BÀI GIẢNG LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN - LÊ NGỌC TẤN pptx

T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –

––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

1
11
1

TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HUẾ
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HUẾTRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HUẾ
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HUẾ

KHOA ĐIỆN
TỔ BỘ MÔN: CUNG CẤP ĐIỆN

TẬP BÀI GIẢNG
TẬP BÀI GIẢNGTẬP BÀI GIẢNG
TẬP BÀI GIẢNG





MÔN: LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN
MÔN: LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆNMÔN: LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN
MÔN: LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN


(LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Người dạy: Lê Ngọc Tấn

Huế, tháng 6 năm 2012
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn

TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

2
22
2











Lời tựa
Lời tựa Lời tựa

Lời tựa





Do trình độ và thời gian soạn còn nhiều hạn chế, nên trong tập liệu này vẫn còn rất nhiều sai
xót rất mong sự đóng góp giúp đỡ của các thầy cô.
Chân thành cám ơn |

Tài liệu tham khảo
Tài liệu tham khảoTài liệu tham khảo
Tài liệu tham khảo



* Tài liệu chính:
* Tài liệu chính:* Tài liệu chính:
* Tài liệu chính:


1. Khoa Điện - Trường CĐCN Huế, Giáo trình Khí cụ điện, lưu hành nội bộ
2. Phạm Văn Chới, Khí cụ điện, NXB Khoa học KT.
3. Giáo trình khí cụ điện, NXB Giáo dục, 2002.
* Tài liệu tham kh
* Tài liệu tham kh* Tài liệu tham kh
* Tài liệu tham khảo:
ảo:ảo:
ảo:

1. Lê Thành Bắc, Giáo trình thiết bò điện, NXB Khoa học KT.
2. Khí cụ điện & thiết bò tiêu thụ điện hạ áp, NXB Khoa học KT.
3. Tô Đằng - Nguyễn Xuân Phú, Sử dụng và sữa chữa khí cụ điện hạ thế, 2007.

T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

3
33
3


CHƯƠNG 1

CHƯƠNG 1CHƯƠNG 1
CHƯƠNG 1


LÝ THUYẾT CƠ SỞ K
LÝ THUYẾT CƠ SỞ KLÝ THUYẾT CƠ SỞ K
LÝ THUYẾT CƠ SỞ KHÍ CỤ ĐIỆN
HÍ CỤ ĐIỆNHÍ CỤ ĐIỆN
HÍ CỤ ĐIỆN


1.1 Khái niệm, phân loại và các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện
1.1 Khái niệm, phân loại và các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện1.1 Khái niệm, phân loại và các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện
1.1 Khái niệm, phân loại và các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện


1.1.1. Khái niệm
1.1.1. Khái niệm1.1.1. Khái niệm
1.1.1. Khái niệm


Khí cụ điện (KCĐ) là thiết bò điện dùng để điều khiển, kiểm tra, điều chỉnh, khống chế
các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chúng trong trường hợp sự cố.
Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc và kích cỡ khác
nhau. Nó được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, các trạm biến áp, trong các xí
nghiệp… và trong mọi lónh vực của cuộc sống.
1.1.2. Phân loại
1.1.2. Phân loại1.1.2. Phân loại
1.1.2. Phân loại

KCĐ rất đa dạng, rất nhiều chủng loại và được sử dụng ở mọi lónh vực. Do đó, để tiện
cho việc sử dụng và sửa chữa, người ta chia KCĐ thành nhiều nhóm như sau:
a.
a.a.
a.
Theo chức năng



- Nhóm KCĐ đóng cắt


Chức năng chính của nhóm này là đóng cắt tự động hoặc bằng tay lưới điện, mạch điện
ở chế độ làm việc khác nhau. Các KCĐ đóng cắt gồm cầu dao, dao cách ly, dao phụ tải, máy
cắt tự động (áptomát), cầu chì, các bộ chuyển đổi nguồn.
Đặc điểm của nhóm KCĐ đóng cắt là tần số thao tác thấp (thỉnh thoảng mới phải thao
tác). Do đó, tuổi thọ về thao tác của chúng thường không cao (đến khoảng hàng chục ngàn
lần đóng cắt).
Dao cách ly dùng để đóng cắt dòng không tải của mạch điện, máy biến áp, đường dây.
Dao phụ tải dùng để đóng cắt mạch điện khi có tải.
Cầu chì, máy cắt dùng để tự động cắt mạch điện khi bò sự cố như ngắn mạch, quá tải.
- Nhóm KCĐ dùng để hạn chế dòng điện, điện áp.
Nhóm này có chức năng hạn chế dòng điện, điện áp trong mạch không tăng quá cao
khi bò sự cố.
Kháng điện dùng để hạn chế dòng ngắn mạch.
Van chống sét dùng để hạn chế điện áp.
- Nhóm KCĐ dùng để mở máy, điều khiển.
Nhóm này gồm các loại KCĐ như các bộ mở máy, bộ khống chế, điện trở mở máy,
contactor, khởi động từ… Đặc điểm của nhóm này là tần số thao tác cao (có thể lên tới 1500

lần/giờ). Vì vậy, tuổi thọ về thao tác của chúng cao (có thể tới hàng triệu lần đóng cắt).
- Nhóm KCĐ kiểm tra, theo dõi
Nhóm này có chức năng kiểm tra, theo dõi sự làm việc của các đối tượng và biến đổi
các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện. Nó gồm các loại rơle, các bộ cảm biến… Đặc
điểm của nhóm này là công suất thấp, thường được nối mạch ở thứ cấp để biến đổi, truyền
tín hiệu.
- Nhóm KCĐ biến đổi dòng điện, điện áp.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn

TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

4
44
4


Nhóm này gồm máy biến dòng điện và máy biến điện áp, với chức năng biến đổi dòng
điện, điện áp cao (hoặc thấp) thành dòng điện, điện áp có trò số thích hợp, an toàn cho việc
đo lường, điều khiển, bảo vệ.
b. Theo nguyên lý làm việc.
KCĐ được chia theo các nhóm với nguyên lý như: điện từ, điện động, điện cơ, từ điện,
nhiệt, có tiếp xúc và không tiếp xúc.
c.
c.c.
c. Theo nguồn điện.
. .

.


KCĐ được chia theo nguồn điện mà nó hoạt động như: KCĐ một chiều và KCĐ xoay
chiều.
d. Theo độ lớn của điện áp làm việc
Dựa vào điện áp làm việc của khí cụ điện, người ta chia làm các loại sau:
- KCĐ hạ áp: làm việc với điện áp dưới 1000V.
- KCĐ trung áp: làm việc với điện áp từ 1000V đến 36KV.
- KCĐ cao áp: làm việc với điện áp từ 36KV đến 400KV.
- KCĐ siêu cao áp: làm việc với điện áp trên 400KV.
e. Theo điều kiện môi trường
Dựa vào môi trường làm việc chia làm các loại như: KCĐ làm việc trong nhà, KCĐ
làm việc ngoài trời, KCĐ làm việc trong môi trường dễ cháy nổ…
Tóm lại, tuỳ theo chức năng và điều kiện làm việc, các KCĐ có các yêu cầu cụ thể, riêng
biệt, nhưng yêu cầu cơ bản nhất vẫn là các yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế.


1.1.3. Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện
1.1.3. Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện1.1.3. Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện
1.1.3. Các yêu cầu cơ bản của khí cụ điện


- KCĐ phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số đònh mức. Nghóa là được sử
dụng ở dòng điện, điện áp, tần số… không được vượt quá trò số cho phép.
- KCĐ phải ổn đònh nhiệt và ổn đònh điện động. Vật liệu phải chòu nóng tốt và có
cường độ cơ khí cao, vì khi bò quá tải hay ngắn mạch, dòng điện lớn, phát sinh nhiệt cao có
thể làm hư hỏng hay biến dạng KCĐ.
- Vật liệu cách điện phải tốt để khi xảy ra quá điện áp trong phạm vi cho phép, KCĐ
không bò hư hỏng.

- KCĐ phải đảm bảo làm việc được chính xác, an toàn, song phải gọn nhẹ, rẻ tiền và
dễ gia công, lắp ráp, kiểm tra và sửa chữa.
- Ngoài ra, KCĐ phải làm việc ổn đònh ở các điều kiện khí hậu và môi trường yêu
cầu.
1.
1.1.
1.2
22
2.

.

