Đồ án tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA RƠLE LỜI NĨI ĐẦU Trong ngành cơng nghiệp điện năng, từ khâu sản xuất truyển tải, phương pháp tiêu thụ điện phải sử dụng khí cụ như: áp tơ mát, cơng tắc tơ, rơ le cầu dao… Để phân phối điều khiển, bảo vệ nhằm đảm bảo hiệu kinh tế an tồn sử dụng Khí cụ thiết bị, cấu điện tuỳ theo lĩnh vực sử dụng chia thành nhóm, nhóm lại chia thành nhiều chủng loại khác Các nhóm là: Nhóm khí cụ điện phương pháp lượng điện áp cao gồm: dao cách ly, máy ngắt, biến dòng… Nhóm khí cụ điện phương pháp lượng điện áp thấp gồm: cầu dao, cầu chì… Nhóm khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ, khống chế điều khiển… Nhóm khí cụ điện gồm rơ le bảo vệ như: rơ le dòng điện, rơ le điện áp, rơ le thời gian, rơ le trung gian… Nhóm khí cụ dùng sinh hoạt: ổ cắm, phích điện… Khi thiết kế loại khí cụ điện phải thoả mãn hàng loạt yêu cầu sản phẩm công nghiệp đạt Đó yêu cầu kỹ thuật, vận hành, kinh tế, xã hội biểu qua tiêu chuẩn chất lượng định mức nhà nước, ngành Các yêu cầu kỹ thuật độ bền nhiệt chi tiết, pận làm việc chế độ định mức có cố xảy ra, độ bền tính chịu mịn (của phận), độ bền cách điện khả đóng ngắt thiết bị Một yêu cầu kỹ thuật kết cấu phải đơn giản, khối lượng kích thức bé Các yêu cầu vận hành như: độ tin cậy cao, dễ thao tác, sửa chữa, chi phí cho vận hành tổn hao thấp, thời gian sử dụng lâu dài Trong vận hành phải lưu ý đến yếu tố như: độ ẩm, độ cao, nhiệt độ… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Các yêu cầu kinh tế, xã hội công nghệ chế tạo: giá thành phải hạ, phải có tính thẩm mỹ kết cấu, tính cạnh tranh, khả lắp lẫn khả phát triển tương lai Một khí cụ điện thường gặp nói chung phải có phận chủ yếu là: - Mạch vòng dẫn điện gồm: dẫn, đầu nối, tiếp điểm… - Hệ thống dập hồ quang - Các cấu trung gian - Nam châm điện - Các chi tiết cụm cách điện - Các chi tiết kết cấu, vỏ, thùng Rơ le loại khí cụ tự động đóng ngắt mạch điều khiển, bảo vệ điều khiển làm việc mạch điện Tuỳ theo nguyên lý làm việc, tuỳ theo đại lượng điện giá trị dòng áp vào mà có nhiều loại rơ le khác như: rơ le điện từ, rơ le nhiệt, rơ le cảm ứng, rơ le bán dẫn, rơ le dòng điện, rơ le điện áp rơ le trung gian Ở Việt Nam chế tạo loại khí cụ điện nói chung rơ le nói riêng Tuy nhiên chất lượng chưa cao (tuổi thọ khơng lớn) Khi cần loại khí cụ có độ tin cậy cao chất lượng tốt đa phần nhập từ nước Trong nội dung đồ án trình bày phần tính tốn thiết kế rơ le trung gian điện từ kiểu kín Có thơng số ban đầu: + tiếp điểm thường đóng, tiếp điểm thường mở + Uđm = 220V + Iđm = 5A + f = 50 Hz + Điện áp điều khiển Uđmđk = 220V, f = 50 Hz Làm việc liên tục, cách điện cấp B Tuổi thọ điện 106 lần đóng cắt, tuổi thọ 107 lần đóng cắt ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG I: XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA RƠLE I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RƠ LE: - Rơ le thiết bị điều khiển tự động Khi tín hiệu đầu vào, đạt giá trị xác định, nhảy cấp làm biến đổi tín hiệu đại lượng đầu I.1 Cấu tạo Rơle: Rơ le gồm có cấu chính: + Cơ cấu thu: Tiếp nhận tín hiệu đầu vào biến đổi thành đại