CƠ SỞ LÝ THUYẾT KHÍ CỤ ĐIỆN
Nam châm điện
1.1.1 Đại cương về nam châm điện
Nam châm điện (NCĐ) là thiết bị điện từ chuyển đổi điện năng thành cơ năng, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực NCĐ đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu truyền động của rơle điện cơ, công tắc, thiết bị đóng cắt và bảo vệ Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong các cơ cấu chấp hành của van điện từ, khớp nối, phanh hãm, bộ ly hợp kiểu điện từ, cũng như trong các cần trục nâng thép, loa điện và chuông điện.
1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Hình dáng, kết cấu và kích thước của NCĐ rất đa dạng, tùy thuộc vào chức năng và mục đích sử dụng NCĐ bao gồm hai bộ phận chính: cuộn dây (phần điện) và mạch từ (phần từ).
Trong thực tế ta thường gặp hai loại sau: loại có nắp chuyển động và loại không có nắp chuyển động
Loại thiết bị có nắp chuyển động bao gồm cuộn dây, lõi sắt từ và nắp Khi khóa K được đóng, dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây, tạo ra sức từ động.
F = (iw) được sinh ra từ từ thông 0, bao gồm hai thành phần: từ thông đi qua khe hở không khí làm việc giữa nắp và lõi sắt, tạo ra lực hút điện từ tác dụng lên nắp Khi lực này vượt quá lực kéo của lò xo 4, nắp sẽ bị hút về phía lõi của NCĐ Một phần từ thông tổng không đi qua khe hở không khí mà khép kín từ thân này sang thân kia được gọi là từ thông rò r Khi cắt khoá K, dòng điện trong cuộn dây i = 0, lực hút điện từ không còn, lò xo 4 sẽ đưa nắp về vị trí ban đầu Cữ chặn 5 được sử dụng để điều chỉnh khe hở không khí .
- Loại không có nắp: gồm có cuộn dây và lõi sắt từ Đối với loại này, các vật liệu sắt thép bị hút được xem như là nắp
Hình 1.1 Cấu tạo nam châm điện
- Theo tính chất dòng điện: gồm NCĐ một chiều và NCĐ xoay chiều
Trong NCĐ xoay chiều, mạch từ được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật điện mỏng, trong khi đó, NCĐ một chiều thường sử dụng mạch từ dạng khối được làm từ thép ít cacbon.
- Theo hình dáng : + Loại hút chập hay hút quay, nắp quay quanh 1 trục;
+ Loại hút thẳng: nắp hút thẳng về phía lõi;
+ Loại hút ống (còn gọi là loại pittông)
- Theo cách đấu cuộn dây của NCĐ: gồm cuộn dây mắc nối tiếp với tải và cuộn dây mắc song song với nguồn
1.1.2 Mạch từ và cuộn dây nam châm điện
Mạch từ là thành phần quan trọng trong các thiết bị điện từ như máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện Thông thường, mạch từ được chế tạo từ vật liệu sắt từ và có thể được thiết kế dưới dạng mạch không phân nhánh hoặc phân nhánh.
Mạch từ có thể bao gồm nhiều đoạn với tiết diện và vật liệu khác nhau, thậm chí có thể có những đoạn ngắn là khe hở không khí.
Vị trí cuộn dây kích thích trên mạch từ không làm thay đổi cường độ từ trường (H) và hình dạng đường sức Tuy nhiên, cường độ từ cảm (B) và cường độ từ trường (H) sẽ có sự khác biệt trong các đoạn mạch từ phân nhánh Trong một đoạn mạch từ, B và H có mối quan hệ tương ứng với nhau.
