GIÁO TRÌNH MÁY ĐIỆN KHÍ CỤ ĐIỆN - PHẦN II KHÍ CỤ ĐIỆN - CHƯƠNG 1 ppsx

Cấu tạo của nam châm thường gồm hai phần chính: phần mạch từ và phần cuộn dây mạch điện - Mạch từ: là bộ phận dẫn từ thông chính trong NC điện gồm hai phần: phần làm bằng vật liệu sắt từ

PHẦN 2 : KHÍ CỤ ĐIỆN

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

CHƯƠNG I : MẠCH TỪ VÀ SỰ BIẾN ĐỔI

NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CƠ

§ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG

I Nam châm điện từ:

Nam châm điện từ (NCĐ) là thiết bị biến đổi điện năng thành cơ năng Nam châm điện từ được sử dụng rộng rãi trong các bộ truyền động của rơle cơ điện, contactor, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, các cơ cấu chấp hành như các van điện từ, khớp nối, ly hợp từ, phanh hãm, nam châm lấy hàng,…

Trong thực tế hình dáng kích thước của nam châm điện rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính chất và công dụng của nó Hình 1-1 trình bày một kết cấu phổ biến của NCĐ được sử dụng trong các rơle bảo vệ

Cấu tạo của nam châm thường gồm hai phần chính: phần mạch từ và phần cuộn dây (mạch điện)

- Mạch từ: là bộ phận dẫn từ thông chính trong NC điện gồm hai phần: phần làm bằng vật liệu sắt từ (L1) và phần còn lại là khe hở không khí (1 và 2)

- Cuộn dây: gồm có w vòng dây được quấn trên mạch từ tĩnh

Bình thường mạch từ động được một lò xo kéo lên Khi có dòng điện I chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ thông, phần từ thông móc vòng qua mạch từ và khe hở không khí (gọi là từ thông chính) sẽ sinh ra lực điện từ làm hút mạch từ động

II Những định luật cơ bản áp dụng trong mạch từ:

Việc nghiên cứu mạch từ riêng biệt là 1 vấn đề phức tạp vì mối quan hệ thực tế tồn tại của điện trường và từ trường Để tiện lợi cho việc nghiên cứu, cũng giống như ở mạch điện, người ta sử dụng mô hình mạch từ tương đương Vấn đề mấu chốt là sự chuyển đổi năng lượng giữa mạch điện và mạch từ Năng lượng chuyển đổi này được giải quyết từ hệ phương trình Maxwell hay còn gọi là định luật toàn dòng điện

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

1 Định luật toàn dòng điện:

Tích phân trên đường cong khép kín theo chiều dài mạch từ bằng tổng các dòng điện móc vòng qua mạch từ đó:

Hdl I IN

trong đó:

I: dòng điện chạy trong cuộn dây quấn quanh mạch từ

N: số vòng dây

F = IN gọi là sức từ động [A.vòng]

Xét mạch từ như hình 1-2 :

Áp dụng định luật toàn dòng điện, ta có:

L1H1+ L2H2 + 2H= I1N1

Với : L1, L2,  là độ dài các đoạn mạch từ tương ứng

H1, H2, H là cường độ từ trường các đoạn mạch từ tương ứng

L1H1, L2H2, H: từ áp rơi trên các đoạn mạch từ

2 Định luật kirckhoff

- Định luật kirckhoff 1: Đối với 1 nút bất kỳ trong mạch từ, tổng từ thông đi vào và đi ra tại nút đó bằng 0

01

- Định luật kirckhoff 2: Đối với 1 mạch vòng khép kín trong mạch từ, tổng các từ áp rơi trên mạch vòng và các sức từ động bằng 0

i

F

1 1

0

Hay :

i

R Fi

1 1

Trong đó:

i i

i mi

S

l R



 gọi là từ trở của đoạn mạch từ tương ứng

li : chiều dài của nhánh mạch từ ( m )

Si : tiết diện của nhánh từ đó ( m2 )

i : từ thẩm của vật liệu Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

Nghịch đảo của giá trị từ trở: G = 1/Rmi được gọi là từ dẫn

3 Định luật ohm cho mạch từ:

