Đồ án thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha

MỤC LỤC Trang Lời nói đầu……………………………………………………………… Phần : Sơ lược công tắc tơ xoay chiều………………………… Phần hai : Thiết kế công tắc tơ xoay chiều pha Chương I : Yêu cầu thiết kế chọn phương án kết cấu…………… Chương II : Tính mạch vòng dẫn điện….….….………………… …….8 Chương III : Đặc tính cơ…………………………… ………………… 17 Chương IV : Nam châm điện……………………… … ………….…….20 Chương V : Chọn buồng dập hồ quang……………… …………… …36 Chương VI : Tính toán nhiệt trọng lượng nam châm điện … …….38 LỜI NÓI ĐẦU Hiện với phát triển không ngừng nghành công nghiệp nông nghiệp, nên việc sử dụng sản phẩm khoa học kĩ thuật quan trọng Chính nhờ ứng dụng mà thúc đẩy kinh tế cho quốc gia toàn giới, đồng thời chúng góp phần không nhỏ vào việc tăng suất lao động, phục vụ đời sống, sinh hoạt hàng ngày người chúng thay làm việc môi trường lợi cho người làm việc với tính xác cao Với nhiều ưu điểm nên việc sử dụng khí cụ điện nghành tăng lên không ngừng Mặt khác, khí cụ điện ngày cải tiến hoàn thiện, đồng thời việc nghiên cứu, chế tạo để tạo khí cụ điện có nhiều ưu điểm cần thiết cho sinh viên PHẦN MỘT : SƠ LƯỢC VỀ CÔNG TẮC TƠ XOAY CHIỀU 1.Khái quát công dụng: Công tắc tơ xoay chiều loại khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện lực có phụ tải dùng để đổi nối mạch điện xoay chiều Nam châm nam châm điện xoay chiều, có trường hợp nam châm điện chiều Theo nguyên tắc truyền động ta có công tắc tơ kiểu ép, kiểu thuỷ lực khí cụ điện (hay công tắc tơ nay) thường chế tạo theo kiểu điện từ 2.Các phận công tắc tơ: + Mạch vòng dẫn điện (gồm đầu nối, dẫn, 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 3.Yêu cầu chung công tắc tơ xoay chiều: a.Yêu cầu kĩ thuật: Đảm bảo độ bền nhiệt chi tiết, phận khí cụ điện 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 môi trường xung quanh (như mưa, ẩm, bụi …) có điện áp nội điện áp khí gây Độ bền tính chịu mòn phận khí cụ điện giới hạn số lần thao tác thiêt kế, thời hạn làm việc chế độ định mức chế độ cố Đảm bảo khả đóng, ngắt chế độ định mức chế độ cố, độ bền điện thông qua chi tiết phận Các yêu cầu kĩ thuật riêng loại khí cụ điện Kết cấu đơn giản, khối lượng kích thước bé b.Yêu cầu vận hành: Lưu ý đến ảnh hưởng môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ, độ cao … Độ tin cậy cao Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài Đơn giản, dễ thao tác, sửa chữa, thay Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn lượng c.Các yêu cầu kinh tế, xã hội: Giá thành hạ Tạo điều kiện dễ dàng thuận tiện cho nhân viên vận hành (về tâm sinh lý, thể …) Tính an toàn lắp ráp vận hành Tính thẩm mỹ kết cấu Vốn đầu tư chế tạo, lắp ráp vận hành 4.Nguyên lý hoạt động kết cấu chung công tắc tơ xoay chiều: Cơ cấu điện từ gồm hai phận: cuộn dây mạch từ, chúng phân bố thành nhiều loại công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây công tắc tơ kiểu hút thẳng Tất loại công tắc tơ làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để dẫn từ, thép kĩ thuật điện dập hình chữ E U ghép lại với Mạch từ chia làm hai phần: phần kẹp chặt cố định, phần lại nắp nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn 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 từ qua lõi sắt khe hở không khí δ 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 PHẦN HAI: THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ XOAY CHIỀU PHA Chương I : YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU I Yêu cầu thiết kế: Thiết kế công tắc tơ xoay chiều pha kiểu điện từ có thông số sau: -Tiếp điểm : Iđm = 150 A ; Uđm = 400 V Số lượng : tiếp điểm thường mở -Tiếp điểm phụ : Iđm = A Số lượng : thường mở ; thường đóng -Nam châm điện : Uđm = 380 V ; f = 50 Hz -Tần số thao tác : 300 lần đóng cắt / -Tuổi thọ : : 100.000 ; điện : 1.000.000 lần đóng cắt -Làm việc liên tục : cách điện cấp B Trong : Uđm : điện áp định mức mà cuộn dây hút làm việc Iđm : dòng điện định mức qua tiếp điểm phụ chế độ làm việc gián đoạn lâu dài, nghĩa chế độ này, thời gian công tắc tơ trạng thái đóng không lâu Công tắc tơ thiết kế sử dụng vùng khí hậu nhiệt đới, lắp đặt phòng nhiệt độ môi trường θmt = 40°C công tắc tơ phải chịu tác động học mức trung bình, làm việc chế độ dài hạn, ngắn hạn làm việc chế độ cố II Lựa chọn phương án kết cấu: Để có kết cấu hợp lý phù hợp điều kiện công nghệ cho công tắc tơ thiết kế phải tiến hành khảo sát công tắc tơ số nước sử dụng giới Sau tham khảo có thị trường Việt Nam: Việt Nam, Liên Xô, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc… Em nhận thấy chúng có giống nhau: - Kiểu hút thẳng, dạng hình chữ E; cuộn dây đặt cực từ giữa, vòng dây chống rung đặt hai cực từ bên Tiếp điểm dạng bắc cầu, pha hai chỗ ngắt - Buồng dập hồ quang kiểu dàn dập chỗ có buồng dập hồ quang riêng - Hệ thống phản lực: dùng lò xo nhả, đẩy phần động - Tháo nắp sửa chữa đơn giản Vì ta chọn kết cấu kiểu Liên Xô cũ: đơn giản, dễ thiết kế chế tạo 1.Lựa chọn hệ thống tiếp điểm phụ: Tiếp điểm phần quan trọng, ảnh hưởng đến độ bền, hư hỏng công tắc tơ Tuỳ thuộc vào dòng điện định mức mà chức năng, kết cấu tiếp xúc tiếp điểm CTT khác Yêu cầu đặt cho tiếp điểm là: - Nhiệt độ phát nóng bề mặt tiếp xúc chế độ làm việc dài hạn phải nhỏ chế độ cho phép Với dòng điện lớn tiếp điểm phải chịu độ bền nhiệt điện động - Rtx nhỏ ổn định, có độ rung không giá trị cho phép Như với tiếp điểm có I đm =150A, ta phải chọn dạng tiếp xúc hình chữ nhật tiếp xúc mặt Tiếp điểm động tĩnh dạng chữ nhật, tiếp điểm phụ có Iđmf=5A 2.Lựa chọn hệ thống dập hồ quang: Buồng dập hồ quang có tác dụng dập tắt hồ quang nhanh nên phải đảm bảo yêu cầu sau: - Bảo đảm khả đóng khả cắt, nghĩa phải đảm bảo giá trị dòng điện ngắt dòng điện cho trước - Thời gian cháy HQ, vùng ion hoá nhỏ, không chọc thủng cách điện phần tử buồng dập HQ - Hạn chế ánh sáng âm Xét yêu cầu đồ án ta chọn buồng dập HQ kiểu dàn dập, làm từ vật liệu sắt-cacbon Đơn giản tính toán bà đảm bảo làm việc 3.Lựa chọn nam châm điện : • Theo nguyên lý truyền động điện từ có dạng NCĐ hút thẳng (nắp hút thẳng); NCĐ hút quay (nắp hút quay) Sau qua thực tế xem xét ưu nhược điểm hai loại ta chọn kiểu hút thẳng, dạng mạch từ hình chữ E • Ưu điểm: - Lực hút điện từ lớn - Tận dụng tỷ trọng lớn nắp - Khe hở không khí gữa nắp lõi, tiếp điểm nhỏ - Dùng làm việc chế độ nhẹ, đặc biệt trường hợp lò xo nhỏ, không đủ khắc phục loại lực cản, • Xét yêu cầu đề tài: Ta chọn NCĐ xoay chiều, mạch từ dạng chữ E hút thẳng Mạch từ làm thép kĩ thuật, Vì cần thiết điểm với Uđm=400V; Iđm=150A * Ưu điểm: - Từ thông rò không đổi trình nắp chuyển động - Từ dẫn khe hở không khí không lớn - Lực hút điện từ lớn - Đặc tính lực hút gần giống đặc tính phản lực - Dễ dàng sử dụng tiếp điểm bắc cầu 1pha chỗ ngắt Đơn giản tính toán chế tạo Chọn khoảng cách cách điện: • Khoảng cách cách điện đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến kích thước CTT mức độ vận hành cho an toàn Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào yếu tố sau: - Điện áp định mức - Môi trường làm việc - Quá trình dập tắt HQ • Ta xác định khoảng cách cách điện theo phương pháp sau: - Theo độ bền phản tử mang điện so với đất - Theo độ bền làm việc pha - Theo độ bền làm việc nội CTT phần tử mang điện • Nếu ta chọn khoảng cách cách điện nhỏ dễ xảy phóng điện, khoảng cách lớn phải tăng kích thước CTT • Đối với pha lớn điện áp phần tử mang điện đất, vỏ CTT làm nhựa cứng cách điện với đất tốt, làm việc hoàn toàn an toàn Do cách