Công tắc tơ xoay chiều 3 pha

Để đánh giá sự phát triển kinh tế của một số quốc gia chúng ta thường dựa vào trong tiêu chuẩn kinh tế rất quan trọng đó là sự phát triển nền công nghiệp quốc gia, đặc biệt là ngành điện.

LỜI NÓI ĐẦU.

Để đánh giá sự phát triển kinh tế của một số quốc gia chúng ta thường dựa vào trong tiêu chuẩn kinh tế rất quan trọng đó là sự phát triển nền công nghiệp quốc gia, đặc biệt là ngành điện Điện năng là nguồn năng lượng quan trọng được sử dụng rộng rãi hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân Một ngành cung cấp năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của con người Ở đây chúng ta đi sâu vào tìm hiểu một bộ phận trong cơ cấu thiết bị khá quan trọng trong điều khiển quá trình sản xuất biến đổi truyền tải phân phối năng lượng

Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh

và bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất Ngoài

ra nó còn được dùng để kiểm tra và điều khiển các quá trình năng lượng khác.Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, các trạm biến

áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, giao thông vận tải… Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng như trong đời sống không thể thiếu các loại khí cụ điện

Khí cụ điện có rất nhiều loại tùy theo chức năng và nhiệm vụ Có thể chia ra làm các loại chủ yếu sau đây:

+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao: máy ngắt, dao cách ly, kháng điện, biến dòng, biến áp

+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp như: máy tự động, các bộ phận đầu nối( cầu dao, công tắc xoay), cầu chì…

+ Nhóm các rơ le: rơ le bảo vệ, rơ le dòng, rơ le áp, rơ le công suất, rơ le nhiệt…

+ Nhóm các khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ …

Khi nền công nghiệp càng phát triển, hiện đại hóa cao thì càng cần thiết phải có các loại khí cụ điện tốt hơn, hoàn hảo hơn Các loại khí cụ điện còn

phải đòi hỏi khả năng tự động hóa cao Chính vì vai trò quan trọng của khí cụ điện nên việc nghiên cứu các phương pháp tính toán, thiết kế các khí cụ điện

là một nhiệm vụ quan trọng và phải có sự đầu tư đúng mức để ngày càng được phát triển và hoàn thiện hơn

Trong quá trình học tập tại trường em đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện Đặc biệt là sự

hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo: Nguyễn Văn Đức Nhờ đó em đã thiết kế

tính toán loại khí cụ điện mà hiện nay đang có nhu cầu sử dụng rất nhiều và rộng rãi, đó là: “Công tắc tơ xoay chiều ba pha” Bản thuyết minh này sẽ trình bày việc thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều ba pha với các chỉ số sau:

Tuổi thọ N=105 làm việc liên tục, cách điện cấp A

Số lượng tiếp điểm: 3 tiếp điểm chính thường mở

2 tiếp điểm phụ thường đóng

2 tiếp điểm phụ thường mở

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

1 Phân tích phương án, chọn kết cấu thiết kế

2 Tính mạch vòng dẫn điện

3 Tính và dựng đặng tính cơ

4 Tính toán nam châm điện

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thiết kế.

PHẦN I: PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN- CHỌN KẾT CẤU

THIẾT KẾ.

A.KHÁI NIỆM CHUNG.

Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng ngắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa bằng tay hay tự động

Việc đóng ngắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng điện từ, thủy lực hay khí nén Trong đó công tắc tơ điện từ được sử dụng nhiều hơn cả

II.PHÂN LOAI:

1 Theo nguyên lý truyền động người ta chia công tắc tơ thành các loạisau:

+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng điện từ

+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng thủy lực

+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng khí nén

+ Công tắc tơ không tiếp điểm

2 Theo dạng dòng điện trong mạch:

+ Công tắc tơ điện một chiều dùng để đóng ngắt mạch điện một chiều Nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều

+ Công tắc tơ điện xoay chiều dùng để đóng ngắt mạch điện xoay chiều Nam châm điện của nó là nam châm điện xoay chiều

Ngoài ra trên thực tế còn có loại công tắc tơ sử dụng để đóng ngắt mạch điện xoay chiều, nhưng nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều

III CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI CÔNG TẮC TƠ:

Công tắc tơ phải đóng dứt khoát, tin cậy phải đảm bảo độ bền nhiệt nghĩa là nhiệt độ phát nóng của công tắc tơ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ phát nóng cho phép: θ ≤ [θcp ]

Khi tính toán, thiết kế công tắc tơ thường phải đảm bảo lúc điện áp bằng 85% Ucd thì phải đủ sức hút và lúc điện áp bằng 110% Ucd thì cuộn dây không nóng quá trị số cho phép và công tắc tơ vẫn làm việc bình thường

Đảm bảo độ bền điện động: độ bền điện động được xác định bằng số lần đóng ngắt tối thiểu mà sau đó cần thay thế hoặc sửa chữr các tiếp điểm bị

ăn mòn khi có dòng điện chạy qua tiếp điểm

Đảm bảo độ mòn về điện đối với công tắc tơ tiếp điểm, trong ngày nay những loại công tắc tơ hiện đại độ mòn về điện từ (2÷3).106 lần đóng ngắt

