Giáo trình khí cụ điện dùng cho các trường đại học khối công nghệ hồ xuân thanh

GIÁO TRlNH ★ LÝ THUYẾT ctf SỞ ★ CÂU HỎI KIỂM TRA ★ BÀI TẬP TS HÔ' XUÂN THANH - ThS PHẠM XN Hổ GIÁO TRÌNH KHÍ CỤ DIỆN (Dùng ch o c c trường đợ i h ọ c khối c ô n g nghệ) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC KIA THÀNH PHÔ HỒ CHỈ MINH LỜI NĨI ĐẦU Trong lĩnh vực Điện-Điện tử, Khí cụ điện mơn học Hầu hết chương trình đào tạo ngành Điện-Điện tử xếp môn học phần môn kỹ thuật chuyên ngành Hiện thị trường có tài liệu hay giáo trình trình bày lĩnh vực Chúng tơi biên soạn giáo trinh “Khí cụ Điện” với nội dung gồm chương lý thuyết Phát nóng khí cụ điện Lực diện động Tiếp xúc diện Hồ quang điện Mạch từ Điểm bật giáo trình sau chương có phần tập giúp người học củng cố, hiểu rõ phần học lý thuyết Tài liệu biên soạn nhằm phục vụ cho việc giảng dạy cho nhiều trường kỹ thuật nhiều bậc đào tạo khác (Cao đẳng-Đại học), đồng thời tài liệu tham khảo cho đối tượng không cỏ điều kiện tới trường muốn tìm hiểu sâu Khí cụ điện như: Các chuyên viên thiết kế, thử nghiệm, công nhân lành nghề xưởng sản xuất khí cụ điện, học viên Cao học thực đề tài liên quan Phần tìm hiểu khai thác, sử dụng khí cụ diện dân dụng cơng nghiệp trình bày tập Hy vọng giáo trình tài liệu Kỹ thuật điện hữu ích cho giao viên bạn học sinh, sinh viên ngành Điện, Điện tử, Cơ điện tử, Tự dộng hóa, nhiều nữa, góp phần vào việc phát triển dạy học ngành Điện, mang lại cho độc giả nhiều kiến thức bổ ích Dù biên soạn cẩn thận, sách khó tránh khỏi cịn sai sót Mọi lời góp ý, nhận xét hay đề xuất bổ xung nhằm hoàn thiện sách xin bạn đọc gửi vể môn Cơ sở Kỹ thuật điện trường Đại học Su phạm Kỹ thuật Xin chân thành cảm ơn Tác giả GIÁO TRINH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NĨNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG I PHÁT NĨNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN Tất thiết bị điện cấu tạo chi tiết có đặc tính cơ, hóa, lý khác Khi chúng hoạt động tác dụng điện trường từ trường chi tiết mạch vịng dẫn điện, mạch từ, vật liệu cách điện xuất tổn hao công suất Tất tổn hao chuyển hóa thành nhiệt làm cho nhiệt độ thiết bị nóng lên Trong chương này, nghiên cứu vấn đề liên quan đến việc phát nóng I CÁC TỔN HAO TRONG THIẾT B| KỸ THUẬT ĐIỆN Tổn hao công suất phần dẫn điện Như ta dã biết, có dòng điện chảy vật dẫn dẫn tới tổn hao cơng suất vật dẫn tổn hao tính: P = ị p J 2.dv V Vói: J: Mật độ dịng (A/m2) p: Điện trở suất (£2.m) v: Thể tích vật dẫn xét Trong trường hợp tiết diện suốt dọc theo chiều dài vật