lượng cần thiết để rơle hoạt động + Cơ cấu trung gian: So sánh đại lượng biến đổi với mẫu truyền tín hiệu đến cấu chấp hành + Cơ cấu chấp hành: Phát tín hiệu cho mạch điều khiển I.2 Phân loại rơle: Rơle phân loại theo công dụng nguyên lý làm việc + Loại rơle có tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển cách đóng ngắt tiếp điểm + Loại rơle khơng tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển cách thay đổi đột ngột tham số cấu chấp hành mắc mạch điều khiển + Theo đặc tính tham số đầu vào ta chia rơle dịng điện; rơle điện áp; rơle công suất; rơle tần số… Những loại rơle điều chỉnh theo giá trị cực đại hay cực tiểu hiệu số tín hiệu chiều tín hiệu + Theo phương pháp mắc cấu thu vào mạch ta chia loại rơle: - Rơle mạch sơ cấp: Mắc trực tiếp vào mạch điều khiển - Rơ le mạch thứ cấp: Mắc gián tiếp qua biến áp hay biến dòng - Rơle trung gian: Làm việc tác động tín hiệu từ rơle khác, với nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu chia tác động lên nhiều mạch điều khiển khác + Theo mục đích sử dụng chia nhóm bản: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Rơle bảo vệ mạng điện: Thường rơle mạch nhị thứ (thứ cấp) Các cấu thu chấp hành chúng thường thiết kế với dòng điện bé - Rơle điều khiển: Thường loại rơle mạch sơ cấp - Rơle tự động liên lạc: Có thể rơle mạch thứ cấp loại sơ cấp, chúng làm nhiệm vụ đảm nhiệm q trình tự động thơng tin liên lạc I.3 Các yêu cầu thiết kế: + Các yêu cầu kỹ thuật: - Đảm bảo độ bền nhiệt chi tiết, phận rơle làm việc chế độ định mức chế độ cố - Đảm bảo độ bền cách điện chi tiết, phận cách điện khoảng cách cách điện làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài điều kiện xung quanh (như mưa, bụi, bẩn…) có điện áp nội - Đảm bảo độ bền tính chịu mịn phận rơle giới hạn số lần thao tác thiết kế, thời gian làm việc chế độ định mức chế độ cố - Khả đóng ngắt chế độ cố chế độ định mức - Khi U = 85% Uđm lực hút điện từ nam châm điện phải đảm bảo đủ để hút tiếp điểm tiếp xúc - Khi U = 110% Uđm cuộn dây khơng q trị số cho phép để lò xo nhả tác động - Kết cấu phải đơn giản; khối lượng kích thước phải nhỏ gọn + Các yêu cầu vận hành: - Độ tin cậy cao - Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài - Đơn giản dễ thao tác, dễ thay thế, dễ sửa chữa - Phí tổn vận hành ít, tiêu tốn lượng + Các yêu cầu kinh tế xã hội: - Giá thành hạ - Kết cấu phải có thẩm mỹ - Vốn đầu tư chế tạo, lắp ráp vận hành II GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RƠLE ĐIỆN TỪ II.1 Tác dụng: Để bảo vệ mạch điện có cố ngắn mạch hay tải điện áp ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Rơle điện từ cấu tạo đơn giản, lực hút điện từ (Fđt) lớn rơle điện từ sử dụng rộng rãi + Rơle điện từ có loại chiều xoay chiều cơng suất từ vài wát đến hàng nghìn wát, cơng suất tiêu thụ khoảng vài chục wát + Thời gian tác động rơle điện từ khoảng – 20ms + Rơle điện từ có loại: Dòng điện, điện áp cực đại cực tiểu, rơle cơng suất, rơle tổng trở, tần số, trung gian, tín hiệu… II.2 Sơ đồ cấu tạo Thân mạch từ Nắp mạch từ Lò xo nhả Cuộn dây Tiếp điểm tĩnh 6 Tiếp điểm động II.3 Nguyên lý hoạt động: - Khi