Đồ án khí cụ điện hạ áp
Đất nước đang càng ngày càng phát triển, quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đang diễn ra mạnh mẽ. Để thực hiện được thì phải có nguồn năng lương, mà điện năng chiếm một vai trò rất quan trọng. Điện năng cung cấp cho mọi ngành, mọi lĩnh vực, mọi đối tượng. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện thì không thể tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra như hiện tượng quá điện áp, quá dòng điện, hiện tượng ngắn mạch......
Đồ án
Khí cụ điện hạ áp
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
Mục lục
Lời nói đầu ........................................................................................................ 4
Chương I Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ................................................ 5
I. Khái niệm chung........................................................................................ 5
1.Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ ........................................................... 5
2.Nguyên lý hoạt động ................................................................................... 5
II. Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ................................................................. 6
1.Hệ thống mạch vòng dẫn điện..................................................................... 6
2.Hệ thống dập hồ quang................................................................................ 6
3.Nam châm điện............................................................................................ 6
4.Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung...................... 7
5.Hình dáng của công tắc tơ ........................................................................... 7
Chương II Tính toán mạch vòng dẫn điện ............................................. 8
I. Khái niệm chung........................................................................................ 8
II. Mạch vòng dẫn điện chính ....................................................................... 8
1.Thanh dẫn .................................................................................................... 8
2.Đầu nối ...................................................................................................... 12
3.Tiếp điểm................................................................................................... 13
III. Mạch vòng dẫn điện phụ ........................................................................ 20
1.Thanh dẫn .................................................................................................. 20
2.Tiếp điểm................................................................................................... 21
Chương III Tính và dựng đặc tính cơ ............................................. 22
I. Tính toán lò xo ......................................................................................... 22
1.Vật liệu làm lò xo ...................................................................................... 22
2.Lò xo ép tiếp điểm chính........................................................................... 22
3.Lò xo tiếp điểm phụ .................................................................................. 24
4.Lò xo nhả ................................................................................................... 25
II. Đặc tính cơ ............................................................................................... 26
Ngọc Văn Tú -1- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
1.Lập sơ đồ động .......................................................................................... 26
2.Tính toán các lực ...................................................................................... 27
3. Đặc tính cơ ............................................................................................... 28
Chương IV Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện ................... 29
I. Khái niệm ................................................................................................. 30
II. Tính toán thiết kế nam châm điện ......................................................... 30
1.Xác định Kkc .............................................................................................. 30
2.Chọn vật liệu dẫn từ .................................................................................. 30
3.Chọn từ cảm, hệ số từ rò , hệ số từ cảm.................................................... 31
4.Tính tiết diện lõi mạch từ .......................................................................... 31
5.Xác định kích thước cuộn dây................................................................... 32
6.Kích thước mạch từ ................................................................................... 34
III. Tính toán kiểm nghiệm nam châm điện................................................ 35
1.Sơ đồ thay thế mạch từ .............................................................................. 35
2.Tính từ dẫn khe hở không khí ................................................................... 37
3.Tính từ thông ............................................................................................. 40
4.Tính số vòng dây ....................................................................................... 41
5.Tính đường kính dây ................................................................................. 41
6.Tính toán vòng ngắn mạch ........................................................................ 41
7.tính toán vòng ngắn mạch ......................................................................... 44
8.Tính toán kiểm nghiệm cuộn dây.............................................................. 45