H là không đổi (mạch từ không phân nhánh)
2 Các tham số của mạch từ
Bảng 1.1 Tham số của mạch điện và mạch từ
E Sức điện động F F = iw Sức từ động (Ampere-turns: At)
I Dòng điện m Từ thông (Weber: Wb) – Giá trị biên độ
Z Tổng trở Z Z = R + jX Tổng trở từ
J Mật độ dòng điện Bm Bm = m/S Cường độ từ cảm
E Điện trường (V/m) H H= F/l Cường độ từ trường
Điện dẫn suất (1/m) Hệ số từ thẩm vật liệu từ (H/m)
B: đơn vị là Wb/m 2 (weber/meter 2 ) hoặc T (Tesla):
Một số đơn vị dẫn xuất của từ cảm:
1 Tesla = 1 weber/meter 2 = 64,516 lines/square inch = 10 4 Gauss
H: đơn vị là At/m (ampere -turns/meter)
1 amper-turns/inch = 39,3701 ampere-turns/meter
3 Các định luật cơ bản về mạch từ a Định luật toàn dòng điện
Tích phân đường của cường độ từ trường theo một vòng từ khép kín bằng tổng sức từ động của vòng từ đó
Ví dụ như mạch từ hình 1.1 thì ta có:
H l + 2H = (iw) trong đó: H và H là cường độ từ trường trong mạch từ có chiều dài l và tại khe hở không khí b Định luật Ôm (Ohm) của mạch từ
Trong một đoạn mạch từ: Từ áp rơi trên một đoạn mạch từ bằng tích của từ thông với từ trở R của đoạn mạch từ ấy μ μ ΦR
Trong toàn mạch từ: Từ thông của mạch từ khép kín bằng tích số của sức từ động F với từ dẫn G của mạch từ
= (Iw).Gμ c Định luật Kiêckhôp 1 (Kirchhoff 1)
Trên mọi điểm của mạch từ tổng từ thông đi vào bằng tổng từ thông đi ra: n 0
Với một mạch từ khép kín, tổng từ áp của các đoạn mạch từ bằng tổng sức từ động:
Ví dụ như mạch từ hình 1.1 thì ta có: δ δ μ δ G
Đường cong từ hóa là đặc tính cơ bản nhất của vật liệu từ, thể hiện mối quan hệ phi tuyến phức tạp giữa từ trường B và cường độ từ H, không thể diễn đạt bằng các hàm giải tích.
Hình 1.2 thể hiện đường cong từ hoá của vật liệu từ mềm, với hệ số từ thẩm tương đối được tính bằng r = Fe/0 Khi giá trị H lớn, từ trở của mạch từ sẽ gia tăng đáng kể.
r bé (gọi là vùng bão hoà) Từ trở của mạch từ sẽ nhỏ nhất khi Fe đạt cực đại tại
Femax (điểm bão hoà) Phần phía dưới của điểm bão hoà gọi là vùng tuyến tính của đường cong từ hoá.
Hình 1.2 Đường cong từ hoá của vật liệu từ
4 Từ dẫn của khe hở không khí
Khi điểm làm việc của mạch từ nằm trong vùng tuyến tính của đường cong từ hóa, độ từ thẩm μFe của sắt từ lớn khiến từ trở của nó rất nhỏ Do đó, toàn bộ từ trở của mạch từ chủ yếu phụ thuộc vào từ trở của khe hở không khí Áp dụng định luật Ôm cho đoạn mạch từ, ta có thể diễn đạt mối quan hệ này như sau: μδ δ Uδ.
(A.t/m) (T) trong đó: U là từ áp rơi trên khe hở không khí ; là từ thông đi qua khe hở không khí
Nếu không tính đến từ thông tản, từ trường tại khe hở có thể được coi là đều Do đó, công thức (1.5) sẽ được đơn giản hóa.
G : Làtừ dẫn khe hở không khí (H) hoặc Wb/A
o : Hệ số từ thẩm không khí hoặc chân không (H/m)
S : Tiết diện mạch từ mà từ thông đi qua (a x b) (m 2 ) Công thức (1.6) chỉ áp dụng tính cho những trường hợp khe hở không khí rất bé và đều nhau như:
- Với cực từ hình trụ: S = d 2 /4, /d 0,2;
- Với cực từ hình chữ nhật: S = a.b; /a, /b 0,2
Khe hở không khí thường có kích thước lớn và hình dạng phức tạp, vì vậy cần xem xét đến từ trường tản Để tính từ dẫn của khe hở không khí, chúng ta áp dụng các phương pháp phù hợp.
- Phương pháp phân chia từ trường;
- Phương pháp tính từ dẫn theo công thức kinh nghiệm;
- Phương pháp đồ thị (kết quả có độ chính xác không cao, ít được dùng) a Tính từ dẫn (G) bằng phương pháp phân chia từ trường
Phương pháp này chia từ trường trong khe hở không khí thành các thành phần với hình dạng đơn giản Sau đó, người ta tính toán từ dẫn của từng thành phần và tổng hợp các kết quả để xác định từ dẫn tổng của khe hở không khí Công thức cơ bản để tính từ dẫn dựa trên các phép biến đổi nhất định.
Công thức S δ = μ V δ δ (1.7) thể hiện mối quan hệ giữa mặt cắt trung bình Stb, độ dài trung bình của đường sức từ δtb và thể tích V của hình Mặt cắt Stb được xác định vuông góc với đường sức từ, trong khi δtb phản ánh chiều dài trung bình của các đường sức từ trong hình.
