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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều 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 SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều 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, I đm = 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 SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều 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). SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều 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 U nguồn 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 φ δ sinh ra lực hút điện từ F đt tác động lên nắp từ và hút nắp xuống. Nắp chuyển động khi F đt > F nhả 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 F đt = 0 nắp bị nhả ro do F nhả ; 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 (U đm = 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. SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều + Điện áp thử nghiệm U = 220V + Điện áp định mức của cách điện: U cđ = 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 U đm = 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. l cđ = 10mm l c® Hình 4 SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều 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: : . 6.5 φ Ρ Ο Nhiệt độ nóng chảy : 1083 0 C Điện trở suất ở 20 0 C : ρ = 0,0177.10 -6 (xΩ cm) Hệ số nhiệt điện trở : α = 0,0043 (1/ 0 C) Độ dẫn điện : λ = 393 W/mdeg Nhiệt dung riêng : C p = 386J/kgdeg Nhiệt lượng nóng chảy : 50,6 J/g Nhiệt lượng bay hơi : 770,0 J/g Modul đàn hồi : E = 100.10 3 N/mm 2 Modul trượt : E t = 42.10 3 N/mm 2 Độ cứng : H B = 91 kg/mm 2 ứng suất uốn cho phép : σ u = 186 N/mm 2- Giới hạn đàn hồi : σ K = 550 N/mm 2 SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều Giới hạn đàn hồi : σ th = 320 N/mm 2 Hệ số nở dài : 17,7.10 -6 1/ 0 C Tỷ trọng : γ = 8,9kg/dm 3 Nhiệt độ ổn định : [θ] = 95 0 C 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. ( ) ρ τ 2 ®m ® f 3 t «d I . .K b = 2n n +1 .K . Trong đó: n = a b = 5 ÷ 12: Hệ số hình dáng. Chọn n = 12 I đm = 5A K f = K bm . K g = 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 K f = 1,06 K T : hệ số toả nhiệt không khí theo bảng (6 -5)/300 tài liệu 1 Chọn K T = 9.10 -6 [W] mm 2 0 C τ ôđ : Độ tăng nhiệt độ ổn định τ ôđ = [θ] - θ 0 = 95 0 C - 40 0 C = 55 0 C Điện trở suất của đồng phốt pho ở nhiệt độ ổn đinh: θ ôđ = 95 0 C. ρ θ = ρ 20 [1+ α (θ ôđ - θ 20 )] SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 7 a b ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều = 0,0177 . 10 -3 [ 1 + 0,0043 . 75] = 0,0234 . 10 -3 ( Ωmm) Vậy: ( ) ( ) − − = = + 2 3 3 6 5 .0,0234.10 .1,06 0,16 1 12 1 .12.9.10 .55 a mm 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: I đm = 5A Theo bảng (2 - 15) / 51 tài liệu 1 + Đường kính tiếp điểm: d tđ = 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: S tđ = a . b = 5 . 0,4 = 2 mm 2 + Mật độ dòng điện qua thanh dẫn. J tđ = ®m td I 5 = S 2 = 2,5 A/mm 2 Với [J cp ] = 1,5 ÷ 4 A/mm 2 * 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: θ ôd = θ td = ®m 0 T T mt 2 T ®m 0 f I . .K + Sp.K . Sp.K - I . .K .a ρ θ ρ Với: * S = 2m 2 : 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 SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều = 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 nm nm 2 td I .t S = A nm - A đ = A bn - A đ Suy ra: I nm = I bn = S td . bn ® nm A - A t Với: I nm = I bn : là dòng ngắn mạch - dòng điện bền nhiệt. A bn = A nm : 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 θ bn của đồng phốt pho cho phép bằng 300 0 thì: A bn = 3,75 . 10 4 (/A 2 S/mm 4 ) θ ôđ = 95 0 thì A đ = 1,6 . 10 4 (/A 2 S/mm 4 ) Suy ra: I bn = 2. 4 4 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. + t bn = 3s → I bn = 200 2,15 3 = 169,3 (A) → I bn = bn td I 169,3 = S 2 = 84,7 (A) + t bn = 4s → I bn = 200 2,15 3 = 146,3 (A) → I bn = 146,3 2 = 73,15 (A/mm 2 ) + t bn = 10s SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều → I bn = 200 2,15 3 = 92,74(A) → I bn = 92,74 2 = 46,4 (A/mm 2 ) Theo bảng (6-7)/305 tài liệu 1 ta có các giá trị mật độ dòng điện cho phép đối với đồng ứng với các thời gian trên: 3sec → [J bn ] = 94 (A/mm 2 ) 4 sec → [J bn ] = 82 (A/mm 2 ) 10sec → [J bn ] = 51 (A/mm 2 ) Vậy ta có bảng so sánh mật độ dòng điện như sau: T bn (s) 3 4 10 [J bn ] (A/mm 2 ) 94 82 51 J bhtính (A/mm 2 ) 84,7 73,15 46,4 Ta nhận thấy J bn < [J bn ] cp . Như vậy có thể bảo đảm được giá trị dòng điện ngắn mạch cho phép. 3. Thanh dẫn tĩnh. Để đảm bảo độ dày bắt vít nối và mật độ dòng điện nằm trong khoảng cho phép ta chọn kích thích thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động. Ta chọn: b = 1mm A = 6mm Suy ra: S tdt = a . b = 6.1 = 6mm 2 II. Tính toán vít đầu nối. Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện. Đầu nối có thể chia làm hai phần. + Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài. + Và các mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. Ta chọn kết cấu vít đầu nối có đạng mối nối tháo rời được vằng vít. SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 10 [...]... nghiệm SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 13 Thiết kế rơle trung gian xoay chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Theo công thức (2 - 17)/56 Tài liệu 1 Ftđ = ftđ Iđm Với rơle điện từ trung gian xoay chiều có dòng điện định mức: Iđm = 5A và vật liệu tiếp điểm là bạc kéo nguội nên ta có: ftđ = 5 ÷ 10 (G/A) Chọn ftđ = 7 (G/A) Suy ra: Ftđ = 7.5 = 35G = 0,35 (N) * So sánh hai kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm ta có... ở phần III - Nguồn điện áp xoay chiều: Uđm = 220V Có công suất: S = const Nhiệt độ đối với rơle: θmt = 400C SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 29 Thiết kế rơle trung gian xoay chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II Tính chọn sơ bộ nam châm điện 1 Chọn dạng kết cấu hn a1 a2 hc H C B Hình 12 Nam châm điện có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây, sự khác nhau về dạng kết cấu dẫn đến sự khác nhau... cực từ có cuộn dây Nếu căn cứ vào hệ số kết cấu để chọn dạng kết cấu tối ưu, theo công thức (5 - 2) tài liệu 1 Kkc = Trong đó: 2.F®t (N0,5/m) d Fđt: lực hút điện từ δ: Khe hở không khí tại điểm tới hạn * Xét trên đường đặc tính phản lực ta xác định ở phần III thấy rằng SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 30 Thiết kế rơle trung gian xoay chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Rơle làm việc khi: - Khi hút: Fđt > Fcơ... 9 Chiều dài của lò xo từ chỗ lắp chặt được tính theo công thức (4-20) trang 168, TL1 : b 2 a.σ u 0,42.5.186 l= = = 71mm 6.Ftd 6.0,35 Vậy chiều dài mỗi bên của lò xo là: l= l t® 71 = = 35,5 mm 2 2 Độ võng của lò xo được xác định theo công thức (4-21)/169 tài liệu 1 4.Ftd l3 4.0,35.35,53 f= = = 1,63 (mm) 6.b 3 E 6.0,43.100.103 SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 23 Thiết kế rơle trung gian xoay chiều. .. xoắn σx = 580 N/mm2 Modul đàn hồi E = 200 103N/mm2 Mudul trượt: Et = 80 103 N/mm2 Điện trở suất ρ = (0,19 ÷ 0,22) 10-6- Ωm b Tính toán Theo kết cấu của rơle ta tính lực lò xo nhả theo công thức: SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 24 Thiết kế rơle trung gian xoay chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Fnhđ = Kdt (Ftđc + Gđ + Fms) Với Kđt = 1,2: hệ số dự trữ Ftđc = 3,5N Gđ = 0,35 N Fms = 0 Suy ra: Fnhđ = 1,2 (3,5... = 5,6 (mm) SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 27 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 28 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều PHẦN IV: TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN XOAY CHIỀU I Khái niệm chung Nam châm điện sử dụng đặc biệt chủ yếu trong cơ cấu điện từ, là bộ phận sinh ra lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến, chuyển động quay... tiếp điểm phụ thuộc vào giá trị của dòng điện định mức Kết cấu hệ thống tiếp điểm và tần số ngắt của dòng điện Chọn kích thước tiếp điểm là hình trụ cầu, theo bảng (2 - 15)/51 tài liệu 1 Với I đm = 5A ta chọn Đường kính tiếp điểm: d = 3mm Chiều cao tiếp điểm: h = 1,2 mm h d SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 12 Thiết kế rơle trung gian xoay chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 6 Tiếp điểm động và tĩnh có.. .Thiết kế rơle trung gian xoay chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức Stx = a b = I ®m J Đối với thanh dẫn và chi tiết bằng đồng, mật độ dòng điện J có thể lấy bằng 0,31 A/mm2 ứng với dòng điện xoay chiều tần số f = 50Hz dòng định mức nhỏ hơn 200A ( theo tài liệu 1 trang 31) Suy ra:... và bề dày trên cơ sở thực nghiệm của NCĐ xoay chiều chọn sơ bộ tỷ số h cd h cd = 2 ÷ 4 ; chọn =2 l cd l cd → hcd = 2 lcd Scd = lcd hcd = 2 l 2 cd Suy ra: lcd = Scd 194 = 9,8 mm = 2 2 → hcd = 2 9,8 = 19,6mm - Xác định kích thước của nam châm điện ∆1 a1 H lf ∆3 ∆2 a2 ∆5 ∆4 hcd C lcd B SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 35 hc Thiết kế rơle trung gian xoay chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 13 Trong đó:... khi uốn: σu = 186 N/mm2 Modul đàn hồi: E = 100 103N/mm2 Modul trượt: Et = 42 103 N/mm2 Điện trở suất: ρ20 = 0,0177 10-6 Ωm SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 22 Thiết kế rơle trung gian xoay chiều ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP b Tính toán - Với rơle này có 5 lò xo tiếp điểm thường đóng và 5 lò xo tiếp điểm thường mở (Tiếp điểm kiểu bắc cầu) + Lực ép tiếp điểm cuối của lò xo (sau khi nắp bị hút) Ftđc = 5.2Ftđ1 . đi u khiển không thể thi u được. Đó là r le trung gian xoay chi u. Do thời gian có hạn và còn thi u kinh nghiệm trong thi t k , hi u bi t thực t còn t. Thi t k r le trung gian xoay chi u PHẦN I : CHỌN PHƯƠNG ÁN DẠNG K T C U. I. Giới thi u chung về r le * R le trung gian xoay chi u có nhi u loại