Đồ án Thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3 pha

Mục lục Trang Lời nói đầu………………………………………………………………..2 Phần một : Sơ lược về công tắc tơ xoay chiều ………………………………...3 Phần hai : Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha Chương I : Yêu cầu thiết kế và chọn phương án kết cấu……………...5 Chương II : Tính mạch vòng dẫn điện….….….………………….…….8 Chương III : Đặc tính cơ và tính toán lò xo ….…….…………………..18 Chương IV : Nam châm điện……………………… …. ………….…….25 Chương V : Chọn buồng dập hồ quang……………… ……………..…44 Chương VI : Tính toán nhiệt và trọng lượng nam châm điện …. …….46 Lời nói đầu Hiện nay với sự phát triển không ngừng của các nghành công nghiệp - nông nghiệp, nên việc sử dụng các sản phẩm của khoa học kĩ thuật là rất quan trọng .Chính nhờ sự ứng dụng đó mà thúc đẩy nền kinh tế cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới, đồng thời chúng góp một phần không nhỏ vào việc tăng năng suất lao động, phục vụ đời sống, sinh hoạt hàng ngày của con người không những thế chúng còn thay thế và làm việc ở những môi trường không có lợi cho con người và làm việc với tính chính xác cao . Với nhiều ưu điểm như vậy nên việc sử dụng khí cụ điện trong nghành tăng lên không ngừng. Mặt khác, các khí cụ điện ngày càng được cải tiến và hoàn thiện, đồng thời việc nghiên cứu, chế tạo để tạo ra những khí cụ điện có nhiều ưu điểm hơn nữa là cần thiết cho mỗi sinh viên. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy cô trong nhóm khí cụ điện, thuộc bộ môn Thiết bị điện - điện tử, khoa Điện. Đặc biệt là hướng dẫn giúp đỡ và đóng góp của thầy Nguyễn Văn Đức và thầy Bùi Tín Hữu, trong thời gian làm đồ án môn học, em đã hoàn thành được đồ án môn học với đề tài thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3 pha. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do hiểu biết kiến thức còn có nhiều hạn chế, thời gian có hạn và kinh nghiệm thực tế còn ít, nên trong quá trình thiết kế đồ án em còn mắc những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong có được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến thầy cô và các bạn sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn bộ môn Thiết bị điện - điện tử, thầy Nguyễn Văn Đức và thầy Bùi Tín Hữu. Phần một : Sơ lược 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, nhưng cũng có trường 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 nhưng các khí cụ điện hiện nay (hay công tắc tơ hiện nay) thường được 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 trường xung quanh (như mưa, ẩm, bụi …) cũng như 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 lượng và kích thước bé. 3.2.Yêu cầu về vận hành: Lưu ý đến ảnh hưởng của 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 thế. Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn ít năng lượng. 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 tư 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 được phân bố thành nhiều loại như 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 được dập hình chữ E hoặc U và được ghép lại với nhau. Mạch từ được chia làm hai phần: một phần được kẹp chặt cố định, phần còn lại là nắp được 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 d 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: Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha Chương I : Yêu cầu thiết kế và chọn phương 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 = 180 A ; Uđm = 400 V. Số lượng : 3 tiếp điểm thường mở. -Tiếp điểm phụ : Iđm = 5 A. Số lượng : 2 thường mở ; 2 thường đóng. -Nam châm điện : Uđm = 380 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 được sử dụng ở vùng khí hậu nhiệt đới, lắp đặt trong phòng ở nhiệt độ môi trường qmt = 40°C và công tắc tơ phải chịu được 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 phương án kết cấu: I.2.1.Lựa chọn nam châm điện : Dựa vào tần số thao tác trong một giờ, ta phân biệt được 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 được trọng lượng nắp khi ngắt và mạch từ kiểu hút thẳng được dùng trong chế độ làm việc nhẹ, đặc biệt là trường hợp lực lò xo nhở không đủ để khắc phục các loại lực cản. Qua phân tích ưu nhược 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 nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phương chuyển động trùng với phương tác dụng của các lực. Đồng thời cho đặc tính lực hút tương đối lớn, hành trình chuyển động tương đối nhanh, thời gian chuyển động ngắn. Từ thông rò không sinh ra lực phụ. Tuy nhiên đi cùng với những ưu 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: 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 (như tiếp điểm kiểu ngón, kiểu tấm phẳng …) ta chọn tiếp điểm có dạng bắc cầu, 1 pha có 2 chỗ ngắt và được chế tạo bằng vật liệu dẫn điện tốt, chịu mài mòn và chịu được hồ quang như kim loại gốm :Bạc, Nikel…ở 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 thước của nam châm điện. I.2.3.Lựa chọn