Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Ngoài ranó còn đợc dùng để kiểm tra và điều khiển các quá trình năng lợng khác.Khí cụ điện đợc sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, các trạm biếnáp, trong các xí nghiệp công nghiệp,

Lời nói đầu.

Để đánh giá sự phát triển kinh tế của một số quốc gia chúng ta thờng dựavào trong tiêu chuẩn kinh tế rất quan trọng đó là sự phát triển nền công nghiệpquốc gia, đặc biệt là ngành điện Điện năng là nguồn năng lợng quan trọng đ-

ợc sử dụng rộng rãi hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Một ngànhcung cấp năng lợng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của con ngời ở đâychúng ta đi sâu vào tìm hiểu một bộ phận trong cơ cấu thiết bị khá quan trọngtrong điều khiển quá trình sản xuất biến đổi truyền tải phân phối năng lợng.Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh vàbảo vệ các lới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất Ngoài ra

nó còn đợc dùng để kiểm tra và điều khiển các quá trình năng lợng khác.Khí cụ điện đợc sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, các trạm biến

áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, giaothông vận tải… Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng nh Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng nhtrong đời sống không thể thiếu các loại khí cụ điện

Khí cụ điện có rất nhiều loại tùy theo chức năng và nhiệm vụ Có thể chia

ra làm các loại chủ yếu sau đây:

+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lợng điện áp cao: máy ngắt, daocách ly, kháng điện, biến dòng, biến áp

+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lợng điện áp thấp nh: máy tự động,các bộ phận đầu nối( cầu dao, công tắc xoay), cầu chì… Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng nh

+ Nhóm các rơ le: rơ le bảo vệ, rơ le dòng, rơ le áp, rơ le công suất, rơ lenhiệt… Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng nh

+ Nhóm các khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ … Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng nh

Khi nền công nghiệp càng phát triển, hiện đại hóa cao thì càng cần thiếtphải có các loại khí cụ điện tốt hơn, hoàn hảo hơn Các loại khí cụ điện cònphải đòi hỏi khả năng tự động hóa cao Chính vì vai trò quan trọng của khí cụ

điện nên việc nghiên cứu các phơng pháp tính toán, thiết kế các khí cụ điện làmột nhiệm vụ quan trọng và phải có sự đầu t đúng mức để ngày càng đợc pháttriển và hoàn thiện hơn

Trong quá trình học tập tại trờng em đã nhận đợc sự giúp đỡ và chỉ bảotận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện Đặc biệt là sự hớng

dẫn nhiệt tình của thầy giáo: Nguyễn Văn Đức Nhờ đó em đã thiết kế tính

toán loại khí cụ điện mà hiện nay đang có nhu cầu sử dụng rất nhiều và rộngrãi, đó là: “Công tắc tơ xoay chiều ba pha” Bản thuyết minh này sẽ trình bàyviệc thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều ba pha với các chỉ số sau:

Tuổi thọ N=105 làm việc liên tục, cách điện cấp A

2 tiếp điểm phụ thờng đóng

2 tiếp điểm phụ thờng mở

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng ngắt thờng xuyên các mạch

điện động lực, từ xa bằng tay hay tự động

Việc đóng ngắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể đợc thực hiện bằng điện từ,thủy lực hay khí nén Trong đó công tắc tơ điện từ đợc sử dụng nhiều hơn cả

II.phân loai:

1 Theo nguyên lý truyền động ngời ta chia công tắc tơ thành các loạisau:

+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng điện từ

+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng thủy lực

+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng khí nén

+ Công tắc tơ không tiếp điểm

2 Theo dạng dòng điện trong mạch:

+ Công tắc tơ điện một chiều dùng để đóng ngắt mạch điện một chiều.Nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều

+ Công tắc tơ điện xoay chiều dùng để đóng ngắt mạch điện xoaychiều Nam châm điện của nó là nam châm điện xoay chiều

Ngoài ra trên thực tế còn có loại công tắc tơ sử dụng để đóng ngắt mạch điệnxoay chiều, nhng nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều.

III các yêu cầu đối với công tắc tơ:

Công tắc tơ phải đóng dứt khoát, tin cậy phải đảm bảo độ bền nhiệtnghĩa là nhiệt độ phát nóng của công tắc tơ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ phátnóng cho phép:   cp 

Khi tính toán, thiết kế công tắc tơ thờng phải đảm bảo lúc điện áp bằng85% Ucd thì phải đủ sức hút và lúc điện áp bằng 110% Ucd thì cuộn dây khôngnóng quá trị số cho phép và công tắc tơ vẫn làm việc bình thờng

Đảm bảo độ bền điện động: độ bền điện động đợc xác định bằng số lần

đóng ngắt tối thiểu mà sau đó cần thay thế hoặc sửa chữr các tiếp điểm bị ănmòn khi có dòng điện chạy qua tiếp điểm

Đảm bảo độ mòn về điện đối với công tắc tơ tiếp điểm, trong ngày nay nhữngloại công tắc tơ hiện đại độ mòn về điện từ (23).106 lần đóng ngắt

