Đồ án tốt nghiệp Thiết kế Rơle điện từ trung gian xoay chiều

tđ lv nh ng1f = Trong đó: ttđ - thời gian tác động tlv - thời gian làm việc khoảng thời gian từ khi đại lượng rađạt giá trị cực đại đến khi đạt cực tiểu hoặc 0 tnh - thời gian nhả tng

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH QUY NHƠN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

************ =====000=====

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: ĐỖ CÔNG KHANH

Khoa : Kỹ thuật & Công nghệ

Ngành học : Điện kỹ thuật

Khoá : 27

1 Đầu đề thiết kế tốt nghiệp:

Thiết kế Rơle điện từ trung gian xoay chiều

2 Các số liệu ban đầu :

Uđm = 220V; Iđm = 5A; Uđk = 220V; f = 50Hz

Tuổi thọ N = 106;

Số lượng tiếp điểm 4 ; 4

Làm việc liên tục; cách điện cấp A, kiểu kín

3 Nội dung các thuyết minh và tính toán:

1 Phân tích chọn phương án thiết kế

2 Tính mạch vòng dẫn điện

3 Tính và dựng đặc tính cơ

4 Tính toán nam châm điện

5 Thiết kế kết cấu

4 Các bản vẽ:

- 1 Bản vẽ nguyên lý Rơle trung gian

- 1 Bản vẽ đường đặc tính cơ

- 1 Bản vẽ kết cấu nam châm điện

- 1 Bản vẽ đường đặc tính lực hút điện từ lúc hút và lúc nhả

- 1 Bản vẽ tông lắp ráp của Rơle

LỜI NÓI ĐẦU

Điện năng là một nguồn năng lượng quan trọng được sử dụng rộng rảitrong 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 hơn, tinh vi hơn vàdễ sử dụng hơn

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 Dođó, khí cụ điện là loại thiết bị không thể thiếu được, khi sử dụng điện năngtrong công nghiệp, cũng như trong đời sống

Khi công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu cuộc sống ngày càng đòihỏi cao hơn, càng cần thiết phải có các khí cụ điện nhiều về số lượng, tốt vềchất lượng và hoàn hảo hơn Đặc biệt các khí cụ điện hiện đại càng đòi hỏiphải có khả năng tự động hoá cao

Chính vai trò cần thiết của khí cụ điện nên việc tính toán thiết kế khí cụđiện là một nhiệm vụ quan trọng

PHẦN MỞ ĐẦU

I- KHÁI NIỆM CHUNG VỀ RƠLE

Khí cụ điện là những thiết bị, cơ cấu điện dùng để điều khiển các quátrình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các dạngnăng lượng khác

Trong các hệ thống điện Rơle có một vị trí rất quan trọng, nó dùng đểbảo vệ các thiết bị điện hay điều khiển các quá trình sản xuất

Rơle là loại khí cụ điện tự động mà đặc tính “ vào - ra ” có tính chất sau:tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp (đột ngột) khi tín hiệu đầu vào đạt những giátrị xác định

Cùng với sự phát triển và tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ vậtliệu công nghệ chế tạo Rơle được nghiên cứu và chế tạo gồm nhiều chủngloại, hoạt động theo nguyên lý khác nhau, có các thông số đặc tính kỹ thuậtnổi bật và lĩnh vực sử rộng rải

1) Các bộ phận của Rơle

Gồm 3 bộ phận chính:

- Bộ phận thu: có tác dụng tiếp nhận tín hiệu vào và biến đổi nó thànhđại lượng vật lý để rơle hoạt động

- Bộ phận trung gian: có nhiệm vụ so sánh tín hiệu vào đã được biếnđổi với tín hiệu mẫu cho ra tín hiệu so sánh là hiệu của hai tín hiệu này

- Bộ phận chấp hành: Tuỳ theo tín hiệu so sánh mà bộ phận chấp hànhthực hiện những chức năng đóng hoặc mở tiếp điểm của rơle

2) Phân loại Rơle

a) Theo nguyên lý:

- Rơle điện từ: dựa trên tác dụng lực của từ trường do dòng điện chạy trongcuộn dây sinh ra lên phần ứng (nắp) bằng vật liệu sắt từ làm nắp dịch chuyển

- Rơle phân cực: rơle điện từ có thêm từ trường phân cực do nam châmvĩnh cửu tạo ra Vị trí của nắp phụ thuộc vào cực tính của tín hiệu đưa vào rơle(còn gọi là rơle cực tính).

- Rơle từ điện: làm việc dựa trên tác dụng lực của từ trường do namchâm vĩnh cửu tạo ra lên dòng điện chạy trong cuộn dây làm cuộn dây dịchchuyển

- Rơle điện động: dựa trên tác dụng tương hỗ giữa từ trường do dòngđiện chạy trong cuộn dây sinh ra với dòng điện chạy trong cuộn dây khác làmcuộn dây này dịch chuyển

- Rơle cảm ứng: dựa trên cơ sở tác dụng tương hỗ giữa từ trường củacuộn dây đứng yên với dòng điện cảm ứng trong phần động, làm phần độngdịch chuyển

- Rơle nhiệt: dựa trên sự co giãn về kích thước, thể tích, áp suất củacác vật liệu khi nhiệt độ của chúng thay đổi

- Rơle điện tử và bán dẫn – gọi là Rơle không tiếp điểm

b) Theo cơ cấu chấp hành:

- Rơle có tiếp điểm: rơle cơ

- Rơle không có tiếp điểm: rơle bán dẫn, điện tử

c) Theo chức năng:

- Rơle bảo vệ

- Rơle điều khiển

d) Theo nguyên lý xử lý tín hiệu:

- Rơle tương tự

- Rơle số

3) Đặc tính cơ bản và các thông số của rơle

a) Đặc tính:

Đường biểu diển quan hệ giữa đại lượng vào x và đầu ra y của rơle gọi làđặc tính “vào - ra ” và được coi là đặc tính cơ bản của rơle Nên đặc tính nàycòn gọi là đặc tính rơle

Hình 1 Đặc tính làm việc của Rơle không có tiếp điểm

- Khi 0 < x <xtđ : y = ymin : rơle mở

- Khi x = xtđ : y =ymax : rơle tác động

- Khi x > xtđ : y =ymax : rơle đóng

- Khi x > xnh : y =ymax : rơle đóng

- Khi x = xnh : y = ymin : rơle nhả

- Khi 0 < x < xnh: y = ymin : rơle không tác độngb) Thông số cơ bản của rơle

+ Hệ số nhả

nh nh

tđ

xK

x

=

Knh phụ thuộc vào từng loại rơle: - Với loại rơle cực đại Knh < 1

- Với loại rơle cực tiểu Knh > 1

+ Hệ số dự trữ

lv dt tđ

xK

x

=

Trong đó: xlv - giá trị làm việc dài hạn của đại lượng đầu vào

xtđ - giá trị tác động của đại lượng vào

+ Hệ số điều khiển:

đk đk tđ

PK

P

=

Trong đó: Pđk - công suất cực đại trên tải của mạch làm việc

Ptđ - công suất đầu vào cần thiết cho rơle tác động

+ Thời gian tác động: ttđ

Khoảng thời gian từ thời điểm đặt tín hiệu vào x đến thời điểm đại lượngđầu ra y đạt giá trị cực đại

ttđ < 10-3s: rơle không quán tính

ttđ < 10-2s: rơle tác động nhanh

ttđ > 1s : rơle thời gian

ttđ = (5÷15).10-2s: rơle tác động bình thường

ttđ = (0,15÷1)s : rơle tác động chậm

+ Thời gian nhả: tnh

Khoảng thời gian tại thời điểm ngắt tín hiệu vào x đến khi đại lượng ra yđạt giá trị 0 hoặc cực tiểu

+ Tần số thao tác:

tđ lv nh ng

1f

=

Trong đó: ttđ - thời gian tác động

tlv - thời gian làm việc (khoảng thời gian từ khi đại lượng rađạt giá trị cực đại đến khi đạt cực tiểu hoặc 0)

tnh - thời gian nhả

tng - thời gian nghỉ (khoảng thời gian từ khi đại lượng ra đạt giátrị 0 đến khi đạt giá trị cực đại lần sau)

4) So sánh thông số kinh tế - kỹ thuật của các loại rơle khác nhau

a) Phân loại rơle tĩnh:

Nếu phân loại theo nguyên tắc làm việc, rơle tĩnh dùng linh kiện bán dẫncó thể phân loại thành:

- Rơle tương tự sử dụng các linh kiện bán dẫn tương tự như điốt, tranzito,khuếch đại thuật toán

- Rơle tương tự kết hợp kỹ thuật số có sử dụng thêm các phần tử số nhưVÀ, HOẶC, v.v

- Rơle kỹ thuật số không có vi xử lý

- Rơle kỹ thuật số có bộ vi xử lý

Nếu phân loại theo số lượng tín hiệu đầu vào, rơle loại này có thể phânloại thành:

- Rơle đo lường một đại lượng điện, thí dụ như rơle áp, rơle dòng

- Rơle đo lường hai đại lượng điện, thí dụ như rơle định hướng công suất,rơle khoảng cách

- Rơle đo lường nhiều đại lượng điện, thí dụ như rơle quá dòng ba pha,rơle thiểu áp ba pha, v.v

Nếu phân loại theo chức năng, rơle tĩnh cũng có thể được chia thành rơlebảo vệ và rơle phụ giống các rơle điện cơ Tuy nhiên, các rơle phụ thường

dùng là rơle trung gian và rơle thời gian Rơle tín hiệu kiểu tĩnh như một phầntử riêng biệt thường không được chế tạo.

Cách phân loại như trên sử dụng khái niệm rơle tĩnh theo nghĩa rộng.Trong trường hợp chung, khái niệm rơle tĩnh theo nghĩa hẹp thường được dùngđể chỉ các loại rơle bán dẫn tương tự hoặc có sử dụng kết hợp một số loại linh kiệnkỹ thuật số đơn giản Rơle thuần kỹ thuật số không sử dụng bộ vi xử lý đôi khi cũngđược gọi là tĩnh, song thường được gán thêm chữ “số” Khái niệm tĩnh theo nghĩahẹp hầu như không được dùng cho rơle sử dụng bộ vi xử lý

b) So sánh thông số kinh tế - kỹ thuật của các loại rơle khác nhau:

Các rơle bảo vệ sử dụng trong ngành điện lực có thể chia thành ba nhómlớn như sau:

Nhóm thứ nhất là các loại rơle điện cơ nơi có sự chuyển đổi năng lượngđiện thành cơ trong quá trình xử lý thông tin Nhóm này gồm các loại rơleđiện từ, rơle điện động, rơle cảm ứng và rơle nhiệt

