Nam châm điện tối ưu cho CONTACTOR điện từ

Nếu ta đặt một điện áp xoay chiều vào hai đầu của cuộn dây nam châm điện thì ta có phương trình cân bằng điện áp được xác lập như sau : Dòng điện chạy trong cuộn dây xoay chiều không chỉ

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

PHẦN MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG I : NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM ĐIỆN 7

1.1 Khái niệm chung : (TL7) 7

1.1.1 Định nghĩa : 7

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của nam châm điện (TL6): 7

1.1.3 Phân loại nam châm điện : 8

1.1.3.1 Phân loại theo nguồn điện sử dụng : 8

1.1.3.2 Phân loại theo cách mắc cuộn hút : 8

1.1.3.3 Phân loại theo hình dáng mạch từ : 9

1.1.3.4 Phân loại theo nguyên tắc tác động : 9

1.2 Nam châm điện xoay chiều : (TL6) 9

1.2.1 Định nghĩa : 9

1.2.2 Cấu tạo : 9

1.2.2.1 Mạch từ của nam châm điện xoay chiều : 10

1.2.2.2 Cuộn dây của nam châm điện xoay chiều (TL7): 12

1.3 Nam châm điện một chiều (TL6): 15

1.3.1 Định nghĩa : 15

1.3.2 Cấu tạo : 15

1.3.2.1 Mạch từ của nam châm điện một chiều : 15

1.3.2.2 Cuộn dây của nam châm điện một chiều : 16

1.4 Đặc tính lực hút của nam châm điện(TL6): 18

1.4.1 Đặc tính lực hút của nam châm điện một chiều : 18

1.4.2 Đặc tính lực hút của nam châm điện xoay chiều : 20

1.4.3 Đặc tính lực hút của nam châm điện xoay chiều ba pha(TL7): 24

1.5 Đặc tính động của nam châm điện(TL7): 25

1.5.1 Đặc tính động của nam châm điện một chiều (TL7): 26

1.5.1.1 Thời gian khởi động : 27

1.5.1.2 Thời gian khởi động khi nhả : 29

1.5.1.3 Thời gian chuyển động khi đóng : 30

1.5.1.4 Thời gian chuyển động khi nhả : 34

1.5.2 Đặc tính động của nam châm điện xoay chiều (TL6): 34

1.5.3 Thay đổi thời gian tác động của nam châm điện : 35

Kết luận chương I : 36

CHƯƠNG II : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TỐI ƯU NAM CHÂM ĐIỆN 37

2.1 Các phương pháp nghiên cứu thiết kế tối ưu nam châm điện (TL10): 37

2.2 Nghiên cứu về vật liệu chế tạo thiết bị(TL10) : 38

2.3 Nghiên cứu thiết kế tối ưu theo một số thông số cho trước : 38

2.4 Xu hướng nghiên cứu thiết kế tối ưu theo kích thước : 38

2.5 Xu hướng nghiên cứu tối ưu theo đường đặc tính lực hút : 39

2.6 Các tính toán lý thuyết về nam châm điện tối ưu về năng lượng cho Contactor: 42 Kết luận chương II : 48

CHƯƠNG III CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ THỰC NGHIỆM 49

3.1 Các phương pháp thực hiện phần tử X: 49

3.2 Phương pháp sử dụng cuộn dây phụ : 50

3.3 Phương pháp sử dụng bộ băm áp cho nam châm điện xoay chiều : 51

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của phương pháp: 51

3.3.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển ( TL6) : 53

3.3.3 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển : 53

3.4 Phương pháp sử dụng tụ C cho nam châm điện xoay chiều : 60

3.5 Phương pháp sử dụng chỉnh lưu và tụ cho nam châm điện xoay chiều : 62

Kết luận chương III : 67

KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ XUẤT 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3-1: Bảng kết quả công suất tổn hao cuộn dây nam châm điện…….……….65

DANH MỤC CÁC HÌNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Nam châm điện ……….…… 7

Hình 1.2 Đường đặc tính B(H),q(B)……….… 10

Hình 1.3 Mạch từ xoay chiều và giản đồ véc tơ ……….…….12

Hình 1.4 : Cuộn dây nam châm điện ……….… …12

Hình 1.5 Đặc tính lực hút và các dạng kết cấu thường gặp của nam châm điện …20 Hình 1.6 Đồ thị từ thông là lực điện từ theo thời gian……… 21

Hình 1.7 : Nam châm điện xoay chiều có 2 cuộn dây ,vòng ngắn mạch và lực điện từ trong 2 trường hợp đó……… 22

Hình 1.8 Mạch từ có vòng ngắn mạch,giản đồ vecto và lực điện từ theo thời gian……… 24

Hình 1.9 Quan hệ giữa dòng điện ,khe hở không khí và thời gian ……….26

Hình 1.10 Đường cong quan hệ Ψ(i) theo khe hở δ……….31

Hình 1.11 Đường đặc tính lực NCĐ……….32

Hình 1.12 Các cách thay đổi thời gian tác động ……….…35

Hình 2.1 Contactor điện từ ……….… 39

Hình 2.2 Đường đặc tính lực hút của contactor……….…… ….39

Hình 2.3 Mô hình mạch điện nghiên cứu ……….42

Hình 2.4 Đường đặc tính cơ có tác động phần tử X ……… 46

Hình 3.1 Mạch điện nguyên lý phương pháp dùng cuộn dây phụ ……… 49

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý của phương pháp sử dụng bộ băm xung một chiều… 50

