bài giảng khí cụ điện

Khi cuộn dây của NCĐ được cấp điện, năng lượng điện sẽđược biến đổi thành cơ năng để kéo mạch từ đóng lại, từ đó mà các tiếp điểmđược đóng lại với nhau thông mạch điện, lúc này điện tron

E 3242 E KHÍ CỤ ĐIỆN

Bài giảng

2015

Ts Nguyễn Văn Ánh Ts Nguyễn Bích Liên

anh.nguyenvan1@hust.edu.vn lien.nguyenbich@hust.edu.vn

PHẦN 1

LÝ THUYẾT CƠ SỞ

1 Khái Niệm

Nam châm điện (NCĐ) là một loại cơ cấu điện từ biến đổi điện năng thành cơ

năng NCĐ được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đời sống cũng

như trong các khí cụ điện như rơle điện từ, công tắc tơ, áp tô mát,…

Trên hình vẽ 1a) mô tả một cấu tạo hết sức đơn giản của NCĐ và thường được

sử dụng để giải thích nguyên lý hoạt động của NCĐ Dòng điện chạy trong dây

dẫn được quấn nhiều vòng quanh lõi sắt sẽ tạo ra từ trường Từ trường này

phần lớn chạy trong lõi sắt và móc vòng qua khe hở không khí ở hai đầu Để

giảm tổn hao, nó sẽ sinh ra lực điện từ hút mạt sắt ở hai đầu như hình vẽ (vì mạt

sắt là vật liệu có tính dẫn từ tốt hơn không khí rất nhiều lần)

Hình 1b) mô tả ứng dụng của NCĐ để nhấc các cuộn thép đặt lên các xe vận

chuyển trong các nhà máy sản suất thép

Nam Châm Điện

“Try not to become a man of success, but rather try to become a man of value”

Albert Einstein

Hình 1: Nam châm điện (NCĐ)

Dây dẫn dòng điện vào nam châm điện

Dây dẫn được quấn nhiều vòng quanh lõi sắt

Đối với các khí cụ điện, NCĐ thường là một trong những bộ phận chính để tạo

ra lực đóng hoặc lực cắt hệ thống tiếp điểm Lấy ví dụ một khí cụ điện thườnggặp đó là công tắc tơ như hình vẽ 2

Như được mô tả trên hình vẽ 2a), nguồn điện được cung cấp phía bên phải củathiết bị nhưng chưa được truyền sang phía bên trái, do các tiếp điểm đang ởtrạng thái cách ly Khi cuộn dây của NCĐ được cấp điện, năng lượng điện sẽđược biến đổi thành cơ năng để kéo mạch từ đóng lại, từ đó mà các tiếp điểmđược đóng lại với nhau thông mạch điện, lúc này điện trong mạch lực sẽ đượctruyền từ phải qua trái như hình vẽ 1b) Ngược lại, khi cần cắt dòng điện trongmạch lực ta chỉ cần cắt dòng điện dẫn vào cuộn dây của nam châm điện Khi

đó, không có lực hút của nam châm điện nên các tiếp điểm sẽ bị tách dời nhau

do phản lực của hệ thống lò xo có trong thiết bị

Hình 3 mô tả chi tiết về cấu tạo thực của một NCĐ trong công tắc tở của công

ty thiết bị điện ABB

Về cơ bản NCĐ gồm hai bộ phận chính là cuộn dây điện để tạo từ trường và

vòng dây quấn cách điện với nhau và cách điện với phần khác của thiết bị.Cuối mỗi đầu dây thường được hàn với ốc vít để dễ dàng nối điện với bênngoài

Cuộn dây không điện Cuộn dây có điện

a) Hình 2: Nam châm điện trong khí cụ điện

b)

Hình 3: Nam châm điện trong thiết bị đóng cắt

Đối với lõi thép (lõi sắt): kích thước, kết cấu và hình dạng thường là rất đa dạng

tùy vào chức năng và mục đích sử dụng của nó Thông thường, phần lõi thép

gồm có hai phần là phần tĩnh và phần động.Các tiếp điểm động sẽ được gắn

với phần động của mạch từ, để khi phần động đóng hay mở sẽ gây ra thay đổi

trạng thái của các tiếp điểm đó Đối với NCĐ một chiều, lõi thép được làm từ

thép khối, trong khi đó, với NCĐ xoay chiều, lõi thép được làm từ các lá thép

kỹ thuật điện mỏng sơn cách điện với nhau, rồi ghép lại với nhau nhằm mục

đích là chống tổn hao do dòng xoáy và trễ sinh ra

Các công ty như

A B B , S c h e i d e r , Siemens, cung cấp rất nhiều các thiết bị đóng cắt trong hệ thống điện!

