LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “thiết kế khí cụ điện hạ áp” đề cập đến vấn đề tính toán, thiết kế phận chủ yếu khí cụ điện hạ áp Chúng gồm phần sau : -Những vấn đề chung thiết kế -Mạch vòng dẫn điện -Cơ cấu khí cụ điện -Nam châm điện -Tính toán nhiệt Đây giáo trình dùng cho sinh viên ngành thiết bị điện - hệ taị chức dài hạn, bổ ích cho sinh viên ngành khác cán kĩ thuật, quan tâm đến công tác thiết kế, tính toán, chế tạo sửa chữa khí cụ điện hạ áp Tham gia biên soạn chương trình gồm đồng chí : -Phạm Tố Nguyên : chương 2, phần chương chịu trách nhiệm -Lưu Mỹ Thuận : chương chương -Phạm Văn Chới: chương 1và phần chương -Bùi Tín Hữu : chương Vì trình độ thời gian có hạn nên sách chắn nhiều thiếu sót Rất mong nhận góp ý bạn đọc, thư xin gửi tới môn Thiết Bị Điện, trưòng Đại học Bách Khoa Hà Nội Tháng năm 1986 Các tác giả http://www.ebook.edu.vn CHƯƠNG I : NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT KẾ KHÍ CỤ ĐIỆN §1-1 KHÁI NIỆM CHUNG A- CÁC LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN Khí cụ điện thiết bị điện, cấu điện dùng để điều khiển trình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối lượng điện dạng lưọng khác Khái niệm điều khiển theo nghĩa rộng bao gồm : điều chỉnh tay tự động, kiểm tra bảo vệ Theo lĩnh vực sử dụng, khí cụ điện chia thành nhóm, nhóm lại có nhiều chủng loại khác Các nhóm : 1-Nhóm khí cụ điện phân phối lượng điện áp cao, gồm: Dao cách ly, máy ngắt dầu (nhiều dầu dầu), máy ngắt không khí, máy ngắt tự sản khí, máy ngắt chân không cầu chuỷ (cầu chì) , dao ngắn mạch, điện kháng , biến dòng, biến điện áp … 2-Nhóm khí cụ điện phân phối lượng điện áp thấp, gồm: Máy ngắt tự động, máy ngắt tay, đổi nối (cầu dao, công tắc), cầu chì … 3-Nhóm khí cụ điện điều khiển: Công tắc tơ, khởi động từ, khống chế điều khiển, nút ấn, công tắc hành trình, điện trở điều chỉnh mở máy, khuếch đại điện tử, khuếch đại từ, tự áp… 4-Nhóm rơle bảo vệ: Rơle dòng điện rơle điện áp, rơle công suất, rơle tổng trở, rơle thời gian 5-Nhóm khí cụ điện dùng sinh hoạt chiếu sáng: công tắc, ổ cắm, phích cắm, bàn là, bếp điện… B- CÁC BỘ PHẬN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Các khí cụ điện có nhiều chủng loại khác kết cấu, kích thước, nguyên lý làm việc Tuy công tác thiết kế phân loại phận chúng Các phần tử hợp thành khí cụ điện bao gồm: - Chi tiết: phần sơ đẳng khí cụ điện, chế tạo từ chất đồng chưa phải dùng đến nguyên công lắp ráp - Cụm (đơn vị lắp ráp) tổ hợp lắp ráp hai hay nhiều chi tiết Trong cụm gồm hai hay nhiều cụm nhỏ (cụm bậc hai bậc cao) Cụm sở cụm mà lắp ráp thành khí cụ điện http://www.ebook.edu.vn - Nhóm: thành phần chủ yếu khí cụ điện, gồm tổ hợp cụm chi tiết có chức chung cá biệt, nhóm có chi tiết mà cụm Các phận chủ yếu khí cụ điện thường gặp là: - Mạch vòng dẫn điện gồm đầu nối, dẫn tiếp điểm - Hệ thống dập hồ quang - Các cấu trung gian - Nam châm điện - Các chi tiết cụm cách điện - Các chi tiết kết cấu, vỏ, thùng C-YÊU CẦU CHUNG CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN Các khí cụ điện thiết kế phải thoả mãn hàng loạt yêu cầu sản phẩm công nghiệp đại: yêu cầu kỹ thuật, vận hành, kinh tế, công nghệ xã hội chúng biểu qua quy chuẩn, định mức, tiêu chuẩn chất lượng nhà nước ngành chúng nằm nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật 1-Các yêu cầu kỹ thuật: -Độ bền nhiệt chi tiết, phận khí cụ điện làm việc chế độ định mức chế độ cố -Độ bền cách điện chi tiết phận cách điện khoảng cách cách điện làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài điều kiện môi trường xung quanh(như mưa, ẩm, bụi, tuyết,…) có điện áp nội điện áp khí gây -Độ bền tính chịu mòn phận khí cụ điện giới hạn số lần thao tác thiết kế, thời hạn làm viêc chế độ định mức chế độ cố -Khả đóng ngắt chế độ định mức chế độ cố, độ bền điện thông chi tiết, phận -Các yêu cầu kỹ thuật riêng loại khí cụ điện -Kết cấu đơn giản, khối lượng kích thước bé 2- Các yêu cầu vận hành: - Lưu ý đến ảnh hưởng môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ, độ cao,… - Độ tin cậy cao - Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài - Đơn giản,dễ thao tác,sữa chữa, thay http://www.ebook.edu.vn - Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn lượng 3- Các yêu cầu kinh tế, xã hội : -Giá thành hạ -Tạo điều kiện dễ dàng, thuận tiện