Thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3 pha

ồ 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 kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế và kinh nghiệm thực tế còn ít, nên trong quá trình thiết kế đồ án em khó tránh khỏi những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong có được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn sinh viên. Chương I Giới thiệu chung về Công tắc tơ I. Giới thiệu chung. Khí cụ điện là những thiết bị, cơ cấu điện dùng để điều khiển các quá trình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các dạng năng lượng khác. Theo lĩnh vực sử dụng, các khí cụ điện được chia thành 5 nhóm, trong mỗi nhóm có nhiều chủng loại khác nhau. Công tắc tơ là loại khí cụ điện dùng để thường xuyên đóng cắt từ xa các mạch điện động lực bằng tay hay tự động. Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối các mạch điện xoay chiều; nam châm điện của nó là nam châm điện xoay chiều. Nhưng cũng có loại công tắc tơ dùng để đóng cắt mạch điện xoay chiều nhưng nam châm điện lại là nam châm điện một chiều. II. Phân loại. 1.Theo nguyên tắc truyền động: ta có ba kiểu CTT, việc đóng cắt được thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. 2.Theo chế độ làm việc: Chế độ làm việc nhẹ: khi số lần thao tác tới 400 lần/h. Chế độ làm việc trung bình: khi số lần thao tác tới 600 lần/h. Chế độ làm việc nặng: khi số lần thao tác lớn hơn 1500 lần/h. III.Các thông số chủ yếu của công tắc tơ. 1.Điện áp định mức Uđ m: là điện áp định mức của mạch điện tương ứng mà mạch điện của CTT phải đóng cắt. Điện áp định mức có các cấp: 110V, 220V, 440V một chiều và 127V, 220V, 380V, 500V xoay chiều. 2.Dòng điện định mức Iđm: là dòng điện định mức đi qua tiếp điểm chính của CTT trong chế độ làm việc gián đoạn lâu dài, nghĩa là ở chế độ này thời gian tiếp điểm của CTT ở trạng thái đóng không quá 8h. Dòng điện định mức của CTT hạ áp thông dụng có các cấp: 10; 20; 25; 40; 60; 75; 100; 150; 250; 300; 600; 800A. Nếu CTT đặt trong tủ điện thì dòng điện định mức phải lấy thấp hơn 10% do điều kiện làm mát kém. ở chế độ làm việc lâu dài, nghĩa là khi tiếp điểm của CTT ở trạng thái đóng lâu hơn 8h thì dòng điện định mức của CTT lấy thấp hơn khoảng 20% do ở chế độ này lượng ôxit kim loại tiếp điểm tăng vì vậy làm tăng điện trở tiếp xúc và nhiệt độ tiếp điểm tăng quá giá trị cho phép. 3.Điện áp cuộn dây định mức Ucdđm: là điện áp định mức đặt vào cuộn dây. Khi tính toán, thiết kế CTT thường phải bảo đảm lúc điện áp bằng 85%Ucdđm thì phải đủ sức hút và lúc điện áp bằng 110%Ucdđm thì cuộn dây không được nóng quá trị số cho phép. 4.Số cực: là số cặp tiếp điểm chính của CTT. Công tắc tơ điện xoay chiều có 2; 3; 4 hoặc 5 cực. 5.Số cặp tiếp điểm phụ: thường trong CTT có các cặp tiếp điểm phụ thường đóng và thường mở có dòng điện định mức 5A hoặc 10A. 6.Khả năng đóng và khả năng cắt: là giá trị dòng điện cho phép đi qua tiếp điểm chính khi ngắt hoặc khi đóng. CTT dùng để khởi động động cơ điện xoay chiều 3 pha, rôto lồng sóc cần phải có khả năng đóng từ 4 á 7 lần Iđm. CTT điện xoay chiều đạt 10Iđm với phụ tải điện cảm. 7.Tuổi thọ của CTT: là số lần đóng cắt mà sau số lần đóng cắt ấy CTT sẽ hỏng không dùng được nữa. Sự hư hỏng của nó có thể do mất độ bền cơ hay độ bền điện. Tuổi thọ cơ khí là số lần đóng cắt không tải cho đến khi CTT hỏng. CTT hiện đại tuổi thọ cơ khí đạt 2.107 lần. Tuổi thọ điện là số lần đóng cắt tải định mức.Thường tuổi thọ về điện bằng 1/5 hay 1/10 tuổi thọ cơ khí. 8.Tần số thao tác: là số lần đóng cắt CTT cho phép trong 1h. Tần số thao tác của CTT bị hạn chế bởi sự phát nóng của tiếp chính do hồ quang và sự phát