Bài giảng Khí cụ điện
Trang 1CHƯƠNG 5 :
CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
VÀ NAM CHÂM ĐIỆN
Trang 2KHÂI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
Các thiết bị như rơle, công tắc tơ, khởi động từ, áptômát, đều có bộ phận làm nhiệm vụ biến đổi từ điện năng ra cơ năng Bộ phận này gồm có : cuộn dây và mạch từ gọi chung là cơ cấu điện từ
Mạch từ chia làm các phần chính sau đây :
Trang 3KHÁI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
Trang 4KHÂI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây thì trong cuộn dây có từ thông đi qua, từ thông này cũng chia làm 3 thành phần :
Từ thông chính : là từ thông đi qua khe hở không khí chính, đó cũng là từ thông làm việc của cơ cấu điện từ
Từ thông tản t : là từ thông đi ra ngoài khe hở không khí chính
Từ thông rò r : là từ thông khép vòng qua cuộn dây là thành phần không đi qua khe hở không khí chính mà khép kín trong không gian giữa lõi và thân mạch từ
Trang 5PHĐN LOẠI CƠ CẤU ĐIỆN TỪ
Phân theo tính chất của nguồn điện
Theo cách nối cuộn dây vào nguồn điện
Theo hình dạng mạch từ:
hay một cạnh), mạch từ hút kiểu pittông
Trang 6CÂC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN CỦA MẠCH TỪ
1. 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 :
2. Định luật Kiếckhốp I : Trên mọi
điểm của mạch từ, tổng từ thông vào bằng tổng từ thông ra :
3. Định luật Kiếckhốp II : Trong một
mạch từ khép kín, tổng từ áp của các đoạn mạch bằng tổng sức từ động :
G
R
U
0 1
n i
n
1
1
Trang 7CÂC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN
CỦA MẠCH TỪ
4. Định luật bảo toàn dòng điện :
Tích phân đường của cường độ từ trường theo vòng từ khép kín bằng tổng s.t.đ của vòng từ đó :
Định luật toàn dòng điện có thể biến đổi như sau :
F
dR S
dl dl
S
S B dl
.
l
i l
F dR
dl
H
Trang 8NAM CHÂM ĐIỆN
Trang 9ĐẠI CƯƠNG VỀ NAM CHĐM ĐIỆN
N S
Nam châm điện
Trang 10ĐẠI CƯƠNG VỀ NAM CHĐM ĐIỆN
Dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh
ra từ trường Vật liệu sắt từ đặt trong từ trường này sẽ bị từ hóa và có cực tính ngược lại với cực tính của cuộn dây, cho nên sẽ bị hút về phía cuộn dây
Nếu đổi chiều dòng điện trong cuộn dây thì từ trường trong cuộn dây cũng đổi chiều và vật liệu sắt từ bị từ hóa có cực tính ngược với cực tính cuộn dây, cho nên chiều lực hút không đổi
Trong quá trình làm việc nắp mạch từ chuyển động, khe hở không khí giữa nắp và lõi thay đổi nên lực hút điện từ cũng thay đổi
Trang 11TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
NAM CHÂM ĐIỆN
Trang 12TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ
NAM CHĐM ĐIỆN
Lực hút điện từ cuả nam châm điện một chiều thường được tính theo 2 phương pháp :
năng lượng
Trang 13TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ THEO CÔNG THỨC MAXWELL
Theo Maxell thì khi có một vật dẫn từ trường thì vật dẫn từ sẽ chịu một lực tác dụng :
Trang 14TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ THEO CÔNG THỨC MAXWELL
Và ta có :
Khi khe hở không khí bé, từ trường có thể xem như phân bố đều trên bề mặt cực từ B = const, bên coi thì ta co ï:
B: đơn vị [H/cm] là độ từ thẩm của Wb/cm2]
S: diện tích từ thông qua [H/cm] là độ từ thẩm của cm2]
= 1,25.10-8 [H/cm] là độ từ thẩm của Wb/A.cm]
Nếu B tính theo Tesla thì :
2 0
Trang 15TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ THEO CÔNG THỨC MAXWELL
Khi khe hở không khí từ thông rò nhiều :
Trang 16THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
S
