Những vấn đề chung
Khái quát và công dụng
Công tắc tơ xoay chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải.
Công tắc tơ xoay chiều được sử dụng để thay đổi kết nối các mạch điện xoay chiều, giúp điều chỉnh và kiểm soát hệ thống điện hiệu quả Nam châm điện của công tắc tơ thường là nam châm điện xoay chiều, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu hoạt động liên tục và ổn định trên dòng điện xoay chiều Tuy nhiên, cũng có trường hợp nam châm điện là nam châm điện một chiều, thích hợp cho các hệ thống cần điều khiển chính xác và dễ dàng thao tác hơn Công tắc tơ xoay chiều đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa và điều khiển hệ thống điện công nghiệp, đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động cao.
Theo nguyên tắc truyền động, các công tắc tơ chủ yếu được chế tạo dựa trên nguyên lý điện từ Trong đó, có các loại công tắc tơ kiểu hơi ép và thủy lực, tuy nhiên phần lớn các khí cụ điện hiện nay đều sử dụng công tắc tơ điện từ để đảm bảo hiệu quả hoạt động ổn định Công tắc tơ điện từ là giải pháp phổ biến nhất trong các hệ thống tự động hiện đại nhờ vào độ tin cậy cao và dễ dàng tích hợp trong các hệ thống điều khiển.
Công tắc tơ xoay chiều có các bộ phận chính sau:
Mạch vòng dẫn điện, bao gồm các đầu nối, thanh dẫn và tiếp điểm, là thành phần chịu trách nhiệm truyền điện năng từ nguồn đến phụ tải và kết nối các thiết bị với nhau Đây là yếu tố quan trọng đảm bảo hệ thống điện hoạt động liên tục và ổn định Việc sử dụng các thành phần chất lượng cao trong mạch vòng dẫn điện giúp giảm thiểu rủi ro mất điện và nâng cao độ bền của hệ thống Chọn lựa các thiết bị phù hợp trong mạch vòng dẫn điện không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện năng.
Hệ thống dập hồ quang.
Các cơ cấu trung gian Truyền và biến đổi năng lợng.
Nam châm điện Cơ cấu điện từ biến đổi điện năng thành cơ năng, tạo ra lực điện từ dùng để đóng mở công tắc tơ.
Các chi tiết và các cụm cách điện
Các chi tiết kết cấu vỏ
Yêu cầu chung đối với công tắc tơ xoay chiều
Các yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận trong điều kiện làm việc khi gặp sự cố và đạt mức định mức, với các chỉ tiêu như < []; nm < [nm]; và jnm < [jnm] Đồng thời, cần đảm bảo độ bền cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi vận hành ở điện áp cực đại, kéo dài, cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như bụi, ẩm ướt, hoặc khi có điện áp nội bộ, quá điện áp do khí quyển gây ra Thêm vào đó, độ bền cơ học và khả năng chịu mài mòn của các bộ phận cách điện chịu ảnh hưởng của số lần thao tác trong giới hạn thiết kế và thời gian làm việc ở chế độ định mức hoặc trong điều kiện sự cố Cuối cùng, thiết bị cần đảm bảo khả năng đóng ngắt an toàn ở chế độ định mức và chế độ sự cố, cùng với độ bền điện của các chi tiết, bộ phận trong suốt quá trình vận hành.
Có độ tin cậy cao
Có tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài Đơn giản trong chế tạo, dễ thao tác, thay thế và sửa chữa.
Phí tổn cho vận hành, tiêu tốn năng lợng ít. c.Yêu cầu kinh tế xã hội
Tạo điều kiện để dễ dàng thuận tiện cho ngời vận hành Đảm bảo an toàn trong lắp giáp và sửa chữa.
Có hình dánh và kết cấu phù hợp , đẹp.
Vốn đầu t cho chế tạo và lắp giáp ít.
Nguyên lý làm việc và kết cấu trung của công tắc tơ xoay chiều
Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận chính là cuộn dây và mạch từ, đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị chuyển đổi điện Công tắc tơ điện từ được phân thành nhiều loại khác nhau, bao gồm công tắc tơ kiểu hút chập, công tắc tơ kiểu hút ống dây và công tắc tơ kiểu hút ống thẳng, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.
Tất cả các công tắc tơ hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, sử dụng mạch từ gồm các lá thép kỹ thuật điện dập thành hình chữ E hoặc chữ U, ghép lại với nhau để tạo thành phần tử từ Mạch từ chia thành hai phần chính: một phần cố định và một phần nắp di chuyển được kết nối với hệ thống tiếp điểm qua cơ cấu tay đòn Cuộn dây hút của công tắc tơ có điện trở và điện kháng rất nhỏ, giúp hoạt động nhanh chóng và hiệu quả trong hệ thống tự động hóa.
Khi đặt điện áp vào hai đầu cuộn dây của nam châm điện, dòng điện sẽ chạy qua và sinh ra từ thông khép mạch qua lõi sắt cùng khe hở không khí, tạo ra lực hút điện từ kéo nắp phần ứng về phía lõi Khi ngừng cung cấp điện áp, dòng điện trong cuộn dây sẽ mất đi, lực hút điện từ cũng biến mất khiến nắp phần ứng bị nhả ra, thể hiện nguyên lý hoạt động của nam châm điện trong điều khiển cơ khí tự động.
4.Lựa chọn sơ bộ nam châm điện
Dựa vào số lần thao tác trong một giờ, chúng ta có thể phân biệt được chế độ làm việc của công tắc tơ điện xoay chiều ba pha Công tắc tơ hoạt động ở chế độ làm việc nhẹ khi tần suất thao tác trong khoảng thấp, giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị và đảm bảo hiệu suất ổn định Việc theo dõi số lần thao tác theo giờ là yếu tố quan trọng để đánh giá và duy trì hiệu quả vận hành của hệ thống điện Điều này cũng giúp phòng ngừa quá tải và giảm thiểu rủi ro hỏng hóc trong quá trình sử dụng.
Công tắc tơ xoay chiều sử dụng nam châm điện có cấu tạo với mạch từ hình chữ E hoặc chữ U, giúp điều khiển dòng điện hiệu quả Thiết bị có thể có nắp quay xung quanh trụ hoặc chuyển động tịnh tiến theo phương hút ống dây, mang lại độ chính xác cao trong quá trình hoạt động Các loại công tắc tơ này cũng có thể hoạt động theo kiểu hút thẳng hoặc quay trên một cạnh, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau Phần ứng của công tắc nằm ngoài cuộn dây hoặc chuyển động bên trong lòng ống dây, giúp tối ưu hóa khả năng điều khiển dòng điện và nâng cao độ bền của thiết bị.
Qua phân tích u nhợc điểm của các loại NCĐ đã có sẵn Ta chọn NCĐ hình chữ
E, kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây.
Kết cấu này có nắp và phần động chuyển động tịnh tiến theo phương tác dụng của các lực, đảm bảo tính chính xác và ổn định trong quá trình vận hành Nó có đặc tính lực hút tương đối lớn, giúp tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống Hành trình chuyển động nhanh, thời gian chuyển động ngắn, tối ưu hóa hiệu suất làm việc Từ thông rò không sinh ra lực tác động phụ, đảm bảo độ bền và độ tin cậy cao của kết cấu.
Mặc dù NCĐ có nhiều ưu điểm, nhưng còn tồn tại hạn chế như có bội số dòng điện lớn so với các mạch từ khác, khiến không phù hợp để sử dụng trong các chế độ làm việc nặng và trung bình Ngoài ra, lực lò xo nhỏ và công suất hạn chế cũng là những điểm yếu của cấu trúc này.
Kết cấu NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng, với phần ứng chuyển động trong lòng ống dây phù hợp cho công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ Thiết kế này mang lại hiệu quả làm việc nhẹ, đảm bảo hoạt động tối ưu và bền bỉ cho hệ thống điện Các đặc điểm của cấu trúc này giúp nâng cao độ tin cậy, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và ổn định cao trong các thiết bị điện từ.
5.Lựa chọn hệ thống tiếp điểm chính và hệ thống tiếp điểm phụ.
Để đáp ứng yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha với tần số đóng cắt lên đến 10^5 lần, các tiếp điểm cần đảm bảo độ mài mòn về điện và cơ Qua phân tích các loại tiếp điểm như tiếp điểm kiểu ngón, tiếp điểm lỡi, và tiếp điểm kiểu tấm phẳng, lựa chọn tối ưu là tiếp điểm chính kiểu cầu với tiếp xúc mặt phù hợp, phù hợp với nguyên lý NCĐ kiểu hút thẳng Dòng điện đi qua tiếp điểm chính đạt giá trị Iđm = 200 lần dòng điện danh định, trong khi tiếp điểm phụ kiểu cầu thiết kế để chịu dòng làm việc nhỏ hơn I Z, đảm bảo độ bền và độ tin cậy của công tắc tơ trong quá trình vận hành.
Tiếp điểm cầu có hai chỗ ngắt mang lại khả năng ngắt lớn mà không cần sử dụng dây nối mềm, giúp dễ dàng làm sạch vùng tiếp xúc và tiết kiệm không gian lắp đặt Ngoài ra, thiết kế này còn đảm bảo an toàn trong quá trình dập hồ quang, nâng cao độ tin cậy cho hệ thống điện.
Lựa chọn sơ bộ hệ thống dập hồ quang
Công tắc tơ làm việc là loại công tắc tơ xoay chiều, phù hợp với dòng điện xoay chiều Để đảm bảo an toàn và hiệu quả, nên chọn kiểu dập hồ quang dạng dàn, trong đó mỗi tiếp điểm có buồng dập hồ quang riêng biệt Việc sử dụng kiểu dập hồ quang này giúp hạn chế sự sinh nhiệt và duy trì độ bền của thiết bị điện Chọn loại công tắc tơ phù hợp sẽ nâng cao độ tin cậy trong hệ thống điện xoay chiều của bạn.
7 Ngoài ra còn có các chi tiết khác nh lò xo, thanh dẫn và các chi tiết khác.
Những chi tiết này sẽ đợc tính toán chi tiết, cụ thể ở các phần sau.
Mạch vòng dẫn điện
Khái niệm về mạch vòng dẫn điện
Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện, bao gồm cả CTT, được hình thành bởi các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu và kích thước hợp thành Sự đa dạng về cấu tạo của các thành phần này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống điện Hiểu rõ đặc điểm của mạch vòng dẫn điện giúp tối ưu hóa hoạt động của khí cụ điện và đảm bảo an toàn trong sử dụng Thiết kế chính xác và phù hợp các bộ phận trong mạch vòng là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện.
