Giáo trình Kỹ thuật điện - Nghề: Điện dân dụng

ên ta chọn một cách tùy ý, một số giá trị từ thông , sau đó theo cách giải 
bài toán thuận ta xác định đƣợc các giá trị tƣơng ứng của sức từ động. Kết quả nhận đ-
ƣợc cho phép xây dựng đƣờng biểu diễn quan hệ: 
  = f(Fi ), từ đó ứng với sức từ động ban đầu để cho ta tra ra giá trị từ thông cần 
thiết. 
3.2.2. Sơ đồ thay thế của mạch từ. 
 Sự tƣơng tự giữa mạch từ và mạch điện cho phép ta xây dựng sơ đồ thay thế của 
mạch từ. Trong đó sức từ động của mạch từ sẽ tƣơng ứng với sức điện động của mạch 
điện, từ thông  tổng tƣơng tự với cƣờng độ dòng điện I, từ trở Rm tƣơng tự với điện 
trở R, tổng trở từ Zm tƣơng tự với tổng trở điện Z v.v 
 Xét một mạch từ điển hình 
 Nắp Rn 
 R2 R1 
 R 
 lõi 
 Rl2 Rl1 
 iN 
 Rg 
 Gông 
 a) 
 b) 
 Hình 4.4: a. Mạch từ 
 b. Sơ đồ thay thế 
 Cùng với sơ đồ thay thế của nó đựơc biểu diễn nhƣ trong hình (hình 4.4), trong 
đó Rn là từ trở của nắp mạch từ; R là từ trở của khe hở không khí , nó thƣờng đƣợc 
biểu diễn trong sơ đồ thay thế bằng giá trị nghịch đảo gọi là từ đảo gọi là từ dẫn của 
khe hở không khí G; Rl từ trở của lõi mạch từ và Rg từ trở của gông mạch từ. ở đây 
không biểu diễn bề dày của mạch từ, mà đối với mạch từ thực tế bất kỳ luôn tồn tại, vì 
 164 
vậy cần phảI hiểu là ở tất cả các phần của mạch từ nhƣ nắp, gông, lõi đều phải kể đến 
tiết diện của chúng. 
 Đối với các mạch từ xoay chiều (AC) vì có sự xuất hiện của các tổn hao trong 
lõi thép ( tổn hao do từ trễ và do dòng điện Foucault) nên thay vì các từ trở Rn, Rl, Rg 
ta phải biểu diễn bằng các tổng trở từ tƣơng ứng Zn, Zl, Zg. 
 Ngoài ra để tránh các loại ký hiệu chồng chéo lên nhau, khi biểu diễn các đại 
lƣợng từ trong các sơ đồ thay thế ta đã cố ý bỏ đi các ký hiệu mạch đã biểu diễn các 
công thức trên. 
3.2.3. Mạch từ xoay chiều. 
 Mạch từ xoay chiều (ac), không xét tới từ trở của lõi thép. 
 Mạch từ xoay chiều có đặc điểm khác mạch từ một chiều: 
  Dòng điện trong cuộn dây xoay chiều phụ thuộc tổng trở của nó. 
 U
 I . (4.13) 
 Z
 Với: Z r 2 L 2 . 
 Trong đó: 
 - r: điện trở của cuộn dây. (). 
 - : Tần số góc của nguồn điện (s-1). 
 - L: Hệ số tự cảm của cuộn dây (H) 
 L N 2.G . (4.14 a) 
 2 2
 IN .G IN 2 g.l 
 L .g.l N G . (4.14 b) 
 I 3I 3 
   
 L lv  . (4.14 c) 
 I I
 Trong đó: 
 N: số vòng dây của cuộn dây. 
 G: Từ dẫn của mạch từ (H). 
 : Từ thông móc vòng. 
 I: Dòng điện 
 Khi không xét đến từ trở của lõi thép thì: G G. vì vậy. 
 U.
 I 2 . (4.15) 
 .N .S.0
 Trong đó: 
 S: là tiết diện lõi từ (m2). 
 : độ lớn của khe hở không khí. 
 165 
 Dễ thấy rằng trong biểu thức 3 khi U = Const thì dòng điện I chủ yếu phụ thuộc 
vào độ lớn của khe hở không khí  và phụ thuộc này là theo tỷ lệ thuận. 