Nhóm thứ hai là các loại rơle tĩnh, trong đó thực hiện việc so sánh cácđại lượng thuần túy điện ở dạng tương tự Nó bao gồm các loại rơle khuếchđại từ, rơle điện tử, rơle dùng điốt hoặc tranzito, rơle dùng vi mạch tương tự.Rơle số thuộc nhóm thứ ba Ở nay các tín hiệu trước khi được xử lý đãđược chuyển đổi thành mã số Nhóm này bao gồm các rơle dùng vi mạch sốkhông có bộ vi xử lý và các rơle có bộ vi xử lý Như trên đã nói, rơle số cũngthuộc nhóm các loại rơle tĩnh song để phân biệt rõ người ta tách chúng thànhhai nhóm khác nhau

Bảng 1 trình bày sự so sánh các rơle thuộc các nhóm khác nhau về mộtsố thông số kinh tế - kỹ thuật, xét trên quan điểm khai thác, sử dụng Ở đâycác chữ số chỉ thứ tự theo chiều hướng từ kém nhất (1) đến tốt nhất (8) Cácchỉ số này chỉ có giá trị định tính chứ không có giá trị định lượng Đây là sựđánh giá có tính chất tương đối với giá trị trung bình theo từng chủng loại Vì

vậy vẫn có thể xảy ra trường hợp một rơle thuộc chủng loại này tốt hơn rơlethuộc chủng loại khác theo thông số nào đó, nhưng chỉ số trung bình củachủng loại này vẫn thấp hơn chủng loại kia.

Mặc dù việc đánh giá chỉ có tính chất tương đối, song kết quả tổng cộngcác chỉ số tương đối phù hợp với thực tế Trong nhóm các rơle điện cơ, rơlecảm ứng vẫn có chất lượng tốt hơn cả Điều này giải thích vì sao hiện nay rơleloại này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện ở Việt Nam

Rơle sử dụng bóng điện tử, mặc dù ra đời sau các loại rơle điện cơ songkhông thể hiện được tính ưu việt hơn hẳn của nó Vì vậy, trên thực tế rơleđiện tử chưa bao giờ được đưa vào sản xuất ở qui mô công nghiệp

Thông số kinh tế kỹ

thuật

Điện từ

Cảm ứng

Nhiệt Khuếch

đại từ

Bóng điện tử

Tranzito Vi

mạch

Vi xử lý

- Giá thành

- Độ chính xác

- Tốc độ thao tác

- Độ trôi tham số

- Độ nhạy

- Công suất tiêu thụ

- Độ phức tạp

- Độ linh hoạt

- Độ tin cậy

- Chi phí vận hành

- Kích thước

- Kinh nghiệm sử dụng

Tổng cộng

5 2 4 1 4 3 8 3 5 3 3 7

48

6 3 3 3 3 4 6 4 4 4 2 8

50

8 1 1 2 1 1 7 1 2 1 5 6

36

7 4 2 4 2 2 5 2 8 7 1 3

47

4 5 5 5 5 5 4 5 1 2 4 1

46

3 6 6 6 6 6 3 6 3 5 6 2

58

2 7 7 7 7 7 2 7 6 6 7 4

69

1 8 8 8 8 8 1 8 7 8 8 3

76

Bảng 1 So sánh các thông số kinh tế - kỹ thuật của các loại rơle

Nếu các rơle có nguồn gốc từ Liên Xô (cũ) phần lớn là các rơleđiện cơ thì việc thay chúng được thực hiện chỉ mới bằng các rơle tĩnhsử dụng tranzito và vi mạch Với chính sách mở cửa, chúng ta đã cóđiều kiện tiếp nhận và sử dụng một số loại rơle số của các nướcphương Tây Mặc dù có giá thành cao nhưng loại rơle này có chấtlượng hơn hẳn các loại rơle trước, do đó chúng đang được đưa vào sửdụng tại hầu hết các công trình trọng điểm của ngành điện lực Nhucầu sử dụng các rơle loại này càng trở nên cấp bách khi ta tăng côngsuất truyền tải trong lưới điện hợp nhất dẫn đến yêu cầu khắc khe hơnđối với vấn đề ổn định động của hệ thống

II- RƠLE TRUNG GIAN

Rơle trung gian được dùng rất nhiều trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điệnvà các sơ đồ điều khiển tự động.

Do có số lượng tiếp điểm lớn từ 4 đến 6 tiếp điểm vừa thường đóng vừathường mở, nên rơle trung gian dùng để truyền tín hiệu khi khả năng đóng,ngắt và số lượng tiếp điểm của rơle chính không đủ hoặc để chia tín hiệu từmột rơle chính đến nhiều bộ phận chính của sơ đồ mạch điều khiển

Trong các bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử (transistor, vimạch, IC ) rơle trung gian thường được dùng làm phần tử đầu ra để truyềntín hiệu cho bộ phận phía sau, đồng thời cách ly được điện áp khác nhau giữaphần tử điều khiển (thường là điện áp một chiều 9V, 12V, 24V) với phần chấphành (thường là điện xoay chiều 220V, 380V )

1) Cấu tạo của Rơle:

Hình 2 Các bộ phận chính của rơle trung gian điện từ

4

2 3

6

5

Rơle trung gian là loại thiết bị điện có kết cấu khá đơn giản, vì dòng điệnlàm việc định mức của rơle nhỏ nên không phát sinh hồ quang giữa các bộphận mang điện

Như vậy rơle gồm các bộ phận sau:

1 Nam châm điện xoay chiều

2 Hệ thống tiếp điểm

3 Hệ thống thanh dẫn

4 Các vít đầu nối

5 Lò xo nhả

6 Hệ thống nắp

7 Thân đế và đế

Vỏ hộp rơle thường làm bằng nhựa trong suốt cho phép quan sát, kiểm tratình trạng các bộ phận của rơle thuận tiện Vỏ hộp được cố định chặt với đếbằng móc giữ Khi lắp đặt, rơle gắn trên bảng mạch bằng đinh vít, nối dâyđiện vào cuộn dây và các tiếp điểm của rơle bằng các vít ở dưới đế nhựa củarơle

2) Nguyên lý hoạt động:

a) Tiếp điểm thường mở khi chưa có tín hiệu điều khiển, tiếp điểm ởtrạng thái mở (mạch bị ngắt)

Hình 3 Ký hiêu tiếp điểm thường mởb)Tiếp điểm thường đóng khi không có tín hiệu điều khiển, tiếp điểm ởtrạng thái đóng (mạch được đóng)

Hình 4 Ký hiệu tiếp điểm thường đóngKhi có điện áp tác động trên cuộn dây nam châm điện, trong cuộn dâysinh ra sức từ động F = IW, sức từ động này sinh ra từ thông khe hở không khíδ

φ , khi đó Fđt > Fcơ sẽ hút nắp nam châm điện Nhờ cơ cấu truyền động mà lực

hút được truyền đến giá phần động, làm cho giá phần động tịnh tiến trượt theogiá của thanh dẫn hướng và làm các tiếp điểm thường mở đóng lại và các tiếpđiểm thường đóng mở ra, đồng thời lò xo nhả được nén lại tạo điều kiện sẵnsàng đẩy nắp nam châm điện về vị trí mở khi cuộn dây nam châm điện khôngcòn điện áp tác động

Khi ngắt điện trên cuộn dây nam châm điện, lực hút điện từ giảm về 0.Lò xo nhả đẩy giá phần động trượt lên phía trên làm nhả nắp của nam châmđiện và hệ thống tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu

* Ngoài Rơle trung gian điện cơ còn có những Rơle điện tử và bán dẫn

Ngày nay những Rơle không tiếp điểm được sử dụng khá rộng rải nhờvào việc ứng dụng linh hoạt đặc tính làm việc của các linh kiện bán dẫn NhưRơle không tiếp điểm sử dụng Tranzito

Tranzitor thường làm việc ở hai chế độ chính Chế độ khuếch đại tuyếntính tương ứng với vùng tín hiệu chưa bão hòa (miền A) và chế độ đóng ngắtmạch tương ứng với vùng tín hiệu bão hòa (miền B), như hình 5

AI B

U

Hình 5 Các miền làm việc của TranzitorTrong trường hợp này, tranzito làm việc trong chế độ bão hòa (miền B).Nó đóng vai trò như một rơle không tiếp điểm So với chức năng đóng ngắtmạch của rơle có tiếp điểm, rơle không tiếp điểm có các ưu điểm sau:

- Kích thước nhỏ, giá thành giảm

- Không có hiện tượng phóng tia hồ quang làm giảm tuổi thọ của tiếp điểm

- Chi phí bảo quản, khai thác, sửa chữa giảm

Sơ đồ đóng ngắt mạch sử dụng tranzito loại n-p-n và p-n-p:

Hình 6 Các sơ đồ rơle không tiếp điểm dùng tranzitoKhi dòng qua cực gốc Ib = 0, dòng qua cực góp Ic = 0, công tắc hở mạch.Khi dòng qua cực gốc Ib đạt giá trị nào đó dòng cực góp Ic sẽ đạt giá trị cựcđại Icmax , công tắc sẽ đóng mạch

III- 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 vận hành

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: nhiệt độ, ápsuất, môi trường làm việc

Việc xác định các khoảng cách cách điện trong rơle thường chọn theokinh nghiệm

1) Điện áp định mức theo cách điện

K RbB

EC

Rc

Ur

RcCE

B

RbK

Với khí cụ điện điều khiển và phân phối năng lượng hạ áp (Uđm =220V) tồn tại các tiêu chuẩn, quy định về độ bền cách điện theo điện ápđịnh mức Ở trạng thái khô và sạch của khí cụ điện, nó phải chịu đượcđiện áp thử tần số 50 Hz, thời gian thử một phút Theo bảng 1-1/TL1 tacó:

+ Điện áp định mức của khí cụ điện: Uđm = 220 V

+ Điện áp định mức của cuộn dây: Ucd = 220 V

+ Điện áp thử nghiệm (trị hiệu dụng): Utn = 2000 V

2) Khoảng cách cách điện của các phần tử dẫn điện

Muốn khí cụ điện có độ tin cậy cao, cần khoảng cách cách điện lớn, tuynhiên như vậy lại tăng kích thước và khối lượng của thiết bị Vì vậy nên chọntheo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệp điện lựccho các loại khí cụ điện hạ áp thông dụng

Hiện nay ở điện áp Uđm = 220 V, theo bảng 1-2/TL1 ta chọn khí cụ điệntrong mạch điều khiển và tín hiệu, ứng với khoảng cách cách điện giữa cácphần tử dẫn điện, cụ thể là khoảng cách cách điện giữa các thanh dẫn.lcđ=10 mm

