Bài giảng Khí cụ điện - chương 5

- Nam châm điện - Rơle - Khí cụ đóng cắt bằng tay - Aptomat - Khởi động từ - Cơ cấu điện từ chấp hành - Bộ ổn định

CHƯƠNG 5

CƠ CẤU ĐIỆN TỪ

VÀ NAM CHÂM ĐIỆN

KHÂI NIỆM CHUNG VỀ CƠ CẤU ĐIỆN TỪ

Các thiết bị điện cơ 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 :

 Thân mạch từ

 Nắp mạch từ

 Khe hở không khí chính 

KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CƠ CẤU ĐIỆN TỪ

KHÂI NIỆM CHUNG CƠ CẤU ĐIỆN TỪ

Khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây của

cơ cấu Hình 5.1, thì trong mạch từ 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

PHĐN LOẠI CƠ CẤU ĐIỆN TỪ

Phân theo tính chất của nguồn điện

 Cơ cấu điện một chiều

 Cơ cấu điện từ xoay chiều

Theo cách nối cuộn dây vào nguồn điện

 Nối nối tiếp

 Nối song song

Theo hình dạng mạch từ:

 Mạch từ hút chập (thẳng)

 Mạch từ hút xoay (quanh một trục

hay một cạnh), mạch từ hút kiểu

CÂC 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:

n

1

1





CÂC ĐỊNH LUẬT CƠ BẢN

CỦA MẠCH TỪ

4. Định luật bảo toàn dòng điện:

Tích phân của cường độ từ trường dọc theo đường sức từ khép kín của mạch từ bằng tổng s.t.đ gđy ra từ thông 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  

NAM CHÂM ĐIỆN

ĐẠI CƯƠNG VỀ NAM CHĐM ĐIỆN

i

N S



S N

S

Hinh 5.2.Nam châm

điện

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ

NAM CHÂM ĐIỆN

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ

NAM CHĐM ĐIỆN

Lực hút điện từ cuả nam châm điện một chiều thường được tính theo 2 phương pháp :

1. Tính theo công thức Maxwell

2. Tính theo phương pháp cân bằng

năng lượng

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ THEO CÔNG THỨC MAXWELL

Theo Maxell thì khi có một vật dẫn từ đặt trong từ trường thì vật dẫn sẽ chịu một lực tác dụng bằng:

Trong đó:

: Véc tơ từ cảm ngoăi trín vi phđn diện tích ds : Véc tơ pháp tuyến ngoăi trín vi phđn diện tích ds

S: diện tích bề mặt vật dẫn

0 = 1,25.10-8 [H/cm] là độ từ thẩm của H/cm] là độ từ thẩm của không khí

Vì hệ số từ dẫn của vật liệu sắt từ lớn hơn nhiều của không khí ( >>0) nên xem như cùng phương và

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ THEO CÔNG THỨC MAXWELL

Và ta có :

Với nam chđm điện khi khe hở không khí bé, từ trường có thể xem như phân bố đều trên bề mặt cực từ B = const, nên 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

TÍNH LỰC HÚT ĐIỆN TỪ THEO CÔNG THỨC MAXWELL

Khi khe hở không khí lớn, từ thông rò nhiều thì:

Với Kđc= 3 5 là hệ điều chỉnh

PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG



S

1

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 với 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

THEO PHƯƠNG PHÂP CĐN BẰNG NĂNG LƯỢNG

 Từ đồ thị ta thấy quan hệ giữa từ thông móc vòng và dòng điện i lă phi tuyến (dạng đường cong từ hóa).

 Tính lực hút điệntừ:

 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 δ1 về δ2 (hình 5.4).).

 Ứng với vị trí ban đầu của nắp mạch từ có:

 Ứng với vị trí cuối có:

THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

b2

b1

THEO 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:

Theo định luật cân bằng năng lượng có: Trong đó năng lượng làm nắp chuyển động từ vị trí 1 đến vị trí 2

= diện tích tam giác cong

THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG

THEO PHƯƠNG PHÂP CĐN BẰNG NĂNG LƯỢNG

Ta xét hai trường hợp sau:

a. Trường hợp khi I = const thì

Ta có :

Có L = W2G

Trong đó : G là từ dẫn của mạch từ

W là số vòng của cuộn dây

THEO PHƯƠNG PHÁP CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG



 

2

m

W 

 

