Thiết kế rơle điện từ trung gian xoay chiều

hiệp cũng như trong đời sống. Khi công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu cuộc sống ngày càng đòi hỏi cao hơn, càng cần thiết phải có các khí cụ điện nhiều về số lượng, tốt về chất lượng và hoàn hảo hơn. Đặc biệt theo xu thế chung, các khí cụ điện hiện đại còn đòi hỏi phải có khả năng tự động hoá. Chính vì vai trò cần thiết của khí cụ điện nên việc nghiên cứu các phương pháp thiết kế, tính toán của khí cụ điện là một nhiệm vụ quan trọng không ngừng được hoàn thiện. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết Bị Điện - Khoa Điện, khoảng thời gian 4 tháng em đã tiến hành thiết kế một loại khí cụ điện mà trong các mạch điều khiển không thể thiếu được. Đó là rơle điện từ trung gian xoay chiều. Nội dung thiết kế gồm có 6 phần: Phần I : Chọn phương án dạng kết cấu và tính toán cách điện. Phần II : Tính toán mạch vòng dẫn điện. Phần III : Tính toán và dựng đường đặc tính cơ. Phần IV : Tính toán nam châm điện xoay chiều. Phần V : Thiết kế kết cấu. Phần VI : Sơ đồ ứng dụng rơle thiết kế. Do thời gian có hạn và còn thiếu kinh nghiệm trong thiết kế, hiểu biết thực tế còn ít nên trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em còn một số sai sót. Em kính mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo và giúp đỡ của các thầy cô giáo và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn!  Phần I : Chọn phương án dạng kết cấu và tính toán cách điện I. Giới thiệu chung về rơle 1.Định nghĩa : Rơle là loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp (đột ngột ) khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. 2.Cấu tạo : gồm ba bộ phận chính Bộ phận thu Bộ phận trung gian Bộ phận chấp hành a.Bộ phận thu : Tiếp nhận những đại lượng vào và biến đổi thành những đại lượng vật lý cần thiết cho rơle hoat động. b.Bộ phận trung gian : So sánh những đại lượng đã được biến đổi với đại lượng mẫu. Theo kết quả so sánh , nếu đạt giá trị tác động thì truyền tín hiệu đến bộ phận chấp hành. c.Bộ phận chấp hành : Phát tín hiệu ra cho mạch điều khiển nối sau rơle. 3.Phân loại rơle: a.Theo nguyên lý hoạt động: Rơle điện từ : Dựa trên tác dụng lực của từ trường do dòng điện chảy trong cuộn dây sinh ra lên phần ứng ( nắp ) bằng vật liệu sắt từ làm nắp dịch chuyển. Rơle từ điện : Dựa trên tác dụng lực của từ trường do nam châm vĩnh cửu tạo ra lên dòng điện chảy trong cuộn dây làm cuộn dây dịch chuyển. Rơle phân cực : Rơle điện từ có thêm từ trường phân cực do nam châm vĩnh cửu tạo ra. Vị trí của nắp từ phụ thuộc vào cực tính của tín hiệu đưa vào rơle. Rơle điện động : Dựa trên tác động tương hỗ giữa từ trường do dòng điện chảy trong cuộn dây sinh ra với dòng điện chảy trong cuộn dây khác làm cuộn dây này dịch chuyển. Rơle cảm ứng : Dựa vào sự tác dụng giữa từ thông với dòng cảm ứng trong vòng ngắn mạch do một từ thông khác tạo nên. Rơle nhiệt kim loại khép : Dựa vào sự thay đổi kích thước của kim loại khi nhiệt độ thay đổi . Rơle từ , rơle điện tử , rơle bán dẫn : Dựa trên tính chất thay đổi các thông số về từ và điện ( độ từ thẩm , điện trở ,điện cảm , điện dung ,…..) của dụng cụ từ tính , bán dẫn, điện tử . b.Theo nguyên lý tác động của bộ phận chấp hành : Rơle có tiếp điểm Rơle không có tiếp điểm c. Theo tính chất của đại lượng đầu vào : Rơle dòng điện Rơle điện áp Rơle công suất d.Theo tính chất nguồn : Rơle một chiều Rơle xoay chiều 4.Đặc tính và tham số của rơle : y 0 xnh xtd xlv ymax ymim a.