điện pha CTT quan trọng nhất, ta phải xác định khoảng cách • Nếu ta chọn khoảng cách cách điện theo phương pháp độ bền điện pha khoảng cách thoả mãn dẫn điện đến hai phương pháp đảm bảo độ an toàn làm việc • Chú ý ta chọn khoảng cách cách điện tối thiểu theo bảng 1-2 trang 14 với Uđm=400V, Lcđ>5mm Chọn Lcđ=12mm ; Lrò=20mm • Khi thiết kế hình dạng cấu trúc cách điện cần tính đến tính chất vật liệu, bụi, độ ẩm, trạng thái bề mặt cách điện pha Để đảm bảo kích thước CTT loại trừ khả bụi bẩn nên chọn kết cấu cách điện theo dạng có gờ, mái 5.Các chi tiết khác: Ngoài ra, có dẫn động tĩnh làm đồng, lò xo số chi tiết khác Những chi tiết tính toán cụ thể phần sau 6.Sơ đồ đông: m δ Trong đó: 1.Giá phần động Ftđ = Flxtđ 2.Lò xo tiếp điểm 3.Tiếp điểm động 4.Tiếp điểm tĩnh 5.Nắp nam châm điện 6.Lò xo nhả 7.Thân (lõi) mạch từ 8.Cữ chặn m : độ mở tiếp điểm l : độ lún tiếp điểm δ : Khe hở không khí Flxtd : Lực lò xo tiếp điểm Flxnh : Lực lò xo nhả Ftd : Lực ép tiếp điểm Fđt : Lực hút điện từ G : Trọng lực phần động Flxnh Flxnh G Fđt Fđt Ftđ Chương II : TÍNH MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN • Mạch vòng dẫn điện khí cụ điện phận khác hình dáng, kết cấu kích thước hợp thành Mạch vòng dẫn điện gồm dẫn (thanh dẫn động dẫn tĩnh), đầu nối, tiếp điểm (giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh) • Yêu cầu mạch vòng dẫn điện: - Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt - Bền với môi trường - Có độ cứng tốt - Tổn hao đồng nhỏ - Có thể làm việc khoảng thời gian ngắn có cố - Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp • Ta cần phải xác định kích thước chi tiết mạch vòng dẫn điện Tiết diện kích thước chi tiết định cấu mạch vòng CTT xoay chiều pha • Sau ta tính toán cụ thể kích thước chi tiết mạch vòng dẫn điện: dẫn, đầu nối, tiếp điểm I Tính toán chọn dẫn: 1.Yêu cầu dẫn: - Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt - Có độ bền khí cao - Có khả chịu ăn mòn hoá học, bị ôxi hoá - Có độ mài mòn nhỏ bị va đập - Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ 2.Chọn vật liệu: Chọn vật liệu dẫn Cu có tính chất sau: Hệ số nhiệt điện trở :α = 0,0043 (1/°C) Hệ số dẫn nhiệt :λ = 393 (W/m°C) Điện trở suất 20°C :ρ20= 1,74.10-8 (Ωm) Nhiệt độ cho phép chế độ dài hạn : θcp = 95°C Nhiệt độ môi trường : θo = 40°C Điện trở suất Cu θcp : ρθ = ρ20(1 + α.(θcp - 20)) = 1,74.10-8(1 + 0,0043*75) = 2,18.10-8 (Ωm) Chọn kết cấu dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật a,b Theo công thức (2-6) trang 19 sách TKKCĐHA ta có: b= I ρθ K f 2.n.( n + 1).KT (θ cp − θ o ) Trong : I = Iđm = 150A a n= : hệ số hình dáng, chọn n=8 b Kf : hệ số tổn hao phụ; Kf = 1,03 ÷ 1,06 KT : hệ số toả nhiệt ; KT = ÷ 12 (W/m2°C) Chọn Kf = 1,04; KT = (W/m2°C) Ta có : 150 2.2,18.10 −8.1,04 b= = 2,09.10-3 (m) = 2,09 (mm) 2.8.9.7.(95 − 40) ⇒ a = b = 16,72 (mm) Tuy nhiên để đảm bảo dẫn động chịu phát nóng ta lấy a=dtb+(1÷2)mm Với dtb đường kính tiếp điểm Từ Iđm = 150 (A) ⇒ theo bảng (2-15) trang 51 sách TKKCĐHA ta có : đường kính tiếp điểm : dtđ = 20÷ 25 (mm) Chọn dtđ =22 (mm) ⇒ a = dtđ + = 24(mm) ⇒ b = a/8 = 3(mm) ⇒ Tiết diện dẫn : S = a b = 24*3 (mm2) = 72.10-6(m2) ⇒ Chu vi dẫn : P = (a + b) = 54 (mm) = 54.10-3(m) 3.Kiểm nghiệm chế độ dài hạn: Mật độ dòng điện : Jdh = I dm S = 150 = 2,08 (A/mm2) 72 Mật độ dòng điện dài hạn cho phép ; Jdhcp = 1,5 (A/mm2) ⇒ mật độ dòng điện giới hạn cho phép Theo công thức (2-4) trang 18 ta có: 2 I dm ρθ K f I dm ρo (1 + α.θtd ) K f = SP = K T τ od K f (θtd − θmt ) I dm ρo K f + S P.KT θmt Nhiệt độ dẫn θtd = S P.KT − I dm ρo K f α ρ20 1,74.10 −8 = = 1,6.10−8 Ωm Với ρo = − α.