Hình 7 Khoảng cách cách điện giữa 2 thanh dẫn

lcd

IV- YÊU CẦU CHUNG KHI THIẾT KẾ

Đối với Rơle trung gian xoay chiều khi thiết kế phải thỏa mãn các yêu cầu

cơ bản của một sản phẩm công nghiệp hiện đại như yêu cầu kỹ thuật, về vậnhành, về kinh tế, về công nghệ chế tạo và về lĩnh vực xã hội, đặc trưng củanhững yêu cầu trên được biểu hiện qua các qui định chuẩn mực, tiêu chuẩn nhànước hoặc của ngành và chúng nằm trong nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật

+ Yêu cầu kỹ thuật: Đây là yêu cầu quan trọng và quyết định đối với quátrình thiết kế của khí cụ điện Phải xác định được phương án tối ưu, chính xáchoá kết cấu của khối khí cụ điện, các yêu cầu đó được thể hiện bằng độ bềnnhiệt của các chi tiết, bộ phận của khí cụ điện khi chúng làm việc ở chế độđịnh mức, chế độ sự cố ngắn mạch

Yêu cầu về kỹ thuật còn phải đảm bảo độ bền cách điện của những chitiết hay bộ phận cách điện khi làm việc với điều kiện khắc nghiệt nhất nhưtrường hợp quá điện áp lớn nhất, kéo dài thời gian làm việc trong điều kiệnmôi trường xung quanh không có lợi cho mọi thiết bị điện như mưa, ẩm,bụi Khi thiết kế về kỹ thuật ta còn phải chú trọng đến độ bền cơ và tínhchịu mài mòn của các bộ phận khí cụ điện trong giới hạn số lần thao tác đãthiết kế, thời hạn làm việc ở chế độ định mức và chế độ sự cố xảy ra

Phải đảm bảo khả năng đóng ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độbền cách điện của các chi tiết, bộ phận Khi thiết kế phải tạo khả năng sửdụng triệt để những chi tiết, hình mẫu đã chuẩn hoá

+ Yêu cầu về kinh tế xã hội: Cơ sở kinh tế kỹ thuật của các kết cấu phảimang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho nền kinh tế quốc dân Chúng được biểuhiện qua các chỉ tiêu định lượng

+ Yêu cầu về vận hành: Khâu vận hành có thể coi là giai đoạn cuối củaquá trình sản xuất, trong khi vận hành sẽ có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tớiquá trình vận hành như môi trường xung quanh, độ ẩm, nhiệt độ, áp suất

Khi vận hành phải có độ tin cậy cao để đản bảo an toàn cho người vận hành,sản xuất.

Phải có tuổi thọ lớn và thời gian sử dụng lâu dài, đơn giản, dể sửa chữa,thao tác vận hành và thay thế dễ dàng

+ Thiết kế công nghệ: Trong quá trình thiết kế công nghệ phải dựa vàonhững hướng dẫn, quy định của bản thiết kế kỹ thuật đã được thông quakinhnghiệm sản xuất, kết quả nghiên cứu và thử nghiệm Qua đó tiến hành chínhxác kết cấu, nghiên cứu và lập bản vẽ công nghệ của các chi tiết và bộ phận.Từ đó xác định chính xác hình dáng của vỏ và trang trí mỹ thuật, và chính xáchoá chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

CHƯƠNG 1

PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN VÀ CHỌN DẠNG KẾT CẤU

Rơle trung gian xoay chiều có nhiều loại được sử dụng ở nước ta, donhiều hãng của nhiều nước sãn xuất như Liên Xô cũ , Đức (SIEMENS), Pháp,Nhật (OMRON, FUJI, NATIONAL), Hàn Quốc (SUNGHO, LG) Tuy cóhình dạng, kích thước cụ thể có thể khác nhau nhưng về nguyên lý cấu tạo vàcác thông số kỹ thuật gần như nhau

Ta tham khảo một số mẫu đang được sử dụng ở Việt Nam hiện nay nhưcủa Nga và Nhật

1.1- Rơle trung gian của Nhật: OMRON – Nhật (240V – 5A)

5

1 4

7

6

2

9

Hình 1-1 Rơle trung gian OMRON – Nhật1- Tiếp điểm thường đóng

2- Tiếp điểm thường mở

- Mạch từ chữ U nắp hút chập

- Khoảng cách điện nhỏ nên độ tin cậy không cao

- Tiếp điểm động trên nắp mạch từ, trên tiếp điểm đóng, dưới tiếpđiểm mở

- Phải có hệ thống dây nối mềm

- Phần đầu nối lấy ra dễ dàng

- Kích thước nhỏ gọn, vật tư chi phí ít

- Công nghệ chế tạo khó, khó tháo lắp và sửa chữa

- Mạch vòng dẫn điện 1 pha 1 chỗ ngắt

1.2- Rơle trung gian của Liên Xô cũ

5

1 2 3 4

6

7 8

9 10

Hình 1.2 Rơle trung gian của Liên Xô cũ

1- Vỏ rơle2- Mạch từ3- Cuộn dây 4- Vòng ngắn mạch5- Nắp mạch từ6- Cần tryền động7- Lò xo nhả8- Ổ trượt của cần truyền động9- Tiếp điểm thường đóng10- Tiếp điểm thường mởĐặc điểm:

- Kết cấu đơn giản, công nghệ chế tạo đơn giản, độ tin cậy cao, dễ sửachữa, tháo lắp nhưng kích thước và trọng lượng lớn

