Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín

Chia sẻ: Mr Yo Ko | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:40

Thêm vào BST

Báo xấu

1.260
lượt xem 219
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khí cụ điện là một phần rất quan trong hệ thống điện nói chung và trong quá trình đào tạo kĩ sư thiết bị điện - điện tử nói riêng. Trong hai học kỳ vừa qua chúng em đã được làm quen và tiếp cận sâu sắc đối với các khí cụ điện hạ áp cũng như cao áp. Qua quá trình học tập và nghiên cứu chúng em được hiểu rõ nguyên lý cấu tạo, hoạt động và ứng dụng của các khí cụ điện trong hệ thống điện. Khí cụ điện có nhiều chủng loại , phong phú...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín

Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín Lời nói đầu Khí cụ điện là một phần rất quan trong hệ thống điện nói chung và trong quá trình đào tạo kĩ sư thiết bị điện - điện tử nói riêng. Trong hai học kỳ vừa qua chúng em đã được làm quen và tiếp cận sâu sắc đối với các khí cụ điện hạ áp cũng như cao áp. Qua quá trình học tập và nghiên cứu chúng em được hiểu rõ nguyên lý cấu tạo, hoạt động và ứng dụng của các khí cụ điện trong hệ thống điện. Khí cụ điện có nhiều chủng loại , phong phú về cấu tạo và ứng dụng. Các loại Rơ le trung gian là một phần nhỏ trong hệ thống các khí cụ điện điều khiển và bảo vệ. Sau khi hoàn thành các môn học về khí cụ điện , em được nhận đồ án thiết kế Rơ le trung gian kiểu kín. Em xin chân thành cảm ơn các thầy giáo Phạm Văn Chới , Bùi Tín Hữu đã giảng dạy cho chúng em về môn khí cụ điện và đặc biệt là thầy giáo Đặng Chí Dũng đã giúp đỡ em trong quá trình tính toán và hoàn thiện đồ án này. Trong quá trình thiết kế và tính toán em đã sử dụng một số tài liệu tham khảo như sau: Khí cụ điện -- Phạm Văn Chới , Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn Thiết kế khí cụ điện hạ áp Tài liệu của hãng OMRON Sinh viên thiết kế: NGUYỄN KIM PHƯƠNG Nội dung thiết kế: Chương I : Lựa chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ. Chương II : Tính toán mạch vòng dẫn điện Chương III : Tính và dựng đặc tính cơ Chương IV : Nam châm điện Chương V : Hoàn thiện kết cấu Chương VI : Ví dụ minh hoạ sử dụng Rơle. -1-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín CHƯƠNG I :LỰA CHỌN KẾT CẤU VÀ THIẾT KẾ SƠ BỘ I. Giới thiệu chung về Rơ le Khí cụ điện là những thiết bị , cơ cấu điện dùng để diều khiển các quá trình sản xuất , biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các dạng năng lượng khác. Trong các hệ thống điện thì Rơ le có một vị trí hết sức quan trọng , nó dùng để bảo vệ các thiết bị điện hay điều khiển các quá trình sản xuất. Rơ le là loại khí cụ điện tự động mà đặc tính “vào-ra” có tính chất sau: tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp (đột ngột) khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định Cùng với sự phát triển và tiến bộ của khoa học kỹ thuật , công nghệ vật liệu và công nghệ chế tạo , rơle được nghiên cứu và chế tạo ra gồm rất nhiều chủng loại , hoạt động theo các nguyên lý khác nhau, có các thông số đặc tính kỹ thuật và lĩnh vực sử dụng khác nhau Rơ le trung gian được dùng rất nhiều trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện và các sơ đồ điều khiển tự động. Do có số lượng tiếp điểm lớn , từ 4 đến 6 tiếp điểm , vừa thường đóng và thường mở , nên rơle trung gian dùng để truyền tín hiệu khi khả năng đóng , ngắt và số lượng tiếp điểm của rơle chính không đủ hoặc để chia tín hiệu từ một rơle chính đến nhiều bộ phận khác của sơ đồ mạch điện điều khiển . Trong các bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử rơle trung gian thường được dùng làm phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho bộ phận mạch phía sau, đồng thời cách ly được điện áp khác nhau giữa phần điều khiển (thường là điện áp một chiều , điện áp thấp : 9V, 12V, 24V…) với phần chấp hành thường là điện xoay chiều, điện áp lớn : 220V,380V. * Yêu cầu chung khi thiết kế . Đối với Rơle trung gian kiểu kín khi thiết kế phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản của một sản phẩm công nghiệp hiện đại như yêu cầu về kỹ thuật , về vận hành, về kinh tế, về công nghệ chế tạo và về lĩnh vực xã hội , đặc trưng của những yêu cầu trên được biểu hiện qua các qui định chuẩn mực , tiêu chuẩn nhà nước hoặc của ngành và chúng nằm trong nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật. + Yêu cầu về kỹ thuật : Đây là yêu cầu quan trọng và quyết định đối với quá trình thiết kế của khí cụ điện . Phải xác định được phương án tối ưu , chính xác hoá kết cấu khối của khí cụ điện, các yêu cầu đó được thể hiện bằng độ bền nhiệt của các chi tiết , bộ phận của khí cụ điện khi chúng làm việc ở chế độ định mức , chế độ sự cố ngắn mạch... Yêu cầu về kỹ thuật còn phải đảm bảo độ bền cách điện của những chi tiết hay bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việc với điều kiện khắc nghiệt nhất như trường hợp quá điện áp tức là điện áp lớn nhất , kéo dài thời gian làm việc trong điều kiện môi trường xung quanh không có lợi cho mọi thiết bị điện như mưa , ẩm , bụi...Khi thiết kế về -2-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín mặt kỹ thuật ta còn phải chú trọng đến độ bền cơ và tính chịu mài 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 định mức và chế dộ sự cố xảy ra. Phải đảm bảo khả năng đóng cắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố , độ bền cách điện của các chi tiết , bộ phận . Khi thiết kế phải tạo khả năng sử dụng triệt để những chi tiết , hình mầu đã chuẩn hoá. + Yêu cầu về kinh tế - xã hội : Cơ sở kinh tế kỹ thuật của các kết cấu mới phải đem lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cho nền kinh tế quốc dân . Chúng được biều hiện qua các chỉ tiêu định lượng. + Yêu cầu về vận hành Khâu vận hành là khâu có thể coi là giai đoạn cuối của quá trình sản xuất, trong khi vận hành sẽ có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình vận hành như môi trường xung quanh, độ ẩm , nhiệt độ, thời tiết...Khi vận hành phải có độ tin cậy cao để đảm bảo an toàn cho người vận hành , sản xuất. Phải có tuổi thọ lớn và thời gian sử dụng lâu dài, đơn giản , dễ sửa chữa , thao tác vận hành và thay thế dễ dàng. + Thiết kế công nghệ Trong quá trình thiét kế công nghệ phải dựa vào những hướng dẫn , quy định của bản thiết kế kỹ thuật đã được thông qua kinh nghiệm sản xuất ,những kết quả về nghiên cứu và thử nghiệm . Qua đó tiến hành chính xác kết cấu , nghiên cứu và lập bản vẽ công nghệ cho các chi tiết và bộ phận . Từ đó xác định chính thức hình dáng của vỏ và trang trí mỹ thuật , cách mạ, lớp phủ và chính xác hoá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Rơ le trung gian xoay chiều 1. Cấu tạo Rơ le trung gian kiều kín là loại thiết bị điện có kết cấu khá đơn giản. Vì dòng điện làm việc định mức của Rơ le nhỏ nên ta có thể bỏ qua hồ quang sinh ra giữa các bộ phận mang điện . Như vậy rơle chỉ bao gồm các bộ phận sau Nam châm điện xoay chiều Hệ thống tiếp điểm ( 4 tiếp điểm thường đóng, 4 tiếp điểm thường mở Hệ thống thanh dẫn Các vít đầu nối và dây mềm Các lò xo nhả Các lò xo tiếp điểm Hệ thống nắp , thân đế và đế. -3-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín Vỏ hộp rơle thường làm bằng nhựa trong suốt cho phép quan sát , kiểm tra tình trạng các bộ phận của rơle thuận tiện . Vỏ hộp được cố định chặt với đế bằng móc giữ. Khi lắp đặt , rơle gắn trên bảng mạch bằng đinh vít , nối dây điện vào cuộn dây và các tiếp điểm của rơle bằng các vít ở dưới đế nhựa của rơle. 2. Nguyên lý hoạt động Khi có điện áp tác động trên cuộn dây nam châm điện thì trong cuộn dây sẽ sinh ra sức từ động F=IW , sức từ động này sinh ra từ thông khe hở không khí của nam châm điện φδ , khi đó Fdt > Fcơ sẽ hút nắp nam châm điện . Nhờ cơ cấu truyền động mà lực hút được truyền đến giá phần động, làm cho giá phần động tịnh tiến trượt theo giá của thanh dẫn hướng và làm các tiếp điểm thường mở được đóng lại và các tiếp điểm thường đóng mở ra , đồng thời lò xo nhả được nén lại tạo điều kiện sẵn sàng đẩy nắp nam châm điện về vị trí mở khi cuộn dây nam châm điện không còn điện áp tác động. Khi ngắt điện