Đảm bảo độ bền về cơ: độ mòn về cơ đợc xác định bằng số lần đóngngắt tối đa mà chr đòi hỏi phải thay thế hoặc sửa chữ các chi tiết khi không códòng điện tiếp điểm Ngày nay các công tắc tơ hiện đại độ bền cơ khí đạt2.107 lần đóng ngắt

iv.cấu tạo của công tắc tơ:

Công tắc tơ điện từ bao gồm những thành phần chính sau:

Hệ thống mạch vòng dẫn điện

Cơ cấu điện từ

Hệ thống dập hồ quang

Hệ thống phản lực

v.nguyên lý hoạt động của công tắc tơ:

Khi đa dòng điện vào cuộn dây của nam châm điện sẽ tạo ra từ thông

 và sinh ra lực hút điện từ Fđt Do lực hút điện từ lớn hơn lực phản lực làmcho nắp của nam châm điện bị hút về phía mạch từ tĩnh Các tiếp điểm thờng

mở của công tắc tơ đợc đóng lại Mạch điện thông

Khi ngắt dòng điện của cuộn dây nam châm thì lực hút điện từ Fđt=0 dớitác dụng của hệ thống lò xo sẽ đẩy phần động trở về vị trí ban đầu Các tiếp

điểm của công tắc tơ mở, hồ quang phát sinh ở tiếp điểm chính sẽ đợc dập tắttrong buồng dập hồ quang Mạch điện ngắt

b phân tích phơng án chọn kết cấu:

Để có một kết cấu hợp lý và phù hợp với điều kiện công nghệ cho côngtắc tơ thiết kế Ta tiến hành khảo sát một số loại công tắc tơ của một số nớc

đang sử dụng ở Việt Nam:

+ Công tắc tơ của Việt Nam

+ Công tắc tơ của Liên xô.

+ Công tắc tơ của Nhật

+ Công tắc tơ của Hàn Quốc

+ Công tắc tơ của Trung Quốc

Sau khi tham khảo về cơ bản công tắc tơ của các nớc đều giống nhau Từ đó

em có nhận xét sau:

I Mạch từ:

Trong tất cả các loại công tắc tơ của các nớc nói trên ngời ta đều sửdụng mạch từ chữ ш ш ш có cuộn dây đợc đặt ở giữa, trên hai cực từ ngời ta đặtvòng chống rung

Loại này có u điểm: Lực hút điện từ lớn và đợc phân bố đều nên làm việc chắcchắn và tin cậy

Các loại kiểu hút trong mạch từ: có 2 loại

1 Hút thẳng:

Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản dễ tháo lắp, nhỏ gọn nên kích thớc củacông tắc tơ nhỏ và gọn Từ thông rò không đổi khi chuyển động, lực hút điện

từ lớn

Nhợc điểm: không sử dụng đợc với dòng điện lớn vì độ mở của tiếp

điểm bằng độ mở của nam châm điện Nên nếu dùng cho dòng điện lớn thì độ

mở của tiếp điểm lớn dẫn đến nam châm điện hóa Khi đó kích thớc của côngtắc tơ sẽ lớn dẫn đến hay bị rung động

II Tiếp điểm:

Do mạch từ kiểu hút thẳng nên ta chọn tiếp điểm có dạng bắc cầu mộtpha hai chỗ ngắt

Kiểu này có u điểm: vì ta chọn nh vậy bởi chỗ ngắt trong mạch là hainên có khả năng ngắt nhanh, chịu đợc và dễ dập hồ quang Đồng thời giảmhành trình chuyển động dẫn đến giảm kích thớc của công tắc tơ (nh hình vẽ).Trong đó:

Iii Buồng dập hồ quang:

Buồng dập có tác dụng giúp ta dập tắt hồ quang nhanh nên phải đảmbảo các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo khả năng đóng và ngắt: nghĩa là phải đảm bảo giá trị dòng

điện ngắt ở điều kiện cho trớc

+ Thời gian cháy hồ quang nhỏ, vùng iôn hóa nhỏ Nếu không có thểchọc thủng cách điện trong buồng dập hồ quang

+ Hạn chế ánh sáng và âm thanh

Do tác dụng của hồ quang là rất nguy hiểm nên ta cần phải có biện phápnhanh chóng dập hồ quang

Đối với công tắc tơ xoay chiều có hai phơng án dập hồ quang chủ yếu là:

+ Dùng cuộn thổi từ có buồng dập là khe hở hẹp

đảm bảo khi làm việc

iV Nam châm điện:

Nam châm điện có vai trò rất quan trọng, nó quyết định đến tính nănglàm việc và kích thớc của toàn bộ công tắc tơ

Nam châm điện dạng chữ ш hút chập từ thông không rò Có từ thông không

đổi trong quá trình nắp chuyển động, từ dẫn khe hở không khí lớn, lực hút

điện từ lớn đặc tính của lực hút điện từ gần với đặc tính cơ phản lực của loạicông tắc tơ xoay chiều Sử dụng kiểu này ta dễ dàng sử dụng tiếp điểm kiểuhai chỗ ngắt