- Mạch vòng dẫn điện 1 pha 2 chỗ ngắt

- Không dùng dây nối mềm nên đơn giản

- Lò xo thanh dẫn động, ngoài nhiệm vụ dẫn điện còn thêm nhiệm vụtạo lực lò xo ép tiếp điểm

- Vật liệu dẫn điện tốt, độ đàn hồi cao

Tuy cả hai rơle của Nhật và Liên Xô có sự khác nhau về trọng lượng,kích thước nhưng cả hai đều có đặc điểm chung:

+ Sử dụng kiểu hút chập

TÍNH MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu vàkích thước hợp thành

Mạch vòng dẫn điện gồm:

+ Thanh dẫn: Thanh dẫn động và tĩnh

+ Đầu nối

+ Hệ thống tiếp điểm:

- Giá đỡ

- Tiếp điểm động

- Tiếp điểm tĩnh

2.1-TÍNH TOÁN THANH DẪN ĐỘNG

2.1.1- Chọn vật liệu thanh dẫn.

Vì không có lò xo tiếp điểm riêng mà dùng thanh dẫn động ngoài nhiệmvụ dẫn điện còn thêm nhiệm vụ tạo lực lò xo ép tiếp điểm Nên yêu cầu chọnvật liệu dẫn điện tốt, tính đàn hồi cao

Ta chọn vật liệu làm thanh dẫn bằng đồng phốt pho băng cứng, thanh dẫncó tiết diện hình chữ nhật, có các thông số kỹ thuật bảng 2-1:

Kí hiệu

Độ bền giới hạn khi kéo

Giới hạn đàn hồi

Giới hạn mỏi cho phép khi uốn

Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn

Môđun đàn hồi

Môđun trượt

Điện trở suất ở 200C

p.0φ 6,5k

σ = 550 N/mm2d

σ = (290÷360) N/mm2u

σ = 190 N/mm2x

σ = 120 N/mm2

E = (90÷113) N/mm2G= 42.103 N/mm2

ρ = 0,176.10-6 ΩmBảng 2-1 Các thông số vật lý của vật liệu thanh dẫn

2.1.2- Chọn tiết diện thanh dẫn.

Tiết diện thanh dẫn hình chữ nhật với các cạnh a, b (hình 2-1)

b

l

b

a

Hình 2-1 Kích thước thanh dẫn

2.1.3- Xác định các kích thước.

Từ phương trình cân bằng nhiệt ở chế độ dài hạn Bề dày b được xác địnhtheo công thức 2-6/TL1:

5 0,0233.10 1,062.12.(12 1).8.10 55

Để đảm bảo độ bền cơ, trên thanh dẫn có gắn tiếp điểm động (thanh dẫnđộng có dạng chỏm cầu) nên a ≥ dtđ

Với dòng điện Iđm = 5A, căn cứ vào TL1

Đường kính chỏm cầu: dtđ = (2÷4) mm

Chọn đường kính tiếp điểm: dtđ = 3 mm

Chiều cao tiếp điểm: htđ = 1 mm

1) Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:

- Mật độ dòng điện qua thanh dẫn khi làm việc dài hạn

td td

S 2 (A/mm2) < [Jcp] = 2÷4 A/mm2Vậy kích thước thanh dẫn đã chọn thoả mãn yêu cầu ổn định nhiệt

- Kiểm tra nhiệt độ thanh dẫn

Theo công thức 2-4/TL1

S.P =

2 0

[1 (20 0)]

1 20

ρρ

α

=+

oC)θôâđ < [θcp] = 95oC

Vậy thanh dẫn thoả mãn về ổn định nhiệt ở chế độ dài hạn

2) Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch:

Theo công thức trang 27/TL1 Đương lượng nhiệt khi có ngắn mạch:

Jnm2.tnm = Aθnm - Aθ đ

Với:

θnm = 250oC : nhiệt độ ngắn hạn cho phép của đồng

θđ = 95oC : nhiệt độ khi làm việc cho phép

So sánh với bảng 2-2 Ta thấy : Jnm3s, Jnm4s, Jnm10s tính ra đều bé hơn mật độdòng điện cho phép ngắn mạch.

2.2- TÍNH TOÁN THANH DẪN TĨNH

Do cả thanh dẫn động và thanh dân tĩnh đều có cùng dòng Iđm đi qua,nhưng do thanh dẫn tĩnh có đầu nối và tăng cường ổn định khi va đập nên tachọn kích thước thanh dẫn tĩnh lớn hơn thanh dẫn động

Ta chọn: b = 1 mm

a = 6 mm

Tiết diện ngang thanh dẫn tĩnh:

S = a.b = 6.1 = 6 (mm2)

2.3- TÍNH TOÁN TIẾP ĐIỂM

Khi có sự tác động của tín hiệu điều khiển thì tiếp luôn thực hiện chứcnăng đóng ngắt của khí cụ điện Mỗi lần như vậy sẽ ảnh hưởng trực tiếp đếnđộ bền cơ, độ bền nhiệt và độ bền về điện

* Yêu cầu chính đối với tiếp điểm:

+ Khi 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 phải nhỏ hơn 95oC Nhiệtđộ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu.

