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

Truong DH SPKT TP. HCM



PHẦN 2 :
KHÍ CỤ ĐIỆN
H Su
ng D
ruo

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

n©T
quye
an

B

208
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM

CHƯƠNG I : MẠCH TỪ VÀ SỰ BIẾN ĐỔI
NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CƠ
§ 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG
I. Nam châm điện từ:
Nam châm điện từ (NCĐ) là thiết bị biến đổi điện năng thàn h cơ năng. Nam châm điệ n từ
được sử dụ ng rộng rãi trong các bộ truyền động của rơle cơ điện, contactor, các thiết bị đóng cắt,
bảo vệ, các cơ cấu chấp hành như các van điện từ, khớp nối, ly hợp từ , phanh hãm, nam châm lấy
hàng,…
Trong thực tế hình dáng kích thước của nam châm điện rất đa dạng tuỳ thuộc vào tính
chất và công dụng của nó. Hình 1-1 trình bày một kết cấu phổ biến của NCĐ được sử dụn g trong
các rơle bảo vệ.

H Su
ng D
ruo

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

n©T

quye
an

B

Cấu tạo của nam châm thường gồm hai phần chính: phần mạch từ và phần cuộn dây
(mạch điện)
- Mạch từ: là bộ phận dẫn từ thông chính trong NC điệ n gồm hai phần: phần làm bằng vật
liệu sắt từ (L1) và phần còn lại là khe hở không khí ( 1 và 2).
- Cuộn dây: gồm có w vòng dây được quấn trên mạch từ tónh.
Bình thường mạch từ động được một lò xo kéo lên. Khi có dòng điện I chạy trong cuộ n dây sẽ
sinh ra từ thông, phần từ thông móc vòng qua mạch từ và khe hở không khí (gọi là từ thô ng
chính) sẽ sinh ra lực điện từ làm hút mạch từ động.
II. Những định luật cơ bản áp dụng trong mạch từ:
Việc nghiên cứ u mạch từ riêng biệt là 1 vấn đề phức tạp vì mối quan hệ thực tế tồn tại của
điện trường và từ trường. Để tiện lợi cho việc nghiên cứu, cũng giống như ở mạch điện, người ta
sử dụng mô hình mạch từ tương đương. Vấn đề mấu chốt là sự chuyển đổi năng lượng giữa mạch
điện và mạch từ. Năng lượng chuyển đổi này được giải quyết từ hệ phương trình Maxwell hay
còn gọi là định luật toàn dòng điện.
209
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



1. Định luật toàn dòng điệ n:
Tích phân trên đường cong khép kín theo chiều dài mạch từ bằng tổng các dòng điện móc
vòng qua mạch từ đó:

 Hdl   I  IN
trong đó:
I: dòng điện chạy trong cuộn dây quấn quanh mạch từ.
N: số vòng dây
F = IN gọi là sức từ động [A.vòng]
Xét mạch từ như hình 1-2 :

H Su
ng D
ruo

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

n©T
quye
an
Áp dụng định luật toàn dòB g điện, ta có:
n
L1H1+ L2H2 + 2H = I1N1
Với :
L1, L2,  là độ dài các đoạn mạch từ tương ứng.

H1, H2, H là cường độ từ trường các đoạn mạch từ tương ứng
L1H1, L2 H2, H : từ áp rơi trên các đoạn mạch từ
2. Định luật kirckhoff
- Định luật kirckhoff 1: Đối với 1 nút bất kỳ trong mạch từ, tổng từ thông đi vào và đi ra
tại nút đó bằng 0.
n



i

0

i 1

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

m

 Fi    k .Rmk  0
i 1

k 1

Hay :
n

m

 Fi    k .Rmk
i 1

Trong đó: Rmi 

k 1

li
gọi là từ trở của đoạn mạch từ tương ứng
 i .S i
li : chiều dài của nhánh mạch từ ( m )
Si : tiết diện của nhánh từ đó ( m2 )
i : từ thẩm của vật liệu
210

Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



Nghịch đảo của giá trị từ trở: G = 1/Rmi được gọi là từ dẫn.
3. Định luật ohm cho mạc h từ:
Đối với 1 nhánh bất kỳ trong mạch từ, tích số giữa từ thôn g chảy qua và tổng trở từ gọi là
từ áp rơi trên 2 đầu của nhánh mạch từ đó .
.Z m  U m
Tổng trở từ của nhánh mạch từ cũn g bao gồm 2 thành phần như mạch điệ n là phần tử từ
kháng Xm và từ trở Rm.