nóng của cuộn dây do dòng điện. Tần số thao tác thường có các cấp 30, 100, 120, 150; 300; 600; 1200; 1500 lầ/h. 9.Tính ổn định điện động: nghĩa là khi tiếp điểm chính của CTT cho phép một dòng điện lớn nhất đi qua mà lực điện động sinh ra không phá huỷ mạch vòng dẫn điện. Thường qui định dòng điện ổn định điện động bằng 10Iđm. 10.Tính ổn định nhiệt: nghĩa là khi có dòng điện ngắn mạch chạy qua trong thời gian cho phép, các tiếp điểm không bị nóng chảy và hàn dính. IV. Yêu cầu chung khi thiết kế. 1. Các yêu cầu về kỹ thuật: 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. Dẫn điện tốt. Độ bền cách điện của các chi tiết cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp lớn nhất để không xảy ra phóng điện, kéo dài trong điều kiện môi trường xung quanh ( như mưa, ẩm, bụi, tuyết...) 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 định mức và chế độ sự cố. Khả năng đóng cắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố. Kết cấu đơn giản, khối lượng và kích thước bé. 2. Các yêu cầu về vận hành: Chịu được ảnh hưởng của môi trường xung quanh : độ ẩm, độ cao... Có độ tin cậy cao. Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài. Đơn giản, dễ thao tác, dễ sửa chữa, thay thế. Chi phí vận hành ít, tiêu tốn năng lượng ít. 3. Các yêu cầu về kinh tế, xã hội: Giá thành hạ, có tính thẩm mỹ cao. Vốn đầu tư khi thiết kế, chế tạo, lắp ráp, vận hành ít. Tạo điều kiện dễ dàng, thuận tiện cho người vận hành về mặt tâm, sinh lý, cơ thể... An toàn trong lắp ráp vận hành. 4. Các yêu cầu về công nghệ chế tạo: Tính công nghệ của kết cấu : dùng các chi tiết, cụm quy chuẩn, tính lắp lẫn... Lưu ý đến khả năng chế tạo : mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất, khả năng của thiết bị. Khả năng phát triển chế tạo, lắp ghép vào các tổ hợp khác, chế tạo dãy... V. Cấu tạo chung của công tắc tơ: 1.Cấu tạo: Công tắc tơ gồm các bộ phận chính sau: Hệ thống mạch vòng dẫn điện, bao gồm: thanh dẫn ( thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh ), dây nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm ( gồm có tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp điểm ), cuộn dây dòng điện ( nếu có, kể cả cuộn dây thổi từ dập hồ quang ). Hệ thống dập hồ quang. Nam châm điện xoay chiều. Hệ thống lò xo : lò xo nhả , lò xo tiếp điểm, lò xo giảm chấn rung... Vỏ và các chi tiết cách điện. 2. Nguyên lý hoạt động: Khi đặt điện áp vào cuộn dây của nam châm điện, luồng từ thông sẽ được sinh ra trong nam châm điện. Luồng từ thông này sẽ sinh ra một lực điện từ, hút phần ứng của nó. Khi lực điện từ lớn hơn lực cơ thì nắp mạch từ được hút về phía mạch từ tĩnh, làm cho tiếp điểm động gắn trên phần ứng đóng hoặc cắt với tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm tĩnh được gắn trên thanh dẫn, đầu kia của thanh dẫn 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 đối với tiếp điểm phụ thường mở và mở ra đối với tiếp điểm phụ thường đóng, lò xo nhả bị nén lại. Khi ngắt điện vào cuộn dây, luồng 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 thì hồ quang sẽ xuất hiện giữa hai tiếp điểm.Khi đó hệ thống dập hồ quang sẽ nhanh chóng dập tắt hồ quang, nhờ vậy tiếp điểm ít bị mòn hơn. chương II chọn phương án kết cấu I.Yêu cầu thiết kế. Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ. Tiếp điểm chính : Iđm = 65A; Uđm = 400V Số lượng : 3 tiếp điểm thường mở. Tiếp điểm phụ : Iđm =5A ; Uđm = 400V Số lượng . : 2 thường đóng, 2 thường mở. Nam châm điện : Uđm = 220V; f = 50Hz Tuổi thọ : Điện: 106 lần đóng cắt. Làm việc liên tục : cách điện cấp C. II.Lựa chọn phương án kết cấu. 1.Lựa chọn kết cấu: Công tắc tơ xoay chiều kiểu điện từ dùng nam châm điện có mạch từ hình chữ E hay chữ P có nắp quay quanh trục hay chuyển động tịnh tiến theo kiểu hút ống. Ta không dùng kiểu quay trên một cạnh vì nắp NCĐ xoay chiều to, nặng và kẽ hở không khí chính lớn. Mạch từ hình chữ E kiểu quay cho đặc tính hút tốt hơn kiểu hút thẳng nhưng kiểu hút thẳng có thể tận dụng được trọng lượng của nắp khi ngắt. Mặt khác loại này có đặc tính lực hút tương đối lớn và có dạng gần trùng với đặc tính cơ nên giảm rung tốt, hành trình chuyển động tương đối nhanh, thời gian chuyển động ngắn. Từ thông rò của nó sinh ra lực phụ làm tăng lực hút. Kết cấu mạch loại này đơn giản. Tuy nhiên NCĐ xoay chiều kiểu chữ E, hút thẳng có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây có nhược điểm là bội số dòng điện lớn ( 10 á 15 ) so với các mạch từ khác do kẽ hở không khí lớn hơn. Từ những ưu điểm vượt trội đó ta chọn kết cấu NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây. 2.Lựa chọn sơ bộ hệ thống tiếp điểm: Theo yêu cầu thiết kế tiếp điểm chính có: Iđm = 180 A, Uđm = 400 V, ta chọn tiếp điểm kiểu cầu, hai chỗ ngắt. Nó phù hợp NCĐ hút thẳng. Loại tiếp điểm này có ưu điểm là khả năng ngắt lớn, không cần dây nối mềm, dễ dàng cho việc dập hồ quang. 3.Lựa chọn sơ bộ hệ thống dập hồ quang: Ta chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập đặt tiếp điểm bắc cầu, hai chỗ ngắt. Kiểu này có ưu điểm: khi hồ quang xuất hiện thì dưới tác động của lực điện động ( bao gồm lực điện động do kết cấu mạch vòng dẫn điện lực do các tấm dập bằng vật liệu dẫn từ bị nhiễm từ tác dụng lên dòng điện hồ quang ), hồ quang di chuyển vào buồng ngăn và bị chia thành nhiều đoạn ngắn, nhiệt độ hồ quang cũng giảm xuống do tiếp xúc với các tấm dập. Kết quả hồ quang nhanh chóng được dập tắt. III.Thành lập sơ đồ động. Sơ đồ động được minh hoạ như hình vẽ ( trang 8 ). Trong đó : 1 - Giá phần động. 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 ) nam châm điện. m - độ mở tiếp điểm. l - độ lún tiếp điểm. Flxtđ - lực ép lò xo tiếp điểm. Flxnh - lực ép lò xo nhả. Fđ t - lực hút điện từ. G - trọng lực phần động. Chương III Mạch vòng dẫn điện A.Khái niệm chung. Mạch vòng dẫn điện 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. Mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính như sau: Thanh dẫn : gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Dây dẫn mềm.. Đầu nối : gồm vít và mối hàn. Hệ thống tiếp điểm : gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp điểm. Cuộn dây dòng điện ( nếu có, kể cả cuộn thổi từ dập hồ quang ). B.Yêu cầu đối với mạch vòng dẫn điện. Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt, tổn hao đồng nhỏ. Bền với môi trường. Có độ cứng, vững tốt. Làm việc ở chế độ sự cố trong thời gian cho phép. Có kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, chế tạo, lắp ráp, thay thế. C.mạch vòng dẫn điện chính. I.Thanh dẫn. 1.Yêu cầu đối với thanh dẫn: Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt. Dẫn nhiệt tốt, chịu được nhiệt độ cao. Có độ bền cơ khí cao, chịu mài mòn tốt. Chịu được ăn mòn hoá học tốt, ít bị ôxi hoá. Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ. 