Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Mục lục Mục lục 1 Lời nói đầu 4 Chơng I 5 Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ 5 I. Khái niệm chung 5 i. Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ 5 ii. Nguyên lý hoạt động 5 II. Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ 6 1. Hệ thống mạch vòng dẫn điện 6 ii. Hệ thống dập hồ quang 6 iii. Nam châm điện 7 iv. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung 7 v. Hình dáng của công tắc tơ 7 Chơng II 8 Tính toán mạch vòng dẫn điện 8 I. Khái niệm chung 8 III. Mạch vòng dẫn điện chính 9 1. Thanh dẫn 9 ii. Đầu nối 12 iii. Tiếp điểm 14 II. Mạch vòng dẫn điện phụ 20 1. Thanh dẫn 20 ii. Tiếp điểm 21 Chơng III 22 Tính và dựng đặc tính cơ 22 I. Tính toán lò xo 22 Ngọc Văn Tú - 1 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp 1. Vật liệu làm lò xo 22 ii. Lò xo ép tiếp điểm chính 23 iii. Lò xo tiếp điểm phụ 24 iv. Lò xo nhả 25 IV. Đặc tính cơ 27 1. Lập sơ đồ động 27 ii. Tính toán các lực 28 iii. Đặc tính cơ 29 30 Chơng IV 30 Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện 31 I. Khái niệm 31 II. Tính toán thiết kế nam châm điện 31 1. Xác định Kkc 31 ii. Chọn vật liệu dẫn từ 31 iii. Chọn từ cảm, hệ số từ rò , hệ số từ cảm 32 iv. Tính tiết diện lõi mạch từ 32 v. Xác định kích thớc cuộn dây 33 vi. Kích thớc mạch từ 35 V. Tính toán kiểm nghiệm nam châm điện 36 1. Sơ đồ thay thế mạch từ 36 ii. Tính từ dẫn khe hở không khí 38 iii. Tính từ thông 42 iv. Tính số vòng dây 42 v. Tính đờng kính dây 43 vi. Tính toán vòng ngắn mạch 43 vii. Tính toán vòng ngắn mạch 46 viii. Tính toán kiểm nghiệm cuộn dây 47 ix. Tính và dựng đặc tính lực điện từ 49 Ngọc Văn Tú - 2 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Chơng V 53 Tính và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang 53 I. Vật liệu 53 1. Vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang 53 ii. Vật liệu làm các tấm dập 53 VI. Tính toán và kiểm nghiệm 53 Chơng VI 57 Hoàn thiện kết cấu 57 I. Mạch vòng dẫn điện 57 1. Mach vòng dẫn điện chính 57 ii. Mạch vòng dẫn điện phụ 58 VII. Lò xo tiếp điểm, lò xo nhả 58 1. Lò xo tiếp điểm chính 58 2. Lò xo tiếp điểm phụ 58 3. Lò xo nhả 58 VIII. Nam châm điện 59 1. Mạch từ 59 2. Kích thớc cuộn dây 59 iii. Vòng ngắn mạch 59 iv. Buồng dập hồ quang 59 IX. Vỏ và các chi tiết khác 60 Chơng VII 60 Ví dụ minh họa ứng dụng công tắc tơ trên 60 I. Sơ đồ nguyên lý 60 X. Nguyên tắc hoạt động 61 1. Mạch chính điều khiển động cơ 61 ii. Mạch kiểm tra 61 2.Khí cụ điện, NXB KHKT 2004 62 Ngọc Văn Tú - 3 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp 3.Khí cụ điện hạ áp 62 4.Phần tử tự động 62 Lời nói đầu Đất nớc đang càng ngày càng phát triển, quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đang diễn ra mạnh mẽ. Để thực hiện đợc thì phải có nguồn năng lơng, mà điện năng chiếm một vai trò rất quan trọng. Điện năng cung cấp cho mọi ngành, mọi lĩnh vực, mọi đối tợng. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện thì không thể tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra nh hiện tợng quá điện áp, quá dòng điện, hiện tợng ngắn mạch Để đảm bảo vấn đề an toàn tính mạng cho con ngời, bảo vệ các thiết bị điện và tránh những tổn thất kinh tế có thể xảy ra thì khí cụ điện ngày càng đợc đòi hỏi nhiều hơn, chất lợng tốt hơn và luôn đổi mới công nghệ. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các loại khí cụ điện hiện đại đợc sản xuất ra luôn đảm bảo khả năng tự động hoá cao, trong đó công tắc tơ cũng không nằm ngoài mục đích đó. Chính vì vậy mà nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là đặc biệt quan trọng nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể sẽ xảy ra. Đợc sự giúp đỡ và hớng dẫn của các thầy cô trong nhóm khí cụ điện, thuộc bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa điện. Đặc biệt là sự hớng dẫn giúp đỡ và đóng Ngọc Văn Tú - 4 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp góp của thầy Đặng Chí Dũng, em đã hoàn thành đợc đồ án môn học với đề tài thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3 pha. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do hiểu biết kiến thức còn có nhiều hạn chế, thời gian có hạn và kinh nghiệm thực tế còn ít, nên trong quá trình thiết kế đồ án em còn mắc những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong có đợc sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến thầy cô và các bạn sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn bộ môn Thiết bị điện - điện tử và thầy Đặng Chí Dũng. Chơng I Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ I. Khái niệm chung i. Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng, cắt thờng xuyên các mạch điện động lực, từ xa, bằng tay hay tự động. Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. Thông thờng ta gặp loại đóng cắt bằng nam châm điện. Công tắc tơ gồm các bộ phận chính sau - Hệ thống mạch vòng dẫn điện. - Hệ thống dập hồ quang. - Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung. - Nam châm điện. - Vỏ và các chi tiết cách điện. ii. Nguyên lý hoạt động Ngọc Văn Tú - 5 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Khi cho điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ đợc sinh ra trong nam châm điện. Luồng từ thông này sẽ sinh ra một lực điện từ. Khi lực điện từ lớn hơn lực cơ thì nắp mạch từ đợc hút về phía mạch từ tĩnh, trên mạch từ tĩnh có gắn vòng ngắn mạch để chống rung, làm cho tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm tĩnh đợc gắn trên thanh dẫn, đầu kia của thanh dẫn 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 đợc đóng vào đối với tiếp điểm phụ th- ờng mở và mở ra đối với tiếp điểm thờng đóng. Lò xo nhả bị nén lại. Khi ngắt điện vào cuộn dây, luồng 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 tấm dập trong buồng dập hồ quang, hồ quang sẽ đợc dập tắt. II. Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ 1. Hệ thống mạch vòng dẫn điện Thanh dẫn: do thanh dẫn phải dẫn dòng điện làm việc và có khi phải chụi dòng điện ngắn mạch lớn khi xảy ra sự cố đòng thời phải đảm bảo cho tiếp điểm tiếp xúc tốt nên ta chọn thanh dẫn bằng đồng có tiết diện ngang hình ch nhật. Đầu nối : chọn đầu nối bằng bu lông có thể tháo rời đợc. Tiếp điểm chính: do dòng điện làm việc định mức của công tắc tơ là 25 A nên ta chọn tiếp điểm hình trụ, kiểu bắc cầu, 1 pha 2 chỗ ngắt, tiếp xúc loại mặt phẳng-mặt phẳng. Tiếp điểm phụ: cũng dùng kiểu tiếp điểm bắc cầu 1 pha 2 chỗ ngắt. ii. Hệ thống dập hồ quang Đối với khí cụ điện hạ áp , các trang bị dập hồ quang thờng là : - Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí. - Dùng cuộn dây thổi từ. - Dùng buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp. - Dùng buồng dập hồ quang kiểu dàn dập. Ngọc Văn Tú - 6 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Qua phân tích và tham khảo thực tế, đối với Công tắc tơ xoay chiều chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập . iii. Nam châm điện Công tắc tơ có thể đóng ngắt bằng nam châm điện hút quay hoặc hút thẳng. Nam châm điện hút quay - Ưu điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút quay tốt hơn nam châm điện hút thẳng. - Nhợc điểm: Kết cấu phức tạp, một pha có một chỗ ngắt làm cho việc dập hồ quang khó khăn, phải dùng dây nối mềm. Nam châm điện hút thẳng - Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, Kết cấu tiếp điểm bắc cầu một pha có hai chỗ ngắt làm cho việc dập hồ quang đơn giản hơn, Hành trình chuyển động gắn liền với chuyền động của nắp nam châm điện,việc bố trí buồng dập hồ quang dễ dàng, Không dùng dây nối mềm. - Nhợc điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút thẳng không tốt bằng nam châm hút quay. Do có nhiều u điểm cho nên ta sẽ sử dụng nam châm điện xoay chiều hình chữ E kiểu hút chập. iv. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung Lò xo nhả, lò xo tiếp điểm: ta chọn kiểu lò xo xoắn hình trụ do nó ít bị ăn mòn và bền hơn lò xo tấm phẳng. Lò xo hoăn xung: dùng để giảm bớt va chạm giữa nắp và thân cực từ do đó ta dùng lò xo lá. v. Hình dáng của công tắc tơ Sau khi chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta đợc hình dáng công tắc tơ nh sau Ngọc Văn Tú - 7 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp 1. Tiếp điểm tĩnh. 6. Thanh dẫn tĩnh. 2. Tiếp điểm động. 7. Lò xo nhả. 3. Lò xo ép tiếp điểm. 8. Mạch từ nam châm điện. 4. Thanh dẫn động. 9. Cuộn dây nam châm điện. 5. Dàn dập hồ quang. 10. Vòng ngắn mạch. 11. Nắp mạch từ nam châm điện. Chơng II Tính toán mạch vòng dẫn điện I. Khái niệm chung Trong Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng, chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thớc hợp thành. Đối với Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính nh sau: Thanh dẫn: gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Thanh dẫn có chức năng truyền tải dòng điện. Dây dẫn mềm. Đầu nối: gồm vít và mối hàn. Ngọc Văn Tú - 8 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, có chức năng đóng ngắt dòng điện. Cuộn thổi từ. III. Mạch vòng dẫn điện chính 1. Thanh dẫn 1. Thanh dẫn động a. Chọn vật liệu Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tơng đối cao do đó ta có thể chọn Đồng kéo nguội làm vật liệu cho thanh dẫn động. Các thông số của đồng kéo nguội: Ký hiệu ML-TB Tỷ trọng () 8,9 g/cm 3 Nhiệt độ nóng chảy ( nc ) 1083 0 C Điện trở suất ở 20 0 C ( 20 ) 0,0158.10 -3 mm Độ dẫn nhiệt () 3,9 W/cm 0 C Độ cứng Briven (H B ) 80 ữ 120 kG/cm 2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0043 1/ 0 C Nhiệt độ cho phép cấp A ([ cp ]) 95 0 C b. Tính toán thanh dẫn Theo phần chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ, ta đã chọn thanh dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề dầy b Theo công thức 2-6 (TL1) : Trong đó : Ngọc Văn Tú - 9 - TBĐ-ĐT1 3 .1).K2.n.(n .K.I b odT f 2 dm + = Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp I đm = 18 A : dòng điện định mức. n: hệ số hình dáng, n = b a = 5 ữ 10, chọn n = 7. K f : hệ số tổn hao phụ đặc trng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần. K f = K bm .K g = 1,03 ữ 1,06. Chọn K f = 1,06. K T : hệ số tản nhiệt, K T = (6 ữ 12).10 -6 (W/ 0 C.mm 2 ) Chọn K T = 7,5.10 -6 . : điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định. = 20 [1+( - 20)] 20 : điện trở suất của vật liệu ở 20 O C. : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu. : nhiệt độ ổn định của đồng , ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho phép = [] = 95 O C. 95 = 0,0158.10 -8 [1+4,3.10 -3 (95 - 20)] 2,1.10 -8 (.m) ôđ : độ tăng nhiệt ổn định. ôđ = - mt với mt = 40 O C là nhiệt độ môi trờng ôđ = 95 - 40 = 55 O C Vậy ta có a = b.n =7. 0,54 = 3,78 (mm) Vậy kích thớc tối thiểu của thanh dẫn động là a = 3,78 mm và b = 0,54 mm. Tuy nhiên hình dạng của thanh dẫn động còn phụ thuộc vào hình dạng của tiếp điểm. Chọn tiếp điểm theo bảng 2-15(TL1.T51) với I đm = 18 A ta chọn đờng kính tiếp điểm d tđ = 8 mm và chiều cao tiếp điểm là h tđ = 1,5 mm. Chọn lại kích thớc của thanh dẫn động: a= 10 mm và b= 1,2 mm c. Kiểm tra kích thớc làm ở điều kiện làm việc dài hạn Diện tích thanh dẫn: S = a.b =10.1,2 = 12 (mm 2 ) Ngọc Văn Tú - 10 - TBĐ-ĐT1 )(54,0 3 55.10.5,7).17.(7.2 06,1.10.1,2.18 6 82 mmb + = [...]