Giáo trình Cơ sở Khí cụ điện

Chia sẻ: Zippro Zippro | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

5.949
lượt xem 1.790
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khí cụ điện là các thiết bị điện dùng để đóng, cắt, bảo vệ, điều khiển, ổn định các mạch điện (đo lường) điện áp, công suất (theo chức năng). Điều khiển tin cậy, chọn lọc, tự động lập lại. Đóng cắt là chức năng quan trọng, không dòng điện (an toàn), nhìn thấy khoảng cách (dao cách ly). Tài liệu thích hợp cho các bạn nghiên cứu sinh học tập tốt hơn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cơ sở Khí cụ điện

Môn Cơ sở Khí cụ điện Khí cụ điện
§1.1 :Bài Mở đầu * Khí cụ điện là các thiết bị điện dùng để đóng ,cắt , bảo vệ , điều khiển, ổn định các mạch điện (đo lường) điện áp ,công suất (theo chức năng ). - Điều khiển: Tin cậy ,chọn lọc,tự động lập lại. - Đóng cắt là chức năng quan trọng ,không dòng điện (an toàn ) ,nhìn thấy khoảng cách (dao cách ly) . +Ngắn mạch rất khó khăn khi cắt dòng ,dùng cầu chì , máy cắt ,aptômát (hạ áp). + Quá tải có thời gian(rơ le nhiệt). -Điều khiển : các thiết bị công tác làm việc với các chế độ khác nhau . • Khí cụ điện theo điện áp : - Khí cụ điện cao áp Uđmức >1000V - Khí cụ điện hạ áp Uđmức 400 kV) * Khí cụ điện dạng dòng : +Khí cụ điện một chiều + Khí cụ điện xoay chiều • Khí cụ điện nguyên lý làm việc : + Điện cơ + Điện từ + Điện nhiệt Chương I : Nam châm điện . §1.1: Đ ại cương nam châm điện . 1,Sơ đồ:
5 4 3 2 δ Φδ + U Φr Φo 1 1-mạch từ tĩnh ; 2-cuộn dây; 3-mạch từ động( nắp); 4-lò xo nhỏ; 5-cứ chặn Φ0 từ thông ∑; Φδ :từ thông làm việc ; Φr :từ thông rò; δ :khe hở làm việc ; Định nghĩa : Nam châm điện l à một cơ cấu điện từ biến điện→ từ →cơ (lực ,mô men). - Đóng K → xuất hiện I trong cuộn dây ư vòng . F = ιω :sức từ động [Avòng ] F sinh ra từ thông : +Φδ →lực điện từ hút nắp (không phụ thuộc chiều i) m à € δ + Φr -μ : [ H/m ] đặc trưng cho độ dẫn điện. μ0 = 4π 10 −7 H/m (chân không , không khí ) →tuyệt đối. μx - Độ dẫn từ tương đối μ0 φ - Mật độ từ thông B = ;S : tiết diện cực từ; B [ Wb/m2 ] , [ T ] . S B - Cường độ từ trường : H = [ T/H/m ] , [ A/m ], [Tm/H ]. μ
1l - Từ trở : Rμ = [ H-1 ] μS 1 S - Từ dẫn : G= =μ [H] Rμ l B III II I H dB I _tuyến tính; μ= dH III _bão hoà ; II _phi tuyến → tính toán phức tạp. * Phân loại : - Nam châm điện nối tiếp :cuộn dây nối tiếp với phụ tải →dòng điện phụ thuộc phụ tải . - Nam châm điện song song :cuộn dây song song với phụ tải . - Nam châm điện xoay chi ều ( AC ) Nam châm điện một chiều ( DC ). 2,Các định luật cơ bản: 2.1, Định luật Ôm : Uμ Φ= = U μG Rμ 2.2, Định luật Kirchoff 1 : ∑ Φ = 0 i