hệ thống dập hồ quang: Hệ thống dập hồ quang trong công tắc tơ đảm bảo nhanh chóng dập tắt hồ quang sinh ra trong quá trình đóng cắt tiếp điểm. Có thời gian hồ quang cháy nhỏ để giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang. Hệ thống dập hồ quang có kích thước nhỏ, vùng khí iôn hoá nhỏ nếu không nó có thể tạo ra chọc thủng cách điện giữa các phần của thiết bị và còn toàn bộ khí cụ, hạn chế ánh sáng và âm thanh. I.2.4.Các chi tiết khác: Ngoài ra, còn có các thanh dẫn động và tĩnh được làm bằng đồng, lò xo và một số chi tiết khác. Những chi tiết này sẽ được tính toán cụ thể trong các phần sau. 8 I.2.5.Sơ đồ đông: 1 2 3 m 4 5 d 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 m : độ mở của tiếp điểm G l : độ lún của tiếp điểm Fđt Fđt d : Khe hở không khí Flxtd : Lực lò xo tiếp điểm Fđt Flxnh : Lực lò xo nhả Ftd : Lực ép tiếp điểm Fđt : Lực hút điện từ G : Trọng lực phần động Chương 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 thước 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). II.2.Yêu cầu đối với 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 được 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 được 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.Chọn vật liệu: Chọn vật liệu thanh dẫn bằng Cu và có các tính chất sau: Hệ số nhiệt điện trở :a = 0,0043 (1/°C) Hệ số dẫn nhiệt :l = 393 (W/m°C) Điện trở suất ở 20°C :r20= 1,74.108 (Wm) a b Chọn dạng thanh dẫn : hình chữ nhật a´b (a : chiều dài; b : chiều rộng và a = n * b ; chọn n = 7 ) Nhiệt độ cho phép ở chế độ dài hạn : qcp = 95°C. Nhiệt độ môi trường : qo = 40°C. Điện trở suất của Cu ở qcp : rq = r20(1 + a.(qcp – 20)) = 1,74.10-8(1 + 0,0043*75) = 2,183.10-8 (Wm) Theo công thức (2-6) trang 19 sách TKKCĐHA ta có: b = Trong đó : I = Iđm = 180 (A) Kf : hệ số tổn hao phụ ; Kf = 1,03 á 1,06. KT : hệ số toả nhiệt ; KT = 5 á 8 (W/m2°C) Chọn Kf = 1,03; KT = 5 (W/m2°C). Ta có : b = = 3,15.10-3 (m) = 3,15 (mm) ị a = b .7 = 22 (mm). Từ Iđm = 180 (A) ị theo bảng (2-15) trang 51 sách TKKCĐHA ta có: đường kính tiếp điểm : dtđ = 25 á 32 (mm). Chọn dtđ =25 (mm) ị a = dtđ + 2 = 27 (mm) ị b = a/7 = 3,8 (mm) ị Tiết diện thanh dẫn : S = a . b = 102,6 (mm2) = 102,6.10-6(m2) ị Chu vi thanh dẫn : P = 2 .(a + b) = 61,6 (mm) = 61,6.10-3(m) II.3.3.Kiểm nghiệm ở chế độ dài hạn: Mật độ dòng điện : Jdh = = = 1,75 (A/mm2) Jdhcp : mật độ dòng điện dài hạn cho phép ; Jdhcp = 1,5 á 4 (A/mm2) ị mật độ dòng điện trong giới hạn cho phép. Nhiệt độ thanh dẫn qtd = ị qtd = =60,6 °C qtd < qcp = 95°C. III.3.4.Kiểm nghiệm ở chế độ ngắn mạch: Độ bền nhiệt của KCĐ là tính chất chịu được sự tác dụng nhiệt của dòng điện ngắn mạch trong thời gian ngắn mạch, nó được đặc trưng bằng dòng bền nhiệt (dòng điện mà ở đó thanh dẫn chưa bị biến dạng). Để thuận tiện cho việc đánh giá, ta xét giới hạn cho phép của dòng điện và mật độ dòng điện bền nhiệt ở thanh dẫn ở các thời gian ngắn mạch : tnm = 3(s); tnm= 4(s); tnm = 10(s); Với điều kiện nhiệt độ ban đầu qđ = qcp = 95 °C. Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch qnm = 300 °C. Tra đường cong phát nóng của đồng khi có dòng ngắn mạch (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 = Mật độ dòng điện khi ở tnm = 3 (s) : Jnm1 = = 86 (A/mm2). Mật độ dòng điện khi ở tnm = 4 (s) : Jnm1 = = 74,6 (A/mm2). Mật độ dòng điện khi ở tnm = 10 (s) : Jnm1 = = 47,2 (A/mm2). Mật độ dòng điện cho phép ở chế độ ngắn mạch trong các khoảng thời gian là: Thời gian ngắn mạch (sec) 3 4 10 Mật độ dòng điện cho phép 94 82 51 Như vậy mật độ dòng điện ngắn mạch ở các thời gian trên đều nhỏ hơn mật độ dòng ngắn mạch cho phép nên thanh dẫn có thể làm việc ở tất cả các thời gian ngắn mạch. II.3.5.Đầu nối: Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ 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 dau 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 =180A theo bảng 2-10 trang 33 sách TKKCĐHA ta chọn bu lông bằng thép CT3 có đường kính hệ ren mm M8 x 25 b a Stx Diện tích bề mặt tiếp xúc : Stx = Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng có tần số f = 50 Hz và dòng điện định mức Iđm < 200A thì có thể lấy mật độ dòng điện jtx = 0,31 A/mm ị Stx = 580 (mm2) = 5,8 (cm2). Lực ép tiếp xúc : Ftx = ftx.Stx Với ftx là lực ép riêng trên các mối nối, ftx = 100 á 150 kG/cm2 Chọn ftx=100 kG/cm2 . ị Ftx = 100. 5,8 = 580 (kG) = 5800 (N). Theo công thức (2-25) trang 59 sách TKKCĐHA ta có : Điện trở tiếp xúc : với Ktx= 0,14 . 10-3 , m = 1 ( tiếp xúc mặt ) = 2,37.10-7 (W) Điện áp tiếp xúc : Utx = Iđm.Rtx = 180.2,37.10-7 = 0,04 (mV). Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([Utx]cp = 30 mV), nên bu lông đã chọn thoả mãn yêu cầu II.4.Tiếp điểm: II.4.1.Nhiệm vụ của tiếp điểm: Tiếp điểm làm nhiệm vụ đóng cắt điện II.4.2.