Tài liệu thiết kế CONTACTOR xoay chiều, chương 3 doc

a/ Chọn vật liệu:Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy t-ơng đối cao, khối l-ợng nhẹ … do đó ta có thể c

Ch-ơng III

Mạch vòng dẫn điện

3.1 Khái niệm chung

Trong công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ phận quan trọng, nó

có chức năng dẫn dòng, chuyển đổi và đóng cắt mạch điện Mạch vòng dẫn

điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích th-ớc hợp thành Đối với công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính nh- sau:

- Thanh dẫn: Gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh Thanh dẫn có chức năng truyền tải dòng điện

- Đầu nối: gồm vít và mối hàn

- Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, có chức năng đóng ngắt dòng điện

- Cuộn thổi từ

Do đó nhiệm vụ tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện là phải xác

định các kích th-ớc của các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện Tiết diện và kích th-ớc của các chi tiết quyết định cơ cấu mạch vòng và cũng nh- quyết

định kích th-ớc của Công tắc tơ xoay chiều 3 pha

Trình tự thiết kế mạch vòng dẫn điện

3.2 Mạch vòng dẫn điện chính

3.2.1 Thanh dẫn

Các b-ớc tính toán thanh dẫn:

- Xác định tiết diện và các kích th-ớc của thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn và các chế độ làm việc khác

- Sau khi tính toán kiểm nghiệm lại tiết diện và các kích th-ớc của nó

ở chế độ làm việc dài hạn, chế độ ngắn mạch

1 Thanh dẫn động

a/ Chọn vật liệu:

Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép

đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy t-ơng đối cao, khối l-ợng nhẹ … do đó ta có thể chọn Đồng kéo nguội làm vật liệu cho thanh dẫn

động

Các thông số của đồng kéo nguội:

Nhiệt độ nóng chảy (nc) 10830C

Điện trở suất ở 200C (20) 0,0174.10-3mm

Độ cứng Brinen (HB) 80 120 kG/cm2

Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0043 l/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([ cp]) 950C

b/ Tính toán thanh dẫn

- Chọn kết cấu thanh dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật với bề rộng

a, bề dầy b

Theo công thức 2 - 6 (TL1):

b = 3 2 .

2 .( 1) ô







Trong đó:

b

a

l

- I = 30A: dòng điện định mức

- n: hệ số hình dáng, n = a/b = 5  10, chọn n = 8

- Kf: hệ số tổn hao phụ đặc tr-ng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần

Kf = Kbm KG = 1,03  1,06 Chọn Kf = 1,05

- KT: hệ số tản nhiệt, KT = (6  12) 106 (W/0 C.mm2)

-: điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định

 = 20 [1 + ( - 20)]

20: điện trở suất của vật liệu ở 200C

: hệ số nhiệt điện trở của vật liệu

: nhiệt độ ổn định của đồng, ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho phép  = [] = 950C

 95 = 0,0174 10-3 [1+4,3.10-3(95 - 20)]  0,023.10-3 (.mm)

-ôđ: độ tăng nhiệt ổn định

ôđ =  - mt với mt = 400C là nhiệt độ môi tr-ờng

 ôđ = 95 - 40 = 550C

Vậy ta có: b= Error!  1,27 mm

a= b n = 1,27 8 = 10,16 mm

Tuy nhiên để đảm bảo cho thanh dẫn động có thể chịu đ-ợc phát nóng thì a> dtđ (dtđ: đ-ờng kính tiếp điểm)

Tra bảng 2 - 15 với Iđm = 30A thì dtđ = 16  20 mm, tuy nhiên nhờ công nghệ vật liệt hiện đại và có độ bền cao nên ta chọn đ-ờng kính tiếp

điểm là dtđ= 8mm Do đó ta chọn a= 10mm, b= 2mm

c/ Kiểm tra kích th-ớc làm ở điều kiện làm việc dài hạn

- Diện tích thanh dẫn:

S= a b = 2 10 = 20 mm2

- Chu vi thanh dẫn:

P= 2.(a+b) = 2 (10+2) = 24 mm

- Mật độ dòng điện:

j = Error!= 30

20= 1,5 A/ mm2 < [j] = 2  4 A/mm2

 thỏa mãn về kết cấu

- Nhiệt độ thanh dẫn:

Từ công thức 2 -4 (TKKCĐHA) ta có:

S.P = Error! = Error!

 od = td = Error!

với 0: điện trở suất của đồng kéo nguội ở 00C

0 = Error! = Error! = 0,016.10-3 (.mm)

mt: nhiệt độ môi tr-ờng, mt = 400C

Thay vào ta có:

td= Error! = 63,530C

Vậy td < [cp] = 950C  thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ

định mức

d/ Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch

Đặc điểm của quá trình ngắn mạch

- Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn

- Thời gian tác động nhỏ

Từ đặc điểm trên rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch nhiệt độ thanh dẫn tăng lên rất lớn có thể làm thanh dẫn bị biến dạng Do đó cần phải kiểm tra

khi có ngắn mạch thì mật độ dòng điện thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng

điện cho phép không

Từ công thức 6 - 21 (TKKCĐHA):

Error!= Error!= j2

nm tnm = Anm - Ad = Abn - Ad

 jnm = Error!