9.Tính và dựng đặc tính lực điện từ ............................................................. 47
Chương V Tính và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang .................... 47
I. Vật liệu...................................................................................................... 50
1.Vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang ........................................................ 50
2.Vật liệu làm các tấm dập ........................................................................... 50
II. Tính toán và kiểm nghiệm ...................................................................... 50
Chương VI Hoàn thiện kết cấu ................................................................ 54
Ngọc Văn Tú -2- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
I. Mạch vòng dẫn điện ................................................................................ 54
1.Mach vòng dẫn điện chính ........................................................................ 54
2.Mạch vòng dẫn điện phụ ........................................................................... 55
II. Lò xo tiếp điểm, lò xo nhả ....................................................................... 55
1. Lò xo tiếp điểm chính............................................................................... 55
2. Lò xo tiếp điểm phụ.................................................................................. 55
3. Lò xo nhả .................................................................................................. 55
III. Nam châm điện ........................................................................................ 56
1. Mạch từ ..................................................................................................... 56
2. Kích thước cuộn dây ................................................................................ 56
3.vòng ngắn mạch ........................................................................................ 56
4.Buồng dập hồ quang.................................................................................. 56
IV. Vỏ và các chi tiết khác............................................................................. 57
Chương VII Ví dụ minh họa ứng dụng công tắc tơ trên.................. 57
I. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................ 57
II. Nguyên tắc hoạt động ............................................................................ 58
1.Mạch chính điều khiển động cơ ................................................................ 58
2.Mạch kiểm tra............................................................................................ 58
Ngọc Văn Tú -3- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
Lời nói đầu
Đất nước đang càng ngày càng phát triển, quá trình công nghiệp hoá, hiện đại
hoá đang diễn ra mạnh mẽ. Để thực hiện được thì phải có nguồn năng lương, mà
điện năng chiếm một vai trò rất quan trọng. Điện năng cung cấp cho mọi ngành,
mọi lĩnh vực, mọi đối tượng. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện thì không
thể tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra như hiện tượng quá điện áp, quá dòng
điện, hiện tượng ngắn mạch... Để đảm bảo vấn đề an toàn tính mạng cho con
người, bảo vệ các thiết bị điện và tránh những tổn thất kinh tế có thể xảy ra thì
khí cụ điện ngày càng được đòi hỏi nhiều hơn, chất lượng tốt hơn và luôn đổi
mới công nghệ.
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các loại khí cụ điện hiện đại
được sản xuất ra luôn đảm bảo khả năng tự động hoá cao, trong đó công tắc tơ
cũng không nằm ngoài mục đích đó. Chính vì vậy mà nghiên cứu, thiết kế công
tắc tơ là đặc biệt quan trọng nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể sẽ xảy ra.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy cô trong nhóm khí cụ điện,
thuộc bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa điện. Đặc biệt là sự hướng dẫn giúp
đỡ và đóng góp của thầy Đặng Chí Dũng, em đã hoàn thành được đồ án môn
học với đề tài thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3 pha.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do hiểu biết kiến thức còn có nhiều hạn
chế, thời gian có hạn và kinh nghiệm thực tế còn ít, nên trong quá trình thiết kế
đồ án em còn mắc những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong có được sự chỉ
bảo và đóng góp ý kiến thầy cô và các bạn sinh viên.
Em xin chân thành cảm ơn bộ môn Thiết bị điện - điện tử và thầy Đặng Chí
Dũng.
Ngọc Văn Tú -4- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
Chương I
Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ
I. Khái niệm chung
1. Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ
Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng, cắt thường xuyên các mạch điện
động lực, từ xa, bằng tay hay tự động. Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có
thể thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. Thông thường ta gặp
loại đóng cắt bằng nam châm điện. Công tắc tơ gồm các bộ phận chính sau
- Hệ thống mạch vòng dẫn điện.
- Hệ thống dập hồ quang.
- Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung.
- Nam châm điện.
- Vỏ và các chi tiết cách điện.
2. Nguyên lý hoạt động
Khi cho điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ được sinh ra trong nam châm
điện. Luồng từ thông này sẽ sinh ra một lực điện từ. Khi lực điện từ lớn hơn lực
cơ thì nắp mạch từ được hút về phía mạch từ tĩnh, trên mạch từ tĩnh có gắn vòng
ngắn mạch để chống rung, làm cho tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh.
Tiếp điểm tĩnh được gắn trên thanh dẫn, đầu kia của thanh dẫn vít bắt dây điện
ra, vào. Các lò xo tiếp điểm có tác dụng duy trì một lực ép tiếp điểm cần thiết
lên tiếp điểm. Đồng thời tiếp điểm phụ cũng được đóng vào đối với tiếp điểm
phụ thường mở và mở ra đối với tiếp điểm thường đóng. Lò xo nhả bị nén lại.
