Thiết kế rơle trung gian xoay chiều

Khí cụ điện là những thiết bị điện chuyên dùng để đóng ngắt, điều khiển, điều chỉnh, bảo vệ các lưới điện và các thiết bị sử dụng điện năng khác

LỜI NÓI ĐẦU

Điện năng là một nguồn năng lượng quan trọng được sử dụng rộng rãitrong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Nhu cầu sử dụng điện năngkhông ngừng gia tăng Ngày nay cần có nhiều thiết bị điện hiện đại hơn, tinh

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết

bị Điện - Khoa Điện, sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Bùi Tín Hữukhoảng thời gian 4 tháng em đã tiến hành thiết kế một loại khí cụ điện màtrong các mạch điều khiển không thể thiếu được Đó là rơle trung gian xoaychiều

Do thời gian có hạn và còn thiếu kinh nghiệm trong thiết kế, hiểu biếtthực tế còn ít nên trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em còn một số saisót

Em kính mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo và giúp đỡ của cácthầy cô giáo và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

PHẦN I : CHỌN PHƯƠNG ÁN DẠNG KẾT CẤU.

I Giới thiệu chung về rơle

* Rơle trung gian xoay chiều có nhiều loại được sử dụng ở nước ta, donhiều hãng của nhiều nước sản xuất như: Nga; Đức (SIEMENS); Pháp;Nhật (OMRON, FUJI, NATIONAL); Hàn Quốc (SUNGHO, LG)… Tuy

có hình dáng, kích thước cụ thể có khác nhau, nhưng về nguyên lý cấutạo và các thông số cơ bản đều như nhau

Dựa vào những ưu điểm và dạng kết cấu của các hãng sản xuất, ta chọndạng kết cấu của rơle như sau:

II Hệ thống tiếp điểm.

Tiếp điểm gồm có tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh Tiếp điểm códạng hình trụ cầu, tiếp xúc theo hình thức tiếp xúc điểm được gắn lên thanhdẫn theo kiểu bắc cầu Các tiếp điểm chuyển động theo lực hút điện từ thôngqua cần chuyển động điều chỉnh khoảng cách giữa khe hở tiếp điểm chínhkhoảng cách giữa khe tiếp điểm dễ dàng qua việc điều chỉnh khe hở khôngkhí làm việc của nam chân điện.

III Chọn nam châm điện

+ Nam châm điện đóng vai trò cơ cấu chuyển động trong rơle, nóquyết định tính năng làm việc và kích thước của Rơle

Yêu cầu thiết kế rơ le trung gian với: U = 220V, Iđm = 5A, f = 50 Hz

Ta chọn nam chân điện xoay chiều, mạch từ hình chữ U khiểu hútchập và có một khe hở kỹ thuật điện, có một cuộn dây điều khiển và một lò

xo nhả chung cho cả nấp hút nam châm điện , không có dây dẫn mềm Thanhdẫn động cũng chính là lò xo ép tiếp điểm

+ Dạng chữ U kiểu hút chập, xét trên thực tế đối với rơle xoay chiều

có dòng định mức nhỏ, lực hút điện từ không lớn lắm thường chọn mạch từkiểu này, đặc tính lực hút gần với đặc tính phản lực, đó mở của tiếp điểm

khác với khe hở làm việc đồng thời đơn giản trong tính toán cũng như trongchế tạo…

Kết cấu sơ bộ:

Hình 1

1 Nắp mạch từ

2 Lõi

3 Cuộn dây nam châm điện

4 Tiếp điểm động và thanh dẫn động

5 Tiếp điểm tĩnh và thanh dẫn tĩnh

6 Cơ cấu truyền động

Hình 2

* Tiếp điểm thường đóng khi không có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ởtrạng thái đóng (đóng mạch)

Hình 3

cuộn dây sinh ra từ thông  khép mạch qua mạch từ của nam châm điệm

và qua khe hở không khí  (khe hở lam việc) Từ thông  sinh ra lực hútđiện từ Fđt tác động lên nắp từ và hút nắp xuống

Nắp chuyển động khi Fđt > Fnhả sẽ làm toàn bộ phần động chuyển động

và lúc đó các tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại (các tiếp điểm thườngđóng sẽ mở ra)

Khi cắt nguồn Fđt = 0 nắp bị nhả ro do Fnhả; các tiếp điểm sẽ trở lạitrạng thái ban đầu

IV Khoảng cách cách điện.

Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện đóng một vai trò khá quantrọng Nó ảnh hưởng tới kích thước của khí cụ điện và độ tin cậy khi vậnhành Vì vậy việc xác định hợp lý đại lượng này có một ý nghĩa không nhỏ

Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố như: điện áp,môi trường làm việc…

Việc xác định các khoảng cách cách điện trong khí cụ điện hạ ápthường chọn theo kinh nghiệm

a Điện áp định mức theo cách điện.

Với khí cụ điện điều khiển và phần phối năng lượng hạ áp (Uđm = 220V),tồn tại các tiêu chuẩn, quy định về độ bền cách điện theo điện áp định mức ởtrạng thái khô và sạch của khí cụ điện, nó phải chịu được điện áp thử tần số

là 50Hz, thời gian thử một phút Theo bảng (1 - 1)/ 13 tài liệu 1, ta có

+ Điện áp thử nghiệm U = 220V

+ Điện áp định mức của cách điện: Ucđ = 220V

b Khoảng cách điện giữa các phần tử dẫn điện.

Muốn khí cụ điện có độ tin cậy cao thì cần khoảng cách cách điện lớn.Song như vậy lại tăng kích thước và khối lượng của thiết bị Vì vậy nênchọn theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệpđiện lực cho các loại khí cụ điện hạ áp thông dụng

ở đây ta xét ở điện áp Uđm = 220 V theo bảng ( 1-2)/14 tài liệu 1 tachọn khí cụ điện trong mạch điều khiển và tín hiệu, ứng với nó có khoảngcách điện giữa các phần tử dẫn điện, cụ thể là khoảng cách cách điện giữa

l c®

Hình 4

chữ nhật được xác định theo công thức (2 - 5)/19 tài liệu 1.

- Mặt khác ta đã chọn với rơle loại này thì thanh dẫn động cũng chính

là lò xo ép tiếp điểm dạng tấm phẳng và kết hợp chọn theo đường kính tiếpđiểm và đảm bảo độ bền cơ ứng với dòng điện: Iđm = 5A

Theo bảng (2 - 15) / 51 tài liệu 1

+ Đường kính tiếp điểm: dtđ = 3 (mm)

a = 5 (mm)

a, b là chiều rộng và bề dày thanh đẫn động

+ Tiết diện thanh dẫn động:

* Ta nhận thấy mật độ dòng qua thanh dẫn thoả mãn điều kiện

- Tính toán nhiệt độ thanh dẫn

Theo công thức: (2 - 4)/18 tài liệu 1, ta có:

2

T ®m 0 f

I K + Sp.K Sp.K - I K a

Với:

* S = 2m2: là tiết diện thanh dẫn

* p = 2 (a + b) = 2 (5 + 0,4) = 10,8mm là chu vi thanh dẫn

3 20

Abn = Anm: là giá trị hằng số tích phân bền nhiệt và ứng với nhiệt

độ ban đầu

Tra đồ thị hình ( 6 - 5)/ 313 tài liệu 1:

Với bn của đồng phốt pho cho phép bằng 3000 thì:

Abn = 3,75 104 (/A2S/mm4)

ôđ = 950 thì

Ađ = 1,6 104 (/A2S/mm4)Suy ra: Ibn = 2

bn

3,75.10 - 1,6.10

t

* Với các giá trị thời gian khác nhau ta có các giá trị dòng điện và mật

độ dòng điện tính toán tương ứng

A = 6mmSuy ra: Stdt = a b = 6.1 = 6mm2

II Tính toán vít đầu nối.

Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện Đầu nối có thểchia làm hai phần

+ Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài

+ Và các mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện

Ta chọn kết cấu vít đầu nối có đạng mối nối tháo rời được vằng vít

Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức.