dẫn mật ổộ phân bố đểu tiết diện, ta có cơng thức: \ p J 2.dv=> p = J p V = p = V s Trong đó: I: Cường độ dịng điện (A) s: Tiết diện (m2) R: Điện trở (Q) Như biết, điện trở suất p số, mà p thay đổi heo nhiệt độ thay đổi theo biểu thức: p = Po (1 + a0 ) (£2m) Trcng đó: p0: Điện trở suất °c , (Qm) a: Hệ số nhiệt điện trở suất, (1/ °C) GIÁO TRÌNH KHÍ co ĐIỆN CHƯƠNG I: PHÁT NĨNG TRONG KHÍ co ĐIỆN Khi dịng điện chiều chảy vật dẫn có tác dụng nhiệt làm thay đổi giá trị điện trở suất, dẫn tới việc thay đổi điện trở vật dẫn Nhưng vật dẫn, dẫn dòng điện xoay chiều vật dẫn ngồi tác dụng nhiệt, phải xét đến thay đổi giá trị điện trở biến thiên từ trường xoay chiều, ảnh hưởng đến việc phân bố mật độ dòng vật dẫn Hai tượng quan trọng ảnh hưởng đến thay đổi điện trở dẫn dòng xoay chiều hiệu ứng bề mặt hiệu ứng gần a Hiệu ứng bề mặt Hiệu ứng bề mặt tượng phân bố dịng điện khơng bề mặt tiết diện vật dẫn có dịng điện xoay chiều chảy Mật độ dịng điện có khuynh hướng phân bố dày đặc ỏ phần bề mặt ngồi dây dẫn, cịn lịng vật dẫn mật độ nhỏ nhiều Hiện tượng rõ nét tần số xoay chiều tăng Nguyên nhân tượng giải thích biến thiên điện trường xoay chiều sinh biến thiên từ trường Việc khép vòng đường sức từ lòng vật dẫn dễ dàng dậm đặc phía ngồi vật dẫn, dẫn tới diện kháng X phía vật dẫn cao so với bề mặt Do tượng cảm ứng điện từ xảy bên vật dẫn, dẫn đến mật độ dịng điện phân bố khơng đểu giá trị cường độ pha dòng điện Phía ngồi bề mặt tiết diện dây dẫn mật độ cao góc lệch pha nhỏ, cịn phía vật dẫn mật độ nhỏ góc lệch pha cao Hiệu ứng bề mặt đánh giá hệ số Kbm Đó tỷ số tổn hao cơng suất dẫn dịng xoay chiểu so với dẫn dòng chiều giá trị dòng điện dây dẫn K Kc p DCịjịc-P-Cỉ ^ DC Hình 1.1 Kết cơng trình nghiên cứu cho thấy hệ số Kbm phụ thuộc vào tần số dòng điện xoay chiều, điện trở suất vật dẫn vào hình dáng tiết diện vật dẫn G GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NĨNG ĨRONG KHÍ cu DIỆN ★ Với tiết diện dây dẫn hình trịn Với: Rdc: Điện trở dây dẫn dài 100m, f: Tần số (Hz) Ghi chú: Chỉ áp dụng dường cong với vật liệu khơng từ tính ★ Với tiế t diện hình ơng trịn rỗng K bm f ' Ụ T V - X D C ' D Với: S: Bề dày thành ống D: Đường kính ngồi ơng ★ Với tiế t diện vng rỗng K„m= f 0,0081 / ổ p { h - 2ổ) h Với: S: Bề dày thành ống h: Cạnh hình vng f: Tần sổ dịng xoay chiều (Hz) p: Điện trở suất (Qm) GIÁO TRÌNH XHi cụ ĐIỆN CHNG l: PHÁT NĨNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN c Ọ uT o ir; o o •e vMr-j co Hình 1.3 Hình 1.4 ★ Với tiế t diện hình chữ nhật [8p /.s k r s: Tiết diện