Đồ án khí cụ điện : Thiết kế công tắc tơ

ỏn mụn hc thit k cụng tc t xoay chiu 3 pha LI M U Đất nớc ta đang trên con đờng phát triển kinh tế, sự phát triển của các ngành công nông nghiệp, nhu cầu sinh hoạt của nhân dân kéo theo đòi hỏi về điện năng ngày càng nhiều. Trong quá trình sử dụng điện năng không tránh khỏi những sự cố,rủi ro 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 an toàn cho ngời sử dụng,vận hành là một yêu cầu rất bức thiết. Công tắc tơ xoay chiều là một trong những thiết bị đảm bảo an toàn trong sử dụng điện.Chính vì vậy nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là mối quan tâm của ngành thiết bị điện. Đợc sự hớng dẫn và giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử đại học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là sự hớng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn Đức đã giúp em hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp thiết kế Công tắc tơ xoay chiều ba pha . Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhng do hiểu biết kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn ít, quá trình thiết kế đồ án của em vẫn còn mắc phải những sai sót nhất định.Vì vậy em rất mong đợc sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô để giúp em hoàn thiện hơn phần kiến thức của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn và thầy giáo Nguyễn Văn Đức. Sinh viên. on Khỏnh Ton MC LC on khỏnh Ton Thit b in - in t 3 K49 1 Đồ án môn học thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha LÒI MỞ ĐẦU………………………………………………………… .1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TẮC TƠ………………………….5 YÊU CẦU THIẾT KẾ………………………………………………… 6 CHƯƠNG I: CÁC YÊU CẦU CHÍNH ĐỐI VƠI CTT 1.Yêu cầu về mặt kỹ thuật……………………………………….6 2. Yêu cầu về vận hành………………………………………… 6 3.Yêu cầu về kinh tế…………………………………………… .7 4. Yêu cầu về công nghệ chế tạo…………………………………7 CHƯƠNG II: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1. Lựa chọn nam châm điện ………………………………… 8 2.Hệ thống tiếp điểm ………………………………………… 9 3. Buồng dập hồ quang ……………………………………… 9 4. Hệ thống phản lực……………………………………………10 CHƯƠNG III: TÍNH MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN I.Khái niệm chung………………………………………………11 II. Mạch vòng dẫn điện chính……………………………….…11 1. Tính toán thanh dẫn động…………………………………… .12 2. Tính toán thanh dẫn tĩnh………………………………………15. 3. Đầu nối…………………………………………………… .15 4. Tiếp điểm………………………………………………………16 CHƯƠNG IV: TÍNH VÀ DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ I. Lập sơ đồ động………………………………………………25 II. Tính toán lò xo………………………………………………25 1. Tính lò xo nhả…………………………………………………26 2. Tính lò xo tiếp điểm chính……………………………………28. 3. Tính lò xo tiếp điểm phụ………………………………………29 4. Xác định các lực……………………………………………….31 5. Đồ thị đặc tính cơ……………………………………………… . CHƯƠNG V: BUỒNG DẬP HỒ QUANG Đoàn khánh Toàn Thiết bị điện - Điện tử 3 K49 2 Đồ án môn học thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha 1. Khái niệm chung…………………………………………… .32 2. Kết cấu buồng dập……………………………………………32 CHƯƠNG VI: TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN I. Tính toán sơ bộ nam châm điện 1. Xác định lực tới hạn………………………………………… 34 2. Chọn dạng kết