Stx = a b = I®m

JĐối với thanh dẫn và chi tiết bằng đồng, mật độ dòng điện J có thể lấy

mức nhỏ hơn 200A ( theo tài liệu 1 trang 31)

Suy ra:

Stx = 50,31 = 16,13 (mm2)Kích thước và số lượng của chi tiết dùng để nối được tính theo số liệuthực nghiệm trong bảng ( 2 = 9)/32 tài liệu1

Với dòng điện Iđm = 5A thì kích thước của vít lò:

- Đường kính ren hẹ mét

+ Bulông thép: M3 x 18

+ Trụ lõi dẫn điện có ren bằng đồng thau: M3 x 18, mối nối tháo rời được

- Lực ép của mối nối tính theo công thức

K0,102.F

- m = 0,7 (tiếp xúc mặt)

- Ktx = 3,04 10-3: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái

bề mặt của tiếp điểm giữa (đồng thau - thép)

Suy ra:

Rtx =

3 0,7

3, 04.100,102.161,3



= 0,43.10-3 

- Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc

Utx = Iđm Rtx = 5 0,43 10-3

Vậy Utx đã nằm trong khoảng cho phép là [Utx] = 2  30 mV

III Xác định kích thước tiếp điểm.

1 Chọn vật liệu tiếp điểm.

Với dòng điện Idm = 5A, theo bảng (2 - 13)/44 tài liệu 1

Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc kéo nguội với các thông số kỹthuật sau:

ta chọn

Đường kính tiếp điểm: d = 3mm

h d

Hình 6Tiếp điểm động và tĩnh có dạng như nhau

Vì tiếp điểm có dạng hình trụ cầu nên khi tiếp xúc có dạng tiếp xúcđiểm

Ftđ1 : gọi là lực nén tại một điểm tiếp xúc

Ttd : nhiệt độ thanh dẫn nối tiếp xúc

Ftđ = ftđ Iđm

Với rơle điện từ trung gian xoay chiều có dòng điện định mức:

Iđm = 5A và vật liệu tiếp điểm là bạc kéo nguội nên ta có:

ftđ = 5  10 (G/A)Chọn ftđ = 7 (G/A)

K0,102.FTrong đó:

- Ktx = 0,06 10-3, chọn theo bảng giữa bạc - bạc trang 59 tài liệu 1

0, 06.100,102.0,35

Theo công thức (2 - 27)/62 tài liệu 1

Utx = I Rtx (V) = 5 0,76 10-3 = 3,8 10-3 V

* So sánh với tiêu chuẩn:

[Utx] = 2  30mV;

Ta thấy Utx tính được đã thoả mãn yêu cầu cho phép

5 Tính nhiệt độ tiếp điểm.

Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng thanh dẫn, ta tínhnhiệt độ tiếp điểm theo công thức (2 - 11)/ 52 tài liệu 1

* Như vậy: tx < []cp = 950C là nhiệt độ cho phép đối với thanh dẫncũng như tiếp điểm

6 Tính dòng điện hàn dính.

- Theo công thức lý thuyết ( 2 - 23) / 66 tài liệu 1 ta có:

Ihdbđ = A f F

Trong đó: fnc = 2  4: Hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúctrong quá trình phát nóng: chọn fnc = 2

A: là hằng số với từng loại vật liệu tiếp điểm, được tính theo công thức( 2 - 43) trang 66 tài liệu 1

So với yêu cầu kỹ thuật

Inm = 10 Iđm = 10 5 =50 (A)

* Như vậy không thể hàn dính được tiếp điểm khi ngắn mạch

- Tính theo công thức thực nghiệm ( 2 - 36)/67 tài liệu 1

Ihdbđ = Khđ Ft® (A)

Trong đó: Ftđ = 0,035 kg

Khđ = 300 (A/kg): hệ số hàn dính xác định theo bảng (2-19)/67tài liệu 1

* Như vậy với dòng điện ngắn mạch

Inm =50A không thể hàn dính tiếp điểm

7 Tính độ mở và độ lún của tiếp điểm

Theo kinh nghiệm:

Với dòng điện: Iđm = 5 (A)

8 Tính độ rung tiếp điểm.

+ Ta tính biên độ rung theo công thức (2 - 39)/72 tài liệu 1 Với tiếpđiểm là hình trụ cầu

® ®o V t®®

2.FTrong đó:

- Ftđ đ = ( 0,4  0,7) Ftđc

Theo bảng (2 - 17)/55 tài liệu 1 ta có:

Mc = 7.10-3 (KG/A): khối lượng đơn vị

9 Tính toán sự ăn mòn của tiếp điểm.

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

và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố

+ Điều kiện làm việc

+ Kết cấu của khí cụ điện

Theo công thức (2 - 54)/79 tài liệu 1

357,5 10-9 106 = 357,5 10-3 (g)+ Thể tích của tiếp điểm:

Vtđ = Stđ h =

2 t®

.d.h4

Mhm = 357,5 10-3 (g): khối lượng hao mòn của tiếp điểm

- Độ hao mòn của tiếp điểm được tính theo %

PHẦN III: TÍNH TOÁN VÀ DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC

TÍNH CƠ

Khi nghiên cứu chuyển động của các cơ cấu khí cụ điện, cần phảikhảo sát hai quá trình khác biệt nhau là quá trình đóng và quá trình cắt củachúng.