Mạch vòng dẫn điện bao gồm các thành phần chính như thanh dẫn động, tĩnh, dây nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm (gồm giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh), cùng với cuộn dây dòng điện có thể tích hợp cuộn thổi từ để dập hồ quang Ngoài mạch vòng dẫn điện chính, còn có mạch vòng dẫn điện phụ được tính toán dựa trên mạch vòng chính để đảm bảo an toàn và độ tin cậy cho hệ thống.
Yêu cần đối với mạch vòng dẫn điện
Điện trở suất nhỏ, chịu đợc nhiệt độ cao, dẫn điện tốt.
Bền đối với môi trờng (chịu tác dụng độ ẩm, nhiệt độ, khí hậu).
Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.
Tính toán và lựa chọn thanh dẫn
Trong hệ thống CTT, thanh dẫn gồm có thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh Khi thiết kế, chỉ cần tập trung vào tính toán kích thước của thanh dẫn động, sau đó sẽ xác định kích thước của thanh dẫn tĩnh dựa trên kết quả này Thường thì thanh dẫn tĩnh có kích thước lớn hơn do có phần đầu nối thêm vào, đồng thời cả hai loại thanh đều chịu cùng một dòng điện nhịp (Iđm) trong quá trình làm việc.
Yêu cầu đối với thanh dẫn:
+ Điện trở suất nhỏ, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt.
+ Chịu ăn mò hoá học, ít bị ôxy hoá.
+ Độ mài mòn nhỏ khi va đập.
+ Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt và thay thế, sửa chữa.
+ Giá thành càng thấp càng tốt.
Kích thớc cho thanh dẫn đợc tính theo các bớc:
+ Xác định kích thớc cho thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn.
+ Kiểm nghiệm kích thớc thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn.
+ Kiểm nghiệm kích thớc thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn.
2.3.1.Xác định kích thớc cho thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn. a Chọn vật liệu thanh dẫn. Để thoả mãn các yêu cầu của thanh dẫn ta có thể chọn vật liệu thanh dẫn là đồng kéo nguội có các số liệu trong bảng dới (theo bảng B2-13 trang 44 tài liệu thiết kế khí cụ điện hạ áp (TLTKKCĐHA)):
Tên hằng số vật lý Giá trị Đơn vị
Nhệt độ nóng chảy 1083 0 C Điện trở suất 20 0 C (20) 15.10 -6 .mm Độ dẫn nhiệt 3,9 W/ cm 0 C
Tỷ trọng nhiệt 0,39 W/ cm 0 C Độ cứng 80 120 Briven.kg/mm 2
Hệ số nhiệt điện trở 0,0043 1/ 0 C
Nhiệt độ nóng chảy cho phép 95 0 C b Chọn kiểu thanh dẫn.
Chọn thanh dẫn dạng hình chữ nhật. c Tính toán kích thớc thanh dẫn theo lý thuyết.
Theo kinh nghiệm thì khi dòng điện làm việc (dòng điện định mức) trong khoảng Iđm = 150A tới Iđm = 210A thì ta có thể chọn theo kinh nghiệm.
Trong quá trình làm việc ổn định thì ta luôn có: τ=τ od =θ td −θ 0 : độ tăng nhiệt ổn định τ od U
0 C đối với đồng (số liệu đ- ợc tra trong bảng 6-1 trang 288- TLTKKCĐHA).
Phơng trình cân bằng nhiệt ở chế độ xác lập:
Từ phơng trình trên ta có kích thớc sơ bộ của thanh dẫn: b= 3 √ 2 n I ( dm n+1 2 ρ θ ) K K T ph τ od (2.2)
Hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao do hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần có giá trị K ph = 1,05, phản ánh ảnh hưởng của các yếu tố này đến quá trình truyền nhiệt Tỉ lệ diện tích của thanh dẫn được xác định bằng n = a/b = 8, trong đó a và b lần lượt là chiều rộng và chiều cao của thanh dẫn (tính bằng mét) Nhờ đó, việc tính toán và thiết kế hệ thống truyền nhiệt trở nên chính xác hơn, đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.
I đm : Dòng điện làm việc định mức (A).
K T : Hệ số tản nhiệt ra khống chế Chọn K T = 7,5 (số liệu đợc tra trong bảng 6-5 trang 301- TLTKKCĐHA). θ od : Nhiệt độ ổn định θ od
0 C (số liệu đợc tra trong bảng 6-1 trang 288- TLTKKC§HA). ρ 20 0 C : Điện trở suất của vật liệu ở 20 0 C (.m). α : Hệ số nhiệt điện trở của đồng α=0,0043 (1/ 0 C)
Theo công thức (2.3) ta có điện trở suất của vật liệu đã chọn (ở đây là đồng kéo nguội) ở nhiệt độ làm việc ổn định 95 0 C: ρ 95 0
Chiều cao thanh dẫn làm việc với dòng địng mức Iđm = 200A đợc tính theo biểu thức (2.2): b= 3 √ 2002.8.(8+1).7,5.55 2 2 , 089.10 −8 1, 05=2,5.10 −3 (m)=2,45(mm)
Bề rộng thanh dẫn được tính theo tỷ số diện tích n = a/b = 8, với a = 19,5 mm Cần chú ý rằng trên thanh dẫn động có gắn tiếp điểm động, nên kích thước thanh dẫn phải đủ lớn để lắp đặt tiếp điểm động trên đó Do đó, kích thước thanh dẫn phụ thuộc vào kích thước của tiếp điểm Theo bảng 2-15 trang 51 trong tài liệu TLTKKCĐHA, với dòng định mức Iđm = 200A, đường kính tiếp điểm d nằm trong khoảng 20 đến 25 mm, chiều cao tiếp điểm h từ 2,2 đến 3,0 mm Với đường kính tiếp điểm d = 20 đến 25 mm, bề rộng thanh dẫn sẽ khá lớn, nên ta quy đổi tiếp điểm tròn thành tiếp điểm hình chữ nhật theo công thức diện tích π.d²/4.
Theo trên ta thấy a’ = 16 20 (mm) và b’ = 19,625 24,5 (mm)
Vậy chọn kích thớc tiếp điểm nh sau:
(a’, b’ là bề rộng và dài của tiếp điểm chữ nhật) b’ a’ a b
Ta chọn a = 20 + 2 = 22 (mm) và b = 3 (mm)
Kích thớc thanh dẫn với dòng điện làm việc Iđm = 5A: b= 3 √ 5 2 2.8.( 2 ,089.10 8+1) 7,5.55 −8 1 ,05 =0 ,21.10 −3 ( m)=0 , 21( mm )
Bề rộng thanh dẫn tính theo tỉ số diện tích n = a/b = 8; a = 8.0,21 = 1,68 (mm) Để phù hợp ta chọn a = 5 (mm) và b = 1 (mm) (bảng 2-15 trang 51 TKKCĐHA)
2.3.2.Kiểm nghiệm kích thớc thanh dẫn.
Nh vậy theo lý thuyết ta đã tính đợc kích thớc cần thiết của thanh dẫn tơng ứng với dòng định mức Iđm = 200A
Để đảm bảo độ tăng nhiệt, nhiệt độ phát nóng ổn định và mật độ dòng điện cho phép khi thanh dẫn làm việc lâu dài, cần tính toán và kiểm nghiệm lại kích thước của thanh dẫn dựa trên thiết kế hiện tại Đồng thời, kiểm tra xem thanh dẫn có đáp ứng các yêu cầu cần thiết trong các chế độ ngắn hạn và ngắn mạch hay không là yếu tố quan trọng Đặc biệt, kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ dài hạn nhằm đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của hệ thống trong vận hành lâu dài.
Kiểm tra nhiệt độ phát nóng thanh dẫn: θ td =
Trong đó: S = a.b = 22.3 = 66 (mm 2 ) P = 2.(a+b) = 50 (mm). ρ 0 : Điện trở suất ở 0 0 C ρ 0 = ρ 20
Kiểm tra mật độ dòng điện ở chế độ dài hạn: j dh =I dm
(A/mm 2 ) (2.5) b Kiểm nghiệm kích thớc thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn.
Trong chế độ ngắn hạn, thời gian xảy ra ngắn mạch rất nhỏ, khiến quá trình này chủ yếu là quá trình đoạn nhiệt Do đó, hệ số θ_nm thường đạt giá trị lớn, phản ánh rõ đặc điểm của quá trình ngắn hạn trong hệ thống.
Từ phơng trình cân bằng nhiệt: R θ i nm 2 dt =G C θ dθ
Sau khi tính toán ta đợc phơng trình cân bằng sau (biểu thức 6-21 trang 313
TLTKKC§HA): J nm 2 t nm = A θ nm −A θ 0 =const (2.6)
Trong đó, Aθ₀ và Aθₙm là các hệ số tích phân phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ của thanh dẫn, tương ứng với các giới hạn trên và dưới của nhiệt độ θ₀ và θₙm Hai hệ số này được xác định dựa trên đồ thị hình 6-6 trên trang 313 TLTKKCĐHA, trong đó Aθ₀ = 1,4 × 10⁴ (A²S/mm⁴) và Aθₙm = 3,75 × 10⁴ (A²S/mm⁴).
Từ công thức (2.6) ta có :
Để kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn trong quá trình làm việc ngắn hạn, ta xem xét thời gian xảy ra ngắn mạch là t_nm = 3, 5, 10 giây Theo công thức (2.7), ta tính toán sự biến dạng của thanh dẫn dựa trên các giá trị này, giúp đánh giá khả năng chịu tải ngắn hạn của thanh trong các điều kiện khác nhau.
Mật độ dòng điện khi ở tnm = 3s:
Mật độ dòng điện khi ở tnm = 5s: J nm =√ 3 , 85.10 4 −1, 5 45.10 4 p , 55 ( A / mm 2 )
Mật độ dòng điện khi tnm = 10s: J nm =√ 10 3 , 85 10 4 −1 , 45.10 4 I , 47( A /mm 2 )
Theo bảng 6-7 trang 305 TLTKKCĐHA đối với vật liệu Đồng ta có mật độ dòng điện cho phép : t bn = 3s Jbn 3 = 94 A/ mm 2 t bn = 5s J bn 5 = 51 A/ mm 2
Nh vậy sau khi tính toán ta thấy J bn tt < J bn , kết cấu của thanh dẫn động thoả mãn yêu cầu khi mạch có sự cố ngắn mạch.
2.3.3.Xác định kích thớc thanh dẫn tĩnh.
