Giáo trình Kỹ thuật điện (Trình độ Trung cấp) - Trường Cao đẳng Lào Cai

c từ bên ngoài để tạo thành hình dạng của chi tiết máy, mà không bị phá hỏng. Tính đúc: đƣợc xác định bởi độ chảy loảng của kim loại khi nấu chảy để đổ đầy vào khuôn đúc, độ co và tính thiên tích (tính thiên tích là độ không đồng nhất về thành phần hoá học trong từng phần của vật đúc và trong nội bộ các hạt của kim loại hay hợp kim). Tính nhiệt luyện: là khả năng làm thay đổi độ cứng, độ dẻo, độ bền của kim loại bằng cách nung nóng kim loại tới nhiệt độ nhất định, giữ ở nhiệt độ đó một thời gian rồi sau đó làm nguội theo một chế độ nhất định. Sau khi nhiệt luyện, mức độ thay đổi của các kim loại cũng khác nhau, có kim loại thay đổi nhiều, có kim loại thay đổi ít và có kim loại hầu nhƣ không thay đổi. Tính kéo giãn: là tính chất của vật liệu có thể gia công đƣợc thành sợi. Yêu cầu vật liệu phải có cấu trúc dính chắc và phải có độ dẻo dai cao. Đây là một tính chất quan trọng trong công nghệ chế tại dây dẫn điện. e. Tính già hóa của kim loại Tính già hóa của kim loại là sự thay đổi theo thời gian của các tính chất kim loại hay hợp kim. ở nhiệt độ môi trƣờng xung quanh, thông thƣờng sau một thời gian kéo dài nó sẽ tạo nên sự già hóa (tính già hóa tự nhiên), còn khi nhiệt độ tăng lên thì tính già hóa nhanh hơn (tính già hóa nhân tạo). 2.3. NHỮNG HƢ HỎNG THƢỜNG GẶP VÀ CÁCH CHỌN VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN. 2.3.1. Những hƣ hỏng thƣờng gặp 149 Các loại vật liệu dẫn điện đƣợc sử dụng để chế tạo các bộ phận dẫn điện của máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện đa phần là những kim loại và hợp kim của chúng khi sử dụng lâu ngày sẽ bị hƣ hỏng và ta thƣờng gặp các dạng hƣ hỏng sau: Hƣ hỏng do bị ăn mòn kim loại. Hƣ hỏng do điện. Hƣ hỏng do bị già hóa của kim loại. Hƣ hỏng do các lực tác động từ bên ngoài. Hƣ hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận. a. Ăn mòn kim loại. Sự ăn mòn kim loại là một quá trình phá hủy kim loại và hợp kim dƣới hình thức hóa học và điện hóa do tác dụng của môi trƣờng xung quanh. Sự ăn mòn kim loại xẩy ra thƣơng xuyên và dƣới nhiều hiện tƣợng khác nhau. Sắt thép để lâu ngày không đƣợc bảo vệ tốt sẽ bị rỉ, đồng để trong không khí ẩm hoặc môi trƣờng có chất chua mặn sẽ tạo nên lớp vẩy màu xanh lục đó là rỉ đồng. Môi trƣờng xung quanh có tác dụng ăn mòn kim loại thƣờng là: không khí ẩm, nƣớc, nƣớc biển, axít, kiềm và các chất khác. ở nhiệt độ cao kim loại càng bị ăn mòn mạnh hơn. Sự ăn mòn đó là do tác dụng của môi trƣờng xung quanh và tác dụng đó diễn ra dƣới hai hình thức ăn mòn + ăn mòn hóa học. + ăn mòn điện hóa. * Phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại. Trong kỹ thuật có rất nhiều phƣơng pháp chống ăn mòn kim loại đó là: + Phủ bằng lớp kim loại không bị ăn mòn. + Phủ một lớp bảo vệ không kim loại. + Phƣơng pháp bảo vệ bằng lớp ôxít.  Phủ bằng lớp kim loại không bị ăn mòn. Các phƣơng pháp phủ lớp kim loại bảo vệ là: phƣơng pháp nóng chảy, phƣơng pháp mạ, phƣơng pháp phun kim loại và cán dính kim loại. Phƣơng pháp nóng chảy: thƣờng phƣơng pháp đƣợc áp dụng để phủ lớp kẽm, thiếc, chì lên bề mặt chi tiết + Phủ kẽm: để phủ kẽm ngƣời ta đun nóng chảy kẽm ở nhiệt độ 4500C - 4800C sau đó nhúng chi tiết cần phủ kẽm vào. Lớp kẽm nóng chảy sẽ bám lên bề mặt ngoài của chi tiết và có bề dày từ (0,06  0,13)mm. Phủ kẽm đơn giản, nhanh nhƣng ít đƣợc dùng vì khó khống chế bề dày lớp kẽm nóng chảy hơn nữa làm giảm độ cứng của chi tiết + Phủ thiếc: khi phủ thiếc ngƣời ta nhúng chi tiết vào thiếc nóng chảy ở nhiệt độ 270 0 c - 300 0 c 150 + Phủ chì: ta nhúng chi tiết vào chì nóng chảy ở nhiệt độ 3500c. Chiều dày lớp chì bám vào chi tiết khoảng (0,5  0,7) mm. Thƣờng ngƣời ta phủ lớp chi - thiếc, lớp phủ này có độ bám chắc và độ dẻo cao hơn. Mạ kim loại: ngoài mục đích để bảo vệ kim loại không bị rỉ, mạ kim loại còn có tác dụng làm đẹp cho các chi tiết máy. Mạ kim loại cho phép ta khống chế đƣợc bề dày lớp kim loại phủ lên chi tiết. Tiết kiệm đƣợc kim loại và không phải nung nóng chi tiết cần mạ. Phun một lớp kim loại bảo vệ: đƣợc thực hiện bằng cách phun đắp lên chi tiết một lớp kim loại nóng chảy. Phƣơng pháp này có thể tiến hành với các lớp kim loại bảo vệ nhƣ: đồng, nhôm, kẽm,chì vv... Cán dính một lớp kim loại bảo vệ: thƣờng thực hiện cho các tấm kim loại, bằng cách cán dính vào các tấm kim loại một lớp kim loại bảo vệ mỏng. Các kim loại đƣợc cán dính vào để bảo vệ là: đồng, nhôm, niken vv...  Phủ lớp bảo vệ phi kim loại : Ngƣời ta thƣờng áp dụng các phƣơng pháp sau: sơn, sơn êmay, bôi dầu mỡ, phủ một lớp chất dẻo vv...  