Thiết kế rơle 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. 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. Phần I : Chọn phương án dạng kết cấu. I. Giới thiệu chung về rơle * Rơle 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 (OMRON, FUJI, NATIONAL); Hàn Quốc (SUNGHO, LG)… Tuy có hình dáng, kích thước cụ thể có khác nhau, nhưng về nguyên lý cấu tạo và các thông số cơ bản đều như nhau. Dựa vào những ưu điểm và dạng kết cấu của các hãng sản xuất, ta chọn dạng kết cấu của rơle như sau: II. 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 qua việc điều chỉnh khe hở không khí làm việc của nam chân điện. III. Chọn nam châm điện + Nam châm điện đóng vai trò cơ cấu chuyển động trong rơle, nó quyết định tính năng làm việc và kích thước của Rơle Yêu cầu thiết kế rơ le trung gian với: U = 220V, Iđm = 5A, f = 50 Hz 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 nấp hút nam châm điện , không có dây dẫn mềm. Thanh dẫn động cũng chính là lò xo ép tiếp điểm. + 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 1. Nắp mạch từ 2. Lõi 3. Cuộn dây nam châm điện 4. Tiếp điểm động và thanh dẫn động 5. Tiếp điểm tĩnh và thanh dẫn tĩnh 6. Cơ cấu truyền động 7. Cần truyền động 8. Lò xo nhả 9. Vòng ngắn mạch 10. ổ trượt của cần truyền động. Nguyên lý làm việc. * Tiếp điểm thường mở khi chưa có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở trạng thái mở (ngắn mạch). Hình 2 * Tiếp điểm thường đóng khi không có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở trạng thái đóng (đóng mạch). Hình 3 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 lam 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 ro do Fnhả; các tiếp điểm sẽ trở lại trạng thái ban đầu. IV. 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. a. Điện áp định mức theo cách điện. Với khí cụ điện điều khiển và phần phối năng lượng hạ áp (Uđm = 220V), 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 = 220V + Điện áp định mức của cách điện: Ucđ = 220V b. 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. ở đây ta xét ở điện áp Uđm = 220 V 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 = 10mm Hình 4 Phần II : Tính toán mạch vòng dẫn điện. Mạch vòng dẫn điện là 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 điển động + Tiếp điểm tĩnh I. Thanh dẫn. 1. Xác định kích thước thanh dẫn động. a. Chọn vật liệu. Thanh dẫn đồng cũng đồng thời là lò xo lá dùng để ép tiếp điểm, các tiếp điểm được gắn trên các thanh dẫn. Vật liệu làm thanh dẫn bằng đồng phốt pho bằng 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 (tra bảng của tài liệu 1). Ký hiệu: : Nhiệt độ nóng chảy : 10830C Điện trở suất ở 200C : r = 0,0177.10-6 (xW cm) Hệ số nhiệt điện trở : a = 0,0043 (1/0C) Độ dẫn điện : l = 393 W/mdeg Nhiệt dung riêng : Cp = 386J/kgdeg Nhiệt lượng nóng chảy : 50,6 J/g Nhiệt lượng bay hơi : 770,0 J/g Modul đàn hồi : E = 100.103N/mm2 Modul trượt : Et = 42.103N/mm2 Độ cứng : HB = 91 kg/mm2 ứng suất uốn cho phép : su = 186 N/mm2 Giới hạn đàn hồi : sK = 550 N/mm2 Giới hạn đàn hồi : sth = 320 N/mm2 Hệ số nở dài : 17,7.10-6 1/0C Tỷ trọng : g = 8,9kg/dm3 Nhiệt độ ổn định : [q] = 950C b. Kết cấu của thanh dẫn động. a b Hình 5 Tiết diện và kích thước các cạnh a,b của các chi tiết thanh dẫn hình chữ nhật được xác định theo công thức (2 - 5)/19 tài liệu 1. Trong đó: n = = 5 á 12: Hệ số hình dáng. Chọn n = 12 Iđm = 5A 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. Chọn Kf = 1,06 KT: hệ số toả nhiệt không khí theo bảng (6 -5)/300 tài liệu 1 Chọn KT = 9.10-6 [W] mm2 0C tôđ : Độ tăng nhiệt độ ổn định tôđ = [q] - q0 = 950C - 400C = 550C Điện trở suất của đồng phốt pho ở nhiệt độ ổn đinh: qôđ = 950C. rq = r20 [1+ a (qôđ - q20)] = 0,0177 . 10-3 [ 1 + 0,0043 . 75] = 0,0234 . 10-3 ( Wmm) Vậy: Suy ra: a = n . b = 12 . 0,16 = 1,92 mm - Mặt khác ta đã chọn với rơle loại này thì thanh dẫn động cũng chính là lò xo ép tiếp điểm dạng tấm phẳng và kết hợp chọn theo đường kính tiếp điểm và đảm bảo độ bền cơ ứng với dòng điện: Iđm = 5A Theo bảng (2 - 15) / 51 tài liệu 1 + Đường kính tiếp điểm: dtđ = 3 (mm) Ta chọn: b = 0,4 (mm) a = 5 (mm) a, b là chiều rộng và bề dày thanh đẫn động. + Tiết diện thanh dẫn động: Stđ = a . b = 5 . 0,4 = 2 mm2 + Mật độ dòng điện qua thanh dẫn. Jtđ = = 2,5 A/mm2 Với [Jcp ] = 1,5 á 4 A/mm2 * Ta nhận thấy mật độ dòng qua thanh dẫn thoả mãn điều kiện. - Tính toán nhiệt độ thanh dẫn. Theo công thức: (2 - 4)/18 tài liệu 1, ta có: qôd = qtd = Với: * S = 2m2: là tiết diện thanh dẫn * p = 2 (a + b) = 2 (5 + 0,4) = 10,8mm là chu vi thanh dẫn. = 0,0163 . 10-3 ( Wmm) 2. Tính toán thanh dẫn động ở chế độ ngắn mạch. Theo công thức ( 6 - 11)/ 321 tài liệu 1 ta có: = Anm - Ađ = Abn - Ađ Suy ra: Inm = Ibn = Std . Với: Inm = Ibn: là dòng ngắn mạch - 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 thì: Abn = 3,75 . 104 (/A2S/mm4) qôđ = 950 thì Ađ = 1,6 . 104 (/A2S/mm4) Suy ra: Ibn = 2. * Với các giá trị thời gian khác nhau ta có các giá trị dòng điện và mật độ dòng điện tính toán tương ứng. + tbn = 3s đ Ibn = 200 = 169,3 (A) đ Ibn = = 84,7 (A) + tbn = 4s đ Ibn = 200 = 146,3 (A) đ Ibn = = 73,15 (A/mm2) + tbn = 10s đ Ibn = 200 = 92,74(A) đ Ibn = = 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 73,15 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 thích thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động. Ta chọn: b = 1mm A = 6mm Suy ra: Stdt = a . b = 6.1 = 6mm2 II. Tính toán vít đầu nối. Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện. 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 đạng mối nối tháo rời được vằng vít. 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) Kích thước và số lượng của chi tiết dùng để nối được tính theo số liệu thực nghiệm trong bảng ( 2 = 9)/32 tài liệu1. Với dòng điện Iđm = 5A thì kích thước của vít lò: - Đường kính ren hẹ mét. + Bulông thép: M3 x 18 + Trụ lõi dẫn điện có ren bằng đồng thau: M3 x 18, mối nối tháo rời được. - 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 = 100 kg/cm2 Suy ra: Ftx = 100. 16,13 . 10-2 = 16,13kg = 161,3 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 = - m = 0,7 (tiếp xúc mặt) - Ktx = 3,04 .10-3: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm giữa (đồng thau - thép) Suy ra: Rtx = = 0,43.10-3 W - Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc. Utx = Iđm . Rtx = 5. 0,43 . 10-3 Vậy Utx đã nằm trong khoảng cho phép là [Utx] = 2 á 30 mV. III. Xác định kích thước tiếp điểm. 1. Chọn vật liệu tiếp điểm. Với dòng điện Idm = 5A, 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/dm3 Nhiệt độ nóng chảy : qnc = 9610C Độ dẫn điện : l = 4,16 w/cm0C Hệ số nhiệt điện trở : 4.10-3 1/0C Điện trở suất ở 200C : r20 = 1,59.10-6 (Wcm) Độ cứng : HB = (30 - 60) kg/mm2 - Kích thước tiếp điểm phụ thuộc vào giá trị của dòng điện định mức. Kết cấu hệ thống tiếp điểm và tần số ngắt của dòng điện. Chọn kích thước tiếp điểm là hình trụ cầu, theo bảng (2 - 15)/51 tài liệu 1. Với Iđm = 5A ta chọn. Đường kính tiếp điểm: d = 3mm 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. 2. Lực ép tiếp điểm. a. Tính theo lý thuyết. Theo công thức (2 - 14) / 53 tài liệu 1 Ftđ = - Ftđ = n. Ftđ1 Vì tiếp xúc cả hai tiếp điểm là tiếp xúc điểm nên n = 1 Suy ra: Ftđ = Ftđ1 Iđm = 5A HB = 91 (kg/mm2): độ cứng vickét của đồng l = 4,16 (W/cm0C): hệ số dẫn nhiệt A = 2,42.10-8 V2/0C2 : hằng số loren Ftđ1 : gọi là lực nén tại một điểm tiếp xúc Ttd : nhiệt độ thanh dẫn nối tiếp xúc Ftx = Ttđ + DT: nhiệt độ tiếp xúc Với DT = ( 5 á 10)0K Chọn DT = 80K Suy ra: Ttx = Ttd + 80K = (qtd + 273) + 80K = ( 43 + 273) + 8 = 3240K Suy ra: Ftđ = = 0,002 (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 = 5A và vật liệu tiếp điểm là bạc kéo nguội nên ta có: ftđ = 5 á 10 (G/A) Chọn ftđ = 7 (G/A) Suy ra: Ftđ = 7.5 = 35G = 0,35 (N) * So sánh hai kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm ta có. Ftđ = 0,35 (N) 3. Tính điện trở tiếp xúc Rtx - Theo công thức lý thuyết: Rtx = Với rĐ = r20 [1+ a (q - 20)] = 1,59 . 10-6 [1 + 4.10-3 (95 - 20)] = 2,067 .10-6 (Wcm) Suy ra: Rtx = = 0,76.10-3 (W) - Theo công thức thực nghiệm: Rtx = Trong đó: - Ktx = 0,06 . 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 = = 0,32 . 10-3 (W) * So sánh giữa hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm ta lấy giá trị. Rtx = 0,76 . 10-3 (W) 4. Tính điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm. Theo công thức (2 - 27)/62 tài liệu 1 Utx = I . Rtx (V) = 5 . 0,76 . 10-3 = 3,8 .10-3 V * So sánh với tiêu chuẩn: [Utx] = 2 á 30mV; Ta thấy Utx tính được đã thoả mãn yêu cầu cho phép 5. Tính nhiệt độ 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: Stđ = = 7,07 mm2 ptđ = p. dtđ = 3,14 . 3 = 9,42 mm KT = 9. 10-6 (W/mm2 0C): hệ số toả nhiệt khống chế l = 0,416 (W/mm0C) Rtx = 0,76 . 10-3 (W) Suy ra: qtđ = 40 + = 410C Theo công thức ( 2 -12)/ 52 tài liệu 1 qtx = qtđ + = 620C * Như vậy: qtx < [q]cp = 950C là nhiệt độ cho phép đối với thanh dẫn cũng như tiếp điểm. 6. Tính dòng điện hàn dính. - 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 = 0,0147 .10-3 ( Wmm) qnc = 9610C Suy ra: A = = 1720 Suy ra: Ihđ = 1720 . = 455,1 (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. - Tính theo công thức thực nghiệm. ( 2 - 36)/67 tài liệu 1 Ihdbđ = Khđ . (A) Trong đó: Ftđ = 0,035 kg Khđ = 300 (A/kg): hệ số hàn dính xác định theo bảng (2-19)/67 tài liệu 1. Suy ra: Ihdbđ = 900 . = 168,4 (A) * Như vậy với dòng điện ngắn mạch Inm =50A không thể hàn dính tiếp điểm. 7. Tính độ mở và độ lún của tiếp điểm a. Độ mở. Độ mở m của tiếp điểm là 1 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: 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) 8. Tính độ rung tiếp điểm. + Ta tính biên độ rung theo công thức (2 - 39)/72 tài liệu 1. Với tiếp điểm là hình trụ cầu. Xm1 = Trong đó: - Ftđ đ = ( 0,4 á 0,7) Ftđc = 0,6 . 0,035 = 0,021 kg Là lực ép tiếp điểm ban đầu tại thời điểm va đập. - mđ = (KG.S2/m): khối lượng nắp - Gđ = mc . Iđm ( KG) Theo bảng (2 - 17)/55 tài liệu 1 ta có: Mc = 7.10-3 (KG/A): khối lượng đơn vị 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 Chọn KV = 0,85: hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu Suy ra: Xm1 = = 0,1275 (mm) Vì số tiếp điểm thường mở cửa rơle là 5 nên ta có độ rung tổng: Xmồ = = 0,0255 (mm) + Thời gian rung của tiếp điểm theo công thức (2-40)/72 tài liệu 1 tm = = = 2,63 (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 = 1,5 . 2 . 2,63 = 7,9 (ms) 9. 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 Theo công thức (2 - 54)/79 tài liệu 1 Trong đó: - Kđ, Kng: Hệ số mòn khi đóng và khi ngắt cho trong hình (2 - 16)/79 tài liệu 1. Kđ = Kng = 0,5 (g/A2) Kkđ = 1,1: hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn. Iđ = . Iđm = 5 (A) Ing =5Iđm =25 (A) g, gng: khối lượng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt. Suy ra: gđ + gng = 10-9 ( 0,5 . 252 + 0,5 . 52). 1,1 = 357,5 . 10-9 (g) Như vậy khối lượng mòn của một lần đóng ngắt là: 357,5 . 10-9 (g) Vậy sau106 lần đóng ngắt thì tiếp điểm mòn: 357,5 . 10-9 .106 = 357,5 . 10-3 (g) + Thể tích của tiếp điểm: Vtđ = Stđ . h = = = 8,478 mm3 + Thể tích bị mòn của tiếp điểm: Vmòn = = 3,405 (dm3) = 3,405 (mm3) Với: g = 10,5 kg/dm3: trọng lượng riêng của bạc kéo nguội Mhm = 357,5 . 10-3 (g): khối lượng hao mòn của tiếp điểm. - Độ hao mòn của tiếp điểm được tính theo % = 40,2% 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, khi đóng mạch, tốc độ chuyển động của tiếp điểm phải đủ lớn để giảm nhỏ thời gian cháy hồ quang và tốc độ không lớn tránh va đập, rung động. + Phải đảm bảo thời gian tác động. 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, của 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 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. Ftđc + F lxnc F đt + G đ l đt llx Hình 7 Với : Flxnhc : Lực ép lò xo nhả cuối. Ftđc : Lực tiếp điểm cuối thường mở. Fđt : Lực điện từ . Gđ : Trọng lượng nắp. - Khi khe hở không khí d ạ 0 (d = m+1) Hình 8 II. Tính toán lò xo và trọng lượng phần động. 1. Tính trọng lượng phần động. Theo phần II. III.8 ta có: Gđ = mc . Iđm = 7. 10-3. 5 = 35. 10-3 KG. = 0,35 N. 2. Lò xo tiếp điểm : a. Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động của rơle nên ta chọn vật liệu làm lò xo là đồng phốt pho, 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 = 186 N/mm2. Modul đàn hồi: E = 100. 103N/mm2. Modul trượt: Et = 42 . 103 N/mm2. Điện trở suất: r20 = 0,0177 . 10-6 Wm. 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). + Lực ép tiếp điểm cuối của lò xo (sau khi nắp bị hút). Ftđc = 5.2Ftđ1 =10. 0,35 = 3,5N Với Ftđ1 = 0,35 N; đã tính. + Lực ép tiếp điểm ban đầu của lò xo : Ftđđ = 0; do lò xo tiếp điểm ban đầu không bị uốn cong bởi một lực ép khác. Xác định kích thước của lò xo. Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động, tiếp điểm kiểu bắc cầu. b ltđ a Hình 9 Chiều dài của lò xo từ chỗ lắp chặt được tính theo công thức (4-20) trang 168, TL1 : = 71mm. Vậy chiều dài mỗi bên của lò xo là: l = = 35,5 mm. Độ võng của lò xo được xác định theo công thức (4-21)/169 tài liệu 1. = 1,63 (mm). Vậy f ³ l1 = 1,6 là độ lún tiếp điểm nên chiều dài lò xo l = 35,5 (mm) là thích hợp. + Độ cứng của lò xo là lực do lò xo gây ra ở độ võng khoảng 1mm. j = = 0,215 (N/mm). * Tính toán kiểm tra lại: Theo công thức (4-25)/169 tài liệu 1. su = Với: M = = 0,133 mm3. là mô men chống uốn. So sánh giữa su tính toán và [su]cp cho phép ta thấy. su < [su]cp = 186 N/mm2. Vậy lò xo tiếp điểm đã thiết kế làm việc bình thường. 3. Tính lò xo nhả : a. Chọn vật liệu : Ta chọn vật liệu làm lò xo nhả là thép Cácbon có độ bền cơ cao. Lò xo kiểu hình xoắn trụ, chịu nén tốt, có các thông số sau: Ký hiệu : I(B) Độ bền kéo giới hạn sk = 2650(N/mm2) . Giới hạn mỏi cho phép khi uốn. su = 930 N/mm2. Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn sx = 580 N/mm2. Modul đàn hồi E = 200. 103N/mm2. Mudul trượt: Et = 80. 103 N/mm2. Điện trở suất r = (0,19 á 0,22) . 10-6 Wm. b. Tính toán Theo kết cấu của rơle ta tính lực lò xo nhả theo công thức: + Fnhđ = Kdt (Ftđc + Gđ + Fms). Với Kđt = 1,2: hệ số dự trữ. Ftđc = 3,5N. Gđ = 0,35 N. Fms = 0. Suy ra: Fnhđ = 1,2 (3,5 + 0,35) = 4,62 (N). + Theo kinh nghiệm: Fnhc = (11,5 á 2) Fnhđ. = 1,5 . 4,62 = 6,93 (N). - Đường kính d của dây thép quấn lò xo theo công thức (4-31)/173 tài liệu 1. Trong đó : K = 1,14 : hệ số xét tới độ cong của lò xo. C : Chỉ số của lò xo. c = (4 á 10). Chọn ị Suy ra: D = C.d = 10 . 0,6 = 6 mm. + Số vòng dây của lò xo được xác định theo công thức (4-32) trang 173, tài liệu 1. Trong đó : G = 80.103 N/mm2 : Môđun trượt. f' = m + l1 = 4 + 1,6 = 5,6 mm : Khoảng lún của lò xo. d = 0,6 mm C = 10. Suy ra: = 5 vòng. Số vòng toàn bộ của lò xo : W0 = W + 1 = 6 vòng. + Bước chịu nén của lò xo. Theo (4-33) trang 173, tài liệu 1 : - Chiều dài tự do của lò xo. Theo (4-34) tài liệu 1. l0 = W0. tn + 1,5d = 6 . 1,53 + 1,5 . 0,6 = 10,08 (mm). + Chuyển vị lớn nhất của lò xo kể từ khi chưa chịu tải tới khi chịu tải lớn nhất : Theo (19-3) tài liệu 2 + Bước lò xo khi chưa chịu tải theo công thức : Theo công thức (19-12) tài liệu 3 (Chi tiết máy). + Độ cứng của lò xo j là lực do lò xo sinh ra khi bị kéo hoặc nén 1 khoảng 1mm : = 1 N/mm. * Tính toán kiểm tra lại : Tính trị số ứng suất xoắn của lò xo khi có lực theo công thức ( 4-28) tài liệu 1. Ta xét thấy sx < [sx]cp = 580 N/mm2. Vậy lò xo có thể làm việc tốt. III. Dựng đặc tính cơ : Do rơle này với nam châm điện kiểu hút chập vì thế điểm đặt của lực điện từ khác điểm đặt của các phản lực cho nên ta phải qui đổi các phản lực về điểm đặt của Fđt. Theo công thức (4-1)/148 tài liệu 1. Fqđ = F . Kqđ. Trong đó: Kqđ = Theo kết cấu ta chọn thì llx = lđt. ị Kqđ = 1 ị Fqđ = F. Vậy ta có các bước qui đổi: + Lực ép tiếp điểm: Ftđc = 3,5 (N) Ftđđ = 0 + Lực lò xo nhả. Fnhđ = 4,62 (N) Fnhc = 6,93 (N). + Trọng lượng phần động: Gđ = 0,35 (N) + Khe hở không khí làm việc của nam châm điện dmax = l1 + m = 1,6 + 4 = 5,6 (mm). Phần IV: Tính toán nam châm điện xoay chiều I. Khái niệm chung. Nam châm điện sử dụng đặc biệt chủ yếu trong cơ cấu điện từ, là bộ phận sinh ra lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến, chuyển động quay hữu hạn của cơ cấu chấp hành, hoặc sinh ra các lực hãm…Các quá trình xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp. Vì vậy cho tới nay việc tính toán nam châm điện thường được dựa theo các công thức đơn giản , gần đúng rồi kiểm nghiệm lại theo các công thức lý thuyết dẫn tới bài toán tối ưu. Hiện nay với việc phát triển công nghệ máy tính, người ta đã lập được các phương trình tính nam châm điện bằng phương pháp phân tử hữu hạn nhanh. Trong rơle, nam châm điện là bộ phận chủ yếu là cơ quan sinh lực để thực hiện chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm. - Nguyên lý hoạt động của nam châm điện: khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra lực điện từ Fđt hút nắp (phần ứng) về phía thân mạch từ, khi ngắt dòng điện thì lực điện từ sẽ không còn, đồng thời nắp sẽ tách ra khỏi thân nhờ lực lò xo nhả Fnhả sinh ra. Đặc điểm của nam châm điện. - Nam châm điện kiểu kín, chịu rung và va đập - Làm việc ở chế độ dài hạn và ngắn hạn - Đặc tính phản lực cơ đã biết ở phần III - Nguồn điện áp xoay chiều: Uđm = 220V Có công suất: S = const. Nhiệt độ đối với rơle: qmt = 400C II. Tính chọn sơ bộ nam châm điện. hc hn a1 a2 C B H 1. Chọn dạng kết cấu. Hình 12 Nam châm điện có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây, sự khác nhau về dạng kết cấu dẫn đến sự khác nhau về đặc tính lực hút điện từ Fđt và công nghệ chế tạo. Cuộn dây đặt trên mạch từ. Vòng ngắn mạch đặt phía cực từ có cuộn dây. Nếu căn cứ vào hệ số kết cấu để chọn dạng kết cấu tối ưu, theo công thức (5 - 2) tài liệu 1. Kkc = (N0,5/m) Trong đó: Fđt: lực hút điện từ d: Khe hở không khí tại điểm tới hạn. * Xét trên đường đặc tính phản lực ta xác định ở phần III thấy rằng. Rơle làm việc khi: - Khi hút: Fđt > Fcơ - Khi nhả: Fđt < Fcơ Ta có lực điện từ tại điểm tới hạn. Fđtth = Kdt . Fcơ th Với: Fdt = 1,2: hệ số dự trữ Fcơ th = 5,62 (N) Suy ra: Fđtth = 1,2 . 5,62 = 6,744 (N) dth = 4.10-3m Suy ra: Kkc = = 918 (N0,5/m) * Với giá trị tìm được của Kkc, ta tham khảo bảng (5 - 2) tài liệu 1 ta thấy: Kkc ẻ (630 á 63000) (N0,5/m) Vậy dạng kết cấu của nam chân điện chọn là thích hợp. 2. Chọn vật liệu của nam châm điện. Mạch từ của nam châm điện xoay chiều được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện silic cho trong bảng (5 - 2)/ 193 tài liệu 1, có các thông số kỹ thuật sau: Kí hiệu : ' 31 Độ dày lá thép : D = 0,5 mm Lực từ phản kháng : HC = 0,32 á 0,4A/cm Từ cảm bão hoà : Bd = 2T Độ từ thẩm : m = 250 Độ từ cảm cực đại : mmax = (6 á 7) . 1000 Từ cảm lõi thép : Bmax = 10,8 á 1,2) T Khối lượng riêng : g = 7,65/cm3 Điện trở suất : r = (140 á 60).10-8 ( Wm) 3. Chọn cường độ từ cảm và hệ số từ rò, hệ số từ tản tại khe hở dth = 4mm a. Chọn độ từ cảm. Bmax = (0,8 á 1,2) T; chọn Bmax = 1,03T Bdth = (0,4 á 0,6)T; Chọn Bdth = 0,45T b. Hệ số từ rò: ở trạng thái phản ứng hở, hệ số từ rò srò phụ thuộc rất lớn vào khe hở không khí làm việc sr = 1,1 á 1,8; chọn sr = 1,4 c. Chọn hệ số từ tản. Dựa trên kết cấu của nam chân điện, hệ số từ tản trong khoảng: st = (1 á 1,8); chọn st = 1,3 4. Xác định kích thước chủ yếu và các thông số của nam chân điện. a. Xác định tiết diện lõi thép. Nam châm điện hình chữ U nên S1 = S1= S: là tiết diện lõi thép Lực từ chỉ tác động phía bên cực từ dây quấn do đó: Fđtth = Fđt = 6,744 (N) Theo công thức (5 - 8)/204 tài liệu 1 S = = 167,4 mm2 Gọi kích thước các cạnh của lõi thép là a và b Với mạch từ ép từ các lá thép kỹ thuật điện ta có quan hệ tối ưu của các cạnh của tiết diện hình chữ nhật: = 1 Suy ra: S = a.b = a2 Vậy: s = = 13mm Vì trong quá trình lắp ráp các lá thép có độ dày D = 0,5 mm do đó ta phải kể đến hệ số ép chặt là: Kc = 0,93; nên bề dày của lõi b' = = 14 mm * Nhưng do ở đầu cực từ có đặt vòng ngắn mạch cho nên: a' = a + D' vòng (với D' vòng = 2mm) = 13 + 2 = 15 mm Vậy tiết diện thực của trụ lõi có đặt cuộn dây: S2 = a'. b' = 14 . 15 = 210 mm2 b. Xác định kích thước của cuộn dây. Sức từ động tác động (IW) tác động gồm các sức từ động khi nấp hút vò, khi nắp nhả. (IW)tđ = (IW)h + (IW) nh + Tính (IW) h theo công thức (5 - 20)/210 tài liệu 1. (IW)h = Trong đó: m0 = 1,256 . 10-6H/m: hệ số từ thẩm của không khí Bdth = 0,45T sr = 1,4 ồdh = 2dcn + dcd + dgđ Với: dcn = 0,05 m: khe hở do công nghệ dcd = 0,15m: khe hở chống dính dgđ = 0,05m: Khe hở giả định Vậy: ồdh = 2 . 0,05 + 0,15 + 0,05 = 0,3mm Suy ra: (IW)h = = 150 A vòng + Tính (IW)nh theo công thức (5 - 19)/209 tài liệu 1. (IW)nh = Với: ồdnh = dth + dph = 4 + 0,1 = 4,1 mm Suy ra: (IW)nh = A Vậy (IW)tđ = 150 + 1469A = 1619 A vòng * Kiểm tra lại bội số dòng điện. Ki = = 9,8 Vậy Ki đã nằm trong phạm vi cho phép lò: Ki ẻ (4 á 12) - Xác định kích thước của cuộn dây nam châm điện. + Tiết diện cây của nam châm điện được xác định theo công thức (5 - 14) 21 tài liệu 1. Scd = Trong đó: Kumax = 1,1 : hệ số tầng áp Kumin = 0,85: hệ số tụt áp Kqđ = 1 : hệ số quá tải của dòng dài hạn. Klđ = (0,3 á 0,7); chọn Klđ = 0,4 J = (1,5 á 4) a/mm2; chọn J = 2,5 A/mm2 Suy ra: Scd = = 194 mm2 Từ Scd ta xác định được chiều cao cuộn dây và bề dày trên cơ sở thực nghiệm của NCĐ xoay chiều chọn sơ bộ tỷ số. = 2 á 4 ; chọn = 2 đ hcd = 2 . lcd Scd = lcd . hcd = 2 . Suy ra: lcd = = 9,8 mm đ hcd = 2 . 9,8 = 19,6mm - Xác định kích thước của nam châm điện. hc D2 a2 C B H D1 D3 D4 D5 hcd lf lcd a1 Hình 13 Trong đó: D1 = ( 1 á 2/ mm); chọn: D1 = 1,5mm D2 = ( 0,5 á1/ mm); chọn: D2 = 0,5mm D3 = (0,5 á 1/ mm); chọn: D3 = 0,5mm D4 = (5 á 10 mm); chọn: D4 = 5,7mm D5 = 0,5 (mm) lf = 4,4 (mm) + Bề rộng của cửa sổ mạch từ: C = lcd + D2 + D3 + D4 + D5 = 9,8 + 0,5 + 0,5 + 5,7 + 0,5 = 17mm + Chiều cao của cửa sổ mạch từ: hc = 2 D1 + hcd + lf = 3 + 19,6 +4,4 = 27 (mm) + Chiều rộng của nam châm điện. B = a1 + a2 + C = 13 + 15 + 17 = 45 (mm) + Tiết diện nắp nam châm điện. - Bề dày của nắp lấy bằng bề dảy cực từ: bn = b = 14 (mm) - Chiều cao của nắp lấy bé hơn bề rộng cực từ: hn = 12(mm) + Tiết diện đáy của nam châm điện Sđáy = S1 = 13 . 14 = 182 (mm2) + Chiều cao của NCĐ. H = a1 + hc + hn = 13 + 27 + 12 = 52 (mm) 5. Tính toán kiểm nghiệm nam châm điện. a. Sơ đồ đẳng trị với d ạ 0 Khi nắp mở, có thể bỏ qua từ trở và từ kháng của mạch từ nhưng phải xét đến từ thông rò cho nên mạch từ có sơ đồ đẳng trị sau: IW Gr Gt Gd fd ft fr f0 IW Gr Gd fd fr f0 IW Gồ f0 Hình 14 Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây của NCĐ thì sẽ có các loại từ thông chạy trong mạch từ như sau: + fd._.