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. II.4.3.Vật liệu làm tiếp điểm: Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 180A Tra bảng (5-2) sách KCĐ ta chọn vật liệu bằng kim loại gốm ký hiệu là KMK.A20 với các đặc tính : Khối lượng riêng : g = 9,5.103 kG/m3. Điện trở suất ở 200C : r20 = 0,025.10-6 (Wm) Độ dẫn nhiệt : l = 3,25 (W/cm 0C) Độ cứng Briven : HB = 45 á 65 (kG/cm2) Hệ số dẫn nhiệt điện trở : a = 0,0035 (1/ 0C) Kích thước của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thước của thanh dẫn động hoặc của thanh dẫn tĩnh. Uđm = 400 (V) ; Iđm = 180 (A) ị sử dụng loại tiếp điểm hình chữ nhật (c x d) Tra bảng (2-16) sách TKKCĐHA ta chọn : c = 25 (mm); d = 20 (mm) và chiều cao tiếp điểm htđ = 3,5 (mm). II.4.4.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 ngẵn 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 ta có : Ftđ = ftđ . Iđm Tra bảng (2-17) trang 55 sách TKKCĐHA ta chọn ftđ = 10 G/A Ftđ =10 . 180 =1800 (G) = 18 (N). Điện trở tiếp điểm : Rtx = trong đó : Ftđ = 18(N) Ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm, Ktx = (0,2 á0,3).10 -3 , chọn Ktx = 0,2.10-3 Do tiếp xúc mặt nên chọn m = 1 Thay vào ta có: Rtđ = = 1,09.10-4 (W). II.4.5. Điện áp 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 Rtđ, vì vậy công thức điện áp rơi trên tiếp điểm sẽ bằng : Utđ = Iđm.Rtđ =180.1,09.10-4 = 19,6 (mV). Vậy điện áp tiếp điểm Utđ thoả mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép [Utx] = 2 á 30 (mV). II.4.6. 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 sử có một đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt xa nơi tiếp xúc Nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm : qtđ=qo+ Trong đó : S là tiết diện của tiếp điểm :S = c.d = 500 (mm2) = 500.10-6(m2). P là chu vi của tiếp điểm : P = 2(c+d) = 90 (mm) = 90.10-3 (m). Thay S và P vào công thức trên ta có : qtđ ==51,3°C. Nhiệt độ nơi tiếp xúc ằ 51,30C. II.5.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. Theo công thức (2-36) trang 67 sách TKKCĐHA ta có : Ihd = Khd.. Hệ số hàn dính Khd được xác định qua bảng (2 – 36) trang 67 sách TKKCĐHA ị Chọn Khd = 2000 (A/kG). ị Ihd = 2000. = 2683 (A). Dòng điện ngắn mạch : Inm = 10 . Iđm = 1800 (A). Ihd > Inm ị đảm bảo cho tiếp điểm không bị hàn dính. II.6.Tính độ rung tiếp điểm và thời gian rung tiếp điểm: Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc sẽ có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp diểm 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 và 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. Qúa trình rung được đánh giá bằng độ lớn của biên độ rung Xm và thời gian rung tm. II.6.1.Tính độ rung tiếp điểm: Theo công thức (2- 39) trang 72 sách TKKCĐHA ta có : xm = Trong đó : Kv: hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu. Chọn Kv=0,9. vo : vận tốc tiếp điểm ở thời điểm ban đầu ; vo=0,1 (m/s). md : khối lượng của phần tiếp điểm động. md = . Với mc là trọng lượng đơn vị: mc= 7á12(G/A). Chọn mc=10(G/A). Gia tốc trọng trường g = 9,81 (m/s2). ị md = = 0,183 (kG). Ftdd : lực ép tiếp điểm ban đầu tại thời điểm va đập : Ftdd = (0,5 á 0,7) Ftdc. Ftdc : lực ép tiếp điểm cuối thời điểm va đập : Ftdc = Ftd = 18 (N) = 1,8 (kG). ị Ftdd = 0,6 . 18 = 10,8 (N) =1,08 (kG). ị xm = = 2,82.10-5 (m) = 0,028 (mm). II.6.2.Thời gian rung tiếp điểm: tm = == 3,7.10-3 (s) = 3,7 (ms). II.7.Chọn độ mở, độ lún tiếp điểm: II.7.1.Chọn độ mở: Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động 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 =180 (A) và điện áp Uđm = 400 (V) ta chọn độ mở m = 8 (mm). II.7.2.Chọn độ lún: Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại Việc xác định độ lún của tiếp điểm là cần thiết vì trong quá trình làm việc tiếp điểm sẽ bị ăn mòn. để đảm bảo tiếp điểm vẫn tiếp xúc tốt thì cần có một độ lún hợp lý Chọn độ lún theo công thức kinh nghiệm với dòng điện Iđm = 180 (A) thì độ lún l = 3 á 4 (mm). Chọn l = 4(mm). II.8.Hao mòn 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 hoá 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 : gđ + gng = 10 -9(Kđ. + Kng.)Kkđ Trong đó : Kkđ : hệ số không đồng đều,đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm, Kkđ =1,1 á 2,5, chọn Kkđ =1,5 Kđ và Kng : hệ số mòn khi đóng và khi ngắt, tra bảng (2-21) trang 79 sách TKKCDHA ta có : Kng=Kđ = 0,01 (G/A2) Iđ và Ing : dòng điện đóng và dòng điện ngắt Iđ =6.Iđm = 6.180 = 1080 (A) Ing = Iđm =180 (A) gđ và gng : khối lượng mòn riêng của mỗi một lần đóng và ngắt gđ + gng = 10 -9(0,01.10802 + 0,01.1802).1,5 = 1,8.10 -5 (G). Sau 105 lần đóng ngắt về cơ, khối lượng mòn là : Gm1 = 105.(gđ + gng) = 105.1,8.10 -5 = 1,8 (G). Sau 106 lần đóng ngắt về điện, khối lượng mòn là : Gm2 = N.(gđ + gng) = 106.1,8.10 -5 = 18 (G). Tổng khối lượng mòn là : Gm = Gm1 + Gm2 = 1,8 + 18 = 19,8 (G). Vì tiếp điểm cầu có hai điểm ngắt , tính cho một chỗ tiếp xúc : Gm1 = Thể tích mòn : Vm = Thể tích ban đầu của tiếp điểm Vtđ = Lượng mòn của tiếp điểm sẽ là : Vm% = II.9.Hệ thống tiếp điểm phụ: Theo kinh nghiệm công tắc tơ xoay chiều, dòng điện Iđm = 5 (A) ta chọn độ mở m = 10 (mm). Độ lún l = 1,5 + 0,02.5 = 1,6 ằ 2 (mm). Lực ép lên hệ thống tiếp điểm phụ : Ftdpc = Idm . ftd. Trong đó chọn ftd = 10 (G/A). ị Ftdpc = 5 . 