Phƣơng pháp bảo vệ bằng lớp ôxít: ngƣời ta dùng những ôxít bền vững với môi trƣờng để bọc lên trên những kim loại chịu ảnh hƣởng nhiều của môI trƣờng. b. Hư hỏng do điện. Là do các loại máy điện, thiết bị điện, khí cụ điện, vật dẫn điện khi làm việc với các đại lƣợng, thông số vƣợt quá trị số định mức nhƣ: các đại lƣợng về dòng điện, điện áp, công suất v.v... Ví dụ: + Quá dòng điện: Dòng điện vƣợt quá trị số định mức nhƣ, quá tải, ngắn mạch, khi đó các tổn hao trong dây quấn, vật dẫn điện vƣợt quá mức bình thƣờng làm nhiệt độ tăng cao gây hƣ hỏng. + Quá điện áp: điện áp vƣợt quá trị số định mức nhƣ trong trƣờng hợp quá điện áp do sét. Khi đó điện trƣờng trong vật liệu cách điện tăng cao có thể xẩy ra phóng điện gây hƣ hỏng cách điện dẫn đến vật dẫn xẫy ra hiện tƣợng ngắn mạch. + Các loại ngắn mạch: Ngắn mạch 3 pha, ngắn mạch 2 pha, ngắn mạch 1 pha, ngắn mạch 2 pha chạm đất. Khi có ngắn mạch dòng điện rất lớn, đây là trƣờng hợp sự cố của mạch điện nên cần thiết phải có thiết bị bảo vệ. c. Hư hỏng do bị già hóa của kim loại. Tính già hóa của kim loại là sự thay đổi theo thời gian của các tính chất kim loại hay hợp kim. ở nhiệt độ môi trƣờng xung quanh, thông thƣờng sau một thời gian kéo dài nó sẽ tạo nên sự già hóa (tính già hóa tự nhiên), còn khi nhiệt độ tăng lên thì tính già hóa nhanh hơn (tính già hóa nhân tạo). d. Hư hỏng do các lực tác động từ bên ngoài. 151 Trong quá trình các loại máy điện, thiết bị điện, khí cụ điện, vật dẫn điện làm việc do các lực bên ngoài tác động hoặc bị chấn động làm chúng bị biến dạng thậm chí làm hỏng bộ dây quấn hay vật dẫn. e. Hư hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận Trong quá trình làm việc nếu các bộ phận tiếp xúc luôn có sự chuyển động tƣơng đối với nhau thì sẽ bị mài mòn dẫn đến bị hƣ hỏng. 2.3.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện Khi cần lựa chọn vật liệu dẫn điện ta căn cứ vào: + Độ dẫn điện: tùy vào nhu cầu sử dụng mà ngƣời ta sẽ chọn vật liệu có điện trở suất phù hợp. Ví dụ nhƣ khi chế tạo dây dẫn thƣờng dùng đồng, nhôm (có điện trở suất () bé), còn khi làm các dây đốt nóng thì dùng các loại hợp kim nhƣ constantan, maiso, mâgnin v. v...(có điện trở suất () lớn hơn). + Độ bền cơ: tùy vào qui trình làm việc mà chọn vật liệu có độ bền cơ thích hợp, ví dụ: để tăng độ bền keó cho dây dẫn ngƣời ta dùng dây có lõi thép, tiếp điểm thì dùng đồng thau, đồng thanh. + Độ bền chống ăn mòn: căn cứ vào điều kiện và môi trƣờng làm việc của chi tiết, bộ phận hay thiết bị điện mà ngƣời ta chọn vật liệu có tính chống ăn mòn thích hợp. Ví dụ mối tiếp xúc cố định ngƣời ta không dùng những kim loại có điện thế hóa học khác nhau để tránh kim loại bị ăn mòn điện hóa, hoặc là khi môi trƣờng làm việc ẩm ƣớt và có nhiều khí hóa học thì ta lựa chọn những vật liệu có tính chống lại sự ăn mòn của môi trƣờng v v... 2.4. MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THÔNG DỤNG Kim loại có điện trở suất  nhỏ (hay điện dẫn suất  lớn) là vật dẫn điện tốt. Đồng, nhôm, sắt, kẽm, vàng, bạc...và hợp kim của chúng là những chất dẫn điện tốt. 2.4.1 Đồng và hợp kim của đồng a. Đồng (Cu) Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện vì nó có những ƣu điểm nổi trội so với các vật liệu dẫn điện khác * Đặc tính chung: - Là kim loại có màu đỏ nhạt sáng rực - Điện trở suất Cu nhỏ (chỉ lớn hơn so với bạc Ag nhƣng do bạc đắt tiền hơn nên ít đƣợc dùng so với đồng). - Có sức bền cơ giới đủ lớn. - Trong đa số trƣờng hợp có thể chịu đƣợc tác dụng ăn mòn (có sức đề kháng tốt đối với sự ăn mòn). - Dễ gia công: cán mỏng thành lá, kéo thành sợi. - Dễ uốn, dễ hàn. 152 - Có khả năng tạo thành hợp kim tốt. - Là kim loại hiếm chỉ chiếm khoảng 0,01% trong lòng đất Đồng dùng trong kỹ thuật điện phải đƣợc tinh luyện bằng điện phân, tạp chất lẫn trong đồng dù một lƣợng rất nhỏ thì tính dẫn điện của nó cũng giảm đi đáng kể. Qua nghiên cứu, ngƣời ta thấy rằng: nếu trong đồng có 0,5% Zn, Ni hay Al thì điện dẫn suất của nó (Cu) giảm đi 25%  40% và nếu trong đồng có 0,5% Ba, As, P, Si thì có thể giảm đến 55%. Vì vậy để làm vật dẫn, thƣờng chỉ dùng đồng điện phân chứa trên 99,9% Cu. * Điện trở suất và các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất Đồng đƣợc tiêu chuẩn hóa trên thị trƣờng quốc tế ở 200C có: -  = 1,7241.10-6(.cm) -  = 0,58.106 (1/.cm) -  = 0,00393 (1/0C) Các yếu tố ảnh hƣởng đến điện trở suất - Ảnh hƣởng của các tạp chất - Ảnh hƣởng của gia công cơ khí - Ảnh hƣởng của quá trình xử lý nhiệt Nhìn chung các ảnh hƣởng trên đều giảm điện dẫn suất của đồng. * Phân loại: - Đồng khi kéo nguội đƣợc gọi là đồng cứng: nó có sức bền cao, độ giãn dài nhỏ, rắn và đàn hồi (khi uốn). - Đồng đƣợc nung nóng rồi để nguội gọi là đồng mềm: nó ít rắn hơn đồng cứng, sức bền cơ giới kém, độ giãn khi đứt rất