Đảm bảo độ bền về cơ: độ mòn về cơ được xác định bằng số lần đóng ngắt tối đa mà chưr đòi hỏi phải thay thế hoặc sửa chữ các chi tiết khi không

có dòng điện tiếp điểm Ngày nay các công tắc tơ hiện đại độ bền cơ khí đạt 2.107 lần đóng ngắt

IV.CẤU TẠO CỦA CÔNG TẮC TƠ:

Công tắc tơ điện từ bao gồm những thành phần chính sau:

Hệ thống mạch vòng dẫn điện

Cơ cấu điện từ

Hệ thống dập hồ quang

Hệ thống phản lực

V.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG TẮC TƠ:

Khi đưa dòng điện vào cuộn dây của nam châm điện sẽ tạo ra từ thông

Φ và sinh ra lực hút điện từ Fđt Do lực hút điện từ lớn hơn lực phản lực làm cho nắp của nam châm điện bị hút về phía mạch từ tĩnh Các tiếp điểm thường

mở của công tắc tơ được đóng lại Mạch điện thông

Khi ngắt dòng điện của cuộn dây nam châm thì lực hút điện từ Fđt=0 dưới tác dụng của hệ thống lò xo sẽ đẩy phần động trở về vị trí ban đầu Các tiếp điểm của công tắc tơ mở, hồ quang phát sinh ở tiếp điểm chính sẽ được dập tắt trong buồng dập hồ quang Mạch điện ngắt

B PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN CHỌN KẾT CẤU:

Để có một kết cấu hợp lý và phù hợp với điều kiện công nghệ cho công tắc tơ thiết kế Ta tiến hành khảo sát một số loại công tắc tơ của một số nước đang sử dụng ở Việt Nam:

+ Công tắc tơ của Việt Nam

+ Công tắc tơ của Liên xô

+ Công tắc tơ của Nhật

+ Công tắc tơ của Hàn Quốc

+ Công tắc tơ của Trung Quốc

Sau khi tham khảo về cơ bản công tắc tơ của các nước đều giống nhau Từ đó

em có nhận xét sau:

I MẠCH TỪ:

Trong tất cả các loại công tắc tơ của các nước nói trên người ta đều sử dụng mạch từ chữ ш có cuộn dây được đặt ở giữa, trên hai cực từ người ta đặt vòng chống rung

Loại này có ưu điểm: Lực hút điện từ lớn và được phân bố đều nên làm việc chắc chắn và tin cậy

Các loại kiểu hút trong mạch từ: có 2 loại

II TIẾP ĐIỂM:

Do mạch từ kiểu hút thẳng nên ta chọn tiếp điểm có dạng bắc cầu một pha hai chỗ ngắt

Kiểu này có ưu điểm: vì ta chọn như vậy bởi chỗ ngắt trong mạch là hai nên có khả năng ngắt nhanh, chịu được và dễ dập hồ quang Đồng thời giảm hành trình chuyển động dẫn đến giảm kích thước của công tắc tơ (như hình vẽ)

III BUỒNG DẬP HỒ QUANG:

Buồng dập có tác dụng giúp ta dập tắt hồ quang nhanh nên phải đảm bảo các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo khả năng đóng và ngắt: nghĩa là phải đảm bảo giá trị dòng điện ngắt ở điều kiện cho trước

+ Thời gian cháy hồ quang nhỏ, vùng iôn hóa nhỏ Nếu không có thể chọc thủng cách điện trong buồng dập hồ quang

+ Hạn chế ánh sáng và âm thanh

Do tác dụng của hồ quang là rất nguy hiểm nên ta cần phải có biện pháp nhanh chóng dập hồ quang

Đối với công tắc tơ xoay chiều có hai phương án dập hồ quang chủ yếu là:

+ Dùng cuộn thổi từ có buồng dập là khe hở hẹp

+ Dùng buồng dập kiểu dàn dập

Phương pháp thứ nhất có khả năng dập hồ quang rất tốt song kết cấu phức tạp, thường dùng cho các loại công tắc tơ có dòng điện lớn làm việc ở chế độ nặng và trung bình

Phương pháp thứ hai có kết cấu đơn giản dễ chế tạo, nhưng khả năng dập hồ quang kém hơn phương pháp thứ nhất Nó được dùng cho công tắc tơ có dòng điện không lớn lắm.

Như vậy ở đây ta thiết kế công tắc tơ có Uđm=400 (V); Iđm=60 (A) Ta

sẽ chọn buồng dập hồ quang là buồng dập kiểu dàn dập được làm từ vật liệu sắt ít cacbon Loại này có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và đơn giản trong tính toán và đảm bảo khi làm việc

IV NAM CHÂM ĐIỆN:

Nam châm điện có vai trò rất quan trọng, nó quyết định đến tính năng làm việc và kích thước của toàn bộ công tắc tơ

Nam châm điện dạng chữ ш hút chập từ thông không rò Có từ thông không đổi trong quá trình nắp chuyển động, từ dẫn khe hở không khí lớn, lực hút điện từ lớn đặc tính của lực hút điện từ gần với đặc tính cơ phản lực của loại công tắc tơ xoay chiều Sử dụng kiểu này ta dễ dàng sử dụng tiếp điểm kiểu hai chỗ ngắt

Trên thực tế và theo tham khảo với công tắc tơ xoay chiều có dòng định mức Iđm<100 (A) người ta thường chọn mạch từ có dạng chữ ш kiểu hút thẳng

có đặc tính hút gần với đặc tính phản lực đồng thời đơn giản hơn trong quá trình tính toán và chế tạo

Tiếp điểm: một pha hai chỗ ngắt

Buồng dập hồ quang: kiểu dàn dập

Hệ thống phản lực: 3 lò xo tiếp điểm chính

2 lò xo nhả

2 lò xo tiếp điểm phụ

Điện áp định mức.