2
2
Z m  Rm  X m

Sự đồn g dạng của các đại lượng điện- từ :
Từ sự phân tích ở trên ta có thể xem mạch từ như 1 dạng mạch điện. Từ đó ta có thể thay
thế các phần tử trong mạch từ thành các phần tử đồng dạng như mạch điện và áp dụng các
phương pháp tính toán như tính toán phần mạch điện mà ta đã biết.
Có thể tóm tắt các đại lượng đồng dạng liên quan giữa Điện và Từ như sau :
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11

Đại lượng Điện
Dòng điệ n
Điện áp
Sức điện độ ng
Mật độ dòng
Điện trườn g
Điện trở
Điện trở suất

Điện dẫn
Điện dẫn suất
Tổng trở
Điện kháng

K.H
Đơn vị
Đại lượng Từ
K.H

I
A
Từ thông
U
V
Từ áp
Um
E
V
Sức từ động
F; Em
2
MB
J
A/mm
Từ cảm
P. HC
uat T g
E
V/m

Cường độ từ trườn
H
y th
am K

R
Rm
ph
uTừ trở
DH S Từ trở suất

1/
uong
rm
n © T 1/
Từ dẫn
G
uy
qG e
Ban 

1/m
Từ dẫn suất

Z
Tổng trở từ
Zm

X
Từ kháng

Xm

Đơn vị
Vs;Wb
A
A
T
A/m
1/H
m/H
H
H/m
1/H
1/H

Các công thức tương quan giữa mạch điện và mạch từ :
Từ n
Điệ
U m   i . Rmi  H i .li
U  Z.I

B I
J q
S
q
S
B   ..E
J H
III. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN MẠCH TỪ
Cũng giống bài toán mạch điện bài toán mạch từ cũng đi tìm các tham số của mạch từ xác

định trước, cụ thể về hình dạng kích thước.

Bài toán thuận : Là các dạng bài đi từ các yêu cầu cho trước về từ thông  và từ
cảm B. Vấn đề đặt ra phải tính sức từ động F, đồng nghóa với việc tìm ra số vòng dây
phải quấn và dòng điệ n phải cấp qua cuộn dây.

Bài toán nghịch : Là các dạng bài đi tìm các giá trị  và từ cảm B trên cơ sở số
vòng dây và cường độ dòng điện đã biết trong 1 mạch từ xác định ban đầu .
Để giải quyết hai bài toán mạch từ nêu trên, một vấn đề quan trọng là phải xác định từ dẫn
của khe hở không khí .
211
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



CÂU HỎI
1. Định nghóa nam châm điện từ ?
2. Nêu cấu tạo và ứng dụng của nam châm điện từ ?
3. Nêu các định luật cơ bản áp dụng trong mạch từ ?

H Su
ng D
ruo

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

n©T
quye
an

B

212
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



§ 1.2 TỪ DẪN TRONG KHE HỞ KHÔNG KHÍ
Xác định từ dẫn của khe hở khô ng khí trong mạch từ là công việc hết sức cần thiết trong
quá trình tính toán các bài toán các bài toán mạch từ. Với các loại vật liệu dẫn từ là các vật liệu
sắt từ, dựa vào đường cong từ hóa B = f(H), việc tính toán từ trở và từ dẫn trở nên đơn giản:

Rm 

1 l
.

 S

Trong đó:

l: là đoạn dẫn của mạch từ
S: là tiết diện mạch từ thẳng góc với đường dẫn từ thông
Và từ dẫn là nghịch đảo của giá trị từ trở:
1
Gm 
Rm
Như đã biết, không khí cũng là môi trường dẫn từ với độ từ thẩm có thể lấy bằng giá trị
độ từ thẩm trong chân không 0 . Khác hoàn toàn với vật liệu dẫn từ tốt như sắt non, thép kỹ
thuật điện, nam châm vónh cửu … môi trường không khí không thể định hình về hình dạng vì vậy
1 l
không thể trực tiếp sử dụng côn g thức: Rm  . . Vì vậy đây là một công việc khó khăn, có
 S
liên quan giải bài toán phân bố từ trường trong khu vực xem xét. Trong nhữn g tính toán gần
HCM
đúng có thể dùng phương pháp thực nghiệm sau đây.
TP.
huat
Ky t
pham
Phương pháp thực nghiệm:
H Su
ng D
Ở đây việc xác định từ dẫnnđượruxác định nhờ các công thức thực nghiệm. Phương pháp
Tc o
e ©
này cho kết quả đối với nhữn g uy n g hợp xác định đã được khảo sát bằng thực nghiệm. Các hệ

a n q trườ
B
số đưa ra chỉ đúng với nhữ ng trường hợ p ứng với điều kiện đưa ra.
Ví dụ: Khảo sát cực từ ở hình 1-3 :

Hình 1-3
Đối với 1 cực từ hình chữ nhật và 1 mặt phẳng ngăn cách bởi 1 khe hở. Từ dẫn khe hở
được tính theo công thức sau:
a 1  x1 .b1  x2 
G  0



Đối với khe hở giữa 2 cực từ hình chữ nhật, từ dẫn được tính như sau:

213
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



G  0

a 1  y1 .b1  y2 



Trong các công thức trên các tham số x, y được tính:

x1 

1 .