Hình 3.3 Nguyên lí điều khiển điều áp một chiều……… 51

Hình 3.4: Sơ đồ khối mạch điều khiển băm xung ………52

Hình 3.5: Bộ tạo sóng điện áp vuông và tam giác bằng KĐTT………52

Hình 3.6 đồ thị Ura1 t và dạng điện áp trên tụ C……….54

Hình 3.7 Khâu kéo điện áp ……… 55

Hình 3.8 Mạch so sánh hai cổng bằng KĐTT……… 56

Hình 3.9 Khâu khuyếch đại ……… 57

Hình 3.10 khâu tạo điện áp điều khiển ……….57

Hình 3.11 Sơ đồ mạch điện phương pháp dùng tụ……… 59

Hình 3.12 Sơ đồ mạch điện phương pháp dùng chỉnh lưu và tụ C ……….….61

Hình 3.13 Sơ đồ mạch điện qui đổi……… 62

Hình 3.14 Mạch điện thí nghiệm ……… 64

Các nguồn năng lượng trên thế giới đang cạn kiệt,các sản phẩm về tiết kiệm năng lượng đang là xu hướng phát triển của hiện tại và tương lai.Trên cơ sở đó ,trong phạm vi luận văn, tác giả tiến hành nghiên cứu nam châm điện tối ưu về năng lượng cho contactor

2 Lịch sử nghiên cứu :

Đến thời điểm hiện tại đ có một số sản phẩm contactor tiết kiệm năng lượng của các công ty nước ngoài như:

a Dòng sản phẩm tiết kiệm năng lượng cho contactor trung áp và contactor hạ

áp có dòng điện lớn hơn 250A của hãng Schneider

b Dòng sản phẩm tiết kiệm năng lượng cho contactor hạ áp có dòng điện lớn

hơn 250A của hãng LS

Hiện nay , ở Việt Nam vẫn chưa có nghiên cứu, tính toán chi tiết nào về tối ưu năng lượng tiêu hao của contactor

3 Mục đích ,đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn :

Mục đích nghiên cứu của đề tài là đưa ra các tính toán và nghiên cứu về mặt lý thuyết tạo tiền đề chế tạo các dòng sản phẩm contactor tối ưu về năng lượng mới và

đề xuất những hướng phát triển dòng sản phẩm này từ những dòng sản phẩm cũ Đối tượng nghiên cứu của đề tại là contactor tiết kiệm năng lượng, tác giả tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách kết hợp tạo ra contactor tiết kiệm năng lượng từ các dòng contactor đ sản xuất

4 Các luận điểm cơ bản và đóng ghóp của luận văn :

Những luận điểm, vấn đề chính tác giả đ nghiên cứu trong phạm vi luận văn:

 Tổng quan về contactor

 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của contactor tối ưu về năng lượng

 Tính toán chi tiết về các thông số của contactor tối ưu về năng lượng

 Đưa ra đề xuất để phát triển dòng sản phẩm này

5 Phương pháp nghiên cứu :

Để thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu trên tác giả đ phối hợp các nhóm phương pháp:

Nhóm phương pháp Nghiên cứu lý thuyết: Tham khảo các tư liệu kỹ thuật để phân tích, tổng hợp những vấn đề có liên quan tới đề tài

Nhóm phương pháp thực nghiệm : Để củng cố tính chính xác, đúng đắn của nội dung nghiên cứu

CHƯƠNG I : NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ NAM CHÂM ĐIỆN

1.1 Khái niệm chung : (TL7)

1.1.1 Định nghĩa :

Nam châm điện là cơ cấu điện từ biến đổi từ điện năng thành cơ năng nhờ sự thay đổi từ thông trong mạch từ ,làm dịch chuyển phần động của mạch từ , tạo ra công hữu ích nam châm điện được sử dụng rộng r i trong lĩnh vực khí cụ điện như

cơ cấu truyền động của các role điện cơ , công tắc tơ , các thiết bị đóng cắt,bảo vệ ,cơ cấu chấp hành của van điện từ , phanh điện từ , khớp li hợp điện từ …

Các thành phần chính của nam châm điện là cuộn dây dẫn điện hay gọi cuộn hút và mạch từ (lõi thép ), cuộn dây được cuốn trên cực từ chính của mạch từ , ngoài ra còn có các thành phần khác như nắp , lò xo nhả ,lò xo chống rung , vòng chống rung , giá đỡ tiếp điểm …

1.1.2 Nguyên lý hoạt động của nam châm điện (TL6):

Nguyên lý hoạt động của nam châm điện là dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện

từ Khi đóng khóa K , dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ tạo nên sức từ động F =