trên cuộn dây hút , lực hút điện từ giảm về không . Lò xo nhả đẩy giá phần động trượt lên phía trên làm nắp hút của nam châm điện mở ra và hệ thống tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu . Sơ đồ nguyên lý 3 1 1:nắp nam châm điện 2: cuộn dây nam châm 2 điện 3:thanh truyền động 4:tiếp điểm tĩnh 5:tiếp điểm động 6:thanh dẫn động 7:lò xo nhả 7 8:giá đỡ 6 8 5 4 -4-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín III. Thiết kế sơ bộ Rơ le trung gian kiểu kín 1. Nam châm điện chọn nam châm điện hình chữ U với mạch từ được ghép từ các lá thép kĩ thuật điện nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy . Cuộn dây nam châm điện được cấp bằng nguồn điện xoay chiều. 2.Hệ thống tiếp điểm Căn cứ vào yêu cầu thiết kế về số lần đóng cắt của Rơle ta chọn tiếp điểm dạng bắc cầu như sau: tiếp điểm bắc cầu 3. Thanh dẫn. Chọn thanh dẫn dạng hình chữ nhật như hình vẽ a b l -5-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín 4. Lựa chọn kết cấu cách điện . Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện , đặc biệt trong Rơle đóng một vai trò khá quan trọng. Đây là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước của Rơle và độ tin cậy khi vận hành. Do đó việc cần phải xác định hợp lý khoảng cách cách điện có một ý nghĩa không nhỏ trong khi thiết kế toàn bộ các chi tiết cụ thể của khí cụ điện. a) Điện áp định mức theo cách điện. Với các khí cụ điện điều khiển hạ áp có điện áp tới 1000V thì chúng tồn tại các tiêu chuẩn , qui định về độ bền cách điện theo điện áp định mức ở trạng thái khô sạch của khí cụ điện chưa vận hành, ở trạng thái nóng nguội của cách điện, nó phải chịu được điện áp thử ở tần số công nghiệp f=50Hz. b) Khoảng cách cách điện giữa các phần tử dẫn điện có điện áp khác nhau. Để cho Rơle có độ tin cậy cao thì phải có khoảng cách cách điện lớn . Song như vậy thì kích thước và khối lượng của Rơle lại tăng lên. Vì vậy nên chọn theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo qui định của công nghiệp điện lực Việt nam cho các khí cụ điện hạ áp thông dụng. Đối với khí cụ điện hạ áp thì 1mm có thể chịu được điện áp là 3000V thì ta có thể chọn khoảng cách cách điện là 1mm . Ngoài ra , khoảng cách cách điện còn phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, của bụi bẩn , độ ẩm, trạng thái bề mặt của vật liều. Vì vậy khi thiết kế hình dạng, cấu trúc của cách điện có gờ để đồng thời làm giảm kích thước của thiết bị . Để chống việc bụi tích tụ trên bề mặt cách điện ta nên gia công nhẵn , phẳng và chỗ nối của hai bề mật nên gia công có độ cong đều . -6-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN. Trong Rơle trung gian thì mạch vòng dẫn điện đóng một vai trò hết sức quan trọng bởi vì nó là nhân tố truyền điện tác động tới các cơ cấu của Rơle , đồng thời một phần của nó cũng làm hệ thống phản lực ,nhằm hỗ trợ cho kích thước của thiết bị nhỏ tối ưu. Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về hình dạng kết cấu và kích thước hợp thành , đối với Rơ le trung gian kiểu kín thì nó bao gồm những bộ phận chính sau: -Thanh dẫn : gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. -Đầu nối : vít và mối hàn. -Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh. Như vậy nhiệm vụ tính toán thiết kế của mạch vòng dẫn điện là phải xác định các kích thước cảu các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện. Tiết diện , kích thước của các chi tiết quyết dịnh cơ cấu của mạch vòng dẫn điện và cũng quyết dịnh kích thước của Rơ le. I. Tính toán thanh dẫn Thanh dẫn động có chức năng đóng mở trực tiếp vì vậy nó cần phải có một lực ép đủ để có khả năng tiếp xúc tốt, do đó ta có thể chọn thanh dẫn động với các thông số như sau: Thanh dẫn được làm bằng vật liệu là đồng phốtpho có các thông số như sau: -Tỷ trọng: 8.9 (g/cm3) -Điện trở suất ở 200C: 1.754*10-8 (Ωm) -Độ dẫn nhiệt: 3.9 (W/cm0C) -Tỷ trọng nhiệt: 0.39 (Ws/cm0C) -Độ cứng Briven: 80-120 (kG/mm2) -Nhiệt độ nóng chảy: 1083 (0C) -Hệ số nhiệt điện trở: 0.0043 (1/0C) A) Tính toán và kiểm tra thanh dẫn động 1.Tính toán kích thước thanh dẫn ở chế độ dài hạn Thanh dẫn bằng đồng có nhiệt độ làm việc lớn nhất là θ=95 0C . Trong tính toán thiết kế khí cụ điện nói chung ta thường chọn nhiệt độ môi trường là θ0=400C Điện trở suất của thanh dẫn ở θ=95 0C là: ρθ=95 = 1,754.10-8 [1+0,0043.