Giáo trình lý thuyết khí cụ điện

TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 5
55
5/
/ /
/ 103
103103
103
F là lực điện động cần tính.
Như vậy lực điện động được tính qua năng lượng điện từ:
x
W
F

 Hệ thống gồm hai mạch vòng:
Năng lượng điện từ của hệ thống là:
21
2
22
2
11

2
1

2
1
iiMiLiLW

Trong đó:
L
BB
1
BB
, L
BB
2
BB
là điện cảm của các mạch vòng.
i
BB
1
BB
, i
BB
2
BB
là dòng điện chạy trong các mạch vòng.
M là điện cảm tương hỗ.
 Hệ thống là mạch vòng độc lập:
inii
i
iLAW

2
1

2
1

2
1

2
1
22



Trong đó:
L là điện cảm của mạch vòng độc lập
i
BB

BB
là dòng điện chạy trong mạch vòng.
 là từ thông móc vòng.
 là từ thông.
n là số vòng dây trong mạch vòng.
Lực tác dụng trong mạch vòng sẽ hướng theo chiều sao cho điện cảm, từ
thông móc vòng và từ thông khi biến dạng mạch vòng dưới tác dụng của lực này
tăng lên
II .
II .II .
II .

TÍNH TOÁN LỰC ĐIỆN ĐỘNG GIỮA CÁC DÂY DẪN SONG SONG
Khi hai dây dẫn đặt song song, lực điện từ sinh ra được tính theo công thức:
dx
ax
x
ax
xl
ii
a
F
l
o














2
0
2222
1
21
)1(

4


Trong đó:
- l
BB
1
BB
, l
BB
2
BB
là chiều dài của hai dây dẫn song song.
- i
BB
1
BB
, i
BB
2
BB
là dòng điện qua hai dây dẫn song song.
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 6
66
6/
/ /
/ 103
103103
103
- 
BB
o
BB
là độ dẫn từ của không khí, 
BB
o
BB
=4.10
PP
-7
PP
H/m.
- a là khoảng cách giữa hai dây dẫn.
- x là đoạn đường dòch chuyển theo hướng tác dụng của lực.
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 7
77
7/
/ /
/ 103
103103
103
1. Hai dây dẫn song song có cùng chiều dài
















l
a
l
a
a
l
iiF
o
2
21
1
2

4


Khi khoảng cách giữa dây dẫn bé đáng kể so với chiều dài của chúng:
a
l
iiF
o
2

4
21



2. Hai dây dẫn song song không cùng chiều dài
Trong đó:
C
BB
1
BB
, C
BB
2
BB
là khoảng cách đường chéo
cùa hai dây dẫn.
B
BB
1
BB
, B
BB
2
BB
là khoảng cách đường chéo
cùa hai dây dẫn.
Lực điện động sinh ra:
   








a
BBCC
a
l
iiF
o
2121
21
.
2

4


i
ii
i
BB
BBBB
BB
1
11
1
i
ii
i
BB
BBBB
BB
2
22
2
l
ll
l
BB
BBBB
BB
a
aa
a
BB
BBBB
BB
- l
l l
l
BB
BBBB
BB
1
11
1
BB
BBBB
BB
= l
= l = l
= l
BB
BBBB
BB
2
22
2
BB
BBBB
BB
= l
= l = l
= l
- Lực điện sinh ra:
Lực điện sinh ra:Lực điện sinh ra:
Lực điện sinh ra:
i
ii
i
BB
BBBB
BB
1
11
1
i
ii
i
BB
BBBB
BB
2
22
2
l
ll
l
BB
BBBB
BB
2
22
2
a
aa
a
BB
BBBB
BB
l
ll
l
BB
BBBB
BB
1
11
1
C
CC
C
BB
BBBB
BB
1
11
1
C
CC
C
BB
BBBB
BB
2
22
2
B
BB
B
BB
BBBB
BB
2
22
2
B
BB
B
BB
BBBB
BB
1
11
1
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 8
88
8/
/ /
/ 103
103103
103
III .
III .III .
III .

