Thiet ke nguyen tac to dien tu xoay chieu ba pha 51409

Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha BM: TBĐ - ĐT Lời nói đầu Hiện với phát triển không ngừng nghành công nghiệp - nông nghiệp, việc sử dụng sản phẩm cđa khoa häc kÜ tht lµ rÊt quan träng ChÝnh nhờ ứng dụng mà thúc đẩy kinh tế cho quốc gia toàn giới, đồng thời chúng góp phần không nhỏ vào việc tăng xuất lao động, phục vụ đời sống, sinh hoạt hàng ngày ngời, chúng thay làm việc môi trờng lợi cho ngời làm việc với tính xác cao Để đảm bảo an toàn cho tính mạng ngời, bảo vệ thiết bị điện tránh tổn thất kinh tế, cộng với phát triển mạnh mẽ công nghiệp khí cụ điện ngày đợc đòi hỏi nhiều hơn, chất lợng theo phát triển công nghệ Ngày khí cụ điện đại đợc sản suất phải đảm bảo tính an toàn tự động hóa cao, công tắc tơ không nằm khả an toàn tự động hóa, điều khiển quy trình sản suất Chính vai trò cần thiết nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ đặc biệt quan trọng nhằm nâng cao tính tự động hóa an toàn vận hành tuổi thọ chúng không ngừng đợc cải thiện Đợc giúp đỡ hớng dẫn thầy Nguyễn Văn Đức khoảng thời gian học kì 2, em đà hoàn thành đợc đề án thiết kế công tắc tơ xoay chiỊu pha Do kiÕn thøc, kinh nghiƯm thùc tế thời gian hạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót định Vì em mong đợc bảo góp ý c thầy Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội 18/6/2007 Sinh viên: phạm vinh Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện tõ xoay chiỊu ba pha BM: TB§ - §T Mơc lục Chơng Những vấn đề chung Kh¸i quát công dụng .3 Yêu cầu chung công tắc tơ xoay chiều 3 Nguyên lý làm việc kết cấu trung công tắc tơ xoay chiều 4.Lựa chọn sơ nam châm điện 5.Lùa chọn hệ thống tiếp điểm hệ thống tiếp ®iĨm phơ Lùa chän s¬ bé hÖ thèng dËp hå quang .5 Chơng Mạch vòng dẫn điện 2.1 Khái niệm mạch vòng dẫn điện .6 2.2 Yêu cần mạch vòng dẫn điện 2.3 Tính toán lựa chọn dÉn 2.3.1.Xác định kích thớc cho dẫn chế độ làm việc dài hạn 2.3.2.Kiểm nghiệm kÝch thíc dÉn 2.3.3.Xác định kích thớc dẫn tĩnh 11 2.4 TÝnh to¸n phần đầu nối .11 a Kh¸i niƯm 11 b NhiƯm vơ 11 c Yêu cầu 11 d Chọn dạng kết cấu đầu nối 12 e X¸c định kích thớc số lợng bulông ốc vít .12 2.5 Tính toán tiếp điểm 13 2.5.1.Yêu cầu tiếp điểm 13 2.5.2.Chän d¹ng kÕt cÊu tiÕp ®iĨm .15 2.5.3.Độ mở, độ lún 15 2.5.4.Chän vËt liệu kích thớc tiếp điểm 16 2.5.5.Xác định nhiệt độ, điện trở tiếp xúc, lực ép tiếp điểm điện áp tiếp xúc làm việc dài hạn 17 2.5.6.TÝnh dòng hàn dính 20 2.5.7.Sù rung cđa tiÕp ®iĨm .20 2.5.8.Sù mòn tiếp điểm biện pháp khắc phục 21 Ch¬ng KÕt cÊu khÝ ®iƯn .23 Đặc điểm cấu, yêu cầu số liệu ban đầu 23 Lập sơ đồ động kết cấu 23 Lực tác dụng phản lực tác dụng cấu, quy đổi lực 24 Dựng đặc tính lực tác dụng phản lực t¸c dơng .25 Kh¸i niƯm chung 27 Chọn kiểu lò xo vật liệu làm lò xo .27 Tính toán lò xo .28 Ch¬ng Nam Châm Điện .31 Kh¸i niƯm chung 31 NhiƯm vơ thiÕt kÕ 31 Ph¹m ThÕ Vinh TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiỊu ba pha BM: TB§ - §T Chän d¹ng kÕt cÊu 31 Mạch từ nam châm ®iÖn 32 Chän tõ c¶m B, r, t chän t¹i th 32 Lập sơ đồ thay