2.Chọn vật liệu: Từ những yêu cầu trên đối với thanh dẫn, tra bảng 2-22 ( trang 81- Những hằng số vật lí của vật dẫn thông dụng trong khí cụ điện ) và so sánh các ưu nhược điểm, ta chọn vật liệu làm thanh dẫn là đồng kéo nguội. Các thông số kỹ thuật của đồng kéo nguội: Ký hiệu ML-TB Tỷ trọng (g) 8,9 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (qnc) 10830C Điện trở suất ở 200C (r20) 1,58.10-8 Wm Độ dẫn nhiệt (l) 3,9 W/cm 0C Độ cứng Briven (HB) 80 á 120 kG/cm2 Hệ số nhiệt điện trở (a) 0,0043 1/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([qcp]) 950 C Độ dẫn nhiệt 3,9 W/cmoC 3.Chọn dạng thanh dẫn: Chọn dạng thanh dẫn có tiết diện chữ nhật, chiều rộng a, chiều dày b: b b a l a Ii.Tính toán thanh dẫn ở chế độ dài hạn. 1.Thanh dẫn tĩnh. a.Kích thứoc thanh dẫn Kích thước thực : a=10(m.m). b=2(m.m) . b.Tính tôđ: Từ công thức niutơn: R=K TST (qôđ - qo)= KTSTtôđ trong đó: KT :Hệ số tản nhiệt. ST :Tiết diện tản nhiệt của thanh dẫn.ST=2(a+b)l. R :Công suất tản nhiệt của thanh dẫn. qôđ :Nhiệt độ làm việc ổn định của thanh dẫn. qo :Nhiệt độ của môi trường. ta có: IđmRq Kf = K TST (qôđ - qo). trong đó: Rq :Điện trở của thanh dẫn ở nhệt độ ổn dịnh.[W]. rq :điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định[W.m]. S :tiết diện của thanh dẫn.S=ab[m2]. l :chiều dài của thanh dẫn[m]. Ta có: chọn: Kf=1,03;KT=8[W/oCm2];a=10[m.m];b=2[m.m] ;Iđm=65[A]. Thay số ta có: Û Thay : rq= r(20oC)[1+a(qôđ-20)]. tôđ = qôđ - qmt . Ta có: Chọn qmt=40oCị: qôđ = 63,43oC ằ64oC. Vậy giá trị: tôđ = qôđ-qmt=64 - 40=24oC. c.Kiểm nghiệm mật độ dòng điện dài hạn: Mật độ dòng điện chạy qua thanh dẫn ở chế độ dài hạn là: < [j] =2 á 4 A/mm2 đ thoả mãn yêu cầu. d. Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch: Độ bền nhiệt của khí cụ điện là tính chất chịu đựng được sự tác dụng nhiệt của dòng điện ngắn mạch trong thời gian ngắn mạch. Nó được đặc trưng bằng dòng điện bền nhiệt, là dòng điện dòng điện mà ở giá trị đó thanh dẫn chưa bị biến dạng. Mật độ dòng điện chạy qua thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch là: jnm = ( trang 314- TKKCĐHA ) Trong đó : tnm = tbn : thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt. Anm = Abn : hằng số tích phân ứng với ngắn mạch hay bền nhiệt. Ađ : hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu. Tra đồ thị hình 6-6, trang 315- TKKCĐH, ta có : ứng với nhiệt độ ban đầu qđ = 640C có Ađ =1,15 .104 A2s/mm4, ứng với nhiệt độ bền nhiệt của đồng qbn = 2500C có Abn =3,5 .104 A2s/mm4 tnm jnm (A/mm2) [jnm]cp (A/mm2) 3s 88.51 94 10s 48,48 51 Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép, nên thanh dẫn có thể chịu được ngắn mạch. Kết quả kiểm nghiệm cho thấy thanh dẫn với tiết diện 10x2 mm2 thoả mãn hoàn toàn các điều kiện về nhiệt và điện ở các chế độ làm việc khác nhau như trên. 2. Tính toán tiếp điểm thanh dẫn tĩnh. a.Nội dung tính toán. Tiếp điểm cần tính là tiếp điểm kiểu cầu, 1pha 2 chỗ ngắt.Nội dung tính toán bao gồm: - Xác định độ mở tiếp điểm [ m ]. - Xác định độ lún tiếp điểm [ l ]. - Chọn vật liệu tiếp điểm. - Tính lực ép tiếp điểm. - Tính điện trở tiếp xúc. - Tính nhiệt độ tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc. - Xác định dòng điện hàn dính. - Tính biên độ và thời gian rung. - Ăn mòn tiếp điểm. b. Tính toán chi tiết. Chọn vật liệu làm tiếp điểm: - Yêu cầu của vật liệu làm tiếp điểm : + Điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé. + Tính dẫn nhiệt và nhiệt độ nóng chảy cao. + ít bị ôxi hoá. + Khó hàn dính. + Độ cứng cao, ít bị ăn mòn cơ. + Đặc tính công nghệ tốt. + Giá thành hạ. - Với yêu cầu thiết kế, ta chọn vật liệu là kim loại gốm ( Bạc- Niken- Than chì) có các thông số: + Ký hiệu : KM K- A32. + Tỷ trọng : 8,7 ( g/ cm3). + Nhiệt độ nóng chảy: 3400 0C. + Điện trở suất ở 20 0C : 3,5x10-5 ( W.mm ). + Độ dẫn nhiệt : 3,25 (W/ cm.0C). + Tỷ trọng nhiệt : 0,234 (W.s/ cm.0C). + Độ cứng Briven : 45 á 65 ( kg.mm2 ). + Hệ số nhiệt điện trở : 3,5x10 Độ mở tiếp điểm: - Độ mở tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí ngắt của công tắc tơ. - Độ mở tiếp điểm lớn thì hồ quang bị kéo dài và dễ bị dập tắt nhưng lại làm tăng hành trình của cơ cấu. Vì vậy cần phải chọn độ mở của tiếp điểm một cách hợp lý. - Số liệu thực tế đo được : m = 4 [ mm ]. Độ lún tiếp điểm: - Độ lún của tiếp điểm là quãng đường mà tiếp điẻm động đi thêm được nếu không bị tiếp điểm tĩnh cản lại. Độ lún cần phải có để có lực ép tiếp điểm và duy trì khảe năng làm việc của thiết bị khi tiếp điểm bị ăn mòn. - Độ lún thực tế đo được : l = 2,5 [ mm ] Kích thước tiếp điểm: Tiép điểm có dạng hình trụ tròn có thông số thực tế như sau: - Đường kính tiếp điểm : d = 8 [ mm ]. - Chiều cao tiếp điểm : h = 2 [ mm ]. Tính lực ép tiếp điểm: Có hai phương pháp để xác định lực ép tiếp điểm là lý thuyết và thực nghiệm: - Theo thực nghiệm, ta có công thức Ftđ = ftđ .Iđm. - Tra bảng 2-17 TLLK ta chọn được: ftđ = 7 ( g/ A ). Ftđ = 7.65 = 455[g] ằ4,6 ( N ). - Theo lý thuyết : + Dựa vào việc khảo sát nhiêt trường và điện trường của thanh dẫn đặc, dài vô hạn, có nguồn nhiệt ở đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác, ta có công thức sau: Trong đó: A: Hằng số Even; A = 2,3.10-8. HB: Độ cứng Briven; chọn HB = 50 ( kg/ mm2 ). l: Hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn. Tra bảng (2-13- TLTKKCHA) với vật liệu là đồng kéo nguội ta có l = 3,8 (W/ cm.0C). Ttđ : Nhiệt độ tuyệt đối của thanh dẫn ở chỗ xa nơi tiếp xúc. Chọn Ttđ là nhiệt độ cho phép Ttđ = 273+ 64 = 337 ( 0K ). Ttx : Nhiệt độ chỗ tiếp xúc, thường lấy Ttx = Ttđ + ( 5 á 10 0) K. Vậy ta chọn Ttx = 347 ( 0K ). thay số ta có : . *So sánh lý thuyết và thực nghiệm ta thấy Ftđ thực nghiệm lớn hơn rất nhiều, Vậy ta chọn Ftđ = 4,6 ( N ) . Tính điện trở tiếp xúc: Ta có công thức: Trong đó : m = 0,5: Tiếp xúc giữa các tiếp điểm là tiếp xúc điểm. Ktx: Hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và tạng thái bề mặt của tiếp điểm.Tra bảng trang 59 ( TL1) : Với vật liệu kim loại gốm thì có: Ktx = (0,2á 0,3).10-3. Chọn Ktx = 0,25-3. Thay số ta có: Hiệu điện thế tại nơi tiếp xúc: Utx = Rtx.Iđm = 0,4.10-3.65 = 26 ( mV). *Yêu cầu đối với công tắc tơ Ê 1000V là điện áp tiếp xúc rơi trên tiếp điểm là (2á 30 ) (mV).Vậy giá trị Rtx = ở trên phù hợp với yêu cầu thực tế. Tính nhiệt độ tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc: Tổn hao nhiệt trên tiếp điểm chia làm hai phần gồm: toả ra môi trường và làm nóng tiếp điểm. Nhiệt độ tại chỗ tiếp xúc của tiếp điểm được tính theo công thức: Trong đó: q0 : Nhiệt độ môi trường xung quanh (q0 = 40 0C ). Iđm : Dòng điện định mức ( Iđm = 65 A ). Rtx : Điện trở tiếp xúc (Rtx = 0,4.10-3 ). r : Điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm. Tra bảng (2-13- TLTKKC) có r = 3,5.10-9 W.m. S : Tiết diện tiếp điểm : R : Điện trở tiếp điểm: Kt : Hệ số toả nhiệt bề mặt của thanh dẫn. Kt = 8 (W/ m2 ). l : Hệ số dẫn nhiệt. l = 3,25 (W/ m ). P : Chu vi tiếp điểm: P = P.d = 3,14.8.10-3 = 25,12.10-3 ( m ). Thay số ta có : Xác định dòng điện hàn dính: Theo lý thuyết, ta có thể xác định dòng điện hàn dính theo 1 trong 2 công thức sau: Để đơn giản ta sử dụng công thức 2: Trong đó: fnc là hệ số nóng chảy, fnc = 2 á 4 và càng lớn nếu vật liệu càng mềm. Ta chọn fnc = 4. A: Hằng số ứng với tưng loại vật liệu (A/ N0,5): Trong đó: r0 : Điện trở suất của vật liệu tiếp điểm ở 00C. a : Hệ số nhiệt điện trở. a = 3,5.10-3[1/oC]. l : Hệ số dẫn nhiệt.l = 3,25 (W/cm) = 325 (W/m). HB : Độ cứng Brunmen ở 0 0C,HB = 50 kg/ mm2. qnc : Nhiệt độ nóng chảy của tiếp điểm.qnc = 3400 0C. Thay số ta có: Vậy: Theo thực nghiệm : -Theo công thức Butloêvit, có thể tính được một cách sơ bộ dòng điện hàn dính ban đầu của tiếp điểm theo lực ép tiếp điểm: tra bảng 2-19 TLTKKC ta được:Khd = 1000 (A/ kg). Thay số ta có: * So sánh dòng điện hàn dính tiếp điểm theo lý thuyết và thực nghiệm ta thấy