Đề tài Thiết kế mạch điều khiển động cơ bơm nước tự động lên bồn Trạm cấp nước sinh hoạt

LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn: - Trường Đại Học Trà Vinh đã tạo cơ hội cho em làm đồ án. - Khoa kỹ thuật và công nghệ đã tạo điều kiện cho em làm tốt đồ án về thiết bị, cũng như kiến thức và tài liệu tham khảo. - Tất cả các thầy cô trong bộ môn Điện – Điện lạnh đặc biệt là Thầy Mã Học Nhân đã tận tình hướng dẫn,cũng như hỗ trợ kiến thức và lời khuyên thiết thực trong suốt quá trình em thực hiện đồ án. - Toàn thể tất cả các bạn trong lớp CA11KD đã giúp đỡ em tận tình trong việc tìm kiếm tài liệu và cũng như hổ trợ kiến thức cho em. Một lần nữa em xin gửi tới thầy hướng dẫn cùng toàn thể thầy cô trong bộ môn lời cảm ơn chân thành nhất. . NHẬN XÉT LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển nên việc ứng dụng thành tựu của khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất từ lâu đã không còn xa lạ với con người.Chính vì thế trong công nghiệp, tự động điều khiển đóng một vai trò rất quan trọng nó nâng dần tính hiện đại hóa của công nghiệp đẩy nền công nghiệp từ thô sơ lên một nền đại công nghiệp mà đỉnh cao của nó là tự động hoá một cách hoàn toàn. Nhờ việc ứng dụng công nghệ tự động trong công nghiệp mà sức lao động của con người giảm đi rất nhiều nhờ đó mà năng suất lao động được tăng lên gấp bội, con người ít phải quan tâm đến những vấn đề phụ như là: nhấn nút, bật công tắc…và một người có thể làm công việc của nhiều người. Sau hơn hai năm học tập ngành kỹ thuật điện tại trường Đại học Trà Vinh. Được sự dạy dỗ và chỉ bảo tận tình của thầy cô trong bộ môn Điện – Điện lạnh và nhất là khi được học môn trang bị điện do thầy Mã học Nhân giảng dạy em thấy được đây là một môn học có nhiều ứng dụng vào thực tế.Nên khi thực hiện đồ án môn học 1, em quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển động cơ bơm nước tự động lên bồn Trạm cấp nước sinh hoạt”. Trong quá trình làm đồ án, với kiến thức còn hạn chế, nên bản đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót.vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý bổ sung của thầy,cô để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Trà Vinh,tháng 12 năm 2013 Sinh Viên MỤC LỤC Trang tựa Trang DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH Trang Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của công trình cấp nước. 10 Hình 2.1 Cấu tạo của máy bơm nước 15 Hình 2.2 Cấu tạo của rơle nhiệt 18 Hình 2.3 Ký hiệu của rơle nhiệt 18 Hình 2.4 Aptomat một cực 21 Hình 2.5 Aptomat hai cực 21 Hình 2.6 Aptomat ba cực 22 Hình 2.7 Cấu tạo Aptomat 22 Hình 2.8 Cơ cấu nhả khớp tự do của Aptomat 25 Hình 2.9 .Sơ đồ nguyên lý aptomat dòng điện cực đại 26 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý aptomat điện áp thấp 27 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý aptomat dòng điện cực tiểu 27 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý aptomat công suất ngược 28 Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc của rơle thời gian 29 Hình 2.14 sơ đồ phân loại rơle thời gian 29 Hình 2.15 Ký hiệu của rơle thời gian trong sơ đồ mạch điện 30 Hình 3.1 sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển bơm nước tự động 31 Hình 3.2 Mạch điều khiển bơm nước tự động 33 Hình 3.3 mạch động lực của mạch điều khiển bơm nước tự động 35 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu về đề tài 1.1.1 Vai trò của nước đối với con người trong nền kinh tế quốc dân Cũng như không khí và ánh sáng, nước không thể thiếu được trong đời sống con người. Trong quá trình hình thành sự sống trên Trái đất thì nước và môi trường nước đóng vai trò quan trọng. Nước tham gia vào vai trò tái sinh thế giới hữu cơ ( tham gia quá trình quang hợp). Trong quá trình trao đổi chất nước đóng vai trò trung tâm. Những phản ứng lý hóa học diễn ra với sự tham gia bắt buộc của nước. Nước là dung môi của nhiều chất và đóng vai trò dẫn đường cho các muối đi vào cơ thể. Trong khu dân cư, nước phục vụ cho mục đích sinh hoạt, nâng cao đời sống tinh thần cho dân ( một ngôi nhà hiện đại không có nước khác nào một cơ thể không có máu). Nước đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sản xuất công nghiệp. Đối với cây trồng nước là nhu cầu thiết yếu, đồng thời còn có vai trò điều tiết các chế độ nhiệt, ánh sáng, chất dinh dưỡng, vi sinh vật, độ thoáng khí trong đất… 1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển ngành kỹ thuật cấp nước trên thế giới và Việt Nam Theo