mạch từ 36 Ch¬ng ThiÕt kÕ buång dËp hå quang 51 Kh¸i niƯm vỊ hå quang ®iƯn .51 Đặc điểm hồ quang điện xoay chiều 51 Yªu cầu hệ thống dập hồ quang 51 Giá trị dòng điện ngắt tính toán hệ thống dập hồ quang .52 VËt liÖu kÕt cÊu buång dËp hå quang 52 KÕt cÊu vµ kiĨu bng dËp 53 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha BM: TBĐ - ĐT Chơng Những vấn đề chung Khái quát công dụng Công tắc tơ xoay chiều loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa nút ấn mạch điện lực có phụ tải Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối mạch điện xoay chiều, nam châm điện nam châm điện xoay chiều, nhng có trờng hợp nam châm điện nam châm điện chiều Theo nguyên tắc truyền động, ta có công tắc tơ kiểu ép, kiểu thủy lực nhng phần lớn khí cụ điện hay công tắc tơ thờng đợc chế tạo theo kiểu điện từ Công tắc tơ xoay chiều có phận sau: Mạch vòng dẫn điện (gồm đầu nối, dẫn tiếp điểm) chi tiết dẫn điện từ lới đến phụ tải từ thiết bị đến thiết bị khác Hệ thống dập hồ quang Các cấu trung gian Truyền biến đổi lợng Nam châm điện Cơ cấu điện từ biến đổi điện thành năng, tạo lực điện từ dùng để đóng mở công tắc tơ Các chi tiết cụm cách điện Các chi tiết kết cấu vỏ Yêu cầu chung công tắc tơ xoay chiều a.Yêu cầu kĩ thuật Đảm bảo độ bền nhiệt chi tiết, phận làm việc chế độ cố định mức < []; nm < [nm] jnm < [jnm] Đảm bảo độ bền cách điện chi tiết phận cách điện khoảng cách cách điện làm việc với điện áp cực đại, kéo dài ®iỊu kiƯn cđa m«i trêng xung quanh ( nh ma, bụi ), nh có điện áp nội điện áp khí gây Độ bền tính chịu mài mòn phận KCĐ thời gian giới hạn số lần thao tác thiết kế, thời hạn làm việc chế độ định mức cố Đảm bảo khả đóng ngắt chế độ định mức chế độ cố, độ bền điện chi tiết, phận b.Yêu cầu vận hành Có độ tin cậy cao Có tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài Đơn giản chế tạo, dễ thao tác, thay sửa chữa Phí tổn cho vận hành, tiêu tốn lợng c.Yêu cầu kinh tế xà hội Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha BM: TBĐ - ĐT Giá thành hạ Tạo điều kiện để dễ dàng thuận tiện cho ngời vận hành Đảm bảo an toàn lắp giáp sửa chữa Có hình dánh kết cấu phù hợp , đẹp Vốn đầu t cho chế tạo lắp giáp Nguyên lý làm việc kết cấu trung công tắc tơ xoay chiều Cơ cấu điện từ gồm hai phận: cuộn dây mạch từ đợc phân thành nhiều loại nh công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây công tắc tơ kiểu hút ống thẳng Tất công tắc tơ làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để dẫn từ thép kĩ thuật điện đợc dập thành chữ E chữ U đợc ghép lại với Mạch từ đợc chia làm hai phần: phần đợc kẹp chặt cố định, phần lại nắp đợc nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn.Cuộn dây hút có điện trở điện kháng bé Khi ta đặt điện áp vào hai đầu cuộn dây nam châm điện có dòng điện chạy cuộn dây, cuộn dây sinh từ thông khép mạch qua lõi sắt khe hở không khí tạo lực hút điện từ kéo nắp (phần ứng) phía lõi Khi cắt điện áp (dòng điện ) cuộn dây lực hút điện từ không nắp bị nhả 4.Lựa chọn sơ nam châm điện Dựa vào số lần thao tác ta phân biệt đợc chế độ làm việc công tắc tơ điện xoay chiều ba pha nói trên, làm việc chế độ làm việc nhẹ Công tắc tơ xoay chiều dùng nam châm điện có mạc từ hình chữ E chữ U có nắp quay quanh trụ chuyển động tịnh tiến theo kiểu hút ống dây, chuyển động kiểu hút thẳng, kiểu quay cạnh có phần ứng nằm cuộn dây, phấn ứng chuyển động lòng ống dây phần ống dây Qua phân tích u nhợc điểm loại NCĐ đà có sẵn Ta chọn NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động phần lòng ống dây Loại kết cấu có nắp phần động chuyển động tịnh tiến, phơng chuyển động trùng với phơng tác dụng lực Đồng thời cho đặc tính lực hút tơng đối lớn, hành trình chuyển động nhanh, thời gian chuyển động ngắn Từ thông rò không sinh lực từ phụ Tuy nhiên với u điểm NCĐ có kết cấu có mặt hạn chế là: Có bội số dòng điện lớn so với mạch từ khác nên dùng chế độ làm việc nặng trung bình Lực lò xo nhỏ, công suất nhỏ Việc dùng kết cấu NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng, có phần ứng chuyển động phần lòng ống dây hoàn toàn phù hợp với công tắc tơ xoay chiều pha kiểu điện từ có chế ®é lµm viƯc nhĐ 5.Lùa chän hƯ thèng tiÕp ®iĨm hệ thống tiếp điểm phụ Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha BM: TBĐ - ĐT Với yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều pha có tần số đóng cắt = 10 lần Nên tiếp điểm phải đảm bảo độ mài mòn điện Qua phân tích khảo sát loại tiÕp ®iĨm (nh tiÕp ®iĨm kiĨu ngãn, tiÕp ®iĨm lìi, tiếp điểm kiểu phẳng ) chọn tiếp điểm kiểu cầu, tiếp xúc mặt phù hợp với NCĐ kiểu hút thẳng với dòng điện qua tiếp điểm Iđm = 200Tiếp điểm phụ kiểu cầu, tiếp xúc điểm ứng với dòng làm việc nhỏ I =5A Tiếp điểm cầu có hai chỗ ngắt có u điểm khả ngắt lớn không cần dây nối mềm, có khả làm nơi tiếp xúc, chiếm không gian Ngoài việc dập hồ quang đợc đảm bảo Lùa chän s¬ bé hƯ thèng dËp hå quang Do công tắc tơ làm việc công tắc tơ xoay chiều (làm việc với dòng xoay chiều) nên chọn kiểu dập hồ quang kiểu dàn dập, chi tiết tiếp điểm có buồng dập hồ quang riêng Ngoài có chi tiết khác nh lò xo, dẫn chi tiết khác Những chi tiết đợc tính toán chi tiết, cụ thể phần sau Chơng Mạch vòng dẫn điện 2.1 Khái niệm mạch vòng dẫn điện Mạch vòng dẫn điện khí cụ điện nói chung CTT nói riêng phận khác hình dáng, kết cấu kích thớc hợp thành Mạch vòng dẫn điện gồm dẫn (động, tĩnh), dây nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm (giá ®ì tiÕp ®iĨm, tiÕp ®iĨm ®éng, tiÕp ®iĨm tÜnh), cn dây dòng điện (có thể có cuộn thổi từ dập hồ quang) Ngoài mạch vòng dẫn điện có mạch vòng dẫn điện phụ đợc tính toán nh mạch vòng dẫn điện 2.2 Yêu cần mạch vòng dẫn điện Điện trở suất nhỏ, chịu đợc nhiệt độ cao, dẫn điện tốt Bền môi trờng (chịu tác dụng độ ẩm, nhiệt độ, khí hậu) Tổn hao nhỏ Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt sửa chữa 2.3 Tính toán vµ lùa chän dÉn Thanh dÉn CTT gåm có dẫn động dẫn tĩnh Để tính toán thiết kế hai loại dẫn ta cần tính toán thiết kế cho dẫn động Khi tính toán xong kích thớc cho dẫn động ta cã kÝch thíc cđa dÉn tÜnh (thêng kÝch thíc dÉn tÜnh lín h¬n kÝch thíc dẫn động Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha BM: TBĐ - ĐT dẫn tĩnh có phần đầu nối), hai dẫn chịu dòng điện nh làm việc (Iđm) Yêu cầu ®èi víi dÉn: + §iƯn trë st nhá, dÉn điện, dẫn nhiệt tốt + Độ bền cao + Chịu ăn mò hoá học, bị ôxy hoá + Độ mài mòn nhỏ va đập + Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt thay thế, sửa chữa + Giá thành thấp tốt Kích thớc cho dẫn đợc tính theo bớc: + Xác định kích thớc cho dẫn chế độ làm việc dài hạn + Kiểm nghiệm kích thớc dẫn chế độ làm việc dài hạn + Kiểm nghiệm kích thớc dẫn chế độ ngắn hạn 2.3.1.Xác định kích thớc cho dẫn chế độ làm việc dài hạn a Chọn vật liệu dẫn Để thoả mÃn yêu cầu dẫn ta chọn vật liệu dẫn đồng kéo nguội có số liệu bảng dới (theo bảng B2-13 trang 44 tài liệu thiết kế khí cụ điện hạ áp (TLTKKCĐHA)): Tên số vật lý Ký hiệu Tỷ trọng Nhệt độ nóng chảy Điện trở suất 200C (20) §é dÉn nhiÖt Tû träng nhiÖt §é cøng HÖ sè nhiệt điện trở Nhiệt độ nóng chảy cho phép b Chọn kiểu dẫn Giá trị ML-TB 8,9 1083 15.10-6 3,9 0,39 80 120 0,0043 95 Đơn vị g/ cm3 C .mm W/ cm.0C W/ cm.0C Briven.kg/mm2 1/ 0C C Chọn dẫn dạng hình chữ nhật c TÝnh to¸n kÝch thíc dÉn theo lý thut Theo kinh nghiệm dòng điện làm việc (dòng điện định mức) khoảng Iđm = 150A tới Iđm = 210A th× ta cã thĨ chän theo kinh nghiƯm Trong trình làm việc ổn định ta có: = od =td : độ tăng nhiệt ổn định od =550 C đồng (số liệu đợc tra bảng 6-1 trang 288- TLTKKCĐHA) Phơng trình cân nhiệt chế độ xác lập: P.dt=K T S T dt (2.1) Từ phơng trình ta có kích thớc sơ dẫn: Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện tõ xoay chiÒu ba pha b= √ I dm BM: TB§ - §T ρθ K ph n (n+1 ) K T τ od (2.2) Trong ®ã: ρθ =ρod =ρ20 (1+α (θod −20 )) (2.3) Kph = 1,05 : Hệ số tổn hao phụ đặc trng cho tổn hao hiệu ứng bề mặt hiƯu øng gÇn) n = a/b = 8: TØ sè diện tích a,b : Lần lợt chiều rộng chiều cao dẫn (m) Iđm: Dòng điện làm việc định mức (A) KT: Hệ số tản nhiệt khống chế Chọn KT = 7,5 (số liệu đợc tra bảng 6-5 trang 301- TLTKKCĐHA) od : Nhiệt độ ổn định od =950 C (số liệu đợc tra bảng 6-1 trang 288- TLTKKC§HA) ρ 20 C : §iƯn trë st cđa vËt liƯu ë 200C (.m) : HƯ sè nhiƯt ®iƯn trë cđa ®ång α=0 ,0043 (1/0C) Theo công thức (2.3) ta có điện trở suất vật liệu đà chọn (ở đồng kéo nguội) nhiệt độ làm việc ổn định 950C: 950 C = ρ200 C (1+α(95−20 )) α −8 −8 ρ950 C =1 , 58 10 (1+ ,0043 (95−20 ))=2 , 089 10 ( m) ChiỊu cao dÉn lµm viƯc víi dòng địng mức I đm = 200A đợc tính theo biÓu thøc (2.2): 2 ,089 10−8 ,05 =2,5.10−3 (m)=2 ,45 (mm) 2.8 (8+1) 7,5.55 BÒ réng dÉn tÝnh theo tØ sè diÖn tÝch n = a/b = a = 8.2,45 = 19,5 (mm) CÇn chó ý dẫn động có gắn tiếp điểm động, kích thớc dẫn động phải đủ lớn để gắn tiếp điểm động Vì kích thớc dẫn phụ thuộc vào kích thớc tiếp điểm Từ bảng 2-15 trang 51- TLTKKCĐHA, ứng với dòng định mức Iđm = 200A ta xác định đợc đờng kính tiếp điểm d = 20  25 (mm), chiỊu cao tiÕp ®iĨm h = 2,2  3,0 (mm) Víi ®êng kÝnh tiÕp ®iĨm d = 20  25 (mm) th× bỊ réng dẫn lớn nên ta tiến hành quy đổi tiếp điểm tròn thành tiếp điểm chữ nhật theo: b= 200 √ π d π 252 =a ' b '→ =490 , 625=a ' b '=20 24 ,5 4 π d2 π 202 =a ' b '→ =314=a' b '=16 19 ,625 4 