Thiết kế Rơle trung gian kiểu kín

Máy móc bắt đầu trở thành công cụ lao động của con người từ những ngày đầu của cuộc cách mạng kỹ thuật trong công nghiệp vào nửa cuối thế kỷ XVIII. Bắt đầu là những máy móc đơn giản (Máy hơi nước)

KHOA ĐIỆN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMB/m Thiết bị điện - điện tử Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-o0o -

-o0o -ĐỒ ÁN KHÍ CỤ ĐIỆN

Họ và tên sinh viên: Lớp: Giáo viên hướng dẫn: ĐẶNG CHÍ DŨNG

1 Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế Rơle trung gian kiểu kín.

2 Các số liệu ban đầu:

 Uđm=220V, Iđm=10A, 4 tiếp điểm thường đóng, 4 tiếp điểm thường mở

 Cuộn dây có: Uđk=220V, f=50 Hz, cấp cách điện cấp B

 Tuổi thọ về điện Nđiện=106 lần, Tuổi thọ về cơ Ncơ=107 lần

 Làm việc lâu dài

2 Nội dung phần thuyết minh tính toán:

 Phân tích phương án chọn kết cấu

LỜI NÓI ĐẦU

Máy móc bắt đầu trở thành công cụ lao động của con người từ những ngày đầu của cuộc cách mạng kỹ thuật trong công nghiệp vào nửa cuối thế kỷ XVIII Bắt đầu là những máy móc đơn giản (Máy hơi nước) con người đã không ngừng cải tiến phát minh ra những máy móc thiết bị ngày càng hiện đại, phức tạp, chính xác và năng suất cao Việc điều khiển máy móc và quản lý sản xuất làm con người mất rất nhiều sức lực, óc thông minh, và độ nhạy bén cao Do vậycần phải tạo ra những thiết bị, hệ thống đặc biệt để thay thế toàn bộ hay một phần sức lao động vất vả của con người trong việc theo dõi điều khiển, kiểm tra các quá trình sản xuất

Ngành kỹ thuật tạo ra các phương pháp, thiết bị, phương tiện để giải phóng sức lao động của con người trong việc quản lý và điều khiển quá trình sảnxuất gọi là tự động hoá và điều khiển tự động

Hiện nay tự động hoá và điều khiển tự động ngày càng phát triển mạnh

mẽ và phục vụ đắc lực cho con người trong quá trình sản xuất, nghiên cứu khoa học, chinh phục vũ trụ, quốc phòng

Những thiết bị kỹ thuật dùng để giải quyết các vấn đề tự động hoá và điều khiển tự động là các thiết bị tự động

Thiết bị tự động là thiết bị có thể thực hiện một chức năng nào đó mà không cần sự tham gia trực tiếp của con người Chúng được xây dựng từ nhữngphần tử tự động khác nhau như: phần tử điện cơ, phần tử từ, phần tử bán dẫn, điện từ, phần tử nhiệt, khí nén thuỷ lực

Rơle là một loại khí cụ điện tự động mà đặc tính vào ra có tính chất: tín hiệu đầu ra thay đổi, khi tín hiệu đầu vào đạt được giá trị xác định

Rơle được sử dụng rộng rãi trong các sơ đồ điều khiển tự động, truyền động điện, bảo vệ mạch điện, thông tin liên lạc và là phần tử cơ bản cấu tạo nên các phần tử logic

Chính vì vậy vai trò cần thiết của sự nghiên cứu, thiết kế rơle là đặc biệt quan trọng nhằm nâng cao tính năng tự động hoá và tuổi thọ làm việc của chúngkhông ngừng được cải thiện hơn

Được sự giúp đỡ của các thầy cô trong nhóm khí cụ điện thuộc bộ môn Thiết Bị Điện-Điện Tử Công Suất, Khoa Điện và đặc biệt là sự hướng dẫn của

thầy giáo Đặng Chí Dũng, trong khoảng thời gian một học kỳ, em đã hoàn thành được đồ án môn học khí cụ điện, với đề tài thiết kế Rơle trung gian kiểu kín,

xoay chiều.

Do trình độ hiểu biết có hạn và thời gian hạn chế, cộng với kinh nghiệm thực tế còn rất ít nên em không thể không tránh được các sai xót trong quá trình tính toán và thiết kế Vì vậy em rất mong được sự chỉ bảo góp ý của các thầy cô

và các bạn sinh viên Em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN VÀ YÊU

CẦU CHUNG KHI THIẾT KẾ

I Giới thiệu chung về các khí cụ điện.

Khí cụ điện là những thiết bị cơ cấu điện dùng để điều khiển các quá trìnhsản xuất, biến đổi truyền tải phân phối năng lượng điện và các dạng năng lượng khác Khái niệm điều khiển theo nghĩa rộng bao gồm: điều chỉnh bằng tay,tự động kiểm tra và bảo vệ

Theo lĩnh vực sử dụng các khí cụ điện được chia làm 5 nhóm trong đó mỗi nhóm gồm nhiều chủng loại và dạng khác nhau

1- Nhóm các khí cụ điện cao áp: như Dao cách ly, máy ngắt, dao

ngắn mạch, máy ngắt không khí

2- Nhóm các khí cụ điện hạ áp: như máy ngắt tự động, máy ngắt

bằng tay, các đầu đổi nối

3- Nhóm khí cụ điện điều khiển: như công tắc tơ, khởi động từ,

khuếch đại từ, tự áp

4- Nhóm các Rơle bảo vệ: như rơle dòng điện, rơle điện áp, Rơle

trung gian, Rơle công suất

5- Nhóm các khí cụ điện dùng trong sinh hoạt hàng ngày và dùng

trong chiếu sáng: như bàn là, bếp điện, bóng đèn

II Các yêu cầu chung khi thiết kế khí cụ điện.