vật dẫn (m2) p: Điện trở suất (Qm) h: Bề rộng dẫn (m) b: Bề dày dẫn (m) f: Tần số dòng xoay chiều (Hz) Hình 1.5 to n GIÁO TRĨNH KHÍ cọ ĐIỆN CHƯƯNG l: PHÁT NĨNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN Với dần diện có tiết diện hình chữ nhật, có cạnh ngắn b cạnh dài h Giá trị Kbmcó thể tra theo bảng sau với tham số phụ thuộc Kcvà h/b íh \ \b ) Trong đó: K c = 5,103 I 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 1:1 1,18 1,31 1,55 1,74 1,93 2,10 2,28 2,46 2,68 2,84 3,22 2:1 1,13 1,30 1,49 1,67 1,84 2,03 2,21 2,40 2,58 2,77 3,16 4:1 1,12 1,28 1,38 1,49 1,58 1,78 1,94 2,10 2,24 2,39 2,70 6:1 - 1,26 1,36 1,46 1,57 1,68 1,79 1,90 2,09 2,20 2,54 8:1 - - 1,34 1,43 1,51 1,60 1,70 1,79 1,90 2,04 2,37 12:1 - - - 1,40 1,48 1,56 1,63 1,71 1,79 1.90 2,06 b Hiệu ứng gẩn Hiệu ứng gần tượng phân bố mật độ dịng diện khơng tiết diện ngang dây dẫn dẫn dòng xoay chiều đặt gần dây dẫn khác dẫn dòng xoay chiều Nguyên nhân tượng giải thích từ lý thuyết điện trường, từ trường lực tác động từ trường dây dẫn lên hạt mang điện dây dẫn Từ trường dòng điện chảy dây dẫn cảm ứng dây dẫn sức điện động, từ trường dịng điện cảm ứng có chiều ngược với chiếu từ trường sinh Từ đó, dịng điện dây dẫn chiều phần dây gần dây dẫn mật độ dòng diện nhỏ so với phần ngồi dây dẫn Nếu dịng ngược chiều mật độ dịng lớn phần gần dây dẫn Hiệu ứng gần xác định tỷ số quan hệ tổn hao cơng suất dẫn dịng xoay chiều so với dẫn dòng chiều _ PạC _ p 'dc R o r Hiệu ứng gần thực ảnh hưởng giới hạn hai dẫn đặt gần CHƯƠNG l: PHÁT NĨNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN Hệ số Kg phụ thuộc vào tần số, điện trở suất hình dáng, cách thức hai dẫn gần Hình 1.6 ★ Hai dẫn tròn a: Khoảng cách tâm thanh, d: Đường kính dẫn ★ Hai chữ nhật 10 CHƯdNG l: PHÁT NĨNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH KHÍ cụ ĐIỆN Hình 1.8 Tổn hao cơng suất chi tiế t dẫn từ Trong thiết bị kỹ thuật điện chi tiết dẫn từ loại mạch từ, chi tiết sắt thép Dưới tác dụng từ trường xoay chiều, chi tiết xuất hiện tượng từ trễ dịng điện xốy, dẫn tới tổn hao biến thành nhiệt đốt nóng thiết bị A - A •Tử thơng Từ thõng dóng Foucaults D ịng diện Foucaults a Tổn hao mạch từ thép khối Đối với trường hợp dịng điện xốy mạch từ tương đối lớn ta xem mạch từ cuộn dây thứ cấp có điện trở khơng lớn Cơng thức thực nghiệm Neumann quan hệ tổn hao cơng suấí mạch từ thép khơi thơng số khác sau: 11 GIÁO TRÌNH KHÍ GỤ ĐIỆN CHƯƠNG V: MẠCH ĩt f Từ đó: a -^ĩ1,984 « 2cm = Thể tích NCVC: V, = Si.l = (10cm2).