Thiết kế khí cụ điện hạ áp- công tắc tơ xoay chiều ba pha

Cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp khác, điện năng đang ngày càng được sử dụng và có nhiều ứng dụng thực tế trong công cuộc phát triển đất nước ta hiện nay. Những kết quả mà ngành điện mang lại cho chúng ta là không thể phủ nhận. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện năng thì không thể tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra như hiện tượng quá dòng điện, quá điện áp, hiện tượng ngắn mạch…Vì vậy vấn đề đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện và đặc biệt là đảm bảo sự an toàn về tính mạng cho những người sử dụng điện là vấn đề rất cần thiết. Công tắc tơ xoay chiều là một trong những công cụ để đảm bảo điều kiện trên. Chính vì vậy mà nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là vấn đề đặc biệt quan trong nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể xảy ra trong quá trình sử dụng điện năng của con người. Được sự hướng dẫn của các thầy cô trong bộ môn thiết bị điện- điện tử trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn Đức em đ• hoàn thành xong đồ án môn học “Thiết kế khí cụ điện hạ áp- công tắc tơ xoay chiều ba pha

Mục lục Trang Lời nói đầu 2 Phần một : Sơ lợc về công tắc tơ xoay chiều .3 Phần hai : Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha Ch ơng I : Yêu cầu thiết kế và chọn phơng án kết cấu .5 Ch ơng II : Tính mạch vòng dẫn điện . . . . .8 Ch ơng III : Đặc tính cơ . 18 Ch ơng IV : Nam châm điện . . .21 Ch ơng V : Chọn buồng dập hồ quang 39 Ch ơng VI : Tính toán nhiệt và trọng lợng nam châm điện . .41 1 Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp khác, điện năng đang ngày càng đợc sử dụng và có nhiều ứng dụng thực tế trong công cuộc phát triển đất nớc ta hiện nay. Những kết quả mà ngành điện mang lại cho chúng ta là không thể phủ nhận. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện năng thì không thể tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra nh hiện tợng quá dòng điện, quá điện áp, hiện tợng ngắn mạch Vì vậy vấn đề đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện và đặc biệt là đảm bảo sự an toàn về tính mạng cho những ngời sử dụng điện là vấn đề rất cần thiết. Công tắc tơ xoay chiều là một trong những công cụ để đảm bảo điều kiện trên. Chính vì vậy mà nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là vấn đề đặc biệt quan trong nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể xảy ra trong quá trình sử dụng điện năng của con ngời. Đợc sự hớng dẫn của các thầy cô trong bộ môn thiết bị điện- điện tử trờng đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là sự hớng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn Đức em đã hoàn thành xong đồ án môn học Thiết kế khí cụ điện hạ áp- công tắc tơ xoay chiều ba pha. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhng do thời gian hạn chế, hiểu biết kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn ít nên trong quá trình thiết kế đồ án em vẫn còn mắc phải những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong đợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn sinh viên để giúp em hoàn thiện hơn phần kiến thức của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn và đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Văn Đức đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. 