(95-20)]=2,32.10-8 (Ωm) Kích thước thanh dẫn làm việc được xác định theo công thức: I dm .ρ 95 2 b= 3 2.n(n + 1) K T .(θ − θ 0 ) -7-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín trong đó : KT =8 a n= và ta chọn tỷ số n=10 b 5 2.2.32.10 −8 vậy ta có: b= 3 =1,82.10-4 (m) =0,18 (mm) 2.10.11.8.55 a=10.b=10.0,18 =1,8 (mm) Theo bảng 2-15 (TK KC Đ HA) thì với Rơle trung gian điện từ có dòng điện định mức là 5A ta chọn tiếp điểm dạng hình trụ có đường kính d=3mm .Mặt khác mật độ dòng điện cho phép đối với thanh dẫn của Rơle trung gian là j=(2-4) A/mm2 . Do vậy để phù hợp ta chọn thanh dẫn có kích thước như sau: a=5 mm b=0.5mm Chu vi thanh dẫn P = 11 (mm) Diện tích thanh dẫn S = 2,5 (mm2) 2. Tính toán và kiểm tra thanh dẫn a)Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ dài hạn Độ tăng nhiệt của thanh dẫn : I 2 .ρθ = 40 O C .K F 52.1,9.10−8.1,06 τ od = = −3 −3 −3 = 2,3o C KT .a.b.2(a + b) 8.5.10 .0,5.10 .2.5,5.10 Nhiệt độ làm việc ổn định: θ od = τ od + θ mtr = 2,3 + 40 = 42,3o C Mật độ làm việc ở chế độ dài hạn: I dm 5 J dn = = = 2( A / mm 2 ) S 5.0,5 Kiểm nghiệm dòng điện trong thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn: S .D.K T .(θ od − 40) 2,5.11.8.10−9 (95 − 40) I= = =7,8 A K f ρθ 1,06.2,32.10−8 b)Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn: Để thuận tiện cho việc tính toán kiểm nghiệm , ta chỉ xét thanh dẫn có chiều dài 1 cm, thời gian làm việc ngắn hạn tnh=5 s, ở nhiệt độ 950C -Điện trở của 1 cm thanh dẫn ở nhiệt độ 950C l R95=R20 [1+α(θod-20)] = ρ20. [1+α(θod-20)] =0,155.10-4(Ω) S -Tổn hao công suất cho phép ở chế độ làm việc dài hạn Pdh= 2 -4 -3 I dm .R95=5 .0,155.10 = 0,4.10 (W/m) 2 Diện tích bề mặt tản nhiệt của thanh dẫn ST=P.1=11 (mm2) -8-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín khối lượng thanh đồng: M=γS.1=8,9.2,5.10-4=0,023(g) Pdh 0.4.10−3 KT= = =6,6.10-3 (W/cm2) ST .τ 11.10 .55 −4 V ậy C.M 0,39.0,023 T= = = 54,4(sec) KT .ST 6,6.10− 3.2,5.10− 2 -Độ tăng nhiệt ở chế độ ngắn hạn: τ nh = τ od ⎡1 − e −tnh T ⎤ = τ od .T = 55.54,4 = 598,4 o C ⎢ ⎣ ⎥ ⎦ t nh 5 -Hệ số quá tải công suất ở chế độ ngắn hạn: T 54,4 Kp = = = 10,88 tnh 5 -Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ ngắn hạn: K I = K P = 3,3 Dòng điện cho phép ở chế độ ngắn hạn: Inh=KI.I=3,3.5=16,5 A -Mật độ dòng điện ở chế độ ngắn hạn: I nh 16,5 J nh = = = 6,6( A ) S 5.0,5 mm 2 -Thời gian làm việc liên tục cho phép ở chế độ ngắn hạn: τ nh 598,4 t nh = T . ln = 54,4 ln = 5,24(sec) τ nh .τ od 598,4 − 55 c. Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch: Để thuận tiện cho việc tính toán và kiểm nghiệm ta xét giới hạn cho phép và mật độ dòng bền nhiệt của thanh dẫn ở các thời gian ngắn mạch tnm=1s;tnm=3s;tnm=10s Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt được xác định theo công thức: Abn − Ad .S tbn J bn = J nm = S Tra hình 6_6_ (TK KCĐHA) ta có : Ad=1,4.104 (A2s/mm2) Abn=3,75.104 (A2s/mm2) Mật độ dòng điện khi ở tnm=1s: (3,75 − 1,4).10 4 J1 = = 153,3( A / mm 2 ) 1 mặt khác tra bảng 6_7 (TK KCĐHA) ta có J1cp=162 (A/mm2) Mật độ dòng điện ở tnm=3s -9-
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín (3,75 − 1,4).104 J3 = = 88,5( A / mm2 ) 3 Tra bảng 6_7 ta có : J3cp=94 (A/mm2) Mật độ dòng điện ở tnm=10s: ( 3,75 − 1,4).10 4 J 10 = = 48,5( A / mm 2 ) 10 Tra bảng 6_7 ta có : J10cp=51 (A/mm2) Ta được bảng sau: 1 sec 3 sec 10 sec 2 Jcp (A/mm ) 162 94 51 2 Jnm (A/mm ) 153,3 88,5 48,5 Vậy thanh dẫn đã chọn thoả mãn các yêu cầu về độ bền điện cũng như đô bên điện và ta sẽ sử dụng làm thanh dẫn của Rơle B) Tính toán thanh dẫn tĩnh Thanh dẫn tĩnh ngoài nhiệm vụ dẫn điện còn phải chịu lực cơ học do thanh dẫn động tác động do vậy ta chọn thanh dẫn tĩnh với các kích thước như sau: a=5 mm ; b=1,0 mm . Vì kích thước thanh dẫn như tính toán ở trên đã đảm bảo độ bền điện động cho thanh dẫn nên ta không cần tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn tĩnh nữa. II.