đưa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện cuộn dây sinh sức từ động F = IW Sức từ động sinh từ thông khe hở khơng khí nam châm điện φδ Khi Fđt > Fph (lực hút điện từ lớn lực phản hồi) làm cho nắp nam châm điện đóng lại nhờ dẫn động làm tiếp xúc tiếp điểm tĩnh động lại với - Khi dịng điện đưa vào cuộn dây nam châm điện I = -> Fđt = -> Fph > Fđt lò xo kéo nắp nam châm trở vị trí ban đầu tiếp điểm tĩnh đưa vị trí ban đầu tách tiếp điểm tĩnh động khỏi III LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ: III.1 Phân tích mẫu: Để có kết cấu hợp lý phù hợp với công nghệ chế tạo yêu cầu đề tài ta tiến hành khảo sát số loại rơle điện từ trung gian số nước ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP a Rơle Liên Xô cũ sản xuất : - Nam châm hút chiều xoay chiều - Mạch từ hút chập cho lực hút điện từ lớn - Nam châm hĩnh chữ U - Tiếp điểm: Một pha hai chỗ ngắt, kiểu bắc cầu; khơng có dây nối mềm Ưu điểm: - Kết cấu chắn - Tuổi thọ cao - Độ tin cậy cao - Dễ tháo lắp, thay thế, sửa chữa chi tiết Nhược điểm: - Kích thước trọng lượng lớn b Rơle Nhật Bản sản xuất: - Có nhiều loại chủ yếu kiểu hút chập - Kết cấu kiểu Công Sôn -> pha chỗ ngắt có dây dẫn nối mềm Ưu điểm: - Kích thước nhỏ, gọn - Mẫu mã hình dáng đẹp Nhược điểm: - Cơng nghệ chế tạo cao - Độ tin cậy không cao * Kết luận: Từ hai loại rơle Liên Xô cũ Nhật Bản sản xuất yêu cầu thiết kế đồ án ta chọn loại rơle Liên Xô cũ sản xuất làm nhiệm vụ thiết kế III.2 Lựa chọn phương án thiết kế : Qua quan sát tìm hiểu kết cấu rơle nước kể ta thấy chúng thường có cấu chung gần giống - Kiểu hút chập - Dạng mạch từ hình chữ U - Tiếp điểm động bố trí - Kết cấu đơn giản ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - Lò xo nhả - Lẫy gạt - Cuộn dây 10 - Vòng ngắn mạch - Cần chuyển động - Tiếp điểm tĩnh, dẫn tĩnh - Tiếp điểm động, dẫn động - Đế giữ mạch từ - Thân mạch từ - Vỏ 11 - Nắp mạch từ 12 - Cơ cấu truyền đông 13 - Dây dẫn cuộn dây 14 - Lẫy giữ vỏ 15 - Đế 16 - Thanh giữ định hướng chuyển động cho truyền động a Chọn tiếp điểm: Tiếp điểm phận quan trọng rơle, ảnh hưởng đến độ bền, hư hỏng rơle Tuy thuộc vào dịng điện, chức kết cấu hình thức tiếp xúc tiếp điểm rơle mà lựa chọn tiếp điểm cho phù hợp phải thoả mãn yêu cầu sau: - Nhiệt độ: Phát sáng bề mặt tiếp xúc chế độ làm việc dài hạn phải nhỏ nhiệt độ cho phép với dòng điện lớn tiếp điểm phải chịu độ bền nhiệt độ bền điện động - Điện trở tiếp xúc ổn định độ rung không vượt giá trị cho phép b Chọn nam châm điện: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Theo nguyên lý truyền động điện từ nam châm có dạng nắp hút chập hay hút quay Qua phân tích ta chọn nam châm, nam châm kiểu hút chấp có tính sau: + Lực hút điện từ lớn + Nam châm điện đóng vai trị cấu truyền động, định tính làm việc kích thước rơle + Từ thơng số khơng đổi q trình nắp chuyển động + Từ dẫn khe hở khơng khí khơng lớn + Đặc tính lực hút gắn với phản lực + Vòng ngắn mạch c Chọn khoảng cách cách điện: Khoảng cách cách điện rơle nói riêng loại khí cụ điện nói chung đóng vai trị quan trọng Nó ảnh hưởng đến kích thước, độ tin cậy, tuổi thọ khả làm việc thiết