θ + 0,0043.20 150 2.1,6.10 −8.1,04 + 72.10 −6.54.10 −3.40.7 ⇒ θtd = 72.10 −6.54.10 −3.7 − 150 2.1,6.10 −8.1.04.0,0043 θtd =57,1 °C θtd < θcp = 95°C Vậy dẫn thoả mãn điều kiện nhiệt độ chế độ làm việc định mức 4.Kiểm nghiệm ởchế độ ngắn mạch: Đặc điểm chế độ ngắn mạch: - Dòng điện mật độ dòng điện có trị số lớn - Thời gian tác động nhỏ Độ bền nhiệt KCĐ tính chất chịu tác dụng nhiệt dòng điện ngắn mạch thời gian ngắn mạch, đặc trưng dòng bền nhiệt (dòng điện mà dẫn chưa bị biến dạng) Để thuận tiện cho việc đánh giá, ta xét giới hạn cho phép dòng điện mật độ dòng điện bền nhiệt dẫn thời gian ngắn mạch : tnm = 3(s); tnm= 4(s); tnm = 5(s); Với điều kiện nhiệt độ ban đầu θđ = θcp = 95 °C Nhiệt độ cho phép đồng có dòng ngắn mạch θnm = 300 °C Tra đường cong phát nóng đồng có dòng ngắn mạch (đồ thị hình 6-6 trang 313 sách TKKCĐHA) ta có : Ađ = 1,52.104 (A2.s/mm4) ; Anm = 3,75.104 (A2.s/mm4) Theo công thức (2-61) trang 93 sách TKKCĐHA ta có : Jnm = A nm t − Ad nm Trong Anm : Hằng số tích phân ứng với nhiệt độ ngắn mạch 10 GΣ = G δ G δ13 G δ + G δ13 = µ0 0,4196.δ + 0,0646.δ + 0,00383.δ + 0,0001024.δ + 1,04.10 −6 1,374.δ + 0,1004.δ + 0,00204δ dGδΣ = dδ = µ0 0,5764.δ + 0,08424.δ + 0,003791.δ − 1,78.10 −5.δ − 6,75.10 −6.δ − 2,1.10 −7.δ − 2,12.10 −9 1,374.δ + 0,1004.δ + 0,00204.δ b Từ dẫn tản: Từ dẫn tản cực từ với khe hở không khí : Gt2 = 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) = µ0.(40,6.10-3 +0,408.δ ) c Từ dẫn rò: Đối với mạch từ xoay chiều , từ dẫn rò tính theo công thức : Gr = g r h l Trong đó: a/2 a/2 gr : suất từ dẫn rò b hl : chiều cao lõi mạch từ Tính suất từ dẫn rò gr ? Xét hl = c gr bao gồm : - hình trụ chữ nhật b×1×c - hình 1/2 trụ tròn đặc đường kính c, chiều cao - hình 1/2 trụ tròn rỗng đường kính c, đường kính (c+a), chiều cao 0,64.1 b.1 c 1+ a gr = µO c + 2.µO.0,26.1 + 2.µO 1,25.10 −6 = 30 0,64 + 2.1,25.10 −6.0,26 + 2.1,25.10 −6 = 3,72.10 −6 16 , 16,5 1+ 33 / 29 Gr1 = Gr2 = 1 −6 −3 −9 grhl = 3,72.10 35.10 = 43,4.10 3 GrΣ = Gr1 + Gr2 = 86,8.10 -9 d Hệ số từ tản, từ rò: Φ δ Hệ số từ tản : σt = Φ = δ0 Φδ + Φ t Φ G = 1+ t = 1+ t Φδ Φδ Gδ ΦΣ Φδ + Φr Φ G = = 1+ r = 1+ r Hệ số từ rò : σr = Φδ Φδ Φδ Gδ Kết tính toán: 0,5 10 12 δ (mm) -6 2,613 0,693 0,374 0,268 0,216 0,185 0,164 Gδ2 (.10 ) 1,31 0,35 0,193 0,140 0,114 0,0993 0,088 GδΣ (.10-6) -9 71,94 71,94 71,94 71,94 71,94 71,94 71,94 GrΣ (.10 ) -8 Gt2(.10 ) 5,13 5,22 5,33 5,45 5,56 5,68 5,79 1,05 1,2 1,37 1,51 1,63 1,72 1,8 σr 1,02 1,077 1,14 2,03 1,26 1,3 1,35 σt -5 260 15,97 3,96 1,74 0,96 0,603 0.41 dGδΣ/dδ (.10 ) Như điểm tới hạn δ = (mm), hệ số rò σr = 1,37 với hệ số rò ban đầu chọn (= 1,4), đạt yêu cầu Từ thông mạch từ (tính lõi giữa) : K u U 0,85.380 Φδ = = = 6,93.10 −4 (Wb) 4,44 f W 4,44.50.2099 Từ cảm mạch δ = mm : Φδ 6,93.10 −4 = = 0,5 (T) Φδ = σr.Bδ.Sl2 ⇒ Bδ = σ r S l 1,4.1004.10 −6 Giá trị từ cảm thực tế tính giá trị ban đầu chọn (= 0,5T) thoả mãn yêu cầu Tính dựng đặc tính lực hút điện từ: Theo công thức (4-50) trang 63 sách TKKCĐHA, lực hút điện từ trung bình tính : Fhtb = K Φ δ2 δΣ 2G ( dGδΣ dGr + ) dδ dδ Với ba trường hợp : U =0,85.Uđm (KU = 0,85) U = Uđm (KU = 1) 30 U = 1,1.Uđm (KU = 1,1) Trong K = 0,25 với F tính Newton Vì Gr không phụ thuộc vào khe hở không khí nên Φδ = Φ tb σr Mà Φtb = dG r =0 dδ K U U 4,44.f W KU = 0,85 KU = KU = 1,1 ⇒ Φ tb = 2.0,85.380 = 1,1.10 −3 (Wb) 4,44.50.2099 1,39.10 −3 = 1,64.10 −3 ⇒ Φ tb = 0,85 −3 −3 ⇒ Φ tb = 1,64.10 1,1 = 1,79.10 (Wb) (Wb) Kết tính ta có: δ (mm) GδΣ (.10-6) 0,5 1,31 0,35 0,193 0,140 0,114 10 0,0993 12 0,088 dG δΣ (.10-5) dδ 260 15,97 3,96 1,74 0,96 0,603 0.41 1,05 11,6 13,6 14,9 254,8 350,2 420,3 1,2 10,16 11,9 13,08 168,2 230,7 278,7 1,37 8,9 10,43 11,45 148,86 204,4 246,4 1,51 8,07 9,47 10,39 102,2 140,7 169,4 1,63 7,48 8,77 9,63 51,66 71,02 85,6 1,72 7,09 8,31 9,12 38,4 52,7 63,5 1,8 6,78 7,94 8,72 30,43 41,7 