Trang 17THEO PHƯƠNG PHÂP CĐN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Khi đóng điện vào cuộn dây NCĐ, ta có phương trình cân bằng điện áp :
Nhân 2 vế của phương trình cho idt, ta có :
Lấy tích phân hai vế phương trình trên
ta có:
Trong đó ta có:
: là năng lượng nguồn cung cấp : là năng lượng tiêu hao trên điện trở cuộn dây w
:là năng lượng tích lũy trong từ trường
id
W dt
d i
t
t
Trang 18THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Trang 19THEO PHƯƠNG PHÂP CĐN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Từ đồ thị ta thấy quan hệ giữa từ thông móc vòng và dòng điện i, có tính phi tuyến
Tính lực hút điện :
Khi cung cấp năng lượng cho cơ cấu điện từ thì nắp của mạch từ được hút về phía lõi, khe hở không khí ở giữa nắp và lõi giảm dần
Ứng với vị trí ban đầu của nắp mạch từ có:
Ứng với vị trí cuối có:
1 ; I=I = 1; 1
2 ; I=I = 2; 2
Trang 20THEO PHƯƠNG PHÂP CĐN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Năng lượng từ trường khi ở vị trí đầu sẽ là:
:= diện tíchVậy năng lượng lấy thêm từ ngoài vào để nắp mạch từ chuyển động là:
: = diện tích hình thangTheo định luật cân bằng năng lượng có: Trong đó là năng lượng làm nắp chuyển động từ vị trí 1 đến vị trí 2
= diện tích tam giác congoad
Nếu giả thiết mạch từ chưa bão hòa đường đặc tính chỉ xét ở đoạn tuyến
Trang 21THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Trang 22THEO PHƯƠNG PHÂP CĐN BẰNG NĂNG LƯỢNG
Ta xét hai trường hợp sau:
Ta có :
Có : L = W2G
Trong đó : G là từ dẫn của mạch từ
W là số vòng của cuộn dây
F 5 ,. 2
Trang 23THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
2
Trang 24NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VÀ VÒNG CHỐNG RUNG
Trang 25NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VĂ VÒNG CHỐNG RUNG
Nam châm điện xoay chiều
Trang 26NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VĂ VÒNG CHỐNG RUNG
Khi cung cấp dòng điện xoay chiều i =
Ta có :
Ta thay :
suy ra :
hút không đổi theo thời gian
:là thành phần lực thay đổi theo thời gian
F dt 4 2 sin2
) 2 cos(
2
4 2
4 2 2
t S
B S
Trang 27NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VĂ VÒNG CHỐNG RUNG
Vậy lực hút điện từ biến đổi theo tần số gấp đôi tần số của nguồn điện (2w)
Flx > Fdt thì nắp bị kéo nhả ra Ở những thời điểm Flx < Fdt thì nắp được hút về phía lõi
Như vậy trong một chu kỳ nắp bị hút nhả ra hai lần nghĩa là nắp bị rung với tần số 100Hz nếu tần số nguồn điện là 50Hz
Trang 28NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VĂ VÒNG CHỐNG RUNG
hiện tượng rung
này, ta phải làm
sao cho lực hút
Trang 29NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VĂ VÒNG CHỐNG RUNG
Nguyên lí làm việc của vòng
chống rung :
Khi từ thông đi qua cực từ sẽ
chia làm hai thành phần 1 và 2.
1 là thành phần không đi qua
phần cực từ có vòng chống
rung, 2 đi qua phần có vòng
chống rung Khi có từ thông 2
biến thiên đi qua, trong vòng
chống rung sẽ xuất hiện dòng
điện cảm ứng icứ chạy khép
mạch trong vòng
Dòng icứ sẽ sinh ra một từ
trường có tác dụng chống lại
sự biến thiên của 2 nên làm 2
chậm pha so với 1 một góc
2
1
Trang 30NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU
Trang 31NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU
VĂ VÒNG CHỐNG RUNG
Lực điện từ sinh ra sẽ có hai thành phần :
Từ thông 1 sinh ra lực: F1 = F10 - F10cos2t
Từ thông 2 sinh ra lực : F2 = F20 - F20cos(2t-2 )
Lực hút điện từ tổng F là :
Trang 32NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU
cơ cấu không còn rung Muốn vậy ta phải thoả mãn hai điều kiện
1. F01 = F02 thì :
= 50o-80o
2 cos
2 02
2
01 F F F F