bị Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào yếu tố sau: + Điện áp định mức + Môi trường làm việc + Độ bền nhiệt vật liệu rơle - Điện áp cách điện pha pha với đất theo bảng 1-2 TL2 chọn khoảng cách cách điện pha lcd = 10 (mm) ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG II TÍNH TỐN VÀ KIỂM NGHIỆM MẠCH VỊNG DẪN ĐIỆN I GIỚI THIỆU KẾT CẤU MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN Trong loại khí cụ điện nói chung rơ le trung gian nói riêng Mạch vịng dẫn điện đóng vai trị quan trọng, với nam châm điện, khâu truyền động trung gian, phận kết cấu khác cấu thành rơ le hoàn chỉnh Trong rơ le trung gian, mạch vòng dẫn điện kết cấu nhiều phận khác cấu tạo thành Nó bao gồm, dẫn động, dẫn tĩnh, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp điểm, dây nối mềm, đầu nối Thanh dÉn tÜnh TiÕp ®iĨm tÜnh Đầu nối Thanh dẫn động Tiếp điểm động Dây dẫn mỊm Hình 1.1 Kết cấu chung mạch vịng dẫn điện Tính tốn thiết kế mạch vịng dẫn điện rơ le điện từ trung gian xoay chiều kiểu kín, thực chất tính tốn thiết kế phận cấu thành nêu II THIẾT KẾ TÍNH TỐN THANH DẪN Các bước tính tốn dẫn Tính tốn thiết kế dẫn bao gồm: - Xác định tiết diện chế độ làm việc chế độ dài hạn chế độ khác - Tính tốn kiểm nghiệm tiết diện kích thước chế độ làm việc ngắn hạn chế độ khởi động rơ le trung gian khả điều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP khiển dùng tự động hóa, chế độ cố ngắn mạch xảy với thiết bị phân phối lượng - Lựa chọn dạng kết cấu dẫn sở thơng số tính tốn Tính tốn dẫn động Thanh dẫn động, thực chức đóng hay mở tiếp điểm, truyền chuyển động, mang điện truyền tải, phải đảm bảo tính dẫn điện, độ bền khí, khả tản nhiệt, mức độ phát nóng phải phù hợp Với loại rơ le trung gian điều khiển dùng tự động hóa nay, người ta thường dùng vật liệu đồng phôt pho, có tính chất thơng số kỹ thuật sau (Tra theo bảng 2.22 tài liệu [2] đồ thị 1.11 tài liệu [2]) Ký hiệu Bp0φ6,5 Tỷ trọng γ=8,9g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy Tnc=1083oC Điện trở suất 20oC ρ=0,01754.10-6Ω.m Hệ số nhiệt điện trở α=4,3.10-31/0C Độ dẫn điện λ=3,9W/g0C Nhiệt lượng nóng chảy 390J/g Nhiệt dung Cp=0,385J/g0C Modul đàn hồi 4600.106kG/cm2 Hệ số nhiệt độ nhiệt dung 10-4 Nhiệt lượng bay 2600J/g Độ cứng HB=105B.kG/mm Giới hạn đồ bền kéo σk=550N/mm2 Nhiệt độ ổn định cho phép 1300C Độ tăng nhiệt cho phép 900C Với kết cấu rơ le trung gian, dẫn động có kết cấu hình chữ nhật chọn, để đảm bảo chế độ hoạt động, độ bền theo yêu cầu, dẫn chữ nhật có chiều dài l tiết diện chữ nhật có chiều dài a, chiều rộng b sau: 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Theo công thức – 57 tài liệu [2] ta có: Pnm = I R nm nm ( K ω.