; x2 

1 .

a
b
 .
 .
y1  2 ; y 2  2
a
b

Các hệ số  1 và  2 được xác định từ thực nghiệm và cho trong bảng sau:
 (mm)
1
2

1
3
1,3

6
1,42
0,78

H Su

ng D
ruo

8
1,04
0,575

K
pham

10
0,74
0,525

M

P. HC
uat T

y th

n©T
quye
an

B

214
Thu vien DH SPKT TP. HCM -

Truong DH SPKT TP. HCM



§ 1.3 NAM CHÂM ĐIỆN TỪ MỘT CHIỀU
I. Lực hút của nam châm điệ n một chiều
Lực hút điện từ là lực hút nội bộ tác dụng trực tiếp lên vật thể dẫn từ nhằm mục đích thu
hẹp đườ ng dẫn của từ trườn g.
Vì mạch từ bao gồm nhữ ng vật liệu dẫn từ là vật thể rắn và môi trường có thể là chất lỏng
hay khí nên lực điện từ tác dụng thu hẹp đường dẫn của từ trường chỉ làm thay đổi độ lớn khe hở
giữa các mạch từ thể rắn và do lực từ khô ng đủ lớn để có thể làm biến dạng vật thể dẫn từ rắn
của các thiết bị điện cơ.
Theo công thức Maxwell lực hút điện từ được tính:

Fdt 
Trong đó:

    1 2  
B .n B  B .n dS
2
 0 S  


1










B : Vector từ cảm trên bề mặt cực từ


n : Vector đơn vị pháp tuyến trên bề mặt cực từ
S : Diện tích bề mặt cực từ
Bề mặt cực từ là nơi tác động của lực điệ n từ là bề mặt phân chia giữa 2 môi trườn g có
HCM
TP.
độ từ thẩm rất khác nhau.
huat
Ky t
1


pham
B2 .dS
có H S tính: Fdt 
Khi n và B trùng phương lúc đó ta g Dthể u
2 0 S
ruon
n©T
Nếu có thêm điều kiện utừe thông phân bố đều trong khu vực khe hở không khí thì công
q y
Ban
thức trên đơn giản hóa như sau:



Fdt 

1
2 0

B2 .S

Fñt = 39,8. 104. B 2. S (N )
Fđt = 4,06. 104. B 2. S (KGf )
Trong đó: B : từ cảm ( T ); S : tất cả diện tích bề mặt cực từ chịu tác động (m2);
0 = 4.10-7H/m : độ từ thẩm chân khôn g; Fđt : lực hút điện từ (N)

Hình 1-4

215
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



II. Tính toán cuộn dây nam châm điệ n 1 chiều:
Tính toán cuộn dây trong mạch từ 1 chiều chủ yếu là xác định số vò ng dây và đường kính
dây.
1. Tính toán cuộn dây dòng điện:
Là cuộn dây gây tác động lực hút NCĐ khi có dòng điện I  Igh mà người ta xác định

trước. Đặc điểm của cuộn dòng là thông thường có số vòng dây rất ít và tiết diện dây thì lớn.
Tiết diện dây được tính từ giá trị dòng giới hạn cho trước trong các điều kiện làm việc của
I
cuộn dây: sdd 
.
J cp
Trong đó:

I: là dòng giới hạn cần bảo vệ;
Jcp: là giới hạn mật độ cho phé p tùy thuộc vào điều kiện làm việc của cuộn

dây
Jcp: ( 2  4 ) A/mm2
Jcp: ( 5  12 ) A/mm2
Jcp: ( 13  30 ) A/mm2

Khi cuộn dây làm việc ở chế độ dài hạn.
Khi cuộn dây làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại.
Khi cuộn dây làm việc ở chế độ ngắn hạn.

Số vòng dây phải quấn được tính từ kết quả tính STĐ F cần thiết của mạch từ để có lực
CM
F
hút điện từ theo yêu câu của cơ cấu cơ của khí cụ điện. Số vò ng dây P. H c tính: N 
T đượ
uat
I
y th
am K
2. Tính toán cuộn dây điện áp

u ph
DH S
ng
Là cuộn dây gây tác động lực©húruNCĐ khi điện áp đặt trê n cuộn dây lớn hơn điện áp yêu
t o
n T
quye
Ban áp có số vòng dây quấn nhiều nhưng tiết diện dây dẫn nhỏ. Khi
cầu U  Ugh. Đặc điểm cuộn
làm việc ổn định ở điện áp DC cuộn dây phải đảm bảo sức từ động F theo yêu cầu. Do vậy điện
trở cuộn dây sẽ quyết định đến dòng điện làm việc ổn định của cuộn dây.
- Tiết diện dây dẫn :
Từ phương trình: F = I.N ta viết lại như sau:
U
U .N U .N .sdd U .s dd
F N


l
R
 .ltb .N
 .ltb

sdd
F . .ltb
Từ đó suy ra tiết diện dây dẫn cần thiết : sdd 
U
- Số vòng dây :
Số vòng dây N không ản h hưở ng gì đến sức từ động F mà chỉ tác động làm thay đổi mật
độ dòng điện chảy trong dây dẫn (ảnh hưởng về nhiệt tổn hao phát nóng).

I
F
F  I .N và mật độ dòng điện: j 

sdd N .s dd
Đối với cuộn áp thường làm việc ở chế độ dài hạn nên mật độ dòng cho phép Jcp chỉ nên
chọn trong khoảng ( 2  4 ) A / mm2 . Từ đó tính ra số vòng cần thiết phải quấn.