Trên thực tế và theo tham khảo với công tắc tơ xoay chiều có dòng địnhmức Iđm<100 (A) ngời ta thờng chọn mạch từ có dạng chữ ш kiểu hút thẳng có

đặc tính hút gần với đặc tính phản lực đồng thời đơn giản hơn trong quá trìnhtính toán và chế tạo

Kết Luận:

Qua phân tích ở trên để phù hợp với yêu cầu và kỹ thuật Vậy em chọn kiểudáng kết cấu cho công tắc tơ mà em thiết kế là:

Mạch từ: chữ ш

Kiểu hút: hút thẳng

Tiếp điểm: một pha hai chỗ ngắt

Buồng dập hồ quang: kiểu dàn dập

Điện áp định mức

Môi trờng làm việc

Quá trình dập tắt hồ quang

Ta có thể xác định khoảng cách cách điện theo các phơng pháp sau:

+ Theo độ bền làm việc pha

+ Theo độ bền điện các phần tử mạng điện so với đất

+ Theo chế độ bền điện ngay trong nội tại của công tắc tơ đối với cácphần tử mang điện

Nếu ta chọn khoảng cách quá nhỏ thì dễ xảy ra phóng điện, nếu chọn khoảng cách lớn sẽ tăng kích thớc công tắc tơ

Đối với các pha với nhau điện áp lớn hơn điện áp giữa các pha phần tửmang điện đối với đất, hơn nữa vỏ của các công tắc tơ đợc làm bằng nhựacứng, do đó cách điện với đất tốt, làm việc hoàn toàn an toàn

Do đó cách điện giữa các pha trong công tắc tơ là quan trọng nhất, vì vậy

ta phải xác định khoảng cách này

Nếu ta chọn khoảng cách cách điện theo phơng pháp (độ bền điện giữacác pha) nếu khoảng cách này thoả mãn thì dẫn đến hai phơng pháp kia cũng

đảm bào an toàn khi làm việc

Chúng ta chọn khoảng cách cách điện tối thiểu theo bảng quyển1 với:

Phần II: Thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện.

Mạch vòng dẫn điện của công tắc tơ bao gồm: Thanh dẫn, hệ thống tiếp

điểm và các đầu nối

Yêu cầu cơ bản của mạch vòng dẫn điện:

+ Đảm bảo độ bền cơ, độ bền động và độ bền nhiệt

+ Khi làm việc ở chế độ dài hạn với Iđm nhiệt độ phát nóng cho phép của mạchvòng không vợt quá nhiệt độ cho phép Khi làm việc ở chế độ ngắn mạchtrong khoảng thời gian cho phép, mạch vòng phải chịu đợc lực điện động dovòng ngắn mạch gây ra mà các tiếp điểm không bị nóng chảy và hàn dính lại +Trong quá trình đóng ngắt mạch điện thờng xuyên cũng nh có sự cố, xuấthiện sự va đập cơ khí và rung động Mạch vòng dẫn điện phải đảm bảo độ bềnvững hoạt động tin cậy và đảm bảo tuổi thọ

Khi thiết kế mạch vòng dẫn điện phải có điện trở nhỏ nhất, để giảm tốithiểu tổn hao công suất trên nó và dẫn điện tốt

Mạch vòng dẫn điện trong công tắc tơ cần thiết kế bao gồm hai mạch vòngriêng biệt:

Để thanh động dẫn điện tốt và đảm bảo độ bền cơ ta chọn vật liệu có

điện trở suất càng nhỏ càng tốt và có độ bền cơ cao

Theo bảng (2 – 13)- quyển 1 ta chọn vật liệu thanh dẫn động là đông kéonguội có tiết diện hình chữ nhật ký hiệu MI – TB có các thông số kỹ thuậtsau:

ôđ = [] – môi trờng: Độ tăng nhiệt độ ổn định.

Với [] = 95oC : Nhiệt độ phát nóng cho phép của của thanh dẫn

môi trờng = 40oC: Nhiệt độ môi trơng

Vậy kích thớc của thanh dẫn còn phụ thuộc vào đờng kính của tiếp điểm Theo bảng (2 - 15)– quyển 1: Với Iđm = 60 (A) ta có

dtđ = (16  20) (mm) : đờng kính tiếp điểm

htđ = (1,4 2,5) (mm): chiều cao tiếp điểm

Chọn đờng kính tiếp điểm: dtđ = 14 (mm).