50,3 σr Φδ×10-4 (Wb) Fđt (N) KU = 0,85 KU = KU = 1,1 KU = 0,85 KU = KU = 1,1 31 F (N) Đường (1) : Đặc tính lực hút điện từ ứng với KU =1,1 Đường (2) : Đặc tính lực hút điện từ ứng với KU =1 Đường (3) : Đặc tính lực hút điện từ ứng với KU = 0,85 Đường (4) : Đặc tính (1) (2) 32 (3) 135,1 (4) 90 28,1 15 2 10 l 12 δ (mm) m Hệ số nhả nam châm : K nh = Fc Fh (Theo công thức trang 262 sách TKKCĐHA ) Tại điểm tới hạn Knh = 28,1 = 0,75 50 6.Tính toán vòng ngắn mạch: Để chống rung cho phần động NCĐ lực đập mạch gây nên ta đặt vòng ngắn mạch hai bên trụ bên St Số vòng ngắn mạch Wnm = (vòng) Diện tích rãnh đặt vòng ngắn mạch 33 Sn Snm = 2.b = 2.30 = 60 (mm2) Lực hút điện từ trung bình khe hở làm việc vòng ngắn mạch trạng thái hút phần ứng : ( Φ δtb ) Ftbh = 19,9.10 S tn Trong Φδtb: Từ thông trung bình khe hở làm việc phần ứng hút được: Φ δtb = Φ tbtd σ th Bth S lΣ = 4.σ rh 4.σ rh σrh: Hệ số từ dò phần ứng hút (δ = 0,5 mm), σrh = 1,05 1,4.0,5.2008.10 −6 = 3,35.10 −4 (Wb) ⇒ Φδtb = 4.1,05 Stn: Diện tích tổng vòng ngắn mạch Stn = Sl1 - Snm = 16,5.30 - 60 = 435 (mm2) Ftbh = 19,9.10 (3,35.10 −4 ) = 51,33 435.10 −6 (N) Tỉ số fl lực điện từ bé trị trung bình lực điện từ vòng ngắn mạch fl = Fmin K dt Fcqdh = Ftbh Ftbh Có thể tính theo tỷ số diện tích cực từ vòng ngắn mạch s n − fl = = 0,5 ⇒ f1 = 2/3 st 4.fl Điện trở vòng ngắn mạch Chän α = rnm = ϖ.µ stn f1 − fl2 δh ( f l + 2) 314.4π 10 −7.435.10 −6 4.0,66 = − 0,66 = 540.10 −6 (Ω) −3 0,1.10 ( 3.0,66 + 2) Góc lệch pha ϕ từ thông từ thông số vòng ngắn mạch Wnm = : S ωµ t ω.G t δh tgϕ = = rnm rnm 34 Trong : St: Diện tích cực từ vòng ngắn mạch : 2 St = S tn = 435 = 290 (mm2) 3 314.1,25.10 −6.290.10 −6 = 2,108 ⇒ ϕ = 65O tgϕ = −3 −6 0,1.10 540.10 Tính từ thông vòng ngắn mạch α 0,5 = = 1,183 Chọn C = cos ϕ cos 65 O Từ thông vòng ngắn mạch : Φ δtb 3,35.10 −4 Φt = = = 1,82.10 − (Wb) 2 O + C + 2.C cos ϕ + 1,18 + 2.1,18 cos 65 Từ thông vòng ngắn mạch : Φn = C.Φt = 1,18.1,82.10-4 = 2,15.10-4 (Wb) Từ cảm khe hở vùng vòng ngắn mạch Φ n 2,15.10 −4 Bn = = = 1,48 (T) S n 145.10 −6 với Sn : diện tích cực từ vòng ngắn mạch Sn = Stn - St = 435 – 290 = 145 (mm2) Lực điện từ phía vòng ngắn mạch −4 Φn ( 2,15.10 ) Ftbn = 19,9.10 = 19,9.10 = 63,4 (N) Sn 145.10 −6 Lực điện từ phía vòng ngắn mạch −4 Φt (1,82.10 ) Ftbt = 19,9.10 = 19,9.10 = 22,7 (N) St 290.10 −6 Lực điện từ cực đại Fmax = Ftbt2 + Ftbn + 2.Ftbt Ftbn cos 2ϕ = 22,7 + 63,4 + 2.22,7.63,4 cos(2.65O ) = 52 (N) Lực điện từ trung bình Ftb = Ftbt + Ftbn = 22,7 + 63,4 = 86,1 (N) Lực điện từ nhỏ Fmin = Ftb − Fmax = 86,1 − 52 = 34,1 (N) Như lực điện từ nhỏ hút phải lớn lực phần ứng : 4.Fmin > Fcơ ⇒ 4.34,1 = 136,4 (N) > Fcơ =135,1 (N) Tỷ số cực đại lực bé 35 Ftb 86,1 = = 2,52(W ) Fmin 34,1 Tổn hao vòng ngắn mạch 2 ( K u max ω Φ t ) ( 1,1.314.1,82.10 −4 ) Pnm = = = 5,06 (W) K u2min 2.rnm 0,85 2.2.540.10 −6 Hệ số toả nhiệt vòng ngắn mạch nằm lõi thép K TFe = 2,9.10 −3.(1 + 0,0068.θ mt ) = 2,9.10 −3.(1 + 0,0068.40 ) P= = 3,69.10-3 (W/cm2 °C) Điện trở suất đồng nhiệt độ 200°C ρθ = 1,7.10 −8 [1 + 0,0043.(200 − 40)] = 3.10 −8 (Ωm) Dòng điện vòng ngắn mạch Pnm =I2nm rnm ⇒ Inm = Pnm 5,06 = = 96,8( A) rnm 540.10 −6 Để tính toán dòng điện cuộn dây ta qui đổi dòng điện tổn hao vòng chống rung cuộn dây : 2.I nm 2.96,8 = = 0,092( A) Iv = W 2099 Trong : : hệ số tính tới vòng ngắn mạch Kiểm nghiệm cuộn dây: Dòng điện tiêu thụ cuộn dây : ( IW ) td 3480 = = 0,138 (A) I= W K I 2099.12 Điện trở dây quấn l tb W l R = ρcd = ρ cd q q Trong ltb chiều dài trung bình cuộn dây b bcd a 36 ltb bcd = 10 (mm) a = 33 (mm) b = 30 (mm) Chiều dài trung bình cuộn dây 2.(a + b) + [2.( a + b) + 2.π bcd ] ltb= = 2.(33 + 30) + [2(33 + 30) + 2.