Môi trường làm việc

Quá trình dập tắt hồ quang

Ta có thể xác định khoảng cách cách điện theo các phương pháp sau:

+ Theo độ bền làm việc pha

+ Theo độ bền điện các phần tử mạng điện so với đất

+ Theo chế độ bền điện ngay trong nội tại của công tắc tơ đối với các phần tử mang điện.

Nếu ta chọn khoảng cách quá nhỏ thì dễ xảy ra phóng điện, nếu chọn khoảng cách lớn sẽ tăng kích thước công tắc tơ

Đối với các pha với nhau điện áp lớn hơn điện áp giữa các pha phần tử mang điện đối với đất, hơn nữa vỏ của các công tắc tơ được làm bằng nhựa cứng, do đó cách điện với đất tốt, làm việc hoàn toàn an toàn

Do đó cách điện giữa các pha trong công tắc tơ là quan trọng nhất, vì vậy

ta phải xác định khoảng cách này

Nếu ta chọn khoảng cách cách điện theo phương pháp (độ bền điện giữa các pha) nếu khoảng cách này thoả mãn thì dẫn đến hai phương pháp kia cũng đảm bào an toàn khi làm việc

Chúng ta chọn khoảng cách cách điện tối thiểu theo bảng quyển1 với:

PHẦN II: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.

Mạch vòng dẫn điện của công tắc tơ bao gồm: Thanh dẫn, hệ thống tiếp điểm và các đầu nối

Yêu cầu cơ bản của mạch vòng dẫn điện:

+ Đảm bảo độ bền cơ, độ bền động và độ bền nhiệt

+ Khi làm việc ở chế độ dài hạn với Iđm nhiệt độ phát nóng cho phép của mạch vòng không vượt quá nhiệt độ cho phép Khi làm việc ở chế độ ngắn mạch trong khoảng thời gian cho phép, mạch vòng phải chịu được lực điện động do vòng ngắn mạch gây ra mà các tiếp điểm không bị nóng chảy và hàn dính lại +Trong quá trình đóng ngắt mạch điện thường xuyên cũng như có sự cố, xuất hiện sự va đập cơ khí và rung động Mạch vòng dẫn điện phải đảm bảo độ bền vững hoạt động tin cậy và đảm bảo tuổi thọ

Khi thiết kế mạch vòng dẫn điện phải có điện trở nhỏ nhất, để giảm tối thiểu tổn hao công suất trên nó và dẫn điện tốt

Mạch vòng dẫn điện trong công tắc tơ cần thiết kế bao gồm hai mạch vòng riêng biệt:

Mạch vòng dẫn điện chính

Mạch vòng dẫn điện phụ

A MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CHÍNH:

Thanh dẫn tĩnh phải có kích thước lớn hơn thanh dẫn động vì nó có gia công bắt vít nối với hệ thống bên ngoài và chịu lực va đập cơ khí của phần động.

I.1 TÍNH TOÁN THANH DẪN ĐỘNG:

1 Chọn vật liệu để thanh dẫn:

Để thanh động dẫn điện tốt và đảm bảo độ bền cơ ta chọn vật liệu có điện trở suất càng nhỏ càng tốt và có độ bền cơ cao

Theo bảng (2 – 13)- quyển 1 ta chọn vật liệu thanh dẫn động là đông kéo nguội có tiết diện hình chữ nhật ký hiệu MI – TB có các thông số kỹ thuật sau:

2 Tính toán thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn.

Xác định kích thước a, b: Theo công thức (2 – 6)– quyển 1 ta có:

Chọn kT = 6 (W/m2 oC) = 6.10-6 (W/mm2oC).

τôđ = [θ] – θmôi trường: Độ tăng nhiệt độ ổn định

Với [θ] = 95oC : Nhiệt độ phát nóng cho phép của của thanh dẫn

θmôi trường = 40oC: Nhiệt độ môi trương

1 + 6 ( 6 2

04 , 1 10 023 , 0 60

3 2

-

Vậy kích thước của thanh dẫn còn phụ thuộc vào đường kính của tiếp điểm Theo bảng (2 - 15)– quyển 1: Với Iđm = 60 (A) ta có

dtđ = (16 ÷ 20) (mm) : đường kính tiếp điểm

htđ = (1,4 ÷2,5) (mm): chiều cao tiếp điểm

Chọn đường kính tiếp điểm: dtđ = 14 (mm)

Nên chiều dài thanh dẫn a = 14+ (1÷2)

Vậy ta chọn kích thước của thanh dẫn động như sau:

a= 16 (mm).

b= 1,5 (mm)

3 Kiểm nghiệm lại thanh dẫn.

3.1 Tính toán kiểm nghiệm lại thanh dẫn ở chế độ dài hạn:

a Mật độ dòng điện dài hạn:

Jtđ = (A/mm2)

Trong đó:

I = Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức

S = Stđ = a b = 1,5 16= 24 (mm2): Tiết diện thanh dẫn

Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn:

b.Tính toán nhiệt độ thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:

Theo công thức (2- 4)/18 - Quyển 1 ta có:

S.P = I .k ..((1+ . )).k

mt td

f td o

2 m

®

θ - θ

θ α ρ

θtđ = IS.P.ρ.k.k-+I S..ρP.k.k.θ.α

f o

2 m

® T

mt T f

o

2 m

θmt = 40 (oC): Nhiệt độ môi trường

ρ0 - Điện trở suất vật liệu ở 00C

θtđ = 2460.35..60,.10016- 6.10-60.21.,004,016+24.10.35- 3.1.,604.10.0,.004340 = 54,68 (o C)

θtđ = 54,1 (oC)

Vậy ta so sánh với nhiệt độ cho phép : θtđ < [θcp] = 95oC là thích hợp

3.2 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm viêc ngắn hạn:

Tính mật độ dòng điện trong thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch với các thời gian ngắn mạch khác nhau

Theo công thức (6 – 21)– quyển 1 ta có:

Jnm2 tnm = Anm – Ađ

Jnm = (A/mm2)

Trong đó:

Jnm = Jbn : Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt

tnm = tbn : Thời gian ngắn mạch, bền nhiệt

Abn, Ađ : Giá trị hằng số tích phân ứng với nhiệt độ bền nhiệt và nhiệt độ đầu

Nhiệt độ bền nhiệt của thanh dẫn là: 300 (oC)

Tra đồ thị (6 – 6)– quyển 1 ta được:

I.2 TÍNH TOÁN THANH DẪN TĨNH:

Khi làm việc thanh dẫn tĩnh cũng chịu một dòng điện như thanh dẫn động Như ta đã nói ở trên còn cần phải có độ bền về cơ để gia công lỗ sắt vít đầu nối và chịu va đập cơ khí khi đóng ngắt mạch điện

Vì vậy ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động

Ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau:

II. VÍT ĐẦU NỐI:

Đầu nối dùng để nối dây dẫn mạch ngoài với thanh dẫn tĩnh Nó là một phần tử quan trọng trong hệ thống mạch vòng Nếu không đảm bảo rất dễ bị

hư hỏng trong quá trình vận hành

II.1 YÊU CẦU ĐỐI VỚI ĐẦU NỐI:

Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức không vượt quá trị số cho phép Do đó mối nối phải có kích thước và lực ép tiếp xúc (Ftx) đủ để điện trở tiếp xúc (Rtx) không lớn ít tổn hao công suất.

Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ, bền điện và độ bền nhiệt khi dòng ngắn mạch chạy qua

Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phát nóng phải

ổn định khi công tắc tơ vận hành

II.2 CHỌN DẠNH KẾT CẤU MỐI NỐI:

Căn cứ vào ứng dụng của công tắc tơ với dòng định mức Iđm= 60(A)

ta chọn kiểu mối nối tháo rời ren sử dụng vít M6x15 tra bảng(2-3)- quyển 1 và kiểu mối nối như hình sau:

Trong đó: 1: Vít M6x15

2: Long đen

3: Thanh dẫn đầu ra

4: Thanh dẫn tĩnh

II.3 TÍNH TOÁN ĐẦU NỐI:

1 Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức:

Stx = (mm2)

Theo kinh nghiệm thiết kế và tham khảo tài liệu hướng dẫn với dòng điện định mức Iđm = 60 (A) đối với thanh dẫn bằng đồng mật độ dòng điện có thể lấy bằng 0,31 (A/mm2) tại chỗ tiếp xúc với dòng xoay chiều có tần số 50 Hz

Vậy Stx = 060,31 = 193,5 (mm2).

2 Lực ép tiếp xúc được tính theo công thức:

Ftx = ftx.Stx (kg)

Trong đó: Stx= 193,5 (mm2): Diện tích tiếp xúc

ftx: Lực ép tiếp xúc riêng trên mối nối thanh đồng

Theo quyển 1- trang 33 ta có : ftx = (100÷150) (kg/cm2)

Trong đó:

ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu

Theo trang 59-quyển 1 ta có: ktx= (0,09÷0,14).10-3 (Ωkg)

= 0,005.10-3 (Ω)

4 Điện áp tiếp xúc mối nối :

Theo công thức (2 – 27)– quyển 1:

Utx = Rtx.Iđm (V)

Trong đó: Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức

Rtx= 0,005 (Ω)

Utx = 0.005.10-3 60 = 0,30.10-3 (V) = 0,30 (mV)

So sánh với [Utx] = (2 ÷ 30) (mV) là phù hợp.

III TIẾP ĐIỂM:

Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt mạch điện Vì vậy kết cấu và thông số của tiếp điểm có ảnh hưởng đến kết cấu và kích thước toàn bộ công tắc tơ, tuổi thọ của công tắc tơ

III.1 YÊU CẦU CỦA TIẾP ĐIỂM :

Khi công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép

Với dòng điện lớn cho phép tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và

độ bền điện động

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

III.2 CHỌN KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU TIẾP ĐIỂM :

Qua tham khảo tài liệu và với dòng điện định mức Iđm= 60 (A) ta chọn dạng kết cấu tiếp điểm là : tiếp xúc điểm kiểu trụ cầu- trụ cầu ( theo trang 37- quyển 1)

Vật liệu tiếp điểm cần có độ bền cơ cao dẫn điện và dẫn nhiệt tốt với dòng Iđm= 60 (A ) theo bảng (2-13)- quyển 1 : Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm

là kim loại gốm : Ag-Niken than chì

Ký hiệu : KMK- A32M

Loại kim loại gốm rất tốt có khả năng đáp ứng nhu cầu cho tiếp điểm có độ cứng cao, điện trở suất nhỏ và ổn định khi làm việc ở chế độ dài hạn

Các thông số kĩ thuật của KMK – A32M

γ = 8,7 (g/cm3) : Khối lượng riêng

α = 3,5.10-3 (1/oC) : Hệ số nhiệt điện trở.

