NAM CHÂM ĐIỆN ,CHƯƠNG 5h

: TÍNH TOÁN KINH NGHIỆM NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU Khác với nam châm điện 1 chiều, khi tính toán nam châm điện xoay chiều cần phải tính toán ảnh hưởng của sự biến thiên tuần hoàn của các t

: TÍNH TOÁN KINH NGHIỆM NAM CHÂM ĐIỆN XOAY

CHIỀU

Khác với nam châm điện 1 chiều, khi tính toán nam châm điện xoay

chiều cần phải tính toán ảnh hưởng của sự biến thiên tuần hoàn của các

thông số như : điện áp, dòng điện, từ thông …theo thời gian, tổn hao năng

lượng do từ trễ và do dòng điện xoáy gây ra trong lõi thép mạch từ và trong

vòng ngắn mạch (chống dung) Vì có tổn hao năng lượng nên từ thông ở các

phân đoạn mạch từ bị lệch pha nhau

Vì những đăc điểm trên, khi tính toán kiểm nghiệm nam châm điện

xoay chiều nên sử dụng phương pháp số phức để tính Cần lưu ý răng

phương pháp số phức chỉ sử dụng trựcc tiếp khi từ thông và sức từ động có

dạng hình sin, nhgãi là mạch từ làm viẹc ở phần tuyến tính của đường cong

từ hóa

Trong quá trình tính toán, các đại lượng từ thông và từ cảm được tính

theo trị số biên độ Φm và Fm Để đường hoá, chỉ số “m” sẽ không viết nữa

Các số liệu ban đầu cần thiết cho tính toán

KiÓm nghiÖm ph¶i dùa vµo c¸c sè liÖu thu ®-îc tõ b-íc tÝnh tãan thiÕt kÕ (s¬

bé), cô thÓ lµ h×nh vÏ nam ch©m ®iÖn cïng c¸c kÝch th-íc cña nã

A- tr×nh tù tÝnh to¸n

viÖc tÝnh to¸n nam ch©m ®iÖn xoay chiÒu cuén d©y ®iÖn ¸p ( = const )

vµ cuén d©y dßng ®iÖn ( = IW =const) cã nh÷ng ®iÓm kh¸c nhau Trong

phÇn nµy, chØ xÐt tíi lo¹i cã cuén d©y ®iÖn ¸p tr×nh tù tÝnh tãan cña nã

chính xác của từ thông th ở khe hởlàm việc tới hạn qua công thức :

) 3

1 (

) ( 2

G G

tb = rth th, từ thông tb này do trị số thấp nhất của điện áp nguồn sinh

ra : Umin = KUmin Uđm dựa vào tb tính số vòng dây của cuộn dây W ở

đỉêm R

5 Tính số vòng cuộn dây, cách tính cuộn dây dòng điện và cuộn dây điện áp có những điểm khác nhau ( sẽ khảo sát ở mục sau )

6 Xác định từ thông ở khe hở làm việc có vòng ngắn mạch ( ở trạng thái hút của phần ứng ) :

2

ủh

dm U

trong đó KUmin = 0,6  0,9 – hệ số đánh giá khả năng suy giảm của điện áp nguồn

rh = (1,03  1,05 ) ( bé hơn 1,1 ) – hệ số rò khi hút của mạch từ.

=2..f , s 1

7 Tính toán vòng ngắn mạch

8 Tính hệ số từ rò ở trạng thái hút của phần ứng, rh kể cả đến ảnh h-ởng của từ trở vòng ngắn mạch theo h

9 Tính sức từ động h và đây cũng là cơ sở để tính toán nhiệt

10 tính toán các thông số điện theo các thông số từ của cuộn dây

11 Tính toán nhiệt của nam châm điện, trong đó có cuộn dây

12 Hiệu chỉnh lại các kích th-ớc của nam châm điện theo kết quả tính toán nhiệt (nếu cần thiết )

13 Tính và dựng đặc tính lực hút

14 Xác định thời gian tác độnh và thời gian nh15 Lập các

số liệu kỹ thuật tổng hợp của nam châm điện đã thiết kế- các thông số và các chỉ tiêu về kinh tế kỹ thuật

B- tính toán vòng ngắn mạch

Để chống rung cho phần động của nam châm điện xoay

chiều do lực đập mạch gây ra, có thể sử dụng các biện pháp sau : dùng phần ứng thể khối (với các nam châm điện bé ), dùng nam châm điện hai pha hoặc

ba pha, còn ở nam châm điện 1 pha thì dùng vòng ngắn mạch.(h5-26) Các thông số trong vùng ngắn mạch của nam châm điện cuọn dây điện áp ( = const ) và cuộn dây dòng điện (IW =const) thì khác nhau về mặt định l-ợng nh-ng giống nhau ở định tính ở đây chỉ xét tính toán ngắn mạch của nam châm điện cho cuộn dây điện áp

h) ép khung đura vào rãnh có thành nghiêng.

