Thiết kế khí cụ điện hạ áp

Trong công cuộc xây dựng đất nước đi lên chủ nghĩa xã hội, vấn đề công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước là nhiệm vụ được Đảng và nhà nước ta đặt lên hàng đầu.

Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lí làm việc vàkích cỡ khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống Việc tính toán thiết kế công tắc tơ nói riêng và khí cụ điện nói chung lànhiệm vụ quan trọng để đảm bảo cho ngành công nghiệp điện năng của đấtnước ta có thể tự chủ trong vấn đề sản xuất các thiết bị điện phục vụ cho sảnxuất và truyền tải điện năng mà không phải phụ thuộc vào việc nhập khẩu từnước ngoài.

Dưới đây em xin trình bày toàn bộ nội dung đồ án môn học Thiết kế khí

cụ điện hạ áp do thày giáo Nguyễn Văn Đức hướng dẫn.

Mặc dù trong thời gian qua em đã cố gắng hết sức tìm hiểu thực tế,nghiên cứu tài liệu để thực hiện đồ án, nhưng không thể tránh khỏi sai sót,

em mong tiếp tục nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thày

Em mong bày tỏ lòng biết ơn tới sự giúp đỡ của thày giáo Nguyễn Văn

Đức, thày trực tiếp hướng dẫn và toàn bộ các thày trong bộ môn Thiết bị điện - điện tử đã dạy dỗ em trong nhiều năm vừa qua.

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2007

Sinh viên

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TẮC TƠ

I Giới thiệu về công tắc tơ:

1 Định nghĩa:

Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng cắt thường xuyên các mạch điệnđộng lực, từ xa, bằng tay hay tự động Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếpđiểm có thể được thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén.Thông thường hay gặp công tắc tơ đóng cắt bằng nam châm điện

Công tắc tơ điện từ gồm hai loại, công tắc tơ đóng cắt bằng nam châmđiện một chiều và công tắc tơ đóng cắt bằng nam châm điện xoay chiều

2 Cấu tạo chung:

Công tắc tơ điện từ được cấu tạo từ những phần chính: Hệ thống mạchvòng dẫn điện, hệ thống dập hồ quang, hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếpđiểm, nam châm điện, vỏ và các chi tiết cách điện

3 Nguyên lý làm việc:

Đưa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện tạo ra từ thông  , từ thôngsinh ra lực điện từ ở khe hở  , do lực điện từ Fdt > Fphản lực lò xo nên nắp namchâm điện đậy xuống    min, tiếp điểm đóng, công tắc tơ đóng, mạchthông

Ngắt công tắc tơ: Ngắt dòng điện ở cuộn dây nam châm điện làm mất từthông   0, lực điện từ Fdt = 0 nên lò xo kéo nắp nam châm điện mở, tiếpđiểm mở, hồ quang điện được dập tắt ở buồng dập hồ quang, mạch điệnngắt

II Chọn phương án thiết kế:

1 Phân tích chọn phương án thiết kế:

Công tắc tơ điện từ xoay chiều dùng nam châm điện có hai dạng:

+ Mạch từ hình chữ U nắp hút quay quanh trụ Tiếp điểm kiểu ngón,dạng tiếp xúc đường, dùng dây nối mềm để đưa điện vào tiếp điểm Thíchhợp với dòng điện lớn, chế độ làm việc nặng nề của công tắc tơ

+ Mạch từ hình chữ E nắp hút thẳng, một phần phần ứng ngập trong lòngống dây Tiếp điểm kiểu cầu một pha hai chỗ ngắt, không cần dây nối mềm,dập hồ quang dễ hơn, dạng tiếp xúc của tiếp điểm là tiếp xúc điểm hoặc mặttuỳ theo dòng định mức Thích hợp với chế độ làm việc nhẹ nhàng của côngtắc tơ

Qua phân tích các phương án thiết kế công tắc tơ trên kết hợp với yêu cầuthiết được giao là thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều có dòng định mứcnhỏ (30A) tần số thao tác 400lần/giờ là chế độ làm việc nhẹ nhàng nên chọnphương án thiết kế tối ưu là mạch từ hình chữ E nắp hút thẳng

2 Phân tích chi tiết phương án đã chọn:

*Ưu điểm:

+ Kết cấu đơn giản.

+ Lực hút điện từ được phân bố đều

+ Không cần dây nối mềm để đưa điện vào tiếp điểm động

*Nhược điểm:

+ Trọng lượng phần động lớn gây khó khăn cho việc hút

+ Nếu dòng lớn thì độ mở tiếp điểm lớn dẫn đến kích thước công tắc tơlớn

a) Dạng mạch từ:

Mạch từ hình chữ E, cuộn dây đặt ở giữa, vòng ngắn mạch đặt ở hai cực

từ bên, lực hút điện từ phân bố đều hơn, đặc tính lực hút điện từ sát đặc tính

cơ đảm bảo thiết kế tối ưu

b) Hệ thống mạch vòng dẫn điện:

Tiếp điểm kiểu cầu một pha hai chỗ ngắt, ưu điểm là dễ dập hồ quang,không cần dây nối mềm đưa điện vào tiếp điểm động, do đó kết cấu đơngiản

c) Buồng dập hồ quang:

Buồng dập hồ quang kiểu dàn dập, kích thước nhỏ, hạn chế vùng hồquang cháy, giảm âm thanh khi hồ quang cháy

d) Hệ thống phản lực:

Dùng lò xo hình trụ chịu nén, xoắn, phản lực nhả của tiếp điểm chính,

tiếp điểm phụ đều sửdụng phản lực lò xo

Dạngkết cấu đơn giản

CHƯƠNG II TÍNH MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

1 Tính thanh dẫn động:

- Chọn vật liệu: Tra bảng trang 44 và bảng 2-22 trang 82, chọn

vật liệu là đồng kéo nguội, kí hiệu: M1-TB

+ Tỉ trọng (): 8,9(g/cm3)

Vòng ngắn mạch

Lò xo nhả cuộn dây nam châm điện

tiếp điểm

Lò xo tiếp điểm

nắp phần ứng

1 (

.

2

.

od T

ph dm

K n

n

K I

W

hệ số toả nhiệt ở điều kiện không khí chuyển động tự

nhiên, chọn = 7,5 ( tra bảng 6-5 trang 300TLTK).

1 7

A b

K I

K

p

S

K p S K I

ph dm

T

T ph

dm

od

0 8

2

8 2

0 2

0 0

2

47 0043 , 0 06 , 1 10 45 , 1 30 5 , 7 ).

001 , 0 012 , 0 (

2 ).

001 , 0 012 , 0 (

2 ).

001 , 0 012 , 0 ( 06 , 1 10 45

.

.

20

20 0043 , 0 1

10 58 , 1 20

j nm   0

 tính với tnm = 3; 5; 10s

Với điều kiện nhiệt độ cho phép của đồng là 950C

Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch là 3000C

Theo hình 6-6TLTK v à tra bảng 6-7 trang 305 TLTK

mm A j

mm A

*Với Idm = 30A chọn vít M5 15có đường kính ren d = 5mm

+ Diện tích tiếp xúc của đầu nối

tx

dm bn dn

I b a

Jtx: mật độ dòng tại chỗ tiếp xúc

Jtx = 0,31A/mm2 => 96 , 77 2

31 , 0

Ktt: hệ số tiếp xúc, theo bảng trang 59TLTK chọn Ktt = 0,14.103m

3

10 2 , 1 10 139 , 1 102

,

0

10 14 , 0

Vậy việc chọn vít nối là thích hợp.