10 = 50 (G) = 0,05 (kG) = 0,5 (N). ị Ftdpd = 0,6 . Ftdpc = 0,6 . 0,5 = 0,3 (N). Chương III : Đặc tính cơ và tính toán lò xo I.Lập sơ đồ động: 0 d m Xét trường hợp xấu nhất là công tắc tơ đặt ngược : Fđ Fđ Gđ + Fnhđ d = m + l Gđ + Fnhc Fđt Fđ Fđ d = 0 Lực cơ tác dụng bao gồm : - Lực ép tiếp điểm chính thường mở - Lực ép tiếp điểm phụ thường mở - Lực ép tiếp điểm phụ thường đóng - Lực lò xo nhả - Trọng lượng phần động - Lực ma sát ( bỏ qua ) II.Tính toán các lực : II.1. Lực ép tiếp điểm chính thường mở : Lực ép tiếp điểm cuối thường mở : Ftđcỷ ở = 6 . Ftđc ( 3 tiếp điểm chính thường mở) = 6 .18 = 108 (N) Lực ép tiếp điểm đầu : Ftđđ = 0,6 . Ftđcỷ ở = 0,6 . 108 = 64,8 (N) II.2. Lực ép tiếp điểm phụ thường mở : Lực ép tiếp điểm cuối thường mở: Ftđpcỷ ở = 4 . Ftđpỷ ở (2 tiếp điểm phụ thường mở) = 4 . 0,5 = 2 (N) Lực ép tiếp điểm đầu thường mở: Ftđpđỷ ở = 0,6 . Ftđpcỷ ở = 0,6 . 2 = 1,2 (N) II.3. Lực ép tiếp điểm phụ thường đóng : Lực ép tiếp điểm đầu thường đóng : Ftđđ = Ftđpcỷ ở = 2 (N) Lực ép tiếp điểm cuối thường đóng: Ftđc = Ftđpđỷ ở = 1,2 (N) II.4. Lực lò xo nhả : Lực nhả đầu : Flxnhđ = Kdt (Gđ + Ftđđ ) Flxnhđ = 1,1.(18 + 2) = 22 (N) Trong đó: Hệ số dự trữ Kdt = 1,1 á 1,3 . Chọn Kdt = 1,1 Trọng lượng phần động : Gđ = mc.Iđm = 18(N) Lực nhả cuối : Flxnhc = 1,5 . Flxnhđ = 1,5 . 22 = 33 (N). III.Lập bảng số liệu: F(N) d(mm) 0 2 4 10 12 Fnh 33 31,16 29,32 23,8 22 Gđ 18 18 18 18 18 Ftdcỷ ở 108 86,4 64,8 0 0 Ftdpỷ ở 2 1,2 0 0 0 Ftdp 0 0 0 -1,2 -2 Ftổng 161 136,76 112,12 40,6 38 IV.Dựng đặc tính cơ: F(N) 161 K 108 33 18 2 l m d(mm) lỷ ở mỷ ở m l V. Tính toán lò xo: Chọn lò xo xoắn hình trụ chịu nén: Loại lò xo này có ưu điểm ít bị ăn mòn bền về cơ, làm việc linh động, không bị phát nóng. Tra bảng (4-1) trang 166 sách TKKCĐHA, chọn vật liệu làm lò xo là dây thép các bon GOTC9389-60 độ bền trung bình, nhãn hiệu II (P) : Độ bền giới hạn khi kéo : 2200 (N/mm2). Giới hạn mỏi cho phép khi uốn : 770 (N/mm2). Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn : 480 (N/mm2). Module đàn hồi : 200.103 (N/mm2). Module trượt : 80.103 (N/mm2). Điện trở suất : 0,19 á 0,22 .10-6 (Wm). Các thông số của lò xo : L d D t V.1. Lò xo nhả: Tính cho một lò xo Fnh đầu = Fnh cuối = Như vậy trong khoảng d = m + l = 12 (mm) lò xo phải sinh được lực là DF = 16,5 - 11 = 5,5 (N) . Theo công thức (4-31) trang 173 sách TKKCĐHA, đường kính dây lò xo là : d = chọn C = và F = Fnh cuối d = Vậy chọn đường kính dây lò xo là d =1(mm). Đường kính lò xo : D = C.d = 10.1 = 10 (mm) Số vòng làm việc : W = (vòng) với f = m + l = 12 (mm). Số vòng kết cấu : Wk = 22 + 2 = 24 (vòng). Bước lò xo : tk = d =1 (mm) tn = d + Chiều dài kết cấu : lk = d.W = 1.22 =22 (mm) ln = W.tn + 1,5.d = 22.1,55 + 1,5.1 = 35,6 (mm) ứng suất xoắn thực tế của lò xo: sx = (N/mm2). Vậy sx < [sx] = 480 (N/mm2), do đó lò xo chọn thoả mãn yêu cầu Khoảng lún thực tế của lò xo: V.2.Lò xo tiếp điểm chính: Tính cho một lò xo Fnh cuối = Fnh đầu = Như vậy trong khoảng d = f = l = 4 (mm) lò xo phải sinh được lực là DF = 36 – 21,6 = 14,4 (N). Theo công thức (4-31) trang 173 sách TKKCĐHA, đường kính dây lò xo là : d = chọn C = và F = Fnh cuối d = Vậy chọn đường kính dây lò xo là d =1,4 (mm). Đường kính lò xo : D = C.d = 10.1,4 = 14 (mm) Số vòng làm việc : W = (vòng) với f = l = 4 (mm) Số vòng kết cấu : Wk = 4 + 2 = 6 (vòng) Bước lò xo : tk = 1,4 (mm) tn = d + Chiều dài kết cấu : lk = d.W = 1,4.4 = 5,6 (mm) ln = W.tn + 1,5.d = 4.2,4 + 1,5.1,4 = 11,7 (mm) ứng suất xoắn thực tế của lò xo: sx = (N/mm2) Vậy sx < [sx] =480 N/mm2 do đó lò chọn thoả mãn yêu cầu Khoảng lún thực tế của lò xo: V.3.Lò xo tiếp điểm phụ: Tính cho một lò xo: Fnh cuối = Fnh đầu = Như vậy trong khoảng d = f = l = 1,5 (mm) lò xo phải sinh được lực là DF = 1 - 0,6 = 0,4 (N). Theo công thức (4-31) trang 176 sách TKKCĐHA, đường kính dây lò xo là : d = chọn C = và F = Fnh cuối d = Vậy chọn đường kính dây lò xo là d = 0,22 (mm). Đường kính lò xo : D = C.d = 9.0,22 = 1,98 (mm) Số vòng làm việc : W = (vòng). với f = l =2 (mm). Số vòng kết cấu : Wk = 15 + 2 = 17 (vòng). Bước lò xo : tk = 0,22 (mm). tn = d + Chiều dài kết cấu : lk = d.W = 0,22.15 = 3,3 (mm). ln = W.tn + 1,5.d = 15.0,35 + 1,5.0,22 = 5,58 (mm). ứng suất xoắn thực tế của lò xo: sx = (N/mm2). Vậy sx < [sx] =480 N/mm2 do đó lò chọn thoả mãn yêu cầu Khoảng lún thực tế của lò xo: Chương IV: nam châm điện I.Khái niệm: Nam châm điện được sử dụng ngày càng rất rộng rãi mà không một lĩnh vực ngành kỹ thuật nào không sử dụng nó. Nhiệm vụ chủ yếu của nam châm điện là bộ phận sinh lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến hay chuyển dịch quay hoặc sinh lực hãm. Trong mỗi lĩnh vực khác nhau thì có những loại nam châm khác nhau về hình dáng, kết cấu, ứng dụng. Các quá trình vật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp, thường được