Thiết kế mạch bảo vệ tự động chống mất pha và đảo pha nguồn điện cho động cơ

ThiÕt kÕ m¹ch b¶o vÖ tù ®éng chèng mÊt pha vµ ®¶o pha nguån ®iÖn cho ®éng c¬ Designing an automatic protection circuit to avoid phase loss and reverted phase for motors Ph¹m ViÖt S¬n1, Ng« ThÞ TuyÕn1 Summary Automatic protection for motors in production is of importance. The situation when the motor losses a phase or changes its phase sequence often takes place in reality. In such a situation the motor will be burnt or revert its rotating direction, which causes considerable damages to production process and human beings. This article is mainly concerned about designing an automatic protection circuit for a motor when it losses a phase or changes its phase sequence, using semiconductor components. This circuit had a simple design, high accuracy, quick and selective responses, compact character, ease for use and repair, high reliability and high durability. Key words: motor, automatic protection, phase loss, reverted phase. 1. ®Æt vÊn ®Ò HiÖn nay ®éng c¬ ®iÖn ®−îc sö dông réng r·i trong c¸c ngµnh kinh tÕ quèc d©n: C«ng nghiÖp, n«ng nghiÖp, giao th«ng vËn t¶i, sinh ho¹t víi c«ng suÊt tõ vµi chôc o¸t (W) ®Õn hµng ngh×n kilo o¸t (kW). Trong qu¸ tr×nh lµm viÖc ®éng c¬ rÊt dÔ bÞ mÊt pha do mét sè lý do hoÆc do c«ng nh©n vËn hµnh thao t¸c nhÇm khi nèi nguån cÊp ®iÖn cho ®éng c¬ nªn thø tù pha cña nguån bÞ thay ®æi. Trong c¶ hai tr−êng hîp ®Òu lµm cho ®éng lµm viÖc kh«ng b×nh th−êng g©y ra nh÷ng sù cè nghiªm träng trong s¶n xuÊt. Tõ tr−íc cho ®Õn nay, ng−êi ta th−êng dïng c¸c r¬ le ®iÖn tõ (Bïi Hång HuÕ, 2003) hoÆc r¬ le sè ®Ó b¶o vÖ cho ®éng c¬ khi bÞ mÊt pha. Nh−îc ®iÓm cña r¬ le ®iÖn tõ lµ ®é tin cËy kh«ng cao, qu¸n tÝnh lín, kh«ng cã kh¶ n¨ng hiÓn thÞ th«ng tin cho ng−êi sö dông, cßn r¬ le sè cã cÊu t¹o phøc t¹p, khã kh¨n cho vËn hµnh vµ söa ch÷a, gi¸ thµnh cao. §Ó kh¾c phôc mét sè nh−îc ®iÓm nªu trªn cña r¬ le ®iÖn tõ vµ r¬ le sè, chóng t«i nghiªn cøu l¾p r¸p m¹ch ®iÖn tù ®éng b¶o vÖ cho ®éng c¬ chèng mÊt pha vµ tù ®éng ®¶o pha khi thø tù pha cña nguån bÞ thay ®æi b»ng c¸c linh kiÖn b¸n dÉn. 2. VËt liÖu, ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu 2.1. VËt liÖu nghiªn cøu §éng c¬ kh«ng ®ång bé ba pha, c¸c linh kiÖn b¸n dÉn: ®ièt, tranzito, c¸c tô, c¸c ®iÖn trë l¾p r¸p thµnh c¸c m¹ch æn ¸p, c¸c m¹ch logic c¬ b¶n: AND (Vµ), NOT (§¶o), NAND (§¶o – Vµ), m¹ch vi, tÝch ph©n 2.2. Ph−¬ng ph¸p nghiªn cøu ThiÕt kÕ tÝnh to¸n m¹ch ®iÖn trªn lý thuyÕt: tæ hîp c¸c tÝn hiÖu ph¸t hiÖn mÊt pha vµ ®¶o pha trªn chÝnh c¸c pha cña nguån, tõ hai pha liªn tiÕp nhau ®Ó ®¶m b¶o ®óng thø tù c¸c pha. ViÖc tæ hîp c¸c tÝn hiÖu nµy ®−îc thùc hiÖn trªn c¸c m¹ch logic cña NhËt: 1011, 4049, 4081. TiÕn hµnh l¾p r¸p kh¶o nghiÖm trong thùc tÕ ®Ó hiÖu chØnh l¹i m¹ch 3. KÕt qu¶ nghiªn cøu 3.1. ¶nh h−ëng cña hiÖn t−îng nguån bÞ mÊt pha hoÆc thay ®æi thø tù pha ®Õn qu¸ tr×nh lµm viÖc cña ®éng c¬ Khi vËn hµnh ®éng c¬ ba pha, cã sù cè ®øt mét pha, hai pha d©y quÊn cßn l¹i cña ®éng c¬ sÏ t¹o thµnh d©y quÊn mét pha. Lóc ®ã ®éng c¬ ba pha sÏ chuyÓn sang lµm viÖc ë chÕ ®é mét pha. NÕu ®éng c¬ kÐo t¶i kh«ng ®æi th× c«ng suÊt ®iÖn ®−a vµo ®éng c¬ ë hai chÕ ®é mét pha vµ ba pha lµ nh− nhau (Vò Gia Hanh, 2001): 1 Khoa C¬ §iÖn – Tr−êng §HNNI 226 P3p = P1p Hay: 3 UdI3 ≈ UdI1 Trong ®ã: I3 – Dßng ®iÖn stato ë chÕ ®é ba pha; I1 – Dßng ®iÖn stato ë chÕ ®é mét pha; Ud - §iÖn ¸p d©y cña nguån ®Æt vµo ®éng c¬ Ud = 380V. Tõ biÓu thøc trªn ta cã: I1 = 3 I3 Nh− vËy dßng ®iÖn ë ®éng c¬ ba pha lµm viÖc ë chÕ ®é mét pha ®· t¨ng lªn 3 lÇn so víi khi lµm viÖc ë chÕ ®é b×nh th−êng (ba pha). Khi ®ã tæn hao sÏ t¨ng lªn ba lÇn, nÕu kh«ng c¾t ®éng c¬ ra khái l−íi ®iÖn, ®éng c¬ sÏ bÞ ch¸y. Tr−êng hîp thø tù pha cña nguån vµo ®éng c¬ thay ®æi, ®éng c¬ vÉn quay nh−ng chiÒu quay cña ®éng c¬ bÞ thay ®æi do tõ tr−êng quay ®æi chiÒu (Bïi Hång HuÕ, 2003). Nh− vËy quy tr×nh s¶n xuÊt bÞ ®¶o lén (vÝ dô b¨ng t¶i ®ang ch¹y tiÕn l¹i ch¹y lïi, cÇn trôc ®ang n©ng th× l¹i h¹). §iÒu nµy cã thÓ g©y ra nh÷ng hËu qu¶ nghiªm träng dÉn ®Õn nh÷ng thiÖt h¹i kh«ng nhá vÒ ng−êi vµ cña. 3..2. ThiÕt kÕ s¬ ®å tù ®éng b¶o vÖ ®éng c¬ chèng mÊt pha vµ thø tù pha cña nguån ®iÖn thay ®æi Trong nghiªn cøu nµy chóng t«i chØ tr×nh bµy c¸ch tiÕn hµnh l¾p r¸p m¹ch tù ®éng b¶o vÖ cho ®éng c¬ xoay chiÒu ba pha khi bÞ mÊt pha hoÆc thø tù pha cña nguån ®iÖn bÞ thay ®æi víi s¬ ®å nguyªn lý nh− ë h×nh 1. 3.2.1. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña s¬ ®å a) Khi nguån ®iÖn b×nh th−êng (cã c¶ ba pha theo ®óng thø tù pha A, B, C) TÝn hiÖu ®−îc lÊy trùc tiÕp tõ c¸c pha cña nguån xoay chiÒu ba pha cã Ud = 380V; Up = 220V. §éng c¬ ®−îc cÊp ®iÖn tõ nguån ba pha qua mét khëi ®éng tõ kÐp ®−îc ®iÒu khiÓn bëi m¹ch b¶o vÖ ®iÖn tö. Trong s¬ ®å nµy, c¸c ®ièt D1, ®iÖn trë R1, vµ ®ièt æn ¸p DZ1 cña pha A t¹o thµnh c¸c m¹ch chØnh l−u vµ ghim ®iÖn ¸p. Trªn ®Çu vµo 2 cña phÇn tö NAND V1 (øng víi nöa chu kú d−¬ng cña ®iÖn ¸p pha A) sÏ cã xung víi biªn ®é 12V vµ ®é réng xung b»ng mét nöa chu kú ®iÖn ¸p nguån. C¸c phÇn tö t−¬ng øng ë c¸c pha B vµ C còng t¹o nªn c¸c xung t−¬ng tù nh−ng lÖch pha nhau 1/3 chu kú (t−¬ng øng víi gãc pha 1200). Tæ hîp c¸c phÇn tö V1, m¹ch tÝch ph©n C1R4, phÇn tö NOT V4 vµ V7 t¹o nªn mét tÝn hiÖu øng víi s−ên ©m cña xung t¹o bëi m¹ch chØnh l−u, ghim pha A, cã biªn ®é b»ng 12V vµ ®é réng xung chØ phô thuéc vµo tham sè cña m¹ch tÝch ph©n, ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña m¹ch AND V10. TÝn hiÖu nµy ®−îc tæ hîp víi tÝn hiÖu xung 12V ®é réng xung T/2 øng víi nöa chu kú d−¬ng cña pha B. Trªn ®Çu ra cña V10 sÏ cã mét tÝn hiÖu gièng nh− trªn ®Çu vµo 1 cña nã nÕu nguån ®ñ pha vµ c¸c pha cña nguån ®óng thø tù ®Þnh tr−íc. Qu¸ tr×nh diÔn ra t−¬ng tù ë pha B vµ pha C nh−ng kho¶ng thêi gian lÇn l−ît chËm sau 1/3 chu kú tÝnh tõ pha A. LÇn l−ît c¸c ®Çu ra cña m¹ch AND V11, V12 cã xung ra (ë møc cao), c¸c xung nµy lÖch nhau vÒ thêi gian 1/3 chu kú (vÒ gãc pha lµ 1200). §ièt D4 ®ãng vai trß m¹ch céng ®−a tÝn hiÖu cña ba xung qua tô läc C4. Tô läc C4 cã t¸c dông san b»ng ®iÖn ¸p trung b×nh cña ba xung nµy ®Ó ®−a vµo cùc bazo cña tranzito T. Tranzito T ®−îc tÝnh to¸n sao cho dßng ®iÖn vµo IB tháa m·n ®iÒu kiÖn UBE ≥ UBebh th× T lµm viÖc ë chÕ ®é më b·o hoµ. Lóc nµy cuén d©y r¬ le RL1 sÏ ®−îc cÊp ®iÖn ®ãng tiÕp ®iÓm th−êng më cung cÊp ®iÖn cho cuén d©y c«ng t¾c t¬ K1, c«ng t¾c t¬ K1 ®ãng c¸c tiÕp ®iÓm th−êng më cÊp ®iÖn nguån cho ®éng c¬ theo ®óng thø tù A, B, C. b) Khi nguån mÊt mét pha Ta vÉn xÐt trong mét chu kú T, gi¶ sö mÊt pha C. ë pha A, qu¸ tr×nh diÔn ra nh− khi nguån cÊp ®iÖn b×nh th−êng (cã c¶ ba pha), tøc lµ sau 1/3 chu kú th× ®Çu ra cña m¹ch AND V10 cã mét xung ra (ë møc cao). ë pha B, do mÊt pha C nªn kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a ®Õn ®Çu vµo 2 cña m¹ch AND V11 do ®ã t¹i ®Çu ra cña V11 kh«ng cã xung ra. ë pha C, kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a vµo ch©n 1 cña V12 nªn t¹i ®Çu ra cña V12 kh«ng cã xung ra 227 226 Nh− vËy, m¹ch céng D4 chØ cã mét xung duy nhÊt nªn kh«ng c g cÊp ®iÖn cho cuén d©y r¬ le RLun 1, tiÕp ® pha C nªn cuén d©y cñ le RLa r¬ 2 kh«ng ®− Êp ®iÖnîc c tiÕp ®iÓm th−êng më cña nã më ra, ®éng c¬ bÞ c¾t khái l Víi ph©n tÝch t−¬ng tù nh− trªn, nÕu x¶y ra mÊt c¸c c) Khi thø tù pha bÞ thay ®æi Gi¶ sö thø tù pha lóc nµy lµ ACB Pha A khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V10, kh«ng cã tÝn hiÖu ra. T¹i pha B khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V kh«ng cã xung ra. Pha C: khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V11 th cã xung ra. Nh− vËy khi thø t ha c i th× ng cãù p n kh« le RL1 mÊt ®iÖn, tiÕp ®iÓm th−ê ãng cña r¬ le RLng ® 1 ® RL2, ®¶o l¹i thø tù pha cña nguån ®iÖn (®ang bÞ ®¶o thø H×nh 1. S¬ ®å nguyªn lý cñ C820 RL1 RL3 B 220V 12V 100µ 50V C2 R5 V5 V2 A B C C1 R4 V1 V4 V10 V8 V7 R8 10K 10K 10µ C4 D5 R7 D4 V11 C3 R6 V9 V6 V3 220V C 7812 V 220µ 25V 12V 2 220 25V 100µ 50V A B C O +12VV12 c i , − t 1 × tR ña pha A qua tô läc C4 ®−a vµo cùc baz¬ cña T, tÝn hiÖu nµy kh«ng ®ñ ®Ó T më, T bÞ khãa l¹i Óm th−êng më cña r¬ le më ra kh«ng cÊp ®iÖ én d©y c«ng t¾c t¬ K1, ®ång thêi lóc nµy do mÊt tiÕp ®iÓm th−êng më cña RL2 më ra nªn cué a c«ng t¾c t¬ K2 còng kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn, c¸c íi ®iÖn, ngõng ho¹t ®éng. pha kh¸c, ®éng c¬ sÏ kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn nª ho¹t ®éng. h× ®Çu vµo 2 cña V10 kh«ng cã tÝn hiÖu v× lóc C ®ang ë nöa chu kú ©m, do ®ã ®Çu ra cña V10 2 th× do pha A ®ang ë nöa chu kú ©m nªn kh Ýn hiÖu ®−a vµo ch©n 2 cña V12, ®Çu ra cña V12 do pha A ®ang ë nöa chu kú ©m nªn kh«ng c u ®−a vµo ch©n 2 cña V11, ®Çu ra cña V11 kh«ng xung ë c¸c ®Çu ra cña c¸c V ra 10, V11, V12 do kh«ng ®−îc n¹p ®iÖn nªn T bÞ khãa, cuén d©y r¬ RL21 RL11 RL31 RL12 10µ 25V +12Vña nguåRLay ®æth 150 ãng l¹i, cÊp ®iÖ ù pha) ®éng c¬ a m¹ch tù ®«nn cho c vÉn qua g b¶o vuén y the Ö chd©y o ch o ®écña c«ng t¾c a c¸c tiÕp ®iÓm th−êng më cña c¸c r¬ le RL3 vµ iÒu nh− cò. ng c¬ khi bÞ hoÆc thø tù pha bÞ thay ®æi tranzito n cho cu n d©y cñ n ngõng nµy pha «ng cã t ã tÝn hiÖ ®ã tô C4 t¬ K2 qu mÊt pha Nh− vËy, m¹ch céng D4 chØ cã mét xung duy nhÊt cña pha A qua tô läc C4 ®−a vµo cùc baz¬ cña tranzito T, tÝn hiÖu nµy kh«ng ®ñ ®Ó T më, T bÞ khãa l¹i nªn kh«ng cung cÊp ®iÖn cho cuén d©y r¬ le RL1, tiÕp ®iÓm th−êng më cña r¬ le më ra kh«ng cÊp ®iÖn cho cuén d©y c«ng t¾c t¬ K1, ®ång thêi lóc nµy do mÊt pha C nªn cuén d©y cña r¬ le RL2 kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn, tiÕp ®iÓm th−êng më cña RL2 më ra nªn cuén d©y cña c«ng t¾c t¬ K2 còng kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn, c¸c tiÕp ®iÓm th−êng më cña nã më ra, ®éng c¬ bÞ c¾t khái l−íi ®iÖn, ngõng ho¹t ®éng. Víi ph©n tÝch t−¬ng tù nh− trªn, nÕu x¶y ra mÊt c¸c pha kh¸c, ®éng c¬ sÏ kh«ng ®−îc cÊp ®iÖn nªn ngõng ho¹t ®éng. c) Khi thø tù pha bÞ thay ®æi Gi¶ sö thø tù pha lóc nµy lµ ACB Pha A khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V10, th× ®Çu vµo 2 cña V10 kh«ng cã tÝn hiÖu v× lóc nµy pha C ®ang ë nöa chu kú ©m, do ®ã ®Çu ra cña V10 kh«ng cã tÝn hiÖu ra. T¹i pha B khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V12 th× do pha A ®ang ë nöa chu kú ©m nªn kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a vµo ch©n 2 cña V12, ®Çu ra cña V12 kh«ng cã xung ra. Pha C: khi cã tÝn hiÖu ®−a vµo ®Çu vµo 1 cña V11 th× do pha A ®ang ë nöa chu kú ©m nªn kh«ng cã tÝn hiÖu ®−a vµo ch©n 2 cña V11, ®Çu ra cña V11 kh«ng cã xung ra. Nh− vËy khi thø tù pha cña nguån thay ®æi th× kh«ng cã xung ra ë c¸c ®Çu ra cña c¸c V10, V11, V12 do ®ã tô C4 kh«ng ®−îc n¹p ®iÖn nªn T bÞ khãa, cuén d©y r¬ le RL1 mÊt ®iÖn, tiÕp ®iÓm th−êng ®ãng cña r¬ le RL1 ®ãng l¹i, cÊp ®iÖn cho cuén d©y cña c«ng t¾c t¬ K2 qua c¸c tiÕp ®iÓm th−êng më cña c¸c r¬ le RL3 vµ RL2, ®¶o l¹i thø tù pha cña nguån ®iÖn (®ang bÞ ®¶o thø tù pha) ®éng c¬ vÉn quay theo chiÒu nh− cò. Trong s¬ ®å, ®ièt D5 cã t¸c dông lo¹i trõ ®iÖn ¸p ng−îc ®Æt lªn tranzito vµ ng¾n m¹ch cuén d©y cña r¬ le RL1 ®¶m b¶o an toµn cho tranzito. 3.2.2. TÝnh to¸n c¸c th«ng sè cña m¹ch Trªn c¬ së tÝnh to¸n (Vò §øc Thä, 2001), (§ç Xu©n Thô, 2001) chóng t«i cã ®−îc trÞ sè cña c¸c linh kiÖn nh− sau: R1 = R2 = R3 = 16,8 K R4 = R5 = R6 = 6,8 K C1 = C2 = C3 = 470 nF R7 = 51 K R8 = 10K C¸c m¹ch NAND chän lo¹i 4011 C¸c m¹ch NOT chän lo¹i 4049 C¸c m¹ch AND chän lo¹i 4081 C¸c ®ièt chän lo¹i 1N4007 C¸c r¬le chän lo¹i 5A – 12V cña OMRON 3.3. Kh¶o nghiÖm Qua qu¸ tr×nh vËn hµnh, m¹ch b¶o vÖ tù ®éng chãng mÊt pha vµ ®¶o pha nguån ®iÖn cho ®éng c¬ ho¹t ®éng th«ng suèt, ®¶m b¶o tin cËy c¸c yªu cÇu ®Æt ra. 4. KÕt luËn Qua nghiªn cøu lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm, chóng t«i ®· l¾p ®Æt thµnh c«ng m¹ch ®iÖn tù ®éng b¶o vÖ cho ®éng c¬ chèng mÊt pha vµ tù ®éng ®¶o pha khi thø tù pha cña nguån bÞ thay ®æi b»ng c¸c linh kiÖn b¸n dÉn. So víi ph−¬ng ph¸p dïng c¸c r¬ le ®iÖn tõ vµ r¬ le sè, s¬ ®å nµy cã rÊt nhiÒu −u ®iÓm: - T¸c ®éng tin cËy; - §é chÝnh x¸c cao; - T¸c ®éng nhanh, cã chän läc; - §¬n gi¶n, gän nhÑ, dÔ vËn hµnh, dÔ söa ch÷a, ®é bÒn cao. Tµi liÖu tham kh¶o V−¬ng Céng (1979). Kü thuËt xung. Nxb §¹i häc vµ Trung häc chuyªn nghiÖp, Hµ Néi, tr. 11- 12. 229 Vò Gia Hanh (chñ biªn) (2001). M¸y ®iÖn tËp I, II. Nxb Khoa häc vµ kü thuËt, Hµ Néi 2001, tr. 226- 230. Bïi Hång HuÕ (chñ biªn) (2003). §iÖn c«ng nghiÖp. Nxb X©y dùng, Hµ Néi 2003, tr. 178 - 182. Vò §øc Thä (ng−êi dÞch) (2001). §¹i häc Thanh Hoa, B¾c Kinh. §ç Xu©n Thô (chñ biªn) (2001). Kü thuËt §iÖn tö. Nxb Gi¸o dôc, Hµ Néi. 230