*Với Idm = 5A, chọn vít có đường kính ren d = 3 mm

+ Diện tích tiếp xúc đầu nối Stx = 5/0,31= 16,1 mm2

a) Vật liệu làm tiếp điểm:

Theo bảng 2-13 trang 45TLTK với Idm = 30A chọn vật liệu tiếp điểm làkim loại gốm bạc niken than chì:

Với Idm = 30A < 100A, chọn tiếp điểm hình trụ cầu:

Tiếp điểm chính: đường kính tiếp điểm d = 10mm, chiều cao h = 1,8mm Tiếp điểm phụ: đường kính tiếp điểm d = 3mm, chiều cao h = 1mm

2

1

arccos

1

16

.

B dm

tx

T T

H A

=> F td 0,035KG

328

320 arccos

1

25 , 3 16

10 45 10 3 , 2

2 8

1

10 38 , 0 3 , 0

45 2

10 035 , 0

, 0

3

10 29 , 0 94

, 2 102

,

0

10 16 , 0

.

.

1 2

1

2 2

0

tx dm T

tx tx

tx

R I s p K R

I s p R

 : điện trở suất của vật liệu tiếp điểm, =0,035.10 4 cm

p,s: chu vi và diện tích tiếp điểm (cm, cm2 )

1

10 29 , 0 30 2

1 785 , 0 14 , 3 10 29 ,

0

10 035 , 0 30 40

4 3

2 3

4 2

47 10

035

nc nc

2 1

.

) 3

1 1 (

20

20 0035 , 0 1

10 035 , 0 20

0035 , 0 3

2 1 10 27 , 3 45

1 1 1300 10 25

chọn Ihdbd = 548 > Inm = 10.Idm = 300(A) => thoả mãn.

f) Kiểm tra sự rung tiếp điểm:

Theo công thức 2-39 và 2-40 trang 72TLTK ta có:

* Biên độ rung tính cho 3 cặp tiếp điểm:

tdd

v do

d

m

F

K v

m

x

2

.

3

1 2

d

K v

.

mdE: tổng khối lượng phần động

8 30

9 , 0 1 1 , 0 02449

9 , 0 1 1 , 0 02449 ,

 thoả mãn sự rung tiếp điểm.

g) Hao mòn tiếp điểm:

Theo công thức 2-54 trang 79TLTK ta có:

Khối lượng hao mòn trung bình của một cặp tiếp điểm cho một lần đóngngắt là :

Khối lượng tiếp điểm: Gtd = td Vtd

Với: td=8,7(g/cm3 )trọng lượng riêng của vật liệu tiếp điểm

 2 2 3. 1 , 8 10 32 3 5 10 32 7 , 37 10 8 3

6

10 8 , 1

3

6

.

m r

162 , 0

=> l = 1,5 + 0,02.30  3(mm)

Với tiếp điểm phụ: l = 1,5 + 0,02.52 (mm)

Tính toáng dựng đặc tính cơ (đặc tính phản lực contactor):

) (

) (

với Gd là trọng lượng phần động, Gd = mc.Idm = 30.8 = 0,24(KG)

+ Lực nhả đầu: Fnhd = K.(Ftd + Gd + Fms)= 1,2.(1+ Gd) =

= 1,2.(1 + 0,24) = 1,488(KG)

+ Lực nhả cuối: Fnhc = 1  , 5 2Fnhd, chọn Fnhc = 1,5Fnhd = 1,5.1,488 = = 2,232(KG)

- Độ bền giới hạn khi kéo k 2200N / mm2

- Giới hạn mỏi cho phép khi uốn u 770N / mm2

- Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn x 480N / mm2

* Độ lún của lò xo: xlv = l = 3(mm).

* Chỉ số lò xo: C = D d =10

Với D: đường kính lò xo

d: đường kính dây lò xo

 Đường kính dây lò xo: d = F C mm

x

6 , 0 480 14 , 3

10 12 , 6 8

8

d G f

6 ) 26 , 3 12 , 6 (

10 8

6 , 0 10 80 3

8

.