Nên chiều dài thanh dẫn a = 14+ (12)

Vậy ta chọn kích thớc của thanh dẫn động nh sau:

a= 16 (mm)

b= 1,5 (mm)

3 Kiểm nghiệm lại thanh dẫn.

3.1 Tính toán kiểm nghiệm lại thanh dẫn ở chế độ dài hạn:

a Mật độ dòng điện dài hạn:

Jtđ = (A/mm2)

Trong đó:

I = Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức

S = Stđ = a b = 1,5 16= 24 (mm2): Tiết diện thanh dẫn

Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn:

mt = 40 (oC): Nhiệt độ môi trờng

0 - Điện trở suất vật liệu ở 00C

tđ =

602 0,016 10−3 1,04+ 24 35 6 10−6 40

24 35 6 10−6−602 0,016 10−3 1,04 0,0043 = 54,68 (o C)

tđ = 54,1 (oC)

Vậy ta so sánh với nhiệt độ cho phép ш : tđ < [cp] = 95oC là thích hợp

3.2 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm viêc ngắn hạn:

Tính mật độ dòng điện trong thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch với cácthời gian ngắn mạch khác nhau

Theo công thức (6 – 21)– quyển 1 ta có:

Jnm2 tnm = Anm – Ađ

Jnm = (A/mm2)

Trong đó:

Jnm = Jbn : Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt

tnm = tbn : Thời gian ngắn mạch, bền nhiệt

Abn, Ađ : Giá trị hằng số tích phân ứng với nhiệt độ bền nhiệt và nhiệt độ

thì mật độ làm việc trong chế độ làm việc dài hạn và ngắn hạn hoàn toàn thoảmãn yêu cầu về kỹ thuật.

I.2 tính toán thanh dẫn tĩnh:

Khi làm việc thanh dẫn tĩnh cũng chịu một dòng điện nh thanh dẫn

động Nh ta đã nói ở trên còn cần phải có độ bền về cơ để gia công lỗ sắt vít

đầu nối và chịu va đập cơ khí khi đóng ngắt mạch điện

Vì vậy ta chọn kích thớc thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thớc thanh dẫn động

ii. vít đầu nối:

Đầu nối dùng để nối dây dẫn mạch ngoài với thanh dẫn tĩnh Nó là mộtphần tử quan trọng trong hệ thống mạch vòng Nếu không đảm bảo rất dễ bị

h hỏng trong quá trình vận hành

ii.1 yêu cầu đối với đầu nối:

Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mứckhông vợt quá trị số cho phép Do đó mối nối phải có kích thớc và lực ép tiếpxúc (Ftx) đủ để điện trở tiếp xúc (Rtx) không lớn ít tổn hao công suất

Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ, bền điện và độ bền nhiệt khi dòngngắn mạch chạy qua

Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lợng tổn hao và nhiệt độ phát nóng phải

ổn định khi công tắc tơ vận hành

ii.2 chọn dạnh kết cấu mối nối:

ta chọn kiểu mối nối tháo rời ren sử dụng vít M6x15 tra bảng(2-3)- quyển 1 vàkiểu mối nối nh hình sau:

Trong đó: 1: Vít M6x15

2: Long đen

3: Thanh dẫn đầu ra

4: Thanh dẫn tĩnh

ii.3 tính toán đầu nối:

1 Diện tích bề mặt tiếp xúc đợc xác định theo công thức:

Stx = (mm2)

Theo kinh nghiệm thiết kế và tham khảo tài liệu hớng dẫn với dòng điện định

bằng 0,31 (A/mm2) tại chỗ tiếp xúc với dòng xoay chiều có tần số 50 Hz

Trong đó: Stx= 193,5 (mm2): Diện tích tiếp xúc

ftx: Lực ép tiếp xúc riêng trên mối nối thanh đồng

Theo quyển 1- trang 33 ta có ш : ftx = (100150) (kg/cm2)

k0,102.F

()Trong đó:

ktx : hệ số kể đến sự ảnh hởng của vật liệu

Theo trang 59-quyển 1 ta có: ktx= (0,090,14).10-3 (kg)

m : là hệ số phụ thuộc hình thức tiếp xúc

Vì hai thanh dẫn ghép có vít, cho nên ở đây tiếp xúc là tiếp xúc mặt nên theotrang 59 – quyển 1 ta có ш : m = 1

iii tiếp điểm:

Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt mạch điện Vì vậy kết cấu vàthông số của tiếp điểm có ảnh hởng đến kết cấu và kích thớc toàn bộ công tắctơ, tuổi thọ của công tắc tơ

iii.1 yêu cầu của tiếp điểm :

Khi công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi khôngtiếp xúc phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép

Với dòng điện lớn cho phép tiếp điểm phải chịu đợc độ bền nhiệt và độbền điện động

Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dòng điện giới hạn chophép tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bé nhất, độ rung của tiếp điểmkhông đợc lớn hơn trị số cho phép

iii.2 chọn kết cấu và vật liệu tiếp điểm :

dạng kết cấu tiếp điểm là ш : tiếp xúc điểm kiểu trụ cầu- trụ cầu ( theo trang quyển 1)

37-Vật liệu tiếp điểm cần có độ bền cơ cao dẫn điện và dẫn nhiệt tốt vớidòng Iđm= 60 (A ) theo bảng (2-13)- quyển 1 ш : Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm

là kim loại gốm ш : Ag-Niken than chì

Ký hiệu ш : KMK- A32M

Loại kim loại gốm rất tốt có khả năng đáp ứng nhu cầu cho tiếp điểm có độcứng cao, điện trở suất nhỏ và ổn định khi làm việc ở chế độ dài hạn