cho nhân viên vận hành (về tâm sinh lý, thể,…) -Tính an toàn lắp ráp ,vận hành -Tính thẩm mỹ kết cấu -Vốn đầu tư chế tạo, lắp ráp vận hành 4- Các yêu cầu công nghệ chế tạo : -Tính công nghệ kết cấu: dùng chi tiết, cụm quy chuẩn, tính lắp lẫn… -Lưu ý đến khả chế tạo: mặt sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất, khả thiết bị -Lưu ý đến khả phát triển chế tạo, lắp ghép vào tổ hợp khác, chế tạo dây, D-ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC ĐẾN KẾT CẤU CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN 1-Vùng khí hậu : Trong trình thiết kế, phải lưu ý đến điều kiện khí hậu nơi sử dụng Vì cần phải nghiên cứu dạng, loại phù hợp với vùng khí hậu Nhìn chung loại khí cụ điện khác số loại vật liệu lớp sơn phủ bề mặt chi tiết Có loại khí cụ điện cho vùng khí hậu sau : - Loaị dùng cho vùng khí hậu ôn đới - Loại dùng cho vùng khí hậu nhiệt đới ẩm - Loại dùng cho vùng nhi khô, sa mạc - Loại dùng cho vùng khí hậu hàn đới - Loại dùng cho vùng khí hậu biển, ôn đới - Loại dùng cho vùng khí hậu biển nhiệt đới 2-Vị trí lắp đặt : Ngoài điều kiện khí hậu, thiết kế khí cụ điện phải lưu ý đến vị trí lắp đặt chúng : - Kiểu đặt phòng kín, có thông gió - Kiểu đặt hầm lò, có độ ẩm cao http://www.ebook.edu.vn - Kiểu đặt bên ngoài, che chắn, bị tác động mưa bụi , bẩn … - Các kiểu chuyên dùng, có che chắn, chống bụi, nước, chống nổ Tuỳ theo mức độ chống ảnh hưởng môi trường bên ngoài, khí cụ điện phân theo cấp bảo vệ (có tiêu chuẩn) 3-Tác động học: Trong trình vận chuyển, bảo quản vận hành, khí cụ điện chịu tác động học từ phía, thể qua độ rung va đập.Tác động có dạng độ lớn khác cho lĩnh vực sử dụng, ví dụ công nghiệp , tàu điện, máy bay… 4-Sự thay đổi thông số định mức khí cụ điện : Khi nhiệt độ môi trường tăng dòng điện định mức khí cụ điện giảm xuống Khi chiều cao nơi làm việc lớn 1000m, nên thay đổi dòng điện điện áp định mức khí cụ điện sau : Độ cao, m KI= I/Iđm Ku=U/Uđm 1000 1.00 1.00 2000 0.98 0.90 3000 0.96 0.80 6000 0.90 0.56 Tất nhân tố ảnh hưởng đến kết cấu khí cụ điện Vì vậy, nhân tố nằm phần nhiệm vụ thiết kế A- CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN Thiết kế việc giải toán nhiều ẩn Bài toán thường thiếu số liệu cần thiết nên phải cho trước số thông số, đưa vào điều kiện giới hạn phải đơn giản hoá nhiều vấn đề, phương pháp chủ yếu dùng trình thiết kế tính toán kết cấu thường gặp là: Phương pháp đồng dạng, phương pháp tương tự, phương pháp gần liên tiếp Tính toán thiết kế phải bám sát vào nhiệm vụ giao Đôi phải huỷ bỏ kết tính toán kích thước thông số, kết mặt toán học chấp nhận mặt kết cấu, chế tạo, vận hành, kinh tế … http://www.ebook.edu.vn Trong việc tính toán, cần dựa vào vấn đề lý thuyết thực tế, gồm luật vật lý, số liệu thực nghiệm khí cụ điện tương tự Vai trò tính toán quan trọng , nhiều trường hợp lại chọn trước dạng kích thước, mà không cần đến tính toán Nên lưu ý rằng, sử dụng công thức tính toán kinh nghiệm, cần biết rõ mối quan hệ vật lý đại lượng, chất vật lý tượng giới hạn đại lượng công thức Trong công tác thiết kế, thường sử dụng phơng tiện tính toán: tính tay máy tính Việc tính toán taycó nhiều nhược điểm, sai sót lớn Việc sử dụng máy tính điện tử cho phép giải toán tuyến tính phi tuyến với kết tương đối xác Để giải toán khí cụ điện nên dùng máy tính tương tự, với ưu điểm chọn sơ đồ nhanh, dễ hiệu chỉnh biến số, trị số ban đầu Máy tính số cho kết xác cao việc lập phương trình phức tạp B- GIAI ĐOẠN CHUẨN BỊ THIẾT KẾ Đây giai đoạn quan trọng công tác thiết kế Ở giai đoạn này, yêu cầu phải nắm vững nhiệm vụ thiết kế, tóm tắt ưu nhược điểm kết cấu tương tự sẵn có làm quen cới sở kinh tế-kỹ thuật thiết kế hiệu chỉnh nhiệm cụ thiết kế kỹ thuật a-Nhiệm vụ thiết kế: Trong nhiệm vụ thiết kế khí cụ điện dãy khí cụ điện, phải có đủ số liệu thông số kỹ thuật, yêu cầu vận hành chế tạo, công nghệ Những số liệu, tin tức bản: 1-Tên khí cụ điện mục đích sử dụng 2-Dạng điện (một chiều hay xoay chiều) điện áp định mức, tần số 3-Trị số dòng định mức 4-Dạng điện điện áp định mức mạch điều khiển hay mạch phụ khác 5-Số lượng tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ thường đóng, thường mở, 6-Đặc tính phụ tải thông số vận hành loại phụ tải, số lần đóng ngắt giờ, chế độ làm việc: ngắn hạn, dài hạn,khả đóng ngắt giới hạn độ bền nhiệt độ bền điện