HỒ QUANG ĐIỆN.
HỒ QUANG ĐIỆN. HỒ QUANG ĐIỆN.
HỒ QUANG ĐIỆN.


Hồ quang điện là sự phóng điện mạnh và duy trì trong chất khí, nó đạt giá trò dòng điện
tương đối lớn và điện áp rơi trên thân hồ quang tương đối nhỏ.
Do đặc điểm phóng điện trên hồ quang cũng phải tuân thủ những nguyên tắc cơ bản
của sự phóng điện về điều kiện điện áp và môi trường.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT

LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

5

55
5


1.
1.1.
1.2
22
2.1.
.1 1.
.1.

Đặc tính phóng điện trong chất khí.
Đặc tính phóng điện trong chất khí.Đặc tính phóng điện trong chất khí.
Đặc tính phóng điện trong chất khí.




Phóng điện trong chất khí là toàn bộ các hiện tượng dẫn đến sự xuất hiện dòng điện
xuyên qua khoảng cách khí dưới tác dụng của điện trường. Hình 1.12 biểu diễn quan hệ giữa
dòng và áp qua các giai đoạn phát triển phóng điện của một khoảng cách không khí giữa hai
điện trường. Sự phóng điện trong không khí gồm các giai đoạn như sau:

Hình 1.12. Đặc tính phóng điện trong không khí.
Sự dẫn điện trong chất khí là sự phóng điện giữa các điện cực khi điện áp đạt tới một
giá trò nhất đònh. Quan sát sự phóng điện giữa dòng điện phóng và điện áp giữa hai điện cực
với một khoảng cách nhất đònh chúng ta thấy:
- Ở đoạn OA: tương ứng với sự phóng điện duy trì do các hạt mang điện gây ra từ sự
ion hoá tự nhiên, đoạn này dòng điện tăng tuyến tính với điện áp.

- Đoạn AB: có sự phát sinh các ion hoá do sự va đập trong quá trình di chuyển của các
ion. Dòng điện hầu như không tăng theo điện áp vì các hạt điện tích sinh ra từ hiện tượng ion
hoá tự nhiên đều tái hợp tại điện cực.
- Đoạn BC: tương ứng với sự phóng điện chọc thủng trong môi trường khí khi công
suất nguồn đủ lớn, dòng điện đạt vài mA. Sự chọc thủng bây giờ là sự phóng điện lạnh.
- Đoạn CD: tương ứng với sự tăng nhanh của dòng điện so với điện áp và phát sinh
hiện tượng với sự phóng điện là các tia sáng như tia lửa, gọi là tia lửa điện. Tia lửa điện có
mật độ dòng nhỏ, điện áp trên hai cực rất cao khoảng vài trăm Volt.
- Tại điểm D: sự phóng điện mạnh khoảng 0,1A và điện áp sụt theo dòng điện phóng
một cách nhanh chóng. Đó là quá trình hình thành sự phóng điện hồ quang (mật độ dòng
điện lớn, điện áp nhỏ khoảng vài chục Votl).
- Đoạn DE: tương ứng với hiện tương phóng tia lửa điện nếu công suất nguồn nhỏ và
hồ quang chỉ thực sự phát sinh khi công suất nguồn và cường độ điện trường đủ lớn.
1.
1.1.
1.2
22
2.2.
.2 2.
.2.

Quá trình hình thành và đặc điểm của hồ quang điện.
Quá trình hình thành và đặc điểm của hồ quang điện.Quá trình hình thành và đặc điểm của hồ quang điện.
Quá trình hình thành và đặc điểm của hồ quang điện.


a. Đồi với tiếp điểm có dòng nhỏ.
Đồi với tiếp điểm có dòng nhỏ.Đồi với tiếp điểm có dòng nhỏ.
Đồi với tiếp điểm có dòng nhỏ.

Ban đầu khoảng cách tiếp điểm rất bé, Do đó điện trường đặt lên điện cực rất cao.
Nếu đạt E > 3.10
7
V/m dẫn đến phát xạ electron tự do. Khi mật độ electron phát xạ lớn có
thể phát sinh hồ quang từ sự phóng điện.


C

D

E
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

6
66
6


f.
f.f.
f. Đối với tiếp điểm có dòng lớn.
Đối với tiếp điểm có dòng lớn. Đối với tiếp điểm có dòng lớn.

Đối với tiếp điểm có dòng lớn.


Lúc mở tiếp điểm lực ép tiếp điểm giảm. Tiết diện tiếp xúc thực tế nhỏ dần dẫn tới
mật độ dòng điện tăng cao khoảng vài trăm A/mm
2
. Sự phát nóng do mật độ cao làm kim
loại tại điểm tiếp xúc chảy lỏng thành giọt. Khi các tiếp điểm tiếp tục rời xa nhau giọt chất
lỏng bò kéo căng thành các cầu chất lỏng. Nhiệt độ tiếp xúc càng tăng cao dẫn đến chất lỏng
kim loại bốc hơi và quá trình phát nóng rất nhanh gây nổ cùng sự ion hóa phát triển nhanh do
điện trường lớn dẫn đến hình thành hồ quang. Quá trình này thường kéo theo sự mài mòn
tiếp điểm.
g.
g.g.
g. Đặc điểm của hồ quang điện.
Đặc điểm của hồ quang điện.Đặc điểm của hồ quang điện.
Đặc điểm của hồ quang điện.


Hồ quang điện là sự phóng điện mạnh và duy trì trong chất khí nó đạt giá trò dòng điện
tương đối lớn và điện áp trên thân hồ quang tương đối nhỏ. Có thể nêu ra một số đặc điểm
đặc biệt của hồ quang là:
- Giữa hai điện cực hình thành luồng sáng chói loà và có phân biệt rõ ràng.
- Nhiệt độ hồ quang rất cao 5.000 ÷ 50.000
0
K.
- Mật độ dòng rất lớn từ 10 – 10
6
A/cm
2

.
1.
1.1.
1.2
22
2.3.
.3 3.
.3.

Tính chất chung củ
Tính chất chung củTính chất chung củ
Tính chất chung của hồ quang.
a hồ quang.a hồ quang.
a hồ quang.


Sự phân bố điện áp trên toàn bộ chiều dài
hồ quang không đều. Chiều dài hồ quang có thể
phân thành 3 đoạn:
- Vệt Cathode: chiếm một khoảng cách
rất bé tính từ điện cực cathode có chiều dài ∆l
vào khoảng 10
6
m và điện áp rơi ∆U
C
vào
khoảng (10 ÷ 20)V và không phụ thuộc chiều
dài hồ quang, điện trường ở đây rất lớn (10
7
÷

10
8
V/m). Vệt cathode có thể làm kim loại nóng
chảy, vệt sáng chói lòa. Chủ yếu nhiệt độ sinh
ra do sự va đập giữa các điện tích e phát xạ từ
cathode và khối ion dương di chuyển về điện cực này.
- Vệt anode: có độ dài khoảng 10
-6
m có điện áp rơi ∆U
A
≈ ∆U
C
khoảng (10 ÷ 20V).
Sự hình thành các vệt anode là do các điện tích e
-
tập trung về quanh anode và e
-
giải phóng
nhiệt lïng của mình tích luỹ trong quá trình di chuyển. Vệt anode cũng sáng chói loà như
vệt cathode và nhiệt độ ở đây còn cao hơn ở cathode.
Hình 1.13. quá trình ion hoá do hồ quang sinh ra.

Hình 1.14. phân bố điện áp hồ quang.

T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng

ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang

Trang

7
77
7


- Thân hồ quang: khoảng sáng còn lại giữa hai vệt chói sáng ở điện cực được gọi là
thân hồ quang.Thân hồ quang có điện trường vào khoảng (1.000 ÷ 5.000 )V/m. Điện áp thân
hồ quang là phần còn lại của điện áp hồ quang sau khi trừ đi điện áp rơi trên 2 vệt điện cực.
Từ hình 1.14 cũng cho thấy do cường độ điện trường phân bố không đồng nhất trên
chiếu dài của hồ quang, làm cho quá trình cháy của hồ quang phức tạp hơn. Trong thực tế để
dễ dàng dập tắt hồ quang, người ta dùng phương pháp phân bố lại hồ quang bằng các vách
ngăn kim loại.
Ở hồ quang ngắn 2 vệt anode và cathode chiếm gần hết điện áp và chiều dài hồ quang
nên phần thân hồ quang gần như không còn phân biệt rõ. Hồ quang ngắn:
U
n
= ∆U
A
+ ∆U
C
(∆U
th
≈ 0). Đối với hồ quang ngắn các điều kiện cháy và dập tắt hồ quang
được xác đònh chủ yếu bởi các hiện tượng xảy ra ở các điện cực.
Ở hồ quang dài 2 vệt sáng chói nhỏ chiếm ở 2 phía đầu điện cực, còn vệt sáng kéo dài
giữa hai vệt chói lòa gọi là thân hồ quang, chiều dài thân hồ quang chiếm hầu hết chiều dài
hồ quang. Đối với hồ quang dài các điều kiện duy trì và dập tắt hồ quang được xác đònh chủ
yếu do môi trường cháy ở thân hồ quang.

