ĐỒ án tốt NGHIỆP 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.. Do đó khí cụ điện là loại thiết bị khôn

LỜI NÓI ĐẦU

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

vi hơn và dễ 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

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

Khi công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu cuộc sống ngày càng đòi hỏi cao hơn, càng cần thiết phải có các khí cụ điện nhiều về số lượng, tốt

về chất lượng và hoàn hảo hơn Đặc biệt theo xu thế chung, các khí cụ điện hiện đại còn đòi hỏi phải có khả năng tự động hoá

Chính vì vai trò cần thiết của khí cụ điện nên việc nghiên cứu các phương pháp thiết kế, tính toán của khí cụ điện là một nhiệm vụ quan trọng không ngừng được hoàn thiện

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 Hữu khoảng thời gian 4 tháng em đã tiến hành thiết kế một loại khí cụ điện mà trong các mạch điều khiển không thể thiếu được Đó là rơle trung gian xoay chiều

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

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

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn công Luận

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, do nhiều 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 cấu tạo và các thông số cơ bản đều như nhau

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

II Hệ thống tiếp điểm.

Tiếp điểm gồm có tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh Tiếp điểm có dạng hình trụ cầu, tiếp xúc theo hình thức tiếp xúc điểm được gắn lên thanh dẫn theo kiểu bắc cầu Các tiếp điểm chuyển động theo lực hút điện từ thông qua cần chuyển động điều chỉnh khoảng cách giữa khe hở tiếp điểm chính khoảng cách giữa khe tiếp điểm dễ dàng qua việc điều chỉnh khe hở không khí làm việc của nam chân điện

III Chọn nam châm điện

+ Nam châm điện đóng vai trò cơ cấu chuyển động trong rơle, nó quyết 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 hút chập 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 Thanh dẫn 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 từ kiểu 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 trong chế 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

7 Cần truyền động

8 Lò xo nhả

9 Vòng ngắn mạch

10 ổ trượt của cần truyền động

Nguyên lý làm việc

* Tiếp điểm thường mở khi chưa có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở trạng thái mở (ngắn mạch)

Hình 2

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

Hình 3 Khi đặt điện áp nguồn Unguồn lên cuộn dây của nam châm điện trong cuộn dây sinh ra từ thông φ khép mạch qua mạch từ của nam châm điệm

và qua khe hở không khí δ (khe hở lam việc) Từ thông φδ sinh ra lực hút điện 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 thường đóng sẽ mở ra)

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

IV Khoảng cách cách điện

Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện đóng một vai trò khá quan trọng 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: điện áp, môi trường làm việc…

Việc xác định các khoảng cách cách điện trong khí cụ điện hạ áp thường 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 ở trạng 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 nên chọn theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệp điện 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 ta chọn khí cụ điện trong mạch điều khiển và tín hiệu, ứng với nó có khoảng cách điện giữa các phần tử dẫn điện, cụ thể là khoảng cách cách điện giữa các thanh dẫn lcđ = 10mm

Hình 4

l c®

PHẦN II : TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

Mạch vòng dẫn điện là bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thước hợp thành

Mạch vòng dẫn điện của rơle bao gồm các bộ phận sau:

- Thanh dẫn: Thanh dẫn động và tĩnh

- Đầu nối

- Hệ thống tiếp điểm: + Giá đỡ tiếp điểm

+ Tiếp điển động + Tiếp điểm tĩnh

I Thanh dẫn

1 Xác định kích thước thanh dẫn động

a Chọn vật liệu.

Thanh dẫn đồng cũng đồng thời là lò xo lá dùng để ép tiếp điểm, các tiếp điểm được gắn trên các thanh dẫn Vật liệu làm thanh dẫn bằng đồng phốt pho bằng cứng, có đặc điểm là vừa dẫn điện tốt vừa có tính đàn hồi cao, thanh dẫn có tiết diện hình chữ nhật, có các thông số kỹ thuật sau (tra bảng của tài liệu 1)

Ký hiệu: : Ρ Ο φ 6.5

Nhiệt độ nóng chảy : 10830C

Điện trở suất ở 200C : ρ = 0,0177.10-6 (xΩ cm)

Hệ số nhiệt điện trở : α = 0,0043 (1/0C)

Độ dẫn điện : λ = 393 W/mdeg

Nhiệt dung riêng : Cp = 386J/kgdeg

Nhiệt lượng nóng chảy : 50,6 J/g

Nhiệt lượng bay hơi : 770,0 J/g

Modul đàn hồi : E = 100.103N/mm2

Modul trượt : Et = 42.103N/mm2

Độ cứng : HB = 91 kg/mm2

ứng suất uốn cho phép : σu = 186 N/mm2-

Giới hạn đàn hồi : σK = 550 N/mm2

Giới hạn đàn hồi : σth = 320 N/mm2

Hệ số nở dài : 17,7.10-6 1/0C

Tỷ trọng : γ = 8,9kg/dm3

b Kết cấu của thanh dẫn động

Hình 5 Tiết diện và kích thước các cạnh a,b của các chi tiết thanh dẫn hình chữ nhật được xác định theo công thức (2 - 5)/19 tài liệu 1

2

3

t «d

I K

b =

2n n + 1 K

Trong đó: n = a

b = 5 ÷ 12: Hệ số hình dáng

Chọn n = 12

Iđm = 5A

Kf = Kbm Kg = 1,03 ÷ 1,06 : là hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần

Chọn Kf = 1,06

KT: hệ số toả nhiệt không khí theo bảng (6 -5)/300 tài liệu 1

Chọn KT = 9.10-6 [W] mm2 0C

τôđ : Độ tăng nhiệt độ ổn định

τôđ = [θ] - θ0 = 950C - 400C = 550C

Điện trở suất của đồng phốt pho ở nhiệt độ ổn đinh: θôđ = 950C

a

b

ρθ = ρ20 [1+ α (θôđ - θ20)]

= 0,0177 10-3 [ 1 + 0,0043 75] = 0,0234 10-3 ( Ωmm) Vậy:

−

−

+

3

6

5 0, 0234.10 1, 06

0,16

1 12 1 12.9.10 55

Suy ra: a = n b = 12 0,16 = 1,92 mm

- 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 tiếp điểm 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)

Ta chọn: b = 0,4 (mm)

a = 5 (mm)

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

+ Tiết diện thanh dẫn động:

Stđ = a b = 5 0,4 = 2 mm2 + Mật độ dòng điện qua thanh dẫn

Jtđ = ®m

td

I 5

=

S 2 = 2,5 A/mm2 Với [Jcp ] = 1,5 ÷ 4 A/mm2

* 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:

θôd = θtd = ®m 0 T T mt

2

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

ρ 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

0

20

0, 0177.10

1 1 0, 0043.20

−

+ θ +

ρ ρ

α

= 0,0163 10-3 ( Ωmm)

2 Tính toán thanh dẫn động ở chế độ ngắn mạch

Theo công thức ( 6 - 11)/ 321 tài liệu 1 ta có:

2

2

td

I t

S = Anm - Ađ = Abn - Ađ

Suy ra: Inm = Ibn = Std bn ®

nm

A - A t Với: Inm = Ibn: là dòng ngắn mạch - dòng điện bền nhiệt

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 θbn của đồng phốt pho cho phép bằng 3000 thì:

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

θôđ = 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

+ tbn = 3s

→ Ibn = 200 2,15

3 = 169,3 (A)

→ Ibn = bn

td

I 169,3

=

S 2 = 84,7 (A) + tbn = 4s

→ Ibn = 200 2,15

3 = 146,3 (A)