IW, sinh ra từ thông Φ0 Từ thông này có 2

thành phần Φδ là thành phần từ thông đi

qua khe hở không khí lam việc , qua nắp và

tạo nên lực hút điện từ Fdt hút nắp về phía

lõi thép của nam châm điện Một phần của

từ thông không đi qua khe hở không khí ,

mà khép từ thân này qua thân kia của mạch

từ và được gọi là từ thông rò Φr ( xem Hình 1.1 Nam châm điện

hình 1.1)

Để xác định cực tính của cuộn dây hay chiều của từ trường người ta dùng qui tắc bàn tay phải Qui tắc bàn tay phải để xác định chiều của từ trường trong cuộn dây:

Đặt cuộn dây nằm trong lòng bàn tay chiều từ long bàn tay tới các ngón tay là chiều của dây quấn và cũng là chiều của dòng điện ,chiều của ngón tay cái chỉ chiều cảu từ thông mà do bản thân cuộn dây sinh ra cực tính của vật dẫn có xu hướng chống lại từ trường tác dụng lên nó Do đó cực tính của vật dẫn ngược với cực tính của cuộn dây Sự hình thành lực hút giữa cuộn dây và vật dẫn là lực hút điện từ của những vật có cực tính khác nhau

Vật bị hút về phía cuộn dây , khi dòng điện chay trong cuộn dây đổi chiều thì

sự hình thành cực từ vẫn tạo nên lực hút giữa chúng

1.1.3 Phân loại nam châm điện :

Như trình bày ở trên nam châm điện là phần tử của khí cụ điện được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp , nông nghiệp ,quân sự , y tế , giao thông … nam châm điện được phân loại như sau :

1.1.3.1 Phân loại theo nguồn điện sử dụng :

Nam châm điện một chiều là nam châm điện mà cuộn dây được cung cấp bởi nguồn điện 1 chiều

Nam châm điện xoay chiều là nam châm điện mà cuộn dây được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều

1.1.3.2 Phân loại theo cách mắc cuộn hút :

Mắc cuộn dây nối tiếp với tải thì gọi là cuộn dòng thường có tiết diện dây lớn

và số vòng ít

Mắc cuộn dây song song với tải thì gọi là cuộn áp thường có tiết diện dây nhỏ

và số vòng nhiều

1.1.3.3 Phân loại theo hình dáng mạch từ :

Tùy theo mục đích sử dụng và đặc tính làm việc ,nam châm đươcj chia làm 7 nhóm như sau

1.1.3.4 Phân loại theo nguyên tắc tác động :

Nam châm điện có 2 hình thức tác động hút ,đẩy và hình thức duy trì Với hình thức hút ,đẩy thường sử dụng trong các quá trình đòi hỏi sự chuyển động ,nắp

có thể chuyển động hoặc quay thẳng tùy theo cơ cấu cụ thể ,sự chuyển động của nắp

sẽ được gắn vào các cơ cấu cơ khí để sử dụng cho các thiết bị như rơ le , công tắc tơ , van điện từ …

Hình thức duy trì thường sủ dụng trong các công việc như giữ chặt , hoặc kéo chặt để nâng các chi tiết bằng sắt thép Nam châm điện loại này không có nắp , nắp chính là bộ phận ,chi tiết cần giữ hoặc gia công Trong trường hợp này từ thông chính sẽ móc vòng qua mạch từ và chi tiết gia công

Hiện nay đ có một số công trình nghiên cứu va chế tạo loại nam châm kiểu đẩy ngược với nam châm kiểu hút ,với nam châm điện kiểu đẩy ngược tạo ra nhờ sự giống nhau về cực tính của 2 vật dẫn từ đặt gần nhau hoặc giữa nắp và thân của nam châm

1.2 Nam châm điện xoay chiều : (TL6)

Mạch từ xoay chiều

Lò xo chống rung , lò xo nhả

1.2.2.1 Mạch từ của nam châm điện xoay chiều :

Cũng như các thiết bị điện từ sử fungj nguồn điện xoay chiều khác ,mạch từ của nam châm điện xoay chiều được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện có bề dày từ : 0.1, 0.2 ,0.3 , 0.35 … với nhau Khi từ trường của cuộn dây biến thiên theo tần số của nguồn điện thì sẽ xuất hiện trong lõi thép tồn hao dưới dạng từ trễ và dòng xoáy Như vậy việc ghép cách điện giữa các lá thép sẽ làm giảm bớt tổn hao ,nhiệt năng sinh ra sẽ là giảm bớt từ tính của lõi thép , giảm tính chất cách điện của lõi thep và vật liệu cách điện Tổn hao trên lõi thép phụ thuộc vào điểm làm việc của lõi thép trên đường đặc tính từ hóa Đây là quan hệ phi tuyến và được thể hiện trên đường đặc tính suất tổn hao q = f(B)

Hình 1.2 Đường đặc tính B(H),q(B) Như vậy việc chọn điểm làm việc của lõi thép trên đường đặc tính từ hóa quan trọng bởi nó ảnh hưởng tới kịch thước của mạch từ và nhiệt độ làm việc của mạch

từ , từ đó liên quan tới giá thành sản xuất Cho nên nếu chọn điểm làm việc thấp tức

là mật độ từ cảm nhỏ thì tiết diện cực từ lớn , và ngược lại khi điểm làm việc cao thì mật độ từ cảm tăng thì tiết diện cực từ giảm , tổn hao tăng , tăng rất nhanh so với , nhưng trọng lượng lõi thép giảm và giảm được chi phí sản xuất