N

F
J cp .sdd

216
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



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

s dd .N  S cuaso .k ld
kld: Hệ số lấp đầy là tỉ lệ giữa phần đồng của dây quấn và tiết diện thực của cửa sổ, nó
tùy thuộc vào kỹ thuật quấn và việc gia cố cách điện thêm vào các lớp dây cuộn dây.
kld = ( 0,55  0,75 ) khi khôn g sử dụng cách điện lớp .
kld = ( 0,36  0,46 ) khi sử dụng thêm cách điện giữa các lớp.

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



P
P

  cp
KT .Fi K T .Fngoai   .Ftrong 

Trong đó:
ltb .N I .N   .l tb

sdd
k ld .S cuaso
HCM
TP.
uat
2

P: Toån hao công suất trong cuộn dây được tính P  I 2 R  I 2  .
KT : Heä số tỏa nhiệt từ bề mặt

th
Fi : Các bề mặt tỏa nhiệt thành phần của cuộnadây.y
mK
u ph
DH S
 : Là hệ số tính toán tính đến usự g c nhau giữa điều kiện tỏa nhiệt của bề mặt bên

khá
r on
n©T
e
trong so với bề mặt bên ngoàiquy kết quả khảo sát thực nghiệm ta thu được các giá trị của hệ số
Ban . Từ
 như sau:
1/-  = 0

Đối với cuộn dây khô ng có lõi cách điện.

2/-  = 1,7

Đối với cuộn dây được quấn trên lõi kim loại.

3/-  = 2,7

Đối với cuộn dây được quấn trực tiếp trên lõi từ.

4/-  = 0

Đối với cuộn dây quấn trên lõi cách điện nhưng điều kiện tỏa nhiệt

kém và đối với cuộn dây dùng nguồn xoay chiều.

CÂU HỎI
1. Trình bày về lực hút của nam châm điện một chiều ?
2. Tính toán cuộn dây dòng điệ n và cuộn dây điện áp của nam châm điện một chiều ?

217

Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



§ 1.4 NAM CHÂM ĐIỆN TỪ XOAY CHIỀU
I. Lực hút nam châm điện xoay chiều:
Khi dòng điện biến thiê n tuần hoàn theo qui luật hình sin :
i = Im Sin .t.
Giả sử sự tổn hao là không đáng kể thì từ thông  cũng biến thiên theo qui luật hình sin :
 = msint
Khi đó lực hút điện từ được xác định:
Fdt 

2
2
2
1 m
1 m
1 m
Sin 2 .t 

Cos2.t
20 S
40 S
4 0 S

H Su

ng D
ruo

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

n©T
quye
an

B

Hình 1-5
- Thành phần thứ 1:

1 2
m
là thành phần lực điệ n từ không đổi theo thời gian; Giá trị trung
4 0 S

bình của lực điện từ xoay chiều trong 1 chu kỳ đúng bằng giá trị của thành phần không đổi này.
Khi xét từ thông trong mạch từ chưa bão hòa m = . 2 và Bm = B. 2 thì:
Ftb 

1
20

B 2 .S 

1 2
2 0 S

Với cách tính này cho ta thấy tác dụng Ftb của lực điện từ xoay chiều có cùng giá trị như
lực điện từ của dòng 1 chiều đối với mạch từ chưa bão hòa khi ta sử dụng giá trị hiệu dụng của
dòng xoay chiề u.
2
1 m
- Thành phần thứ 2:
Cos2 .t là thành phần biến thiên theo thời gian và có tần số gấp 2
4 0 S

lần tần số của từ thông xoay chiều và giá trị cực đại laø:

218
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



FMAX

2
1 m
1 2
1 2

B .S 

B .S 
2 0
20 S
0
0 S

1

2
m

Đồ thị biế n thiên của lực điện từ biểu diễ n các thành phần của lực điện từ xoay chiều
được trình bày trong hình dưới đây.
Nhận xét từ đồ thị ta thấy rằng lực điện từ xoay chiều có dạng đập mạch và có tần số gấp
2 lần tần số của dòng điện của nguồn xoay chiều . Điều đáng chú ý nữa là lực điện từ trong 1 chu
kỳ có 2 lần giá trị của nó giảm về 0, tại đó lực điện từ khôn g còn tác động nữa. Do các cơ cấu
tác động cơ khí hút đẩy của thiết bị khi sử dụng nam châm điện tác đông đóng ngắt mạch điện
đều có lò xo phản lực nên chỉ cần Fđt < Fflực là cơ cấu tự động nhả các tiếp xúc điện do nắp nam
châm điện đã mở dưới tác động lực lò xo. Từ đó gây ra hiện tượ ng rung ở nam châm điện và
không an toàn khi sử dụng nó đóng ngắt tiếp điểm, tần số rung này bằng 2 lần tần số lưới nguồn.
II. Biện pháp chống rung đối với nam châm điệ n xoay chiều:
Căn cứ vào đồ thị của lực điện từ xoay chiều và các thành phần của nó ở đồ thị hình 1-5.
Ta thấy rằng nếu dùng 1 biện pháp nào đó để chia từ thông  thành . 2 CMnh phần 1 và 2 có