Người ta phân biệt hồ quang ngắn, dài phụ thuộc vào điện áp hồ quang so với điện áp
rơi trên các phần của hồ quang, hoàn toàn không do khoảng cách hình học.
1.
1.1.
1.2
22
2.4.
.4 4.
.4.

Đặc tính volt
Đặc tính voltĐặc tính volt
Đặc tính volt-

-amper của hồ quang.
amper của hồ quang.amper của hồ quang.
amper của hồ quang.


Đặc tính V-A của hồ quang biểu diễn quan hệ giữa dòng điện và điện áp của hồ quang
U = f(i) như hình 1.15. Đặc tính V-A của hồ quang có một số đặc điểm sau:

Hình 1.15. Đặc tính Volt – ampe của hồ quang xoay chiều.
- Tồn tại giới hạn điện áp mà ở đó hồ quang bật cháy xác đònh được gọi là U
c.
Nếu
nguồn thấp hơn U
c
thì sự phóng điện hồ quang không thể xảy ra.
- Đường đặc tính của hồ quang không tuyến tính, không đồng nhất ở hai chiều tăng

giảm. Ở chiều giảm dòng qua hồ quang điện áp tăng trở lại, nhưng giới hạn điện áp giữa hai
điện cực khi hồ quang tắt thấp hơn giới hạn cháy gọi là U
t
.
- Đặc tính hồ quang phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điện cực, khi khoảng cách
tăng đường đặc tính tăng cao tồn tại U
c
và U
t
cao hơn.
- Đặc tính hồ quang còn phụ thuôïc đặc tính môi trường vật lý giữa hai điện cực, khi
cường độ khử ion càng mạnh thì đường đặc tính càng nâng cao hơn.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

8
88
8


Đặc tính volt-amper của hồ quang ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như dòng điện, chiều dài
hồ quang, vật liệu làm tiếp điểm và môi trường cháy của hồ quang. Tất cả quan hệ này được
biểu diễn qua hệ thức Ayrton:
U
hq

= A + Bl + (C + Dl)/ i
aT
(1.68)
trong đó: A,B,C,D là những hệ số phụ thuộc vào vật liệu tiếp điểm.
B,D còn phụ thuộc vào môi trường cháy.
a: là hệ số nhiệt.
T:là nhiệt độ
0
K.
Ta có thể xem xét một vài giá trò A,B, C, D của một số vật liệu môi trøng cháy không
khí tự nhiên.
Vật liệu A (V) B (V/cm) C (VA) D (VA/m)
Graphit 38,8 20,7 11,6 10,34
Cu 21,4 30 10,7 15,2
Ag 14,2 36 11,4 19
Au 20,82 4,62 12,17 20,97
Ni 17,14 3,89 12,17 17,48
Fe 15,73 2,52 9,44 15,02
Platin (Pt) 24,29 4,8 9,44 20,33

- Khi chiều dài l ≈ 0 lúc đó ta có thể tính:
U
hồ quang
= A + C/ i
n
(1.69)
với n = aT; n = 0.45 ÷ 0.72; n
Cu
= 0,67.
- Khi chiều dài l = const.

đặt: A+ Bl = A’
C + Dl = C’ → U
hồ quang
= A’+ C’/ i
n

- Khi I > 20A i
n
→∞.
Do đó: [(C + Dl) / i
n
] → 0 → U
hồ quang
= A + Bl




1.
1.1.
1.2
22
2.5.
.5 5.
.5.

Dập tắt hồ quang điện của dòng điện một chiều.
Dập tắt hồ quang điện của dòng điện một chiều.Dập tắt hồ quang điện của dòng điện một chiều.
Dập tắt hồ quang điện của dòng điện một chiều.

a. Điều kiện cháy và dập tắt của hồ quang.
Điều kiện cháy và dập tắt của hồ quang.Điều kiện cháy và dập tắt của hồ quang.
Điều kiện cháy và dập tắt của hồ quang.


Xét hồ quang sinh ra và bò dập tắt trong tiếp điểm như mạch điện với nguồn điện DC
như hình 1.16.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn

TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

9
99
9


Phương trình cân bằng điện áp có dạng như sau:
u = iR + Ldi/dt + u
h
(1.70)
Khi hồ quang cháy ổn đònh: di/dt = 0
Phương trình có dạng: u = iR+ u
h
(1.71)
Từ các phương trình trên, xây dựng đồ thò điển hình mạch điện hồ quang (hình 1.17).

Đường 1 u = f(i) = const
Đường 2 u = f(i) = u- iR
Đường 3 u
h
= f(i)
Vùng gạch chéo là vùng di/dt:
Dấu ( + ) vùng di/dt > 0,
Dấu ( – ) vùng di/dt < 0.
Hai đường 2, 3 có thể không giao nhau, tiếp xúc nhau hay giao cắt nhau tại hai điểm A,
B.
Khi hồ quang cháy ổn đònh di/dt = 0 và hai đường 2, 3 cắt nhau tại hai điểm A, B.
Xét tại điểm A:
Xét tại điểm A:Xét tại điểm A:
Xét tại điểm A:


Nếu i
A
biến thiên một lượng +∆i → Ldi/dt > 0 làm cho dòng điện trong mạch hồ quang
tăng từ i
A
→ i
B
.
Nếu i
A
giảm một lượng -∆i sẽ dẫn tới di/dt < 0 làm cho dòng điện trong mạch càng
giảm hơn và giảm về 0, đồng thời u
h
> u – iR.

Hình 1.16. sơ đồ mạch

Hình 1.17.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –

––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

10
1010
10


Từ nhận xét trên ta thấy A là điểm cháy không ổn đònh của hồ quang và điều kiện tắt
của hồ quang là i giảm về 0 và u – iR ≤ u
h
.
Xét tại điểm B
Xét tại điểm BXét tại điểm B
Xét tại điểm B:
Nếu i
B
tăng một lượng +∆i → Ldi/dt < 0 làm dòng giảm trở lại i
B
.
Nếu i
B

giảm một lượng -∆i sẽ dẫn tới Ldi/dt > 0 làm dòng I tăng trở lại i
B
.
Từ nhận xét trên ta thấy điểm B là điểm cháy ổn đònh của hồ quang.
Do đó điều kiện cháy ổn đònh của hồ quang là hai đường 2, 3 phải cắt nhau và chỉ có
điểm B là cháy ổn đònh mà thôi.
Khi hồ quang cháy ổn đònh di/dt = 0 và hai đường 2, 3 tiếp xúc nhau tại điểm C.
Xét tại điểm C:
Xét tại điểm C: Xét tại điểm C:
Xét tại điểm C:


Hai đường 2, 3 tiếp xúc nhau và hai vùng Ldi/dt đều có giá trò âm vì u
h
> u – IR .
Nếu vì lý do nào đó mà i
C
tăng một lượng +∆i→ Ldi/dt < 0 sẽ làm dòng i giảm về giá
trò i
C
của hồ quang.
Nếu vì lý do nào đó mà i
C
giảm một lượng -∆i → Ldi/dt < 0 lại làm giảm dòng i về 0
và hồ quang bò tắt.
Từ nhận xét trên, ta thấy điểm C gọi là điểm tới hạn. Tại đây nếu đường 3 thay đổi hạ
xuống cắt đường 2 sẽ duy trì hồ quang ổn đònh tại B và nếu làm cho đường 3 nâng lên không
tiếp xúc nữa sẽ không thể sinh ra hồ quang được vì u
h
> u – iR.

Vậy u – iR ≤ u
h
là điều kiện tắt của hồ quang.
. .
. Điều này đồng nghóa với việc làm giảm
dòng i → 0 trong điều kiện đạt tới chế độ tới hạn và điểm tới hạn.