Mục đích người thiết kế là phải chọn ra được một điểm làm việc phù hợp để đáp ứng được chi phí sản xuất là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được các điều kiện khác như nhiệt độ làm việc và lực hút điện từ của nam châm điện

Nếu ta đặt một điện áp xoay chiều vào hai đầu của cuộn dây nam châm điện thì ta có phương trình cân bằng điện áp được xác lập như sau :

Dòng điện chạy trong cuộn dây xoay chiều không chỉ phụ thuộc vào điện trở

R của cuộn dây mà còn phụ thuộc vào điện kháng X của nó và được xác định theo biểu thức :

Nếu sụt áp trên điện trở của cuộn dây rất bé so với sụt áp trên điện kháng của

Ở mạch từ xoay chiều , tổn hao năng lượng trong lõi thép và trong vòng ngắn mạch ( nếu có ) sẽ làm chậm sự biến thiên của từ thông , nghĩa là tạo ra sự lệch pha giữa sức từ động và từ thông Tương tự như ở mạch điện , sự xuất hiện của điện kháng làm chậm pha giữa điện áp và dòng điện, còn ở mạch từ sự xuất hiện của từ kháng làm chậm pha giữa từ áp và từ thông

Hình 1.3 Mạch từ xoay chiều và giản đồ véc tơ

1.2.2.2 Cuộn dây của nam châm điện xoay chiều (TL7):

Cuộn dây của nam châm điện xoay chiều phải sinh ra sưc từ động cần thiết cho mạch từ để tạo lực hút thắng được phản lực của tải, đồng thới tổn hao năng lượng trong cuộn dây phải đủ nhỏ để nhiệt độ phát nóng của nó không vượt quá giới hạn nhiệt dộ cho phép của cấp cách điện cuộn

dây sử dụng

Tùy theo cách đấu nối của cuộn dây ta có

cuộn dây dòng điện (nối tiếp với phụ tải) và cuộn

dây điện áp (mắc song song với nguồn điện)

Hình 1.4 : Cuộn dây nam châm điện

Ở cuộn dây dòng điện , vì mắc nối tiếp với tải nên dòng điện chạy trong cuộ dây chỉ phụ thuộc vào phụ tải và sụt áp trên cuộn dây là không đáng kể so với sụt áp trên phụ tải Với cuộn dây điện áp , vì mắc song song với nguồn điện nên trị số của

dòng điện trong nó chỉ phụ thuộc vào tham số của cuộn dây nếu điện áp nguồn không đổi

Cấu tạo của cuôn dây dòng điện được mô ta như hình 1.4 Cuộn dây hình trụ

có khung bằng vật liệu cách điện, thường được đúc bằng nhựa cứng chịu nhiệt Dây cuốn cuộn dây thường là dây đồng bọc men cách điện , tiết diện tròn hoặc chữ nhật.Một trong những tham số quan trọng của cuộn dây là hệ số lấp đầy :

Trong đó : là diện tích chiếm chỗ của đồng trong cuộn dây

= là diện tích cuộn dây ; với là bề dày cuộn dây và chiều cao cuộn dây

Tỉ số giữa chiều dài và bề dày của cuộn dây được gọi là hệ số hình dáng :

Với cuộn dây nam châm điện một chiều : β =(2:4) , còn đối với cuộn dâ nam châm điện xoay chiều β = (1:3) , điều đó có nghĩa cuộn dây một chiều cao và gầy hơn so với cuộn dây xoay chiều

Hệ số lấp đầy cuộn dây phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố : có khung hay không , bề dày và số lớp , cách điện giữa các lớp dây quấn , đường kính , kích thước , hình dạng dây quấn , bề dày lớp cách điện dây quấn , phương pháp quấn dây cho nên hệ số lấp đầy dao động :

Điện trở của dây quấn được xác định theo công thức :

Trong đó :

là điện trở suất của vật liệu dây quấn

W là số vòng cuộn dây

là chiều dài trung bình của một vòng dây , được tính bằng trung bình cộng của vòng dây ngắn nhất ( lớp trong cùng ) và vòng dây dài nhất (lớp ngoài cùng)

Q là tiết diện dây quấn

Độ tăng nhiệt của bề mặt cuộn dây khi làm việc ở chế độ ổn định nhiệt được xác định bằng công thức :

Trong đó : là độ tăng nhiệt của cuộn dây so với nhiệt độ môi trường

P là công suất tổn hao của cuộn dây

là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ (6 14)W/m2 .deg

là diện tích bề mặt tỏa nhiệt của cuộn dây , gồm diện tích mặt ngoài diện tích mặt trong và diện tích hai đáy