Đầu nối Trị số dòng điện định mức là số liệu ban đầu đế xác định kích thước các đầu nối thường được lấy tương ứng với tiết diện và kích thước của thanh dẫn ,kích thước bề mặt tiếp xúc phải phù hợp với số lượng và kích thước của các chi tiết nối, ví dụ các đường kính ngoài vòng đệm thép đặt dưới vòng đệm vênh kích thước mối nối phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc và độ lớn lực ép cần thiết ở chỗ tiếp xúc Chiều dài phần chống phủ lên nhau của mối nối thường được lấy bằng chiều rộng của thanh dẫn hoặc chiều rộng mặt phẳng nối của chi tiết nếu phần đó có thể lắp được đủ số bulông hay ốc vít cần thiết Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức : S tx = a * b = Idm/J Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng ,mật độ dòng điện có thể lấy bằng 0.31A/mm2 với dòng xơay chiều tần số f = 50 hz .Dòng điện định mức nhỏ hơn 200A vậy ta có: Stx=5/0.31=16 (mm2) Lực ép của mối nối được xác định theo công thức : Ftx=ftx.Stx=100.16.10-2=16 (KG) - 10 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín Trong đó ftx=100 KG/cm2 là lực ép riêng 3 2 1 - PhÇn ®Çu nèi 2 - TÊm èp H×nh 5: KÕt cÊu vÝt 3 - VÝt 1 Với dòng điện định mức Idm=5A ta chọn mối nối tháo dời và sử dụng loại vít M3 với đường kính d=3mm Diện tích lỗ vít: πd 2 π .3 2 Slv= = = 7,07 mm 2 4 4 Tổng diện tích tiếp xúc của vít: S=Slv+Stx=7,07+16=23,07 (mm2)=a.b Chọn a=6mm;b=3,8mm III.Dây dẫn mềm. Dây dẫn mềm được chọn phải đảm bảo mật độ dòng điện cho phép , vì dòng điện trong cuộn dây điều khiển nhỏ nên ta có thể chọn dây dẫn mềm có đường kính là 1 mm IV.Tiếp điểm Khi có sự tác động của tín hiệu điều khiển thì tiếp điểm luôn thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ điện. Mỗi lần như vậy sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền cơ , độ bền nhiệt và độ bền về điện . *Yêu cầu chính đối với tiếp điểm: -Khi khí cụ điện làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép, tức là phải nhỏ hơn 950C .Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu. -Với dòng điện cho phép (dòng khởi động hay dòng ngắn mạch) tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động. -Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng điện trong giới hạn cho phép , tiếp điểm phải có độ mòn bé nhất. 1.Chọn kết cấu tiếp điểm Dạng kết cấu của hệ tiếp điểm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố . Khi chọn dạng kết cấu của hệ tiếp điểm phải đảm bảo các tiếp điểm phải có điện trở bé. Do dòng điện bé nên chọn dạng tiếp xúc của tiếp điểm là tiếp xúc điểm. - 11 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín Kích thước tiếp điểm được xác định theo dòng điện định mức đi qua tiếp điểm: Idm=5A Theo bảng 2_15 (TK KCĐHA) ta chọn tiếp điểm có đường kính d=3mm;chiều cao h=1mm 2.Chọn vật liệu làm tiếp điểm Để đảm bảo yêu cầu điện trở xuất và điện trở tiếp xúc nhỏ , ít bị ăn mòn, ít bị oxi hoá , khó hàn dính, độ cứng cao. Đặc tính công nghệ tốt phù hợp với nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng, cộng với dòng điện Idm=5A , Theo bảng 2_13 (TK KCĐHA) ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là bằng bạc kéo nguội có các thông số kỹ thuật như sau: Tỷ trọng: 10,5 (g/cm3) Nhiệt độ nóng chảy: 9610C Điện trở suất ở 200C: 1,58.10-8 (Ωm) Độ cứng Briven: (30-60) (KG/mm2) Độ dẫn nhiệt: 4,16 (W/cm0C) Hệ số nhiệt điện trở: 0,004 (1/0C) 3.Xác định lực ép tiếp điểm Lực ép tiếp điểm đảm bảo tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài hạn , trong chế độ ngắn hạn dòng điện lớn thì lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính , không bị rung. Tra bảng 2_17 (TK KCĐHA) với Rơle trung gian ta chọn lực ép tiếp điểm là : F1td=25 (g) 4.Xác định điện trở tiếp xúc Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng xác định theo công thức dựa vào kết quả thực nghiệm Ktx R= , (Ω) (0,102 * Ftd ) m Trong đó Ftd , N : lực nén tiếp điểm m : hệ số dạng bề mặt tiếp xúc m=0,5 ; tiếp xúc điểm m= 0,5-0,7 tiếp xúc đường m= 0,7-1 tiếp xúc mặt Ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm . Với hai tiếp điểm bằng bạc thì theo TK KCĐHA ta chọn Ktx=0,0006 Vậy ta có điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khi chưa phát nóng ở 200C 0,0006 Rtđ = 0,5 =0,0036 Ω = 3,6.10-3 (Ω) (0,102.0,25) - 12 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín Khi Rơle làm việc thì có dòng điện chạy qua tiếp điểm làm tiếp điểm bị nóng và điện trở tiếp xúc của tiếp điểm tăng lên vì điện trở suất của bạc tăng . Vậy điện trở tiếp xúc cho phép của tiếp điểm khi làm việc ở nhiệt độ ổn định θ=950C là : 2 2 Rθ=95 = Rtđ(1+ α(θ-θ0)) = 3,6.10-3(1+ 0,0043.(95-20)) =4,374.10-3 (Ω) 3 3 5.Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm Trong trạng thái đóng của tiếp điểm điện áp rơi trên mạch vòng dẫn điện chủ yếu là do điện trở tiếp xúc của các phần đầu nối , điện trở của vật liệu tiếp điểm không đáng kể so với Rtx vì vậy điện áp rơi trên tiếp điểm sẽ bằng: Utx = I Rtx =5.4.374.10-3 =21,87 , mV Điện áp này liên quan trực tiếp tới nhiệt độ phát nóng của vùng tiếp xúc θtx . Tra trong TK KCĐHA với tiếp điểm bằng bạc và điện áp tiếp xúc Utx=21.87 mV ta có :θtx =8 0C Tính nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm Nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm được xác định theo công thức: I dm .ρ θ =95o C 2 U tx θ td = θ mt + + S .P.K T 2 λ.P.S .K T Trong đó : θmt : nhiệt độ của môi trường xung quanh , lấy bằng 40C λ : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm P : Chu vi tiếp điểm, P = 2.1,5.3,14 = 9,42 (mm) S : Tiết diện bề mặt tiếp điểm , S = 3.14.1,52 = 7,1 (mm2) Vậy nhiệt độ của tiếp điểm: 5 2.2,32.10 −8 0,02187 θtđ = 40 + −6 −3 + = 7,1.10 .9,42.10 .8 2 4,16.9,42.10 −3.7,1.10 −6.8 = 40 + 1,1 +7,3 = 48,4oC 6.Xác định giá trị dòng điện hàn dính Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Idm (quá tải khởi động , ngắn mạch) nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng hàn dính . Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn dính gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động ). Độ ổn định nhiệt và ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số của dòng điện tới hạn Ithhd, tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra , nếu cơ cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm . Theo công thức Bút Kê Vit:có thể sơ bộ xác định trị số dòng điện hàn dính ban đầu (trị biên độ) của tiếp điểm theo lực ép tiếp Ftd(KG). - 13 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín Ihd = Ftd .Khd = 10 −2 .2000=200(A) Trong đó : Khd: Hệ số hàn dính ,được xác định theo bảng 2-19 (TK KCĐHA) chọn Khc =2000(A/KG) Ftđ :Lực ép tiếp điểm Ftđ=0,12(N)=12.10-2 (KG) Chọn Ingắt=10.Idm=10.5=50(A). Như vậy dòng điện ngắt không hàn dính được tiếp điểm 7.Độ ăn mòn của tiếp điểm Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch điện.Sự mòn tiếp điểm thể hiện qua việc giảm độ lún ,giảm kích thước (chiều cao) của tiếp điểm cũng như giảm khối lượng hoặc thể tích của kim loại tiếp điểm. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là sự ăn mòn về hóa học ,ăn mòn về điện và ăn mòn về cơ nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn là do quá trình mòn điện. Sự ăn mòn của tiếp điểm được xác định theo công thức 2-48 (TK KCĐ HA) Vm Vm N= = Vd + Vng g d + g ng Vm ( cm3 ) – Phần thể tích của đôi tiếp điểm bị ăn mòn ảnh hưởng tới độ lún của tiếp điểm .Trị số mòn cho phép của mỗi tiếp điểm đến 0,5 ÷ 0,75 độ dầy (chiều cao) của tiếp điểm khi chưa bị ăn mòn ε (g/ cm3 ) – Khối lượng riêng của vật liệu tiếp điểm . Vd , Vng ( cm3 ) – Thể tích mòn riêng cho một lần đóng ngắt . g d , g ng (g) – Khối lượng mòn riêng cho một lần đóng ngắt . Đối với Rơle công suất nhỏ ta có thể tính khối lượng mòn riêng cho một lần đóng cắt theo công thức thực nghiệm sau: gd+gng = 10-9(Kd.Id2+Kng.Ing2)Kkd Trong đó : Kd , Kng là hệ số mòn khi đóng và ngắt , trị số của Kd , Kng được tra trong hình 2-16 (TK KCĐ HA). Ta được: Kd=Kng=0.85 Kkd : hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm , Với Rơle công suất nhỏ ta chọn Kkd=1,5 Id ,Ing : dòng điện đóng và ngắt của Rơle , chọn Id=Ing=Idm=5A Vậy gd+gng=10-9.