lớn và có điện dẫn suất  cao. - Đồng đƣợc sử dụng trong công nghiệp là loại đồng tinh chế, nó đƣợc phân loại trên cơ sở các tạp chất có trong đồng tức là mức độ tinh khiết, bảng 3.5 Bảng 3.5 Mức độ tinh khiết của đồng tinh chế Ký hiệu CuE Cu9 Cu5 Cu0 Cu% 99,95 99,90 99,50 99,00 Trong kỹ thuật ngƣời ta sử dụng đồng điện phân CuE và Cu9 để làm dây dẫn điện. * Ứng dụng: - Đồng cứng đƣợc dùng ở những nơi cần sức bền cơ giới cao, chịu đƣợc mài mòn nhƣ làm cổ góp điện, các thanh dẫn ở tủ phân phối, các thanh cái các trạm biến áp, các lƣỡi dao chính của cầu dao, các tiếp điểm của thiết bị bảo vệ... - Đồng mềm đƣợc dùng ở những nơi cần độ uốn lớn và sức bền cơ giới cao nhƣ: ruột dẫn điện cáp, thanh góp điện áp cao, dây dẫn điện, dây quấn trong các máy điện. b. Hợp kim của đồng 153 Hợp kim trong đó vật liệu đồng là thành phần cơ bản, có đặc điểm là sức bền cơ khí lớn, độ cứng cao, có độ dai tốt, màu đẹp và có tính chất dễ nóng chảy. Hợp kim của đồng có thể đúc thành các dạng bình phức tạp; ngƣời ta dễ dàng gia công trên máy công cụ và cỏ thể phủ lên bề mặt của các kim loại khác theo phƣơng pháp mạ điện. Những hợp kim chính của đồng đƣợc sử dụng trong kỹ thuật điện là: Đồng thanh, đồng thau, các hợp kim dùng làm điện trở. Ngoài việc dùng đồng tinh khiết để làm vật dẫn, ngƣời ta còn dùng các hợp kim của đồng với các chất khác nhƣ: thiếc, silic, phốtpho, bêrili, crôm, mangan, cadmi..., trong đó đồng chiếm vị trí cơ bản, còn các chất khác có hàm lƣợng thấp. Căn cứ vào lƣợng và thành phần các chất chứa trong đồng, ngƣời ta chia hợp kim của đồng thành các dạng chủ yếu nhƣ sau: * Đồng thanh (đồng đỏ): Là hợp kim của đồng với các nguyên tố kim loại khác trừ kẽm. Nếu trong đồng thanh chỉ có hai nguyên tố kim loại thì ta gọi là đồng thanh nhị nguyên, nếu có nhiều hơn hai nguyên tố kim loại thì ta gọi là đồng thanh đa nguyên. Đồng thanh có đặc tính dễ cắt gọt và tính chống ăn mòn cao, một số đồng thanh còn có tính chống mài mòn làm hợp kim đỡ sát, chế tạo ổ trục. Đồng thanh có tính đúc tốt, đồng thanh với những thành phần thích hợp nó có những tính chất cơ học tốt hơn đồng . Điện trở suất của đồng thanh cao hơn đồng tinh khiết. Đồng thanh cũng đƣợc sử dụng rộng rãi để chế tạo lò xo dẫn điên, làm các tiếp điểm đặc biệt là tiếp điểm trƣợt. Tính chất của hợp kim đồng kỹ thuật đƣợc cho trong bảng 3.6 Bảng 3.6: Tính chất của hợp kim đồng kỹ thuật. Hợp kim Trạng thái Điện dẫn % so với đồng (Cu) Giới hạn bền kéo, kG/mm 2 Độ giãn dài tƣơng đối khi đứt, % Đồng thanh cadmi (0,9% cd) ủ Kéo nguội 95 83  90 Đến 31 Đến 73 50 4 Đồng thanh (0,8 %Cd; 0,6 %Sn) ủ Kéo nguội 55  60 50  55 29 Đến 73 55 4 Đồng thanh (2,5%Al; 2% Sn) ủ Kéo nguội 15  18 15  18 37 Đến 97 45 4 Đồng thanh phốt pho ủ Kéo nguội 10  15 10  15 40 105 60 3 Đồng thau ủ Kéo nguội 25 25 32  35 Đến 88 60  70 5 * Đồng thau: 154 Đồng thau là một hợp kim đồng với kẽm, trong đó kẽm không vƣợt quá 46%. Ở nhiệt độ cao, sức bền của đồng thau đối với sự ăn mòn do oxyt hóa sẽ giảm. Tốc độ oxyt hóa của đồng thau càng nhỏ (so với đồng tinh khiết) khi tỷ lệ phần trăm của kẽm càng lớn. Nếu tỷ lệ phần trăm của kẽm lớn hơn 25%, thì lớp bảo vệ của oxyt kẽm tạo nên trên bề mặt của vật liệu càng nhanh khi nhiệt độ càng lớn. Còn nếu tỷ lệ phần trăm của kẽm nhỏ thì trên bề mặt của vật liệu sẽ tạo một lớp màu hơi đen giàu oxyt đồng. Tính chất này của đồng thau với tỷ lệ lớn hơn 25% kẽm tạo thành một lớp bảo vệ ở 3000C và đôi khi đƣợc sử dụng để bảo vệ các chi tiết chống lại sự ăn mòn của không khí có Amôniac nếu không sử dụng một phƣơng pháp bảo vệ nào khác. Để tăng sức đề kháng đối với sự ăn mòn điện hoá, ngƣời ta thƣờng tẩm thiếc hay tráng kẽm khi đồng thau còn nóng Đồng thau đƣợc sử dụng nhiều trong nghành điện để gia công các chi tiết dẫn dòng điện nhƣ: các đầu cực, các thanh cái ở các bảng phân phối, các đầu nối đến hệ thống tiếp đất, các móc giữ, các móc hình chữ T, các mối nối nhánh, các đầu để gắn cầu chì, lƣỡi và ngàm trong cầu dao vv... 2.4.2. Nhôm và hợp kim của nhôm a. Nhôm (Al) * Tầm quan trọng của nhôm trong kỹ thuật điện. Sau đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai đƣợc sử dụng trong kỹ thuật điện, nhôm có điện dẫn suất cao (nó chỉ thua bạc, đồng và thiếc), trọng lƣợng riêng giảm (2,76 G/cm 3), tính chất vật liệu và hoá học cho ta khả năng dùng nó làm dây dẫn điện. Nhôm có cấu trúc mạng tinh thể là „‟lập phƣơng diện tâm” và không đổi cho đến khi nguội ở nhiệt độ thƣờng. Nhôm có màu bạc trắng là kim loại tiêu biểu cho các kim loại nhẹ (nghĩa là kim loại có khối lƣợng riêng nhỏ hơn 5 G/cm3). Khối lƣợng riêng của nhôm đúc gần bằng 2,6 G/cm 3 , nhôm cán là 2,76 G/cm 3, nhẹ hơn đồng 3,5 lần. Hệ số nhiệt độ dãn nở dài, nhiệt dung và nhiệt nóng chảy của nhôm đều lớn hơn đồng. Nhôm có sức bền đối với sự ăn mòn của môi trƣờng do có lớp màng mỏng oxyt tạo ở bề mặt khi tiếp xúc với không khí. Lớp màng mỏng oxyt này có điện trở lớn nên cản trở việc thực hiện tiếp xúc tốt giữa các dây dẫn. Cũng tƣơng tự lớp này tạo khó khăn cho hàn và dính kết các dây dẫn. Ngoài ra nhôm còn có một số ƣu nhƣợc điểm sau: * ƣu điểm: - Giá thành thấp hơn nhiều lần so với đồng. - Trọng lƣợng nhẹ nên đƣợc dùng để chế tạo các đƣờng dây tải điện trên không, những đƣờng cáp này để có điện trở nhỏ, đƣờng kính dây phải lớn nên giảm đƣợc hiện tƣợng phóng điện vầng quang. 