lịch sử ghi nhận hệ thống cấp nước đô thị xuất hiện sớm nhất tại La Mã vào năm 800 TCN. Điển hình là công trình dẫn nước vào thành phố bằng kênh tự chảy, trong thành phố nước được đưa đến các bể tập trung, từ đó theo đường ống dẫn nước đến các nhà quyền quí và bể chứa công cộng cho người dân sử dụng. 300 năm TCN đã biết khai thác nước ngầm bằng cách đào giếng. Người Babilon có phương pháp nâng nước lên độ cao khá lớn bằng ròng rọc, guồng nước. Thế kỷ thứ XIII, các thành phố ở châu Âu đã có hệ thống cấp nước. Thời đó chưa có các loại hóa chất phục vụ cho việc keo tụ xử lý nước mặt, người ta phải xây dựng các bể lắng có kích thước rất lớn (gần như lắng tĩnh) mới lắng được các hạt cặn bé. Do đó công trình xử lý rất cồng kềnh, chiếm diện tích và kinh phí xây dựng lớn. 1600 việc dùng phèn nhôm để keo tụ nước được các nhà truyền giáo Tây Ban Nha phổ biến tại Trung Quốc. 1800 các thành phố ở châu Âu, châu Mỹ đã có hệ thống cấp nước khá đầy đủ thành phần như công trình thu, trạm xử lý, mạng lưới … 1810 hệ thống lọc nước cho thành phố được xây dựng tại Paisay- Scotlen. 1908 việc khử trùng nước uống với qui mô lớn tại Niagara Falls, phía Tây nam New york. Thế kỷ XX kỹ thuật cấp nước ngày càng đạt tới tình độ cao và còn tiếp tục phát triển, các loại thiết bị cấp nước ngày càng đa dạng phong phú và hoàn thiện. Thiết bị dùng nước trong nhà luôn được cải tiến để phù hợp và thuận tiện cho người sử dụng.Kỹ thuật điện tử và tự động hóa cũng được sử dụng rộng rãi trong cấp thoát nước.Có thể nói kỹ thuật cấp nước đã đạt đến trình độ rất cao về công nghệ xử lý, máy móc trang bị thiết bị và hệ thống cơ giới hóa, tự động hóa trong vận hành, quản lý. Ở Việt Nam, hệ thống cấp nước đô thị được bắt đầu bằng khoan giếng mạch nông tại Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh (Sài Gòn) cũ vào năm 1894. Nhiều đô thị khác như Hải Phòng, Đà Nẵng…hệ thống cấp nước đã xuất hiện, khai thác cả nước ngầm và nước mặt. Hiện nay hầu hết các khu đô thị đã có hệ thống cấp nước.Nhiều trạm cấp nước đã áp dụng công nghệ tiên tiến của các nước phát triển như Pháp, Phần Lan, Australia…Những trạm cấp nước cho các thành phố lớn đã áp dụng công nghệ tiên tiến và tự động hóa. Hiện nay Đảng và nhà nước đang quan tâm đến vấn đề cấp nước cho nông thôn, đòi hỏi các chuyên gia trong lĩnh vực cấp nước cần phải đóng góp sức mình và sáng tạo nhiều hơn để đáp ứng yêu cầu thực tế. 1.2 Khái niệm chung về hệ thống cấp nước 1.2.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống cấp nước và chức năng từng công trình Hình 1.1: Các thành phần cơ bản của công trình cấp nước. Ký hiệu và chức năng từng công trình. 1- Công trình thu nước: dùng để thu nước từ nguồn. 2- Trạm bơm cấp1: dùng để bơm nước từ công trình thu lên các công trình xử lý (trạm xử lý). 3- Trạm xử lý: dùng để làm sạch nước theo yêu cầu của đối tượng sử dụng nước. 4- Các bể chứa nước sạch: dùng để chứa nước đã làm sạch, dự trữ nước chữa cháy và điều hòa áp lực giữa xử lý (trạm bơm 1) và trạm bơm 2. 5- Trạm bơm 2: dùng để bơm nước từ bể chứa nước sạch lên đài hoặc vào mạng phân phối cung cấp cho các đối tượng sự dụng. 6- Đài nước: dùng để dự trữ nước, điều hòa áp lực cho mạng giữa các giờ dùng nước khác nhau. 7- Các đường ống chuyển tải: dùng để vận chuyển nước từ trạm bơm cấp 2 đến điểm đầu tiên của mạng lưới phân phối nước. 8- Mạng lưới phân phối nước: dùng để vận chuyển và phân phối nước trực tiếp đến các đối tượng phân phối nước. 1.3 Đặc vấn đề Ngày nay, tình trạng thiếu nước sạch sinh hoạt vẫn diễn ra trầm trọng.Đặc biệt nhất là ở những nơi như: khu vực nông thôn, vùng biên giới, hải đảo… ở đó người dân vẫn chưa tiếp cận được với nguồn nước sạch.Họ vẫn đang sử dụng những nguồn nước bị ô nhiễm từ sông ,hồ hoặc suối.Mặc dù họ vẫn đang khát khao có được một nguồn nước sạch để sử dụng. Do đó nhu cầu đặt ra là cần phải xây dựng một trạm cấp nước sinh hoạt để cung cấp nước cho người dân. Tuy nhiên do hoàn cảnh của người dân ở khu vực này vẫn còn khó khăn cho nên nếu xây dựng một trạm cấp nước với quy mô lớn và hiện đại như ở các khu đô thị và thành phố lớn thì sẽ cần một nguồn kinh phí rất lớn,kéo theo là giá thành bán nước cho người dân sẽ ở mức cao, làm cho họ sẽ cảm thấy e ngại và lo lắng về chi phí trong việc sử dụng nước.Chính vì lý do đó, và đồng thời cũng muốn kiểm chứng những kiến thức đã được học tại nhà trường vào công việc thực tế,cũng cố những kiến thức chuyên ngành liên quan từ đó em đã quyết định chọn đề tài: “Thiết kế mạch điều khiển bơm