MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tương đối cao, khối lượng nhẹ … do đó ta có thể chọn Đồng kéo nguộ

MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

3.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Trong công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ phận quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng, chuyển đổi và đóng cắt mạch điện Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thước hợp thành Đối với công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính như sau:

- Thanh dẫn: Gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh Thanh dẫn có chức năng truyền tải dòng điện

- Đầu nối: gồm vít và mối hàn

- Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, có chức năng đóng ngắt dòng điện

- Cuộn thổi từ

Do đó nhiệm vụ tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện là phải xác định các kích thước của các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện Tiết diện và kích thước của các chi tiết quyết định cơ cấu mạch vòng và cũng như quyết định kích thước của Công tắc tơ xoay chiều 3 pha

Trình tự thiết kế mạch vòng dẫn điện

3.2 MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CHÍNH

3.2.1 Thanh dẫn

Các bước tính toán thanh dẫn:

- Xác định tiết diện và các kích thước của thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn và các chế độ làm việc khác

- Sau khi tính toán kiểm nghiệm lại tiết diện và các kích thước của nó ở chế

độ làm việc dài hạn, chế độ ngắn mạch

1 Thanh dẫn động

a/ Chọn vật liệu:

Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tương đối cao, khối lượng nhẹ … do

đó ta có thể chọn Đồng kéo nguội làm vật liệu cho thanh dẫn động

Các thông số của đồng kéo nguội:

Nhiệt độ nóng chảy (θnc) 10830CĐiện trở suất ở 200C (ρ20) 0,0174.10-3 Ωmm

Độ cứng Brinen (HB) 80 ÷120 kG/cm2

Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,0043 l/ 0CNhiệt độ cho phép cấp A ([ θcp]) 950C

b/ Tính toán thanh dẫn

b

a

b a l

- Chọn kết cấu thanh dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề dầy b

Theo công thức 2 - 6 (TL1):

ρ20: điện trở suất của vật liệu ở 200C

α: hệ số nhiệt điện trở của vật liệu

θ: nhiệt độ ổn định của đồng, ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho phép υ = [υ] = 950C

⇒ρ95 = 0,0174 10-3 [1+4,3.10-3(95 - 20)] ≈ 0,023.10-3 (Ω.mm)

- τôđ: độ tăng nhiệt ổn định

τôđ = θ - θmt với θmt = 400C là nhiệt độ môi trường

⇒τôđ = 95 - 40 = 550C

Vậy ta có: b= ≈ 1,27 mm

a= b n = 1,27 8 = 10,16 mm

Tuy nhiên để đảm bảo cho thanh dẫn động có thể chịu được phát nóng thì a>

dtđ (dtđ: đường kính tiếp điểm)

Tra bảng 2 - 15 với Iđm = 30A thì dtđ = 16 ÷ 20 mm, tuy nhiên nhờ công nghệ vật liệt hiện đại và có độ bền cao nên ta chọn đường kính tiếp điểm là dtđ= 8mm

- Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn

- Thời gian tác động nhỏ

Từ đặc điểm trên rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch nhiệt độ thanh dẫn tăng lên rất lớn có thể làm thanh dẫn bị biến dạng Do đó cần phải kiểm tra khi có ngắn mạch thì mật độ dòng điện thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép không

Inm = Ibn : dòng điện ngắn mạch hay dòng điện bền nhiệt

tnm = tbn : thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt

S : tiết diện thanh dẫn động

Anm = Abn : hằng số tích phân ứng với ngắn mạch hay bền nhiệt

Ađ : hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầuTra đồ thị hình 6 - 6 ta có:

Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ

bị hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện lớn

và điện áp cao

Có thể chia đầu nối làm hai loại:

- Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài

- Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện

Các yêu cầu đối với mối nối

- Nhiệt độ các mối nối khi làm việc ở dài hạn với dòng điện định mức không được tăng 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

- Khi tiếp xúc mối nối cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua

- Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi khí cụ điện vận hành liên tục.