Khi ngắt điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ giảm xuống về không, đồng
thời lực điện từ do nó sinh ra cũng giảm về không. Khi đó lò xo nhả sẽ đẩy toàn
bộ phần động của công tắc tơ lên và cắt dòng điện tải ra. Khi tiếp điểm động
Ngọc Văn Tú -5- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
tách khỏi tiếp điểm tĩnh của mạch từ chính thì hồ quang sẽ xuất hiện giữa hai
tiếp điểm. Nhờ các tấm dập trong buồng dập hồ quang, hồ quang sẽ được dập
tắt.
II. Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ
1. Hệ thống mạch vòng dẫn điện
Thanh dẫn: do thanh dẫn phải dẫn dòng điện
làm việc và có khi phải chụi dòng điện ngắn
mạch lớn khi xảy ra sự cố đòng thời phải đảm
bảo cho tiếp điểm tiếp xúc tốt nên ta chọn thanh
dẫn bằng đồng có tiết diện ngang hình chư nhật.
Đầu nối : chọn đầu nối bằng bu lông có thể tháo rời được.
Tiếp điểm chính: do dòng điện làm việc định mức của công tắc tơ là 25 A
nên ta chọn tiếp điểm hình trụ, kiểu bắc cầu, 1 pha 2 chỗ ngắt, tiếp xúc loại
mặt phẳng-mặt phẳng.
Tiếp điểm phụ: cũng dùng kiểu tiếp điểm bắc cầu 1 pha 2 chỗ ngắt.
2. Hệ thống dập hồ quang
Đối với khí cụ điện hạ áp , các trang bị dập hồ quang thường là :
- Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí.
- Dùng cuộn dây thổi từ.
- Dùng buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp.
- Dùng buồng dập hồ quang kiểu dàn dập.
Qua phân tích và tham khảo thực tế, đối với Công tắc tơ xoay chiều chọn
buồng dập hồ quang kiểu dàn dập .
3. Nam châm điện
Công tắc tơ có thể đóng ngắt bằng nam châm điện hút quay hoặc hút thẳng.
Nam châm điện hút quay
- Ưu điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút quay tốt hơn nam châm điện
hút thẳng.
- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, một pha có một chỗ ngắt làm cho việc dập
hồ quang khó khăn, phải dùng dây nối mềm.
Nam châm điện hút thẳng
Ngọc Văn Tú -6- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, Kết cấu tiếp điểm bắc cầu một pha có hai chỗ
ngắt làm cho việc dập hồ quang đơn giản hơn, Hành trình chuyển động
gắn liền với chuyền động của nắp nam châm điện,việc bố trí buồng dập hồ
quang dễ dàng, Không dùng dây nối mềm.
- Nhược điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút thẳng không tốt bằng
nam châm hút quay.
Do có nhiều ưu điểm cho nên ta sẽ sử dụng nam châm điện xoay chiều hình
chữ E kiểu hút chập.
4. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn
xung
Lò xo nhả, lò xo tiếp điểm: ta chọn kiểu lò xo xoắn hình trụ do nó ít bị ăn
mòn và bền hơn lò xo tấm phẳng.
Lò xo hoăn xung: dùng để giảm bớt va chạm giữa nắp và thân cực từ do đó
ta dùng lò xo lá.
5. Hình dáng của công tắc tơ
Sau khi chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta được hình dáng công tắc tơ như sau
1. Tiếp điểm tĩnh. 6. Thanh dẫn tĩnh.
2. Tiếp điểm động. 7. Lò xo nhả. 3. Lò xo ép tiếp điểm.
8. Mạch từ nam châm điện. 4. Thanh dẫn động. 9. Cuộn
dây nam châm điện.