III.3 TÍNH TOÁN TIẾP ĐIỂM:

1 Chọn kích thước cơ bản:

Kết cấu của tiếp điểm như đã nói ở trên có hình dạng trụ cầu Kích

thước ta chọn phù thuộc giá trị định mức, kết cấu tiếp điểm và số lần đóng ngắt

Theo bảng (2-15)- quyển 1 với dòng Iđm= 60 (A) ta có:

2 Lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc:

Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài han Trong chế độ ngắn mạch dòng điện lớn lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do

hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và rung

Lực ép tiếp điểm được xác định theo công thức lý thuyết và công thức thực nghiệm

a Theo công thức lý thuyết:

d

h

Từ công thức (2- 14)- quyển 1 ta có:

T

T [arccos(

1

16

H A I

2 tx td 2

B 2

λ

π

Mà Ftđ = n Ftđ1

Với n là số điểm tiếp xúc

Theo trang 53- quyển 1 ta có n=1 vì tiếp điểm động và tiếp điểm chính có dạng trụ cầu nên tiếp xúc ở đây là tiếp xúc điểm Nên lực ép tiếp điểm:

)]

68 , 332

68 , 327 ( arccos [

1

) 325 , 0 ( 16

75 14 , 3 10 3 , 2

= 0,0012(kg)

Ftđ1 = 0,012 (N)

Vậy lực ép tiếp điểm Ftđ= 1.Ftđ1= 0,012 (N)

b Phương pháp kinh nghiệm:

Theo công thức (2 – 17)- quyển 1 ta có:

Ftđ = ftđ Iđm

Trong đó:

ftđ: lực tiếp điểm đơn vị

Theo bảng (2 – 17)- quyển 1 ta có : ftđ = (7 ÷ 15) (G/A)

Chọn ftđ = 10 (G/A)

Iđm= 60 (A): dòng điện định mức

Nên ta có lực ép tiếp điểm: Ftđ1 = 10 60 = 0,6 (KG) = 6 (N)

So sánh hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm: khi dòng điện nhỏ cần có

dự trữ lực, còn khi có dòng điện lớn cần tăng lực để đảm bảo độ ổn định điện động và ổn định nhiệt của tiếp điểm Vì vậy ta chọn lực tiếp điểm Ftđ = 6(N)

3 Tính điện trở tiếp xúc:

Để tính điện trở tiếp xúc ta có hai phương pháp: tính theo lý thuyết và theo thực ngiệm

a.Tính theo lý thuyết

Theo công thức (2 – 24)- quyển 1:

Rtx =

2

θ ρ

10 05 ,

= 0,15.10-3 (Ω)

b Tính theo kinh nghiệm:

Theo công thức (2 – 25)- quyển 1:

Rtx = tx m

t®

K(0.102.F ) (Ω)

Trong đó: ktx: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu

Theo trang 56- quyển 1 ta có: ktx= (0,2÷0,3) 10-3

,

0

[

10 25

,

= 0,32 10-3 (Ω)

Để thoả mãn cho việc tính toán điện áp rơi ta chọn: Rtx = 0,32 10-3 (Ω)

4 Tính điện áp rơi trên điện áp tiếp xúc:

Theo công thức (2 – 27)– quyển 1 ta có:

5 Tính nhiệt độ tiếp điểm:

Theo công thức (2 – 11)– quyển 1:

θtđ = + SI.P..K + I.P..SR.K (0C)

T

® t 2 m

® T

2 m

® mt

θmt = 40 (oC): nhiệt độ môi trường

ρθ = ρ95 = 0,05 10-3 (Ωmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở nhiệt độ ổn định

KT = 6 10-6 (W/mm2oC): Hệ số nhiệt điện tử

P(mm): chu vi tiếp điểm

Ptđ = π.d = 3,14 14 = 43,96 (mm)

Rtđ : điện trở tiếp điểm

Rtđ = 2ρ0

® t S

C 47 , 44

= 10 6 86 , 153 96 , 43 325 , 0 2

10 3 , 1 60 +

10 6 96 , 43 86 , 153

10 05 , 0 60 +

40

6

6 2

6

3 2

®

-

θ

-6 Tính nhiệt độ tiếp xúc :

Theo công thức (2 – 12)– quyển 1

8

R I

2 m

®

® t

θ

ρ λ θ

Trong đó : θtđ = 44,47 (oC): nhiệt độ tiếp điểm

) 10 32 , 0 ( 60 + 47 ,

3

2 3 2

-

-Vậy ta so sánh nhiệt độ tiếp xúc θtx<[θcp] = 180 0C là phù hợp

7 Dòng điện hàn dính tiếp điểm:

Khi dòng điện lớn hơn dòng điện định mức, tiếp điểm bị đẩy ra do lực điện động lớn Rtx tăng lên Tiếp điểm bị hàn dính do nhiệt độ tiếp xúc tăng lên

Có hai tiêu chuẩn đánh giá sự hàn dính

+ Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính

a.Tính theo lý thuyết:

Theo công thức (2 – 33)– quyển 1:

A: hằng số vật liệu làm tiếp điểm

Theo công thức (2 – 34)/66 – quyển 1 ta có:

A =

) 3

2 + 1 (

H

) 3

1 + 1 ( 32

nc 0

B

nc nc

θ α ρ

π

αθ θ

λ

Trong đó: α = 3,5 10-3(1/oC): hệ số nhiệt điện trở

HB = 75 (kg /mm2): độ cứng Briven

λ = 0,325 (W/mmoC): hệ số truyền nhiệt

θnc= 3403 (oC): nhiệt độ nóng chảy vật liệu làm tiếp điểm

ρ0: điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 0 0C

mà ta có: ρ0 = = 0 , 037 10 ( mm ).

20 10 5 , 3 + 1

10 4

= 20 + 1

3 5

2 + 1 ( 0037 , 0 75 14 , 3

) 3403 10 5 , 3 3

1 + 1 ( 3403 325 , 0 32

=

A

3 3

-

-Vậy ta có dòng điện hàn dính:

Ihd = 1503 3 0 , 6= 2016 (A)

Như thiết kế ban đầu: Ing.m =Iđm = 10 60 = 600 (A)

Vậy Ingm << Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính

Như thiết kế ban đầu ta có: Ingm = 10 Iđm = 10 60 = 600 (A)

Vậy Ingm < Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính

Nếu chọn m lớn thì dễ nhưng sẽ tăng kích thước công tắc tơ

Nếu chọn nhỏ khó dập hồ quang, gây nguy hiểm khi vạn hành

Với Iđm = 60 (A); Uđm = 400 (V)

Theo trang 41 – quyển 1 ta có: m= 6÷12 (mm)

Ta chọn độ mở của tiếp điểm m = 6 (mm)

l = A + B Iđm

Trong đó:

A = 1,5 (mm)

B = 0.,02 (mm/A)

Vậy l = 1,5 + 0,02 60 = 2,7 (mm) Chọn độ lún của tiếp điểm l= 3 (mm)

V ĐỘ RUNG CỦA TIẾP ĐIỂM:

Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc có xung ra lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra hiện tượng rung của tiếp điểm

Khi ngắt cũng xảy hiện tượng rung tiếp điểm

Quá trình rung đước đánh giá trị số rung của biên độ lớn nhát của lần

va đập đầu tiên Xm và thời gian rung tương ứng là tm

1 Xác định trị số biên độ rung:

Theo công thức (2 – 39) ta có biên độ rung của một cặp tiếp điểm

® t

v

®

® m

F 2

) k 1 ( v m

Gđ = 10 10-3 60 = 0,6 (kg).

Lấy g = 9,8 (m/s2): gia tốc trọng trường

Nên khối lượng phần động:

mđ = = 0 , 0061 ( kg s / m ).

8 , 9

6 ,

-Công thức trên xác định biên độ rung của một cặp tiếp điểm Vì ở đây

ta thiết kế công tắc tơ xoay chiều ba pha có 3 cặp tiếp điểm thường mở nên ta

có biên độ rung:

).

mm ( 028 , 0

= 36

, 0 2 3

) 9 , 0 1 ( 1 , 0 0061 , 0

=

X

2 m

-2 Xác định thời gian rung tiếp điểm:

Theo công thức (2-40)- quyển 1 ta có thời gian rung của một cặp tiếp điểm:

Trong đó: mđ = 0,061 (kg.s2/m): khối lượng phần động

vđ = 0,1 (m/s): vận tốc tại thời điểm va đập

Ftđđ = 0,36 (kg)

Vậy thời gian rung của một cặp tiếp điểm:

) s ( 36

, 0

9 , 0 1 1 , 0 0061 , 0 2

= ) s ( 10 0036 , 0

= 36

, 0 3

9 , 0 1 1 , 0 0061 , 0 2

Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng ngắt mạch điện

Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, ăn mòn về điện và ăn mòn về cơ Nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn là do quá trình mòn điện

1 Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ăn mòn:

Do điều kiện làm việc: Trị số điện áp nguồn

Trị số dòng điện

Đặc tính phụ tải

Tần số đóng cắt

Môi trường làm việc

Do kết cấu của công tắc tơ: Thời gian đóng và ngắt

Độ rung của tiếp điểm

Vật liệu tiếp điểm

Kết cấu của dạng tiếp điểm

Cường độ từ trường giữa hai tiếp điểm

Tốc độ chuyển động của tiếp điểm động

2 Tính toán độ mòn của tiếp điểm:

Theo công thức (2-54)- quyển 1 ta có:

gđ + gng = 10-9.( kđ I2

đ + kng I2

ng) kkđ

Trong đó:

(gđ + gng): khối lượng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt

Iđ = 4 Iđm= 4 60 = 240 (A): dòng điện khi đóng

Ing= 4 Ing= 4 60 = 240 (A): dòng điện khi ngắt

gđ + gng = 10-9 ( 0,05 2402 + 0,05 2402 ) 2,2 = 1,28 10-5 (g).