cấu…………………………………………… 34 3. Chọn vật liệu………………………………………………….35 4. Chọn từ cảm, hệ số từ rò, từ tản tại th δ ……………………….35 5. Xác định các thông số chủ yếu của NCĐ…………………….35 6. Xác định sức từ động cuộn dây……………………………… 37 7. Xác định các kích thước cuộn dây…………………………….39 II. Tính toán kiểm nghiệm nam châm 1. Sơ đồ thay thế………………………………………………….41 2. Xác định từ dẫn khe hở không khí…………………………….42 3. Xác định hệ số từ rò tại th δ ……………………………………48 4. Xác định số vòng dây………………………………………….49 5. Tính toán vòng ngắn mạch chống rung……………………… 51 6. Xác định kích thước vòng ngắn mạch…………………………54 7. Hệ số toả nhiệt vòng ngắn mạch………………………………55 8. Tổn hao trong lõi thép…………………………………………55 9. Tính dòng điện trong cuộn dây……………………………… 56 10. Tính toán nhiệt dây quấn…………………………………… 58 11. Tính và dựng đặc tính lực hút……………………………… 59 12. Tính và dựng đặc tính lực nhả……………………………… 61 13. Tính thời gian tác động và nhả……………………………….61 YÊU CẦU THIẾT KẾ I. Đề tài thiết kế: Đoàn khánh Toàn Thiết bị điện - Điện tử 3 K49 3 Đồ án môn học thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha Thiết kế công tắc tơ xoay chiều ba pha II. Các số liệu ban đầu: - Tiếp điểm chính : I đm = 95 A, U đm = 400 V - Số lượng : 3 tiếp điểm chính thường mở; 2 tiếp điểm phụ thường mở; 2 tiếp điểm phụ thường đóng. - Nam châm điện : U đm = 380 V, f=50Hz, I đm phụ = 5 A. - Tần số thao tác : 500 lần đóng cắt / giờ. - Tuổi thọ cơ : 100000; điện : 1000000 lần đóng cắt - Làm việc liên tục, cách điện cấp B. III. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 1. Chọn phương án kết cấu ( sơ đồ động, kiểu tiếp điểm, kiểu nam châm điện). 2. Tính mạch vòng dẫn điện: thanh dẫn, đầu nối, tiếp điểm. 3. Chọn hộp dập hồ quang. 4. Tính toán lò xo nhả, lò xo tiếp điểm. 5. Dựng đặc tính cơ. 6. Tính toán nam châm điện. 7. Tính và dựng đặc tính lực hút điện từ. 8. Tính toán nhiệt, hệ số nhả, trọng lượng nam châm điện và công tắc tơ. 9. Thiết kế kết cấu. 10. Vẽ bản vẽ tổng hợp lắp ráp khổ giấy A 0 IV. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: Ngày 20 tháng 2 năm 2008 A. Giới thiệu về công tắc tơ 1. Khái quát về công tắc tơ Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng, cắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa, bằng tay hay tự động. Đoàn khánh Toàn Thiết bị điện - Điện tử 3 K49 4 Đồ án môn học thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. Thông thường ta gặp loại đóng, cắt bằng nam châm điện. Theo nguyên lý truyền động người ta phân ra các loại công tắc tơ đóng cắt tiếp điểm bằng điện từ, bằng thuỷ lực, bằng khí nén và không tiếp điểm. Theo dạng dòng điện đóng cắt có loại công tắc tơ điện một chiều và công tắc tơ điện xoay chiều. Công tắc tơ điện một chiều dùng để đóng, cắt mạch điện một chiều, nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều. Công tắc tơ điện xoay chiều dùng để đóng, cắt mạch điện xoay chiều, nam châm điện của nó có thể là nam châm điện một chiều hay xoay chiều. 