Trong đó:

Inm = Ibn : dòng điện ngắn mạch hay dòng điện bền nhiệt

tnm = tbn : thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt

S : tiết diện thanh dẫn động

Anm = Abn : hằng số tích phân ứng với ngắn mạch hay bền nhiệt

Ađ : hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu Tra đồ thị hình 6 - 6 ta có:

Với bn = 3000C có Abn = 3,75 10-4 A2s/mm4

đ = 950C có Ađ = 1.6.104 A2s/mm4

tnm jnm (A/mm2) [jnm]cp (A/mm2)

Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép, nên thanh dẫn có thể chịu đ-ợc ngắn mạch

Hình dáng của thanh dẫn động:

hình vẽ

2 Thanh dẫn tĩnh

Thanh dẫn tĩnh đ-ợc nối với tiếp điểm tĩnh và gắn với đầu nối Vì vậy thanh dẫn tĩnh phải có kích th-ớc lớn hơn thanh dẫn động

Ta có thể chọn kích th-ớc thanh dẫn tĩnh nh- sau:

a = 10 mm

b = 2 mm

để thuận lợi cho việc dập hồ quang, tận dụng nguồn lực điện động khi

đóng cắt ta chọn đầu tiếp điểm tĩnh hình vòng nh- d-ới đây

hình vẽ

3.2.2 Đầu nối

Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú

ý dễ bị hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao

Có thể chia đầu nối làm hai loại:

- 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 ở dài hạn với dòng điện định mức không đ-ợc tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích th-ớc và lực

ép tiếp xúc Ftx đủ để điện trở tiếp xúc Rtx không lớn, ít tổn hao công suất

- Khi tiếp xúc mối nối cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua

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

Kết cấu của mối nối gồm có: mối nối có thể tháo rời đ-ợc, không thể tháo rời đ-ợc, mối nối kiêm khớp bản lề có đầu nối mềm hoặc không có dây nối mềm, ở đây ta chọn mối nối có thể tháo rời đ-ợc và bằng bu lông

Với dòng điện định mức Iđm = 65A theo bảng 2 - 10 (TKKCĐHA) chọn bu lông bằng thép CT3 có đ-ờng kính hệ ren mm M8 x 25

hình vẽ

Diện tích bề mặt tiếp xúc: Stx = Error!

Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng có tần số f = 50 Hz và dòng điện

định mức Iđm < 200A thì có thể lấy mật độ dòng điện j = 0,31 A/mm2

 Stx = 65; 031 = 210 (mm2)

Lực ép tiếp xúc: Ftx = ftx Stx

với ftx là lực ép riêng trên các mối nối, ftx = 100  150 kG/cm2

Chọn ftx = 100 kG/cm2 = 100.10-2 kG/cm2

 ftx = 100.10-2.210 = 210 (kG)

Điện trở tiếp xúc:

Rtx = Error!

với Ktx = 0,12 10-3 , m = 0,8 (tiếp xúc mặt)

 Rtx = 12.10-3-;(0,102.2100)0 0.8= 1,64.10-6

Điện áp tiếp xúc:

Utx = Iđm Rtx = 65.1,64.10-6 = 1,065.10-4 V

=> Utx = 0,107mV Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([Utx]cp= 30mV), nên bu lông đã chọn thỏa mãn yêu cầu

3.2.3 Tiếp điểm

1 Nhiệm vụ của tiếp điểm

- Tiếp điểm làm nhiệm vụ đóng cắt điện

2 Yêu cầu đối với tiếp điểm

- Khi Công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm

- Với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch) tiếp

điểm phải chịu đ-ợc độ bền nhiệt và độ bền điện động Hệ thống tiếp điểm dập hồ quang phải có khả năng đóng ngắt cho phép không bé hơn trị số định mức

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

3 Vật liệu làm tiếp điểm

Vật liệu làm tiếp điểm cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và

điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị oxy hóa, khó hàn dính, độ cứng cao,

đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 65A

Từ bảng 2-13 (TKKCĐHA) ta chọn vật liệu là bạc niken than chì, với các thông số kỹ thuật sau: (Đồng Cadimi)

Nhiệt độ nóng chảy (nc) 13000C

Điện trở suất ở 200C (20) 0,035.10-3mm

Độ cứng Brinen (HB) 45 65 kG/cm2

Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0035 1/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([ cp]) 950C