Trong quá trình lựa chọn thanh dẫn, do thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh cùng dòng định mức Iđm = 200A, nên kích thước của thanh dẫn tĩnh được chọn giống với kích thước của thanh dẫn động Tuy nhiên, vì thanh dẫn tĩnh được gắn với phần đầu nối, thường sẽ được chọn kích thước lớn hơn để đảm bảo độ bền và an toàn Ngoài ra, do những lý do này, việc kiểm nghiệm lại thanh dẫn tĩnh không cần thiết, giúp giảm thời gian và chi phí kiểm tra.
Trong thiết kế hệ thống truyền động, cần chọn kích thước phù hợp cho các thanh dẫn để đảm bảo hiệu suất và độ bền Kích thước thanh dẫn động chính được xác định là a = 22 mm và b = 3 mm, trong khi đó, thanh dẫn tĩnh chính có kích thước là a’ = 24 mm và b’ = 3,5 mm để phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật Đối với các thanh dẫn phụ, kích thước tiêu chuẩn là a = 5 mm và b = 1 mm, và nên chọn a’ = 6 mm, b’ = 1,5 mm để tăng cường khả năng chịu lực và độ chính xác của hệ thống truyền động.
Tính toán phần đầu nối
Đầu nối tiếp xúc là thành phần quan trọng trong khí cụ điện, đóng vai trò kết nối an toàn và hiệu quả giữa dây dẫn bên ngoài và các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện Nhiệm vụ chính của đầu nối là liên kết mạch ngoài với mạch vòng dẫn điện, đảm bảo truyền dòng điện ổn định và an toàn, đồng thời liên kết các chi tiết trong mạch để duy trì hoạt động liên tục của khí cụ điện Để đảm bảo hoạt động tốt, đầu nối cần đáp ứng các yêu cầu về độ bền, tính tiếp xúc tốt, khả năng chống chịu môi trường và dễ lắp đặt, kiểm tra.
Nhiệt độ của mối nối khi làm việc dài hạn ứng với dòng điện định mức không đợc lớn hơn nhiệt độ cho phép θ≤[ θ cp ]
Lực ép đầu nối đủ lớn để Rtx nhỏ, giảm đợc tổn hao ở phần đầu nối
Đảm bảo đủ độ bền nhiệt, độ bền cơ. d Chọn dạng kết cấu đầu nối.
Việc chọn kết cấu mối nối phù hợp dựa trên hình dạng vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu cụ thể Thường xuyên, người thiết kế cố gắng giảm thiểu số lượng mối nối tiếp xúc để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Mỗi chỗ đầu nối đều có thể là điểm gây hỏng cho mạch vòng dẫn điện đầu tiên, ảnh hưởng đến độ tin cậy của toàn bộ hệ thống điện.
Trong quá trình lựa chọn mối nối tiếp xúc, việc chọn loại mối nối phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu về kết cấu và dòng điện làm việc Đối với dòng Iđm = 200A, nên sử dụng loại mối nối tháo rời bằng vít ren để đảm bảo độ ổn định và an toàn Đồng thời, cần xác định chính xác kích thước và số lượng bulông, ốc vít phù hợp nhằm đảm bảo kết nối chắc chắn và chịu tải tốt trong hệ thống điện.
Kích thước bulông và vít phụ thuộc vào dòng điện làm việc, trong đó với trị số dòng điện 150A, vật liệu vít được chọn là thép không dẫn điện để đảm bảo an toàn Theo bảng 2-9 trang 32 và bảng 2-10 trang 33 của TLTKKCĐHA, chúng ta chọn vít có kích thước ren là M12, với đường kính ren d = 12 mm để phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
Tiết diện tính toán Stt = 74 (mm 2 ).
Lực tính toán Ftt = 10 ( KN.)
Chọn số lợng bulông, vít là 1.
Để đạt được trị số điện trở tiếp xúc và điện áp rơi cho phép, cần tạo ra lực ép riêng ftx trên mối nối các thanh đồng, đảm bảo đủ lớn để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện Việc xác định và điều chỉnh lực ép phù hợp sẽ giúp giảm thiểu điện trở tiếp xúc, nâng cao độ tin cậy của hệ thống điện Áp dụng quy trình thực nghiệm để xác định giá trị lực ép tối ưu mang lại kết quả chính xác và đảm bảo an toàn trong vận hành.
Chọn ftx (lực ép riêng) 0 (KG/cm 2 )
Diện tích tiếp xúc đầu nối:
Do Iđm = 200A nên ta chọn J tx = 0,31 A/mm 2
Theo công thức (2.8) ta có:
Lực ép tiếp xúc đầu nối là :
Ftx = ftx.Stx = 100.645.10 -2 = 6,45 (KN) < 10 (KN)
Diện tích phần đầu nối đợc xác định theo công thức:
S®n = Stx + Stt = 645 + 74 = 719 (mm 2 ) Xác định điện trở tiếp xúc của đầu nối :
(2.9) k tx là hệ số ảnh hởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm.
Với tiếp xúc đồng - đồng k tx = 0,14.10 -3 và m = 1 tiếp xúc bề mặt
(0,102.6450)=0,21.10 −6 () Điện áp tiếp xúc: Utx = Itx.Rtxđn = 200.0,21.10 -6 = 4,2.10 -6 (V) = 0,42 (mV)
Kết luận : Do Utx = 0,42 (mV) < [utx] = (2 30 mV) nên phần đầu nối thiết kế thoả mãn yêu cầu kĩ thuật.
Với dòng Iđm = 5A thì chọn vít có d = 3 (mm), kí hiệu M1 và tiết diện tính toán 7,1(mm 2 ) Số lợng vít là 1.
0,31,13(mm 2 ) Lùc Ðp tiÕp xóc ®Çu nèi l: Ftx = ftx.Stx = 100.16,13.10 -2 9,81= 158 (N)
Diện tích phần đầu nối đợc xác định theo công thức:
Xác định điện trở tiếp xúc của đầu nối : Rtxđn 0,14 10 −3
(0,102.158)=8,22.10 −6 () Điện áp tiếp xúc: Utx = Itx.Rtxđn = 5.8,22.10 -6 = 0,0411 (mV)
Kết luận : Do Utx = 0,411 (mV) < [utx] = (2 30 mV) nên phần đầu nối thiết kế thoả mãn yêu cầu kĩ thuật.
Tính toán tiếp điểm
2.5.1.Yêu cầu đối với tiếp điểm.
Công tắc tơ có khả năng dẫn điện tốt, thiết kế kiểu dáng và kết cấu hợp lý, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Tuy nhiên, tiếp điểm là bộ phận dễ hỏng nhất, do đó tuổi thọ của công tắc tơ chủ yếu phụ thuộc vào độ bền của tiếp điểm Chế độ định mức hoạt động phù hợp đảm bảo tuổi thọ của công tắc tơ, giữ cho các tiếp điểm hoạt động ổn định trong quá trình sử dụng.
Biến đổi tinh thể tiếp điểm là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của linh kiện Độ bền cơ, điện và độ rung của tiếp điểm cần phải thấp hơn giới hạn cho phép để đảm bảo tuổi thọ và độ tin cậy Hao mòn tiếp điểm phải phù hợp với các tiêu chuẩn quy định nhằm duy trì hoạt động ổn định Trong chế độ ngắn mạch, tiếp điểm phải chịu được nhiệt độ cao và độ bền điện động để đảm bảo an toàn vận hành Đối với các tiếp điểm hồ quang, khả năng ngắt lớn là yêu cầu bắt buộc để tránh sự cố trong quá trình chuyển mạch.
Tiếp điểm kiểu công sôn thường được sử dụng cho dòng điện nhỏ, đến 5A, phù hợp với các tải nhẹ Dạng tiếp xúc này không có lò xo tiếp điểm riêng, mà tận dụng tính đàn hồi của thanh dẫn động để tạo lực ép tiếp điểm, giúp đảm bảo tiếp xúc chắc chắn Ngoài ra, kiểu công sôn không có buồng dập hồ quang, mang lại sự đơn giản và độ bền cao cho hệ thống đóng cắt điện.
Tiếp điểm kiểu cầu (Hình 2) có đặc điểm là một pha với hai chỗ ngắt, giúp hồ quang bị phân đoạn để tăng độ an toàn và độ bền của thiết bị Tiếp điểm động chuyển động thẳng, không sử dụng dây nối mềm và có lò xo ép dạng xoắn hình trụ, đảm bảo tính đơn giản và hiệu quả trong vận hành Thiết kế này thường được ứng dụng trong các công tắc tơ và khởi động từ điều khiển động cơ điện, đặc biệt phù hợp cho các tải có dòng điện định mức lớn, mang lại độ tin cậy cao trong hệ thống tự động hóa và điều khiển công nghiệp.
1.Thanh dẫn tĩnh 2.Tiếp điểm tĩnh
4.Thanh dẫn động 3.Tiếp điểm động
1.Thanh dẫn tĩnh 2.Tiếp điểm tĩnh
H×nh 2 5.Lò xo tiếp điểm
Tiếp điểm kiểu ngón (Hình 3) có cấu tạo gồm một chỗ ngắt và phần động chuyển động quay, sử dụng dây dẫn mềm để kết nối với tiếp điểm động Thiết kế này giúp hạn chế hồ quang tại vùng tiếp xúc làm việc, đảm bảo an toàn và độ bền của thiết bị Loại tiếp điểm này thường được ứng dụng trong các máy cắt hạ áp (áp tô mát) và các thiết bị đóng cắt hoạt động trong điều kiện nặng nề, đòi hỏi độ tin cậy cao.
Tiếp điểm kiểu dao thường được sử dụng trong các cầu dao có dòng điện nhỏ, đến vài trăm ampe, nhờ vào tính đàn hồi của lá đồng tiếp điểm tĩnh giúp duy trì lực ép ổn định Khi dòng điện lớn hơn, người ta thường sử dụng tấm thép lò xo dạng phẳng để tạo lực ép tốt hơn, đảm bảo tiếp xúc điện tốt ngay cả trong điều kiện ngắn mạch Loại tiếp điểm này chủ yếu dùng để đóng cắt dòng điện không tải hoặc dòng nhỏ, thường thấy trong các cầu dao và dao cách ly Với thiết kế này, lực điện động khi xảy ra ngắn mạch sẽ cùng chiều với lực ép tiếp điểm, giúp duy trì liên tục kết nối điện và đảm bảo an toàn hệ thống.
1.Thanh dẫn tĩnh 2.Tiếp điểm tĩnh
4.Thanh dẫn động 5.Lò xo tiếp điểm
2.Tiếp điểm động 1.Tiếp điểm tĩnh
3.Lò xo lá ép tiếp điểm
Tiếp điểm kiểu đối giúp tận dụng không gian trống bên trong lòng trụ tiếp điểm để tăng khả năng dập hồ quang hiệu quả Bên cạnh đó, khi đảm bảo diện tích tiếp xúc đủ lớn, tiếp điểm có thể dẫn dòng điện lớn lên đến hàng trăm ampe, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu cao về dòng điện lớn và độ bền kết nối.