động, tuổi thọ điện loại cấu đóng ngắt, khả điều kiện lắp đặt, điều kiện vận hành, yêu cầu thông tin công nghệ chế tạo, yêu cầu kinh tế yêu cầu khác http://www.ebook.edu.vn Với khí cụ tổ hợp- tổ hợp vài khí cụ điện cần yêu cầu khác như: sơ đồ điện chúng, quan hệ tương hỗ, vị trí lắp đặt b-Tóm tắt kết cấu sẵn có Các khí cụ điện phải dựa vào thành tựu khoa học công nghệ lĩnh vực chuyên môn Vì cần nghiên cứu kết cấu sẵn có nước với chức tương tự, với thông số kỹ thuật gần giống loại định thiết kế Trong trường hợp khí cụ điện thiết kế loại mới, không giống loại có bảng tóm tắt loại sẵn có xem tài liệu tham khảo Khi lập bảng tóm tắt khí cụ điện sẵn có, việc mô tả ngắn gọn ưu nhược điểm cần phải đánh giá chất lượng kết cấu Bảng tóm tắt nên làm theo thứ tự sau: 1- Mô tả ngắn gọn ưu, nhược điểm chủ yếu: - Nguyên lý đạc điểm khí cụ điện - Đặc điểm phận hệ thống tiếp điểm, hệ dập hồ quang,cơ cấu đóng, ngắt, cụm chi tiết vỏ… - Các thông số chính: -Các thông số định mức thông số kỹ thuật -Khối lượng, kích thứơc lắp ráp thể tích, diện tích lắp đặt -Các tiêu công nghệ kết cấu: số lượng chi tiết chi tiết cố định Thành phần chi tiết theo công nghệ chế tạo(đúc, dập nguội, ép gia công máy cắt gọt, ) -Giá thành - Các tiêu riêng(suất tiêu) -Về khối lượng đơn vị thể tích, đơn vị thôngsố (dong điện, công suất…) -Về kích thước: thể tích lắp đặt đơn vị khối lượng, diện tích lắp đặt đơn vị thông số bản… -Về giá thành đơn vị khối lượng, đơn vị thể tích,trên đơn vị thông số c- Cơ sở kinh tế -kỹ thuật: http://www.ebook.edu.vn Cơ sở kinh tế kỹ thuật kết cấu phải đem lại hiệu kinh tế, kỹ thuật cho kinh tế quốc dân, biểu diễn qua tiêu định lượng Khí cụ điện thiết kế phải đạt kết vận hành lớn với chi phí lao động chế tạo lắp ráp vận hành bé Mặt khác bỏ vốn đầu tư lớn so với thiết kế cũ, giá thành thiết bị cao song phải làm tăng hiệu kinh tế vận hành tăng yêu cầu kỹ thuật Cần lưu ý vấn đề kinh tế- kỹ thuật phải người thiết kế quán triệt suốt trình làm việc, từ bắt đầu chuyển thiết kế vào sản xuất tận đến giai đoạn vận hành Ở giai đoạn khác nhau, yêu cầu mức xác việc tính toán kinh tế có khác nhau.Trong giai đoạn đầu, số liệu xuất phát mang tính chất giả thiết sơ bộ, giai đoạn sau, chúng tính toán chinh xác hơn, d- Hiệu chỉnh nhiệm vụ thiết kế- kỹ thuật: Sau lập bảng tóm tắt tổng hợp kết cấu sẵn có nghiên cứu sở kinh tế kỹ thuật khí cụ điện thiết kế, thường xuất yêu cầu cần thiết số liệu sai Vì giai đoạn chuẩn bị thiết kế cần bổ sung, hiệu chỉnh, xác hoá số điểm nhiệm vụ thiết kế C- CÁC LOẠI THIẾT KẾ : Có loại thiết kế sau: thiết kế công nghiệp thiết kế giáo học Thiết kế giáo học hình thức thiết kế dùng nhà trường cho trình đào tạo, loại thiết kế có hai hình thức: thiết kế môn học thiết kế tốt nghiệp Mục đích thiết kế môn học làm cho sinh viên nắm vững bước việc tính toán kết cấu khí cụ điện, thiết kế tốt nghiệp yêu cầu sinh viên phải nắm vững rộng vấn đề chọn phương án, tính toán kết cấu công nghệ Ở giai đoạn cần tính tự lập sáng toạ sinh viên Trong sản xuất sau có nhiệm vụ thiết kế nhà thiết kế phải tiến hành giai đoạn sau: -Thiết kế sơ (phác thảo) -Thiết kế kỹ thuật -Thiết kế công nghệ 1- Ở bước thiết kế phác thảo phải tiến hành nghiên cứu phương án tìm sơ đồ kết cấu xác định dạng kết cấu lập bố cục tổng hợp khí cụ điện, vẽ vẽ tổng quát http://www.ebook.edu.vn với kích thước kích thước lắp ráp, xác định sơ khối lượng khí cụ điện Tiến hành tính toán chi tiết xác định kích thước chúng Khảo sát công nghệ chế tạo chi tiết, cụm phức tạp nhất, đồng thời chọn vật liệu cho chúng- xác định sơ tiêu kinh tế kỹ thuật- lập bảng thuyết minh sơ Đây khâu quan trọng cho việc thiết kế kỹ thuật - Thiết kế kỹ thuật: phần quan trọng định trình thiết kế khí cụ điện Phải xác định phương án kết cấu tối ưu Tiến hành nghiên cứu tỉ mỉ phận cụm chi tiết Chính xác hoá kết cấu khối khí cụ điện Phải tạo khả sử dụng triệt để chi tiết, cụm quy chuẩn hoá Lập vật liệu dạng phôi tất chi tiết trừ vài chi tiết phụ Đưa điều kiện thử nghiệm, liểm tra phận, cụm toàn khí cụ điện Chọn dạng sơn, phủ Xác định tất tiêu kinh tế, kỹ thuật cần thiết Viết thuyết minh, tính toán cụ thể hiệu đính lần thứ điều kiện kỹ thuật thiết kế, chế tạo nghiệm thu - Thiết kế công nghệ: trình thiết kế công nghệ, phải dựa vào hướng dẫn, quy định thiết kế kỹ thuật thông qua kinh nghiệm