Trong quá trình đóng khí cụ điện, lực chuyển động phải thắng đượclực cản trở chuyển động, trong đó có cả lực cản có ích

(lực ép tiếp điểm ) Yêu cầu cơ bản của cơ cấu khí cụ điện là :

+ Cơ cấu phải đảm bảo trị số cần thiết của các thông số độnglực học của cơ cấu chấp hành ( hành trình, góc quay, độ lún, độ mở)

+ Lực chuyển động của các cơ cấu đảm bảo việc đóng cắt của

cơ cấu chấp hành

+ Tốc độ của cơ cấu chấp hành cần đảm bảo, khi đóng mạch,tốc độ chuyển động của tiếp điểm phải đủ lớn để giảm nhỏ thời gian cháy

hồ quang và tốc độ không lớn tránh va đập, rung động

+ Phải đảm bảo thời gian tác động

I Lập sơ đồ động.

Công dụng của sơ đồ động là cho ta biết sơ bộ một cách rõ ràng vàchính xác về sự truyền và biến đổi chuyển động của các khâu trong cơ cấu,của các vị trí đặc trưng nhất của chu trình chuyển động Đó là hai vị trí đóng

và vị trí ngắt

Các số liệu đặc trưng của sơ đồ động :

+ Độ lớn hành trình hoặc góc quay của các khâu chủ động và bị động.+ Chiều dài các tay đòn, tỉ số truyền

+ Đặt và định hướng các véctơ lực hay mômen lực

Ta phân tích lực của sơ đồ động ở hai trạng thái :  = 0 và   0 hay

 = m+1

Khi khe hở  = 0, trạng thái nam châm hút nắp

Sơ đồ động cho ta biết sự truyền động và biến đổi khớp, các khâu cơ cấu

Hình 7Với :

a Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động của rơle nên ta chọn vật

liệu làm lò xo là đồng phốt pho, lò xo có dạng tấm phẳng Loại lò xo này cóđiện trở suất nhỏ, dẫn điện và tản nhiệt tốt, độ bền cơ cao và dễ gia công

Các thông số kỹ thuật của đồng phốt pho:

+ Lực ép tiếp điểm ban đầu của lò xo :

Ftđđ = 0; do lò xo tiếp điểm ban đầu không bị uốn cong bởimột lực ép khác

Xác định kích thước của lò xo.

Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động, tiếp điểm kiểu bắc cầu

Chiều dài của lò xo từ chỗ lắp chặt được tính theo công thức (4-20) trang

168, TL1 :

u td

* Tính toán kiểm tra lại:

Theo công thức (4-25)/169 tài liệu 1

So sánh giữa u tính toán và [u]cp cho phép ta thấy.

- Đường kính d của dây thép quấn lò xo theo công thức (4-31)/173 tàiliệu 1.

 x

F.C.K

d 1,6

Trong đó :

K = 1,14 : hệ số xét tới độ cong của lò xo

+ Số vòng dây của lò xo được xác định theo công thức (4-32) trang 173,tài liệu 1

3

G.d.f 'W

8.C F

Trong đó :

80.10 0,6.5,6W

Số vòng toàn bộ của lò xo :

W0 = W + 1 = 6 vòng

+ Bước chịu nén của lò xo

Theo (4-33) trang 173, tài liệu 1 :

Theo (4-34) tài liệu 1.

l0 = W0 tn + 1,5d = 6 1,53 + 1,5 0,6 = 10,08 (mm)

+ Chuyển vị lớn nhất của lò xo kể từ khi chưa chịu tải tới khi chịu tải lớnnhất :

Theo (19-3) tài liệu 2

+ Bước lò xo khi chưa chịu tải theo công thức :

Theo công thức (19-12) tài liệu 3 (Chi tiết máy)

* Tính toán kiểm tra lại :

Tính trị số ứng suất xoắn của lò xo khi có lực theo công thức ( 4-28) tàiliệu 1

Fqđ = F Kqđ.Trong đó:

Kqđ = lx

®t

llTheo kết cấu ta chọn thì llx = lđt

PHẦN IV: TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU

I Khái niệm chung.