Tóm lại:
Tóm lại: Tóm lại:
Tóm lại:


- Với mạch chỉ có R: điều kiện để tắt hồ quang là u
hồ quang
= u
0
điện áp nguồn.
(u
hồ quang
được tính bởi công thức quan hệ điện áp hồ quang).
- Với mạch điện có R và L khi dòng i dần về 0, iR = 0, còn Ldi/dt < 0 thì điều kiện
dập tắt hồ quang là:
U
h
= U
0
– Ldi/dt > U
0

(1.79)
Hình 1.18.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––

– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

11
1111
11


Hình 1.19. sự phục hồi điện áp khí dập tắt
hồ
quang.

h.
h.h.
h. Hiện tượng quá điện áp khi dập tắt
Hiện tượng quá điện áp khi dập tắtHiện tượng quá điện áp khi dập tắt
Hiện tượng quá điện áp khi dập tắt hồ quang điện DC.
hồ quang điện DC. hồ quang điện DC.
hồ quang điện DC.



Khi hồ quang tắt, dòng điện trong mạch giảm dần về giá trò 0. Khi đó, điện áp có xu

hướng tăng lên tới giá trò điện áp nguồn, quá trình này gọi là quá trình phục hồi điện áp. Tuy
nhiên khi tăng từ U
h
đến U
0
tùy thuộc vào tốc độ suy giảm dòng điện và giá trò tự cảm L mà
mạch có thể xảy ra quá điện áp:
U
h
= U
0
– Ldi/dt > U
0
(1.80)
Điều này có nghóa là điện áp xuất hiện trên hai điện cực hồ quang lớn hơn giá trò điện
áp nguồn.
- Đường 3 đồ thò điện áp đặt lên phụ tải R-L.
- Đường 2 đồ thò dòng điện hồ quang.
- Đường 1 đồ thò điện áp hồ quang đặt trên hai điện cực tiếp điểm.
l
hq
= v
cđ.
τ (1.81)
v
cđ
: vận tốc chuyển động của tiếp điểm.
τ: thời gian mà dòng điện giảm từ giá trò đang làm việc về tới 0 hay là thời gian dập tắt
hồ quang.
1.

1.1.
1.2
22
2.6.
.6 6.
.6.

Dập tắt hồ quang điện của dòng điện xoay chiều.
Dập tắt hồ quang điện của dòng điện xoay chiều. Dập tắt hồ quang điện của dòng điện xoay chiều.
Dập tắt hồ quang điện của dòng điện xoay chiều.


Đối với dòng điện AC hình sin, dòng điện trong mạch không ngừng thay đổi trong mỗi
chu kỳ về cả độ lớn và cả chiều dòng điện. Vì vậy, khi phân tích hồ quang điện AC ta phải
xét đặc tính động của hồ quang, nghóa là xét cả ở góc phần tư thứ nhất và góc phần tư thứ ba
của đồ thò khi dòng điện, điện áp đổi chiều.
Như đã biết, quá trình sinh ra hồ quang xuất hiện khi ngắt mạch điện. Với mạch điện
xoay chiều, dòng điện và điện áp không trùng pha với nhau là do có sự có mặt của tổng trở Z
của tải. Để thuận lợi, ta có thể xem xét từ hai trường hợp đặc biệt:
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

12
1212
12

Tải thuần trở, dòng điện và điện áp trùng pha.
Tải thuần kháng, dòng điện và điện áp lệch pha 90
o
.
a. Xét với tải thuần trở (xem như l = const).
Xét với tải thuần trở (xem như l = const). Xét với tải thuần trở (xem như l = const).
Xét với tải thuần trở (xem như l = const).


Hồ quang tải thuần trở:
Để đơn giản ta xét thời điểm t = 0 khi bắt đầu ngắt mạch điện cũng là lúc dòng điện và
điện áp qua điểm 0.
Do hồ quang chỉ phát sinh khi lớn hơn giới hạn U
c
nên trong khoảng thời gian t
1
đầu chu
kỳ, điện áp hồ quang tăng dần theo đúng như điện áp của nguồn và dòng điện hồ quang là
dòng phóng điện qua hai tiếp điểm ngắt mạch tăng rất ít theo điện áp.
Chấm dứt thời gian t
1
, điện áp đặt lên hai tiếp điểm đạt tới U
c
, dẫn đến phát sinh hồ
quang, làm đường điện áp hồ quang giảm xuống như đặc tính hồ quang, dòng điện hồ quang
tăng theo sự tăng của nguồn.
Ở gần cuối bán kỳ đầu, điện áp nguồn giảm xuống và dòng điện hồ quang giảm theo.
Trùc đó, dòng I

hồ quang
giảm dần và U
hq
tăng dần tới U
t.
. Khi tới thời điểm t= π⁄ω - t
2,
điện áp
đặt trên 2 tiếp điểm và dòng hồ quang giảm xuống giới hạn, dòng và điện áp hồ quang giảm
dần về 0 theo điện áp nguồn.
i.
i.i.
i. Xét với tà
Xét với tàXét với tà
Xét với tài thuần kháng:
i thuần kháng: i thuần kháng:
i thuần kháng:


Trong trường hợp này, dòng điện trong mạch lệch pha so với điện áp nguồn 1 góc π/2.
Giả sử hồ quang đang cháy tại thời điểm t = 0, trong mạch có dòng điện là i
hq
. Tại thời điểm t
= π /2ω, dòng điện trong mạch giảm xuống 0. Lúc này, điện áp nguồn đang đạt giá trò cao
nhưng ngược lại với hướng dòng điện lúc trước đó, hồ quang bùng cháy lại sau thời gian t
1

phụ thuộc điện áp phục hồi và tần số dao động riêng của mạch. Thông thường, tần số dao
động riệng này cao hơn rất nhiều so với tần số của nguồn. Vì những lý do đó nên thời gian
nghỉ của hồ quang rất ngắn và điện áp phát cháy lại của hồ quang cũng thấp. Do đó với tải

thuần cảm rất thuận lợi cho hồ quang cháy bền vững. Vì vậy, khi cần thiết phải duy trì hồ
quang điện AC, người ta thường mắc nối tiếp với điện cực các phần tử có L cao.

Hình 1.20. hồ qua
ng khi tải thuần trở.




T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng

ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

13
1313
13


Trong thực tế, các tải AC không đơn thuần là thuần trở hay thuần cảm mà kết hợp cả 2
yếu tố trở và cảm nên ta xác đònh trò số cosϕ của tải. Trong đó ϕ là góc lệch pha giữa dòng
điện và điện áp, nên sự cháy lại của hồ quang ở các chu kỳ tiếp theo được xác đònh khi điện
áp phục hồi U
fh
đủ đánh thủng độ bền điện của môi trường giữa 2 điện cực U
b
.

j.
j.j.
j. Năng lượng hồ quang điện xoay chiều:
Năng lượng hồ quang điện xoay chiều: Năng lượng hồ quang điện xoay chiều:
Năng lượng hồ quang điện xoay chiều:


Về nguyên lý hồ quang AC có thể bò dập tắt bởi phương pháp sau:


- Hồ quang bò dập tắt cưỡng bức trong 1 thời gian rất ngắn. Trong trường hợp này
mạch điện xảy ra các hiện tượng gắn liền với sự cưỡng bức, dòng hạ xuống trò số 0 gần như
ở hồ quang DC. Do vậy, luôn xuất hiện hiện tượng quá áp như đã nghiên cứu ở phần hồ
quang DC.
- Hồ quang coi như bò dập tắt nếu tạo được điều kiện để nó không phát sinh trở lại
trong nửa chu kỳ tiếp theo, vì tại thời điểm hồ quang tắt dòng điện đi qua trò số 0. Do vậy,
năng lượng điện từ dự trữ trong mạch cũng bằng 0. Quá điện áp trong trường hợp này là do
điện dung của mạch điện. Trong trường hợp xấu nhất, biên độ điện áp giữa các điện cực có
thể bằng 2 lần điện áp phục hồi. Như vậy, đối với các thiết bò đóng ngắt hạ áp, quá điện áp
lớn nhất ∆U ở tải thuần kháng cũng không lớn hơn
U.2
.
Năng lượng hồ quang được tính:
( )
∫
=
−=
ω
π
.