Kích th-ớc của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích th-ớc của thanh dẫn động hoặc của thanh dẫn tĩnh

Đối với dòng điện định mức Iđm = 65A từ bảng 2 - 15 (TKKCĐHA) ta có:

Đ-ờng kính tiếp điểm dtđ = 16mm Chiều cao tiếp điểm htđ = 2mm Tuy nhiên do công nghệ làm vật liệu phát triển và chất l-ợng vật liệu

đ-ợc nâng cao nên ta chọn:

Đ-ờng kính tiếp điểm dtđ = 8mm Chiều cao tiếp điểm htđ = 2mm

4 Lực ép tiếp điểm

Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình th-ờng ở chế

độ dài hạn, mà trong chế độ ngắn hạn dòng điện lớn, lực ép tiếp điểm phải

đảm bảo cho tiếp điểm không bị xảy ra do lực điện động và không bị hàn dính khi tiếp điểm bị đẩy và bị rung

- Theo công thức kinh nghiệm:

Ftđ = ftđ x Iđm Tra bảng 2 - 17 ta chọn ftđ = 10 G/A

Ftđ = 10 x 65 = 650g = 0,65 (kG)

- Tính theo công thức lý thuyết 2-14 (TL1), tại một điểm tiếp xúc, lực

ép tiếp điểm sẽ là:

Ftđ1 = I2

đm Error! Error!

trong đó:

- A = 2,3 10-8 (V/0C): hằng số Loen

- HB: độ cứng Brinel của tiếp điểm

HB = 45 kG/mm2

- = 3,9 W/cm 0C - hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn

- Ttđ: nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát nóng dài hạn

Ttđ = 63,53 + 273 = 336,53 0K

- Ttx = tđ + Error! + 273 = 63,53 + Error!+ 273

= 356,530K

 Ftđ1 = 652 3.10-8..45;16.(0,39)2 2 Error!= 0,121 (kG)

Do tiếp điểm tiếp xúc mặt nên n=3

Ftđ = Ftđ1 n = 0,121 3 = 0,363 kG

5 Điện trở tiếp điểm

Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm đ-ợc tính theo công thức thực nghiệm

2 - 25

Rtđ = Error!

trong đó:

Ftđ = 3,63 (N)

Ktx: hệ số kể đến sự ảnh h-ởng của vật liệu và trạng thái bề mặt

bề mặt của tiếp điểm, Ktx = (0,2  0,3).10-3, chọn Ktx = 0,2.10-3

Do tiếp xúc nên chọn m = 0,8 Thay vào ta có:

Rtx = Error! = 4,43.10-4

6 Điện áp tiếp xúc của tiếp điểm

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 tử đầu nối, điện trở của các vật liệu làm tiếp điểm là không đáng kể so với R tx, vì vậy công thức điện áp rơi trên tiếp điểm sẽ bằng:

Utx = Iđm.Rtx = 65.4,43.10-4 = 0,029V

 Utx = 29 mV Vậy điện áp nơi tiếp xúc Utx thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép [Utx] = 2  30 mV

7 Nhiệt độ tiếp điểm và nhiệt độ nơi tiếp xúc

Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn, có tiếp điện không đổi, giả thử có một đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt xa nơi tiếp xúc

Nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm:

td = mt + Error!+ Error!

2.4 42.10-5;20.24.20.10-6 + 65

2.1 64.10-6;2 0 312.20.24

=

790C

Nhiệt độ nơi tiếp xúc:

tx = td + Error! = 79 + Error! = 86,210C trong đó:

- = 20 (1 + .( - 20)) = 3,5.10-5.(1+0,325.(95-20)) = 4,42.10-5mm

-mt: nhiệt độ môi tr-ờng, mt = 400C

- Rtđ, Rtx: điện trở tiếp điểm và điện trở tiếp xúc

- D, S: chu vi, diện tích

8 Dòng điện hàn dính

Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm (quá tải, khởi động, ngắn mạch), nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện

động dẫn đến khả năng hàn dính Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn dính gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động) Độ ổn định nhiệt và ổn định điện động là các thông số quan trọng đ-ợc biểu thị qua trị

số dòng điện hàn dính Ihd, 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

Trị sóo dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2 - 33 (TL1)

Ihdbđ = A fnc Ftd (A) trong đó: A = Error!

0: điện trở suất của vật liệu ở 200C Ta có 20 = 0(1 +.20)

 0 = Error!