π 10] = 157,4 (mm) Điện trở suất đồng nhiệt độ phát nóng cho phép [θ] = 95 0C : ρ = ρ[1 + α(θ - 20)] = 1,74.10-8[1 + 0,0043(95 - 20)] = 2,3.10-8 (Ωm) −3 −8 157,4.10 2099 , 10 = 107 (Ω) ⇒ Rcd = 0,071.10 −6 Công suất tiêu thụ cuộn dây: P = I2.Rcd = 0,1382.107 = 2,04 (W) 8.Công suất tổn hao lõi thép: Công suất tổn hao thép mạch từ: PFe = kg.PB/50.GFe Trong : Khối lượng mạch từ : GFe = γFe lFe SFe = 7,65 11,9 2008.10-2=1,83 (kG) Với : γFe = 7,65 (G/cm3) lFe : Chiều dài lõi mạch từ = B = 119 (mm) SFe : Tiết diện lõi mạch từ = 2008 (mm2) PB/50: Suất tổn hao lõi thép mạch từ (=2,5 W/kG) kg : hệ số xét tới số lượng mối nối mạch từ K g = 2÷3 Chọn kg = 3; ⇒ PFe = 2,5 1,83 = 13,7 (W) Dòng điện đặc trưng cho tổn thất lượng lõi thép : PFe 13,7 = = 0,036( A) IFe = U dm 380 9.Dòng điện cuộn dây hút: Khi nắp đóng δ nhỏ, dòng điện cuộn dây gồm thành phần từ hoá lõi thép Ith, dòng điện từ hoá khe hở không khí I δ, dòng điện khắc phục tổn hao lõi thép vòng ngắn mạch : Ih = Iδ + Ith + Iv + IFe 37 Trong : Iδ = U dm X +R 2 Coi X >> R ⇒ Iδ = X = ω.L = ω.W2.GΣ ⇒ Iδ = U dm X U dm ω W G∑ GΣ : từ dẫn đầu tổng mạch từ nắp đóng : δ = 0,5 (mm) GΣ = Gδ + Grqd =1,31.10-6 + 86,8.10-9=1,4.10-6 (H) 380 = 0,196( A) Iδ = 314.2099 2.1,4.10 −6 Theo phân tích từ hoá lõi thép : Ith.W = ∑Hi.li Trong : ∑Hi.li : tổng từ áp phân đoạn mạch từ Hi, li : Cường độ từ trường độ dài phân đoạn ∑Hi.li = Htb.ltb Htb : giá trị trung bình cường độ từ trường lõi thép Tính theo giá trị hiệu dụng : Bmax = 0,85 (T) Tra đường cong từ hoá thép Э hình – trang 195 sách TKKCĐHA Hm ≈ 1,75 (A/cm) H m 1,75 Htb = = =1,24 (A/cm) 2 ltb = 2.B + 3.hl = 2.119 + 3.39 = 35,5(cm) H l 1,24.35,5 ⇒ Ith = ∑ i i = = 0,021 (A) W 2099 Giá trị biên độ dòng điện hút : Ih = ( I v + I Fe ) + ( I th + I δ ) = (0,092 + 0,036) + (0,021 + 0,196) Ih = 0,252 (A) Mật độ dòng điện dây quấn phần ứng hút : Ih = I h 0,252 = = 3,54( A / mm ) q 0,071 Như làm việc chế độ dài hạn mật độ dòng điện dây quấn J =3,65(A/mm2), đáp ứng giới hạn cho phép [J] = ÷ (A/mm2) 10.Dòng điện dây quấn phần ứng nhả: 38 Khi δmax = 12 (mm), dòng điện cuộn dây chủ yếu từ hoá khe hở không khí, dòng điện từ hoá lõi thép tổn hao nhỏ nhiều Do dòng điện cuộn dây tính gần bằng: U dm K u max Inh = ω W G∑ nh Trong : G∑nh =Gδnh + Grqd = 0,088.10-6 + 86,8.10-9 = 1,75.10-7(H) ω = 314 (rad/s) Uđm = 380 (V) 380.1,1 ⇒ Inh = =1,72(A) 314.2099 2.1,75.10 −7 Hệ số bội dòng điện : I nh 1,72 = =7 KI = I h 0,252 Thoả mãn yêu cầu KI = ÷ 15 Chương V : CHỌN BUỒNG DẬP HỒ QUANG I.Khái niệm chung: Trong khí cụ điện ( cầu dao, rơ le, công tắc tơ, máy ngắt v.v ), đóng ngắt mạch điện, hồ quang phát sinh tiếp điểm Nếu để hồ quang cháy lâu, khí cụ điện hệ thống điện bị hư hỏng, cần phải nhanh chóng dập tắt hồ quang Bản chất hồ quang điện tượng phóng điện chất khí với mật độ dòng điện lớn (104 ÷ 105 A/cm2), có nhiệt độ cao (5000 ÷ 60000C) điện áp rơi cathode bé (10 ÷ 20 V) Hồ quang phát sinh môi trường cặp tiếp điểm bị ion hoá bao gồm dạng: - Quá trình phát xạ nhiệt điện tử - Quá trình tự phát xạ điện tử - Quá trình ion hoá va chạm - Quá trình ion hoá nhiệt Song song với trình ion hoá trình phản ion hoá (tái hợp khuếch tán) Nếu trình phản ion hoá xảy mạnh trình ion hóa hồ 39 quang bị dập tắt Vì vậy, nguyên tắc dập hồ quang tăng cường trình phản ion hoá biện pháp : - Kéo dài hồ quang - Hồ quang tự dinh lượng để dập tắt - Dùng lượng nguồn để dập tắt - Chia hồ quang thành nhiều phần ngắn để dập tắt - Mắc điện trở Sunt để dập tắt II Hồ quang điện xoay chiều: Đặc điểm hồ quang điện xoay chiều sau nửa chu kỳ , dòng điện qua trị số I = Tại thời điểm i = 0, trình phản ion hoá xảy mạnh trình ion hoá, dễ dàng dập tắt hồ quang III.Lựa chọn kết cấu buồng dập hồ quang: Đối với khí cụ điện hạ áp , trang bị dập hồ quang thường : - Kéo dài hồ quang điện khí - Dùng cuộn dây thổi từ - Dùng buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp - Dùng buồng dập hồ quang kiểu dàn dập Qua phân tích tham khảo thực tế, công tắc tơ xoay chiều chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập Trong buồng dập hồ quang phía có đặt nhiều sắt từ Khi hồ quang cháy, lực điện động, hồ quang bị đẩy vào thép bị chia làm nhiều đoạn ngắn Lực điện động đẩy hồ quang sâu vào, đồng thời sắt từ có tác dụng tản nhiệt hồ quang làm hồ quang dễ bị dập tắt Yêu cầu buồng dập hồ quang: - Thời gian dập tắt hồ quang ngắn - Tốc độ mở tiếp điểm lớn - Năng lượng hồ quang lớn , điện trở hồ quang tăng nhanh - Tránh tượng điện dập tắt IV Kết cấu buồng dập hồ quang: 1.Vật liệu: Vật liệu làm buồng dập hồ quang phải đảm bảo tính chất: chịu nhiệt, cách điện, chống ẩm có độ nhẵn bề mặt Theo sách TKKCĐHA ta chọn vật liều ép chịu hồ quang Loại vật liệu có tính chịu nhiệt, chịu hồ quang cao, cách điện tốt đạt độ nhẵn bóng bề mặt Lỗ thoát khí 2.Kết cấu: Giá tiếp Tiếp điểm điểm động động Tấm sắt từ Hộp dập hồ quang 40 Tiếp điểm tĩnh Lò xo tiếp điểm 3.Tính toán: Chọn số lượng cho chỗ ngắt : n = (tấm) Bề dày : b = (mm) Khoảng cách : d = (mm) Chương VI : TÍNH TOÁN NHIỆT VÀ TRỌNG LƯỢNG NAM CHÂM ĐIỆN I.Tính toán nhiệt nam châm điện: Độ tin cậy vận hành khí cụ điện phụ thuộc nhiều vào việc giải phát nóng chúng Vì trình thiết kế, tính toán nhiệt cần thiết Trong trình làm việc công tắc tơ nhiệt độ mà công tắc tơ phát chủ yếu có trình tổn hao đồng cuộn dây, tổn hao lõi thép, tổn hao từ trễ, tổn hao dòng xoáy, hồ quang đóng ngắt tiếp điểm Để tính toán nhiệt cho nam châm điện Theo Niuton: P = KT Sbm τ Với : P : tổng tổn hao nam châm điện KT : Hệ số toả nhiệt , (KT = (W/m2 °C) Sbm : Diện tích toả nhiệt bề mặt cuộn dây Tổng tổn hao nam châm điện: P = Pcd + Pt + Px + Pnm Công suất tổn hao cuộn dây : Pcd = 2,04 (W) Công suất tổn hao vòng ngắn mạch : Pnm = 5,06 (W) 41 Tổn hao tượng từ trễ dòng xoáy Việc tính toán tổn hao phức tạp nên cách gần theo phương pháp kinh nghiệm tổn hao tính : Pt + Px = 0,7 Pcd = 0,7 2,04 = 1,45 (W) ⇒ P = 2,04 + 5,06 + 1,45 = 8,55 (W) Theo công thức Newton , độ tăng nhiệt cuộn dây : Pcd τ = K S T tn Hệ số toả nhiệt KT = W/m2.0C (Theo bảng (6-5) trang 300 sách TKKCĐHA) Diện tích toả nhiệt : Stn = hcd.(ltrong + lngoài) + 2.(2.a.hcd + 2.b.hcd +π.bcd.hcd) Stn = 30.2.157,4 + 2(2.33.30+ 2.30.30 + π.10.30) = 10368 (mm2) 2,04 = 21,6 O C ⇒ τ = θ - θmt = −6 5.18888.10 ⇒ θ = 40 + 21,6 = 61,6 OC < [ θ]cp = 95 OC II.Trọng lượng nam châm điện: Trọng lượng công tắc tơ bao gồm khối lượng mạch từ, khối lượng cuộn dây khối lượng khác vỏ… Nhưng chủ yếu khối lượng cuộn dây khối lượng mạch từ định G = GFe + GCu + Gk Khối lượng mạch từ : GFe = γFe lFe SFe = 7,65 11,9 2008.10-2=1,82 (kG) Trong : γFe = 7,65 (G/cm3) lFe : Chiều dài mạch từ = A = 119 (mm) SFe : Tiết diện lõi mạch từ = 2008 (mm2) Khối lượng đồng cuộn dây: GCu = γCu lcd q = 8,89 330382,6 0,071.10-4= 0,208 (kG) Trong : lcd = W.ltb = 2099 157,4 = 330382,6 (mm) q : Tiết diện dây = 0,071 (mm2) γCu = 8,89 (G/cm3) Các khối lượng khác: Gk : Khối lượng kết cấu cụ thể nam châm điện định Một cách gần đúng, ta lấy : Gk = 1,5 (GCu+GFe) = 1,5.(1,82 + 0,208)=3,042 (kG) 42 Vậy tổng trọng lượng công tắc tơ : G = 1,82 + 0,208 + 3,042 = 5,07 (kG) 43 [...]... 2.0,85 .38 0 = 1,1.10 3 (Wb) 4,44.50.2099 1 ,39 .10 3 = 1,64.10 3 tb = 0,85 3 3 tb = 1,64.10 1,1 = 1,79.10 (Wb) (Wb) Kt qu tớnh c ta cú: (mm) G (.10-6) 0,5 1 ,31 2 0 ,35 4 0,1 93 6 0,140 8 0,114 10 0,09 93 12 0,088 dG (.10-5) d 260 15,97 3, 96 1,74 0,96 0,6 03 0.41 1,05 11,6 13, 6 14,9 254,8 35 0,2 420 ,3 1,2 10,16 11,9 13, 08 168,2 230 ,7 278,7 1 ,37 8,9 10, 43 11,45 148,86 204,4 246,4 1,51 8,07 9,47 10 ,39 102,2... 