P Hthà
uat T
th
biên độ 1 = 2 = ½  và lệch pha nhau 900 thì đồ thịham điện từ có thể biể u diễn ở hình 1-6 .
lực Ky
up
DH S
g
ruon
n©T
quye
Ban

Hình 1-6
Khi đó lực điện từ tổng hợp do 2 lực điện từ thành phần gây ra sẽ là hằng số tại mọi thời
điểm :
Fđt  = Fđt1 + Fđt2 = Const
Lực điện từ tổng này có giá trị không đổi vừa đúng bằng thành phần LĐT trung bình trong
1 chu kỳ hay chính là bằng thành phần lực điện từ khôn g đổi theo thời gian do từ thông  gây
nên .
Để có thể phâ n chia từ thông  như ý định trên, ta có thể thực hiện bởi các biệ n
pháp sau:
219
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



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



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



Đặt vòng ngắn mạch ôm lấy ½ bề mặt cực từ tại khe hở khô ng khí.

H Su

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

Hình 1-7. Mạruong D đặt vòng ngắn mạch
ch từ có

n©T
quye
Ban
Hai biện pháp đầu phức tạp vì yêu cầu 2 nguồ n cung cấp lệch pha. Biện pháp thứ 3 đơn
giản hơn, dễ thực hiện lại rẻ tiền nên được áp dụn g rộn g rãi trong các nam châm điện xoay chiều
dùng trong các khí cụ điện.
III. Tính toán cuộn dây nam châm điện xoay chiều
Số liệu ban đầu để tính toán cho cuộn dây NCĐ xoay chiều là biên độ sức từ động F,
biên độ từ thông m. Nguồn điện là nguồn áp hay nguồn dòng tác động.
Tính toán cuộn dây dòng điệ n
- Số vòng dây N: Khi cuộn dây là cuộn dòng, dòng điện chảy qua cuộn dây phụ thuộc
vào phụ tải, số vòng dây N được xác định bởi N = F / I
- Tiết diện dây dẫn:

s dd 

I
J cp

Tính toán cuộn dây điện áp
Có thể tính số vòng theo công thức sau: N = ( 0,7  0,8 )

Khi đó: I 

I m .N



U
4, 44. f . m

Fm

2 .N
2 .N
Tiết diện dây dẫn có thể xác định sơ bộ bằng cách chọn mật độ dòng trong giới hạn
cho phép J = (2  4) A/mm2
220
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



CÂU HỎI
1. Trình bày lực hút của nam châm điện xoay chiều ?
2. Tại sao có hiện tượng rung ở nam châm điện xoay chiều? Nêu biện pháp chống rung đối với
nam châm điện xoay chiều ?
3. Tính toán cuộn dây dòng điệ n và cuộn dây điện áp của nam châm điện xoay chiều ?

H Su
ng D
ruo

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

n©T
quye
an

B

221
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



§ 1.5 NAM CHÂM VĨNH CỬU
Để tính tốn nam châm vĩnh cửu, dựa vào hai hệ số sau :
 k1 : hệ số mất mát xét tới những biến dạng của đường sức từ bên trong nam châm, ở cực từ và
các thành phần còn lại của mạch từ :
F
k1  M
F


ks : hệ số xét tới tản và rị từ :
ks 

t
 hi

Trong đó :
FM : sức từ động của nam châm
F : sức từ động tương ứng với khe hở khơng khí
 t : từ thơng tổng
 hi : từ thơng có ích
Hệ số k1 thay đổi trong giới hạn 1,05  1,25
Hệ số ks thay đổi trong giới hạn 2  5 .

HCM
TP.
I. Độ từ dư
huat
Nếu sau khi từ hoá nam châm, ta ngắt dịng điện kích m Ky thì nam châm sẽ có cường độ từ cảm
thích t
a
u ph
H Ssắt từ thì độ từ dư sẽ giảm đến trị số B1 ứng với
Br gọi là độ từ dư. Khi có một khe hở  ở vật D
ng liệu
Truo
©
điểm P1 ở hình 1-8.
uyen
an q
B

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

222
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



cong từ hố nội bộ (cịn gọi là đường cong phục hồi). Độ dốc của đường cong từ hóa nội bộ gọi là độ
từ thẩm phục hồi.
Đối với một nam châm vĩnh cửu, vấn đề từ hoá trước hay từ hoá sau khi láp ráp thêm má cực từ
sẽ ảnh hưởng đến trị số của cường độ từ cảm. Từ hoá trước khi láp ráp thêm má cực từ thì cường độ
từ cảm sẽ bé hơn một ít.
Giả dụ từ hố sau khi láp ráp thêm má cực từ có điểm làm việc là P 1 (ứng với trị số B1) thì từ hố
trước khi láp ráp thêm má cực từ điểm làm việc sẽ là P5 (ứng với trị số B5). Trên hình 1-8, ta thấy
B5 < B1 .
II. Hệ số phẩm chất
Tích số BH biểu thị năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích và có giá trị lớn nhất ở một điểm nhất
định trên đường cong từ trễ. Giá trị lớn nhất của tích số này (BH)max gọi là hệ số phẩm chất của vật
liệu vì nó đánh giá tính chất của vật liệu nam châm tốt hay xấu. Nếu (BH)max của vật liệu càng lớn thì
vật liệu càng tốt .
Nhà sản xuất ra vật liệu nam châm thường cho trị số hệ số phẩm chất, độ từ dư và lực giữ từ.
Những giá trị cường độ từ cảm và lực giữ từ ứng với hệ số phẩm chất (BH)max được ghi với kí hiệu
Bro, Hco . Nếu nhà sản xuất khơng cung cấp số liệu trên, ta có thể tìm thấy CM cách gần đúng từ độ

một
H
thị trên đường cong từ trễ ở hình 1-9.
TP.
huat
Ky t
pham
H Su
ng D
Truo
©
uyen
an q
B