155 * Nhƣợc điểm: - Sức bền cơ khí tƣơng đối bé và gặp khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện khi nối với nhau. - Cùng một tiết diện và độ dài, nhôm có điện trở cao hơn đồng 1,63 lần. - Khó hàn nối hơn đồng, chổ nối tiếp xúc không hàn dễ hình thành lớp ôxít có trị số điện trở suất khá cao phá hủy chổ tiếp xúc. - Khi cho nhôm và đồng tiếp xúc nhau, nếu bị ẩm sẽ hình thành pin cục bộ có trị số suất điện động khá cao, dòng điện đi từ nhôm sang đồng phá huỷ mối tiếp xúc rất nhanh. * Ứng dụng: Trong kỹ thuật điện, nhôm đƣợc sử dụng phổ biến để chế tạo: - Dây dẫn điện đi trên không để truyền tải điện năng. - Ruột cáp điện. - Các thanh ghép và chi tiết cho trang thiết bị điện. - Dây quấn trong các máy điện. - Các lá nhôm để làm tụ điện, lõi dẫn từ máy biến áp, các rôto của động cơ điện,... b. Hợp kim của nhôm: Nhôm có nhiều hợp kim dùng để đúc và để kéo dây dẫn điện. Các hợp kim chính của nhôm dùng để đúc có thể là những loại sau: Al-Zn-Cu, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Mg, Al-Mg-Mn. Một hợp kim đƣợc dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn là hợp kim "aldrey". Chúng là hợp kim của nhôm với (0,30,5)%Mg, (0,40,7)% Si, (0,20,3)% Fe. Tổ hợp làm cho hợp kim có tính chất cơ khí tốt. Dây dẫn bằng hợp kim loại "aldrey" nhận đƣợc thông qua việc tôi hợp kim (nung nóng đến 5006000C), kéo nó thành sợi ở kích thƣớc mong muốn và làm già hóa nhân tạo bằng nung nóng 1502000C. Sức bền của dây dẫn "aldrey" lớn gấp khoảng 2 lần so với dây dẫn Al tinh khiết. Vì vậy, khi dùng dây dẫn "aldrey" có thể tăng khoảng cách giữa các cột của đƣờng dây trên không, giảm chi phí xây dựng đáng kể. 2.4.3 Chì và hợp kim của chì * Đặc tính Chì là kim loại có màu tro sáng ngã màu xanh da trời, là kim loại mềm, dễ dàng uốn cong hoặc cắt bằng dao cắt công nghiệp. Chỗ mới cắt có màu sáng rực và màu sáng rực này mất đi rất nhanh và trở thành màu tro. Nó có sức bền đối với thời tiết xấu do có những tổ hợp bảo vệ hình thành trên bề mặt (PbCO3, PbSO4,). Không bị tác dụng bởi axit clohydric, axit sulphuaric, axit sulphuarơ, axit flohydric,axit phosphoric hoặc amôniac, clo, xút, borax. Chì hòa tan dễ dàng trong axit nitric pha loãng hay axit axêtic pha loãng. 156 Chì có sức bền với muối amoniac, clorua, dầunhƣng không bền đối với chất kiềm. Sự bay hơi của chì rất độc hại. Chì là kim loại rất dễ dát mỏng thành sợi, thành tấm. Ở trạng thái lỏng, chì dễ chảy và có thể làm đầy khuôn mẫu. Do nhiệt độ nóng chảy thấp nên ngƣời ta dùng chì làm vật liệu hàn và hàn gắn rất tốt. Chì không có sức đề kháng ở dao động, đặc biệt ở môi trƣờng nhiệt độ cao. Vì vậy cáp có vỏ bọc chì không nên đặt ở gần đƣờng sắt vì nhƣ vậy có thể xuất hiện các đƣờng nứt. Hợp kim chì với tỉ leeh phần trăm nhỏ của SB, Te, Cu, Sn thì sẽ tạo cho chì 1 cấu trúc mịn hơn và có sức đề kháng đối với sự dao động nhƣng ít bền đối với sự ăn mòn. Sau khi giãn nở do nhiệt, chì mềm không trở lại dạng kích thƣớc ban đầu. Chì là loại vật liệu bảo vệ tốt nhất đối với sự xuyên thủng của tia Rơnghen (tia X). * Ứng dụng Chì và hợp kim của chì dùng làm vỏ bảo vệ ở cáp điện nhằm chống ẩm ƣớt. Chì không bị thẩm thấu bởi chất lỏng và khí, nó bảo vệ ngăn cách đối với ẩm ƣớt. Chì tham gia vào các hợp kim. Chì đƣợc dùng để chế tạo ăcquy điện có các tấm bản chì. Chì đƣợc sử dụng làm dây chì nóng chảy để bảo vệ các đƣờng dây dẫn điện. Chì đƣợc sử dụng nhƣ vật liệu bảo vệ đối với sự hấp thụ của tia Rơnghen. 