10 12 , 6 8

.





 Việc tính toán lò xo là hợp lí.

5.2.Lò xo tiếp điểm phụ:

*Độ mở tiếp điểm phụ: Với Idm = 5A chọn độ mở m = 7(mm)

*Độ lún tiếp điểm phụ: l = A + B.Idm = 1,5 + 0,02.5 = 2 (mm)

10 1 8

8

d G f

12 ) 6 , 0 1 (

10 8

25 , 0 10 80 2 8

.

10 1 8

.

10 39 , 11 8

8

d G f

20 ) 59 , 7 39 , 11 (

10 8

8 , 0 10 80 9

8

.

10 39 , 11 8

.





 Việc tính toán lò xo là hợp lí.

delta (mm) 0

Đồ thị đặc tính cơ

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN

88 , 31 3 , 1 2

Tra bảng (5-2) trang 189TLTK: Ta thấy việc chọn dạng kết cấu như phần

chọn sơ bộ kết cấu nam châm điện là hợp lí

* Hệ số từ rò r = 1  , 3 1 , 6chọn = 1,4

* Chọn B khi phần ứng chưa bị hút sao cho khi nắp hút thì giá trị cực đại

Bmax < Bbão hoà Chọn B =0 , 4  0 , 6, chọn Bth = 0,4T

4 Xác định tiết diện lõi thép và kích thước, thông số chủ yếu của nam châm điện:

4.1 Xác định tiết diện lõi thép:

1) Xác định Sl hoặc Sml nằm ở khe hở làm việc:

Để nam châm điện làm việc thì đặc tính lực hút phải nằm cao hơn vàkhông cắt đặc tính cơ Do đó từ đặc tính cơ ta xác định được Fcơth ứng với

2

1

4 , 0 10 9 , 19

72 , 20

c

27 95 , 0

26 '   

' với a: kích thước cực từ giữa

a’: kích thước cực từ bên

với là chiều dày lá thép, chọn = 0,5(mm)

4.2 Xác định kích thước cuộn dây:

1) Xác định sức từ động cuộn dây nam châm điện:

Với nam châm điện xoay chiều, sức từ động phụ thuộc sức từ động tổnhao do từ trễ và dòng xoáy trong lõi thép và tổn hao trong vòng ngắn mạch

Do đó sức từ động cuộn dây tăng nên để bù vào tổn hao

B IW

10 3 2 4 , 0

10 5 , 0 4 , 1 4 , 0

.

7 3 0

td

I

I

I IW

IW

4.3 Xác định kích thước cuộn dây:

Scd = lcd.hcd với l cd : chiều dày cuộn dây

h cd : chiều cao cuộn dây

Scd = lcd.hcd =  

I qt ld

U

td UMax

K K J K K

IW K

.

min

với K ld 0 , 3  0 , 7,chon 0 , 5hệ số lấp đầy

2134 1 , 1

h K

cd cd

cd cd

27 9 3 9

3 221

3 ,

4 2

5 Xác định kích thước mạch từ và cuộn dây nam châm điện:

a) Tiết diện đáy mạch từ: Sd = 0,5.Sl =0,5.a.b’=351mm2

2 Từ dẫn qua khe hở không khí:

a) Khe hở  2: dùng phương pháp phân chia từ trường, chia ra làm 17 hình,

b a

b a

Vậy từ dẫn tổng qua khe hở không khí :

' 908 , 1 ' 272 , 1 636

, 0 224

, 1

' ' 2 '

' ' '

' ' 272

,

1

' ' ' 809992

, 0 ' 816 , 0 ' ' 816 , 0 '

2 ' 518976

, 0

4

a a

b b

a a

b a a b

a ab b

a b a

b a b a ab

b a b

a a

-G rb là từ dẫn rò 2 hình ½ trụ tròn đặc có đường kính: c cs , chiều cao h cs

-G rc là từ dẫn rò 2 hình ½ trụ tròn rỗng có đường kính trong c cs , đường

kính ngoài (c cs +a), chiều cao h cs

64 , 0 2 26 , 0 2 ' 2

3

1

a

c c

b h

G

cs o

o cs

o cs

64 , 0 2 26 , 0 2 '

3

2

a

c c

b h G

cs cs

cs o rqd 

4 Hệ số từ rò tại th  3mm:

4 , 1 3941 , 1 10 9436 , 1

10 6594 , 7 1

G F

d

dG G

K

th

th htb

.