Hình 1-9. Cách xác định hệ số
phẩm chất bằng đồ thị
Từ điểm Hc vẽ một đường song song với trục tung OB và từ điểm Br vẽ một đường song song
với trục hoành OH. Nối điểm giao nhau N của các đường vừa vẽ với gốc toạ độ O, đường thẳng ON
sẽ cắt đường cong từ trễ tại P. Điểm P chính là điểm phải tìm .
III. Hệ số lấp đầy 
Hệ số lấp đầy  biểu thị bằng biểu thức sau :



BH max
BrH c

 = 0,25  0,65
đối với Hcơ/Hc và Bro/Br = 0,5  0,8

Ta có :
223
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



H cơ B ro

Hc
Br
Do đó : Hco = Hc  và Bro = Br 
IV. Tính tốn nam châm
Khi tính tốn nam châm cần phải :
- Lựa chọn thép thích hợp nhất với mục đích sử dụng
- Bố trí nam châm sao cho có lợi nhất trong khơng gian sẵn có
- Chọn và sử dụng hợp lý vật liệu từ trở bé
Đối với bất kỳ vật liệu sắt từ nào cũng nên chọn điểm làm việc tốt nhất .
Từ thông đi qua tiết diện nam châm được tính như sau :
  BS (mắcxuen)
với B : cường độ từ cảm trong sắt từ (gauxơ)
S : tiết diện của sắt từ (cm2 )
Từ thông tổng của nam châm bằng từ thơng kẽ hở (từ thơng hữu ích) P. HCM qua từ thơng tản và
nếu bỏ
uat T
rị.
y th
Nếu kể đến từ thơng tản và rị ta có :

am K
h
Su p
  H  S ngS DH
k (mắcxuen)
(1)
Truo
với H  : cường độ từ trường yen © kẽ hở (ớctét)
trong
qu
Ban 2 )
S  : tiết diện kẽ hở (cm
kS : hệ số xét tới sự tản và rò từ
Áp dụng định luật mạch từ : HL + H  l  = 0
Nếu kể đến từ thông tản và rò :
(2)
HL = H  l  k1
với :
H, L : cường độ từ trường trong sắt từ (ớctét) và chiều dài sắt từ (cm)
l  : chiều dài kẽ hở (cm)
k1 : hệ số xét tới những biến dạng của đường sức
Ở đây khơng kể đến dấu “-“ vì dấu này chỉ cho biết chiều của cường độ từ trường trong sắt từ ngược
với chiều của cường độ từ trường trong kẽ hở .
Nhân biểu thức (1) với (2) vế với vế ta được :
SLBH = S  l  H 2 k S k 1
với SL là thể tích nam châm V và sau S  l  là thể tích khe hở V 
Khi đó :
V H 2k k
V    S 1
(cm3)

BH
Từ công thức trên ta thấy : thể tích nam châm V bé nhất nếu BH lớn nhất. Vậy trong thiết kế ta chọn
(BH)max.
Tiết diện nam châm :
224
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



S 

HS kS
B

Chiều dài của nam châm : L 

H  l k 1
H

(cm2)

(3)

(cm)

(4)

Từ (3) và (4) ta có :
B LS  k S

H
Sl  k 1

CÂU HỎI
1. Trình bày về độ từ dư, hệ số phẩm chất, hệ số lấp đầy của nam châm vónh cửu ?
2. Khi tính toán nam châm cần chú ý điều gì ?
3. So sánh nam châm điện và nam châm vónh cửu ?

H Su
ng D
ruo

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

n©T
quye
an

B

225
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



§ 1.6 LỰC ĐIỆN ĐỘNG
I. Khái niệm
Lực điện động 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 trị 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 trườ ng này cũn g tác dụng ngay với chính dòng điện
sinh ra nó. Lực tác dụng do dòng điện và từ trườn g sinh ra này đều được gọi là lực điện
động.
Chiều của lực điện động được xác định bằn g 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 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”.

H Su
ng D
ruo

K
pham

M

P. HC
uat T

y th

n©T
quye
an

B

Hình 1-11. Lực điện động do hai vật dẫ n
có dòng điện cù ng chiều và ngược chiều
Trong điều kiện làm việc bình thường dòng điện chạy trong vật dẫn không lớn lắm lực
điện động khôn g 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. Tính toán lực điện động dòng điện một chiều:
Có thể tính lực điện động bằng hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất dùng định luật
Biot-Savart-Laplace hoặc dùng định luật bảo toàn năng lượng.
a. Phương pháp dùng định luật Biot-Savart-Laplace
Trong trườn g hợp chung nhất có thể xem LĐĐ được sinh ra khi có sự tác động tương hỗ
giữa dòng điện và từ trường. Theo định luật Biot-Savart-Laplace vi phân LĐĐ tác dụng lên dò ng
điện i trên chiều dài của đoạn dl nằm trong từ trường có từ cảm B được xác định bởi tích vectơ
dl và vectơ B


 
df  idl xB
Khi vectơ dl có chiều theo dòng i thì LĐĐ dF thẳng góc với cả 2 vectơ dl và B, có độ lớn :
dF = idl. B. sin  (: là góc giữa vectơ dl và vectơ B)

226
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



Nếu từ trường B không đổi tại mọi điểm dòng i chảy trên toàn bộ chiều dài l của 1 dây
dẫn thẳng thì LĐĐ có giá trị như sau:
F = i. l. B. sin  và khi  = 900 thì: F = i. l. B
Công thức Biot-Savart-Laplace dùng để xác định LĐĐ khi ta có thể biểu diễn từ cảm B
bằng 1 biểu thức phân tích phụ thuộc vào kích thước hình dạng mạch vòng dẫn điện. Ngoài
phương pháp tính lực điện động theo định luật Biot-Savart-Laplace, chúng ta có thể dùng phương
pháp tính lực điện động theo định luật cân bằng năng lượng.
b. Phương pháp tính lực điện động theo định luật cân bằng năng lượng
Hiện tượng phát sinh LĐĐ là hiện tượ ng biế n đổi năng lượng điện từ tích trong mạch điện
thành cơ năng.
Lực điện động là lực cơ học. Định nghóa lực cơ học là sự biến đổi cơ năng trên 1 đoạn
chuyển dịch. Từ đó định nghóa lực điện động là sự biến đổi của năng lượ ng điện từ trên 1 đoạn
dịch chuyển của mạch điện.

F

dWM

dx

I const

Ở đó: WM: năng lượng điệ n từ của mạc h điện. ( Ws )
Dx: đoạn dịch chuyển của mạch điện.
Biết rằng năng lượng điện từ trong 1 mạch điện:
HCM
TP.
t
thua
1 2 1 am Ky
WM  I .L  u ph (Ws)
I .
2 g DH S 2
ruon
n©T
ye
Trong đó:
I: cườngqu dòng điện . (A)
Ban độ
L: điện cảm của mạch. (H)
: từ thông trong mạch. (Vs)
1
dL 1 d
F  I 2.
 I.
(N )
2
dx 2 dx

từ đó:
Trường hợp có 2 mạch điện:

1
1 2
WM  I Í2 .L1  I 2 .L2  I Í .I 2 . M (Ws)
2
2
I1, I2: cườn g độ dòng chảy trong mạch 1 và 2.

Trong đó:

L1, L2: điện cảm trong mạch 1 và 2
M: hỗ cảm giữa mạch 1 và 2
Lực điện động sẽ là:
1
dL 1 2 dL
dM
F  I Í2 . 1  I 2 2  I Í .I 2
2
dx 2
dx
dx
Nếu mỗi mạch không bị biến dạng, mà chỉ dịch chuyển so với nhau thì L1 = const = L2 và:
F  I Í .I 2

dM
dx

c. Tính lực điện động bằ ng phương pháp thực nghiệm
227
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



Có thể tính lực điện động bằng biể u thức:
F = 10 –7. i1. i2. Kv.Khd
Trong đó:
Khd là hệ số phụ thuộc vào hình dáng vật dẫn
Kv được gọi là hệ số mạch vòng nó phụ thuộc vào hình dạng mạch vòng dẫn điện.
- Nếu gọi l là chiều dài vật dẫn, a là khoảng cách giữa hai vật dẫn, hệ số mạch vòng được xác
định như sau:
+ Khi xét (a/l) < 0,1 đối với 2 dây dẫn song song tiết diện nhỏ:
Kv = (2.l/ a)
+ Khi xét (a/l) < 0,1 đối với 2 dây dẫn song song tiết diện bán kính r:
Kv =  2.l / (a-r ) 
+ Khi xét với dạng mạch vòng như hình sau ta có các giá tri Kv :

Kv =

 d 1  d 2    S1  S 2 
a

H Su
ng D b)
ruo

K
pham

y th

n©T
quye
an

B

Kv = ln

d1  d12 d 2  d 22 
S1  S12 S 2  S 22 

c)

Kv = ln

2b

1  1 c2
trong đó: b = a/r;

M

P. HC
uat T

 0,25
c = a/h

228
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



d)

Kv = 2 ln

L
l

e)
Kv = 2( ln

2b
1  1 c2

 0,25 )

Kv = 2 ln (a/r) + 0,5

f)

Đây là trường hợp trong máy cắt c << 1
Cũng có thể tính từ cách khác để có cùng 1
kết quả như trê n
HCM
TP.
1 dL
huat
Ky t
F = i2
2 dh
pham
H Su
a
ng D