Khối lượng hao mòn của 1 cặp tiếp điểm sau 105 lần đóng ngắt:

gm Gm = 105 (gđ + gng) = 105 10-5 1,28 = 1,28 (g)

Vậy sau 105 lần đóng ngắt tiếp điểm mòn: m = 1,28 (g)

Khối lượng tiếp điểm: gtđ = vtđ γ

Trong đó: γ = 8,7 ( g/cm3): khối lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm

vtđ = vtđđ+ vtđt (cm3): thể tích của tiếp điểm

= 03 , 7

28 , 1

= 100

Giảm thời gian cháy của hồ quang

Giảm thời gian rung của tiếp điểm

B MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN PHỤ:

Mạch vòng dẫn điện phụ gồm thanh dẫn, đầu nối và tiếp điểm Quá trình tính toán mạch vòng dẫn điện phụ cũng giống như mạch vòng dẫn điện chính

I THANH DẪN:

I.1 THANH DẪN ĐỘNG:

1.Chọn vật liệu thanh dẫn:

Ta chọn vật liệu giống như thanh dẫn mạch vòng dẫn điện chính Vậy

ta chọn là đồng Kí hiệu: MI - TB - tiết diện hình chữ nhật có 2 cạnh a và b,

các thông số kĩ thuật đã nêu ở phần mạch vòng dẫn điện chính Có hình dạng như hình vẽ:

2 Tính toán thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:

Xác định kích thước của thanh dẫn theo công thức (2-6)- quyển 1ta có:

3

® T f 2

k ).

1 + n ( n 2

k I

1 + 6 ( 6 2

04 , 1 10 0023 , 0 5 3

=

3 2

-

Vậy kích thước của thanh dẫn còn phụ thuộc vào đường kính của tiếp điểm Theo bảng (2 - 15)- quyển 1 với dòng điện định mức Iđm= 5(A) ta có:

d = 2÷4 (mm): đường kính tiếp điểm

h = 0,3÷1(mm): chiều cao tiếp điểm.

Ta chọn đường kính của tiếp điểm động: d = 4 (mm)

Vậy ta chọn kích thước của thanh dẫn động: a = 5 (mm)

b = 0,5 (mm)

3 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn:

3.1.Tính kiểm nghiệm lại thanh dẫn ở chế độ dài hạn:

a.Tính mật độ dòng điện dài hạn:

Trong đó: I = Iđmp = 5 (A): dòng điện định mức của mạch phụ

S = Std = a b = 5 0,5 = 2,5 (mm2): tiết diện thanh dẫn

Vậy mật độ dòng điện dài hạn:

) mm / A ( 2

= 5 , 2

5

=

So sánh mật độ dòng điện cho phép là: [Jcp] < 4 (A/ mm2)là phù hợp

b Tính nhiệt độ phát nóng thanh dẫn ở chế độ dài hạn:

Theo công thức: (2 - 4)- quyển 1 ta có:

S.P =

) (

k

k ).

+ 1 ( I

mt

f td o

2 m

®

θ - θ

θ α ρ

td

θtd = IS..Pρ.k.k-I+S..ρP..kk..θα

f o

2 m

® T

mt T f

o

2 m

θmt = 40 (oC): Nhiệt độ môi trường

ρ0 - Điện trở suất vật liệu ở 00C

= 0,016.10-3 (Ωmm)

Nên nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn :

θtd = 2,55.11.0.,6016.10.106 5.12.,040,016+ 2.,105.113..16,04.10. 0.,400043

6 3

2

-

-

θtd = 43,27 (oC)

Vậy ta so sánh với nhiệt độ cho phép : θtđ < [θcp] = 95oC là thích hợp

3.2 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm việc ngắn hạn:

Tính mật độ dòng điện trong thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch với các khoảng thời gian khác nhau

Theo công thức (6 – 21)– quyển 1 ta có:

Jnm2 tnm = Anm – Ađ

Jnm = (A/mm2)

Trong đó:

Jnm = Jbn : Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt

tnm = tbn : Thời gian ngắn mạch, bền nhiệt

Abn, Ađ : Giá trị hằng số tích phân ứng với nhiệt độ bền nhiệt và nhiệt độ đầu

Nhiệt độ bền nhiệt của thanh dẫn là: 300 (oC)

Tra đồ thị (6 – 6)– quyển 1 ta được:

So sánh với mật độ dòng điện bền nhiệt cho phép đối với thanh dẫn đồng ở bảng (6 – 7)– quyển 1 ta có bảng sau:

I.2 TÍNH TOÁN THANH DẪN TĨNH:

Vì thanh dẫn tĩnh còn cần phải có độ bền cơ để gia công lỗ vít sắt đầu nối và còn chịu va đập khi đóng ngắt mạch điện

Nên ta chọn kích thước thanh dẫn lớn hơn một chút so với thanh dẫn động

Vì vậy ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau:

= 5

Trong đó: I = Iđmp = 5 (A): dòng điện định mức của mạch phụ

S = a b = 5 1 = 5 (mm2): tiết diện thanh dẫn

So sánh với mật độ dòng cho phép: [Jcp] < 4 (A/mm2) là phù hợp

1 Chọn dạng mối nối:

Theo yêu cầu của đầu nối và hình (2-2)- quyển 1 ta chọn kiểu mối nối tháo rời ren vít, sử dụng vít

Theo bảng (2-9)- quyển 1 ta chọn vít loại M3x10

2 Tính toán vít đầu nối:

+ Diện tích bề mặt tiếp xúc xác định theo công thức:

mm ( J

I

=

tx

Trong đó: Iđmp = 5 (A): dòng điện chạy qua đầu nối

Theo kinh nghiệm thiết kế và theo trang 31- quyển 1với điện xoay chiều f=50 (Hz) và Ipđm=5 (A) đối với thanh dẫn động mật độ dòng điện có thể lấy:

J = 0,31 (A/mm2)

Ta có diện tích bề mặt tiếp xúc:

).

mm ( 13 , 16

= 31 , 0

-+.Tính điện áp tiếp xúc mối nối:

Theo công thức (2 - 27) - quyển 1 ta có:

Utx = Rtx Iđm = 0,07 10-3 5 = 0,35 10-3 (V) = 0,35 (mV).