nước tự động lên bồn cho Trạm cấp nước sinh hoạt”. Đề tài này được thực hiện chủ yếu là giảm được chi phí xây dựng cho một trạm cấp nước ở khu vực nông thôn, bởi vì trong đề tài này em cố gắng tìm kiếm và sử dụng những thiết bị ở mức chi phí thấp nhưng vẫn có công dụng không khác gì so với những thiết bị hiện đại,để từ đó có thể góp phần giảm được một phần chi phí tốn kém trong việc xây dựng một Trạm cấp nước. 1.4 Mục tiêu của đề tài - Tìm hiểu và nghiên cứu về các thiết bị liên quan đến ngành cấp thoát nước. - Giúp tiết kiệm một phần chi phí cho người dân khi sử dụng nước sạch sinh hoạt. - Rèn luyện khả năng tìm kiếm tài liệu cũng như việc bản thân tự nghiên cứu cho sinh viên - Rèn luyện kỹ năng thiết kế mạch cho bản thân. 1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Dựa trên phương pháp nghiên cứu và phân tích đặc tính của các loại thiết bị điện công nghiệp, đồng thời áp dụng các kiến thức đã học cùng với sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn em đã thiết kế được mạch bơm nước tự động lên bồn chứa nước cho Trạm cấp nước sinh hoạt theo đúng yêu cầu của mình đề ra,do thời gian có hạn cũng như kiến thức của bản thân còn hạn chế nên trong đồ án này em chỉ giới hạn thiết kế mạch với quy mô của một trạm cấp nước nhỏ,trong đó em chỉ sử dụng hai động cơ bơm nước chính và một động cơ bơm nước dự phòng.Khi có sự cố xảy ra,ở một trong hai động cơ bơm chính thì động cơ bơm dự phòng sẽ hoạt động,tất cả các động cơ sử dụng trong mạch này đều là ba pha. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Động cơ bơm nước 2.1.1 Khái niệm Máy bơm nước là một loại máy thủy lực, nhận năng lượng từ bên ngoài ( cơ năng, điện năng, thủy năng ..vv.. ) và truyền năng lượng cho dòng chất lỏng, nhờ vậy đưa chất lỏng lên một độ cao nhất định hoặc dịch chuyển chất lỏng theo hệ thống đường ống. 2.1.2 Phân loại máy bơm nước Người ta chia máy bơm nước ra nhiều loại dựa vào những đặc điểm như: nguyên lý tác động của cánh bơm vào dòng nước, dạng năng lượng làm chạy máy bơm, kết cấu máy bơm, mục đích bơm, loại chất lỏng cần bơm ... Trong đó thường dùng đặc điểm thứ nhất để phân loại máy bơm; theo đặc điểm này máy bơm được chia làm hai nhóm: Bơm động học và Bơm thể tích. - Bơm động học: Trong buồng công tác của máy bơm động học, chất lỏng được nhận năng lượng liên tục từ cánh bơm truyền cho nó suốt từ cửa vào đến cửa ra của bơm. Loại máy bơm này gồm có những bơm sau: Bơm cánh quạt ( gồm máy bơm nước li tâm, hướng trục, cánh chéo ): Trong loại máy bơm này, các cánh quạt gắn trên bánh xe công tác ( BXCT ) sẽ truyền trực tiếp năng lượng lên chất lỏng để đẩy chất lỏng dịch chuyển. Loại bơm này thường có lưu lượng lớn, cột áp thấp ( trong bơm nước gọi cụ thể là cột nước ) và hiệu suất tương đối cao, do vậy thường được dùng trong nông nghiệp và các ngành cấp nước khác Bơm xoắn: Chất lỏng qua các rãnh BXCT của máy bơm sẽ nhận được năng lượng để tạo dòng chảy xoắn và được đẩy khỏi cửa ra BXCT. Người ta dùng máy bơm này chủ yếu trong công tác hút nước hố thấm, tiêu nước, cứu hỏa... Bơm tia: Dùng một dòng tia chất lỏng hoặc dòng khí bên ngoài có động năng lớn phun vào buồng công tác của bơm nhờ vậy hút và đẩy chất lỏng. Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng để hút nước giếng và dùng trong thi công. Bơm rung: Cơ cấu công tác của bơm này là pít tông-van giao động qua lại với tầng số cao gây nên tác động rung cơ học lên dòng chất lỏng để hút đẩy chất lỏng. Loại bơm này có lưu lượng nhỏ, thường được dùng bơm nước giếng và giếng mỏ. Bơm khí ép: Loại bơm này nhờ tạo hỗn hợp khí và nước có trọng lượng riêng nhỏ hơn trọng lượng riêng của nước để dâng nước cần bơm lên cao. Loại bơm này thường dùng để hút nước bẩn hoặc nước giếng. Bơm nước va ( bơm Taran ): Lợi dụng hiện tượng nước va thủy lực để đưa nước lên cao. Loại bơm này bơm được lưu lượng nhỏ, thường được dùng cấp nưóc cho vùng nông thôn miền núi. - Bơm thể tích: Nguyên lý làm việc của loại bơm này là thay đổi có chu kỳ thể tích của buồng công tác truyền áp lực hút đẩy chất lỏng. Máy bơm nước thể tích có những loại sau: Bơm pít tông: Pít tông chuyển động tịnh tiến qua lại có chu kỳ trong buồng công tác để hút và đẩy chất lỏng. Loại bơm này tạo được cột áp cao, lưu lượng nhỏ nên trong nông nghiệp ít dùng, thường được dùng trong máy móc công nghiệp. Bơm rô to: Dùng cơ cấu bánh răng hoặc bánh vít, cánh trượt đặt ở chu vi phần quay của bơm để đẩy chất lỏng. Bơm này gồm có: bơm răng khía, bơm pít tông quay, bơm tấm trượt, bơm vít, bơm pít tông quay, bơm chân không vòng nước ... Bơm rô to có lưu lương nhỏ thường được dùng trong công nghiệp Ngoài ra còn có rất nhiều loại bơm động học và bơm thể tích khác được sử dụng trong thực tế sản xuất và đời sống. 2.1.3 Cấu tạo của máy bơm nước Hình 2.1 Cấu tạo của máy bơm nước Gồm có bốn bộ phận: Bánh công tác: kết cấu có 3 dạng chính là cánh mở hoàn toàn, mở một phần và cánh kín. Bánh công tác được lắp trên trục của bơm cùng với các chi tiết khác cố định với trục tạo nên phần quay của bơm gọi là Rôto. Bánh công tác được đúc bằng gang hoặc thép theo phương pháp đúc chính xác. Các bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác yêu cầu có độ nhẵn tương đối cao (tam giác 3 đến 6) để giảm tổn thất. Bánh công tác và Rôto của máy bơm nước đều phải được cân bằng tĩnh và cân bằng động để khi làm việc bánh công tác không cọ xát vào thân bơm. Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then. Bộ phận dẫn hướng vào: Hai bộ phận này thuộc thân máy bơm thường Bộ phận dẫn hướng ra: (buồng xoắn ốc) đúc bằng gang có hình dạng tương đối phức tạp. 2.2 Contactor 2.2.1 Định nghĩa Contactor là một khí cụ điện dùng để đóng ngắt các tiếp điểm, tạo liên lạc trong mạch điện bằng nút nhấn. Như vậy khi sử dụng Contactor ta có thể điều khiển mạch điện từ xa có phụ tải với điện áp đến 500V và dòng là 600A (vị trí điều khiển, trạng thái hoạt động của Contactor rất xa vị trí các tiếp điểm đóng ngắt mạch điện). 2.2.2 Cấu tạo Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: Cơ cấu điện từ (nam châm điện),hệ thống dập hồ quang, hệ thống tiếp điểm (tiếp điểm chính và phụ). a) Nam châm điện: Nam châm điện gồm có 4 thành phần: - Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm. - Lõi sắt (hay mạch từ) của nam châm gồm hai phần: Phần cố định và phần nắp di động. Lõi thép nam châm có thể có dạng EE, EI hay dạng CI. - Lò xo phản lực có tác dụng đẩy phần nắp di động trở về vị trí ban đầy khi ngừng cung cấp điện vào cuộn dây. b) Hệ thống dập hồ quang điện: Khi Contactor chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy, mòn dần. Vì vậy cần có hệ thống dập hồ quang gồm nhiều vách ngăn làm bằng kim loại đặt cạnh bên hai tiếp điểm tiếp xúc nhau, nhất là ở các tiếp điểm chính của Contactor. c) Hệ thống tiếp điểm của Contactor Hệ thống tiếp điểm liên hệ với phần lõi từ di động qua bộ phận liên động về cơ. Tuỳ theo khả năng tải dẫn qua các tiếp điểm, ta có thể chia các tiếp điểm của Contactor thành hai loại: - Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua (từ 10A đến vài nghìn A, thí dụ khoảng 1600A hay 2250A). Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của Contactor làm mạch từ Contactor hút lại. - Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A.Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường hở. Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong Contactor ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện). Tiếp điểm này hở ra khi Contactor ở trạng thái hoạt động. Ngược lại là tiếp điểm thường hở. Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển (dùng điều khiển việc cung cấp điện đến các cuộn dây nam châm của các Contactor theo quy trình định trước). Theo một số kết cấu thông thường của Contactor, các tiếp điểm phụ có thể được liên kết cố định về số lượng trong mỗi bộ Contactor, tuy nhiên cũng có một vài nhà sản xuất chỉ bố trí cố định số tiếp điểm chính trên mỗi Contactor, còn các tiếp điểm phụ được chế tạo thành những khối rời đơn lẻ. Khi cần sử dụng ta chỉ ghép thêm vào trên Contactor, số lượng tiếp điểm phụ trong trường hợp này có thể bố trí tuỳ ý. 2.3 Rơle nhiệt 2.3.1 Khái niệm và công dụng Rơle nhiệt là một loại thiết bị điện dùng để bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi bị quá tải. Thường dùng kèm với khởi động từ, công tắc tơ. Dùng ở điện áp xoay chiều đến 500V, tần số 50 Hz, loại mới Iđm đến 150A điện áp một chiều tới 400V. Rơle không tác động tức thời theo trị dòng điện vì có quán tính nhiệt lớn phải có thời gian để phát nóng. Thời gian làm việc khoảng vài giây đến vài phút, nên không dùng để bảo vệ ngắn mạch đợc. Muốn bảo vệ ngắn mạch thường dùng kèm cầu chì. 2.3.2 Cấu tạo chung 1. Đòn bẩy 2. Tiếp điểm thường đóng 3. Tiếp điểm thường mở 2 4. Vít chỉnh dòng điện tác động 5. Thanh lưỡng kim 6. Dây đốt nóng 7. Cần gạt 8. Nút phục hồi Hình 2.2 Cấu tạo của rơle nhiệt 2.3.3 Ký hiệu Phần tử đốt nóng của rơle nhiệt Hai phần tử Ba phần tử Hai phần tử Ba phần tử Hình 2.3 Ký hiệu của rơle nhiệt 