Bài giảng môn học Khí cụ điện

95 trang phuongnguyen 8491

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng môn học Khí cụ điện", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_mon_hoc_khi_cu_dien.pdf

Nội dung text: Bài giảng môn học Khí cụ điện

SÁCH KHÍ CỤ ĐIỆN
BÀI GIẢNG MÔN HỌC : KHÍ CỤ ĐIỆN . CHUYÊN NGHÀNH : ĐIỆN TÀU THUỶ - ĐIỆN TỰ ĐỘNG CN. Mở đầu I.Giới thiệu môn học: 1.Mục đích, yêu cầu: Trình bày những cơ sở lý thuyết các khí cụ điện, giới thiệu cấu tạo, nguyên lý làm việc, những đặc tính cơ bản của các khí cụ điện thông dụng đã và đang được sử dụng trong các hệ thống điện tàu thủy nói riêng và trong công nghiệp nói chung . Học sinh sau khi kết thúc môn học nắm được những kiến thức cơ bản về khí cụ điện, có khả năng tính toán lựa chọn, sử dụng, bảo dưỡng và sửa chữa các khí cụ điện . 2. Nội dung chương trình: Toàn bộ chương trình được chia làm 2 phần lớn: + Phần I: Trình bày những cơ sở lý thuyết của các khí cụ điện . Đây là phần quan trọng nhất của chương trình . Toàn bộ các lý thuyết này là cơ sở để xây dựng, tính toán thiết kế các khí cụ điện sẽ được đề cập đến ở phần sau . + Phần II: Trình bày nguyên lý cấu tạo, hoạt động của các khí cụ điện hạ áp – là các khí cụ thường gặp nhất trên tàu thuỷ và trong các nghành công nghiệp .Trình bày sơ lược kết cấu và nguyên lý hoạt động của các khí cụ cao áp; Mặc dù trên tàu thuỷ rất ít gặp các khí cụ loại này, xong với mong muốn trang bị cho các kỹ sư điện kiến thức tổng thể về một loại thiết bị điện rất phổ biến trong các hệ thống điện năng và vì vậy những lý thuyết về loại khí cụ này là rất cần thiết. Trình bày những nguyên lý lắp đặt, kiểm tra bảo dưỡng, sửa chữa và hiệu chỉnh các khí cụ điện . II.Tài liệu tham khảo: 1.Khí cụ điện . NXBKHKT 2004 . Phạm văn Chới – Bùi tín Hữu – Nguyễn tiến Tôn 2. Khí cụ điện – Lý thuyết kết cấu, tính toán lựa chọn và sử dụng. NXB KHKT. 2001. Tô Đằng – Nguyễn Xuân Phú 3. Các tài liệu của các hãng có thể sưu tầm được .
Phần I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ KHÍ CỤ ĐIỆN Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KHÍ CỤ ĐIỆN . 1.1. Khái niệm, phân loại . 1.1.1.Khái niệm: Khí cụ điện (KCĐ ) là những thiết bị dùng để đóng ngắt, điều khiển, kiểm tra, tự động điều chỉnh, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chúng trong các trường hợp sự cố. Khí cụ điện có nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lý làm việc và kích thước khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của cuộc sống . 1.1.2.Phân loại: Khí cụ điện thường được phân loại theo chức năng, theo nguyên lý và môi trường làm việc, theo điện áp . a. Theo chức năng KCĐ được chia thành những nhóm chính như sau: 1) Nhóm khí cụ đóng cắt: Chức năng chính của nhóm KC này là đóng cắt bằng tay hoặc tự động các mạch điện . Thuộc về nhóm này có: Cầu dao , áptômát, máy cắt, dao cách ly, các bộ chuyển đổi nguồn 2) Nhóm KC hạn chế dòng điện, điện áp: Chức năng của nhóm này là hạn chế dòng điện, điện áp trong mạch không quá cao . Thuộc về nhóm này gồm có: Kháng điện, van chống sét 3) Nhóm KC khởi động, điều khiển: Nhóm này gồm các bộ khởi động, khống chế, công tắc tơ, khởi động từ 4) Nhóm KC kiểm tra theo dõi: Nhóm này có chức năng kiểm tra, theo dõi sự làm việc của các đối tượng và biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện . Thuộc nhóm này : Các rơle, các bộ cảm biến 5) Nhóm KC tự động Đ/C , khống chế duy trì chế độ làm việc, các tham số của đối tượng như : Các bộ ổn định điện áp, ổn định tốc độ, ổn định nhiệt độ 6) Nhóm KC biến đổi dòng điện , điện áp cho các dụng cụ đo: Các máy biến áp đo lường, biến dòng đo lường b.Theo nguyên lý làm việc KCĐ được chia thành: 1) KCĐ làm việc theo nguyên lý điện từ . 2) KCĐ làm việc theo nguyên lý cảm ứng nhiệt . 3) KCĐ có tiếp điểm . 4) KCĐ không có tiếp điểm . c.Theo nguồn điện KCĐ được chia thành : 1) KCĐ một chiều . 2) KCĐ xoay chiều . 3) KCĐ hạ áp (Có điện áp 1000 V). d. Theo điều kiện môi trường, điều kiện bảo vệ KCĐ được chia thành: 1) KCĐ làm việc trong nhà, KCĐ làm việc ngoài trời . 2) KCĐ làm việc trong môi trường dễ cháy, dễ nổ . 3) KCĐ có vỏ kín, vỏ hở, vỏ bảo vệ
1.2. Yêu cầu cơ bản đối với khí cụ điện . 1.2.1.Những yêu cầu cơ bản đối với KCĐ: Các KCĐ cần thoả mãn các yêu cầu sau: - Phải đảm bảo làm việc lâu dài với các thông số kỹ thuật định mức . Nói một cách khác nếu dòng điện qua các phần dẫn điện không vượt quá giá trị cho phép thì thời gian lâu bao nhiêu cũng được mà không gây hư hỏng cho KC. - KCĐ phải có khả năng ổn định nhiệt và ổn định điện động . Vật liệu phải có khả năng chịu nóng tốt và cường độ cơ khí cao vì khi xảy ra ngắn mạch hoặc quá tải dòng điện lớn có thể gây hư hỏng cho khí cụ . - Vật liệu cách điện phải tốt để khi xảy ra quá áp trong phạm vi cho phép cách điện không bị chọc thủng . - KCĐ phải đảm bảo làm việc chính xác an toàn, xong phải gọn nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công lắp đặt, kiểm tra sửa chữa . - Ngoài ra KCĐ phải làm việc ổn định ở các điều kiện khí hậu, môi trường khác nhau. 1.2.2.Những yêu cầu cơ bản đối với các KCĐ tàu thuỷ: Trên tàu thuỷ do điều kiện làm việc rất khác so với trên bờ, các KCĐ phải có khả năng làm việc ổn định trong những điều kiện khắc nghiệt do đó cần phải thoả mãn các yêu cầu sau: - Chịu được sự rung lắc với biên độ cực đại lên tới 0, 5 mm và tần số tới 35 Hz. - Điện áp dao động trong khoảng 80% - 110%. Uđm . - Môi trường có hơi nước, độ ẩm cao, có thể có hơi dầu, hơi muối . - Dải nhiệt độ thay đổi trong phạm vi rộng từ – 50 oC đến + 50 oC . - Số lần đóng cắt lớn có thể lên đến 300lần / giờ. Chương 2: CƠ CẤU ĐIỆN TỪ VÀ NAM CHÂM ĐIỆN 2.1. Khái niệm chung . 2.1.1. Khái niệm : Nam châm điện là một loại cơ cấu điện từ biến đổi điện năng thành cơ năng trong các khí cụ điện, nó được sử dụng rất rộng rãi trong các rơle điện từ, côngtắctơ, thiết bị đóng cắt, thiết bị bảo vệ Hình dáng và kết cấu của nam châm điện rất đa dạng, tuỳ thuộc vào chức năng và mục đích sử dụng . NCĐ có hai bộ phận chính là mạch từ (phần từ ) và cuộn dây (phần điện ). Nếu cuộn dây được mắc nối tiếp với phụ tải ta có cuộn dòng điện, nếu cuộn dây được mắc song song với phụ tải ta có cuộn điện áp . Hình 2-1
2.1.2.Mạch từ và các định luật về mạch từ: Tuỳ thuộc vào dòng điện chạy trong cuộn dây ta có nam châm điện xoay chiều hay một chiều . Nam châm điện xoay chiều có mạch từ được ghép từ các lá thép KTĐ mỏng, cách điện lẫn nhau để giảm tổn hao. Nam châm điện một chiều , mạch từ có cấu tạo dạng khối . Các tham số cơ bản của mạch từ bao gồm: - Sức từ động (S.T.ĐS) F = i.w [ampe-vòng] , được tính theo trị biên độ hoặc trị hiệu dụng . - Từ thông φm [ Wb] - Trị biên độ . Φ - Từ cảm (Mật độ từ thông ) B = m [ T = Wb/m2 ] ; Trong đó: S [ m2] là tiết m S diện của ống từ . F - Cường độ từ trường H = [ A/m ] ; Trong đó l [m] là chiều dài mạch từ . l B - Hệ số từ thẩm vật liệu từ: μ = [ H/m ] ; Với không khí (Chân H không) -7 μ = μ0 = 4.π. 10 [ H/ m]. 1 l - Từ trở của mạch từ: R = . [ H-1 ] . μ μ S 1 S - Từ dẫn của mạch từ (Nghịch đảo với từ trở ) : G = = μ. [ H ]. Rμ l Các định luật mạch từ bao gồm: Định luật Ôm, định luật kiếc khốp I, II và định luật toàn dòng điện. Định luật Ôm: Trong một phân đoạn của mạch từ, từ áp rơi trên nó bằng tích giữa từ thông và từ trở hoặc thương giữa từ thông và từ dẫn . Φ U = Φ.R = (2- 1) μ μ G Định luật kiếc khốp 1: Trên mọi điểm của mạch từ, tổng từ thông vào bằng tổng từ thông ra: n ∑Φ i = 0 (2 – 2 ) 1 Định luật kiếc khốp 2: Trong một đoạn mạch từ khép kín, tổng từ áp của các đoạn mạch bằng tổng sức từ động: nn ∑∑Φ i .Rμi = Fi (2 – 3 ) 11 Định luật toàn dòng điện: Tích phân đường của cường từ trường theo vòng từ khép kín bằng tổng các S.T.Đ của vòng từ đó: H.dl = F ( 2 – 4 ) ∫ ∑ i l Định luật toàn dòng điện có thể biến đổi như sau:
hoặc: H.dl = Φ.dR = F ( 2 – 5 ) ∫∫μ ∑ i ll Đây chính là định luật kiếc khốp 2 với mạch từ khép kín . Đặc tính cơ bản nhất của vật liệu từ là đường cong từ hóa ( Hình 2-2) . Đây là quan hệ phi tuyến rất phức tạp, không thể biểu diễn dưới dạng hàm giải tích được . Mặt khác từ thông khép kín qua không khí có nhiều thành phần, nên việc xác định chính xác từ dẫn khe hở không khí cũng không đơn giản .Vì vậy việc tính toán mạch từ trở nên phức tạp Hình 2-2 . 2.1.3. Từ dẫn khe hở không khí : Với mạch từ có từ cảm nằm trong vùng tuyến tính của đường cong từ hoá , vì độ từ thẩm μ lớn nên từ trở mạch từ rất bé, có thể bỏ qua được . Do đó độ chính xác của bài toán phụ thuộc vào tính từ dẫn của các khe hở không khí . Công thức tổng quát để tính từ dẫn khe hở không khí dựa vào định luật Ôm cho mạch từ như sau: Φδ Gδ = (2-6 ) U μδ trong đó : Uμδ - là từ áp rơi trên khe hở không khí δ ; Φδ - là từ thông đi qua khe hở không khí . Nếu khe hở không khí giữa hai cực từ tương đối bé so với kích thước của cực từ (hình 2-3 ). Hình 2-3
có thể coi tiết diện từ thông bằng tiết diện cực từ thì: Φδ B.S S Gδ = = = μ0 . [ H ] ( 2-7 U μδ H.δ δ ) Trong trường hợp này ta bỏ qua từ dẫn của từ thông tản, là từ thông bao bọc xung quanh khe hở không khí δ . Sai số của từ dẫn G δ càng lớn khi khe hở δ càng lớn . Công thức (2-7) được sử dụng để tính từ dẫn khe hở không khí trong từ trường đều khi: Cực từ là hình trụ: S = πd2 / 4 ; δ/d ≤ 0.2 ; Cực từ là hình chữ nhật: S = a.b ; a/δ , b/δ ≤ 2 ; Trong thực tế khe hở không khí thường có trị số lớn và hình dạng cực từ tương đối phức tạp, vì vậy việc tính toán từ dẫn khe hở không khí cũng phức tạp . Có ba phương pháp để tính từ dẫn khe hở không khí như sau: Phương pháp phân chia từ trường (còn gọi là phương pháp Roster) ; Phương pháp dùng công thức kinh nghiệm; Phương pháp đồ thị . a) Phương pháp phân chia từ trường: Trong phương pháp này từ trường khe hở không khí được chia thành các từ trường thành phần có dạng hình học đơn giản, sau đó tính từ dẫn của các từ trường thành phần 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 Stb .δ tb V Gδ = μ0 . = μ0 . 2 = μ0 . 2 ( 2-8 ) δ tb δ tb δ tb trong đó t: Stb - mặt cắt trung bình của hình, vuông góc với đường sức từ . δtb - độ dài trung bình của đường sức từ trong hình . V - thể tích của hình . b) Phương pháp tính từ dẫn bằng biểu thức kinh nghiệm: Dựa vào những số liệu thực nghiệm và mô hình hóa 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 khí của các mạch từ thường gặp cho thành bảng (Bảng 1-3 ) . TT Cực từ Từ dẫn π.d 2 π.d G = μ ( x + 0,96d + ) o 4δ 1 δ 0,69. + 0,63 1 c 2R Δ với : o = 6,0 và ≥ 0; x = 1,0 . d δ 1
⎡ab ⎤ G = μo . .x2 + 0,58(a + b) ⎣⎢ δ ⎦⎥ 2 2R Δ với : o = 6,0 và ≥ 0; x = 1,0 d δ 2 π.d 2 1,51.d 2 + 0,48d.δ x.d G = μ .( + + 3 o 4δ 2,4d + δ 0,22δ + 0,4x với : x = (1÷ 2)δ a 2 0,14a x.a G = μ .( + 0,58a + + ) o δ δ 0,17δ + 0,4x ln(105 + ) 4 a với : x = (1÷ 2)δ kδ kδ (a + )(b + ) G = μ . π π o δ 5 c c với : < 1,0;k = 1,0 với : ≥ 1,0;k = 0,307 δ d π.d 2 0,157d G = μ .( − + 0,75d) 6 o 4δ.sin 2 α sin 2 α c)Phương pháp tính từ dẫn bằng cách vẽ từ trường: Phương pháp này dùng để xác định từ dẫn khe khí mà cực từ có dạng phức tạp khó xác định bằng các phương pháp khác . Trước tiên ta dựng mặt đẳng thế mà mặt đầu tiên và mặt cuối cùng là mặt bao của bề mặt cực từ, các đường sức cắt các đường đẳng thế dưới những góc vuông . Từ trường giữa Hình 2-10 hai cực từ được chia thành những
ống từ thông bằng nhau: Δφ = Δφ1 = Δφ2 = = Δφn .(Hình 2-10) Nếu các từ áp giữa các mặt đẳng thế là như nhau: Uμ1 – Uμ2 = Uμ2 -Uμ3 = = Uμn-1 - Uμn = ΔUμ . Thì từ dẫn trên mỗi phần tử được tính bằng công thức: ΔΦ a.Δh g1 = g 2 = = g n = = μ0 . = g ( 2-9 ) ΔU μ b Nếu chiều dài trung bình của tứ giác a = b và bề dày của từ trường Δh đủ nhỏ, bằng 1 đơn vị chiều dài thì từ dẫn: a.Δh g = μ . = μ . ( 2-10 ) 0 b 0 Gọi m là số ống từ thông giữa hai cực từ; n là số tứ giác cong trong mỗi ống; h là chiều cao của cực từ . Từ dẫn được tính bằng công thức sau: m G = μ . .h . ( 2-11 ) δ 0 n Độ chính xác của kết quả hoàn toàn phụ thuộc vào bức tranh của từ trường . 2.2. Tính toán mạh từ . 2.2.1. Tính toán mạch từ một chiều : Ở bài toán mạch từ một chiều, vì dòng điện trong cuộn dây là dòng một chiều, nên s.t.đ và từ thông không biến đổi theo thời gian, do đó không có tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong mạch từ . Vật liệu làm mạch từ một chiều thường là thép ít cácbon ở thể khối, có đường cong từ hóa tương đối cao . Những bài toán về mạch từ thường quy về hai dạng: - Bài toán thuận: Biết từ thông φ , cần tìm s.t.đ ( i.w) . Đây là bài toán thiết kế, nghĩa là phải tính toán kích thước mạch từ và các tham số để được lực điện từ cần thiết . - Bài toán ngược: Biết s.t.đ của mạch từ, cần tìm từ thông φ .Đây là bài toán kiểm nghiệm, có nghĩa là với mạch từ và cuộn dây cho trước, cần tính lực điện từ . Việc tính toán mạch từ tương đối phức tạp vì các lý do sau: - Quan hệ phi tuyến của đường cong từ hoá và độ từ thẩm của vật liệu mạch từ; - Từ thông rò trên lõi thép của mạch từ phân bố rải và thay đổi khi khe hở không klhí thay đổi . a) Mạch từ một chiều không tính đến từ thông rò : Từ thông rò là phần từ thông khép kín mạch từ nhưng không đi qua khe hở không khí làmviệc . Từ thông rò sẽ bỏ qua nếu nó rất bé so với từ thông làm việc; tức là từ thông đi qua khe hở không khí làm việc . Xét mạch từ hình xuyến, với tiết diện S , chiều dài trung bình l, độ lớn khe hở không khí δ và đường cong từ hoá vật liệu mạch từ B(H) cho như hình vẽ 2-11.