Tiếp điểm kiểu hoa huệ thường được sử dụng trong các máy cắt dòng điện có dòng chạy lên đến hàng nghìn ampe, đảm bảo khả năng truyền tải cao và độ bền vượt trội Loại tiếp điểm này thường được áp dụng trong các trạm đóng cắt trọn bộ, lắp ráp kiểu mô-đun, phù hợp cho hệ thống điện công nghiệp lớn Với thiết kế đặc biệt, tiếp điểm hoa huệ giúp đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định, an toàn trong quá trình vận hành thiết bị điện công suất lớn.
1.Thanh dẫn tĩnh 2.Tiếp điểm tĩnh chính
5.Lò xo tiếp điểm 4.Thanh dẫn động
.Độ mở tiếp điểm chính
7.Tiếp điểm tĩnh phụ 6.Tiếp điểm động phụ
2.5.2.Chọn dạng kết cấu tiếp điểm.
Do yêu cầu làm việc với dòng điện Iđm = 200A nên ta chọn kết cấu tiếp điểm kiểu cầu hai chỗ ngắt, tiếp xúc mặt, có buồng dập hồ quang:
Tiếp xúc mặt nên đảm bảo đợc dòng điện lớn hàng trăm ampe
Khả năng tẩy sạch bụi bẩn lồi lõm trên bề mặt tiếp xúc.
Khả năng ngắt lớn, không cần dây nối mềm.
Dập hồ quang dễ dàng.
Với tiếp điểm phụ do dòng làm việc 5A nên ta chọn tiếp điểm kiểu cầu hai chỗ ngắt tiếp xúc điểm, dập hồ quang tự nhiên.
2.5.3.Độ mở, độ lún Độ lún: Là khoảng cách mà tiếp điểm động có thể đi thêm đợc nếu không bị cản lại bởi tiếp điểm tĩnh.
Theo công thức lý thuyết: l = a + b.Iđm
Với dòng điện I = 5A, độ lún của tiếp điểm là 1,6 mm, được tính bằng công thức lf = 1,5 + 0,02 × 5 Để đảm bảo an toàn cách điện do hồ quang sinh ra trong quá trình đóng cắt mạch điện, cần chọn độ mở tiếp điểm đủ lớn Với dòng điện làm việc Iđm = 200A, độ mở tiếp điểm chính nên là 9 mm, trong khi với dòng điện I = 5A, độ mở của tiếp điểm phụ được chọn là 10,9 mm để tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm chính bằng với tổng của tiếp điểm phụ, đảm bảo an toàn và độ tin cậy trong quá trình hoạt động của hệ thống điện.
2.5.4.Chọn vật liệu và kích thớc tiếp điểm.
Kích thước tiếp điểm phụ thuộc vào dòng định mức (Iđm), kết cấu và tần số đóng cắt của hệ thống Việc chọn kích thước tiếp điểm dựa trên dòng định mức và kích thước thanh dẫn đã được xác định trước đó, theo các tiêu chuẩn quy định trong bảng 2-15 trang Điều này đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của các thiết bị điện trong quá trình vận hành.
51 TKKCĐHA: Tiếp điểm chính có chiều rộng atđ = 20 (mm), chiều dài btđ = 24,5 (mm) và chiều cao tiếp điểm h = 3 (mm). b td "mm a td h=3mm
Tiếp điểm chính có dạng tiếp xúc mặt, đảm bảo các yêu cầu về nhiệt độ, điện trở tiếp xúc, lực ép tiếp điểm và điện áp tiếp xúc phù hợp với dòng điện lớn 200A Trong khi đó, tiếp điểm phụ có dạng tiếp xúc điểm do dòng làm việc nhỏ hơn I_Z Kích thước thanh dẫn phụ, với chiều rộng a = 5mm và cao b = 1mm, được lựa chọn phù hợp, cùng với tiếp điểm phụ có đường kính d = 4mm và chiều cao h = 1mm Để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về độ bền và độ tin cậy, tiếp điểm được chế tạo từ bạc kim loại gốm, theo thiết kế được trình bày trong bảng 2-13 trang 44 TKKCĐHA.
Tên hằng số vật lý Giá trị Đơn vị
Nhệt độ nóng chảy 961 0 C Điện trở suất ở 20 0 C 1,8.10 -3 .mm Độ dẫn nhiệt 0,416 W/cm 0 C
Tỷ trọng nhiệt 0,234 Ws/ cm 0 C Độ cứng 35 45 Briven.kg/ mm 2
Hệ số nhiệt điện trở 4.10 -3 1/ 0 C
2.5.5.Xác định nhiệt độ, điện trở tiếp xúc, lực ép tiếp điểm và điện áp tiếp xúc khi làm việc dài hạn.
Tính toán lực ép tiếp điểm:
Theo công thức lý thuyết 2-14 trang 53 TLKKCĐHA:
T tđ ( 0 K ) : Nhiệt độ trụ dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc
T tx ( 0 K ) : Nhiệt độ nơi tiếp xúc giữa hai tiếp điểm
I đm : Dòng điện định mức.
: Hệ số dẫn nhiệt ( =0,416 W/ cm 0 C).
HB: Độ cứng Briven (HB = 40 Briven Kg/ mm 2 ).
Do dạng tiếp xúc ta chọn là tiếp xúc mặt nên Ftđ = 3.Ftđtt = 25,5 (N)
Xác định Ftđ theo thực nghiệm: Ftđtt = ftđ.Iđm
Với f tđ : hệ số ép tiếp điểm f tđ = 7 15 (G/A) Ta chọn: f tđ = 10 (G/A)
Trong quá trình so sánh lực giữ (Ftđtt) với lực giữ (Ftđ), ta xác định Ftđtt bằng 3 lần Ftđ, tức là 25,5 N, và chọn Ftđ = 25,5 N để đảm bảo độ ổn định điện động Cần lưu ý rằng Ftđ bằng Ftđc thể hiện tiếp điểm đóng ổn định; đồng thời, lực ép tiếp điểm đầu (Ftđđ) là lực ép khi tiếp điểm tĩnh bắt đầu tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh khi đóng, thường nằm trong khoảng từ 0,4 đến 0,7 lần Ftđc.
Nh vËy ta cã: Ft®c = Ft® = 25,5 (N)
Ft®® = 0,7.Ft®c = 17,85 (N) Với tiếp điểm phụ dòng 5A:
Ft®®f = 0,7.Ft®cf = 0,35 (N) Xác định điện trở và điện áp tiếp xúc:
Lực ép tiếp điểm có ảnh hưởng trực tiếp đến điện trở tiếp xúc trong hệ thống Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng tại nhiệt độ 20°C, được xác định theo công thức 2-24 (trang 58) Hiểu rõ mối quan hệ này giúp tối ưu hóa hoạt động của các thiết bị điện, giảm thiểu các vấn đề về nhiệt và đảm bảo hiệu suất ổn định của hệ thống Do đó, việc điều chỉnh lực ép phù hợp là yếu tố quan trọng để duy trì điện trở tiếp xúc trong giới hạn an toàn và nâng cao tuổi thọ của thiết bị điện.
2√ π F HB td 1 = 1,8 10 2 −6 √ 25 π 40 ,5 10 3 =4,3.10 −5 ( ) Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng tại 20 0 C xác định theo công thức 2 - 25 (TLTKKCĐHA): Rt x 20 k tx
Trong đó: k t x : hệ số kể đến sự ảnh hởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm. k t x = ( 0,2 0,2 ).10 -3 Chọn k tx =0,2.10 -3
F t® = 25,5 N : lùc Ðp tiÕp ®iÓm m : hệ số dạng bề mặt tiếp xúc ( tiếp xúc mặt : m = 1).
Trong bài viết này, chúng tôi so sánh hai kết quả thực nghiệm và lý thuyết với giá trị Rtx20 = 0,05.10⁻³ Ω để xác định điện trở của tiếp điểm trong chế độ làm việc Khi đo ở điều kiện [θcp] = 95°C, khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm bị nóng lên do quá trình phát nhiệt Các kết quả này giúp đánh giá chính xác hiệu suất làm việc của tiếp điểm trong các điều kiện hoạt động thực tế.
= 0,055.10 -3 ( ) §èi víi tiÕp ®iÓm phô: Rt x 20 ρ
Trong bài viết này, chúng tôi so sánh kết quả thực nghiệm và lý thuyết, trong đó giá trị Rtx20 được xác định là 0,88 x 10⁻³ Ω Để đánh giá điện trở của tiếp điểm ở chế độ làm việc, chúng tôi xét tại nhiệt độ [θcp] = 95°C, thời điểm tiếp điểm đang có dòng điện chạy qua và bị phát nhiệt, ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện và độ bền của tiếp điểm.
= 0,066.10 -3 ( ) Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm :
Theo tiêu chuẩn thì Utx phải nằm trong khoảng ( 2 30 ) mV
Vậy Utx < [Utx] = 30 mV hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế. §èi víi tiÕp ®iÓm phô:
Utx = I.Rtx = 5.0,88.10 -3 =4,4.10 -3 ( V ) = 4,4( mV ) Vậy Utx < [Utx] = 30 mV hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế.
Tính toán nhiệt độ tiếp điểm:
Kết cấu trong khí cụ điện
Đặc điểm cơ cấu, các yêu cầu cơ bản và các số liệu ban đầu
Khác với máy điện quay, các cơ cấu khí cụ điện thường hoạt động trong một giới hạn chuyển động nhất định dựa trên các cứ chặng đã được xác định Chuyển động của cơ cấu khí cụ điện gồm hai quá trình chính là quá trình đóng, khi nguồn điện kích hoạt và các tiếp điểm kết nối, và quá trình ngắt, khi các tiếp điểm mở để ngăn chặn dòng điện Những đặc điểm này giúp đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn của hệ thống khí cụ điện trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.
Trong quá trình đóng thì Ftđ > Fc cản trở chuyển động (phản lực).
Trong quá trình ngắt thì Ftđ < Fc (Fcản trở - phản lực của quá trình đóng thành lực chuyển động).
Các yêu cầu cơ bản đối với cơ cấu khí cụ điện bao gồm việc đảm bảo trị số cần thiết của các thông số động học như hành trình chuyển động, độ mở, độ lún và góc quay Việc này giúp cơ cấu hoạt động chính xác, tin cậy và đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống Điều quan trọng là điều chỉnh và kiểm soát các thông số này phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của cơ cấu khí cụ điện.