2.4.4. Sắt và hợp kim của sắt * Tính chất của sắt Sắt tinh khiết là kim loại màu trắng bạc, không khí khô không tác dụng vào sắt, song nó bị tác dụng bởi khí quyển ẩm và axit, nhƣng ít hơn sắt kỹ thuật (vì sắt kỹ thuật có nhiều tạp chất). Dây dẫn bằng thép bị ăn mòn thông qua hiện tƣợng rỉ ở nhiệt độ bình thƣờng, đặc biệt trong môi trƣờng ẩm thấp. Để tránh ăn mòn, bề mặt tiếp xúc của các thanh góp của các trang thiết bị điện ngƣời ta phủ một lớp cadmi, tức tạo ra một lớp bảo vệ ổn định đối với không khí.. Dây dẫn bằng thép có thể chịu đựng tốt ở nhiệt độ đến 1000C mà không làm biến đổi phẩm chất cơ khí của thép. Điện trở của dây dẫn thép ở dòng xoay chiều tăng hơn so với dòng một chiều do ảnh hƣởng của hiệu ứng màng ngoài.. * Ứng dụng Thép có điện trở suất gấp 7 † 8 lần so với đồng nhƣng sức bền cơ khí gấp 2 † 2,5 lần, do đó dây dẫn thép đƣợc sử dụng ở những cột lớn, những tuyến vƣợt sông 157 rộngvà có thể sử dụng cho những khoảng cột lớn từ 1500 ÷ 1900m. Dây dẫn bằng thép có thể đƣợc mắc với độ võng bé hơn các dây dẫn khác, do vậy cột có thể thấp hơn nhƣng khỏe hơn. Lực kéo căng của dây thép khá lớn nên có thể dùng thép các cột thấp hơn. Sự phong phú của thép trong quặng thiên nhiên và giá thành thấp của thép làm cho giá thành của dây dẫn thép thấp hơn dây dẫn đồng hay nhôm. Sự tổn thất nhiều trong lƣới điện dùng dây dẫn thép phải đƣợc nghiên cứu và tính toán nên chỉ dùng dây dẫn thép trong trƣờng hợp năng lƣợng điện có giá thành hạ. Thanh ray của tàu điện, của đƣờng sắt con tàu sử dụng điện, của đƣờng sắt mêtrô đƣợc sử dụng nhƣ các đƣờng dây dẫn điện. Dây dẫn bằng thép thay cho dây đồng đối với những thiết bị phải làm việc trong những điều kiện nặng nhọc nhƣ va đập cơ khí, áp suất lớn, bụi khói,dẫn đến bị mài mòn nhanh. Dây dẫn bằng thép đƣợc dùng làm dây dẫn bảo vệ đối với quá điện áp của đƣờng dây trên không (dây chống sét), dây dẫn sét và trang thiết bị nối đất. Một lĩnh vực quan trọng khác của việc ứng dụng dây dẫn điện bằng thép và các chi tiết bằng gang là chế tạo các điện trở phát nóng với nhiệt độ phát nóng lên đến 300 – 5000C, đồng thời dùng làm biến trở khởi động và điều chỉnh. Thép rèn đôi khi đƣợc dùng ở vòng cổ góp của máy điện để thay thế cho các vòng bằng đồng hay thanh gang. Sắt đƣợc làm dây tóc bóng đèn hay sử dụng làm điện trở. Sắt tinh khiết (đƣợc chế tạo bằng điện phân) đƣợc sử dụng chế tạo các điện cực anot (điện cực dƣơng) ở các chỉnh lƣu với bể thủy ngân. 2.4.5. Wofram (W) * Đặc tính của wonfram (W) Wonfram là kim loại rất cứng, có màu tro chiếu sáng, không bị thay đổi ở nhiệt độ thƣờng dù có hơi nƣớc. Ở 7000C, wonfram bắt đầu bị oxi hóa, tạo nên oxit màu trắng (WO3), nếu tăng nhiệt độ, oxit trắng này sẽ chuyển sang màu vàng. Ở nhiệt độ cao, wonfram phản ứng với oxit cacbon, nitơ, hơi nƣớc và hydro cacbua, wonfram không phản ứng với thủy ngân và hidro. Ở các khí cụ điện với kỹ thuật chân không, có sợi tóc nung nóng bằng wonfram (đèn nung sáng, bóng điện tử), nếu bên trong có vết hơi nƣớc thì dây tóc sẽ bị hủy hoại rất nhanh. Giải thích tại sao ? Ở nhiệt độ của dây tóc, hơi nƣớc bị phân tích và oxy từ kết quả của sự phân tích này sẽ tác dụng với wonfram tạo nên oxit WO3 bám vào bờ của bóng đèn. Trên đƣờng đi từ sợi tóc đến các bờ của bóng đèn, hay sau khi đạt đến bờ bóng đèn, WO3 sẽ bị 158 giảm bởi hydro (do sự phân tích của hơi nƣớc) sẽ tái tạo lại nƣớc. Nhƣ vậy wonfram của sợi tóc sẽ vận chuyển và bám vào bờ của bóng đèn. Wonfram không tan trong axit, nó hòa tan trong Na2CO3 nóng chảy. Những chi tiết wonfram tƣơng đối dày cũng dễ vỡ và đứt vì mối liên hệ cơ học giữa mạng tinh thể rất yếu. Đối với những sợi tóc phải uốn thành những vòng xoắn, ngƣời ta chỉ sử dụng dây đa tinh thể, mạng kết cấu này sẽ cản trở việc tái tạo lại mạng tinh thể bằng cách đƣa vào các oxit khó bay hơi (SiO2, CaO, K2O, Al2O3, ThO2). Cùng với việc thêm vào oxit ThO2 (0,75†2%) ngƣời ta đã thành công trong việc chế tạo dây tóc bằng wonfram, nó chịu đƣợc đến nhiệt độ 25000C và tƣơng đối bền vững đối với sự biến dạng. Wonfram là kim loại có sức bền đứt và độ cứng rất cao, có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong tất cả các kim loại (33800C) Sức bền cơ khí và sự kéo dài của wonfram thay đổi tùy theo nhiệt độ và phƣơng pháp gia công. Tốc độ bay hơi của wonfram trong khí quyển nitơ là 2 † 5% nhỏ hơn trong chân không, còn trong khí argon là 1,3 ÷ 3% nhỏ hơn trong chân không. Sự phát xạ điện tử của wonfram thay đổi theo nhiệt độ của Catod. * Ứng dụng Wonfram là loại kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao nhất, đƣợc chế tạo thành dây sợi tóc trong bóng đèn dây tóc, chế tạo các điện trở phát nóng cho các lò điện, chế tạo các phần tử nhiệt, Nó có sự phát xạ điện tử tƣơng đối thỏa mãn nên trƣớc đây đƣợc dùng trong các bóng đèn điện tử. - Wonfram đƣợc dùng làm dây vòng xoắn ở đèn nung sáng. - Wonfram đƣợc dùng các điện cực catôt (cực âm). - Wonfram đƣợc dùng làm điện trở nung nóng. - Các tiếp điểm điện: Wonfram có độ tinh khiết 99,5 ÷ 99,8% có khả năng chịu đựng phóng điện thông qua hồ quang, vì vậy ngƣời ta sử dụng nó nhƣ vật liệu cho các tiếp điểm điện khi ngắt, đối với dòng điện bé. 3. VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1. KHÁI NIỆM VÀ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU DẪN TỪ 3.1.1. Khái niệm Một trong những tác dụng cơ bản của dòng điện là tác dụng từ. Đó chính là cơ sở để chế tạo các loại máy điện. Để truyền tải đƣợc năng lƣợng từ trƣờng cần phải có những vật liệu có từ tính, đó chính là nhóm vật liệu dẫn từ (còn gọi là vật liệu sắt từ ). Kim loại chủ yếu có từ tính là sắt cacbon, niken và các hợp kim của chúng, bên cạnh đó còn có côban cũng đƣợc gọi là chất sắt từ đã qua quá trình tinh luyện. 