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!

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.

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

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

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

: 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:

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.

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

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.

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.

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

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.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

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

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