Ngọc Văn Tú -7- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
5. Dàn dập hồ quang. 10. Vòng ngắn mạch.
11. Nắp mạch từ nam châm điện.
Chương II
Tính toán mạch vòng dẫn điện
I. Khái niệm chung
Trong Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ quan trọng, nó có chức
năng dẫn dòng, chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do các
bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thước hợp thành. Đối với Công
tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính như sau:
Thanh dẫn: gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Thanh dẫn có chức
năng truyền tải dòng điện.
Dây dẫn mềm.
Đầu nối: gồm vít và mối hàn.
Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, có chức năng
đóng ngắt dòng điện.
Cuộn thổi từ.
II. Mạch vòng dẫn điện chính
1. Thanh dẫn
Thanh dẫn động
a.
Chọn vật liệu
Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép đủ
để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tương đối cao... do đó ta có thể
chọn Đồng kéo nguội làm vật liệu cho thanh dẫn động.
Các thông số của đồng kéo nguội:
Ký hiệu ML-TB
8,9 g/cm3
Tỷ trọng (γ)
10830C
Nhiệt độ nóng chảy (θnc)
Điện trở suất ở 200C (ρ20) 0,0158.10-3 Ωmm
3,9 W/cm 0C
Độ dẫn nhiệt (λ)
Ngọc Văn Tú -8- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
80 ÷ 120 kG/cm2
Độ cứng Briven (HB) B
0,0043 1/ 0C
Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α)
950 C
Nhiệt độ cho phép cấp A ([θcp])
Tính toán thanh dẫn
Theo phần chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ, ta đã chọn thanh dẫn có tiết
diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề dầy b
Theo công thức 2-6 (TL1) :
I 2 .ρ θ .K f
b=3 dm
2.n.(n + 1).K T .τ od
Trong đó :
Iđm = 18 A : dòng điện định mức.
a
n: hệ số hình dáng, n = = 5 ÷ 10, chọn n = 7.
b
Kf : hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và
hiệu ứng gần.
Kf = Kbm.Kg = 1,03 ÷ 1,06. Chọn Kf = 1,06.
KT : hệ số tản nhiệt, KT = (6 ÷ 12).10-6 (W/ 0 C.mm2) ⇒ Chọn KT=
7,5.10-6.
ρυ : điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định.
ρθ = ρ20[1+α(θ - 20)]
ρ20 : điện trở suất của vật liệu ở 20OC.
α : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu.
θ: nhiệt độ ổn định của đồng , ở đây ta lấy bằng nhiệt độ
phát nóng cho phép υ = [υ] = 95 OC.
⇒ ρ95 = 0,0158.10 -8[1+4,3.10 -3(95 - 20)] ≈ 2,1.10 -8 (Ω.m)
τôđ : độ tăng nhiệt ổn định.
τôđ = θ - θmt với θmt= 40 OC là nhiệt độ môi trường
⇒ τôđ = 95 - 40 = 55 OC
Ngọc Văn Tú -9- TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
Vậy ta có
18 2.2,1.10 −8.1,06
b=3 ≈ 0,54(mm)
2.7.(7 + 1).7,5.10 −6.55
a = b.n =7. 0,54 = 3,78 (mm)
Vậy kích thước tối thiểu của thanh dẫn động là a = 3,78 mm và b = 0,54
mm.
Tuy nhiên hình dạng của thanh dẫn động còn phụ thuộc vào hình dạng của
tiếp điểm.
Chọn tiếp điểm theo bảng 2-15(TL1.T51)
với Iđm = 18 A ta chọn đường kính tiếp điểm dtđ = 8 mm và chiều cao tiếp
điểm là htđ= 1,5 mm.
Chọn lại kích thước của thanh dẫn động: a= 10 mm và b= 1,2 mm
Kiểm tra kích thước làm ở điều kiện làm việc dài hạn
Diện tích thanh dẫn:
S = a.b =10.1,2 = 12 (mm 2 )
Chu vi thanh dẫn:
P = 2.(a+b) = 2.(10+1,2) = 22,4 (mm)
Mật độ dòng điện :
Idm 18
= 1,5 (A/mm2) < [j] =2 ÷ 4 (A/mm2)
j= =
12
S
⇒ thoả mãn về kết cấu.