Đối với 1 nhánh bất kỳ trong mạch từ, tích số giữa từ thông chảy qua và tổng trở từ gọi là từ áp rơi trên 2 đầu của nhánh mạch từ đó

m m

Z  

Sự đồng dạng của các đại lượng điện- từ :

Từ sự phân tích ở trên ta có thể xem mạch từ như 1 dạng mạch điện Từ đó ta có thể thay thế các phần tử trong mạch từ thành các phần tử đồng dạng như mạch điện và áp dụng các phương pháp tính toán như tính toán phần mạch điện mà ta đã biết

Có thể tóm tắt các đại lượng đồng dạng liên quan giữa Điện và Từ như sau :

Các công thức tương quan giữa mạch điện và mạch từ :

III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MẠCH TỪ

Cũng giống bài toán mạch điện bài toán mạch từ cũng đi tìm các tham số của mạch từ xác định trước, cụ thể về hình dạng kích thước

 Bài toán thuận : Là các dạng bài đi từ các yêu cầu cho trước về từ thông  và từ

cảm B Vấn đề đặt ra phải tính sức từ động F, đồng nghĩa với việc tìm ra số vòng dây phải quấn và dòng điện phải cấp qua cuộn dây

 Bài toán nghịch : Là các dạng bài đi tìm các giá trị  và từ cảm B trên cơ sở số

vòng dây và cường độ dòng điện đã biết trong 1 mạch từ xác định ban đầu

Để giải quyết hai bài toán mạch từ nêu trên, một vấn đề quan trọng là phải xác định từ dẫn của khe hở không khí

E J q

I J

I Z U Điện

l H R U

Từ

i i mi i m

CÂU HỎI

1 Định nghĩa nam châm điện từ ?

2 Nêu cấu tạo và ứng dụng của nam châm điện từ ?

3 Nêu các định luật cơ bản áp dụng trong mạch từ ?

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

§ 1.2 TỪ DẪN TRONG KHE HỞ KHÔNG KHÍ

Xác định từ dẫn của khe hở không khí trong mạch từ là công việc hết sức cần thiết trong quá trình tính toán các bài toán các bài toán mạch từ Với các loại vật liệu dẫn từ là các vật liệu sắt từ, dựa vào đường cong từ hóa B = f(H), việc tính toán từ trở và từ dẫn trở nên đơn giản:

Trong đó: l: là đoạn dẫn của mạch từ

S: là tiết diện mạch từ thẳng góc với đường dẫn từ thông Và từ dẫn là nghịch đảo của giá trị từ trở:

m m

R

G  1Như đã biết, không khí cũng là môi trường dẫn từ với độ từ thẩm có thể lấy bằng giá trị độ từ thẩm trong chân không 0 Khác hoàn toàn với vật liệu dẫn từ tốt như sắt non, thép kỹ thuật điện, nam châm vĩnh cửu … môi trường không khí không thể định hình về hình dạng vì vậy không thể trực tiếp sử dụng công thức:

Phương pháp thực nghiệm:

Ở đây việc xác định từ dẫn được xác định nhờ các công thức thực nghiệm Phương pháp này cho kết quả đối với những trường hợp xác định đã được khảo sát bằng thực nghiệm Các hệ số đưa ra chỉ đúng với những trường hợp ứng với điều kiện đưa ra

Ví dụ: Khảo sát cực từ ở hình 1-3 :

Đối với 1 cực từ hình chữ nhật và 1 mặt phẳng ngăn cách bởi 1 khe hở Từ dẫn khe hở được tính theo công thức sau:

x a x

;

2 2 2 1

1 2 1 1

§ 1.3 NAM CHÂM ĐIỆN TỪ MỘT CHIỀU

I Lực hút của nam châm điện một chiều

Lực hút điện từ là lực hút nội bộ tác dụng trực tiếp lên vật thể dẫn từ nhằm mục đích thu hẹp đường dẫn của từ trường