2. Cấu tạo và nguyên lý công tắc tơ xoay chiều ba pha a. Cấu tạo Công tắc tơ xoay chiều có các bộ phận chính sau: - Hệ thống mạch vòng dẫn điện ( thanh dẫn, đầu nối, tiếp điểm) - Hệ thống dập hồ quang - Nam châm điện - Cơ cấu phản lực - Các chi tiếp kết cấu vỏ và cụm cách điện b. Nguyên lý chung Các công tắc tơ làm việc trên nguyên lý điện từ: sử dụng lực điện từ của nam châm điện để đóng cắt. Nam châm điện gồm: mạch từ và cuộn dây. Mạch từ dùng để dẫn từ nó là những lá thép kĩ thuật điện ghép lại với nhau, hình chữ E hay U. Mạch từ gồm hai phần: một phần cố định, phần còn lại là nắp được nối với hệ thống qua tiếp điểm qua tay đòn. Cuộn dây nam châm điện xoay chiều có điện trở rất nhỏ so với điện kháng. Khi cho dòng điện vào cuộn dây, từ thông sẽ được sinh ra trong nam châm điện.Từ thông này sinh ra một lực điện từ. Khi lực điện từ lớn hơn lực cơ thì nắp mạch từ được hút về phía mạch từ tĩnh, làm cho tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm tĩnh được gắn trên thanh dẫn tĩnh, đầu kia của thanh dẫn có vít bắt dây điện ra, vào. Các lò xo tiếp điểm có tác dụng duy trì một lực ép tiếp điểm cần thiết lên tiếp điểm. Đồng thời tiếp điểm phụ cũng được đóng vào với tiếp điểm phụ thường mở và mở ra đối với tiếp điểm thường đóng. Lò xo nhả bị nén lại. Khi ngắt điện vào cuộn dây, từ thông sẽ giảm xuống về không, đồng thời lực điện từ do nó sinh ra cũng giảm về không. Khi đó lò xo nhả sẽ đẩy toàn bộ phần động của công tắc tơ lên và cắt dòng điện tải ra. Khi tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh của mạch từ chính thì hồ quang Đoàn khánh Toàn Thiết bị điện - Điện tử 3 K49 5 Đồ án môn học thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha sẽ xuất hiện giữa hai tiếp điểm. Nhờ các vắch ngăn trong buồng dập hồ quang, hồ quang sẽ được dập tắt. B. Thiết kế Chương I. Các yêu cầu chính đối với công tắc tơ 1. Yêu cầu về kỹ thuật: Yêu cầu kỹ thuật là một yêu cầu quan trọng và quyết định nhất đối với quá trình thiết kế khí cụ điện. Nó bao gồm các yêu cầu về: - 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. Vì vậy cần phải đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép để không làm giảm cơ tính, giảm tuổi thọ…. - Độ bền cách điện của các chi tiết bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việcvới điện áp lớn nhất để không xảy ra phóng điện, trong điều kiện môi trường xung quanh cũng như khi có quá 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 thiết kế, thời hạn làm việc ở chế độ làm việc định mức và chế độ sự cố. - Khả năng đóng cắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện thông qua các chi tiết, bộ phận. - Độ bền cơ, hóa học đối với môi trưòng xung quanh. - Tính năng kỹ thuật, công nghệ tiên tiến, kết cấu đơn giản, khối lượng và kích thước nhỏ. 2. Các yêu cầu về vận hành: Khi vận hành,sử dụng cần chú ý các yêu cầu sau: - Ảnh hưởng của môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ…do đó cần phải tránh các tác động có hại của môi trường lên thiết bị điện. - Có độ tin cậy đối với người sử dụng, vận hành, thao tác. - Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài. Đoàn khánh Toàn Thiết bị điện - Điện tử 3 K49 6 Đồ án môn học thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha - Đơn giản, dễ thao tác,sửa chữa, thay thế. - Chi phí vận hành và tiêu tốn năng lượng ít. 3. Các yêu cầu về kinh tế xã hội Đây là một trong các yêu cầu quyết định tới vị trí của sản phẩm: Khi thiết kế một sản