Hình 2-11 Với mạch từ này, xét hai bài toán thuận và ngược: *) Bài toán thuận: Biết từ thông khe hở không khí φδ , tìm s.t.đ (I.w) của mạch từ . Φδ Vì: φr = 0 → φδ = φ → B = B = Từ đường B (H) ta tìm được δ S H. H.l S Từ trở mạch từ R = ;G = μ . Vậy s.t.đ của mạch từ được xác định theo μ Φ δ 0 δ 1 biểu thức: (I.w) = Φ.Rμ = Φδ / Gδ = Φδ .(Rμ + ) . (2-13 Gδ ) *) Bài toán ngược: Biết ( I.w) tìm φ . Từ phương trình ( 1-9 ), ta có: 1 B.S (I.w) = Φ.(Rμ + ) = H.l + ( 2-14 ). Gδ Gδ Chia hai vế của phương trình cho l ta được : I.w B.S = H + ( 2-15 ) . l Gδ .l Đây là phương trình có hai ẩn số là B và H . Vì vậy để giải thì phương pháp kinh điển phương pháp rò . Với trường hợp này cũng có thể dùng phương pháp dựng hình( Hình 2-12). Trên đường cong B(H) từ O lấy một đoạn OA = I.w/l trên trục OH . Tại A dựng một góc α với tag α = S/Gδ.l cắt đường cong tại M . Từ M chiếu sang trục tung ta được Bδ và chiếu xuống trục hoành (Điểm N ) ta được: Hình 2-12
I.w B.S ON = H; NA = OA − ON = − H = Vậy từ thông cần tìm là: φ = Bδ.S . l Gδ .l b) Mạch từ một chiều có tính đến từ thông rò: *) Trường hợp thứ nhất: Bỏ qua từ trở sắt từ R μ , từ trở sắt từ có thể bỏ qua khi mạch từ làm việc ở đoạn tuyến tính của đường cong từ hóa . Xét một mạch từ như hình (2-13 ) : có cuộn dây phân bố đều trên chiều I.w dài l . Gọi f = là s.t.đ trên một l đơn vị chiều dài trụ; gr là suất từ x dẫn rò trên trụ; U = f .x = I.w. là μò l từ áp ở điểm x . Từ thông rò tại phân đoạn dx cách gốc một đoạn x x là: dΦ = U dG = I.w. .g dx rx μx rx l r (2-16) . Hình 2-13 I.w x 2 Tích phân hai vế của phương trình trên ta được: Φ = .g . (2-17). rx l r 2 Từ thông rò trên toàn bộ chiều cao trụ l của mạch từ được tính bằng: I.w l 2 l Φ = .g = I.w.g = I.w.G ( 2-18). r l r 2 r 2 r 1 Từ dẫn rò của mạch từ quy đổi theo từ thông là T: G = .g .l ( 2-19 r 2 r ). Từ thông tổng φ0 = φδ + φr = I.w( Gδ + Gr ) = I.w.G∑ . Gr hoặc: Φ 0 = I.w.Gδ (1+ ) (2-20). Gδ Hệ số từ rò σr là tỷ số giữa từ thông tổng Φ0 và từ thông đi qua khe hở không khí Φδ . *) Trường hợp thứ hai: Mạch từ một chiều có xét đến từ thông rò và từ trở của sắt từ . Trong trường hợp này điểm làm việc của mạch từ nằm trên đoạn phi tuyến của đường cong từ hoá vật liệu từ nên còn gọi là mạch từ bão hoà .Nếu từ áp rơi trên phần sắt từ vượt quá 10% s.t.đ cuộn dây thì không thể bỏ qua từ trở sắt từ . Phương pháp thường gặp nhất để tính toán mạch từ bão hoà có tính đến từ thông rò là phương pháp phân đoạn mạch từ và phương pháp sử dụng hệ số từ rò . + Phương pháp phân đoạn mạch từ: Xét một mạch từ có dạng hình chữ U hút thẳng ( Hình 2-14)
Hình 2-14 Chia mạch từ thành 3 phân đoạn l12 , l23 , l34 sao cho s.t.đ của các phân đoạn thỏa mãn điều kiện: l l l E = E + E + E = E. 12 + E. 23 + E. 34 = I.w . (2-21) 1 2 3 l l l Việc tính toán mạch từ dựa vào sơ đồ thay thế và các định luật kiếc khốp được tiến hành theo trình tự sau : Bước 1: Xác định từ áp giữa hai điểm 1và 1’: Φδ U μ11, = U μδ +U μn = + H n .ln ( 2-22) Gδ Φδ trong đó: Bn = là cường độ từ cảm ở nắp mạch từ; ln là chiều dài của nắp S n mạch từ; Sn là tiết diện của nắp . Bước 2: Tính từ thông rò giữa hai điểm 1 và 1’: 1 Φ = U .G = U .g .l (1-23) r1 μ11' r1 μ11' 2 r 12 Trong thực tế từ thông rò phân bố rải trên chiều dài của lõi, xong để dễ tính toán ta coi hư nó tập trung tại điểm 1, vì vậy từ thông ở phân đoạn 1 sẽ là: Φ1 = Φδ + Φr1 . (2-24) Bước 3: Xác định từ áp giữa các điểm 2và 2’ theo công thức: Uμ22’ = Uμ11’ + 2H12.l12 – E1 (2-25) Muốn xác định HM2 phải dựa vào đường cong từ hoá của vật liệu từ và từ cảm ở đoạn này: Φ B = 1 . 12 S Bước 4: Tương tự như ở các điểm trên ta có từ thông rò ở phân đoạn hai: 1 Φ = U .G = U .g .l . (1-23) r 2 μ 22' r 2 μ 22' 2 r 23
Bước 5: Từ thông ở phân đoạn thứ hai: Φ2 = Φ1 + Φr2 . và từ cảm ở phân đoạn hai: Φ 2 B = . Từ đó ta tìm được H23 . 23 S Tương tự ta tính tiếp những điểm sau: Bước 6: Uμ33’ = Uμ22’ + 2H23.l23 – E2 . Bước 7: Φ3 = Φ2 + Φr3 . Φ 3 Bước 8: B = Tìm được H34 34 S Bước 9: Uμ44’ = Uμ33’ + 2H34.l34 – E3 . Bước 10: Φđ = Bđ .Sđ = Φ0 . Bước 11: ∑Uμ = Uμ11’ + 2H 12.l12 + 2H23.l23 + 2H34.l34 + Hđ.lđ . Với bài toán thuận sau khi tính xong phải so sánh kết quả xem ∑Uμ và I.w nếu sai số vượt quá 10% thì phải tính toán lại E1 vì ta lấy sơ bộ E = ( 1,2 – 1,3 ) ; Φδ/Gδ = I.w. Với bài toán ngược thì trình tự tính ngược lại . + Phương pháp dùng hệ số từ rò: Phương pháp này cho kết quả tương đối chính xác song khối lượng tính toán lớn nhất là khi gặp trường hợp cuộn dây phân bố rải trên toàn bộ mạch từ . Từ thông tại bất kì tiết diện x nào của mạch từ bằng tổng từ thông làm việc và từ thông rò Φ sx Φ x = Φδ + Φ sx = Φδ (1+ ) = σ x .Φδ . (2-26) Φδ Φ sx Trong đó: σ x = 1+ là hệ số từ rò . Từ đó ta thấy nếu xác định được hệ số Φδ từ rò σx thì sẽ xác định được từ thông tại x . Để minh hoạ ta xét một mạch từ dạng hút chập như hình vẽ 2-15 : (1-12TL1) Hình 2-15
Mạch từ có hai khe hở không khí δ1 , δ2 có độ lớn khác nhau, cuôn dây phân bố rải trên một trụ của mạch từ . Từ thông tại tiết diện n1 là : Φn1 = Φδ + Φr1 = σx1.Φδ . Từ thông rò ở phân đoạn x1 được tính bằng công thức sau: x1 x1 l − x Φ = (I.w) .g .dx = I.w. g .dx ( 2-27). r1 ∫ x r ∫ r 0 0 l g .x x Φ = I.w. r 1 (2 − 1 ) ( 2-28). r1 2 l Từ thông rò ở tiết diện n2 với chiều dài x2 được tính tương tự: g .x x Φ = I.w. r 2 (2 − 2 ) . r 2 2 l Nếu bỏ qua từ trở sắt từ thì từ thông ở khe hở không khí làm việc Φδ được tính theo công thức sau: Φδ = I.w.Gδ hay I.w = Φδ / Gδ . (2-29) Gδ1.Gδ 2 Trong đó : Gδ = là từ dẫn tổng của khe hở không khí . Gδ1 + Gδ 2 Thay I.w vào công thức tính từ rò (1-26) Φr1 ta có: Φδ g r .x1 x1 Φ r1 = . (2 − ) . Gδ 2 l Vậy từ thông tổng tại tiết diện n1 sẽ là: ⎡ 1 g r .x1 ⎛ x1 ⎞⎤ Φ n1 = Φδ + δ r1 = Φδ ⎢1+ . ⎜2 − ⎟⎥ = Φδ .σ x1 ⎣ 2 Gδ ⎝ l ⎠⎦ 1 g r .x1 ⎛ x1 ⎞ trong đó: σ x1 = 1+ . ⎜2 − ⎟ là hệ số từ rò tại phân đoạn x1 . 2 Gδ ⎝ l ⎠ Từ thông trung bình tại phân đoạn với chiều dài x1 là: σ + σ 1+ σ Φ = Φ . x0 x1 = x . x1tb δ 2 2 Vì khi x = 0 thì Φx0 = Φδ và σx0 =1. Tương tự ta có từ thông trung bình ở phân đoạn n1 – n2 : σ + σ Φ = Φ . x1 x2 . n1n2tb δ 2 Như vậy bằng cách phân đoạn mạch từ và tính hệ số từ rò trên các phân đoạn, ta tìm được từ thông trung bình . 2.2.2.Tính toán mạch từ xoay chiều: Nếu cuộn dây của nam châm điện được cấp bởi dòng điện xoay chiều thì mạch từ của nó là mạch từ xoay chiều . Dòng điện trong cuộn dây xoay chiều không chỉ phụ thuộc vào điện trở R của nó mà còn phụ thuộc vào điện kháng X của nó: U U I = = . R 2 + X 2 R 2 + ()ω.L 2
Mặt khác điện cảm L phụ thuộc vào từ dẫn của khe hở mạch từ nên khi khe hở không khí biến đổi, từ dẫn cũng biến đổi và s.t.đ của mạch từ cũng thay đổi theo. Từ trở mạch từ xoay chiều không chỉ phụ thuộc vào khe hở không khí , kích thước mạch từ, hệ số từ thẩm của vật liệu mà còn phụ thuộc vào tổn hao năng lượng trong mạch từ (Do dòng điện xoáy và từ trễ ) và tổn hao trong vòng ngắn mạch (còn gọi là vòng chống rung ) . Nếu sụt áp trên điện trở cuộn dây rất bé so với sụt áp trên điện kháng thì lúc đó: U = ()(I.R 2 + I.X )2 ≈ I.X = I.2π. f .w2 .G . (2-30) Φ m U = I.w.G.2.π. f .w = 2.π. f .w. = 4,44. f .w.Φ m . (2-31) 2 Từ đó ta nhận thấy nếu điện áp nguồn không đổi thì từ thông Φm cũng không đổi; còn ở mạch từ một chiều s.t.đ của cuộn dây ( I.w) không đổi vì dòng chảy trong cuộn dây chỉ phụ thuộc vào điện trở của nó . Ở mạch từ xoay chiều tổn hao năng lượng trong lõi thép và trong vòng ngắn mạch sẽ làm chậm sự biến thiên của từ thông, nghĩa là tạo ra sự lệch pha giữa s.t.đ và từ thông . Tương tự như ở mạch điện, sự xuất hiện của điện kháng làm chậm pha giữa dòng điện và điện áp còn ở mạch từ sự xuất hiện của từ kháng làm chậm pha giữa từ áp và từ thông . Xét một mạch từ xoay chiều có vòng ngắn mạch như hình vẽ 2-16. Hình 2-16 w là số vòng dây cuộn dây xoay chiều, nối song song với nguồn điện U ; wn là số vòng của cuộn ngắn mạch với điện trở rn và điện kháng xn . a) Trường hợp thứ nhất : Bỏ qua từ trở sắt từ và tổn hao trong lõi thép, phương trình cân bằng s.t.đ trong mạch từ có dạng: i.w = Φδ.Rδ =in.wn en wn dΦδ trong đó: in = = − . . rn rn dt in là dòng điện chảy trong cuộn dây ngắn mạch ( coi Φr=0). Thay vào ta có:
2 wn dΦδ U μ = i.w = Φδ .Rδ + . . (2-32). rn dt Với mạch điện R -L nối tiếp phương trình cân bằng điện áp như sau: di u = i.R + L . dt Có thể viết phương trình (1-31) như sau: dΦ u = Φ .R + L . δ (2-33). μ δ δ μ dt 2 2 wn wn Trong đó: Lμ = ; X μ = ω.Lμ = ω. là từ cảm và từ kháng của mạch từ . Vậy rn rn phương trình cân bằng từ áp có dạng: U μ = Φ.Rμ + j.Φ.X μ . Tương tự trong mạch điện ta có từ kháng tổng của mạch từ: Z μ = Rμ + jX μ . 2 2 zμ = Rμ + X μ . Nếu vòng ngắn mạch hở ( rn =0 ) thì từ kháng mạch từ bằng 0 và mạch từ chỉ còn từ trở thuần . b) Trường hợp hai: Mạch từ có tổn hao từ trễ và dòng điện xoáy . Tổn hao này có thể thay thế bằng một điện trở cuộn dây ngắn mạch ảo có tổn hao tương đương . Nếu từ thông biến thiên dạng sin thì s.đ.đ cảm ứng trong vòng ngắn mạch có dạng: ω.wn .Φ n En = 4,44.wn .Φ n = . (2-34) 2 En . 2 Suy ra : wn = . ω.Φ n Từ điều kiện tổn hao tương đương ta có: 2 2 En En PFe = → rn = . rn PFe Vậy từ kháng của tổn hao sắt từ RFe là: 2 ω.wn 2PFe X μ = = 2 . rn ω.Φ n Tương tự như trong mạch điện ta có thể dùng khái niệm suất từ trở, suất từ kháng và suất tổng từ trở: ρ Rμ , ρ Xμ , ρ Zμ . Công thức tính từ trở từ kháng và tổng trở mạch từ là: l R = ρ . . (2-35) μ Rμ S l 2.PFe 2.p0 .γ .l.S 2.p0 .γ l X μ = ρ Xμ . = 2 = 2 = 2 . . (2-36) S ω.Φ m ω.Bm ω.Bm S
2 l l l 1 ⎛ 2.p .γ ⎞ Z = p . = ρ 2 + ρ 2 . = . + ⎜ 0 ⎟ . (2-37) μ Zμ ( Rμ Xμ ) 2 ⎜ 2 ⎟ S S S μ ⎝ ω.Bm ⎠ Trong đó: p0 là suất tổn hao từ cho 1 đơn vị khối lượng . μ là từ thẩm mạch từ . γ là khối lượng riêng của vật liệu từ . l là chiều dài mạch từ . S là tiết diện mạch từ . Các phương pháp tính mạch từ xoay chiều cũng tương tự như phương pháp tính mạch từ một chiều . 2.3. Tính lực hút điện từ . 2.3.1.Lực hút điện từ nam châm điện một chiều : Lực hút điện từ được tính theo hai phương pháp: Dùng công thức Maxwell và phương pháp cân bằng năng lượng . a) Lực hút điện từ được tính theo công thức Maxwell : Lực điện từ được sinh ra do sự tác động tương hỗ giữa từ trường khe hở không khí và bề mặt cực từ được tính theo công thức Maxwell: 1 ⎡ 1 2 ⎤ F = . B .n B − B n dS . (2-38) ∫ ⎢()δ δ δ ⎥ μ0 S ⎣ 2 ⎦ trong đó: Bδ là véc tơ từ cảm ở khe hở không khí . n là véc tơ đơn vị pháp tuyến của bề mặt cực từ . S là diện tích mặt cực từ tác dụng với từ trường . −7 μ0 = 4.π.10 H/m là từ thẩm của không khí . Nếu từ thẩm của sắt từ rất lớn so với từ thẩm không khí ( μFe > μ0) thì có thể coi hai véc tơ từ cảm Bδ và véc tơ đơn vị pháp tuyến n cùng hướng, do đó công thức có dạng đơn giản hơn: 1 F = . B 2 .dS . (2-39) ∫ δ 2μ0 S Trong trường hợp khe hở không khí đủ bé và đều có thể coi từ ở đó là từ trường song phẳng, nghĩa là B δ = const ở toàn khe khí do đó công thức trên có dạng: 1 2 F = .Bδ .S [N] (2-40) 2μ0 2 trong đó : Bδ là mật độ từ cảm tính bằng T hay Wb /m . S là diện tích cực từ tính bằng m2 . Để tiện cho việctính toán công thức trên có thể viết: 2 F = 4,06.Bδ .S [ kG ] . Với : B[T] , S [cm2] . b) Tính lực điện từ theo phương pháp cân bằng năng lượng : Khi đóng điện vào cuộn dây ta có phương trình cân bằng điện áp:
dψ u = i.R + . (2-41) dt Nhân hai vế của phương trình trên với idt ta được: u.i.dt = i 2 .R.dt + i.dψ . Trong đó: u.i.dt là năng lượng nguồn cung cấp cho cuộn dây . i.dψ là năng lượng từ trường của nam châm điện . Quan hệ giữa từ thông móc vòng ψ và dòng điện i có tính phi tuyến, được trình bày ở hình vẽ (2-17 ) . Hình 2-17 Năng lượng từ trường khi δ = δ1 = const được tính bằng công thức: ψ1 W = i.dψ = S . (2-42) μ1 ∫ oabo 0 Khi khe hở không khí giảm từ K δ1 đến δ2 năng lượng từ trong NCĐ sẽ tăng: ψ 2 W = i.dψ = S . μ12 ∫ abcda ψ1 Khi δ = δ2 = const , năng lượng từ trường là: ψ 2 W = i.dψ = S . μ 2 ∫ odco 0 Vậy khi khe khí δ giảm từ δ1 đến δ2 , năng lượng từ trường sẽ thay đổi một lượng : ΔWμ = Wμ1 +Wμ12 −Wμ 2 = Soado . Soado chính là diện tích tam giác cong có phần gạch chéo trong hình vẽ . Với sự thay đổi này sẽ sinh ra công cơ học chuyển rời nắp của NCĐ từ δ1 đến δ2 : ΔWμ = A = F(δ1 − δ 2 ) = F.Δδ .