+ Với dòng điện cho phép ( dòng khởi động hay dòng ngắn mạch) thìtiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động

+ Khi làm việc với dòng định mức và khi đòng ngắt dòng điện tronggiới hạn cho phép thì tiếp điểm phải có độ mòn bé nhất

2.3.1- Chọn vật liệu tiếp điểm

Để đảm bảo yêu cầu điện trở suất và điện trở tiếp xúc nhỏ, ít bị ăn mòn ,

ít bị oxi hoá, khó hàn dính, độ cứng cao Đặc tính công nghệ tốt phù hợp vớinhu cầu sử dụng của người sử dụng, cộng với dòng điện Iđm = 5A

Tra theo bảng 2-13/TL1 ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc kéo nguộicó các thông số kỹ thuật bảng 2-3:

ρ = 1,59.10 -8 (Ωm)

HB = (30÷60) (kG/mm2)

λ = 4,16 (W/cm.0C)

α = 0,004 (1/0C)Bảng 2-3 Thông số vật lý của vật liệu tiếp điểm

2.3.2- Xác định kích thước tiếp điểm

Dạng kết cấu của hệ tiếp điểm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Khi chọndạng kết cấu của hệ tiếp điểm phải đảm bảo tiếp điểm có điện trở tiếp xúcnhỏ Vì dòng điện nhỏ Iđm = 5A nên chọn dạng tiếp xúc của tiếp điểm là tiếpxúc điểm Kích thước tiếp điểm được xác định theo dòng điện định mức đi quatiếp điểm Iđm = 5A, tra theo bảng 2-15/TL1 ta chọn tiếp điểm có kích thướcnhư hình 2-2

- Đường kính tiếp điểm: dtđ = 3 mm

- Chiều cao tiếp điểm: htđ = 1 mm

Hình 2-2 Kích thước tiếp điểm

2.3.3- Độ mở, độ lún tiếp điểm

1) Độ mở tiếp điểm: m

Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểmtĩnh ở trạng thái ngắt của rơle

Phải chọn độ mở cần thiết để hồ quang không xảy nhưng kích thước vàkhối lượng của cơ cấu truyền động đạt được tiêu chuẩn tối ưu

Theo kinh nghiệm:

Với dòng điện: Iđm = 5A

Điện áp: Uđm = 250V

Ta chọn độ mở: m = 4 mm

2) Độ lún tiếp điểm: l

Độ lún l của một tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểmđộng nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại

Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép tiếp điểm và trongquá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn, tiếp điểm vẫn đảm bảo tiếp xúc tốt.Độ lún được tính theo công thức kinh nghiệm (trang 39/TL1)

l = 1,5 + 0,02.5 = 1,6 mm

Như vậy hành trình chuyển động của tiếp điểm là:

δ = m + l = 4 +1,6 = 5,6 (mm)

2.3.4- Lực ép tiếp điểm

Lực ép tiếp điểm đảm bảo tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độdài hạn, trong chế độ ngắn hạn thì lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếpđiểm không sinh ra lực điện động và không bị hàn dính, không bị rung.Lực ép tiếp điểm tính theo 2 cách:

1) Tính theo lý thuyết:

Lực ép tiếp điểm lên một chỗ tiếp xúc theo 6-14/TL1:

Iđm = 5A

HB = (30÷60) kG/mm2 : độ cứng Brinen

Chọn HB = 60 kG/mm2

λ= 4,16 (W/cm.0C): hệ số dẫn nhiệt

A = 2,3.10-8 (V/0C ): hằng số Loren

Ftđ1: lực nén tại một điểm tiếp xúc

Ttd: nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc chính là nhiệt độ thanh dẫntheo Kenvin

Ttd = θtd +273 = 40+273 = 313 (0K)

Ttx: nhiệt độ nơi tiếp xúc

Ttx = Ttd + ΔT

Với: ΔT =(2÷5) 0K

Lực ép lên toàn bộ tiếp điểm: Ftđ = n.Ftđ1

n: số điểm tiếp xúc, tiếp xúc điểm nên: n = 1

2.3.5- Điện trở tiếp xúc

1) Theo công thức lý thuyết:

Theo công thức (trang 49/TL1):

ρôđ: điện trở suất ở θôđ

Nhiệt độ ổn định θôđ lấy bằng nhiệt độ cho phép θcp = 950C

ρôđ = ρ20 1 +α θ.( ôđ −20)

= 1,59.10-8.[1+0,0043.(95-20)]

= 2,1.10-8 (Ωm)

= 0,021.10-6 (Ωm)

n: Số điểm tiếp xúc, Vì tiếp xúc điểm nên n=1

a: Bán kính bề mặt tiếp xúc, được xác định theo công thức (trang50/TL1)

2) Theo công thức kinh nghiệm:

Theo công thức: (trang 50/TL1)

Tra theo bảng trang 51/ TL1 choBạc-Bạc ta được Ktx = 0,6.10-3

+ m= 0,5: hệ số hình dạng bề mặt tiếp xúc

So sánh kết quả giữa lý thuyết và kinh nghiệm ta chọn: Rtx = 3,18.10-3(Ω)

2.3.6- Điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc

Trong trạng thái đóng, điện áp rơi trên mạch vòng dẫn điện chủ yếu là dođiện trở tiếp xúc của các phần tử đầu nối, điện trở của các vật liệu làm tiếpđiểm là không đáng kể đối với Rtx Vì vậy điện áp rơi trên tiếp điểm là:

Utx = Iđm.Rtx = 5.3,18.10-3 = 15,9.10-3 (V)

Theo kinh nghiệm điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc:

Utx = 15,9 (mV) < [Utx]cp = 30 (mV) Điện áp rơi tiếp xúc thoả mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép

2.3.7- Kiểm tra nhiệt độ tiếp xúc

Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng thanh dẫn, ta tính

nhiệt độ tiếp điểm theo công thức (2-11 trang 43/TL1)