phẩm nói chung và một thiết bị điện nói riêng đầu tiên người thiết kế phải chú ý đến thị trường, làm thế nào để khi đưa ra sản phẩm của mình thì có thể chiếm được ưu thế so với các sản phẩm cùng chủng loại, cùng có chất lượng kỹ thuật thì thiết bị của mình phải có giá thành hạ, có tính thẩm mĩ của kết cấu, vốn đầu tư khi lắp ráp, chế tạo là nhỏ nhất. 4. Các yêu cầu về công nghệ chế tạo - Tính công nghệ của kết cấu: dùng các chi tiết, cụm quy chuẩn, tính lắp dẫn… - Lưu ý đến khả năng chế tạo: mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất, khả năng của thiết bị. - Lưu ý đến khả năng phát triển chế tạo, sự lắp ghép vào các tổ hợp khác, chế tạo dãy…. Chương II. Chọn phương án Để có kết cấu hợp lý và phù hợp với điều kiện công nghệ nước ta hiện nay, việc tham khảo một số mẫu hiện có trên thị trường nước ta để có thể chọn ra được phương án tối ưu, phù hợp là rất cần thiết. Đoàn khánh Toàn Thiết bị điện - Điện tử 3 K49 7 Đồ án môn học thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha 1. Lựa chọn nam châm điện Do bài toán yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều nên chọn nam châm điện xoay chiều. Nam châm điện là bộ phận quan trọng của CTT, dùng để biến điện năng thành cơ năng. Nam châm điện có hai bộ phận chính: mạch từ và cuộn dây. Mạch từ của nam châm điện xoay chiều có hai dạng: chữ E nắp hút thẳng hoặc chữ U nắp hút quay. Qua thực tế thì người ta thường chọn nam châm điện dạng chữ E nắp hút thẳng, được làm từ thép kĩ thuật điện để giảm tổn hao do từ trễ và dòng xoáy. Loại kết cấu nam châm điện nắp hút thẳng có nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phương chuyển động trùng với phương tác dụng của lực. Đồng thời đặc tính lực hút tương đối lớn, hành trình chuyển động nhanh, thời gian chuyển động ngắn. Tuy nhiên loại này có những nhược điểm: có bội số dòng điện lớn nên không dùng cho chế độ làm việc trung bình và lớn nhỏ, công suất nhỏ. Loại nam châm điện nắp hút quay dùng cho dòng điện lớn. Với dòng điện lớn nếu dùng kiểu hút thẳng thì kích thước sẽ rất lớn nhưng dùng kiểu hút quay kích thước sẽ nhỏ hơn. Yêu cầu đề tài thiết kế dòng qua tiếp điểm chính là 80A nên ta chọn mạch từ chữ E hút thẳng. 2. Hệ thống tiếp điểm Công tắc tơ dùng để đóng, ngắt với tần số cao nên tuổi thọ của CTT phụ thuộc vào hệ thống tiếp điểm. Hệ thống tiếp điểm có nhiệm vụ đóng ngắt mạch điện, dòng điện chạy từ tiếp điểm tĩnh sang tiếp điểm động qua bề mặt tiếp xúc. Hệ thống tiếp điểm CTT xoay chiểu kiểu hút thẳng thường sử dụng các dạng tiếp xúc sau: - Tiếp xúc điểm: dùng với dòng điện bé, không cần lực ép tiếp điểm lớn thường dùng trong rơle. - Tiếp xúc đường: dùng cho dòng điện lớn đến vài trăm ampe hợc lớn hơn, thường dùng khi NCĐ nắp hút quay - Tiếp xúc mặt: dùng cho dòng điện lớn cần một lực ép tiếp điểm lớn. Kết cấu tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện, chức năng của tiếp điểm, tần số làm việc, tuổi thọ và nhiều yếu tố khác. Vì vậy khi thiết kế cần đảm bảo các yếu tố: - Các tiếp điểm chính phải có điện trở tiếp xúc bé. - Khi làm việc ở chế độ định mức tiếp điểm không được phát nóng quá trị sô cho phép. Đoàn khánh Toàn Thiết bị điện - Điện tử 3 K49 8 Đồ án môn học thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha - Phải ổn định với tác động nhiệt và điện động của dòng điện. - Phải đảm bảo độ bền cơ, điện là bé nhất, độ rung tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép. Và yêu cầu thiết kế là I đm = 80 A, chọn kết cấu tiếp điểm là tiếp điểm kiểu bắc cầu một pha hai chỗ ngắt. Vi nó ưu điểm là khả năng dập hồ quang cao, không cần dây nối mềm. Nhưng nhược điểm của nó là: khi đòng ngắt lớn thì lực tác động lớn ảnh hưởng đến kích thước của KCĐ, không dùng với dòng lớn. Tiếp điểm kiểu ngón một pha một chỗ ngắt thì dập hồ quang khó hơn, có dây nối mềm, nó thường sử dụng với dòng điện lớn, kết cấu phức tạp. Ta không chọn kết cấu loại này. 3. Buồng dập hồ quang - Thiết bị dập hồ quang phải thỏa mãn những yêu cầu sau: + Đảm bảo được khả năng đóng và khả năng cắt, nghĩa là đảm bảo giá trị dòng điện đóng và dòng điện ngắt ở điều kiện cho trước. + Có thời gian cháy nhỏ để giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang. + Quá điện áp thấp. + Kích thước buồng dập hồ quang nhỏ. - Có 2 phương pháp dập hồ quang phổ biến là: + Dùng buồng dập hồ quang kiểu dàn dập: được làm từ những lá thép non ghép lại có khe hở với nhau, khi hồ quang xuất hiện nó được đẩy vào dàn dập do lực điện động, hồ quang được chia nhỏ thành từng đoạn, chạm vào vách ngăn và nhanh chóng bị dập tắt. Phương pháp này cho ta khả năng rút ngắn đáng kể chiều dài hồ quang và dập nó trong thể tích nhỏ, do đó phát sáng ít và âm thanh bị hạn chế. Phương pháp này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và khả năng dập hồ quang cũng rất tốt, phù hợp với CTT xoay chiều. + Dùng buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp cộng với cuộn thổi từ, dưới tác dụng của từ trường lên dòng điện hồ quang, sinh ra lực điện động hút hồ quang vào buồng dập khe hở hẹp nên hồ quang nhanh chóng được dập tắt. Phương pháp này có khả năng rất tốt xong kết cấu phức tạp, thường dùng ở CTT dòng điện lớn, chế độ làm việc nặngphù hợp với CTT một chiều. Vậy ta chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập. 4.Hệ thống phản lực Từ kiểu dáng và kết cấu nam châm điện mà ta chọn lò xo tiếp điểm loại xoắn trụ làm việc chịu nén. Đoàn khánh Toàn Thiết bị điện - Điện tử 3 K49 9 ỏn mụn hc thit k cụng tc t xoay chiu 3 pha - Loi lũ xo ny cú bn c cao v ớt b n mũn, to c lc ộp ln, lm vic n nh, khụng cú dũng in chy qua nờn khụng b phỏt núng khụng gi húa. Do ú lm vic tin cy, hiu qu cao. - Kt cu n gin, d ch to. Túm li. Qua s phõn tớch cỏc mu hin cú, trờn c s iu kin nc ta, ta chn dng kt cu CTT nh sau: - Mch t ch E, np hỳt thng - Cú bung dp h quang kiu dn dp - Kt cu tip im: + Kiu bc cu mt pha hai ch ngt + Tip im tnh hn c nh vi thanh dn + Tip im ng chuyn ng, thng tnh tin . - Lũ xo tip im kiu xon tr, chu nộn. i vi tip im chớnh I m = 95 A ta chn tip xỳc kiu tr cu - mt phng ( tip xỳc im ) i vi tip im ph dũng in lm vic I m = 5A tip xỳc kiu mt cu - mt cu ( tip xỳc im ). S kt cu c bn ca cụng tc t ( hỡnh 2 ) 1. Giá phần động 2. Lò xo tiếp điểm 3. Tiếp điểm động 4. Tiếp điểm tĩnh 5. Nắp NCĐ 6. Lò xo nhả 7. Thân (lõi) NCĐ 8. Buồng dập hồ quang 8 7 6 6 5 4 3 2 1 Chng III. Tớnh mch vũng dn in on khỏnh Ton Thit b in - in t 3 K49 10