Vậy lực chuyển rời nắp sẽ là: A ΔW ΔW dW F = = μ = lim( μ ) = μ . Δδ Δδ Δδ dδ Như vậy muốn tính được lực điện từ bằng phương pháp cân bằng năng lượng ta phải biết các quan hệ ψ(i) khi δ = const và phải xác định được biểu thức giải tích của ΔWμ qua diện tích của tam giác cong biểu diễn năng lượng Wμ1 , Wμ12 và Wμ2 . Để đơn giản việc tính toán, coi quan hệ ψ(i) là tuyến tính tức là bỏ qua từ trở sắt từ của mạch từ μFe > μ0 , nên dễ dàng tính được diện tích các hình: 1 W = S = .ψ .i . μ1 oabo 2 1 1 1 W = S = ψ .i . μ 2 odco 2 2 2 1 W = S = .(ψ −ψ )(i + i ). μ12 abcda 2 2 1 2 1 Ta đặt: ψ2 = ψ1 + Δψ ; i2 = i1 + Δi và thay chúng vào biểu thức tính năng lượng từ sẽ được: 1 ΔWμ = Wμ1 + Wμ12 - Wμ2 = Soado = ( i1Δψ - ψ1Δi ) . 2 Thay vào biểu thức ở trên ta được công thức tính lực điện từ: dW 1 dψ di F = μ = (i. −ψ . ) . dδ 2 dδ dδ Ta xét hai trường hợp: i = const ≠ f(δ) . ψ = const ≠ f( δ). Trường hợp thứ nhất: i = const . Với i = const thì di/dδ =0 , do đó công thức tính lực điện từ trong trường hợp này có dạng: 1 dψ F = i. . 2 dδ 1 dG Thay ψ = L.i ; L =w2.G vào ta có: F = (i.w) 2 . . 2 dδ Công thức trên dùng để tính lực điện từ khi i = const ≠ f(δ)nghĩa là cho NCĐ một chiều . Muốn tính lực ta phải biết s.t.đ ( i.w) và biểu thức giải tích từ dẫn G (δ ). Trường hợp thứ hai : ψ = const ≠ f (δ ). Với ψ ≠ f (δ ) → dψ /dδ = 0. Vậy : 1 di F = − ψ . . 2 dδ ψ Dấu ( -) có nghĩa khi δ giảm thì lực điện từ tăng . Vì ψ =w.Φ ; i = ; L = w2 .G L
1 Φ dG Nên thay vào công thức ta có: F = − ( ) 2 . 2 G dδ Công thức trên dùng để tính lực điện từ khi Φ =const nghĩa là cho nam châm điện xoay chiều . 2.3.2.Lực hút điện từ nam châm điện xoay chiều: Phương pháp tính lực hút điện từ ở đây giống như ở nam châm điện một chiều, nhưng thay i = Im .sin ωt và Φ =Φm .sinωt, ta có: Φ 2 F = 4,06.B 2 sin 2 ωt = 4,06. δm sin 2 ωt δm S 2 1 ⎛ Φ .sinωt ⎞ dG 1 Φ 2 dG F = ⎜ m ⎟ . = m . .sin 2 ωt 2 ⎝ G ⎠ dδ 2 G 2 dδ 1− cos 2ωt Thay sin 2 ωt = ta được công thức tính lực hút điện từ của nam châm 2 điện xoay chiều: 1 1 F = F sin 2 ωt = F − F .cos 2ωt = F + F m 2 m 2 m − ≈ trong đó: F- là thành phần không đổi của lực; F≈ là thành phần biến đổi của lực: Trị số trung bình của lực được tính theo công thức: 1 T 1 T 1 F F = Fdt = F 1− cos 2ωt dt = m = F tb ∫ ∫ m () − T 0 T 0 2 2 Đồ thị của từ thông và lực điện từ được trình bày trên hình vẽ (2-18) ; Hình 2-18 Trong một chu kỳ của từ thông có hai chu kỳ của lực điện từ . Lực điện từ thay đổi từ Fmax = Fm đến Fmin = 0.
Nếu lực cơ học của nắp là hằng thì khi F > Fcơ nắp sẽ bị hút; còn khi F Fcơ muốn vậy người ta tạo ra hai từ thông lệch pha nhau trong một mạch từ . Khi lực từ thông thứ nhất đi qua 0 thì lực từ thông thứ hai khác 0 do vậy mà lực tổng sẽ khác 0 . Có hai biện pháp để tạo ra từ thông lệch pha nhau đó là: - Biện pháp thứ nhất: Dùng hai cuộn dây có thông số khác nhau thường một cuộn có tính cảm còn một cuộn có tính dung như hình vẽ 2-19. Hình 2-19 - Biện pháp thứ hai: Đặt vòng ngắn mạch hay còn gọi là vòng chống rung . Biện pháp thứ nhất ít được dùng ở nam châm điện vì công nghệ phức tạp còn biện pháp thứ hai đơn giản ít tốn kém . ở cực từ có vòng ngắn mạch từ thông đi qua cực từ gồm hai phần: Φ1 ngoài vòng ngắn mạch và Φ2 trong vòng ngắn mạch . Từ kháng của vòng ngắn mạch làm Φ2 chậm pha so với Φ1 một góc α với tg α được tính như sau: 2 X μ ω.wnm 1 2πf tgα = = . = .Gδ 2 Rμ rnm Rδ 2 rnm trong đó: rnm là điện trở vòng ngắn mạch; wnm =1 là số vòng của cuộn ngắn mạch . Gδ2 = 1/Rδ2 là từ dẫn khe hở không khí trong vòng ngắn mạch . Điều kiện lý tưởng để nắp không rung là α = π/2 . Ở nam châm điện ba pha có ba cuộn dây như nhau , vì dòng điện mỗi pha lệch nhau 120o nên từ thông do chúng sinh ra cũng lệch nhau 120o lực điện từ do chúng sinh ra sẽ là: 2 FA = Fm sin ωt. 2 FB = Fm sin (ωt +2π/3 ). 2 FC = Fm sin (ωt +4π/3 ).
Lực tác động tổng lên phần ứng của NCĐ sẽ là: 3 F = F + F + F = F . A B C 2 m Từ đó ta thấy lực điện từ tổng tác động lên nắp hoàn toàn không biến đổi theo thời gian nên không cần chống rung ( Hình 2-20). Hình 2-21 2.4. Cuộn dây nam châm điện . Cuộn dây phải sinh ra s.t.đ cần thiết cho mạch từ , đồng thời tổn hao năng lượng trong cuộn dây phải đủ nhỏ để nhiệt độ phát nóng của cuộn dây không vượt quá giá trị cho phép của cấp cách điện của cuộn dây . Tùy theo cách đấu nối ta có cuộn dòng điện hoặc cuộn điện áp . Cấu tạo của cuộn dây được trình bày như hình vẽ 2-22. Hình 2-22 Cuộn dây hình trụ có khung làm bằng vật liệu cách điện thường đúc bằng nhựa cứng chịu nhiệt . Dây quấn của cuộn dây làm bằng dây đồng bọc men cách điện, tiết diện tròn hoặc dẹt . - Thông số quan trọng nhất của cuộn dây là hệ số lấp đầy:
SCu K ld = SCd trong đó: SCu là diện tích chiếm chỗ của đồng trong cuộn dây . SCd là diện tích của cuộn dây. Hệ số lấp đầy của cuộn dây phụ thuộc vào nhiều yếu tố và dao động trong phạm vi khá rộng: Kld = ( 0,3 ÷ 0,7) . - Điện trở của cuộn dây được tính bằng công thức: w.l R = ρ. tb q trong đó: ρ là điện trở suất của vật liệu; w là số vòng cuộn dây; ltb là chiều dài trung bình của một vòng dây . q là tiết diện của dây quấn . - Độ tăng nhiệt độ của cuộn dây khi làm việc ở chế độ ổn định nhiệt độ được xác định bằng biểu thức: P τ = K t .St trong đó: τ = θ - θ0 là độ tăng nhiệt độ cuộn dây so với môi trường . P ( W) là công suất tổn hao trong cuộn dây . KT hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ . Ở điều kiện tự nhiên Kt = ( 6 ÷ 14) W/m2.deg. ST là diện tích bề mặt tỏa nhiệt của cuộn dây . - Một thông số quan trọng đối với độ tăng nhiệt độ của cuộn dây là mật độ dòng điện: I j = [ A/mm2] q Ở chế độ làm việc dài hạn của cuộn dây tùy thuộc vào điều kiện toả nhiệt cũng như cấp cách điện của dây quấn người ta thường lấy j =( 1,5 ÷ 4) A/mm2 với dây quấn được chế tạo bằng đồng . Đường kính của dây quấn cũng như tiết diện của dây có thể xác định được nhờ cách chọn mật độ dòng điện từ: I 4q q = [ mm2] ; d = [mm] j π Số vòng cuộn dây được xác định từ công thức : 2 SCu w.π.d K ld = = SCd 4l.h K .l.h w = ld π.d 2 với m = h/l gọi là hệ số hình dáng . Tổn hao công suất trong cuộn dây: P = I2. R 2.5. Đặc tính động của nam châm điện.
Một thông số quan trọng của nam châm điện là thời gian tác động và thời gian nhả của nó . Thời gian tác động M ( ttđ ) là quãng thời gian kể từ thời điểm đưa tín hiệu vào cho đến khi nắp chuyển động xong (δ =δmin). Thời gian nhả ( tnh) là quãng thời gian từ khi cắt tín hiệu vào đến khi nắp kết thúc xong chuyển động (δ =δmax) : ttđ = t1 + t2 ; tnh = t3 + t4 . trong đó: t1 là thời gian khởi động khi tác động . t2 là thời gian chuyển động khi tác động . t3 là thời gian khởi động khi nhả . t4 là thời gian chuyển động khi nhả . 2.5.1. Đặc tính động của nam châm điện một chiều: - Khi đưa dòng điện vào cuộn dây, dòng điện tăng từ từ theo hàm mũ và đạt đến trị số khởi động Ikđ .Tại thời điểm này lực điện từ bằng lực lò xo và nắp bắt đầu chuyển động, đó là thời gian khởi động t1 hình 2-23. Từ thời điểm này trở đi vì nắp bắt đầu chuyển động nên khe hở giảm dần, từ cảm tăng dần nên dòng điện suy giảm đến lúc δ = δmin thì kết thúc thời gian chuyển động t2. Sau đó dòng điện tăng cho đến khi đạt giá trị ổn định Iôđ . Khi mở dòng điện suy giảm tới trị số Inh , lúc này lực điện từ bằng lực lò xo và dòng điện tiến tới 0. Từ thời điểm này trở đi vì nắp bắt đầu chuyển động nên khe hở giảm dần, từ cảm tăng dần nên dòng điện suy giảm đến lúc δ = δmin thì kết thúc thời gian chuyển động t2. Sau đó dòng điện tăng cho đến khi đạt giá trị ổn định Iôđ . Khi mở dòng điện suy giảm tới trị số Inh , lúc này lực điện từ bằng lực lò xo và dòng điện tiến tới 0. a) Thời gian khởi động khi đóng t1 : *) Trường hợp mạch từ tuyến tính có một cuộn dây: Phương trình cân bằng điện áp có dạng : dψ di dL u = i.R + = i.R + L + i. dt dt dt trong thời gian khởi động t1 , vì δ =δmax=const nên L = L0 = const do vậy phương trình có dạng: di U L di U = i.R + L ⇒ − i = 0 . 0 dt R R dt U L Đặt = L , 0 = T và thay vào biểu thức trên ta có: R od R 0
L di dt = 0 . (1-73). R I od − i Tích phân (1-73) từ 0 đến t1 , với dòng điện từ 0 đến Ikđ : t1 Ikd di dt = T ∫ 0 ∫ 0 0 I od − i do đó thời gian khởi động t1 sẽ là: Iδd K i t1 = T0 ln = T0 ln I od − I kd K i −1 I od trong đó: K i = là hệ số dự trữ theo dòng điện của NCĐ. I kd L T = 0 là hằng số thời gian điện từ của cuộn dây khi nắp mở (δ 0 R =δmax). Từ đó ta nhận thấy muốn thay đổi thời gian khởi động t1 thì phải thay đổi thông số của cuộn dây L0 , R và thay đổi hệ số dự trữ dòng điện Ki . *) Trường hợp mạch từ tuyến tính có thêm cuộn dây ngắn mạch: Trong trường hợp này phương trình cân bằng điện áp sẽ là : ⎧ dψ ⎪ i.R + = 0 dt ⎨ dψ ⎪i .R + = 0 ⎩ n n dt trong đó kí hiệu ‘n’ chỉ cuộn dây ngắn mạch . Giải hệ phương trình vi phân ta được: ⎛ R ⎞ K t = T ⎜1+ ⎟ln i 1 0 ⎜ , ⎟ ⎝ Rn ⎠ K i −1 2 ⎛ w ⎞ , ⎜ ⎟ trong đó: Rn = Rn ⎜ ⎟ là điện trở qui đổi của cuộn dây ngắn mạch về cuộn điện áp ⎝ wn ⎠ w của nam châm điện . b) Thời gian khởi động khi nhả t3 : Với nam châm điện có một cuộn dây thì phương trình cân bằng điện áp khi nhả có dạng: dψ i.R + = 0 dt Nếu mạch từ tuyến tính thì pt trên có thể viết dưới dạng: di dL di 0 = i.R + L + i. 1 = i.R + L . . 1 dt dt 1 dt Vậy thời gian khởi động khi nhả t3 được tính bằng công thức: L Inh di Iod di I t = − 1 . = T = T ln od 3 R ∫ i 1 ∫ i 1 I Iod Inh nh
trong đó : L1 là điện cảm của NCĐ khi nắp hút . T1 = L1/R là hằng số thời gian điện từ của NCĐ khi nắp hút . Nếu có thêm vòng ngắn mạch và điện trở xoáy của mạch từ thì: R R I od t3 = T1 (1+ , + , )ln Rn Rx I nh Nếu mạch từ phi tuyến thì: 1 R R ψ δd dψ t = (1+ + ) 3 R R , R , ∫ i n x ψ nh Như vậy cũng giống như thời gian khởi động t1 khi đóng, thời gian khởi động khi nhả t3 càng lớn nếu điện trở vòng ngắn mạch Rn và điện trở xoáy của mạch từ càng bé . c) Thời gian chuyển động khi đóng t2 : Khi dòng điện trong cuộn dây đạt trị số khởi động K = Ikđ lực điện từ lớn hơn lực cơ F > Fc và phần nắp bắt đầu chuyển động: - Khe hở không khí của mạch từ giảm dần từ δmax đến δmin . - Điện cảm của cuộn dây tăng từ L0 đến L1. - Từ thông móc vòng thay đổi từ ψkđ đến ψôđ . Trong trường hợp này hệ phương trình trạng trạng thái có dạng : ⎧ dψ ⎪ u = i.R + dt ⎨ mv 2 ⎪F.dx = F .dx + d( ) ⎩ c 2 trong đó: F là lực điện từ . Fc là lực cơ. m là khối lượng phần động. dx v = là vận tốc của phần động. dt Thời gian chuyển động khi đóng t2 được xác định từ hệ phương trình trên . Giải hệ phương trình bằng phương pháp đồ thị gần đúng ta tìm được: n n 2mΔx t2 = ∑ Δti = ∑ 1 1 (F − Fc )i trong đó: Δxi là quãng đường ở đoạn thứ i Δxi = δi - δi+1 (F – Fc )i là lực trung bình ở phân đoạn thứ i tác động lên phần ứng của NCĐ được tính bằng: Si (F − Fc )i = Δxi với Si là diện tích bị giới hạn bởi đường cong F (δ) ở phân đoạn thứ i .Từ đó ta nhận thấy muốn giảm thời gian chuyển động t2 , ta phải giảm khối lượng m phần động, giảm hành trình x của phần ứng, tăng lực điện từ F và giảm phản lực Fc. d) Thời gian chuyển động khi nhả t4 :