Một thông số quan trọng đối với độ tăng nhiệt của cuộn dây là mặt độ dòng

Ở chế độ làm việc dài hạn , tù vào kích thước và điều kiện tỏa nhiệt của cuộn dây cung như cấp cách điện của dây quấn , người ta thường lấy mật độ dòng điện j

= (2 5) A/mm2 với dây quấn được chế tạo bằng đồng

Đường kính dây quấn cũng như tiết diện dây quấn có thể được xác định bằng cách chọn mật độ dòng điện J từ

1.3.2.1 Mạch từ của nam châm điện một chiều :

Vì dòng điện trong cuộn dây là dòng điện một chiều nên sức từ động và từ thông không biến đổi theo thời gian , do đó không có tổn hao từ trễ và dòng xoáy trong mạch từ Với đặc điểm này mà vật liệu làm mạch từ một chiều thường là thép

ít cacbon ở thể thép khối , có đường cong từ hóa tương đối cao Mạch từ của nam châm điện một chiều bao gồm thân và nắp , so với không khí thì khả năng dẫn từ của thép được coi là rất tốt Vì vậy nên trong tính toán từ trở mạch từ của nam châm điện cho phép bỏ qua thành phần này

Điểm làm việc của thép trên đường đặc tính từ hóa đặc trưng bởi trị số mật độ

từ cảm và có ảnh hưởng rất nhiều tới các thông số của nam châm Cụ thể nếu ta

chọn mật độ từ thông trên lõi thép nhỏ, đòi hỏi kích thước mạch từ tăng lên đồng thời làm tăng trọng lượng đồng , ngược lại nếu ta chọn mật độ từ thông lớn thì trọng lượng thép và đồng giảm , dẫn tới giảm được chi phí sản xuất Vì thế à chọn mật độ

từ cảm cao hay thấp ảnh hưởng rất lớn đến kích thước của mạch từ

1.3.2.2 Cuộn dây của nam châm điện một chiều :

Cuộn dây của nam châm điện một chiều thường được cuốn với số vòng W xác định Chức năng chính của cuộn dây là dẫn dòng điện một chiều để tạo nên sức từ động Khi cấp vào cuộn dây một nguồn điện một chiều thì trị số dòng điện chạy trong cuộn dây được tính bằng biểu thức

Trong đó :U – là điện áp cấp vào hai đầu cuộn dây (V)

R- là điện trở của cuộn dây (

I – là cường độ dòng điện chạy trong cuộn dây (A) Nhìn vào công thức trên ta thấy dòng điện sẽ không đổi trong suốt quá trình hoạt động của nam châm điện Khi dòng điện chạy trong cuộn dây có điện trở sẽ sinh ra tổn hao dưới dạng nhiệt năng và theo định luật Jun-lenxo :

Nhiệt năng sinh ra sẽ đốt nóng bản thân cuộn dây và tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh làm cho nhiệt độ cuộn dây tăng lên Nhiệt độ của cuộn dây được xác định bằng biểu thức :

Trong đó : là độ tăng nhiệt của cuộn dây so với nhiệt độ môi trường

P là công suất tổn hao của cuộn dây

là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ (6 14)W/m2 .deg

là diện tích bề mặt tỏa nhiệt của cuộn dây , gồm diện tích mặt ngoài diện tích mặt trong và diện tích hai đáy

Nhiệt độ làm việc của cuộn dây tỉ lệ thuân với công suất tổn hao trên cuộn dây và tỉ lệ nghịch với diện tích tỏa nhiệt và hệ số tỏa nhiệt trên cuộn dây

Hệ số tỏa nhiệt của cuộn dây : K = f( )

Với :

Trong đó : - nhiệt độ chênh cho phép

– Nhiệt độ cho phép của cuộn dây phụ thuộc vào cấp cách điện sử dụng

– Nhiệt độ môi trường ( oC )

Diện tích tỏa nhiệt của cuộn dây nam châm điện một chiều , do nhiệt độ làm việc trên lõi thép rất thấp so với nhiệt độ của cuộn dây và đặc điểm kết cấu của nam châm điện một chiều nên nhiệt lượng từ cuộn dây có thể truyền vào lõi thép nên điện tích tỏa nhiệt của cuộn dây điện nam châm điện một chiều bao gồm bề mặt bên ngoài tiếp xúc không khí và bề mặt bên trong tiếp xúc với thép từ :

Trong đó :

– diện tích tỏa nhiệt bên ngoài

– diện tích tỏa nhiệt bên trong

– hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của cuộn dây và khả năng tỏa nhiệt vào lõi thép , có thể lấy 0

Đối với nam châm điện một chiều và các thông số về lực hút , thông số về điện xác định thì số vòng , diện tích chiếm chỗ của cuộn dây là không đổi thì việc thay đổi mật độ từ cảm B(T) , hệ số hình dáng của cuộn dây β sẽ ảnh hưởng rất lớn đến trọng lượng và kích thước mạch từ, trọng lượng của dây cuốn và nhiệt độ làm việc của nam châm điện

1.4 Đặc tính lực hút của nam châm điện(TL6):

1.4.1 Đặc tính lực hút của nam châm điện một chiều :