So sánh với [Utx] = 2÷30 (mV) là thích hợp, cho nên mối nối làm việc đảm bảo

Với dòng Iđm = 5 (A) ta chọn tiếp điểm động hình trụ cầu, tiếp điểm tĩnh hình trụ cầu Tiếp xúc là tiếp xúc điểm

Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là Bạc kéo nguội kí hiệu là: Ag- CP999

Theo bảng (2-15)- quyển 1 ta có các thông số kỹ thuật:

γ = 10,5 (g/cm3) Khối lượng riêng

Theo bảng (2-15)- quyển 1 ta có với Iđm = 5 (A)

d = 2 ÷ 4 (mm) : đường kính tiếp điểm

h = 0,6÷1,2 (mm) : chiều cao tiếp điểm

Chọn kích thước tiếp điểm tĩnh giống như tiếp điểm động Vậy ta chọn kích thước của tiếp điểm là:

Lực ép của tiếp điểm được xác định theo công thức lý thuyết và theo công thức thực nghiệm.

a Tính theo công thức lý thuyết:

Từ công thức (2 - 14)- quyển 1 ta có:

T

T [arccos(

1

16

H A I

2 tx td 2

B 2

Ttx = Ttd + ∆T : nhiệt độ nơi tiếp xúc

∆T = 5÷10 (0K):độ chênh nhiệt ở chỗ tiếp xúc và nơi xa tiếp xúc.Chọn ∆T = 5 (0K)

Ttx = 5+ 316,27 = 321,27 (0K)

Nên ta có lực ép tại 1 điểm tiếp xúc:

8 2

)]

27 , 321

27 , 316 ( arccos [

1

) 416 , 0 ( 16

45 14 , 3 10 3 , 2

= 0,0003(kg)

Ftd = 0,0003 (KG) = 0,003 (N)

Vậy lực ép tiếp điểm theo công thức lý thuyết: Ftđ = Ftđ1 = 0,003 (N)

b Tính theo công thức kinh nghiệm:

Theo công thức (2 - 7)- quyển 1 ta có:

Ftđ = ftđ Iđm

Trong đó: Iđm = 5 (A): dòng điện định mức

ftđ: lực tiếp điểm đơn vị

Theo bảng (2-17)- quyển 1 ta có: ftđ = 5 ÷ 10 (G/A)

Chọn: ftđ = 8 (G/A)

Vậy lực ép tiếp điểm: Ftđ = 8 5 = 40 (G) = 0,04 (KG) = 0,4 (N)

So sánh 2 kết quả tính theo lý thuyết và thực nghiệm Khi dòng điện nhỏ cần có dự trữ lực, còn khi có dòng điện lớn cần tăng lực để đảm bảo độ

ổn định điện động và ổn định nhiệt của tiếp điểm Vì vậy dể cho tiếp điểm làm việc tốt ta chọn Ftđ = 0,4 (N)

3 Tính điện trở tiếp xúc:

Để tính điện trở tiếp xúc ta tính theo công thức lý thuyết và công thức thực nghiệm

a Tính theo công thức lý thuyết:

Từ công thức (2 - 24)- quyển 1 ta có điện trở tiếp xúc:

Rtx =

2

θ ρ

= 0,2.10-3 (Ω)

b Tính theo công thức thực nghiệm:

Theo công thức (2-25)- quyển 1 ta có điện trở tiếp xúc:

Rtx = tx m

t®

K(0.102.F ) (Ω)

Trong đó: Ftđ = 0,04 (KG) = 0,4 (N): lực ép tiếp điểm

ktx = 0,6 10-3: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu

m = 0,5: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc

Vậy điện trở tiếp xúc:

10 6 , 0

=

5 , 0

3

-Để thoả mãn tính điện áp rơi ta chọn Rtx = 2,97.10-3 (Ω)

4.Tính theo điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc:

Theo công thức (2-27)- quyển 1:

Utx = Iđm Rtx (V)

Trong đó: Iđm= 5 (A): dòng điện định mức

Rtx = 2,97.10-3 (Ω): điện trở tiếp xúc

Utx = 5 2,97 10-3 = 14,85 10-3 (V) = 14,85 (mV)

So sánh với điện áp rơi cho phép [Utx] =2÷30 (mV) là thích hợp

5 Tinh nhiệt độ tiếp điểm:

Theo công thức (2 – 11)– quyển 1:

θtđ = + SI.P..K + I.P..SR.K (0C)

T

® t 2 m

® T

2 m

® mt

θmt = 40 (oC): nhiệt độ môi trường

ρθ = 0,02 10-3 (Ωmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở nhiệt

P (mm): chu vi tiếp điểm

Ptđ = π.d = 3,14 4 = 12,56 (mm)

Rtđ : điện trở tiếp điểm

Rtđ = 2ρ0

® t S