TÍNH TOÁN LỰC ĐIỆN ĐỘNG LÊN VÒNG DÂY, GIỮA CÁC
CUỘN DÂY
1. Tính toán lực trong vòng dây:
R là bán kính của vòng dây dẫn.
2r là đường kính của dây dẫn.
I là dòng điện chảy trong dây dẫn.
Lực tác động:






 75,0
8
ln.
2
2
r
R
iF
o

2. Tính toán lực trong vòng dây:
Lực tác động:
22
1
21
.

ch
hR
iiF
o



R
RR
R
2r
2r2r
2r
i
ii
i
F
FF
F
F
FF
F
F
FF
F
F
FF
F
F
FF
F
2R
2R2R
2R
BB
BBBB
BB
1
11
1
2R
2R2R
2R
BB
BBBB
BB
2
22
2
c
cc
c
BB
BBBB
BB
h
hh
h
BB
BBBB
BB
R
RR
R
BB
BBBB
BB
2
22
2
BB
BBBB
BB
> R
> R > R
> R
BB
BBBB
BB
1
11
1
BB
BBBB
BB
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 9
99
9/
/ /
/ 103
103103
103
IV .
IV .IV .
IV .

LỰC ĐIỆN ĐỘNG TRONG DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU- CỘNG
HƯỞNG CƠ KHÍ.
1. Lực điện động trong dòng điện xoay chiều một pha:
Dòng điện xoay chiều một pha biến đổi theo quy luật:
i = I
BB
m
BB
.sint
trong đó: I
BB
m
BB
là biên độ của dòng điện,  là tần số góc.
Nếu các dòng điện trong các dây dẫn có cùng chiều thì các dây dẫn bò hút
vào nhau với lực:
t
FFt
IctIcF
mm
mm



2cos.
222
2cos1
.sin
222



c là hằng số =
a
l
o
2
.
4


F
BB
m
BB
là trò số lực cực đại.
2. Lực điện động trong dòng điện xoay chiều ba pha:
Dòng điện xoay chiều ba pha biến đổi theo quy luật:
i
BB
1
BB
= I
BB
m
BB
.sint
















3
4
sin.
3
2
sin.
3
2
tIi
tIi
m
m
Lực tác dụng lên dây dẫn của pha 1:
F
BB
1
BB
= F
BB
12
BB
+ F
BB
13
BB
F
BB
12
BB
là lực điện động giữa các dây dẫn của pha 1 và 2.
F
BB
13
BB
là lực điện động giữa các dây dẫn của pha 1 và 3.





































3
4
sin
2
1
3
2
sin.sin
3
4
sin.sin
2
1
3
2
sin.sin
2
1
2
13
2
12
tttIcF
ttIcF
ttIcF
m
m
m
Tương tự, ta có:
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 10
1010
10/
/ /
/ 103
103103
103
F
BB
2
BB
= F
BB
21
BB
+ F
BB
23
BB
=





















3
4
sin
2
1
sin.
3
2
sin
2
tttIc
m
F
BB
3
BB
= - F
BB
1
BB
=





















3
4
sin
2
1
3
2
sin.sin
2
tttIc
m
3. Cộng hưởng cơ khí:
Trong trường hợp khi tần số của thành phần biến thiên của lực gần với tần
số riêng của dao động cơ khí sẽ sinh ra hiện tượng cộng hưởng. Hiện tượng này
có khả năng phá hỏng khí cụ điện .
Thông thường, người ta chọn tần số riêng của các dao động cơ khí lớn hơn
gấp đôi tần số của lực.
V .
V .V .
V .

ỔN ĐỊNH LỰC ĐIỆN ĐỘNG.
Độ bền cơ khí của vật liệu phụ thuộc không chỉ vào độ lớn của lực mà còn
phụ thuộc vào chiều, độ dài thời gian tác động và độ dốc tăng lên. Khí cụ điện
ổn đònh lực điện động phải thỏa mãn:
- Việc tính toán lực điện động: tính theo dòng điện xung của hiện tượng
ngắn mạch.
- Việc tính toán độ bền động học khi có hiện tượng công hưởng.
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 11
1111
11/
/ /
/ 103
103103
103
CHƯƠNG 2:
PHÁT NÓNG KHÍ CỤ ĐIỆN
I .
I .I .
I .

