đi vào động cơ; quá trình mở máy kết thúc. Tiếp điểm K2 (9-11) đóng lại để tự duy trì. Đèn báo H2 có điện báo trạng thái động cơ đã khởi động xong.

Để dừng động cơ, ta nhấn nút dừng S1, cuộn dây Contactor K1 mất điện làm mở 3 tiếp điểm chính của Contactor K1 cắt điện để động cơ dừng lại. Để dừng khẩn cấp động cơ, ta nhấn nút dừng khẩn cấp S0, khi đó toàn bộ mạch điều khiển bị mất điện. Tiếp điểm chính K1 bên mạch động lực mở ra, động cơ dừng. Bảo vệ ngắn mạch cho toàn mạch bằng Aptomat AP2, bảo vệ quá tải cho động cơ bằng rơle nhiệt F2.

Khi xảy ra sự cố quá tải, tiếp điểm F2 (3-5) sẽ mở ra cắt điện vào cuộn dây û 51 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Trang bị điện K1làm mở 3 tiếp điểm chính của Contactor K1, động cơ dừng lại. Đồng thời tiếp điểm F2 (3- 13) đóng lại cấp nguồn cho đèn báo H3 báo sự cố quá tải. Khởi động động cơ bằng cách đổi nối Y/: Để giảm nhỏ dòng điện mở máy, khi khởi động ta nối dây quấn Stato thành hình Y; sau một thời gian tác động, cuộn dây Stato được chuyển sang đấu . Thiết bị điện chính của mạch gồm:  Contactor K để đóng mạch điện.

 Contactor KY để nối Stato thành hình Y.  Contactor K để nối Stato thành hình .  Rơle thời gian T (loại On Delay) để điều chỉnh tùy thuộc vào thời gian khởi động Y. Khởi động: Đóng CB1 và CB2, sau đó nhấn nút ON, cuộn dây K và KY có điện (mạch 1-2-3-4- cuộn dây K-5 và 1-2-3-4-6-7-cuộn dây KY-5) để đóng các tiếp điểm chính K và KY bên mạch động lực lại: động cơ được khởi động ở chế độ Y và lúc này rơle thời gian T cũng có điện (mạch 1-2-3-4-cuộn dây T-5) để tính thời gian.

Tiếp điểm K (3-4) đóng để duy trì điện cho 3 cuộn dây K, KY, T. Làm việc: Sau một thời gian duy trì cần thiết để tốc độ động cơ đạt xấp xỉ định mức thì tiếp điểm thường đóng mở chậm T (4-6) mở ra để cắt điện Contactor KY, 3 tiếp điểm chính KY ở mạch động lực mở ra. Đồng thời tiếp điểm thường mở đóng chậm T (4-8) đóng lại để cấp điện cho Contactor K (mạch 1-2-3-4-8-9-cuộn dây K-5), tiếp điểm chính của K ở mạch động lực đóng lại để đấu bộ dây Stato thành hình . Động cơ đã khởi động xong và làm việc bình thường ở chế độ .

û 52 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Trang bị điện Hình 4.4: Điều khiển mở máy bằng phƣơng pháp đổi nối Y/ theo nguyên tắc thời gian. Liên động và bảo vệ: - Hai khoá chéo KY (8-9) và K (6-7) có tác dụng bảo đảm an toàn, tránh sự cố 2 Contactor KY và K có điện đồng thời, gây ngắn mạch 3 pha. - Bảo vệ ngắn mạch cho toàn mạch bằng CB1, bảo vệ quá tải cho động cơ bằng rơle nhiệt OL. Các mạch điện điều chỉnh bảo vệ: 4.

Điều khiển động cơ 2 tốc độ không đảo chiều - Khi cần động cơ làm việc ở tốc độ thấp, ta nhấn nút M , contactor 1K làm việc đóng các tiếp điểm 1K ở mạch động lực , nối cuộn dây Stator theo kiểu . - Nếu muốn động cơ làm việc ở tốc độ cao, ta nhấn nút MYY , contactor 2K và 3K có điện, đóng các tiếp điểm chính 2K và 3K ở mạch động lực, nhờ đó cuộn dây Stator được nối theo kiểu YY. - Muốn khởi động động cơ, ta nhấn nút M để contactor K có điện, đóng các tiếp điểm K ở mạch động lực cấp điện vào cuộn dây Stator của động cơ, tiếp điểm K (3-5) đóng lại để duy trì. û 53 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Trang bị điện Hình 4.5: Mạch điều khiển động cơ 2 cấp tốc độ không đảo chiều 4.

Điều khiển động cơ 2 tốc độ có đảo chiều: - Muốn động cơ có tốc độ quay nhỏ, ta nhấn nút M, contactor 1K có điện, tiếp điểm của nó đóng, cuộn dây Stator động cơ đuợc nối theo kiểu . Để tăng tốc độ quay ta nhấn MYY cuộn dây stator được nối theo hình YY. - Việc chọn chiều quay động cơ trong sơ đồ này được thực hiện khi nhấn nút MT hay MN. Khi nhấn nút MT chọn chiều quay thuận contactor T có điện đóng các thường mở ở mạch động lực đóng điện cho cuộn dây Stato của động cơ.

Tương tự khi nấn vào nút nhấn M N contactor N có điện đóng điện cho động cơ quay theo chiều ngược lại. û 54 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Giáo trình Trang bị điện Hình 4.6: Mạch điều khiển động cơ 2 cấp tốc độ có đảo chiều 4. Hãm động năng dùng rơle thời gian: Thiết bị điện chính trong mạch gồm:  Nguồn điện 1 chiều dùng để hãm lấy ngay ở lưới điện xoay chiều 1 pha qua bộ biến áp 220/24V và chỉnh lưu cầu dùng 4 diode.  Contactor K1 đấu động cơ vào lưới khi làm việc.

 Contactor K2 đấu động cơ vào nguồn 1 chiều khi hãm.