Vì mạch từ bao gồm những vật liệu dẫn từ là vật thể rắn và môi trường có thể là chất lỏng hay khí nên lực điện từ tác dụng thu hẹp đường dẫn của từ trường chỉ làm thay đổi độ lớn khe hở giữa các mạch từ thể rắn và do lực từ không đủ lớn để có thể làm biến dạng vật thể dẫn từ rắn của các thiết bị điện cơ

Theo công thức Maxwell lực hút điện từ được tính:

1

: Vector đơn vị pháp tuyến trên bề mặt cực từ

S : Diện tích bề mặt cực từ Bề mặt cực từ là nơi tác động của lực điện từ là bề mặt phân chia giữa 2 môi trường có độ từ thẩm rất khác nhau

Fdt 2

0 = 4.10-7H/m : độ từ thẩm chân không; Fđt : lực hút điện từ (N)

Hình 1-4

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

II Tính toán cuộn dây nam châm điện 1 chiều:

Tính toán cuộn dây trong mạch từ 1 chiều chủ yếu là xác định số vòng dây và đường kính dây

1 Tính toán cuộn dây dòng điện:

Là cuộn dây gây tác động lực hút NCĐ khi có dòng điện I  Igh mà người ta xác định trước Đặc điểm của cuộn dòng là thông thường có số vòng dây rất ít và tiết diện dây thì lớn

Tiết diện dây được tính từ giá trị dòng giới hạn cho trước trong các điều kiện làm việc của cuộn dây:

cp dd

J

I

s  Trong đó: I: là dòng giới hạn cần bảo vệ;

Jcp: là giới hạn mật độ cho phép tùy thuộc vào điều kiện làm việc của cuộn dây

Jcp: ( 2  4 ) A/mm2 Khi cuộn dây làm việc ở chế độ dài hạn

Jcp: ( 5  12 ) A/mm2 Khi cuộn dây làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

Jcp: ( 13  30 ) A/mm2 Khi cuộn dây làm việc ở chế độ ngắn hạn

Số vòng dây phải quấn được tính từ kết quả tính STĐ F cần thiết của mạch từ để có lực hút điện từ theo yêu câu của cơ cấu cơ của khí cụ điện Số vòng dây được tính:

I

F

N 

2 Tính toán cuộn dây điện áp

Là cuộn dây gây tác động lực hút NCĐ khi điện áp đặt trên cuộn dây lớn hơn điện áp yêu cầu U  Ugh Đặc điểm cuộn áp có số vòng dây quấn nhiều nhưng tiết diện dây dẫn nhỏ Khi làm việc ổn định ở điện áp DC cuộn dây phải đảm bảo sức từ động F theo yêu cầu Do vậy điện trở cuộn dây sẽ quyết định đến dòng điện làm việc ổn định của cuộn dây

- Tiết diện dây dẫn :

Từ phương trình: F = I.N ta viết lại như sau:

tb dd tb

dd

dd

l

s U N l

s N U

s l

N U N R

U F

s dd ..tb

- Số vòng dây :

Số vòng dây N không ảnh hưởng gì đến sức từ động F mà chỉ tác động làm thay đổi mật độ dòng điện chảy trong dây dẫn (ảnh hưởng về nhiệt tổn hao phát nóng)

N I

F  và mật độ dòng điện:

dd

F s

I j



Đối với cuộn áp thường làm việc ở chế độ dài hạn nên mật độ dòng cho phép Jcp chỉ nên chọn trong khoảng ( 2  4 ) A / mm2 Từ đó tính ra số vòng cần thiết phải quấn

dd

cp s J

F N

.



Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

Để bảo đảm sự phù hợp của cuộn dây với kích thước mạch từ đã cho ta phải kiểm tra xem với số vòng dây, tiết diện dây vừa tính được ở trên thì sau khi quấn xong có vào lọt trong cửa sổ mạch từ không

ld cuaso

kld: Hệ số lấp đầy là tỉ lệ giữa phần đồng của dây quấn và tiết diện thực của cửa sổ, nó tùy thuộc vào kỹ thuật quấn và việc gia cố cách điện thêm vào các lớp dây cuộn dây

kld = ( 0,55  0,75 ) khi không sử dụng cách điện lớp

kld = ( 0,36  0,46 ) khi sử dụng thêm cách điện giữa các lớp

Bảo đảm cuộn dây thật sự làm việc phù hợp ta còn cần phải kiểm tra lại vấn đề phát nóng và tăng nhiệt của cuộn dây phải nằm trong giới hạn cho phép

trong ngoai

T i

P F

Trong đó:

P: Tổn hao công suất trong cuộn dây được tính  

cuaso ld tb dd

tb

S k

l N I s

N l I R I P

2 2





KT : Hệ số tỏa nhiệt từ bề mặt

Fi : Các bề mặt tỏa nhiệt thành phần của cuộn dây

 : Là hệ số tính toán tính đến sự khác nhau giữa điều kiện tỏa nhiệt của bề mặt bên trong so với bề mặt bên ngoài Từ kết quả khảo sát thực nghiệm ta thu được các giá trị của hệ số

 như sau:

1/-  = 0 Đối với cuộn dây không có lõi cách điện

2/-  = 1,7 Đối với cuộn dây được quấn trên lõi kim loại

3/-  = 2,7 Đối với cuộn dây được quấn trực tiếp trên lõi từ

4/-  = 0 Đối với cuộn dây quấn trên lõi cách điện nhưng điều kiện tỏa nhiệt kém và đối với cuộn dây dùng nguồn xoay chiều

CÂU HỎI

1 Trình bày về lực hút của nam châm điện một chiều ?

2 Tính toán cuộn dây dòng điện và cuộn dây điện áp của nam châm điện một chiều ?

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

§ 1.4 NAM CHÂM ĐIỆN TỪ XOAY CHIỀU

I Lực hút nam châm điện xoay chiều:

Khi dòng điện biến thiên tuần hoàn theo qui luật hình sin :

i = Im Sin .t

Giả sử sự tổn hao là không đáng kể thì từ thông  cũng biến thiên theo qui luật hình sin :

 = msint Khi đó lực hút điện từ được xác định:

t Cos S S

t Sin S

4

14

1.2

0 2

0 2

1 

 là thành phần lực điện từ không đổi theo thời gian; Giá trị trung bình của lực điện từ xoay chiều trong 1 chu kỳ đúng bằng giá trị của thành phần không đổi này Khi xét từ thông trong mạch từ chưa bão hòa m =  2 và Bm = B 2 thì:

S S

B

F tb

2

0 2

1.2

- Thành phần thứ 2: Cos t

S S

B S

S B

m MAX

2

0 2

0 2

0 2

0

1.12

1.2

Nhận xét từ đồ thị ta thấy rằng lực điện từ xoay chiều có dạng đập mạch và có tần số gấp

2 lần tần số của dòng điện của nguồn xoay chiều Điều đáng chú ý nữa là lực điện từ trong 1 chu kỳ có 2 lần giá trị của nó giảm về 0, tại đó lực điện từ không còn tác động nữa Do các cơ cấu tác động cơ khí hút đẩy của thiết bị khi sử dụng nam châm điện tác đông đóng ngắt mạch điện đều có lò xo phản lực nên chỉ cần Fđt < Fflực là cơ cấu tự động nhả các tiếp xúc điện do nắp nam châm điện đã mở dưới tác động lực lò xo Từ đó gây ra hiện tượng rung ở nam châm điện và không an toàn khi sử dụng nó đóng ngắt tiếp điểm, tần số rung này bằng 2 lần tần số lưới nguồn

II Biện pháp chống rung đối với nam châm điện xoay chiều:

Căn cứ vào đồ thị của lực điện từ xoay chiều và các thành phần của nó ở đồ thị hình1-5

Ta thấy rằng nếu dùng 1 biện pháp nào đó để chia từ thông  thành 2 thành phần 1 và 2 có biên độ 1 = 2 = ½  và lệch pha nhau 900 thì đồ thị lực điện từ có thể biểu diễn ở hình 1-6

Khi đó lực điện từ tổng hợp do 2 lực điện từ thành phần gây ra sẽ là hằng số tại mọi thời điểm :