Lực chuyển động của cơ cấu cần đảm bảo tính ổn định để bảo vệ quá trình đóng cắt của hệ thống hành trình cả trong hoạt động bình thường lẫn khi xảy ra sự cố Việc duy trì lực ổn định giúp nâng cao độ tin cậy và an toàn của thiết bị, giảm thiểu rủi ro bất thường trong quá trình vận hành Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn của hệ thống, đồng thời giúp tránh các hư hỏng không mong muốn do biến động lực hoặc sự cố kỹ thuật.
Tốc độ chuyển động của tiếp điểm phải đủ lớn để giảm thời gian cháy của hồ quang, nhng cũng không đợc lớn quá tránh va đạp mạnh.
Các khâu của cơ cấu chấp hành phải làm việc tin cậy, dễ sửa chữa, tháo lắp, vận hành đơn giản.
Lập sơ đồ động của kết cấu
Sơ đồ động giúp phản ánh rõ ràng và chính xác quá trình truyền và biến đổi chuyển động trong các khâu của cơ cấu Việc dựng sơ đồ động thường được thực hiện tại các vị trí đặc trưng nhất của cơ cấu, như tại các điểm δ = l + m và δ = δod + δcn = 0, bao gồm cả trường hợp nắp của công tắc tơ đặt ngược Điều này giúp người kỹ thuật dễ dàng phân tích và dự đoán hoạt động của cơ cấu trong quá trình vận hành.
Sơ đồ động cần thể hiện rõ các khâu, khớp trong cơ cấu và mối liên hệ giữa chúng để dễ dàng phân tích Các yếu tố cần biểu diễn bao gồm độ lớn hành trình, góc quay, chiều dài cánh tay, tỉ số truyền động, cũng như vị trí và hướng của các véctơ lực Ngoài ra, cần chú ý đến các số liệu kỹ thuật như độ mở, độ lún, khe hở không khí để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của cơ cấu.
Lực cơ tác dụng bao gồm:
Lực ép tiếp điểm chính thờng mở.
Lực ép tiếp điểm phụ thờng mở.
Lực ép tiếp điểm phụ thờng đóng.
Lùc Ðp tiÕp ®iÓm cuèi.
Khối lợng phần động Lực ma sát (bỏ qua).
Lực tác dụng và phản lực tác dụng trong cơ cấu, quy đổi lực
Ta phân lực và mô men thành hai loại: lực tác động và phản lực tác động.
Lực và mô men chuyển động của cơ cấu truyền động điện từ là các lực tác động Các lực này đặt vào khâu chủ động.
Lực cản có ích là lực ép của lò xo tiếp điểm.
Lực có hại là lực ma sát.
Trọng lực có thể có ích hoặc có hại.
Khi quy đổi lực ta cần chú ý:
Khi các lực chuyển động chính như lực điện từ và các lực, phản lực không cùng điểm đặt, cần quy đổi về một vị trí chung để thuận tiện trong xây dựng đặc tính và thực hiện quá trình tính toán, so sánh một cách chính xác.
Lực và mô men sau khi quy đổi nhất quán với lực và mô men ban đầu, đảm bảo không mất đi năng lượng trong quá trình chuyển đổi Công của lực và mô men sau quy đổi đều tương ứng chính xác với công của lực và mô men ban đầu, đảm bảo tính nhất quán trong phân tích Điểm quy đổi là điểm đặt của lực điện từ, đòi hỏi phải quy đổi cả độ mở và độ lún về khe hở không khí để đảm bảo chính xác trong các tính toán kỹ thuật.
Lực ép tiếp điểm chính thờng mở:
Lùc Ðp tiÕp ®iÓm cuèi: Ft®c = 6.Ft® = 6.25,5 = 153 N
Lùc Ðp tiÕp ®iÓm ®Çu: Ft®® = 0,6.Ft®c = 0,6.153= 91,8 N
Lực ép tiếp điểm phụ thờng mở:
Lùc Ðp tiÕp ®iÓm cuèi: Ft®ctm = 4.Ft®f = 4.0,5 = 2 N
Lùc Ðp tiÕp ®iÓm ®Çu: Ft®®tm = 0,6.Ft®c = 0,6.2 = 1,2 N
Lực ép tiếp điểm phụ thờng đóng:
Lùc Ðp tiÕp ®iÓm ®Çu: Ft®®t® = 2 N
Lùc Ðp tiÕp ®iÓm cuèi: Ft®ct® = 1,2 N
Lực nhả đầu Fnhđ = kdtr.(Gđ + Ftđđtđ) = 1,2.(1,6.9,81 + 2) = 21,23 (N)
Lực nhả cuối: Fnhc =1,5.Fnhđ = 1,5.21,23 = 31,8 (N)
Trong đó k dtr là hệ số dự trữ lực cho trong khoảng 1,1 đến 1,3 Ta chọn k dtr = 1,2
Dựng đặc tính của lực tác dụng và phản lực tác dụng
Chơng 4 Tính toán lò xo
Khái niệm chung
Lò xo là thành phần quan trọng trong công tắc tơ, giúp tạo ra tiếp điểm (lò xo tiếp điểm) và đảm bảo hoạt động chính xác của thiết bị Nó còn có vai trò tạo lực để ngắt mạch, góp phần vào quá trình ngắt của cơ cấu (lò xo nhả), nâng cao độ bền và hiệu quả của công tắc tơ.
Yêu cầu với lò xo tiếp điểm và lò xo nhả:
Độ đàn hồi phù hợp.
Đặc tính cơ ổn định.
Không hoặc ít bị ăn mòn của hoá chất và môi trờng.
Chọn kiểu lò xo và vật liệu làm lò xo
Dựa trên phân tích và đánh giá các loại lò xo, kiểu lò xo xuắn hình trụ, không dẫn điện, là lựa chọn tối ưu nhờ khả năng chống ăn mòn hóa chất và ít bị ảnh hưởng bởi môi trường Loại lò xo này có độ bền cơ học cao, hoạt động tin cậy và an toàn, không gây phát nhiệt hay già hóa theo thời gian, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và độ an toàn cao.
Vật liệu làm lò xo theo tính chất đóng cắt của công tắc tơ, chịu tần số 450 lần đóng cắt mỗi giờ, và có tuổi thọ lên đến 10^5 lần đóng cắt Để đảm bảo độ bền và hiệu suất, vật liệu lò xo được chọn là lá thép cacbon G0TC 9389-60, có đặc tính chịu lực trung bình và phù hợp với yêu cầu kỹ thuật, theo hướng dẫn trong bảng 4-1.
Tên đại lợng vật lý Giá trị Đơn vị
Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn (x) 480 N/ mm 2
Modul đàn hồi (E) 200.10 3 N/ mm 2 Điện trở suất () 0,19 0,2.10 -6 .m Độ bền giới hạn khi kéo (k) 2200 N/ mm 2 Độ bền giới hạn mỏi khi uốn (u) 770 N/ mm 2
Các thông số quan trọng của lò xo bao gồm hành trình x, thể hiện sự dịch chuyển của lò xo từ vị trí nơi sinh ra lực lớn nhất, và độ võng ban đầu fđ, phản ánh mức độ uốn cong ban đầu của lò xo Hiểu rõ các thông số này giúp đánh giá chính xác đặc tính và khả năng chịu tải của lò xo trong các ứng dụng kỹ thuật.
Fđ, lđ: Lực nén ban đầu và chiều dài ban đầu của lò xo. ltđ: chiều dài tự do của lò xo.
Tính toán lò xo
Lò xo tiếp điểm chính:
Lực ép cần thiết do một lò xo tạo ra: Flx = 1,3.Ftđc = 1,3.25,5 = 33,15 (N).
Khoảng làm việc của lò xo : flv = fđ = 5,5 (mm)
Khoảng lún của lò xo :
Vậy khoảng lún của lò xo là : f=Δll c =2,5 l,75(mm)
Chọn khoảng lún của lò xo là : f(mm)
Chọn chỉ số hình dáng của lò xo: C = D/d = 8. Đờng kính lò xo tính theo công thức 4.31 trang 173 TLTKKCĐHA: d=1,6.√ F lx δ x C =1,6 √ 33 480 ,15 8 ≈1,2 (mm ) Đờng kính trung bình của lò xo: D = 1,2.8 = 9,6 (mm).
Số vòng của lò xo tính theo công thức 4.32 trang 173 TLTKKCĐHA:
(vòng) Bớc lò xo chịu nén: tn = d + f/W = 1,2 + 12/9 = 2,53 (mm).
Chiều dài tự do của lò xo: ln = W.tn + 1,5.d = 9.2,53 + 1,5.1,2 = 24,57 (mm). Kiểm tra lại tính toán lò xo ta có:
Khoảng lún thực tế của lò xo: f=8.W.C 3 F
80 10 3 1,2 ,62(mm)>11,25(mm) ứng suất thực tế: σ xtt =8.F.D π.d 3 B4,63(N/mm 2 )
< [x] = 480 (N/mm 2 ) Vậy lò xo tính toán hoàn toàn thoả mãn yêu cầu làm việc của công tăc tơ.
Lò xo tiếp điểm phụ:
Lực ép cần thiết do một lò xo tạo ra: Flx = 2.Ftđf = 2.0,5 = 1 (N).
Khoảng lún cần thiết: f = 2,5.fđ = 4 (mm)
Chọn chỉ số hình dáng của lò xo: C = D/d = 11. Đờng kính lò xo tính theo công thức 4.13 trang 173 TLTKKCĐHA: d=1,6.√ F lx δ x C =1,6 √ 480 1.11 =0 , 24( mm) Đờng kính trung bình của lò xo: D = 0,24.11 = 2,6 (mm).
Số vòng của lò xo:
Bớc lò xo chịu nén: tn = d + flv/W = 0,24 + 4/7 = 0,8 (mm).
Chiều dài tự do của lò xo: ln = W.tn + 1,5.d = 7.0,8 +1,5.0,24 = 6 (mm).
Khoảng lún thực tế của lò xo: f=8.W.C 3 F
80.10 3 0,24 ≈3,8(mm) ứng suất thực tế: σ xtt =8.F.D π.d 3 G9(N/mm 2 )
< [x] = 480 (N/mm 2 ) Vậy lò xo tính toán hoàn toàn thoả mãn yêu cầu làm việc của công tăc tơ.