0

n
t
hq
dtiRiUW
(1.82)
Với n là số lượng bán kỳ trong khoảng thời gian cháy của hồ quang. Khác với dòng DC,
ở đây toàn bộ năng lượng điện từ được đưa trở về nguồn.
Với trường hợp (a), dòng được ngắt trước khi qua trò số 0 thì 1 phần năng lượng điện từ
sẽ không được đưa trở về nguồn mà cung cấp cho hồ quang.
Do đo,ù đứng trên quan điểm năng lượng mà xét thì ngắt mạch dòng AC dễ hơn ngắt
mạch dòng DC cùng một công suất.
1.
1.1.
1.2
22
2.7.
.7 7.
.7.

dập tắt hồ quang.
dập tắt hồ quang. dập tắt hồ quang.
dập tắt hồ quang.


a. Yêu cầu:
Yêu cầu:Yêu cầu:
Yêu cầu:

Hình 1.21. hồ quang khi tải thuần cảm.

T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –

––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

14
1414
14


Hồ quang phải được dập tắt trong khu vực hạn chế với thời gian ngắn nhất, tốc độ mở
tiếp điểm phải lớn mà không làm hư hỏng các bộ phận của khí cụ điện. Đồng thời, năng
lượng hồ quang phải đạt giá trò bé nhất. Nhiệt do hồ quang phải được tiêu tán nhanh, điện trở
hồ quang phải tăng nhanh. Việc dập tắt hồ quang không được kéo theo quá điện áp nguy
hiểm, tiếng kêu nhỏ và ánh sáng không quá mạnh. Thiết bò dập hồ quang phải gọn nhẹ dễ
lắp đặt và giá thành thấp.
k.
k.k.
k. Biện pháp:
Biện pháp: Biện pháp:
Biện pháp:


Làm tiêu tán nhiệt lượng của hồ quang:

- Dùng từ trường thổi hồ quang chuyển động nhanh.
- Dùng khí hay dàn thổi dập hồ quang.
- Dùng khe hở hẹp để hồ quang cọ sát vào vách tấm giải nhiệt.
Tăng độ dài của hồ quang:
- Tạo thành chân không không gian hồ quang.
- Phát sinh khí khử ion để dập tắt hồ quang.
Thay đổi điện áp hồ quang bằng cách phân hồ quang thành nhiều hồ quang ngắn nhờ
các vách kim loại.
Thường thì áp dụng đồng thời nhiều biện pháp để dập hồ quang hiệu quả hơn.
Cụ thể như sau:
- Kéo dài hồ quang bằng biện pháp cơ khí: Đây là phương pháp khá đơn giản. Khoảng cách
giữa các đầu tiếp xúc tăng nhanh, hồ quang bò kéo dài, không khí bò hồ quang đốt nóng bốc
lên, làm hồ quang bò thổi lên phía trên. Lúc đó, ở hai phần hồ quang sẽ xuất hiện tác dụng
tương hỗ (lực điện động), đẩy và làm đứt hồ quang.

- Phương pháp thổi bằng từ trường: Người ta đặt cuộn dây thổi từ cạnh 2 đầu tiếp xúc nối
tiếp với dòng điện trong mạch, lực điện từ sẽ kéo và thổi tắt hồ quang

- Phương pháp thổi bằng cách sinh khí và khí nén: Khe hở sinh ra hồ quang đặt trong một
hộp chế tạo bằng vật liệu sinh khí. Khi hồ quang phát sinh, thành hộp bò đốt nóng ra sinh khí
áp suất cao thổi dập tắt hồ quang.

T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :

: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

1
11
15
55
5



- Phương pháp chia nhỏ hồ quang bằng cách tử: Đặt khe hở sinh hồ quang trong một hộp khí,
phía trong hộp có đặt các tấm thép chòu nhiệt. Khí trong hồ quang phát sinh dưới áp lực của
không khí bò đốt cháy đẩy hồ quang vào sâu trong các tấm cách tử, bò chia nhỏ, làm nguội và
dập tắt.

- Phương pháp dập tắt hồ quang trong môi trường dầu biến áp, áp dụng máy cắt nhiều dầu và
ít dầu.
- Phương pháp dập tắt hồ quang bằng khí nén, áp dụng máy cắt khí nén.
- Phương pháp dập tắt hồ quang bằng khí SF6, áp dụng máy cắt khí SF6
- Phương pháp dập tắt hồ quang bằng chân không, áp dụng máy cắt chân không.
*
**
*

CÁC TIÊU CHUẨN CO
CÁC TIÊU CHUẨN COCÁC TIÊU CHUẨN CO
CÁC TIÊU CHUẨN CÓ LIÊN QUAN ĐẾN KH
Ù LIÊN QUAN ĐẾN KHÙ LIÊN QUAN ĐẾN KH
Ù LIÊN QUAN ĐẾN KHÍ CỤ ĐIỆN.
Í CỤ ĐIỆN.Í CỤ ĐIỆN.
Í CỤ ĐIỆN.

Tiêu chuẩn IEC
IEC IEC
IEC (International Electrotechnical Committee): tiêu chuẩn kỹ thuật điện
của thế giới.
Tiêu chuẩn ANSI
ANSI ANSI
ANSI và CSA
CSA CSA
CSA (American and canadian National Standard Institute): tiêu
chuẩn của Mỹ.
Tiêu chuẩn NEMA
NEMA NEMA
NEMA và CEMA
CEMA CEMA
CEMA (National Electrical Manufacturer Association): tiêu
chuẩn của hiệp hội công nghiệp sản xuất sản phẩm điện.
Tiêu chuẩn CENELEC
CENELECCENELEC
CENELEC (European Committee): tiêu chuẩn của Châu Âu.
Tiêu chuẩn UTE
UTEUTE
UTE (French Committee): tiêu chuẩn của nước Pháp.
1.
1.1.
1.3
33
3.

.

LỰC ĐIỆN ĐỘNG.
LỰC ĐIỆN ĐỘNG.LỰC ĐIỆN ĐỘNG.
LỰC ĐIỆN ĐỘNG.


1.
1.1.
1.3
33
3.1.
.1 1.
.1.

Tổng quan.
Tổng quan. Tổng quan.
Tổng quan.


Lực điện động (LĐĐ) là lực sinh ra khi vật dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường.
Lực đó tác dụng lên vật dẫn và có xu hướng làm thay đổi hình dáng vật dẫn để từ thông
xuyên qua mạch vòng có giá trò cực đại.
Như chúng ta đã biết khi dòng điện chuyển động trong vật dẫn thì luôn luôn sinh ra
xung quanh nó từ trường chuyển động. Từ trường này có thể tác dụng với tất cả vật dẫn dòng
điện nằm trong vùng ảnh hưởng của nó và từ trường này cũng tác dụng ngay với chính dòng
điện sinh ra nó. Lực tác dụng do dòng điện và từ trường sinh ra này đều được gọi là lực điện
động.
Chiều của lực điện động được xác đònh bằng quy tắc bàn tay trái hay bằng nguyên lý
chung: chiều của lực tác dụng lên vật dẫn mang dòng điện là chiều biến đổi hình học hình
T

TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –

––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

16
1616
16


dạng của mạch vòng dẫn điện sao cho từ thông mắc vòng qua nó tăng lên nghóa là tăng vùng
diện tích nơi có từ cảm B đi qua.

Hình 1.4: lực điện động do hai vật dẫn có dòng điện cùng chiều và ngược chiều.
Trong điều kiện làm việc bình thường, dòng điện chạy trong vật dẫn không lớn lắm, lực
điện động không gây nên biến dạng các chi tiết mang dòng điện. Nhưng khi có sự cố ngắn
mạch, các LĐĐ này sẽ rất lớn gây biến dạng vật thể mang điện làm ảnh hưởng đến điều
kiện làm việc cho phép của khí cụ điện. Do vậy nghiên cứu và tính toán lực điện động là rất
cần thiết cho việc thiết kế và sử dụng hiệu quả khí cụ điện.
1.
1.1.
1.3
33
3.2.
.2 2.
.2.

Tính toán lực điện động khi các vật dẫn mang dòng DC.

Tính toán lực điện động khi các vật dẫn mang dòng DC.Tính toán lực điện động khi các vật dẫn mang dòng DC.
Tính toán lực điện động khi các vật dẫn mang dòng DC.


Có thể tính lực điện động bằng hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất dùng đònh luật
Biot-Savart-Laplace hoặc dùng đònh luật bảo toàn năng lượng.
a. Phương pháp thứ nhất dùng đònh luật Biot
Phương pháp thứ nhất dùng đònh luật BiotPhương pháp thứ nhất dùng đònh luật Biot
Phương pháp thứ nhất dùng đònh luật Biot-

-Savart
SavartSavart
Savart-

-Laplace.
Laplace.Laplace.
Laplace.