dòng diện hàn dính tiếp điểm theo lý thuyết lớn hơn thực nghiệm. Vậy ta chọn Ihdtd = 678 (A). * So sánh với Inm: với Inm = 10.Idm = 10.65 =650 ( A ), ta thấy Inm < Ihdtd , vậy tiếp điểm không bị hàn dính nagy cả khi bị ngắn mạch. Tính biên độ và thời gian rung: - Khi đóng tiếp điểm, thời điểm bắt đầu tiếp xúc có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây nên hiện tượng rung tiếp điểm. Tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại tiếp tục va đập. Quá trình tiếp xúc rồi lại tách rời giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra một thời gian một thời gian thì kết thúc, chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định. - Đồ thị biểu diễn quá trình rung: Theo công thức trang 72_ TLTKKCHA,coong thuws tinys xm ,tm với tiếp điểm cầu là: Trong đó : -md: Khối lượng phàn động. Tính md : Md=. Trong đó: -Gd=Idm.mc.Chọn mc=9.4 ịGd=9.4.65=611 [g.m/s2] ịmd=611/10=6.11 [g]. -vd:vận tốc tiếp điểm khi va chạm,chọn vd=0.1[m/s]. -Kv:Hệ số va chạm(phụ thuộc vào vật lieeuj tiếp diểm).Tra bản 72 với vật liệu bạc và hợp kim có Kv=0.9. -Ftđđ:Lực ép tiếp điểm đầu.Theo kinh nghiệm Ftđđ=0.5.Ftđc=0.5.4.6=2.3. Thay số ta có: Xm và tm ở trên đuợc tính ứng với khối lượng phần động của một tiếp điểm.Vì công tắc tơ có ba tiếp điểmị: * Theo công thức (4-27_TLTKKCHA) tổng thời gian rung là:tồ=(1.5-1.8)2.tm.Chọn tồ=1.8.2.tm=1.8.2.0.57=2.1 [s].Vì tồ >0.3s là thời gian rung dể có thể bỏ qua độ rung của công tắc tơ,vậy dộ rung la dáng kể,ta phải dùng lò so hoãn xung dể giảm độ rung này. ăn mòn tiếp điểm. - Yêu câu đối với tiếp điểm sau số lần đóng cắt n nhất định là: Vmòn/Vtđ Ê70%. - Theo công thức của Kuđơnhẽpôp(TLTKKCHA-trang79) khối lượng bị ăn mòn của tiếp điểm bị ăn mòn sau một lần đóng cắt là: Trongđó : -Kkđ:Hệ số mòn không đồng đều.Theo TLTKKCHA-tr79 với dòng xoay chiều Kkđ =1.1-2.5,chọn Kkđ =1.3. -Kđ,Kng:Hệ số mòn khi đóng cắt.Tra bảng (2-21-TLTKKCHA) với vật liệu bạc dòng 65 (A) môi trường không khí ta có: Kđ=Kng=0.001(g/A2). -Iđ:Dòng điện đóng,chọ Id=10.Iđm=650 (A). -Ing:Dòng điện ngắt,chọn Ing=Iđm=65 (A). Thay số ta có: Tổng khối lượng kim loại bị ăn mòn sau 106 lkần đóng cắt là: Gm=555.10-9.106=0.555(g). Thể tích ăn mòn sau 106 lần đóng cắt là: Thay số ta có : * Vậy dộ mòn tiếp điểm nằm trong vùng cho phép sau 106 lần đóng cắt. 3.Thanh dẫn động. Hình dạng,kết cấu ,vật liệu chế tạo thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh hoàn toàn gióng nhau.Việc tính toán,kiểm nghiệm thanh dẫn động giống với việc tính toán kiểm nghiệm thanh dãn tĩnh. Do không phải chịu va đập cơ khí và không phải nối với đầu nối dây nối ra bên ngoài như thanh dẫn tĩnh nên thanh dẫn động có kích thước nhỏ hơn thanh dẫn tĩnh. Kích thước của thanh dẫn động : -Chièu rộng và chiều cao thanh dẫn:a=7[mm],b=2[mm]. - Chiều cao và đường kính tiếp điểm :h=2[mm],d=7[mm]. III.Tính toán đầu nối thanh dẫn tĩnh. 1.Chọn kết cấu đầu nối. Các thanh dẫn tĩnh được nối với dây nối mềm bằng các vít đầu nối.Để đảm bảo cho việc thay thế sửa chũa ta chọn đàu nối là mối nối có thể tháo rời.Số lượng mối nối ở mỗi pha là hai,hình dạng thanh dẫn nối là hình chữ nhật. Cấu tạo đầu nối : - Vít ghép nối: dùng để ghép nối giữa thanh dẫn tĩnh và dây nối - Đệm lò xo vênh, phẳng: có tác dụng tạo lực ép giữ chăt thanh dẫn tĩnh và dây nối 2.Tính toán đầu nối. Tra bảng (2-9-TLTKKCHA) với dòng Iđm=65A ta chọn được bu lông thép có đường kính ren là 8mm,trụ và lõi bằng thép có đường kính ren là 5mm.Vì ở mỗi pha có hai chỗ ngắt nên ở ba pha ta phải chọn 6 bộ bu lông như trên. a.Diện tích tiếp xúc: Trong đó: - Iđm : Dòng điện định mức. - j : Mật độ dòng điệncho phép,chọn j=0,31[A/mm2]. Thay số ta có: b.Lực ép tiếp xúc : Trong đó :-(Tra bảng 2-10 TLTKKCHA) Thay số có: c.