3.1.2. Tính chất của vật liệu dẫn từ 159 Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là các điện tích luôn chuyển động nằm theo quỹ đạo kín, tạo nên những dòng điện vòng đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình và sự quay theo quỷ đạo của các điện tử trong nguyên tử. Hiện tƣợng sắt từ là do trong một số vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nhất định đã phân thành những vùng mà trong từng vùng ấy các điện tử đều định hƣớng song song với nhau. Các vùng ấy đƣợc gọi là đômen tử. Nhƣ vậy tính chất đặc trƣng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay khi không có từ trƣờng ngoài. Mặc dù trong chất sắt từ có những vùng từ hóa tự phát nhƣng mômen từ của các đômen lại có hƣớng rất khác nhau. Các chất sắt từ đơn tinh thể có khả năng từ hóa dị hƣớng nghĩa là theo các trục khác nhau mức từ hóa khó hay dễ cũng khác nhau. Trong trƣờng hợp các chất sắt từ đa tinh thể có tính dị hƣớng thể hiện rất rõ ngƣời ta gọi chất đó là có cấu tạo thớ từ tính. Tạo đƣợc thớ từ theo ý muốn có ý nghĩa lớn, nó đƣợc sử dụng trong kỹ thuật để nâng cao đặc tính từ của vật liệu theo hƣớng xác định. 3.1.3. Các đặc tính của vật liệu dẫn từ Tại mỗi điểm trong từ trƣờng, hệ số từ thẩm bằng tỷ số giữa cƣờng độ từ cảm B và cƣờng độ từ trƣờng H. Môi trƣờng là chân không, có các trị số cƣờng độ từ cảm B0 và từ trƣờng H0, thì: 0 = 0 0 H B (6.1) 0-hệ số từ thẩm tuyệt đối của chân không, về trị số 0= 4.10 -7 s/m. Đơn vị s/m còn gọi là Henry/mét (H/m). Trong môi trƣờng khác chân không, ta có:  0 = H B hay B =  0H (6.2)  - hệ số từ thẩm tƣơng đối của môi trƣờng từ trƣờng khác chân không, cho biết hệ số từ thẩm tuyệt đối của môi trƣờng so với hệ số từ thẩm của chân không 0 là bao nhiêu. Theo hệ số từ thẩm và từ tính của vật chất, ngƣời ta chia ra các chất thuận từ, nghịch từ và dẫn từ. a. Chất thuận từ: là chất có độ từ thẩm  > 1 và không phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ, oxyt, muối sắt, muối côban, muối niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim. b. Chất nghịch từ: là chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Loại này gồm có hydro, các khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, đồng, kẽm, bạc, vàng, thuỷ ngân, antimon, gali,... . Các chất thuận từ và ngịch từ giống nhau ở chỗ từ yếu, tức là cùng có độ từ thẩm  sấp sỉ bằng 1. Ví dụ nhôm là chất thuận từ có  = 1,000023, còn đồng là chất nghịch từ có  = 0,999995. 160 c. Chất dẫn từ: là chất có độ từ thẩm  >> 1 và phụ thuộc vào cƣờng độ từ trƣờng ngoài. Loại này gồm có sắt, niken, côban và các hợp kim của chúng, hợp kim crôm - mangan, gađôlonit và ferit có các thành phần khác nhau. 3.1.4 Những hƣ hỏng thƣờng gặp vật liệu dẫn từ Các loại vật liệu dẫn từ đƣợc sử dụng để chế tạo các mạch từ của các thiết bị điện, máy điện và khí cụ điện, nên khi sử dụng lâu ngày sẽ bị hƣ hỏng và ta thƣờng gặp các dạng hƣ hỏng sau: + Hƣ hỏng do bị ăn mòn kim loại: đa phần chúng là các chất sắt từ và các hợp chất sắt từ nên chúng cũng bị tác dụng của môi trƣờng xung quanh và tác dụng đó diễn ra dƣới hai hình thức ăn mòn, ăn mòn hóa học và ăn mòn điện hóa nhƣ những kim loại khác mặc dầu trên bề mặt chúng có sơn lớp sơn cách điện. + Hƣ hỏng do điện: trong quá trình làm việc do xẩy ra các hiện tƣơng nhƣ quá điện áp, do bị ngắn mạch nên các cuộn dây đặt trên mạch từ bị cháy nên làm hỏng các mạch từ. + Hƣ hỏng do bị già hóa của kim loại: dƣới tác dụng của thời gian và môi trƣờng làm cho các tính chất của vật liệu từ thay đổi. + Hƣ hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: dƣới tác dụng của ngoại lực làm cho các vật liệu từ bị biến dạng hoặc bị hỏng. + Dƣới tác dụng của nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng lên (khoảng 1250C) các vật liệu có từ tính sẽ mất từ tính. 3.2. MẠCH TỪ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH TỪ. Mạch từ là gồm lõi sắt từ có hay không có các khe không khí và từ thông sẽ đóng kín qua chúng. Việc sử dụng vật liệu sắt từ nhằm mục đích thu đƣợc từ trở cực tiểu, đối với từ trở này, sức từ động cần thiết để đảm bảo cảm ứng từ hay từ thông mong muốn có giá trị của nó nhỏ nhất. Mạch từ rất đơn giản bao gồm bởi lõi cuộn dây hình xuyến (hình 4.2) hoặc ngƣời ta dùng các mạch từ nối tiếp hay rẽ nhánh mà các đoạn có thể thực hiện bằng các vật liệu khác nhau, hay vật liệu cùng một bản chất (hình 4.4). Tính toán một mạch từ tức là xác định sức từ động theo các giá trị của từ thông đã cho, các kích thƣớc của mạch và bản chất của các vật liệu đƣợc sử dụng. 3.2.1. Các công thức cơ bản R R2 R1 Hình 4.2: Cuộn dây hình xuyến 161 Khi tính toán mạch từ, có thể áp dụng các định luật cơ bản của mạch điện bởi vì giữa chúng tồn tại sự tƣơng tự qua lại. a) Định luật Kirchauffe 1: áp dụng cho mạch từ đƣợc phát biểu nhƣ sau. Đối với một nút bất kỳ trong mạch từ, tổng các từ thông đi vào (có chiều về phía điểm nút) và đi ra (có chiều đi ra khỏi điểm nút) bằng 0. 