Giáo trình khí cụ điện

Giáo trình
Khí cụ điện


MỤC LỤCC LỤC LỤCC
Mơn Cơ sở Khí cụ điện................................................................................................................1
Điều kiện :
d - đường kính nêú hình trụ........................................................5
→ Chia từ trường thành các vùng đơn giản..................................................................................5
Bảng ( 1-3) <22>.......................................................................................................................... 6
Khi cực từ khức tạp khơng dùng 2 loại trên thì vẽ bức tranh từ trường........................................6
→ dẫn........................................................................................................................................... 6
U, I không phụ thuộc vào t → Mạch khơng tổn hao do xốy , từ trễ..........................................6
Mạch từ một chiều I=const →F= const không phụ thuộc vào δ.................................................8
F IW Φ R μFeFe  R δ  → tính được R  .....................................................................................8
Gr =kgrl........................................................................................................................................ 9
B (H )......................................................................................................................................... 12
R<Xác định XμFe –từ khángtừ kháng..............................................................................................................14
Xác định ltb , biết kích thước cực từ ,Scd....................................................................................15
≈ U............................................................................................................................................. 16
Bài tập về nhà : Cho Scd = lh , biết U- , tính w, q sao cho j = 3 [A/mm2 ] (chọn kđ ) ................17



Nếu B  S thì B , n cùng phương.....................................................................................17
1

2
Nếu Bδ = const trong S → F  2 B  S ....................................................................................17
0

Năng lượng từ trường δ = δ1.......................................................................................................18
Đặt 2 1   ..................................................................................................................... 18


Sơ đồ :.....................................................
................................................................................................................................................... 20
Nam châm điện ~.......................................................................................................................22
Bài tập:(Iw) = const ( B như nhau ),cùng một mạch từ δ = δmin .Hỏi F- >< F~?..........................23
Thời gian khởi động δ = δmax = const → l = lo = const..............................................................24
→ ψ(i) quan hệ phi tuyến...........................................................................................................25
Chương 2 : Sự phát nóng của khí cụ điện...................................................................................26
Rv = KmR : Km là hiệu ứng mặt ngồi lên tổn hao dây dẫn.......................................................26
(f,B,xốy)  ( W/leg)  f,B,vật liệu.......................................................................................26
Co 3 phương pháp là dẫn nhiệt , dối lưu và bức xạ....................................................................26
Trong đó: +d2Q truyền qua dS trong dt theo hướng x..............................................................26
Trong đó : dt là tổn hao..........................................................................................................27
§ 2.4 Sự phát nóng của thiết bị điện ở chế độ ngắn mạch..........................................................30
 đoạn nhiệt  khơng có tỏa nhiệt............................................................................................30
dt c T d      nm  chophép ở chế độ ngắn hạn.................................................................30
§2.5 Các phương pháp xác định nhiệt độ...................................................................................30
Ứng dụng nhiệt kế công tắc thủy ngân  đo khống chế nhiệt....................................................30
R  R 0 1   T  trong đó T là hệ số nhiệt điện trở....................................................................31
Chương 3 : Lực điện động ở khí cụ điện....................................................................................31
Lực điện động chính là lực tác dụng của điện trường và từ trường............................................31
1.Định luật Bio-xava-Laplace....................................................................................................31
 F 10  7 i 1i 2 k C (N)  để xác định hướng của F ta dung quy tac bàn tay trái.......................32
Mi1i 2 : là biến đổi vị trí.............................................................................................................. 32

Điều kiện biết được biểu thức giải tích của L, M theo x.............................................................32

2.Lực giữa dịng điện và mơi trường sắt từ.................................................................................33


1.Điện 1 pha............................................................................................................................... 33
1.Phóng điện trong chất điện mơi...............................................................................................34
3. Q trình phản ion..................................................................................................................34
Tải cố định  UR cố định  Uhq tăng  khơng cắt Ur tăng Uhq thì tăng chiều dài ống hồ quang
................................................................................................................................................... 35
§3.3 Hồ quang điện xoay chiều..................................................................................................35
Uphục hồi > Uchọc thủng hồ quang cháy lại do nguồn và điện tích tải................................................35
Để dập tắt hồ quang thi cần làm cho : quá trình phản ion > quá trình ion.................................36
1.Kéo dài hồ quang....................................................................................................................36
a. Kéo dài bằng cơ khí  tăng khoảng cách giữa 2 tiếp điểm (điểm cực) tăng chiều dài dao
cách li  tăng kích thước...........................................................................................................36
b. Bắt hồ quang đi vào khe ziczắc : dùng từ trường để thổi hồ quang vào khe zic zắc dùng trong
công tơ điện  hồ quang điện có xu hướng đi lên......................................................................36
3.Phân loại hồ quang..................................................................................................................38
§5.2 Điện trở tiếp xúc................................................................................................................39
Iđm , Uđm,I đóng, Icắt Nđiện: số lần đóng cắt....................................................................................40
4.Q trình đóng........................................................................................................................41
Chú ý : Khi tính nhiệt độ U=Umax=1.1 Uđm.................................................................................41
Trạng thái đóng.......................................................................................................................... 43
Động........................................................................................................................................... 43
Nếu : + rỗng  mặt cắt khơng khí nén.....................................................................................44
Tĩnh............................................................................................................................................ 44
Trụ đặc....................................................................................................................................... 44
Giá đỡ lò xo................................................................................................................................ 44
Tiếp điểm tĩnh............................................................................................................................ 44
Dây dẫn...................................................................................................................................... 44
U................................................................................................................................................ 45

Cách điện rắn : hỗn hợp.............................................................................................................46
1/2 chu kỳ 50 Hz = 1.10-2 s Umaz xung > Umax 50 Hz......................................................................46
Ơn tập......................................................................................................................................... 47
XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU....................................................................................47
7. Hệ số kinh tế..........................................................................................................................48
P.10 3
55.10 3

I = 3U .. cos  3,220.0,9.0,91 101,75 ( A ).......................................................................48
1


THIẾT KẾ STATO.................................................................................................................... 48
Chọn q = 4.................................................................................................................................. 48
10.Bước rãnh Stato..................................................................................................................... 49
11. Số thanh dẫn tác dụng của 1 rãnh.........................................................................................49
12. Số vịng dây nối tiếp 1 pha...................................................................................................49
13.Tiết diện và đường kính dây dẫn...........................................................................................49
16.Từ thơng khe hở khơng khí...................................................................................................50
18.Sơ bộ xác định chiều rộng răng.............................................................................................50
Chọn kc = 0,95............................................................................................................................ 50
BZ 1 = (1,7 ÷ 1,85 ) = 1,7...........................................................................................................50
20.Chọn rãnh hình quả lê...........................................................................................................50
HINH VE................................................................................................................................... 51
Chọn cách điện rãnh có chiều dày 0,4 mm.................................................................................51
Chọn δ = 0,9 ( mm ).................................................................................................................. 52
DÂY QUẤN RÃNH GÔNG STATO.......................................................................................52
Chọn Z2 = 38.............................................................................................................................. 52
26. Bớc răng R............................................................................................................................. 52
Ly BZ2 = 1,75........................................................................................................................... 52

29.Dßng trong thanh dÉn R........................................................................................................52
33. Chọn kích thước sơ bộ Roto.................................................................................................54
HINH VE................................................................................................................................... 55
34. Diện tích rãnh R.................................................................................................................55
35.Diện tích vành nm.................................................................................................................55
36.Bề rộng răng ở 1/3 chiều cao răng.........................................................................................55
38 Làm nghiêng rãnh ở R...........................................................................................................56
TÍNH TỐN MẠCH TỪ...........................................................................................................56
Fδ = 1,6.Bδ . kδ.δ.104...................................................................................................................56
= 962,7...................................................................................................................................... 56
43. Cường độ tư thông ở răng Stato...........................................................................................57
44. STĐ trên răng Stato............................................................................................................. 57
46.Cường độ từ trường trên rằng R............................................................................................57
'
FZ 2 = 2.h Z .H Z 2.3,26 .22,2 = 144,7 ( A )...........................................................................57
H g = 10,6.................................................................................................................................. 57
2

1

2


53.Mật độ từ thông trên gông R.................................................................................................58
55.Chiều dài mạch từ gơng R.....................................................................................................58
57. STĐ tổng.............................................................................................................................. 58
Dịng từ hóa %........................................................................................................................... 58
THAM SỐ Ở CHẾ ĐỘ ĐỊNH MỨC.........................................................................................58
l d k d . y  2.B 1,3.19,19+ 2 = 27 cm....................................................................................58
61.Chiều dài trung bình ½ vòng dây của dây quấn S................................................................59

62.Chiều dài dây quấn 1 pha Stato.............................................................................................59
63.Điện trở tác dụng của dây quấn S..........................................................................................59
64.Điện trở tác dụng dây quấn R................................................................................................59
66.Điện trở R.............................................................................................................................. 59
1

1

.p

.2

Với  2. sin Z 2. sin 38 0,329 .......................................................................................59
2
69. Hệ số từ dẫn tản Stato........................................................................................................... 60
Với............................................................................................................................................. 60
 1  r   t   d  1,12 + 1,13 + 1,197 = 3,442......................................................................60
Víi Δ= 0,329............................................................................................................................... 61
 2  r   t   d   rn  2,32 + 2,30 + 0,76 + 0,693 = 5,2528.................................................61
80.Điện kháng R đã qui đổi........................................................................................................61
Tính theo đơn vị tương đối.........................................................................................................62
TÍNH TỔN HAO.......................................................................................................................62
83.Trọng lượng gông Stato.........................................................................................................62
84.Tổn hao trong lõi sắt..............................................................................................................62
86.Tổn hao đập mạch trên răng R.............................................................................................62
87.Tổn hao tổng thép.................................................................................................................. 62
88.Tổn hao cơ............................................................................................................................. 62
89. Tổn hao không tải.................................................................................................................62
1

1

1

2

2

2


Mơn Cơ sở Khí cụ điện
Giáo trình : Khí cụ điện –từ khángPhạm 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
các mạch điện (đo lường) điện áp ,công suất (theo chức năng ).
- Điều khiển: Tin cậy ,chọn lọc,tự động lập lại.

định


- 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-lị xo nhỏ;
Φδ :từ thơng làm việc ;

2-cuộn dây;
3-mạch từ động( nắp);
5-cứ chặn Φ0 từ thông ∑;
Φr :từ thơng rị;
δ :khe hở làm việc ;

Định nghĩa : Nam châm điện l à một cơ cấu điện từ biến điện→ từ →cơ (lực ,mơ men).
- Đóng K → xuất hiện I trong cuộn dây ư vòng .
F ιω:sức từ động [Avịng ]
F sinh ra từ thơng : +Φδ →lực điện từ hút nắp (không phụ thuộc chiều i) m à € δ
+ Φr
-μFe : [ H/m ] đặc trưng cho độ dẫn điện.
μ0 4 10  7 H/m (chân khơng , khơng khí ) →tuyệt đối.
-

Độ dẫn từ tương đối

-

Mật độ từ thông B 

-

μx
μ0

φ
;S : tiết diện cực từ; B [ Wb/m2 ] , [ T ] .
S
B
Cường độ từ trường : H 
[ T/H/m ] , [ A/m ], [Tm/H ].
μ


-

Từ trở :

-

Từ dẫn :

1 l
μS
1
S
G
μ
Rμ
l

Rμ 

[ 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 :
2.4, Dịng điện tồn phần :

F  U μi Φ(RRμ1  ...  R μn )
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 μFe Fe

S
l

nếu điểm làm việc thuộc vùng tuyến tính μFe= 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 μFeδ

→ 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

a

Gδ 

b

δ

Φδ
BS
S

μFe 0
U μFeδ 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 μFe 0

a2
δ

-1/2 trụ đặc :
G δ2 μFe 0

 G δ2 μFe 0

a

δ

- ½ trụ rỗng :
- ¼ cầu đặc :

2a
δ


π   1
m


0.077μFe 0 δ

G δ3 μFe 0
G δ4

( m=1:2δ )

δ tb
S tb
V
0.26μFe 0 a
δ 2tb


- ¼ cầu rỗng :

G δ5 μFe 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 tốn :
+ Thuận : Cho Φ tính F
+Ngược : Cho F tính Φ
Khó khăn : +Từ dẫn khó tính chính xác .
+Phi tuyến vật liệu từ .
+Thơng 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

vì  rị 0

F    R Fe  R  

R Fe

R
G   0

F
R 

B

S


1 l tb
 S

Bh

 B
H


 H
S


Mạch từ một chiều I=const →F= const không phụ thuộc vào δ
UFe ↑ →bão hòa .
b, Ngược : biết F
F IW Φ R μFeFe  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 μFeFe  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 ;
1

Từ A dựng α ; tgα G l
.
δ tb
2,Mạch từ 1 chiều có xét tới từ thơng rị :
a, Bỏ qua từ trở sắt từ :
-

μFe Fe  μFe 0  R Fe  0

-

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

Φδ

x

δ

IW

 l   x

IW

x

d

U  F Hl

l
UμFe

x

x

Φδ
Mạch từ thay thế :
Φδ

G 1

Φ0
Gr =kgrl

Grò

IW

G 2

Φδ

Φδ


gr : dẫn suất từ dò ; k<1 –từ kháng hệ số từ dẫn rò qui đổi.
G δ1 μFe 0

lS
δ1

lS

; G δ2 μFe 0 δ .
2

+Thuận : Φ  F
+ Ngược : F  
* Gọi

f 


l

U x fx 

x
l

Từ thơng rị tại dx :

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

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

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



Sức từ động F ~ điện áp
Từ thông  ~ dịng điện
- Từ thơng móc vịng Φω ψ

d rx  x d rx

I 2
 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 


-

x
g r dx
l

Hệ số từ rò :
r 

0   r



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

UμFeδ

l34

UμFe

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
 R 12

B11' 
μFe 11'

* Ngược : cho F   
- Dùng hệ số từ rò
Tại bất cứ điểm α ;

dùng phương pháp dò

 
 x     rx    1  rx
 

-


    rx


Từ dẫn và điện cảm :
L = w2 G ;
G- từ dẫn
w –từ khángsố vòng dây
L –từ khángđiện cảm
XL = wl =2лfl ; fl ;
f#0
§1.4 : Mạch từ xoay chiều .

+ I biến thiên → tổn hao do từ trễ và dịng xốy .
I

U
U

2
2
Z
R  XL
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 .