2

2

, 0 10

720

10 8303 , 2

¦ Wb

10 9457 , 3 10 8303 , 2 3941 , 1



 otb rth

 T S

10 9457 , 3

f

K U K W

otb

ir dm

10 9457 , 3 50 44 , 4

9 , 0 380 85 , 0

44 , 4

.

4 min

0332 , 0 4

0341 , 0 4

2 , 0 4

2 , 0 3323

4

h l

tb tn

th th

S S

F

cn 4

10 9 , 19 10

9 ,

2 0 4 2

Stn = Sc - Snm : diện tích trong ngoài.

Với Sc: diện tích một cực từ, Sc = a’.b’=17.27=459mm2

Snm: diện tích phần ứng vòng ngắn mạch chiếm chỗ trên cực từ

10 9457 , 3 10 9 , 19

6 2

2 4 4

Từ đặc tính cơ ta có: FcơMax = 44,6(N) => Fmin = 11,15(N)

54 , 0 79

2 6

7 2

1

2 1 1

54 , 0 4 54 , 0 4 10 351 10 4 314 2

3

4 4

f

f f

S w

r

h

tn nm

6 3

6 0

0 1 , 47 10

10 2 , 0

10 234

, 64 098

, 2 10

20

,

2

10 47 , 1

5 , 0 cos  







C

với 0 4 1 , 9148 10 4

0303 , 1

10 9457 , 3 2

1

4

10 069 , 1 43 , 0 2 16 , 1 1

10 9148 ,

069 , 1 16 ,

10 24 , 1

S F

N S

F

n

n tbn

t

t tbt

15 , 26 10

117

10 24 , 1 10 9 , 19 10

9 , 19

72 , 9 10

234

10 069 , 1 10 9 , 19 10

9 , 19

6

2 4 4

2 4

6

2 4 4

2 4

cos

2 2

2

) ( 289 , 4 10

2 , 2 2 85 , 0

10 069 , 1 314 1 , 1

2

.

2 4 2

min

2 max

2

W P

P

W r

K

w K

r I P

nm nm

nm U

t U

nm nm nm

v b

2 ' 2

1 0043 , 0

10 01681 , 0

79 10 982

P I

nm

nm

10 2 , 2

289 , 4

TKK

nm nm

S K S

4 '

) ( 143 48 , 6 10 69 , 3 92 , 1 10 204 , 3

289 ,

nm

0 0

c) Suất tổn hao vật liệu ứng với BMax trong lõi thép:

2 max 0 , 1 max

0 ,

10 702

10 44 , 5 10

44 , 5 3323

314

96 , 0 380 1

;

2

;

max 6

4 max

4 max

max max

max

max

T B

B Wb

K W

w

K U K S

B

l

ir ir dm U

l l

) ( 0042 , 0 380 1 , 1

737 , 1

1 , 1

U

P I

h h

dm

U I

X doR X R

h h

b a b a S

W w L w X





10 4 3323 314

.

380 1 , 1

35293 10

2 , 0

10 27 17 2 27 26 10 4 3323

6 7

nmqd

th

0042 , 0

; 042 , 0

0142 , 0 3323 2

2 , 37 8 , 1

A mm   J d

I q

053 , 0 4

4

=> hợp lí

c) Dòng khi nắp mở:

mo

dm mo

H G

mo mm

mo

6 9

6

10 1619 , 0 10

0854 , 0 10 0765 ,

380 1 , 1

745 , 0

I

11 Tính toán nhiệt cuộn dây:

a) Điện trở cuộn dây:

, 0

3323 26 , 132 10 023 , 0

26 , 132 9 26 4 4

10 023 , 0 20 105 0043 , 0 1 10 01681 , 0

20 1

;

.