2 Sơ lợc về công tắc tơ xoay chiều 1.Khái quát và công dụng: Công tắc tơ xoay chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt các mạch điện lực có phụ tải hoặc dùng để đổi nối các mạch điện xoay chiều. Nam châm của nó là nam châm điện xoay chiều, nhng cũng có trờng hợp nam châm điện của nó là một chiều. Theo nguyên tắc truyền động ta có công tắc tơ kiểu hơi ép, kiểu thuỷ lực nhng các khí cụ điện hiện nay (hay công tắc tơ hiện nay) thờng đợc chế tạo theo kiểu điện từ. 2.Các bộ phận chính của công tắc tơ: + Mạch vòng dẫn điện (gồm đầu nối, thanh dẫn, tiếp điểm ) + Hệ thống dập hồ quang + Các cơ cấu trung gian + Nam châm điện + Các chi tiết và các cụm cách điện + Các chi tiết kết cấu, vỏ 3.Yêu cầu chung đối với công tắc tơ xoay chiều: 3.1.Yêu cầu về kĩ thuật: Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của khí cụ điện khi làm việc ở chế độ định mức và chế độ sự cố. Đảm bảo độ bền cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài và trong điều kiện của môi trờng xung quanh (nh ma, ẩm, bụi ) cũng nh khi có điện áp nội bộ hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra. Độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận khí cụ điện trong giới hạn số lần thao tác đã thiêt kế, thời hạn làm việc ở chế độ định mức và chế độ sự cố. Đảm bảo khả năng đóng, ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện thông qua các chi tiết bộ phận. Các yêu cầu kĩ thuật riêng đối với từng loại khí cụ điện. Kết cấu đơn giản, khối lợng và kích thớc bé. 3.2.Yêu cầu về vận hành: Lu ý đến ảnh hởng của môi trờng xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ, độ cao Độ tin cậy cao. 3 Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài. Đơn giản, dễ thao tác, sửa chữa, thay thế. Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn ít năng lợng. 3.3.Các yêu cầu về kinh tế, xã hội: Giá thành hạ. Tạo điều kiện dễ dàng thuận tiện cho nhân viên vận hành (về tâm sinh lý, về cơ thể ) Tính an toàn trong lắp ráp vận hành. Tính thẩm mỹ của kết cấu. Vốn đầu t khi chế tạo, lắp ráp và vận hành ít. 4.Nguyên lý hoạt động và kết cấu chung của công tắc tơ xoay chiều: Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận: cuộn dây và mạch từ, chúng đợc phân bố thành nhiều loại nh công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây và công tắc tơ kiểu hút thẳng. Tất cả các loại công tắc tơ trên đều làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để dẫn từ, nó là những lá thép kĩ thuật điện đợc dập hình chữ E hoặc U và đợc ghép lại với nhau. Mạch từ đợc chia làm hai phần: một phần đợc kẹp chặt cố định, phần còn lại là nắp đợc nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn. Khi ta đặt điện áp vào hai đầu cuộn dây của nam châm điện sẽ có dòng điện chạy trong cuộn dây, cuộn dây sẽ sinh ra từ thông khép mạch từ qua lõi sắt và khe hở không khí tạo lực hút điện từ kéo nắp (phần ứng) về phía lõi. Khi cắt điện áp (dòng điện) trong cuộn dây thì lực hút điện từ không còn nữa và nắp bị nhả ra. Phần hai: 4 Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha Chơng I : Yêu cầu thiết kế và chọn phơng án kết cấu I.1.Yêu cầu thiết kế: Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ có các thông số sau: -Tiếp điểm chính : Iđm = 150 A ; Uđm = 400 V. Số lợng : 3 tiếp điểm thờng mở. -Tiếp điểm phụ : Iđm = 5 A. Số lợng : 2 thờng mở ; 2 thờng đóng. -Nam châm điện : Uđm = 220 V ; f = 50 Hz. -Tần số thao tác : 300 lần đóng cắt / giờ. -Tuổi thọ : cơ : 100.000 ; điện : 1.000.000 lần đóng cắt. -Làm việc liên tục : cách điện cấp B. Trong đó : Uđm : điện áp định mức mà cuộn dây hút vẫn có thể làm việc. Iđm : dòng điện định mức đi qua tiếp điểm chính và phụ trong chế độ làm việc gián đoạn và lâu dài, nghĩa là ở chế độ này, thời gian công tắc tơ ở trạng thái đóng không lâu quá 8 giờ. Công tắc tơ thiết kế đợc sử dụng ở vùng khí hậu nhiệt đới, lắp đặt trong phòng ở nhiệt độ môi trờng mt = 40C và công tắc tơ phải chịu đợc tác động cơ học ở mức trung bình, làm việc ở chế độ dài hạn, ngắn hạn và có thể đôi khi làm việc ở chế độ sự cố. I.2.Lựa chọn ph ơng án kết cấu: Để có một kết cấu hợp lí và phù hợp điều kiện công nghệ cho công tắc tơ thiết kế phải tiến hành khảo sát công tắc tơ của một số nớc đang sử dụng trên thế giới. Sau khi tham khảo hiện có ở thị trờng Việt Nam: Việt Nam, Liên Xô(cũ), Trung Quốc, Nhật ta nhận thấy về cơ bản chúng đều giống nhau: - Kiểu hút thẳng, dạng hình chữ , cuộn dây đặt ở cuộn