Trong trường hợp chung nhất có thể xem LĐĐ được sinh ra khi có sự tác động tương hỗ
giữa dòng điện và từ trường. Theo đònh luật Biot-Savart-Laplace, vi phân LĐĐ tác dụng lên
dòng điện i trên chiều dài của đoạn dl nằm trong từ trường có từ cảm B được xác đònh bởi
tích vectơ dl và vectơ B:
Bxlidfd
r
r
r
=
(1.33)
Khi vectơ dl có chiều theo dòng i thì LĐĐ dF thẳng góc với cả hai vectơ dl và B, có độ

lớn là:
dF = i.B.sinϕ. dl (1.34)
(ϕ: là góc giữa vectơ dl và vectơ B)
Nếu từ trường B không đổi tại mọi điểm dòng điện i chạy trên toàn bộ chiều dài l của
dây dẫn thẳng thì LĐĐ có giá trò như sau:
F = i.l.B.sinϕ (1.35)
khi ϕ = 90
0
thì:
F = i.l.B (1.36)
Công thức Biot-Savart-Laplace dùng để xác đònh LĐĐ khi ta có thể biểu diễn từ cảm B
bằng một biểu thức phân tích phụ thuộc vào kích thước hình dạng mạch vòng dẫn điện.
b,
b, b,
b, Phương pháp tính lực điện động theo đònh luật cân bằng năng lượng.
Phương pháp tính lực điện động theo đònh luật cân bằng năng lượng. Phương pháp tính lực điện động theo đònh luật cân bằng năng lượng.
Phương pháp tính lực điện động theo đònh luật cân bằng năng lượng.


Hiện tượng phát sinh LĐĐ là hiện tượng biến đổi năng lượng điện từ tích trong mạch
điện thành cơ năng.
Lực điện động là lực cơ học. Đònh nghóa lực cơ học là sự biến đổi cơ năng trên 1 đoạn
chuyển dòch. Từ đó đònh nghóa lực điện động là sự biến đổi của năng lượng điện từ trên 1
đoạn dòch chuyển của mạch điện.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng

ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang

Trang

17
1717
17


constI
M
dx
dW
F
=
=
(1.37)
Trong đó: W
M:
năng lượng điện từ của mạch điện ( Ws ).
dx: đoạn dòch chuyển của mạch điện.
Biết rằng năng lượng điện từ trong 1 mạch điện:
Φ== .
2
1

2
1
2
IILW
M
(Ws) (1.38)

với: I: cường độ dòng điện (A).
L: điện cảm của mạch (H).
Φ: từ thông trong mạch (Vs).
Từ đó, ta cóù:
)(.
2
1
.
2
1
2
N
dx
d
I
dx
dL
IF
Φ
==
(1.39)
Trường hợp có 2 mạch điện:
)(
2
1
.
2
1
212
2

21
2
1
WsMIILILIW
M
++= (1.40)
trong đó: I
1
, I
2
: cường độ dòng chảy trong mạch 1 và 2.
L1, L2: điện cảm trong mạch 1 và 2.
M: hỗ cảm giữa mạch 1 và 2.
Lực điện động sẽ là:
dx
dM
II
dx
dL
I
dx
dL
IF
21
2
2
2
1
2
1

.
2
1
.
2
1
++=
(1.41)
Nếu mỗi mạch không bò biến dạng mà chỉ dòch chuyển so với nhau thì L
1
= L
2
= const
và khi đó:
dx
dM
IIF
21
.= (1.42)
1.
1.1.
1.3
33
3.3.
.3 3.
.3.

Tính toán lực điện động khi các vật dẫn mang dòng điện AC.
Tính toán lực điện động khi các vật dẫn mang dòng điện AC.Tính toán lực điện động khi các vật dẫn mang dòng điện AC.
Tính toán lực điện động khi các vật dẫn mang dòng điện AC.

Tất cả các công thức xét ở phần trên đối với dòng DC đều đúng khi ta áp dụng tính với
dòng điện AC nhưng phải chú ý rằng giá trò i được tính ở đây là giá trò tức thời của dòng xoay
chiều. LĐĐ sẽ đạt giá trò lớn nhất khi i = I
max
= 2 .I. Do vậy LĐĐ ở dòng AC sẽ lớn hơn khi
dẫn dòng DC.
a. Dòng điện AC một pha:
Dòng điện AC một pha:Dòng điện AC một pha:
Dòng điện AC một pha:


T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

18
1818
18


Khi chỉ xét hình sin điều hoà: i(t) = I
m
.sinω.t.
Công thức tổng quát:

F = C i
2
(với C = 10
–
7
.K
v.
K
hd
) (1.43)
Vì i chính là giá trò tức thời nên:
F =
tSinIC
m

22
ω
=






−
2
.21

2
tCos

IC
m
ω
(1.44)
Lực tác động lớn nhất:
F
m
=
2
.
m
IC

= 2.C.I
2

(1.45)
Lực tác động tức thời:
F =
2
.2.
2
tCosFF
mm
ω
−

(1.46)
Lực tác động trung bình:
F

tb
=
∫
==
T
m
CI
IC
dtF
T
0
2
2
2
.
.
1
(1.47)
Đồ thò (hình 1.5), LĐĐ theo giá trò tức
thời cho ta thấy lực F biến đổi tuần hoàn có giá trò từ (0 ÷F
m
) và có tần số gấp 2 lần tần số
dòng điện. Với tần số này tác động cơ khí sẽ gây ra tiếng ồn.
Khi xe
Khi xeKhi xe
Khi xét dòng AC có chứa thành phần không chu kỳ:
ùt dòng AC có chứa thành phần không chu kỳ: ùt dòng AC có chứa thành phần không chu kỳ:
ùt dòng AC có chứa thành phần không chu kỳ:

Khi đóng ngắt mạch điện, sét đánh hay xảy ra sự cố trên lưới điện như ngắn mạch bất
ngờ thì lúc này ngoài thành phần chu kỳ sin điều hoà còn có thành phần không chu kỳ làm
cho giá trò dòng điện đặc biệt là giá trò Im tăng vọt. Giá trò dòng điện lúc này tuỳ thuộc vào
thời điểm xảy ra sự cố so với thời điểm mà thành phần chu kỳ đi qua điểm 0. Nó đặc biệt lớn
khi thời điểm xảy ra sự cố đúng thời điểm π/ω của chu kỳ sin điều hòa. Đó chính là trường
hơp LĐĐ nặng nề nhất cần phải xét đến. Hình 1.6 trình bày dạng dòng điện ngắn mạch.
Hình 1.5. đồ thò của lực điện động và dòng điện.

Hình 1.6. đồ thò lực điện động và
dòng điện không chu kỳ.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng

Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

19
1919
19


Đường 1: i
1
= I
M
sinωt
Đường 2: i
2

=
t
L
R
M
eI
.
.
−

Đường 3:








−=
−
teIi
t
L
R
M
.cos
.
3
ω

Có thể mô tả dòng điện khi có thành phần không chu kỳ bởi biểu thức sau:
i = I
m






−
−
te
L
tR
.cos
.
ω
(1.48)
Trong đó R và L là giá trò điện trở và điện cảm của lưới điện, T
0
được gọi là thời hằng:
T
0
= L/R.
Tại thời điểm t = π/ω dòng điện đạt tới đỉnh cao nhất và được gọi là dòng xung kích I
xk

:
mxk

T
mxk
IKeII .1.
0
.
=








+=
−
ω
π
(1.49)
Hệ số K
xk
phụ thuộc vào công suất nguồn điện, vò trí đặt của thiết bò và hình dạng của
lưới điện, giá trò R và L của mạch. Thiết bò càng gần nguồn thì hệ số K
xk
càng lớn. Trong
tính toán ta thường chấp nhận giá trò K
xk
= 1,8. Do
vậy:
F

xk
= C(I
xkmax
)
2
= C (1,8)
2
I
2
m
=
3,24 CI
2
m
= 6,48.C.I
2
(1.50)
Như vậy khi có thành phần không chu kỳ thì LĐĐ
sẽ lớn gấp 3,24 lần so với dòng biến thiên điều
hòa và lớn gấp 6,48 lần so với dòng DC cùng
điều kiện. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch, dòng
ngắn mạch đã rất lớn gấp hàng chục lần đònh
mức, nếu tính tới thành phần xung kích thì dòng
còn lớn hơn nữa gấp cả trăm lần I
đm
. Do vậy, khi
xét LĐĐ để tính tóan cho an toàn thiết bò chúng
ta phải tính đến điều kiện có dòng xung kích này.
b,
b, b,

b, Dòng điện xoay chiều ba pha:
Dòng điện xoay chiều ba pha:Dòng điện xoay chiều ba pha:
Dòng điện xoay chiều ba pha:


Các dây dẫn bo
Các dây dẫn boCác dây dẫn bo
Các dây dẫn bố trí trên mặt phẳng song song:
á trí trên mặt phẳng song song: á trí trên mặt phẳng song song:
á trí trên mặt phẳng song song:


Dòng điện 3 pha lệch nhau 120
0
:
i
A
= Im.sin ωt
i
B
= Im.(sin ωt +120
0
)
i
C
= Im.sin ωt +240
0
)
Lực tác dụng trên dây pha có dạng:
F

1
= F
12
+ F
13
(1.51)
F12 : LĐĐ giữa pha 1 và pha 2.
F13 : LĐĐ giữa pha 1 và pha 3.
Hình 1.7.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng

ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

20
2020
20


Đối với dây pha 1:
Đối với dây pha 1: Đối với dây pha 1:
Đối với dây pha 1:


( )
( )
(

)






−
+−=
−
2
240.sin
120
.2
.10
0
02
1
t
tSintSinI
a
l
F
m
T
ω
ωω
(1.52)
Sau khi biến đổi lượng giác ta được kết quả:
( )

(
)
02
1
30
.2
.10.866,0 −−=
−
tSintSinI
a
l
F
m
T
ωω
(1.53)
Khi đó các cực trò của hàm F
1
sẽ tương ứng với ωt = -15
0
và ωt = 75
0
.
Tại ωt = 75
0
lực lúc đó cực đại sẽ có giá tri (-) tương ứng lực đẩy:
F
1
= - 0,805 C.I
2

m
(1.54)
Tại ωt = -15
0
lực lúc đó cực đại sẽ có giá tri (+) tương ứng lực hút:
F
1
= 0,055 C.I
2
m
(1.55)
Đối với dây pha 3:
Đối với dây pha 3: Đối với dây pha 3:
Đối với dây pha 3: kết quả có dạng ngược lại pha 1.
Lực đẩy ứng với giá trò (+): F
1
= 0,805 C.I
2
m

Lực hút ứng với giá trò (-): F
1
= - 0,055 C.I
2
m

Đối với dây pha 2:
Đối với dây pha 2: Đối với dây pha 2:
Đối với dây pha 2:

F
2
= C.I
2
m
.Sin(ωt -120
0
). [Sinωt – Sin(ω t - 240
0
) ]
F
2
= 0,866.C.I
2
m
Cos (2ωt – 150
0
) (1.56)
Giá trò cực đại sẽ tương ứng với ωt = 75
0
là:
F
2
= 0,866.C.I
2
m

Như vậy, LĐĐ tác dụng lên dây 2 là lớn nhất nên giá trò này được sử dụng trong kỹ
thuật để tính toán:

F
MAX
= 0,866.C.I
2
m
=
2
3 IC
(1.57)
Các dây dẫn bố trí trên đỉnh tam giác đều:
Các dây dẫn bố trí trên đỉnh tam giác đều: Các dây dẫn bố trí trên đỉnh tam giác đều:
Các dây dẫn bố trí trên đỉnh tam giác đều:













Lực điện động tác dụng lên dây 1 được phân tích thành 2 thành phần:
F
1
= F
1x

+ F
1y
(1.58)
Trong đó:

Hình 1.8. đồ thò lực điện động 3 pha bố trí trên đỉnh tam giác đều.
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn

TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

21
2121
21


F
1x
= F
12x
+ F
13x

=
(
)
(

)
[
]
0002
30cos240.120.) ( −+− tSintSintSinIC
m
ωωω

=
( )
tCosIC
m
.21.
4
3
2
ω
−− (1.59)
F
1y
= F
12y
+ F
13y

=
(
)
(
)

[
]
0002
30.240.120.) ( SintSintSintSinIC
m
−+−
ωωω

= tSinIC
m
.2
4
3
2
ω
− (1.60)
Vậy, ta có:
F
1
= F
1x
+ F
1y
=
2
1
2
1 yx
FF +
=

tSinIC
m

2
3
2
ω
(1.61)
Sự thay đổi về vò trí và hướng của LĐĐ tác dụng lên dây dẫn 1 có thể biểu diễn bằng
vectơ OM mà qũy tích ngọn vectơ là vòng tròn đường kính bằng =
m
CI
2
2
3
trên trục Ox như
trên hình vẽ. LĐĐ ở các dây khác cũng được tính toán tương tự và ta có giá trò lớn nhất của
LĐĐ khi xét dây dẫn bố trí trên 3 đỉnh tam giác cũng giống như bố trí trên 1 mặt phẳng:
F
MAX
= 0,866.C.I
2
m
=
2
3 IC (1.62)
Khi xét đến dòng 3 pha có chứa thành phần không chu kỳ, trong cả hai trường hợp ta
phải xét thêm hệ số xung kích K
xk
:

F
max
=
2
3 IC (1,8)
2
= 5,61.C.I
2
(1.63)
1.
1.1.
1.4
44
4.

.

SỰ PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN.
SỰ PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN. SỰ PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN.
SỰ PHÁT NÓNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN.


Tất cả các thiết bò điện đều được cấu tạo bởi các chi tiết có các đặc tính cơ, hoá, lý
khác nhau. Khi chúng hoạt động dưới tác dụng của điện trường và từ trường thì ngay trong
các chi tiết như mạch vòng dẫn điện, mạch từ, vật liệu cách điện … đều xuất hiện các tổn hao
công suất. Tất cả các tổn hao này đều chuyển hóa thành nhiệt năng làm cho nhiệt độ thiết bò
nóng lên. Nếu nhiệt độ vượt quá giá trò cho phép, khí cụ điện sẽ nhanh hỏng, vật liệu cách
điện mau hoá già và độ bền cơ khí của kim loại giảm đi nhanh chóng.
Nhiệt độ cho phép của các bộ phận trong khí cụ điện tham khảo ở bảng sau:
Các bộ phận của khí cụ điện

Các bộ phận của khí cụ điệnCác bộ phận của khí cụ điện
Các bộ phận của khí cụ điện

Nhiệt độ cho phép
Nhiệt độ cho phépNhiệt độ cho phép
Nhiệt độ cho phép


Vật liệu không bọc cách điện 110
Dây tiếp xúc cố đònh 75
Tiếp xúc hình ngón của đồng và hợp kim đồng 75
Tiếp xúc trượt của đồng và hợp kim đồng 110
Tiếp xúc má bạc 120
Vật liệu không dẫn điện không bọc cách điện 110
Vật liệu dẫn điện có bọc cách điện:
Cấp cách điện Y

90
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

22
2222
22

Cấp cách điện A
Cấp cách điện E
Cấp cách điện B
Cấp cách điện F
Cấp cách điện H
Cấp cách điện C
105
120
130
155
180
Trên 180
Đối với KCĐ một chiều đó là tổn hao đồng, đối với khí cụ điện xoay chiều là tổng tổn
hao đồng và sắt.
1.
1.1.
1.4
44
4.1.
.1 1.
.1.

Quá trình phát nóng ở chế độ quá độ.
Quá trình phát nóng ở chế độ quá độ.Quá trình phát nóng ở chế độ quá độ.
Quá trình phát nóng ở chế độ quá độ.