3

3 3

20

R

mm l

a l

mm q

W l R

cd tb

dq

S K

Với S tr , S ng : diện tích trong, ngoài cuộn dây.

với K : hệ số đặc trưng cho hiệu quả toả nhiệt của mặt trong

chọn K = 0.

=>ST = Sng

mm

5 , 2 3 2

2

30 10

5346 6

854 , 0

5346 27

9 2 5 , 2 2 27 9 2 5 , 2 2 26 2

2 2 ' 2

2 2

S

h l b

l a

S

ng T

cd cd cd

ng

Nhiệt độ cuộn dây khi làm việc: cd    0  30  40  700C cp

dG G

2

2

2

với K=0,5

với

W f

K U

K u dm ir

r 4 , 44

.

Wb K

Wb K K

u u u

u u

4 4 4

4 2

10 222 , 5 1

, 1

*

10 747 , 4 1

*

10 035 , 4 85

, 0

*

10 747 , 4 3323 50 44 , 4

96 , 0 380

K U

F

F U

U K

h nh nh

h

nh h

nh nh

236 380 85 , 0 73 , 0

73 , 0 3356 , 42

7 , 22

K

U nh ir

tbnh

4 2

2

10 948 , 2 50 3323 44 , 4

96 , 0 236

44 , 4

d

dG G

K F

r r

tbnh

2

10 948 , 2 5 , 0

2

.

2 2

2 4 2

Fnh 42,7953 24,5581 22,3545 9,4129 6,6979

14 Tính thời gian tác động và thời gian nhả:

ttđ = t1 + t2 với t 1 : thời gian khởi động khi đóng.

tnh = t3 + t4 t 2 : thời gian chuyển động khi đóng.

t 3 : thời gian khởi động khi nhả.

t 4 : thời gian chuyển động khi nhả.

Với nam châm điện xoay chiều: t 1 , t 3 = 0,01(s)

i i

F

x m t

t

1 2

F

2

với m: khối lượng phần động.

F h : lực hút ở đoạn i.

F c : lực cản.

) (  1

45 , 2

i i 2

x S

2

i

i

x m t

4

3 3

3

2 2

2

1 1

1

4059 , 2

2

61 , 16 9843 , 18 81 , 18 2474 , 21

7815 , 10

2

32 , 19 2474 , 21 7 , 22 3356 , 42

8329 , 15

2

88 , 31 3356 , 42 09 , 36 3001 , 57

1621 , 41

2

6 , 36 3001 , 57 ) 6 , 44 2240 , 106 (

x x

S

x x

S

x x

S

x x

2497 , 0 2 10

4 7815 , 10

2497 , 0 2 10

8329 , 15

2497 , 0 2 10

2 1621

3 3

3 3

i i 4

x S

2

i

i

x m t

3 3

3

2 2

2

1 1

1

6546 , 9

2

6979 , 6 61 , 16 4129 , 9 81 , 18

1263 , 5

2

4129 , 9 32 , 19 3545 , 22 7 , 22

5287 , 10

2

3545 , 22 88 , 31 5581 , 24 09 , 36

9233 , 6

2

5581 , 24 6 , 36 7953 , 42 6 , 44

x x

S

x x

S

x x

S

x x

2497 , 0 2 10

4 1263 , 5

2497 , 0 2 10

5287 , 10

2497 , 0 2 10

2 9233

3 3

3 3

delta (mm) F(N)

Đồ thị đặc tính hút và nhả của nam châm điện.

CHƯƠNG IV BUỒNG DẬP HỒ QUANG