từ giữa, vòng dây chống rung đặt ở hai cực từ bên. Tiếp điểm dạng bắc cầu, một pha hai chỗ ngắt. - Buồng dập hồ quang kiểu dàn dập và tại mỗi chỗ có buồng dập hồ quang riêng. - Hệ thống phản lực: Dùng lò xo nhả, đẩy phần động. - Tháo lắp và sửa chữa đơn giản. Vì vậy ta chọn kiểu kết cấu của Liên Xô( cũ): đơn giản, dễ thiết kế và chế tạo. I.2.1.Lựa chọn nam châm điện : 5 Dựa vào tần số thao tác trong một giờ, ta phân biệt đợc chế độ làm việc của công tắc tơ xoay chiều 3 pha nói trên, làm việc ở chế độ làm việc nhẹ. Công tắc tơ xoay chiều 3 pha dùng nam châm điện có mạch từ hình chữ E hoặc chữ U có nắp quay quanh trục hoặc chuyển động tịnh tiến theo kiểu hút ống dây, chuyển động kiểu hút thẳng, kiểu quay trên 1 cạnh và có phần ứng nằm ngoài cuộn dây, phần ứng chuyển động trong lòng ống dây hoặc một phần ống dây.ở đây không dùng kiểu quay trên 1 cạnh vì nắp nam châm xoay chiều to, nặng và khe hở không khí chính lớn. Mạch từ hình chữ E kiểu hút thẳng có thể tận dụng đợc trọng lợng nắp khi ngắt và mạch từ kiểu hút thẳng đợc dùng trong chế độ làm việc nhẹ, đặc biệt là trờng hợp lực lò xo nhở không đủ để khắc phục các loại lực cản. Qua phân tích u nhợc điểm của các loại nam châm điện đã có sẵn. Ta chọn nam châm điện hình chữ E, kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây. Loại kết cấu này có u điểm là lực hút điện từ lớn,nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phơng chuyển động trùng với phơng tác dụng của các lực nên tận dụng đợc tỷ trọng lớn của nắp. Đồng thời hành trình chuyển động tơng đối nhanh, thời gian chuyển động ngắn, khe hở không khí giữa nắp và lõi giữa các tiếp điểm nhỏ. Từ thông rò không sinh ra lực phụ. Dùng làm việc trong chế độ nhẹ, đặc biệt trong trờng hợp lò xo nhỏ, không đủ khắc phục các loại lực cản. Loại kết cấu này có đặc tính lực hút gần với đặc tính phản lực, dễ dàng sử dụng tiếp điểm một pha, hai chỗ ngắt, đơn giản trong tính toán và chế tạo. Tuy nhiên đi cùng với những u điểm thì nam châm điện có kết cấu trên còn có những hạn chế, đó là : có bội số dòng điện lớn so với các mạch từ khác nên không thể dùng trong các chế độ làm việc nặng hoặc trung bình, lực lò xo nhỏ, công suất nhỏ. Việc dùng kết cấu nam châm điện hình chữ E, kiểu hút thẳng, có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây hoàn toàn phù hợp với công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ có chế độ làm việc nhẹ. I.2.2.Lựa chọn hệ thống tiếp điểm chính và phụ: Tiếp điểm là một phần quan trọng, nó ảnh hởng đến độ bền và sự h hỏng của công tắc tơ. Tuỳ thuộc vào dòng điện mà chức năng, kết cấu của tiếp điểm trong công tắc tơ cũng khác nhau. Yêu cầu đặt ra cho tiếp điểm là: + Nhiệt độ phát nóng của bề mặt tiếp xúc ở chế độ làm việc dài hạn phải nhỏ hơn ở chế độ cho phép; với I lớn, với trị số cho phép, tiếp điểm phải chịu đợc độ bền nhiệt và điện động. + R tx nhỏ và ổn định, có độ rung không quá trị số cho phép. Nh vậy với tiếp điểm chính có I đm = 150A, ta chọn dạng tiếp xúc chữ nhật là tiếp xúc mặt. Tiếp điểm động dạng chữ nhật và tiếp điểm chính dạng chữ nhật. 6 Ta chọn nh vậy bởi số chỗ ngắt trong mạch là 2, khả năng ngắt mạch chịu đợc hồ quang và lực điện động, giảm hành trình chuyển động dẫn đến giảm kích thớc công tắc tơ. Với yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha có tần số đóng ngắt bằng cơ = 100.000 lần, đóng ngắt bằng điện = 1.000.000 lần. Nên các tiếp điểm phải có độ mài mòn về cơ và điện. Qua phân tích và khảo sát các loại tiếp điểm (nh tiếp điểm kiểu ngón, kiểu tấm phẳng ) ta chọn tiếp điểm có dạng bắc cầu, 1 pha có 2 chỗ ngắt và đợc chế tạo bằng vật liệu dẫn điện tốt, chịu mài mòn và chịu đợc hồ quang nh kim loại gốm :Bạc, Nikelở trạng thái ngắt, độ mở của tiếp điểm phải có giá trị đủ lớn để không cho hồ quang cháy lại khi ngắt, đồng thời cũng không lớn quá để giảm kích thớc của nam châm điện. I.2.3.Lựa chọn hệ thống dập hồ quang: Buồng dập