Điện trở tiếp xúc của đầu nối: Trong đó :-m=1 vì dâ là tiếp xúc mặt. -Ktx:Hằng số,tra bảng 59 với vật liệu là đòng kéo nguội. Ktx=[0,09-0,14.10-3].Chọn Ktx=0,14.10-3. Thay số có: d.Điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc: *Yêu cầu của điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc là:2-30 (mmV).Vậy bulông đã chọn có thể đáp ứng đươc yêu cầu thiết kế. Chương IV buồng dập hồ quang I. Khái niệm về hồ quang điện. 1.Quá trình phóng điện trong chất khí: ở điều kiện bình thường, chất khí là môi trường cách điện tốt. Nếu đặt lên hai điện cực trong môi trường không khí một điện trường có cường độ đủ lớn thì phá vỡ tính cách điện của chất khí: nó trở nên dẫn điện tốt, phụ thuộc vào tính chất của chất khí, áp suất của nó, nhiệt độ môi trường, vật liệu làm điện cực, độ lớn cường độ điện trường. Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn ( 102 á 103 A/mm2 ), điện áp rơi trên catôt bé ( 10 á 12 V ), nhiệt độ hồ quang cao ( 6000 á 18000oK ) và kèm theo hiệu ứng ánh sáng. Hồ quang điện là quá trình điện và nhiệt liên quan mật thiết với nhau. Vùng catôt khoảng cách ngắn ( cỡ 10-3 mm ) với Uc cỡ 10 á 20 V, nên cường độ điện trường ở vùng này khá lớn 20.103 V/mm. Vùng anôt có điện áp rơi thấp, cỡ 5 á 20 V và chiều dài cỡ 10-2 mm, vì vậy EA thấp hơn nhiều so với EC . Vùng thân hồ quang có cường độ điện trường Ehq gần như không đổi, cỡ từ 1 á 20 V/mm, phụ thuộc vào tính dẫn nhiệt, tốc độ chuyển động của các phần tử khí, vận tốc di chuyển của hồ quang. Điện áp rơi trên thân hồ quang phụ thuộc vào chiều dài của hồ quang: Uhq = Ehq.lhq. Nguyên nhân phát sinh và dập tắt hồ quang là quá trình ion hoá và quá trình phản ion hoá trong vùng hồ quang. Quá trình ion hoá xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng, nhiệt độ, điện trường, va đập ... và có các dạng ion hoá sau: - 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 . Quá trình phản ion hoá là quá trình suy giảm số lượng ion trong vùng hồ quang. Nguyên nhân chính của quá trình phản iôn là tái hợp và khuyếch tán. 2.Hồ quang điện xoay chiều: ở hồ quang điện xoay chiều, dòng điện và điện áp nguồn biến thiên tuần hoàn theo tần số của lưới điện. Vì hồ quang là điện trở phi tuyến nên dòng điện và điện áp trùng pha nhau. Trong 1/4 chu kì đầu, điện áp hồ quang tăng nhanh đến trị số cháy. Khi hồ quang cháy, điện áp giảm dần. Dòng điện tăng từ 0 đến điểm cháy, dòng điện đạt trị số cực đại và điện áp hồ quang hầu như không đổi. ở 1/4 chu kì sau dòng điện giảm dần, đến thời điểm tắt, điện áp hồ quang tăng, sau đó suy giảm về 0 cùng với dòng điện. Nếu hồ quang ổn định thì quá trình này sẽ được lặp lại ở nửa chu kì sau. Tại thời điểm dòng điện đi qua 0, hồ quang không được cấp năng lượng nên quá trình ion hoá xảy ra trong vùng điện cực rất mạnh và nếu điện áp đặt lên hai điện cực bé hơn trị số điện áp cháy thì hồ quang sẽ bị tắt. Khi dòng điện gần trị số 0, nó không còn theo quy luật hình sin liên tục nữa, vì lúc này quá trình phản ion hoá rất mạnh nên điện trở hồ quang rất lớn, có thể coi dòng điện bằng 0. Khoảng thời gian này cỡ micrô giây, phụ thuộc vào đặc tính tải, dòng điện hồ quang ...và gọi là thời gian không dòng điện của hồ quang. Khi dòng điện đi qua điểm 0 , ở khu vực hồ quang đồng thời xảy ra hai quá trình: quá trình phục hồi độ bền điện và quá trình phục hồi điện áp. Quá trình phục hồi độ bền điện đặc trưng bằng quá trình phản ion mãnh liệt khi dòng điện đi qua 0 và nó làm cho hồ quang mất dần tính dẫn điện, tăng tính cách điện. Đại lượng đặc trưng cho mức độ cách điện giữa hai điện cực là điện áp