mô tả bằng các phương trình vi phân tuyến tính. Vì vậy việc tính toán nam châm điện thường được dựa theo các công thức gần đúng, đơn giản sau đó mới kiểm nghiệm lại theo công thức lý thuyết, dẫn tới bài toán tối ưu. Đối với công tắc tơ, nam châm điện là cơ cấu sinh lực để thực hiện tịnh tiến đối với cơ cấu chấp hành là hệ thống các tiếp điểm. II. Tính toán kích thước nam châm điện: II.1.Các số liệu ban đầu: II.1.a. Dạng kết cấu: Với công tắc tơ xoay chiều ba pha thì thường chọn nam châm điện có kết cấu chữ E hút thẳng. II.1.b. Vật liệu: Tra bảng (5-3) trang192 sách TKKCĐHA chọn Thép lá kỹ thuật điện hợp kim tăng cường $31 (thép silic) . Loại thép này có lực từ phản kháng bé nên tổn hao do từ trễ không đáng kể . Các thông kỹ thuật của thép $31 : Lực từ phản kháng HC 0,35 (A/cm). Từ cảm dư 1,1 (T). Từ cảm bão hoà 2 (T). Độ từ thẩm 250. Độ từ thẩm cực đại 650. Điện trở suất 50.10 -8 (W.m). Khối lượng riêng 7,65 (G/cm3). Thành phần cacbon 0,025%. Tổn hao từ trễ khi bão hoà 0,15 (mJ/cm3 cho 1 vòng). Từ cảm lõi thép 0,6 (T). Chiều dày lá thép 0,5 (mm). II.1.c. Chọn từ cảm , hệ số từ rò , hệ số từ cảm: Chọn điểm tính toán là K (điểm nguy hiểm),tại d = 4 (mm) và tại điểm K thì Ftt = 112,12 (N). Chọn Bd = 0,5 (T) Chọn hệ số từ rò sr = 1,4 ; hệ số từ tản st = 1,2. II.2 Tính tiết diện lõi mạch từ: - Theo công thức (5 - 8) trang 204 sách TKKCĐHA , tổng diện tích lõi thép mạch từ để đạt được lực điện từ ở điểm tới hạn : SlS = Trong đó Ftt lực hút điện từ ở điểm tới hạn : Ftt = 112,12 (N). ị SlS = =2354 (mm2) - Diện tích lõi cực từ giữa : Sl2 = - Diện tích lõi 2 cực từ nhánh : a/2 b a Sl1 = Sl3 = - Đối với cực từ giữa : chọn ị a = ị b = 0,9.a = 0,9.36 ằ 32 (mm). - Cạnh thực của lõi thép : b' = . Với KC = 0,9 là hệ số ép chặt các lá thép . b'= - Số lá thép kỹ thuật điện : n = (tấm) Trong đó D = 0,5 mm là chiều dày một lá thép . - Hai cực từ mạch nhánh chọn kích thước : a/2 = 18 (mm) b = 32 + 2. Dv = 34 (mm) II.3. Tính toán cuộn dây: II.3.1. Sức từ động của cuộn dây: (IW)tđ = (IW)Sdnh + (IW)h (A.vòng) (Theo công thức (5-18) trang 209 sách TKKCĐHA ). Trong đó : (IW)Sdnh :sức từ động của khe hở không khí làm việc khi phần ứng hở (IW)h : sức từ động không đổi khi khe hở không khí làm việc (IW)Sdnh = (Theo công thức (5 –19) trang 209 sách TKKCĐHA). Sdnh - tổng khe hở không khí làm việc. Sdnh = 2.dnh = 2.4.10 -3 = 8.10 -3 (m). mO = 1,25.10 -6 (H/m) ị (IW)Sdnh = (A.vòng). (IW)h = (Theo công thức 5-20 trang 210 sách TKKCĐHA) sr : hệ số từ rò , sr = 1,4 Sdh : khe hở không khí ở trạng thái hút Sdh = 2dcn + dcd + dht =0,2 á 0,7 (mm). dcn= 0,03 á 0,1 mm - khe hở công nghệ, chọn dcn = 0,05 (mm). dcd = 0,1 á 0,5 (mm) : khe hở chống dính , chọn dcd = 0,3 (mm). dht : khe hở giả định , chọn dht = 0,1 (mm). Sdh = 2.0,05 + 0,3 + 0,1 = 0,5 (mm) . (IW)h= (A.vòng). ị (IW)tđ = 3200 + 280 = 3480 (A.vòng). - Kiểm tra lại, ta có hệ số bội số dòng điện : KI = ị Thoả mãn yêu cầu KI = 4 á 15 II.3.2.Kích thước cuộn dây: D2 D1 hcd bcd Tiết diện cuộn dây được xác định cho trạng thái phần ứng bị hút vì khi phần ứng hở , dòng điện chạy trong cuộn dây lớn hơn nhiều lần so với khi phần ứng bị hút và thời gian rất ngắn. Vì vậy sức từ động (IW)tđ được tính ở trạng thái hở của phần ứng cần phải đưa về trạng thái hút của phần ứng. Theo công thức (5-24) trang 211 sách TKKCĐHA ta có diện tích cuộn dây : Scd = Trong đó : KUmax : Hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà NCĐ vẫn làm việc . Chọn Kumax = 1,1 KUmin : Hệ số tính đến điện áp nguồn giảm mà NCĐ vẫn làm việc . Chọn Kumin = 0,85 . Kqt: Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn Kqt = 1. j : Mật độ dòng điện trong cuộn dây ở chế độ làm việc dài hạn, thường có j = 2 á 4 (A/mm2) . Chọn j = 2,5 (A/mm2). Klđ : Hệ số lấp đầy cuộn dây , Kld = 0,3 á 0,6 . Chọn Klđ = 0,5. ịScd = Từ diện tích cuộn dây, chọn hệ số hình dáng Khd = ị bcd = hcd = 3.bcd = 3.10 = 30 (mm). II.3.3.Kích thước mạch từ: a/2 a b c hđ hn D5 D4 D3 D2 D1 bcd hcd hl a = 36 (mm); b=32 (mm); Chiều rộng cuộn dây : bcd = 10 (mm). Chiều cao cuộn dây : hcd = 30 (mm). Chọn D1 = 3 (mm). D2 = 0,5 (mm) bề dày khung dây. D3 = 0,5 (mm) bề dày cách điện cuộn dây. D4 = 10 (mm). D5 = 1 (mm). Diện tích nắp mạch từ : Sn = 0,6.Sl2 = 0,6.1177 = 706,2 (mm2) ị hn = Diện tích đáy mạch từ : Sđ = 0,7Sl = 0,7.1177 = 824 (mm2) hđ = Chiều cao mạch từ : A = = 92 (mm). Chiều rộng cửa sổ mạch từ : C = = 66 (mm). Tổng chiều dài lõi mạch từ : B = = 36 + 36 + 20 +30 = 122(mm). Chiều cao cửa sổ mạch từ : hl = hcd +2D1 + lf = 30 +1+8 = 39(mm). II.4. Tính toán kiểm nghiệm: II.4.1. Tính các thông số của mạch từ: Tính các từ dẫn , hệ số từ rò , hệ số từ cảm . Bỏ qua từ trở sắt từ ( mFe >> md ) , ta có mạch từ đẳng trị : Gdo3 Gt3 Gdo2 Gt2 Gdo1 Gt1 Gr2 Gr1 IW Gr2 Gr1 Gd3 Gd2 Gd1 IW GrS Gd2 Gd13 IW II.4.1.a.Từ dẫn khe hở không khí: Dùng phương pháp phân chia từ trường để tính từ dẫn qua khe hở không khí. Ta chia ra làm 17 hình : + Một hình chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao d : Gd0 = = + Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính d, chiều dài a, từ dẫn của mỗi hình là : G1 = 0,26.m0.a = 0,26.m0.36.10-3 = 9,36.10-3.m0 + Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính d, chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là : G2 = 0,26.m0.b = 0,26.m0.32.10-3 = 8,32.10-3.m0 + Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là : G3 = chọn với m = 0,1.d. = + Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là : G4 = = + Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính d, từ dẫn của mỗi hình là : G5 = 0,077.m0.d + Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong d. đường kính ngoài (d + 2m), từ dẫn mỗi hình là : G6 = = 0,025.m0.d. Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng Gd2 ở khe hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên : Gd2 = G0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) = m0. Tương tự với từ dẫn Gd1 và Gd3 ta cũng tính như Gd2 chia ra làm 17 hình : + Một hình chữ nhật với các cạnh a/2, b và chiều cao d : Gd0 = = + Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính d, chiều dài a/2, từ dẫn của mỗi hình là : G1 = 0,26.m0.a/2 = 0,26.m0.18.10-3 = 4,68.10-3.m0 + Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính d, chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là : G2 = 0,26.m0.b = 0,26.m0.32.10-3 = 8,32.10-3.m0 + Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài a/2, từ dẫn mỗi hình là : G3 = chọn với m = 0,1.d = + Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là : G4 = = + Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính d, từ dẫn của mỗi hình là : G5 = 0,077.m0.d + Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong d. đường kính ngoài (d + 2m), từ dẫn mỗi hình là : G6 = = 0,025.m0.d ị Gd1 = Gd3 = G0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) = m0. ị Gd13 = Gd1 + Gd3 = m0. Vậy từ dẫn tổng qua khe hở không khí : GS== II.4.1.b. Từ dẫn tản: Từ dẫn tản ở cực từ giữa với khe hở không khí : Gt2 = 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) = m0.(43,22.10-3 +0,408.d ). II.4.1.c. Từ dẫn rò: Đối với mạch từ xoay chiều , từ dẫn rò được tính theo công thức : Gr = Trong đó: gr : suất từ dẫn rò a/2 a/2 b c hl : chiều cao lõi mạch từ Tính suất từ dẫn rò gr ? Xét hl = 1 gr bao gồm : - 1 hình trụ chữ nhật b´1´c - 2 hình 1/2 trụ tròn đặc đường kính c , chiều cao 1 - 2 hình 1/2 trụ tròn rỗng đường kính trong c , đường kính ngoài (c+a) , chiều cao 1 . gr=mO.+2.mO.0,26.1+2.mO.= Gr1 = Gr2 = grhl = GrS = Gr1 + Gr2 = 85,64.10 -9 II.4.1.d. Hệ số từ tản, từ rò: Hệ số từ tản : st = Hệ số từ rò : sr = Kết quả tính toán: d (mm) 0,5 2 4 6 8 10 12 Gd0(.10-6) 2,88 0,720 0,360 0,24 0,18 0,144 0,12 Gd2 (.10-6) 2,934 0,775 0,416 0,297 0,238 0,203 0,18 GdS (.10-6) 1,476 0,3947 0,215 0,1555 0,126 0,109 0,097 GrS (.10-9) 85,64 85,64 85,64 85,64 85,64 85,64 85,64 Gt2(.10-8) 5,42 5,50 5,606 5,708 5,81 5,91 6,01 sr 1,06 1,22 1,4 1,55 1,68 1,79 1,88 st 1,019 1,076 1,156 1,238 1,323 1,41 1,50 dGdS/dd (.10-5) 289 17,94 4,401 1,905 1,037 0,639 0,425 Như vậy tại điểm tới hạn d = 4 (mm), hệ số rò sr = 1,4 bằng với hệ số rò ban đầu chọn (= 1,4), do đó đạt yêu cầu. Từ thông khe hở không khí ở điểm tới hạn: Trong đó: Fhtb = 0,5.Ftt = 56,06 (N). Gd = 0,215.10-6 (H). K = 0,25 : hệ số xét tới thứ nguyên của lực F (N). Từ thông trung bình trong lõi thép cực từ : Từ cảm mạch tại d = 4 mm là : Ftb = sr.Bd.Sl2 ị Bd = (T). Giá trị từ cảm thực tế tính được bằng giá trị ban đầu chọn (= 0,5T) do đó thoả mãn yêu cầu . II.4.2.Tính toán số vòng dây và đường kính dây dẫn: Số vòng dây: W = (Theo công thức trang 284 sách TKKCĐHA). Trong đó : KIR : hệ số tính đến điện áp rơi trên điện trở của cuộn dây , khi phần ứng bị hút KIR ằ 1. Uđm : điện áp định mức của cuộn dây, Uđm = 380(V). KUmin : hệ số tính đến sụt áp , KUmin = 0,85. f = 50 Hz ị W = = 1805 (vòng) Tiết diện dây quấn : q = Đường kính dây : d = . Chọn loại dây đồng có đường kính : d = 0,33 (mm). II.5. Tính và dựng đặc tính lực hút điện từ: Theo công thức (4-50) trang 63 sách TKKCĐHA, lực hút điện từ trung bình được tính : ) Với ba trường hợp : U =0,85.Uđm (KU = 0,85) U = Uđm (KU = 1) U = 1,1.Uđm (KU = 1,1) Trong đó K = 0,25 với F tính bằng Newton Vì Gr không phụ thuộc vào khe hở không khí nên . Mà Ftb = 2. KU = 0,85 ị (Wb) KU = 1 ị (Wb) KU = 1,1 ị (Wb) Kết quả tính được ta có: d (mm) 0,5 2 4 6 8 10 12 GdS (.10-6) 1,476 0,3947 0,215 0,1555 0,126 0,109 0,097 (.10-5) 289 17,94 4,401 1,905 1,037 0,639 0.425 sr 1,06 1,22 1,4 1,55 1,68 1,79 1,88 Fd´10-4 (Wb) KU = 0,85 15,2 13,2 11,5 10,4 9,58 8,99 8,56 KU = 1 17,8 15,5 13,5 12,2 11,25 10,56 10,05 KU = 1,1 19,62 17,05 14,86 13,41 12,38 11,62 11,06 Fđt (N) KU = 0,85 541,8 354,7 222,6 150,6 105,97 76,84 58,51 KU = 1 637,41 417,3 261,9 177,2 124,67 90,4 68,83 KU = 1,1 701,15 459 288,1 194,9 137,14 99,44 75,72 Đường (1) : Đặc tính lực hút điện từ ứng với KU =1,1 