(0,85.25+0,85.25).1,5=63,75.10-9 (g) hay Vd+Vng=(gd+gng)/ ε = 63,75.10-9 /10,5 =6.10-9 (cm3) Vậy thể tích mòn của tiếp điểm sau 106 lần đóng cắt điện là: Vm =N(Vd+Vng) =106.6.10-9 =6.10-3 (cm3) Chiều cao của tiếp điểm bị ăn mòn sau 106 lần đóng cắt là: - 14 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín hm=Vm/S =4.Vm/( π d2) =4.6.10-3/ π (0.3)2 =85.10-3 (cm) =0,085 (cm)=0,85(mm) 8.Độ mở , độ lún, khoảng trượt của tiếp điểm a.Độ mở Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí ngắt của Rơle . Với Rơle trung gian ta chọn độ mở là m=2 mm b.Độ lún Độ lún của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại . Độ lún của tiếp điểm tạo ra lực ép tiếp điểm và trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn thì độ lún sẽ đảm bảo tiếp xúc tốt. Như vậy phải chọn độ lún của tiếp điểm lớn hơn độ cao bị ăn mòn h của tiếp điểm . Theo kinh nghiệm thường chọn l=(1,5-2,5)h Vậy độ lún của tiếp điểm là l=1,5.0,85=1,275 (mm) Ta chọn độ lún của tiếp điẻm là l=1,25 (mm) c.Khoảng trượt Để tẩy sạch bụi bẩn , gồ ghề do hồ quang hoặc lớp oxit tạo nên ta sử dụng khoảng trượt . Xác định khoảng trượt từ vài phân đến vài milimét . Kinh nghiệm chọn khoảng trượt y=0,2-1,5 mm. Nếu tăng khoảng trượt sẽ tăng độ ăn mòn của tiếp điểm. Thường sử dụng kết hợp khoảng lăn và khoảng trượt. Với Rơle trung gian Idm=5A ta chọn khoảng trượt y= 0,2 mm - 15 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín CHƯƠNG III TÍNH VÀ DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ I. Sơ đồ động F'lxmh G'd Gd Gd" Flxnh Ftd II. Tính toán trọng lượng phần động. Trọng lượng phần động của Rơle trung gian chủ yếu là trọng lượng của nắp nam châm điện . Theo kinh nghiệm ta có thể tính trọng lượng phần động theo công thức gần đúng sau: Gd = mc.Idm trong đó mc là hệ số chọn mc=0,15 (N/A) Vậy trọng lượng phần động của Rơle là : Gd =0,15.5 = 0,75 (N) Để thuận tiện cho việc tính toán sau này ta sẽ qui đổi trọng lượng phần động về hai điểm : một điểm về khe hở làm việc của nam châm điện, ký hiều là Gd' l/2 Gd =Gd. ' =0,75.0,5=0,375 (N) l một điểm về thanh dẫn động để tính toán lò xo nhả, ký hiệu: Gd'' l/2 Gd' =Gd. ' =0,75.0,5 =0,375 (N) l - 16 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín III. Tính toán lò xo 1. Lò xo tiếp điểm 1.1 Chọn vật liệu lò xo tiếp điểm Thanh dẫn động của tiếp điểm bắc cầu được làm bằng đồng phốtpho có khả năng đàn hồi cao nên được chọn làm lò xo tiếp điểm. Lò xo có dạng tấm phẳng , tuy lực không lớn nhưng độ võng cũng nhỏ và độ bền cơ , diện cao. Có khả năng chống ăn mòn tốt hơn. Thông số của đồng phốtpho : 2 Giới hạn bền kéo cho phép σ k = 550 N/mm 2 Giới hạn đàn hồi cho phép σ d =320-380 N/mm 2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn σ u=190 N/mm 2 Giới hạn mỏi chop phép khi xoắn σ x =120 N/mm Module đàn hồi E = (90-113) 103 N/mm2 Module trượt G =42.103 N/mm2 -6 Điện trở suất ρ = 0,176.10 Ω m 1.2. Tính toán lò xo tiếp điểm - Kích thước c ủa lò xo tiếp điểm chính là kích thước của thanh dẫn động : chiều rộng: a = 5 (mm) bề dày: b = 0,5 (mm) chiều dài của lò xo tiếp điểm chọn l = 3,5 (cm) - Lực ép tiếp điểm ban đầu của lò xo tiếp điểm là Ftdd = 0 (N) -Lực ép tiếp điểm cuối của lò xo tiếp điểm là : Ftđc = Ftđ = 0,25 (N) - Momen chống uốn: a.b 2 5.0,5 2 W= = =0,208 (mm3) 6 6 -Momen quán tính: a.b 3 5.0,5 3 J= = =0,052 (mm4) 12 12 -Độ võng cấn thiết của lò xo: F .l 3 0,25.35 3 f= = =0,7 (mm) 3.E.J 3.100.10 3.0,052 - Độ cứng của lò xo: F 0,25 j= = =0,357 (N/mm) f 0,7 -Kiểm tra lại lò xo tiếp điểm: F .l 0,25.35 σu = = =42 (N/mm2) < [ σ u ] = 190 (N/mm2) W 0,208 Vậy thanh dẫn động đã chọn có thể được sử dụng làm lò xo tiếp điểm cho Rơle trung gian - 17 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín 2. Lò xo nhả. 2.1 Vật liệu làm lò xo nhả. Căn cứ vào yêu cầu làm việc của lò xo nhả trong Rơle trung gian ta chọn vật liệu làm lò xo là thép cácbon có độ bền vừa . Lò xo thuộc loại xoắn hình trụ, có khả năng chịu nén tốt. Các thông số của thép các bon : 2 -Giới hạn đàn hồi cho phép : σ k = 2200 (N/mm ) 2 -Ứng suất xoắn cho phép: σ x = 480 (N/mm ) -Module đàn hồi: E = 200.103 (N/mm2) -Module trượt G = 80.103 (N/mm2) -6 -Điện trở suất: ρ = (0,19-0,22).10 ( Ω m) 2.2 Tính toán lò xo nhả -Xác định lực lò xo nhả ban đầu: Vì Rơle có 4 tiếp điểm thường đóng nên lực lò xo nhả phải thắng được trọng lượng phần động và lực ép lên 4 tiếp điểm thường đóng(mỗi tiếp điểm có 2 chỗ nối).Mặt khác ta tính toán cho trường hợp xấu nhất là khi nắp nam châm điện ở phía dưới cuộn dây thẳng đứng. Do vậy lực lò xo nhả đầu có thể được xác định như sau: Flxnhđ = Kdt.