2.3, Định luật Kirchoff 2 : F = ∑ U μi = Φ(R + ... + R μn ) μ1 2.4, Dòng điện toàn phần : F = ∫ Hdl l 3, Ứng dụng: sử dụng rộng rãi trong các cơ cấu truyền động , công tắc tơ ,…, thiết bị bảo vệ ngắn mạch trong máy cách điện ,dùng trong điều khiển ,các cơ cấu phân ly , phân loại cơ cấu điện từ chấp hành ( phanh hãm điện từ ). 4, Tính toán nam châm điên : - Mạch từ phi tuyến →tuyến tính hoá . 1l -Khó xác định chính xác từ trở của mạch từ : Rμ = chỉ đúng cho tuyến tính đều. μS §1.2 : Từ dẫn mạch từ. * Phần sắt từ :phụ thuộc điểm làm việc trên đồ thị B(H) S Vd: G Fe = μ Fe l nếu điểm làm việc thuộc vùng tuyến tính μ= const , μFe >> μ0 →bỏ qua từ trở sắt từ . * Phần không khí : - Ở khe hở không khí lam việc + Từ dẫn rò. Φ - Công thức chung : Gδ = δ U μδ → không khí không phụ thuộc vào điểm làm việc B(H) . - δ < < S → coi trường điện từ ở δ là trường song phẳng (đều)
Φδ BS S b Gδ = = = μ0 [H] m a U μδ Hδ δ δ →bỏ qua từ thông tản m δ Điều kiện :  d ≤ 0.2 d - đường kính nêú hình trụ δ  ≥ 0.2 d 1, Phân chia từ trường : → Chia từ trường thành các vùng đơn giản Tính dần các trường thành phần Tổng hợp lại a2 * Với hình hộp chữ nhật : G δ0 = μ 0 δ -1/2 trụ đặc : δ tb G δ2 = μ 0 S tb V ⇒ G δ2 = μ 0 = 0.26μ 0 a δ2 tb a δ 2a G δ3 = μ 0 - ½ trụ rỗng : δ  ( m=1:2δ ) π + 1 m 
- ¼ cầu đặc : G δ4 = 0.077μ 0 δ m - ¼ cầu rỗng : G δ5 = μ 0 4 G δ = G δ0 + G δ2 + G δ3 + G δ4 + G δ5 16 G δ − G δ0 = ∑ G δi →từ dẫn tản 2 Gδ G + Gt G Hệ số từ tản : δ t = = δ0 = 1+ t G δ0 G δ0 G δ0 Khi δ nhỏ ;a,b lớn → G t 〈〈 G δ0 → δ t = 1 δ càng lớn δ t ↑ → Kết quả tương đối chính xác nhưng phức tạp → dùng tính toán kiểm ngiệm. 2, Tính bằng công thức thực nghiệm ( kinh nghiệm ): Bảng ( 1-3) 3, Tính bằng hình vẽ : Khi cực từ khức tạp không dùng 2 loại trên thì vẽ bức tranh từ trường +Đường sức từ → dẫn +Đường đẳng thế §1.3 : Mạch từ một chiều . - F = ιω # f ( t ) . U, I không phụ thuộc vào t → Mạch không tổn hao do xoáy , từ trễ - Hai bài toán : + Thuận : Cho Φ tính F +Ngược : Cho F tính Φ Khó khăn : +Từ dẫn khó tính chính xác . +Phi tuyến vật liệu từ . +Thông số rải →tập trung. 1,Mạch từ 1 chiều bỏ qua từ thông rò : -Khi Φ ro 〈〈 Φ . - Mạch từ hìh xuyến . A, Thuận :
i δ S ltb biết Φ δ tìm F = ιω ⇒ mạch từ thay thế : Φ δ = Φ Fe vì Φ rò = 0 F = Φ δ ( R µFe + R δ ) R µFe Rδ S Gδ = µ0 F δ 1 l tb Rµ = B µ S Bh Φ ⇒ B= →H S H
Mạch từ một chiều I=const →F= const không phụ thuộc vào δ UFe ↑ →bão hòa . b, Ngược : biết F F = IW = Φ( R μFe + R δ ) → tính được R δ ⇒ Phương pháp dò trên cơ sở bài toán thuận : có thể dựng hình →kết quả trường hợp đặc biệt . IW = Φ(R μFe +R δ ) = Hl tb + BS GS IW BS =H+ l tb G δ l tb B M Bδ α H 0 H - Lấy OA= IW/ltb ; 1 - Từ A dựng α ; tgα = . G δ l tb 2,Mạch từ 1 chiều có xét tới từ thông rò : a, Bỏ qua từ trở sắt từ : μ Fe 〉〉μ 0 ⇒ R Fe → 0 - Khi nghiệm nằm trong vùng tuyến tính của B( H )