Lực ép do một lò xo tạo ra khi khí cụ điện ở trạng thái đóng :
2 ,9(N) Khoảng làm việc của lò xo: f lv = m = 8 (mm)
Khoảng lún của lò xo :
Vậy khoảng lún của lò xo là : f=Δll c =3 l$(mm)
Chọn chỉ số hình dáng của lò xo: C D d Đờng kính lò xo tính theo công thức 4.13 trang 173 TLTKKCĐHA: d = 1,6 √ F σ x C =1,6 √ 15 480 , 9.10 ≈0 , 87 (mm) Đờng kính trung bình của lò xo: D = C.d = 10.0,87 = 8,7 (mm)
Số vòng của lò xo: w= G.d.f
Bớc lò xo chịu nén: t n =d+ f w=0,87+24
Chiều dài tự do của lò xo: ln = w.tn + 1,5.d = 15.2,42 +1,5.0,87 = 37,6 (mm)
Khoảng lún thực tế của lò xo: f tt =8F.C 3 w
80.10 3 0,82 $,3(mm) ứng suất thực tế: σ xtt =8.F.C π.d 2 =8 12,74 10
cp = 480 N/mm 2 Vậy lò xo tính toán hoàn toàn thoả mãn yêu cầu làm việc của công tăc tơ.
Nam Châm Điện
Nhiệm vụ thiết kế
Chọn dạng kết cấu
Để chọn dạng kết cấu tối ưu cho NCĐ, cần dựa trên tính toán và thực nghiệm các dạng nam châm điện khác nhau, ưu tiên dựa trên tiêu chí hình học và khối lượng Do NCĐ có nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây, nên việc lựa chọn kết cấu phù hợp là bước đầu tiên trước khi xác định phương án cụ thể Đối với NCĐ xoay chiều, quá trình chọn dạng kết cấu còn dựa vào công thức tính toán đã được trình bày trong tài liệu, cụ thể là công thức 5-1 trang 188 trong TLTKKCĐHA: kkc = √2 * F dttt δ th (N 0,5 / m).
F đttt : Lực hút điện từ tính toán của nam châm điện.
th : Khe hở làm việc của nam châm điện th = 4,5 (mm).
K KC là đặc trưng thể hiện tỷ số giữa đường kính và chiều cao của cuộn dây Mỗi loại kết cấu của Nhà Chuyển Đổi (NCĐ) đạt tối ưu về trọng lượng trong phạm vi nhất định của chỉ số K KC Việc điều chỉnh K KC phù hợp giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu tải trọng và nâng cao hiệu suất của hệ thống Chọn giá trị K KC phù hợp là yếu tố quan trọng trong việc nâng cao độ bền và hiệu quả hoạt động của các thiết bị điện tử.
Do F S D 2 và l (chiều cao mạch từ hay cuộn dây) nên ta có: kkc
D l với D là đờng kính lõi cuộn dây (mạch từ)
Dựa vào bảng 5.2 trang 189 TLTKKCĐHA ta chọn nam châm điện hình chữ E,nắp hút thẳng nh phần trên đã lựa chọn.
Mạch từ nam châm điện
Mạch từ nguồn cảm ứng điện từ (NCĐ) được chế tạo từ thép kỹ thuật điện, cụ thể là tôn silic Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, chúng tôi chọn các lớp tôn có bề dày 0,5 mm để chế tạo mạch từ cho NCĐ Vật liệu làm mạch từ được chọn là vật liệu 31, dựa trên các thông số kỹ thuật đã xác định trong bảng 5.3 trên trang 191 của TLTKKCĐHA.
Tên đại lợng vật lý Giá trị Đơn vị
Lực từ phản kháng HC 0,35 A/ cm
Từ cảm bão hoà 2 T §é tù thÈm 250 H/ m Độ tự thẩm cực đại 6 7 H/ m Điện trở suất 40 60.10 -8 cm
Tổn hao từ trễ khi bão hoà 0,1 0,15 mJ/ cm 3
Chiều dày lá thép 0,5 mm
Chọn từ cảm B , r , t chọn tại th
Khi nam châm điện làm việc, đặc tính điện từ Fđt() nguy hiểm nhất là khi
Fđt() < Fcơ() Thờng xảy ra tại điểm tới hạn = 5,5 (mm) và Fđt() = Ftt = k.Fcơ(th) 1,2.135,3 = 162,36 (N).
Chọn B = 0,45 (T) ; hệ số từ rò r = 1,45 và hệ số từ tản t = 1,5.
6 Xác định tiết diện lõi thép, kích thớc, thông số chủ yếu.
Xác định tiết diện lõi thép mạch từ:
Theo công thức 5.8 trang 204 TLTKKCĐHA ta có tổng diện tích lõi thép mạch từ để đạt đợc lực từ cần thiết tại điểm tới hạn:
Diện tích lõi cực từ giữa: S11 = S/2 = 32,2/2 16,1 (cm 2 ).
Diện tích lõi hai cự từ nhánh: S12 = S13 = S11/2 = 8(cm 2 ).
Với cự từ giữa ta chọn b/a = 0,92 a = √ 0 S , 11 92 =4,3(cm ) Chọn a = 4,4 (cm) b = 0,92.4,4 = 4,05 (cm).
Cạnh thực của lõi thép: b’ = b/Kc = 4,05/0,92 = 4,4 (cm) chọn 44 (mm).
Chọn hệ số ép chặt của lõi thép là 0,92 để đảm bảo độ bền và ổn định của hệ thống Đối với hai cực từ của hai nhánh, chọn b’ = 44 mm nhằm tối ưu hóa mạch từ và hiệu quả hoạt động Vì mạch từ đã chọn là mạch từ chữ E, nên chiều rộng a’ được tính bằng công thức a’ = a/2 + 2, giúp đảm bảo phân phối từ thông đều Khoảng cách Δv = 2 mm là chiều rộng của vòng ngắn mạch, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước cuộn dây để đạt hiệu suất tối ưu của máy biến áp hoặc thiết bị từ trường.
Tính sức từ động cuộn dây:
Cuộn dây nam châm điện cần tạo ra sức từ động đủ lớn để sinh lực điện từ (Ftd = IW) nhằm đảm bảo hoạt động bình thường của nam châm điện Sức từ động trong cuộn dây thay đổi theo đặc tính làm việc của nam châm điện, cùng với tổn thất do từ trễ và dòng xoáy Chính vì vậy, phương trình cân bằng áp lực khi nắp nam châm điện ở vị trí tới hạn = th được xác định bằng công thức (IW)td = (IW)h + (IW)nh, giúp đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.
(IW) h : sức từ động do tổn hao trễ, dòng xoáy và vòng ngắn mạch không tải trong quá trình làm việc.
(IW) nh : sức từ động ứng với nắp nhả, phụ thuộc vào .
cn = 0,03 0,1(mm) khe hở công nghệ.
cd = 0,1 0,5(mm) khe hở công nghệ.
gđ khe hở công nghệ.
Kiểm tra bội số tăng dòng điện:
Ta thấy Ki = 13,4 thoả mãn yêu cầu Ki = 4 15 nên thiết kế trên là đảm bảo.
Xác định kích thớc cuộn dây:
Tiết diện cuộn dây và diện tích cửa sổ mạch từ là những yếu tố quan trọng trong thiết kế cuộn dây, được xác định dựa trên mối quan hệ giữa sức từ động, kích thước cuộn dây và [j] Khi tính toán cuộn dây, người thiết kế thường tập trung vào trạng thái làm việc dài hạn của nam châm điện, đặc biệt là trạng thái hút tối đa của nam châm điện trong điều kiện tải nặng nhất khi U = Kmax.Uđm.
Theo công thức 5.24 trang 211 TLTKKCĐHA ta có:
K umax = 1,1: hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà nam châm điện vẫn làm việc mà không bị cháy.
K umax = 0,85: hệ số tính đến sự giảm điện áp nguồn mà nam châm điện vẫn sinh ra đợc lực điện từ đủ lớn để hút đợc.
K qt =1: hệ số quá tải cho phép khi nam châm điện làm việc ở các chế độ.
K ld : hệ số lấp đầy K ld =0,2 0,7 Chọn K ld = 0,5. j = 2,5 (A/mm 2 ): mật độ dòng điện cho trong khoảng 2 5(A/mm 2 )
Lấy hệ số hình dáng Khd l cd h cd = 3 với nam châm điện xoay chiều.
Ta có chiều dài cuộn dây: hcd = √ S 3 cd = √ 288 3 ≈ 9,8 ( mm ) chọn h cd = 10
Khi đó ta có chiều cao cuộn dây là: lcd = 3.hcd = 3.10 = 30(mm)
1 = 0,5 mm chiều dày cách điện giữa lõi sắt và khung dây
2 = 1,5 mm bề dày khung dây quấn.
3 = 4 = 0,5 mm bề dày cách điện cuộn dây
ChiÒu réng cuén d©y : hcd = 10 mm, chiÒu cao: lcd = 30 mm
Chiều cao lõi mạch từ : hl = lcd + 2.2 = 33 mm
Chiều rộng cửa sổ mạch từ : c = 1 + 2 + 23 + hcd + 4 = 18 mm
Chiều cao cửa sổ mạch từ: hcs = lcd + 2.2 + 6 = 41 mm
Diện tích nắp mạch từ : Sn = 0,5.Sl1 = 0,6.44 2 1161 mm 2 hn S n b61
40,5(,7(mm) Diện tích đáy mạch từ : Sđ = 0,5.Sl1 = 0,5 44 1 968 mm 2 h® S d b 8
40,5≈23,9(mm) Tổng chiều cao mạch từ:
H = hcs + h® + hn = 41 + 28,7 + 23,9 = 93,6 (mm) Tổng chiều dài nam châm điện:
Lập sơ đồ thay thế mạch từ
Bỏ qua từ trở sắt từ ( Fe >> ), ta có mạch từ đẳng trị.
Dùng phơng pháp phân chia từ trờng để tính từ dẫn qua khe hở không khí Ta chia ra làm 17 hình :
Một hình chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao : G0 μ 0 a.b δ
Hai hình nửa khối trụ đặc, đờng kính , chiều dài a: G1 = 0,26.0.a
Hai hình nửa khối trụ đặc, đờng kính , chiều dài b: G2 = 0,26.0.b
Hai hình nửa trụ rỗng với đờng kính trong , đờng kính ngoài ( + 2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là: G3 μ 0 2 a π ( δ m +1)
Hai hình nửa trụ rỗng với đờng kính trong , đờng kính ngoài ( + 2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là: G4 μ 0 2.b π ( δ m +1) Bốn hình 1/4 cầu đặc với đờng kính : G5 = 0,0770.
Trong bài viết này, chúng ta xem xét bốn hình 1/4 cầu rỗng có đường kính trong là δ và đường kính ngoài là (δ + 2m), mỗi hình được dẫn bởi hệ số G6 μ 0.m⁴ Do tất cả các từ dẫn trong các hình này song song với nhau, nên từ dẫn tổng Gδ2 ở khe hở không khí chính là tổng của 17 từ dẫn riêng biệt của các hình Điều này giúp hiểu rõ hơn về cách tổng hợp các từ dẫn trong các cấu trúc hình học phức tạp để xác định đặc tính dẫn điện của hệ thống.