Tất cả các tổn hao đã xét ở phần trên đều chuyển thành nhiệt năng ở ngay trong thiết
bò điện và được xét là nguồn nhiệt nội tại. Nguồn nhiệt nội tại này sẽ làm vật thể nóng lên

lan truyền trong các chi tiết thiết bò và toả ra môi trường xung quanh theo qui luật lan tỏa từ
nơi nhiệt độ cao sang vùng nhiệt độ thấp.
Xem xét chi tiết tổn hao bên trong nó như vật thể độc lập có nguồn nhiệt nội tại. Ta thấy
năng lượng nhiệt do tổn hao trong thời gian dt một phần làm tăng nhiệt độ của vật và một
phần khác toả ra môi trường bởi biểu thức:
P
.
dt = c. M. dτ + K
T
. S. τ. dt (1.1)
Trong đó:
τ = θ -θ0: chênh lệch nhiệt giữa thiết bò và môi trường (
0
C ).
S: diện tích tỏa nhiệt (m
2
).
c: nhiệt dung riêng của vật thể( Ws /
0
C.kg).
K
T
: hệ số tỏa nhiệt (W / m
2

0
C ).
M: khối lượng của thiết bò (Kg).
P: công suất tổn hao của thiết bò (W).
Biểu thức trên được viết lại như sau:

dτ /dt + K
T.
F.τ /C.M - P/C.M = 0 (1.2)
Đây là phương trình vi phân cấp 1, giải phương trình vi phân trên ta tìm được độ chênh
lệch nhiệt theo thời gian. Nghiệm của phương trình có dạng:








−+=
−
∞
−
T
t
T
t
ee 1
0
τττ
(1.3)
Trong đó:
0
τ
: độ tăng nhiệt ban đầu (
0

C ).
F.K
P
T
=
∞
τ
: độ tăng nhiệt xác lập (
0
C ).
C.R
F.K
C
T
T
T
==
: hằng số thời gian phát nóng (s).
Nếu khi bắt đầu làm việc, nhiệt độ của thiết bò bằng nhiệt độ môi trường, nghóa là
τ = 0 thì:
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT

LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

23
2323

23










−=
−
∞
T
t
e1.
ττ
(1.4)
Quan hệ
)(t
τ
được biểu diễn ở đồ thò hình 1.1, trong đó đường 1 ứng với
0
0
≠
τ
và
đường 2 ứng với
0

τ
= 0.
Nếu tại t = 0, kẻ tiếp tuyến với đường cong
)(t
τ
, ta có thể xác đònh T như sau:
α
τ
τ
tg
Tdt
d
t
.
0
∞
=
= (1.5)
Nếu toàn bộ năng lượng tổn hao không tỏa ra xung quanh mà chỉ đốt nóng thì (1.1) có
dạng: P.dt = C
T
.d
τ
. Vậy nghiệm của phương trình có dạng:
t.
T
t.
C
F.K.
t.

C
P
T
T
T
∞∞
===
ττ
τ
(1.6)
Thay t = T vào (1.6) ta được
τ
=
∞
τ
.
Như vậy, hằng số thời gian nhiệt T là quãng thời gian làm việc để nhiệt độ đạt tới giá
trò xác lập nếu không có quá trình tỏa nhiệt. Nếu có cả quá trình tỏa nhiệt, thay t = T vào
(1.4) ta có:
∞
−
∞
=









−=
τττ
.632,01.
T
t
e
(1.7)
Quá trình nguội của thiết bò xảy ra khi ta ngắt điện qua thiết bò, nhiệt độ của thiết bò
giảm dần đến nhiệt độ môi trường. Phương trình cân bằng nhiệt khi đó là:
K
T
.S.
τ
.dt + C
T
.d
τ
= 0 (1.8)
Với điều kiện t = 0, suy ra
τ
=
∞
τ
thì nghiệm của phương trình (1.8) là:
T
t
e
−
∞

= .
ττ

Đồ thò của quá trình nguội là đường 3 ở hình 1.1.
Người ta phân ra ba chế độ làm việc của thiết bò điện tuỳ theo thời gian làm việc và độ
tăng nhiệt
τ
: dài hạn, ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại.
a. Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc dài hạn:
Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc dài hạn:Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc dài hạn:
Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc dài hạn:


Ở chế độ làm việc dài hạn, thời gian làm việc đủ lớn để
τ
=
∞
τ
và thời gian nghỉ đủ
dài để
τ
= 0. Vì
)(t
τ
là hàm mũ, nên về lý thuyết khi phát nóng
τ
đạt đến
∞
τ
với thời gian

vô cùng. Trong thực tế, nếu Tt 4
≥
thì có thể coi là chế độ làm việc dài hạn, hoặc độ tăng
nhiệt theo thời gian 2≤
dt
d
τ
(
0
C/h) cũng có thể coi đó là chế độ làm việc dài hạn. Đồ thò quan
hệ )(t
τ
ở chế độ dài hạn cho ở hình 1.1.

T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện

Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn


TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

24
2424
24



Hình 1.1. Mối quan hệ
)(t

τ
ở chế độ dài hạn.
b,
b, b,
b, Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc ngắn hạn:
Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc ngắn hạn:Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc ngắn hạn:
Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc ngắn hạn:


Chế độ làm việc ngắn hạn là chế độ làm việc với thời gian làm việc chưa đủ lớn để độ
tăng nhiệt chưa dạt đến giá trò xác lập
∞
τ
, còn thời gian nghỉ đủ dài để nhiệt độ của thiết bò
giảm bằng nhiệt độ môi trường. Đồ thò của quá trình này được mô tả ở hình 1.2.

Hình 1.2. Mối quan hệ
)(t
τ
ở chế độ ngắn hạn.
Các thiết bò được thiết kế làm việc với dòng điện và công suất đònh mức ở chế độ dài
hạn liên tục với thời gian t
1
ứng với độ chênh nhiệt là
cp
ττ
=
∞1
(độ chênh nhiệt cho phép). Ở
chế độ làm việc ở chế độ ngắn hạn thì thời gian làm việc là t

lv
< t
1
nên độ chênh nhiệt
là
∞
<
τ
τ
, nghóa là thiết bò làm việc còn non tải. Để tận dụng khả năng mang tải của thiết bò,
ta có thể tăng công suất của thiết bò tới P’sao cho sau thời gian t
lv
thì độ phát nóng đạt
τ
’=
cp
τ
τ
=
∞1
. Như vậy, ở chế độ làm việc ngắn hạn, thiết bò có thể làm việc quá tải và đặc
trưng bằng hệ số nâng công suất hoặc nâng dòng điện như sau:
Công suất ở chế độ đònh mức:
P
đm
= K
T
. S.
∞1
τ

(1.9)
Công suất ở chế độ làm việc ngắn hạn:
P
n
= K
T
. S.
n
τ
(1.10)
Hệ số nâng công suất khi làm việc ngắn hạn:
K
p
=






−−
==
∞
T
t
P
P
lv
n
dm

n
exp1
1
1
τ
τ
(1.11)
T
TT
T
ập b
ài giảng
ài giảngài giảng
ài giảng:
: :
: LT
LT LT
LT -

-

Khí Cụ Điện
Khí Cụ ĐiệnKhí Cụ Điện
Khí Cụ Điện

Ng
Ng Ng
Ng
ười giảng: Lê Ngọc Tấn

TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện TBM. Cung Cấp Điện
TBM. Cung Cấp Điện –
––
– Khoa Điện
Khoa Điện Khoa Điện
Khoa Điện –
––
– CĐCNHuế
CĐCNHuế CĐCNHuế
CĐCNHuế Trang
Trang Trang
Trang

25
2525
25


Hệ số nâng dòng điện khi làm việc ngắn hạn:






−−
==
T

t
KK
lv
PI
exp1
1
(1.12)
Từ (1.11) và (1.12) ta thấy rằng, hệ số nâng của tải càng lớn khi thời gian làm việc
càng bé và hằng số thời gian phát nóng càng lớn. Điều này liên quan đến việc chọn thiết bò
khi làm việc ở chế độ ngắn hạn.
c,
c, c,
c, Quá trình phát nóng
Quá trình phát nóngQuá trình phát nóng
Quá trình phát nóng ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.
ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại. ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.
ở chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại.


Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại, mỗi chu kỳ được đặc trưng bởi thời gian làm việc và
thời gian nghó của thiết bò:
nglvck
ttt +=
(1.13)
Thời gian làm việc trong mỗi chu kỳ chưa đủ lớn nên nhiệt độ phát nóng chưa đạt đến
giá trò xác lập và thời gian nghỉ chưa đủ dài nên nhiệt độ chưa hạ tới nhiệt độ môi trường.
Sau khoảng thời gian thì độ chênh nhiệt dao động ở giữa hai mức
τ
max
và

τ
min
xác lập, còn
gọi là trò số “xác lập giả đònh”. Đồ thò tăng nhiệt trong chế độ làm việc ngắn hạn lập lại được
trình bày ở hình 1.3.


Hình 1.3. Mối quan hệ
)(t
τ
ở chế độ ngắn hạn lặp lại.
Ở chu kỳ đầu:






−
−=
∞
T
t
lv
exp1.
1
ττ
(1.14)
T
t

ng
−
= exp.
1
'
1
ττ
(1.15)
Ở chu kỳ thứ hai:
'
12
exp1.
τττ
+






−
−=
∞
T
t
lv
(1.16)