Kết cấu của mối nối gồm có: mối nối có thể tháo rời được, không thể tháo rời được, mối nối kiêm khớp bản lề có đầu nối mềm hoặc không có dây nối mềm, ở đây ta chọn mối nối có thể tháo rời được và bằng bu lông

Với dòng điện định mức Iđm = 65A theo bảng 2 - 10 (TKKCĐHA) chọn bu lông bằng thép CT3 có đường kính hệ ren mm M8 x 25

⇒ Rtx = = 1,64.10-6Ω

Điện áp tiếp xúc:

Utx = Iđm Rtx = 65.1,64.10-6 = 1,065.10-4 V

=> Utx = 0,107mV

Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([Utx]cp= 30mV), nên

bu lông đã chọn thỏa mãn yêu cầu

3.2.3 Tiếp điểm

1 Nhiệm vụ của tiếp điểm

- Tiếp điểm làm nhiệm vụ đóng cắt điện

2 Yêu cầu đối với tiếp điểm

- Khi Công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm

- Với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch) tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động Hệ thống tiếp điểm dập hồ quang phải có khả năng đóng ngắt cho phép không bé hơn trị số định mức

- Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng điện trong 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

3 Vật liệu làm tiếp điểm

Vật liệu làm tiếp điểm cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị oxy hóa, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 65A

Từ bảng 2-13 (TKKCĐHA) ta chọn vật liệu là bạc niken than chì, với các thông số kỹ thuật sau: (Đồng Cadimi)

Nhiệt độ nóng chảy (θnc) 13000CĐiện trở suất ở 200C (ρ20) 0,035.10-3Ωmm

Độ cứng Brinen (HB) 45 ÷65 kG/cm2

Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,0035 1/ 0CNhiệt độ cho phép cấp A ([ θcp]) 950C

Kích thước của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thước của thanh dẫn động hoặc của thanh dẫn tĩnh

Đối với dòng điện định mức Iđm = 65A từ bảng 2 - 15 (TKKCĐHA) ta có:

Đường kính tiếp điểm dtđ = 16mmChiều cao tiếp điểm htđ = 2mmTuy nhiên do công nghệ làm vật liệu phát triển và chất lượng vật liệu được nâng cao nên ta chọn:

Đường kính tiếp điểm dtđ = 8mmChiều cao tiếp điểm htđ = 2mm

4 Lực ép tiếp điểm

Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài hạn, mà trong chế độ ngắn hạn dòng điện lớn, lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị xảy ra do lực điện động và không bị hàn dính khi tiếp điểm bị đẩy và bị rung

- Theo công thức kinh nghiệm:

- A = 2,3 10-8 (V/0C): hằng số Loen

- HB: độ cứng Brinel của tiếp điểm

HB = 45 kG/mm2

- λ = 3,9 W/cm 0C - hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn

- Ttđ: nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát nóng dài hạn

5 Điện trở tiếp điểm

Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm được tính theo công thức thực nghiệm 2 - 25

Rtx = = 4,43.10-4

6 Điện áp tiếp xúc của tiếp điểm

Trong trạng thái đóng của tiếp điểm, điện áp rơi trên mạch vòng dẫn điện chủ yếu là do điện trở tiếp xúc của các phần tử đầu nối, điện trở của các vật liệu làm tiếp điểm là không đáng kể so với R tx, vì vậy công thức điện áp rơi trên tiếp điểm sẽ bằng:

Utx = Iđm.Rtx = 65.4,43.10-4 = 0,029V

⇒ Utx = 29 mVVậy điện áp nơi tiếp xúc Utx thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép [Utx] = 2 ÷ 30 mV

7 Nhiệt độ tiếp điểm và nhiệt độ nơi tiếp xúc

Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn, có tiếp điện không đổi, giả thử có một đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt

xa nơi tiếp xúc

Nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm:

θtd = θmt + +

= 40 + + = 790CNhiệt độ nơi tiếp xúc:

θtx = θtd + = 79 + = 86,210Ctrong đó:

- ρθ = ρ20 (1 + α.(θ - 20)) = 3,5.10-5.(1+0,325.(95-20)) = 4,42.10-5Ωmm

- θmt: nhiệt độ môi trường, θmt = 400C

- Rtđ, Rtx: điện trở tiếp điểm và điện trở tiếp xúc

- D, S: chu vi, diện tích

8 Dòng điện hàn dính

Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm (quá tải, khởi động, ngắn mạch), nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng hàn dính Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn dính gọi

là độ ổn định điện động (độ bền điện động) Độ ổn định nhiệt và ổn định điện động

là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số dòng điện hàn dính Ihd, tại trị số

đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra nếu cơ cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm

Trị sóo dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2 - 33 (TL1)

Ihdbđ = A (A)trong đó: A =

ρ0: điện trở suất của vật liệu ở 200C Ta có ρ20 = ρ0(1 +α.20)

Ihđ = Khđ

Ktđ: hệ số hàn dính, chọn Khđ = 2000 A/kG0,5

Ftđ = 0,363 kG

Ihđ = 2000 = 1205 (A)Như vậy: Ihđ > 10 Iđm = 10 65 = 650(A), đảm bảo cho tiếp điểm không bị hàn dính

9 Độ rung và thời gian rung của tiếp điểm

Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc sẽ có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây ra hiện tượng rung tiếp điểm Tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại va tiếp tục va đập, quá trình này xảy ra trong một khoảng thời gian rồi chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định, sự rung kết thúc Quá trình rung được đánh giá bằng độ lớn của biên độ rung Xm và thời gian rung tm

Theo công thức 2 - 39, biên độ rung cho 3 tiếp điểm thường mở là:

Xm = Với:

tm =

= = 4,71 10-3 (s) = 4,71 msTổng thời gian rung: tm ∑ = (1,5 ÷1,8).2 tm

Chọn tm ∑ = 1,5 2 tm = 1,5 2 4,71 = 14,13 ms

10 Độ mòn của tiếp điểm

Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch điện Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, về cơ và

về điện trong đó chủ yếu là do quá trình mòn điện

Khối lượng mòn trung bình của một cấp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là:

Gm = N.(gđ + gng)

= 106.6,04.10-7 = 0,604 g

Vì tiếp điểm cầu có hai điểm ngắt, tính cho một chỗ tiếp xúc:

Gml = = = 0,302 (g)Thể tích mòn:

Vm = = = 0,035 (cm3) = 35 (mm3)Thể tích ban đầu của tiếp điểm:

Vtđ = h π = 2 π = 100,53 (mm3)Lượng mòn của tiếp điểm sẽ là:

Vm% = 100% = 100% = 34,82%

11 Độ lún, độ mở của tiếp điểm

a/ Độ mở:

- Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm rộng và tiếp điểm tĩnh

ở trạng thái ngắt của công tắc tơ

- Độ mở cần phải đủ lớn để có thể dập tắt hồ quang nhanh chóng, nếu độ mở lớn thì việc dập tắt hồ quang sẽ dễ dàng Tuy nhiên khoảng cách quá lớn sẽ ảnh hưởng tới kích thước của công tắc tơ

- Theo kinh nghiệm với dòng Iđm = 65A và điện áp Uđm = 400V ta chọn độ

- Chọn độ lún theo công thức kinh nghiệm với dòng điện Iđm = 65A thì độ lún l = 3 ÷ 4 mm Chọn l = 3 mm

3.3 MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN PHỤ

Cách tính mạch vòng dẫn điện phụ tương tự với cách tính vòng dẫn điện chính, chỉ khác ở là trong mạch vòng phụ dòng điện là 5A.

Độ cứng Brinen (HB) 80 ÷120 kG/cm2

Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,0043 l/ 0CNhiệt độ cho phép cấp A ([ θcp]) 950C

- Kích thước thanh dẫn

Theo công thức 2 -6 (TL1):

b = trong đó:

- ρυ: điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định

ρθ = ρ20 [1 +α(θ - 20)]

ρ20 : điện trở suất của vật liệu ở 200C

α : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu

θ : nhiệt độ ổn định của đồng, ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho phép υ = [υ] = 950C

⇒ρ95 = 0,0174.10-3[1+4,3.10-3(95 - 20)] ≈ 0,023 10-3 (Ω.mm)

- τôđ: độ tăng nhiệt ổn định

τôđ = θ - θmt với θmt = 400C là nhiệt độ môi trường

⇒τôđ = 95 - 40 = 550CVậy ta có: b = ≈ 0,27 mm

a = b n = 0,27 7 = 1,7 mm

Tuy nhiên để đảm bảo cho thanh dẫn động có thể chịu được phát nóng thì a>

dtđ (dtđ: đường kính tiếp điểm)

Tra bảng 2 - 158 với Iđm = 5A thì dtđ = 2 ÷ 5 mm, nên chọn dtđ = 3

ρ0 = = = 0,016.10-3Ω.mm

θmt: nhiệt độ môi trường, θmt = 400CThay vào ta có:

θtd = = 43,150CVậy θtd < [θcp] = 950C -> thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ định mức

Chọn loại tiếp điểm cầu với dạng tiếp xúc điểm

a/ Chọn vật liệu tiếp điểm

I= 5A, tra bảng 2-13 (TL1) có thể chọn Bạc kéo nguội (CP999) có các thông

số kỹ thuật:

Nhiệt độ nóng chảy (θnc) 961 0CĐiện trở suất ở 200C (ρ20) 0,0159.10-3 Ωmm

Độ cứng Brinen (HB) 30 ÷60 kG/cm2

Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,004 l/ 0CNhiệt độ cho phép cấp A ([ θcp]) 950Cb/ Xác định kích thước

Chọn tiếp điểm hình cầu Tra bảng 2 - 15 (TL1), với dòng I= 5A có thể chọn đường kính tiếp điểm dtđ = 3mm, chiều cao tiếp điểm htđ = 1 mm

- Ttđ: nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát nóng dài hạn Ttđ = 41,8 + 273 = 314,8 0K

e/ Điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc:

Utx = I.Rtx= 5.7.6.10-4

= 3,8 mV < [Utx] = 2 ÷30 mVf/ Xác định trị số dòng điện hàn dính

- Trị số dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2 - 33 (TL1)

Ihdbđ = A (A)trong đó:

Ihd= Khd

Khd: hệ số hàn dính Tra bảng 2 - 19 (TL1), chọn Khd = 1000 A/kG0,5

Ftd = 0,025 kG

Ihd = 1000 = 158 (A)Như vậy Ihd > 10 Iđm = 10.5= 50 (A), đảm bảo cho tiếp điểm không bị hàn dính

h/ Độ rung và thời gian rung của tiếp điểm

- Theo công thức 2 - 39 (TL1), biên độ rung sẽ là:

xm = (2 tiếp điểm cầu)

= = 7,9 10-3 (s)Tổng thời gian rung: t∑ = 1,5 2 tm (CT 2 - 47)

= 1,5 2 7,9 10-3 = 23,7 msi/ Độ hao mòn tiếp điểm

Khối lượng mòn trung bình của một cấp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là:

Gm = N (gđ + gng)

= 106 1,11.10-7 = 0,111 (g)

Vì tiếp điểm cầu có hai điểm ngắt, tính cho một chỗ tiếp xúc:

Gm1 = = = 0,0555 (g)Thể tích mòn:

Vm = = = 5,29 (mm3)

Thể tích ban đầu của tiếp điểm:

Vtđ = h.π.= 1 π = 7,07 (mm3)Lượng mòn của tiếp điểm sẽ là:

100% = 100% ≈ 74,76%