 - Đối với mạch từ xoay chiều, khi khe hở không khí  tăng lên dẫn đến sự tăng 
theo của từ trở mạch từ và ngƣợc lại. nhƣng đồng thời dòng điện trong cuộn dây cũng 
tăng lên có nghĩa là sức từ động (F= IN) của mạch từ cũng tăng lên, ta thấy rằng từ 
thông trong mạch từ lúc này bị tác động của hai yếu tố thứ nhất khi từ trở tăng nó có 
xu hƣớng bị giảm xuống, đồng thời sức từ động F tăng nó có xu hƣớng. Tổng hợp hai 
yếu tố này lại ta thấy rằng từ thông không thay đổi nhiều khi khe hở không khí  biến 
đổi. 
 - Đối với mạch từ xoay chiều cuộn dây điện áp, số vòng dây N có quan hệ chặt 
chẽ tới giá trị từ thông  trong mạch từ và điện áp U. 
 U
 N . (4.16) 
 4,44. f . m
 Trong đó: 
 f: tần số của nguồn điện (Hz). 
 m: giá trị biên độ của từ thông xoay chiều trong mạch từ (wb). 
 Từ đó ta thấy rằng khi U= const và m= const thì N là đại lƣợng xác định. 
 Khi cuộn dây trong mạch từ là cuộn dây dòng, dòng điện chảy qua cuộn dây 
phụ thuộc vào phụ tải, số vòng dây của nó đƣợc xác định bởi: 
 F
 N . (4.17) 
 I
 - Vì có tổn hao trong lõi thép và trong vòng ngắn mạch của mạch từ xoay 
chiều, nên từ thông  không cùng pha với sức từ động cuộn dây. 
 Từ thông tổng và các thành phần của nó chảy trong các nhánh từ khác nhau có 
thể lệch pha với nhau. Sự chênh lệch pha này là do tổng trở từ của mỗi nhánh có thể 
khác nhau. 
 Sự lệch pha giữa từ thông và sức từ động cho thấy rằng trong thành phần của 
tổng trở từ của mạch từ xoay chiều có sự hiện diện của từ kháng X. 
 Từ kháng là do tổn hao trong mạch từ sinh ra. 
 - Lực hút điện từ xoay chiều có dạng đập mạch với tần số gấp đôi tần số của 
nguồn điện. Vì vậy xuất hiện hiện tƣợng rung nắp mạch từ xoay chiều khi nó vận 
hành. Để làm giảm hiện tƣợng rung này có thể sử dụng biện pháp đặt vòng ngắn mạch 
ôm lấy một phần cực từ của nó. 
 Xet mạch từ xoay chiều có cuộn dây đặt trên gông nhƣ hình (hình 4.5). 
 Bài toán đƣợc đặt ra nhƣsau: 
 Cho trƣớc điện áp cuộn dây xoay chiều U, hình dạng và kích thƣớc mạch từ, từ 
thông làm việc lv. Hãy xác định dòng điện I chảy trong cuộn dây đó bỏ qua từ trở của 
lõi thép mạch từ. 
 166 
 Hình 4.5: Mạch từ xoay chiều có cuộn dây đặt trên gông 
 Giải 
 - Sức từ động của cuộn dây có thể đƣợc xác định từ: 
 
 2.I.N lv . (4.18) 
 G
 G là tổng từ dẫn của hai khe hở không khí trong mạch từ và có công thức tính 
nhƣ sau: 
 S
 G  . (4.19) 
 δ 0 
 Từ thông rò  đƣợcxác định từ giá trị từ dẫn rò quy đổi: 
  2N.g.l . (4.20) 
 Từ thông tổng: 
 0 lv  2.I.N(G g.l) . (4.19) 
 Số vòng dây: 
 U
 N . (4.20) 
 4,44. f .0m
 Từ (4.18) và (4.19) xác định đƣợc giá trị dòng điện: 
 4,44. f . 2
 I 0m 0m . (4.21) 
 2.U.(G g.l) 2U(G g.l)
 Trong trờng hợp, khi mạch từ có cuộn dây đặt trên lõi, thì trình tự giải không có 
gì khác, tuy nhiên cần lƣu ý tới việc xác định đúng giá trị từ dẫn rò quy đổi G. 
 Đối với mạch từ kiểu Solenoide nhƣ hình (hình 4.6). Với bài toán cho trƣớc giá 
trị từ thông lv và số vòng dây N của cuộn dây xác định theo trình tự sau: 
 167 
 x  y 
 iN 
 l 
 Hình 4.6: mạch từ kiểu Solenoide 
 
- Tính sức từ động cuộn dây kích thích: 2.I.N lv . 