Khi đặt một dòng điện I chạy qua dây dẫn có số vòng W nếu bỏ qua từ trở mạch từ và không xét đến thành phần từ thông rò thì trong mạch từ xuất hiện một từ thông được xác định theo biểu thức

I.W = = ( A.vòng )

Trong đó :

I – Dòng điện một chiều chạy trong cuộn dây (A)

W – Số vòng dây trong cuộn dây ( Vòng )

– Từ trở khe hở không khí ( H-1)

– Từ dẫn của mạch từ ( H)

– Từ thông qua khe hở không khí ( Wb)

Lực hút điện từ được xác định theo định luật Maxwell và phương pháp cân bằng năng lượng , Ở đây ta xác định lực hút theo phương pháp Maxwell như sau :

Trong đó :

là véc tơ từ cảm ở khe hở không khí ở mặt cực từ

là véc tơ đơn vị pháp tuyến của bề mặt cực từ

Trong trường hợp khe hở không khí đủ nhỏ và đều khi đó có thể coi từ trường

ở đó là trường song phẳng , có ghĩa là = const ở toàn khe hở không khí , do đó công thức (1-15) có dạng :

tương tự như F(δ) ,ta có đặc tính mô men điện từ phụ thuộc vào góc quay của phần ứng M(α) Các đặc tính này phụ thuộc vào hình dáng kết cấu của nam châm điện

Hình 1.5 Đặc tính lực hút và các dạng kết cấu thường gặp của nam châm điện

1.4.2 Đặc tính lực hút của nam châm điện xoay chiều :

Phương pháp tính lực hút điện từu của nam châm điện xoay chiều giống như ở nam châm điện một chiều Khi ta đặt vào hai đầu cuộn dây xoay chiều một dòng điện :

- Thành phần không đổi của lực

- Thành phần biến đổi biến thiên với tần số bằng hai lần tần số của điện áp Trị số trung bình của lực hút điện từ đƣợc tính theo công thức :

Đồ thị của từ thông và lực hút điện từ theo thời gian :

Hình 1.6 Đồ thị từ thông là lực điện từ theo thời gian Trong một chu kỳ từ thông Φ có hai chu kỳ của lực hút điện từ F và trị số F thay đổi từ Fmax = Fm đến Fmin = 0 Nếu lực cơ học (tức phản lực của nắp nam

châm điện ) là hằng số thì khi F > Fcơ nắp sẽ bị hút ; còn khi F < Fcơ thì nắp sẽ bị đẩy Hiện tượng này sẽ lặp đi lặp lại với tần số 2f của lực điện từ và được gọi là hiện tượng rung của nam châm điện xoay chiều

Để chống rung,cần phải thỏa m n điều kiện : Fmin > Fcơ Muốn vậy người ta phait ạo ra hai từ thông lệch pha trong mạch từ Khi cản của từ thông thứ nhất tại thời điểm đi qua 0 thì lực của từ thông thứ 2 khác o , nên tổng hợp lực sẽ khác không Có hai biện pháp tạo ra hai từ thông lệch pha trong nam châm điện xoay chiều một pha

Biện pháp thứ nhất : dùng hai cuộn dây với thông số khác nhau thường một cuộn có tính chất cảm , một cuộn có tính chất dung ( mắc nối tiếp với tụ điện như hình dưới )

Biện pháp thứ hai : đặt vòng ngắn mạch hay còn gọi là vòng chống rung ở cực từ như hình 1.7

Hình 1.7 : Nam châm điện xoay chiều có 2 cuộn dây ,vòng ngắn mạch và lực

điện từ trong 2 trường hợp đó

Biện pháp thứ nhất ít đƣợc dùng ở nam châm điện xoay chiều 1 pha vì công nghệ phức tạp còn biện pháp thứ 2 thì đơn giản,ít tốn kém

Ở cực từ có vòng ngắn mạch, từ thông đi qua cực từ gồm hai phần : ngoài vòng ngắn mạch và trong vòng ngắn mạch Từ kháng của vòng ngắn mạch làm chậm pha so với góc α với tgα đƣợc tính nhƣ sau :

Trong đó :

là điện trở vòng ngắn mạch

=1 là số vòng của cuộn ngắn mạch

= là từ dẫn khe hở không khí trong vòng ngắn mạch

Lực điện từ do hai từ thông và sinh ra là :

Trong đó : = ( + ) là thành phần lực không đổi

= – ( + ) là thành phần lực biến đổi với biên độ của lực biến đổi là :

bé nên tgα bé ,dẫn đến hiệu quả chống rung kém

Trên hình 1.8 cho mạch từ có vòng ngắn mạch , sơ đồ thay thế của nó và giản đồ véc tơ cũng như lực điện từ theo thời gian

Hình 1.8 Mạch từ có vòng ngắn mạch,giản đồ vecto và lực điện từ theo thời gian

1.4.3 Đặc tính lực hút của nam châm điện xoay chiều ba pha(TL7):

Nam châm điện xoay chiều ba pha là nam châm điện mà nguồn cấp cho cuộn dây là nguồn điện ba pha Trong nam châm điện bap ha mạch từ thường có hình chữ