(21cm) = 210cm3 Đây thể tích nhỏ NCVC Tóm lại, kích thước NCVC thép Wolfram là: Rộng a = 2cm; Dày = 5cm; Dài I = 21cm; Tiết diện s, = 10cm2; Thể tích V, = 210cm3 Đường khử từ (5,5W,0,7C,Fe) đường tích số lượng thép Wolfram B,= 0,96Vs.nrf2; Hc = 52,4Acrrf1 -H V Ọ b -9,92 v sm'3; Bd = 0,63Vs.m'2; Hd=31,5A ) / max BÀI 19 Hãy xác định độ dao động mật độ từ thông NCVC (1) hình vẽ 18 rơto (2) quay Biết rằng, tổng từ dẫn khe hở không khí rơ to (2) vị trí quay 90° so VỚI vị trí thấy Hình 21 2,2.10‘7 Vs.A'1 (bỏ qua từ thôno tản) Cho biết, hệ số phục hồi thép Wolfram a = 0,63 ỉ Giải Trong rơto (2) quay, khe hở tăng giảm lặp lặp lại theo chu kỳ, mật độ từ thông NCVC (1) giảm tăng, theo chu kỳ, glá trị mật độ từ thông dao động hai giá trị Nhưng giá trị không nằm đường khử từ, mà nằm đường phục hồi từ 314 GIÁO TRÌNH KHÍ cụ DIỆN CHƯdNG V: MẠCH Từ Cách xác định hai giá trị mật độ, từ thông sau: Dùng đường khử từ cho Hình 22 Từ gốc tọa độ, vạch đường thẳng ứng với từ dẫn lớn nhỏ Đường giao với đường khử từ điểm A, đường điểm B Khi rôto vị trí hình 18, thl mật độ từ thông NCVC ứng với điểm A (0,63Vs.m'2) Sau rơto quay 90° mật độ từ thông rơi xuống giá trị ứng với điểm B (0,2Vs.m‘2) Nhưng rôto tiếp tục quay 90°, từ dẫn khe hở tăng lên, giá trị B - H không tăng theo đường khử từ từ điểm B lên điểm A, mà tăng theo đường cung BE C Mật dộ từ thông tăng lên giá trị ứng với điểm c (0,38 Vs.m'2) Rôto tiếp tục quay 90° từ dẫn khe hở khơng khí giảm, giá trị B-H giảm theo đường cung CEB giá trị mật độ từ thông giảm đến giá trị ứng với điểm B (0,2Vs.m‘2) Trong q trình tiếp theo, mật độ từ thơng dao động chu kỳ điểm c B, nghĩa hai giá trị 0,38 Vs.m'2 0,2Vs.m'2 Đường thẳng BC có góc nghiêng p, mà tgP = a gọi hệ số phục hồi, thông số đặc trưng vật liệu từ cứng Y2 Đường thẳng có góc nghiêng Yi đường thẳng có góc nghiêng Giá trị chúng xác định bằng: m Yi = Mo jì_ «*#/ 5, m„ J = arctg 2Ổ mB G5 = 1/2 1,7.10'6Vs,A ' ; I, = 19cm = 19.10'2m; s , = 10cm2 = 10.10'4m2 10 mH= '1000 ~ m c A 10/77/7? Am~'O.ỈVs.m1 mB = 10/77/77 10/72/77 c ! + /?, cm -29 Tính đường kính d dây quấn là: |2.2.4.l0-‘ (58t 28)9100 d = V V 220 Chọn đường kính tiêu chuẩn d = 1,30mm, có tiết diện s = 1,327mm2 Dây bọc emay dường kính dây kể cách điện là: d;=1,3+0,14=1,44mm Tiết diện bọc cách điện là: s1= 1,63mm2 2) Giai đoạn tính tốn xác Tính tốn kích thước h, h2, D3 sở tiết diện A khơng đổi: 27iRi.hi = rtRí2 = A h, = R,/2 = 14/2 =7cm ĩ R h = T i R t h2 = ( R 32 - R R2 = V z(R,2/ R2) = 1/2 (142/ 29) = 3,4cm 22 ) = t iR i + R; =V l4 + = 32,20cm D3 = 64,4c/?r Bố trí xếp cuộn dây kiểm