Đặc tính : Đường biểu diễn quan hệ giữa đại lượng đầu vào x và đầu ra y của rơle gọi là đặc tính “ vào – ra’’ và được coi là đặc tính cơ bản của rơle nên đặc tính này còn gọi là đặc tính “ rơle’’ y = f (x) Đặc tính rơle có đặc điểm : - Khi đại lượng đầu vào x thay đổi từ 0 đến trị số tác động xtđ thì đại lượng đầu ra y luôn bằng 0 ( với rơle có tiếp điểm ) x hoặc bằng giá trị cực tiểu ymin ( với rơle không tiếp điểm ) . Hình 1.1: Đặc tính rơle Khi x đạt đến giá trị tác động x = xtđ : đại lượng đầu ra tăng đột ngột đến giá trị cực đại ymax . Sau đó dù x tiếp tục tăng đến giá trị x = xlv thì y vẫn giữ nguyên giá trị ymax . Tương ứng với quá trình này ta nói rơle đã tác động . Ngược lại , khi đại lượng đầu vào giảm từ giá trị xlv đến giá trị xnh thì đại lượng ra y vẫn không đổi. Khi x = xnh , y giảm đột ngột từ ymax về 0 ( hoặc ymim) và không đổi mặc dù x tiếp tục giảm về 0 . Quá trình này ta noi rơle nhả . Đại lượng đầu vào ứng với lúc rơle tác động gọi là giá trị tác động xtđ , và ứng với lúc rơle nhả gọi là giá trị nhả xnh của rơle . b.Các tham số cơ bản của rơle : xnh Hệ số nhả xtd Tỷ số Knh = gọi là hệ số nhả của rơle Hệ số nhả Knh luôn nhỏ hơn 1 xlv Hệ số dự trữ xtd Tỷ số Kdt = gọi là hệ số dự trữ của rơle Trong đó : xlv là giá trị làm việc dài hạn của đại lượng đầu vào xtd là giá trị tác động của đại lượng vào Hệ số dự trữ luôn lớn hơn 1 . Khi Kdt lớn , rơle làm việc càng đảm bảo tin cậy . Pdk Hệ số điều khiển Ptd Tỷ số Kđk = gọi là hệ số điều khiển của rơle Trong đó : Pdk là công suất cực đại trên tải của mạch làm việc Ptd là công suất đầu vào cần thiết cho rơle tác động Thời gian tác động ttđ Khoảng thời gian từ thời điểm đạt tín hiệu vào x đến thời điểm đại lượng đầu ra y đạt giá trị cực đại gọi là thời gian tác động ttđ của rơle . Thời gian này phụ thuộc vào kết cấu của rơle , thông số của đại lượng vào và hệ số dự trữ . Đối với rơle tiếp điểm , thời gian tác động gồm hai khoảng thời gian : ttđ = t1 + t2 Trong đó : t1 là thời gian khởi động t2 là thời gian chuyển động Thời gian nhả tnh Khoảng thời gian từ thời điểm ngắt tín hiệu vào x đến khi đại lượng ra đạt giá trị 0 hoặc cực tiểu gọi là thời gian nhả của rơle . Trong rơle tiếp điểm , thời gian nhả cũng gồm hai khoảng thời gian tnh= tn + thq Trong đó : tn là khoảng thời gian từ thời điểm mất tín hiệu vào x đến lúc tiếp điểm bắt đầu mở . thqlà thời gian cháy của hồ quang , từ khi tiếp điểm bắt đầu mở đến khi hồ quang được dập tắt hoàn toàn. Tần số thao tác Số chu kỳ tác động và nhả của rơle trong một đơn vị thời gian gọi là tần số thao tác f của rơle và được xác định theo công thức : 1 ttd + tlv + tnh + tng f = Trong đó : ttd là thời gian tác động tlv là thời gian làm việc tnh là thời gian nhả tng là thời gian nghĩ II. Phân tích chọn phương án Rơle điện từ trung gian xoay chiều được dùng rất nhiều trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện và các sơ đồ điều khiển tự động . Do có số lượng tiếp điểm lớn , từ 4 đến 6 tiếp điểm , vừa thường đóng và thường mở , nên rơle trung gian này dùng để truyền tín hiệu khi khả năng đóng ngắt và số lượng tiếp điểm của rơle chính không đủ hoặc để chia tín hiệu từ một rơle chính đến nhiều bộ phận khác của sơ đồ mạch điện điều khiển Rơle điện từ trung gian xoay chiều có nhiều loại được sử dụng ở nước ta, do nhiều hãng của nhiều nước sản xuất như : Nga ; Đức (SIEMENS); Pháp ; Nhật ( OMROM , FUJI , NATIONA ) ; Hàn Quốc (SUNGHO , LG ) …. Tuy có hình dáng và kích thước cụ thể khác nhau, nhưng về nguyên lý cấu tạo và các thông số cơ bản đều như nhau. Trong đó rơle điện từ trung gian xoay chiều PII – 25 do Liên Xô ( cũ ) sản xuất có nhiều ưu điểm nổi bật sau : + Có cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy . + Thời gian tác động nhanh : không lớn hơn 0,06s + Công suất tiêu thụ của cuộn dây nhỏ : không lớn hơn 8 VA + Tuổi thọ cao + Độ bền cơ cao : 105 lần đóng cắt + Độ bền điện : 104 lần đóng cắt + Khối lượng rơle nhỏ : không lớn quá 0,7 kg + Giá thành rẻ Dựa vào những ưu điểm trên và dạng kết cấu của các hãng sản xuất ta chọn mẫu rơle của Liên Xô ( cũ ) để thiết kế , dạng kết cấu của rơle như sau : 1. Hệ thống tiếp điểm. Tiếp điểm gồm có tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm có dạng hình trụ cầu, tiếp xúc theo hình thức tiếp xúc điểm được gắn lên thanh dẫn theo kiểu bắc cầu. Các tiếp điểm chuyển động theo lực hút điện từ thông qua cần chuyển động điều chỉnh khoảng cách giữa khe hở tiếp điểm chính, khoảng cách giữa khe tiếp điểm dễ dàng thay đổi qua việc điều chỉnh khe hở không khí làm việc của nam chân điện. 2. Chọn nam châm điện * Nam châm điện đóng vai trò quan trọng trong rơle, nó quyết định tính năng làm việc và kích thước của Rơle Yêu cầu thiết kế rơle điện từ trung gian với: Điện áp định mức : Uđm = 220 V Dòng điện định mức : Iđm = 5 A Có 05 tiếp điểm thường đóng và 05 tiếp điểm thường mở Điện áp cuộn dây : Uđk = 220 V, f = 50 Hz Làm việc liên tục , cách điện cấp B Ta chọn nam chân điện xoay chiều, mạch từ hình chữ U khiểu hút chập và có một khe hở kỹ thuật điện, có một cuộn dây điều khiển và một lò xo nhả chung cho cả nắp hút nam châm điện , không có dây dẫn mềm. Thanh dẫn động cũng chính là lò xo ép tiếp điểm. 3 4 5 6 7 2 1 8 9 10 * Dạng chữ U kiểu hút chập, xét trên thực tế đối với rơle xoay chiều có dòng định mức nhỏ, lực hút điện từ không lớn lắm thường chọn mạch từ kiểu này, đặc tính lực hút gần với đặc tính phản lực, đó mở của tiếp điểm khác với khe hở làm việc đồng thời đơn giản trong tính toán cũng như trong chế tạo… Kết cấu sơ bộ: Hình 1.2 1.Tiếp điểm động . 2. Tiếp điểm tĩnh. 3. Cuộn dây nam châm điện 4. Vòng ngắn mạch ( vòng chống rung ) . 5. Lõi . 6. Nắp từ . 7. Cần truyền động 8. Lò xo nhả 9. Mấu truyền động . 10. Phần động ( giá tiếp điểm động ) Nguyên lý làm việc : * Tiếp điểm thường mở khi chưa có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở trạng thái mở (ngắt mạch). Hình 1.3 * Tiếp điểm thường đóng khi không có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở trạng thái đóng (đóng mạch). Hình 1.4 Khi đặt điện áp nguồn Unguồn lên cuộn dây của nam châm điện trong cuộn dây sinh ra từ thông f khép mạch qua mạch từ của nam châm điệm và qua khe hở không khí d (khe hở làm việc). Từ thông fd sinh ra lực hút điện từ Fđt tác động lên nắp từ và hút nắp xuống. Nắp chuyển động khi Fđt > Fnhả sẽ làm toàn bộ phần động chuyển động và lúc đó các tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại (các tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra). Khi cắt nguồn Fđt = 0 nắp bị nhả ra nhờ lực Fnhả; các tiếp điểm sẽ trở lại trạng thái ban đầu. III. Khoảng cách cách điện. Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện đóng một vai trò khá quan trọng. Nó ảnh hưởng tới kích thước của khí cụ điện và độ tin cậy khi vận hành. Vì vậy việc xác định hợp lý đại lượng này có một ý nghĩa không nhỏ. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố như: điện áp, môi trường làm việc… Việc xác định các khoảng cách cách điện trong khí cụ điện hạ áp thường chọn theo kinh nghiệm. 1. Điện áp định mức theo cách điện. Với khí cụ điện điều khiển và phần phối năng lượng hạ áp (Uđm = 380V), tồn tại các tiêu chuẩn, quy định về độ bền cách điện theo điện áp định mức. ở trạng thái khô và sạch của khí cụ điện, nó phải chịu được điện áp thử tần số là 50Hz, thời gian thử một phút. Theo bảng (1 - 1)/ 13 tài liệu 1, ta có. + Điện áp thử nghiệm U = 2000V + Điện áp định mức của cách điện: Ucđ = 500V 2. Khoảng cách điện giữa các phần tử dẫn điện. Muốn khí cụ điện có độ tin cậy cao thì cần khoảng cách cách điện lớn. Song như vậy lại tăng kích thước và khối lượng của thiết bị. Vì vậy nên chọn theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệp điện lực cho các loại khí cụ điện hạ áp thông dụng. Ơ’đây ta xét ở điện áp Uđm = 220V theo bảng ( 1-2)/14 tài liệu 1 ta chọn khí cụ điện trong mạch điều khiển và tín hiệu, ứng với nó có khoảng cách điện giữa các phần tử dẫn điện, cụ thể là : Khoảng cách cách điện giữa các thanh dẫn : lcđ = 7 mm Khoảng cách điện rò theo mặt trên : lrt = 10 mm Khoảng cách điện rò theo bề mặt dưới : lrd= 8 mm Hình 1.5 PHầN II : TíNH TOáN MạCH VòNG DẫN ĐIệN Mạch vòng dẫn điện là những bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thước hợp thành. Mạch vòng dẫn điện của rơle bao gồm các bộ phận sau: - Thanh dẫn: Thanh dẫn động và tĩnh. - Đầu nối - Hệ thống tiếp điểm: + Giá đỡ tiếp điểm + Tiếp điểm động + Tiếp điểm tĩnh I. Thanh dẫn. 1. Xác định kích thước thanh dẫn động ở chế độ làm việc dài hạn. a. Chọn vật liệu. Thanh dẫn động cũng đồng thời là lò xo lá dùng để ép tiếp điểm, các tiếp điểm được gắn trên các thanh dẫn. Nên vật liệu làm thanh dẫn động theo bảng ( 2- 13 ) tài liệu 1 ta chọn là đồng phốt pho băng cứng, có đặc điểm là vừa dẫn điện tốt vừa có tính đàn hồi cao, thanh dẫn có tiết diện hình chữ nhật, có các thông số kỹ thuật sau : Ký hiệu: : s Nhiệt độ nóng chảy : 10830C Điện trở suất ở 200C : r = 0,0184.10-3(W mm) Hệ số nhiệt điện trở : a = 0,0043 (1/0C) Độ dẫn nhiệt : l = 3,9 (W/ oC cm) Độ cứng : HB = 80 á 120 (kg/mm2) Tỷ trọng : g = 8,9 (g/cm3) Nhiệt độ ổn định : [q] = 950C b. Kết cấu của thanh dẫn động. a b Chọn thanh dẫn động có tiết diện là hình chữ nhật có : a là chiều rộng thanh dẫn. b là chiều dày thanh dẫn. Tiết diện và kích thước các cạnh a,b của thanh dẫn hình chữ nhật được xác định theo công thức (2 - 6)/19 tài liệu 1. Trong đó: n = = 5 á 10 : Hệ số hình dáng. Chọn n = 10 Iđm = 5 (A) Kf = Kbm . Kg = 1,03 á 1,06 : là hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần do dòng điện xoay chiều gây ra. Chọn Kf = 1,06 KT: hệ số toả nhiệt không khí theo bảng (6 -5)/300 tài liệu 1 Chọn KT = 8.10-6 [W]/ mm2 0C tôđ : Độ tăng nhiệt độ ổn định tôđ = [q] - q0 = 950C - 400C = 550C Với q0 = 400 : là nhiệt độ môi trường Điện trở suất của đồng phốt pho ở nhiệt độ ổn đinh: qôđ = 950C. rq = r20 [1+ a (qôđ - q20)] = 0,0184 . 10-3.[ 1 + 0,0043 .( 95-20 )] = 0,0234 . 10-3 ( Wmm) Vậy: Suy ra: a = n . b = 10 . 0,19 = 1,9 (mm) Như vậy kích thước tối thiểu của thanh dẫn động là : a = 1,9 (mm) b = 0,19 mm Thanh dẫn ngoài việc dẫn điện tốt , nhiệt độ pháy nóng không vượt quá nhiệt độ cho phép với thanh dẫn phải đủ lớn để gắn tiếp điểm và đảm bảo độ bền cơ.Mặc khác ta chọn theo đường kính tiếp điểm Theo bảng (2 - 15) / 51 tài liệu 1 - Đường kính tiếp điểm: dtđ = 4 (mm) Ta chọn: b = 0,5 (mm) a = 5 (mm) a, b là chiều rộng và bề dày thanh đẫn động. - Tiết diện thanh dẫn động: Std = a . b = 5 . 0,5 = 2,5 (mm2) - Mật độ dòng điện qua thanh dẫn. Jtd = = 2 (A/mm2) *Vậy Jtd < [Jcp ] = 1,5 á 4 (A/mm2) 2. Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn động a.Kiểm nghiệm ở chế độ làm việc dài hạn Theo công thức (2 - 4)/18 tài liệu 1, ta có: qtd = qôd = Với: Iđm= 5 (A) : dòng điện định mức S = 2,5 (mm2 ) : tiết diện thanh dẫn p = 2 (a + b) = 2 (5 + 0,5) = 11 ( mm ) là chu vi thanh dẫn r0 là điện trở suất của vật liệu thanh dẫn ở 00C = 0,0169 . 10-3 ( Wmm) Kf = 1,06 : Hệ số tổn hao phụ Kt = 8.10-6 (W/mm 20C) a = 0,0043 (1/0C) : Hệ số toả nhiệt thanh dẫn qtd : Nhiệt độ phát nóng ổn định của thanh dẫn qmt = 40 0C Thay các số liệu vao công thức : = 42,4 0C Như vậy so sánh với {qcp} = 950C là nhiệt độ phát nóng cho phép ở chế độ làm việc dài hạn ta thấy : qtd < {qcp} Nên thanh dẫn làm việc ổn định Độ chênh lệch nhiệt độ ổn định của thanh dẫn tôđ = qtd - qmt = 42,2 – 40 = 2,4 0C Như vậy độ chênh lệch nhiệt độ là 2,40C so với môi trường , đảm bảo thanh dẫn và các chi tiết khác của rơle làm việc tin cậy và tăng tuổi thọ. b. Kiểm nghiệm thanh dẫn động ở chế độ ngắn mạch. Theo công thức ( 6 - 11)/ 321 tài liệu 1 ta có: = Anm - Ađ = Abn - Ađ = Jnm 2.tnm Suy ra: Jnm = Jbn = Với: Jnm = Jbn : là mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng điện bền nhiệt. Abn = Anm: là giá trị hằng số tích phân bền nhiệt và ứng với nhiệt độ ban đầu. Tra đồ thị hình ( 6 - 5)/ 313 tài liệu 1: Với qbn của đồng phốt pho cho phép bằng 3000 C thì: Abn = 3,75 . 104 (A2S/mm4) qôđ = 950 thì Ađ = 1,6 . 104 (/A2S/mm4) Suy ra: Jbn = * Với các giá trị thời gian khác nhau ta có các giá trị mật độ dòng điện tính toán tương ứng. tbn = 3s đ Jbn = = 84,66 (A/mm2) tbn = 4s đ Jbn = = 73,3 (A/mm2) tbn = 10s đ Jbn = = 46,4(A/mm2) Theo bảng (6-7)/305 tài liệu 1 ta có các giá trị mật độ dòng điện cho phép đối với đồng ứng với các thời gian trên: 3sec đ [Jbn] = 94 (A/mm2) 4 sec đ [Jbn] = 82 (A/mm2) 10sec đ [Jbn] = 51 (A/mm2) Vậy ta có bảng so sánh mật độ dòng điện như sau: tbn (s) 3 4 10 [Jbn] (A/mm2) 94 82 51 Jbhtính (A/mm2) 84,7 73,3 46,4 Ta nhận thấy Jbn < [Jbn]cp. Như vậy có thể bảo đảm được giá trị dòng điện ngắn mạch cho phép. 3.Thanh dẫn tĩnh Để đảm bảo độ dày bắt vít nối và mật độ dòng điện nằm trong khoảng cho phép ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động. Ta chọn: b = 2 (mm) a = 5 (mm) Suy ra: Stdt = a . b = 2.5 = 10 (mm2) II. Tính toán vít đầu nối. 1.Chọn kiểu mối nối : Đầu nối là chỗ tiếp giáp giữa chi tiết dẫn điện này với các chi tiết dẫn điện khác. Đầu nối có thể chia làm hai phần. Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài. Và các mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. Ta chọn kết cấu vít đầu nối có dạng mối nối tháo rời được bằng ren- vít, được chế tạo bằng thép Công Ty – 3. Theo bảng ( 2-9)/32 tài liệu 1 với dòng điện định mức Iđm = 5A 2 3 1 4 Chọn vít M3 Hình 2.1 Vít M3 Lông đểnh Thanh dẫn đầu ra Thanh dẫn tĩnh 2.Tính toán đầu nối Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức: Stx = a. b = Đối với thanh dẫn và chi tiết bằng đồng, mật độ dòng điện J có thể lấy bằng 0,31 A/mm2 ứng với dòng điện xoay chiều tần số f = 50Hz dòng định mức nhỏ hơn 200A ( theo tài liệu 1 trang 31) Suy ra: Stx = = 16,13 (mm2) - Lực ép của mối nối tính theo công thức Ftx = ftt . Stx Trong đó: ftt = 100 á 150 (kg/cm2) : lực ép riêng. Chọn ftx = 120 (kg/cm2) Suy ra: Ftx = 120. 16,13 . 10-2 = 19,36 (kg) = 193,6 (N) - Điện trở tiếp xúc của mối nối không bị phát nóng xác định theo công thức dựa vào kết quả thực nghiệm (2 - 25)/59 tài liệu 1. Rtx = Trong đó : m = 0,7 : hệ số phụ thuộc vào dạng bề mặt tiếp xúc ( tiếp xúc mặt ) Ktx = 0.67.10-3: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm với tiếp xúc đồng thau - đồng thau Suy ra: Rtx = = 0,08.10-3 (W) - Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc. Utx = Iđm . Rtx = 5. 0,08 . 10-3 = 0,4.10-3 (V) = 0,4 (mV) Với điện áp tiếp xúc cho phép của mối nối là :{Utx} = 30 (mV) Vậy Utx < {Utx} mối nối đạt yêu cầu III. Tính toán tiếp điểm. 1. Chọn kết cấu tiếp điểm. Với dòng điện Iđm = 5(A), chọn dạng kết cấu tiếp điểm là kiểu mặt cầu- mặt cầu ,tiếp xúc theo hình thức tiếp xúc điểm được gắng lên thanh dẫn theo kiểu bắt cầu. 2.Chọn vật liệu tiếp điểm và các kích thước của tiếp điểm *Với dòng điện định mức Iđm = 5(A) , theo bảng ( 2- 13 )/44 tài liệu 1 ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc kéo nguội với các thông số kỹ thuật sau: Ký hiệu : CP 999 Tỷ trọng : g = 10,5 (g/cm3) Nhiệt độ nóng chảy : qnc = 961(0C) Độ dẫn điện : l = 4,16 (w/cm0C) Hệ số nhiệt điện trở : a = 4.10-3 (1/0C) Điện trở suất ở 200C : r20 = 1,59.10-5 (Wmm) Độ cứng : HB = (30 - 60) kg/mm2 * Chọn kích thước tiếp điểm Kích thước tiếp điểm phụ thuộc vào giá trị của dòng điện định mức. Theo bảng (2 - 15)/51 tài liệu 1. Với Iđm = 5(A) ta chọn. - Đường kính tiếp điểm: d = 4(mm) - Chiều cao tiếp điểm: h = 1,2 (mm) h d Hình 6 Tiếp điểm động và tĩnh có dạng như nhau Vì tiếp điểm có dạng hình trụ cầu nên khi tiếp xúc có dạng tiếp xúc điểm . 3.Tính độ mở và độ lún của tiếp điểm a. Độ mở. Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí ngắt của rơ le. Phải chọn độ mở cần thiết để đảm bảo dập tắt hồ quang nhưng kích thước và khối lượng của cơ cấu truyền động đạt được tiêu chuẩn tối ưu Theo kinh nghiệm: Với dòng điện : Iđm = 5 (A) Điện áp : Uđm = 220 (V) Ta chọn độ mở  : m = 4 (mm) b. Độ lún. Độ lún l của tiếp điểm là quãng được đi được thêm của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại. Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép tiếp điểm mà trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn, nhưng vẫn đảm bảo tiếp xúc tốt. Độ lún l được tính theo công thức ( trang 42 tài liệu 1) : l = A + B . Iđm Ta chọn theo kinh nghiệm: A = 1,5 (mm) B = 0,02 (mm) đ l = 1,5 + 0,02 . 5 = 1,6 ( mm) 4. Lực ép tiếp điểm. a. Tính theo lý thuyết. Theo công thức (2 - 14) / 53 tài liệu 1 ta có : Ftđ1 = Trong đó : Iđm = 5(A) A = 2,32 . 10-8 (V2/0C2) : hằng số Loren HB =50 (kg/mm2): độ cứng vickét của bạc l = 4,16 (W/cm0C): hệ số dẫn nhiệt Ttd : nhiệt độ thanh dẫn nơi tiếp xúc Ttx = Ttd + DT: nhiệt độ nơi tiếp xúc Với DT = ( 5 á 10)0K Chọn DT = 70K Suy ra: Ttx = Ttd + 70K = (qtd + 273) + 70K = ( 42,4 + 273) + 7 = 322,40K Suy ra: Ftđ1 = = 0,0008 (kg) = 0,008 (N) Ta có : Ftđ = n.Ftđ1 Với : n = 1 là tiếp xúc điểm => Ftđ = Ftđ1 = 0,008 (N) b. Tính lực Ftd theo công thức thực nghiệm. Theo công thức (2 - 17)/56 Tài liệu 1. Ftđ = ftđ . Iđm Với rơle điện từ trung gian xoay chiều có dòng điện định mức: Iđm = 5(A) và vật liệu tiếp điểm là bạc kéo nguội nên theo bảng ( 2-17)/55 tài liệu 1 ta có: Ftđ = 35 (G )= 0,035 (KG )=0,35 (N) * So sánh hai kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm ta thấy lực ép tiếp điểm tính theo phương pháp thực nghiệm có giá trị lớn hơn .Để đảm bảo tiếp điểm có độ ổn định nhiệt khi có dòng điện lớn chạy qua và có dự trữ lực ta chọn : Ftđ = 0,35 (N) 5. Tính điện trở tiếp xúc Rtx a. Theo công thức lý thuyết: Rtx = Trong đó : HB = 50 (kg/ mm2) Ftđ1 = 0,035 (kg) rq = r20 [1+ a (qtx - 20)] Với : r20 =1,59.10-5 (Wmm) = 0,004 (1/0C) qtx = qtd + ( 2 á 5 ) = 42,4 + 3 = 45,4 0C => rq = 1,59 . 10-5. [1 + 4.10-3.(45,4 - 20)] = 1,75 .10-5 (Wmm) Suy ra: Rtx = = 0,6.10-3 (W) b. Theo công thức thực nghiệm: Theo công thức ( 2 – 25 )/ 59 tài liệu 1 Rtx = Trong đó: Ktx = 0,6 . 10-3, chọn theo bảng giữa bạc - bạc trang 59 tài liệu 1. m = 0,5: hệ số dạng bề mặt là tiếp xúc điểm. Ftđ = 0,35 (N) Suy ra: Rtx = = 3,2 . 10-3 (W) * So sánh giữa hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm ta lấy giá trị. Rtx = 3,2. 10-3 (W) 6. Tính điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm. Theo công thức (2 - 27)/62 tài liệu 1 Utx = I . Rtx= 5 . 3,2. 10-3 = 16.10-3 (V)= 16 (mV) * So sánh với tiêu chuẩn : [Utx] = 2 á 30 (mV) Ta thấy Utx tính được đã thoả mãn yêu cầu cho phép 7. Tính nhiệt độ vùng tiếp xúc của tiếp điểm. Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng thanh dẫn, ta tính nhiệt độ tiếp điểm theo công thức (2 - 11)/ 52 tài liệu 1 qtđ = qmt + Với: S = 2,5 (mm2): tiết diện của thanh dẫn p = 11 (mm ) : chu vi của thanh dẫn KT = 8. 10-6 (W/mm2 0C): hệ số toả nhiệt của tiếp điểm l = 0,416 (W/mm0C) : độ dẫn nhiệt Rtx = 3,2 . 10-3 (W) qmt = 400C rq = 1,75.10-5 (Wmm) ( đã tính ở mục 5 ) Suy ra: qtđ = 40 + = 50,40C * Nhiệt độ tại chổ tiếp xúc Theo công thức ( 2 -12)/ 52 tài liệu 1 qtx = qtđ + = 54,80C * Ta thấy nhiệt độ ở chổ tiếp xúc nhỏ hơn nhiệt độ hoá mềm của vật liệu làm tiếp điểm : qtx < qhm = 180 0C nên tiếp điểm thoả mãn yêu cầu về nhiệt độ phát nóng ở chế độ làm việc dài hạn. 8. Tính dòng điện hàn dính. Khi dòng điện lớn hơn dòng định mức , tiếp điểm bị đẩy ra do lực điện động lớn , điện trở tiếp xúc tăng , tiếp điểm bị hàn dính do nhiệt độ tiếp xúc tăng. Có hai tiêu chuẩn đánh giá hàn dính : Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính Trị số tới hạn của dòng điện bị hàn dính Ihdbđ là dòng điện tới hạn hàn dính, tại đó tiếp điểm không bị hàn dính nếu có cơ cấu ngắt có khả năng ngắt tiếp điểm * Tính dòng điện hàn dính a.Theo công thức lý thuyết ( 2 - 23) / 66 tài liệu 1 ta có: Ihdbđ = A . Trong đó : fnc = 2 á 4: Hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát nóng Chọn : fnc = 2 A: là hằng số với từng loại vật liệu tiếp điểm, được tính theo công thức ( 2 - 43) trang 66 tài liệu 1. A = Với = 0,015 .10-3 ( Wmm) qnc = 9610C Suy ra: A = = 1865,07 Suy ra: Ihdbđ = 1865,07 . = 493,45 (A) So với yêu cầu kỹ thuật . Inm = 10. Iđm = 10. 5 =50 (A) * Như vậy không thể hàn dính được tiếp điểm khi ngắn mạch. b. Tính theo công thức thực nghiệm ( 2 - 36)/67 tài liệu 1: Ihdbđ = Khd . (A) Trong đó: Ftđ = 0, 35(N) Khd = 950 á1900 (A/N1/2) : hệ số hàn dính theo tài liệu 2 trang 142 Chọn : Khd = 1000 (A/N1/2) Suy ra: Ihdbđ = 1000 . = 591,6 (A) * Như vậy với dòng điện ngắn mạch Inm =50 (A) không thể hàn dính tiếp điểm. 9. Tính độ rung tiếp điểm. Khi tiếp điểm đóng , thời điểm bắt đầu tiếp xúc có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây xảy ra hiện tượng rung của tiếp điểm. X Xm tm t Quá trình rung được đánh giá qua trị số biên độ rung Xm của khoảng đẩy lớn nhất đầu tiên và thời gian rung tm tương ứng với Xm. * Ta tính biên độ rung theo công thức (2 - 39)/72 tài liệu 1. Với tiếp điểm là hình trụ cầu. Xm1 = Trong đó: Ftđđ = ( 0,4 á 0,7) Ftđc = 0,7 . 0,035 = 0,025 (kg) Là lực ép tiếp điểm ban đầu tại thời điểm va đập. mđ = (KG.S2/m): khối lượng nắp Gđ = Mđ . Iđm ( KG) : trọng lượng phần động Mđ = 7.10-3 (KG/A): khối lượng đơn vị Iđm = 5(A) đ Gđ = 7 . 10-3 . 5 = 35.10-3 (KG) Vậy: mđ = (KG.S2/m) Vđo : Vận tốc tại thời điểm va đập Chọn: Vđo = 0,1 (m/s) KV = 0,85 á 0,9 : hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu Chọn KV = 0,85 Vì số tiếp điểm thường mở của rơle là 5 nên ta có biên độ rung là : Xmồ = = 0,021.10-3 (m) =0,021(mm) Thời gian rung của tiếp điểm theo công thức (2-40)/72 tài liệu 1 tm = = = 2,17.10-3 (s) = 2,17 (ms) Thời gian cả 5 cặp tiếp điểm rung, sơ bộ được xác định theo công thức (2 - 47)/74 tài liệu 1. tmồ = ( 1,5 á 1,8) . 2 tm = 1,6 . 2 . 2,17 = 6,94 (ms) 10. Tính toán sự ăn mòn của tiếp điểm. Sự ăn mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng ngắt mạch điện và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. + Điều kiện làm việc + Kết cấu của khí cụ điện *Khối lượng mòn trung bình của một cặp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt được tính theo công thức ( 2-54)/79 tài liệu 1 gđ + gng = 10-9 .( Kđ.Iđ2 + Kng.Ing2).Kkđ Trong đó: Kđ, Kng: Hệ số mòn khi đóng và khi ngắt cho trong hình (2 - 16)/79 tài liệu 1. Kđ = 0,35 (g/A2) Kng= 0,15 (g/A2) Kkđ = 1,1á 2,5 : hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn. Chọn : Kkđ = 1,5 Iđ = Iđm = 5 (A) Ing =5Iđm =25 (A) gđ, gng: khối lượng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt. Suy ra: gđ + gng = 10-9 ( 0,35 . 52 + 0,15. 252). 1,5 = 1,54. 10-7 (g) Như vậy khối lượng mòn của một lần đóng ngắt là: 1,54 . 10-7 (g) Vậy sau 106 lần đóng ngắt thì tiếp điểm mòn: mhm =1,54. 