E ,cuộn dây bap ha được đặt ở ba cực riêng biệt

Khi đặt vào ba cuộn dây điện áp hoặc dòng điện bap ha thì :

Trong các pha sẽ xuất hiện lực hút :

1.5 Đặc tính động của nam châm điện(TL7):

Một trong những thông số quan trọng của nam châm điện là thời gian tác động

và thời gian nhả của nó Thời gian ( ttd ) là qu ng thời gian kể từ thời điểm đƣa tín hiệu tác động ( thời điểm đóng khóa K cấp điện cho cuộn dây ) cho đến khi nắp chuyển động xong ( ) Thời gian nhả ( tnh ) là qu ng thời gian từ khi cắt

điện của cuộn dây ( mở khóa K) tới khi nắp nam châm điện kết thúc chuyển động

(1-26) Trong đó : : thời gian khởi động khi tác động ;

: Thời gian chuyển động khi tác động ;

: thời gian khởi động khi nhả ;

: Thời gian chuyển động khi nhả ;

Thời gian khởi động là quảng thời gian từ khi đƣa tín hiệu vào cuộn dây đến khi nắp bắt đầu chuyển động , còn thời gian chuyển động đƣợc tính từ lúc nắp bắt đầu chuyển động tới khi nắp kết thúc chuyển động

Chúng ta sẽ xét đặc tính động của nam châm điện một chiều và xoay chiều :

1.5.1 Đặc tính động của nam châm điện một chiều (TL7):

Hình 1.9 Quan hệ giữa dòng điện ,khe hở không khí và thời gian

Khi đƣa dòng điện vào cuộn dây,dòng điện tăng từ từ theo hàm mũ đạt giá trị khởi động ( Ikđ ),tại thời điểm này ,lực điện từ bằng lực lò xo và nắp bắt đầu chuyển động ,đó là thời gian khởi động Từ thời gian này trở đi ,vì nắp nam

châm chuyển động , nên khe hở không khí giảm dần , từ cảm cuộn dây tăng , nên dòng điện qua cuộn dây giảm tới khi thì kết thúc thời gian chuyển động Sau đó dòng điện lại tăng cho tới khi đạt giá trị ổn định Iođ Khi

mở khóa K dòng điện suy giảm tới giá trị Inh , lúc này lực điện từ bằng lực lò xo và dòng điện tiến tới 0

1.5.1.1 Thời gian khởi động :

a.Trường hợp mạch từ tuyến tính có một cuộn dây :

Phương trình cân bằng điện áp có dạng :

Trong đó : = là hệ số dự trữ theo dòng điện của nam châm điện

To = là hằng số thời gian điện từ của cuộn dây khi nắp mở ( )

Từ đó ta nhận thấy rằng , muốn thay đổi thời gian khởi động thì phải thay đổi thông số của cuộn dây Lo,R và thay đổi hệ số dự trữ dòng điện :

b.Trường hợp mạch từ tuyến tính có thêm cuộn dây ngắn mạch :

Trong trường hợp náy phương trình căn bằng điện áp sẽ là :

0 = +

Trong đó kí hiệu “n” chỉ cuộn dây ngắn mạch

Giải hệ phương trình vi phân ta được :

Trong qu ng thời gian khởi động ,từ thông biến thiên từ 0 tới nên sẽ cảm ứng trong lõi thép một dòng điện xoáy, làm chậm sự biến thiên của từ thông chính Nếu dòng xoáy lớn nghĩa là điện trở xoáy của mạch từ bé thì càng tăng

,ảnh hưởng của dòng điện xoáy cũng tương tự như dòng điện trong vòng ngắn mạch , nên thời gian khởi động nếu kể cả ảnh hưởng của dòng điện xoáy và ngắn mạch

Thời gian khởi động ở mạch từ b o hòa lớn hơn so với mạch từ tuyến tính

1.5.1.2 Thời gian khởi động khi nhả :

Với nam châm điện có một cuộn dây thì phương trình cân bằng điện áp khi nhả có dạng :

Nếu mạch từ tuyến tính thì có thể viết dưới dạng :

0 = i.R + = i.R + +i = i.R + (1-38) Vậy thời gian khởi động khi nắp nhả được tính bằng :

Trong đó : là điện cảm của nam châm điện khi nắp hút ( )

= là hằng số thời gian điện từ của nam châm điện khi nắp hút

Nếu có thêm vòng điện ngắn mạch và điện trở xoáy của mạch từ thì :

Nếu mạch từ phi tuyến thì :

Vậy nghiệm cũng được tính theo phương pháp đồ thị

Cũng tương tự như với thời gian khởi động khi nhả càng lớn nếu điện trở vòng ngắn mạch và điện trở xoáy của mạch từ càng bé

1.5.1.3 Thời gian chuyển động khi đóng :

Khi dòng điện trong cuộn dây nam châm điện đạt trị số khởi động i= ,lực điện từ lớn hơn lực cơ F> và phần ứng ( nắp ) của nam châm điện bắt đầu chuyển động :