Trong đó: L  10 7 .2.h. 2 ln  0,5  (H) ruo
T
n©
r uye

an q
B
Kv = ln (D/d)
g)
Đây là trường hợp đối với tiếp điểm trong đó:
(d: đườn g kính tiếp xúc thực, D:đường kính
tiếp điểm )
LĐĐ tác động đối với tiếp điểm thường được

tính thêm hệ số dự trữ:
F = K. 10 –7. i2. ln (D/d)
Trong đó hệ số dự trữ: K= 1,35  1,5
i)
LĐĐ tác động đối với tia lửa hồ quang
ar
F= 2. 10–7. i2. ln
r

229
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



Hệ số Khd được xá c định bằ ng đồ thị hình 112

Hình1-12

M

P. HC
uat T

2. Tính toán lực điện động dòng điện xoay chiều:

y th
am K

a. Khi chỉ xét sin điều hoà: it   I m . sin  .t
u ph
DH S
ng
Công thức tổng quát: F = C i2Truo i C = 10 –7.Kv.Khd )
n © (vớ
quye
Ban n:
Vì i chính là giá trị tức thời neâ
F = C.I2m.Sin 2t

 1  Cos2 .t 
= C.I 2 m .

2


Fm = C.I2m = 2.C.I2

Lực tác động lớn nhất:
Lực tác động tức thời:

F=(Fm/2)–(Fm/2).cos2t

Lực tác động trung bình:
Ftb=

1T
C .I 2 m
Fdt 

 CI 2
2
T
0

Đồ thị (hình 1-13), LĐĐ theo giá trị tức thời cho ta thấy lực F biến đổi tuần hoàn có giá
trị từ (0 Fm) và có tần số gấp 2 lần tần số dòng điện. Với tần số này tác động cơ khí sẽ gây ra
tiếng oàn.

230
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



Hình 1-13
b. Khi xét dòng AC có chứa thành phầ n không chu kỳ:
Khi đóng ngắt mạch điện, sét đánh hay xảy ra sự cố trên lưới điện như ngắn mạch bất ngờ
HCM
thì lúc này ngoài thành phần chu kỳ sin điều hoà còn có thành phần không chu kỳ làm cho giá trị
TP.
huat
Kyct này tuỳ thuộc vào thời điểm xảy ra
dòng điện đặc biệt là giá trị Im tăng vọt. Giá trị dòngham lú
p điện
H Su
n D
sự cố so với thời điểm mà thành phần chuukỳ g qua điểm 0. Nó đặc biệt lớn khi thời điểm xảy ra sự

Tr o đi
©
yen
n qu
achu kỳ sin điều hòa. Đó chính là trường hợp LĐĐ nặng nề nhất cần
cố đúng thời điểm / củB
a
phải xét đến. Hình 1-14 trình bày dạng dòng điện ngắn mạch.

Hình 1-14
Đường 1: i1 =IMsint
231
Thu vien DH SPKT TP. HCM -


Truong DH SPKT TP. HCM



Đường 2: i2 =

I M .e

R
 .t
L

  R .t

L

 cos  .t 
Đường 3: i3  I M  e




Có thể mô tả dòng điệ n khi có thành phần khôn g chu kỳ bởi biểu thức sau:
R .t
i = Im  e L  cos .t 





Trong đó R và L là giá trị điện trở và điện cảm của lưới điện, T0 được gọi là thời hằng T0 = L/R
Tại thời điểm t = / dòng điện đạt tới đỉnh cao nhất và được gọi là dòng xung kích I xk .




Ixk = Im 1  e



 .T0


 = Kxk.Im


Hệ số Kxk phụ thuộc vào cô ng suất nguồn điện, vị trí đặt của thiết bị và hình dạng của
lưới điện, giá trị R và L của mạch. Thiết bị càng gần nguồn thì hệ số Kxk càng lớn. Trong tính
HCM
TP.
toán ta thường chấp nhận giá trị Kxk = 1,8.
huat
Ky t
pham
H Su
Do vậy: Fxk = C(Ixkmax)2 = C (1,8) 2I2g D= 3,24 CI2m = 6,48.C.I2
nm
Truo
©
Như vậy khi có thành phầenkhông chu kỳ thì LĐĐ sẽ lớn gấp 3,24 lần so với dòng biến
uyn
an q
B
thiên điều hòa và lớn gấp 6,48 lần so với dòng DC cùng điề u kiện. Khi xảy ra sự cố ngắn mạch
dòng ngắn mạch đã rất lớn gấp hàng chục lần định mức, nếu tính tới thành phần xung kích thì
dòng còn lớn hơn nữa gấp cả trăm lần Iđm. do vậy khi xét LĐĐ để tính toán cho an toàn thiết bị
chúng ta phải tính đến điều kiện có dòn g xung kích này.

CÂU HỎI
1. Định nghóa lực điện động ?
2. Trình bày cách xác định chiều tác động của lực điện động ?
3. Mục đích của việc xác định lực điện động là gì ?
4. Trình bày những vấn đề cơ bản liên quan đến lực điện động do dòn g điện xoay chiều ?

232
Thu vien DH SPKT TP. HCM -