sản xuất, kết nghiên cứu thử nghiệm mẫu thử.Qua tiến hành xác hóa kết cấu Nghiên cứu lập vẽ công nghệ cho tất chi tiết cụm, đồng thời ý sử dụng tới mức tối đa việc quy chuẩn hóa chi tiết phận như: đường kính lỗ, chi tiết định vị, ren, then… để đơn giản hóa tới mức lớn động tác, danh mục cắt gọt, dụng cụ đo lường chi tiết gá lắp lập xác định độ dung sai lắp ghép, nguyên công, quy trình gia công nhiệt, hàn tẩm nấy… Xác định thức hình dạng vỏ trang trĩ mỹ thuật, cách mạ, lớp phủ xác hóa tiêu kinh tế - kỹ thuật, chỉnh lý thuyết minh Lập hồ sơ công nghệ xác hóa điều kiện kỹ thuật chế tạo nghiệm thu khí cụ điện Sau chế tạo vài mẫu chuẩn, cần tiến hành hiệu chỉnh thiết kế công nghệ yêu cầu kỹ thuật (nếu cần thiết) Cần lưu ý đến vai trò đạo nhà thiết kế tất giai đoạn: nghiên cứu, tính toán, chế tạo thử, sản xuất vận hành khí cụ điện D –TRÌNH TỰ THIẾT KẾ Tuy khí cụ điện có nhiều dạng, loại khác nhau, tìm trình tự thiết kế chung Tùy theo loại khí cụ điện dạng thiết kế (thiết kế giáo học http://www.ebook.edu.vn thiết kế sản xuất) trình tự thay đổi chút Việt thiết kế khí cụ điện tiến hành theo trình tự sau: – Giai đoạn chuẩn bị thiết kế: tập hợp thống nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật lập bảng tóm tắt, tổng hợp kết cấu tiên tiến chức có sẵn Nghiên cứu có sở kinh tế - kỹ thuật cần thiết – Chọn sơ đồ dạng kết cấu, bố cục kết cấu – Chọn tính toán cách điện chung – Lập bảng vẽ phác thảo dạng tổng quát khí cụ điện xác định kích thước chủ yếu – Thiết kế phần mạch vòng dẫn điện đầu nối, dẫn – Thiết điểm – Tính toán, thiết kế hệ thông đập hồ quang – Tính toán lực điện động ngắn mạch khí khởi động – Tính toán thiết kế cầu truyền động (Kể nam châm điện) 10 – Tính toán vỏ, chi tiết cách điện, thùng chứa 11 – Tính toán nhiệt 12 – Vẽ chi tiết, cụm khí cụ điện dựa theo kết tính toán 13 – Phân tích tổ hợp độc lập phận, cụm tiến hành vấn đề phi tiêu chuẩn vấn đề an toàn lao động sản xuất vận hành 14 – Nghiên cứu vấn đề tổ chức, liên quan đến việc chế tao khí cụ điện 15 – Lập phần kinh tế thiết kế 16 – Lập vẽ, đồ thị thiết kế 17 – Lập thuyết minh gồm tất điểm kể Trong phần thuyết minh phải có tính toán, lập luận, lý giải Phần cuối thuyết minh phải đưa nhận xét, kết luận, ưu nhược điểm thiết kế, tiêu kinh tế - kỹ thuật bản, hiệu ứng kinh tế kỹ thuật mà thiết kế mang lại § – /-XÁC ĐỊNH CÁC KHOẢNG CÁCH CÁCH ĐIỆN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP Khoảng cách cách điện khí cụ điện đóng vai trò quan trọng Nó ảnh hưởng tới kích thước khí cụ điện độ tin cậy vận hành Vì việc xác http://www.ebook.edu.vn 10 Ví dụ 6-3 : Hãy xác định giới hạn cho phép dòng điện mật độ dòng bền nhiệt sec cho dẫn ví dụ 6-1 Giải : Theo điều kiện Ө = 50 +40 = 900 C Nhiệt độ cho phép đồng Өbn = 3000C Theo hình 5-6 ta có Ad = 1,4.104 A2 s/mm4 Abn = 3,75.104 A4 s/mm2 Theo biểu thức 6- 21 ta có: Ibn = S Jbn = A on − A d 3.05.104 − 1.4.104 =60 = 4600 t bn A on − A d = t bn 2.35.104 =76 A/mm2 Như mật độ dòng điện tính nhỏ trị số cho phép § 6-4 / TÍNH TOÁN NHIỆT CUỘN DÂY I/ Nhiệm vụ trình tự tính toán số liệu làm việc ban đầu : 1- Nhiệm vụ tính toán Khi có thông số cuộn dây thiết kế ta cần phải kiểm nghiệm lại để xác định nhiệt độ bề mặt cuộn dây, nhiệt độ lớp bên dây quấn, bên cuộn dây Trên sở hiệu chỉnh kết cẩu cho thích hợp nhằm bảo đảm nhiệt độ phát nóng dây quấn không vượt nhiệt độ cho phép Có thể hiệu chỉnh kết cấu theo hướng sau : -Sử dụng vật liệu cách điện có cấp chịu nóng cao cho dây quấn cuộn dây - Dùng biện pháp tăng cường toả nhiệt cuộn dây : giảm nhiệt trở cuộn dây lõi thép trường hợp cuộn dây nóng lõi thép, tẩm sơn cuộn dây, làm mát nhân tạo, tăng tính dẫn nhiệt lớp bên 285 cuộn dây ,sử dụng sơn phủ bên có độ đen cao để tăng cuộn xạ, tăng kích thước cuộn dây dẫn để tăng kích thước mạch từ 2-Tính từ tính toán : a - Xác định số liệu ban đầu b - Tính toán nhiệt độ bề mặt cuộn dây c – Tính toán nhiệt độ trung bình nhiệt độ lớn lớp dây quấn bên cuôn dây d - Hiệu chỉnh xác thông số cuộn dây theo nhiệt độ tính toán 3- Các số liệu ban đầu : a- Kết cấu nam châm điện kích thước b- Công suất cung cấp cho cuộn dây, thành phần công suất nam châm điện xoay chiều c- Nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt độ phát nóng cho phép cuộn dây d- hệ số toả nhiệt, nhiệt dung riêng II / Tính toán nhiệt độ bề