- Khe hở không khí của mạch từ giảm dần từ tới

- Điện cảm của cuộn dây tăng từ tới

- Từ thông móc vòng thay đổi từ tới

Đây là bài toán động về điện từ ,cơ nên giải nó khá phức tạp

Trong trường hợp này hệ phương trình có dạng :

u = i.R +

Trong đó :

F là lực điện từ của nam châm điện

là lực cơ , cản lại lực điện từ,còn gọi à phản lực

M là khối lượng phần động của nam châm điện

V=dx/dt là vân tốc của phần động của nam châm điện

Thời gian chuyển động khi đóng t2 được xác định từ hệ phương trình, phương pháp giải hệ phương trình thường được sử dụng là phương pháp đồ thị gần đúng, được tiến hành như sau :

Thay hệ dưới dạng gia số ;

U = i.R +

Sau đó dựa vào họ đường cong Ψ(i) khi δ = = const để tính.Điểm xuất phát

là điểm a nằm trên đường cong δ = , , Sau thời gian nắp chuyển động được một qu ng đường = còn từ thông móc vòng thay đổi một lượng :

Hình 1.10 Đường cong quan hệ Ψ(i) theo khe hở δ

Dòng điện biến thiên từ tới

Diện tích tam giác cong oabo chính là năng lượng điện từ thay đổi khi nắp chuyển dời qu ng đường Δx

Sau khi tìm được , thay và vào

phương trình thứ nhất của hệ tham số , nếu hai

vế xấp xỉ bằng nhau thì điểm b trên đ chọn

đúng, còn nếu sai số quá lớn phải chọn lại

sẽ chính xác hơn nếu n càng lớn hay chia ra càng nhiều đoạn

Trong trường hợp không cần độ chính xác cao ,có thể xác định đơn giản hơn, nếu biết đặc tính lực điện từ và đặc tính phản lực Fc Phương trình chuyển động của phần ứng có thể viết dưới dạng :

là qu ng đường ở đoạn I : =

là lực trung bình ở phân đoạn i , tác động lên phần phản ứng của nam châm điện , được tính bằng :

Trong đó : là diện tích tam giác cong ứng với phân đoạn I

Từ đó ta nhận thấy rằng, muốn giảm thời gian chuyển động , ta phải giảm khối lượng phần động m , giảm hành trình của phần ứng x , tăng lực điện từ F và giảm phản lực Fc

1.5.1.4 Thời gian chuyển động khi nhả :

Khi cắt điện cuộn dây , từ thông trong mạch từ giảm dần tới trị số nhả , lực điện từ bé hơn lực cơ F<Fc và nắp bắt đầu chuyển động từ , kết thúc chuyển động khi δ = với thời gian chuyển động được tính như :

Vì lực điện từ khi nhả biến đổi khá phức tạp , nên việc tính toán không đơn giản Có thể tính gần đúng dựa vào đặc tính lực điện từ và lực cơ tương tự như khi tác động

1.5.2 Đặc tính động của nam châm điện xoay chiều (TL6):

Cũng tương tự như ở nam châm điện một chiều, thời gian tác động ttd và thời gian nhả tnh của nam châm điện xoay chiều gồm thời gian khởi động và thời gian chuyển động :

Điểm khác nhau cơ bản ở nam châm điện xoay chiều là điện áp ,dòng điện và

từ thông biến thiên tuần hoàn với tần số f , còn lực điện từ biến thiên theo tần số 2f Trong thời gian ,vì khe hở không khí lớn ( ) nên dòng điện trong cuộn dây điện áp khá lớn từ 4 đến 15 lần so với trường hợp nắp hút ( ) ,vì vậy nếu đóng điện vào thời điểm dòng điện đi qua 0 , chỉ sau 1/4 chu kỳ từ thông sẽ đạt trị số cực đại ,còn nếu đóng điện vào thời điểm i 0 thì qu ng thời gian để từ thông đạt trị số cực đại cũng không vượt quá 1/2 chu kỳ ,do đó lực điện từ đạt giá trị cực đại với thời gian bé hơn 1/2 chu kỳ ,cho nên của nam châm điện xoay chiều nhỏ hơn 1/2 chu kỳ

Thời gian khởi động khi nhả của nam châm điện xoay chiều cũng nhỏ hơn ở nam châm điện một chiều vì hồ quang xoay chiều sẽ dễ tắt ,dòng điện suy giảm nhanh và từ thông biến thiên nên từ dư gần như không tồn tại ở mạch từ xoay chiều Thời gian chuyển động và ở nam châm điện xoay chiều cũng có thể tính tương tự như ở nam châm điện một chiều

1.5.3 Thay đổi thời gian tác động của nam châm điện :

Muốn thay đổi đặc tính động của nam châm điện, ta phải thay đổi thời gian khởi động , và thời gian chuyển động Thông thường thời gian chuyển động không nên thay đổi vì nó sẽ ảnh hưởng tới đặc tính làm việc của cơ cấu chấp hành,được nối cơ khí với phần ứng của nam châm điện Vì vậy ta chỉ có thể thay đổi thời gian khởi động , Ở nam châm điện xoay chiều thay đổi là rất khó bởi vì nó phụ thuộc vào thời điểm đóng của cuộn dây , còn với cũng tương tự