tra tăng nhiệt: 322 GIAO TRINH KHI cụ ĐIỆN CHƯdNG V: MẠCH TỬ Chiểu cao để quấn dây: ho = 0,6.h = 0,6.10 = 6cm Bề rộng cuộn dây: Co = (R2 - Ri) - A = ( 29 - 14 ) - = 13 cm Ồ đây, A bề dày khung cuộn dây cách điện bọc cuộn dây ước tính vào khoảng A = 2cm Số vịng dây có thề quấn lớp dây: n0 = ( h0/d ') = 60/1,44 = 40 Vòng Số lớp dây: m0 = (Co/d7) = 130/1,44 = 90 lớp Số vịng dây quấn: N = n0.m0 = 40.90 = 3600 (vịng) Chiểu dài trung bình vòng dây ltb: , 'b D, + D _ 28 + 58 2 = ——— -T t - ——— 3,14 = 135 Điện trở cuộn dây: R = Hoặc: 11 R= p ^ - = 2.4.10~(>fìcffl 360Q Ĩ3 ^cm „ 87,962 1,327.10~2cm2 r/V 220 N = -= = — 3600 = _ 9100 UM = 0,0242.3600 = 87Í2 Dịng điện: I = U/R = 220/87,9 = 2,5A Mật độ dòng diện: / j —— = —— — * 1,9 / mm s 1.327 Hệ số lấp đầy sổ quấn dây lõi thép: '3600.1,63.10 : s N c h 15.10 = 0,39 Hệ số lấp đầy cuộn dây: 3600.1,63.10“2 - = ———————— = 0,75 (lớn giá trị chọn) 13.6 c0 N S k,_, = ■Iri Hệ số quấn dây: kl, ỵ ì =m = ỉỉ L =m i'474 10' p R I-R 87,9 ( 1/Q) Bể mặt tỏa nhiệt cuộn dây (khơng tính mặt cuộn dây) 323 GIÁO ĨRiÌNH KHÍ c ụ ĐIỆN CHƯƠNG V: MẠCH TỪ s = ltb.(c0+2h0) = 135.(13+2.6) = 3375cm2 Trọng lượng cuộn dây: M= Y -S ltb -N = 8,9 1,327.10'2.135.3600 = 57398g = 57,4 Kg Thời phát nóng cuộn dây: C.M 0_ ,3 ,4 = 5 0 i’ = (phút) kT.S12.10~ 4.3 T= Trong đó: c = 0,39 Ws/g.°c nhiệt lượng riêng đồng Tăng nhiệt là: p _ T = a —-——= kT,S R-l2 -——=_, a — — = a a kT.S kT.k2.S 91002 = 60 ° c - 0,412.10~j.1,47.105.3375 ĩ = ° c < ° c (tăng nhiệt cho phép) 324 _ — , MỤC LỤC GIÁO TRÌNH KHÍ cụĐIỆN TRANG NỘI DUNG Chương 1: Phát nóng khí cụ điện I Các tổn hao thiết bị kỹ thuật điện II Quá trình phát nóng nguội vật thể có nguồn nội 14 III Tính tốn với chế độ làm việc 19 IV Tính tốn với truyền toả nhiệt 28 Câu hỏi ôn tập 37 Bài tập 41 Chương 2: Lực điện dộng 73 I Khái niệm chung II Tính tốn lực điện dộng vật dẫn dịng 73 DC 73 III Tính tốn lực điện dộng vật dẫn trongdòng AC 88 IV Dòng bền điện động 93 Câu hói ơn tập 95 Bài tập 95 Chương 3: Tiếp xúc điện 125 I Khái quát 125 II Tính tốn tham số tiếp xúc 128 325 Chương 4: Hổ quang điện 157 I Khái quát 157 II Hồ quang điện DC 162 III Hồ quang điện AC 172 Câu hỏi ôn tập 182 Bài tập hổ quang điện dập tắt hồ quang điện 183 Khảo sát đóng cắt mạch Matlab 243 Chương 5: mạch từ 249 I Khái qt 249 II Phân tích mơ tả từ trường 253 III Lực hút điện từ 265 IV Tính tốn cuộn dây mạch từ nam châm điện 270 V Các biện pháp thay đổi thời gian tác động nam châm điện 281 Bài tập nam châm diện từ 285 Bài tập lõi thép nam châm vĩnh cữu 302 Mục lục 325 