Các khí cụ điện được thiết kế phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu của một sản phẩm công nghiệp hiện đại: đó là các yêu cầu về kỹ thuật, yêu cầu về vận hành, về kinh tế, về công nghệ và xã hội, chúng được biểu hiện qua các qui chuẩn và định mức, tiêu chuẩn và chất lượng của nhà nước hoặc của nghành vầchúng được nằm trong nghành thiết kế kỹ thuật

1 Các yêu cầu về kỹ thuật.

Độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của khí cụ điện, khi làmviệc ở chế độ định mức và chế độ và chế độ sự cố

Độ bền cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài và

và trong điều kiện xung quanh (như mưa, bụi bẩn,tuyết ) cũng như khi có điện áp nội bộ, hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra

Độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận khí cụ điện trong giới hạn số lần thao tác đã thiết kế, thời hạn làm việc ở chế

độ định mức và chế độ sự cố

Khả năng đóng ngắt ở chế độ sự cố và chế độ định mức, độbền điện của các chi tiết, bộ phận

Các yêu cầu kỹ thuật riêng đối với từng loại khí cụ điệnKết cấu đơn giản, khối lựơng và kích thước bé.

2 Các yêu cầu về vận hành.

Lưu ý đến các ảnh hưởng của môi trường xung quanh như

độ ẩm, nhiệt độ, độ cao

Độ tin cậy cao

Tuổi thọ lớn thời gian sử dụng lâu dài

Đơn giản dễ thao tác, sửa chữa, thay thế

Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn ít năng lượng

3 Các yêu cầu về kinh tế xã hội.

Vốn đầu tư khi chế tạo, lắp ráp vận hành ít

4 Các yêu cầu về công nghệ chế tạo.

Tính công nghệ của kết cấu : dùng chi tiết qui chuẩn, tính lắp lẫn

Lưu ý đến khả năng chế tạo: mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổchức sản xuất, khả năng thiết bị

Lưu ý đến khả năng phát triển chế tạo, sự lắp ghép vào các

tổ hợp khác, chế tạo dây

CHƯƠNG II

GIỚI THIỆU VỀ RƠLE ĐIỆN

I Cấu tạo nguyên lý hoạt động, sơ đồ khối của Rơle.

- Hệ thống tiếp điểm trong đó bao gồm tiếp điểm động và

tiếp điểm tĩnh ( bao gồm tiếp điểm thường đóng và tiếpđiểm thường mở nối liên thông với nhau)

- Hệ thống thanh dẫn, gồm có thanh dẫn động và thanh dẫn

tĩnh

- Một nam châm điện xoay chiều

- Cuộn dây nam châm điện xoay chiều

- Hệ thống phản lực là một lò xo nhả có hình xoắn trụ

- Hệ thống nắp và thân đế

- Các chi tiết đầu nối và chi tiết dẫn điện

2 Sơ đồ động.

1- Tiếp điểm thường đóng.

2- Tiếp điểm thường mở.

Rơle trung gian kiểu kín có nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ nam châm điện thuộc loại hút chập và có tiếp điểm dạng côngsôn.

Khi đưa dòng điện I vào cuộn dây nam châm điện thì trong cuộn dây

sẽ sinh sức từ động F=IW, sức từ động này sinh ra từ thông khe hở không khí của nam châm điện Φδ, khi đó Fđt>Fph làm cho nắp của nam châm điện đóng lại đồng thời tiếp điểm thường đóng mở ra và tiếp điểm thường mở đóng lại

Khi không có dòng điện đưa vào cuộn dây nam châm điện I=0 thì khi

đó Fđt=0<Fph làm cho nắp của nam châm điện mở ra và hệ thống tiếp điểm trở về trạng thai ban đầu

II Ưu điểm và nhược điểm của rơle trung gian kiểu kín.

1 Đặc điểm.

Đối với loại rơle trung gian kiểu kín thì số lượng tiếp điểm nhiều, để tăng lực ép tiếp điểm khi tiếp xúc người ta thường sử dụng thanh dẫn động bằng đồng

2 Ưu điểm.

Đối với loại rơle trung gian kiểu kín thì khi làm việc nó sẽ tránh được

sự ảnh hưởng khắc nghiệt của môi trường tới qsự vận hành của thiết bị, đặc biệt là mưa gió, độ ẩm, và bụi bặm sẽ làm ảnh hưởng tới tính chất dẫn điện của vật liệu

3 Nhược điểm.

Ngoài các ưu điểm nói trên thì rơle trung gian kiểu kín còn có những hạn chế nhất định khi phần rơle nằm trong vỏ hộp thì nó sẽ bị giới hạn bởi phần không gian của vỏ hộp nên khả năng tản nhiệt của nó sẽ khó khăn hơn

CHƯƠNG III

MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

I Sơ luợc về mạch vòng dẫn điện.

