Giáo trình khí cụ điện

Mơn Cơ sở Khí cụ điện
Giáo trình : Khí cụ điện –Phạm Văn Chới
Bùi Tín
Nguyễn Tơn
§1.1 :Bài Mở đầu
* Khí cụ điện là các thiết bị điện dùng để đóng ,cắt , bảo vệ , điều khiển, ổn
định các
mạch điện (đo lường) điện áp ,công suất (theo chức năng ).
- Điều khiển: Tin cậy ,chọn lọc,tự động lập lại.
- Đóng cắt là chức năng quan trọng ,khơng dịng điện (an tồn ) ,nhìn thấy khoảng cách (dao cách ly) .
+Ngắn mạch rất khó khăn khi cắt dịng ,dùng cầu chì , máy cắt ,aptơmát (hạ áp).
+ Q tải có thời gian(rơ le nhiệt).
-Điều khiển : các thiết bị công tác làm việc với các chế độ khác nhau .
 Khí cụ điện theo điện áp : - Khí cụ điện cao áp Uđmức >1000V
- Khí cụ điện hạ áp Uđmức <1000V
Nguyên lý làm việc giống nhau nhưng phần cách điện khác nhau .Với khí cụ điện cao áp thì phần
này lớn.
Khí cụ điện cao áp : +Trung áp (≤36 kV)
+Cao áp (36÷40 kV)
+Siêu cao áp (>400 kV)
* Khí cụ điện dạng dịng : +Khí cụ điện một chiều
+ Khí cụ điện xoay chiều
 Khí cụ điện nguyên lý làm việc : + Điện cơ
+ Điện từ
+ Điện nhiệt


Chương I : Nam châm điện .
§1.1: Đ ại cương nam châm điện .
1,Sơ đồ:
5

4

3
2

δ

Φδ

U

+

Φr
Φo
1
1-mạch từ tĩnh ;
4-lò xo nhỏ;
Φδ :từ thông làm việc ;

2-cuộn dây;
5-cứ chặn Φ0 từ thông ∑;
Φr :từ thơng rị;

3-mạch từ động( nắp);

δ :khe hở làm việc ;

Định nghĩa : Nam châm điện l à một cơ cấu điện từ biến điện→ từ →cơ (lực ,mô men).
- Đóng K → xuất hiện I trong cuộn dây ư vòng .

F ιω:sức từ động [Avòng ]
F sinh ra từ thông : +Φδ →lực điện từ hút nắp (không phụ thuộc chiều i) m à € δ
+ Φr
-μ : [ H/m ] đặc trưng cho độ dẫn điện.
μ0 4 10  7 H/m (chân khơng , khơng khí ) →tuyệt đối.
μx
- Độ dẫn từ tương đối
μ0
-

Mật độ từ thông B 

φ
;S : tiết diện cực từ; B [ Wb/m2 ] , [ T ] .
S


-

Cường độ từ trường : H 

-

Từ trở :

-

Từ dẫn :

1 l

μS
1
S
G
μ
Rμ
l

Rμ 

B
μ

[ T/H/m ] , [ A/m ], [Tm/H ].
[ H-1 ]
[H]

B

III
I

II
H

I _tuyến tính;

μ

dB

dH

III _bão hồ ;
II _phi tuyến → tính tốn phức tạp.
* Phân loại :
- Nam châm điện nối tiếp :cuộn dây nối tiếp với phụ tải →dòng điện phụ thuộc phụ tải .
- Nam châm điện song song :cuộn dây song song với phụ tải .
- Nam châm điện xoay chi ều ( AC )
Nam châm điện một chiều ( DC ).

2,Các định luật cơ bản:
2.1, Định luật Ôm :




Uμ
U μG
Rμ

2.2, Định luật Kirchoff 1 :  Φi 0
2.3, Định luật Kirchoff 2 : F  U μi Φ(RRμ1  ...  R μn )
2.4, Dịng điện tồn phần :
F  Hdl
l

3, Ứng dụng: sử dụng rộng rãi trong các cơ cấu truyền động , công tắc tơ ,…, thiết bị bảo vệ ngắn
mạch trong máy cách điện ,dùng trong điều khiển ,các cơ cấu phân ly , phân loại cơ cấu điện từ chấp
hành ( phanh hãm điện từ ).
4, Tính tốn nam châm điên :

- Mạch từ phi tuyến →tuyến tính hố .
-Khó xác định chính xác từ trở của mạch từ

:

Rμ 

1 l
chỉ đúng cho tuyến tính đều.
μS

§1.2 : Từ dẫn mạch từ.
* Phần sắt từ :phụ thuộc điểm làm việc trên đồ thị B(H)
Vd: G Fe μ Fe

S
l

nếu điểm làm việc thuộc vùng tuyến tính μ= const , μFe  μ0 →bỏ qua từ trở sắt từ .
* Phần khơng khí :
- Ở khe hở khơng khí lam việc + Từ dẫn rị.
- Cơng thức chung :

Gδ 

Φδ
U μδ

→ khơng khí khơng phụ thuộc vào điểm làm việc B(H) .
- δ  S → coi trường điện từ ở δ là trường song phẳng (đều)

m

Gδ 

b

a

δ

Φδ
BS
S

μ 0
U μδ Hδ
δ

[H]

→bỏ qua từ thông tản
m
Điều kiện :


 d 0.2

 0.2

d

d - đường kính nêú hình trụ

1, Phân chia từ trường :
→ Chia từ trường thành các vùng đơn giản
Tính dần các trường thành phần
Tổng hợp lại
* Với hình hộp chữ nhật :

G δ0 μ 0

a2
δ

-1/2 trụ đặc :
G δ2 μ 0

 G δ2 μ 0

a

δ

- ½ trụ rỗng :
- ¼ cầu đặc :

2a
 δ


π   1
m

0.077μ 0 δ

G δ3 μ 0
G δ4

( m=1:2δ )

δ tb
S tb

V
0.26μ 0 a
δ 2tb


- ¼ cầu rỗng :

G δ5 μ 0

m
4

G δ G δ0  G δ2  G δ3  G δ4  G δ5
16

G δ  G δ0  G δi

→từ dẫn tản

2

Hệ số từ tản : δ t 

G δ G δ0  G t
G

1  t
G δ0
G δ0
G δ0

Khi δ nhỏ ;a,b lớn → G t  G δ0 → δ t 1
δ càng lớn δ t ↑
→ Kết quả tương đối chính xác nhưng phức tạp → dùng tính tốn kiểm ngiệm.
2, Tính bằng cơng thức thực nghiệm ( kinh nghiệm ):
Bảng ( 1-3) <22>
3, Tính bằng hình vẽ :
Khi cực từ khức tạp không dùng 2 loại trên thì vẽ bức tranh từ trường
+Đường sức từ
→ dẫn
+Đường đẳng thế
§1.3 : Mạch từ một chiều .
- F ιω # f  t  .
U, I không phụ thuộc vào t → Mạch khơng tổn hao do xốy , từ trễ
- Hai bài toán :
+ Thuận : Cho Φ tính F
+Ngược : Cho F tính Φ

Khó khăn : +Từ dẫn khó tính chính xác .
+Phi tuyến vật liệu từ .
+Thông số rải →tập trung.
1,Mạch từ 1 chiều bỏ qua từ thơng rị :
-Khi Φ ro  Φ .
- Mạch từ hìh xuyến .
A, Thuận :


i

S

ltb
biết Φ δ tìm F ιω
 mạch từ thay thế :
   Fe

R Fe

R

F    R Fe  R  
G   0

F
R 

B

Bh

vì  rị 0

S


1 l tb
 S


S

 B  H
H


Mạch từ một chiều I=const →F= const không phụ thuộc vào δ
UFe ↑ →bão hòa .
b, Ngược : biết F
F IW Φ R μFe  R δ  → tính được R 
 Phương pháp dò trên cơ sở bài tốn thuận : có thể dựng hình →kết quả trường hợp đặc biệt .
IW Φ R μFe  R δ  Hl tb 

BS
GS

IW
BS
H 

l tb
G δ l tb

B
M
Bδ

α
0

H
H

-

Lấy OA= IW/ltb ;

-

Từ A dựng α ; tgα

1
G δ l tb

.

2,Mạch từ 1 chiều có xét tới từ thơng rị :
a, Bỏ qua từ trở sắt từ :
μ Fe  μ 0  R Fe  0
-

Khi nghiệm nằm trong vùng tuyến tính của B( H )


Φδ
IW

x

δ

IW

 l   x
x

d

U  F Hl

l
Uμ

x

x

Φδ

Φδ

Mạch từ thay thế :

Φδ

G 1
Φ0

Grò

G 2

IW

Gr =kgrl
gr : dẫn suất từ dò ; k<1 – hệ số từ dẫn rò qui đổi.

Φδ


lS
lS
G δ2 μ 0
;
.
δ1
δ2
+Thuận : Φ  F
G δ1 μ 0

+ Ngược : F  

* Gọi

f 


l

U x fx 

Từ thơng rị tại dx :

x
l

( từ áp tại điểm α )
d rò  U x dG rò 

x
g r dx
l

2
1
 Φ rx  ιω g r l  Φ rl   lg r G r



-

2

l
2
1
G r  lg r từ dẫn rò qui đổi theo Φ ( Nam châm 1 chiều )
2

Sức từ động F ~ điện áp
Từ thơng  ~ dịng điện
Từ thơng móc vịng Φω ψ
I 2
d rx  x d rx  2 g r x 2 dx
l
I 2
I
g r l   g r l  
3
3
1
G r  g r l →Nam châm diện
3

r 



Hệ số từ rò :

  r

r  0  

1  r



b, Không bỏ qua từ trở sắt từ :
- Điểm làm việc ở vùng bão hòa của B( H)
-


δ
1
2

1’
2’

l12

3
4

3’
4’

l23

x

Uμδ

l34

Uμ

nắp
Φn

R

R 12
R 23
R 34

Φδ
Φr1
Φr2

R 

1

R 12

Φd

Φδ

2

R 23

3
Φr3

x

R 34

4

Φ


-

Giải bằng phương pháp đoạn mạch từ (tại sao 3 đoạn )
Tính từ trở (dẫn ) của khơng khí ( chia1 đoạn sai số lớn hơn )
n

 Iω    Iω i
i 1

* Thuận : cho Φ   F
  B n S n  B n 

 

Sn
S

→ H → n

B (H )
Rn 

1 ln
 U 11'  R r1
 n Sn

 11'  r1      11'

 11'
 B H 
S
μ 11'  R 12
* Ngược : cho F   
- Dùng hệ số từ rò
Tại bất cứ điểm α ;
B11' 

-

dùng phương pháp dò

  
 x     rx    1  rx     rx
  
Từ dẫn và điện cảm :
L = w2G ;
G- từ dẫn

w –số vòng dây
L –điện cảm
XL = wl =2лfl ; fl ; f # 0
§1.4 : Mạch từ xoay chiều .

+ I biến thiên → tổn hao do từ trễ và dịng xốy .
U
U
I 
2
Z
R2  X
L

I

U
U

l 2f 2 G


R<→ I phụ thuộc khe hở δ , Φ không phụ thuộc δ .
Ở nam châm điện 1 chiều I 

U
const không phụ thộc khe hở δ .
R

+

dδ

U~

Wn.m

Φr

→ Giản đồ véc tơ :

w1

Wn.m :vịng ngắn mạch
làm cho từ thơng và từ áp
lệch pha về từ →chống
rung nam châm điện xoay
chiều .


IR
-E

U

Uμ
In.m

Φxμ

ΦRμ

Xác định Xμ –từ kháng
   R   n  n

n 

ln
w d 
 n
rn
rn dt

U     R  

w 2x
Ln 
rn

w 2 d 
rn
dt

; rn - điện trở vòng ngắn mạch

X  L  2f

1
rn

Z  R   jX 
Z   R 2  X 2

§1.5 : Cuộn dây nam châm điện .
-

-

Chức năng cuộn dây : + sức từ động iw
+ khơng được hỏng ( nóng ) U = Uđm
Các thơng số : + diện tích chiếm chỗ cuộn dây ( cửa sổ mạch từ )
S cd hl [ mm2 ] ;

h
m - tỉ số hình dáng dây .
l


m=1 2 → xoay chiều
2 4 → một chiều
+ số vòng dây w :
- tiết diện dây quấn q [mm2 ]
-đường kính d [ m ]
( khơng kể bề dày cách điện )
+ Hệ số lấp đầy cuộn dây :
S
q
K đ  Cu 
( 0.3 0.7 )

S cd
lh
-

Kđ phụ thuộc :
+ Cuộn dây có khung ? → khái niệm cách điện , chịu nhiệt .
+Chủng loại dây quấn ,hình dạng chủng loại cách điện , kích cỡ dây quấn.
+Có cách điện lớp hay không
+Phương pháp cuốn dây .
+Điện trở cuộn dây
l tb
l l
R
; l tb  t n
q
2
+Mật độ dòng điện trong cuộn dây :

j

I
[A/mm2 ];
q

j = (1.5 →4 )→dây cuốn Cu làm việc ở chế độ dài hạn
=(10→30) →dây cuốn Cu làm việc ở chế độ ngắn hạn.
1, Cuộn dây nam châm điện 1 chiều :
Cho sức từ động IW ,cho điện áp Uđm cuộn dây ,chế độ làm việc .
→ Tính các kích thước , thơng số của cuộn dây .
 Chọn j , Kđ , ρ

Xác định Scuộn dây :
-


q
k
q  
Scd lh  
 đ
kđ
kđ
j
l=?
h
m 
l

h=?
Xác định ltb , biết kích thước cực từ ,Scd
i 

U
U
U
Uq



l
l


R
l tb
 tb
 tb
S
q


 Cu ( 00 c ) 0.017

-

-

[  mm2/m ]
q → d → chuẩn hóa ( làm trịn )
S cd l cd
q
l tb 
Điện trở : R 
q

Số vòng :  

Tổn hao công suất : P = I2R
Độ tăng nhiệt của cuộn dây ở chế độ dài hạn :
 W
P
0


[ C][ W  2 ]
K T ST
 m2 0 C m


KT : hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ ;KT = (6-14 )[ W/0C m2 ] –tự khơng khí .
ST = St + Sn + 2Sđáy .
- Nhiệt độ thốt nóng bề mặt cuộn dây : θ =θ0 +  ( θ0 – nhiệt độ môi trường )
Nếu w rất lớn thì iw # f(δ)
2, Cuộn dây ,nâm châm điện xoay chiều :
E 4.44f m ( Φm- từ thông tổng , Φm = Φ0 + Φr )
≈U
0.85U đm
E
E


* Cho б ,Φm →  
4.44f m
4.44fB m S 4.44fB m S
-

 

S cd 

q
 q
kđ

Sức từ động : ( iw ) = f(δ)
- ở chế độ dài hạn ( trạng thái hút ) δ = 0.5 [mm]
→ khe hở công nghệ và chồng đỉnh .
-

I m   m
→

G     min 
 I 
1
q I S
I m

;
cd
j
2
3, Tính lại cuộn dây khi thay đổi điện áp :
- Cơ sở : + Sức từ động không đổi
Scd = lh = const
+Từ thông không đổi
+ Chế độ nhiệt không đổi j = const


U 1 1 q 1
d
   2
U 2 2 q 2

d1

Bài tập về nhà : Cho Scd = lh , biết U- , tính w, q sao cho j = 3 [A/mm2 ] (chọn kđ ) .

§1.6 : Lực hút điện từ của nam châm điện 1 chiều .
Lực hút điện từ của nam châm điện 1 chiều là lực tác động lên cơ cấu công tác .
1, Dùng công thức Maxoen :
F

1
0

1  2 
   
(
B
B  n  dS
 n ) B 


2

S 


S- bề mặt cực từ ; n - pháp tuyến ; B - từ cảm ; μo = 4лfl ; 10-7 ( H/m )



Nếu B  S thì B , n cùng phương



F

1
2 0

B

2


dS

S

1

2
Nếu Bδ = const trong S → F  2 B  S
0

→ bỏ qua từ thông tản khi  S , F 4.06B 2 S [ kg ]
2, Tính lực điện từ bằng cân bằng năng lượng :
- Khi đóng điện vào cuộn dây namchâm điện :
d
dt
2
Uidt i Rdt  id

phương trình cân bằng : U iR 

Uidt : điện năng vào ; i2Rdt : tổn hao nhiệt ; idψ : năng lượng từ .


δ2

ψ2

δ2< δ1

c

d
δ1

b

a

0

i

i1 i2

Năng lượng từ trường δ = δ1
1

W1  id S 0ab 0 ( tam giác cong )

0

1

W12  id Sabcda

Khi δ1 → δ2 :

2

2

δ = δ2  W 2  id Socdo
0


W  W1  W 21  W 2 S oado FS
 F

W
S



dW
dS

1
W1  1i1
2

1
W 2  21i 2
2
1
W12   2  1  i1  i 2 
2
Đặt 2 1  

§1.7 : Lực hút điện từ của nam châm điện xoay chiều .
i  m sin t
  m sin t
2

2
1
 i 2 dG  1   m sin t  dG  1  m dG sin 2 t Fm sin 2 t
2
dS 2 
G
 dS 2 G dS
1  cos 2t 1
1
Fm
 Fm  Fm cos 2t F  Fx
2
2
2

F

Fm - biên độ lực điện từ .


t
Fm

F

0

t
лfl ;

2лfl ;

F-

Khi Fcơ > F → nắp đẩy → rung với chu kì 2лfl ; f .
→ chống rung bằng 2 phương pháp : tạo ra từ thông lệch pha nhau :
+ Mắc 2 cuộn dây nối tiếp với thông số khác nhau .
+ Dùng cuộn ngắn mạch .
Sơ đồ :
vòng ngắn mạch

U~