6 = 30 0,64 + 2.1,25.10 6.0,26 + 2.1,25.10 6 = 3, 72.10 6 16 , 5 16,5 1+ 33 / 2 29 Gr1 = Gr2 = 1 1 6 3 9 grhl = 3, 72.10 35 .10 = 43, 4.10 3 3 Gr = Gr1 + Gr2 = 86,8.10 -9 d H s t tn, t rũ: H s t tn : t = = 0 0 + t G = 1+ t = 1+ t 0 0 G 0 + r G = = 1+ r = 1+ r H s t rũ : r = G Kt qu tớnh toỏn: 0,5 2 4 6 8 10 12 (mm) -6 2,6 13 0,6 93 0 ,37 4 0,268 0,216 0,185 0,164 G2 (.10 ) 1 ,31 0 ,35 0,1 93 0,140... 0,025.à0. G1 = G3 = G0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) 495.10 6 + 29,58.10 3 + 0,408. = à0 990.10 6 + 59,16.10 3 + 0,816. G 13 = G1 + G3 = à0 Vy t dn tng qua khe h khụng khớ : 28 G = G 2 G 13 G 2 + G 13 = à0 0,4196. 4 + 0,0646. 3 + 0,0 038 3. 2 + 0,0001024. + 1,04.10 6 1 ,37 4. 3 + 0,1004. 2 + 0,00204 dG = d = à0 0,5764. 6 + 0,08424. 5 + 0,0 037 91. 4 1,78.10 5. 3 6,75.10 6. 2 2,1.10... 0,09 93 0,088 G (.10-6) -9 71,94 71,94 71,94 71,94 71,94 71,94 71,94 Gr (.10 ) -8 Gt2(.10 ) 5, 13 5,22 5 ,33 5,45 5,56 5,68 5,79 1,05 1,2 1 ,37 1,51 1, 63 1,72 1,8 r 1,02 1,077 1,14 2, 03 1,26 1 ,3 1 ,35 t -5 260 15,97 3, 96 1,74 0,96 0,6 03 0.41 dG/d (.10 ) Nh vy ti im ti hn = 4 (mm), h s rũ r = 1 ,37 bng vi h s rũ ban u chn (= 1,4), do ú t yờu cu T thụng mch t (tớnh lừi gia) : K u U 0,85 .38 0 = = = 6, 93. 10... 20(mm) hn = n = b 30 Din tớch ỏy mch t : S = 0,7Sl = 0,7.1004 = 702,8 (mm2) S 702,8 = 24(mm) h = d = b 30 Chiu cao ca mch t : S S A = d + 2. 1 + hcd + n + l f = 24 + 2 .3 + 30 + 20 + 8 = 88 (mm) b b Chiu dy mch t : C = a + 2.bcd + 2.1 + 2. 2 + 2. 3 + 2. 5 = 33 + 20 + 6 + 1 + 1 + 2 = 63 (mm) Tng chiu rng mch t : B = a + 2.a A + 2.bcd + 2. 1 + 2. 2 + 2. 3 + 2. 4 + 2. 5 = 33 + 36 + 20 +30 = 119(mm) Chiu... 0 33 .30 .10 6 = G0 = à 0 990.10 6 = + Hai hỡnh na khi tr c, ng kớnh , chiu di a, t dn ca mi hỡnh l: G1 = 0,26.à0.a = 0,26.à0 .33 .10 -3 = 8,58.10 -3. à0 + Hai hỡnh na khi tr c, ng kớnh , chiu di b, t dn ca mi hỡnh l : G2 = 0,26.à0.b = 0,26.à0 .30 .10 -3 26 = 7,8.10 -3. à0 + Hai hỡnh na tr rng vi ng kớnh trong , ng kớnh ngoi ( + 2m), chiu di a, t dn mi hỡnh l : à 0 2.a G3 = chn vi m = 0,1. ( + 1) m à0 2 .33 .10... dỏng Khd = h cd =3 b cd S cd 30 0 = = 10 (mm) 3 3 hcd = 3. bcd = 3. 10 = 30 (mm) S vũng dõy: KU min U dm K IR W= (Theo cụng thc trang 284 sỏch TKKCHA) 4,44 f tb Trong ú : KIR : h s tớnh n in ỏp ri trờn in tr ca cun dõy, khi phn ng b hỳt KIR 1 Um : in ỏp nh mc ca cun dõy, Um = 38 0(V) KUmin : h s tớnh n st ỏp, KUmin = 0,85 f = 50 Hz tb = r.B.S2 = 1,4.0,5 .33 .30 .10 -6 = 6, 93. 10 -4 (Wb) 0,85 .38 0.1 W= = 2099... 9,47 10 ,39 102,2 140,7 169,4 1, 63 7,48 8,77 9, 63 51,66 71,02 85,6 1,72 7,09 8 ,31 9,12 38 ,4 52,7 63, 5 1,8 6,78 7,94 8,72 30 , 43 41,7 50 ,3 r ì10-4 (Wb) Ft (N) KU = 0,85 KU = 1 KU = 1,1 KU = 0,85 KU = 1 KU = 1,1 31 F (N) ng (1) : c tớnh lc hỳt in t ng vi KU =1,1 ng (2) : c tớnh lc hỳt in t ng vi KU =1 ng (3) : c tớnh lc hỳt in t ng vi KU = 0,85 ng (4) : c tớnh c (1) (2) 32 (3) 135 ,1 (4) 90 28,1 15 2 2 4 10... 502 (mm 2 ) Sl1 = Sl3 = l 2 = 2 2 b a/2 a 21 - i vi cc t gia : chn b a = 0,9 Sl 2 1004 = 33 (mm) 0,9 0,9 b = 0,9.a = 0,9 .33 30 (mm) - Cnh thc ca lừi thộp : a= b' = b KC vi KC = 0,9 l h s ộp cht cỏc lỏ thộp b'= 30 33 (mm) 0,9 - S lỏ thộp k thut in : n= b 30 = = 60 (tm) 0 5 Trong ú = 0,5 mm l chiu dy mt lỏ thộp - Hai cc t mch nhỏnh chn kớch thc: a/2 = 16,5 (mm) b = 30 (mm) 3 Tớnh toỏn cun dõy:... 540.10 6 () 3 2 0,1.10 ( 3. 0,66 + 2) Gúc lch pha gia t thụng ngoi v t thụng trong khi s vũng ngn mch Wnm = 1 l : S à 0 t .G t h tg = = rnm rnm 34 Trong ú : St: Din tớch cc t trong vũng ngn mch : 2 2 St = S tn = 435 = 290 (mm2) 3 3 31 4.1,25.10 6.290.10 6 = 2,108 = 65O tg = 3 6 0,1.10 540.10 Tớnh t thụng trong vũng ngn mch 0,5 = = 1,1 83 Chn C = cos cos 65 O T thụng trong vũng ngn mch : tb 3, 35.10 4