Khi cắt điện cuộn dây, từ thông mạch từ giảm dần từ trị số nhả ψnh , lực điện từ bé hơn lực cơ F < Fc và nắp bắt đầu chuyển động từ δmin đến δmax với thời gian chuyển động t4 được tính tương tự như t2 : 2m.x t4 = . Fc − F 2.5.2. Đặc tính của NCĐ xoay chiều: Tương tự như NCĐ một chiều thời gian tác động và thời gian nhả của nam châm điện xoay chiều gồm thời gian khởi động và thời gian chuyển động . Điểm khác cơ bản của NCĐ xoay chiều là điện áp dòng điện, từ thông biến thiên tuần hoàn với tần số f , còn lực điện từ theo tần số 2f . Trong thời gian t1 , vì khe hở không khí lớn (δ =δmax ) nên dòng điện trong cuộn dây khá lớn (Gấp từ 4 đến 15 lần so với khi nắp hút G δ = δmin). vì vậy nếu đóng điện vào thời điểm dòng điện đi qua giá trị 0, chỉ sau 1/4 chu kỳ thì từ thông đạt giá trị cực đại, còn nếu đóng điện vào thời điểm i ≠ 0 thì quãng thời gian để từ thông đạt giá trị cực đại cũng không vượt quá 1/2 chu kỳ, do đó lực điện từ đạt trị số cực đại với thời gian bé hơn 1/2 chu kỳ và t1 do vậy nhỏ hơn 1/2 chu kỳ . Thời gian khởi động khi nhả t3 cũng nhỏ hơn so với NCĐ một chiều vì hồ quang xoay chiều dễ tắt hơn dòng điện suy giảm nhanh và từ dư hầu như không tồn tại .Thời gian chuyển động t2 và t4 cũng có thể tính như ở NCĐ một chiều . 2.6. Ứng dụng của nam châm điện 2.6.1. Cần cẩu điện từ: Cần cẩu điện từ dùng để bốc dỡ hàng hoá C, vận chuyển hàng hoá bằng vật liệu sắt từ . Bộ phận chủ yếu của nó là một nam châm điện . Đây là một nam châm điện một chiều chỉ có cuộn dây và mạch từ tĩnh . Nắp của nó chính là hàng hoá cần bốc . Khi đưa điện vào cuộn dây, lực điện từ sẽ giữ chặt hàng hoá trên cực từ . Sau khi dịch chuyển đến chỗ cần thiết chỉ việc cắt điện cuộn dây là dỡ xong . Những đặc điểm chính của cần cẩu điện từ là: - Không cần người móc và dây buộc hàng . - Bốc và dỡ hàng hoá từ xa qua thao tác đóng và cắt điện cuộn dây . - Có thể vận chuyển hàng hoá sắt từ ở cả trạng thái nóng (Nhỏ hơn điểm Quiri). - Tải trọng có ích phụ thuộc vào kích thước, tính dẫn từ, hình dạng bề mặt của hàng hoá . - Để tránh hiện tượng rơi hàng khi mất điện bất thường thì cần cẩu điện phải có nguồn dự phòng . 2.6.2.Phanh điện từ: Phanh điện từ là cơ cấu điện từ dùng để hãm các thiết bị đang quay , đo mômen của động cơ điện . Loại phanh thông dụng nhất là phanh guốc và phanh đai , bộ phận chủ yếu của phanh điện từ là một nam châm điện , để tăng lực và làm giảm kích thước của phanh thường kết hợp với cơ cấu tay đòn .Trong các phanh điện từ lực lò xo dùng để hãm , còn lực điện từ dùng để nhả phanh .Trong phanh hãm nam
châm điện một chiều được dùng thông dụng hơn vì dễ chế tạo , lực hút lớn , không gây ồn . 2.6.3. Van điện từ : Van điện từ dùng để đóng mở các đường ống dẫn chất lỏng hoặc chất khí , bằng cách đóng , cắt điện vào cuộn dây .Mạch từ của van thường có dạng kiểu bọc , phần động được gắn với cơ cấu làm việc ( ty van ) Để có lực điện từ lớn với khe hở làm việc lớn nam châm điện thường được chế tạo kiểu hút ống dây ( solenoid) . Chương 3: SỰ PHÁT NÓNG CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN 3.1. Đại cương 3.1.1. Khái niệm: Ở trạng thái làm việc, trong các bộ phận của thiết bị điện nói chung và của khí cụ điện nói riêng đều có tổn hao năng lượng và biến thành nhiệt năng . Một phần nhiệt năng này làm tăng nhiệt độ của khí cụ và một phần tỏa ra môi trường xung quanh . Ở trạng thái xác lập nhiệt, nhiệt độ của khí cụ không tăng nữa mà ổn định ở một giá trị nào đó, toàn bộ tổn hao cân bằng với nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh . Nếu không có sự cân bằng này nhiệt độ của khí cụ sẽ tăng cao làm cho cách điện bị già hoá và độ bền cơ khí của các chi tiết bị suy giảm và tuổi thọ của khí cụ giảm đi nhanh chóng . Độ tăng nhiệt độ của khí cụ được tính bằng: τ = θ −θ 0 (3-1) với v: τ là độ tăng nhiệt độ (hay độ chênh nhiệt độ ) . θ là nhiệt độ của khí cụ . θ0 là nhiệt độ của môi trường . 3.1.2. Các nguồn nhiệt và các phương pháp trao đổi nhiệt: a) Các nguồn nhiệt: Nhiệt năng do các tổn hao trong khí cụ điện tạo nên, có ba dạng tổn hao: Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện, tổn hao trong vật liệu sắt từ và tổn hao trong vật liệu cách điện . - Tổn hao trong các chi tiết dẫn điện: Năng lượng tổn hao trong các dây dẫn do dòng điện i đi qua trong khoảng thời gian t được tính bằng công thức: t W = ∫ i 2 .R.dt (3-2) 0 Điện trở R của dây dẫn phụ thuộc vào điện trở suất của vật liệu, kích thước dây dẫn và tần số dòng điện, vị trí của dây dẫn trong hệ thống . - Tổn hao trongcác phần tử sắt từ: Nếu các phần tử sắt từ nằm trong vùng từ trường biến thiên tì trong chúng sẽ có tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy tạo ra và được tính theo công thức: 1,6 2 PFe = (χT .Bm + χ x . f .Bm ) f .G (3-3) trong đó: PFe tổn hao sắt từ [ W ]. Bm trị biên độ của từ cảm [ T ]. f tần số của lưới [ Hz ].
χT , χx hệ số tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy . G khối lượng của mạch từ . Từ công thức trên ta nhận thấy rằng tổn hao sắt từ phụ thuộc vào từ cảm, tần số, điện trở xoáy của vật lịệu .Để thuận tiện cho việc tính toán người ta xác định suất tổn hao từ p0 cho một đơn vị khối lượng vật liệu ở tần số cho trước f và từ cảm B và như vậy tổn hao sẽ được tính đơn giản hơn: PFe = p0.G (3-4) Để giảm tổn hao trong các chi tiết dạng khối, người ta thường sử dụng các biện pháp sau: + Tạo khe hở phi từ tính theo đường đi của từ thông để tăng từ trở, giảm từ thông tức là giảm Bm + Đặt thêm vòng ngắn mạch để tăng từ kháng, giảm từ thông. + Với các chi tiết cho thiết bị có dòng điện lớn hơn 1000 A, được chế tạo bằng vật liệu phi từ tính như đuyara, gang không dẫn từ . - Tổn hao trong vật liệu cách điện: Dưới tác dụng của điện trường biến thiên, trong vật liệu cách điện sẽ sinh ra tổn hao điện môi: P = 2.π. f .U 2 .tgδ (3-5) trong đó: P - là công suất tổn hao [ W ]. f - là tần số điện trường [ Hz ]. U - là điện áp [ V ]. Tgδ - là tang của góc tổn hao điện môi . Từ biểu thức trên ta thấy tổn hao cách điện tỷ lệ với bình phương điện áp vậy tổn hao cách điện chỉ đáng kể khi điện áp cao. b) Các phương pháp trao đổi nhiệt: Nhiệt được truyền từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp theo ba cách: Dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ; Dẫn nhiệt là quá trình truyền nhiệt giữa các phần tử có tiếp xúc trực tiếp . Đối lưu là quá trình truyền nhiệt trong chất lỏng hoặc chất khí, gắn liền với sự chuyển động của các phần tử mang nhiệt . Có hai dạng đối lưu - đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức; Bức xạ nhiệt là quá trình toả nhiệt của vật thể nóng ra môi trường xung quanh bằng phát xạ sóng điện từ . 3.2. Các chế độ làm việc và phương pháp xác định nhiệt độ 3.2.1. Các chế độ làm việc: a) Chế độ xác lập nhiệt: Khi làm việc phương trình cân bằng nhiệt có dạng : Q1 = Q2 + Q3 (3-6) trong đó: Q1 = P.dt - là năng lượng tổn hao ứng với công suất P Q2 = KT.ST.τ.dt - là năng lượng toả ra môi trường xung quanh . Q3 = c.G.dτ. - là năng lượng làm tăng nhiệt độ của khí cụ, với khối lượng G và nhiệt dung riêng c . Thay vào phương trình trên ta có:
P.dt = KT.ST.τ.dt + c.G.dτ. (3-7) Ở chế độ xác lập nhiệt, nhiệt độ không thay đổi theo thời gian ( dτ = 0.) nên phương trình có dạng: P.dt = KT.ST.τ.dt (3-8) Có nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng sinh ra chỉ tỏa ra môi trường xung quanh do đó độ tăng nhiệt độ xác lập sẽ là: P τ = . KT .ST b) Chế độ quá độ : Khi bắt đầu làm việc , nhiệt độ của khí cụ tăng dần, sau một thời gian quá độ nó không tăng nữa và đạt giá trị xác lập . Quá trình quá độ được mô tả bằng phương trình cân bằng nhiệt: P.dt = KT.ST.τ.dt + c.G.dτ. (3-9) CT = c.G là nhiệt dung riêng của khí cụ . Số hạng thứ nhất là nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh với nhiệt độ θ0 = const ; Số hạng thứ hai là nhiệt lượng hấp thụ của thiết bị . Nghiệm của phương trình vi phân này có dạng: −t t − T T τ = τ 0 .e +τ ∞ (1− e ) trong đó: τ - là độ chênh nhiệt độ so với môi trường . τ0 - là độ chênh nhiệt độ ban đầu ( t =0 ). P τ ∞ = là độ chênh nhiệt độ xác lập . KT .ST CT T = = RT .CT - là hằng số thời gian phát nóng . KT ST Nếu τ0=0 nghĩa là khi bắt đầu làm việc nhiệt độ của khí cụ bằng nhiệt độ môi trường thì: t − T τ = τ ∞ (1− e ) Quan hệ τ(t) được biểu diễn trên hình 2-7 trong đó đường 1 ứng với trường hợp τ0≠ 0, đường 2 ứng với τ0 =0 . Quá trình nguội lạnh của khí cụ xảy ra khi ta cắt điện cho nó , nhiệt độ của khí cụ giảm dần đến nhiệt độ môi trường . Hình 2-7
Trong trường hợp này phương trình cân bằng nhiệt sẽ là: 0 = KT.ST.τ.dt + c.G.dτ. (3-10) Với điều kiện t =0 → τ0=τ∞ thì nghiệm của phương trình là: t − T τ = τ ∞ .e Đồ thị cho quá trình nguội lạnh đường 3 hình 2-7. Người ta phân biệt ba chế độ làm việc của thiết bị điện: Chế độ làm việc dài hạn; chế độ làm việc ngắn hạn và chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại . - Ở chế độ làm việc dài hạn thời gian làm việc đủ lớn để τ =τ∞ và thời gian nghỉ đủ dài để τ =0 . Vì τ0(t) là hàm mũ nên về lý thuyết τ đạt τ∞ khi phát nóng và τ =0 với thời gian vô cùng . Trong thực tế nếu t ≥ 4T thì có thể coi là chế độ làm việc dài hạn, hoặc độ tăng nhiệt độ τ ≤ 2oC/h cũng có thể coi đó là chế độ làm việc dài hạn . Đồ thị và quan hệ τ(t) ở chế độ dài hạn như hình 2-7. - Ở chế độ làm việc ngắn hạn thời gian làm việc chưa đủ lớn để độ tăng nhiệt độ chưa đạt đến giá trị xác lập, còn thời gian nghỉ đủ dài để nhiệt độ của khí cụ bằng nhiệt độ môi trường . Đồ thị của quá trình này được biểu diễn ở hình 2-8 . - Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại: Với chế độ này, mỗi chu kỳ làm việc được đặc trưng bởi thời gian nghỉ và thời gian làm việc: tck = tlv + tngh Thời gian làm việc trong mỗi chu kỳ chưa đủ lớn nên độ tăng nhiệt độ chưa đạt tới giá trị xác lập , thời gian nghỉ chưa đủ dài nên nhiệt độ của khí cụ vẫn lớn hơn nhiệt độ môi trường . Nếu số chu kỳ đủ lớn thì nhiệt độ sẽ dao động xung quanh trị số τmax và τmin xác lập còn gọi là trị số xác lập giả định . Quá trình này được biểu diễn ở hình 2-9. c) Chế độ ngắn mạch : Khi bị ngắn mạch, dòng điện chạy trong dây dẫn có trị số rất lớn, gấp vài chục lần dòng điện ở chế độ định mức, nhưng vì thời gian ngắn mạch không dài nên nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ này thường lớn hơn ở chế độ dài hạn . Vì thời gian ngắn mạch bé nên có thể coi quá trình này là quá trình đoạn nhiệt , nghĩa là toàn bộ nhiệt lượng sinh ra dùng để đốt nóng khí cụ chứ không toả ra môi trường xung quanh . Do đó phương trình cân bằng nhiệt: 2 i .R.dt = CT .dθ (3-11) trong đó t: R là điện trở của dây dẫn . θ là nhiệt độ của dây dẫn . CT là nhiệt dung riêng của khí cụ: CT = c0 (1+ β.θ ).G o c0 là nhiệt dung riêng của vật liệu ở 0 C β là hệ số nhiệt của nhiệt dung riêng . G là khối lượng của vật dẫn . 3.2.2.Phương pháp xác định nhiệt độ :
Trong các thiết bị điện , quá trình đo nhiệt độ thường gắn liền với quá trình khống chế để nhiệt độ không vượt quá giá trị cho phép , kiểm tra để xác định hỏng hóc của thiết bị .v.v Có nhiều cách để đo nhiệt độ với những đặc điểm khác nhau : a) Đo bằng nhiệt kế : Loại nhiệt kế thường dùng là loại thủy ngân , có thể đo được tới 300oC . Ưu điểm chính của phương pháp đo này là đơn giản , trực tiếp , song tín hiệu không truyền được đi xa và khó đo nhiệt độ ở các điểm , quán tính nhiệt lớn . b) Đo bằng nhiệt ngẫu (Cặp nhiệt): Nếu hai sợi kim loại khác nhau được hàn một phía , điểm chung cố định ở nơi có nhiệt độ cao , còn đầu tự do đặt ở nơi có nhiệt độ thấp thì sẽ xuất hiện một sđđ , tỷ lệ với độ chênh nhiệt độ và phụ thuộc vào bản chất của kim loại làm nhiệt ngẫu . eT = k.τ = k.( θ1 - θ2 ) . (3-12) trong đó : k – là hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào vật liệu làm nhiệt ngẫu . Trong một phạm vi nhất định k là một hằng số vì vậy đo sđđ nhiệt điện eT ta có thể biết được độ tăng nhiệt độ . Ưu điểm chính của phương pháp đo này là có thể đo nhiệt độ từng điểm , quán tính nhiệt bé , có thể đo được nhiệt độ đến 2000oC và có thể truyền tín hiệu đi xa . c) Đo nhiệt độ bằng điện trở : Với kim loại , khi nhiệt độ tăng thì diện trở cũng thay đổi theo quan hệ : Rθ = Ro ( 1 + αT. θ ) (3-13) Nếu xác định được Ro và Rθ thì ta sẽ xác định được θ . Có hai phương pháp đo nhiệt độ qua điện trở : Đo trực tiếp và đo gián tiếp . Đo trực tiếp : Đo điện trở cuộn dây trước lúc làm việc và sau khi làm việc , qua đó có thể xác định được độ tăng nhiệt độ trung bình của cuộn dây . Đo gián tiếp : Người ta chế tạo các đầu đo bằng vật liệu có hệ số nhiệt điện trở lớn , tuyến tính và đặt đầu đo ở gần điểm cần đo nhiệt độ , cách điện với các phần dẫn điện của thiết bị .Phương pháp này có thể đo nhiệt độ của thiết bị khi chúng đang làm việc , có thể truyền tín hiệu đi xa và dễ dàng khống chế công suất hay nhiệt độ . d) Đo nhiệt độ bằng phát xạ hồng ngoại : Đây là phương pháp đo tiên tiến , thường dùng để kiểm tra nhiệt độ các bộ phận của thiết bị ở trạng thái làm việc nhất là các thiết bị cao áp .Thiết bị đo nhận tín hiệu từ bộ phận phát xạ hồng ngoại từ điểm cần đo , sau đó phân tích phổ và so sánh với phổ chuẩn từ đó biết được nhiệt độ điểm cần đo . Chương 4: LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN 4.1.Khái niệm chung . 