Nhiệt độ thanh dẫn :
Từ công thức 2-4 (TKKCĐHA) ta có
I 2 .ρθ .K f I 2 .ρ0 .(1 + α.θod ).K f
S.P = =
K T .(θo − θmt ) K T .(θod − θmt )
I 2 .ρ0 .K f . + S.P.K T .θmt
⇒ θ« d = θtd =
S.P.K T − I 2 .ρ0 .K f .α
với ρ0 : điện trở suất của đồng kéo nguội ở 00C
ρ 20 0,0158.10 −3
ρ0 = = 0,015.10 −3 (Ω.mm)
=
1 + α .θ 1 + 0,0043.20
Ngọc Văn Tú - 10 - TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
θmt : nhiệt độ môi trường, θmt = 400C
Thay vào ta có :
18 2.0,015.10 −3.1,06 + 12.22,4.7,5.10 −6.40
θ td = = 430C
−6 −3
12.22,4.7,5.10 − 18 .0,015.10 .1,06.0,0043
2
Vậy θtd < [θcp] = 950C ⇒ thanh dẫn thoả mãn về nhiệt độ ở chế độ
định mức.
Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch
Đặc điểm của quá trình ngắn mạch:
Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn.
Thời gian tác động nhỏ.
Từ đặc điểm trên rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch nhiệt độ thanh dẫn tăng
lên rất lớn có thể làm thanh dẫn bị biến dạng. Do đó cần phải kiểm tra khi có
ngắn mạch thì mật độ dòng điện thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng điện cho
phép không.
Từ công thức 6-21 (TL1) :
A nm − A d
j nm =
t nm
Trong đó:
Inm = Ibn : dòng điện ngắn mạch hay dòng điện bền nhiệt.
tnm = tbn : thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt.
Anm = Abn : hằng số tích phân ứng với ngắn mạch hay bền
nhiệt.
Ađ : hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu.
Tra đồ thị hình 6-5 (TL1.T313) ta có:
Với θbn = 3000C có Abn = 3,65.104 (A2s/mm4)
θđ = 950C có Ađ = 1.6.104 (A2s/mm4)
tnm jnm [jnm]cp
(A/mm2) (A/mm2)
(s)
3 87 94
4 75 82
10 47.4 51
Ngọc Văn Tú - 11 - TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật
độ dòng điện cho phép, nên thanh dẫn có thể chịu được ngắn mạch.
Thanh dẫn tĩnh
b.
Thanh dẫn tĩnh được nối với tiếp điểm tĩnh và gắn với đầu nối. Vì vậy
thanh dẫn tĩnh phải có kích thước lớn hơn thanh dẫn động.
Ta có thể chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau :
at = 10 mm
bt = 1,5 mm
Do thanh dẫn động thoả mãn ở chế độ dài hạn và ngắn hạn mà thanh dẫn
tĩnh có tiết diện và chu vi lớn hơn thanh dẫn động cho nên thanh dẫn tĩnh cũng
thoả mãn chế độ dài hạn và ngắn hạn.
2. Đầu nối
Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ
bị hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện
lớn và điện áp cao.
Các yêu cầu đối với mối nối
Nhiệt độ các mối nối khi làm việc ở dài hạn với dòng điện định mức
không được tăng quá trị số cho phép.
Khi tiếp xúc mối nối cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng
ngắn mạch chạy qua.
Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi
khí cụ điện vận hành liên tục.
Kết cấu của mối nối gồm có : mối nối có thể tháo rời được, không thể tháo
rời được, mối nối kiêm khớp bản lề có dây nối mềm hoặc không có dây nối
mềm. ở đây ta chon mối nối có thể tháo rời được và bằng bu lông.