Fđt  = Fđt1 + Fđt2 = Const Lực điện từ tổng này có giá trị không đổi vừa đúng bằng thành phần LĐT trung bình trong

1 chu kỳ hay chính là bằng thành phần lực điện từ không đổi theo thời gian do từ thông  gây nên

Để có thể phân chia từ thông  như ý định trên, ta có thể thực hiện bởi các biện pháp sau:

Hình 1-6

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

 Dùng 2 cuộn dây trong mạch từ có số vòng không đổi và cung cấp dòng cho mỗi cuộn có giá trị bằng ½ giá trị ban đầu và các dòng điện này lệch pha nhau 900 (Hay chia cuộn dây thành 2 nửa cuộn và cung cấp 2 dòng điện có giá trị không đổi nhưng lệch pha nhau 900 )

 Chia mạch từ thành 2 nửa mỗi phần mạch từ đặt 1 cuộn dây riêng có số vòng không đổi và cung cấp 2 dòng điện có giá trị không đổi nhưng lệch pha nhau 900

 Đặt vòng ngắn mạch ôm lấy ½ bề mặt cực từ tại khe hở không khí

Hình 1-7 Mạch từ có đặt vòng ngắn mạch

Hai biện pháp đầu phức tạp vì yêu cầu 2 nguồn cung cấp lệch pha Biện pháp thứ 3 đơn giản hơn, dễ thực hiện lại rẻ tiền nên được áp dụng rộng rãi trong các nam châm điện xoay chiều dùng trong các khí cụ điện

III Tính toán cuộn dây nam châm điện xoay chiều

Số liệu ban đầu để tính toán cho cuộn dây NCĐ xoay chiều là biên độ sức từ động F, biên độ từ thông m Nguồn điện là nguồn áp hay nguồn dòng tác động

Tính toán cuộn dây dòng điện

- Số vòng dây N: Khi cuộn dây là cuộn dòng, dòng điện chảy qua cuộn dây phụ thuộc vào phụ tải, số vòng dây N được xác định bởi N = F / I

- Tiết diện dây dẫn:

cp

ddJ

I

s 

Tính toán cuộn dây điện áp

Có thể tính số vòng theo công thức sau: N = ( 0,7  0,8 )

m

f

U

 44,4

Khi đó:

N

F N

N I

.2

2



Tiết diện dây dẫn có thể xác định sơ bộ bằng cách chọn mật độ dòng trong giới hạn cho phép J = (2  4) A/mm2

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

CÂU HỎI

1 Trình bày lực hút của nam châm điện xoay chiều ?

2 Tại sao có hiện tượng rung ở nam châm điện xoay chiều? Nêu biện pháp chống rung đối với nam châm điện xoay chiều ?

3 Tính toán cuộn dây dòng điện và cuộn dây điện áp của nam châm điện xoay chiều ?

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM

§ 1.5 NAM CHÂM VĨNH CỬU

Để tính toán nam châm vĩnh cửu, dựa vào hai hệ số sau :

 k1 : hệ số mất mát xét tới những biến dạng của đường sức từ bên trong nam châm, ở cực từ và các thành phần còn lại của mạch từ :

Hệ số k1 thay đổi trong giới hạn 1,05  1,25

Hệ số ks thay đổi trong giới hạn 2  5

I Độ từ dư

Nếu sau khi từ hoá nam châm, ta ngắt dòng điện kích thích thì nam châm sẽ có cường độ từ cảm

Br gọi là độ từ dư Khi có một khe hở  ở vật liệu sắt từ thì độ từ dư sẽ giảm đến trị số B1 ứng với điểm P1 ở hình 1-8

Hình 1-8 Đường cong khử từ và đường cong phục hồi Nếu có một từ trường ngoài He tác dụng lên nam châm, điểm làm việc sẽ hạ từ P1 xuống P2 Đường thẳng hP2 song song với đường OP1 Khi không cho từ thông ngoài tác dụng nữa thì điểm làm việc không trở về điểm P1 mà sẽ đi đếm điểm P8, dời chuyển theo một đường cong gọi là đường

Ban quyen © Truong DH Su pham Ky thuat TP HCM