Với khe hở cực từ giữa, do a*b = 44*44 (mm) nên:
) (H) Với khe hở cực từ bên, do a*b = 26*44 (mm) nên:
Theo sơ đồ trên ta có: G 13 = G 1 + G 3 = 0 (
Vậy từ dẫn tổng qua khe hở không khí: G G δ 2 G δ 13
Từ tản khe hở cực từ giữa: G t2 = 0 ( 48,03.10 −3 +0,458δ ) (H)
Từ tản khe hở cực từ bên: G t1 = G t3 = 0 ( 38,765.10 −3 +0,458δ ) (H) Đối với mạch từ xoay chiều, từ dẫn rò đợc tính theo công thức: Grqđ 1
3g r h l g r : suất từ dẫn rò h l : chiều cao lõi mạch từ Tính suất từ dẫn rò g r ?
Dùng phơng pháp chân chia từ trờng ta có:
+ mét h×nh trô ch÷ nhËt b’.l.c: G0 μ 0 b'.l c
+ hai hình 1/2 trụ tròn đặc đờng kính c, chiều cao 1: G1 = 2.0,26.0.l + hai hình 1/2 trụ tròn rỗng đờng kính trong c, ngoài c+a, chiều cao 1
Nh vậy tại điểm tới hạn = 5,5 mm, hệ số rò r 1,424 xấp xỉ hệ số rò ban đầu chọn (r = 1,45) Sai số là 1,8%, do vậy đạt yêu cầu.
Từ thông mạch từ (tính ở lõi giữa) đợc tính theo công thức:
Trong đó: K = 0,25 là hệ số tính tới thứ nguyên của lực. dG rqd Σ dδ = 0 và Fhđt = 1/2.Fhtt = 1/2.162,36 = 81,18 (N) Φ δ =√ √ 2.52 0 , 25.39 , 39.0 ,531.10 , 193 2 10 −6 −12 =8 , 82.10 −4 (Wb)
Từ cảm mạch tại = 4,5 mm là: B Φ δ
Giá trị từ cảm thực tế tính đợc xấp xỉ giá trị ban đầu chọn (B = 0,5T) do đó giá trị chọn đạt yêu cầu.
Từ thông trung bình qua lõi sắt mạch từ chính khi nắp hút: φ tb =σ r φ δth =1,424.8,82.10 −4 ,56.10 −4 (Wb)
Từ cảm trung bình qua lõi sắt mạch từ chính khi nắp hút:
Số vòng dây nam châm điện:
U đm : điện áp định mức của cuộn dây, U đm = 380V
K Umin : hệ số tính đến sụt áp, K Umin = 0,85
K IR : hệ số có tính đến điện áp rơi trên điện trở của cuộn dây khi phần ứng bị hút, ta chọn K IR =0,9.
Tiết diện dây quấn: q S cd K ld
Chọn theo tiêu chuẩn bảng 5.8 trang 276 TLTKKCĐHA: ta lấy d = 0,44 (mm).
Kiểm tra lại Klđ: S cd =π.d 2
Vậy nam châm điện hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế.
Tính toán vòng ngắn mạch (vòng chống rung):
Trong quá trình đóng mạch điện, do F = f(t) nên tiếp điểm thường xuyên rung gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Vì vậy, việc thiết kế vòng ngắn mạch hoặc vòng chống rung là cần thiết để giảm thiểu tối đa hiện tượng rung này Vật liệu vòng ngắn mạch thường được chọn là đồng, và vòng này được đặt ôm một phần diện tích cực từ như minh họa trong hình vẽ, nhằm đảm bảo hiệu quả chống rung cao hơn.
Chọn bề rộng vòng ngắn mạch là 2 mm.
Trị số trung bình của lực điện từ ở khe hở khi không có vòng ngắn mạch, khe hở làm việc ở trạng thái hút theo công thức 5-52 ta có:
tb : Từ thông trung bình ở khe hở làm việc khi hút:
rh : Hệ số từ dò khi phần ứng hút ( = 0,5 mm) r = 1,07.
S tn : Diện tích tổng trong và ngoài vòng ngắn mạch.
Tỉ số fl của lực điện từ bé nhất và trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch: f l =F min
70,7 ≈0,76 Điện trở vòng ngắn mạch tính theo công thức 5-54: r nm = ω μ 0 S tn δ h 4 f ;l
Góc lệch pha j giữa từ thông ngoài n và từ thông trong t khi số vòng ngắn mạch Wnm = 1 theo công thức 5-55 : tg ϕ= ω G t r nm = ωμ 0 S t r nm δ h
S t : Diện tích cực từ trong vòng ngắn mạch
Từ thông trong vòng ngắn mạch:
Từ thông ngoài vòng ngắn mạch.
Từ cảm ở khe hở vùng ngoài vòng ngắn mạch.
Lực điện từ phía ngoài vòng ngắn mạch:
Lực điện từ phía trong vòng ngắn mạch:
Lực điện từ cực đại:
Lực điện từ trung bình: Ftb = Ftbt + Ftbn = 122,57 (N)
Lực điện từ nhỏ nhất: F min =F tb −F max 2,57−64,5X,07N
Nh vậy lực điện từ nhỏ nhất khi hút phải lớn lực cơ của phần ứng:
Fmin = 4.Fmin = 4.58,07 = 232,38 (N) Theo đồ thị ta thấy Fcơmax = 202,8 (N) < Fmin = 232,38 (N) Do vậy điều kiện
Fmin > Fcơ khi nắp đóng ( = 0,5 mm) là hoàn toàn thoả mãn.
Tổn hao trong vòng ngắn mạch:
Dòng điện trong vòng ngắn mạch: Inm = √ P r nm nm = √ 763 , 25 10 6 −6 , 66( A )
Dòng trong vòng ngắn mạch quy đổi về cuộn dây: Inmqđ = Inm.(Wnm/W)
W nm : Số vòng dây cuộn ngắn mạch W nm = 1.
W: Số vòng dây nam châm điện W = 1500.
Kích thớc vòng ngắn mạch:
Chọn vật liệu vòng ngắn mạch là đồng ủ cứng:
Tên hằng số vật lý Giá trị Đơn vị Điện trở suất 20 0 C (20) 1,7.10 -8 .m
Hệ số nhiệt điện trở 0,0043 1/ 0 C
Nhiệt độ hoá mềm cho phép 250 0 C
Tổng chiều dài vòng ngắn mạch: lnm = 2.(b’ + 2. + at) =2.(35 + 2.2 + 399,543/35) = 100,83 (mm) Tiết diện vòng ngắn mạch:
Chiều cao vòng ngắn mạch: h nm =
Tính toán nhiệt và tổn hao:
Nhiệt độ phát nóng vòng ngắn mạch: nm = nm + 0 < [] = 250 0 C
Tổn hao sắt: PFe = Pm.m.K.
K: hệ số thực nghiệm làm tăng tổn hao Chọn K = 1,5. m: trọng lợng mạch từ m = .V = .l.S l: tổng chiều dài mạch từ.
S: tiết diện mạch từ. m =.(H.b L-2.c.b h’ ’ cs ) = 7,65(90,7.35.114 – 2.b’ 2.18.35.41).10 -3 =2,37(kg)
: khối lợng riêng vật liệu mạch từ = 7,65 (g/cm 3 )
P m : suất tổn hao ứng với B m (B cực đại trong lõi thép)
P 10 : suất tổn hao ứng f = 50Hz và B = 1(T), P 10 = 1,6(W/Kg).
Công suất tổn hao sắt: PFe = m.Pm.K = 2,37.1,07.1,5 = 3,8(W)
Dòng điện đặc trng cho tổn hao sắt:
Dòng điện trong cuộn dây:
Dòng điện khi nắp hút: I h = √ (I th + I δ ) 2 +( I nmqd + I Fe ) 2
W H i là cờng độ từ trờng chạy trong các đoạn mạch từ H i có giá trịn nh nhau do S n S đ = S 11 /2 L i là chiều dà các đoạn mạch từ Do đó ta có đợc
W , trong đó l i = 2.L +3.h cs = 2.114 + 3.41 = 351 (mm) và theo đờng cong vật liệu mạch từ ứng với B max = 0,9(T) ta có H = 1,8(A/cm).
1500=0,042(A) Dòng điện khi nắp hút: I h =√ (0 , 042+ 0, 22 ) 2 +( 0, 12+0 , 009 ) 2 =0 ,29 ( A )
Mật độ dòng khi nắp hút: j= I h q = 4 I h π d 2 = 4 0 ,29 π 0 , 39 2 =2, 443( A /mm 2 )
Dòng điện khi nắp mở:
Trong đó Xm = .W 2 Gm = .W 2 (Gm + Grm)
Xm 14.1500 2 (0,2283.10 -6 + 9,896.10 -8 ) = 231,21() Kiểm tra bội số dòng điện:
Tính toán nhiệt cuộn dây: Điện trở cuộn dây: R cd =ρ cd l q=ρ cd l tb W q
Trong đó: ρ cd =ρ 20 (1+α.(95−20)) ¿1,5.10 −8 (1+0,0043.75)=1,98.10 −8 .m ltb = 1/2.[2.(a +b’) + (2.(a +b’) +2..hcd)] ltb = 1/2.[2.(35 +35) + (2.(35 + 35) +2..10)] = 171,4 (mm) q: tiết diện dây quấn.
Công suất tiêu thụ cuộn dây: Pcd = Ih 2.Rcd = 0,29 2 42,6 = 3,5 (W) b’ a h cd Độ tăng nhiệt cuộn dây: τ= P
K t : hệ số toả nhiệt, chọn K t = 13 (W/m 2 0 C)
St : diện tích toả nhiệt Với khung dây là nhựa bakenit K = 1.
St = K.ST + Sn = Stn = lcd.[2.(a +b’) + 2.(a +b’) +2..hcd]
St = 30.[2.(35 + 35) + 2.(35 + 35) +2..41] = 16128,4 (mm 2 ) τ = ΔlP Fe +P nm + P cd
Tính và dựng đặc tính lực hút F = f(): áp dụng công thức:
Víi Φ δ = Φ cd δ r và Kir = 0,9; Φ δ = 10 ,27 10 −4 K U δ r Φ cd =K U U dm K ir
K : hệ số tính tới thứ nguyên của lực K = 0,25 và dG r dδ = 0
Fht = 2 Fhtb ứng với các giá trị tơng ứng của KU = 0,85; 1; 1,1 ta lập bảng quan hệ F = f() để vẽ đặc tính lực hút:
Theo bảng tính toán ta thấy đặc tính cơ ứng với KU = 0,85 và tại độ mở tới hạn
Khi thước đo độ dày dây là 5,5 mm, lực tác dụng Fht (N) đạt 150,50 N (với hệ số KU = 0,85), vượt quá giới hạn chịu lực Fcơ (135,3 N) Do nam châm điện hoạt động cùng với công tắc tơ, chúng ta có thể dựa vào đặc tính cơ của thiết bị để kết luận rằng, trong điều kiện này, nam châm điện cần được kiểm tra kỹ để đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn.