Nam châm điện sử dụng đặc biệt chủ yếu trong cơ cấu điện từ, là bộphận sinh ra lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến, chuyển động quayhữu hạn của cơ cấu chấp hành, hoặc sinh ra các lực hãm…Các quá trình xảy

ra trong nam châm điện rất phức tạp Vì vậy cho tới nay việc tính toán namchâm điện thường được dựa theo các công thức đơn giản , gần đúng rồi kiểmnghiệm lại theo các công thức lý thuyết dẫn tới bài toán tối ưu

Hiện nay với việc phát triển công nghệ máy tính, người ta đã lập đượccác phương trình tính nam châm điện bằng phương pháp phân tử hữu hạnnhanh

Trong rơle, nam châm điện là bộ phận chủ yếu là cơ quan sinh lực đểthực hiện chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm

- Nguyên lý hoạt động của nam châm điện: khi có dòng điện chạytrong cuộn dây sẽ sinh ra lực điện từ Fđt hút nắp (phần ứng) về phía thânmạch từ, khi ngắt dòng điện thì lực điện từ sẽ không còn, đồng thời nắp sẽtách ra khỏi thân nhờ lực lò xo nhả Fnhả sinh ra

Đặc điểm của nam châm điện

- Nam châm điện kiểu kín, chịu rung và va đập

- Làm việc ở chế độ dài hạn và ngắn hạn

- Đặc tính phản lực cơ đã biết ở phần III

- Nguồn điện áp xoay chiều: Uđm = 220V

Có công suất: S = const Nhiệt độ đối với rơle: mt = 400C

II Tính chọn sơ bộ nam châm điện.

1 Chọn dạng kết cấu.

Hình 12Nam châm điện có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ vàcuộn dây, sự khác nhau về dạng kết cấu dẫn đến sự khác nhau về đặc tính lựchút điện từ Fđt và công nghệ chế tạo

Cuộn dây đặt trên mạch từ Vòng ngắn mạch đặt phía cực từ có cuộndây

Nếu căn cứ vào hệ số kết cấu để chọn dạng kết cấu tối ưu, theo côngthức (5 - 2) tài liệu 1

Kkc = 2.F®t

d (N0,5/m)Trong đó: Fđt: lực hút điện từ

: Khe hở không khí tại điểm tới hạn

* Xét trên đường đặc tính phản lực ta xác định ở phần III thấy rằng.Rơle làm việc khi:

hc

hn

C B H

Vậy dạng kết cấu của nam chân điện chọn là thích hợp.

2 Chọn vật liệu của nam châm điện.

Mạch từ của nam châm điện xoay chiều được chế tạo từ các lá thép kỹthuật điện silic cho trong bảng (5 - 2)/ 193 tài liệu 1, có các thông số kỹ thuậtsau:

Khối lượng riêng :  = 7,65/cm3

a Xác định tiết diện lõi thép.

Nam châm điện hình chữ U nên

S1 = S1= S: là tiết diện lõi thép Lực từ chỉ tác động phía bên cực từ dây quấn do đó:

Fđtth = Fđt = 6,744 (N)Theo công thức (5 - 8)/204 tài liệu 1

Với mạch từ ép từ các lá thép kỹ thuật điện ta có quan hệ tối ưu củacác cạnh của tiết diện hình chữ nhật:

a

b = 1Suy ra: S = a.b = a2

Vậy tiết diện thực của trụ lõi có đặt cuộn dây:

0 = 1,256 10-6H/m: hệ số từ thẩm của không khí

Bth = 0,45T = 1,4

0,45.4,1 10

1469

Vậy (IW)tđ = 150 + 1469A = 1619 A vòng

* Kiểm tra lại bội số dòng điện

Ki =  

Vậy Ki đã nằm trong phạm vi cho phép lò: Ki  (4  12)

- Xác định kích thước của cuộn dây nam châm điện

+ Tiết diện cây của nam châm điện được xác định theo công thức (5 14) 21 tài liệu 1

2

a2

C B H