F (N) 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 cơ (1) (2) (3) 161 (4) 108 33 18 2 4 10 12 l m d (mm) Hệ số nhả của nam châm : Knh = (Theo công thức trang 262 sách TKKCĐHA ) Tại điểm tới hạn Knh = II.6.Tính toán vòng ngắn mạch: St Sn Để chống rung cho phần động của NCĐ do lực đập mạch gây nên. ta đặt vòng ngắn mạch ở hai bên trụ bên. Số vòng ngắn mạch. Wnm = 1 (vòng). Diện tích rãnh đặt vòng ngắn mạch. Snm = 2.b = 2.32 = 64 (mm2). Lực hút điện từ trung bình ở khe hở làm việc khi không có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút của phần ứng : Trong đó Fdtb: Từ thông trung bình ở khe hở làm việc khi phần ứng hút được: srh: Hệ số từ dò khi phần ứng hút (d = 0,5 mm), srh = 1,05. ị Fdtb = (Wb) Stn: Diện tích tổng trong và ngoài vòng ngắn mạch. Stn = Sl1 - Snm = 18.32 - 64 = 512 (mm2). Ftbh = (N) Tỉ số fl của lực điện từ bé nhất và trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch. Có thể tính theo tỷ số diện tích giữa cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch. ị f1 = 2/3. Điện trở vòng ngắn mạch. Góc lệch pha j giữa từ thông ngoài và từ thông trong khi số vòng ngắn mạch Wnm = 1 là : Trong đó : St: Diện tích cực từ trong vòng ngắn mạch : St = (mm2). tgj = ị j = 65O Tính từ thông trong vòng ngắn mạch Chọn Từ thông trong vòng ngắn mạch : Từ thông ngoài vòng ngắn mạch : Fn = C.Ft = 1,18.2,13.10-4 = 2,51.10-4 (Wb). Từ cảm ở khe hở vùng ngoài vòng ngắn mạch. (T). với Sn : diện tích cực từ ngoài vòng ngắn mạch Sn = Stn - St = 512 – 341,33 = 170,67 (mm2). Lực điện từ phía ngoài vòng ngắn mạch. (N). Lực điện từ phía trong vòng ngắn mạch. (N). Lực điện từ cực đại. =(N). Lực điện từ trung bình Ftb = Ftbt + Ftbn = 26,45 + 73,46 = 100 (N). Lực điện từ nhỏ nhất. (N). Như vậy lực điện từ nhỏ nhất khi hút phải lớn lực cơ của phần ứng : 4.Fmin > Fcơ ị 4.41 = 164 (N) > Fcơ =161 (N) Tỷ số giữa cực đại và lực bé nhất P = Tổn hao trong vòng ngắn mạch. (W). Hệ số toả nhiệt của các vòng ngắn mạch nằm trong lõi thép. = 3,69.10-3 (W/cm2 °C) Điện trở suất của đồng ở nhiệt độ 200°C. Dòng điện trong vòng ngắn mạch Pnm =I2nm . rnm Inm = Để tính toán dòng điện trong cuộn dây ta qui đổi dòng điện tổn hao trong vòng chống rung về cuộn dây : Iv = Trong đó : 2 : là hệ số tính tới vòng ngắn mạch. II.7. Kiểm nghiệm : II.7.1.Tính công suất tiêu thụ trên cuộn dây: Dòng điện tiêu thụ trong cuộn dây : I = Điện trở dây quấn R = rcd. Trong đó ltb là chiều dài trung bình của cuộn dây b bcd ltb a bcd = 10 (mm) a = 36 (mm) b = 32 (mm) Chiều dài trung bình của cuộn dây ltb= = = 167,4 (mm) Điện trở suất của đồng ở nhiệt độ phát nóng cho phép [q] = 95 0C : r = r[1 + a(q - 20)] = 1,74.10-8[1 + 0,0043(95 - 20)] = 2,3.10-8 (Wm) ị Rcd = Công suất tiêu thụ của cuộn dây:P = I2.Rcd = 0,1612.83,73 = 2,17 (W). II.7.2.Công suất tổn hao trong lõi thép: Công suất tổn hao của thép mạch từ: PFe = kg.PB/50.GFe Trong đó : Khối lượng mạch từ : GFe = gFe . lFe .SFe = 7,65 . 12,2 . 2354.10-2=2,2 (kG). Với : gFe = 7,65 (G/cm3). lFe : Chiều dài lõi mạch từ = B = 122 (mm). SFe : Tiết diện lõi mạch từ = 2354 (mm2). PB/50: Suất tổn hao trong lõi thép mạch từ (=2,5 W/kG). kg : hệ số xét tới số lượng mối nối của mạch từ. Kg = 2á3. Chọn kg = 3; ị PFe = 3. 2,5 .2,2 = 16,5 (W). Dòng điện đặc trưng cho tổn thất năng lượng trong lõi thép : IFe = II.7.3.Dòng điện trong cuộn dây khi hút: Khi nắp đóng d rất nhỏ, dòng điện trong cuộn dây gồm thành phần từ hoá lõi thép Ith, dòng điện từ hoá khe hở không khí Id, dòng điện khắc phục tổn hao trong lõi thép và vòng ngắn mạch : Ih = Id + Ith + Iv + IFe Trong đó : Id = . Coi X >> R ị Id = X = w.L = w.W2.GS ị Id = GS : từ dẫn đầu tổng mạch từ khi nắp đóng : d = 0,5 (mm). GS = Gd + =1,476.10-6 + 85,64.10-9=1,56164.10-6 (H). Id = Theo phân tích từ hoá lõi thép : Ith.W = ồHi.li Trong đó : ồHi.li : tổng từ áp trên các phân đoạn mạch từ. Hi, li : Cường độ từ trường và độ dài các phân đoạn. ồHi.li = Htb.ltb Htb : giá trị trung bình của cường độ từ trường trong lõi thép. Tính theo giá trị hiệu dụng : Bmax = 0,85 (T). Tra trên đường cong từ hoá thép Э hình 5 – 6 trang 195 sách TKKCĐHA. Hm ằ 1,75 (A/cm) Htb = ==1,24 (A/cm). ltb = 2.B + 3.hl = 2.122 + 3.39 = 36,1(cm). ị Ith = (A) Giá trị biên độ của dòng điện khi hút : Ih = Ih = 0,303 (A). Mật độ dòng điện dây quấn khi phần ứng hút : Ih = Như vậy khi làm việc ở chế độ dài hạn mật độ dòng điện trong dây quấn J =3,65(A/mm2), đáp ứng được giới hạn cho phép [J] = 2 á 4 (A/mm2). II.7.4.Dòng điện trong dây quấn khi phần ứng nhả: Khi đó dmax = 12 (mm), dòng điện trong cuộn dây chủ yếu là từ hoá khe hở không khí, dòng điện từ hoá lõi thép và tổn hao nhỏ hơn rất nhiều. Do vậy dòng điện trong mỗi cuộn dây tính gần đúng bằng: Inh = Trong đó : Gồnh =Gdnh + = 0,097.10-6 + 85,64.10-9 = 1,83.10-7(H). w = 314 (rad/s). Uđm = 380 (V). ị Inh = =2,23(A). Hệ số bội dòng điện : KI = Thoả mãn yêu cầu KI = 4 á 15. Chương V : chọn buồng dập hồ quang I.Khái niệm chung: Trong các khí