KHÁI NIỆM
Khi khí cụ điện làm việc lâu dài trong các mạch dẫn điện, nhiệt độ của khí
cụ điện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng các
bộ phận dẫn điện và cách điện của khí cụ. Vì vậy, khí cụ điện làm việc được
trong mọi chế độ khi nhiệt độ của các bộ phận phải không quá những giá trò cho
phép làm việc an toàn lâu dài.
II .
II .II .
II .

TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN NĂNG TRONG KHÍ CỤ ĐIỆN
Tổn thất điện năng trong khí cụ điện được tính theo:
tRiQ
t

0
2


Q : điện năng tổn thất.
i : dòng điện trong mạch.
R : điện trở của khí cụ.
t : thời gian có dòng điện chạy qua.
Đối với dây dẫn đồng chất:
s
l
R
đmo
) 1(




BB
o
BB
: điện trở suất của vật liệu ở 0
PP
o
PP
C.
l : chiều dài dây dẫn.
 : hệ số nhiệt độ của điện trở.

BB
đm
BB
: nhiệt độ cho phép ở chế độ đònh mức.
s : tiết diện có dòng điện chạy qua.
Tùy theo khí cụ điện tạo nên từ các vật liệu khác nhau, kích thước khác
nhau, hình dạng khác nhau sẽ phát sinh tổn thất khác nhau.
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 12
1212
12/
/ /
/ 103
103103
103
III .
III .III .
III .

CÁC CHẾ ĐỘ PHÁT NÓNG CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN
Sau đây là BẢNG NHIỆT ĐỘ CHO PHÉP CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU:
Vật liệu làm khí cụ điện Nhiệt độ cho phép (
PP
o
PP
C)
- Vật liệu không bọc cách điện hoặc để xa chất
cách điện.
- Dây nối ở dạng tiếp xúc cố đònh.
- Vật liệu có tiếp xúc dạng hình ngón.
- Tiếp xúc trượt của Cu và hợp kim Cu.
- Tiếp xúc má bạc.
- Vật không dẫn điện và không bọc cách điện.
110
75
75
110
120
110
Vật liệu cách điện Cấp cách nhiệt
Nhiệt độ cho phép
(
PP
o
PP
C)
- Vải sợi, giấy không tẩm cách điện.
- Vải sợi, giấy có tẩm cách điện.
- Hợp chất tổng hợp.
- Mica, sợi thủy tinh.
- Mica, sợi thủy tinh có tẩm cách điện.
- Chất tổng hợp Silic.
- Sứ cách điện.
Y
A
E
B
F
H
C
90
105
120
130
155
180
> 180
Tùy theo chế độ làm việc khác nhau, mỗi khí cụ điện sẽ có sự phát nóng
khác nhau.
1.
1.1.
1.

Chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện:
Khi khí cụ điện làm việc lâu dài, nhiệt độ trong khí cụ cụ bắt đầu tăng và
đến nhiệt độ ổn đònh thì không tăng nữa, lúc này sẽ tỏa nhiệt ra môi trường
xung quanh.



BB
BBBB
BB
ổn đònh
ổn đònhổn đònh
ổn đònh
BB
BBBB
BB



BB
BBBB
BB
ban đầu
ban đầuban đầu
ban đầu
BB
BBBB
BB
t(s)
t(s)t(s)
t(s)
BB
BBBB
BB
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 13
1313
13/
/ /
/ 103
103103
103
2.
2.2.
2.

Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện:
Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ là chế độ khi đóng điện nhiệt độ của
nó không đạt tới nhiệt độ ổn đònh, sau khi phát nóng ngắn hạn, khí cụ được ngắt,
nhiệt độ của nó sụt xuống tới mức không so sánh được với môi trường xung
quanh.
3.
3.3.
3.

Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện:
Nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên trong khoảng thời gian khí cụ làm việc,
nhiệt độ giảm xuống trong khoảng thời gian khí cụ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đạt
đến giá trò ban đầu thì khí cụ điện làm việc lặp lại. Sau khoảng thời gian, nhiệt
độ tăng lên lớn nhất gần bằng nhiệt độ giảm nhỏ nhất thì khí cụ điện đạt được
chế độ dừng.



BB
BBBB
BB
ổn đònh
ổn đònhổn đònh
ổn đònh
BB
BBBB
BB



BB
BBBB
BB
ban đầu
ban đầuban đầu
ban đầu
BB
BBBB
BB
t(s)
t(s)t(s)
t(s)
BB
BBBB
BB



BB
BBBB
BB
phát nóng
phát nóngphát nóng
phát nóng
BB
BBBB
BB



BB
BBBB
BB
ổn đònh
ổn đònhổn đònh
ổn đònh
BB
BBBB
BB



BB
BBBB
BB
ban đầu
ban đầuban đầu
ban đầu
BB
BBBB
BB
t(s)
t(s)t(s)
t(s)
BB
BBBB
BB



BB
BBBB
BB
phát nóng
phát nóngphát nóng
phát nóng
BB
BBBB
BB



BB
BBBB
BB
max
maxmax
max
BB
BBBB
BB



BB
BBBB
BB
min
minmin
min
BB
BBBB
BB
t
tt
t
BB
BBBB
BB
làm việc
làm việclàm việc
làm việc
BB
BBBB
BB
t
tt
t
BB
BBBB
BB
nghỉ
nghỉnghỉ
nghỉ
BB
BBBB
BB
TRƯỜNG
TRƯỜNG TRƯỜNG
TRƯỜNG ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCMðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM
ðẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HCM KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN KHOA ĐIỆN
KHOA ĐIỆN
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Lý Thuyết Khí Cụ Điện
Trang
Trang Trang
Trang 14
1414
14/
/ /
/ 103
103103
103
CHƯƠNG 3:
TIẾP XÚC ĐIỆN – HỒ QUANG ĐIỆN
I .
I .I .
I .

TIẾP XÚC ĐIỆN
1. Khái niệm:
Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề
mặt tiếp xúc của hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện.
Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện:
+ Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo.
+ Mối nối tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao.
+ Mối nối không được phát nóng quá giá trò cho phép.
+ Ổn đònh nhiệt và ổn đònh động khi có dòng điện cực đại đi qua.
+ Chòu được tác động của mội trường (nhiệt độ, chất hóa học….)
Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liệu dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu:
+ Điện dẫn và nhiệt dẫn cao.
+ Độ bền chống rỉ trong không khí và trong các khí khác.
+ Độ bền chống tạo lớp màng có điện trở suất cao.
+ Độ cứng bé để giảm lực nén.
+ Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt.
+ Độ bền chòu hồ quang cao ( nhiệt độ nóng chảy).
+ Đơn giản gia công, giá thành hạ.
Một số vật liệu dùng làm tiếp điểm: đồng, bạc, nhôm, Von-fram…
2. Phân loại tiếp xúc điện:
Dựa vào kết cấu tiếp điểm, có các loại tiếp xúc điện sau:
a) Tiếp xúc cố đònh:
Các tiếp điểm được nối cố đònh với các chi tiết dẫn dòng điện như là: thanh
cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch. Trong quá trình sử dụng, cả hai tiếp
điểm được gắn chặt vào nhau nhờ các bu-lông, hàn nóng hay hàn nguội.
b) Tiếp xúc đóng mở :
Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện. Trong trường hợp này phát sinh hồ
quang điện, cần xác đònh khoảng cách giữa tiếp điểm tónh và động dựa vào
dòng điện đònh mức, điện áp đònh mức và chế độ làm việc của khí cụ điện.

Xem chi tiết: Giáo trình lý thuyết khí cụ điện