φt ) = u max 2.K 2u R nm Trong đó: Kumax = 1,1: Hệ số tăng áp Kumin = 0,85: Hệ số sụt áp φt = 4,09.10-5(Wb): Từ thơng vịng ngắn mạch Rnm = 4,26.10-5 (Ω): điện trở vòng ngắn mạch ω = 2πf = 2π.50 = 314rad/s: Tần số lưới (1,1.314.4,09.10 ) = −5 Pnm = 3,24(W) ( 0,85 ) 4,26.10 −5 Xác định kích thước vịng ngắn mạch - Vật liệu làm vịng ngắn mạch chọn loại đồng có + Điện trở suất: ρ20 = 0,0174.10-3(Ωmm) + Hệ số nhiệt điện trở: α = 0,0043 1/0C + Nhiệt độ giá định vòng ngắn mạch 2000C + Vậy điện trở suất nhiệt độ: θ = 2000c ρ200 = ρ20 [1 + α (θ - 20)] = 0,0174.10-3.10-3 [1 + 0,0043 (200 – 20)] ρ200 = 3,1.10-5(Ωmm) - Chu vi trung bình vịng ngắn mạch A b Sn X St Z Y Ta có: St = b.x 59 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP S t 43,31 = = 4(mm) b 11 ⇒ X ⇒ Y = X + 2Δ = + 2.1 = (mm) ⇒ Z = b + 2Δ = 11 + 2.1 = 13 (mm) Vậy chi vi trung bình vịng ngắn mạch Ptb = 2(Z + Y) + 2(X + b) 10 Hệ số toả nhiệt vòng ngắn mạch - Hệ số toả nhiệt khơng khí = 34(mm) Ktkk = 3.10-3 (1+ 0,0017.θ) = 3.10-3 (1+0,0017.20) Ktkk = 3,102.10-3 (W/cm.0C) - Hê số toả nhiệt lõi thép Ktlt = 2,9.10-3 (1+ 0,0068.θ) = 2,9.10-3 (1+0,0068.20) Ktlt = 3,294.10-3 (W/cm.0C) 11 Xác định dòng điện vòng ngắn mạch Từ công thức – 57 tài liệu [2] ta có: Pnm = I 2nm R nm ⇒ I nm = Trong đó: Pnm 3,24 = = 275 (A) R nm 4,26.10 −5 Pnm = 3,35 (W): Tổn hao công suất vòng ngắn mạch Rnm = 5,82.10-5(Ω): Điện trở dòng ngắn mạch 12 Tổn hao lõi thép φmax = 2K u max U ®m K i ω.W Trong đó: φmax: Từ thơng cực đại Kumax = 1,1: hệ số tăng áp Uđm = 220 (V): Điện áp định mức cuộn dây Ki = 7,5: Bội số dòng điện ω = 314 (rad/s): Tần số lưới điện W = 4672 (vòng): Số vòng cuộn dây ⇒ φmax = 2.1,1.220.7,5 = 1,75.10-3(Wb) 314.4672 60 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Trọng lượng lõi thép Theo công thức; M = V.v.Kc Trong đó: Kc = 0,93: Hệ số ép chặt lõi thép v = 7,65 g/cm3: tỷ trọng lõi thép V(cm3): Thể tích lõi thép V = a.b.H = 12.11.41,5 = 5478mm3 = 5,478 (cm3) ⇒ M = 5,478.7,65 0,93 = 38,97 (g) + Suất tổn hao lõi thép PFe = K.p.M Trong đó: K = 1,5: Hệ só có xét đến tăng tổn hao mạch từ P = 2,5 (W/kg): Suất tổn hao riêng lõi thép M = 38,97.10-3(kg): trọng lượng lõi thép ⇒ PFe = 1,5 2,5 38,97 10-3 = 0,15 (W) + Dòng điện sinh tổn thất lượng lõi thép I Fe = PFe U ®m = 0,15 = 0,69.10-3 (A) 220 g Xác định dòng điện cuộn dây Dòng điện cuộn dây xoay chiều bao gồm dòng điện thành phần sau: Ih = Iδ + Ith + Inmqđ + PFe Trong đó: + Iδ: Dịng điện từ hố khe hở khơng khí Iδ = U ®m ω.W G Với: Uđm = 220 (V): Điện áp cuộn dây W = 4672 (vòng): Số vòng cuộn dây ω = 314 (rad/s): Tần số lưới điện GΣ: Từ dẫn tổng khe hở khơng khí hút GΣ = Grqđ + Gδh 61 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Grqđ = 5,34.10-8(H): Từ dẫn rò khe hở hút quy đổi Gδh = 60,1 10-8 (H): Từ dẫn khe hở khơng khí hút GΣ = 60,1.10-8 + 5,34.10-8 = 65,44.10-8 (H) ⇒ Iδ = 220 314 ( 4672 ) 65, 44.10 −8 = 0,0491 (A) + Ith: Dòng điện từ hoá lõi thép Ith.ω = ΣHili: Tổng từ áp phần đoạn mạch từ Với: ΣHili = Htb ltb Theo đường cong từ hố, hình – ứng với B = 0,5 (T) đường số ta có: Hm = 0,6 ⇒ Hm Htb = = 0,6 = 0,424 (A/cm) Mặt khác: ltb = (a + 2Δ2) + πlcd = (11 + 2.0,5) + π.4 = 60,56 (mm) ltb = 6,056 (cm) ⇒ Tth.W = Htb.ltb ⇒ Ith = H tb l tb 0, 424.6, 056 = W 4672 Ith = 5,49.10-4 (A) + Dịng điện ngắn mạch quy đổi I nmq® = I nm Wnm (A) W Trong đó: Inm = 275 (A): Dòng điện ngắn mạch Wnm = (vòng): Số vòng dây ngắn mạch W = 4672 (vòng): Số vòng dây nam châm điện 275.1 = 0,058 (A) 4672 + Vậy ta có giá trị dịng điện hút ⇒ Inmqđ = Ih = = (I nmq® + I Fe ) + (I th + Iδ ) ( 0, 058 + 0,69.10 ) + ( 5, 49.10 −3 2 −4 + 49,1.10 −3 ) = 0,076 (A) + Mật độ dòng điện dây quấn hút 62 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Jh = Ih (A/mm2) q Trong đó: Ih = 0,076 (A): Dịng điện hút q (mm2): Tiết diện dây quấn chưa có cách điện với đường kính dây d = 0,16 (mm) ⇒ π.d π.