Lực điện động trong khí cụ điện
1.2.1 Các phương pháp tính lực điện động
Khi dòng điện chạy qua các chi tiết của mạch vòng và giữa các mạch vòng gần nhau, sẽ sinh ra lực điện động (LĐĐ) Trong chế độ dòng điện xác lập, LĐĐ không đáng kể do dòng điện định mức thấp Tuy nhiên, trong chế độ ngắn mạch, dòng điện có thể tăng lên gấp hàng chục lần trị số định mức, tạo ra các LĐĐ lớn Những dòng điện này tương tác với từ trường, gây hư hỏng cho thiết bị điện, dây dẫn và cách điện LĐĐ đạt giá trị lớn nhất khi dòng điện đạt trị số cực đại, được gọi là dòng điện xung kích.
Với điện xoay chiều, dòng điện xung kích được tính theo công thức:
Hệ số xung kích của dòng điện (Kxk) được xác định bằng công thức Ixk = Kxk 2Inm, trong đó Kxk thường lấy bằng 1,8 và Inm là trị hiệu dụng của dòng điện ngắn mạch Độ bền điện động của thiết bị điện phản ánh khả năng chịu đựng lực điện động (LĐĐ) do dòng điện ngắn mạch tạo ra Việc tính toán LĐĐ thường được thực hiện qua hai phương pháp chính: theo định luật Bio -Xava-Laplace và phương pháp cân bằng năng lượng.
1 Phương pháp tính LĐĐ theo định luật Bio - Xava - Laplace
Theo phương pháp này, lực điện động được hình thành từ sự tương tác giữa dây dẫn mang dòng điện I và từ trường do một dây dẫn khác tạo ra.
Khi một đoạn mạch vòng nguyên tố dl1(m) dẫn dòng điện i1(A) trong từ trường với từ cảm B(T), sẽ xuất hiện một lực dF(N) tác động lên đoạn mạch này Lực này được tính theo công thức dF = B * l * i * sinβ, trong đó β là góc giữa từ trường và dòng điện.
Lực điện động tác động lên đoạn mạch vòng có chiều dài l1 (m) được tính bằng tổng các lực thành phần, trong đó góc giữa B và d l1 được xác định theo hướng của dòng điện i1.
Hình 1.9 Lực điện động tính theo định luật Bio - Xava - Laplace
Khi mạch vòng nằm trong môi trường có độ từ thẩm cố định (μ = const), như trong chân không hoặc không khí, việc xác định từ cảm B trở nên thuận tiện nhờ vào định luật Bio - Xava - Laplace Định luật này cho phép tính toán cường độ từ trường dH tại điểm M, cách dây dẫn dl2 có dòng điện i2 chạy qua một khoảng r, theo công thức dH = 2 2 2.
(1.24) trong đó là góc giữa vector dl2 và bán kính r
Từ cảm ở điểm M sẽ là: dB = 0 0 2 2 2
Khi thanh dẫn dl1 mang dòng điện i1 nằm trong từ trường B do thanh dẫn dl2 mang dòng điện i2 tạo ra, lực điện động có thể được tính bằng cách thay thế từ cảm B vào công thức (1.23).
Biểu thức dưới dấu tích phân trong công thức (1.27) phụ thuộc vào kích thước, hình dáng và khoảng cách giữa hai mạch vòng.
Kc là hệ số kết cấu của mạch vòng
Hướng của lực F được xác định thông qua tích véctơ của dòng điện i1 và từ trường B Trong các trường hợp đơn giản, hướng của vector từ cảm được xác định theo quy tắc vặn nút chai, trong khi hướng của lực điện động (LĐĐ) được xác định theo quy tắc bàn tay trái.
2 Tính lực điện động theo phương pháp cân bằng năng lượng
Xét hệ hai vật dẫn mang hai dòng điện i1 và i2 đặt song song cách nhau một khoảng x Năng lượng từ trường của hệ là:
Trong đó: L1 và L2 là điện cảm của mỗi vòng; M là hỗ cảm của 2 vòng
Nếu hệ chỉ có 1 mạch vòng mang dòng điện i với điện cảm L thì:
Nếu hệ có hỗ cảm M và điện cảm mỗi mạch vòng không đổi thì: W = M.i 1 i 2
Hướng của LĐĐ trong trường hợp này làm cho mạch vòng có xu hướng to ra để từ thông qua nó lớn hơn
1.2.2 Tính toán lực điện động ở các trường hợp thường gặp
1 Lực điện động ở các thanh dẫn song song
Nếu khoảng cách a giữa 2 thanh dẫn rất nhỏ so với chiều dài l của chúng và bỏ qua tiết diện dây dẫn thì:
2 Lực điện động ở thanh dẫn vuông góc
Nếu a