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

. …….41 Lời nói đầu Cùng với sự phát triển của các nghành công nghiệp khác, điện năng đang ngày càng được sử dụng và có nhiều ứng dụng thực tế trong công cuộc phát triển đất nước ta hiện nay. Những kết quả mà ngành điện mang lại cho chúng ta là không thể phủ nhận. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện năng thì không thể tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra như hiện tượng quá dòng điện, quá điện áp, hiện tượng ngắn mạch…Vì vậy vấn đề đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện và đặc biệt là đảm bảo sự an toàn về tính mạng cho những người sử dụng điện là vấn đề rất cần thiết. Công tắc tơ xoay chiều là một trong những công cụ để đảm bảo điều kiện trên. Chính vì vậy mà nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là vấn đề đặc biệt quan trong nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể xảy ra trong quá trình sử dụng điện năng của con người. Được sự hướng dẫn của các thầy cô trong bộ môn thiết bị điện- điện tử trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn Đức em đã hoàn thành xong đồ án môn học “Thiết kế khí cụ điện hạ áp- công tắc tơ xoay chiều ba pha”. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian hạn chế, hiểu biết kiến thức và kinh nghiệm thực tế còn ít nên trong quá trình thiết kế đồ án em vẫn còn mắc phải những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô và các bạn sinh viên để giúp em hoàn thiện hơn phần kiến thức của mình. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn và đặc biệt là thầy giáo Nguyễn Văn Đức đã giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. 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 = 150 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 = 220 V ; f = 50 Hz. -Tần số thao tác : 300 lần đóng cắt / giờ. -Tuổi thọ : cơ : 100.000 ; điện : 1.000.000 lần đóng cắt. -Làm việc liên tục : cách điện cấp B. Trong đó : Uđm : điện áp định mức mà cuộn dây hút vẫn có thể làm việc. Iđm : dòng điện định mức đi qua tiếp điểm chính và phụ trong chế độ làm việc gián đoạn và lâu dài, nghĩa là ở chế độ này, thời gian công tắc tơ ở trạng thái đóng không lâu quá 8 giờ. Công tắc tơ thiết kế 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: Để có một kết cấu hợp lí và phù hợp điều kiện công nghệ cho công tắc tơ thiết kế phải tiến hành khảo sát công tắc tơ của một số nước đang sử dụng trên thế giới. Sau khi tham khảo hiện có ở thị trường Việt Nam: Việt Nam, Liên Xô(cũ), Trung Quốc, Nhật…ta nhận thấy về cơ bản chúng đều giống nhau: - Kiểu hút thẳng, dạng hình chữ Ш, cuộn dây đặt ở cuộn từ giữa, vòng dây chống rung đặt ở hai cực từ bên. Tiếp điểm dạng bắc cầu, một pha hai chỗ ngắt. - Buồng dập hồ quang kiểu dàn dập và tại mỗi chỗ có buồng dập hồ quang riêng. - Hệ thống phản lực: Dùng lò xo nhả, đẩy phần động. - Tháo lắp và sửa chữa đơn giản. Vì vậy ta chọn kiểu kết cấu của Liên Xô( cũ): đơn giản, dễ thiết kế và chế tạo. I.2.1.Lựa chọn nam châm điện : 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 ưu điểm là lực hút điện từ lớn,nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phương chuyển động trùng với phương tác dụng của các lực nên tận dụng được tỷ trọng lớn của nắp. Đồng thời hành trình chuyển động tương đối nhanh, thời gian chuyển động ngắn, khe hở không khí giữa nắp và lõi giữa các tiếp điểm nhỏ. Từ thông rò không sinh ra lực phụ. Dùng làm việc trong chế độ nhẹ, đặc biệt trong trường hợp lò xo nhỏ, không đủ khắc phục các loại lực cản. Loại kết cấu này có đặc tính lực hút gần với đặc tính phản lực, dễ dàng sử dụng tiếp điểm một pha, hai chỗ ngắt, đơn giản trong tính toán và chế tạo. Tuy nhiên đi cùng với những 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: Tiếp điểm là một phần quan trọng, nó ảnh hưởng đến độ bền và sự hư hỏng của công tắc tơ. Tuỳ thuộc vào dòng điện mà chức năng, kết cấu của tiếp điểm trong công