10-7 .106 = 0,154 (g) - Thể tích của tiếp điểm: Vtđ = 2.Stđ . h = 2. = 2. = 30,14 (mm3) - Thể tích bị mòn của tiếp điểm: Vmòn = = 14,67 (mm3) Với : g = 10,5 g/cm3= 0,0105 (g/mm3):trọng lượng riêng của bạc kéo nguội mhm = 0,154 (g): khối lượng hao mòn của tiếp điểm. - Độ hao mòn của tiếp điểm được tính theo % = 48,67% PHầN III : TíNH TOáN Và DựNG Đường đặc tính cơ Khi nghiên cứu chuyển động của các cơ cấu khí cụ điện, cần phải khảo sát hai quá trình khác biệt nhau là quá trình đóng và quá trình cắt của chúng. Trong quá trình đóng khí cụ điện, lực chuyển động phải thắng được lực cản trở chuyển động, trong đó có cả lực cản có ích (lực ép tiếp điểm ). Yêu cầu cơ bản của cơ cấu khí cụ điện là : + Cơ cấu phải đảm bảo trị số cần thiết của các thông số động lực học của cơ cấu chấp hành ( hành trình, góc quay, độ lún, độ mở) + Lực chuyển động của các cơ cấu đảm bảo việc đóng cắt của cơ cấu chấp hành + Tốc độ của cơ cấu chấp hành cần đảm bảo, nghĩa là khi đóng mạch thì tốc độ chuyển động của tiếp điểm phải đủ lớn để giảm nhỏ thời gian cháy của hồ quang . Nhưng tốc độ này cũng không được quá lớn tránh va đập và rung động. + Cơ cấu cần đảm bảo thời gian tác động của khí cụ điện ở các mức cần thiết. I. Lập sơ đồ động. Công dụng của sơ đồ động là cho ta biết sơ bộ một cách rõ ràng và chính xác về sự truyền và biến đổi chuyển động của các khâu trong cơ cấu. Sơ đồ động được xây dựng cho các vị trí đặc trưng nhất của chu trình chuyển động. Đó là hai vị trí đóng và vị trí ngắt. Các số liệu đặc trưng của sơ đồ động : + Độ lớn hành trình hoặc góc quay của các khâu chủ động và bị động. + Chiều dài các tay đòn, tỉ số truyền. + Đặt và định hướng các véctơ lực hay mômen lực. Ta phân tích lực của sơ đồ động ở hai trạng thái : d = 0 và d ạ 0 hay d = m+1 *Khi khe hở không khí d ạ 0 (d = m+1) Hình 3.1 * Khi khe hở d = 0, trạng thái nam châm hút nắp Sơ đồ động cho ta biết sự truyền động và biến đổi khớp, các khâu cơ cấu. Ftdc + F lxnc F dt + Gd l dt llx Hình 3.2 Với : Flxnc : Lực ép lò xo nhả cuối. Flxnđ : Lực ép lò xo nhả đầu. (Khi thiết kế kết cấu chọn chiều dài ld=llx) Ftđc : Lực tiếp điểm cuối thường mở. Ftđ : Lực tiếp điểm đầu thường đóng. Fđt : Lực điện từ . Gđ : Trọng lượng nắp. ->Do đó các lực tính toán sau khi quy đổi về điểm tính toán tại khe hở không khí bằng với giá trị thực của nó. II. Tính toán lò xo và trọng lượng phần động. 1. Tính trọng lượng phần động. Theo phần II. III.8 ta có: Gđ = Mđ . Iđm = 7. 10-3. 5 = 35. 10-3 (KG) = 0,35 (N). 2. Lò xo tiếp điểm : a.Chọn kết cấu và vật liệu : Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động của rơle nên ta chọn vật liệu làm lò xo là đồng phốt pho băng cứng, lò xo có dạng tấm phẳng. Loại lò xo này có điện trở suất nhỏ, dẫn điện và tản nhiệt tốt, độ bền cơ cao và dễ gia công. Các thông số kỹ thuật của đồng phốt pho: K‎ý hiệu: Độ bền giới hạn khi kéo: sk = 550N/mm2. Giới hạn đàn hồi: sd = 320 N/mm2. Giới hạn mỏi cho phép khi uốn: su = 190 N/mm2. Modul đàn hồi: E = 110. 103N/mm2. Modul trượt: Et = 42 . 103 N/mm2. Điện trở suất: r20 = 0,0184 . 10-3 Wmm. b. Tính toán. * Với rơle này có 5 lò xo tiếp điểm thường đóng và 5 lò xo tiếp điểm thường mở ( tiếp điểm kiểu bắc cầu ) nên ta có : - Lực ép tiếp điểm cuối thường mở của lò xo (sau khi nắp bị hút). Ftđc = 5.2Ftđc =10. 0,35 = 3,5 (N) Với Ftđc = Ftđ1 = 0,35 (N) (đã tính ở II.III.4.b) Lực ép tiếp điểm đầu thường mở của lò xo (khi nắp ở trạng thái mở) Ftđđ = 0; do lò xo tiếp điểm ban đầu không bị uốn cong bởi một lực ép khác. - Lực ép tiếp điểm đầu thường đóng của lò xo Ftđđ = 5.2.Ftđc = 10.0,35 = 3,5 (N) Lực ép tiếp điểm cuối thường đóng của lò xo Ftđđ = 0; do lúc này lò xo tiếp điểm không bị uốn cong bởi một lực ép khác. *Xác định kích thước của lò xo. b ltd a Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động, tiếp điểm kiểu bắc cầu. Hình 3.3 Chiều dài của lò xo từ chỗ lắp chặt được tính theo công._.