4.1.1.Khái niệm : Lực điện động là lực sinh ra khi một 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 của vật dẫn để từ thông xuyên qua mạch vòng vật dẫn đạt giá trị cực đại. Trong một hệ thống gồm vài vật dẫn mang dòng điện , bất kỳ một vật dẫn nào trong chúng cũng có thể được coi là đặt trong từ trường tạo bởi các dòng điện chạy qua các vật dẫn khác . Do vậy giữa các vật dẫn mang dòng điện luôn có từ thông tổng tương hỗ móc vòng , kết quả luôn có các lực cơ học( được gọi là lực điện động ) . Tương tự như vậy cũng có các lực điện động sinh ra giữa vật dẫn mang dòng điện và khối sắt từ . Chiều của lực điện động được xác định bằng quy tắc bàn tay trái , hoặc theo nguyên tắc chung như sau : “ Lực tác dụng lên vật dẫn mang dòng điện có xu hướng làm biến đổi hình dáng mạch vòng dòng điện sao cho từ thông móc vòng qua nó tăng lên ”. 4.1.2.Lực điện động trong các khí cụ điện : Các khí cụ điện bao gồm nhiều mạch vòng dãn điện có hình dáng , kích thước khác nhau , với các vị trí tương hỗ khác nhau . Trong điều kiện làm việc bình thường các lực điện động đều nhỏ và không gây nên biến dạng các chi tiết mang dòng điện của các khí cụ điện . Tuy nhiên khi có ngắn mạch , các lực này trở lên rất lớn có thể gây nên biến dạng hay phá hỏng chi tiết và thậm chí cả khí cụ điện . Tính ổn định điện động của khí cụ là khả năng chịu lực tác động phát sinh khi có dòng ngắn mạch đi qua . Tính ổn định điện động này được biểu thị bằng biên độ dòng điện động học iđh , ở đó cường độ cơ khí trong các chi tiết của khí cụ không vượt quá giới hạn cho phép ,hoặc cho bằng bội số của dòng điện này với biên độ của dòng định mức : idh K dh = 2I dm Đôi khi tính ổn định điện động hay tính bền động học được đánh giá bằng giá trị hiệu dụng của dòng diện xung , qua một chu kỳ sau khi bắt đầu xảy ra ngắn mạch . 4.2.Các phương pháp tính lực điện động 4.2.1.Phương pháp tính lực điện động dựa trên định luật về lực tác dụng tương hỗ giữa dây dẫn mang dòng điện và từ trường ( Định luật Biô - Xava – Laplace): Nếu một đoạn mạch vòng dl1 [ m ] có dòng điện i1 [ A ] đi qua ( hình 3 -1a TL1) được đặt trong từ cảm B [ T ] , thì sẽ có một lực df [ N ] tác động lên dl1 : df = i1dl1xB = i1 B.dl1 .sinβ (4-1) trong đó : β - là góc giữa B và dl1 , hướng của dl1 theo chiều của dòng điện i1 . Lực điện động tác động lên toàn bộ mạch vòng có chiều dài l [ m ] bằng tổng hợp các lực thành phần : l l F = dF = i .B.sin β.dl (4-2) ∫ ∫ 1 0 0
Nếu mạch vòng nằm trong môi trường có độ từ thẩm cố định μ = const ( Trong chân không hoặc không khí , việc xác định từ cảm B tương đối thuận tiện khi sử dụng định luật Biô - Xava – Laplace . 4.2.2. Phương pháp cân bằng năng lượng Phương pháp dựa trên cơ sở sử dụng cân bằng năng lượng của hệ thống dây dẫn có dòng điện chạy qua . Nếu bỏ qua năng lượng tĩnh của hệ thống thì lực có thể được tìm được theo phương trình: ∂w F = (4-3) ∂x Trong đó: W - là năng lượng điện từ . X - là độ dịch chuyển có thể theo phương tác dụng của lực . Như vậy lực bằng đạo hàm riêng của năng lượng điện từ của hệ thống đã cho theo toạ độ, theo chiều tác dụng của lực .Như đã biết trong kĩ thuật điện , năng lượng điện từ của một hệ thống đã cho là: 1 1 w = L i 2 + L i 2 + M i i (4-4) 2 1 1 2 2 2 12 1 2 Trong phương trình trên, hai thành phần đầu xác định năng lượng của các mạch vòng độc lập , thành phần thứ ba cho ta năng lượng quy ước bằng quan hệ điện từ giữa chúng . Phương trình trên cũng cho phép xác định lực tác dụng lên mạch vòng độc lập cũng như lực tác dụng tương hỗ của mạch vòng lên tất cả các mạch vòng còn lại . Để xác định lực tác dụng lên mạch vòng độc lập ta sử dụng phươngtrình : ∂w 1 ∂L F = = i 2 (4-5) ∂x 2 ∂x Khi tính toán lực tác dụng tương hỗ của các mạch vòng, người ta coi rằng năng lượng chỉ biến thiên do kết quả biến đổi khoảng cách tương hỗ của các mạch vòng . Khi đó năng lượng qui ước bằng tự cảm coi như không đổi . Như vậy lực tác dụng giữa các mạch vòng bằng : ∂w ∂M F = = i i (4-6) ∂x 1 2 ∂x Phương pháp này tiện lợi, khi biết mối quan hệ giải tích của điện cảm (Tự cảm hoặc hỗ cảm ) với các thông số hình học khác . Chiều dương của lực tác dụng tương ứng với độ tăng năng lượng của hệ thống . Năng lượng điện từ trường của mạch vòng bằng: 1 1 Ψ 1 1 A = Li 2 = i 2 = Ψi = ωφi (4-7) 2 2 i 2 2 Trong đó: ψ - tổng từ thông móc vòng . φ - Từ thông móc vòng một vòng dây. W - Số vòng dây.
Lực tác dụng trong mạch vòng sẽ có chiều sao cho điện cảm, từ thông móc vòng và từ thông khi biến dạng mạch vòng dưới tác dụng của lực này tăng lên. 4.2.3. Lực điện động của một số dạng dây dẫn: 4.2.3a. Tính LĐĐ ở các thanh dẫn song song: Trong trường hợp này LĐĐ được tính theo định luật Biô-xavar-Laplace . Hướng của chúng phụ thuộc vào dòng điện trong thanh dẫn . Xét hai dây dẫn song song có đường kính rất bé so với chiều dài của chúng (hình vẽ) và có dòng điện i1, i2 chiều dài tương ứng là l1 , l2 . Từ cảm dB do dòng i1 trong phân đoạn dy sinh ra tại phân đoạn dx trên dây dẫn l2 với khoảng cách r (từ dx đến dy ) được tính như sau: μ i dy dB = μ dH = 0 . 1 sinα ( 4-8 ) 0 4Π r 2 trong đó α là góc giữa dy và r. Từ cảm do dòng điện i1 trong dây dẫn l1 tạo tại điểm dx trên l2 là: μ l1 sinα B = 0 i dy . ( 4-9 ) 1 ∫ 4Π 0 r Đặt các biến mới: a a a y = ;r = ;dy = − dx tgα sinα sin 2 α Thay chúng vào phương trình trên ta được: μ α1 sinα μ cosα + cosα B = 0 i − dx = 0 i 1 2 ( 4-10) 4Π 1 ∫ a 4Π 1 a Π−α2 Lực điện động tác động tương hỗ giữa dây dẫn l1và dx là: μ cosα + cosα dF = B.i dx = 0 i i 1 2 dx ( 4-11 ) x 2 4Π 1 2 a Từ đó suy ra công thức tính LĐĐ giữa dây dẫn l1 tác động lên dây dẫn l2 là: l2 μ l2 cosα + cosα F = dF = 0 i i 1 2 dx ( 4-12) x ∫ x 1 2 ∫ 0 4Π 0 a l1 − x1 x Thay cosα1 = ;cosα 2 = 2 2 2 2 ()l1 − x + a x + a Và nếu l1 = l2 thì biểu thức trên có dạng: ⎡ 2 ⎤ −7 2l ⎛ a ⎞ a F = 10 i1i2 ⎢ 1+ ⎜ ⎟ − ⎥ (4-13 ) a ⎢ l l ⎥ ⎣ ⎝ ⎠ ⎦
-7 F=10 i1 i2 Kc ( 4-14) 2 2l ⎡ ⎛ a ⎞ a ⎤ Với: K c = ⎢ 1+ ⎜ ⎟ − ⎥ là hệ số kết cấu của mạch vòng . a ⎢ l l ⎥ ⎣ ⎝ ⎠ ⎦ a Nếu a. Lực điện động tác động lên phân đoạn dx của thanh dẫn ngang được tính theo công thức: dFx = i.Bx.dx. (4-17) μ i Trong đó: B = 0 x 4Π x μ a thay vào ta được: F = 0 i 2 ln 4Π r Nếu chiều dài thanh dẫn đứng là hữu hạn thì LĐĐ sẽ nhỏ hơn biểu thức trên . 4.2.3c.Lực điện động ở vòng dây và bối dây: Trong trường hợp này lực điện động được tính theo phương pháp cân bằng năng lượng . Lực điện động ở vòng dây có bán kính trung bình R, đường kính dây 2r với dòng điện chay trong vòng dây là i . Với r/R = 0.25 thì điện cảm của vòng dây được tính theo công thức: ⎛ 8R ⎞ L = μ0 R⎜ln −1,75⎟ ⎝ r ⎠ Lực điện động tác động lên vòng dây theo hướng kính là:
1 dL F = i 2 r 2 dR Thay ( ) vào ( ) và biến đổi ta được: μ0 2 ⎛ 8R ⎞ FR = i ln⎜ − 0,75⎟ . 2 ⎝ r ⎠ Lực FR phân bố đều trên toàn vòng dây với chiều dài 2πR vì vậy LĐĐ tác động lên một đơn vị chiều dài của vòng dây được tính bằng: F μ0 2 ⎛ 8R ⎞ f R = = i ln⎜ − 0,75⎟ 2ΠR 4ΠR ⎝ r ⎠ Thành phần lực Fq có xu hướng kéo đứt nửa vòng dây là: Π 2 ⎛ 8R ⎞ F = f Rsinϕ.dϕ = 10−7 i 2 ln − 0,75 q ∫ R ⎜ ⎟ 0 ⎝ r ⎠ Lực điện động ở hai vòng dây song song được tính theo phương pháp cân bằng năng lượng . Năng lượng từ do hỗ cảm giữa hai vòng dây có dòng điện i1, i2 đi qua là: W = i1. i2 .M Lực điện động tác dụng lên chúng theo chiều dọc trục sẽ là: dW dM F = = i i dh 1 2 dh h Với 〈0,2 thì hỗ cảm M có thể tính theo: 2R ⎛ 8R ⎞ M = μ0 R⎜ln − 2⎟ ⎝ h ⎠ Đạo hàm theo khoảng cách giữa hai vòng dây ta có: dM R = μ dh 0 h Vậy LĐĐ giữa hai vòng dây với bán kính R và khoảng cách h: R F = μ i i h 0 1 2 h Lực này càng lớn khi dòng điện càng lớn, khoảng cách giữa hai vòng dây càng bé và đường kính bối dây càng lớn .Trong một cuộn dây lực này có xu hướng nén thấp chiều cao của cuộn dây . 4.2.4.Lực điện động ở điện xoay chiều: Ở điện xoay chiều, vì dòng điện thay đổi tuần hoàn theo thời gian nên LĐ Đ cũng thay đổi theo quy luật nhất định . 4.2.4a. Lực điện động ở mạch một pha: Ở chế độ xác lập dòng điện chỉ có thành phần chu kỳ theo quy luật: i = 2I.sinωt = I m sinωt . Lực điện động giữa hai dây dẫn có dạng:
1 F = 10−7 K I 2 sin 2 ωt = F ()1− cos 2ωt . c m 2 m -7 2 Trong đó Fm = 10 KcI m là giá trị biên độ của lực điện động [ N];Im là giá trị biên độ của dòng điện [A]. Như vậy lực điện dộng có hai thành phần: Thành phần khôg đổi F1 và thành phần biến đổi F2 : F F F = F + F = m − m .cos 2ωt. 1 2 2 2 Trong đó thành phần biến đổi F2 có tần số gấp đôi tần số dòng điện . 4.2.4b.Lực điện động ở mạch điện ba pha: Xét ba dây dẫn ba pha cùng nằm trong một mặt phẳng có các dòng điện iA , iB , iC với IA = IB = IC . Nếu không kể tới thành phần không chu kỳ thì dòng điện ở các pha lệch nhau một góc 2π/3 : ⎛ 2Π ⎞ ⎛ 4∏ ⎞ iA = I m .sinωt;iB = I m .sin⎜ωt − ⎟;iC = I m .sin⎜ωt − ⎟ ⎝ 3 ⎠ ⎝ 3 ⎠ Lực điện động tác dụng lên từng thanh dẫn được tính như sau: FA = FAB + FAC . FB = FBA + FBC . FC = FCA + FCB . Trong đó Fpq = Fqp là lực giữa các dây dẫn pha p và pha q . 2 ⎛ 2Π ⎞ FAB = FBA = C1I m .sinωt.sin⎜ωt − ⎟ . ⎝ 3 ⎠ 1 2 ⎛ 4Π ⎞ FAC = FCA = C1I m .sinωt.sin⎜ωt − ⎟ . 2 ⎝ 3 ⎠ 2 ⎛ 2Π ⎞ ⎛ 4Π ⎞ FBC = FCB = C1.I .sin⎜ωt − ⎟.sin⎜ωt − ⎟ . m ⎝ 3 ⎠ ⎝ 3 ⎠ 2l Với:C = 10−7. ; l là chiều dài dây dẫn; a là khoảng cách giữa hai pha cạnh 1 a nhau. Thay giá trị của các lực vừa tìm được vào biểu thức trên rồi tìm giá trị max ta thu được: 2 2 FAmD = −0.805.C1I m ; FAmK = 0.055C1I m . 2 FBmD = FBmK = 0.870C1.I m . 2 2 FCmD = 0.805C1I m ; FCmK = −0.055C1.I m . Ký hiệu D – Lực đẩy; K – Lực kéo . 4.2.5.Cộng hưởng cơ khí và ổn định điện động của khí cụ: 4.2.5a. Cộng hưởng cơ khí:
Khi dòng điện xoay chiều đi qua thanh dẫn, LĐĐ phát sinh sẽ gây chấn động và có thể phát sinh cộng hưởng cơ khí nếu tần số dao động của LĐĐ bằng tần số dao động riêng của thanh dẫn . Khi đó biên độ của LĐĐ tăng lên nhiều lần, có thể phá hỏng kết cấu của thiết bị . Để tránh hiện tượng cộng hưởng không mong muốn này người ta tính toán sao cho tần số dao động cơ khí của hệ khác xa tần số dao động của LĐĐ . Ở thanh dẫn thanh dẫn tiết diện chữ nhật hoặc tròn, tần số dao động riêng được tính theo công thức: K E.J f = 0 l 2 γ .g.q trong đó: γ - là khối lượng riêng của vật liệu làm thanh dẫn; kg/m3. g = 9,81 [ m/s2 ]- là gia tốc trọng trường . E - là môdun đàn hồi thanh dẫn; [ Pa ]. J - là mômen quán tính tiết diện thanh dẫn; [ m4 ]. q - là tiết diện thanh dẫn; [ m2 ]. l - là chiều dài thanh dẫn; [ m ]. K là hệ số phụ thuộc vào cách cố định thanh dẫn: thanh dẫn bắt chặt cả hai đầu trên sứ cách điện K =11,2 ; thanh dẫn một đầu bắt chặt một đầu tự do trên sứ đỡ K = 7,8; thanh dẫn có hai đầu nằm tự do trên sứ đỡ K = 4,9. Từ công thức để tính tần số dao động riêng của thanh dẫn ta thấy có thể thay đổi f0 bằng cách thayđổi l , k , J . Một trong những biện pháp để tránh cộng hưởng cơ khí là sử dụng dây dẫn mềm . 4.2.5b. Độ bền điện động của khí cụ điện: Độ bền điện động của khí cụ điện là khả năng chịu tác động cơ khí do lực điện động khi ngắn mạch nguy hiểm nhất gây ra . Nhìn chung để đảm bảo làm việc an toàn của khí cụ điện lắp đặt phải có điều kiện sau : i m > i xk i m – Dòng điện lớn nhất cho phép đi qua khí cụ. i xk – Dòng điện xung kích tính toán khi ngắn mạch 3 pha nguy hiểm nhất gây ra . Ngoài ra còn có thể dùng giá trị hệ số Km là bội số dòng điện cho phép lớn nhất để kiểm tra ổn định: 2I dm .K m ≥ iÜk . với I đm - là dòng định mức . Trong trường hợp trên khí cụ không ghi giá của i m thì ta có thể xác định trị số hiệu dụng của nó theo biểu thức tham khảo sau: Iđđ giới hạn = Ixkma x = 2,55. Png/ 3 Uđm. (KA) với : Png- Công suất ngắt ( MVA). Uđm- Điện áp định mức. ( KV).