Kết cấu của tiếp điểm nh đã nói ở trên có hình dạng trụ cầu Kích

thớc ta chọn phù thuộc giá trị định mức, kết cấu tiếp điểm và số lần đóng ngắt.Theo bảng (2-15)- quyển 1 với dòng Iđm= 60 (A) ta có:

2 Lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc:

Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thờng ở chế độdài han Trong chế độ ngắn mạch dòng điện lớn lực ép tiếp điểm phải đảm bảocho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do hồquang khi tiếp điểm bị đẩy và rung

Lực ép tiếp điểm đợc xác định theo công thức lý thuyết và công thức thựcnghiệm

T tx) ]

2

]

Mà Ftđ = n Ftđ1

Với n là số điểm tiếp xúc

Theo trang 53- quyển 1 ta có n=1 vì tiếp điểm động và tiếp điểm chính códạng trụ cầu nên tiếp xúc ở đây là tiếp xúc điểm Nên lực ép tiếp điểm:

Nên ta có lực ép tiếp điểm: Ftđ1 = 10 60 = 0,6 (KG) = 6 (N).

So sánh hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm: khi dòng điện nhỏ cần có

dự trữ lực, còn khi có dòng điện lớn cần tăng lực để đảm bảo độ ổn định điện

động và ổn định nhiệt của tiếp điểm Vì vậy ta chọn lực tiếp điểm Ftđ = 6(N)

K(0.102.F ) ()

Trong đó: ktx: hệ số kể đến sự ảnh hởng của vật liệu

Theo trang 56- quyển 1 ta có: ktx= (0,20,3) 10-3

Rtx =

0,25 10−3

[0,102 6 ]0,5 = 0,32 10-3 ()

Để thoả mãn cho việc tính toán điện áp rơi ta chọn: Rtx = 0,32 10-3 ()

4 Tính điện áp rơi trên điện áp tiếp xúc:

mt = 40 (oC): nhiệt độ môi trờng

 = 95 = 0,05 10-3 (mm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ởnhiệt độ ổn định

Vậy nhiệt độ tiếp điểm ш :

θ t đ= 40+ 60

2 0,05 10−3153,86 43,96 6 10−6 +

Vậy ta so sánh nhiệt độ tiếp xúc tx cp = 180 0C là phù hợp

7 Dòng điện hàn dính tiếp điểm:

Khi dòng điện lớn hơn dòng điện định mức, tiếp điểm bị đẩy ra do lực

điện động lớn Rtx tăng lên Tiếp điểm bị hàn dính do nhiệt độ tiếp xúc tănglên

Có hai tiêu chuẩn đánh giá sự hàn dính

+ Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính

A: hằng số vật liệu làm tiếp điểm

nc= 3403 (oC): nhiệt độ nóng chảy vật liệu làm tiếp điểm

0: điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 0 0C

Nh thiết kế ban đầu: Ing.m =Iđm = 10 60 = 600 (A)

Vậy Ingm << Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính

Nh thiết kế ban đầu ta có: Ingm = 10 Iđm = 10 60 = 600 (A)

Vậy Ingm < Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính

iv độ mở độ lún tiếp điểm:

1 Độ mở: m

Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách của tiếp điểm động và tiếp điểmtĩnh khi ở vị trí ngắt của công tắc tơ

Cần xác định độ mở của tiếp điểm sao cho khi ngắt hồ quang sẽ bị kéodài tới độ dài tới hạn và bị dập tắt

Nếu chọn m lớn thì dễ nhng sẽ tăng kích thớc công tắc tơ

Nếu chọn nhỏ khó dập hồ quang, gây nguy hiểm khi vạn hành

Với Iđm = 60 (A); Uđm = 400 (V)

Theo trang 41 – quyển 1 ta có: m= 612 (mm)

Ta chọn độ mở của tiếp điểm m = 6 (mm)

l = A + B Iđm

Trong đó:

A = 1,5 (mm)

B = 0.,02 (mm/A)

Vậy l = 1,5 + 0,02 60 = 2,7 (mm) Chọn độ lún của tiếp điểm l= 3 (mm)

V độ rung của tiếp điểm:

Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc có xung ra lực va đập cơkhí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra hiện tợng rung của tiếp điểm.Khi ngắt cũng xảy hiện tợng rung tiếp điểm

Quá trình rung đớc đánh giá trị số rung của biên độ lớn nhát của lần va

đập đầu tiên Xm và thời gian rung tơng ứng là tm

Theo bảng (2-17)- quyển 1 ta có: mc = (715) 10-3 (kg/A)

Công thức trên xác định biên độ rung của một cặp tiếp điểm Vì ở đây

ta thiết kế công tắc tơ xoay chiều ba pha có 3 cặp tiếp điểm thờng mở nên ta

có biên độ rung:

X m= 0,0061 0,12 (1−0,9)

3 2 0,36 = 0,028 (mm).