0 1   n i i (4.1) b) Định luật Kirchauffe 2: phát biểu nhƣ sau: đối với một mạch vòng khép kín trong mạch từ, tổng các từ áp rơi trên mạch vòng đó và các sức từ động bằng 0. 0 11   m k mkK n i i RF . (4.2) c) Định luật Ohm phát biểu như sau: đối với một nhánh bất kỳ trong mạch từ tích số giữa từ thông chảy qua và tổng trở từ bằng từ áp rơi giữa hai đầu của nhánh đó. mimii UZ  . (4.3) Trong các công thức trên: - i : là từ thông chảy qua các nhánh của mạch từ (wb). - Fi : là sức từ động của các nhánh từ tƣơng ứng (A.t). - Rmk : từ trở của nhánh từ tƣơng ứng (1/H). - Zmi : tổng trở từ của các nhánh (1/H). - Umi : từ áp rơi trên các nhánh từ (A). Tổng trở Zmi của nhánh từ bao gồm hai thành phần là từ trở Rmi và từ kháng Xmi, giữa chúng có quan hệ tam giác vuông. 22 mimimi XRZ  . (4.4) Đối với mạch từ một chiều (DC) không tồn tại thành phần từ kháng Xmi vì vậy trong đó chỉ bao gồm các thành phần từ trở Rmi. ii i mi S l R   . (4.5) Trong đó: - I1 : là chiều dài của nhánh từ tƣơng ứng (m). - S1: tiết diện của nhánh từ đó (m 2 ). - I : là từ thẩm vật liệu từ của nhánh từ tƣơng ứng (H/m). Ví dụ: Mạch từ đƣợc trình bày nhƣ (hình 4.1). Lõi đƣợc làm từ vật liệu từ có độ từ thẩm  lớn hơn rất nhiều với từ thẩm của chân không 0 với: 0 = 4.10 -7 (H/m). Lõi có tiết diện không đổi và đƣợc kích từ bởi cuộn dây có N vòng dây, trong đó chảy dòng điện I (A). Cuộn dây N sẽ sinh ra từ trƣờng trong lõi thép 162 đƣợc biểu diễn trong (hình 4.1). Từ thông  đi qua bề mặt S bằng tích phân mặt của các thành phần pháp tuyến của từ cảm B. Nhƣ vậy.  dSB. (4.6) Trong hệ đo lờng SI, từ thông  có thứ nguyên là weber (wb). Khi từ cảm là đồng nhất bên trong một mặt cắt bất kỳ của lõi thép, phƣơng trình trên có thể đƣợc biểu diễn: iii SB . . (4.7) Trong đó: - i : từ thông trong lõi thép. - Bi : từ cảm. - Si : là tiết diện của lõi thép. Từ phƣơng trình   c S dSJdLH .. , quan hệ giữa sức từ động và cƣờng độ từ trƣơng H có thể đƣợc biểu diễn:   dlHNIF . . (4.8a) Lõi thép có độ dài trung bình chính bằng chiều dài khép kín của đƣờng sức từ bất kỳ li . Kết quả là tích phân đƣờng (4.8) trở thành tích của các đại lƣợng vô hƣớng Hi , li . Từ phƣơng trình (4.8a) có thể viết lại: ii LHNIF  (4.8b) Với Hi là giá trị trung bình phần thực của véctơ H trong lõi thép. Chiều của H i trong lõi thép đƣợc xác định theo quy tắc bàn tay phải, nó có thể đƣợc biểu diễn bằng hai cách tƣơng tự nh nhau. Hãy hình dung rằng có một vật dẫn điên đặt trong bàn tay phải, ngón tay cái chỉ chiều của từ trƣờng Hi . Hoàn toàn tƣơng tự nếu nhƣ cuộn dây trong hình vẽ (hình 4.3) đƣợc nắm bởi bàn tay phải, khi đó các ngón tay chỉ chiều dòng điện và ngón tay cái sẽ chỉ chiều từ trƣờng. S iN  i Hình 4.3: Mạch từ 163 Trong mỗi nhánh từ của mạch từ, quan hệ giữa từ cảm Bi (T) và cƣờng độ từ trƣờng Hi (A/m) đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong từ hóa B = f(H) của vật liệu từ nhận đƣợc từ thực nghiệm. Đẩi với các vật liệu phi từ tính nhƣ đồng nhôm, đồng v.v, các vật liệu cách điện nhƣ Fibre, bakelite v.v và không khí, quan hệ này đƣợc biểu diễn nhƣ sau: B = 0.H. (4.9) Với 0 là từ thẩm của chân không (H/m). Trong mạch từ ta phân biệt các từ thông sau: - Từ thông làm việc lv là từ thông đi qua khe hở không khí chính của mạch từ. - Từ thông rò  là từ thông không đi qua khe hở không khí chính của mạch từ mà khép kín theo các đƣờng khác. - Từ thông tổng 0, là tổng của hai từ thông lv và  và thƣờng đi qua phần gông của mạch từ (hình 4.3). Tỷ số giữa từ thông tổng và từ thông làm việc đƣợc định nghĩa là hệ số rò  của một mạch từ cho trƣớc: lvlv lv lv           10 . (4.10) Khi tính toán mạch từ thƣờng gặp hai dạng bài toán cơ bản sau đây. - Bài toán thuận: với nội dung nhƣ sau. Cho trƣớc từ thông  hoặc từ cảm B và hình dạng, kích thƣớc của mạch từ, cần xác định sức từ động cần thiết để sinh ra từ thông đó. - Bài toán nghịch: đƣợc phát biểu nhƣ sau. Cho trƣớc sức từ động hình dạng, kích thƣớc và vật liệu của mạch từ, cần xác định giá trị các từ thông trong mạch từ. Trong thực