Chương 5: HỒ QUANG ĐIỆN 5.1.Đại cương về hồ quang điện. 5.1.1.Khái niệm chung: Hồ quang điện là sự phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn ( 102 đến 103A/mm2) , điện áp rơi trên catốt bé (10V đến 20V) , nhiệt độ hồ quang cao (6000 đến 18000o K ) và kèm theo ánh sáng . Trên hình 4-2 trình bày sự phân bố điện áp, cường độ điện trường của hồ quang: UAC = UA + UC + U thq Vùng Catốt với khoảng cách ngắn (cỡ -3 10c mm) với UC vào khoảng 10V đến 20V nên cường độ điện trường ở vùng này khá lớn (vào khoảng 20.10vV/mm ) Trị số này phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và đặc tính của chất khí . Vùng Anốt có điện áp rơi thấp, cỡ 5V đến 20V vì vậy EA thấp hơn nhiều so với EC . Vùng thân hồ quang có cường độ điện trường Ehq hầu như không đổi, cỡ từ 1V/mm2 đến 20V/mm2 phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt, tốc độ chuyển động của các phân tử khí, vận tốc di chuyển của hồ quang . Điện áp rơi trên thân hồ quang Uthq phụ thuộc vào chiều dài hồ quang và được tính theo công thức: Uthq = Ehq . lhq Trong công nghệ, hồ quang được sử dụng như nhân tố hữu ích ở các qua, lò hồ quang v.v, vì vậy ở đây cần hồ quang cháy ổn định . Trong các thiét bị đóng cắt, hồ quang phát sinh trong quá trình chuyển mạch điện, và là nhân tố không mong muốn, vì vậy cần phải giảm hồ quang tới mức tối thiểu . 5.1.2. Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang: Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang là quá trình ion hoá và quá trình khử ion a) Quá trình ion hoá: Ở điều kiện bình thường, môi trường chất khí gồm các phần tử trung hoà nên nó không dẫn điện . Nếu các phần tử trung hoà đó bị phân tích thành các điện tử tự do, các ion dương, và các ion âm thì nó trở nên dẫn điện . Quá trình tạo ra các điện tử tự do, các ion trong chất khí gọi là quá trình ion hoá . Quá trình này có thể xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường, va đập và có các dạng sau: - Tự phát xạ điện tử . - Phát xạ nhiệt điện tử .
- Ion hoá do va chạm . - Ion hoá do nhiệt độ cao . *)Quá trình tự phát xạ điện tử: Còn gọi là phát xạ nguội điện tử, nếu có một điện trường đủ mạnh đặt lên điện cực, các điện tử tự do được cấp năng lượng và có thể bứt ra khỏi điện cực .Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường E và vật liệu làm điện cực: −b 2 E J ae = 120.E .e trong đó: Jae - là mật độ dòng điện tự phát xạ điện tử sinh ra. E - là cường độ điện trường ở catốt . b - là thông số phụ thuộc vào vật liẹu làm catốt . *)Quá trình phát xạ nhiệt điện tử: Khi nhiệt dộ của catốt cao các điện tử tự do trong điện cực có động năng lớn, có thể thoát ra khỏi bề mặt kim loại tạo nên dòng điện trong chất khí đó là hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử . Quá trình phát xạ nhiệt điện tử phụ thuộc vào nhiệt độ điện cực, vật liệu làm điện cực và dược biểu diễn theo cộng thức: b − 2 T J Te = 120.T .e trong đó: JTe - là mật độ dòng điện do phát xạ nhiệt điện tử sinh ra . T - là nhiệt độ tuyệt đối của catốt . b - là thông số phụ thuộc vào kim loại làm điện cực . *) Ion hoá do va chạm: Dưới tác dụng của điện trường với cường độ cao (cỡ 103 V/mm ) các điện tử tự do chuyển động với vận tốc lớn, đủ để bắn phá các phân tử trung hoà, tạo nên các ion âm và ion dương mới, đó là quá trình ion hoá do va chạm . Quá trình này phụ thuộc vào cường độ điện trường, mật độ các phần tử trong vùng điện cực, lực liên kết phân tử, khối lượng phân tử . *) Ion hóa do nhiệt độ cao: Khi nhiệt độ chất khí càng cao, chuyển động nhiệt của nó lớn, dễ va chạm và tách thành các ion, đó là quá trình ion hoá do nhiệt độ . Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ vùng hồ quang, mật độ các phần tử khí và đặc tính của chất khí . b)Quá trình khử ion : - Quá trình khử ion là quá trình ngược với quá trình ion hoá, kết quả của quá trình này sẽ làm giảm số lượng ion trong vùng hồ quang . Quá trình khử ion được đặc trưng bởi hai hiện tượng – hiện tượng tái hợp và hiện tượng khuyếch tán . Hiện tượng tái hợp là hiện tượng các hạt mang điện trái dấu két hợp với nhau thành các hạt trung hoà , quá trình này phụ thuộc vào mật độ các phần tử trong vùng hồ quang, nhiệt độ hồ quang . Hiện tượng khuyếch tán là hiện tượng di chuyển các ion ở vùng có mật độ cao sang vùng có mật độ thấp . Trong hồ quang điện, tồn tại song song hai quá trình ion hoá và khử ion . Nếu quá trình ion hoá lớn hơn quá trình khử ion thì hồ quang sẽ phát triển mạnh dòng điện hồ quang tăng . Nếu quá trình khử ion cân bằng với quá trình khử ion thì
dòng điện hồ quang không tăng hồ quang cháy ổn định . Nếu quá trình khử ion lớn hơn quá trình ion hoá thì hồ quang sẽ tắt . 5.2. Hồ quang điện một chiều . 5.2.1. Đặc tính Von – Ampe: Đặc tính quan trọng nhất của hồ quang là điện áp trên chúng với dòng điện . Đặc tính này được gọi là đặc tính von – ampe . Dòng điện tăng kéo theo nhiệt độ hồ quang tăng, quá trình ion hoá do nhiệt cũng tăng, điện trở vùng hồ quang giảm . Điện áp trên hồ quang Uhq = i.rhq khi dòng điện hồ quang tăng, điện trở hồ quang giảm đột ngột làm giảm điện áp trên hồ quang . Quan hệ giữa điện áp theo dòng điện trên hồ quang khi dòng điện biến đổi chậm gọi là đặc tính tĩnh von – ampe của hồ quang . Đặc tính tĩnh của hồ quang phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực Q (Chiều dài hồ quang ) , vật liệu làm điện cực và các thông số của môi trường mà hồ quang cháy trong đó . 5.2.2.Điều kiện cháy ổn định và dập tắt hồ quang: Khảo sát phương trình cân bằng điện áp ở hình vẽ 4 -3b với chiều dài hồ quang không đổi: di U = i.R + L. + u dt hq Trên đồ thị ta xây dựng đặc tính tĩnh Von – Ampe hồ quang và đường thẳng: u = U – i.R . Đối với dòng điện i, tại các điểm A, B di đại lượng L. =0 tại các điểm này có dt trạng thái dừng . Đối với dòng điện i2 đoạn U – i.R > Uhq do đó ở điểm này di L. >0 như vậy dòng điện trên điện dt di cảm phát sinh điện áp dương L. làm dt di tăng dòng điện cho đến khi L. =0 tức dt là rơi vào điểm B . Nếu vì một lý do nào đó dòng i2 tăng lên thì sẽ phát sinh điện
di áp L. i1 thì sẽ phát sinh điện áp L. > 0 và dòng điện quay trở lại giá trị ở điểm B. dt Như vậy điểm A là điểm cân bằng không ổn định, ra khỏi nó dòng điện trong mạch hoặc sẽ bằng i2 hoặc sẽ bằng 0 hồ quang bị dập tắt. Trong các khí cụ điện , người ta sử dụng các biện pháp sao cho hồ quang bị dập tắt trong thời gian ngắn nhất . Rõ ràng là để dập tắt hồ quang ở mọi giá trị dòng điện, di điện áp L. phải âm . Để thực hiện được điều này cần phải sao cho uhq > U – dt i.R . Điều này có thể thực hiện được bằng cách nâng đặc tính Von – Ampe lên hoặc tìm cách tăng điện trở của mạch . Đặc tính Von – Ampe có thể nâng lên được vì tăng chiều dài hồ quang, tăng cường làm lạnh, nâng cao áp lực môi trường trong đó hồ quang đang cháy . 5.2.3. Quá điện áp trong khi ngắt hồ quang điện một chiều : Điện áp trên các tiếp điểm tại thời điểm 0 của dòng điện gọi là điện áp dập hồ quang . Khi i = 0 phương trình cân bằng điện áp có dạng: di U = L. + u dt hq di u = U − L. hq dt di Nhưng vì L. <0 nên có thể viết: dt di uhq = U + L. dt i=0 Như vậy tại thời điểm dập hồ quang điện áp trên các tiếp điểm bằng điện áp nguồn cộng với môdul của điện áp trên điện cảm . Sự tăng điện áp trên các tiếp điểm tại thời điểm ngắt so với điện áp nguồn cung cấp gọi là sự quá điện áp . Điện cảm càng lớn, tốc độ ngắt càng lớn thì quá điện áp càng lớn . Cần lưu ý rằng với một mạch điện cho trước hệ số điện cảm càng lớn thì tốc độ suy giảm dòng điện càng nhỏ . Hệ số quá điện áp được định nghĩa: di L. u dt k = hq = 1+ i=0 U U Điện áp phát sinh trên các tiếp điểm có thể vượt quá điện áp nguồn hàng chục lần . Khi đó cách điện của bản thân khí cụ và mạch điện bị ngắt lâm vào tình trạng quá tải nguy hiểm .
Để tránh hiện tượng này người ta sử dụng các biện pháp sau đây : - Mắc một điện trở song song với tải . - Mắc song song với tải một tụ điện và một điện trở . - Mắc một điốt song song với tải . 5.3. Hồ quang điện xoay chiều . 5.3.1.Đặc điểm của hồ quang điện xoay chiều: Ở hồ quang điện xoay chiều, dòng điện và điện áp biến thiên tuần hoàn theo chu kỳ của lưới điện . Vì hồ quang là điện trở phi tuyến nên dòng điện và điện áp của hồ quang trùng pha nhau . Đặc tính Von – Ampe của hồ quang điện xoay chiều được trình bày trên hình 4-5b . Trong 1/4 chu kỳ đầu, điện áp hồ quang tăng nhanh đến trị số cháy (Theo điện áp nguồn) Khi hồ quang cháy, điện áp giảm dần . Dòng điện tăng từ 0 đến điểm cháy và khi t = T/4 , dòng điện đạt trị số cực đại và điện áp trên hồ quang gần như không đổi . Ở 1/4 chu kỳ sau, dòng điện giảm dần, đến thời điểm tắt, điện áp hồ quang tăng sau đó về 0 và dòng điện cũng về 0 . Nếu hồ quang cháy ổn định thì quá trình lặp lại ở nửa chu kỳ sau . Tại thời điểm dòng điện đi qua 0, hồ quang không được cấp năng lượng nên quá trình khử ion xảy ra ở vùng điện cực rất mạnh và nếu điện áp đặt lên hai điện cực bé hơn trị số điện áp cháy thì hồ quang sẽ tắt hẳn . Cần chú ý rằng dòng điện đi qua giá trị 0 nó không còn biến thiên theo quy luật hình sin liên tục nữa, vì lúc này quá trình khử ion xảy ra rất mạnh nên điện trở hồ quang lớn có thể coi như dòng điện bằng 0 . Khoảng thời gian này phụ thuộc vào đặc tính tải , dòng điện hồ quang và gọi là thời gian không dòng điện hồ quang.
. 5.3.2. Quá trình phục hồi độ bền điện và phục hồi điện áp: Khi cắt mạch điện hai tiếp điểm tách rời nhau và giữa chúng phát sinh hồ quang . Khi dòng điện đi qua giá trị 0 , ở khu vực hồ quang đồng thời xảy ra hai quá trình: quá trình phục hồi độ bền điện và quá trình phục hồi điện áp . Quá trình phục hồi độ bền điện được đặc trưng bởi quá trình khử ion mãnh liệt khi dòng điện đi qua 0 làm khu vực hồ quang mất tính dẫn điện . Đại lượng đặc trưng cho độ cách điện giữa hai điện cực là điện áp chọc thủng Uct . Với i = 0 ta có Uct0 và nó có trị số vào khoảng 150v đến 250v ở môi trường không khí và hồ quang cháy tự nhiên . Với thời gian tăng Uct tăng tuyến tính, phụ thuộc vào môi trường cháy của hồ quang và trang bị dập hồ quang . Quá trình phục hồi điện áp là quá trình thành lập điện áp trên hai cực kể từ khi hồ quang tắt cho tới khi điện áp đạt trị số điện áp nguồn . Quá trình này diễn ra phức tạp và phụ thuộc vào đặc tính của mạch điện cắt . Sau thời điểm dòng điện bằng 0 nếu trị số điện phục hồi thấp hơn trị số điện áp chọc thủng thì hồ quang sẽ tắt hẳn 5.4. Các biện pháp và trang bị dập hồ quang . Để tăng quá trình khử ion người ta thường dùng các biện pháp dập hồ quang như : Kéo dài hồ quang, phân đoạn hồ quang, thổi hồ quang bằng từ, cho hồ quang tiếp xúc với bề mặt khử ion, thổi hồ quang và làm nguội hồ quang bằng dầu biến áp, thổi hồ quang bằng khí nén, cho hồ quang cháy trong môi trường đặc biệt, nối điện trở sun cho hồ quang 5.4.1. Kéo dài hồ quang bằng cơ khí: Khi hồ quang bị kéo dài, thân hồ quang bị nhỏ lại và dài ra, tăng bề mặt tiếp xúc với môi trường, vì vậy hồ quang bị tỏa nhiệt và khuyếch tán nhanh, làm tăng quá trình khử ion . Muốn kéo dài hồ quang bằng cơ khí phải tăng khoảng cách giữa các tiếp điểm . Biện pháp này chỉ áp dụng ch các thíêt bị đóng cắt có dòng điện bé và điện áp thấp . Với các thiết bị đóng cắt có dòng điện lớn hơn chiều dài tự do của hồ quang khá lớn nên không thể tăng khoảng cách vì sẽ làm tăng kích thước của thiết bị .Với các thiết bị đóng cắt cao áp , dòng điện nhỏ có thể sử dụng phương pháp này. 5.4.2.Phân đoạn hồ quang: Phân đoạn hồ quang tức là chia hồ quang thành từng đoạn nhỏ . Dòng điện xoay chiều trên mỗi phân đoạn có điện áp chọc thủng cỡ 150V đến 250V do vậy ở các
công tắc tơ có điện áp đến 500V có thể phân làm 2 đoạn ở một pha với các tiếp điểm dạng cầu . Đối với dòng điện một chiều thì chiều dài tổng khi phân đoạn sẽ lớn hơn hơn nhiều so với khi không phân đoạn do tác dụng của lực điện động, cho nên hồ quang dễ bị dập tắt hơn . Dập hồ quang bằng phương pháp phân đoạn được sử dụng rộng rãi ở các thiết bị hạ áp . 5.4.3. Thổi hồ quang bằng từ: Nguyên lý này được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị đóng cắt hạ áp với mọi cỡ dòng điện . Với dòng điện một chiều hồ quang khó bị dập tắt hơn nên người ta còn dùng cuộn thổi từ nối nối tiếp với dòng điện hồ quang . Khi dòng điện cắt càng lớn lực thổi hồ quang càng mạnh . Người ta còn có thể kéo dài hồ quang bằng cách thổi hồ quang qua các buồng dập hồ quang có dạng quanh co díc dắc . 5.4.4. Dập tắt hồ quang điện trong dầu biến áp: Ở các thiết bị đóng cắt điện áp cao và dòng điện lớn , môi trường cháy của hồ quang là dầu biến áp. Dầu biến áp có độ bền điện cao, độ dẫn nhiệt tốt . Khi hồ quang cháy trong dầu dưới tác dụng của nhiệt lượng hồ quang dầu ở khu vực cháy bị phân tích thành các chất khí, hơi có độ bền điện khá cao nên hồ quang dễ bị dập tắt hơn . Người ta còn lợi dụng áp suất cao của hỗn hợp khí hơi để thổi bay hồ quang .Tuỳ thuộc vào hướng thổi, cách thổi ta có thổi dọc hay ngang, tự thổi hoặc tự sinh khí . 5.4.5. Thổi hồ quang bằng khí nén: Đây là phương pháp thổi cưỡng bức , không khí sạch và khô được nén với áp suất cao có độ bền điện lớn . Khi hồ quang xuất hiện người ta dùng khí này để dập tắt nó . Có thể thổi theo nguyên lý thổi dọc, thổi ngang hoặc thổi hỗn hợp . 5.4.6. Dập hồ quang trong môi trường đặc biệt: Hồ quang có thể được dập tắt trong các chất khí đặc biệt hoặc trong chân không . Phương pháp này thường sử dụng với các thiết bị đóng cắt có điện áp cao . 5.4.7. Nối điện trở song song với hồ quang: Đây là biện pháp được sử dụng nhiều với các thiết bị đóng cắt cao áp , có chỗ cắt trong một pha từ hai chỗ trở lên . Chương 6: TIẾP XÚC ĐIỆN. 6.1. Đại cương. 6.1.1.Khái niệm: Tiếp xúc điện là nơi gặp gỡ chung của hai hay nhiều vật dẫn để cho dòng điện đi qua từ vật dẫn này sang vật dẫn khác . Bề mặt tiếp xúc cho dòng điện đi qua gọi là bề mặt tiếp xúc điện . Dựa vào mối liên kết tiếp xúc người ta chia tiếp xúc điện ra làm ba dạng: Tiếp xúc cố định, tiếp xúc đóng mở và tiếp xúc trượt. Dựa vào hình dạng chỗ tiếp xúc người ta chia tiếp xúc thành ba loại: Tiếp xúc điểm, tiếp xúc đường và tiếp xúc mặt .