2.3.8- Trị số dòng hàn dính

Khi dòng điện đi qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm (quátải, ngắn mạch, khởi động) nhiệt độ tăng lên tiếp điểm bị nay do lực điệnđộng dẫn đến khả năng bị hàn dính Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy,chống hàn dính gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động) Độ ổn địnhnhiệt và độ ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị quatrị số dòng điện hàn dính Ihd, tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm khôngxảy ra

1) Xác định trị số dòng điện hàn dính theo quan hệ lý thuyết:

Theo công thức (2-33, trang 59/TL1)

Ihdbđ = A f Fnc tđ

Với:

+ A: hằng số với từng loại vật liệu tiếp điểm

1

32 .(1 )

32 .(1 )

3

23,14.60.0, 015.10 (1 0,0043.961)

2.3.9- Tính độ rung và thời gian rung của tiếp điểm

Khi tiếp điểm đóng, bắt đầu thời điểm tiếp xúc sẽ có xung lực va đập cơkhí giữa tiếp động và tiếp điểm tĩnh xảy ra hiện tượng rung của tiếp điểm.Tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại tiếp tục va đập

quá trình tiếp xúc rồi lại tách rời giưã tiếp điểm động và tĩnh xảy ra sau mộtthời gian thì kết thúc chuyển sang trang thái tiếp xúc ổn định, sự rung kết thúc Hiện tượng rung được biểu thị bằng độ lớn của biên độ rung Xm là khoảngnảy lớn nhất đầu tiên và thời gian rung tm tương ứng với biên độ rung Xm Tuổithọ của tiếp điểm phụ thuộc rất lớn vào thời gian rung và biên độ rung, quátrình rung được biểu thị bằng đồ thị ở hình 2-3

Xm

tm

Hình 2-3 Biên độ rung và thời gian rung

a) Biên độ rung:

Được xác định theo công thức 2-39(trang63/TL1) cho tiếp điểm cầu:

2

đ đ0 v m

tđđ

m v (1 K )X

mc: trọng lượng đơn vị

Theo kinh nghiệm mc = (5÷7).10-3 (KG/A)

Chọn: mc = 7.10-3 (KG/A)

X

t (s)

+ Kv: hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu

Với vật liệu bạc: Kv = 0,75÷0,9 (trang 63/TL1)

b) Thời gian rung:

Được xác định theo công thức 2-40(trang 63/TL1)

t∑ <  t∑ =10.10 (s)−

Thời gian rung tổng nhỏ hơn giá trị cho phép, đạt yêu cầu

2.3.10- Độ mòn của tiếp điểm

Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch điện.Sự mòn của tiếp điểm dẫn đến làm giảm độ lún, giảm kích thước (chiều cao)của tiếp điểm cũng như giảm khối lượng hoặc thể tích của kim loại tiếp điểm.Nguyên nhân gây sự ăn mòn của tiếp điểm là sự ăn mòn về hoá học, ănmòn về điện và ăn mòn về cơ nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn là do quátrình mòn điện

Khối lượng mòn trung bình của một cặp tiếp điểm cho một lần đóng, ngắtđược xác định theo công thức 2-54 (trang 70/TL1)

gđ + gn = 10-9.(Kđ.Iđ2 + Kng.Kng2).KkđTrong đó:

+ Kkđ: hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đồng đều của cáctiếp điểm

Ở khí cụ điện xoay chiều thường Kkđ = 1,1÷2,5

gđ + gng = 10-9.(0,5.52 + 0,5.52).1,1 = 27,5.10-9 (g)Như vậy khối lượng mòn của một lần đóng ngắt là: 27,5.10-9 (g)

Sau N = 106 lần đóng ngắt thì tiếp điểm mòn:

Gm = 106.27,5.10-9 = 27,5.10-3 (g)Thể tích bị mòn của tiếp điểm là:

3 m

m

G

γTrong đó:

γ = 10,5 kg/dm3: trọng lượng riêng của bạc kéo nguội

Lượng mòn tiếp điểm đạt yêu cầu

2.4- TÍNH TOÁN VÍT ĐẦU NỐI

• Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, đầu nối gồm hai phần: + Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài

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

• Các yêu cầu đối với mối nối:

+ Nhiệt độ các mối nối khi làm việc dài hạn với dòng điện định mứckhông được tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và

lực ép tiếp xúc Ftx đủ để điện trở tiếp xúc Rtx không lớn và ít tổn hao côngsuất.

+ Khi tiếp xúc mối nối có đủ độ bền cơ và nhiệt khi có dòng ngắnmạch chạy qua

• Ta chọn kết cấu vít đầu nối có dạng mối nối tháo rời đước bằng vít.Với Iđm = 5A, tra theo bảng 2-9/TL1 , ta chọn bulông bằng đồng có đườngkính ren hệ mm là 3 mm: M3

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

đm tx tx

I S J

= Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng, mật độ dòng điện có thể lấy bằng0,31A/mm2 với dòng điện xoay chiều tần số f= 50Hz, dòng định mức nhỏ hơn200A (theo trang 28 /TL1)

(0,102.F )

m: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc

m = 0,5: tiếp xúc điểm

m = 0,5÷0,7: tiếp xúc đường

m = 0,7÷1: tiếp xúc mặt

Tiếp xúc tại đầu nối là tiếp xúc mặt nên chọn m =1

Ktx: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếpđiểm (đồng – đồng)

Bulông đã chọn thoả mãn yêu cầu