IW x Φδ δ Φ δl − Φ δx IW U µ = F = Hl x l d Uμ Φδ x x Φδ Φδ Mạch từ thay thế : Φδ G δ1 Grò G δ2 Φ0 IW Gr =kgrl gr : dẫn suất từ dò ; k
lS lS G δ1 = μ 0 ; G δ2 = μ 0 . δ1 δ2 +Thuận : Φ → F + Ngược : F → Φ ιω * Gọi f = l x U µx = fx = ιω ( từ áp tại điểm α ) l x Từ thông rò tại dx : dΦ rò = U µx dG rò = ιω g r dx l ιω l 2 1 ⇒ Φ rx = gr ⇒ Φ rl = ιω lg r = ιωG r l 2 2 1 ⇒ G r = lg r từ dẫn rò qui đổi theo Φ ( Nam châm 1 chiều ) 2 Sức từ động F ~ điện áp Từ thông Φ ~ dòng điện - Từ thông móc vòng Φω = ψ Iω 2 dψ rx = ω x dΦ rx = 2 g r x 2 dx l Iω 2 Iω ψr = g r l = ω g r l = ωΦ 3 3 1 ⇒ G r = g r l →Nam châm diện 3 - Hệ số từ rò : Φ Φ + Φr Φ δr = 0 = δ = 1+ r Φδ Φδ Φδ b, Không bỏ qua từ trở sắt từ : - Điểm làm việc ở vùng bão hòa của B( H)
x δ Uμδ 1 1’ 2 2’ l12 3 3’ l23 4 4’ l34 Uμ nắ p Φn Rδ Φδ R′ δ 1′ x R 12 Φr1 ′ Φδ R 12 2′ R 23 Φr2 R′ 23 3′ Φ R 34 Φr3 R′ 34 4′ Φd
- Giải bằng phương pháp đoạn mạch từ (tại sao 3 đoạn ) - Tính từ trở (dẫn ) của không khí ( chia1 đoạn sai số lớn hơn ) n ( Iω) ∑ = ∑ ( Iω) i i =1 * Thuận : cho Φ δ → F Φδ Φδ Φ δ = BnSn ⇒ Bn = = → H → µn Sn S B (H ) 1 ln Rn = → U11' → R r1 µ n Sn Φ 11' = Φ r1 + Φ δ → Φ 11' Φ 11' B11' = → B( H ) S μ 11' → R 12 * Ngược : cho F → Φ δ dùng phương pháp dò - Dùng hệ số từ rò Tại bất cứ điểm α ;  Φ  Φ x = Φ δ + Φ rx = Φ δ 1 + rx  = Φ δ σ rx   Φδ  - Từ dẫn và điện cảm : L = w2G ; G- từ dẫn w –số vòng dây L –điện cảm XL = wl =2лfl ; f # 0 §1.4 : Mạch từ xoay chiều . + I biến thiên → tổn hao do từ trễ và dòng xoáy . U U I= = Z R2 + X 2 L U U I= = ωl 2πfω 2 G
R
IR -E U Uμ Φxμ In.m ΦRμ Xác định Xμ –từ kháng ιω = Φ δ R δ = ι n ω n l w dΦ δ ιn = n = − n rn rn dt w 2 dΦ δ U µ = ιω = Φ δ R δ + rn dt w2 Ln = x ; rn - điện trở vòng ngắn mạch rn 1 X µ = ωL µ = 2πf rn Z µ = R µ + jX µ Zµ = R µ + X µ 2 2 §1.5 : Cuộn dây nam châm điện . - Chức năng cuộn dây : + sức từ động iw + không được hỏng ( nóng ) U = Uđm - Các thông số : + diện tích chiếm chỗ cuộn dây ( cửa sổ mạch từ )
h Scd = hl [ mm2 ] ; = m - tỉ số hình dáng dây . l m=1 ÷ 2 → xoay chiều 2 ÷ 4 → một chiều + số vòng dây w : - tiết diện dây quấn q [mm2 ] -đường kính d [ m ] ( không kể bề dày cách điện ) + Hệ số lấp đầy cuộn dây : S ωq K đ = Cu = ( 0.3 ÷ 0.7 ) S cd lh - Kđ phụ thuộc : + Cuộn dây có khung ? → khái niệm cách điện , chịu nhiệt . +Chủng loại dây quấn ,hình dạng chủng loại cách điện , kích cỡ dây quấn. +Có cách điện lớp hay không +Phương pháp cuốn dây . +Điện trở cuộn dây ρωl tb l +l R= ; l tb = t n q 2 I +Mật độ dòng điện trong cuộn dây : j= [A/mm2 ]; q j = (1.5 →4 )→dây cuốn Cu làm việc ở chế độ dài hạn =(10→30) →dây cuốn Cu làm việc ở chế độ ngắn hạn. 1, Cuộn dây nam châm điện 1 chiều : Cho sức từ động IW ,cho điện áp Uđm cuộn dây ,chế độ làm việc . → Tính các kích thước , thông số của cuộn dây . • Chọn j , Kđ , ρ - Xác định Scuộn dây : q ιω ωq ιω ι kđ S cd = lh = = = kđ kđ j l=? h =m⇒ l h=? Xác định ltb , biết kích thước cực từ ,Scd