Với dòng điện định mức Iđm = 18A theo bảng 2-9 (TKKCĐHA) chọn bu
lông 5 bằng thép không dẫn điện và trụ đồng 5.
b
a
Ngọc Văn Tú - 12 - TBĐ-ĐT1
Stx
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
Idm
Diện tích bề mặt tiếp xúc : Stx =
j
Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng có tần số f = 50 Hz và dòng điện định
mức Iđm < 200A thì có thể lấy mật độ dòng điện j = 0,31 A/mm2
18
= 58,1 (mm 2 )
⇒ Stx =
0,31
Lực ép tiếp xúc : Ftx = ftx.Stx
Trong đó
ftx là lực ép riêng trên các mối nối, ftx = 100 ÷ 150 kG/cm2
chọn ftx=100 kG/cm2 = 100.10-2 kG/mm2
⇒ Ftx = 100.10 -2.58,1 = 58,1 (kG)
Theo công thức 2-25(TL1.T59). Điện trở tiếp xúc là:
K tx
R tx =
(0,102.Ftx )m
Trong đó
m =1
đồng-đồng tiếp xúc mặt Ktx =(0.09 ÷ 0.14).10-3 ⇒ chọn Ktx = 0,1.10-3
0,1.10 −3
⇒ R tx = = 1,7.10 −5 (Ω)
0,102.58,1
Điện áp tiếp xúc
Utx = Iđm.Rtx =18.1,7.10 –5= 0,31 (mV)
Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([Utx]cp =30 mV),
nên bu lông đã chọn thoả mãn yêu cầu.
3. Tiếp điểm
Nhiệm vụ của tiếp điểm
a.
Ngọc Văn Tú - 13 - TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ điện đóng ngắt.
Yêu cầu đối với tiếp điểm
b.
Khi Công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức , nhiệt độ bề mặt nơi không
tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải
bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm.
Với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch) tiếp
điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động.
Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng điện trong
giới hạn cho phép , tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bé nhất , độ
rung của tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép.
Vật liệu làm tiếp điểm
c.
Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp
xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công
nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 18 A.
Từ bảng 2-13 (TL1) ta chọn vật liêu là bạc niken than chì, với các thông số
kỹ thuật sau:
Ký hiệu KMK.A32
8,7 g/cm3
Tỷ trọng (γ)
1300 0C
Nhiệt độ nóng chảy (θnc)
Điện trở suất ở 200C (ρ20) 0,035.10-3 Ωmm
3,25 W/cm 0C
Độ dẫn nhiệt (λ)
45 ÷ 65 kG/mm2
Độ cứng Briven (HB) B
0,0035/ 0C
Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α)
950 C
Nhiệt độ cho phép cấp A ([θcp])
Như đã chọn ở phần tính thanh dẫn động ta có kích thước của tiếp điểm là
d = 8 mm; h=1,5 mm.
Lực ép tiếp điểm
d.
Theo công thức kinh nghiệm
Ftđ = ftđ x Iđm
Tra bảng 2-17 ta chọn ftđ = 15 (g/A)
Ftđ = 15 x 18 = 270 (g) = 0,270 (kg) = 2,70 (N)
Điện trở tiếp điểm
e.
Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm được tính theo công thức 2-25(TL1.T159)
Ngọc Văn Tú - 14 - TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
K tx
Rtx =
(0,102.Ftd ) m
Trong đó :
Ftđ = 2,70 (N)
Ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt
của tiếp điểm. Ktx = ( 0,2 ÷ 0,3)10 −3 ⇒ chọn Ktx = 0,25.10-3
m: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc. vì là tiếp xúc mặt ⇒ m = ( 0,7 ÷ 1 )
nên chọn m = 0,8
Thay vào ta có:
0,25.10 −3
R tx = = 7.10 −4 (Ω)
0,8
(0,102.2,7)
Điện áp tiếp xúc
f.
Utx = Iđm.Rtx =18.7.10-4 = 0,0126 (V) = 12,6 (mV)
Vậy điện áp nơi tiếp xúc Utx thoả mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc
cho phép [Utx] = 2 ÷ 30 mV.
Nhiệt độ tiếp điểm và nhiệt độ nơi tiếp xúc
g.