mặt cuộn dây : Để tính toán nhiệt độ bề mặt cuộn dây chế độ dài hạn ta dùng công thức New ton(6-12 ) P = Kt Sbm τ Các thông số công thức xác định sau : a) Công suất cung cấp cho cuộn dây P Cần phải xác định công suất điện áp cung cấp lớn Đối với cuộn dây nam châm điện chiều tổn hao điện trở dây quấn sinh : P = I2R (W) Đối với cuộn dây nam châm điện xoay chiều ,tổn hao : 286 P = Pdq + Pt + Px + Pvn Ở Pdq tổn hao dây quấn Pdq = I2R Pt - T ổn hao tượng từ trễ Px – Tổn hao dòng xoáy Pnv - Tổn hao vòng ngắn mạch giá trị Pt, Px, Pnv tính toán phần trước, tính toán nhiệt độ mạch từ cần phải tăng thêm tổn hao tạo phần vòng ngắn mạch đặt mạch từ 2.Bề mặt toả nhiệt Bề mặt toả nhiệt cuộn dây bao gồm bề mặt cuộn dây Sn bề mặt cuộn dây St bề mặt hai mặt đầu cuộn dây - Đối với cuộn dây chiều phần lớn bề mặt đầu cuộn dây chiều nhỏ so với chiều dài cuộn dây mặt đầu có vòng đệm vật liệu cách điện dày nên toả nhiệt qua mặt đầu thường nhỏ bỏ qua Trường hợp đường kính vòng đệm mặt đầu lớn so với chiều dài cuộn dây ta phải tính bề mặt mặt đầu cuộn dây - Khi toả nhiệt có bề mặt bên Sn bề mặt bên St bề mặt tính toán cuộn dây tính S= Sn + kSt Trong k hệ số đặc trưng hiệu toả nhiệt bề mặt với bề mặt cuộn dây k lấy theo thực nghiệm Cuộn dây có khung toả nhiệt k = Cuộn dây không khung bọc cách điện k = 0,9 Cuộn dây có khung (giấy, tông tẩm bakelit) k = Cuộn dây quấn ống kim loại k = 1,7 Cuộn dây quấn lõi thép k = 2,4 287 Sự toả nhiệt cuộn dây vào lõi thép xác định xác cách đưa vào hệ số toả nhiệt tương Ktđ tính đến truyền nhiệt qua lớp cách điện không khí trung gian bề mặt toả nhiệt mạch từ K ttd = ∑ δi + λ iSt K tm − Sm St Ở : δ i λ i chiều dày hệ số dẫn nhiệt lớp cách điện không khí trung gian dây quấn lõi thép St bề mặt toả nhiệt bên cuộn dây Ktm Hệ số toả nhiệt từ bề mặt mạch từ vào môi trường xung quanh Sm bề mặt làm mát mạch từ Đối với cuộn dây nam châm điện xoay chiều trường hợp tổn hao thép không đáng kể nhiệt độ mạch từ thấp Bề mặt toả nhiệt lấy chiều Trong trường hợp tổn hao lõi thép lớn, nhiệt độ mạch từ cao gần nhiệt độ bên cuộn dây ta coi cuộn dây không truyền nhiệt vào mạch từ S = Sn Đối với cuộn dây bao bọc chi tiết khác, việc tính toán nhiệt cho cuộn dây phải tiến hành tính trình truyền nhiệt từ cuộn dây đền bề mặt toả nhiệt bên 3- Hệ số toả nhiệt Kt Khi dùng công thức Newton hệ số toả nhiệt lấy bảng 6-5 Khi cần xác định xác Kt ta phải tiến hành tính toán riêng lẻ dạng trao đổi nhiệt III/- TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH VÀ NHIỆT ĐỘ LỚN NHẤT CỦA CÁC LỚP DÂY CUỐN BÊN TRONG 288 Sự phân bố nhiệt độ bên cuộn dây phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác Trong tính toán, để đơn giản ta giả thiết sau : 1-Nhiệt độ toàn bề mặt toả nhiệt 2-Nguồn nhiệt bên phân bố đồng theo thể tích 3-Trường nhiệt tiết diện có bán kính khác (như cuộn dây hình chữ nhật ) Thực nghiệm chứng minh sai số 2-3 4- Kết cấu phức tạp dây quấn gồm dây dẫn kim loại, cách điện, loại sơn tẩm, lớp không khí trung gian coi vật thể đồng có hệ số dẫn nhiệt tương đương không phụ thuộc vào nhiệt độ theo thể tích cuộn dây 5- Khi toả nhiệt mặt đầu cuộn dây coi điều kiện phát nóng cuộn dây phát nóng cuộn dây có chiều dài vô 1-Nhiệt độ trung bình cuộn dây Đường cong biểu thị thay đổi nhiệt độ bên dây quấn gần với đường parabol bậc hai giá trị trung bình nhiệt độ Өtb độ tăng nhiệt trung bình thường 2/3 giá trị cực đại Өmax Thực tế, muốn xác định nhiệt độ trung bình cuộn dây thường dùng phương pháp nhiệt trở nhiệt độ trung bình dây quấn quy định tiêu chuẩn 2-Tính toán nhiệt độ lớn dây quấn Tuỳ theo cấu tạo cuộn dây mà vị trí điểm nóng cuộn dây thay đổi a) Các cuộn dây có toả nhiệt phía vòng dây thiết diện ngang cuộn dây nóng b) Các cuộn dây có bề mặt toả nhiệt bề mặt bề mặt Còn hai mặt đầu không toả nhiệt lớp dây tiết diện ngang cuộn dây nóng 289 c) Các cuộn dây có bề mặt toả nhiệt bề mặt ngoài, bề mặt khác toả nhiệt khó khăn lớp dây bề mặt nóng nhất, loại thường cuộn dây nam châm điện xoay chiều Nếu bề mặt toả nhiệt gồm tất bề mặt ngoài, mặt đầu hệ số toả nhiệt bề mặt khác vị trí điểm nóng thay đổi Với giả thiết nhiệt độ tăng nhiệt lớn lớp dây quấn bên xác định từ công thức sau : Đối với cuộn dây hình trụ : τ max - τn = p 4λ td (r n − rmax ) + ⎛r Prmax ln⎜⎜ max 2λ td ⎝ rn ⎞ ⎟⎟ ⎠ Đối với cuộn dây hình chữ nhật: τ max - τ n = p 4λ td A − A dqt ⎛ ⎜ h td − dq max ⎜ ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Trong : P tổn hao đơn vị thể tích dây quấn PӨ = PΘ Vdq rn rmax bán kính bề mặt dây quấn bán kính chỗ phát nóng lớn hdq - chiều cao dây quấn (m) Adqt Adqn - kích thước bên dây quấn kích thước lớp dây quấn nóng λ td - hệ số dẫn nhiệt tương cuộn dây tính phần sau: 3-Tính toán hệ số dẫn nhiệt tương đương dây quấn 290 Dây quấn cuộn dây bao gồm nhiều loại vật liệu khác kim loại, cách điện dây dẫn, cách điện lớp dây dẫn, sơn tẩm không khí vòng dây coi vật thể đồng có hệ số dẫn nhiệt tương đương là: λ td = kλ cd Ở K = hệ số tính đến phụ thuộc đường dòng nhiệt vào đặc điểm xếp đặt dây dẫn (quấn thường Kqt hay quấn xen kẽ Kx), đường kính dây dẫn, chiều dày cách điện lớp, tìm k hình 6-7 10 K du dM Kw Kp 0,5 0,6 0,7 0,8 0,20 0,28 0,38 0,50 0,9 dM du 0,64 0,72 Hình 6-7: Sự phụ thuộc hệ số Kth Kth vào tỷ số d hệ số lấp d cd đầy dây quấn Khi quấn thường quấn xen kẽ Giả thiết nhiệt độ tiết diện phần kim loại dây dẫn toàn bộ giảm nhiệt độ (tạo độ chênh nhiệt) xảy lớp cách điện, hệ số dẫn nhiệt lớp cách điện biểu thị bằng: 291 λ cd 2δ + 2b + 2Δ 2δ 2b Δ + + λδ λb λΔ = Trong δ, b, Δ - chiều dày cách điện dây dẫn, sơn tẩm không khí, cách điện lớp λ δ , λ b , λ Δ - Hệ số dẫn nhiệt tương ứng với lớp δ ,b, Δ bảng (3-8) Đối với dây dẫn tròn chiều dày sơn tẩm không khí xác định sau: Dây quấn thường: 2bth = ⎛ ⎜ − d − d cd arcsin d dd ⎜ d d cd d cd ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ⎛ ⎜ − d − d cd arcsin d ⎜ d cd d d cd ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ d cd Dây quấn xen kẽ : 2bx = d cd Bảng 6-8: Hệ số dẫn nhiệt cách điện dây dẫn cách điện vòng dây, lớp dây Hệ số λδ λB Khồn tẩm sơn cách Có tẩm sơn Vật liệu cách điện điện cách điện 0,06 - 0,07 0,11 - 0,12 ПЪ0, ∏ 6A 0,08 - 0,09 0,13 - 0,15 ∏ ∃1 0,10 - 0,19 0,15 - 0,2 ∏ ∃B , ∏ ∃BTA , ∏ ∃TB 0,2 - 0,25 0,23 - 0,3 ∏A 0,02- 0,03 0,15 - 0,3 Lớp không khí mỏng 292 λΔ 0,07 - 0,43 0,11 - 0,18 Cách điện giấy § 6-5/- TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA MẠCH TỪ XOAY CHIỀU VÀ VÒNG NGẮN MẠCH Đối với mạch từ chiều tổn hao, dòng điện xoáy từ trễ nên lõi thép không nóng, độ tăng nhiệt lõi thép chủ yếu truyền nhiệt từ cuộn dây vào lõi thép Đối với mạch từ nam châm điện xoay chiều ta tính toán phát nóng với cuộn dây phần phát nóng cuộn dây trình bày, tính riêng rẽ phát nóng mạch từ tổn hao mạch từ gây nên Độ tăng nhiệt vòng ngắn mạch xác định công thức Newton τ lv = Pvn K 'tvS'vn + ' K 'tv' S'vn C Trong đó: Rvn - tổn hao công suất vòng ngắn mạch nhiệt độ Өvn = τ + Θ mt thường đạt đến 200 - 250 0C ' S 'vn , K 'tv , S 'vn , K 'tv' : Bề mặt hệ số toả nhiệt phần vòng ngắn mạch tiếp xúc với lõi thép mạch từ phần Đối với phương pháp lắp ráp vòng ngắn mạch thông thường nhiệt độ phát nóng dải từ 50 – 250 0C , nhiệt độ môi trường xung quanh 15 – 40 0C lấy ; K 'tv = 29(1+Өvn0.0068) W/m2 0C ' = 30(1+ 0.0017 Өnv) K 'tvn W/m2 0C §6-6/-TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA TOÀN BỘ KHÍ CỤ ĐIỆN 293 I/-Nhiệm vụ dạng tính toán nguồn nhiệt 1)Nhiệm vụ : Sau tính toán thiết kế tất chi tiết khí cụ điện ta phải kiểm nghiệm nhiệt bao gồm nhiệm vụ sau : a)- Xác định nhiệt độ bề mặt chi tiết kim loại, xác định nhiệt độ lớn nhiệt độ trung bình bên cụm có chứa vật liệu cách điện b) - Xác định nhiệt độ môi trường làm mát bên vỏ khí cụ điện có vỏ bao c)- Xác định nhiệt độ bên thành vỏ hộp 2)Nguồn nhiệt: Nhiệt sinh nguồn nhiệt sau: -Vật dẫn điện (thanh dẫn ) -Các tiếp điểm đóng cắt dòng điện không đóng ngắt (các mối nối tiếp xúc tháo không tháo ) -Cuộn dây nam châm điện -Mạch từ xoay chiều, có vòng ngắn mạch -Hồ quang điện vận hành khí cụ điện -Các chi tiết không dẫn điện đặt từ trường -Ma sát khớp động chi tiết phận xoắn xung -Các nguồn nhiệt khác II/-XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT VỎ NGOÀI Tuỳ theo kết cấu vỏ mà toàn lượng nhiệt toả vỏ toả vỏ phần, phần nhờ không khí đưa khỏi vỏ qua lỗ thông gió Việc tính toán nhiệt bề mặt vỏ chế độ dài hạn ổn định thực theo công thức Newton (6-12) 294 P = KtSbmτ (W) Trong : P- gồm tất tổn hao khí cụ điện Kt - hệ số toả nhiệt lấy bảng 5-5 cần xác ta cần xác định riêng rẽ hệ số toả nhiệt đối lưu xạ Sbm- bề mặt làm mát gần phân làm phần : Phía Sd, phần Sg, phần phía St để tính đến điều kiện toả nhiệt khác phần vỏ Công thức Newton lúc có dạng P = Ktd.Sd.