cụ điện ( cầu dao , relay , contactor , máy ngắt v.v... ) , khi đóng hoặc ngắt mạch điện , hồ quang sẽ phát sinh trên tiếp điểm. Nếu để hồ quang cháy lâu, các khí cụ điện và hệ thống điện sẽ bị hư hỏng, vì vậy cần phải nhanh chóng dập tắt hồ quang . Bản chất của hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện rất lớn ( 104 á 105 A/cm2 ) , có nhiệt độ rất cao ( 5000 á 60000C) và điện áp rơi trên cathode bé ( 10 á 20 V ). Hồ quang phát sinh là do môi trường giữa các cặp tiếp điểm bị ion hoá bao gồm các dạng : - Quá trình phát xạ nhiệt điện tử . - Quá trình tự phát xạ điện tử . - Quá trình ion hoá do va chạm . - Quá trình ion hoá do nhiệt . Song song với quá trình ion hoá là quá trình phản ion hoá ( tái hợp và khuếch tán ). Nếu quá trình phản ion hoá xảy ra mạnh hơn quá trình ion hóa thì hồ quang sẽ bị dập tắt. Vì vậy, nguyên tắc dập hồ quang là tăng cường quá trình phản ion hoá bằng các biện pháp : - Kéo dài hồ quang. - Hồ quang tự dinh ra năng lượng để dập tắt. - Dùng năng lượng ở nguồn ngoài 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 của hồ quang điện xoay chiều là cứ sau một nửa chu kỳ , dòng điện qua trị số i = 0. Tại thời điểm i = 0, quá trình phản ion hoá xảy ra mạnh hơn quá trình ion hoá, khi đó dễ dàng dập tắt hồ quang. III.Lựa chọn kết cấu buồng dập hồ quang: Đối với khí cụ điện hạ áp , các trang bị dập hồ quang thường là : - Kéo dài hồ quang điện bằng cơ 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 và tham khảo thực tế, đối với công tắc tơ xoay chiều chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập. Trong buồng dập hồ quang ở phía trên có đặt nhiều tấm sắt từ. Khi hồ quang cháy, do lực điện động, hồ quang bị đẩy vào giữa các tấm thép và bị chia ra làm nhiều đoạn ngắn. Lực điện động sẽ càng đẩy hồ quang đi sâu vào, đồng thời các tấm sắt từ còn có tác dụng tản nhiệt hồ quang làm hồ quang dễ bị dập tắt. Yêu cầu đối với buồng dập hồ quang: - Thời gian dập tắt hồ quang rất ngắn - Tốc độ mở tiếp điểm lớn - Năng lượng hồ quang lớn , điện trở hồ quang tăng nhanh - Tránh hiện tượng quá điện khi dập tắt. VI. Kết cấu buồng dập hồ quang: VI.1.Vật liệu: Vật liệu làm buồng dập hồ quang phải đảm bảo các tính chất : chịu nhiệt, cách điện, chống ẩm và có độ nhẵn bề mặt. Theo sách TKKCĐHA ta có thể chọn vật liều ép chịu hồ quang. Loại vật liệu này có tính chịu nhiệt, chịu hồ quang cao, cách điện tốt và đạt được độ nhẵn bóng bề mặt. Lỗ thoát khí Tấm sắt từ Tiếp điểm động Tiếp điểm tĩnh Giá tiếp điểm động VI.2.Kết cấu: Hộp dập hồ quang Lò xo tiếp điểm VI.3.Tính toán: Chọn số lượng các tấm cho một chỗ ngắt : n = 4 (tấm) Bề dày một tấm : b = 2 (mm) Khoảng cách giữa các tấm : d = 8 (mm) Chương VI : Tính Toán nhiệt và trọng lượng nam châm điện I.Tính toán nhiệt của nam châm điện: Độ tin cậy khi vận hành của khí cụ điện phụ thuộc nhiều vào việc giải quyết phát nóng của chúng. Vì vậy trong quá trình thiết kế, tính toán nhiệt là cần thiết . Trong quá trình làm việc của công tắc tơ nhiệt độ mà công tắc tơ phát ra chủ yếu là do có quá trình tổn hao đồng của cuộn dây, tổn hao lõi thép, tổn hao từ trễ, tổn hao do dòng xoáy, do hồ quang khi đóng ngắt tiếp điểm. Để tính toán nhiệt cho nam châm điện. Theo Niuton : P = KT . Sbm . t Với : P : tổng tổn hao của nam châm điện. KT : Hệ số toả nhiệt , (KT = 5 (W/m2 °C). Sbm : Diện tích toả nhiệt bề mặt cuộn dây. Tổng tổn hao của nam châm điện: P = Pcd + Pt + Px + Pnm Công suất tổn hao trên cuộn dây : Pcd = 2,17 (W). Công suất tổn hao trong vòng ngắn mạch : Pnm = 5,89 (W). Tổn hao do hiện tượng từ trễ và do dòng xoáy. Việc tính toán các tổn hao này là rất phức tạp nên một cách gần đúng theo phương pháp kinh nghiệm các tổn hao này sẽ được tính : Pt + Px = 0,7 . Pcd = 0,7 . 2,17 = 1,52 (W). ị P = 2,17 + 5,89 + 1,52 = 9,58 (W). Theo công thức Newton , độ tăng nhiệt trong cuộn dây bằng : t = Hệ số toả nhiệt KT = 5 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 +p.bcd.hcd) Stn = 30.2.167,4 + 2(2.36.30+ 2.32.30 + p.10.30) = 20088 (mm2). ị t = q - qmt = q = 40 + 21,6 = 61,6 OC < [ q]cp = 95 OC. II.Trọng lượng nam châm điện: Trọng lượng của công tắc tơ bao gồm khối lượng của mạch từ, khối lượng cuộn dây và các khối lượng khác như vỏ… Nhưng chủ yếu là khối lượng cuộn dây và khối lượng mạch từ quyết định. G = GFe + GCu + Gk Khối lượng mạch từ : GFe = gFe . lFe .SFe = 7,65 . 12,2 . 2354.10-2=2,2 (kG). Trong đó : gFe = 7,65 (G/cm3). lFe : Chiều dài lõi mạch từ = B = 122 (mm). SFe : Tiết diện lõi mạch từ = 2354 (mm2). Khối lượng đồng trong cuộn dây: GCu = gCu . lcd . q = 8,89 . 30215,7 . 0,083.10-2= 0,223 (kG). Trong đó : lcd = W.ltb = 1805 . 167,4 = 302157 (mm). q : Tiết diện dây = 0,083 (mm2). gCu = 8,89 (G/cm3). Các khối lượng khác: Gk : Khối lượng do kết cấu cụ thể của nam châm điện quyết định. Một cách gần đúng, ta có thể lấy : Gk = 1,5. (GCu+GFe) = 1,5.(2,2 + 0,223)=3,63 (kG). Vậy tổng trọng lượng của công tắc tơ : G = 2,2 + 0,223 + 3,63 = 6,053 (kG).