Trong rơle trung gian mạch vòng dẫn điện đóng một vai trò hết sức quan trọng, bởi nó là cơ cấu truyền điện tác động tới các cơ cấu của Rơle, đồng thời một phần của nó cũng là hệ thống phản lực, nhằm hỗ trợ cho kích thước của thiết bị nhỏ tối ưu

Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện do các bộ phận mang điện khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thước tạo thành Đối với mạch vòng dẫn điện của rơle trung gian kiểu kín thì nó bao gồm những bộ phận chính sau:

- Thanh dẫn: bao gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh

- Dây nối mền: để nối từ vít đến thanh dẫn động

- Đầu nối: gồm vít và mối hàn

- Hệ thống tiếp điểm: gồm giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh

- Cuộn dây dòng điện

Như vậy nhiệm vụ tính toán và thiết kế của mạch vòng dẫn điện là phải xác định các kích thước của các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện Tiết diện kích thước của các chi tiết mạch vòng dẫn điện quyết định cơ cấu của mạch vòng dẫn điện và cũng quyết định kích thước của rơle trung gian kiểu kín

Do đó trình tự tính toán của mạch vòng dẫn điện của rơle trung gian kiểu kín sẽ gồm các bước sau:

II Thanh dẫn.

Các tính toán của thanh dẫn động gồm:

- Xác định tiết diện và kích thước cơ bản của nó ở chế độ làm việc dài hạn và các chế độ khác

- Tính toán kiểm nghiệm tiết diện và các kích thước của nó ở chế độlàm việc ngắn hạn và chế độ khởi động đối với các khí cụ điện điều khiển và dùng trong tự động hoá Chế độ sự cố khi có dòng điện ngắn mạch với các khí cụ điện phân phối năng lượng

- Khi xác định các kích thước của thanh dẫn nên chọn dạng kết cấu,chọn sơ bộ chiều dài của thanh dẫn và dạng kết cấu của đầu nối

1 Tính toán thanh dẫn động.

Thanh dẫn động có chức năng đóng mở tiếp điểm vì vậy nó cần phải

có một lực ép đủ để có khả năng tiếp xúc tốt, do đó ta có thể chọn đồng phótpho để làm thanh dẫn Đồng phốtpho có các tính chất và thông số được ghi ở trong bảng 2-22 (TKKCĐHA)

Về dạng kết cấu của thanh dẫn động ta chọn kết cấu có tiết diện hình chữ nhật với bề rộng a, bề dày là b.

Rθ: điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định

Α là hê số nhiệt điện trở của đồng phốtpho α=4,3.10-3 1/oC

Kf là hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt

S là tiết diện của thanh dẫn

ST là tiết diện tản nhiệt của thanh dẫn

P là chu vi của thanh dẫn

Θôđ là nhiệt độ ổn định ôđ=95oC

Θmtlà nhiệt độ môi trường mt=40oC

b

a

l

3

2

)1(

f

n n

05,1.10.0232,0.103

6

3 2





.Suy ra a=10.b=3,2 mm

Đối với các kích thước trên nó thoả mãn độ bền về điện để thoả mãn

 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn:

 Kiểm nghiệm lại nhiệt độ của thanh dẫn:

Từ công thức:

ôđ

2.

)) 0 (

1 (

ôđ 0

2

mt T

f ôđ

mt T f

K P S

K P S K

2

.

.

(*)

Trong đó S là tiết diện thanh dẫn động: S=3,6 mm2

P là chu vi của thanh dẫn động: P=13,2 mm

10 01754 ,

0

3 3

6 11 6 , 3

40 10 6 11 5 , 2 05 , 1 10 0162 , 0 10

 Kiểm nghiệm lại ở chế độ làm việc ngắn mạch:

Từ công thức 6-21 trong (TKKCĐHA) ta có:

đ bn bn bn nm nm

S

t S

Suy ra :

bn

đ bn nm

Tnm=tbn là thời gian ngắn mạch cũng chính là thời gian bền nhiệt

Abn, Ađ là hằng số tích phân với độ bền nhiệt và nhiệt độ dài.Tra đồ thị 6-6 ta có

θbn=300oC thì ta có Abn=4.104 (A2s/mm4)

θôđ=95oC thì ta có Abn=1,6.104 (A2s/mm4)Thay số vào (**) ta có:

bn nm

t

4

4 1 , 6 10 10

4 5 ,

Như vậy j<[j]

Vậy mật độ dòng ngắn mạch nhỏ hơn mật độ dòng cho phép

 Kiểm nghiệm thanh dẫn động làm việc ở chế độ ngắn hạn:

Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ 95oC là:

Với: M=.S.l=8,9.0,05.0,5=0,2225

Kt=S P dh

=

55 1 , 1

10 2 ,

9  3

=15,2.10-5 W/cm2 oC

Suy ra T=

1 , 1 10 2 , 15

2225 , 0 385 , 0

5

 =512,3 (sec)

Độ tăng nhiệt ở chế độ ngắn hạn:

 nh= ôđ[1-et nh/T]Chọn chế độ ngắn hạn có  nh=20 sec

ôđ



=0,55038=1447,4 oCĐối với công suất cho phép ở chế độ ngắn hạn là:

Pnh=

T t dh

=

038 , 0

10 2 ,

9  3

=242,1.10-3 W/cm2

Dòng cho phép ở chế độ ngắn hạn là:

T t

dh nh

 =263,15

Hệ số quá tải dòng

=5,13Tính toán kiểm nghiệm

Tnh=T.ln

ôđ ôđ

'

=512,3.ln14471447,4,455

 =19,953 secNhư vậy ta thấy kết quả gần đúng vỡi tnh đã chọn ở trên

Vậy thanh làm việc tốt ở chế độ ngắn hạn

2 Tính toán thanh dẫn tĩnh.

Thanh dẫn tĩnh có chức năng là bộ phận cắm trực tiếp với đế, và có chứa cả tiếp điểm để tiếp xúc với thanh dẫn động qua đầu nối

Như vậy khả năng làm việc của thanh dẫn tĩnh ngoài độ bền về điện

nó còn phải có độ bền về cơ, do đó ta có thể chọn kích thước của thanh dẫn tĩnh như sau:

a=5 mmm b=1 mm

Khi đó tiết diện cắt ngang của thanh dẫn tĩnh là:

Stdt=a.b=5 mm2Suy ra mật độ dòng điện: j=

III Tiếp điểm.

 Chức năng chính của tiếp điểm.

Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ điện đóng ngắt kết cấu và thông số của hệ tiếp điểm xác định các thông số chính, kết cấu, kích thước và khối lượng của khí cụ điện

 Yêu cầu chính đối với tiếp điểm.

Khí cụ điện làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép tức là <95 oC

Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể cho phép của vật liệu tiếp điểm

Đối với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch) tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động Hệ thống tiếp điểm dập hồ quang (nếu có) phải có khả năng đóng ngắt cho phép không bé hơn trị số định mức

Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dòng điện trong giới hạncho phép tiếp điểm phải có độ mòn điện và độ mòn cơ bé nhất, độ rung của tiếp điểm phải không được lớn hơn trị số cho phép.

Để cho ngắn gọn ta chọn các công thức tính toán đối với tiếp điểm là các công thức kinh nghiệm

 Chọn vật liệu làm tiếp điểm.

Để đảm bảo các yêu cầu của tiếp điểm về điện trở suất, điện trở tiếp xúc nhỏ và ít bị ăn mòn, ít bị oxi hóa, khó hàn dính, độ cứng cao và làm việc tốt với dòng điện định mức 10 A ta có thể chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc kéo nguội với các thông số kỹ thuật cho ở bảng 2-13 như sau

Nhiệt độ nóng chảy nc = 9610CĐiện trở suất ở 200C 20 = 1,59.10-6

Đối với dòng điện 10 A tra bảng 2-15

ta chọn đường kính tiếp điểm là d=5 mm

Chiều cao của tiếp điểm là h=1,5mm

Tiếp điểm dộng và tiếp điểm tĩnh có dạng hút chập tức là một pha chỉ

Iđm là dòng điện định mức của rơle trung gian kiểu kín 10 A Chọn ftđ=3 G/A

10 4 ,

 Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc.

Trong trạng thái đóng của tiếp điểm điện áp rơi trên mạch vòng dẫn điện chủ yếu là do điện trở tiếp xúc của các phần đầu nối, điện trở của vật liệu làm tiếp điểm là không đáng kể so với Rtx vì vậy theo công thức điện áp rơi trên diện trở tiếp xúc là:

Utx=Iđm.Rtx=10.2,76=27,6 mV

Như vậy với giá trị Utđ=28,8 mV thì luôn thoả mãn yêu cầu về điện áp rơi cho phép trên tiếp điểm của các khí cụ điện điều khiển và phân phối nănglượng đến 1000 V tiếp điểm làm việc trong không khí là

Utđ=2  30 mV

 Tính nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm.

Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài vô hạn, có tiết diện không đổi giả thử một đầu thanh dẫn tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt tại nơi tiếp xúc

Ta có theo công thức 2-11 (TKKCĐHA)

T

tđ đm T

đm mt tđ

K P S

R I SPK

I

2

95 2

 S là tiết diện thanh dẫn động S=2,5 mm2

 P là chu vi của thanh dẫn P=11 mm

 KT là hệ số toả nhiệt ra khống chế KT=6.10-6 W/mm2 oC

 Rtxlà điện trở tiếp xúc của tiếp điểm Rtx=2,76 mΩmm

   95 là điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 95 oC ta có   95=  20[1+ α(θ-20)]=0,0159.10-3.[1+0,004(95-20)]

= 0,0207.10-3 Ωmm.mm

  là độ dẫn nhiệt =0,416 W/mm2 oCVậy ta có:

C

o

10 6 11 5 , 2 416 , 0 2

10 76 , 2 10 10

6 11 5 , 2

10 0207 , 0 10 40

6

3 2

6

3 2

2 2

tx đm tđ tx

R I

10 0207 , 0 416 , 0 8

) 10 76 , 2 10 (





=69,2+11=80,2 oCNhư vậy tx=80,2 oC < [tx]=180 oC là nhiệt độ dạng tinh thể của vật liệu tiếp điểm là bạc

 Xác định dòng điện hàn dính.

Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm=10 A ( quá tải khởi động, ngắn mạch) nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng bị hàn dính Độ ổn định của tiếp điểm chốngđáy và chống hàn dính gọi là độ ổn định điện động ( độ bền điện động) độ ổnđịnh nhiệt và ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị quatrị số dòng điện tới hạn hàn dính Ithhd tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm

có thể không xảy ra, nếu cơ cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm

Có hai tiêu chuẩn để đánh giá: lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính; trị số tới hạn của dòng điện hàn dính; nó phụ thuộc vào vật liệu tiếp điểm và kết cấu, chế độ làm việc của khí cụ điện

Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định dòng điện hàn dính bằng công thức 2-36

 Độ ăn mòn tiếp điểm.

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

Sự ăn mòn của tiếp điểm được thể hiện qua việc giảm độ lún của kíchthước (chiều cao) của tiếp điểm cũng như giảm khối lượng hoặc thể tích củatiếp điểm.

Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là sự ăn mòn về hoá học, ăn mòn về điện, ăn mòn về cơ nhưng chủ yếu là sự ăn mòn về điện gâynên cho tiếp điểm

Tính toán sự ăn mòn của tiếp điểm rất phức tạp và thiếu chính xác, ở đây ta chỉ dùng các công thức tính toán gần đúng về độ mòn của tiếp điểm

Sự ăn mòn của tiếp điểm thể hiện qua thời gian sử dụng ứng với số lần đóng ngắt chúng được xác định theo công thức 2-48

N=

ng đ

m ng

đ

m

g g

V V

 Gđ là khối lượng mòn riêng cho một lần đóng

 gng là khối lượng mòn riêng cho một lần ngắt

 γ là khối lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm

ta có theo công thức 2-54 trong sách TKKCĐHA:

gđ+gng=10-9(K đ I đ2 +K ng I ng2 )Kkđtrong đó :

Kđ,Kng g/A2 là hệ số mòn khi đóng và khi ngắt tra trong đồ thị 2-16 ta có

Với Ing= Iđ=Iđm=10 A ta được Kđ=0,3 g/A2

Kkđ là hệ số không đồng đèu đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm với khí cụ điện xoay chiều Kkđ=1,1 – 2,5 ta chọn Kkđ=1,2 lần độ mòn trung bình của tiếp điểm

Như vậy ta có:

gđ+gng=10-9(0 , 3 102 +0 , 3 10 2)1,2=0,72.10-7 gamvậy Vđ+Vng=(gđ+gng)/=

5 , 10

10 72 ,

0  7

=0,069.10-7 cm3.Thể tích của đôi cặp tiếp điểm là:

 1,5=29,45 mm3

Vậy N=

ng đ

m ng

đ

m

g g

V V

10 5 , 10 45 , 29





=1,63.106 lần

Ta thấy N>Nđiện=106 vậy thoả mãn về độ ăn mòn

Vậy thể tích bị ăn mòn trong quá trình làm việc là:



=0,2 cm2

Vậy độ ăn mòn của tiếp điểm là:

 Độ rung của tiếp điểm.

Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc có xung lực va đập cơ khí giữa dtiếp điểm động và tiếp diểm tĩnh xảy ra hiện tượng rung của tiếp điểm tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi tiếp tục va đập quá trình tiếp xúc rồi lại tách rời tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra sau một thời gian rồi kết thúc Chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định., sự rung kết thúc

Đối với quá trình rung thì nó được biểu thị bằng sự đánh giá độ lớn của biên độ rung Xm của khoảng đẩy lớn nhất đầu tiên và thời gian rung tmtương ứng với Xm Tuổi thọ của tiếp điểm phụ thuộc rất lớn vào thời gian rung và biên dộ rung, quá trình rung được biểu thị bằng đồ thị sau

Theo công thức 2-39 trong sách TKKCĐHA ta có:

Xm=

tđđ

v đo

đ

F

K V

m

.2

)1(2



Trong đó :

 Ftđđ là lực ép tiếp điểm đầu , Ftđđ=30 g= 3.10-2 KG

 Vđo là vận tốc tại thời điểm va đập Vđo=0,1 m/s

 Kv là hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu, chọn

tđđ

v đo

đ

F

K V

m

.2

)1(2



2

10 3 2

) 85 , 0 1 ( 1 , 0 15 , 0





=1,875.10-3 m=3,75 mm

Biên độ rung của 4 lò xo tiếp điểm là:

4

m m

X

4

75 , 3





Theo công thức 2-40 trong sách TKKCĐHA ta có:

Thời gian rung của tiếp điểm là:

tđđ

v đo

đ

F

K V

2

=

2 10 3

) 85 , 0 1 ( 1 , 0 15 , 0 2

388 , 0





m m

Theo kinh nghiệm 1mm có thể chịu được 3000 V vì vậy ta chọn độ

mở của Rơle cần thiết kế là 1mm

 Độ lún.

Độ lún của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép và trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn nhưng vẫnđảm bảo tiếp xúc tốt

Vì vậy phải chọn độ lún của tiếp điểm lớn hơn độ ăn mòn của tiếp điểm mới có thể đảm bảo tiếp xúc tốt l=(1,5-2) hm=1,6.0,34=0,544 mm

Như vậy tiếp điểm đi được trong một hành trình là 

=1,5+0,544=2,044 mm

IV Đầu nối.

Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hư hỏng nặng trong vận hành nhất là với khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao Có thể chia làm hai phần

 Các đầu cực để nối với dây dẫn ngoài

 Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện

Yêu cầu đối với các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức không được tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và lực ép tiếp xúc tốt để điện trở tiếp xúc Rtx không lớn, ít tổn hao công suất

Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền về cơ và độ bền về nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua

Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định,khi khí cụ điện vận hành liên tục

Chọn kết cấu mối nối có thể tháo rời được, dây dẫn được nối với đầu nối thông qua mối hàn có tráng thiếc thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh,

ngoài ra phần đầu nối phải bố trí hợp lý để đỡ gây ảnh hưởng tới yếu tố xung quanh.

Với dòng điện I=10 A ta chọn mối nối tháo rời, và xử dụng loại vít M3bằng thép CT 3 vậy có thể lấy d=4 mm

Tiết diện của lỗ vít:

Slv=

4

4 4

Stx=

J

I đm

=010,31=32,3 mm2.Tổng diện tích tiếp xúc của vít có giá trị:

S=Slv+Stx=12,57+32,3=44,87 mm2.Chọn chiều rộng của phần bắt bulông là 5mm

Chiều dài của phần bắt bulông là 9mm

Lực ép được tính theo công thức

Ftx=ftx.StxTrong đó: ftx là lực ép riêng ftx=100-150 KG/cm2

K I

T

f cu

.

.

05 , 1 10 0176 , 0 100

2 6

K I

T

f cu

.

.

2



=

2 4

1 2 10 6

05 , 1 10 0176 , 0 100

2 6

Vậy ôđ =55,63oC <[ôđ ]=95 oC do đó đủ chỉ tiêu về lĩnh vực kỹ thuật.Đối với dây dẫn mềm là phải thiết kế sao cho nó có thể chịu được nhiệt độ mà ở đó nhiệt độ phát nóng không được lớn hơn trị số cho phép, phải đảm bảo cách điện dây đãn phải đủ độ mềm và chiều dài, để khi rơle làm việc không ảnh hưởng tới quá trình đóng ngắt của các tiếp điểm chọn chiều dài dây dẫn là 4 cm.

CHƯƠNG IV

TÍNH VÀ DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH CƠ

I Sơ đồ động.

Đối với loại này ta cần tổng hợp hai vị trí khác nhau δ=0 và δ ≠ 0.

Sơ đồ động cho ta biết sơ bộ một cách rõ ràng và chính xác về sự truyền và biến đổi chuyển động của các khâu của cơ cấu

 Chọn vật liệu làm lò xo tiếp điểm

Vật liệu dùng để làm lò xo tiếp điểm là vật liệu hợp kim của kim loại màu như đồng phốtpho cứng Lò xo có dạng tấm phẳng, lò xo này

có lực không lớn tuy nhiên độ võng củng nhỏ, lò xo bằng đồng phốtpho

có điện trở cũng nhỏ, độ bền điện cơ cao, có khả năng chống ăn mòn tốt hơn

Thông số của đồng phốt pho

Sinh Viªn Thùc HiÖn: Lª Khoa - TB§1 - K45 Trang

Gới hạn mỏi cho phép khi uốn u = 190 N/mm2

Giới hạn mơi cho phép khi xoắn x = 120 N/mm2

 Tính toán lò xo tiếp điểm

Khi Rơle tác động thì gây ra lực ép tiếp điểm ở 4 tiếp điểm thường mở

+ Lực ép tiếp điểm cuối của lò xo: F tdc  4 F td  4 0 , 3 N  1 , 2 (N)

+ Lực ép tiếp điểm đầu của lò xo : coi như Ftđđ=0a) Kích thước của lò xo:

Thanh dẫn động đồng thời cũng chính là lò xo tiếp điểm nên kíchthước của chúng là kích thước của thanh dẫn động Tiếp điểm có giá

đỡ là nắp của mạch từ được ép chặt với một miếng nhựa cứng có nhiệt độ nóng chảy cao Như chương III đã xác định

Chiều rộng của lò xo là chiều rộng của thanh dẫn động: a=5mm.Chiều dày của lò xo là chiều dày của thanh dẫn động:b=0,5 mm.Theo công thức 4-25 (TKKCĐHA) ta có:

l

S

P T

Trong đó:

.

mm b

a

+ Độ võng cần thiết của lò xo tại đầu nút:

Theo công thưc 4-17, ta có :

J E

I F f

3

4 3

3

052 , 0 12

5 , 0 5 12

.

mm b

a

F: Lực ép tiếp điểm, F=0,3(N)l: Chiều dài của thanh dẫn động, l=30 mm

052 , 0 10 110 3

30 3 , 0

3 , 0







b) Kiểm tra lại lò xo tiếp điểm

Dựa theo các kích thước của lò xo đã biết xác định độ lớn ứngsuất uốn thực tế

Theo công thức trên ta có : 43 , 3 / 2

208 , 0

30 3 , 0 1

mm N W

F



Vậy  u = 43,3 N/mm2 < [ u] = 190 N/mm2 là thỏa mãn các phương án đã chọn

3 Tính lò xo nhả.

 Chọn vật liệu làm lò xo nhả

Vật liệu làm lò xo nhả dùng loại thép cácbon có độ bền về cơcao, do bản thân nó không dẫn điện Kiểu của lò xo thuộc loại xoắnhình trụ, có khả năng chịu kéo tốt Đây là loại lò xo được sử dụng rộngrãi nhất trong thực tế

Lò xo nhả khi làm việc luôn ở trong tình trạng kéo, tức là nó tạo

ra lực ép tiếp điểm thường đóng, khi đó thì Fđt=0

Từ bảng 4-1 (TKKCĐHA) ta có các thông số kĩ thuật của lò xo:

Độ bền giới hạn khi kéo k=2200 N/mm2

Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn x= 480 N/mm2

Giới hạn mỏi cho phép khi uốn u=770 N/mm2

 Tính lò xo nhả

l

Lò xo xoắn hình trụ được cuốn bằng dây hoặc thanh có tiết diệntròn, có thể chịu tải kéo hoặc nén hướng trục, vì khi đó tiết diện ngangcủa dây hoặc thanh quấn chịu xoắn Để tính toán đối với lò xo loại này,trước hết cần chọn chỉ số lò xo C, nó dặc trưng cho độ cong của cácvòng lò xo và xác định ứng xuất tập trung trong vật liệu của lò xo

Chỉ số C còn phụ thuộc vào dường kính d của dây quấn lò

xo, khi d nhỏ thì nên lấy C lớn và ngược lại Trước tiên cần tính lực lò

xo nhả, do chỉ dùng một lò xo nhả do đó lực Fnh của lò xo nhả ban đầuphải tạo được Ftđc của 4 tiếp điểm thường đóng, trọng lượng phần động

Gđ và lực ma sát Fms, được tính theo:

Fnhđ = Kdt.(Ftđc+ Gđ + Fms) Trong đó:



) ( 86 , 4 24 , 3 5 , 1

x

51 , 0 480

10 86 , 4 6 , 1 6 ,

D=C.d=10.0,51 =5,1 (mm)+ Số vòng dây xác định theo công thức 4-32:

F C

f d G W

8

3

Với :

G: Môdul trượt, G=80.103 N/mm2f: Khoảng lún của lò xo tức là độ mở và độ lún của tiếp điểm

tkD

d

f=1,5+0,544=2,044 mm ứng với F=  F=Fnhc - Fnhđ=4,86 – 3,24= 1,62 (N).d: Đường kính dây quấn của lò xo.

C: Chỉ số của lò xo, C=10

62 , 1 10 8

044 , 2 51 , 0 10 80

34 Ta có:

lk = W.tk = 9.0,51 = 4,59 mm+ Độ cứng của lò xo chính là lực do lò xo sinh ra khi bị kéo mộtkhoảng 1 mm:

73 , 0 7 10 8

51 , 0 10 80

8

d G f

7 10 62 , 1 8

8

8

Gd

W FC d

G

W D F

Qua đó ta kiểm nghiệm giá trị này gần đúng với giá trị lý thuyết

là 2,044 mm

+ Kiểm nghiệm lại:

Trị số ứng suất xoắn khi có lực theo công thức 4-28:

476 51

, 0

10 86 , 4 8

8

x= 476 < [x] = 580 (N/mm2)Vậy  x tính toán kiểm lại có giá trị nhỏ hơn giá trị cho phép nênthỏa mãn điều kiện

III Tính toán lực qui đổi.

Khi chưa quy đổi:

+ Ftđc=1,2 N+ Ftđđ =0 N+ Fnhđ=3,24 N

+ Fnhc=4,86 N+ Gđ=1,5 NKhi quy đổi về lực hút điện từ:

Cánh tay đòn của lực hút điện từ Fđt: lđt = l

5 3

Cánh tay đòn của lực lò xo nhả: llxnh = l

5 1

Cánh tay đòn của trọng lực nắp động: lnđ = l

5 2

Cánh tay đòn của lực ép tiếp điểm động Ftđđ: ltdd = l

5 4

Vậy trị số các lực đã quy đổi:

 Lực ép tiếp điểm cuối:

N F

F l

l l

l F

dt

tdd tdc

3

43

4

535

4

l

l F

dt

tdd tdd

3

43

4

l

l l

l F

dt

lxnh nhd

3

1

535

1

l

l l

l F

dt

lxnh nhc

3

1

535

1

l

l l

l G

dt

nd d

3

2.535

2

F’tđc = 1,6 N F’tdd= 0 N F’nhđ = 1,08 N F’nhc= 1,62 N G’đ = 1 N

 Độ mở và khoảng lún quy đổi lần lượt được tính như sau:

l

l l

l m m

tdd

dt 0 , 75

5 4 5

3 1

tdd

dt 0,544.0,75 0,408

IV Đường đặc tính cơ được biêu thị như sau.

Đường đặc tính cơ ta chọn khe hở làm việc tức là khe hở côngnghệ bằng 0,05 mm

Sơ đồ đặc tính cơ của Rơle trung gian được cho ở trang bên

Với : d1 – đường đặc tính trọng lực

d2 – đường lực ép tiếp điểm động

d3 – đường lực lò so nhả

d4 – đường đặc tính cơ

CHƯƠNG V

TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN

I Giới thiệu chung về nam châm điện

Trong cơ cấu Rơle, nam châm điện là một bộ phận rất quan trọng

Nam châm điện là một loại khí cụ điện dùng để biến đổi điện năng thành cơ

năng Nam châm điệm được sử dụng rộng rãi mà không một lĩnh vực khoa

học kỹ thuật nào không sử dụng Nam châm điện được sử dụng đặc biệttrong lĩnh vực sinh lực (truyền động ) để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến,các chuẻyn dịch quay hoặc sinh ra lực hãm

Với các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau đòi hỏi các nam châm điện khácnhau về hình dáng, kết cấu và ứng dụng Có những nam châm điện rất békhoảng vài milimét và có những nam châm có kích thước đến hàng mét.Khối lượng của chúng từ vài gam đến vài tấn Lực điện từ của nam châm từvài phần gam đến hàng chục tấn Hành trình từ vài micromet đến hàng mét.Công suất từ vài milli-oát đến hàng chục kilô-oát Các quá trình vật lý xảy ratrong nam châm điện rất phức tạp, thường được mô tả bằng phương trình viphân, phi tuyến Vì vậy cho đến nay việc tính toán nam châm điện thườngdựa theo những công thức kinh nghiệm gần đúng rồi kỉêm nghiệm lại theocông thức lý thuyết, đưa ra được kết quả tối ưu Ngày nay cùng với sự pháttriển của các công cụ tính toán mạnh và các phương pháp tính toán tối ưu,việc tính toán nam châm điện thông qua các phầm mền chạy trên các máyđiện toán đã nhanh hơn và cho kết quả tối ưu

Trong các cơ cấu điện từ, đặc biệt trong rơle trung gian thì nam châmđiện có nhiệm vụ quan trọng là cơ quan sinh lực để thực hiện tịnh tiến cơcấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm

Nguyên lý hoạt động của nam châm điện, khi có dòng điện chạy trongcuộn dây sẽ sinh ra lực điện từ hút nắp

Những đặc điểm của nam châm điện xoay chiều là:

 Nam châm điện xoay chiều có thể làm việc ở chế độ dài hạn

 Nam châm điện kiểu kín chịu rung và va đập

 Nguồn điện áp xoay chiều với công suất không đổi: Uđm = 220 V, Iđm

= 10A, tần số f = 50 Hz

 Đặc tính cơ đã được trình bày như ở chương IV

 Môi trường làm việc có nhiệt độ  mt = 40oC

Việc tính toán nam châm điện xoay chiều rất phức tạp, bởi vì trongtrong mạch từ, giữa điện áp và dòng điện, giữa từ thông và sức từ động đều

có sự lệch pha Vì vậy, trong tính toán công trình thực dụng, ta phải đơn giảnhoá tính toán một cách hợp lý, để tính toán được nhanh chóng mà sai sốvẫn trong phạm vi cho phép

II Tính toán nam châm điện.

1) chọn kết cấu.

Nam châm điện về hình thức rất đa dạng, có nhiều dạng kết cấu khácnhau về mạch từ và cuộn dây Vì vậy dẫn đến sự khác về dặc tính động, lựchút điện từ và công nghệ chế tạo Như chương I ta đã chọn mạch từ có dạnghình chữ U, kiểu hút chập và cuộn dây quấn trên mạch từ Do đây là namchâm điện xoay chiều nên ở phía trên cực từ của cuộn dây ta dặt thêm mộtvòng ngắn mạch

Để có kết cấu tối ưu ta phải chọn hệ số kết cấu theo công thức 5-2 tacó:



dt kc

Trên đường đặc tính phản lực ở chương IV rõ ràng Rơle muốn làmviệc thì điều kiện của nó là Fđt > Fcơ và khi nhả thì Fdt < Fcơ

Fđtth=Kdt.FcơthTrong đó:

Suy ra K kc 4018 , 4 N /m

10 408 , 0

688 , 2

Đặc tính cơ bản của vật liệu từ là quan hệ giữa từ cảm B và cường độ

từ trường H, một đặc tính cơ bản khác của vật từ là quan hệ giữa mật độ từthẩm tương đối và từ cảm B

Các thông số của vật liệu từ

Độ dầy lá thép từ: (0,350,5)mm Chọn

0,35mmLực từ phản kháng HC =0,360,48 A/cm

Từ cảm bão hòa B=2,06 T

Độ từ thảm cực đại max=(56).1000Điện trở suất =(2552).10-8mKhối lượng riêng =7,75g/m3

3) chọn các thông số cường độ từ cảm, hệ số từ rò và hệ số từ tản.

1 Chọn cường độ từ cảm

Để tránh trường hợp lãng phí vật liệu làm mạch từ hoặc già hóa lõithép dẫn tới tổn hao, ta nên chọn từ cảm làm việc không quá lớn nhưngcũng không quá nhỏ

- Từ cảm của lõi thép : Bmax= 0,81,2 T, chọn Bmax= 0,8 T

- Từ cảm khe hở không khí tới hạn B th=0,40,8 (T)

Theo kinh nghiệm chọn B th= 0,6(T) là cường độ từ cảm khe hởkhông khí  ứng với ’