2 Xác định thời gian rung tiếp điểm:

Theo công thức (2-40)- quyển 1 ta có thời gian rung của một cặp tiếp

VI. sự ăn mòn của tiếp điểm:

Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng ngắt mạch điện

Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, ăn mòn về

điện và ăn mòn về cơ Nhng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn là do quá trình mòn

Môi trờng làm việc

Độ rung của tiếp điểm

Vật liệu tiếp điểm

Kết cấu của dạng tiếp điểm

Cờng độ từ trờng giữa hai tiếp điểm

Tốc độ chuyển động của tiếp điểm động

2 Tính toán độ mòn của tiếp điểm:

Theo công thức (2-54)- quyển 1 ta có:

gđ + gng = 10-9.( kđ I2 + kng I2

ng) kkđ

Trong đó:

(gđ + gng): khối lợng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt

Iđ = 4 Iđm= 4 60 = 240 (A): dòng điện khi đóng

Ing= 4 Ing= 4 60 = 240 (A): dòng điện khi ngắt

Vậy sau 105 lần đóng ngắt tiếp điểm mòn: m = 1,28 (g)

Khối lợng tiếp điểm: gtđ = vtđ 

Trong đó:  = 8,7 ( g/cm3): khối lợng riêng của vật liệu làm tiếp điểm

vtđ = vtđđ+ vtđt (cm3): thể tích của tiếp điểm

vẫn làm việc tốt.

Các biện pháp khắc phục và tăng cờng chịu mài mòn của tiếp điểm là:Chọn vật liệu có độ bên cơ cao

Giảm thời gian cháy của hồ quang

Giảm thời gian rung của tiếp điểm

b Mạch vòng dẫn điện phụ:

Mạch vòng dẫn điện phụ gồm thanh dẫn, đầu nối và tiếp điểm Quátrình tính toán mạch vòng dẫn điện phụ cũng giống nh mạch vòng dẫn điệnchính

2 Tính toán thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:

Xác định kích thớc của thanh dẫn theo công thức (2-6)- quyển 1ta có:

Vậy kích thớc của thanh dẫn còn phụ thuộc vào đờng kính của tiếp điểm.Theo bảng (2 - 15)- quyển 1 với dòng điện định mức Iđm= 5(A) ta có:

d = 24 (mm): đờng kính tiếp điểm

h = 0,31(mm): chiều cao tiếp điểm

Ta chọn đờng kính của tiếp điểm động: d = 4 (mm)

b = 0,5 (mm)

3 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn:

3.1.Tính kiểm nghiệm lại thanh dẫn ở chế độ dài hạn:

a.Tính mật độ dòng điện dài hạn:

Theo công thức:

J= I

S (A /mm

2)

S = Std = a b = 5 0,5 = 2,5 (mm2): tiết diện thanh dẫn

Vậy mật độ dòng điện dài hạn:

J= 5

2

)

So sánh mật độ dòng điện cho phép là: [Jcp]  4 (A/ mm2)là phù hợp

b Tính nhiệt độ phát nóng thanh dẫn ở chế độ dài hạn:

Theo công thức: (2 - 4)- quyển 1 ta có:

S.P =

I đ m.2 ρ o (1+ α θ td) kf

k t (θtd-θmt)

mt = 40 (oC): Nhiệt độ môi trờng.

0 - Điện trở suất vật liệu ở 00C

td = 43,27 (oC)

Vậy ta so sánh với nhiệt độ cho phép ш : tđ < [cp] = 95oC là thích hợp

3.2 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm việc ngắn hạn:

Tính mật độ dòng điện trong thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch với cáckhoảng thời gian khác nhau

Theo công thức (6 – 21)– quyển 1 ta có:

Jnm2 tnm = Anm – Ađ

Jnm = (A/mm2)

Trong đó:

Jnm = Jbn : Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt

tnm = tbn : Thời gian ngắn mạch, bền nhiệt

Abn, Ađ : Giá trị hằng số tích phân ứng với nhiệt độ bền nhiệt và nhiệt độ

đầu

Nhiệt độ bền nhiệt của thanh dẫn là: 300 (oC)

Tra đồ thị (6 – 6)– quyển 1 ta đợc:

bn = 300 (o C)  Anm = 4.104 (A2S/mm4)

I.2 tính toán thanh dẫn tĩnh:

Vì thanh dẫn tĩnh còn cần phải có độ bền cơ để gia công lỗ vít sắt đầunối và còn chịu va đập khi đóng ngắt mạch điện

Nên ta chọn kích thớc thanh dẫn lớn hơn một chút so với thanh dẫn động.Vì vậy ta chọn kích thớc thanh dẫn tĩnh nh sau:

+ Tính toán mật độ dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn:

S = a b = 5 1 = 5 (mm2): tiết diện thanh dẫn

So sánh với mật độ dòng cho phép: [Jcp]  4 (A/mm2) là phù hợp

II tính toán đầu nối:

1 Chọn dạng mối nối:

Theo yêu cầu của đầu nối và hình (2-2)- quyển 1 ta chọn kiểu mối nốitháo rời ren vít, sử dụng vít