6.1.2.Điện trở tiếp xúc : Khi hai vật dẫn tiếp xúc với nhau , thực tế chỉ có một số điểm tiếp xúc . Tại những điểm tiếp xúc này mật độ dòng điện tăng cao tổn hao năng lượng lớn nên sụt áp và nhiệt độ tại điểm tiếp xúc cao. Nếu có lực ép lên tiếp điểm lớn , các điểm tiếp xúc này sẽ biến dạng dẻo và tạo ra các điểm tiếp xúc mới . Vì diện tích tiếp xúc thực tế bị thu nhỏ lại nên đường đi của dòng điện bị cong và dài ra do vậy làm cho điện trở tăng lên . Vậy điện trở tiếp xúc là điện trở do hiện tượng đường đi của dòng điện bị kéo dài tại chỗ tiếp xúc tạo nên. Điện trở tiếp xúc được xác định bằng biểu thức kinh nghiệm : K R = tx F m trong đó : K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu làm tiếp điểm và trạng thái bề mặt của nó . m là hệ số phụ thuộc vào kiểu tiếp xúc . F là lực ép lên tiếp điểm . R là điện trở tiếp xúc . Các yếu tố ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc gồm : độ cứng của vật liệu , điện trở suất của vật liệu , tình trạng bề mặt tiếp xúc , dạng bề mặt , lực ép lên tiếp điểm và nhiệt độ của tiếp điểm . Nếu vật liệu làm tiếp điểm mềm thì dù lực ép lên tiếp điểm nhỏ điện trở tiếp xúc cũng nhỏ .Vì vậy ở các tiếp xúc cố định có dòng điện lớn người ta thường phủ lên bề mặt tiếp xúc một lớp vật liệu mềm trước khi cố định chúng bằng bulông , xà ép . Điện trở tiếp xúc giảm nếu lực ép lên tiếp điểm tăng vì diện tích tiếp xúc tăng . Quan hệ giữa điện trở tiếp xúc và lực ép lên tiếp điểm như trong hình 5-4 . Điện trở tiếp xúc phụ thuộc vào dạng tiếp xúc ; Khi lực ép lên tiếp điểm nhỏ tiếp xúc điểm có điện trở tiếp xúc bé hơn , còn khi lực ép lớn thì ngược lại , tiếp xúc mặt có điện trở tiếp xúc nhỏ nhất rồi đến tiếp xúc đường và cuối cùng mới đến tiếp xúc điểm . Vì vậy tiếp xúc điểm chỉ dùng cho những tiếp điểm có dòng điện bé . Nhiệt độ tiếp điểm cũng có ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc . Khi nhiệt độ tiếp điểm tăng điện trở tiếp xúc cũng tăng theo quan hệ : 2 R = R .(1+ α .θ ). tx tx0 3 T tx o trong đó : Rtx0 là điện trở tiếp xúc ở 0 C ; αT là hệ số nhiệt điện trở của vật liệu . Lớp ôxýt cũng có ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc , lớp ôxýt làm điện trở tăng cao . Khi nhiệt độ tăng tiếp điểm càng dễ bị ôxy hóa nên càng làm tăng điện trở tiếp xúc .Độ bẩn , độ ẩm của môi trường xung quanh cũng làm điện trở tiếp xúc
tăng . Để tránh hiện tượng trên người ta thường sử dụng các biện pháp như : Phủ các lớp đặc biệt để chống tác động của môi trường , nâng cấp bảo vệ của các thiết bị đóng cắt 6.2.Tiếp điểm khí cụ điện 6.2.1.Vật liệu làm tiếp điểm : Các yêu cầu chính đối với vật liệu làm tiếp điểm là : Dẫn điện , dẫn nhiệt tốt , ít bị tác động của môi trường như ôxy hoá , ăn mòn điện hoá , điện trở tiếp xúc bé , ít bị mòn về cơ và điện , chịu được nhiệt độ cao , trị số dòng điện , điện áp tạo hồ quang lớn , dễ gia công , giá thành hạ . - Đồng là kim loại màu được dùng nhiều nhất trong các thiết bị điện . Ưu điểm chính của đồng là dẫn điện tốt , dẫn nhiệt tốt , tương đối cứng , có trị số dòng điện , điện áp tạo hồ quang trung bình , dễ gia công , giá thành hạ . Nhược điểm của đồng là nhiệt độ nóng chảy thấp , dẽ bị tác động của môi trường ,nên bề mặt có một lớp ôxýt đồng có điện trở suất cao . Để giảm điện trở tiếp xúc , trong trường hợp tiếp điểm bằng đồng cần lực ép lên tiếp điểm lớn . Vì đồng ít có khả năng chịu hồ quang nên không dùng để chế tạo các loại tiếp điểm thường xuyên đóng cắt với dòng điện lớn . - Bạc có các ưu điểm chính là dẫn điện , dẫn nhiệt rất tốt , khó bị tác động của môi trường. Lớp ôxýt bạc mỏng , dễ bị phá vỡ vì có độ bền cơ khí kém . Điện trở tiếp xúc của bạc bé , ổn định nên không cần lực ép lên tiếp điểm lớn . Nhược điểm của bạc là chịu hồ quang , va đập kém do vậy nó không dùng để làm tiếp điểm thường xuyên đóng cắt với dòng điện lớn . Các tiếp điểm hồ quang bé và các tiếp điểm không chịu hồ quang ở các thiết bị dóng cắt có dòng điện lớn thường được chế tạo bằng bạc . - Vonfram là kim loại có nhiệt độ nóng chảy khá cao nên chịu được hồ quang . Kim loại này khó hàn , ít bị ôxy hoá , có độ cứng cao , ít mòn nhưng điện trở suất cao . Vì vậy thường dùng làm tiếp điểm hồ quang ở các thiết bị đóng cắt có công suất lớn . - Kim loại gốm : các kim loại nguyên chất không đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu của tiếp điểm . Người ta chế tạo các kim loại gốm từ các bột kim loại thành phần , gia công theo phương pháp đặc biệt .Tuỳ thuộc vào yêu cầu của tiếp điểm mà thành phần vật liệu được pha trộn theo tỷ lệ thích hợp . 6.2.2. Kết cấu của tiếp điểm : Tùy theo chức năng , yêu cầu của thiết bị đóng cắt và công suất ( dòng điện , điện áp ) mà tiếp điểm phải chịu , người ta sử dụng những kết cấu thích hợp của tiếp điểm . a.Tiếp điểm kiểu côngson : ( Hình 5-7 ) thường dùng cho dòng điện bé ( đến 5A) tải nhẹ dạng tiếp xúc điểm không có lò xo tiếp điểm mà lợi dụng tính đàn hồi của thanh dẫn động để tạo lực ép lên tiếp điểm .
b)Tiếp điểm kiểu bắc cầu ( hình 5-8) : Với đặc điểm một pha có hai chỗ ngắt nên hồ quang bị phân đoạn , tiếp điểm chuyển động thẳng , lò xo ép tiếp điểm dạng xoắn , hình trụ làm việc ở chế độ nén . Kết cấu này thường dùng trong các công tắc tơ , khởi động từ có dòng điện định mức từ vài chục đến vài trăm ampe. c) Tiếp điểm hình ngón ( Hình 5-9): Với tiếp điểm kiểu này một pha có một chỗ ngắt nên phần động chuyển động quay , sử dụng dây dẫn mềm để nối với tiếp điểm động . Loại kết cấu này thường sử dụng trong các máy cắt hạ áp , thiết bị đóng cắt có chế độ làm việc nặng nề . d) Tiếp điểm kiểu dao ( hình 5-11) : Kết cấu này thường dùng cho cầu dao với dòng điện thấp ( Vài chục ampe) . Lực ép lên tiếp điểm nhờ lực đàn hồi của đồng lá tiếp điểm tĩnh . Với tiếp điểm có dòng điện lớn người ta dùng tấm thép lo xo dạng phẳng để tạo lực ép tốt hơn. e) Tiếp điểm kiểu nêm( hình 5-12) : Với kết cấu kiểu này cho phép dòng định mức lớn đi qua , nhưng dập hồ quang không có lợi , vì dễ làm hỏng bề mặt tiếp xúc. Loại này thường dùng ở dao cách ly điện áp cao . g) Tiếp điểm kiểu đối ( hình 5-13): Tiếp điểm động có dạng hình trụ đặc phần đầu có dạng hình cầu bằng kim loại chịu hồ quang .
6.2.3.Nguyên nhân hư hỏng tiếp điểm và biện pháp khắc phục : Xung quanh điểm tiếp xúc có nhiều hốc nhỏ ly ty , hơi nước đọng lại các chất có hoạt tính hóa học lớn thấm vào gây nên các phản ứng hóa học tạo nên lớp màng mỏng giòn dễ vỡ khi va đập , do vậy bề mặt tiếp xúc bị mòn dần đó là hiện tượng ăn mòn kim loại . Điện trở suất của lớp màng mỏng rất lớn so với điện trở suất của kim loại làm vật dẫn , do đó điện trở tiếp xúc tăng khi hình thành màng mỏng . Sự ô xy hóa làm điện trở tiếp xúc tăng lên , đặc biệt ở nhiệt độ > 70oC , khi đốt nóng và làm nguội liện tục làm tăng tốc độ ô xy hóa . Ngoài ra với mỗi kim loại có một điện thế hóa học nhất định , khi hai kim loại tiếp xúc với nhau sẽ có hiệu điện thế giữa chúng và tọa điều kiện thuận lợi cho sự ô xy hóa . Hơn nữa nếu hơi nước đọng trên bề mặt có chất điện phân thì do có hiệu điện thế nên sẽ có dòng điện chạy qua giữa chúng , kim loại có độ hòa tan lớn sẽ bị ăn mòn trước . Để giảm bớt điện trở tiếp xúc thường tiến hành mạ điện . Lớp kim loại bao phủ có tác dụng bảo vệ kim loại chính .Đồng thời để bảo vệ tốt bề mặt kim loại , kim loại mạ cần có điện thế hóa học càng gần với kim làm tiếp điểm càng tốt , tăng lực ép lên tiếp điểm và giảm bớt khe hở không khí sẽ làm giảm bớt độ ăn mòn . 6.2.4.Sự làm việc của kim loại khi ngắn mạch : Khi quá tải , đặc biệt là khi ngắn mạch nhiệt độ chỗ tiếp xúc của tiếp điểm lên rất cao làm giảm tính đàn hồi và cường độ cơ khí của tiếp điểm . Nhiệt độ cho phép khi ngắn mạch đối với đồng thau là 200oC đến 300oC còn của nhôm là 150oC đến 200oC . Ta phân biệt ba trường hợp sau : - Tiếp điểm đang ở trạng thái đóng thì xảy ra ngắn mạch : Tiếp điểm sẽ bị nóng chảy và bị hàn dính . Kinh nghiệm cho thấy nếu lực ép lên tiếp điểm càng lớn thì trị số dòng điện để làm cho tiếp điểm nóng chảy và bị hàn dính càng lớn . Do đó tiếp điểm cần có lực ép lớn . - Tiếp điểm đang trong quá trình đóng thì xảy ra ngắn mạch : Lúc đó sẽ phát sinh llực điện động làm tách rời tiếp điểm ra xa nhưng do chấn động cũng dễ sinh hiện tượng bị hàn dính . - Tiếp điểm đang trong quá trình mở thì bị ngắn mạch : Trường hợp này sẽ phát sinh hồ quang làm nóng chảy và mài mòn tiếp điểm . Phần II: KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP VÀ CAO ÁP . Chương 7: KHÍ CỤ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY. 7.1.Cầu dao . 7.1.1.Khái quát và công dụng: Cầu dao là khí cụ điện đóng ngắt bằng tay đơn giản, dùng để đóng ngắt các mạch điện có điện áp nguồn cung cấp đến 220V – DC và 380V- AC Cầu dao thường sử dụng để đóng cắt các mạch điện công suất nhỏ và khi làm việc không yêu cầu thao tác đóng cắt nhiều .Với mạch điện có công suất trung bình và lớn cầu dao được dùng để đóng cắt không tải.
Riêng cầu dao phụ tải có thể đóng cắt dòng điện định mức, kể cả khi quá tải nhỏ . Loại này có thể chịu được dòng ngắn mạch nhưng không có khả năng cắt ngắn mạch . Một cầu dao đơn giản có cấu tạo như hình vẽ 1.Đếcáchđiện . 2.Tiếpxúctĩnh . 3.Lưỡidaochính . 4.Lưỡidaophụ. 5.Lòxobậtnhanh . 6.Tay nắm . Các tiếp điểm của cầu dao thường làm bằng đồng đỏ . Khi đóng, thân dao chém vào má dao, nhờ lực đàn hồi của má dao ép vào thân dao nên điện trở tiếp xúc bé .Tiếp xúc tĩnh của cầu dao có dạng kẹp . Với dòng điện lớn , để giảm điện trở tiếp xúc tiếp diểm tĩnh còn có thêm lò xo tiếp điểm . Trong quá trình ngắt, hồ quang xuất hiện giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh , nó được dập tắt nhờ sự kéo dài hồ quang bằng cơ khí và l.đ.đ hướng kính tác động lên hồ quang . Lực điện động tác dụng lên hồ quang được tính theo công thức: I 2 dL F = 4πl dl trong đó I là dòng điện ngắt; l là chiều dài hồ quang; L điện cảm của mạch điện . Vì dL /dl thay đổi rất ít nên l.đ.đ lớn khi dòng điện ngắt lớn và chiều dài thân dao bé . Để tăng khả năng ngắt của cầu dao, ở một vài loại người ta có lắp thêm dao phụ và buồng dập hồ quang . Khi đóng dao phụ tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh trước, khi ngắt dao phụ ngắt sau .Bằng cách này hồ quang không xuất hiện trên lưỡi dao chính, bảo vệ được lưỡi dao chính . 7.1.2. Phân loại: Có thể phân loại cầu dao theo các cách khác nhau: - Theo số cực có loại 1cực, 2 cực, 3cực. - Theo điện áp định mức: 250V,500V. - Theo dòng điện định mức có loại: 15A, 25A, 30A, 1000A. - Theo vật liệu cách điện có: Đế sứ, đế đá , đê nhựa bakêlít . - Theo điều kiện bảo vệ: loại có hộp loại không có hộp. - Theo yêu cầu sử dụng có loại: có cầu chì, loại không có cầu chì . 7.1.3.Một số thông số kỹ thuật: - Loại cầu dao . - Dòng điện định mức . - Dòng điện giới hạn khi cắt . - Tần số dòng điện .
- Điện áp định mức. (Ví dụ chi tiết bảng 10.10V; 10.11;10.12 TL2). 7.2.Công tắc . 7.2.1. Khái quát và công dụng: Công tắc là một loại khí cụ đóng cắt bằng tay kiểu hộp, dùng để đóng cắt mạch điện có công suất bé, có điện áp một chiều đến 440V và điện áp xoay chiều đến 500V . Công tắc hộp thường dùng để cấp nguồn cho các máy công cụ, đóng mở trực tiếp các động cơ điện có công suất bé, hoặc dùng để đổi nối Y /∇. 7.2.2.Phân loại và cấu tạo: *)Phân loại: - Theo hình dạng bên ngoài người ta chia ra: Loại hở, loại bảo vệ, loại kín . - Theo công dụng người ta chia ra: Công tắc đóng ngắt trực tiếp, công tắc chuyển mạch (công tắc vạn năng c) , công tắc hành trình . *)Cấu tạo: a) Công tắc đổi nối kiểu hộp: (Hình 9-6). Phần chính là tiếp điểm tĩnh 3 gắn trên các vành nhựa bakêlít cách điện 2 có hai đầu vặn vít thò ra khỏi hộp . Các tiếp điểm động 4 gắn trên cùng trục và cách điện với trụcC, nằm ở các mặt phẳng khác nhau tương ứng với vành 2.Khi quay trục đến vị trí thích hợp sẽ có một số tiếp điểm động đến tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh, còn một số khác sẽ rời khỏi tiếp điểm tĩnh . Chuyển dịch tiếp điểm động nhờ cơ cấu cơ khí có núm vặn 5. Ngoài ra còn có lò xo phản kháng đặt trong vỏ để tạo nên sức bật nhanh làm cho hồ quang được dập tắt nhanh chóng . b) Công tắc vạn năng : (Hình 9-7;9-8). Gồm các đoạn riêng rẽ cách điện với nhau và lắp trên cùng một trục có tiết diện vuông . Các tiếp điểm 1và 2 sẽ đóng và mở nhờ xoay vành cách điện 3 lồng trên trục 4 khi ta vặn công tắc .Tay gạt công tắc có một số vị trí chuyển đổi trong đó các tiếp điểm sẽ đóng hoặc ngắt theo yêu cầu .
c) Công tắc hành trình : (Hình 9-9;9-10;9-11). Công tắc hành trình và công tắc điểm cuối dùng để đóng cắt chuyển đổi mạch điện điều khiển trong truyền động điện tự động theo tín hiệu hành trình ở các cơ cấu chuyển động cơ khí nhằm tự động điều khiển hành trình làm việc hay tự động ngắt điện ở cuối hành trình để đảm bảo an toàn.Tùy theo cấu tạo công tắc hành trình và công tắc điểm cuối có thể chia thành: Kiểu ấn, kiểu đòn, kiểu trụ và kiểu quay . + Công tắc hành trình kiểu nút ấn: Hình 9-9 là sơ đồ cấu tạo của công tắc hành trình BK -111 . Công tắc gồm đế cách điện 1 trên đó có lắp các cặp tiếp điểm (Tiếp điểm động 4 và tiếp điểm tĩnh 2T). Công tắc này thường lắp ở cuối hành trình .Khi cơ cấu điều khiển tác động lên nút 6 trục 3 sẽ đi xuống mở cặp tiếp điểm trên và đóng cặp tiếp điểm dưới . sau khi cơ cấu điều khiển nhả ra lò xo 5sẽ đẩy trục 3 và các tiếp điể sẽ trở lại vị trí ban đầu . +Công tắc hành trình kiểu tế vi: Hình 9-10. Khi cần chuyển đổi trạng thái với độ chính xác cao (0,3 – 0,7mm) người ta dùng công tắc hành trình kiểu tế vi. Công tắc này có một tiếp điểm thường đóng và một tiếp điểm thường mở. Các tiếp điểm lắp trên dế nhựa 5, tiếp điểm động 3 Gắn trên đầu tự do của lò xo lá 4 . Khi ấn lên nút 6 lò xo lá 4 bị biến dạng Sau khi ấn nút 6 tụt xuống mmột khoảng xác định lò xo lá 4 sẽ bật nhanh xuống dưới làm cho tiếp điểm trên mở ra và tiếp điểm dưới đóng lại .Khi thôi ấn nút 6 công tắc tự động trở về trạng thái ban đầu . + Công tắc hành trình kiểu đòn: Hình 9-11. Khi cần có động tác chuyển đổi chắc chắn trong điều kiện hành trình dài, người ta sử dụng công tắc hành trình kiểu đòn .Then khoá 6 có tác dụng giữ chặt tiếp điểm ở vị trí đóng . Khi cơ cấu công tác tác dụng lên con lăn 1, đòn 2 sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ, con lăn 12 nhờ lò xo 14 sẽ làm cho đĩa 11 quay đi, cặp tiếp điểm 7-8 mở ra cặp 9-10 đóng lại .Lò xo 5 sẽ kéo
đòn 2 về vị trí ban đầu khi không có lựctác động lên 1 nữa . 7.2.3. Các thông số kỹ thuật: - Kiểu công tắc . - Dòng điện định mức: Ở điện áp một chiều; ở điện áp xoay chiều . - Khả năng đóng cắt . - Tần số. 7.3. Nút ấn 7.3.1.Khái quát và công dụng: Nút ấn còn gọi là nút điều khiển, là loại khí cụ dùng để đóng cắt từ xa các thiết bị điện từ khác nhau, các dụng cụ báo hiệu và để chuyển đổi các mạch điện điều khiển, tín hiệu, liên động, bảo vệ . 7.3.2.Phân loại và cấu tạo: - Theo hình dáng bên ngoài người ta chia ra làm 4 loại: Loại hở, loại bảo vệ, loại chống nước chống bụi, loại bảo vệ chống nổ . -Theo yêu cầu điều khiển người ta chia ra loại một nút, loại hai nút, loại ba nút . - Theo kết cấu bên trong người ta chia ra loại có đèn và loại không có đèn Hình vẽ 9-12, mô tả một nút ấn có tiếp điểm thường đóng 3 và tiếp điểm thường mở 5, tiếp điểm động kiểu cầu 4 . Tiếp điểm được chế tạo bằng đồng hay bạc . Khi ta ấn lên nút 1, thông qua trục 7 sẽ mở tiếp điểm thường đóng và đóng tiếp điểm thường mở .Khi thôi không ấn nữa thì phần động sẽ trở lại trạng thái ban đầu dưới tác dụng của lò xo nhả 2 . 7.3.3.Các thông số kỹ thuật: - Điện áp định mức . - Dòng điện định mức . - Tần số của lưới. - Khả năng đóng cắt . 7.4. Bộ khống chế . 7.4.1.Khái quát và công dụng: Bộ khống chế là khí cụ dùng để chuyển đổi mạch điện bằng tay gạt hay vô lăng quay, điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp từ xa, thực hiện các chuyển đổi phức tạp để điều khiển, khởi động, đảo chiều quay , điều chỉnh tốc độ .v.v các máy điện, thiết bị điện . 7.4.2.Phân loại và cấu tạo: Tuỳ theo cấu tạo bộ khống chế có thể chia thành: - Bộ khống chế phẳng . - Bộ khống chế hình trống . - Bộ khống chế hình cam . a) Bộ khống chế phẳng :
Bộ khống chế phẳng có nhiều cấp tiếp xúc, khả năng tải nhỏ . Loại này được dùng ở nơi cần nhiều cấp tiếp xúc để điều chỉnh kích từ, khởi động và điều chỉnh tốc độ động cơ . Bộ khống chế phẳng có thể điều khiển bằng tay hoặc động cơ b)Bộ khống chế hình trống : Trên hình vẽ là bộ khống chế hình trống; Trên trục quay 1 đã bọc cách điện, người ta bắt chặt các đoạn vành trượt bằng đồng 2 có cung dài làm việc khác nhau . Các doạn này được dùng làm vành tiếp điểm động sắp xếp ở các góc độ khác nhau . Một vài đoạn vành được nối điện với nhau từ bên trong . Các tiếp điểm tĩnh 3 có lò xo đàn hồi, kẹp chặt trên một cán cố định đã bọc cách điện, mỗi tiếp điểm tương ứng với một đoạn vành trượt ở bộ phận quay . Các tiếp điểm được cách điện với nhau và được nối với mạch ngoài . Khi quay trục 1 các đoạn vành trượt 2 tiếp xúc (Hình 9-14). với các tiếp điểm tĩnh 3 và do đó thực hiện đóng mạch hoặc ngắt mạch . c) Bộ khống chế hình cam : Hình vẽ 9-15 , mô tả bộ khống chế hình cam ; Các tiếp điểm của bộ khống chế này làm theo kiểu tiếp xúc đường . Tiếp điểm động 1 có thể quay quanh điểm tựa O đặt trên thanh tiếp điểm 2 . Tiếp điểm này được nối với đầu dây dẫn mềm 4 . Lò xo 5 tạo ra lực ép lên tiếp điểm . Khi cam 7 đi lên con lăn số 8 thì các tiếp điểm sẽ tách ra.Thời điểm đóng ngắt của các tiếp điểm do hình dáng đường bao của cam quyết định . Chương 8: CẦU CHÌ, ÁPTÔMÁT, CÔNGTẮCTƠ, KHỞI ĐỘNG TỪ 8.1.Cầu chì . 8.1.1. Khái quát và công dụng:
Cầu chì là một khí cụ điện dùng để bảo vệ mạch điện khỏi bị ngắn mạch, cầu chì sẽ tự động cắt mạch khi có sự cố quá tải (lớn) hoặc ngắn mạch . Các phần tử cơ bản của cầu chì là dây chảy và thiết bị dập hồ quang để dập tắt hồ quang sau khi dây chảy bị cháy đứt . Yêu cầu đối với cầu chì như sau: 1-Đặc tính Ampe -giây của cầu chì phải thấp hơn đặc tính ampe -giây của đối tượng cần được bảo vệ. 2-Khi có ngắn mạch cầu chì phải làm việc có chọn lọc . 3-Đặc tính làm việc của cầu chì phải ổn định . 4-Công suất của thiết bị càng tăng, cầu chì càng phải có khả năng cắt cao hơn . 5-Việc thay thế dây chảy phải dễ dàng, tốn ít thời gian. 8.1.2.Nguyên lý làm việc: Đặc tính cơ bản của cầu chì là sự phụ thuộc của thời gian chảy đứt của dây t chảy với dòng điện chạy qua (Đặc tính Ampe -giây). Để có tác dụng bảo vệ, dường đặc tính ampe -giây của cầu chì (đường 1-hình) tại mọi điểm đều phải thấp hơn đường đặc tính của thiết bị cần được bảo vệ (đường 2-hình). Đường đặc tính thực tế của cầu chì (đường 3-hình) cắt đường cong 2. Trong miền quá tải lớn (Vùng B ) cầu chì bảo vệ được thiết bị, trong vùng quá I tải nhỏ cầu chì không bảo vệ được thiết bị . Trong thực tế khi quá tải không lớn (1,5 – 2) Iđm, sự phát nóng của cầu chì diễn ra rất chậm và phần lớn nhiệt lượng đều toả ra môi trường xung quanh.Do đó cầu chì không bảo vệ được quá tải nhỏ. Trị số dòng điện mà tại đó dây chảy bắt đầu bị chảy đứt gọi là dòng điện tới hạn Ith . Để dây chảy không bị chảy đứt ở dòng điện định mức cần thoả mãn điều kiện I đm < Ith . Mặt khác để bảo vệ được thiết bị , dòng điện tới hạn phải không lớn hơn dòng định mức nhiều . Theo kinh nghiệm: Ith / Iđm .= 1, 6 – 2 đối với đồng. Ith / Iđm .= 1,25 – 1, 45 đối với chì. Ith / Iđm .= 1, 15 đối với hợp kim chì thiếc. Dòng điện định mức của cầu chì được chọn sao cho khi chạy liên tục qua dây chảy, chỗ phát nóng lớn nhất của dây chảy không làm cho kim loại bị oxy hoá quá mức và biến đổi đặc tính bảo vệ, đồng thời nhiệt lượng phát ra ở bộ phận bên ngoài cầu chì cũng không vượt quá trị số ổn định. Ở dòng điện gần dòng điện giới hạn, các phần tử của cầu chì làm việc ở chế độ nhiệt nặng nề nhất (Nhiệt độ gần
nhiệt độ nóng chảy của vật liệu). Để tránh cho các phần tử của cầu chì bị đốt nóng quá mức khi dòng điện gần bằng dòng điện tới hạn người ta dùng hai biện pháp: + Dùng dây chảy hình dẹt (để có bề mặt toả nhiệt lớn) có những chỗ thắt nhỏ lại; + Dùng hiệu ứng luyện kim đối với các dây chảy tròn . Trên chiều dài của dây chảy được hàn các giọt kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của dây chảy . Khi bị đốt nóng kim loại này sẽ bị nóng chảy trước hoà tan một phần dây chảy, do đó tại những điểm này nhiệt độ sẽ cao hơn, điện trở cũng lớn hơn và sẽ đứt trước . 8.1.3.Phân loại và kết cấu: Dựa vào kết cấu người ta chia cầu chì thành những loại sau: - Loại hở: Loại này không có vỏ chỉ bao gồm dây chảy, hình dạng dây chảy như sau .Các dây chảy này được bắt chặt vào đế các điện nhờ các vít . Loại vặn (Xoáy ) : Cầu chì loại vặn thường có dạng như hình vẽ .Dây chảy 1 được nối với nắp 2 ở phía trong . Nắp 2 có dạng răng vít đểvặn chặt vào đế 3. Dây chảy làm bằng đồng hoặc bạc . Loại hộp: Hộp và nắp đều làm bằng sứ cách điện được bắt chặt các tiếp điểm bằng đồng , dây chảy được bắt chặt bằng vít vào các tiếp điểm . Dây chảy làm bằng dây chì có tiết diện tròn hoặc dẹt. Loại kín không có chất nhồi: Hình vẽ là kết cấu của loại cầu chì này . Dây chảy được đặt trong một ống phíp 1, hai đầu có nắp đồng 4 có răng vít để vặn chặt kín . Dây chảy 3 được nối với các cực tiếp xúc 5 bằng các vít hoặc vòng đệm đồng 6 . Dây chảy loại cầu chì này làm bằng kẽm là vật liệu có nhiệt độ nóng chảy thấp, có khả năng chống rỉ .
Khi xảy ra ngắn mạch dây chảy sẽ đứt ở chỗ có tiết diện hẹp và phát sinh hồ quang . Dưới tác dụng của nhiệt độ cao do hồ quang sinh ra, vỏ xenlunô của ống bị đốt nóng bốc hơi, làm áp lực khí trong ống tăng lên rất lớn sẽ dập tắt hồ quang . Loại kín có chất nhồi: Loại này có đặc tính bảo vệ tốt hơn loại trên, hình dạng cấu tạo loại này như ở hình .Loại này thường là cầu chì ống sứ .Vỏ cầu chì làm bằng sứ hoặc Stealít, có dạng hình hộp rỗng để đặt dây chảy hình lá , sau đó đổ đầy cát thạch anh, dây chảy được hàn dính vào đĩa và được bắt chặt vào phiến 5 có cực tiếp xúc 6 .Các phiến 5 được bắt chặt vào ống sứ bằng vít 7. Dây chảy làm bằng đồng lá dày 0, 2mm có dập lỗ dài để tạo tiết diện hẹp . Để giảm nhiệt độ nóng chảy của đồng người ta hàn các giọt thiếc vào các đoạn hẹp. 8.1.4.Dây chảy và cách tính gần đúng dòng điện giới hạn: Dòng điện giới hạn nóng chảy được tính gần đúng nhờ công thức sau: 3 2 I gh = a.d trong đó: Igh dòng điện giới hạn nóng chảy ( A). d Đường kính dây chảy (mm) . a Hằng số của vật liệu được cho trong bảng . Vật liệu Ag Cu Al Pb Pt Zn Sn (2Pb+1Sn) a 60 80 59,2 10,8 40 12,9 12,8 10,4 8.1.5. Một số thông số kỹ thuật của cầu chì : - Cấp I dòng điện định mức của cầu chì: (Từ 36A T÷ 200A). - Cấp II dòng điện định mức của cầu chì: (Từ 30A T÷ 355A) . - Cấp III dòng điện định mức của cầu chì: (Từ 300A T÷ 600A). Dung lượng cắt của chúng từ 2000 A (hiệu dụng) đến ≤ 500.000A (hiệu dụng). 8.2. Áptô mát. 8.2.1.Khái quát và yêu cầu: Áptô mát là khí cụ điện dùng để tự động cắt mạch điện khi có sự cố: quá tải, ngắn mạch, sụt áp v.v Thường gọi là áp tômát không khí vì hồ quang được dập tắt trong không khí ( ACB) . . Ỏptômát thường được sử dụng trong các mạch điện hạ áp có điện áp định mức tới 660V xoay chiều và 330V một chiều, dòng điện định mức tới 6000A.