(0,16)2 q= = 0,0201 (mm2) = 4 0, 076 Jh = = 3, 78(A / mm) 0, 0201 h Tính tốn nhiệt cuộn dây nam châm điện + Điện trở dây quấn Ta có cơng thức: Rdq = ρ0 l tb W q Trong đó: ρ0 = 0,023.10-3(Ωmm): Điện trở suất cuộn dây nhiệt độ 950C W = 4672 ( vòng): Số vòng cuộn dây q = 0,0201 (mm2): Tiết diện cuộn dây ltb: Chiều dài trung bình số vịng dây ⎛ 4.90 ⎞ + 4,5 + 0,5 ⎟⎟ = 50,24(mm) ltb = π(d + lcd + Δ3) = π ⎜⎜ π ⎝ ⎠ ⇒ Điện trở cuộn dây Rdq = 0,023.10-3 55, 45.4672 = 296,5 (Ω) 0, 0201 + Tổn hao lượng dây quấn Pdq = I 2h Rdq = (0,076)2.296,5 = 1,71 (W) + Độ tăng điện bề mặt cuộn dây Ta có cơng thức: τ= Pdq K t S tn Trong đó: Stn (m2): Diện tích toả nhiệt cuộn dây Stn = Sxp + Sđ Với: Sxq: Diện tích xung quanh cuộn dây 63 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Sxp = [4(a + 2.Δ2) + 2π (lcd + Δ2)] hcd = [4(11 + 2.0,5) + 2π (4,5 + 0,5)] 13,5 = 1071,9 (mm2) Kt: hệ số toả nhiệt cuộn dây Kt = ÷14 tra theo bảng – tài liệu [2] chọn Kt = 13 W/m0c Sđ = [4(a + 2.Δ3) (lcd + 2Δ3) + π(lcd + Δ3].2 = [4(11 + 2.0,5)(4,5 + 2.0,5)+π(4,5 + 0,5)2] = (264 + 78,5)2 = 685 (mm2) ⇒ Stn = 1071,9 + 685 = 1756,9 (mm2) Vậy độ tăng nhiệt độ làm việc bề mặt cuộn dây τ= 1,71 = 74,860c ≈ 750c −6 14.1756,9.10 θ = τ + θmt = 750c + 400c = 1150c Ta thấy θ = 1150c < [θ]cp = 1300c nhiệt độ phát nóng cuộn dây đảm bảo giới hạn nhiệt độ cho phép 64 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG V: TÍNH TỐN HỆ SỐ NAM CHÂM ĐIỆN I TÍNH VÀ DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH LỰA HÚT NAM CHÂM ĐIỆN Khi tính tốn nam châm điện xoay chiều ta cần phải ảnh hưởng biến thiên thông số như: biến đổi điện áp; dịng điện; từ thơng; từ cảm giống phần tính tốn sơ bộ, số liệu ban đầu lực tác động (Fhtb = Fcqđ) lực qui đổi (có kể đến hệ số dự trữ Kdt) Chính lực điện từ nam châm điện khe hở khơng khí làm việc vị trí giới hạn Ta tính lực hút điện từ theo công thức 5-50 tài liệu [2] Fhtđ = k.φ2δ ⎛ dG δ dG r ⎞ + ⎜ ⎟ 2.G 2δ ⎝ dδ d δ ⎠ Trong đó: k = 0,25 φδtb = φδth δ r ⇒ φδth = φδtb = φδtb σr U dm k u k ir 4, 44.f.w Với kir = 0,85: Hệ số đánh giá thành phần tác dụng điện áp điện tử cuộn dây + ku: hệ số biến đổi điện áp ku = 0,25; 0,4; 0,6 W = 4762 (vòng) : số vòng cuộn dây nam châm điện : điện áp cuộn dây Uđm = 220 (V) f = 50 Hf : Tần số lưới công nghiệp φδtb = ⇒ φδth = 0,85.220.k u = 18,03.10 −5 ku ( wb) 4,44.50.4672 18, 03.10−5.k u σr + Đạo hàm từ dẫn rị khe hở khơng khí dG r =0 dδ Vậy lực hút điện từ trạng thái ứng với khe hở khơng khí độ biến đổi điện áp 65 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 0, 25.(18, 03.10 −5 )2 k u dG δ Fhtb = dδ 2.