Sự khác nhau giữa nam châm điện một chiều và nam châm điện xoay chiều?

C H J

S

2 Mạch Từ

Ở phần trước ta biết NCĐ có cấu tạo đơn giản gồm cuộn dây dẫn điện được

quấn cách điện với nhau và cách điện với lõi thép Cuộn dây có vai trò sinh ra

từ trường khi được cấp điện, còn lõi thép là vật liệu có khả năng dẫn từ tốt Mục

đích của lõi thép là dùng để định hướng đường đi của từ trường - môi trường

đóng vai trò trung gian cho việc truyền và biến đổi năng lượng điện trong các

thiết bị điện - mục đích này cũng giống như sử dụng dây dẫn điện để dẫn dòng

điện chạy vậy

Đối với các bài toán giải mạch điện, khi biết điện áp giữa hai đầu, thì ta thường

phải mô hình hóa các dây dẫn và các tải tiêu thụ điện trong mạch bằng các điện

trở (dựa trên tổn hao mà các phần tử đó gây ra), sau đó có gắng tìm ra dòng điện

chạy trong mạch cũng như công suất tiêu thụ của từng tải một Tương tự như

vậy,đối với NCĐ, khi cấp một điện áp nào đó cho cuộn dây thì ta cần phải tìm

được lực điện từ mà nó sinh ra là bao nhiêu? Muốn làm được vậy ta cần phải

mô hình hóa đường đi của từ trường trong NCĐ - còn gọi là mạch từ thường

bao gồm lõi thép và khe hở không khí giữa phần động và phần tĩnh của lõi thép

- sau đó giải bài toán trên mô hình này

Mục đích của phần này là cung cấp cho người đọc những kiến thức cơ bản để

phân tích và tính toán trong mạch từ Nói chung, các giải pháp để tính toán

chính xác từ trường trong mạch từ luôn là mối quan tâm hàng đầu trong việc

thiết kế các thiết bị điện Tuy vậy, trong thực tế một kết quả chính xác hoàn

toàn là không thể đạt được, thay vào đó là các phương pháp tính toán xấp xỉ,

cho kết quả trong giới hạn chấp nhận được

Trường điện từ và tương tác của chúng đối với vật chất được mô tả thông qua

bốn phương trình Maxwell Một trong số đó miêu tả quá trình tương tác giữa từ

trường và dòng điện sinh ra nó

2.1 Đại lượng cơ bản của mạch từ

Thực ra, với phường trình trên, để đơn giản, ta đã giả thiết là bỏ qua ảnh hưởngthành phần dòng điện dịch trong phường trình gốc.Từ phương trình (1), ta cóthể khẳng định rằng tổng dòng điện đi qua diện tích S bằng với tích phân

Như vậy, tác nhân sinh ra cường độ từ trường H chính là mật độ dòng điện J.Đây chính là cơ sở để chúng ta đi phân tích mối quan hệ điện - từ trong mạch từdưới đây

Hình 4 thể hiện một mạch từ đơn giản Bao gồm, cuộn dây quấn xung quanh lõithép, cách điện với nhau và cách điện với lõi thép Lõi mạch từ được làm bằngvật liệu có độ từ thẩm lớn hơn rất nhiều so với độ từ thẩm của không khi xungquanh ( > ) Để đơn giản, ta coi mạch từ là đồng nhất, đồng thời bỏ qua ảnhμ μ0hưởng do thay đổi của trường tĩnh điện

Chiều dài trung bình lõi

Diện tích mặt cắt

Độ tứ thẩm của mạch từ

Đường đi của từ thông

Dây quấn N vòng

Hình 4: Cấu tạo mạch từ đơn giản

Dòng điện chạy trong cuộn dây N vòng - thường được gọi là i cuận kích thích

-sẽ sinh ra từ trường chạy trong lõi thép theo quy tắc bàn tay phải Do lõi thép có