 G
- Từ thông tổng, móc vòng với tất cả các cuộn dây bằng: 
 3 3
     2.I.N(G g x y )
 0 lv x y  3.l 2 . 
- Số vòng dây: 
 U UG
 N  . 
 3 3
 4,44. f .0m x y 
 4,44. f .lv Glv g 2 
 3l 
 
- Dòng điện cuộn dây. I lv . 
 2.N.G
 Ta cũng có thể tính toán bằng cách là mạch từ đƣợc chia nhỏ ra thành các đoạn 
l1, l2, v.v.có cùng một tiết diện trên toàn bộ chiều dài của nó, tức là phải chịu một từ 
 
trƣờng giống hệt nhau. Kế tiếp ta xác định cảm ứng từ B trên mỗi đoạn và ta tìm 
 S
cƣờng độ tƣơng ứng của trƣờng từ theo các đƣờng cong từ hóa tự nhiên (hình 4.7) 
 Hình 4.7: a) Các chu trình từ trễ và đƣờng cong từ hóa tự nhiên 
 b) Vòng từ trễ (mắc từ trễ) ở một số giá trị giới hạn khác nhau của lực từ 
 168 
 Cƣờng độ từ trƣờng trong khe hở hay trong vật liệu không từ sẽ đƣợc tính theo 
công thức: 
 B0 6
 H 0 0,8.10 B0 
 0
 ở đây H0 đƣợc xác định bằng A/m), 
 B0: bằng tesla. 
 Hay H0= 0,8.B0 nếu H0 đƣợc xác định bằng A/cm và B0 bằng gauss. 
 Theo lý thuyết của Ampe, tổng số của các từ áp trên tất cả các đoạn của mạch từ 
là bằng với dòng tổng. 
 H1l1+ H2l2+ H0l0+....= I. 
 Ví dụ: 
 Cần bao nhiêu vòng dây quấn trên lõi (hình 4.8) dƣới đây để có một từ thông 
47.10-4Wb, giả thiết rằng dòng điện trong cuộn dây là 25A và phần phía trên của lõi 
đƣợc làm bằng thép  330 và phần phía dƣới làm bằng thép khuôn? 
 Đoạn đầu trên của ba đoạn bằng thép 330 có chiều dài 540 (0,54m) và tiết diện 
 2 2
S1 = 36cm (0,0036 m ), đoạn thứ hai bằng thép khuôn có l2= 17 cm (0,17m) và S2 = 
 2 2
48cm (0,0048m ), đoạn thứ ba đƣợc tạo nên bởi một khe hở l0= 5 x 2 = 10 mm 
 2 2
(0,01m) và S0= 36cm (0,0036m ). 
 l1 
 1,3 
 60 60 
340
 5
 280 
 80
 l2 
 60 
 150 
 Hình 4.9: Đƣờng cong từ hóa thép 330 
 Hình 4.8: Mạch từ của ví dụ (đƣờng số 2) 
 Bài giải: 
 169 
 Cảm ứng từ trong các đoạn thứ nhất, hai và thứ ba là: 
  47.10 4
 B1 4 1,3T 
 S1 36.10
  47.10 4
 B2 4 0,98T 
 S2 48.10
  47.10 4
 B0 4 1,3T 
 S0 36.10
 Theo đƣờng cong từ hóa tự nhiên đối với thép  330 (Hình 4.9) ta thấy rằng cảm 
ứng từ 1,3T tƣơng ứng với cƣờng độ từ trƣờng 750A/m. 
 - Từ áp trên đoạn thứ nhất là: 
 Um1= H1l1= 750 x 0,54 = 405 A. 
 - Cƣờng độ từ trƣờng trên đoạn thứ hai là: 
 H2= 400A/m 
 - Từ áp trên đoạn thứ hai là: 
 Um2= H2l2= 400 x 0,17 = 68 A. 
 - Cƣờng độ từ trƣờng trong khe hở là: 
 6 6 6 
 H0= 0,8.10 .B0 = 0,8.10 x 1,3 =1,04. 10 A/m 
 - Từ áp trong khe hở là: 
 6 
 Um0= H0l0= 1,04. 10 x 0,01 = 10400 A. 
 Sức từ động là: 
 Fm = Um1 + Um2 + Um0 = 405 + 68 + 10400 = 10873 A. 
 Số lƣợng vòng của cuộn dây là: 
 F 10873 
  m 435vòng. 