 0 = Error! = 1,6 10-8 (m)

: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu

 = 3,25 W/cm 0C = 0,325 W/mm 0C

nc: nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, nc = 13000C

HBo: độ cứng Brinel

HBo = 45 kG/mm2

 A = Error! = 1931

fnc: hệ số đặc tr-ng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát nóng, chọn fnc = 3

Ftđ = 0,363 kG

Ihd = 1931 3 0 363 = 2015,3 (A) Tính theo công thức thực nghiệm 2 - 36 (TL1)

Ihđ = Khđ Ftd

Ktđ: hệ số hàn dính, chọn Khđ = 2000 A/kG0,5

Ftđ = 0,363 kG

Ihđ = 2000 0 363 = 1205 (A) Nh- vậy: Ihđ > 10 Iđm = 10 65 = 650(A), đảm bảo cho tiếp điểm không bị hàn dính

9 Độ rung và thời gian rung của tiếp điểm

Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc sẽ có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây ra hiện t-ợng rung tiếp

điểm Tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại va tiếp tục

va đập, quá trình này xảy ra trong một khoảng thời gian rồi chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định, sự rung kết thúc Quá trình rung đ-ợc đánh giá bằng độ lớn của biên độ rung Xm và thời gian rung tm

Theo công thức 2 - 39, biên độ rung cho 3 tiếp điểm th-ờng mở là:

Xm = Error!

Với:

mđ: khối l-ợng phần động

mđ = Error!= Error!= Error!= 66,26 (G.s2/m)

vđo: tốc độ tiếp điểm tại thời điểm va đập

vđo = 0,1 m/s

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

Chọn Kv = 0,85

Ftđđ: lực ép tiếp điểm đầu, Ftđđ = 36,3

 Xm = Error!

= 4,56 10-5 m = 0,0456 mm Theo công thức 2 - 20, thời gian rung ứng với biên độ rung Xm là:

tm = Error!

= Error! = 4,71 10-3 (s) = 4,71 ms

Tổng thời gian rung: tm = (1,5 1,8).2 tm

Chọn tm = 1,5 2 tm = 1,5 2 4,71 = 14,13 ms

10 Độ mòn của tiếp điểm

Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch điện Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, về cơ và về điện trong đó chủ yếu là do quá trình mòn điện

Khối l-ợng mòn trung bình của một cấp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là:

gđ + gng = 10-9 (Kđ.I2

d + Kng.I2ng) Kkđ

trong đó:

Kkđ: hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của các tiếp

điểm, Kkđ = 1,1  2,5, chọn Kkđ = 1,1

Kđ và Kng: hệ số mòn khi đóng và khi ngắt, tra bảng 2 - 21 ta có:

Kng = Kđ= 0,01 (g/A2)

Iđ và Ing: dòng điện đóng và dòng điện ngắt

Iđ = 2.Iđm= 2.65=130A

Ing = 3 Iđm = 3.65= 195A

gđ và gng: khối l-ợng mòn riêng của mỗi một lần đóng và ngắt

 gđ + gng = 10-9 (0,01.1952 + 0,01.1302).1,1

= 6,04.10-7 (g) Sau N = 106 lần đóng ngắt, khối l-ợng mòn là:

Gm = N.(gđ + gng)

= 106.6,04.10-7 = 0,604 g Vì tiếp điểm cầu có hai điểm ngắt, tính cho một chỗ tiếp xúc:

Gml = Error!= Error!= 0,302 (g)

Thể tích mòn:

Vm = Error!= Error!= 0,035 (cm3) = 35 (mm3) Thể tích ban đầu của tiếp điểm:

Vtđ = h  Error!= 2  Error!= 100,53 (mm3) L-ợng mòn của tiếp điểm sẽ là:

Vm% = Error! 100% = Error!.100% = 34,82%

11 Độ lún, độ mở của tiếp điểm

a/ Độ mở:

- Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm rộng và tiếp

điểm tĩnh ở trạng thái ngắt của công tắc tơ

- Độ mở cần phải đủ lớn để có thể dập tắt hồ quang nhanh chóng, nếu

độ mở lớn thì việc dập tắt hồ quang sẽ dễ dàng Tuy nhiên khoảng cách quá lớn sẽ ảnh h-ởng tới kích th-ớc của công tắc tơ

- Theo kinh nghiệm với dòng Iđm = 65A và điện áp Uđm = 400V ta chọn

độ mở m = 3mm

b/ Độ lún:

- Độ lún l của tiếp điểm là quãng đ-ờng đi thêm đ-ợc của tiếp điểm

động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại

- Việc xác định độ lún của tiếp điểm là cần thiết vì trong quá trình làm việc tiếp điểm sẽ bị ăn mòn, để đảm bảo tiếp điểm vẫn tiếp xúc tốt thì cần có một độ lún hợp lý.,

- Chọn độ lún theo công thức kinh nghiệm với dòng điện Iđm = 65A thì độ lún

l = 3  4 mm Chọn l = 3 mm