độ từ thẩm lớn, nên từ thông chủ yếu được giới hạn trong lõi thép, nói cáchkhác, đường đi từ thông được định hình theo đúng hình dạng của lõi thép

Về thuật ngữ được sử dụng trong mạch từ, sức từ động (s.t.đ) được định nghĩa

là tích số giữa dòng điện và số vòng dây quấn : i N

Đơn vị của là A.vòng S.t.đ là đại lượng đặc trưng cho từ trường, cần thiết đểF

duy trì tư thông trong mạch từ, giống như suất điện động trong mạch điện.Φ

Từ thông chạy qua bề mặt S được tính bằng tích phân của tích số vô hướngΦ

giữa mật độ từ thông B và véctơ thành phần diện tích ds:

Đơn vị chuẩn của là Wb, do lõi thép được coi là đông nhất nên mật độ từΦ

trường sẽ được phân bố đều theo mặt cắt của lõi thép

Trong đó, Φc là từ thông trong lõi, B là mật độ từ thông (từ cảm - Tesla) trongc

lõi , A là diện tích mặt cắt của lõi thép.c

Từ phương trình (1), mối quan hệ giữa s.t.đ và cường độ từ trường trong mạch

từ được biểu diễn bởi

Nếu gọil c và H c lần lượt là chiều dài trung bình và cường độ từ trường trung

bình của mạch từ Kết quả tích phân của phương trình (5) có thể tính đơn giản

bằng

Chiều của trong phương trình (6) được xác định bằng quy tắc bàn tay phải.H c

Mối quan hệ giữa cường độ từ trường H và mật độ từ trường B phụ thuộc vào

tính dẫn từ của vật liệu Để đơn giản, ta coi mối quan hệ đó là tuyến tính và biểu

diễn bằnghệ số từ thẩm

Trong đó, là hệ số từ thẩm của vật liệu từ Đơn vị chuẩn của H là (A/m), của Bμ

là (Wb/m2 hoăc T), của là (H/m) Để thể hiện tính dẫn từ của vật liệu, trong kỹμ

thuật người ta thường quan tâm tới độ từ thẩm tương đối

Trong đó, là độ từ thẩm của chân không, có trị số = 4 10μ0 μ0 π

-7

(H/m)Vật liệu dẫn từ dùng để chế tạo các thiết bị điện trong thực tế thường cómật độ

từ thẩm tương đối rất lớn từ 2000 đến 80,000, và trị số này thường thay đốitùy thuộc vào độ lớn của từ cảm B Tuy nhiên, trong giáo trình này, ta coi như μr

là hằng số và không phụ thuộc vào B

Mạch từ như hình 4 thường được sử dụng trong các máy biến áp Tuy nhiên đốivới các thiết bị dùng để biến đổi năng lượng từ điện sang cơ như NCĐ, do có cảphần tĩnh và phần động, nên bắt buộc mạch từ của chúng phải có khe hở khôngkhí như được thể hiện trên hình 5

Đối với khe hở không khí có chiều dài rất nhỏ so với kích thước mặt cắt củag

khe hở không khí, ta có thể bỏ qua thành phần từ thông tản Điều đó có nghĩa là

từ thông trong khe hở không khí và trong lõi thép là như nhau.Φ

Từ cảm trong lõi thép và trong khe khở không khí được biểu diễn theo từ thôngnhư sau:

Từ biểu thức (5), ta suy ra

sử dụng mối quan hệ B - H trong biểu thức (7), ta có

Biểu thức (11) cho chúng ta thấy răng s.t.đ tổng F = N được chia làm hai phần,i

s.t.đ F = H để duy trì từ trường trong lõi thép và s.t.đ Fg = Hg g để duy trì từc clc l

trường trong khe hở không khí

Kết hợp từ biểu thức (9) đến (12), ta có thể viết

Trong biểu thức 13, thành phần nhân với từ thông được biết đến như từ trở của

lõi thép và của khe hở không khí

B A

Φ

=

g g

B A

B B

c

l R

Hình 6: Sự giống nhau giữa các đại lượng mạch điện và mạch từ

R R

= +

Viết gọn lại, từ thông trong mạch từ bất kỳ có thể được tính bằng tỷ số giữa tổngs.t.đ và tổng từ trở trong mạch từ đó