Tài liệu tham khảo 327 326 T À I L IỆ U TH A M KHẢO I/-KHÍ CỤ ĐIỆN, LÝ THUYẾT, TÍNH TOÁN, LựA CHỌN VÀ s DỤNG Nguyễn Xuân Phú - Tô Đằng NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội 1978-1986-1996-1998-2001 II/- KỸ THUẬT ĐIỆN I N guyễn Chu Hùng - Tôn Thất cảnh Hưng Tirường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh III/- CẨM NANG THIẾT BỊ ĐÓNG CẮT ABB Lê Văn Doanh dịch N XB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội 1998 IV/- ELEKT RITSEXKIE APPARATƯ T/AEV l.s M atxcơva “ ENERGHIA” 1977 Mí- VẬT LÝ ĐẠI CƯONG t ậ p II Lương Duyên Bình - Dư Trí Cơng - Nguyễn Hữu Hồ Nlhà Xuất Bản Giáo Dục 1997 VI,/-TRƯỜNG ĐIỆN Từ Ngô Nhật Ánh - Trương Trọng Tuấn My Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 1995 327 GIAO TRINH KHI cụ ĐIẸN TS HỒ XUÂN THANH - ThS PHẠM XUÂN Hổ NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP Hổ CHÍ MINH Khu phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TPHCM Số Công trường Quốc tế, Quận 3, TP HCM ĐT: 38 239 172- 38 239 170 Fax: 38 239 172 - E-mail: vnuhp@/nuhcm.edu.vn C h ịu trá c h n h iệ m x u ấ t b ả n TS HUỲNH BÁ LÂN T ổ c h ứ c b ả n th ả o c h ịu trá c h n h iệ m v ề tá c q u y ề n CÔNG TY TNHH THUẬN TÂM HUY B iê n tậ p NGUYỄN ĐỨC MAI LÂM Sửa QUỐC AN T h iế t k ế b ìa CƠNG TY TNHH THUẬN TÂM HUY TỔNG PHÁT HÀNH CÔNG TY TNHH THUẬN TÂM HUY 742 Điện Biên Phủ, Phường 10, Quận 10, Tp Hổ Chí Minh Điện thoại: 08 38334168 - 08 38339873 Fax: 08 38334168 Website: www.tthbooks.com hay www.stkbook.com Mail: tthbooks@yahoo.com - stkbook%ahoo.com.vn TK.01.Đ(V) ĐHQG HCM- 10 191-2010/CXB/517 - 08 Đ.TK.349-10 (T) In 1000 khổ 16 X 24cm, Công ty in Hưng Phú Số đăng ký kế hoạch xuất bản: 191 - 2010/CXB/517-08/ĐHQGTPHCM Quyết định xuất số: 138/QĐ-ĐHQGTPHCM cấp ngày 27/5/2010 Nhà xuất ĐHQGTPHCM In xong nộp lưu chiểu quí III, 2010 ... HÔ' XUÂN THANH - ThS PHẠM XUÂN Hổ GIÁO TRÌNH KHÍ CỤ DIỆN (Dùng ch o c c trường đợ i h ọ c khối c ô n g nghệ) NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC KIA THÀNH PHƠ HỒ CHỈ MINH LỜI NĨI ĐẦU Trong lĩnh vực Điện- Điện... TRONG KHÍ cụ ĐIỆN GIÁO TRÌNH khí cụ đ iệ n c Tổn hao công suất thành phẩn cách điện Vật liệu cách điện có điện trở lớn, có dịng rị dù vơ nhỏ nên tổn hao dịng rị tính vật liệu dẫn điện Với điện trường. .. thuật điện trường Đại học Su phạm Kỹ thuật Xin chân thành cảm ơn Tác giả GIÁO TRINH KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG l: PHÁT NĨNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN CHƯƠNG I PHÁT NĨNG TRONG KHÍ cụ ĐIỆN Tất thiết bị điện cấu