tắc tơ cũng khác nhau. Yêu cầu đặt ra cho tiếp điểm là: + Nhiệt độ phát nóng của bề mặt tiếp xúc ở chế độ làm việc dài hạn phải nhỏ hơn ở chế độ cho phép; với I lớn, với trị số cho phép, tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và điện động. + Rtx nhỏ và ổn định, có độ rung không quá trị số cho phép. Như vậy với tiếp điểm chính có Iđm = 150A, ta chọn dạng tiếp xúc chữ nhật là tiếp xúc mặt. Tiếp điểm động dạng chữ nhật và tiếp điểm chính dạng chữ nhật. Ta chọn như vậy bởi số chỗ ngắt trong mạch là 2, khả năng ngắt mạch chịu được hồ quang và lực điện động, giảm hành trình chuyển động dẫn đến giảm kích thước công tắc tơ. Với yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha có tần số đóng ngắt bằng cơ = 100.000 lần, đóng ngắt bằng điện = 1.000.000 lần. Nên các tiếp điểm phải có độ mài mòn về cơ và điện. Qua phân tích và khảo sát các loại tiếp điểm (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: Buồng dập hồ quang có tác dụng dập tắt hồ quang nhanh nên phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Bảo đảm khả năng đóng và khả năng ngắt: Nghĩa là phải đảm bảo giá trị dòng điện ngắt ở dòng điện cho trước. - Thời gian cháy hồ quang: Vùng ion hoá nhỏ, nếu không có thể chọc thủng cách điện giữa các phần tử trong buồng dập hồ quang. - Hạn chế ánh sáng và âm thanh. Xét yêu cầu đồ án ta chọn loại buồng dập hồ quang kiểu dàn dập, làm từ vật liệu sắt- cácbon để đơn giản trong tính toán và hiệu quả trong làm việc. I.2.4.Chọn khoảng cách cách điện. Khoảng cách cách điện đóng vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến kích thước của công tắc tơ và mức độ vận hành sao cho an toàn. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào các yếu tố sau: - Điện áp định mức. - Môi trường làm việc. - Quá trình dập tắt hồ quang. Ta có thể xác định khoảng cách cách điện theo các phương pháp sau: - Theo độ bền của các phần tử mang điện so với đất. - Theo độ bền làm việc của các pha. - Theo độ bền điện ngang trong nội tại của công tắc tơ đối với các phần tử mang điện. Nếu ta chọn khoảng cách cách điện quá nhỏ thì dễ xảy ra phóng điện, còn nếu khoảng cách lớn thì phải tăng kích thước của công tắc tơ. Đối với các pha với điện áp định mức lớn hơn điện áp định mức giữa các phần tử mang điện đối với đất, hơn nữa vỏ của công tắc tơ được làm bằng nhựa cứng do đó cách điện với đất tốt, làm việc an toàn hơn. Do đó cách điện giữa các pha trong công tắc tơ là quan trọng nhất, vì vậy ta phải xác định khoảng cách này. Nếu ta chọn khoảng cách cách điện theo phương pháp độ bền điện giữa các pha, nếu khoảng cách này thoả mãn thì 2 phương pháp kia cũng đảm bảo độ an toàn khi làm việc. Ta chọn khoảng cách cách điện tố thiểu theo bảng (1-2) trang 14 quyển 1 với Uđm = 400V. I.2.5.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.2.6.Sơ đồ động: 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 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). Ta phải xác định các kích thước của các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện. Tiết diện và các chi tiết quyết định cơ cấu của mạch vòng cũng như của công tắc tơ xoay chiều ba pha. II.2.Yêu cầu đối với mạch vòng dẫn điện: - Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt. - Bền với môi 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.Thanh dẫn động: Chọn vật liệu: Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động vì vậy nó phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tương đối cao… do đó ta có thể chọn đồng kéo nguội làm đồng kéo nguội làm vật liệu cho thanh dẫn động. Chọn vật liệu thanh dẫn bằng Cu đồng kéo nguội và có các tính chất sau: Ký hiệu: ML-TB. Tỷ trọng: 8,9 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy(θnc): 1083o C. 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) Nhiệt độ cho phép(θcp) : (θcp) = 95oC. *Tính toán thanh dẫn động: Chọn dạng thanh dẫn : hình chữ nhật a´b (a : chiều dài; b : chiều rộng ). a b b a l Theo công thức (2-6) trang 19 sách TKKCĐHA ta có: b = . Trong đó: Nhiệt độ môi trường : qmt = 40°C. I = Iđm = 150 (A): là dòng điện định mức. n= là hệ số hình dáng. Ta chọn n=7. Kf: hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần ; Kf = 1,031,06. Chọn Kf = 1,05 KT : hệ số toả nhiệt ; KT = 612 (W/ o C.m2) Chọn KT = 8 (W/m2(C) rq - Điện trở suất của Cu ở nhiệt độ ổn định: rq = r20[1 + a.(q – 20)]. r20 - Điện trở suất của vật liệu ở 20o C. a - Hệ số nhiệt điện trở của vật liệu. q- Nhiệt độ ổn định của đồng. ở đây q = 95o C. Vậy: r95 =0,0174.10-3[1+0,0043(95-20)] = 0,023.10-3 Ωm. . Ta có : b = = 2,225(mm). a= n.b = 7.2,225 = 15,575(mm). Tuy nhiên để đảm bảo cho thanh dẫn động có thể chịu được phát nóng thì ta lấy a = dtđ + (12) (mm). Với dtđ là đường kính tiếp điểm. Từ Iđm = 180 (A) ( theo bảng (2-15) trang 51 sách TKKCĐHA ta có : đường kính tiếp điểm : dtđ = 22(mm). Vậy ta chọn : a = 24mm, b = 3mm. II.3.3.Kiểm tra kích thước đã chọn ở điều kiện làm việc dài hạn: Tiết diện thanh dẫn : S = a . b = 24.3 = 72(mm2) Chu vi thanh dẫn : P = 2 .(a + b) = 2(24+3) =54(mm) Mật độ dòng điện: J== < 4A/mm2 =[J] Vậy kích thước đã chọn thoả mãn yêu cầu. Nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn: Từ công thức (2-4) trong quyển TKKCĐHA ta có: S.P = . θôđ= . Với o là điện trở suất của đồng kéo nguội ở 0o C. o = = Suy ra: θôđ= θôđ= = 55,1o C <95o C = θcp Thanh dẫn thoả mãn về nhiệt độ ở chế độ làm việc định mức. III.3.4.Kiểm nghiệm ở chế độ ngắn mạch: Đặc điểm của chế độ ngắn mạch: Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn. Thời gian tác động nhỏ. Từ đặc điểm trên ta thấy: khi xảy ra ngắn mạch, nhiệt độ của thanh dẫn tăng lên rất cao có thể làm nó biến dạng. Do đó phải kiểm tra khi có ngắn mạch thì mật độ dòng điện của thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng điện của thanh dẫn không. 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 θđ = 95 (C). Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch θnm = 300 oC. Từ công thức (6-21) quyển TKKCĐHA ta có: . Trong đó: Inm = Ibn là dòng ngắn mạch hay dòng bền nhiệt. Tnm = tbn là thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt. S là tiết diện thanh dẫn động. Anm = Abn là hằng số tích phân tương ứng với ngắn mạch hay bền nhiệt. Ad – Hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu Tra đường cong phát nóng của đồng khi có dòng ngắn mạch (Hình 6-6 )trang 313 sách TKKCĐHA ) ta có : Ađ = 1,6.104 (A2.s/mm4) ; Anm = 3,75.104 (A2.s/mm4) Vậy: Mật độ dòng điện khi ở tnm = 3 (s) : J3 = (A/mm2). Mật độ dòng điện khi ở tnm = 4 (s) : J4 = (A/mm2). Mật độ dòng điện khi ở tnm = 10 (s) : J10 = (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. *Thanh dẫn tĩnh:Được nối với tiếp điểm tĩnh và gần với đầu nối, vì vậy thanh dẫn tĩnh được chọn lớn hơn thanh dẫn động. Ta chọn kích thước của thanh dẫn động như sau: a = 25mm, b = 3,5mm. II.4.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 b a Stx Với dòng điện định mức Iđm =150A theo bảng 2-10 trang 33 sách TKKCĐHA ta chọn bu lông bằng thép CT3 có đường kính hệ ren mm M8 x 25 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 = (mm2). 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 =100.10-2 kG/mm2 . ị Ftx = 100. 10-2 .483,87= 483,87 (kG). Theo công thức (2-25) trang 59 sách TKKCĐHA ta có : Điện trở tiếp xúc : với Ktx= 0,12 . 10-3 , m = 1 ( tiếp xúc mặt ) Điện áp tiếp xúc : Utx = Iđm.Rtx = 150.0,243.10-6 = 36,45.10-6 (V). 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 = 150A Tra bảng (2-13) sách TKKCĐHA ta chọn vật liệu là bạc niken than chì với các thông số kĩ thuật sau: Ký hiệu : KMK.A32 Tỷ trọng (g) : 8,7 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (qnc): 1300 0C Điện trở suất ở 200C (r20): 0,035.10-3 Wmm 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) Nhiệt độ cho phép cấp A ([qcp]): 950 C 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 đường kính tiếp điểm d = 22mm, chiều cao tiếp điểm htđ = 2,5 (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 . 150 =1500 (G) = 15 (N). - Tính theo công thức lý thuyết 2-14 (TL1) , tại một điểm tiếp xúc , lực ép tiếp điểm sẽ là : Ftđ1 = trong đó : A=2,3.10 -8 (V/ OC) : hằng số Loen. HB : độ cứng Britnel của tiếp điểm HB = 45 kG/mm2 l = 3,9 W/cm.OC - hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn Ttd : nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát nóng dài hạn Ttd = 55 + 273 = 328 OK Ttx = qtd +8 + 273 = 336 OK ị Ftđ1 = (kG) Do tiếp điểm tiếp xúc mặt nên n=3 Ftđ = Ftđ1.n = 0,499.3 = 1,497 KG. * Điện trở tiếp điểm : Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm được tính theo công thức kinh nghiệm(2-25): Rtx = trong đó : Ftđ = 15(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 = . 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 =150.0,163.10-3 = 245,1.10-4 (V)=24,5(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 : Trong đó : - rq = r20.( 1 + a.(q-20)) = 3,5.10-5. (1 + 0,325.(95 – 20)) = 4,42.10-5 Wmm = 4,42.10-8m - qmt : nhiệt độ môi trường, qmt =400C - Rtđ, Rtx : điện trở tiếp điểm và điện trở tiếp xúc 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 = Nhiệt độ nơi tiếp xúc 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. *Trị số dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2-33 (TL1) Ihdbđ = A (A) trong đó A = rO : điện trở suất của vật liệu ở 20OC . Ta có r20 = rO(1+a.20) Û rO = Û rO = . l : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu l = 3,25 W/cm.OC = 0,325 W/m.OC qnc : nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, qnc = 1300 OC HBo : độ cứng Britnel . HBo = 45 kG/mm2 ị A = fnc : hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong qúa trình phát nóng, chọn fnc = 3. Ftđ = 1,5 kG. Ihd = Tính theo công thức thực nghiệm 2-36 (TL1) Ihd = Khd. Khd : hệ số hàn dính , chọn Khd = 2000 A/kG0,5 Ftđ = 1,5 kG Ihd = 2000.. Như vậy Ihd > 10.Iđm = 10.150 = 1500 (A) , 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 biên độ rung cho 3 tiếp điểm thường mở là: 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 = = 153 (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 = 15 (N) = 1,5 (kG). ị Ftdd = 0,6 . 15 = 9,0(N) =0,9 (kG). ị xm = =0,028 (mm). II.6.2.Thời gian rung tiếp điểm: Theo công thức 2-20, thời gian rung ứng với biên độ rung Xm là : tm = == 3,58.10-3 (s) = 3,58 (ms). Tổng thời gian rung : tmS = (1,5á1,8).2.tm Chọn tmS =1,5.2.tm =1,5.2.3,58 = 10,74 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 =150 (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 = 150 (A) thì độ lún l = 3 á 4 (mm). Chọn l = 4(mm). Theo công thức l = A + BIđm . ở đây A= 1,5 và B = 0,02 thì: l=1,5+ 0,02.150 = 4,5(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 =4.Iđm = 4.150 = 600 (A) Ing = 2Iđm =2.150=300 (A) gđ và gng : khối lượng mòn riêng của mỗi một lần đóng và ngắt gđ + gng = 10 -9(0,01.6002 + 0,01.3002).1,5 = 0,675.10 -5 (G). Sau 105 lần đóng ngắt về cơ, khối lượng mòn là : Gm1 = 105.(gđ + gng) = 105.0,675.10 -5 = 0,675 (G). Sau 106 lần đóng ngắt về điện, khối lượng mòn là : Gm2 = N.(gđ + gng) = 106.0,675.10 -5 = 6,75 (G). Tổng khối lượng mòn là : Gm = Gm1 + Gm2 = 0,675 + 6,75 = 7,425 (G). Vì tiếp điểm cầu có hai điểm ngắt , tính cho một chỗ tiếp xúc : Gm1 = Thể tích mòn : Vm = = 426,7(mm3 ) 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 I.Lập sơ đồ động: Xét trường hợp xấu nhất là công tắc tơ đặt ngược : 0 d m *d = m + l Fđ Fđ Gđ + Fnhđ *d = 0 Gđ + Fnhc Fđt Fđ Fđ 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 .15 = 90 (N) -Lực ép tiếp điểm đầu : Ftđđ = 0,6 . Ftđcỷ ở = 0,6 . 90 = 54 (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 = 1,2.(15 + 2) = 20,4 (N) Trong đó: Hệ số dự trữ Kdt = 1,1 á 1,3 . Chọn Kdt = 1,2 Trọng lượng phần động : Gđ = mc.Iđm = 15(N) Lực nhả cuối : Flxnhc = 1,5 . Flxnhđ = 1,5 . 20,4._.