Thành phần nghịch đảo của từ trở được định nghĩa là từ dẫn

Sự giống nhau giữa các đại lượng trong mạch điện và mạch từ được thể hiệntrong hình 6

Ngoài ra, hai định luật Kirchhoff được sử dụng để phân tích mạch từ cũngtương tự như trong mạch điện

18

19

tot

F R

V =∑R i

0

n n

Kirchhoff dòng

Lời giải

a) Từ trở của lõi thép và khe hở không khí được tính bằng các công thức 14, và

15 như sau:

b) Từ thông được tính theo công thức 4

c) Dòng điện được tính băng các công thức 6 và 17

Ví dụ tự giải 1.1

Tính từ thông và dòng điện trong ví dụ 1 nếu

a) Số vòng dây quấn tăng gấp đôi N = 1000 vòng trong khi các thông số kháckhông thay đổi

b) Số vòng dây vẫn là N = 500 vòng nhưng khe hở không khí g = 0.04cm

Kết quả:

a) = 9 10 Wb và i = 0.4AΦ -4

b) = 9 10 Wb và i = 0.64AΦ -4

2.2 Từ thông móc vòng, Điện cảm, và Năng lượng

Khi có sự biến thiên từ trường thì sẽ sinh ra một sức điện động được xác định

bởi định luật Faraday

Biểu thức (20) cho ta biết tích phân đường cường độ điện trường E sinh ra trên

một vòng kín C tỷ lệ với độ biến thiên theo thời gian của từ trường móc vòng

qua vòng kín đó Đối với cấu trúc mạch từ, như hình 5, bao gôm N vòng dây

công thức trên có thể biểu diễn bởi

Trong đó được hiểu như là trị số của sức điện động hay thế điện động cảm ứnge

ở hai đầu cuận dây Ký hiệu được gọi là λ từ thông móc vòng và được định

nghĩa

Đơn vị của là (Wb.vòng) Lưu ý, ở đây ta sử dụng thay cho để diễn tả giáλ φ Φ

trị tức thời của từ thông biến thiên

Dầu ‘-’ của công thức (20) có nghĩa là chiều của sức điện động cảm ứng e phải

được xác định sao cho khi nối ngắn mạch cuận dây, thì nó sẽ sinh ra dòng điện

chống lại chiều thay đổi của từ thông

Đối với mạch từ có độ dẫn từ không thay đổi trong cả lõi thép và khe hở không

khí, thì mối quan hệ giữa từ thông và dòng điện sinh ra nó là tuyến tính, và tỷ số

giữa từ thông móc vòng và dòng điện được định nghĩa là điện cảm L

Đơn vị của L là Henry Thay các phương trình (5), (18), và (22) vào (23)

S C

Từ đây ta thấy rằngđiện cảm L của cuận dây trong mạch từ tỷ lệ thuận với

trở của lõi thép thường rất nhỏ so với từ trở của khe hở không khí, nên mạch từ

hình 5 có thể được tính xấp xỉ bởi

Biểu thức (25) thể hiện rằng điện cảm của mạch từ tỉ lệ bình phương với số

vòng dây quấn, độ từ thẩm của khe hở không khí, diện tích khe hở không khí và

tỉ lệ nghịch với chiều dài khe hở không khí

25

Ví dụ 2

Mạch từ ở hình 7a bao gồm: một cuộn dây có N vòng quấn trên lõi thép có độ từ

thẩm vô cùng lớn, hai khe hở không khí có chiều dài là g , g và diện tích mặt1 2

cắt tương ứng là A , A1 2

a) Tính điện cảm L của cuộn dây

b) Tính tự cảm B khi dòng điện trong cuộn dây lài

2 2

0

0 ( / )

g

g

N A N

L

μ μ

Hình 7: (a) Mạch từ và (b) mạch tương đương cho ví dụ 2

Điện cảm của NCĐ phụ thuộc vào cái gì?

a) Tính điện cảm L của cuộn dây.