Tính toán đặc tính nhả của nam châm điện:
Hệ số nhả là tỷ số giữa điện áp của cuộn dây khi phần động của nam châm điện hút và nhả, giúp xác định độ nhạy của nam châm điện Với nam châm điện có độ nhạy cao, đặc tính Fnh phải nằm hoàn toàn dưới đặc tính cơ, đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả Đối với công tắc tơ xoay chiều, hệ số nhả Knh dao động trong khoảng từ 0,4 đến 1, giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi và kiểm soát dòng điện.
Dựa vào đặc tính của nam châm điện chọn Knh U nh
U td =√ F F nh td tại th = 5,5 mm Khi đó Knh = √ F F nh h = √ 150 42 , 50 =0 ,53
Dựa vào quan hệ này ta có Fh = Knh 2 Fnh = 0,28 Fnh.
Bảng tính toán chi tiết:
Tính thời gian tác động và thời gian nhả:
Thời gian tác động: ttđ = t1 + t2
Thời gian tác động khi nhả: tnh = t3 + t4 t 1 , t 3 : thời gian khởi động khi tác động và khi nhả. t 2 , t 4 : thời gian chuyển động khi tác động và khi nhả.
Vì nam châm điện xoay chiều nên t1 , t3 1/2.T = 1/2.0,02 = 0,01 (s)
Chọn t1 = t3 = 0,01 (s) Để tính t2 ta dùng công thức: t 2 =∑
Với x i = i - i-1 quãng đờng đi doạn thứ i.
( F h − F c ) i = ΔlS i Δlx i và m là khối lợng phần động
V ® 7,45 (cm 2 ) m = V ® Fe 7,45.7,65 = 0,975 (Kg) t2 = 0,005 + 0,0058 + 0,0136 + 0,0125= 0,037 (s) Để tính t2 ta dùng công thức: t 4 =∑
Thời gian tác động: ttđ = t1 + t2 = 0,01 + 0,037 = 0,047 (s)
Thời gian tác động khi nhả: tnh = t3 + t4 = 0,01 + 0,079 = 0,089 (s)
Tính khối lợng công tắc tơ:
Khối lợng công tắc tơ bao gồm khối lợng mạhc từ, khối lợng cuộn dây, khối l- ợng phần kết cấu: Gctt = Gcd + GFe + Gph
Theo tính toán ở trên ta có: GFe = 2,37 (Kg)
Gcd = Gcu = cu l cu q = cu l tb W..d 2 /4.
Gcd =0,107 (Kg) Khối lợng phần kết cấu: Gph = 0,8.( Gcd + GFe) = 1,98 (Kg)
Khối lợng công tắc tơ: Gctt = 0,107+ 2,37+ 1,98 =4,457 (Kg)
Thiết kế buồng dập hồ quang
Khái niệm về hồ quang điện
Các khí cụ điện như cầu dao, công tắc tơ khi đóng cắt mạch có thể gây ra hồ quang trên tiếp điểm Hồ quang này có thể cháy lâu dẫn đến nguy cơ làm hỏng các thiết bị điện trong hệ thống Để đảm bảo an toàn và độ bền của hệ thống điện, việc kiểm soát và ngắt hồ quang kịp thời là rất quan trọng.
Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong không khí hoặc hơi với mật độ dòng điện lớn và nhiệt độ cao, tạo ra hiệu ứng ánh sáng đặc trưng Hiện tượng này phản ánh mối quan hệ phức tạp giữa điện và nhiệt, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật điện Hiểu rõ về hồ quang điện giúp tối ưu hóa quá trình xử lý và đảm bảo an toàn trong hệ thống điện.
Ảnh hưởng của hồ quang điện gây ra mạch điện ngắt không dứt khoát, dẫn đến cháy hỏng tiếp điểm và sự quá điện áp trong hệ thống điện Việc dập hồ quang trong khí cụ điện đóng vai trò quan trọng để bảo vệ thiết bị khỏi tổn thất và đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống Hồ quang điện phát sinh là quá trình ion hoá chất khí, xuất hiện dưới các dạng chính, ảnh hưởng trực tiếp đến sự hoạt động và an toàn của các thiết bị điện.
Tự phát xạ điện từ.
Phát xạ nhiệt điện tử.
Ion hoá do va chạm.
Ion hoá do nhiệt độ cao.
Tái hợp và khuếch tán. Để dập tắt hồ quang cần phải tăng cờng phản ion hoá bằng cách giảm đờng kính hồ quang.
Đặc điểm hồ quang điện xoay chiều
Dòng điện xoay chiều có đặc điểm là sau mỗi nửa chu kỳ nguồn cung cấp, dòng điện và điện áp qua trị số không một lần, giúp giảm thiểu hồ quang sinh ra so với dòng một chiều Nhờ tính chất này, người ta thường dựa vào để ngắ mạch điện, hạn chế sự phát sinh hồ quang và giảm thiểu các hư hỏng trong hệ thống điện Tính năng của dòng xoay chiều đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ bền và an toàn của thiết bị điện, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện năng.
Khi dòng điện i = 0 thì khu vực hồ quang đồng thời sảy ra:
Quá trình phản ion hóa mạnh đến mức mất dần tính dẫn điện.
Quá trình phục hồi điện áp hồ quang từ điện áp tắt đến điện áp cháy.
Yêu cầu đối với hệ thống dập hồ quang
Đảm bảo đợc khả năng đóng và khả năng ngắt
Kích thớc hệ thống dập hồ quang nhỏ.
Có khả năng hạn chế ánh sáng và âm thanh.
Thời gian cháy nhỏ, giảm mòn tiếp điểm, thiết bị dập hồ quang.
Giá trị dòng điện ngắt trong khi tính toán hệ thống dập hồ quang
Trong quá trình tính toán và lựa chọn buồng dập hồ quang ta cần chú ý tới sự phụ thuộc của dòng điện ngắt vào thời gian hồ quang cháy.
I ng (A) t ng (S) kéo dài hồ quang bằng cơ khí
Trong vùng I, thời gian hồ quang cháy tỷ lệ thuận với dòng ngắt mạch, do đó hồ quang trong vùng này có mức độ nhỏ Để dập hồ quang hiệu quả, ta có thể tăng dòng điện phục hồi, và CTT hoạt động tốt với dòng điện xoay chiều để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình điều chỉnh dòng điện.
Vùng (II): thq cháy lớn, nên thời gian dập hồ quang cũng lớn Biện pháp dập hồ quang chủ yếu là sử dụng cách kéo dài cơ khí.
Vùng (III) đặc trưng bởi thq cháy nhỏ và dòng ngắt rất lớn Nhân tố chính giúp dập hồ quang trong khu vực này là nhờ vào sức điện động của dòng hồ quang kết hợp với từ trường dòng điện khác trong mạch vòng dẫn điện và từ trường cuộn thổi từ Sử dụng lực điện từ này giúp kiểm soát và ngắt hồ quang hiệu quả, đảm bảo an toàn trong hệ thống điện.
Vật liệu kết cấu buồng dập hồ quang
Vật liệu làm buồng dập cần đảm bảo khả năng chịu nhiệt độ cao, tính cách điện vượt trội và khả năng chống ẩm hiệu quả để đảm bảo hoạt động an toàn và bền bỉ Để dập tắt hồ quang nhanh chóng, mặt trong của buồng dập phải có độ nhám bề mặt thấp nhất, nghĩa là phải nhẵn để giảm thiểu sự tích tụ nhiệt và ngăn chặn sự hình thành hồ quang gây cháy nổ hoặc hư hỏng thiết bị.
Một số vật liệu dùng để làm vỏ hộp dập hồ quang.
Vật liệu xi măng – 2.b’ amiang:
Ximăng - amian loại tấm theo tiêu chuẩn TCVN 8697-58 được sản xuất từ xi măng - amian và nhựa amian, mang đến độ bền và khả năng chịu lực cao Các chi tiết bằng nhựa xi măng - amian có đặc điểm nổi bật là bề mặt có độ nhẵn lớn, giúp dễ dàng gia công và hoàn thiện sản phẩm Sản phẩm này phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi tính thẩm mỹ và độ bền, được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và nội ngoại thất.
Vật liệu ép chịu hồ quang:
Nó được tạo thành từ nhiều vật liệu tổng hợp như sợi amian và các loại chịu lửa như nhμn mΩnơ, nhựa sili lơ hữu cơ, nhựa epoxy và các loại nhựa khác Thành phần của chúng phụ thuộc vào kết cấu của chi tiết, làm tăng tính chắc chắn và độ bền cho sản phẩm Việc sử dụng các vật liệu chịu lửa này giúp nâng cao khả năng chịu nhiệt và chịu lực của các chi tiết trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.
Các chi tiết làm vật liệu này có tính chụi nhiệt, chịu hồ quang cao, cách điện tốt và đạt đợc độ nhẵn bề mặt.
Buồng dập hồ quang bằng vật liệu gốm đem lại hiệu quả kinh tế cao, nhưng chỉ áp dụng hiệu quả khi sản xuất với số lượng lớn do quá trình gia công của nó rất phức tạp.
Kết cấu và kiểu buồng dập
Dựa trên phân tích các dạng kết cấu và kiểu buồng dập, kiểu buồng dập hồ quang được chọn là kiểu dàn dập Dàn dập này được chế tạo từ lá thép non, giúp tối ưu hóa hiệu quả sản xuất và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật Việc lựa chọn kiểu buồng dập phù hợp là yếu tố quyết định đến chất lượng và độ bền của sản phẩm cuối cùng.
Số lợng tấm cho một chỗ ngắt 5
BÒ dÇy mét tÊm (mm) 1
Khoảng cách giữa các tấm (mm) 3
Buồng dập phù hợp với dòng điện định mức 200A và tiếp điểm chữ nhật có hai chỗ ngắt, phù hợp với công tắc tơ hoạt động trung bình Kiểu buồng này giúp rút ngắn đáng kể chiều dài hồ quang, hạn chế phát sáng và âm thanh do hồ quang bị dập trong thể tích nhỏ hơn Nhờ đó, thiết kế giúp nâng cao an toàn và giảm thiểu tác động tiêu cực trong hệ thống điện.