2.3.4 Nguyên lý làm việc Ở chế độ định mức, không tải. Đi qua thanh lưỡng kim và dây đốt nóng Nhiệt lượng trên thanh lưỡng kim tăng ít làm thanh lưỡng kim cong không đáng kể, rơ le chưa tác động. Mạch làm việc bình thường Xảy ra sự cố quá tải: Ilv = Iqt> Iđm Đi qua thanh lưỡng kim và dây đốt nóng Nhiệt độ trên dây đốt nóng và thanh lưỡng kim tăng cao Thanh lưỡng kim bị cong về phía trái đẩy cần gạt sang trái tác động và đòn bẩy Mở tiếp điểm thường đóng, đóng tiếp điểm thường mở Ngắt điện khỏi mạch bảo vệ an toàn cho thiết bị. 2.4 Aptomat 2.4.1 Khái niệm và yêu cầu cần thiết của aptomat a) khái niệm Aptomat còn có tên gọi khác là CB( Circuit Breaker ),hay cầu dao tự động.Aptomat là loại khí cụ dùng để tự động ngắt mạch điện, bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp v.v…Thường gọi là aptomat không khí vì hồ quang dập tắt trong không khí.Aptomat làm việc ở chế độ dài hạn nghĩa là chỉ số dòng điện chạy qua aptomat tùy ý.Aptomat ngắn mạch được trị số dòng điện lớn đến vài chục Kiloampe. b) Yêu cầu Yêu cầu đối với aptomat như sau: - Chế độ làm việc ở định mức của aptomat phải là chế độ làm việc dài hạn, nghĩa là trị số dòng điện định mức chạy qua aptomat lâu bao nhiêu cũng được. Mặt khác mạch vòng dẫn điện của aptomat phải chịu được dòng điện ngắn mạch lớn khi có ngắn mạch lúc các tiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng. - Aptomat phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạch lớn có thể đến vài chục Kiloampe. Sau khi ngắt dòng điện ngắn mạch, aptomat phải đảm bảo vẫn làm việc tốt ở dòng định mức. - Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện dòng của các thiết bị điện, hạn chế sự phá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra, aptomat phải có thời gian cắt bé. Muốn vậy thường phải kết hợp lực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong aptomat. Để thực hiện yêu cầu thao tác có chọn lọc aptomat cần phải có khả năng điều chỉnh dòng điện tác động và thời gian tác động. Những thông số cơ bản của aptomat bao gồm: Dòng điện định mức Iđm, điện áp định mức Uđm, dòng điện ngắt giới hạn và thời gian tác động. Thời gian tác động của aptomat là thông số quan trọng. Thời gian này được tính từ lúc xảy ra sự cố đến khi mạch điện bị ngắt hoàn toàn: t = t0 + t1 + t2 Trong đó: w t0 : thời gian từ thời điểm xảy ra ngắn mạch đến khi dòng điện đạt tới trị số tác động I = Itđ. Thời gian t0 phụ thuộc vào giá trị của dòng điện khởi động và tốc độ tăng của dòng điện di/dt phụ thuộc vào thông số của mạch điện ngắt. w t1 : thời gian kể từ khi I = Itđ đến khi tiếp điểm của aptomat bắt đầu chuyển động, thời gian này phụ thuộc vào các phần tử bảo vệ, cơ cấu ngắt, kết cấu của tiếp điểm, trọng lượng phần động. Nếu t1 ≥ 0,01 thì aptomat có thời gian tác động bình thường. Đối với aptomat tác động nhanh, thời gian t1 = 0,002 đến 0,008s. w t2 : thời gian cháy của hồ quang, phụ thuộc vào giá trị của dòng điện ngắt và biện pháp dập hồ quang. c) Phân loại Aptomat 1. Theo kết cấu Gồm 3 loại: i.Một cực: Hình 2.4 Aptomat một cực ii.Hai cực Hình 2.5 Aptomat hai cực iii. Ba cực Hình 2.6 Aptomat ba cực 2. Theo thời gian thao tác Gồm 2 loại: Tác động tức thời. Tác động không tức thời. 3. Theo công cụ bảo vệ Aptomat cực đại theo dòng điện. Aptomat cực tiểu theo điện áp. Aptomat cực tiểu theo dòng điện. Aptomat dòng điện ngược. d) Cấu tạo của aptomat Hình 2.7 Cấu tạo Aptomat Cần gạt Cơ cấu ngắt mạch Hệ thống tiếp điểm Ngõ vào dây điện Thanh lưỡng kim (rơle nhiệt) Hiệu chỉnh vít (do nhà sản xuất quy định) 7) Cuộn dây nam châm điện(rơle từ) 8 ) Buồng dập hồ quang e) Tiếp điểm. Hệ thống tiếp điểm gồm tiếp điểm tĩnh và tiếp điểm động. Yêu cầu của tiếp điểm là ở trạng thái đóng,điện trở tiếp xúc phải nhỏ để giảm tổn hao do tiếp xúc. Khi ngắt dòng điện rất lớn ,các tiếp điểm phải đủ độ bền nhiệt, độ bền điện động để không bị hư hỏng do dòng điện ngắt gây nên. Tiếp điểm của atptomat thường làm bằng hợp kim gốm chịu được hồ quang như: bạc – vonfram,đồng –vonfram,bạc –niken… Aptomat thường được chế tạo có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và tiếp điểm hồ quang) hoặc có ba cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính ,tiếp điểm phụ và tiếp điểm hồ quang). Hai cấp tiếp điểm Tiếp điểm hồ quang có vai trò bảo vệ tiếp điểm chính trong quá trình đóng ngắt mạch điện. Khi đóng mạch thì tiếp điểm hồ quang sẽ được đóng trước sau đó đến tiếp điểm chính và ngược lại đối với khi cắt mạch. Ba cấp tiếp điểm Trong quá trình làm việc nếu