Để phần động của nam châm điện khỏi bị rung, trị số lực điện từ bé nhất phải luôn luôn bé hơn phản lực ( tổng các lực cơ) tác động lên phần ứng ở trạng thái hút, ng-ợc chiều với lực điện từ điều này do vòng ngắn mạch gây nên nó chia diện tích cực từ S1 ra 2 phần: phần trong St và phần ngoài Sn vòng ngắn mạch, sao cho đạt đ-ợc các đại l-ợng cần thiết F t, F n, B t, B nvà tổn hao năng l-ợng cho vòng ngắn mạch là bé nhất

Nam châm điện có 2 khe hở làm việc, vòng ngắn mạch nên đặt ở trụ không có cuộn dây, còn loại có 3 trụ, nên đặt vòng ngắn mạch ở hai trụ bên

Nếu trong mộy nam châm điện có các diện tích cực từ khác nhau thì vòng ngắn mạch phải đ-ợc tính toán riêng cho từng cực

Mạch từ hình E, nếu không đặt vòng ngắn mạch ở trụ giữa, thì lực bé nhất

ở trụ giữa gần bằng zero, và nó không tham gia đáng kể vào việc tăng giá trị

bé nhất của lực tổng Vì vậy lực bé nhất ở trụ giữa sẽ bỏ qua, coi nó nh- dự trữ

để tính toán vòng ngắn mạch, cần biết tr-ớc các số liệu sau :

- Lực cơ tổng ( phản lực) qui đổi, chống lại lực điện từ Fcqđ, đ-ợc chọn theo dặc tính phản lực, kể cả hệ số dự trữ lực

- :ực điện từ phân bố ở các khe hở làm việc, tỉ lệ với diện tích cực từ S1

- Phần diện tích của cực từ sẽ đặt vòng ngắn mạch

Tồn tại nhiều ph-ơng pháp tính toán vòng ngắn mạch, một trong các

ph-ơng pháp đó là tính theo tỉ số gi-ac lực điện từ bé nhấtvà lực điện từ trung bình khi không có vòng ngắn mạch Cách tính toán nh- sau :

1 trị số trung bình của lực điện từ ở khe hở l;àm việc khi không có vòng ngắn mạch, ở trạng thaí hút của phần ứng đ-ợc tính bằng công thức :

tn

tb o

hoặc :

tn

tb tbh

S

10 03 , 2

Các kích th-ớc của rãnh phải sơ bộ chọn tr-ớc và chính xác hóa nó khi đã xác định xong kích th-ớc vòng ngắn mạch

2- Tỉ số f1 của lực điện từ bé nhất và trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch :

1

2

min

1   F  F 

F K F

F f

tbh

cqd dt tbh

(5-53)

ở đây Kdt= 1,1 1,2 – hệ số dự trữ của thành phần lực đập mạch Nếu ở trụ giữa của mạch từ hình E không đặt vòng ngắn mạch, có thể lấy

Kdt= 1

3- Tỉ số giữa diện tích cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch :

5 , 0 4

1

) 2 3 (

4

f f

f S

r

e h

=1 là:

h

t t

nm

G r

G tg

B   / Nếu B n > 1,6 T thì cần phẩi tính lại hệ số C

8 các lực :

N S F

N S

F

n

n tbn

t

t tbt 19 , 9 10 ; , 19 , 9 10 ,

2 4

2



 2 cos

2 2 max F tb t F tbn F tb t F tbn

tbt tbn tb

đổi hệ số và tính lại từ đầu

9 Tỉ số giữa lực trung bình Ftb và lực bé nhất Fmin :

5 , 1 min 



F F

p tb

10.Tổn hao năng l-ợng trong vòng ngắn mạch với Umax = KUmin Uđm đ-ợc tính bằng

nm u

t U nm

nm nm

r K

K r

I P

2

) (

2 min

2 max

) 0017 , 0 1 ( 10 0 , 3

).

0068 , 0 1 ( 10 9 , 2

C tính toán các thông số điện của cuộn dây theo các thông số từ

Để lập quan hệ giữa các thông số về từ và điện của cuộn dây ở trạng thái hút của phần ứng, có thể dùng quan hệ từ thông trung bình tbh, sức từ

động cuộn dây tbh và từ trở t-ơng đ-ơng của mạch từ M:





Các đại l-ợng trên đ-ợc tính cho trạng thái hút của phần ứng và với U= Umin = KUmin Uđm

điện áp dặt trên cuộn dây :

w j Ir w

j r I

2

.