hồ quang có tác dụng dập tắt hồ quang nhanh nên phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Bảo đảm khả năng đóng và khả năng ngắt: Nghĩa là phải đảm bảo giá trị dòng điện ngắt ở dòng điện cho trớc. - Thời gian cháy hồ quang: Vùng ion hoá nhỏ, nếu không có thể chọc thủng cách điện giữa các phần tử trong buồng dập hồ quang. - Hạn chế ánh sáng và âm thanh. Xét yêu cầu đồ án ta chọn loại buồng dập hồ quang kiểu dàn dập, làm từ vật liệu sắt- cácbon để đơn giản trong tính toán và hiệu quả trong làm việc. I.2.4.Chọn khoảng cách cách điện. Khoảng cách cách điện đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hởng đến kích thớc của công tắc tơ và mức độ vận hành sao cho an toàn. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Điện áp định mức. - Môi trờng làm việc. - Quá trình dập tắt hồ quang. Ta có thể xác định khoảng cách cách điện theo các phơng pháp sau: - Theo độ bền của các phần tử mang điện so với đất. - Theo độ bền làm việc của các pha. - Theo độ bền điện ngang trong nội tại của công tắc tơ đối với các phần tử mang điện. Nếu ta chọn khoảng cách cách điện quá nhỏ thì dễ xảy ra phóng điện, còn nếu khoảng cách lớn thì phải tăng kích thớc của công tắc tơ. Đối với các pha với điện áp định mức lớn hơn điện áp định mức giữa các phần tử mang điện đối với đất, hơn nữa vỏ của công tắc tơ đợc làm bằng nhựa cứng do đó cách điện với đất tốt, làm việc an toàn hơn. 7 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 phơng pháp độ bền điện giữa các pha, nếu khoảng cách này thoả mãn thì 2 phơng pháp kia cũng đảm bảo độ an toàn khi làm việc. Ta chọn khoảng cách cách điện tố thiểu theo bảng (1-2) trang 14 quyển 1 với U đm = 400V. I.2.5.Các chi tiết khác: Ngoài ra, còn có các thanh dẫn động và tĩnh đợc làm bằng đồng, lò xo và một số chi tiết khác. Những chi tiết này sẽ đợc tính toán cụ thể trong các phần sau. 8 I.2.6.Sơ đồ động: 1 2 3 m 4 5 6 7 Trong đó: 1.Giá phần động 2.Lò xo tiếp điểm 3.Tiếp điểm động 4.Tiếp điểm tĩnh Ftđ = Flxtđ 5.Nắp nam châm điện Flxnh Flxnh 6.Lò xo nhả 7.Thân (lõi) mạch từ 8.Cữ chặn 8 m : ®é më cña tiÕp ®iÓm G l : ®é lón cña tiÕp ®iÓm F®t F®t δ : Khe hë kh«ng khÝ Flxtd : Lùc lß xo tiÕp ®iÓm Flxnh : Lùc lß xo nh¶ Ftd : Lùc Ðp tiÕp ®iÓm F®t : Lùc hót ®iÖn tõ G : Träng lùc phÇn ®éng. 9 Chơng II : Tính mạch vòng dẫn điện II.1.Khái niệm về mạch vòng dẫn điện: Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu và kích thớc hợp thành. Mạch vòng dẫn điện gồm thanh dẫn (thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh), đầu nối, tiếp điểm (giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh). Ta phải xác định các kích thớc của các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện. Tiết diện và các chi tiết quyết định cơ cấu của mạch vòng cũng nh của công tắc tơ xoay chiều ba pha. II.2.Yêu cầu đối với mạch vòng dẫn điện: - Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt. - Bền với môi trờng. - Có độ cứng tốt. - Tổn hao đồng nhỏ. - Có thể làm việc đợc trong một khoảng thời gian ngắn khi có sự cố. - Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp. II.3.Tính toán và chọn thanh dẫn: II.3.1.Yêu cầu đối với thanh dẫn: - Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt. - Có độ bền cơ khí cao. - Có khả năng chịu đợc ăn mòn hoá học, ít bị ôxi hoá. - Có độ mài mòn nhỏ khi bị va đập. - Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ. II.3.2.Thanh dẫn động: Chọn vật liệu: Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động vì vậy nó phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tơng đối cao do đó ta có thể chọn đồng kéo nguội làm đồng kéo nguội làm vật liệu cho thanh dẫn động. Chọn vật liệu thanh dẫn bằng Cu đồng kéo nguội và có các tính chất sau: Ký hiệu: ML-TB. Tỷ trọng: 8,9 g/cm 3 . Nhiệt độ nóng chảy( nc ): 1083 o C. Hệ số nhiệt điện trở : = 0,0043 (1/C) Hệ số dẫn nhiệt : = 393 (W/mC) Điện trở suất ở 20C : 20 = 1,74.10 8 (m) 10