2 2

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VÀ VÒNG CHỐNG RUNG

NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VĂ VÒNG CHỐNG RUNG

Hình 5.5 Nam châm điện xoay chiều

NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VĂ VÒNG CHỐNG RUNG

Khi cung cấp dòng điện xoay chiều i =

Im thì trong mach sẽ xuất hiện :

F dt  4 2 sin2 

) 2 cos(

2

4 2

4 2 2

t S

B S

Hình 5.6

sin t

NAM 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 (2ω)

Ở thời điểm B = 0 thì Fdt = 0 lực lò xo

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

NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU

VĂ VÒNG CHỐNG RUNG

Để chống

hiện tượng rung

này, ta phải làm

sao cho lực hút

Vòng ngắn mạch

NAM 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

NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

NAM 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 - F10cos2t

Từ thông 2 sinh ra lực : F2 = F20 - F20cos(2t-2 )

Lực hút điện từ tổng F là :

F = F1 + F2

= (F01 + F02) - [H/cm] là độ từ thẩm của F01cos2t + F02 cos(2t - 2)]

Qua đó ta thấy rằng lực hút điện từ

F1 và F2, không đồng thời đi qua trị số 0,

do đó lực hút điện từ tổng F được nâng cao làm cho mọi thời điểm t, lực F

> Flx nên nắp mạch từ sẽ không rung nữa

NAM CHĐM ĐIỆN XOAY CHIỀU

Thành phần lực hút biến đổi là :

Trong trường hợp lý tưởng Fbđ = 0 thì

cơ cấu không còn rung Muốn vậy ta phải thoả mãn hai điều kiện

1. F01 = F02 thì :

2. góc lúc đó hệ số rung

Trong thực tế chỉ có thể tạo được 



2 cos

2 01 02

2 02

2

01 F F F F

NAM CHÂM ĐIỆN BA PHA

 Ta có thể xem lực hút của nam châm ba pha là tổng hợp của lực hút trên các lõi gồm:

 F1 =

 F2 = ; F3 =

 Lực hút tổng của ba pha:

 Ta có trị số lực tổng: F= (*)

 Từ biểu thức (*) trên ta nhận thấy lực hút tổng của nam châm điện ba pha là một đại lượng không đổi theo thời gian Nhưng theo hình 5.9, ta thấy điểm đặt của lực F trên nắp của nam châm không cố định Điểm đặt của lực di chuyển vị trí trong khoảng AB của nắp.

t sin d

dG G

1 2

1 ,

dG G

1 2

1 ,

1 2

1 ,

5 2 2 0

m

2    

2 m

2

3 d

dG G

1 2

1 ,

 Nêu bản chất và các đặc tính cơ bản của hồ quang điện?

nguyên nhân phát sinh và tắt của hồ quang trong các thiết

bị điện?

 Trình bày các đặc tính cơ bản của hồ quang điện một

chiều?nêu các điều kiện và các biện pháp kỹ thuật đề dập tắt nhanh hồ quang điện một chiều trong thiết bị điện?

 Hãy trình bày các biện pháp và trang bị để dập hồ quang

trong thiết bị điện và phân tích làm rõ nguyên tắc dập hồ quang trong mỗi biện pháp vừa nêu?

 Hãy nêu các dạng tiếp xúc trong thiết bị điện, ý nghĩa của

điện trở tiếp xúc và các yếu tố ảnh hưởng tới điện trở tiếp xúc?

 Nêu rõ vai trò của việc nghiên cứu phát nóng trong

nghiên cứu chế tạo và sử dụng thiết bị điện?ý nghĩa, các yêu cầu

của cách điện và phân loại cách điện trong thiết bị điện?

 Trình bày đặc tính phát nóng của thiết bị điện trong chế độ làm việc dài hạn?ý nghĩa và cách xác định của độ chênh nhiệt

ổn định và hằng số thời gian phát nóng?

 Trình bày khái niệm và đặc tính phát nóng của thiết bị điện làm việc trong chế độ ngắn hạn?hãy cho một vài ví dụ thiết bị điện làm việc dài hạn và ngắn hạn mà anh chị biết?

 Trình bày khái niệm và đặc tính của thiết bị điện làm việc trong chế độ ngắn hạn lặp lại?nêu ý nghĩa của việc cho phép tăng phụ tải của thiết bị điện được chế tạo làm việc dài hạn khi cho chúng làm việc ngắn hạn hoặc ngắn hạn lặp lại? cho