(Gd + 8.Ftdd) = 1,2.(0,375+8.0,25)=2,85 (N) Lực lò xo nhả cuối: Flxnhc =1,5.Flxnhđ =1,5.2,85 = 4,275 (N) -Đưòng kính của dây lò xo: F .C 2.10 d= 1,6. = 1,6 =0,48 (mm) [σ x ] 480 Vậy chọn đường kính dây lò xo là d=0,5 mm -Đường kính trung bình của lò xo: D=C.d=10.0,5 = 5 mm -Số vòng dây lò xo: G.d.f 80.10 3.0,5.4,5 W= = =5,26 (vòng) 8.C 3 .F 8.10 3.4,275 Số vòng dây lò xo là W=5,26+1,5 = 6,75 (vòng) Chọn số vòng dây lò xo là W=7(vòng). trong đó f là khoảng lún của lò xo cũng chính là hành trình của tiếp điểm, f= 4,5 (mm) f 4,5 - Bước lò xo : t= d + = 0,3 + =0,94 (mm) W 7 Chọn bước lò xo là t=1 (mm). -Chiều dài tự do của lò xo chịu nén: l = W.t +1,5.d = 7.1+1,5.0,5 = 7,75 (mm) -Kiểm nghiệm lại lò xo: ứng suất soắn của lò xo: - 18 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín 8.F .C 8.4,275.10 σx = = =435 (N/mm2) < [ σ x] ]=480 (N/mm2). π .d 2 3,14.0,5 2 Vậy lò xo nhả đã chọn thoả mãn các yêu cầu . IV.Dựng đặc tính cơ 1.Tính toán các lực. -Trọng lượng phần động quy đổi về khe hở làm việc của nam châm điện Gd =0,375 (N) ' -Lực lò xo nhả: Flxnhđ = 2,85 (N) Flxnhc = 4,275 (N) -Lực lò xo tiếp điểm: Ftdd = 0(N) Ftđc = 8.F1tđ = 8.0,25 =2(N) 2.Vẽ đặc tính cơ. Fco(N) 6,65 4,275 4,25 3,5 2,85 2 1,225 0,375 δ(mm) 1,25 3,25 4,5 0 2 - 19 -
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín CHƯƠNG IV NAM CHÂM ĐIỆN Nam châm điện ( NCĐ ) ngày càng được sử dụng rộng rãi. Không một lĩnh vực kỹ thuật nào không sử dụng nam châm điện : trong truyền động điện, tự động điều chỉnh, thông tin liên lạc và cả trong y học, khoa học nguyên tử, vũ trụ ... Với các lĩnh vực kỹ thuật khác nhau đòi hỏi có những nam châm điện khác nhau về hình dạng, kết cấu và ứng dụng. Có những nam châm điện rất bé kích thước khoảng vài milimet và có những nam châm điện rất lớn kích thước đến vài mét. Khối lượng nam châm điện từ vài gam (ở rơle, ...) đến hàng nghìn kilogam (ở cần cẩu, các bộ phận ly hợp ). Lực điện từ của nam châm điện thì từ vài phần gam đến hàng chục tấn. Hành trình của phần ứng từ vài mμ đến vài chục met. Công suất tiêu thụ từ cỡ vài mW đến hàng chục kW. Nam châm điện đựơc sử dụng đặc biệt chủ yếu trong cơ cấu điện từ là cơ quan sinh lực ( truyền động ) để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến của các cấu quan chấp hành, để thực hiện việc chuyển động quay trong các góc quay giới hạn hoặc sinh lực hãm trong các công- tắc-tơ, khởi động từ, rơle, aptômát, khớp ly hợp, phanh hãm ... Các quá trình vật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp, thường được mô tả bằng phương trình vi phân, phi tuyến. Vì vậy cho đến nay việc tính toán nam châm điện thường được theo những công thức đơn giản gần đúng rồi kiểm nghiệm lại theo công thức lý thuyết, đi đến chọn bài toán tối ưu. 1) Chọn dạng kết cấu - Xác định điểm nguy hiểm của đặc tính cơ Dựa vào đặc tính cơ đã dựng ở trên , theo kinh nghiệm với nam châm điện xoay chiều ta thường chọn điểm nguy hiểm là vị trí khi các tiếp điểm của tiếp điểm thường mở bắt đầu tiếp xúc với nhau , tức là tại vị trí δ tt = 1,25 (mm) và lực cơ sinh ra tại điểm này là : Fcth=4,25(N) - Để Rơle có thể tác động thì lực điện từ do nam châm điện của nó sinh ra phải thắng được lực cơ của cơ cấu truyền động , do vậy lực điện từ tính toán của nam châm điện ta phải nhân thêm một hệ số dự trữ Kdt=1,2 với lực cơ tới hạn -Vậy lực điện từ của nam châm điện tại khe hở δ tt = 1,25 là: Fdttt=Kdt.Fcth=1,2.4,25 = 5,1 (N) - Để có kết cấu tối ưu ta phải tính hệ số kết cấu của nam châm điện: - 20 -