)

I I w j r I U

M M

w j

r Z

2 2

2 2

2 2

M M

M

M

X R

R w j X

R

X w

r jX

w r

l chiều dài trung bình của 1 vòng dây quấn

q- tiết diện của dây quấn

RN-điện trở đặc tr-ng cho tổn hao năng l-ợng do từ trễ và dòng xoáy, vòng ngắn mạch

Dòng điện cuộn dây:

2 2

.

.

;

X R

U I

Dòng điện này có những trị số khác nhau, vì nó phụ thuộc vào trị số

điện áp : Uđm,Umin= KUmin.Uđm, Umax = KUmax.Uđm và phụ thuộc vào Z mà Z =f ()

công suất tiêu thụ của cuộn dây :

P=U.I ;

) sin (

2 2

Z

w r I R

I

P

W

khi tính toán nhiệt,công suất tác dụng Pa phải tính xho tr-ờng hợp điện

áp nguồn lớn nhất : U= KUmax Uđm và M với tr-ờng hợp phần ứng bị hút

Công suất tác dụng Pa cũng có thể tính theo biểu thức :

nm x t

a I r P P P

P  2    , WTrong đó P tcông suất tổn hao do từ trễ

Tổn hao ở vòng ngắn mạch th-ờng chiếm tới xấp xỉ 50% của Pa, vì thế vòng ngắn mạch làm nóng mạch từ

-góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp :

P

P R

X

tg  ; cos   a

Với phần ứng ch-a bị hút, từ trở của sắt từ và của vòng ngắn mạch rất

bé so với từ trở của khe hở không khí, nên bỏ qua, còn khi phần ứng hút thì không thể bỏ qua chúng đ-ợc

F xác định thời gian tác động và thời gian nhả của nam châm điện xoay chiều

Nhìn chung, việc xác định thời gian tác động và thời gian nhảcủa nam châm điện xoay chiều cơ bản giống nh- ở nam châm điện một chiều Nh-ng

do sự phức tạp của quá trình nên các ph-ơng pháp tính toán cho kỹ s- ch-a

đ-ợc đề cập đến nhiều Vì lực và dòng điện thay đổi tuần hoàn theo thời gian, vì vậy thời gian khởi động và chuyển động phụ thuộc vào thời điểm

đóng, ngắt mạch

Thời gian khởi động của nam châm điện xoay chiều khi tác động th-ờng lấy từ 1/4 đến 1 chu kỳ điện áp nguồn, thời gian khởi đông khi nhả cũng giống nh- ở nam châm điện một chiều, phụ thuộc vào dòng xoáy trong mạch

từ, thời gian cháy của hồ quang mạch cuộn dây

5-14- tính toán cuộn dây nam châm điện

A- Trình tự tính toán- các số liệu ban đầu

Cuộn dây nam châm điện phải sinh ra sức từ động cần thiết và nhiệt độ phát nóng của nó phải thấp hơn nhiệt độ cho phép của cấp cách điện

a) Trình tự tính toán: th-ờng gồm các điểm sau

1- Xác định các số liệu ban đầu

2- Với cuộn dât điện áp một chiều, xác định diện tích chiếm chỗ của dây quấn, tiết diện dây quấn, số vòng cuộn dây với cuộn dây điện áp xoay chiều, xác định số vòng, tiết diện dây quấn và các kích th-ớc của nó Với cuộn dây mắc nối tiếp, xác định số vòng và tiết diện dây quấn

3- Xác định điện trở của cuộn dây 4- Xác định dòng điện và công suất tiêu thụ của cuộn dây.

5- Xác định tự cảm của cuộn dây (ở trạng thái nắp hút và nắp mở)

6- Xá định chiều dài và khối l-ợng dây quấn

7- Tính toán nhiệt cuộn dây

Với nam châm điện mới thiết kế, các vòng dây phải lấp đầy không gian

của cuộn dây, sao cho kích th-ớc của cuộn dây bé nhất, song nhiệt độ

phát nóng của nó phải bé hơn nhiệt độ phát nóng cho phép

Khi tính toán cuộn dây, phải chú ý đến các đặc điểm khác nh-: tính theo

điện trở cho tr-ớc, theo đ-ờng kính dây sẵn có

Thông th-ờng,các nam châm điện chỉ có 1 cuộn dây, nh-ng để giảm kích th-ớc và khối l-ợng cyua của nam châm điện một chiều nên phân ra hai nửa cuộn dây trong quá trình đóng cuộn dây đ-ợc mắc của nam châm điện một chiều, nên phân ra hai cuộn dây trong quá trình