 I 25
3.3 MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN TỪ THÔNG DỤNG 
3.3.1. Vật liệu từ mềm 
 Là những vật liệu có độ thấm từ cao lực kháng từ nhỏ tổn thất nhỏ thƣờng dùng 
làm lõi máy biến áp, nam châm. Để giảm dòng điện xoáy ngƣời ta phủ một lớp mỏng 
lên vật liệu từ mềm có sơn cách điện để tăng điện trở suất. 
 a. Thép kỹ thuật (gồm cả gang) đƣợc dùng làm từ trƣờng trong mạch từ không 
đổi. Thép kỹ thuật có cƣờng độ từ cảm bão hoà cao (tới 2,2 Tesla), hằng số từ thẩm 
lớn và cƣờng độ khử từ nhỏ. 
 b. Thép lá kỹ thuật điện là hợp chất sắt-silic (1-4%Si). Silic cải thiện đặc tính từ 
của sắt kỹ thuật: tăng hằng số từ thẩm, giảm cƣờng độ khử từ, tăng điện trở suất (để 
giảm dòng điện Fucô hay dòng điện xoáy). 
 170 
 c. Pecmaloi là hợp kim sắt - niken (22%Ni), ngoài ra còn có một số tạp chất: 
Molipden, crôm, silic, nhôm. Pecmaloi có hằng số từ thẩm lớn gấp 10-50 lần so với 
thép lá kỹ thuật điện, chỉ cần một cƣờng độ từ trƣờng nhỏ vài phần đến vài chục phần 
trăm A/m, thép đã đạt tới cƣờng độ từ cảm bão hoà. 
 d. Ferit là vật liệu sắt từ gồm có bột oxýt sắt, kẽm và một số nguyên tố khác. Khi 
chế tạo, hỗn hợp đƣợc ép trong khuôn với công suất lớn và nung đến nhiệt độ khoảng 
12000C, thành phẩm sẽ có dạng theo ý muốn. Ferit có điện trở suất rất lớn, thực tế có 
thể coi gần nhƣ không dẫn điện, nên dòng điện xoáy chạy trong ferit rất nhỏ. Bởi vậy 
cho phép dùng ferit làm mạch từ của từ trƣờng biến thiên với tần số cao. Ferit niken-
kẽm bằng cách nhiệt phân muối, gọi là Oxyfe. Ferit và Oxyfe có hằng số từ thẩm ban 
đầu lớn, từ dƣ nhỏ (0,18-0,32 Tesla) và từ trƣờng khử từ nhỏ (8-80 A/m). Chúng đƣợc 
sử dụng rất rọng rãi làm mạch từ của các linh kiện điện tử, khuếch đại từ, máy tính,.... 
e. Những hợp kim có độ thẩm từ cao. 
- Hợp kim niken cao chứa 72 - 80% Niken 
- Hợp kim niken thấp chứa 40 - 50% Niken 
 Ứng dụng: 
 Hợp kim niken thấp không có phụ gia chế tạo lõi máy biến áp cỡ nhỏ, cuộn 
kháng, rơle. 
 Hợp kim niken cao có phụ gia dùng trong máy biến áp xung, bộ khuếch đại từ, 
rơle không tiếp điểm và bộ nhớ máy tính. 
3.3.2 Vật liệu từ cứng 
 Gồm : Thép hợp kim tôi cứng, hợp kim đúc, nam châm dạng bột, ferit từ cứng, 
hợp kim biến dạng đàn hồi và băng từ. 
a. Thép hợp kim tôi cứng 
 Đặc điểm : Tính chất từ tính thấp, dễ gia công, giá thành rẻ. 
 Ứng dụng: Sản xuất nam châm vĩnh cửu. 
b. Hợp kim nam châm cứng- đúc 
 Đặc điểm : Là hợp kim của 3 nguyên tố: Nhôm - Niken- Sắt gọi là alni, có năng 
lƣợng từ lớn.Tính chất từ tính phụ thuộc vào những kết cấu tinh thể và kết cấu từ. Hợp 
kim này giòn và cứng không gia công cơ khí đƣợc chỉ hoàn thiện sản phẩm bằng cách 
đúc và mài mòn. 
 Ứng dụng :sản xuất nam châm vĩnh cửu 
c. Nam châm bột: có 2 loại 
 + Loại 1 : Nam châm gốm kim loại là nam châm có kết dính 
 + Loại 2 : Nam châm nhựa kim loại là nam châm không có kết dính ở trƣờng từ 
có tần số cao. 
d. Ferit nam châm cứng 
 Có điện trở suất cao bằng hàng triệu lần điện trở suất của hợp kim cứng, cƣờng 
 171 
độ cơ học thấp, tính giòn cao, tính chất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. 