chọc thủng. Với I = 0, ta có Ucto và nó có trị số từ 150 á 250V ở môi trường không khí, hồ quang cháy tự nhiên. Quá trình phục hồi điện áp là quá trình thành lập điện áp trên hai cực kể từ khi hồ quang tắt cho tới khi điện áp đạt trị số điện áp nguồn. Sau thời điểm dòng điện bằng 0, nếu trị số của điện áp phục hồi thấp hơn trị số của điện áp chọc thủng thì hồ quang tắt hẳn. Vậy điều kiện để dập tắt hồ quang điện xoay chiều là đặc tuyến của quá trình phục hồi độ bền điện phải nằm cao hơn và không cắt đặc tuyến của quá trình phục hồi điện áp giữa hai tiếp điểm. II.Yêu cầu đối với buồng dập hồ quang. - Thời gian dập tắt hồ quang rất ngắn, giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang. - Đảm bảo được khả năng đóng, ngắt, tức là đảm bảo giá trị dòng điện đóng và ngắt ở điều kiện cho trước. - Quá điện áp thấp. - Kích thước hệ thống dập hồ quang nhỏ, vùng khí ion hoá nhỏ. Nếu không nó có thể tạo ra chọc thủng cách điện giữa các phần tử của thiết bị . . và toàn bộ khí cụ. - Hạn chế ánh sáng và âm thanh. III.Chọn vật liệu làm buồng dập hồ quang. Yêu cầu: - Vật liệu làm buồng dập hồ quang phải chịu được nhiệt độ cao, cách điện tốt và chống ẩm. Độ nhám bề mặt bên trong thành buồng dập phải giảm đến mức thấp nhất có thể để hồ quang chuyển động với vận tốc lớn vào khe hẹp, kéo dài thân hồ quang, làm cho hồ quang tiếp xúc đồng đều với thành buồng dập để nhanh chóng làm lạnh hồ quang. Những dạng vật liệu cơ bản để chế tạo thành buồng dập hồ quang: 1.Vật liệu xi măng-amiăng: Ưu điểm: nhiệt độ nóng chảy cao: 1150oC, tính cách điện khá cao: r = 1010 á 1012 Wcm, độ nhẵn bề mặt lớn. Nhược điểm: trong trạng thái âm, tính cách điện của vật liệu bị giảm; dưới tác dụng nhiệt của hồ quang những khe hở nhỏ tạo thành vết làm tăng độ nhám. 2.Vật liệu ép chịu hồ quang: Chúng có ưu điểm : có tính chịu nhiệt, chịu hồ quang cao, cách điện tốt, đạt được độ nhẵn bóng bề mặt . 3.Gốm ( Silicat ): - Ưu điểm: chịu nhiệt cao ( lớn hơn 1750oC ), điện trở suất cao, rất bền cơ học. - Nhược điểm : bề mặt không được nhẵn, gia công phức tạp . Từ những phân tích trên đây ta chọn vật liệu làm buồng dập hồ quang là: vật liệu ép chịu hồ quang. IV.Kết cấu buồng dập hồ quang. Chọn kiểu buồng dập hồ quang là kiểu dàn dập. Dàn dập làm bằng những lá thép. Kiểu buồng dập hồ quang này phù hợp với dòng điện ngắt Iđm = 65A, điện áp U = 380V. Buồng dập hồ quang kiểu dàn dập có ưu điểm 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. Lỗ thoát khí Tấm sắt từ Tiếp điểm động Tiếp điểm tĩnh Lò xo tiếp điểm Hộp dập hồ quang Giá tiếp điểm động V.Tính toán và lựa chọn. Chọn lựa sơ bộ: Chọn số lượng các tấm cho một chỗ ngắt: ntk = 3 Bề dày một tấm: Dt = 3 mm Khoảng cách giữa các tấm: dt = 2 mm Giả thiết là ta chọn số lượng các tấm ở đặc tính không dao động của điện áp phục hồi. Điều kiện xảy ra quá trình không dao động là: fo > . Trong đó: fo - tần số riêng của mạch ngắt. L - điện cảm mạch ngắt. Ing - dòng điện ngắt định mức. Giả sử hệ thống dùng để đóng ngắt động cơ có Pđm = 20kW, điện áp định mức của hệ thống là Uđm = 380V và hệ thống không khí. Khi đó có: fo = .( A + B. ). Hệ thống không khí có : A = 15000; B = 3000 fo = .( 15000 + 3000. ). = 43372Hz = 43,4 kHz f1 = = = (Hz) Điện cảm của mạch ngắt được xác định theo công thức: L = Trong đó : Uđm - điện áp định mức của hệ thống: 380V. Ing - dòng điện ngắt định mức: 65A. - tần số góc của hệ thống. jo - góc lệch pha ban đầu của dòng điện và điện áp. Chọn cosjo = 0,8 ( tải điện cảm thường gặp ) L = = 11.10-3 Hz Vậy: f1 = = = 13,6 kHz Có : fo = 43,4 kHz > f1 = 13,6 kHz Kết luận: ta chọn số tấm ntk = 3 là chấp nhận được. Có thể lấy thêm một tấm để dự tr._.