đóng cuộn dây đ-ợc mắc sao cho tăng lực hút phần ứng,còn ở trạng thái mở

(đóng) ? mắc sao cho dòng điện bé

Với nam châm điẹn xoay chiều, hiện t-ợng tăng c-ờng lực trong quá trình

đóng là tự nhiên, bởi dòng điện khi khe hở lớn gấp nhiều lần khi khe hở

bé

b) Các số liệu ban đầu : d-ợc xác định từ hai nguồn: theo nhiệm vụ

thiết kế và theo các số liệu của các phần tính toán thiết kế và kiểm nghiệm

-Theo nhiệm vụ thiết kế của nam châm điện :

Loại điện áp hay dòng điện, tần số nguồn, phạm vi dao động của nguồn,

chế độ làm việc (dài hạn , ngắn hạn, ) môi tr-ờng làm việc, các yêu cầu

về công nghệ, về vận hành

- Theo tính toán thiết kế và tính toán kiểm nghiệm : chọn kích th-ớc cuộn dây và các chi tiết của nó, chọn cấp cách điện của cuộn dây

B Vật liệu của cuộn dây

Kết cấu của cuộn dây và các số liệu về vật liệu cách điện và vật liệu kết cấu đ-ợc cho ở bảng trong các sổ tay tra cứu Các loại vật liệu của cuộn dây có thể chia thành 4 nhóm :

- Dây quấn : có nhiều loại khác nhau về kích th-ớc,thể loại, tiết diện, cấp cách điện Việc chọn mã hiệu và kích th-ớc dây quấn không

những chỉ dựa vào yêu cầu kỹ thuật mà còn dụă vào tính kinh tế nữa

Trong tất cả cá loại dây, loại bọc nem (email) có nhiều -u điểm hơn cả : bề dày cách điện bé nên giảm d-ợckích th-ớc của cuộn dây loại dây bọc sợi thì bọc bằng tơ lụa mỏng hơn nh-ng đắt

- Vật liệu cách điện dạng ru-lô, tấm và dạng băng dùng để cách điện giữa cuộn dây với khung, giữa các lớp của cụôn dây các vật liệu chủ yếu ở đây là băng vải, lụa, giấy cách điện

- Sơn, các hợp chất cách điện và men dùng để tẩm bọc bề mặt của cuộn dây

- Các vật liệu kết cấu khung và các vật liệu phụ khác : các tông cách

điện, gêtinác, testolit, thiếc, nhựa thông

Trong các bảng (5-8), (5-9), (5-10) trình bày các loại vật liệu này.

C các thông số tính toán của cuộn dây

1 hệ số lấp đầy : của cuộn dây đ-ợc tính bằng tỉ số giữă diện tích thực của dây quấn và diện tích mà cuộn dây chiếm chỗ

Phân biệt hai loai hệ số lấp đầy : của bối dây K ldbd và của cuộn dây

ldcd

bd bd bd

cu ldbdd

h l

w q S

S K

cu ldcd

h l

w q Scd

S K

S cu- diện tích của dây quấn

q-tiết diện của dây quấn

w- số vòng cuộn dây

l,h- chiều dài và chiều cao cuộn dây

Kết cấu của bối dây và khung dây rất đa dạng Vì vậy trị số của hệ

số lấp đầy cuộn dây K ldcddao động trong 1 phạm vi t-ơng đối rộng

Hệ số lấp đầy bối dây K ldbd phụ thuộc vào 3 nhân tố chính, nên có thể coi nó gồm 3 hệ số hợp thành:

cã c¸ch

®iÖn

®-ên

g kÝnh lín nhÊt khi

cã c¸ch

®iÖn



1

-®-ên

g kÝnh lín nhÊt khikh«n

g cã c¸ch

®iÖn mm

®-ên

g kÝnh lín nhÊt khi

cã c¸ch

®iÖn

®-êng kÝnh lín nhÊt khi kh«ng cãc¸c

h ®iÖn

®-ên

g kÝnh lín nhÊt khi

cã c¸ch

5 0,095 0,29 0,330 0,72 0,78 1,40 1,480,08 0,09

5

0,105

0,31 0,350 0,74 0,8 1,45 1,53

0,09 0,10

5

0,115

0,33 0,37 0,77 0,83 1,50 1,58

0,10 0,12

0 0,125 0,35 0,390 0,80 0,86 1,56 1,640,11 0,13

0 0,135 0,38 0,420 0,83 0,89 1,62 1,710,12 0,14

0 0,145 0,41 0,450 0,86 0,92 1,6686 1,770,13 0,15

0

0,155

0,44 0,490 0,90 0,96 1,74 1,83

0,14 0,16

0 0,165 0,47 0,520 0,93 0,99 1,81 1,900,15 0,17

0 0,180 0,49 0,54 0,96 1,02 1,88 1,970,16 0,18

5 0,27 0,64 0,69 1,25 1,33Chú ý : Dây-2 có đ-ờng kính (kể cả cách điện ) lớn hơn so với

-1 theo đ-ờng kính đồng trần : đến 0,14 mm- hơn 0,005 mm,đến 0,33 mm – hơn 0,01mm, đến 0,59 mm- hơn 0,02mm và đến 2,44 mm – hơn 0,03 mm

với dây tròn : Kh =

4

, còn với dây hình chữ nhật Kh = 1

Kk = 0,81 - hệ số không băng phẳng của cuộn dây

 Với dây dẫn tròn , đường kính bé d  0,3mm , nếu quấn không xếp lớp thì Kk = 0,80,9 ;

 Với d  0,3mm , Kk = 0,90,95 , còn nếu quấn theo lớp thật đầu Kk = 1

 Với dây tiết diện chữ nhật : Kk = 1

Ki - hệ số tính đến bề dày cách điện

Hình 5-28 : Hệ số lấp đầy của bối dây

a Bối dây không có tấm lót giữa các lớp

b Bối dây có tấm lót giữa các lớp dây quấn

c Hệ số lấp đầy cho cho các mã hiệu dây khác nhau

1 - dây men

2 - dây men có bọc lớp sợi tơ

3 - dây 2 lớp bọc giấy và lụa thủy tinh

Giới hạn trên : không có các lớp lót , còn giới hạn dưới : có các lớp lót

Với dây quấn tiết diện tròn , quấn theo lớp , hệ số lấp đầy được tính bằng :

Klđbđ = Kh Kk Ki = Kk 2

i

2

d4

d

 (không có lót giữa các lớp)

-trang 282

Klđbđ = Kk

)d

(4

Vói dây hình bàn cờ :

Klđbđ = Kk

i i

2

)5,0()(

Kk và KI - công nghệ dây quấn và bề dày cách điện

CÁC THÔNG SỐ KHÁC CỦA CUỘN DÂY :

Đó là tiết diện dây quấn , số vòng cuộn dây , điện trở cuộn dây … Khi tính toán cuộn dây phải lưu ý rằng điện áp nguồn dao động

từ Umax đến min Vì vậy với tính toán nhiệt , phải lấy :

Ở chế độ làm việc dài hạn , hệ số quá tải dòng Kqt= 1 , còn ở chế

dộ làm việc ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại , hệ số quá tải dòng Kqt 1

a - Cuộn dây điện áp một chiều :

Việc tính toán này dựa vào các phương trình quan hệ giữa sức từ động và các thông số của cuộn dây

U đm

Từ hai công thức trên suy ra :

q =

đm u

qt K U

tb max .l



=

đm

qt U K

d = 

q

4

m

Dựa theo bảng 5.8 , chọn đường kính dây qui chuẩn d và cả cách điện

di Nếu tiết diện dây quấn lớn , nên chọn dạng dây chữ nhật Số vòng cuộn dây :

R = 

q



ltbDòng điện và công suất của cuộn dây :

q

đm

I , A/m2 Với chế độ làm việc dài hạn , j =

24 A/mm2 , còn với các chế độ làm việc khác , mật độ dòng sẽ nhân thêm với hệ số quá tải Kqt .Khâu kiểm nghiệm cuối cùng được tiến hành trong bước tính toán nhiệt của cuộn dây

2 Cuộn dây điện áp , điện xoay chiều :

Số vòng w của cuộn dây điện áp , điện xoay chiều được xác định từ phương trình quan hệ giữa điện áp nguồn , từ thông tbh hay tbtđ , tần số nguồn và số vòng Nếu bỏ qua thành phần điện áp rơi điện trở của cuộn dây khi phần ứng bị hút , có thể viết :

Vì lực điện từ tác động của nam châm điện ở vị trí khe hở tới hạn th

là do giá trị điện áp nguồn bé nhất Umin sinh ra , nên số vòng của cuộn này được tính theo :

w =

tbh

Ir Umin

w

K UK

2



Ir Umin

f44,4

K U

Tiết diện dây quấn được tính theo :