 Ứng dụng : Dùng ở các thiết bị có tần số cao 
e. Băng từ và các hợp kim biến dạng dẻo 
 Dùng chế tạo thép nam châm cứng và các hợp kim tạo thành băng từ ghi chép và 
các băng ghi âm thanh hoặc dây kim loại. Khi hợp kim không thể hình thành băng hay 
sợi kim loại thì tạo thành các băng chất dẻo. 
3.3.3 Nam châm điện 
 Khi một lõi thép đƣợc đặt trong một cuộn dây có dòng điện chạy qua (mạch từ 
hở) thì lõi thép sẽ trở thành nam châm và hút dƣới tác động của lực điện từ ở bên trong 
cuộn dây. 
 Vậy nam châm điện là một thiết bị gồm có cuộn dây từ hoá và một mạch từ, phần 
động gọi là nêm từ đƣợc kéo bởi phần chính mạch từ với lực: F = 4.105B2S 
 Với: F là lực đƣợc xác định bằng N 
 B là cảm ứng từ đƣợc tính bằng T S là diện tích các cực tính bằng m2 
 Trong trƣờng hợp mạch từ của nam châm điện làm việc ở trạng thái không bão 
hòa, sự biến đổi của dòng điện cho phép làm thay đổi cảm ứng từ do đó làm biến đổi 
lực kéo của nam châm. 
 - Nam châm điện đƣợc ứng dụng rộng rãi VD: Để cố định các chi tiết gia công 
trong máy công cụ, rơ le, cơ cấu phanh... 
 172 
 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG III 
 1. Trình bày khái niệm, cách phân loại vật liệu cách điện. 
 2. Trình bày những hƣ hỏng thƣờng gặp và cách chon vật liệu cách điện. 
 3. Trình bày các chất cách điện thể khí đƣợc sử dụng phổ biến trong thực tế. Nêu 
các đặc tính chính của chúng. 
 4. Trình bày đặc tính và công dụng của dầu máy biến áp. 
 5. Nêu công dụng của dầu máy biến áp. Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự hóa già 
của dầu 
 6. Hãy phân tích ƣu nhƣợc điểm của dầu biến áp. 
 7. Theo thành phần hóa học, mica đƣợc chia thành hai loại mica mutscôvit và 
mica flogopit. Em hãy cho biết mica mutscôvit có những ƣu điểm gì hơn so với mica 
flogopit, nhiệt độ hoặc môi trƣờng dầu có ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến tính chất mica. 
Kể một số ứng dụng mica? 
 8. Trình bày khái niệm và tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện, giải thích cụ thể 
từng tính chất đó ? 
 9. Phân loại chất cách điện thể rắn. Các chất cách điện thể rắn vô cơ đƣợc sử 
dụng 
 trong thực tế. 
 10. Khí elegaz (SF6) có cƣờng độ cách điện cao hơn cƣờng độ cách điện của 
không khí 23 lần, có độ ổn định cao, có khả năng dập tắt hồ quang tốt, là chất khí có 
khả năng tự phục hồi. Tuy nhiên sau nhiều lần sử dụng chất khí này bị hồ quang phân 
hủy tạo ra nhiều sản phẩm độc hại có mùi trứng thối. Nếu có mùi trứng thối cần phải 
tiến hành làm gì? Kể một số ứng dụng của khí elegaz? 
 11. Trình bày các cách điện rắn hữu cơ đƣợc sử dụng trong thực tế. Nêu các đặc 
tính cơ bản của chúng. 
 12. Trình bày các tác nhân môi trƣờng ảnh hƣởng đến vật liệu dẫn điện ? 
 13. Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện 
dùng trong kỹ thuật điện vì đồng có những ƣu điểm nổi trội hơn so với các vật liệu dẫn 
điện khác, trình bày các ƣu điểm của đồng và ứng dụng của đồng trong kỹ thuật điện? 
 14. Trình bày đặc tính chung, phân loại, tính chất cơ học và các ứng dụng của 
kim loại Đồng, Nhôm, Chì, Wonfram và Sắt. 
 173 
 XÁC NHẬN KHOA 
 Bài giảng môn học “Kỹ thuật điện” đã bám sát các nội dung trong chương 
trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực 
tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. 
Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học: Kỹ thuật điện thay thế cho giáo trình. 
 Người biên soạn Lãnh đạo Khoa 
 ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) 
 174