τd + KdgSgτg + KttStτt Độ tăng nhiệt phần vỏ không vượt trị số quy định III/-TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH VÀ NHIỆT ĐỘ CỰC ĐẠI CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN ĐẶT TRONG VỎ KÍN Các nam châm điện hút lõi thép phản ứng vào cuộn dây có thân vỏ thép gang, khí cụ điện đặt vỏ kín Trong nhiệt sinh toả từ bề mặt thân để chủ yếu đối lưu xạ phần nhỏ nhiệt toả dẫn nhiệt từ bề mặt thân đế qua chi tiết lắp đặt cố định nó, ta bỏ qua phần Nhiệt độ bề mặt thân Өth độ tăng nhiệt xác định theo công thức Newton 295 Nhiệt độ bề mặt dây quấn xác định theo công thức : Өn = Өth + PRdqth Ở : Өn - nhiệt độ bề mặt dây quấn Өth - nhiệt độ bề mặt thân P - công suất toả từ dây quấn qua thân bề mặt thân Rdqth - nhiệt trở lớp trung gian bề mặt cuộn dây 0.5R md R v 0.5R md + R v Rdqth = = δ md δ v λ mdSmd λ v δ v = = δv δ md 0.5 + λ mdSmd λ v δ v 0.5 0.5λ md δ v 0.5λ md λ vS v + δ v λ mdSmd Trong : Sv , Smd - Diện tích bề mặt vỏ mặt đầu cuộn dây m2 λv , λmd λv = - Hệ số dẫn nhiệt phần vỏ mặt đầu xác định δ cdv + δ kkv δ cdv δ khv + λ cdv λ kkv W/moC λ md = δ cdmd + δ khmd W/moC δ cdmd δ khmd + λ cdmd λ kkmd δ cdv , δ khv , δ chmd , δ khmd : chiều dày lớp cách điện lớp không khí trung gian vỏ cuộn dây Nhiệt độ cực đại Өmax nhiệt độ trung bình bên cuộn dây xác định phần tính nhiệt cuộn dây giới thiệu IV/-TÍNH TOÁN NHIỆT ĐỘ TRUNG BÌNH CỦA VÙNG PHÁT NÓNG TRONG KHÔNG CÓ THÔNG GIÓ CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Tính toán nhiệt độ tứng chi tiết, cụm chi tiết đặt vỏ phức tạp, cách gần ta tính nhiệt độ trung bình vùng phát nóng có đặt nguồn nhiệt giả thiết vùng bề mặt có nhiệt độ trung bình Өvtb = Өbm nhiệt độ tính toán xuất phát từ nhiệt độ bề mặt vỏ nhiệt trở vùng với vỏ 296 Sau từ nhiệt độ trung bình vùng, ta tính nhiệt độ chi tiết cụm chi tiết dựa theo sơ đồ nhiệt thay tương đương V/-TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN ĐẶT TRONG VỎ HỘP CÓ THÔNG GIÓ TỰ NHIÊN Toàn công suất P sinh nhiệt toả môi trường bên hai đường: Một phần Pv toả từ bề mặt vỏ hộp chủ yếu xạ đối lưu, phần khác Pkk toả dòng không khí qua lỗ thông gió Phần công suất Pv toả nhiệt qua vỏ tính toán phần II Để toả công suất Pkk cần bảo đảm lưu lượng khí V(m3/s) thể tích không khí V xác định từ biều thức: Pkk = ӨkV( Өvtb - Өmt ) W (6.34) Trong đó: Өk - - nhiệt dung riêng không khí áp suất không đổi Jun/m3 o C Өmt - nhiệt độ môi trường không khí xung quanh vỏ hộp Өvtb - hiệt độ trung bình không khí vỏ lưu lượng khí V xác định V = vS1 (6-35) Trong đó: S1 - diện tích lỗ thông gió m2 v - Tốc độ chuyển động không khí tính theo công thức sau v = 2gh(γ mt − γ v ) γ tbξ = μ 2gn(γ mt − γ v ) γ tb (6-36) Trong đó: h- Khoảng cách trục lỗ thông gió (m) k = 0.01 m/s2 – gia tốc trọng trường γmt , γv - khối lượng riêng không khí môi trường không khí vỏ hộp (KG/m3) ξ - hệ số trợ lực khí động lỗ thông gió 297 μ = 1/ ξ - hệ số tiêu hao không khí lấy theo bảng 5-9 γtb = 0.5(γmt + γv ) Từ công thức (6-35) ta xác định diện tích cần thiết lỗ thông gió Bảng 6-5 : Hệ số tiêu hao không khí trợ lực khí động lỗ thông gió b - chiều rộng lỗ, l : chiều dài lỗ Góc nghiêng che (độ) ξ b : l = : b : l = : b : l = : ∞ μ ξ μ ξ μ 15 15 0,25 20,6 0,22 30,8 0,18 30 5,65 0,42 6,9 0,36 9,15 0,33 45 3,68 0,52 4,0 0,50 5,15 0,44 60 3,07 0,57 3,18 0,56 5,58 0,53 90 2,59 0,62 2,39 0,62 2,59 0,62 298 VI/-TÍNH TOÁN NHIỆT CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN ĐẶT TRONG HỘP DẦU VÀ THÙNG DẦU Việc tính toán nhiệt khí cụ điện đặt thùng dầu máy biến áp làm việc dài hạn tiến hành tượng tự tính toán với khí cụ điện đựng vỏ hộp khí lỗ thông gió chế độ làm việc ngắn hạn cho toàn nhiệt lượng tỏa chi tiết, cụm chủ yếu đầu hấp thụ Vì toán tính toán nhiệt xác định khối lượng dầu cần thiết Đối với biến trở mở máy động có yêu cầu biến trở chịu lần khởi động liên tiếp có khoảng nghỉ lần thời gian khởi động, khối lượng dầu cần thiết xác định theo công thức: M= Pđm α.t kđ Z.100(1 − β) 2ξτ đ C , KG (6-37) Trong đó: Pđm – Công suất định mức động (KW) α - Tỷ số mômen khởi động trung bình mô đun định mức động tkđ – thời gian khởi động (sec) Z – Số lần khởi động liên tiếp (thường Z=3) ξ = 0,5 ÷ 0,6 Hệ số tính đến quan hệ nhiệt độ cực đại nhiệt độ trung bình lớp dầu τ đ - Nhiệt độ cực đại cho phép dầu C = 1,8 J/g oC nhiệt độ riêng dầu β = 0,1 − 0,3 Hệ số tính đến phần lượng chi tiết khác hấp thụ -Hết 299 [...]