mạch điện xảy ra sự cố thì tiếp điểm chính sẽ được mở ra trước, sau đó đến tiếp điểm phụ,cuối cùng là tiếp điểm hồ quang.Ngược lại nếu đóng mạch, tiếp điểm hồ quang đóng trước ,tiếp theo là tiếp điểm phụ và cuối cùng là tiếp điểm chính. Do vậy hồ quang chỉ cháy trên tiếp điểm hồ quang nên bảo vệ được tiếp điểm chính để dẫn điện. Như vậy , tiếp điểm phụ có nhiệm vụ bảo vệ tiếp điểm chính không cho hồ quang cháy lan vào làm hư hỏng. 2.4.2 Hộp dập hồ quang. Để aptomat dập được hồ quang trong tất cả các chế độ làm việc của lưới điện thì người ta thường dùng hai kiểu thiết bị dập hồ quang là: Kiểu nửa kín: Thiết bị được đặt trong vỏ kín của atptomat và có lỗ thoát khí.Kiểu này có giới hạn dòng điện cắt nhỏ hơn 50kA. Kiểu hở: Kiểu này được dùng khi giới hạn dòng điện cắt lớn hơn 50kA hoặc điện áp lớn hơn 1000V. Trong buồng dập hồ quang người ta thường xếp những tấm thép thành lưới ngăn để phân chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn thuận lợi cho việc dập tắt hồ quang. Việc dập tắt hồ quang còn phụ thuộc vào tính chất của lưới điện.Ví dụ như: cùng một thiết bị dập hồ quang, khi làm việc ở mạch xoay chiều với điện áp 500V thì có thể dập tắt được hồ quang của dòng điện đến 40kA, nhưng khi làm việc ở mạch điện một chiều với điện áp 440V thì có thể cắt được dòng điện đến 20kA. 2.4.3 Cơ cấu truyền động cắt aptomat. Cơ cấu truyền động cắt aptomat gồm: cơ cấu đóng cắt và khâu truyền động trung gian. Truyền động đóng cắt aptomat có 2 cách: bằng tay và bằng cơ điện (điện từ, động cơ điện). Điều khiển bằng tay (núm gạt): được thực hiện với các aptomat có dòng định mức không lớn hơn 600A. Điều khiển bằng cơ điện : được sử dụng trong các aptomat có dòng điện lớn hơn (đến 1000A). Truyền động trung gian: cơ cấu tự do trượt khớp được sử dụng rộng rãi trong các aptomat Hình 2.8 Cơ cấu nhả khớp tự do của Aptomat Cơ cấu nhả khớp tự do: a) vị trí đóng; b) vị trí mở; c) vị trí chuẩn bị đóng lại. 2.4.4 Móc bảo vệ. Móc bảo vệ là một bộ phận quan trọng của aptomat, nhờ có nó mà khi mạch điện có sự cố xảy ra thì nó sẽ tự động cắt dòng để bảo vệ thiết bị. Móc bảo vệ quá dòng điện (quá tải) Để bảo vệ thiết bị không bị quá tải và ngắn mạch thì dòng điện của móc bảo vệ phải nằm dưới đường đặc tính của đối tượng cần bảo vệ. Do vậy người ta thường dùng hệ thống điện tử và rơle nhiệt làm móc bảo vệ và được đặt bên trong aptomat. Móc kiểu điện từ: cuộn dây được mắc nối tiếp với mạch chính,cuộn dây này có tiết diện lớn chịu dòng tải và có ít vòng. Khi dòng điện vượt quá trị số cho phép thì phần ứng bị hút và móc sẽ dập vào khớp rơi tự do, làm cho tiếp điểm của aptomat mở ra. Móc kiểu rơle nhiệt: kiểu này có kết cấu giống như rơle nhiệt có phần tử phát nóng đấu nối tiếp với mạch điện chính, tấm kim loại kép dãn nở làm nhả khớp rơi tự do để mở tiếp điểm của aptomat khi có quá tải.Tuy vậy, khi có dòng quá tải tăng vọt một cách đột ngột thì kiểu này không thể ngắt nhanh được dòng điện. Vì vậy để aptomat thực hiện tốt được nhiệm vụ thì người ta thường tổng hợp cả móc kiểu điện từ và móc kiểu rơle nhiệt. Móc bảo vệ sụt áp (điện áp thấp) Kiểu móc này có kết cấu tương tự như rơle điện áp, cuộn dây được mắc song song với mạch điện chính. Cuộn dây này được quấn ít vòng và dây có tiết diện nhỏ để chịu điện áp nguồn. Khi có sự cố sụt áp, lực hút điện từ không đủ để hút phần ứng, lò xo phản lực đẩy phần cứng làm nhả khớp tự do và tiếp điểm được mở ra. 2.4.5 Nguyên lý làm việc của aptomat. a) Nguyên lý làm việc của aptomat dòng điện cực đại: Hình 2.9 .Sơ đồ nguyên lý aptomat dòng điện cực đại Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, aptomat được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm với tiếp điểm động. Bật aptomat ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút. Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 lớn hơn lực lò xo 6 làm cho nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 2 được thả tự do, lò xo 1 kéo tiếp điểm động ra khỏi tiếp điểm tĩnh, kết quả các tiếp điểm của aptomat được mở ra, mạch điện bị ngắt. b) Nguyên lý làm việc của aptomat điện áp thấp: Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý aptomat điện áp thấp Bật aptomat ở trạng thái ON, với điện áp định mức nam châm điện 11 và phần ứng 10 hút lại với nhau. Khi sụt áp quá mức, nam châm điện 11 sẽ nhả phần ứng lò xo 9 kéo móc 8 bật lên, móc 7 thả tự do, thả lỏng, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của aptomat được mở ra, mạch điện bị ngắt. c) Nguyên lý làm việc của aptomat dòng điện cực tiểu: Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý aptomat dòng điện cực tiểu Nguyên lý làm việc của aptomat dòng điên cực tiểu: nó tự động ngắt khi dòng điện trong mạch nhỏ hơn dòng điện chỉnh định Icđ. Khi I < Icđ lực điện từ của nam châm điện 1 không đủ sức giữ nắp 2 nên lực kéo của lò xo 3 sẽ kéo tiếp điểm động ra khỏi tiếp điểm tĩnh, mạch điện bị ngắt. Aptomat dòng điện cực tiểu dùng để bảo vệ máy phát khỏi chuyển sang chế độ động cơ khi nhiều máy phát làm việc song song. Vì có nhiều nhược điểm nên ít sử dụng, đang dần thay thế bằng aptomat công suất ngược. d) Nguyên lý làm việc của aptomat công suất ngược: Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý aptomat công suất ngược Nguyên lý làm việc của aptomat công suất ngược, nó tự động cắt mạch điện khi hướng truyền công suất thay đổi (khi dòng điện thay đổi chiều). Nếu năng lượng truyền thuận chiều, từ thông của cuộn dây dòng điện và cuộn dây điện áp của nam châm 1 cùng chiều với nhau, lực điện từ lớn hơn lực của lò xo 3, aptomat đóng. Khi chiều dòng điện thay đổi (công suất truyền ngược), lực điện từ của nam châm điện tỷ lệ với bình phương hiệu hai từ thông do dòng điện và điện áp sinh ra, do đó lực điện từ giảm đi rất nhiều, không thắng nổi lực kéo của lò xo 3, mấu giữa thanh 4 và đòn 5 bật ra, lò xo ngắt 6 kéo tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh, mạch điện bị ngắt. 2.5 Rơle thời gian 2.5.1Khái niệm Rơle thời gian là khí cụ điện tạo thời gian mở chậm hoặc đóng chậm của hệ thống tiếp điểm so với thời điểm đưa tín hiệu tác động vào rơle. 2.5.2 Cấu trúc chung của rơle thời gian Khối chấp hành Khối tạo thời gian trễ Khối nhận tín hiệu Tín hiệu vào Tín hiệu ra Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc của rơle thời gian Căn cứ vào bộ thời gian trể 2.5.3 Phân loại Rơle thời gian kiểu đồng hồ Rơle thời gian điện tử Rơle thời gian điện từ Rơle thời gian kiểu thủy lực lực thuỷ lực Hình 2.14 sơ đồ phân loại rơle thời gian 2.5.4 Ký hiệu rơle thời gian trong sơ đồ mạch điện a b c d Cuộn dây Tiếp điểm Thường mở đóng chậm Tiếp điểm kép (thường đóng mở chậm, thường mở đóng chậm) Tiếp điểm Thường đóng mở chậm Hình 2.15 Ký hiệu của rơle thời gian trong sơ đồ mạch điện Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN BƠM NƯỚC TỰ ĐỘNG 3.1 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.1 sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển bơm nước tự động  Nguyên lý hoạt động: - Khởi động từ sử dụng loại 1 pha, có tiếp điểm thường đóng. - công tắc phao tại bể chứa sử dụng loại công tắc phao kín nước( phao bơm chìm). - Vì thiết kế của phao này là :+Khi nước đầy, phao được dựng đứng lên, bi trong phao sẽ nén công tắc nằm ở dưới phao làm cho 2 tiếp điểm thông nhau.+Khi cạn nước, phao sẽ hạ dần xuống và viên bi lăn ra khỏi công tắc làm 2 tiếp điểm bị "đứt quãng" . 1. Khi bể chứa đầy nước:      Khi nước đầy, phao ở dưới bể được dựng đứng lên, bi trong phao sẽ nén công tắc nằm ở dưới phao làm cho 2 tiếp điểm thông nhau, làm cho tiếp điểm thường mở của khởi động từ đóng lại. Nếu bồn chứa phía trên hết nước, phao trong bồn trụt xuống, đóng tiếp điểm, mạch điện được khép kín từ CB cấp nguồn đến máy bơm. Máy bơm hoạt động. Đến khi bồn đầy nước, phao trong bồn nổi lên, tiếp điểm mở, máy bơm ngừng hoạt động. 2. Khi bể chứa hết nước:      Khi cạn nước, phao sẽ hạ dần xuống và viên bi lăn ra khỏi công tắc làm 2 tiếp điểm bị đứt quãng .lúc này nguồn điện được cấp đến cuộn điều khiển của khởi động từ sẽ bị ngắt. Tiếp điểm thường đóng của khởi động từ được mở ra. Mạch điện cấp nguồn cho máy bơm bị ngắt. Lúc này máy bơm sẽ không hoạt động cho dù bồn hết nước. 3.2 Mạch điều khiển N S Hình 3.2 Mạch điều khiển bơm nước tự động Chú thích: CB: Aptomat tổng bảo vệ mạch điều khiển S: Công tắc 3 chấu NOMAL: chế độ điều khiển bằng tay AUTO: chế độ điều khiển tự động ON: nút nhấn khởi động mạch điều khiển OFF: nút nhấn tắt mạch điều khiển RLN1, RLN2, RLN3(NC): các tiếp điểm thường đóng của rơle nhiệt 1,2 và 3 RLN1, RLN2, RLN3(NO): các tiếp điểm thường hở của rơle nhiệt 1,2 và 3 K1, K2, K3:các cuộn dây contactor điều khiển động cơ 1,2 và 3 CTP1,CTP2: tiếp điểm thường đóng của công tắc phao 1 và 2 RUN1, RUN 2: đèn báo động cơ 1 và 2 đang hoạt động TM,TM1,TM2: kí hiệu của các rơle thời gian SC1, SC2: đèn báo có sự cố của động cơ 1 và 2 Nguyên lý hoạt động: 1.Ở chế độ điều khiển bằng tay Khi công tắc S đang bật ở chế độ NOMAL nghĩa là đang ở chế độ điều khiển bằng tay, khi đó ta nhấn nút điều khiển ON thì cuộn dây của contactor K1 được cấp điện hút tiếp điểm K1 đóng lại làm động cơ 1 hoạt động, đèn báo RUN1 sẽ sáng báo là động cơ 1 đang hoạt động bình thường, rơle thời gian TM cũng bắt đầu hoạt động, sau 10s tiếp điểm thường hở TM đóng lại,làm cuộn dây của contactor K2 hút tiếp điểm K2 đóng lại, cấp nguồn cho động cơ 2 hoạt động, khi đó đèn báo RUN2 sáng báo động cơ 2 đang hoạt động bình thường. Khi có sự cố xảy ra ở động cơ 1 thì tiếp điểm thường hở của rơle nhiệt RLN1(NO) đóng lại làm đèn báo sự cố SC1 sáng,báo là động cơ 1 đang bị sự cố để cho người vận hành biết mà sửa chửa, đồng thời khi đó rơle thời gian TM1 cũng được cấp nguồn và bắt đầu hoạt động, nếu sau 10s mà động cơ 1 không hoạt động bình thường lại được, thì tiếp điểm TM1 của rơle thời gian sẽ đóng lại làm cho động cơ bơm dự phòng hoạt động. Khi có sự cố xảy ra ở động cơ 2 thì tiếp điểm thường hở của rơle nhiệt RLN2 (NO) đóng lại làm đèn báo sự cố SC2 sáng,báo là động cơ 2 đang bị sự cố để cho người vận hành biết mà sửa chửa, đồng thời khi đó rơle thời gian TM2 cũng được cấp nguồn và bắt đầu hoạt động, nếu sau 10s mà động cơ 1 không hoạt động bình thường lại được thì tiếp điểm TM2 của rơle thời gian sẽ đóng lại làm cho động cơ bơm dự phòng hoạt động. 2. Ở chế độ điều khiển tự động + khi bể chứa đầy nước: Khi công tắc S đang bật ở chế độ AUTO nghĩa là đang ở chế độ điều khiển tự động,lúc này nếu nước ở bể chứa đầy thì tiếp điểm của công tắc phao CTP1 sẽ đóng lại, đồng thời khi trên bồn chứa hết nước thì tiếp điểm của công tắc phao CTP2 cũng đóng lại,khi đó mạch điện được khép kín từ CB đến máy bơm làm máy bơm hoạt động. Đến khi bồn đầy nước, phao trong bồn nổi lên, tiếp điểm mở, máy bơm ngừng hoạt động. + Khi bể chứa hết nước: Khi công tắc S đang bật ở chế độ AUTO nghĩa là đang ở chế độ điều khiển tự động,lúc này nếu nước ở dưới bể chứa hết thì tiếp điểm của công tắc phao CTP2 sẽ hở ra, . Mạch điện cấp nguồn cho máy bơm bị ngắt. Lúc này máy bơm sẽ không hoạt động cho dù bồn hết nước. 3.3 Mạch động lực Hình 3.3 Mạch động lực của mạch điều khiển bơm nước tự động Chương 4: KẾT LUẬN Sau hơn một tháng tìm kiếm tài liệu, thông tin qua mạng internet ,sách,báo… cùng với sự hướng dẫn, tận tình chỉ bảo của thầy, cô trong bộ môn Điện- Điện lạnh đặc biệt là thầy Mã Học Nhân và các bạn trong lớp, đến nay em đã hòan thành được Đồ án môn học 1.Đó là thiết kế được mạch bơm nước tự động,kết quả cuối cùng là mạch hoạt động tốt đúng theo như yêu cầu đề ra, mạch này nếu được áp dụng vào thực tế sẽ khá gọn, tiết kiệm được chi phí, dễ quan sát, sửa chửa.Đây là bước khởi đầu cho sự phấn đấu, cố gắng cho quá trình học tập và làm việc sau này của em. Sau thời gian làm đồ án em đã tiếp thu được nhiều kiến thức bổ ích, thật sự cảm thấy đam mê các công nghệ, nắm bắt và tổng hợp lại nhiều kiến thức đã học được ở trường. Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Mã Học Nhân, người thầy đã động viên và giúp đỡ em nhiều về mặt tinh thần cũng như kiến thức để em có thể vượt qua những khó khăn từ đó có thể tìm tòi được những kiến thức về lĩnh vực mới và hoàn thành được bản Đồ án như ngày hôm nay. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn những chỉ bảo, quan tâm quý báu của thầy đã tạo cho em sự tự tin cũng như tinh thần nỗ lực hết mình vào công việc. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Điện- Điện lạnh đã cho em kiến thức chuyên ngành và những kinh nghiệm quý báu để cùng với sự nỗ lực của bản thân để có thể hoàn thành được bản đồ án môn học này. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Thiết kế ra mạch điều khiển này em cũng rất mong được ứng dụng hiệu quả vào thực tế và được mọi người sử dụng và đánh giá cao. Để làm được điều này em không chỉ dừng lại ở những gì đã có mà em còn không ngừng nghiên cứu suy nghĩ để cải tiền nâng cao chất lượng của mạch để nó thực sự được hoàn thiện hơn khi sử dụng trong thực tế, cụ thể như em có thể thay thế các công tắc phao thông thường bằng các cảm biến để có thể đo được mức nước trong bể một cách chính xác và có thể hiển thị trên LED hay PLC .hay có thể thiết kế thêm các đồng hồ đo nước gắn vào các bể để người dùng tiện quan sát và có thể thiết kế thêm các bộ chống quá tải cho động cơ cũng như các bộ phận bảo vệ quá áp, quá dòng cho động cơ . TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 2. 3.Bơm, máy nén, quạt - Nguyễn Minh Tuyền (nhà xuất bản KH-KT Hà Nội 1985) 4. Đo lường không điện - Đại học bách khoa Hà Nội 1971 5. 6.