U U Uω Uq iω = ω= ω= = R l l ω ρl tb ρ tb ρ tb S q ρ Cu ( 00 c ) = 0.017 [ Ω mm2/m ] - q → d → chuẩn hóa ( làm tròn ) S cd l cd - Số vòng : ω = q l tb ω - Điện trở : R = ρ q - Tổn hao công suất : P = I2R - Độ tăng nhiệt của cuộn dây ở chế độ dài hạn : P [ W] τ= [ C][ W  2 ] [ ] 0 K T ST m2 0 C m   KT : hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ ;KT = (6-14 )[ W/0C m2 ] –tự không khí . ST = St + Sn + 2Sđáy . - Nhiệt độ thoát nóng bề mặt cuộn dây : θ =θ0 + τ ( θ0 – nhiệt độ môi trường ) Nếu w rất lớn thì iw # f(δ) 2, Cuộn dây ,nâm châm điện xoay chiều : E = 4.44fωΦ m ( Φm- từ thông tổng , Φm = Φ0 + Φr ) ≈U E E 0.85U đm * Cho б ,Φm → ω = = = 4.44fΦ m 4.44fB m S 4.44fB m S ωq S cd = ⇒q kđ Sức từ động : ( iw ) = f(δ) - ở chế độ dài hạn ( trạng thái hút ) δ = 0.5 [mm] → khe hở công nghệ và chồng đỉnh . Φ - Imω = m G (δ = δ ) ∑ min ( I m ω) 1 → I= ; q = I → S cd 2ω j
3, Tính lại cuộn dây khi thay đổi điện áp : - Cơ sở : + Sức từ động không đổi Scd = lh = const +Từ thông không đổi + Chế độ nhiệt không đổi j = const U1 ω1 q 1 d2 = = = U 2 ω2 q 2 d1 Bài tập về nhà : Cho Scd = lh , biết U- , tính w, q sao cho j = 3 [A/mm2 ] (chọn kđ ) . §1.6 : Lực hút điện từ của nam châm điện 1 chiều . Lực hút điện từ của nam châm điện 1 chiều là lực tác động lên cơ cấu công tác . 1, Dùng công thức Maxoen : 1  → → → 1 → 2 → µ0 ∫  F= (B δ n ) B δ − B δ n  dS S  2  → → S- bề mặt cực từ ; n - pháp tuyến ; Bδ - từ cảm ; μo = 4л10-7 ( H/m ) → → → Nếu Bδ ⊥ S thì Bδ , n cùng phương 1 2µ 0 ∫ F= 2 B δ dS S 1 2 Nếu Bδ = const trong S → F = BδS 2µ 0 → bỏ qua từ thông tản khi δ〈〈 S , F = 4.06B δ S [ kg ] 2 2, Tính lực điện từ bằng cân bằng năng lượng : - Khi đóng điện vào cuộn dây namchâm điện : dΨ phương trình cân bằng : U = iR + dt Uidt = i Rdt + idΨ 2 Uidt : điện năng vào ; i Rdt : tổn hao nhiệt ; idψ : năng lượng từ . 2
δ2 ψ2 δ2< δ1 c d δ1 b a 0 i i1 i2 Năng lượng từ trường δ = δ1 ψ1 Wµ1 = ∫ idψ = S 0ab 0 ( tam giác cong ) 0 ψ1 Khi δ1 → δ2 : Wµ12 = ∫ idψ = S abcda ψ2 ψ2 δ = δ2 ⇒ Wµ 2 = ∫ idψ = S ocdo 0
∆Wµ = Wµ1 + Wµ 21 − Wµ 2 = S oado = F∆S ∆Wµ dWµ ⇒F= = ∆S dS 1 Wµ1 = Ψ1i1 2 1 Wµ 2 = Ψ21i 2 2 1 Wµ12 = ( Ψ2 − Ψ1 )( i1 + i 2 ) 2 Đặt Ψ2 = Ψ1 + ∆Ψ §1.7 : Lực hút điện từ của nam châm điện xoay chiều . i = Ι m sin ωt Φ = Φ m sin ωt 2 1 2 dG 1  Φ sin ωt  dG 1 Φ 2 dG F = ( iω) =  m  = m sin 2 ωt = Fm sin 2 ωt 2 dS 2  G  dS 2 G dS 1 − cos 2ωt 1 1 = Fm = Fm − Fm cos 2ωt = F− + Fx 2 2 2 Fm - biên độ lực điện từ .