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha BM: TBĐ - ĐT Theo ta thấy a = 16  20 (mm) vµ b’ = 19,625  24,5 (mm) VËy chän kÝch thíc tiÕp ®iĨm nh sau: {a'=20(mm) ¿ ¿¿¿ (a’, b’ lµ bỊ réng vµ dµi tiếp điểm chữ nhật) a a b b Ta chän a = 20 + = 22 (mm) vµ b = (mm) KÝch thíc dÉn víi dßng ®iƯn lµm viƯc I®m = 5A: 52 2,089 10−8 ,05 b= =0 ,21 10−3 ( m)=0 ,21(mm) 2.8 (8+1).7,5 55 BÒ réng dÉn tÝnh theo tØ sè diÖn tÝch n = a/b = 8; a = 8.0,21 = 1,68 (mm) Để phù hợp ta chọn a = (mm) b = (mm) (bảng 2-15 trang 51 TKKC§HA) √ 2.3.2.KiĨm nghiƯm kÝch thíc dÉn Nh theo lý thuyết ta đà tính đợc kích thớc cần thiết dẫn tơng ứng với dòng định mức Iđm = 200A Tuy nhiên để đa vào thiết kế ta cần tính toán kiểm nghiệm lại xem với kích thớc đà có dẫn liệu có đảm bảo đợc độ tăng nhiệt, nhiệt độ phát nóng ổn định mật độ dòng điện cho phép dẫn làm việc chế độ dài hạn hay không Đồng thời cần kiểm tra xem dẫn có đảm bảo yêu cầu cần thiết chế độ ngắn hạn ngắn mạch a Kiểm nghiệm kích thớc dẫn chế độ dài hạn Kiểm tra nhiệt độ phát nóng dẫn: I td = ρ0 K ph+ S P K T θ0 dm2 S P K T −I dm2 ρ0 K ph α ≤ [θ ] (2.4) Trong ®ã: S = a.b = 22.3 = 66 (mm ) P = 2.(a+b) = 50 (mm) ρ0 : §iƯn trë st ë 00C ρ20 , 58 10−8 =1 , 455 10−8 (.m ) 1+α 20 1+0 , 0043 20 2002 , 455 10−8 1, 05+66 10−9 50 7,5 40 θtd = =69 , 60 C≤[ θ ] =950 C −9 −8 66 50 7,5 10 −200 1, 455 10 , 05 , 0043 = Phạm Thế Vinh = TBĐ-ĐT3-K48 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha BM: TBĐ - ĐT Kiểm tra mật độ dòng điện chế độ dài hạn: j dh= I dm S = I dm 200 =3 ,03≤[ j ]=4 a b 66 = (A/mm2) (2.5) b KiĨm nghiƯm kÝch thíc dẫn chế độ ngắn hạn Trong chế độ ngắn hạn, thời gian xảy ngắn mạch ngắn nên coi [ nm ] trình trình đoạn nhiệt, R i lớn dt=G C d Từ phơng trình cân b»ng nhiƯt: θ nm2 Sau tÝnh to¸n ta đợc phơng trình cân sau (biểu thức 6-21 trang 313 J t =A −A = const nm θ nm nm2 TLTKKCĐHA): (2.6) Trong đó: A0, Anm hệ số tích phân phụ thuộc vào vật liệu nhiệt độ dẫn ứng với giới hạn vµ díi lµ 0, nm Hai hƯ sè A0, Anm đợc xác định đồ thị hình 6-6 trang 313 TLTKKCĐHA Theo đồ thị A = 1,4.10 (A2S/ mm4) vµ Anm = 3,75.10 (A2S/mm4) J nm= √ Aθ nm− A θ0 t nm Tõ c«ng thøc (2.6) ta cã : (2.7) §Ĩ kiĨm nghiƯm kÝch thớc dẫn trình làm việc ngắn hạn ta lấy thời gian xảy ngắn mạch: tnm: 3, 5, 10 (s) Khi theo công thức (2.7) ta có: Mật độ dòng điện tnm = 3s: √ √ √ J nm= , 85 10 −1 , 45 104 =89 , 50( A /mm ) 3 , 85 10 −1 , 45 104 J nm= =70 , 55( A/mm ) Mật độ dòng điện tnm = 5s: , 85 10 −1 , 45 104 =49 , 47( A/mm ) 10 Mật độ dòng điện tnm = 10s: Theo bảng 6-7 trang 305 TLTKKCĐHA vật liệu Đồng ta có mật độ dòng điện cho phÐp : t bn = 3s  Jbn 3 = 94 A/ mm2 t bn = 5s  J bn 5 = 51 A/ mm2 Nh vËy sau tÝnh to¸n ta thÊy J bn tt < J bn , kết cấu dẫn động thoả mÃn yêu cầu mạch có cố ngắn mạch J nm= 2.3.3.Xác định kích thớc dẫn tĩnh Do dẫn động dẫn tĩnh dòng định mức Iđm = 200A qua nên kích thớc dẫn tĩnh giống nh kích thớc dẫn động Vì dẫn tĩnh có gắn với phần đầu nối nên ta thờng chän kÝch thíc than dÉn tÜnh lín h¬n kÝch thíc dẫn động Cũng lý mà ta không cần kiểm nghiệm lại dẫn tĩnh Phạm Thế Vinh TB§-§T3-K48