... tác thiết kế khí cụ điện Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố: điện áp định mức, môi trường làm việc, quá trình dập tắt hồ quang Việc xác định các khoảng cách cách điện trong khí cụ điện hạ áp thường chọn theo kinh nghiệm 1 – Điện áp định mức theo cách điện Với khí cụ điện điều khiển và phân phối năng lượng hạ áp (đến 1000V), tồn tại các tiêu chuẩn quy định và đồ bền cách điện theo điện. .. điện giữa các phần tử dẫn điện có điện áp khác nhau Muốn khí cụ điện có độ tin cậy cao thì cần khoảng cách cách điện lớn, song như vậy lại tăng kích thước và khối lượng của thiết bị Vì vậy nên chọn theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệp điện lực cho các khí cụ điện hạ áp thông dụng ở bảng 1.2 http://www.ebook.edu.vn 11 Bảng 1.2: Khoảng cách cách điện của các phần tử có điện. .. hợp từ hai khí cụ điện thiết bị trở lên, các khe hở điện và khoảng cách điện r0 giữa chúng nên lấy lớn hơn trị số trong bảng 1.2 vì rằng khi lắp ráp tổ hợp thi dung sai lắp ráp không thể đảm bảo chính xác như ở từng khí cụ điện riêng rẽ http://www.ebook.edu.vn 13 CHƯƠNG II: MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN § 2 – 1 KHÁI NIỆM CHUNG Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về hình dạng kết cấu và... và so với phần tử nối đất của các khí cụ điện dùng trong công nghiệp, điận áp đến 1000V Điện áp định mức V Tên thiết bị hay mạch sử dụng Đường đi của hồ quang Từ 100 Từ 251 Từ 401 đến đến đến 250 400 600 Khoảng cách, mm Các khí cụ điện điều khiển, phân phối năng Khe hở điện 4 5 7 15 17 22 10 12 15 8 10 12 7 9 11 5 7 9 lượng Các khí cụ điện phân phối dùng để bảo vệ thiết bị Các mạch chính của KCĐ điều... cách điện r0 (không phụ thuộc vào vị trí bề mặt) Khoảng cách điện r0 theo mặt trên Khoảng cách điện r0 theo bề mặt dưới Khí cụ điện trong mạch Khoảng cách điện r0 theo bề điều khiển và tín hiệu mặt phía trên Mạch chính của khí cụ điện có dòng định mức bé (đến 15A) Khoảng cách điện r0 theo bề mặt thẳng đứng hoặc mặt bên Chú ý: Khoảng cách cách điện giữa các bộ phận chịu tác động của hồ quang và các khí. .. bền cách điện theo điện áp định mức Ở trạng thái khô và sạch của khí cụ điện chưa vận hành, ở trạng thái nóng và nguội của cách điện, nó phải chịu được điện áp thử, tần số 50Hz, thời gian thử 1 phút theo bảng 1.1 Bảng 1.1: Điện áp thử nghiệm của khí cụ điện hạ áp Điện áp định mức KOD, Điện áp định mức của Điện áp thử nghiệm (trị V cách điện V hiệu dụng) V 12, 24 Đến 24 500 36, 48, 50 60 1000 110, 127,... dạng của tiếp điểm được chọn từ nhiệm vụ thiết kế dựa trên quan điểm mạch điện đóng ngắt 3) Số chỗ ngắt trong mạch xác định khi chọn dạng kết cấu và có thể chọn lại khi thiết kế buồng dập hồ quang Khi điện áp dòng điện ,điện cảm của mạch ngắt nhỏ ví dụ ở rơ le nên chọn loại một chỗ ngắt Khi điện áp khoảng 24-28v điện một chiều ,220-300v điện xoay chiều ,dòng điện khoảng vài ampe tải cảm nên chọn loại... 1.1 Cấu trúc của các chi tiết cách điện trong khí cụ điện hạ áp -Khoảng cách theo bề mặt (khoảng cách điện r0) -Khe hở theo không khí Để chống việc tích tụ bụi, trên bề mặt cách điện nên gia công nhẵn, phẳng và chỗ nối của hai bề mặt nên gia công có độ cong đều đặn Với các khí cụ điện sử dụng ở những nơi có điều kiện môi trường khắc nghiệt, khe hở điện và khoảng cách điện r0 nên chọn lớn hơn các trị... này Khi chọn khoảng cách cách điện, cần lưu ý rằng nó phụ thuộc rất lớn vào tính chất của vật liệu, của bụi, đồ ẩm, trạng thái bề mặt của cách điện Vì vậy phải thiết kế hình dạng, cấu trúc của cách điện sao cho khi vận hành bụi bẩn không phủ lên chúng Để http://www.ebook.edu.vn 12 giảm các kích thước của khí cụ điện và loại trừ khả năng bụi bẩn, nên chọn kết cấu của cách điện theo dạng có gờ, mái, bậc... 3)Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi khí cụ điện vận hành liên tục B-TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN: 1) chọn dạng kết cấu 2)Xác dịnh đường kính bu lông 3)Kiểm nghiệm các kích thước đã chọn bằng cách xách định điện trở tiếp xúc Rtx điện áp rơi U tx trên chúng và so sánh với các trị số cho phép 4) Tính toán độ bền nhiẹt, độ bền cơ của cơ cấu nối tiếp xúch C- CÁC DẠNG KẾT CẤU: