Bài giảng Khí cụ điện - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:170

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Khí cụ điện gồm 3 chương với nội dung cơ bản sau: Cơ sở lý thuyết khí cụ điện; Khí cụ điện hạ áp; Khí cụ điện cao áp. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm chi tiết nội dung của bài giảng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Khí cụ điện - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bé lao ®éng th¬ng binh vµ x· héi Trêng ®¹i häc s ph¹m kü thuËt nam ®Þnh Nhãm biªn so¹n: Th.s L· V¨n trëng KS. NguyÔn H¶i Thîng bµi gi¶ng KhÝ Cô ®iÖn Nam ®Þnh 2011
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................4 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................. 7 LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 8 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN .................................................. 9 1.1. Nam châm điện ...................................................................................................11 1.1.1. Đại cương về nam châm điện .......................................................................11 1.1.2. Mạch từ và cuộn dây nam châm điện........................................................... 12 1.1.3. Lực hút điện từ của nam châm điện ............................................................. 22 1.1.4. Ứng dụng của nam châm điện...................................................................... 24 1.2. Lực điện động trong khí cụ điện ......................................................................... 25 1.2.1. Các phương pháp tính lực điện động ........................................................... 25 1.2.2. Tính toán lực điện động ở các trường hợp thường gặp ................................28 1.3. Sự phát nóng trong khí cụ điện ...........................................................................29 1.3.1. Khái niệm chung .......................................................................................... 29 1.3.2. Các dạng tổn hao năng lượng .......................................................................31 1.3.3. Các phương pháp trao đổi nhiệt ...................................................................33 1.4. Tiếp xúc điện ......................................................................................................35 1.4.1 Khái niệm chung ...........................................................................................35 1.4.2 Điện trở tiếp xúc ............................................................................................ 36 1.4.3. Vật liệu và kết cấu tiếp điểm ........................................................................39 1.5. Hồ quang điện ..................................................................................................... 42 1.5.1. Khái niệm chung, quá trình ion hoá và khử ion trong chất khí ...................42 1.5.2. Các biện pháp dập hồ quang ........................................................................ 43 1.6. Cách điện trong khí cụ điện ................................................................................47 1.6.1. Khái niệm chung .......................................................................................... 47 1.6.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến cách điện ........................................................... 47 1.6.3. Điện áp thử nghiệm của khí cụ điện ............................................................48 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 1...................................................................50 CHƯƠNG 2 KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP ......................................................................... 52 2.1. Khí cụ điện đóng cắt bằng tay ............................................................................52 2.1.1. Công tắc (Switch).........................................................................................52 2.1.2. Nút ấn (Push Button).................................................................................... 56 2.1.3. Cầu dao (Disconnecting Switch)..................................................................57 2.1.4. Aptômat (Circuit Breaker) ...........................................................................60 2.1.4. Bộ khống chế................................................................................................66 1
2.2. Khí cụ điện đóng cắt tự động ...................................................................... 70 2.2.1. Côngtăctơ (Contactor) ................................................................................. 70 2.2.2. Khởi động từ ................................................................................................ 78 2.3. Khí cụ điện điều khiển và bảo vệ ....................................................................... 83 2.3.1. Cầu chì (Fuse) .............................................................................................. 83 2.3.2. Rơle (Relay) ................................................................................................. 87 1. Khái niệm chung ............................................................................................ 87 2. Rơle điện từ .................................................................................................... 90 3. Rơle trung gian ............................................................................................... 92 4. Rơle điều khiển ............................................................................................... 93 5. Rơle dòng điện ............................................................................................... 94 6. Rơle điện áp .................................................................................................... 96 7. Rơle tần số ...................................................................................................... 98 8. Rơle nhiệt ....................................................................................................... 99 9. Rơle thời gian ............................................................................................... 100 10. Rơle tốc độ ................................................................................................. 103 11. Rơle kỹ thuật số .......................................................................................... 104 2.4. Thiết bị cấp nguồn dự phòng ............................................................................ 119 2.4.1. Thiết bị cấp nguồn liên tục (UPS) ............................................................. 119 2.4.2. Thiết bị tự động đổi nguồn (ATS) ............................................................. 122 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP CHƯƠNG 2 ................................................................ 125 CHƯƠNG 3 KHÍ CỤ ĐIỆN CAO ÁP .................................................................... 127 3.1. Máy cắt điện cao áp .......................................................................................... 127 3.1.1. Khái niệm chung ........................................................................................ 127 3.1.2. Máy cắt nhiều dầu ...................................................................................... 132 3.1.3. Máy cắt ít dầu............................................................................................. 133 3.1.4. Máy cắt không khí nén............................................................................... 135 3.1.5. Máy cắt khí SF6 ......................................................................................... 137 3.1.6. Máy cắt tự sinh khí .................................................................................... 139 3.1.7. Máy cắt chân không ................................................................................... 140 3.1.8. Nguyên lý thao tác của máy cắt ................................................................. 141 3.2. Dao cách ly (DS - Disconnecting Switch) ........................................................ 143 3.2.1. Khái niệm và công dụng ............................................................................ 143 3.2.2. Phân loại..................................................................................................... 144 3.2.3. Cấu tạo và nguyên lý làm việc ................................................................... 144 3.3. Dao ngắn mạch ................................................................................................. 146 2
3.3.1. Khái niệm và công dụng ............................................................................146 3.3.2. Cấu tạo .......................................................................................................147 3.3.3. Nguyên lý làm việc ....................................................................................147 3.4. Dao cắt phụ tải ..................................................................................................148 3.4.1. Công dụng ..................................................................................................148 3.4.2. Điều kiện lựa chọn và kiểm tra ..................................................................149 3.5. Thiết bị chống sét ..............................................................................................149 3.5.1. Khái niệm và công dụng ............................................................................149 3.5.2. Chống sét ống .............................................................................................150 3.5.3. Chống sét van .............................................................................................151 3.5.4. Chống sét van bằng ôxýt kim loại ..............................................................153 3.6. Kháng điện ........................................................................................................154 3.6.1. Khái niệm và công dụng ............................................................................154 3.6.2. Kháng điện bê tông ....................................................................................156 3.6.3. Kháng điện dầu ..........................................................................................156 CÂU HỎI CHUƠNG 3 ........................................................................................157 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 158 PHỤ LỤC ..................................................................................................................159 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo nam châm điện .................................................................................. 11 Hình 1.2 Đường cong từ hoá của vật liệu từ ................................................................. 14 Hình 1.3 Phân bố từ trường tại khe hở .......................................................................... 16 Hình 1.4 Các hình đơn giản........................................................................................... 16 Hình 1.5 Các dạng khe hở không khí trong các mạch từ .............................................. 17 Hình 1.6 Mạch từ hình xuyến........................................................................................ 19 Hình 1.7 Mạch từ xoay chiều ........................................................................................ 20 Hình 1.8 Mô hình bộ ly hợp điện từ .............................................................................. 25 Hình 1.9 Lực điện động tính theo định luật Bio - Xava - Laplace ................................ 26 Hình 1.10 Các dạng bề mặt tiếp xúc điện ..................................................................... 36 Hình 1.11 Tiếp xúc điện ở thực tế ................................................................................. 37 Hình 1.12 Quan hệ giữa lực ép tiếp điểm với Rtx.......................................................... 39 Hình 1.13 Quan hệ giữa hình dạng tiếp xúc với Rtx ...................................................... 39 Hình 1.14 Tiếp điểm công son ...................................................................................... 40 Hình 1.15 Tiếp điểm kiểu cầu ....................................................................................... 41 Hình 1.16 Tiếp điểm kiểu dao ....................................................................................... 41 Hình 1.17 Buồng dập hồ quang kiểu ziczac .................................................................. 45 Hình 1.18 Nối điện trở song song với hồ quang ........................................................... 47 Hình 2.1 Cấu tạo công tắc hộp ...................................................................................... 53 Hình 2.2 Công tắc vạn năng .......................................................................................... 53 Hình 2.3 Cấu tạo công tắc hành trình loại BK-111 ....................................................... 54 Hình 2.4 Ký hiệu một số loại công tắc .......................................................................... 54 Hình 2.5 Cấu tạo, ký hiệu và hình dáng nút ấn ............................................................. 57 Hình 2.6 Cầu dao có lưỡi dao phụ................................................................................. 59 Hình 2.7 Ký hiệu cầu dao .............................................................................................. 60 Hình 2.8 Hệ thống tiếp điểm của một kiểu Aptômat .................................................... 61 Hình 2.9 Cơ cấu truyền động của Aptômat ................................................................... 62 Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý làm việc của Aptômat ....................................................... 64 Hình 2.11 Ký hiệu Aptômat .......................................................................................... 64 Hình 2.12 Bộ khống chế hình trống .............................................................................. 66 Hình 2.13 Cấu tạo bộ khống chế hình cam ................................................................... 67 Hình 2.14 Sơ đồ khai triển của bộ khống chế ............................................................... 69 Hình 2.15 Ký hiệu Côngtăctơ........................................................................................ 70 4
Hình 2.16 Hình dáng một loại Côngtăctơ .....................................................................71 Hình 2.17 Kết cấu và hoạt động của Côngtăctơ ............................................................71 Hình 2.18 Mạch vòng dẫn điện của Côngtăctơ ............................................................. 72 Hình 2.19 Cơ cấu điện từ của Côngtăctơ ......................................................................73 Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý Côngtăctơ điện tử ..............................................................75 Hình 2.21 Côngtăctơ điều khiển bằng từ ....................................................................... 76 Hình 2.22 Côngtăctơ điều khiển bằng biến áp .............................................................. 76 Hình 2.23 Côngtăctơ điều khiển bằng quang ................................................................76 Hình 2.24 Côngtăctơ điều khiển theo điện áp đầu ra .................................................... 77 Hình 2.25 Côngtăctơ chân không kiểu VRC ................................................................. 77 Hình 2.26 Mạch điện khởi động từ đơn ........................................................................ 79 Hình 2.27 Mạch điện khởi động từ kép dùng nút bấm đơn...........................................80 Hình 2.28 Cấu tạo cầu chì vặn....................................................................................... 83 Hình 2.29 Đặc tính Ampe – giây của cầu chì ................................................................ 84 Hình 2.30 Hình ảnh cầu chì ........................................................................................... 87 Hình 2.31 Đặc tính cơ bản của rơle ............................................................................... 88 Hình 2.32 Cấu tao rơle điện từ ...................................................................................... 91 Hình 2.33 Cấu tạo rơle trung gian .................................................................................92 Hình 2.34 Hình dáng rơle trung gian 8 chân .................................................................93 Hình 2.35 Ký hiệu rơle trung gian ................................................................................. 93 Hình 2.36 Rơle RID.......................................................................................................94 Hình 2.37 Sơ đồ mạch rơle bảo vệ động cơ điện một chiều ......................................... 95 Hình 2.38 Rơle dòng khởi động động cơ ...................................................................... 95 Hình 2.39 Sơ đồ khởi động động cơ một pha bằng rơle dòng và tụ điện......................96 Hình 2.40 Sơ đồ nối dây của rơle điện áp cực đại PH-51 ............................................. 97 Hình 2.41 Sơ đồ nối dây của rơle điện áp cực đại PH-53 ............................................. 98 Hình 2.42 Cấu tạo rơle nhiệt .........................................................................................99 Hình 2.43 Ký hiệu cuộn dây và tiếp điểm của rơle thời gian ......................................101 Hình 2.44 Sơ lược kết cấu rơle thời gian kiểu điện từ ................................................102 Hình 2.45 Mạch điện rơle thời gian điện tử ................................................................102 Hình 2.46 Sơ đồ nối dây (sơ đồ chân) và biểu đồ thời gian của rơle ..........................103 Hình 2.47 Hình dáng một rơle thời gian điển hình của hãng CKC, Omron ...............103 Hình 2.48 Nguyên lý cấu tạo của rơle tốc độ ..............................................................104 Hình 2.49 Sơ đồ khối rơle số .......................................................................................106 Hình 2.50 Rơle K8AB .................................................................................................107 Hình 2.51 Sơ đồ đấu dây rơle K8AB ..........................................................................108 5
Hình 2.52 Rơle EGR ................................................................................................... 109 Hình 2.53 Sơ đồ nguyên lý .......................................................................................... 111 Hình 2.54 Sơ đồ rơle bảo vệ khoảng cách Rell511 ..................................................... 115 Hình 2.55 Sơ đồ rơle SPAE 010 ................................................................................. 118 Hình 2.56 Sơ đồ khối UPS .......................................................................................... 119 Hình 2.57 Sơ đồ mạch động lực .................................................................................. 121 Hình 2.58 Sơ đồ mạch điều khiển ............................................................................... 122 Hình 2.59 Sơ đồ cấu trúc ATS .................................................................................... 123 Hình 2.60 Khối chuyển mạch ...................................................................................... 124 Hình 3.1 Máy cắt nhiều dầu ........................................................................................ 132 Hình 3.2 Máy cắt nhiều dầu Liên Xô chế tạo ............................................................. 133 Hình 3.3 Máy cắt ít dầu ............................................................................................... 133 Hình 3.4 Dập tắt hồ quang .......................................................................................... 134 Hình 3.5 Máy cắt kiểu BMK-35.................................................................................. 134 Hình 3.6 Máy cắt không khí nén ................................................................................. 135 Hình 3.7 Dập tắt hồ quang bằng luồng khí ................................................................. 135 Hình 3.8 Máy cắt không khí ........................................................................................ 136 Hình 3.9 Dòng điện chạy qua máy cắt khí SF6.......................................................... 137 Hình 3.10 Trạng thái quá độ cắt của máy cắt khí SF6 ................................................ 138 Hình 3.11 Trạng thái cắt sinh hồ quang của máy cắt khí SF6 .................................... 138 Hình 3.12 Dập tắt hồ quang của máy cắt khí SF6 ...................................................... 138 Hình 3.13 Trạng thái cắt hoàn toàn của máy cắt khí SF6 .......................................... 138 Hình 3.14 Cấu tạo máy cắt tự sinh khí ........................................................................ 139 Hình 3.15 Mặt cắt của buồng đóng cắt chân không 12kV, 25kA ............................... 140 Hình 2.16 Mặt cắt của máy cắt chân không VBL, VD4 ............................................. 141 Hình 3.17 Nguyên lý thao tác của máy cắt ................................................................. 143 Hình 3.18 Các bộ phận của cách ly ............................................................................. 144 Hình 3.19 Dao cách ly kiểu quay ................................................................................ 145 Hình 3.20 Dao cách ly một trụ .................................................................................... 145 Hình 3.21 Cấu tạo của dao cách ly đặt trong nhà........................................................ 146 Hình 3.22 Cấu tạo dao ngắn mạch .............................................................................. 147 Hình 3.0.23 Sơ đồ nguyên lý ....................................................................................... 148 Hình 3.24 Nguyên lý cấu tạo của buồng cắt SF6 ........................................................ 148 Hình 3.25 Sơ đồ nối chống sét ống ............................................................................. 150 Hình 3.26 Cấu tạo của chống sét ống .......................................................................... 151 Hình 3.27 Chống sét van ............................................................................................. 152 6
Hình 3.28 Đặc tính vôn-ampe .....................................................................................153 Hình 3.29 Sơ đồ của kháng điện máy phát ..................................................................154 Hình 3.30 Sơ đồ điện của cuộn kháng .........................................................................155 Hình 3.31 Kháng điện bê tông .....................................................................................156 Hình 3.32 Kháng điện dầu ...........................................................................................156 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tham số của mạch điện và mạch từ ............................................................... 12 Bảng 1.2 Lực nâng của NCĐ theo tải............................................................................24 Bảng 1.3 Nhiệt độ cho phép của một số vật liệu làm tiếp điểm ....................................30 Bảng 1.4 Cấp cách điện và các vật liệu cách điện chủ yếu ........................................... 30 Bảng 1.5 Điện trở suất () và ứng suất biến dạng dẻo () của một số vật liệu ............. 37 Bảng 1.6 Trị số K của một số vật liệu ...........................................................................38 Bảng 1.7 Hệ số m của các hình thức tiếp xúc ...............................................................38 Bảng 1.8 Điện áp thử nghiệm của KCĐ hạ áp .............................................................. 48 Bảng 1.9 Điện áp thử nghiệm của KCĐ cao áp ở điều kiện bình thường .....................49 Bảng 2.1 Bảng số liệu công tắc một pha .......................................................................55 Bảng 2.2 Bảng nối điện của tay trang............................................................................69 Bảng 2.3 Thông số khởi động từ  ME – 200 ..............................................................81 Bảng 2.4 Một vài tham số của rơle ................................................................................90 Bảng 2.5 Bảng các thông số chính rơle K8A8 ............................................................107 Bảng 3.1 Độ lệch điện áp cho phép tương đối so với điện áp định mức.....................129 Bảng 3.2 Các điều kiện và chọn và kiểm tra máy cắt .................................................131 7
LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây, việc lắp đặt, sử dụng và sửa chữa các khí cụ điện trong công nghiệp, nông nghiệp và các ngành kinh tế khác ngày càng phát triển nhanh chóng. Số lượng khí cụ điện được sử dụng trong các ngành tăng lên không ngừng. Mặt khác, các khí cụ điện ngày càng được cải tiến và càng hoàn thiện về phương diện kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu của người sử dụng là an toàn, đảm bảo thao tác đúng và tin cậy, đồng thời tuổi thọ cao. Với một vai trò quan trọng như vậy và xuất phát từ yêu cầu, kế hoạch đào tạo chương trình môn học “Khí cụ điện” của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Chúng tôi đã biên soạn giáo trình “Khí cụ điện” gồm 3 chương với nội dung cơ bản sau: - Chương 1: Cơ sở lý thuyết khí cụ điện - Chương 2: Khí cụ điện hạ áp - Chương 3: Khí cụ điện cao áp Giáo trình được biên soạn phục vụ cho công tác giảng dạy, tài liệu học tập cho đối tượng là sinh viên đại học ngành kỹ thuật điện của trường và cũng là tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành liên quan và các kỹ sư, kỹ thuật viên quan tâm nghiên cứu khí cụ điện. Khi biên soạn giáo trình, chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới có liên quan và phù hợp với đối tượng sử dụng cũng như cố gắng gắn những nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tiễn cao. Sau mỗi phần đều có câu hỏi và bài tập. Mặc dù đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của người sử dụng. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về bộ môn Cơ sở kỹ thuật điện, khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Các tác giả 8
CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN Khí cụ điện (KCĐ) là những thiết bị điện dùng để điều khiển, kiểm tra, tự động điều chỉnh, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chúng trong trường hợp có sự cố. Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi ở các nhà máy phát điện, các trạm biến áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thuỷ lợi, giao thông vận tải và quốc phòng ... Khí cụ điện thường được phân loại theo chức năng, theo nguyên lý, theo môi trường và theo điện áp. Để thuận lợi cho nghiên cứu sử dụng và sửa chữa khí cụ điện, người ta phân loại như sau:  Theo chức năng gồm có: - Khí cụ điện dùng để đóng cắt: chức năng chính của nhóm này là dùng để đóng cắt tự động hoặc bằng tay mạch điện ở các chế độ làm việc khác nhau. Các KCĐ đóng cắt gồm cầu dao, Aptômat, máy ngắt tự động, dao cách ly, các bộ chuyển đổi nguồn v.v... Đặc điểm là tần số thao tác thấp (thỉnh thoảng mới phải thao tác), do đó tuổi thọ của chúng thường không cao (đến hàng chục ngàn lần đóng cắt). - Khí cụ điện hạn chế dòng điện - điện áp: chức năng chính là hạn chế dòng điện, điện áp trong mạch không tăng quá cao khi bị sự cố. Kháng điện dùng để hạn chế dòng ngắn mạch, van chống sét hạn chế điện áp. - Khí cụ điện dùng để mở máy, điều khiển: nhóm này gồm các loại KCĐ như các bộ mở máy, Côngtăctơ, khởi động từ, bộ khống chế, biến trở, điện trở mở máy v.v... . Đặc điểm của nhóm này là có tần số thao tác đóng cắt cao, có thể đạt tới 1500 lần/giờ, tuổi thọ có thể đạt tới hàng triệu lần đóng cắt. - Khí cụ điện tự động điều chỉnh, khống chế, duy trì chế độ làm việc và các tham số của đối tượng như các bộ ổn định điện áp, ổn định tốc độ, ôn định nhiệt độ… - Khí cụ điện dùng để 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 các tín hiệu điện. Các KCĐ nhóm này gồm các rơle, các bộ cảm biến… Đặc điểm của nhóm này là công suất thấp, thường được nối ở mạch thứ cấp để biến đổi, truyền tín hiệu. - Khí cụ điện biến đổi dòng điện, điện áp gồm máy biến dòng, máy biến điện áp. Chúng có chức năng biến đổi dòng điện lớn, điện áp cao thành dòng điện và điện áp có trị số thích hợp, an toàn cho việc đo lường, điều khiển, bảo vệ. 9
 Theo nguyên lý làm việc có các loại: nguyên lý điện cơ, điện từ, từ điện, cảm ứng, nhiệt, có tiếp xúc, không có tiếp xúc.  Theo loại dòng điện: khí cụ điện dùng điện một chiều và xoay chiều.  Theo độ lớn điện áp gồm có: - Khí cụ điện cao áp được chế tạo để dùng ở điện áp định mức từ 1000V trở lên. KCĐ trung áp có điện áp đến 36 kV, KCĐ cao áp có điện áp từ 36kV đến 400kV và KCĐ siêu cao áp có điện áp từ 400 kV trở lên. - Khí cụ điện hạ áp: được chế tạo để dùng ở điện áp dưới 1000V (thường chỉ đến 660V).  Theo điều kiện môi trường: khí cụ điện làm việc ở vùng nhiệt đới, ở vùng có nhiều rung động, vùng mỏ có khí nổ, ở môi trường có chất ăn mòn hoá học, loại để hở, loại bọc kín v.v... Khí cụ điện cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật ở định mức. Nói một cách khác dòng điện qua vật dẫn không được vượt quá trị số cho phép, vì nếu không sẽ làm nóng khí cụ điện và chóng hỏng. - Khí cụ điện phải ổn định nhiệt và ổn định điện động. Vật liệu phải chịu nóng tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi quá tải hay ngắn mạch, dòng điện lớn có thể làm cho khí cụ điện bị hư hỏng hay biến dạng. - Vật liệu cách điện phải tốt để khi xảy ra quá điện áp trong phạm vi cho phép, khí cụ điện không bị chọc thủng. - Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc được chính xác, an toàn, song phải gọn nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công, dễ lắp ráp, dễ kiểm tra và sửa chữa. - Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện khí hậu và môi trường yêu cầu. 10
1.1. Nam châm điện 1.1.1. Đại cương về nam châm điện Nam châm điện (NCĐ) là loại cơ cấu điện từ biến đổi điện năng thành cơ năng. NCĐ được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực như: cơ cấu truyền động của rơle điện cơ, Côngtăctơ, các thiết bị đóng cắt, bảo vệ, cơ cấu chấp hành của van điện từ, khớp nối, phanh hãm, bộ ly hợp kiểu điện từ, các cần trục để nâng thép, loa điện, chuông điện... 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Hình dáng, kết cấu và kích thước của NCĐ rất đa dạng tùy thuộc vào chức năng và mục đích sử dụng. NCĐ gồm có hai bộ phận chính là cuộn dây (phần điện) và mạch từ (phần từ). Trong thực tế ta thường gặp hai loại sau: loại có nắp chuyển động và loại không có nắp chuyển động. - Loại có nắp chuyển động: Gồm có cuộn dây 1, lõi sắt từ 2 và nắp 3 (hình 1.1) Khi đóng khoá K sẽ có dòng điện i chạy trong cuộn dây và tạo nên sức từ động F = (iw), sinh ra từ thông 0. Từ thông này gồm 2 thành phần:  đi qua khe hở không khí làm việc  giữa nắp và lõi sắt sẽ sinh lực hút điện từ (nhờ hiện tượng từ hoá) tác dụng lên nắp. Khi lực này lớn hơn lực kéo của lò xo 4 thì nắp bị hút về phía lõi của NCĐ. Một phần của từ thông tổng không đi qua khe hở không khí làm việc mà khép kín từ thân này sang thân kia của mạch từ gọi là từ thông rò r. Khi cắt khoá K, dòng điện trong cuộn dây i = 0 thì lực hút điện từ cũng không còn nữa, lò xo 4 sẽ đưa nắp về vị trí ban đầu. Cữ chặn 5 để điều chỉnh khe hở không khí . - Loại không có nắp: gồm có cuộn dây và lõi sắt từ. Đối với loại này, các vật liệu sắt thép bị hút được xem như là nắp. Hình 1.1 Cấu tạo nam châm điện 11
2. Phân loại - Theo tính chất dòng điện: gồm NCĐ một chiều và NCĐ xoay chiều. Với NCĐ xoay chiều, mạch từ được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện mỏng; còn ở NCĐ một chiều mạch từ thường có dạng khối làm từ thép ít cacbon. - Theo hình dáng : + Loại hút chập hay hút quay, nắp quay quanh 1 trục; + Loại hút thẳng: nắp hút thẳng về phía lõi; + Loại hút ống (còn gọi là loại pittông)... - Theo cách đấu cuộn dây của NCĐ: gồm cuộn dây mắc nối tiếp với tải và cuộn dây mắc song song với nguồn. 1.1.2. Mạch từ và cuộn dây nam châm điện 1. Đặc điểm mạch từ Mạch từ là một trong những phần chủ yếu của các thiết bị điện từ như máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện. Phần lớn mạch từ làm bằng vật liệu sắt từ, nó có thể là một mạch không phân nhánh hoặc phân nhánh. Mạch từ có thể gồm rất nhiều đoạn có tiết diện khác nhau hoặc làm bằng các loại vật liệu khác nhau. Thậm chí có đoạn ngắn là khe hở không khí trong mạch từ. Vị trí cuộn dây kích thích quấn trên mạch từ không ảnh hưởng đến cường độ từ trường (H) và hình dạng đường sức. Cường độ từ cảm (B) và cường độ từ trường (H) trong các đoạn mạch từ (phân nhánh) sẽ khác nhau, trong một đoạn mạch từ thì B và H là không đổi (mạch từ không phân nhánh). 2. Các tham số của mạch từ Bảng 1.1 Tham số của mạch điện và mạch từ MẠCH ĐIỆN MẠCH TỪ U Điện áp U U = .R Từ áp E Sức điện động F F = iw Sức từ động (Ampere-turns: At) I Dòng điện m Từ thông (Weber: Wb) – Giá trị biên độ R Điện trở R 1 l R = (H-1) Từ trở S Z Tổng trở Z Z = R + jX Tổng trở từ X Điện kháng X Từ kháng J Mật độ dòng điện Bm Bm = m/S Cường độ từ cảm E Điện trường (V/m) H H= F/l Cường độ từ trường 12
 Điện dẫn suất (1/m)  Hệ số từ thẩm vật liệu từ (H/m) Với chân không  = 0 = 4.10-7H/m G Điện dẫn (1/) G Từ dẫn (H) B: đơn vị là Wb/m2 (weber/meter2) hoặc T (Tesla): Một số đơn vị dẫn xuất của từ cảm: 1 Tesla = 1 weber/meter2 = 64,516 lines/square inch = 104 Gauss H: đơn vị là At/m (ampere -turns/meter) 1 amper-turns/inch = 39,3701 ampere-turns/meter 1 oersted = 79,5775 amper-turns/meter. 3. Các định luật cơ bản về mạch từ a. Định luật toàn dòng điện. Tích phân đường của cường độ từ trường theo một vòng từ khép kín bằng tổng sức từ động của vòng từ đó.  Hdl   F l i (1.1) Hay H l  F i i j   H i li   i j .w j Ví dụ như mạch từ hình 1.1 thì ta có: Hl + 2H. = (iw) trong đó: H và H là cường độ từ trường trong mạch từ có chiều dài l và tại khe hở không khí . b. Định luật Ôm (Ohm) của mạch từ . Trong một đoạn mạch từ: Từ áp rơi trên một đoạn mạch từ bằng tích của từ thông  với từ trở R của đoạn mạch từ ấy. U μ  ΦR μ (1.2) Trong toàn mạch từ: Từ thông  của mạch từ khép kín bằng tích số của sức từ động F với từ dẫn G của mạch từ.  = (Iw).Gμ c. Định luật Kiêckhôp 1 (Kirchhoff 1) Trên mọi điểm của mạch từ tổng từ thông đi vào bằng tổng từ thông đi ra:  i  0 n (1.3) 1 13
d. Định luật Kiêckhôp 2 (Kirchhoff 2) Với một mạch từ khép kín, tổng từ áp của các đoạn mạch từ bằng tổng sức từ động:   R   F i i i j j (1.4) Ví dụ như mạch từ hình 1.1 thì ta có: 2Φ δ 2B.S (Iw)  Φ.R μ   H.l  Gδ Gδ Đặc tính cơ bản nhất của vật liệu từ là đường cong từ hóa biểu diễn quan hệ giữa B và H. Đây là quan hệ phi tuyến phức tạp mà không thể biểu diễn dưới dạng các hàm giải tích được. Trên hình 1.2 biểu diễn đường cong từ hoá của vật liệu từ mềm và hệ số từ thẩm tương đối r = Fe/0. Trong vùng có trị số H lớn thì từ trở của mạch từ sẽ lớn vì r bé (gọi là vùng bão hoà). Từ trở của mạch từ sẽ nhỏ nhất khi Fe đạt cực đại tại Femax (điểm bão hoà). Phần phía dưới của điểm bão hoà gọi là vùng tuyến tính của đường cong từ hoá. (T) (A.t/m) Hình 1.2 Đường cong từ hoá của vật liệu từ 4. Từ dẫn của khe hở không khí Khi điểm làm việc của mạch từ nằm trong vùng tuyến tính của đường cong từ hoá vì độ từ thẩm Fe của sắt từ lớn nên từ trở của nó rất nhỏ. Toàn bộ từ trở của mạch từ phụ thuộc vào từ trở của khe hở không khí. Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch từ là khe hở không khí như sau: Φδ Gδ  (1.5) U μδ 14
trong đó: U là từ áp rơi trên khe hở không khí ;  là từ thông đi qua khe hở không khí . Nếu bỏ qua từ thông tản (phần từ thông bao bọc xung quanh khe hở ) thì có thể coi từ trường tại khe hở là đều. Công thức (1.5) trở thành:  B.S S G    0 (1.6) U  H.  Trong đó: G : Là từ dẫn khe hở không khí (H) hoặc Wb/A o : Hệ số từ thẩm không khí hoặc chân không (H/m) S : Tiết diện mạch từ mà từ thông đi qua (a x b) (m2) Công thức (1.6) chỉ áp dụng tính cho những trường hợp khe hở không khí rất bé và đều nhau như: - Với cực từ hình trụ: S = d2/4, /d  0,2; - Với cực từ hình chữ nhật: S = a.b; /a, /b  0,2. Thực tế, khe hở không khí thường lớn và có hình dạng phức tạp nên phải xét đến từ trường tản. Khi đó, ta tính từ dẫn khe hở không khí theo các phương pháp sau: - Phương pháp phân chia từ trường; - Phương pháp tính từ dẫn theo công thức kinh nghiệm; - Phương pháp đồ thị (kết quả có độ chính xác không cao, ít được dùng). a. Tính từ dẫn (G) bằng phương pháp phân chia từ trường Với phương pháp này người ta thường chia từ trường ở trong khe hở không khí làm các từ trường thành phần có dạng hình học đơn giản, sau đó đó tính từ dẫn của các từ trường thành phần đó và cuối cùng tổng hợp các kết quả lại để tìm từ dẫn tổng của khe hở không khí. Công thức cơ sở để tính từ dẫn của các hình đơn giản dựa vào phép biến đổi sau: Stb S .δ V G = o . = o. tb 2tb = μ 0 2 (1.7) δ tb δ tb δ tb trong đó : Stb là mặt cắt trung bình của hình, vuông góc với đường sức từ; tb là độ dài trung bình của đường sức từ trong hình; V là thể tích của hình. Xét trường hợp từ dẫn của khe hở không khí giữa 2 cực từ hình chữ nhật với kích thước a, b và khe hở không khí ; m là bề dày của từ thông tản (hình 1.3). Phần không gian tại khe hở không khí được chia thành 17 hình đơn giản và dùng công thức (1.7) để tính từ dẫn của các hình đó, gồm: 15
- Một hình khối chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao : a.b Go = o .   Hình 1.3 Phân bố từ trường tại khe hở - Hai hình nửa khối trụ đặc với đường kính  chiều dài a (hình 1.4a), từ dẫn của mỗi hình là: G1 = 0,260 .a - Hai hình nửa khối trụ đặc với đường kính  chiều dài b (hình 1.4a), từ dẫn của mỗi hình là: G2 = 0,260 .b - Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong a/ , đường kính ngoài (+2m), chiều dài a (hình 1.4b), từ dẫn của mỗi hình là: 2a G3 = 0 , thường lấy m = (12)   (  1) m - Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài (+2m), chiều dài b (hình 1.4b), b/ từ dẫn của mỗi hình là: 2b G4 = 0 , thường lấy m = (12)   (  1) m c/ - Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính  (hình 1.4c), từ dẫn của mỗi hình là: G5 = 0,0770 .  - Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong  (hình 1.4d), đường kính ngoài (+2m), từ dẫn của mỗi d/ m hình là: G6 = 0 4 Hình 1.4 Các hình đơn giản 16
Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng ở khe hở không khí trong trường hợp này là tổng của 17 từ dẫn thành phần : G = G0 +2(G1 + G2 + G3 + G4) + 4(G5 + G6) (1.8) hoặc có thể viết: G = G0 + Gt G G Đặt: t =  1 t G 0 G 0 trong đó: Gt là từ dẫn tản ở khe hở không khí; t là hệ số từ tản của khe hở không khí. Khi khe hở  bé, từ dẫn tản bé nên hệ số từ tản có thể bằng 1 (tức là bỏ qua từ dẫn tản). Tính từ dẫn bằng phương pháp phân chia từ trường cho kết quả tương đối chính xác, nhưng tốn nhiều công sức. b. Tính từ dẫn bằng phương pháp kinh nghiệm Dựa vào các số liệu thực nghiệm và mô hình hoá cũng như lý thuyết tương tự, các tác giả đã đưa ra các công thức giải tích, tính toán từ dẫn ở các dạng khe hở không khí của các mạch từ thường gặp dựa vào đặc điểm cấu tạo của mạch từ, rất tiện lợi cho việc tính toán.   Hình 1.5 Các dạng khe hở không khí trong các mạch từ * Trường hợp nắp mạch từ làm với trục lõi 1 góc  (hình 1.5a) Từ dẫn trong khe hở không khí được xác định: G = K.G0 trong đó: G0 = 0 . S  S: Tiết diện lõi từ  : chiều dài trung bình khe hở không khí K: hệ số điều chỉnh = 2,75. 4   : là góc lệch giữa nắp và lõi (tính theo radian) 17
* Trường hợp nắp và lõi song song nhau (hình 1.5b) Ta có từ dẫn là: G = K.0. S = K.G0  Với K = 1+ 0,58 (1  m)  0,312 m.n m.n Với m = b ; n= a a  * Trường hợp trụ và nắp là mặt phẳng (hình 1.5c) G = K.0. S = K.G0  0,58 0,31 Với K = 1 + (1  1,5m )  m.n m.n 2 * Trường hợp trụ và nắp là 1 mặt phẳng nhưng trụ đặt ở giữa nắp G  = K.0. S = K.G0  0,58 0,31 Với K = 1 + (1  2 m )  m.n m.n 2 5. Mạch từ một chiều và xoay chiều a. Mạch từ một chiều Trong mạch từ một chiều, dòng điện chạy trong dây quấn là dòng một chiều nên s.t.đ và từ thông sinh ra có trị số không biến đổi theo thời gian. Do đó, không có tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong mạch từ. Vật liệu dùng làm mạch từ một chiều là loại sắt từ ít Cacbon ở thể khối, cấu tạo đơn giản, độ bền cơ học cao, không gây tiếng ồn. Từ dẫn của mạch từ phụ thuộc vào khe hở không khí làm việc, độ từ thẩm, hình dạng và kích thước mạch từ. Từ thông tổng của mạch từ một chiều gồm hai phần: một phần lớn đi qua khe hở không khí làm việc (gọi là từ thông chính ) và một phần nhỏ khép kín mạch nhưng không đi qua khe hở không khí làm việc (gọi là từ thông rò r). Khi khe hở không khí nhỏ thì r rất nhỏ so với  nên có thể bỏ qua và nếu mạch từ làm việc ở phần tuyến tính của đường cong từ hoá thì từ trở của sắt từ R  0. Tính toán mạch từ một chiều: - Khi tính toán mạch từ không xét đến ảnh hưởng của từ thông rò tức là Фr = 0. Vì vậy khi tính mạch từ ta chỉ tính từ thông ở khe hở không khí là chủ yếu. - Với bài toán mạch từ có hai dạng sau: Bài toán thuận: biết Ф, tìm sức từ động Fμ = I.W Bài toán ngược: biết Fμ = I. W, tính Ф Xét ví dụ có một mạch từ hình xuyến như hình 1.6: 18
Dây dẫn được quấn trải đều trên mạch từ: l - chiều dài trung bình của mạch từ; δ- chiều dài khe hở không khí; w - số vòng cuộn dây; S - tiết diện mạch từ. 1 - Cuộn dây 2 - Lõi sắt Hình 1.6 Mạch từ hình xuyến a. Mạch từ kín; b. Mạch từ hở - Tính với bài toán thuận: biết , tìm F = I.w.   Vì r = 0, nên  =  do I.w sinh ra; B B = = S S Theo định luật toàn dòng điện, sức từ động được tính theo công thức: Fμ = I.w = H.l + H. Trong đó: - H là cường độ từ trường lõi thép tìm được theo quan hệ B-H của vật liệu từ dưới dạng đồ thị hoặc dạng bảng. B  - H là cường độ từ trường trong kẽ hở không khí H =   0  0 .S từ trị số B ta tra ra H, với S là tiết diện mạch từ. 1 Hl Hoặc theo định luật Kiêckhôp có I.w = (Rμ + R) = (Rμ + ), với R = và G  S G = 0.  - Với bài toán ngược: biết Fμ = I.w, tìm  . Từ thông  rất khó xác định chính xác, mà người ta chỉ dùng các phương pháp xác định gần đúng. Từ G = 0. S và Iw = H.l + H.  B  .S  Iw = H.l + G I.w B  .S  H=  l G  .l Lần thứ 1: Chọn B1 = B rồi thay vào (1.22) ta tìm được H1. Mặt khác từ quan hệ B-H ta cũng tìm được H1’ theo B1. Nếu |H1 – H1’| <  (độ chính xác) thì H1 là giá trị cần tìm. Nếu không thì chuyển sang lần tính lặp thứ 2. Lần thứ 2: Nếu H1 > H1’ thì chọn B2 > B1. Ngược lại thì chọn B2 < B1. Rồi tiếp tục tính. Lần thứ i: Nếu | Hi – Hi’| <  thì quá trình tính kết thúc. Và  = Bi.S 19