tế, có thể gặp các dạng bài toán mạch từ hơi khác một chút ví dụ nhƣ: cho trƣớc giá trị của lực hút điện từ tác động lên phần ứng tại một vị trí xác định của khe hở không khí  ( là khoảng cách giữa nắp và lõi của mạch từ) hoặc cho trƣớc đặc tính lực hút điện từ P= f() và các điều kiện phụ về hình dáng, kích thƣớc và vật liệu của mạch từ, cần xác định từ thông hoặc giá trị sức từ động cần thiết. Những bài toán về mạch từ nhƣ vậy tựu chung đều có thể đƣa về dạng của một trong hai bài toán cơ bản nêu ở trên. Bài toán thuận có thể đƣợc giải quyết nhƣ sau: đối với mỗi nhánh từ của mạch từ, có thể xem từ cảm ứng từ B là không đổi trên toàn bộ chiều dài của nhánh đó, ta xác định giá trị cƣờng độ từ trƣờng H tƣơng ứng dựa trên quan hệ B = .H. (4.11) Trong hệ đo lƣờng SI, B đƣợc đo bằng weber/m2 hay còn đƣợcgọi là tesla (T),  đƣợc đo bằng weber/A hoặc (H/m). Từ thẩm của sắt từ đƣợc biểu diễn bằng  = r - 0 164 với giá trị phổ biến của r của các vật liệu từ dùng để chế tạo các thiết bị điện nằm trong khoảng từ 2000 đến 80000, hoặc dựa trên quan hệ đƣờng cong từ hóa của vật liệu cho trƣớc. Tích giữa cƣờng độ từ trƣờng và chiều dài nhánh từ chính là giá trị sức từ động cần thiết Fi = Hi li . Sức từ động cần thiết của toàn bộ mạch từ sẽ bằng tổng các sức từ động nhánh nằm trong một mạch vòng khép kín.    n i iFF 1 . (4.12) Dạng bài toán cơ bản thứ hai thƣờng khó giải hơn. Để nhận đƣợc từ thông sinh ra từ sức từ động cho trƣớc, có thể có thể thực hiện bài toán theo phƣơng pháp lặp nhƣ sau: đầu tiên 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 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 Hình 4.4: a. Mạch từ b. Sơ đồ thay thế Nắp lõi Gông R1 R2 Rn R Rg iN Rl1 Rl2 a) b) 165 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. Z U I  . (4.13) Với:  22 LrZ  . 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) GNL .2 . (4.14 a)        3 . .. 3 . 2 22 lg GNlg I IN I GIN L   . (4.14 b) II L lv     . (4.14 c) 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. 0 2 ... .   SN U I  . (4.15) Trong đó: S: là tiết diện lõi từ (m2). : độ lớn của khe hở không khí. 166 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. mf U N   ..44,4 . (4.16) 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: I F N  . (4.17) - 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. 167 Giải - Sức từ động của cuộn dây có thể đƣợc xác định từ: G NI lv  ..2 . (4.18) G là tổng từ dẫn của hai khe hở không khí trong mạch từ và có công thức tính nhƣ sau:   S Gδ 0 . (4.19) Từ thông rò  đƣợcxác định từ giá trị từ dẫn rò quy đổi: lgN ..2 . (4.20) Từ thông tổng: ).(..20 lgGNIlv   . (4.19) Số vòng dây: mf U N 0..44,4   . (4.20) Từ (4.18) và (4.19) xác định đƣợc giá trị dòng điện: ).(2)..(.2 ..44,4 200 lgGUlgGU f I mm         . (4.21) 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: Hình 4.5: Mạch từ xoay chiều có cuộn dây đặt trên gông 168 - Tính sức từ động cuộn dây kích thích: G NI lv  ..2 . - Từ thông tổng, móc vòng với tất cả các cuộn dây bằng: )(..2 2 33 .30 l yx yxlv gGNI    . - Số vòng dây:            2 33 0 3 ..44,4 ..44,4 l yx gGf UG f U N lvlv m  . - Dòng điện cuộn dây. GN I lv ..2   . 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 S B   trên mỗi đoạn và ta tìm 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 l x y  iN Hình 4.6: mạch từ kiểu Solenoide 169 Cƣờng độ từ trƣờng trong khe hở hay trong vật liệu không từ sẽ đƣợc tính theo công thức: 0 6 0 0 0 10.8,0 B B H   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 S1 = 36cm 2 (0,0036 m 2), đoạn thứ hai bằng thép khuôn có l2= 17 cm (0,17m) và S2 = 48cm 2 (0,0048m 2), đoạn thứ ba đƣợc tạo nên bởi một khe hở l0= 5 x 2 = 10 mm (0,01m) và S0= 36cm 2 (0,0036m 2 ). Bài giải: 60 l1 l2 150 8 0 5 3 4 0 2 8 0 60 60 Hình 4.8: Mạch từ của ví dụ Hình 4.9: Đƣờng cong từ hóa thép  330 (đƣờng số 2) 1,3 170 Cảm ứng từ trong các đoạn thứ nhất, hai và thứ ba là: T S B 3,1 10.36 10.47 4 4 1 1      T S B 98,0 10.48 10.47 4 4 2 2      T S B 3,1 10.36 10.47 4 4 0 0      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: H0= 0,8.10 6 .B0 = 0,8.10 6 x 1,3 =1,04. 10 6 A/m - Từ áp trong khe hở là: Um0= H0l0= 1,04. 10 6 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: 435 25 10873  I Fm vòng. 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). 171 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 1200 0C, 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 172 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... 173 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. 174 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 ( Ký, ghi rõ họ tên) Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên)