Báo cáo tốt nghiệp: Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha

Chia sẻ: Mr Yo Ko | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

711
lượt xem 230
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khái quát và công dụng. Công tắc tơ xoay chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải. Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối các mạch điện xoay chiều, nam châm điện của nó là nam châm điện xoay chiều, nhưng cũng có trường hợp nam châm điện là nam châm điện một chiều. Theo nguyên tắc truyền động, ta có công tắc tơ kiểu hơi ép, kiểu thủy lực nhưng phần lớn các khí cụ điện hiện nay hay các công...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo tốt nghiệp: Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha

Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha
Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha Chương 1. Những vấn đề chung 1. Khái quát và công dụng. Công tắc tơ xoay chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải. Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối các mạch điện xoay chiều, nam châm điện của nó là nam châm điện xoay chiều, nhưng cũng có trường hợp nam châm điện là nam châm điện một chiều. Theo nguyên tắc truyền động, ta có công tắc tơ kiểu hơi ép, kiểu thủy lực nhưng phần lớn các khí cụ điện hiện nay hay các công tắc tơ hiện nay thường được chế tạo theo kiểu điện từ. Công tắc tơ xoay chiều có các bộ phận chính sau: Mạch vòng dẫn điện (gồm đầu nối, thanh dẫn và các tiếp điểm) là chi tiết dẫn điện từ lưới đến phụ tải và từ thiết bị này đến thiết bị khác. Hệ thống dập hồ quang. Các cơ cấu trung gian. Truyền và biến đổi năng lượng. Nam châm điện. Cơ cấu điện từ biến đổi điện năng thành cơ năng, tạo ra lực điện từ dùng để đóng mở công tắc tơ. Các chi tiết và các cụm cách điện Các chi tiết kết cấu vỏ... 2. Yêu cầu chung đối với công tắc tơ xoay chiều. a.Yêu cầu về kĩ thuật Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận khi làm việc ở chế độ sự cố và định mức θ < [θ]; θnm < [θnm] và jnm < [jnm]. Đảm bảo độ bền cách điện của các chi tiết bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp cực đại, kéo dài và trong điều kiện của môi trường 0 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
xung quanh ( như mưa, bụi...), cũng như khi có điện áp nội bộ hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra. Độ bền cơ và tính chịu mài mòn của các bộ phận KCĐ trong thời gian giới hạn số lần thao tác thiết kế, thời hạn làm việc ở chế độ định mức và sự cố. Đảm bảo khả năng đóng ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện của các chi tiết, bộ phận. b.Yêu cầu về vận hành Có độ tin cậy cao Có tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài Đơn giản trong chế tạo, dễ thao tác, thay thế và sửa chữa. Phí tổn cho vận hành, tiêu tốn năng lượng ít. c.Yêu cầu kinh tế xã hội Giá thành hạ Tạo điều kiện để dễ dàng thuận tiện cho người vận hành Đảm bảo an toàn trong lắp giáp và sửa chữa. Có hình dánh và kết cấu phù hợp , đẹp. Vốn đầu tư cho chế tạo và lắp giáp ít. 3. Nguyên lý làm việc và kết cấu trung của công tắc tơ xoay chiều Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận: cuộn dây và mạch từ và được phân thành nhiều loại như công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây và công tắc tơ kiểu hút ống thẳng. Tất cả các công tắc tơ trên đều làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để dẫn từ nó là những lá thép kĩ thuật điện được dập thành chữ E hoặc chữ U và được ghép lại với nhau. Mạch từ được chia làm hai phần: một phần được kẹp chặt cố định, phần còn lại là nắp được nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn.Cuộn dây hút có điện trở và điện kháng rất bé. Khi ta đặt điện áp vào hai đầu cuộn dây của nam châm điện sẽ có dòng điện chạy trong cuộn dây, cuộn dây sẽ sinh ra từ thông khép mạch qua lõi sắt và khe hở không khí δ tạo lực hút điện từ kéo nắp (phần ứng) về phía lõi. Khi cắt điện áp (dòng điện ) trong cuộn dây thì lực hút điện từ không còn nữa và nắp bị nhả ra. 1 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
4.Lựa chọn sơ bộ nam châm điện. Dựa vào số lần thao tác trong một giờ ta phân biệt được chế độ làm việc của công tắc tơ điện xoay chiều ba pha nói trên, làm việc ở chế độ làm việc nhẹ. Công tắc tơ xoay chiều dùng nam châm điện có mạc từ hình chữ E hoặc chữ U có nắp quay quanh trụ hoặc chuyển động tịnh tiến theo kiểu hút ống dây, chuyển động kiểu hút thẳng, kiểu quay trên một cạnh và có phần ứng nằm ngoài cuộn dây, phấn ứng chuyển động trong lòng ống dây hoặc một phần ống dây. Qua phân tích ưu nhược điểm của các loại NCĐ đã có sẵn. Ta chọn NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây. Loại kết cấu này có nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phương chuyển động trùng với phương tác dụng của các lực. Đồng thời cho đặc tính lực hút tương đối lớn, hành trình chuyển động nhanh, thời gian chuyển động ngắn. Từ thông rò không sinh ra lực từ phụ. Tuy nhiên đi cùng với những ưu điểm thì NCĐ có kết cấu trên còn có mặt hạn chế là: Có bội số dòng điện lớn so với các mạch từ khác nên không thể dùng trong các chế độ làm việc nặng và trung bình. Lực lò xo nhỏ, công suất nhỏ. Việc dùng kết cấu NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng, có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây hoàn toàn phù hợp với công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ có chế độ làm việc nhẹ. 5.Lựa chọn hệ thống tiếp điểm chính và hệ thống tiếp điểm phụ. Với yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha có tần số đóng cắt = 105 lần. Nên các tiếp điểm phải đảm bảo độ mài mòn về điện và cơ. Qua phân tích và khảo sát các loại tiếp điểm (như tiếp điểm kiểu ngón, tiếp điểm lưỡi, tiếp điểm kiểu tấm phẳng...) chọn tiếp điểm chính kiểu cầu, tiếp xúc mặt phù hợp với NCĐ kiểu hút thẳng với dòng điện đi qua tiếp điểm chính Iđm = 200Tiếp điểm phụ kiểu cầu, tiếp xúc điểm ứng với dòng làm việc nhỏ I =5A. Tiếp điểm cầu có hai chỗ ngắt có ưu điểm là khả năng ngắt lớn không cần dây nối mềm, có khả năng làm sạch nơi tiếp xúc, chiếm ít không gian. Ngoài ra việc dập hồ quang được đảm bảo. 6. Lựa chọn sơ bộ hệ thống dập hồ quang. 2 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
Do công tắc tơ làm việc là công tắc tơ xoay chiều (làm việc với dòng xoay chiều) nên chọn kiểu dập hồ quang là kiểu dàn dập, mỗi chi tiết tiếp điểm sẽ có một buồng dập hồ quang riêng. 7. Ngoài ra còn có các chi tiết khác như lò xo, thanh dẫn ... và các chi tiết khác. Những chi tiết này sẽ được tính toán chi tiết, cụ thể ở các phần sau. Chương 2. Mạch vòng dẫn điện 2.1. Khái niệm về mạch vòng dẫn điện. Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện nói chung và của CTT nói riêng do các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu và kích thước hợp thành. Mạch vòng dẫn điện gồm thanh dẫn (động, tĩnh), dây nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm (giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh), cuộn dây dòng điện (có thể có cuộn thổi từ dập hồ quang). Ngoài mạch vòng dẫn điện chính còn có mạch vòng dẫn điện phụ được tính toán như mạch vòng dẫn điện chính. 2.2. Yêu cần đối với mạch vòng dẫn điện. Điện trở suất nhỏ, chịu được nhiệt độ cao, dẫn điện tốt. Bền đối với môi trường (chịu tác dụng độ ẩm, nhiệt độ, khí hậu). Tổn hao nhỏ. Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa. 2.3. Tính toán và lựa chọn thanh dẫn. Thanh dẫn trong CTT gồm có thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Để tính toán thiết kế hai loại thanh dẫn này ta chỉ cần tính toán thiết kế cho thanh dẫn động. Khi tính toán xong kích thước cho thanh dẫn động thì ta có ngay kích thước của thanh dẫn tĩnh (thường kích thước thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động do trên thanh dẫn tĩnh còn có phần đầu nối), vì hai thanh dẫn đều cùng chịu một dòng điện như nhau khi làm việc (Iđm). Yêu cầu đối với thanh dẫn: 3 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
+ Điện trở suất nhỏ, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. + Độ bền cơ cao. + Chịu ăn mò hoá học, ít bị ôxy hoá. + Độ mài mòn nhỏ khi va đập. + Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt và thay thế, sửa chữa. + Giá thành càng thấp càng tốt. Kích thước cho thanh dẫn được tính theo các bước: + Xác định kích thước cho thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn. + Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn. + Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn. 2.3.1.Xác định kích thước cho thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn. a. Chọn vật liệu thanh dẫn. Để thoả mãn các yêu cầu của thanh dẫn ta có thể chọn vật liệu thanh dẫn là đồng kéo nguội có các số liệu trong bảng dưới (theo bảng B2-13 trang 44 tài liệu thiết kế khí cụ điện hạ áp (TLTKKCĐHA)): Tên hằng số vật lý Giá trị Đơn vị Ký hiệu ML-TB Tỷ trọng 8,9 g/ cm3 0 Nhệt độ nóng chảy 1083 C Điện trở suất 200C (ρ20) 15.10-6 Ω.mm Độ dẫn nhiệt 3,9 W/ cm.0C Tỷ trọng nhiệt 0,39 W/ cm.0C Độ cứng 80 ÷ 120 Briven.kg/mm2 Hệ số nhiệt điện trở 0,0043 1/ 0C 0 Nhiệt độ nóng chảy cho phép 95 C b. Chọn kiểu thanh dẫn. Chọn thanh dẫn dạng hình chữ nhật. c. Tính toán kích thước thanh dẫn theo lý thuyết. 4 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
Theo kinh nghiệm thì khi dòng điện làm việc (dòng điện định mức) trong khoảng Iđm = 150A tới Iđm = 210A thì ta có thể chọn theo kinh nghiệm. Trong quá trình làm việc ổn định thì ta luôn có: τ = τ od = θ td − θ 0 : độ tăng nhiệt ổn định. τ od = 550 C đối với đồng (số liệu được tra trong bảng 6-1 trang 288- TLTKKCĐHA). Phương trình cân bằng nhiệt ở chế độ xác lập: P.dt = K T .ST .τ .dt (2.1) Từ phương trình trên ta có kích thước sơ bộ của thanh dẫn: I dm .ρθ .K ph 2 b= 3 (2.2) 2.n.(n + 1).K T .τ od Trong đó: ρθ = ρ od = ρ 20 (1 + α (θ od − 20)) (2.3) Kph = 1,05 : Hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao do hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần). n = a/b = 8: Tỉ số diện tích. a,b : Lần lượt là chiều rộng và chiều cao thanh dẫn (m). Iđm: Dòng điện làm việc định mức (A). KT: Hệ số tản nhiệt ra khống chế. Chọn KT = 7,5 (số liệu được tra trong bảng 6-5 trang 301- TLTKKCĐHA). θ od : Nhiệt độ ổn định θ od = 950 C (số liệu được tra trong bảng 6-1 trang 288- TLTKKCĐHA). ρ 20 C : Điện trở suất của vật liệu ở 200C ( Ω.m). 0 α : Hệ số nhiệt điện trở của đồng α = 0,0043 (1/0C). Theo công thức (2.3) ta có điện trở suất của vật liệu đã chọn (ở đây là đồng kéo nguội) ở nhiệt độ làm việc ổn định 950C: ρ 95 C = ρ 20 C (1 + α (95 − 20)) 0 0 ρ 95 C = 1,58.10 −8 (1 + 0,0043 .(95 − 20)) = 2,089.10 −8 (Ω.m) 0 Chiều cao thanh dẫn làm việc với dòng địng mức Iđm = 200A được tính theo biểu thức (2.2): 5 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
200 2.2,089.10 −8.1,05 b= 3 = 2,5.10 −3 (m) = 2,45(mm) 2.8.(8 + 1).7,5.55 Bề rộng thanh dẫn tính theo tỉ số diện tích n = a/b = 8. a = 8.2,45 = 19,5 (mm) Cần chú ý rằng trên thanh dẫn động có gắn tiếp điểm động, kích thước thanh dẫn động phải đủ lớn để gắn tiếp điểm động trên đó. Vì vậy kích thước thanh dẫn phụ thuộc vào kích thước tiếp điểm. Từ bảng 2-15 trang 51- TLTKKCĐHA, ứng với dòng định mức Iđm = 200A ta xác định được đường kính tiếp điểm d = 20 ÷ 25 (mm), chiều cao tiếp điểm h = 2,2 ÷ 3,0 (mm). Với đường kính tiếp điểm d = 20 ÷ 25 (mm) thì bề rộng thanh dẫn sẽ khá lớn nên ta tiến hành quy đổi tiếp điểm tròn thành tiếp điểm chữ nhật theo: π .d 2 π .252 = a'.b' → = 490,625 = a '.b' = 20.24,5 4 4 π .d 2 π .20 2 = a'.b' → = 314 = a'.b' = 16.19,625 4 4 Theo trên ta thấy a’ = 16 ÷ 20 (mm) và b’ = 19,625 ÷ 24,5 (mm) Vậy chọn kích thước tiếp điểm như sau: ⎧a ' = 20(mm) ⎪ ⎨ ' ⎪b = 24,4(mm) ⎩ (a’, b’ là bề rộng và dài của tiếp điểm chữ nhật) Ta chọn a = 20 + 2 = 22 (mm) và b = 3 (mm). Kích thước thanh dẫn với dòng điện làm việc Iđm = 5A: 52.2,089.10 −8.1,05 b= 3 = 0,21.10 −3 (m) = 0,21(mm) 2.8.(8 + 1).7,5.55 Bề rộng thanh dẫn tính theo tỉ số diện tích n = a/b = 8; a = 8.0,21 = 1,68 (mm) Để phù hợp ta chọn a = 5 (mm) và b = 1 (mm). (bảng 2-15 trang 51 TKKCĐHA) 6 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
2.3.2.Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn. Như vậy theo lý thuyết ta đã tính được kích thước cần thiết của thanh dẫn tương ứng với dòng định mức Iđm = 200A. Tuy nhiên để đưa vào thiết kế ta cần tính toán kiểm nghiệm lại xem với kích thước đã có của thanh dẫn thì liệu có đảm bảo được độ tăng nhiệt, nhiệt độ phát nóng ổn định và mật độ dòng điện cho phép khi thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn hay không. Đồng thời cần kiểm tra xem thanh dẫn có đảm bảo các yêu cầu cần thiết trong các chế độ ngắn hạn và ngắn mạch. a. Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ dài hạn. Kiểm tra nhiệt độ phát nóng thanh dẫn: I dm .ρ 0 .K ph + S .P.K T .θ 0 2 θ td = ≤ [θ ] (2.4) S .P.K T − I dm .ρ 0 .K ph .α 2 Trong đó: S = a.b = 22.3 = 66 (mm2). P = 2.(a+b) = 50 (mm). ρ 0 : Điện trở suất ở 00C. ρ 20 1,58.10 −8 ρ0 = = = 1,455.10 −8 (Ω.m) 1 + α .20 1 + 0,0043.20 200 2.1,455.10 −8.1,05 + 66.10 −9.50.7,5.40 θ td = −9 −8 = 69,6 0 C ≤ [θ ] = 95 0 C 66.50.7,5.10 − 200 .1,455.10 .1,05.0,0043 2 Kiểm tra mật độ dòng điện ở chế độ dài hạn: I dm I dm 200 = 3,03 ≤ [ j ] = 4 (A/mm ) 2 j dh = = = (2.5) S a.b 66 b. Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn. Trong chế độ ngắn hạn, thời gian xảy ra ngắn mạch rất ngắn nên có thể coi quá trình này là quá trình đoạn nhiệt, do đó [θ nm ] rất lớn. Từ phương trình cân bằng nhiệt: Rθ .inm 2 .dt = G.Cθ .dθ . Sau khi tính toán ta được phương trình cân bằng sau (biểu thức 6-21 trang 313 2 TLTKKCĐHA): J nm .t nm = A θ nm − A θ 0 = const (2.6) 7 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
Trong đó: Aθ0, Aθnm là các hệ số tích phân phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ thanh dẫn ứng với các giới hạn trên và dưới là θ0, θnm. Hai hệ số Aθ0, Aθnm được xác định bằng đồ thị hình 6-6 trang 313 TLTKKCĐHA. Theo đồ thị này thì Aθ0 = 1,4.10 4 (A2S/mm4) và Aθnm = 3,75.10 4 (A2S/mm4). Aθnm − Aθ 0 Từ công thức (2.6) ta có : J nm = (2.7) t nm Để kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn trong quá trình làm việc ngắn hạn ta lấy thời gian xảy ra ngắn mạch: tnm: 3, 5, 10 (s). Khi đó theo công thức (2.7) ta có: 3,85.10 4 − 1,45.10 4 Mật độ dòng điện khi ở tnm = 3s: J nm = = 89,50( A / mm 2 ) 3 3,85.10 4 − 1,45.10 4 Mật độ dòng điện khi ở tnm = 5s: J nm = = 70,55( A / mm 2 ) 5 3,85.10 4 − 1,45.10 4 Mật độ dòng điện khi tnm = 10s: J nm = = 49,47( A / mm 2 ) 10 Theo bảng 6-7 trang 305 TLTKKCĐHA đối với vật liệu Đồng ta có mật độ dòng điện cho phép : t bn = 3s → [Jbn 3] = 94 A/ mm2 t bn = 5s → [J bn 5] = 51 A/ mm2 Như vậy sau khi tính toán ta thấy J bn tt < [J bn ], kết cấu của thanh dẫn động thoả mãn yêu cầu khi mạch có sự cố ngắn mạch. 2.3.3.Xác định kích thước thanh dẫn tĩnh. Do thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh cùng dòng định mức Iđm = 200A đi qua nên kích thước thanh dẫn tĩnh giống như kích thước thanh dẫn động. Vì thanh dẫn tĩnh có gắn với phần đầu nối nên ta thường chọn kích thước than dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động. Cũng vì lý do đó mà ta không cần kiểm nghiệm lại thanh dẫn tĩnh. Từ kích thước thanh dẫn động chính: a = 22 (mm) và b = 3 (mm). Chọn kích thước thanh dẫn tĩnh chính: a’ = 24 (mm) và b’ = 3,5 (mm). Từ kích thước thanh dẫn động phụ: a = 5 (mm) và b = 1 (mm) chọn a’ = 6 (mm) và b’ = 1,5 (mm). 2.4. Tính toán phần đầu nối. a. Khái niệm. 8 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng trong khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hư hỏng nặng trong quá trình vận hành. Đầu nối gồm các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài và nối với các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. b. Nhiệm vụ. Đầu nối làm nhiệm vụ liên kết mạch ngoài với mạch vòng dẫn điện (tức làm nhiệm vụ đưa điện vào ra khí cụ điện), đồng thời làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết của mạch vòng dẫn điện. c. Yêu cầu. Nhiệt độ của mối nối khi làm việc dài hạn ứng với dòng điện định mức không được lớn hơn nhiệt độ cho phép θ ≤ [θ cp ] . Lực ép đầu nối đủ lớn để Rtx nhỏ, giảm được tổn hao ở phần đầu nối. Đảm bảo đủ độ bền nhiệt, độ bền cơ. d. Chọn dạng kết cấu đầu nối. Việc chọn kết cấu mối nối phụ thuộc vào hình dáng vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu khác. Thường cố gắng giảm một các hợp lý số mối nối tiếp xúc, mỗi chộ đầu nối đều có thể là nơi hư hỏng của mạch vòng dẫn điện đầu tiên. Có nhiều loại mối nối tiếp xúc, việc sử dụng kiểu mối nối nào là phụ thuộc các yêu cầu về kết cấu và dòng điện làm việc. Với dòng Iđm = 200A ta chọn loại mối nối tháo rời được bằng vít ren. e. Xác định kích thước và số lượng bulông ốc vít. Kích thước bulông, vít phụ thuộc vào Iđm. Theo trị số dòng điện làm việc 150A ta chọn vật liệu vít là thép không dẫn điện. Theo bảng 2-9 trang 32 và bảng 2-10 trang 33 TLTKKCĐHA ta chọn vít có: Đường kính ren (M12) d = 12 (mm). Tiết diện tính toán Stt = 74 (mm2). Lực tính toán Ftt = 10 ( KN.) Chọn số lượng bulông, vít là 1. Theo thực nghiệm để đạt trị số điện trở tiếp xúc và điện áp rơi cho phép, cần phải tạo ra lực ép riêng ftx trên mối nối các thanh đồng đủ lớn : Chọn ftx (lực ép riêng) =100 (KG/cm2) 9 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
I dm Diện tích tiếp xúc đầu nối: S tx = a dn .bdn = (2.8) J tx Do Iđm = 200A nên ta chọn [J tx ] = 0,31 A/mm2 I dm 200 Theo công thức (2.8) ta có: S tx = = = 645( mm 2 ) J tx 0,31 Lực ép tiếp xúc đầu nối là : Ftx = ftx.Stx = 100.645.10-2 = 6,45 (KN) < 10 (KN) Diện tích phần đầu nối được xác định theo công thức: Sđn = Stx + Stt = 645 + 74 = 719 (mm2) Xác định điện trở tiếp xúc của đầu nối : k tx Rtxđn = (2.9) (0,102.Ftx ) m ktx là hệ số ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm. Với tiếp xúc đồng - đồng ktx = 0,14.10-3 và m = 1 tiếp xúc bề mặt. 0,14.10 −3 Rtxđn = = 0,21.10 −6 (Ω) (0,102.6450) Điện áp tiếp xúc: Utx = Itx.Rtxđn = 200.0,21.10-6 = 4,2.10-6(V) = 0,42 (mV) Kết luận : Do Utx = 0,42 (mV) < [utx] = (2 ÷ 30 mV) nên phần đầu nối thiết kế thoả mãn yêu cầu kĩ thuật. Với dòng Iđm = 5A thì chọn vít có d = 3 (mm), kí hiệu M1 và tiết diện tính toán 7,1(mm2). Số lượng vít là 1. I dm 5 S tx = = = 16,13( mm 2 ) J tx 0,31 Lực ép tiếp xúc đầu nối l: Ftx = ftx.Stx = 100.16,13.10-2 .9,81= 158 (N) Diện tích phần đầu nối được xác định theo công thức: Sđn = Stx + Stt = 16,13 + 7,1 = 23,2 (mm2) 0,14.10 −3 Xác định điện trở tiếp xúc của đầu nối : Rtxđn = = 8,22.10 −6 (Ω) (0,102.158) Điện áp tiếp xúc: Utx = Itx.Rtxđn = 5.8,22.10-6 = 0,0411 (mV) 10 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
Kết luận : Do Utx = 0,411 (mV) < [utx] = (2 ÷ 30 mV) nên phần đầu nối thiết kế thoả mãn yêu cầu kĩ thuật. 2.5. Tính toán tiếp điểm. 2.5.1.Yêu cầu đối với tiếp điểm. Dẫn điện tốt, kiểu dáng và kết cấu hợp lý. Tiếp điểm là bộ phận dễ hư hỏng nhất vì vậy mà tuổi thọ của công tắc tơ là tuổi thọ tiếp điểm. Chế độ định mức thì θtx < [θtx] = θ biến đổi tinh thể tiếp điểm. Ngoài ra độ bền cơ, bền điện, độ rung tiếp điểm cũng phải nhỏ hơn trị số cho phép, hao mòn tiếp điểm phải ở mức quy định. Chế độ ngắn mạch thì phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động, với tiếp điểm hồ quang thì phải có khả năng ngắt lớn. Kết cấu tiếp điểm: Tiếp điểm kiểu công sôn(Hình 1). Thường dùng cho dòng điện bé (đến 5A), tải nhẹ. Dạng tiếp xúc điểm không có lò xo tiếp điểm riêng mà lợi dụng tính đàn hồi của thanh dẫn động để tạo lực ép tiếp điểm và không có buồng dập hồ quang. Tiếp điểm kiểu cầu(Hình 2). Với đặc điểm một pha có hai chỗ ngắt nên hồ quang bị phân đoạn. Tiếp điểm động chuyển động thẳng, không dây nối mềm, lò xo ép tiếp điểm dạng xoắn hình trụ, kết cấu đơn giản, thường dùng trong các công tắc tơ, khởi động từ điều khiển động cơ điện có dòng điện định mức khá lớn. Tiếp điểm kiểu ngón(Hình 3).Một pha có một chỗ ngắt, phần động chuyển động quay, vì vậy có dây dẫn mềm để nối với tiếp điểm động. Bằng kết cấu này, vùng 11 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
tiếp xúc làm việc không bị hồ quang. Loại kết cấu này thường sử dụng trong các máy cắt hạ áp (áp tô mát) và các thiết bị đóng cắt có chế độ làm việc nặng nề. Tiếp điểm kiểu dao(Hình 4). Thường dùng cho cầu dao có dòng điện bé (đến vài trục ampe). Lực ép tiếp điểm ở đây nhờ tính đàn hồi của lá đồng tiếp điểm tĩnh. Với dòng điện lớn, người ta dùng tấm thép lò xo dạng phẳng để tạo lực ép tốt hơn. Với kết cấu này, khi bị ngắn mạch lực điện động sẽ cùng chiều với lực ép tiếp điểm, đảm bảo tiếp xúc tốt. Loại tiếp điểm kiểu dao chỉ dùng đóng cắt không điện hoặc dòng điện bé (dòng không tải), thường gặp ở cầu dao, dao cách ly. Tiếp điểm kiểu đối. Tận dụng được khoảng không rỗng bên trong lòng trụ tiếp điểm nên có thể tăng được khả năng dập hồ quang. Mặt khác nếu tính đủ diện tích tiếp xúc của tiếp điểm cũng như thanh dẫn động (tĩnh) thì nó có thể dẫn dòng điện lớn cỡ hàng trăm ampe. Tiếp điểm kiểu hoa huệ. Loại tiếp điểm này thường dùng cho các máy cắt dòng điện cỡ hàng ngàn ampe. Kết cấu này cũng thường được sử dụng trong các trạm đóng cắt trọn bộ, lắp ráp kiểu mô - đun. 2.5.2.Chọn dạng kết cấu tiếp điểm. 12 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
Do yêu cầu làm việc với dòng điện Iđm = 200A nên ta chọn kết cấu tiếp điểm kiểu cầu hai chỗ ngắt, tiếp xúc mặt, có buồng dập hồ quang: Tiếp xúc mặt nên đảm bảo được dòng điện lớn hàng trăm ampe. Khả năng tẩy sạch bụi bẩn lồi lõm trên bề mặt tiếp xúc. Khả năng ngắt lớn, không cần dây nối mềm. Dập hồ quang dễ dàng. Với tiếp điểm phụ do dòng làm việc 5A nên ta chọn tiếp điểm kiểu cầu hai chỗ ngắt tiếp xúc điểm, dập hồ quang tự nhiên. 2.5.3.Độ mở, độ lún. Độ lún: Là khoảng cách mà tiếp điểm động có thể đi thêm được nếu không bị cản lại bởi tiếp điểm tĩnh. Theo công thức lý thuyết: l = a + b.Iđm Với a = 1,5 (mm) b = 0,02 (mm/A) Thay số : lc = 1,5 + 0,02. 200 = 5,5 (mm) Với dòng I = 5A thì độ lún là: lf = 1,5 + 0,02. 5 = 1,6 (mm). Độ mở: Để đảm bảo cách điện do có hồ quang sinh ra trong quá trình đóng, cắt mạch điện nên ta phải chọn độ mở hay khoảng cách giữa hai tiếp điểm phải thật an toàn. Với dòng điện làm việc Iđm = 200A thì ta chọn độ mở mc = 9 (mm). Với dòng điện I = 5A ta chọn độ mở mf = 10,9 (mm) để sao cho tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm chính bằng với cho tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm phụ. 2.5.4.Chọn vật liệu và kích thước tiếp điểm. Kích thước tiếp điểm: phụ thuộc vào Iđm, kết cấu và tần số đóng cắt. Dựa vào Iđm, và kích thước thanh dẫn đã chọn ở trên ta chọn kích thước tiếp điểm theo bảng 2- 15 trang 51 TKKCĐHA: Tiếp điểm chính có chiều rộng atđ = 20 (mm), chiều dài btđ = 24,5 (mm) và chiều cao tiếp điểm h = 3 (mm). 13 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
Tiếp điểm chính có dạng tiếp xúc mặt, đảm bảo các yêu cầu về nhiệt độ, điện trở tiếp xúc, lực ép tiếp điểm và điện áp tiếp xúc khi lam việc với dòng khá lớn 200A. Tiếp điểm phụ có dạng tiếp xúc điểm do dòng làm việc nhỏ I =5A. Theo kích thước thanh dẫn phụ có chiều rộng a = 5 (mm) và cao b = 1 (mm). Ta chọn tiếp điểm phụ có đường kính d = 4 (mm) và cao h = 1 (mm). Để đảm bảo về yêu cầu kỹ thuật của tiếp điểm ta dùng bạc kim loại gốm để thiết kế chế tạo tiếp điểm bảng 2-13 trang 44 TKKCĐHA: Tên hằng số vật lý Giá trị Đơn vị Ký hiệu MC Tỷ trọng 10 g/ cm3 0 Nhệt độ nóng chảy 961 C Điện trở suất ở 200C 1,8.10 -3 Ω.mm Độ dẫn nhiệt 0,416 W/cm.0C Tỷ trọng nhiệt 0,234 Ws/ cm.0C Độ cứng 35 ÷ 45 Briven.kg/ mm2 Hệ số nhiệt điện trở 4.10 -3 1/ 0C 2.5.5.Xác định nhiệt độ, điện trở tiếp xúc, lực ép tiếp điểm và điện áp tiếp xúc khi làm việc dài hạn. Tính toán lực ép tiếp điểm: Theo công thức lý thuyết 2-14 trang 53 TLKKCĐHA: A.π .HB 1 Ftđ 1 = I 2 dm . . (2.10) 16.λ ⎡ 2 ⎛ T ⎞⎤ 2 ⎢arccos⎜ ⎟⎥ td ⎜T ⎟ ⎣ ⎝ tx ⎠⎦ Trong đó : Ttđ (0K ) : Nhiệt độ trụ dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc Ttd = 69,60C = 342,60K Ttx( 0K ) : Nhiệt độ nơi tiếp xúc giữa hai tiếp điểm Ttx= Ttd +8 = 77,60C = 350,6 0K Iđm : Dòng điện định mức. 14 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
λ : Hệ số dẫn nhiệt (λ =0,416 W/ cm0C). A : Hằng số A= 2,3.10-8 ( V/ 0C ) HB: Độ cứng Briven (HB = 40 Briven. Kg/ mm2). Thay số vào ( 2-10 ): Ftđ 1 = (200)2 .2,3.10 −8.3,14.40 . 1 = 8,5 (N) 16.(0,416) 2 2 ⎡ ⎛ 342,6 ⎞⎤ ⎢arccos⎜ ⎟⎥ ⎣ ⎝ 350,6 ⎠⎦ Do dạng tiếp xúc ta chọn là tiếp xúc mặt nên Ftđ = 3.Ftđtt = 25,5 (N) Xác định Ftđ theo thực nghiệm: Ftđtt = ftđ.Iđm Với ftđ: hệ số ép tiếp điểm ftđ = 7 ÷ 15 (G/A) Ta chọn: ftđ = 10 (G/A) Ftđ = 10.200 = 2000 ( G) = 20 (N ) Vậy so sánh Ftđtt với Ftđ = 3.Ftđtt = 25,5 (N) vậy ta chọn Ftđ = 25,5 (N). Khi đó ta có thể tăng dự trữ lực, đảm bảo độ ổn định điện động. Cần chú ý rằng Ftđ = Ftđc là tiếp điểm đóng ổn định. Lực ép tiếp điểm đầu Ftđđ là lực ép khi tiếp điểm tĩnh bắt đầu tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh khi đóng. Thông thường Ftđđ = 0,4 ÷ 0,7 Ftđc Như vậy ta có: Ftđc = Ftđ = 25,5 (N) Ftđđ = 0,7.Ftđc = 17,85 (N) Với tiếp điểm phụ dòng 5A: Ftđcf = 10.5 = 50 (G) = 0,5 (N) Ftđđf = 0,7.Ftđcf = 0,35 (N) Xác định điện trở và điện áp tiếp xúc: Biểu diễn quan hệ giữa lực ép tiếp điểm với điện trở tiếp xúc. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng tại 200C xác định theo công thức 2 - 24 trang 58 (TLTKKCĐHA): ρ π .HB 1,8.10 −6 π .40 Rt x 20 = = .10 3 = 4,3.10 −5 (Ω) 2 Ftd 1 2 25,5 Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng tại 200C xác định theo công k tx thức 2 - 25 (TLTKKCĐHA): Rt x 20 = (2-12) (0,102.Ftd )m Trong đó: 15 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
kt x : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm. kt x = ( 0,2 ÷ 0,2 ).10-3 Chọn ktx =0,2.10-3. Ftđ = 25,5 N : lực ép tiếp điểm. m : hệ số dạng bề mặt tiếp xúc ( tiếp xúc mặt : m = 1). 0,2.10 −3 Rtx20 = = 0,07.10-3 (Ω). (0,102.25,5) 1 So sánh hai kết quả thực nghiệm và lý thuyết ở trên ta lấy Rtx20 = 0,05.10-3Ω Xác định điện trở ở chế độ làm việc của tiếp điểm, ta xét lúc [θcp] = 950C là khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm bị phát nóng: Rtx[θ] = Rtx 20.[1+ 2/3.α.( [θ]-20 )] = 0,05.10-3.[ 1+ 2/3.4.10-3.(95-20)] = 0,055.10-3 ( Ω ) ρ π .HB 1,8.10 −6 π .40 Đối với tiếp điểm phụ: Rt x 20 = = = 4,51.10 −6 (Ω) 2 Ftd 1 2 5 0,2.10 −3 Rtx20 = = 0,88.10-3 (Ω). (0,102.0,5) 0,5 So sánh hai kết quả thực nghiệm và lý thuyết ở trên ta lấy Rtx20 = 0,88.10-3Ω Xác định điện trở ở chế độ làm việc của tiếp điểm, ta xét lúc [θcp] = 950C là khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm bị phát nóng: Rtx[θ] = Rtx 20.[1+ 2/3.α ( [θ]-20 )] = 0,055.10-3.[ 1+ 2/3.4.10-3.(95-20)] = 0,066.10-3 ( Ω ) Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm : Utx = I.Rtx = 200. 0,066.10-3 = 13,2.10-3 ( V ) = 13,2 ( mV ) Theo tiêu chuẩn thì Utx phải nằm trong khoảng ( 2 ÷ 30 ) mV Vậy Utx < [Utx] = 30 mV hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế. Đối với tiếp điểm phụ: Utx = I.Rtx = 5.0,88.10-3 =4,4.10-3 ( V ) = 4,4( mV ) Vậy Utx < [Utx] = 30 mV hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế. Tính toán nhiệt độ tiếp điểm: 16 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài vô hạn có tiết diện không đổi. Giả thiết có một đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt tại nơi tiếp xúc. Theo công thức 2-11 TKKCĐHA, ta có: I 2 dm .ρθ 1 I 2 dm .Rtx ( I .R ) 2 θtđ= θmt + + . + dm tx (2-13) S .P.kT 2 λ.S .P.kT 8.ρθ .λ Trong đó : θmt : Nhiệt độ môi trường xung quanh tiếp điểm: 400C . θtx : Nhiệt độ nơi tiếp xúc (0C). Rtx : Điện trở tiếp xúc; Rtx = 10,98.10-5 (Ω). kT:Hệ số tản nhiệt ra môi trường của thanh dẫn. Tra bảng 6-5 TLTKKCĐHA kT = 6.10-6 W/ mm2 0C. ρθ : Điện trở suất của vật liệu tiếp điểm (Ωmm). ρθ = ρ95 = ρ20 .[ 1 + α.([θcp] - 20 )] = 1,8.10-6[ 1+ 4.10-3(95-20 )] = 2,34.10-6 (Ωmm). λ : Độ dẫn nhiệt; λ = 0,416 (W/cm 0C). S, P : Diện tích và chu vi tiếp điểm: Stđ = atđ.btđ = 20.24,5 = 490 (mm2). Ptđ = 89 (mm). Thay số vào (2-13) ta được : θtđ = 40 + (200)2 .2,34.10 −6 + (200)2 .0,66.10 −3 + .(200.0,66.10 −3 ) 2 490.89.6.10 −6 4,16.490.89.6.10 −6 8.4,16.2,34.10 −6 = 40 + 2,28 + 13,39 + 10,48 = 66,15 ( 0C ) θtx < [θtx] =1800C là nhiệt độ hoá mềm của vật liệu làm tiếp điểm. 2.5.6.Tính dòng hàn dính. Xác định trị số dòng điện hàn dính theo quan hệ lý thuyết: Theo công thức 2-33 TLTKKCĐHA ta có: I hdbd = A. f nc . Ftd (2-14) Trong đó: fnc =2 ÷ 4 là hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc. Ftd là lực ép tiếp điểm. Ftd =25,5 (N) 17 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48
A là hệ số phụ thuộc vật liệu được tính theo công thức: 32.λ.θ nc (1 + 1 / 3.α .θ nc ) A= (2-15) π .HB0 .ρ 0 .(1 + 2 / 3.α .θ nc ) 32.4,16.961(1 + 1 / 3.4.10 −3.961) A= = 625,56 π .40.1,8.10 −6 /(1 + 20.4.10 −3 ).(1 + 2 / 3.4.10 −3.961) Theo (2-14) ta có: I hdbd = 625,56. 4 . 2 = 1769,3( A) Xác định trị số dòng điện hàn dính theo thực nghiệm : Theo công thức 2 - 36 TLTKKCĐHA, xác định trị số dòng điện hàn dính theo lực ép tiếp điểm . Ihd = Ftd .khd = 2 .1200 = 1697 (A) Trong đó : Ftđ : là lực ép tiếp điểm Ftđ = 2,55 KG khd : hệ số hàn dính phụ thuộc dòng điện làm việc, tra bảng 2-19 trang 67 (TLTKKCĐHA): khd = 1200 A/KG So sánh hai kết quả trên ta lấy giá trị dòng hàn dính: Ihd = 1697 (A). Với dòng ngắn mạch In = 10.Iđm = 2000 A thì không thể làm cho tiếp điểm hàn dính được. 2.5.7.Sự rung của tiếp điểm. Theo công thức 2-39 TLTKKCĐHA, với tiếp điểm cầu: M d ∑ .V 2 do .(1 − KV ) Biên độ rung của tiếp điểm: Xm = (2-15) 2.Ftdd Trong đó : Ftđ đ : Lực ép tiếp điểm đầu. Ftđđ = 1,575 KG Vđo : Vận tốc tại thời điểm va đập. Vđo = 0,1 m/s KV : Hệ số va đập phụ thuộc tính đàn hồi vật liệu. Với vật liệu thanh dẫn là đồng nên ta có KV = 0,9. Mđ∑ : Khối lượng phần động (KG.s2/m) mc : Trọng lượng đơn vị, mc =8.10-3KG/A Trọng lượng phần động : Mđ∑ = mc.Iđm = 8.200 = 1,6 (KG.s2/m) 18 Phạm Thế Vinh TBĐ-ĐT3-K48