(σ r )2 (G δ )2 0, 25(18, 03.10 −5 )2 U dG δ F= dδ 2(σ r )2 (G δ )2 Với U = ku Uđm Uđm (V) F(N) δ (mm) 0,3 1,2 4,2 85% Uđm 18,8 11,2 5,2 3,3 100% Uđm 26,1 15,5 7,2 4,6 110% Uđm 31,6 18,8 8,7 5,5 Tính lực nhả nam châm điện qua công thức 8,127.10 −9 k 2u dG δ Fnhả = 2(σr )2 (G δ )2 d δ Ta lập bảng: δ (mm) F(N) Ku 0,25 0,3 1,2 4,2 1,7 0,98 0,54 0,3 Hệ số nhả nam châm điện Ta có Ki = I nh¶ U Ku = nh¶ I tđ U tđ Mt khỏc ta cú: Knh = Fnhả 0,98 = = 0,53 Ft® 3,7 66 ĐỒ Ồ ÁN TỐT NGHIỆP N Đặc tín nh lực hút 5,5 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II TÍNH TỐN GẦN ĐÚNG THỜI GIAN TÁC ĐỘNG VÀ THỜI GIAN NHẢ + Thời gian tác động (ttđ) quãng thời gian kể từ điểm đưa tính hiệu tác động nắp chuyển động xong (δ = δmin) ttđ = t1 + t2 Trong đó: t1: thời gian khởi động tác động t2: thời gian chuyển động tác động + Thời gian nhả khoảng thời gian từ cắt điện cuộn dây đến nắp nam châm điện kết thúc chuyển động (δ = δmax) tnh = t3 + t4 Trong đó: t3 : thời gian khởi động nhả t4: thời gian chuyển động nhả + Đối với nam châm điện xoay chiều Xét thời gian tác động: ttđ = t1 + t2 Với: t1 : dịng điện từ thơng biến thiên tuần hồn với tần số f lực điện từ theo 2f Mà thời gian t1 khe hở khơng khí lớn (δ = δmax) nên dòng điện cuộn dây lớn Vì đóng điện vào thời điểm mà dịng điện qua điểm khơng sau 1/4 chu kì từ thơng đạt trị số cực đại Cịn đóng điện vào thời điểm i ≠ khoảng thời gian để đạt từ thông cực đại không 1/2 chu kỳ Do lực điện từ đạt trị số cực đại với thời gian bé 1/2 chu kỳ Như cho t1 = 1/2 chu kỳ thời gian lâu để khởi động ⇒ t1 = 1 = = 0,01( s ) f 2.50 1 = = 0,01( s ) f 2.50 t3 = Với t2 ta có cơng thức t2 = n ∑ i Trong đó:: m = Với m ( Δx i ) ( Fn − Fe ).i G 0,5 = = 0,051( kg ) g 9,8 g = 9,8 (m/s2) : gia tốc trọng trường 68 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP G = 0,5 (kg) : trọng lượng phần động Δx1 = (4,2 - 3) 10-3 = 1,2 10-3 (m) S1 = (5,2 + 3,3).1,2.10 −3 (3 + 1,34)1,2.10 −3 − = 2,496.10 − ( N / m) 2 Δx2 = (3 - 1,2) 10-3 = 1,8 10-3 (m) S2 = (5,2 + 11,2).10 −3.1,8 (3,7 + 3).1,8.10 −3 − = 8,73.10 −3 ( N / m) 2 Δx3 = (1,2 - 0,3) 10-3 = 0,9 10-3 (m) S3 = (11,2 + 18,8).0,9.10 −3 (5,37 + 3,7).0,9.10 −3 − = 9,42.10 −3 ( N / m) 2 2.0,051.(1,2.10 −3 ) 0,051.2.(1,8.10 −3 ) 2.0,051.(0,9.10 −3 ) + + 2,496.10 −3 8,73.10 −3 9,42.10 −3 t2 = t2 = 0,0076 + 0,0061 + 0,0029 = 0,0166 Mà t4 = m ( Δx i ) ( Fc − Fnh )i n ∑ i S4 = (3 + 1,34).1,2.10 −3 (0,3 + 0,54).1,2.10 −3 − = 2,1.10 − ( N / m) 2 S5 = (3,7 + 3).1,8.10 −3 (0,54 + 0,98).10 −3.1,8 − = 4,7.10 −3 ( N / m) 2 S6 = t4 = (5,37 + 3,7).0,9.10 −3 (0,98 + 1,7).0,9.10 −3 − = 2,87.10 − ( N / m) 2 2.0,051(1,2.10 −3 ) 2.0,051.(1,8.10 −3 ) 2.0,051.(0,9.10 −3 ) + + 2,1.10 −3 4,7.10 −3 2,87.10 −3 t4 = 0,0084 + 0,0083 + 0,0054 = 0,0221 (s) Vậy ta có thời gian khởi động phần ứng nhả tcđ = t1 + t2 = 0,01 + 0,0166 = 0,0266 (s) Thời gian nhả nam châm điện: tnh = t3 + t4 = 0,01 + 0,0221 = 0,0321 (s) 69 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG VI: XÂY DỰNG VÀ HOÀN THIỆN KẾT CẤU I PHẦN LÀM VIỆC Mạch vòng dẫn điện 1.1 Thanh dẫn động Dùng đồng phốtpho (bp0φ6,5) làm dẫn + Bề rộng dẫn động: b = 0,5 mm + Bề dày dẫn động: a = 0,5 mm 1.2 Thanh dẫn tĩnh Dùng đồng phốtpho (bp0φ6,5) làm dẫn + Bề rộng dẫn tĩnh: b = mm + Bề dày dẫn tĩnh: a = mm 1.3 Vít đầu nối + Bulông làm chất liệu thép : M3 x 10 + Trụ lõi dẫn điện có ren thép : M3 1.4 Dây nối mềm Chọn loại dây dẫn mềm