Theo bảng (2-9)- quyển 1 ta chọn vít loại M3x10

2 Tính toán vít đầu nối:

+ Diện tích bề mặt tiếp xúc xác định theo công thức:

S tx=I

J (mm

2)

Trong đó: Iđmp = 5 (A): dòng điện chạy qua đầu nối

Theo kinh nghiệm thiết kế và theo trang 31- quyển 1với điện xoay chiềuf=50 (Hz) và Ipđm=5 (A) đối với thanh dẫn động mật độ dòng điện có thể lấy:

m: hệ số phụ thuộc hình thức tiếp xúc

Vì 2 thanh dẫn ghép có vít cho nên ở đây tiếp xúc là tiếp xúc mặt Vậy theotrang 59 - quyển 1 ta có: m = 1

Iii Tính toán tiếp điểm:

III.1 Chọn kết cấu và vật liệu tiếp điểm:

Với dòng Iđm = 5 (A) ta chọn tiếp điểm động hình trụ cầu, tiếp điểm tĩnhhình trụ cầu Tiếp xúc là tiếp xúc điểm.

Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là Bạc kéo nguội kí hiệu là: Ag- CP999

Theo bảng (2-15)- quyển 1 ta có các thông số kỹ thuật:

Theo bảng (2-15)- quyển 1 ta có với Iđm = 5 (A)

h = 0,61,2 (mm) : chiều cao tiếp điểm

Chọn kích thớc tiếp điểm tĩnh giống nh tiếp điểm động Vậy ta chọn kích thớccủa tiếp điểm là:

2 Tính lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc:

Lực ép của tiếp điểm đợc xác định theo công thức lý thuyết và theocông thức thực nghiệm

A = 2,3 10-8 (V/0C): hằng số loren.

Ttd: là nhiệt độ thanh dẫn xa nơi tiếp xúc

Ttd = td + 273 = 43,27+273 =316,27 (0K)

Ttx = Ttd + T : nhiệt độ nơi tiếp xúc

T = 510 (0K):độ chênh nhiệt ở chỗ tiếp xúc và nơi xa tiếp xúc.Chọn T = 5 (0K)

321,27 )]

2

= 0,0003(kg)

Ftd = 0,0003 (KG) = 0,003 (N)

Vậy lực ép tiếp điểm theo công thức lý thuyết: Ftđ = Ftđ1 = 0,003 (N)

b Tính theo công thức kinh nghiệm:

Vậy lực ép tiếp điểm: Ftđ = 8 5 = 40 (G) = 0,04 (KG) = 0,4 (N)

So sánh 2 kết quả tính theo lý thuyết và thực nghiệm Khi dòng điệnnhỏ cần có dự trữ lực, còn khi có dòng điện lớn cần tăng lực để đảm bảo độ ổn

định điện động và ổn định nhiệt của tiếp điểm Vì vậy dể cho tiếp điểm làmviệc tốt ta chọn Ftđ = 0,4 (N)

b Tính theo công thức thực nghiệm:

Theo công thức (2-25)- quyển 1 ta có điện trở tiếp xúc:

Rtx =

tx m tđ

K(0.102.F ) ()

Trong đó: Ftđ = 0,04 (KG) = 0,4 (N): lực ép tiếp điểm

Để thoả mãn tính điện áp rơi ta chọn Rtx = 2,97.10-3 ()

4.Tính theo điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc:

So sánh với điện áp rơi cho phép [Utx] =230 (mV) là thích hợp

5 Tinh nhiệt độ tiếp điểm:

mt = 40 (oC): nhiệt độ môi trờng

 = 0,02 10-3 (mm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở nhiệt

θ t đ= 40+ 5

2 0,02 10−312,56 12,56 6 10−6 +

7 Dòng điện hàn dính tiếp điểm.

Khi dòng điện lớn hơn dòng điện định mức, tiếp điểm bị đẩy ra do lực

điện động lớn Rtx tăng lên Tiếp điểm bị hàn dính do nhiệt độ tiếp xúc tănglên

Có hai tiêu chuẩn đánh giá sự hàn dính

+ Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính

+ Trị số của dòng điện bị hàn dính

Ith: Là dòng điện tới hạn hàn dính Tại đó tiếp điểm không bị hàn dính nếu cơcấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm ra.

Tính dòng hàn dính theo hai phơng pháp: Theo lý thuyết

nc= 3403 (oC): nhiệt độ nóng chảy vật liệu làm tiếp điểm

0: điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 0 0C

Nh thiết kế ban đầu: Ing.m =Iđm = 10 5 = 50 (A)

Vậy Ingm << Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính

b Tính theo thực nghiệm:

Theo công thức (2 – 36)– quyển 1:

Nh thiết kế ban đầu ta có: Ingm = 10 Iđm = 10 5 = 50 (A)

Vậy Ingm < Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính

III Độ mở-độ lún tiếp điểm:

1 Độ mở của tiếp điểm:

Độ mở tiếp điểm phụ ta chọn giống nh độ mở tiếp điểm chính

Vì vậy độ mở của tiếp điểm phụ là: m = 6 (mm)

2 Độ lún của tiếp điểm: l

Độ lún của tiếp điểm phụ ta cũng chọn giống nh độ lún của tiếp điểmchính

Vậy độ lún của tiếp điểm phụ là: l = 3 (mm)

IV Độ rung tiếp điểm:

Tơng tự nh đối với tiếp điểm chính ta cần xác định số biên độ rung vàthời gian rung với lần va đập thứ nhất

mđ =

45 9,8 = 0,0046 ( kg.s

Công thức trên xác định biên độ rung của một cặp tiếp điểm Vì ở đây

ta thiết kế công tắc tơ xoay chiều ba pha có 2 cặp tiếp điểm phụ thờng mở nên

ta có biên độ rung:

X m= 0,0046 0,12 (1−0,9)

2 2 0,024 = 0,048 (mm).

2 Xác định thời gian rung tiếp điểm:

Theo công thức (2-40)- quyển 1 ta có thời gian rung của một cặp tiếp điểm:

VI sự ăn mòn của tiếp điểm:

Xác định độ mòn của tiếp điểm ta tính theo công thức (2-54) quyển- 1 ta có:

gđ + gng = 10-9.( kđ I2 + kng I2

ng) kkđ

Trong đó:

(gđ + gng): khối lợng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt

Iđ = 4 Iđm= 4 5 = 20 (A): dòng điện khi đóng

Ing= 4 Ing= 4 5 = 20 (A): dòng điện khi ngắt

Theo bảng (2-11)- quyển 1 ta chọn: kđ = kng = 0,5 ( g/A2).

kkđ = (1,12,5): hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn (theo trang quyển 1) Chọn kkđ = 2

79-Vậy khối lợng mòn một lần đóng ngắt:

gđ + gng = 10-9 ( 0,5 202 + 0,5 202 ) 2,2 =0,08 10-5 (g)

Khối lợng hao mòn của 1 cặp tiếp điểm sau 105 lần đóng ngắt:

gm Gm = 105 (gđ + gng) = 105 10-5 0,08 = 0,08 (g)

Vậy sau 105 lần đóng ngắt tiếp điểm mòn: m = 0,08 (g)

Khối lợng tiếp điểm: gtđ = vtđ 

Trong đó:  = 10,5 ( g/cm3): khối lợng riêng của vật liệu làm tiếp điểm

vtđ = vtđđ+ vtđt = 2 vtđđ (cm3): thể tích của tiếp điểm

vẫn làm việc tốt

Phần III: Tính và dựng đặc tính cơ

ĐặC ĐIểM CủA CƠ CấU

Khác với cơ cấu trong máy điện quay các cơ cấu trong khí cụ điện nóichung và trong công tắc tơ nói riêng chỉ chuyển động trong một giới hạn nhất

định đợc hạn chế bởi các cữ chặn

Khi nghiên cứu cơ cấu công tắc tơ ta chủ yếu khảo sát 2 quá trình

+.Quá trình đóng tiếp điểm

+.Quá trình ngắt tiếp điểm

Quá trình đóng của công tắc tơ thì lực hút điện từ phải thắng đợc các ш lực phảncủa lò xo Ngợc lại quá trình ngắt của công tắc tơ thì các lực phản của quátrình đóng trở thành lực hút điện từ

Yêu cầu cơ bản đối với cơ cấu :

Đảm bảo trị số cần thiết của các thông số động lực học của cơ cấu chấphành nh: hành trình, độ mở, độ lún… Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng nh

Lực chuyển động của cơ cấu đảm bảo việc đóng và ngắt của cơ cấu chấp hành khi làm việc dài hạn hay ngắn mạch

Tốc độ của cơ cấu phải đảm bảo thực hiện đúng chức năng

Cơ cấu cần đảm bảo thời gian tác động ở mức cần thiết

Ngoài 4 yêu cầu cơ bản trên còn một số yêu cầu khác tùy thuộc vào các trờnghợp sử dụng

A Tính toán cơ cấu:

I Sơ đồ động.

Theo trang 147 - quyển 1 ta có:

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Ftđf : lực ép tiếp điểm phụ thờng mở

Ftđf : lực ép tiếp điểm phụ thờng đóng

II Tính lò xo tiếp điểm chính :

Lò xo tiếp điểm chính có tác dụng sinh ra lực ép tiếp điểm khi đóng

Theo bảng (4-1)- quyển 1 ta chọn vật liệu là thép các bon lò xo kiểu xoắn hìnhtrục chịu nén Kí hiệu I B có các thông số kỹ thuật sau:

 = (0,19  0,22) 10-6 (m) Điện trở suất

2 Lực lò xo của tiếp điểm chính :

Lực ép tiếp điểm chính cuối: Ftđcc = Ftđq= 6 (N)

Theo trang 154 - quyển 1 ta có lực ép tiếp điểm chính đầu ш :

Ftđcđ = k Ftđcc

Trong đó: k = (0,5  0,7) chọn k = 0,6

Nên lực ép tiếp điểm chính đầu: Ftđcđ = 0,6 Ftđcc = 0,6 6 = 3,6 (N)