... tĩnh cũng thoả mãn chế độ dài hạn và ngắn hạn ii Đầu nối Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao Ngọc Văn Tú - 12 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Các yêu cầu đối với mối nối Nhiệt độ các mối nối khi làm việc ở dài hạn với dòng điện định mức không đợc tăng quá... 58,1 (kG) Theo công thức 2-25(TL1.T59) Điện trở tiếp xúc là: R tx = Ngọc Văn Tú K tx (0,102.Ftx ) m - 13 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Trong đó m =1 đồng-đồng tiếp xúc mặt Ktx =(0.09 ữ 0.14).10-3 chọn Ktx = 0,1.10-3 0,1.10 3 R tx = = 1,7.10 5 () 0,102.58,1 Điện áp tiếp xúc Utx = Iđm.Rtx =18.1,7.10 5= 0,31 (mV) Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([U tx]cp =30 mV),... Dòng điện hàn dính Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức I đm (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 đợc biểu thị qua trị số dòng điện hàn... K u max ( IW)td K u min K qt K l.K I j Trong đó KUmax : Hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà NCĐ vẫn làm việc Chọn Kumax = 1,1 KUmin : Hệ số tính đến điện áp nguồn giảm mà NCĐ vẫn làm việc Chọn Kumin = 0,85 Kqt: Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn Kqt = 1 J : Mật độ dòng điện trong cuộn dây ở chế độ làm việc dài hạn , thờng j = 2 ữ 4 A/mm2 Chọn j = 3 A/mm2 Klđ : Hệ số lấp đầy cuộn... 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 đợc lớn hơn trị số cho phép 3 Vật liệu làm tiếp điểm Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 18 A Từ bảng... lò xo xoăn hình trụ Bây giờ ta sẽ chọn cụ thể loại lò xo là lò xo thép cacbon FOCT 9389 - 60 có các thông số nh sau Độ bền giới hạn khi kéo, sk 2650 N/mm2 Giới hạn đàn hồi, sđ 800 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn, su 930 N/mm2 Ngọc Văn Tú - 22 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn, sx Module đàn hồi, E Mudule chống trợt, G Điện trở suất, 580 N/mm2 200.103 N/mm2... châm điện rất phức tạp, thờng đợc mô tả bằng các phơng trình vi phân tuyến tính Vì vậy việc tính toán nam châm điện thờng đợc 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 u Đối với công tắc tơ, nam châm điện là cơ cấu sinh lực để thực hiện tịnh tiến đối với cơ cấu chấp hành là hệ thống các tiếp điểm II Tính toán thiết kế nam châm điện. .. () 0 ,8 (0,102.2,7) 6 .Điện áp tiếp xúc Utx = Iđm.Rtx =18.7.10-4 = 0,0126 (V) = 12,6 (mV) Vậy điện áp nơi tiếp xúc Utx thoả mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép [Utx] = 2 ữ 30 mV 7 Nhiệt độ tiếp điểm và nhiệt độ nơi tiếp xúc Theo công thức 2-11(TL1.T52) nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm 2 2 I dm I dm Rtd td = mt + + S P.K T 2 S PK T Ngọc Văn Tú - 15 - TBĐ-ĐT1 Thit k cụng tc t ỏn khớ c... của các khí cụ điện đóng ngắt b Yêu cầu đối với tiếp điểm Khi Công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức , nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm Với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch) tiếp điểm phải chịu đợc độ bền nhiệt và độ bền điện động Khi làm việc với dòng điện. .. Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện I Khái niệm Nam châm điện đợc sử dụng ngày càng rất rộng rãi mà không một lĩnh vực ngành kỹ thuật nào không sử dụng nó Nhiệm vụ chủ yếu của nam châm điện là bộ phận sinh lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến hay chuyển quay hoặc sinh lực hãm Trong mỗi lĩnh vực khác nhau thì có những loại nam châm khác nhau về hình dáng, kết . trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao. Ngọc Văn Tú - 12 - TBĐ-ĐT1 b a S tx Thit k cụng tc t. quan trọng nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể sẽ xảy ra. Đợc sự giúp đỡ và hớng dẫn của các thầy cô trong nhóm khí cụ điện, thuộc bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa điện. Đặc biệt là. tợng quá điện áp, quá dòng điện, hiện tợng ngắn mạch Để đảm bảo vấn đề an toàn tính mạng cho con ngời, bảo vệ các thiết bị điện và tránh những tổn thất kinh tế có thể xảy ra thì khí cụ điện ngày