b) Trong thực tế, đặc tính của lõi thép này là không tuyến tính và độ từ thẩmtương đối μr thay đổi từ 72300 tại B = 1T tới giá trị 2900 khi từ cảm B tăng lêntới 1.8T Tính điện cảm L cuộn dây khi độ từ thẩm tương đối của lõi thép là

2900, đưa ra nhận định về sự thay đổi

Lời giải

a) Từ trở của lõi thép

Trong khi đó từ trở của khe hở vẫn không thay đổi so với ví dụ 1, R = 4.42 10g 5

A.vòng/Wb Vì vậy từ trở tổng sẽ là

Từ công thức 24, ta có

b) Khi độ từ thẩm giảm μr = 2900, thì từ trở của lõi thép sẽ tăng lên

điều này dẫn tới từ trở tổng cũng tăng từ 4.46 10 A.vòng/Wb lên tới 5.34 105 5

A.vòng/Wb Kết quả là điện cảm cuộn dây sẽ giảm từ 0.561H đên

Nhận xét:ta thấy rằng mặc dù độ từ thẩm giảm 72300/2900 = 25 lần, nhưng

điện cảm của cuộn dây chỉ thay đổi rất nhỏ 0.561/0.468 = 1.2 lần Nguyên

nhân của việc này đó là từ trở khe hở không khí là thành phần chủ yếu trong từ

trở tổng, nên việc thay đổi độ từ thẩm của lõi thép do tình phi tuyến của nó

không ảnh hưởng nhiều đến kết quả của điện cảm

Năng lượng từ trường

Công suất điện cấp vào hai đầu của cuộn dây được xác định bằng tích số giữa

dòng điện và điện áp

A.VongWb

A.VongWb

A.VongWb

Đơn vị của công suất là Watts (W) Thay đổi năng lượng từ trường tích trữtrong mạch từ trong khoảng thời gian t đến t được xác định bởi1 2

Đơn vị chuẩn của năng lượng W là (J) Đối với mạch từ có một cuộn dây nhưhình 5, biểu thức (27) được tính

Từ đó, năng lượng từ trường trong mạch từ được xác định khi cho = 0λ1

a) Điện cảm L

b) Năng lượng từ trường khi B = 1T , dòng điện i = 0.8A là

c) Từ công thức 21, điện áp cảm ứng e được tính

a) Tính điện cảm L của cuộn dây

b) Năng lượng từ trường W khi B = 1Tc

c)Tính điện áp cảm ứng e khi từ cảm Bc = 1.0 sin t với = 2 (60) = 377ω ω π

2.3 Lực từ

Trong phần này, ta sẽ xem xét nguyên tắc biến đổi năng lượng giữa cơ năng và

điện năng trong nam châm điện Từ đó xác định lực điện từ sinh ra trong nam

châm điện dựa trên nguyên tắc bảo toàn năng lượng

Phần trước, ta đã biết tính toán năng lượng tích trữ trong nam châm điện dưới

dạng từ trường Đối với các thiết bị biến đổi cơ điện, do có khe hở không khí,

nên phần lớn năng lượng này tích trữ ở khe hở không khí và nó đóng vai trò như

một kho chứa trung gian cho việc chuyển hóa giữa cơ năng và điện năng

Mạch từ của một rơ le điện được thể hiện như hình 8, nắp mạch từ có thể dịch

chuyển vào ra Để đơn giản, ta bỏ qua hết các tổn hao về điện, cơ và từ trong

quá trình

Hầu hết đặc tính từ của lõi thép là phi tuyến, nhưng từ trở của nó là rất nhỏ so

với từ trở của khe hở không khi, dẫn đến phần lớn năng lượng từ trường được

tích trữ ở khe hở không khí, đồng thời đặc tính của mạch từ cũng được quyết

định bởi kích thước của khe hở không khí Với mạch từ mà chiều dài của khe

hở không khí là rất nhỏ so với kích thước mặt cắt, thì mối quan hệ giữa từ thông

móc vòng và dòng điện được xem là tuyến tính và được biểu diễn bởi:

Hình 8: Mạch từ của một rơle điện

Lõi thép

Nắp mạch từ

Lực cơ Đường sức từ

Nguồn điện

Cuộn dây

Vì sao phần lớn

n ă n g l ư ợ n g t ừ trường lại tập trung

ở khe hở không khí?