I

Thiết kế contactor xoay chiều 3 pha.

Nguyễn Thái Thanh – KTĐ 3 – K54 3

Nhóm sinh viên:

1-Nguyễn Thái Thanh.

2-Lưu Mạnh Tuấn.

3-Vũ Văn Tuấn.



Contents I. CÁC YÊU CẦU CHÍNH VỚI CONTACTOR ................................................................. 8 II. CHỌN PHƯƠNG ÁN ..................................................................................................... 10

1. Lựa chọn nam châm điện ............................................................................................ 10 2. Hệ thống tiếp điểm ....................................................................................................... 10 3. Buồng dập hồ quang .................................................................................................... 11 4. Hệ thống phản lực ........................................................................................................ 12 5. Chọn phương án kết cấu: ............................................................................................ 12

III. TÍNH VÀ DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ .............................................................................. 14 1. Khái niệm: .................................................................................................................... 14 2. Thanh dẫn : .................................................................................................................. 14 3. Thanh dẫn tĩnh. ........................................................................................................... 18 4. Đầu nối: ........................................................................................................................ 18 5. Tiếp điểm...................................................................................................................... 19 6. Tính dòng hàn dính và biện pháp chống hàn dính : ................................................... 25 7. Sự rung của tiếp điểm :................................................................................................ 26 8. Sự mòn của tiếp điểm : ................................................................................................ 27

IV. TÍNH VÀ DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ .............................................................................. 29 1. Lập sơ đồ động. ............................................................................................................ 29 2. Tính toán lò xo. ............................................................................................................ 30 3. Tính toán lò xo nhả. .................................................................................................... 30 4. Tính toán lò xo tiếp điểm chính. .................................................................................. 32 5. Tính toán lò xo tiếp điểm phụ. ..................................................................................... 33 6. Xác định các lực: .......................................................................................................... 35 7. Đồ thị đường đặc tính cơ: ............................................................................................ 36

V. BUỒNG DẬP HỒ QUANG ĐIỆN. ................................................................................. 37 1. Khái niệm về hồ quang điện ........................................................................................ 37 2. Hồ quang điện xoay chiều: .......................................................................................... 38 3. Yêu cầu đối với buồng dập hồ quang. ......................................................................... 39 4. Chọn vật liệu làm buồng dập hồ quang. ..................................................................... 39 5. Kết cầu buồng dập hồ quang. ...................................................................................... 40 6. Tính toán và chọn lựa. ................................................................................................. 41

VI. NAM CHÂM ĐIỆN ..................................................................................................... 43 1. Khái niệm chung. ......................................................................................................... 43



2. Tính kích thước cơ bản nam châm điện...................................................................... 43

3. Chọn vật liệu mạch từ: ............................................................................................. 44

4. Chọn từ cảm, hệ số từ rò, hệ số từ tản: ....................................................................... 45 5. Tính tiết diện lõi mạch từ: ........................................................................................... 45 6. Tính toán cuộn dây: ..................................................................................................... 46

a. Sức từ động của cuộn dây: .............................................................................................. 47 b. Kích thước cuộn dây: ......................................................................................................... 48

7. Kích thước mạch từ: .................................................................................................... 49 VII. TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM NAM CHÂM ĐIỆN ................................................. 51

1. Lập sơ đồ thay thế: ...................................................................................................... 51 2. Tính từ dẫn khe hở không khí. .................................................................................... 52 3. Xác định hệ số từ rò tại th : .................................................................................. 57

4. Xác định số vòng dây ................................................................................................... 59 5. Tính toán vòng ngắn mạch chống rung: ..................................................................... 61 6. Xác định kích thước vòng ngắn mạch ......................................................................... 64 7. Hệ số toả nhiệt của vòng ngắn mạch ........................................................................... 65 8. Tổn hao trong lõi thép ................................................................................................. 65 9. Tính dòng điện trong cuộn dây nam châm điện ......................................................... 66 10. Tính toán nhiệt dây quấn nam châm điện ............................................................... 68 11. Tính và dựng đặc tính lực hút.................................................................................. 70 12. Tính và dựng đặc tính lực nhả ................................................................................. 71

VIII. THIẾT KẾ KẾT CẤU ................................................................................................. 73 1. Kết cấu vỏ..................................................................................................................... 73 2. Hệ thống tiếp điểm ....................................................................................................... 74 3. Nam châm điện ............................................................................................................ 75 4. Hệ thống mạch từ......................................................................................................... 76 5. Hệ thống dập hồ quang ................................................................................................ 76

TÀI LI ỆU THAM KHẢO ..................................................................................................... 77



YÊU CẦU THIẾT KẾ I. Đề tài thiết kế:

Thiết kế công tắc tơ xoay chiều ba pha

II. Các số liệu ban đầu: - Tiếp điểm chính : Iđm = 63 A, Uđm = 400 V - Số lượng : 3 tiếp điểm chính thường mở; 2 tiếp điểm phụ

thường mở; 2 tiếp điểm phụ thường đóng. - Nam châm điện : Uđm = 380 V, f=50Hz, Iđm phụ = 5 A. - Tần số thao tác : 500 lần đóng cắt / giờ. - Tuổi thọ cơ : 100000; điện : 1000000 lần đóng cắt - Làm việc liên tục, cách điện cấp B. III. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: 1. Chọn phương án kết cấu ( sơ đồ động, kiểu tiếp điểm, kiểu nam châm

điện). 2. Tính mạch vòng dẫn điện: thanh dẫn, đầu nối, tiếp điểm. 3. Chọn hộp dập hồ quang. 4. Tính toán lò xo nhả, lò xo tiếp điểm. 5. Dựng đặc tính cơ. 6. Tính toán nam châm điện. 7. Tính và dựng đặc tính lực hút điện từ. 8. Tính toán nhiệt, hệ số nhả, trọng lượng nam châm điện và công tắc tơ. 9. Thiết kế kết cấu. 10. Vẽ bản vẽ tổng hợp lắp ráp khổ giấy A0 IV. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:



A.GIỚI THIỆU VỀ CONTACTOR.

Khái quát về công tắc tơ Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng, cắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa, bằng tay hay tự động. Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. Thông thường ta gặp loại đóng, cắt bằng nam châm điện. Theo nguyên lý truyền động người ta phân ra các loại công tắc tơ đóng cắt tiếp điểm bằng điện từ, bằng thuỷ lực, bằng khí nén và không tiếp điểm. Theo dạng dòng điện đóng cắt có loại công tắc tơ điện một chiều và công tắc tơ điện xoay chiều. Công tắc tơ điện một chiều dùng để đóng, cắt mạch điện một chiều, nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều. Công tắc tơ điện xoay chiều dùng để đóng, cắt mạch điện xoay chiều, nam châm điện của nó có thể là nam châm điện một chiều hay xoay chiều.

Cấu tạo và nguyên lý công tắc tơ xoay chiều ba pha Cấu tạo

Công tắc tơ xoay chiều có các bộ phận chính sau: - Hệ thống mạch vòng dẫn điện ( thanh dẫn, đầu nối, tiếp điểm) - Hệ thống dập hồ quang - Nam châm điện - Cơ cấu phản lực - Các chi tiếp kết cấu vỏ và cụm cách điện b. Nguyên lý chung

Các công tắc tơ làm việc trên nguyên lý điện từ: sử dụng lực điện từ của nam châm điện để đóng cắt. Nam châm điện gồm: mạch từ và cuộn dây. Mạch từ dùng để dẫn từ nó là những lá thép kĩ thuật điện ghép lại với nhau, hình chữ E hay U. Mạch từ gồm hai phần: một phần cố định, phần còn lại là nắp được nối với hệ thống qua tiếp điểm qua tay đòn. Cuộn dây nam châm điện xoay chiều có điện trở rất nhỏ so với điện kháng.

Khi cho dòng điện vào cuộn dây, từ thông sẽ được sinh ra trong nam châm điện.Từ thông này sinh ra một lực điện từ. Khi lực điện từ lớn hơn lực cơ thì nắp mạch từ được hút về phía mạch từ tĩnh, làm cho tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm tĩnh được gắn trên thanh dẫn tĩnh, đầu kia của thanh dẫn có 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 với tiếp điểm phụ thường mở và mở ra đối với tiếp điểm thường đóng. Lò xo nhả bị nén lại.



Khi ngắt điện vào cuộn dây, 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 của mạch từ chính thì hồ quang sẽ xuất hiện giữa hai tiếp điểm. Nhờ các vắch ngăn trong buồng dập hồ quang, hồ quang sẽ được dập tắt. B.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

I. CÁC YÊU CẦU CHÍNH VỚI CONTACTOR

a. Yêu cầu về kỹ thuật:

Yêu cầu kỹ thuật là một yêu cầu quan trọng và quyết định nhất đối với quá

trình thiết kế khí cụ điện. Nó bao gồm các yêu cầu về:

- 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. Vì vậy cần phải đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết,

bộ phận phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép để không làm giảm cơ tính, giảm tuổi

thọ….

- Độ bền cách điện của các chi tiết bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện

khi làm việcvới điện áp lớn nhất để không xảy ra phóng điện, trong điều kiện môi

trường xung quanh 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 làm việc định mức và chế độ sự cố.

- Khả năng đóng cắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện thông qua

các chi tiết, bộ phận.

- Độ bền cơ, hóa học đối với môi trưòng xung quanh.

- Tính năng kỹ thuật, công nghệ tiên tiến, kết cấu đơn giản, khối lượng và kích

thước nhỏ.

b. Các yêu cầu về vận hành:



Khi vận hành,sử dụng cần chú ý các yêu cầu sau:

- Ảnh hưởng của môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ…do đó cần phải tránh

các tác động có hại của môi trường lên thiết bị điện.

- Có độ tin cậy đối với người sử dụng, vận hành, thao tác.

- Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài.

- Đơn giản, dễ thao tác,sửa chữa, thay thế.

- Chi phí vận hành và tiêu tốn năng lượng ít.

c. Các yêu cầu về kinh tế xã hội Đây là một trong các yêu cầu quyết định tới vị trí của sản phẩm:

Khi thiết kế một sản phẩm nói chung và một thiết bị điện nói riêng đầu tiên người

thiết kế phải chú ý đến thị trường, làm thế nào để khi đưa ra sản phẩm của mình thì

có thể chiếm được ưu thế so với các sản phẩm cùng chủng loại, cùng có chất lượng

kỹ thuật thì thiết bị của mình phải có giá thành hạ, có tính thẩm mĩ của kết cấu, vốn

đầu tư khi lắp ráp, chế tạo là nhỏ nhất.

d. Các yêu cầu về công nghệ chế tạo

- Tính công nghệ của kết cấu: dùng các chi tiết, cụm quy chuẩn, tính lắp dẫn…

- Lưu ý đến khả năng chế tạo: mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất, khả

năng của thiết bị.

- Lưu ý đến khả năng phát triển chế tạo, sự lắp ghép vào các tổ hợp khác, chế tạo

dãy….



II. CHỌN PHƯƠNG ÁN

Để có kết cấu hợp lý và phù hợp với điều kiện công nghệ nước ta hiện nay, việc tham khảo một số mẫu hiện có trên thị trường nước ta để có thể chọn ra được phương án tối ưu, phù hợp là rất cần thiết.

1. Lựa chọn nam châm điện Do bài toán yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều nên chọn nam châm điện xoay chiều. Nam châm điện là bộ phận quan trọng của CTT, dùng để biến điện năng thành cơ năng. Nam châm điện có hai bộ phận chính: mạch từ và cuộn dây. Mạch từ của nam châm điện xoay chiều có hai dạng: chữ E nắp hút thẳng hoặc chữ U nắp hút quay. Qua thực tế thì người ta thường chọn nam châm điện dạng chữ E nắp hút thẳng, được làm từ thép kĩ thuật điện để giảm tổn hao do từ trễ và dòng xoáy. Loại kết cấu nam châm điện nắp hút thẳng có nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phương chuyển động trùng với phương tác dụng của lực. Đồng thời đặc tính lực hút tương đối lớn, hành trình chuyển động nhanh, thời gian chuyển động ngắn. Tuy nhiên loại này có những nhược điểm: có bội số dòng điện lớn nên không dùng cho chế độ làm việc trung bình và lớn nhỏ, công suất nhỏ. Loại nam châm điện nắp hút quay dùng cho dòng điện lớn. Với dòng điện lớn nếu dùng kiểu hút thẳng thì kích thước sẽ rất lớn nhưng dùng kiểu hút quay kích thước sẽ nhỏ hơn. Yêu cầu đề tài thiết kế dòng qua tiếp điểm chính là 80A nên ta chọn mạch từ chữ E hút thẳng.

2. Hệ thống tiếp điểm Công tắc tơ dùng để đóng, ngắt với tần số cao nên tuổi thọ của CTT phụ thuộc vào hệ thống tiếp điểm. Hệ thống tiếp điểm có nhiệm vụ đóng ngắt mạch điện, dòng điện chạy từ tiếp điểm tĩnh sang tiếp điểm động qua bề mặt tiếp xúc. Hệ thống tiếp điểm CTT xoay chiểu kiểu hút thẳng thường sử dụng các dạng tiếp xúc sau: - Tiếp xúc điểm: dùng với dòng điện bé, không cần lực ép tiếp điểm lớn thường dùng trong rơle.



- Tiếp xúc đường: dùng cho dòng điện lớn đến vài trăm ampe hợc lớn hơn, thường dùng khi NCĐ nắp hút quay - Tiếp xúc mặt: dùng cho dòng điện lớn cần một lực ép tiếp điểm lớn. Kết cấu tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện, chức năng của tiếp điểm, tần số làm việc, tuổi thọ và nhiều yếu tố khác. Vì vậy khi thiết kế cần đảm bảo các yếu tố: - Các tiếp điểm chính phải có điện trở tiếp xúc bé. - Khi làm việc ở chế độ định mức tiếp điểm không được phát nóng quá trị sô cho phép. - Phải ổn định với tác động nhiệt và điện động của dòng điện. - Phải đảm bảo độ bền cơ, điện là bé nhất, độ rung tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép. Và yêu cầu thiết kế là Iđm = 80 A, chọn kết cấu tiếp điểm là tiếp điểm kiểu bắc cầu một pha hai chỗ ngắt. Vi nó ưu điểm là khả năng dập hồ quang cao, không cần dây nối mềm. Nhưng nhược điểm của nó là: khi đòng ngắt lớn thì lực tác động lớn ảnh hưởng đến kích thước của KCĐ, không dùng với dòng lớn. Tiếp điểm kiểu ngón một pha một chỗ ngắt thì dập hồ quang khó hơn, có dây nối mềm, nó thường sử dụng với dòng điện lớn, kết cấu phức tạp. Ta không chọn kết cấu loại này.

3. Buồng dập hồ quang - Thiết bị dập hồ quang phải thỏa mãn những yêu cầu sau: + Đảm bảo được khả năng đóng và khả năng cắt, nghĩa là đảm bảo giá trị dòng điện đóng và dòng điện ngắt ở điều kiện cho trước. + Có thời gian cháy nhỏ để giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang. + Quá điện áp thấp. + Kích thước buồng dập hồ quang nhỏ. - Có 2 phương pháp dập hồ quang phổ biến là: + Dùng buồng dập hồ quang kiểu dàn dập: được làm từ những lá thép non ghép lại có khe hở với nhau, khi hồ quang xuất hiện nó được đẩy vào dàn dập do lực điện động, hồ quang được chia nhỏ thành từng đoạn, chạm vào vách ngăn và nhanh chóng bị dập tắt. Phương pháp này 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. Phương pháp này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và khả năng dập hồ quang cũng rất tốt, phù hợp với CTT xoay chiều. + Dùng buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp cộng với cuộn thổi từ, dưới tác dụng của từ trường lên dòng điện hồ quang, sinh ra lực điện động hút hồ quang vào buồng dập khe hở hẹp nên hồ quang nhanh chóng được dập tắt. Phương pháp này có khả năng rất tốt xong kết cấu phức tạp, thường dùng ở CTT dòng điện lớn, chế độ làm việc nặngphù hợp với CTT một chiều.



Vậy ta chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập. 4. Hệ thống phản lực

Từ kiểu dáng và kết cấu nam châm điện mà ta chọn lò xo tiếp điểm loại xoắn trụ làm việc chịu nén.

- Loại lò xo này có độ bền cơ cao và ít bị ăn mòn, tạo được lực ép lớn, làm việc ổn định, không có dòng điện chạy qua nên không bị phát nóng không già hóa. Do đó làm việc tin cậy, hiệu quả cao. - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Tóm lại. Qua sự phân tích các mẫu hiện có, trên cơ sở điều kiện nước ta, ta chọn dạng kết cấu CTT như sau: - Mạch từ chữ E, nắp hút thẳng - Có buồng dập hồ quang kiểu dàn dập - Kết cấu tiếp điểm: + Kiểu bắc cầu một pha hai chỗ ngắt + Tiếp điểm tĩnh hàn cố định với thanh dẫn + Tiếp điểm động chuyển động, thẳng tịnh tiến . - Lò xo tiếp điểm kiểu xoắn trụ, chịu nén. Đối với tiếp điểm chính Iđm = 95 A ta chọn tiếp xúc kiểu trụ cầu - mặt phẳng ( tiếp xúc điểm ) Đối với tiếp điểm phụ dòng điện làm việc Iđm = 5A tiếp xúc kiểu mặt cầu -

mặt cầu ( tiếp xúc điểm ). 5. Chọn phương án kết cấu:

Khí cụ điện là những thiết bị để trực tiếp đóng cắt mạch điện, do vậy trong

quá trình đóng cắt dòng lớn công tắc tơ phải chịu dòng điện hồ quang, quá điện áp

điện và bảo vệ chúng trong các trường hợp sự cố. Qua phân tích ưu nhược điểm

của các kết cấu cùng với dự tham khảo thực tế em chọn kết cấu như hang LG loại

GMC_65 có kết cấu:

Chọn nam châm điện loại chữ E nắp hút thẳng, tiếp điểm kiểu bắc cầu hình

trụ tiếp xúc mặt hai chỗ ngắt. Lò xo tiếp điểm và lò xo nhả kiểu lò xo xoắn hình trụ

Chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập, mỗi chi tiết tiếp điểm sẽ có một

buồng dập hồ quang riêng.



Sơ đồ kết cấu cơ bản của công tắc tơ ( hình 1 ) 1. Gi¸ phÇn ®éng 2. Lß xo tiÕp ®iÓm

3. TiÕp ®iÓm ®éng 4. TiÕp ®iÓm tÜnh

5. N¾p NC§ 6. Lß xo nh¶

7. Th©n (lâi) NC§ 8. Buång dËp hå quang

8

7

6 65

43

21



III. TÍNH VÀ DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ 1. Khái niệm:

Mạch vòng dẫn điện của KCĐ gồm nhiều chi tiết có hình dạng và kích thước

khác nhau :

Mạch vòng dẫn điện của CTT điện xoay chiều ta thiết kế gồm:

+ Thanh dẫn động

+ Thanh dẫn tĩnh

+ Tiếp điểm động

+ Tiếp điểm tĩnh

+ Phần đầu nối

Mạch vòng dẫn điện lại có : mạch vòng dẫn điện chính và mạch vòng dẫn

điện phụ.Việc tính toán 2 mạch vòng này tương tự nhau.

2. Thanh dẫn :

Gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh . Trong thiết kế ta tính toán cho

thanh dẫn động, vì thanh dẫn này cùng chịu dmI như nhau nhưng do ở thanh dẫn

tĩnh có phần đầu nối ra ngoài nên thường lấy kích thước lớn hơn thanh dẫn động.

a. Tính chọn thanh dẫn .

Yêu cầu với vật liệu thanh dẫn:

+ Dẫn điện tốt, điện trở suất nhỏ

+ Độ bền cơ cao

+ Khó bị ôxi hóa, ăn mòn hóa học.

+ Dẫn nhiệt, tỏa nhiệt tốt

Để đáp ứng các yêu cầu trên ta chọn dây dẫn bằng đồng kéo nguội có thiết

diện hình chữ nhật, các thông số kỹ thuật, vật lý tra bảng 2_22 trang 82 TLTK:

+ Khối lượng riêng γ =8.9 g/cm3



+ Điện trở suất ở 20 oC 20 =0,0174.10-3 m

+ Độ dẫn điện =393 w/cmoC

+ Độ cứng Briven HB=80 120 KG/mm 2

+ Nhiệt độ nóng chảy nc =1083 oC

+ Hệ số nhiệt điện trở =0,0043 oC-1

Tính kích thước thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn: 2

3.

2. ( 1). .dm f

T od

I kb

n n k

CT (2-6) trang 19 TLTK

a = n.b

a: chiều rộng thanh dẫn

b: chiều dày thanh dẫn

n: tỉ số tiết diện, chọn n = 7

dmI : dòng điện định mức

od : độ ổn định nhiệt với đồng tra bảng 6-1 trang 288 TLTK od =55

fk : hệ số tổn hao phụ, chọn fk =1,05

Tk : hệ số tỏa nhiệt, tra bảng 6-5 trang 300 chọn Tk =8.10-6 2 0W/m . C

: điện trở suất thanh dẫn ở oC : 20[1+ ( -20)]

: hệ số nhiệt điện trở 00,0043 1/ C

20 : điện trở suất ở 20 o C

: nhiệt độ làm việc nguy hiểm nhất: 055 40 95od o C

o : nhiệt độ môi trường xung quanh 040 C

3 -30,0174.10 [1+0,0043(95-20)] =0,023.10 m

Kích thước thanh dẫn chính: I=63A 2 3

36

63 .0,023.10 .1,05 1,952.7.(7 1).8.10 .55

b mm



a = n b = 7.1,95 = 13,65 mm

Tuy nhiên trên thanh dẫn có gắn tiếp điểm,cho nên thanh dẫn phải có kích

thước đảm bảo đủ lớn hơn kích thước của tiếp điểm,kích thước của tiếp điểm phụ

thuộc vào dòng điện định mức.Với dòng điện định mức là 63A,tra bảng 2.5 Tài

liệu TKKCĐHA ta có đường kính tiếp điểm dtđ = 16 (mm).

Vậy : athực tế = dtđ + (1-2)mm chọn a thực tế = 16+2 =18(mm)

b thực tế = 2 (mm)

Tiết diện của thanh dẫn: S = a.b = 18.2 =36 (mm2)

P = 2.(18+2) = 40 (mm)

b. Tính kiểm nghiệm thanh dẫn

Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:

+ Mật độ dòng điện:

2dm 63 1,75 /S 36

Ij A mm

Thỏa mãn: 22 4 /j A mm

+ Nhiệt độ phát nóng:

td = 2

dm2

0

I . . . ..

o ph T o

T dm ph

k s p kspk I k

Điện trở suất ở 0oC: 20= 1+ .20o

=3

-30,0174.10 =0,016.101 0,0043.20

mm

Vậy nhiệt độ thanh dẫn là: 2 3 6

06 2 3

63 .0,016.10 .1,05 36.40.8.10 .40 46,9636.40.8.10 63 .0,016.10 .1,05.0,0043td C

Với td =46,960C < cp =950C nên thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ

định mức.

Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch: độ bền nhiệt của KCĐ là tính chất

chịu được sự tác dụng nhiệt của dòng ngắn mạch trong thời gian ngắn mạch nó đặc



trưng bằng dòng bền nhiệt (là dòng điện mà ở đó thanh dẫn chưa bị biến dạng).

Mật độ dòng điện cho phép với đồng tra bảng 6-7 trang 305 TLTK:

t(s) 3 4 10

[j] (A/mm 2 ) 94 82 51

[j]: dòng điện ngắn mạch cho phép

Có thể tính dòng điện với các thời gian khác nhau theo công thức:

1 1 2 2. .I t I t

Từ công thức trang 313 có:

bd dnm

nm

A Ajt

Abd , Ad: hệ số tích phân tra đồ thị trang 313 TLTK

Abd = 3,75.104 A2s/mm4

Ad = 1,75.104 A2s/mm4

t(s) 3 4 10

j (A/mm 2 ) 81,64 76,7 44,7

So sánh với [j] ở bên trên ta thấy thỏa mãn.

Nhận thấy mật độ dòng điện thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật độ dòng

điện cho phép nên thanh dẫn chịu được khi ngắn mạch.

Vậy với vật liệu đã chọn và kích thước a,b như trên,thỏa mãn yêu cầu làm việc ở

chế độ dài hạn và ngắn hạn.



3. Thanh dẫn tĩnh.

Vật liệu được chọn là MI-TB

Ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh có kích thước lớn hơn kt thanh dẫn động là : a = 20(mm) và b=2(mm) nên không cần kiểm tra lại nữa.

4. Đầu nối:

Hình 2.1 Kết cấu đầu nối.

Đầu nối là bộ phận để đưa điện vào ra của KCĐ

Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng trong KCĐ nếu không đảm bảo có

thể gây hư hỏng trong quá trình vận hành.

Yêu cầu đối với đầu nối :

+ Nhiệt độ của các đầu nối ở chế độ dài hạn < [ ]

+ Lực ép ở đầu nối đủ lớn để điện trở tiếp xúc nhỏ để tổn hao nhỏ.

+ Đảm bảo độ bền cơ học tốt

1:VÝt b¾t mèi nèi.2:§Öm lß xo vªnh.3:DÖm ph¼ng.

2

3 1



+ Đảm bảo ổn định nhiệt, điện động không bị hàn dính khi làm việc

dài hạn, cũng như khi xảy ra sự cố về điện

Chọn dạng kết cấu:kết cấu mối nối tháo rời bằng bulong có công đai ốc bằng

thép,đường kính ren M6.15

Hình 2.2: Kết cấu mối nối tháo rời.

Diện tích bề mặt tiếp xúc : 263 203, 20,31

dmtx

tx

IS mmj

Đối với thanh dẫn bằng đồng có f = 50Hz và dòng điện định mức Iđm =< 200A có

thể lấy jtx = 0,31 A/mm2 2. 125.203,2.10 254 2,5tx tx txF f S KG KN thỏa mãn

+ Tính điện trở tiếp xúc phần đầu nối:

(0,102. )

txtx m

tx

kRF

txk : hệ số tiếp xúc tra bảng trang 59 TLTK: ktx=0,1.10-3

Tiếp xúc mặt m=1

3

60,1.10 0,328.100,12.2540txR

6 3. 63.0,328.10 0,0267.10tx tx txU I R V

Vậy Utx < Utxcp = 30mV nên bulong đã chọn thỏa mãn yêu cầu

5. Tiếp điểm.

Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt của CTT. Kết cấu và các thông số của tiếp điểm xác định thông số, kết cấu,trọng lượng của CTT.



Yêu cầu đối với tiếp điểm : - Khi CTT làm việc ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi tiếp xúc phải bé

hơn nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm.

- Với dòng điện lớn hơn 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 cắt cho phép không bé hơn trị số định mức. - Khi làm việc với dòng 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

- Do dòng điện Iđm = 63A ta chọn dạng tiếp xúc điểm, hai chỗ ngắt, lò xo tiếp điểm xoắn trụ. Loại này có ưu điểm khả năng ngắt lớn, không cần dây nối mềm. Nhược điểm là lực ép tiếp điểm lớn ảnh hưởng đến kích thước của khí cụ điện, chỉ dùng với những dòng nhỏ và vừa.

2

1

3

6

5

4m

1- Lò xo tiếp điểm 4- Tiếp điểm tĩnh

2-Cữ chặn 5- Giá tiếp điểm động

3- Tiếp điểm động 6- Giá tiếp điểm tĩnh

m- Độ mở tiếp điểm .

Hình 2.2

a. Độ mở m: Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí ngắt của CTT. Độ mở của tiếp điểm cần phải xác định cho phù hợp nếu m lớn dễ dập hồ quang, an toàn điện nhưng kích thước của khí cụ điện sẽ tăng lên. Nếu chọn m nhỏ khó dập hồ quang, an toàn điện kém nhưng kích thước khí cụ điện nhỏ.



Đối với CTT có dòng I = 40 600 A, điện áp tới 500 V, có thể chọn độ mở m = 612 mm Với dòng Iđm = 63 A , ta chọn m = 4 mm.

b. Độ lún l: Độ lún của tiếp điểm là quãng đường mà tiếp điểm động đi thêm được nếu không bị tiếp điểm tĩnh cản lại. Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép tiếp điểm lớn, giảm điện trở tiếp xúc và trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn nhưng vẫn đảm bảo tiếp xúc tốt. Do đó độ lún phải lớn hơn độ cao bị ăn mòn của tiếp điểm. Theo TL1, độ lún có thể tính theo dòng điện như sau: l = A + B.Iđm (mm) trong đó : A= 1,5 mm. B = 0,02 mm/A. Iđm = 95 A. l = 1,5 + 0,02.63 = 2,76 mm.

c. Vật liệu làm tiếp điểm : Vật liệu làm tiếp điểm cần đảm bảo các yêu cầu sau: Điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị oxi hóa, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ. Thực tế thì không vật liệu nào thoả mãn tất cả các yêu cầu trên nên ta chọn vật liệu chỉ cần thoả mãn phần lớn các yêu cầu là được. Từ bảng (2- 13) TL1 ta chọn vật liệu là Bạc- Niken – Than chì (Kim loại gốm), với các thông số kĩ thuật sau: Kí hiệu KMK. A32 Tỷ trọng ( ) 8,7 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy nc( ) 1300 0C Điện trở suất ở 20 0C 20 0,032.10-3 mm

Độ dẫn nhiệt 3,25 W/ cm 0C Độ cứng Briven BH 6085 Kg/ mm2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở 0,0035 (1/ 0C)

d. Xác định kích thước của tiếp điểm Kích thước tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức cũng như kết cấu tiếp điểm và tần số đóng cắt - Tính chọn tiếp điểm động: Chọn tiếp điểm động có tiết diện hình trụ cầu, với Iđm = 63 A tra bảng (2- 15) TL1 ta chọn đường kính của tiếp điểm động như sau : d = 16 mm chiều cao tiếp điểm h = 3 mm.

- Tính chọn tiếp điểm tĩnh:



Tiếp điểm tĩnh nằm trên thanh dẫn tĩnh, có kết cấu dạng mặt phẳng, tiết diện là hình chữ nhật có các cạnh là : a = 20 mm, b = 22 mm Chiều cao tiếp điểm h = 3 mm.

e. Tính lực ép tiếp điểm:

Nó đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài hạn cũng như

khi có sự cố xảy ra. Lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra

khi dòng điện lớn (như mở máy, quá tải...) bởi lực điện động và không bị hàn dính

do hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và bị rung.

Lực ép tiếp điểm chính I = 63A

+ Theo lý thuyết theo công thức lý thuyết trang 53 TLTK:

21 2

2td

tx

. . 1. . T16. [arcos ]T

td dmA HBF I

A : hằng số Loren A=2,3 810 /oV C

dmI : dòng điện định mức [A]

1tdF : lực ép tiếp điểm tại 1 chỗ tiếp xúc [KG]

: hệ số dẫn nhiệt o[W/ . ]C mm

tdT : nhiệt độ thanh dẫn [ o K ]

txT : nhiệt độ chỗ tiếp xúc [ o K ]

HB: độ cứng vật liệu tiếp điểm HB=50kG/ 2mm

tdT = td +273 = 42+273 = 315 o K

txT = tx + tdT = 9+315 = 324 o K

8

21 2

2

2,3.10 . .60 163 . . 0,055 0,5531516.0,325 (arcos )324

tdF KG N



+ Theo công thức kinh nghiệm 1 .td td dmF f I

tdf : lực ép tiếp điểm đơn vị , tra bảng 2.17 trang 55 TLTK

tdf = 7 G/A 1tdF = 7.63 = 441 G = 4,41N

so sánh 2 kết quả ta chọn 1tdF = 4,41N

Lực ép tiếp điểm phụ:

Theo công thức kinh nghiệm : 1 .td td dmF f I = 10.5 = 50 G

Tiếp điểm phụ thường mở: 1tdmF = 0,5 N = 0,05 KG

Tiếp điểm phụ thường đóng: 1tdcF = 0,5 N = 0,05 KG

f. Tính điện trở tiếp xúc cho tiếp điểm chính

Điện trở tiếp xúc ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc của KCĐ nó là

thành phần của điện trở mạch vòng dẫn điện.

Điện trở tiếp xúc sinh ra do đường đi của dòng điện bị thua hẹp, thay đổi ở

chỗ tiếp xúc, do ảnh hưởng của điện trở tiếp xúc nhiệt độ chỗ tiếp xúc tăng

đồng thời gây tổn hao điện áp chỗ tiếp xúc.

+ Theo công thức lý thuyết.

3

4 5

1

. 0,0404.10 .60. . 13, 2.102 2 4,41tx

td

HBRF

3 320. 1 95 20 0,032.10 1 0,0035.75 0,0404.10 ( )mm

+ Theo kinh nghiệm 1(0,102. )

txtx m

td

kRF

m = 1 đối với tiếp xúc mặt

txk : hệ số tiếp xúc tra bảng trang 59 TLTK được txk =12

30, 25.10 N



3

51/2

0, 25.10 37,3.10(0,102.4, 41)txR

So sánh vậy lấy 537,3.10txR

g. Điện áp tiếp xúc lớn nhất có thể

5. 37,3.10 .63 0,0235 23,5 30tx tx dmU R I V mV m thỏa mãn.

h. Tính nhiệt độ phát nóng cho phép :

Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài vô hạn, có tiết diện không đổi, thì nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm được tính theo công thức (2- 11) TL1 :

2 2

0. .

. . 2. . . .dm dm td

tdT T

I I RS P K S P K

.

Trong đó : + 0

0 40 C . + mm 310.04,0 .điện trở suất của vật liệu tiếp điểm + S : Tiết diện của tiếp điểm .

2 2

2. .16 2014 4dS mm

+ 3 730,04.10 5,97.10 ( )201td

hRS

+ P : Chu vi tiếp điểm . . 50,27P d mm . + Chọn 610.8 TK W/ mm2 0C . + 325,0 W/mm 0C.

2 3 2 70 0

6 6

63 .0,04.10 63 .5,97.1040 41,97 42201.50, 27.8.10 2. 0,325.201.50, 27.8.10

td C C

.

Nhiệt độ nơi tiếp xúc được xác định theo công thức (2- 12) TL1 :

22 52 2

03

63 . 37,3.10. 42 47,38. . 8.0,325.0,04.10

dm txtx td

I R C

.

Ta thấy tx < Chd0180 nên tiếp điểm không bị biến dạng dẻo.



6. Tính dòng hàn dính và biện pháp chống hàn dính :

Khi dòng điện đi qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm (quá tải, ngắn mạch, khởi động), nhiệt độ tăng lên, tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng bị hàn dính. Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy, chống hàn dính gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động). Độ ổn định nhiệt và độ 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 đủ khả năng ngắt tiếp điểm . Có hai phương pháp tính dòng hàn dính - Trị số dòng hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết (2- 33) TL1:

. .hdbd nc tdI A f F A . Trong đó :

+

0

132. . . 1 .32. . . 13

nc nc

B nc

AH

: hằng số với từng loại vật liệu.

+3

3200

0,032.10 0,03.101 .20 1 0,0035.20

mm

: Điện trở suất của vật liệu ở

00C. + nc :Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu kim loại gốm, Cnc

01300 . + HB = 60 Kg/mm2.

3

132.0,325.1300. 1 0,0035.13003 12212.60.0,03.10 . 1 0,0035.13003

A

.

+ fnc : Hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát nóng. Chọn fnc = 3. + Ftd : Lực ép tiếp điểm = 0,441 Kg.

1221. 3. 0,441 1404,4hdbdI A .

- Trị số dòng hàn dính xác định theo công thức thực nghiệm (2 - 36) TL1 : .hdbd hd tdI K F (A).

Khd : Hệ số hàn dính. Tra bảng (2- 19) TL1 chọn Khd = 1000 A/ Kg0,5. 1000. 0,441 664( )hdbdI A .



Như vậy dòng hàn dính được tính theo hai cách ở trên đều lớn hơn dòng ngắn mạch Inm= 10.Iđm = 630 A. Nghĩa là khi xảy ra ngắn mạch , tiếp điểm không bị hàn dính.

7. Sự rung của tiếp điểm :

Khi tiếp điểm đóng tại thời điểm bắt đầu có sự tiếp xúc giữa tiếp điểm tiếp

điểm tĩnh có xung lực va đập cơ khí lớn gây ra hiện tượng rung của tiếp điểm. Tiếp

điểm bị đẩy bật trở lại sau đó lại tiếp tục va đập. Sau một thời gian kết thúc sự rung

chuyển sang tiếp xúc ổn định.

Quá trình rung của tiếp điểm được đánh giá bằng hai thông số: biên độ rung

và thời gian rung:

Theo công thức (2- 39) TL1, biên độ rung là:

20. . 1

2.d d v

mtdd

m v Kx

F

.

+ dm : Khối lượng phần động.

3. 8.63 51,4.10 ( )9,8

d c dmd

G m Im Kgg g

.

mc : Trọng lượng đơn vị mc = 8 12 (G/A) Chọn mc = 8 G/A. + 0dv : Tốc độ tại thời điểm va đập. 0dv = 0,1 m/s. + Kv : Hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu. Vì tiếp điểm làm bằng bạc hợp kim nên chọn Kv = 0,9. + Ftdd : Lực ép tiếp điểm đầu Ftdd= (0,50,7).FtdcChọn Ftdd = 0,5.0,441 = 0,23(Kg).

3 2451,4.10 .0,1 .(1 0,9) 1,17.10

2.0,22mx m

.

Theo công thức (2- 20) TL1, thời gian rung ứng với biên độ rung xm là:

3

0.2 . . 1 2.51,4.10 .0,1. 1 0,9 3,250,22

d d vm

tdd

m v Kt ms

F

Vì CTT 3 tiếp điểm chính dạng cầu một pha hai chỗ ngắt nên biên độ rung và thời gian rung sẽ là:

3

31,17.103,9.10 ( )

3 3m

m

xx m



3,25 1,0833 3m

mtt ms

Tổng thời gian rung của tiếp điểm theo công thức (2_47) TL1 : 1,5 1,8 .2. 1,5 1,8 .2.1,083 3,25 3,89m mt t ms . Ta thấy max mt = 9,325 ms < t =10 ms. Vậy tiếp điểm không bị rung.

8. Sự mòn của tiếp điểm :

Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và ngắt mạch điện. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, cơ học, về điện trong đó chủ yếu là ăn mòn về điện.

Khối lượng mòn trung bình của một cấp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt tính theo công thức (2_54) TL1:

9 2 210 . . .d ng d d ng ng kdg g K I K I K .

Trong đó :

+ Kkd : Hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm Kkd = 1,1 ÷ 2,5. Chọn Kkd = 1,2

+ Kd , Kng : Hệ số mòn khi đóng và khi ngắt . Với tiếp điểm bằng kim loại gốm , tra bảng (2- 21) TL1 ta có:

Kd = Kng = 0,01 g/A2.

+ Id , Ing : Dòng điện đóng và ngắt.

Id = 5.Idm = 315 A.

Ing = 4.Idm = 252 A.

9 2 2 610 0,01.315 0,01.252 .1,2 1,95.10d ngg g g - Sau N=105 lần đóng ngắt về cơ , khối lượng mòn là: 5 6

1 .( ) 10 .1,95.10 0,195( )m c d ngG N g g g . - Sau 106 đóng ngắt về điện khối lượng mòn là : 6 6

2 .( ) 10 .1,95.10 1,95( )m d d ngG N g g g .



- Tổng khối lượng mòn :

1 2( ) (0,195 1,95) 2,145m m mG G G g . - Thể tích mòn : 6 3

6

2,145 0,246.10 ( )8,7.10

mm

GV m

.

- Thể tích ban đầu của tiếp điểm :

2 2

3 6 316. . 3. 603,185( ) 0,603.10 ( )4 4td

dV h mm m .

- Lượng mòn của tiếp điểm sẽ là :

6

6

0,246.10% 100% 100% 40,8%0,603.10

mm

td

VVV

.

Vậy % % 70% m cpV V Lượng mòn tiếp điểm đạt yêu cầu.



IV. TÍNH VÀ DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ

1. 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 CTT. Sơ đồ được xây dựng cho 2 vị trí đặc trưng là vị trí đóng và ngắt.

Khi tính toán thiết kế người ta sẽ xét trường hợp làm việc nặng nề nhất của cuộn hút là nắp NCĐ hướng xuống dưới, khi đó ta có sơ đồ động ở 2 vị trí như sau:

* Ở vị trí ngắt lm *Ở vị trí đóng 0

Fnh® + G®

12 Ffcfc

12 F

®t F

fc12 Ffc

12 F

Fnhc + G® + Ftdcc

a) b) Hình 3.1 Sơ đồ động: a- khi nắp mở, b-khi nắp hút



2. Tính toán lò xo.

Chọn lò xo xoắn hình trụ chịu nén, loại lò xo này có ưu điểm ít bị ăn mòn

bền về cơ, làm việc linh động, không bị phát nóng. Tra bảng (4- 1) TL1, chọn vật liệu làm lò xo là dây thép Các bon ROCT

8398-60 độ bền vừa có thông số : - Độ bền giới hạn khi kéo 2200 N/mm2 - Giới hạn mỏi cho phép khi uốn 770 N/mm2

- Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn x 480 N/mm2

- Module đàn hồi 200.103 N/mm2 - Module trượt G = 80.103 N/mm2

- Điện trở suất 0,19÷ 0,22.10-6 m Các thông số của lò xo:

Hình 3.2 : Các thông số của lò xo.

3. Tính toán lò xo nhả. Lò xo nhả có đặc điểm là phải thực hiện đẩy nắp NCĐ và hệ thống tiếp điểm

động lên vị trí mở khi không có dòng điện qua cuộn hút của NCĐ.Do đó lực ép lo xò nhả ở thời điểm ban đầu là:

Fnhđ = ( dG + Ftđ± + Fms).kdt Trong đó + kdt = 1,2 ÷ 1,3 hệ số dự trữ cơ, chọn k = 1,2 + dG : trọng lượng phần động ,



. 63.8 504 0,504 5,04d c dmG m I g kg N + Fms = 0 + Ftđ± : lực ép của tiếp điểm phụ thường đóng.

Vì có 2 cặp tiếp điểm phụ thường đóng, mỗi cặp có 2 tiếp điểm kiểu bắc cầu nên : Ftđ± = 4. Ftđ1± = 4.0,5 = 2 (N) Với Ftđ1± = 2 (N) là lực ép của một tiếp điểm phụ thường đóng. Vậy Fnhđ = (5,04 + 2).1,2 = 8,448 (N). - Lực ép của lò xo nhả cuối Fnhc = (1,52) F nhd Chọn Fnhc = 1,6.Fnhđ = 1,7. 8,448 = 14,36 (N). Do ta sử dụng 2 lò xo nhả , nên lực ép ban đầu của mỗi lò xo nhả :

Fnhđ1 = nh® 8,4484,224( )

2 2

FN

- Lực ép cuối của mỗi lò xo nhả là :

1

14,367,18( )

2 2nhc

nhc

FF N

- Theo công thức (4-31) TL1 , đường kính dây lò xo là :

1.1,6. nhc

x

F Cd

Trong đó : + C : Chỉ số của lò xo. C =

dD thông thường 8 16C chọn C = 12

+ x = 480 N/mm2 , ứng xuất xoắn cho phép.

7,18.101,6. 0,678( )480

d mm

Vậy chọn đường kính dây lò xo là d = 0,7 mm. - Đường kính lò xo : D = C.d = 12.0,7 = 8,4 mm. - Số vòng làm việc :

4 3 4

0 3 3

. . 80.10 .(0,7) .6,76 9,268. . 8.(8,4) .(7,18 4,224)G d fWD F

(vòng).

Với khoảng lún xét đến : f = m + l = 4 + 2,76 = 6,76 mm. G môdun chống trượt - Số vòng kết cấu của lò xo :



W =W0 + 1 = 10(vòng). - Bước lò xo chịu kéo tk và chịu nén tn, theo công thức (4- 33) TL1 ta có

0,7( )kt d mm .

0

6,760,8 1,45( )

15n

ft d mm

W.

- Chiều dài tự do của lò xo chịu kéo (không kể vòng móc) lk và lò xo chịu nén ln tính theo công thức (4- 34) TL1 :

0. 9.0,7 6,3( )k kl W t mm . 0. 1,5. 9.1,45 1,5.0,7 14,1( )n nl W t d mm

- Ứng suất xoắn thực tế của lò xo

x =

212 2

8. . 8.7,18.12447,7( / )

. .(0,7)nhcF C

N mmd

.

Vậy x < x = 480 (N/ mm2) do đó lò xo chọn thoả mãn yêu cầu. Vậy lò xo đã thiết kế thoả mãn đảm bảo độ bền cơ.

- Khoảng lún thực tế của lò xo:

3 3

04 3 4

8. . . 8.(8,4) .2,96.97,31( )

. 80.10 .(0,7)

D F Wf mm

G d

4. Tính toán lò xo tiếp điểm chính. Vì có 3 cặp tiếp điểm chính thường mở, mà tiếp điểm được sử dụng là dạng bắc cầu 1pha 2 chỗ ngắt nên :

- Tổng lực ép của tiếp điểm chính thường mở lúc cuối : 16. 6.4,41 26,5( )tdcc tdF F N

Với Ftđ1 = 9(N) là lực ép của một tiếp điểm chính thường mở. - Tổng lực ép của tiếp điểm chính thường mở lúc đầu :

(0,5 0,7).tdcd tdccF F Chọn 0,6. 0,5.54 13,25( )tdcd tdccF F N . Lực ép tiếp điểm đầu của mỗi lò xo tiếp điểm chính là :

1

13,254,2( )

3 3tmd

tdcd

FF N

Lực ép tiếp điểm cuối của mỗi lò xo tiếp điểm chính là :

1

26,58,93( )

3 3tmc

tdcc

FF N

- Theo công thức (4- 31) TL1 , đường kính dây lò xo là :

1.1,6. tdcc

x

F Cd

Trong đó :



+ C : Chỉ số của lò xo. C =

dD , thông thường 8 16C chọn C = 12


8,93.12

1,6. 0.76( )480

d mm

Vậy chọn đường kính dây lò xo là d = 0,8 mm. - Đường kính lò xo : D = C.d = 12.0,8 = 9,6 mm. - Số vòng làm việc :

W0

4 3 4

3 3

. . 80.10 .(0,8) .2,765

8. . 8.9,6 .(8,93 4,2)

G d fD F

(vòng).

Với khoảng lún xét đến : f = l = 3,4 mm. - Số vòng kết cấu của lò xo : W =W0 + 1 = 6 (vòng). - Bước lò xo chịu kéo tk và chịu nén tn , theo công thức (4-33) TL1 ta có :

0,8( )kt d mm .

0

2,761 1,352( )

5n

ft d mm

W.


0. 5.0,8 4( )k kl W t mm . 0. 1,5. 8.1,352 1,5.0,8 7,96( )n nl W t d mm

- Ứng suất xoắn thực tế của lò xo , tính theo công thức (19-1)TL3 :

x =

212 2

8. . 8.8,93.12426,4( / )

. .(0,8)tdccF C

N mmd

.



3 3

04 4

8. . . 8.9,6 .2,75.52,97( )

. 80.10.(0,8)

D F Wf mm

G d.

5. Tính toán lò xo tiếp điểm phụ.

- Lực ép tiếp điểm phụ thường mở Công tắc tơ thiết kế có 2 tiếp điểm phụ thường mở, tiếp điểm này cũng có dạng 1 pha hai chỗ ngắt nên:



- Tổng lực ép của tiếp điểm phụ thường mở lúc cuối là:

4. 4.0,5 2( )ptmc tdpF F N . - Tổng lực ép của tiếp điểm phụ thường mở lúc đầu là :

(0,5 0,7) .ptmd ptmcF F Chọn 0,7. 0,7.2 1,4( )ptmd ptmcF F N . (+) Lực ép tiếp điểm phụ thường đóng : Tương tự như đối với tiếp điểm phụ thường mở, trong đó: 2 ( )ptdd ptmcF F N . 1,4( )ptdc ptmdF F N

Lực ép tiếp điểm đầu của mỗi lò xo tiếp điểm phụ là :

1

1,40,7( )

2 2ptmd

tdpd

FF N

Lực ép tiếp điểm cuối của mỗi lò xo tiếp điểm chính là :

1

21 ( )

2 2ptmc

tdpc

FF N

- Theo công thức (4- 31) TL1 , đường kính dây lò xo là :

1.1,6. tdpc

x

F Cd

Trong đó : + C : Chỉ số của lò xo. C =

dD , thông thường C = 8 ÷ 16 chọn C = 12


1.12

1,6. 0,25( )480

d mm

Vậy chọn đường kính dây lò xo là d = 0,3 mm. - Đường kính lò xo : D = C.d = 12.0,3 = 3,6 mm. -Số vòng làm việc:

W0

4 3 4

3 3

. . 80.10 .(0,3) .1,69

8. . 8.3,6 .(1 0,7)

G d fD F

(vòng).

Với khoảng lún xét đến : f = l = 1,6 mm. - Số vòng kết cấu của lò xo : W =W0 + 1 = 10 (vòng). - Bước lò xo chịu kéo tk và chịu nén tn ,theo công thức (4_33) TL1 ta có :



0,3( )kt d mm .

0

1,60,3 0,48( )

9n

ft d mm

W.


0. 9.0,3 2,7( )k kl W t mm . 0. 1,5. 9.0,48 1,5.0,3 4,32( )n nl W t d mm

- Ứng suất xoắn thực tế của lò xo , tính theo công thức (19-1)TL3 :

x =

1 22 2

8. . 8.1.12339( / )

. .(0,3)tdcpF C

N mmd

.



3 3

04 3 4

8. . . 8.3,6 .0,3.121,3( )

. 80.10 .(0,3)

D F Wf mm

G d

6. Xác định các lực:

Lực cơ tác dụng bao gồm : a. Lực lò xo tiếp điểm chính:

- 26,5( )tdccF N . - 18,55( )tdcdF N .

b. Lực lò xo tiếp điểm phụ thường mở: - 2( )ptmcF N . - 1,4( )ptmdF N .

c. Lực lò xo tiếp điểm phụ thường đóng: - 1,4( )ptdcF N . - 2( )ptddF N .

d. Lực lò xo nhả: - 14,4( )nhcF N . - 8,5( )nhdF N .

e. Trọng lượng phần động: Gđ = 5,05N).

f. Lực ma sát ( bỏ qua ).



7. Đồ thị đường đặc tính cơ:

5,04

18,55

60,09

64,5

26,5

2,76 6,76 9



V. BUỒNG DẬP HỒ QUANG ĐIỆN.

1. Khái niệm về hồ quang điện 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 ( 102 103 A/mm2 ), điện áp rơi trên catôt bé ( 10 12 V ), nhiệt độ

hồ quang cao ( 6000 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 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 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 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 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.

3. 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. 4. 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:

a. Vật liệu xi măng-amiăng: - Ưu điểm: nhiệt độ nóng chảy cao: 1150oC, tính cách điện khá cao: = 1010

1012 cm, 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.



b. 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 .

c. 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.

5. Kết cầu 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 = 63A, 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.

Lò xo tiếp

Hộp dập hồ

Giá tiếp điểm

Lỗ thoát

Tấm

Tiếp điểm

Tiếp điểm



6. Tính toán và chọn lựa. Chọn lựa sơ bộ: - Chọn số lượng các tấm cho một chỗ ngắt: ntk = 3

- Bề dày một tấm: t = 3 mm

- Khoảng cách giữa các tấm: t = 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 2ng

tk

I.L6,0n.415

.

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 = m®U

380 .( A + B. 43

m®P ).

Hệ thống không khí có : A = 15000; B = 3000

fo = 380

380 .( 15000 + 3000. 43

20 ).

= 43372Hz = 43,4 kHz

f1 = 2ng

tk

L.I

0,6 -n.415

= 2415. 3- 0,6

L.63 = 0,16

L (Hz)



Điện cảm của mạch ngắt được xác định theo công thức:

L = o2

ω.ng

m® φcos -1I

U

Trong đó : Uđm - điện áp định mức của hệ thống: 380V. Ing - dòng điện ngắt định mức: 65A.

- tần số góc của hệ thống.

o - góc lệch pha ban đầu của dòng điện và điện áp.

Chọn coso = 0,8 ( tải điện cảm thường gặp )

L = 2380 . 1- 0,863.2.π.50

= 11,5.10-3 Hz

Vậy: f1 = 0,16L

= -30,16

11,5.10 = 13,9 kHz

Có : fo = 43,4 kHz f1 = 13,9 kHz Kết luận: ta chọn số tấm ntk = 3 là chấp nhận được. Có thể lấy thêm một

tấm để dự trữ ntk = 4. Chiều dài nhỏ nhất của tấm:

lt 1,73. 2tδ .td. 3 ngI

td – thời gian dập hồ quang: có thể nhỏ bằng 2 3 nửa chu kì hoặc lớn hơn ( nhưng không lớn hơn 0,1 s )

Chọn td = 0,03 s.

lt 1,73.22.0,03. 3 63 = 0.83 cm.



VI. NAM CHÂM ĐIỆN 1. Khái niệm chung.

Nam châm điện được sử dụng ngày càng rộng rãi mà không một lĩnh vực kỹ

thuật nào không sử dụng nó. Nhiệm vụ chủ yếu của nam châm điện là sinh lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến hay chuyển động quay hoặc sinh lực hãm...

Trong mỗi lĩnh vực kĩ thuật khác nhau thì có những loại nam châm khác nhau về hình dáng, kết cấu và ứng dụng. Các qúa trình vật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp, thường được mô tả bằng các phương trình vi phân, phi tuyến. Vì vậy việc tính toán nam châm điện thường được dựa theo các công thức gần đúng, đơn giản sau đó mới kiểm nghiệm lại theo công thức lý thuyết, dẫn tới bài toán tối ưu.

Đối với công tắc tơ, nam châm điện là cơ cấu sinh lực để thực hiện tịnh tiến cơ cấu chấp hành – có gắn hệ thống tiếp điểm.

2. Tính kích thước cơ bản nam châm điện.

a. Các số liệu ban đầu: Thiết kế nam châm điện xoay chiều có các thông số và yêu cầu sau:

- Nam châm điện có khả năng làm việc trong môi trường ẩm, nhiệt độ trung bình của môi trường là 40oC.

- Hành trình của cơ cấu là = 6,76 mm và có đặc tính cơ như đã trình bày trước đây. - Nam châm điện làm việc ở chế độ dài hạn, điện áp định mức Uđm = 380V, tần số làm việc f = 50Hz. - Yêu cầu nam châm điện phải có kích thước nhỏ gọn.

b. Chọn dạng kết cấu: -Tính hệ số kết cấu mạch từ nam câm điện Theo công thức 5-2, trang 188 – TKKCĐHA, có:



Kkc =

t®F.2

Trong đó: Fđt - lực hút điện từ.

- khe hở không khí. Công tắc tơ muốn làm việc được thì khi hút phải có Fđt > Fcơ và khi nhả phải có Fđt < Fcơ. Từ đặc tính cơ ta chọn lực tới hạn đã tính đến dung sai về lực Fcơ th ứng

với khe hở làm việc th tương ứng là thời điểm tiếp điểm động bắt đầu tiếp xúc với

tiếp điểm tĩnh.Vậy th=2,76 (mm) Fcơ th = 71 N

th = 2,76 mm

Vậy Kkc = 0,5-3

2.71 4317[ / ].N m

Từ bảng 5-2-TLTKKCDHA ,ứng với giá trị Kkc=4317ta chọn kết cấu nam châm điện kiểu hút thẳng dạng chữ E.

3. Chọn vật liệu mạch từ:

Tra bảng 5-3, trang 192 – TKKCĐHA, chọn thép lá kỹ thuật điện hợp kim tăng

cường 31 (thép silic) . Loại thép này có lực từ phản kháng bé nên tổn hao do từ trễ

không đáng kể .

Các thông kỹ thuật của thép 31 : Lực từ phản kháng HC 0,35 A/cm

Từ cảm dư 0,8 1,2 T Từ cảm bão hoà 2 T Độ từ thẩm 250

Độ từ thẩm cực đại 6.103 7.103

Điện trở suất 40.10-8 60.10 -8 .m Khối lượng riêng 7,65 g/cm3



Thành phần cacbon 0,02% 0,03%

Tổn hao từ trễ khi bão hoà 0,1 0,15 m.J/cm3

Từ cảm lõi thép 0,6 T Chiều dày lá thép 0,5 mm

4. Chọn từ cảm, hệ số từ rò, hệ số từ tản:

Chọn khe hở tính toán tt=2,76 mm, Ftt = 71 N.

Chọn từ cảm khe hở không khí khi nắp mạch từ hở: B = 0,5T. Chọn từ cảm trong lõi thép khi nắp mạch từ hở: Bl = 0,5T.

Chọn hệ số từ rò khi phần ứng hút r = 1.

Hệ số từ rò khi phần ứng hở thường trong khoảng 1,1 4. Chọn r = 1,5

Hệ số từ tản thường trong khoảng 1 1,8. Chọn t = 1,2.

5. Tính tiết diện lõi mạch từ:

- Theo công thức 5-8, trang 202 - TKKCĐHA, tổng diện tích lõi thép là:

S l = 2B.10.9,19

F4

tt®

l

Trong đó: Fđtt - lực hút điện từ tính toán, Fđtt = 71 N. Bl - từ cảm của lõi thép khi phần ứng hở.

S l = 24 2

71 991,1[ ]19,9.10 .0,6

mm

a/2

b

a



- Diện tích lõi cực từ giữa :

22

Σ 991,1 495,55 (mm )2 2llS

S

- Diện tích lõi của 2 cực từ nhánh :

)(mm 3472

6942

221

2 lSSS ll

- Đối với cực từ giữa:

Chọn 9,0a

b . Chiều dài a và chiều rộng b của lõi cực từ giữa là :

a = 2 495,55 24 (mm)0,9 0,9

lS

b = 0,9.a = 0,9.24 =22 (mm) - Cạnh thực của lõi thép :

b' = CK

b

Với KC = 0,95 là hệ số ép chặt các lá thép .

, 22 23 (mm)0,95

b

- Số lá thép kỹ thuật điện :

23 46Δ 0,5bn (tấm) .

Trong đó = 0,5 mm là chiều dày một lá thép . - Kích thước của hai cực từ mạch nhánh : a1 = a3 = a/2 = 12 (mm). b1= b3 = b = 22 (mm) .

6. Tính toán cuộn dây: Kích thứơc của cuộn dây phụ thuộc vào sức từ động tác động (IW)tđ của nam

châm điện do cuộn dây sinh ra, nó tạo ra từ áp ở khe hở không khí làm việc H.,

r các khe hở không khí không làm việc ( khe hở phụ ) Hph.ph và trong các phần



thép của mạch từ HFe.lFe. Ngoài ra còn có thêm sức từ động do tổn hao dòng xoáy

trong lõi thép và từ trễ, tổn hao trong vòng ngắn mạch.

a. Sức từ động của cuộn dây: Sức từ động của cuộn dây cần thiết cho nam châm điện tác động (IW)tđ có thể chia thành hai thành phần: phần thay đổi ở khe hở không khí làm việc khi phần

ứng hở (IW) nh và phần không thay đổi (IW)h.

Theo công thức 5-18, trang 209 – TKKCĐHA, có:

(IW)tđ = (IW) nh + (IW)h (A.vòng)


(IW) nh = O

nh.B

μΣδl

O = 4.. 10 –7 = 1,25.10 -6 (H/m)

Bl - từ cảm trong lõi thép ứng với khe hở không khí tới hạn.

nh - tổng khe hở không khí làm việc. Đối với mạch từ chữ E có 3 khe hở làm việc, từ thông qua cực từ giữa phân

làm 2 mạch từ, mỗi mạch từ có 2 khe hở làm việc nối tiếp nhau, kích thước của 2 mạch từ bằng nhau và tổng của chúng bằng cực từ giữa: S1 + S3 = S2.

nh = 2.nh = 2.2,76.10 -3 = 5,52.10 -3 (m)

7

-30,6.5,52.10( ) 26404. .10nh

IW

(A.vòng)


O

hhrB

IWμ

Σδ..)( l

Với r : hệ số từ rò khi phần ứng hở, r = 1,3.

h : khe hở không khí ở trạng thái hút.

h = 2cn + cd + ht = 0,2 0,7 mm ( theo thực nghiệm ).

Với cn= 0,03 0,1 mm : khe hở công nghệ, chọn cn = 0,03mm

cd = 0,1 0,5 mm : khe hở chống dính , chọn cd = 0,3mm



ht : khe hở giả định, chọn ht = 0,074 mm

h = 2.0,03 + 0,3 + 0,074 = 0,5 mm .

7

-30,5.1,5.0, 434.10( ) 3104. .10hIW

(A.vòng)

(IW)tđ = 2640+310=2950 (A.vòng) Kiểm tra lại, ta có hệ số bội số dòng điện :

( ) 2950 9,5( ) 310I

td

h

IWK

IW

thoả mãn yêu cầu KI = 4 15

b. Kích thước cuộn dây:

Tiết diện cuộn dây được xác định cho trạng thái phần ứng bị hút vì khi phần

ứng hở , dòng điện chạy trong cuộn dây lớn hơn nhiều lần so với khi phần ứng bị hút và với thời gian rất ngắn . Vì vậy sức từ động (IW)tđ được tính ở trạng thái hở của phần ứng cần phải đưa về trạng thái hút của phần ứng .

Theo công thức 5-24, trang 211 – TKKCĐHA, diện tích cuộn dây :

Scd = I®lqtminU

®tmaxU

K.K.j.K.K

)IW.(K

Trong đó :

- KUmax : hệ số tính đến điện áp nguồn tăng đến trị số cho phép (Umax = 1,1.Uđm ) mà nhiệt độ phát nóng của cuộn dây không vượt quá trị số cho phép của cấp vật liệu đã chọn. KUmax = 1,1.

- KUmin : hệ số tính đến điện áp nguồn giảm đến trị số cho phép

( Umin = 0,85.Uđm ) mà đặc tính lực hút điện từ vẫn nằm cao hơn đặc tính cơ. KUmin = 0,85 .

- Kqt : hệ số quá tải dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn. Kqt = 1.

2 1 hcd

bcd



- j : mật độ dòng điện trong cuộn dây ở chế độ làm việc dài hạn, thường j = 2 4 A/mm2 . Chọn j = 2,5 A/mm2

- Klđ : hệ số lấp đầy cuộn dây, Klđ = 0,3 0,6 . Chọn Klđ = 0,5 .

- KI : hệ số bội số dòng điện. KI = 9.

21,1.2450 321,5 (mm )0,85.1.2,5.0,5.9,5cdS

Từ diện tích cuộn dây, chọn hệ số hình dáng Khd = 2,5b

h

cd

cd . Ta có chiều dày

và chiều cao cuộn dây là:

321,5 11,34 (mm)2,5 2,5

cdcd

Sb

hcd = 2,5.bcd = 2,5.11,34 = 28,35 (mm) 7. Kích thước mạch từ:

a = 24 mm ; b=22 mm Chọn:

1 = 1,5 mm Chiều dày khung quấn dây.

2 = 0,5 mm Giấy cách điện phía trong dây quấn.

3 = 0,5 mm Băng dính cách điện phía ngoài dây quấn.

a/2 a

b

E

hđ

hn

lf

4

3 1

5

bcd

2 hcd hl D A

B



4 = 4,5 mm Khoảng cách cách điện ngoài cuộn dây đến cực từ bên.

5 = 1,0 mm Khoảng cách từ khung cuộn dây đến cực từ giữa. lf = 5,0 mm Khoảng cách từ phần ứng tới cách điện đầu cuộn dây. Diện tích nắp mạch từ : Sn = 0,8.Sl2 = 0,8.496= 396,44 mm2

397 1822

nn

Sh mmb

Diện tích đáy mạch từ : Sđ = 0,7Sl2 = 0,7.496 = 347,2 mm2

a. hđ = 347,2 15,8 1622

dd

Sh mm mmb

Chiều rộng cửa sổ mạch từ :

E = 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + bcd = 1,5 + 0,5 +0,5 + 4,5 + 1 + 11,34 = 19,34 mm Chiều cao cửa sổ mạch từ :

D = hcd + 2. 1 + lf = 28,35 + 2.1,5 + 5 = 36,35 mm.

Chiều cao lõi mạch từ:

hl = hcd + 2. 1 = 18 + 2.1,5 = 31,35 mm Chiều cao của nam châm điện:

A = hn + lf + 2. 1 + hcd + hđ = 18 + 5 + 2.1,5 + 28,35 + 16 = 70,35 mm. Chiều rộng của nam châm điện:

B = 2.( a + 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + bcd ) = 2.( 24 + 1,5 + 0,5 +0,5 + 4,5 + 1 + 11,34 ) = 86,68 mm. Chiều dày của nam châm điện:

C = b + 2.( 1 + 2 + 3 + 5 + bcd ) = 22 + 2.( 1,5 + 0,5 +0,5 + 1 + 11,34 ) = 51,68 mm



VII. TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM NAM CHÂM ĐIỆN 1. Lập sơ đồ thay thế:

Dựa vào sự tương tự giữa các đại lượng điện và các đại lượng từ ta lập sơ đồ thay thế cho mạch từ. Mạch từ hình chữ E, cuộn dây được bố trí ở cực từ giữa

và hai vòng ngắn mạch đặt ở hai cực từ bên. Bỏ qua từ trở sắt từ ( Fe >> ) , ta có mạch từ đẳng trị.

GoGtGGGGt

Gr2 Gr

(IW)

GGr

G3 GG

(IW)

Gr

GG1

(IW)



Go1, Go2, Go3 : từ dẫn khe hở không khí.

Gt1, Gt2, Gt3 : từ dẫn tản khe hở không khí.

G1, G2, G3 : từ dẫn tổng khe hở không khí. Gr1, Gr2 : từ dẫn rò khe hở không khí. IW : sức từ động xoay chiều.

2. Tính từ dẫn khe hở không khí.

Để có kết quả chính xác hơn ta chọn phương pháp phân chia từ trường. Theo

phương pháp này từ trường ở khe hở không khí được chia thành các trường thành

phần có dạng hình học đơn giản.

+. Tính cho một cực từ :

Theo hình vẽ ta có từ dẫn khe hở không khí: G = G0 + 2( G1 + G2 + G3 +G4 ) + 4(G 5 + G 6 ). Theo bảng (5-4)/221-224- TL 1:

Z

G0

G1

G2

G

4

G

3



+ Ta có từ dẫn hình hộp chữ nhật:

0 0

a.bG .

0G : từ dẫn hình hộp chữ nhật (H)

+ Ta có G1 từ dẫn của 1/2 khối trụ đặc, trong đó có đường kính chiều dài a : G1 = 0. 0,26 a (H).

+. Ta có G2 từ dẫn của 1/2 khối trụ đặc, trong đó có đường kính chiều dài b : G2 = 0. 0,26 b (H).

+. Ta có G3 từ dẫn của 1/2 nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2m); chiều dài a :

δ3 02. ( )δ(1 )

aG H

m

Với m : bề dày từ thông tản

m = (0,1 0,2). chọn m = 0,1..

+. Ta có G4 từ dẫn của 1/2 nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2m); chiều dài b :

δ4 02. ( )δ(1 )

bG H

m

Với m = (0,1 0,2). chọn m = 0,1.. + Ta có G5 từ dẫn 1 hình 1/4 cầu đặc với đường kính :

G5 = 0,077 . 0. (H) +. Ta có G6 từ dẫn 1 hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2.m):

δ6 0. ( )4mG H

chọn m = 0,1. Vậy từ dẫn khe hở không khí cực từ sẽ là: G = G0 + 2(G1 + G2 + G3 + G4 ) + 4(G 5 + G 6 )

= 0 0 0 0 0

2. 2 0,26 . . 4 0,077. . .

4. 1

a bab ma b

m



với m 0,1 0 0,636. 0,408.abG a b

(H)

a. Tính từ dẫn khe hở không khí cực từ bên :

Theo kết cấu thiết kế của nam châm thì từ dẫn của khe hở không khí 2 cực từ bên:

G1 = G3 = '

'10 10,636. 0,408.a bG a b

(H)

V ới kích thước cực từ bên: a1 = 14(mm) = 14.10-3 (m)

b’ = 22 (mm) = 22 .10-3 ( m ).

3 37 3

1

47

1

14.10 .22.104 .10 0,636 14 22 10 0,408

3,08.104 .10 0,408 0,02289

G

G

Với 32,76.10 ( ).th m thì 81 17,04.10 /G H m

b. Tính từ dẫn khe hở không khí cực từ giữa:

Khi tính từ dẫn khe hở không khí cực từ giữa ta cũng dùng phương pháp

phân chia từ trường.

Vậy ta có từ dẫn cực của cực từ giữa của nam châm điện:

G2 = '

'20 20,636. 0,408.a bG a b

Với kích thước của cực từ giữa: a2 = 28.10-3 (m)

b’ = 22.10-3 (m).

3 37 3

2

47

2

28.10 .22.104 .10 0,636 28 22 .10 0,408

6,16.104 .10 0,408 0,0318

G

G

Tại 32,76.10 ( )th m thì 82 32,2.10 /G H m



c. Tính từ dẫn tổng khe hở không khí:

13 2 1 2δ

13 2 1 2

. 2. .2.

G G G GGG G G G

Với 32,76.10th m

8 88

8 8

2.17,04.10 .32,2.1013,43.10 /

2.17,04.10 32,2.10thG H m

d. Đạo hàm từ dẫn khe hở không khí :

δ

δ

-δ

δ

' '1 2 1 2 1 2 1 2

21 2

2 ' ' 21 2 1 2

2

1 2

(2. . ) .(2. ) (2. . ).(2. )

(2. )

4. . 2. .

2.

dG G G G G G G G Gd G G

dG G G G Gd G G

Trong đó :

47

1

3,84.104 .10 0,408 0,02544G

47

2

5,76.104 .10 0,408 0,03G

4' 71 2

3,76.104 .10 0,408G

4' 72 2

5,76.104 .10 0,408G

δ

δ

-δ

δ

' '1 2 1 2 1 2 1 2

21 2

2 ' ' 21 2 1 2

2

1 2

(2. . ) .(2. ) (2. . ).(2. )

(2. )

4. . 2. .

2.

dG G G G G G G G Gd G G

dG G G G Gd G G

Với 32,76.10th m thì 8

1 17,04.10 /G H m , 82 32,2.10 /G H m

' 61 50,29.10 /G H m , ' 6

2 101,1.10G

55,046.10th

dG

d



e. Tính từ dẫn rò: Theo bảng (5 - 6)/227-231- quyển 1 vì ta chọn nam châm điện có dạng chữ ỉ từ dẫn rò có thể biểu diễn như sau:

Grc

Grb

Gra b

a

a/2

Ta có từ dẫn rò: Gr1= Gr2= Gra + 2. Grb+ 2. Grc. Trong đó: +Theo bảng (5-6)/227-231- TL 1: theo mục 5 ta có: + ) Gra : từ dẫn rò giữa 2 cực.

Gra =

' 3 37 8

0 3

. 23.10 .36,35.104 .10 . 5,2.10

19,34.10csb h

C (H)

Với: hcs = 36,35 (mm): chiều cao cửa sổ mạch từ. C = 19,34 (mm): chiều rộng cửa sổ mạch từ b’ = 23 (mm): bề dày cực từ.

+ ) Grb: từ dẫn rò 1 nửa trụ đặc. Theo bảng (5 -4)/223- quyển 1: theo mục 7 ta có:

Grb = 0,26. 0.lr 7 3 80,26.4 .10 .36,35.10 1,19.10rbG H

Với lr = hcs = 36,35. 10-3 (m) : chiều dài phần rò.

+) Grc: từ dẫn 1 nửa trụ rỗng



37 8

0

2

0,64. 0,64.36,35.10. 4 .10 . 1,06.1019,34.211 11/ 2

rrc

lGC

a

H

Với: a2 = 11. 10-3 (m): chiều rộng cực từ giữa.

lr = hcs = 36,35. 10-3 (m): chiều dài phần rò. 7

0 4 .10 /H m (H/m): hệ số từ thẩm qua khe hở không khí. C = 19,34. 10-3 (m): chiều rộng cửa sổ mạch từ.

Vậy ta có từ dẫn rò: Gr1 = Gr2 = Gra + 2Grb + 2Grc.

= 5,2. 10-8 + 2. 1,19. 10-8+ 2. 1,06. 10-8= 9,7.10-8(H) f. Tính suất từ dẫn rò - Theo mục 6 bảng 5 - 6, trang 227- 231 ta có suất từ dẫn rò

-8-6

- 13

2. 2.9,7.109,34.10 ( / ).

36,35.10r

r

Gg H m

l

Trong đó : Gr1 = 9,7. 10-8 (H). lr = hcs = 19,34. 10-3 (m).

+ Tính từ dẫn rò quy đổi Theo trang 242 - TL 1 ta có:

` Grqđ =3

1 . g. lr

Trong đó : g = 5,51.10-6 (H/m): suất từ dẫn rò lr = hcs = 40.10-3 (m).

Grqđ = 3

1 . 5,51. 10-6 .36,35. 10-3 = 6,77. 10-8 (H).

+ Tính từ dẫn tổng: G = G + Grqđ.

Đạo hàm hai vế ta có: δΣ

δ δ δ®rqd Gd Gd G

d d d

Vì từ dẫn rò quy đổi không phụ thuộc vào nên : 0=d

Gd ®rq

δ

δδ

δΣ

d

Gd=

d

Gd .

3. Xác định hệ số từ rò tại th :

8®

8

6,67.101 1 1,5

13,47.10th

th th

r rqr

G

G.



Vậy tại 32,76.10th : ta tính được 1,5r so với 1,5r ban đầu nên việc chọn lúc đầu là hợp lý. - Xác định từ thông , từ tản tại th :

+ Theo công thức 5- 50 trang 263 TL1 :

2

®2

. 1.

32.

rqthhth

dGK dGF

d dG

(N).

Vì δ

® 0rqd G

d

δδδΣ

d

Gd=

d

Gd .

2

2

..

2.th

hth

K dGF

dG

(N).

δδ

2. 2.

( ).

hthth

F GWb

dGK

d

.

Tại th : ®ttt

1 1.71 35,5

2 2htbF F N

K = 0,25.

th từ thông khe hở không khí tại điểm tới hạn

δ

28

45

35,5. 2. 13,47.102,69.10 ( )

0,25.5,046.10th Wb .

+ Tính từ cảm th :

4

62

2,69.100,55( )

495,5.10th

thB TS

.

Vậy tại th ta tính được 0,55thB so với 0,6thB đã chọn ban đầu là hợp lý.

Xác định hệ số từ rò với các trị số khác nhau



δ r

δ δ δ

σ ®0 1 rqr

G

G

0 : từ thông chính trong mạch từ : từ thông khe hở không khí r: hệ số từ rò

Với các giá trị khe hở không khí ta xây dựng được bảng sau

47

1

3,08.104 .10 0,408 0,02289G

47

2

6,16.104 .10 0,408 0,0318G ; 13 2 1 2

δ13 2 1 2

. 2. .2.

G G G GGG G G G

8

® 6,77.101 1rq

r

G

G G ;

4' 71 2

3,08.104 .10 0,408G

4' 72 2

6,16.104 .10 0,408G ;

δ

δ

2 ' ' 21 2 1 2

2

1 2

4. . 2. .

2.

dG G G G Gd G G

4. Xác định số vòng dây Số vòng dây của nam châm điện tính theo công thức trang 284- TL 1:

min ®. ..

4,44. .U k ir

tb

K U kW

f

(vòng )

Trong đó: KUmin = 0,85: hệ số sụt áp kir = (0,60,9): hế số tính đến tổn thất điện áp trên đường dây. chọn kir = 0,8 f = 50 (Hz) tần số

(mm) 2,76 4 6,76 9 G1(.10-8) 17,04.10-8 13,5.10-8 8,9.10-8 7,64.10-8 G2(.10-8) 32,2.10-8 23,6.10-8 15,79.10-8 13.10-8 G (.10-8) 16,6.10-8 12,6.10-8 8,37.10-8 7,02.10-8 G'1(.10-6) -50,29.10-6 -23,7.10-6 -7,59.10-6 -4,26.10-6 G'2(.10-6) -101,1.10-6 -47,87.10-6 -16,4.10-6 -9,04.10-6

δδ

d

dG(.10-6) 5,046.10-5

2,39.10-5 0,813.10-5 0,442.10-5

r 1,401 1,53 1,79 2



Uđk = 380 (V): điện áp điều khiển tb =δ.r = 2,76. 10-4. 1,5 = 4,14. 10-4 (Wb).

Vậy số vòng dây nam châm điện

- 4

0,85.380.0,82812

4,44.4,14.10 .50W (vòng )

a. Tiết diện dây quấn

®

.. cd cd

l

b hq k

W

Trong đó: W = 2812 (vòng) số vòng cuộn dây. bcd = 11,34 (mm): bề dầy cuộn dây

Với klđ = (0,30,7).Chọn klđ = 0,45: hệ số lấp đầy cuộn dây hcd = 26 (mm): chiều cao cuộn dây

Vậy tiết diện nam châm điện

211,34.28,350,45. 0,05( ).

2812q mm

b. Đường kính dây quấn của cuộn dây Đường kính dây quấn không có cách điện

π

4. 4.0,050,258( ).

qd mm

Theo bảng (5-8)/276-277- quyển 1 ta chọn vật liệu dây quấn là dây quấn đồng kí hiệu . Tra bảng chọn đường kính dây quấn d = 0,27 (mm) : không có cách điện Ta có đường kính dây quấn kể cách điện : d = 0,305(mm). Nên ta có hệ số lấp đầy cuộn dây :

π

2 2. . ' 2812. .(0,305)0,64

4. . 4.11,34.28,35ldcd cd

W dk

b h

So sánh với klđ = (0,30,7) ta thấy klđ = 0,68 là hợp lý Ta có tiết diện dây quấn với kld = 0,64 :

' 211,34.28,350,64. 0,073( ).

2812q mm



5. Tính toán vòng ngắn mạch chống rung:

a. Xác định trí số trung bình của lực điện từ ở khe hở làm việc khi không

có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút của phần ứng Theo công thức (5 - 52)/267- TL 1 ta có lực hút điện từ trung bình khi phần

ứng bị hút

δh2

419,9.10 . ( ).tbtbh

tn

F NS

Trong đó: Stn : tổng diện tích trong và ngoài vòng ngắn mạch Stn = S1 - 2.b’.v: bề rộng vòng ngắn mạch S1 = 347 (mm2): tiết diện cực từ bên b’ = 23 (mm): bề rộng cực từ Stn = 347 - 2. 23. 2 = 259 (mm2) = 259.10-6 (m2). tb: từ thông trung bình qua khe hở không khí khi phần ứng hút tb: từ thông trung bình qua khe hở không khí khi phần ứng hút

-tbδ

rh2

4

44,14.102.10 ( ).

2.1,035tb Wb

Vậy lực hút trung bình khi hút

-4(2.10

2

46

)19,9.10 . 30,73 ).

259.10tbhF N

b. Tính tỉ số f1 của lực điện từ bé nhất và trị số trung bình của lực điện từ

khi không vòng ngắn mạch Theo công thức( 5-53 ) trang 267 ta có

®min.dt cq th

ltbh tbh

k FFf

F F

kđt = 1,1 ÷ 1,2 , hệ số dự trữ Fcqđh - lực cơ quy đổi ở cực từ có vòng ngắn mạch

cq®h

64,4.1,2F 19,47( ).

4 4cthF

N tại 2,76mm

Vậy 19,47

0,6330,73lf

c. Tỷ số diện tích cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch



Thấy 1

1

2 2 0,630,5

4 4.0,63ng

tr

S fS f

chọn 0,5

Mà Str + Sng = 259.10-6 m2

Sng = 129,5. 10-6 m2

Str = 129,5.10-6 m2

d. Điện trở vòng ngắn mạch

Theo công thức (5 - 54)/267- TL 1 ta có điện trở vòng ngắn mạch

- Ωδ

20 112

1

. . .4.. 4 ( ).

.(3 2)tn

nmcn

S fr f

f

Trong đó 2 f = 100 (rad/s).

1

2cn h = 0,2. 10-3 (m): khe hở khi nắp hút

70 4 .10 (H/m)

Stn = 259 . 10-6 (m2). fl = 0,63

Vậy điện trở vòng ngắn mạch

-7 -

- - ( Ω

62 4

3 2

100 .4 .10 .259.10 .4.0,5. 4 0,63) 1,62.10 ( )

0,2.10 .(3.0,63 2)nmr

e. Góc lệch pha giữa t và n khi số vòng ngắn mạch Wnm=1.

Theo công thức (5 - 55)/268- TL1 ta có

φ . t

nm

Gtg

r

Mà ta có : δ0 . t

th

SG

Nên góc lệch pha sẽ là: -7 -

-φ

6

4 3

100 .4 .10 .129,5.101,58

1,62.10 .0,2.10tg

Trong đó : = 100 (rad/s) 7

0 4 .10 (H/m) St = 129,5.10-6 (mm2) rnm = 1,62.10-4 () h = 0,2 . 10-3 (m)

= 57,60 cos = 0,53.



Vậy ta thấy = 58 là phù hợp với =( 500 800 )

f. Xác định từ thông trong và ngoài vòng ngắn mạch Theo công thức ( 5- 56 )/268- TL1 ta có từ thông trong vòng ngắn mạch

δht

φ21 2. .cosc c

Trong đó :

αφ

0,5

1cos 0,53

c

h = tb = 2. 10-4 (Wb).

-

-t

2.

44

2

101,14.10 ( )

1 1 2.1.0,53Wb

Từ thông ngoài vòng ngắn mạch n = c.t = 1.1,14.10-4= 1,14.10-4(Wb)

g. Từ cảm khe hở vùng ngoài vòng ngắn mạch

-

-6

41,14.100,88( ).

129,5.10n

nn

B TS

.

So sánh Bn = 1 T) < [Bn]= 1,6 (T) là hợp lý.

h. Xác định các lực từ Theo công thức trang 268- TL 1 ta có giá trị lớn nhất của lực điện từ là:

φ2 2max 2. . .cos2tbt tbn tbt tbnF F F F F

Trong đó:

2 -n

-nS

4 24 4

6

(1,14.10 )19,9.10 . 19,9.10 . 19,97( ).

129,5.10tbnF N

2 -t

-tS

4 24 4

6

(1,14.10 )19,9.10 . 19,9.10 . 19,97 ( ).

129,5.10tbtF N

Cos2 = cos (2. 580) = - 0,4384 Vậy - 2 2

max (19,97) (19,97) 2.19,97.19,97.( 0,43) 21,3( ).F N Giá trị trung bình của lực điện từ

Ftb = Ftbt + Ftbn = 19,97+ 19,97= 39,94 (N).



Vậy giá trị nhỏ nhất của lực điệntừ Fmin = Ftb - Fmax = 39,94 – 21,3= 18,64 (N). Đây là Fmin của một cực từ bên do đó Fđtmin do NCĐ sinh ra là

Fđtmin = 4. Fmin = 4. 18,64 = 74,56 (N). Ta thấy Fđtmin > Fcơ max = 71 (N) do đó nắp không bị rung

i. Tổn hao năng lượng trong vòng ngắn mạch Theo công thưc (5 - 57)/269- TL1 ta có

ω 2max

2min

( . . )(W)

2. .U t

nmU nm

KP

K r

Trong đó: KUmax = 1,1 : hệ số tăng áp KUmin = 0,85: hệ số sụt áp = 100 (rad/s). t = 1,14. 10-4 (Wb). rnm = 1,62. 10-4 ().

-

-4

4 2

2

(1,1.100 .1,14.10 )6,631( ).

2.0,85 .1,62.10nmP W

6. Xác định kích thước vòng ngắn mạch

Chu vi vòng ngắn mạch

pnm = 2 ( b’ + v + 'tS

b) = 2. ( 24 + 2 + 144

24) = 64 (mm).

Chọn vật liệu làm vòng ngắn mạch là đồng cứng tinh khiết 20 = 0,01681. 10-3 (mm): điện trở suất của vật liệu ở 200C. = 0,0043 (1/0C): hệ số nhiệt điện trở của vật liệu

Nhiệt độ phát nóng của vòng ngắn mạch là: 2000C. Nên ta có điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ phát nóng

200 = 20. [1 + ( - 20)] = 0,01681. 10-3 [1 + 0,0043. (200 -20)] = 0,03 . 10-3 (mm).

Tiết diện vòng ngắn mạch

3

22004

. 0,03.10 .61,311,35( ).

1,62.10nm

nmnm

pS mm

r



Như vậy chiều cao của vòng ngắn mạch:

Δ

11,355,68( ).

2nm

nmnm

Sh mm

7. Hệ số toả nhiệt của vòng ngắn mạch a. Toả nhiệt trong không khí Theo trang 269 - TL 1:

Ktkk= 3. 10-3 .(1 + 0,0017 . ) = 3. 10-3 .(1 + 0,0017. 200 ) = 4,02. 10-3 (W/cm2 0C).

Với = 2000C.nhiệt độ phát nóng của vòng ngắn mạch

b. Toả nhiệt trong lõi thép Ktkk= 2,9. 10-3. (1 + 0,0068. ) = 2,9. 10-3. (1 + 0,0068. 200 ) = 6,84. 10-3 (W/cm2 0C).

c. Diện tích toả nhiệt trong vòng ngắn mạch - Trong không khí:

S1 = 2. pnm. v + 2. 'b

St . hnm = 2. 61,3. 2 + 2. 129,5.5,68

23 = 309,2 (mm2).

- Trong lõi thép S2 = 2b’. hnm + 2b’.v + pnm.hnm

= 2. 23.5, 68 + 2. 23. 2 + 5, 68. 61,3 = 701,5 (mm2).

d. Dòng điện đặc trưng cho tổn hao năng lượng trong ngắn mạch

-4 6,63

202,3( ).1,62.10

nmnm

nm

PI A

r

Dòng điện ngắn mạch quy đổi về dòng điện trong cuộn dây nam châm điện

®

202,3. .2 0,144( ).

2812nm

nmq

II n A

W

8. Tổn hao trong lõi thép

a. Xác định thể tích lõi thép mạch từ M = V. . kc. Trong đó: kc = 0,9 : hệ số ép chặt.

= 7,65 (g/cm3) trọng lượng riêng của thép. V = H. L. b’ - 2hcs. C. b’ thể tích lõi

với H = 76 (mm): chiều cao nam châm điện L = 86,88 (mm): chiều dài nam châm điện



hcs = 36,35 (mm): chiều cao của sổ mạch từ b’ = 23 (mm): kích thước lõi C = 19,34 (mm) chiều rộng của sổ mạch từ

Nên ta có V = 76.86,88. 23 - 2. 36,35 .19,34. 23 =119538 (mm3) = 119,538(cm3) Vậy trọng lượng của lõi thép

M = 119,538. 7,65 . 0,95 = 868,7 g = 0,87 kg b. Suất tổn hao ứng với từ cảm cực đại

ω

max ®max

2. . .

.U k irK U k

W

Trong đó kir= 0,8 Ku max = 1,1: hệ số tăng áp

®k 380U V điện áp điều khiển W = 2812 (vòng) : số vòng cuộn dây

-

4max

2.1,1.380.0,85,35.10 ( ).

100 .2812Wb

Vậy từ cảm cực đại của lõi thép:

-

-

4max

max 62

5,35.101,08( ).

495,5.10B T

S

Pmax = p10. 2max )1

B( = 1,65. (1,08)2 = 1,924 (W/kg)

Với p10 = 1,65 (W/kg): suất tổn hao riêng của thép ( theo bảng 5-4 TL1). c. Công suất tổn hao trong sắt

PFe = Pmax.M.K M = 0,8 kg: khối lượng mạch từ K = 1,5 ÷ 3 chọn K = 2 Vậy công suất tổn hao trong thép: PFe = 1,924. 0,8 . 2 = 3,08 (W).

9. Tính dòng điện trong cuộn dây nam châm điện

a. Dòng điện trong cuộn dây khi hút Khi nắp đóng, rất nhỏ ( = 0,2 mm), dòng điện trong cuộn dây gồm: dòng điện trong cuộn dây, dòng từ hoá khe hở, dòng điện tổn hao trong lõi thép và dòng điện ngắn mạch quy đổi trong vòng ngắn mạch 2 2

δ( ) ( )h th nmqd FeI I I I I Trong đó:



(+).2X+R

U=I

2

k®δ : dòng điện từ hoá ở khe hở không khí

Vì R<< X nên coi R 0.

δΣω ω

® ® ®2. . .

k k kU U UI

X L W G

Với G = G + Grqđ = (196,4 + 391,1). 10-8 + 67,7. 10-9 G = 59,4. 10-7 (H). = 100 (rad/s). W =2812 (vòng ): số vòng cuộn dây Uđk = 380 (V).

Vậy ta có: δ -6

2

3800,026( ).

100 .2812 .5,94.10I A

(+). Ith: dòng điện từ hoá trong lõi thép Theo phương trình từ hoá trong lõi thép ta có :

Ith. W = Hi . li Trong đó: Hi . li = Htb . ltb: tổng từ áp trên các phân đoạn mạch từ.

Htb: giá trị trung bình của cường độ từ trường trong lõi thép tính theo giá trị hiệu dụng của Bmax. Căn cứ vào đường cong từ hoá của thép 31 hình ( 5-6 )/195 TL 1:

Với Bmax = 1,2 T => Hm = 1,6 (A/cm).

Mà : Htb = 1,6

2 2mH = 1,13(A/cm).

Ta có : Ltb = 2. L + 3. C = 2. 8,668+ 3.1,934= 23,1 (cm). Vậy ta có dòng điện từ hoá trong lõi thép

31,13.23,19,3.10 ( ).

2812thI A

(+). ® max.

FeFe

k U

PI

U K : dòng điện tổn hao trong lõi thép

Trong đó: PFe = 3,488 (W): công suất tổn hao trên lõi thép Uđk = 220 (V): điện áp định mức của cuộn dây kumax = 1,1: hệ số tăng áp Vậy dòng điện trong tổn hao lõi thép

33,087,4.10 ( ).

1,1.380FeI A

(+). Inmqđ = 0,144(A): dòng điện quy đổi của cuộn dây



3 2 3 2(0,026 9,3.10 ) (0,144 7,4.10 ) 0,155( ).hI A Mật độ dòng điện khi hút

20,1553,1( / ).

0,05h

h

IJ A mm

q

Như vậy Jh = 3,1 ( A/mm2) < [Jcp] = 4 (A/mm2) là phù hợp

b. Dòng điện trong cuộn dây khi nhả = 9 (mm) Khi nhả trong cuộn dây chủ yếu là dòng điện từ hoá khe hở không khí, dòng điện từ hoá lõi thép và tổn hao rất lớn. Do vậy dòng điện trong cuộn dây được tính gần đúng theo biểu thức trong tài liệu 2 trang 153

Σω

® max2

.

. .m U

nh

U KI

W G

Trong đó: G = G + Grqđ = 1,2.10-7 + 6,77.10-8 = 1,88.10-7 (H). kumax = 1,1: hệ số tăng áp W= 2812 (vòng ) Uđm = 380 (V).

Dòng điện khi nhả -

2 7

1,1.3800,89( ).

100 .2812 .1,88.10nhI A

Hệ số tăng dòng diện

0,89

5,770,155

nhI

h

IK

I

Vậy KI = 5,77 nằm trong giới hạn cho phép [KI] = ( 415 ).

10. Tính toán nhiệt dây quấn nam châm điện

a. Tính điện trở dây quấn

Theo công thức (1-45) TL2 : q

W.l.=R tb

0ρ

Trong đó: ltb: độ dài trung bình của một vòng dây

ltb = 4. ( a + bcd + 2) Víi: bcd = 11,34 (mm): bề dày cuộn dây

a = 24 (mm): bề rộng cực từ giữa = 1 + 2 + 6 = 1,5 + 0,5 + 0,5 = 2,5 (mm).



ltb = 4 (24 + 11,34 + 2. 2,5) = 161,4 (mm) W = 2812 (vòng) : số vòng cuộn dây q = 0,073 (mm2): tiết diện dây quấn

: điện trở suất của dây quấn ở nhiệt độ cho phép của cấp cách điện B (1350C). = 20. [ 1+ . ( 135- 20 )] = 0,01681. 10-3.[ 1+0,0043.(135-20)] = 0,025.10-3 (.mm).

Nên điện trở dây quấn -0,025.10 Ω 3 161,4.2812. 155( ).

0,07R

b. Tổn hao năng lượng trong dây quấn Theo công thức trang 40 TL2 :

Pdq = Ih2 . R = (0,155)2. 155 = 3,72 (W).

Trong đó Ih = 0,155(A) : dòng điện khi hút c. Độ tăng nhiệt bề mặt cuộn dây Theo công thức (1-46)/39 quyển 3 về sự làm nóng cuộn dây của nam châm điện ta

có τ.dq

T tn

PK S

Trong đó: KT: hệ số toả nhiệt của cuộn dây Theo bảng (6-5)/301- TL 1: KT = (10 20) (W/m2 0C). Nên ta chọn KT = 18 (W/m2 0C).

Stn: diện tích toả nhiệt của cuộn dây Stn = Sxq + Sđ.

Sxq = P. hcd Với P: chu vi ngoài cuộn dây

P = 2. ( a + 2.bcd) + 2. ( b’ + 2.bcd) = 2. ( 24 + 2. 11,34) + 2. (23 + 2. 11,34) = 184,7(mm) Sxq = 184,7.28,35 = 5,24. 10-3 (m2).

Sđ = 4

3 . 2. bcd. hcd : một phần diện tích đáy

= 4

3 .2. 11,34. 28,35 = 482,2 (mm2) = 0,48. 10-3 (m2)

Nên diện tích toả nhiệt : Stn = 5,24. 10-3 + 0,48. 10-3 = 5,72. 10-3 (m2).



-τ 03

3,7243,4

15.5,72.10C

Nhiệt độ phát nóng cuộn dây: = mt + = 40 + 43,4 = 83,4 (0C). Như vậy nhiệt độ phát nóng cuộn dây = 83,4 < [cp] = 1350C là hoàn toàn phù hợp.

11. Tính và dựng đặc tính lực hút Theo công thưc (5-50)//263- TL 1.

δ δ

δ

Φδ δ

2

® 2

2. . 1. .

32.r

h t

k dG dGF

d dG :

Trong đó: k = 0,25 : hệ số xét tới thứ nguyên lực

= tb

r

tb: từ thông trung bình của lõi thép

. .Φ4,44. .

U dk irtb

k U kW f

ku: hệ số đánh giá sự thay đổi diện áp nguồn. kir = 0,8: r: hệ số từ rò.

Mà ta biết Gr = const 0=d

dG r

δ

Uđk = 380 (V): điện áp cuộn dây

W =2812 (vòng ) : số vòng cuộn dây

Vậy lực hút điện từ tb δ2

δ

Φδσ

2

® 2

2. ..

2. .th

r

k dGF

dG

Thay đổi các hệ số kU

ku = 0,85 tb = 0,85.380.0,8

4,44.2812.50 = 4,13. 10-4(Wb).



ku = 1 tb =1.380.0,8

4,44.2812.50 = 4,87. 10-4(Wb)

ku = 1,1 tb =1,1.380.0,8

4,44.2812.50 = 5,36. 10-4(Wb).

Để dựng được đặc tính lực hút ta thay đổi từng giá trị của và thay đổi kU tương ứng.

KU = 0,85 ; 1; 1,1.

Do đó ta có bảng sau

mm

Fhđt (N)

9.10G H

6.10dG

Hd

r kU=0,85 kU = 1 kU= 1,1

2,76 56,26 78,23 94,76 16,6.10-8 5,406.10-5 1,401 4 38,78 53,9 65,3 12,6.10-8 2,39.10-5 1,53 6,76 21,8 30,4 36,79 8,37.10-8 0,813.10-5 1,79 9 12,5 18,8 22,77 7,02.10-8 0,442.10-5 2

12. Tính và dựng đặc tính lực nhả Ta có hệ số nhả là tỷ số giữa dòng điện hoặc điện áp cuộn dây khi phần ứng của cuộn nam châm điện nhả và khi tác động

knhI = ®

nh

t

II

knhU = ®

nh

t

UU

Trong trường hợp đơn giản ta cũng có thể xác định qua đặc tính lực của nam châm điện

knh = nh

h

FF

Fnh- lực nhả lớn nhất mà nam châm điện hút được Fnh = 26,5 N Fh- lực hút nhỏ nhất mà nam châm điện hút được Fh = 64,5 N



Xét tại điểm tới hạn 2,76 : knh = 26,5

64,5 = 0,41

Vậy ta có giá trị điện áp nhả với kU = 0,85. Unh = knh. Utđ = knh. 0,85. Uđm = 0,41. 0,85. 440 = 180,8(V).

Từ thông trung bình lõi thép khi nhả

-Φ 4. 180,3.0,82,32.10 ( ).

4,44. . 4,44.50.2812nh ir

tbnh

U kWb

W f

Vậy lực điện từ tương ứng với Unh được xác định theo công thức

tbnh δ

δ

Φδσ

2

® 2 2

2. ..

2. .tnh

r

k dGF

dG

Thay đổi các giá trị khe hở không khí ta xác định được các giá trị của đặc tính nhả như sau:

mm 2,76 4 6,76 9

Fđtnh(N) 7,2 4,96 2,78 1,72



VIII. THIẾT KẾ KẾT CẤU

Thiết kế kết cấu giúp chúng ta hình dung một cách rõ ràng và chính xác cụ thể kết cấu của công tắc tơ cần thiết kế. Để làm được phần này thì ta dựa vào :

- Kết cấu đã chọn ban đầu - Các số liệu tính toán - Tham khảo các mẫu trong thực tế. Nhiệm vụ của công tắc tơ thiết kế kết cấu là : cần xác định hình dạng của vỏ,

các chỉ tiêu kỹ thuật, các kích thước của các chi tiết, bộ phận công tắc tơ và thiết kế bản vẽ kỹ thuật của công tắc tơ.

1. Kết cấu vỏ

Vỏ của công tắc tơ có nhiệm vụ che chắn, bảo vệ ngăn cách các bộ phận của công tắc tơ với môi trường bên ngoài, bảo vệ trước các tác động của môi trường về mặt hoá học và cơ học đồng thời nó có tác dụng cách điện cho các phần mang điện và phần không mang điện cũng như cả với đất. Vì vậy vật liệu làm vỏ phải có độ bền cơ hóa và điện cao đồng thời phải đảm bảo không có tác dụng với môi trường. Mặt khác phải đảm bảo thẩm mĩ và thuận tiện trong sử dụng.

Vật liệu làm vỏ : ta chọn loại nhựa K 18- 2, loại này có tính chất sau : - Có màu đen - Có độ bền cơ cao, ít chịu tác dụng hoá học và điện - Đảm bảo độ bóng bề mặt khi gia công

Kết cấu vỏ chia ba phần ; đế - thân - nắp. - Phần đế : có tác dụng ôm và đỡ mạch từ của nam châm điện và cuộn dây. Ngoài ra còn dùng để nắp công tắc tơ vào các vị trí cần sử dụng, do đó bề dày của phần đế thường được làm việc dày hơn. - Phần thân : có tác dụng che chắn mạch từ và để gắn các tiếp điểm tĩnh chính và phụ, bề dày của phần thân 3 mm. - Phần nắp : có tác dụng bao bọc phần phía trên của cơ cấu truyền động, hệ thống tiếp điểm, buồng dâp hồ quang. Kết cấu của phần nắp đảm bảo cách điện giữa các pha và thuận tiện cho việc đấu nối công tắc tơ vào mạch điện.



Bề mặt vỏ phải nhẵn, sạch và trên vỏ phải ghi đầy đủ các thông số kỹ thuật của công tắc tơ.

2. Hệ thống tiếp điểm a. Hệ thống tiếp điểm chính

Thanh dẫn động - Vật liệu thanh dẫn : đồng kéo nguội MI – TB có các thông số kỹ thuật sau : Tỷ trọng : 8,9 g/cm3. Nhiệt độ nóng chảy : nc 1083oC .

Hệ số nhiệt điện trở : = 0,0043(1/ oC). Hệ số dẫn nhiệt : = 393 W/ cm C0 . Điện trở suất ở 20 0 C: 20 = 0,01741.10 3 ( mm ).

Nhiệt độ cho phép : [ cp ] = 95 0 - Số lượng : 3 - Kích thước thanh dẫn: a = 18 mm, b = 2 mm

Thanh dẫn tĩnh - Vật liệu thanh dẫn: đồng kéo nguội MI – TB - Số lượng: 3 - Kích thước: a = 20 mm, b = 2 mm

Đầu nối - Vật liệu đầu nối: đồng M1 - Vật liệu bu lông : thép ít cacbon CT3 - Số lượng: đầu nối : 6, bulông: 6 - Kích thước: sử dụng vít có ren tháo rời M6 15

Tiếp điểm - Vật liệu tiếp điểm: bạc – niken – than chì ( kim loại gốm ) Kí hiệu KMK. A32 Tỷ trọng ( ) 8,7 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy nc 1300 0C

Điện trở suất ở 20 0C 20 0,032.10-3 mm

Độ dẫn nhiệt 3,25 W/ cm 0C Độ cứng Briven BH 6080 Kg/ mm2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở 0,0035 (1/ 0C) - Số lượng : + tiếp điểm động: 6 + tiếp điểm tĩnh: 6 - Kích thước tiếp điểm: + tiếp điểm động : hình trụ cầu d = 16 mm, h = 3 mm



+ tiếp điểm tĩnh: hình chữ nhật a = 20 mm, b = 22 mm, h = 3mmm. Lò xo tiếp điểm chính

- Vật liệu: thép cacbon ký hiệu OTC9389-60 - Số lượng: 3 - Kích thước: + đường kính dây lò xo: d = 0,8 mm + đường kính lò xo: D = 9,6 mm + số vòng làm việc : W0 = 5vòng + số vòng kết cấu: W = 6 vòng + Chiều dài kết cấu: lk = 4 mm , ln = 7,96 mm - Bước lò xo: tk = 0,8 mm , tn = 1,352 mm.

3. Nam châm điện Chọn dạng kết cấu

Kiểu dáng kết cấu của nam châm điện là mạch từ chữ E hút thẳng. Cuộn dây được đặt ở cực từ giữa và vòng ngắn mạch đặt ở cực từ bên.

Chọn vật liệu Mạch từ của nam châm điện xoay chiều được ghép từ lá thép kỹ thuật điện. kí hiệu 31.

Từ cảm cực đại tần số f = 50 (Hz) : Bmax = 1,2 (T). Lực phản kháng : HC = 0,320,40 (A/cm) Từ cảm dư : Bdư = 0,81,2 T Từ cảm bão hoà : Bbh = 2 T Độ từ thẩm cơ bản : M = 250 (H/m) Độ từ thẩm cực đại : Mmax = (6 7).1000 (H/m) Từ cảm khi Mmin : B= 0,60,8 T Tổn hao từ trễ khi bão hoà : 0,1(mJ/cm3 cho 1 vòng) Điện trở suất : = 40.10-8 (m) Khối lượng riêng : 7,65 (g/cm3). Thành phần cacbon : 0,02%.

Các thông số và kích thước chủ yếu của nam châm điện - Kích thước cực từ giữa : a = 24 mm, b = 22mm - Kích thước cực từ bên : a’ = 12 mm, b’ = 23 mm - Kích thước cuộn dây : + Chiều cao cuộn dây hcd = 28,35 mm + Bề dầy cuộn dây : bcd = 11,34 mm - Kích thước nam châm điện : + bề rộng cửa sổ : E =19,34 mm + chiều cao cửa sổ : hcs = 36,35 mm



+ chiều cao nam châm điện : A = 70,35 mm + chiều cao đáy nam châm điện : hđ = 12 mm + chiều cao nắp nam châm điện : hn = 12,95 mm + chiều dài nam châm điện : C = 51,68 mm - Số vòng cuộn dây nam châm điện : W = 2812 vòng - Tiết diện dây quấn : q = 0,073 mm2 - Đường kính dây quấn không kể cách điện : d = 0,27 mm - Đường kính dây quấn kể cả cách điện : d’ = 0,305 mm - Kích thước vòng ngắn mạch : + vật liệu : đồng cứng tinh khiết + chiều cao hnm = 5,68 mm - Trọng lượng lõi thép : M = 0,87 kg

4. Hệ thống mạch từ a Mạch từ tĩnh

Mạch từ tĩnh được đặt lên phần đế nhựa, phía dưới có lò xo hoẵn xung nhằm giảm chấn động mạch từ khi công tắc tơ làm việc. Vật liệu mạch từ : dùng thép hợp kim cao kí hiệu 31. Số lượng : 1 chiếc Số lá thép : 46 lá

Mạch từ động Mạch từ động được nâng bởi 2 lò xo nhả có trụ dẫn hướng. Trên mạch từ động có gắn giá tiếp điểm động và các tiếp điểm động. Vật liệu : dùng thép hợp kim cao kí hiệu 31. Số lượng: 1 chiếc

Lò xo nhả - Vật liệu: thép cacbon ký hiệu OTC9389-60 - Số lượng: 2 - Kích thước: + đường kính dây lò xo: d = 0,7 mm + đường kính lò xo: D = 8,4 mm + số vòng làm việc : W0 = 9 vòng + số vòng kết cấu: W = 10 vòng + Chiều dài kết cấu: lk = 6,3 mm , ln = 13,5 mm - Bước lò xo: tk = 0,7 mm , tn = 1, 45 mm.

5. Hệ thống dập hồ quang Kết cấu buồng dập hồ quang của công tắc tơ: buồng dập kiểu dàn dập.



TÀI LI ỆU THAM KHẢO 1. Thiết kế khí cụ điện hạ áp ( TL1) Bộ môn Thiết bị điện - điện tử, trường ĐH Bách Khoa Hà Nội năm 1986. 2. Khí cụ điện ( TL2) Phạm Văn Chới Bùi Tín Hữu Nguyễn Tiến Tôn 3. Chi tiết máy ( TL3)

Nguyễn Trọng Hiệp

I

Documents

Transcript of I