Theo công thức 2-11(TL1.T52) nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm
I dm .ρθ
2 2
I dm .Rtd
θ td = θ mt + +
S .P.KT 2. λ.S .PKT
Trong đó:
θtđ : nhiệt độ của tiếp diểm.
ρθ: điện trở suất của vật iệu làm tiếp điểm ở 95oC
ρθ = ρ95 =ρ20.[1+ α(θ-20)] = 3,5.10-5.(1+0,0035.(95-20)]
= 4,42.10-6 ( Wcm)
θmt : nhiệt độ môi trường, θmt =400C
Rtđ : điện trở tiếp điểm.
h 1,5
Rtđ= ρθ . = 4,42.10 −5. = 1,07.10 −6 (W)
S 63,6
P, S : chu vi, tiết diện của thanh dẫn.
P = 2,24 cm ; S = 12.10-2 (cm2)
Ngọc Văn Tú - 15 - TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
18 2.4,42.10 −6 18 2.1,07.10 −6 0
⇒ θ td = 40 + + = 47,1 C
−2 −4
2,24.12.10 .7,5.10 2. 3,93.2,24.12.10 − 2.7,5.10 − 4
Nhiệt độ của điểm tiếp xúc là:
18 2.(7.10 −4 ) 2
I 2 dm .R 2 tx
θ tx = θ td + = 47,1 + = 48,24 0 C
8.λ .ρθ −6
8.3,93.4,42.10
Dòng điện hàn dính
h.
Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm (quá tải , khởi
động , ngắn mạch) , nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động
dẫn đến khả năng hàn dính . Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn
dính gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động) . Độ ổn định nhiệt và ổn
định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số dòng điện hàn
dính Ihd , tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra nếu cơ cấu
ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm .
Trị số dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2-33 (TL1.T66)
Ihdbđ = A fnc . Ftd (A)
Trong đó:
1
32λθ nc (1 + αθnc )
3
A=
2
πH B ρO (1 + αθnc )
3
O
ρO : điện trở suất của vật liệu ở 20OC .
Ta có ρ20 = ρO(1+α.20)
ρO
⇒ ρO =
1 + α.20
3,5.10 -8
= 3,27.10 −8 (Ωm)
⇒ ρO =
1 + 0,0035 .20
λ : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu.
λ = 3,25 W/cm.OC = 325 W/m.OC
θnc : nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, θnc = 1300 OC
HBo : độ cứng Britnel .
Ngọc Văn Tú - 16 - TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
HBo = 50 kG/mm2 = 50.106 (kg/m)
1
32.3,25.1300.(1 + .0,0035.1300)
3 1/2
⇒A = = 1135,74 (A/Kg )
2
π .50.10 6.3,27.10 −8.(1 + .0,0035.1300)
3
fnc : hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong qúa trình
phát nóng, chọn fnc = 3.
Ftđ = 0,275 (kG)
⇒ Ihd = 1135,74. 3. 0,275 = 1031,59(A)
Tính theo công thức thực nghiệm 2-36 (TL1)
Ihd = Khd. Ftd
Trong đó:
Khd : hệ số hàn dính , chọn Khd = 2000 A/kG1/2
Ftđ = 0,275 (kG)
⇒ Ihd = 2000. 0,275 = 1048,8(A)
Ta thấy Ihdbđ LT < Ihdbd TN .Chọn Ihdbd = Ihdbd TN = 1048,8A
Inm = 10.Iđm = 10.18 = 180A
Vì Inm < Ihdbd cho nên tiếp điểm không bị hàn dính.
Độ rung và thời gian rung của tiếp điểm
i.
Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc sẽ có xung lực va đập cơ khí
giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây ra hiện tượng rung tiếp điểm. Tiếp
điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại và tiếp tục va đập, quá
trình này xảy ra trong một khoảng thời gian rồi chuyển sang trạng thái tiếp xúc
ổn định, sự rung kết thúc. Qúa trình rung được đánh giá bằng độ lớn của biên độ
rung Xm và thời gian rung tm
Theo công thức 2-39(TL1.T72) biên độ rung cho 3 tiếp điểm thường mở là :
m đ .v do .(1 − K V )
2
Xm =
2.Ftdd
Trong đó
mđ : khối lượng phần động.
mđ =K.Iđm với K= 7 (g/A)
⇒ mđ = 7.18 = 126 (g) =0,126 (kg)
vđo : tốc độ tiếp điểm tại thời điểm va đập .