có vỏ cách điện nhựa, loại dây dẫn sợi có đường kính dây dẫn mm 1.5 Hệ thống tiếp điểm Với chất liệu bạc kéo nguội, CP 999 tiếp điểm kiểu công sơn + Đường kính tiếp điểm là: d = 4mm + Chiểu cao tiếp điểm: h = mm + Bề mặt tiếp xúc tiếp xúc điểm a Lò xo tiếp điểm Lò xo tiếp điểm đồng thời dẫn động làm đồng phốtpho (bp0φ6,5) trình bày - Chiều dày lị xo tiếp điểm: b = 0,5 mm - Chiều rộng lò xo tiếp điểm: a = 5mm + Độ võng lò xo đầu mút: f = 1,2 mm + Giới hạn mỏi cho phép uốn: δ u = 350 N / mm + Giới hạn mỏi cho phép xoắn: δ x = 120 N / mm b Lò xo nhả 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Vật liệu dùng làm lò xo nhả thép cacbon, lị xo kiểu xoắn hình trụ, chịu kéo tốt + Đường kính dây quấn lị xo: d = 0,51 mm + Đường kính lị xo: D = 5,1 mm + Số vòng dây quấn kết cấu lò xo w = 12 vòng + Bước lò xo chịu kéo: tk = 0,45 + Độ cứng lò xo: j = 0,73 N/mm + Chiều dài lò xo chịu kéo: lk = 5,4 mật mã + Độ bền giới hạn kéo: δK = 2200 N/mm2 + Giới hạn mỏi cho phép uốn: δ u = 770 N / mm + Giới hạn mỏi cho phép xoắn: 480 N/mm2 Nam châm điện Nam châm điện loại kết cấu đặc biệt quan trọng quan sinh lực, gồm phận như: mạch từ, cuộn dây vòng ngắn mạch 2.1 Mạch từ Vật liệu dùng để làm mạch từ thép silic kỹ thuật điện + Bề rộng cực từ : a = 12 mm + Bề dày cực từ : b = 11 mm + Tiết diện cực từ: S = 132 mm2 + Bề rộng cửa sổ mạch từ: c= 12,5 mm + Chiều cao cửa sổ mạch từ: hc = 21,5 mm + Chiều dày nắp nam châm điện: bd = bn = 11 mm + Chiều cao đáy nam châm : hđ = 10 mm + Chiều cao nắp nam châm : hn = 10 mm + Diện tích đáy nam châm điện: Sđ = 110 mm2 + Diện tích nắp nam châm điện: Sn = 110 mm2 + Chiều cao nam châm điện: H = 41,5 mm + Chiều rộng nam châm điện: B = 36,5 mm + Bề dày cực đối diện với cực từ: bthân = mm + Khoảng cách từ cuộn dây tới chỗ gá nam châm X = mm 2.2 Cuộn dây Cuộn dây đồng, dây quấn tròn, có bọc cách điện 71 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Số vòng dây: W = 4627 vòng + Tiết diện dây quấn chưa có cách điện: q = 0,11 mm2 + Đường kính dây quấn chưa có cách điện: d = 0,16 mm + Tiết diện dây quấn có cách điện: q' = 0,023 mm2 + Đường kính dây quấn có cách điện: d' = 0,18 mm + Bề dày cuộn dây: hcd = 4,5 mm + Chiều cao cuộn dây: lcd = 13,5 (mm) 2.3 Vòng ngắn mạch + Bề rộng vòng ngắn mạch: Δ = mm + Tiết diện vòng ngắn mạch: Svnm = 22 mm2 + Diện tích ngồi ngắn mạch: Stn = 110 mm2 + Tiết diện cực từ vòng ngắn mạch: St = 43,31 mm2 + Tiết diện cực từ ngồi vịng ngắn mạch: Sn = 66,69 mm2 II PHẦN CHÂN ĐẾ Phần chân đế làm từ loại nhựa cứng dùng để vít vào hộp kỹ thuật điện, chân đế ta thiết kế vừa dùng ngàm có ưu điểm sửa chữa, lắp đặt dễ dàng hơn, đồng thời vừa có vít Trong chân đế có chứa lỗ để bắt vít với đầu nối, bề mặt chân đế lỗ cắm tĩnh, lỗ phải thiết kế cho cắm dẫn tĩnh Chúng tiếp xúc với nhau, tránh gây chập chờn điện Về phần kích thước chân đế lớn chiều rộng phần làm việc rơle, chiều dài đủ lớn cho có diện tích để chứa lỗ vít loại M3 Các kích thước khác biểu thị hình vẽ 72 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tài liệu tham khảo : [1] Cơ sở lí thuyết khí cụ điện [2] Thiết kế khí cụ điện hạ áp [3] Chi tiết máy 73