Ngọc Văn Tú - 17 - TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
vđo = 0,1 m/s
KV : hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu.
Kv = 0,85 ÷ 0,9 ⇒ chọn KV = 0,9.
Ftđđ : lực ép tiếp điểm đầu.
Ftđđ= 0,7.Ftđ =0,7.0,275 = 0,1975 (kg) =1,975 (N)
0,175.0,12 (1 − 0,9)
= 4,4.10 −5 (m)
⇒ Xm =
2.1,975
Do công tắc tơ có ba tiếp điểm nên độ rung của 1 tiếp điểm là
X 0,044
Xmtd = 3m = 3 = 0,015 (mm)
Theo công thức 2-40 (TL1.T72) thời gian rung của tiếp điểm là
2.m d .v do 1 − K V
tm =
F tdd
2.0,175.0,1. 1 − 0,9
⇒ tm = = 5,6.10 −3 (s) = 5,6 (ms)
1,975
Do công tắc tơ có ba tiếp điểm chính cho nên thời gian rung của một tiếp
điểm là
t m 5,6
t mtd = 3 = 3 = 1,9 (ms)
Độ mòn của tiếp điểm
j.
Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch
điện. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hoá học, về cơ
và về điện trong đó chủ yếu là do quá trình mòn điện .
Khối lượng mòn trung bình của một cặp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt
là:
gđ + gng = 10 -9(Kđ. I 2 + Kng. I 2 )Kkđ
d ng
Trong đó :
Kkđ : hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của
các tiếp điểm, Kkđ =1,1 ÷ 2,5, chọn Kkđ =1,5
Kđ, Kng : hệ số mòn khi đóng và khi ngắt, tra bảng 2-21
(TL1.T79) ta có
Kng=Kđ = 0,01 (g/A2)
Ngọc Văn Tú - 18 - TBĐ-ĐT1
Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ ỏp
Iđ và Ing : dòng điện đóng và dòng điện ngắt.
Iđ = 5Iđm =5.18 = 90 (A)
Ing =3.Iđm = 3.18 = 54 (A)
gđ và gng : khối lượng mòn riêng của mỗi một lần đóng và ngắt.
⇒ gđ + gng = 10 -9 .(0,01.902 +0,01.542 ).1,5 =1,65.10-7 ( g)
Sau N = 106 lần đóng ngắt, khối lượng mòn là :
Gm = N.(gđ + gng)
= 106 . 1,65.10-7 = 0,165( g)
Thể tích mòn một sau một lần đóng cắt là
Gm 0,165
V1lan = = = 0,02(cm3 )
γ 8,7
Thể tích ban đầu của tiếp điểm là
2
Π .8
2
Πd
.h = .1,5 = 75,4(mm 3 )
Vt đ =
4 4
Lượng mòn của tiếp điểm sẽ là :
V 20
.100% = .100% = 26,5%
Vm% =
Vtd 75,4
Độ mòn cho phép của tiếp điểm là Vm % =70%. Cho nên độ mòn của tiếp
điểm mà ta thiết kế là thoả mãn.
Độ lún, độ mở của tiếp điểm
k.
Độ mở
Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm
tĩnh ở trạng thái ngắt của công tắc tơ.
Độ mở cần phải đủ lớn để có thể dập tắt hồ quang nhanh chóng, nếu độ
mở lớn thì việc dập tắt hồ quang sẽ dễ dàng.Tuy nhiên khoảng cách quá lớn sẽ
ảnh hưởng tới kích thước của công tắc tơ.
Ta lấy độ mở của tiếp điểm là m=5mm.
Độ lún
Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động
nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại.
Ngọc Văn Tú - 19 - TBĐ-ĐT1
