MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN 3.1. KHÁI NIỆM CHUNG Trong công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ phận 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 thước hợp thành. Đối với công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính như sau: - Thanh dẫn: Gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Thanh dẫn có chức năng truyền tải dòng điện. - Đầu nối: gồm vít và mối hàn - Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, có chức năng đóng ngắt dòng điện. - Cuộn thổi từ Do đó nhiệm vụ tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện là phải xác định các kích thước của các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện. Tiết diện và kích thước của các chi tiết quyết định cơ cấu mạch vòng và cũng như quyết định kích thước của Công tắc tơ xoay chiều 3 pha. Trình tự thiết kế mạch vòng dẫn điện. 3.2. MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CHÍNH 3.2.1. Thanh dẫn Các bước tính toán thanh dẫn: - Xác định tiết diện và các kích thước của thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn và các chế độ làm việc khác. - Sau khi tính toán kiểm nghiệm lại tiết diện và các kích thước của nó ở chế độ làm việc dài hạn, chế độ ngắn mạch. 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 tương đối cao, khối lượng nhẹ … 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 (γ) 8,9g/cm 3 Nhiệt độ nóng chảy (θ nc ) 1083 0 C Điện trở suất ở 20 0 C (ρ 20 ) 0,0174.10 -3 Ωmm Độ dẫn nhiệt (λ) 3,9 W/cm 0 C Độ cứng Brinen (H B ) 80 ÷120 kG/cm 2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,0043 l/ 0 C Nhiệt độ cho phép cấp A ([ θ cp ]) 95 0 C b/ Tính toán thanh dẫn b a b a l - Chọn kết cấu thanh dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề dầy b. Theo công thức 2 - 6 (TL1): b = 3 2. . 2. .( 1). . « I Kf n n KT d ρθ τ + Trong đó: - I = 30A: dòng điện định mức - n: hệ số hình dáng, n = a/b = 5 ÷ 10, chọn n = 8 - K f : hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần. K f = K bm . KG = 1,03 ÷ 1,06. Chọn K f = 1,05. - K T : hệ số tản nhiệt, K T = (6 ÷ 12) . 10 6 (W/ 0 C.mm 2 ) - ρ υ : điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định. ρ θ = ρ 20 [1 + α(θ - 20)] ρ 20 : điện trở suất của vật liệu ở 20 0 C α: hệ số nhiệt điện trở của vật liệu θ: nhiệt độ ổn định của đồng, ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho phép υ = [υ] = 95 0 C. ⇒ ρ 95 = 0,0174. 10 -3 [1+4,3.10 -3 (95 - 20)] ≈ 0,023.10 -3 (Ω.mm) - τ ôđ : độ tăng nhiệt ổn định τ ôđ = θ - θ mt với θ mt = 40 0 C là nhiệt độ môi trường ⇒ τ ôđ = 95 - 40 = 55 0 C Vậy ta có: b= ≈ 1,27 mm a= b . n = 1,27 . 8 = 10,16 mm Tuy nhiên để đảm bảo cho thanh dẫn động có thể chịu được phát nóng thì a> d tđ (d tđ : đường kính tiếp điểm). Tra bảng 2 - 15 với I đm = 30A thì d tđ = 16 ÷ 20 mm, tuy nhiên nhờ công nghệ vật liệt hiện đại và có độ bền cao nên ta chọn đường kính tiếp điểm là d tđ = 8mm. Do đó ta chọn a= 10mm, b= 2mm. c/ Kiểm tra kích thước làm ở điều kiện làm việc dài hạn - Diện tích thanh dẫn: S= a . b = 2 . 10 = 20 mm 2 - Chu vi thanh dẫn: P= 2.(a+b) = 2. (10+2) = 24 mm - Mật độ dòng điện: j = = 30 20 = 1,5 A/ mm 2 < [j] = 2 ÷ 4 A/mm 2 ⇒ thỏa mãn về kết cấu - Nhiệt độ thanh dẫn: Từ công thức 2 -4 (TKKCĐHA) ta có: S.P = = ⇒ θ od = θ td = với ρ 0 : điện trở suất của đồng kéo nguội ở 0 0 C ρ 0 = = = 0,016.10 -3 (Ω.mm) θ mt : nhiệt độ môi trường, θ mt = 40 0 C Thay vào ta có: θ td = = 63,53 0 C Vậy θ td < [θ cp ] = 95 0 C ⇒ thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ định mức. d/ Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch. Đặc điểm của quá trình ngắn mạch - Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn - Thời gian tác động nhỏ Từ đặc điểm trên rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch nhiệt độ thanh dẫn tăng lên rất lớn có thể làm thanh dẫn bị biến dạng. Do đó cần phải kiểm tra khi có ngắn mạch thì mật độ dòng điện thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép không. Từ công thức 6 - 21 (TKKCĐHA): = = j 2 nm . t nm = A nm - A d = A bn - A d ⇒ j nm = Trong đó: I nm = I bn : dòng điện ngắn mạch hay dòng điện bền nhiệt t nm = t bn : thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt S : tiết diện thanh dẫn động A nm = A bn : hằng số tích phân ứng với ngắn mạch hay bền nhiệt A đ : hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu Tra đồ thị hình 6 - 6 ta có: Với θ bn = 300 0 C có A bn = 3,75 . 10 -4 A 2 s/mm 4 θ đ = 95 0 C có A đ = 1.6.10 4 A 2 s/mm 4 t nm j nm (A/mm 2 ) [j nm ] cp (A/mm 2 ) 3s 84,6 94 4s 73,3 82 Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép, nên thanh dẫn có thể chịu được ngắn mạch. Hình dáng của thanh dẫn động: hình vẽ 2. Thanh dẫn tĩnh Thanh dẫn tĩnh được nối với tiếp điểm tĩnh và gắn với đầu nối. Vì vậy thanh dẫn tĩnh phải có kích thước lớn hơn thanh dẫn động. Ta có thể chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau: a = 10 mm b = 2 mm để thuận lợi cho việc dập hồ quang, tận dụng nguồn lực điện động khi đóng cắt ta chọn đầu tiếp điểm tĩnh hình vòng như dưới đây. hình vẽ 3.2.2. 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. Có thể chia đầu nối làm hai loại: - Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài - Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện Các yêu cầu đối với mối nối - Nhiệt độ các mối nối khi làm việc ở dài hạn với dòng điện định mức không được tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và lực ép tiếp xúc F tx đủ để điện trở tiếp xúc R tx không lớn, ít tổn hao công suất. - Khi tiếp xúc mối nối cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua. - Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi khí cụ điện vận hành liên tục. Kết cấu của mối nối gồm có: mối nối có thể tháo rời được, không thể tháo rời được, mối nối kiêm khớp bản lề có đầu nối mềm hoặc không có dây nối mềm, ở đây ta chọn mối nối có thể tháo rời được và bằng bu lông. Với dòng điện định mức I đm = 65A theo bảng 2 - 10 (TKKCĐHA) chọn bu lông bằng thép CT3 có đường kính hệ ren mm M8 x 25. hình vẽ Diện tích bề mặt tiếp xúc: S tx = Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng có tần số f = 50 Hz và dòng điện định mức I đm < 200A thì có thể lấy mật độ dòng điện j = 0,31 A/mm 2 . ⇒ S tx = = 210 (mm 2 ) Lực ép tiếp xúc: F tx = f tx . S tx với f tx là lực ép riêng trên các mối nối, f tx = 100 ÷ 150 kG/cm 2 Chọn f tx = 100 kG/cm 2 = 100.10 -2 kG/cm 2 ⇒ f tx = 100.10 -2 .210 = 210 (kG) Điện trở tiếp xúc: R tx = với K tx = 0,12 . 10 -3 , m = 0,8 (tiếp xúc mặt) ⇒ R tx = = 1,64.10 -6 Ω Điện áp tiếp xúc: U tx = I đm . R tx = 65.1,64.10 -6 = 1,065.10 -4 V => U tx = 0,107mV Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([U tx ] cp = 30mV), nên bu lông đã chọn thỏa mãn yêu cầu. 3.2.3. Tiếp điểm 1. Nhiệm vụ của tiếp điểm - Tiếp điểm làm nhiệm vụ đóng cắt điện 2. 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 được độ bền nhiệt và độ bền điện động. Hệ thống tiếp điểm dập hồ quang phải có khả năng đóng ngắt cho phép không bé hơn trị số định mức. - 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 điện và cơ bé nhất, độ rung của tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép. 3. Vật liệu làm tiếp điểm Vật liệu làm tiếp điểm cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị oxy hóa, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 65A. Từ bảng 2-13 (TKKCĐHA) ta chọn vật liệu là bạc niken than chì, với các thông số kỹ thuật sau: (Đồng Cadimi) Ký hiệu KMK.A32 Tỷ trọng (γ) 8,7g/cm 3 Nhiệt độ nóng chảy (θ nc ) 1300 0 C Điện trở suất ở 20 0 C (ρ 20 ) 0,035.10 -3 Ωmm Độ dẫn nhiệt (λ) 3,25 W/cm 0 C Độ cứng Brinen (H B ) 45 ÷65 kG/cm 2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,0035 1/ 0 C Nhiệt độ cho phép cấp A ([ θ cp ]) 95 0 C Kích thước của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thước của thanh dẫn động hoặc của thanh dẫn tĩnh. Đối với dòng điện định mức I đm = 65A từ bảng 2 - 15 (TKKCĐHA) ta có: Đường kính tiếp điểm d tđ = 16mm Chiều cao tiếp điểm h tđ = 2mm Tuy nhiên do công nghệ làm vật liệu phát triển và chất lượng vật liệu được nâng cao nên ta chọn: Đường kính tiếp điểm d tđ = 8mm Chiều cao tiếp điểm h tđ = 2mm 4. Lực ép tiếp điểm Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài hạn, mà trong chế độ ngắn hạn dòng điện lớn, lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị xảy ra do lực điện động và không bị hàn dính khi tiếp điểm bị đẩy và bị rung. - Theo công thức kinh nghiệm: F tđ = f tđ x I đm Tra bảng 2 - 17 ta chọn f tđ = 10 G/A F tđ = 10 x 65 = 650g = 0,65 (kG) - Tính theo công thức lý thuyết 2-14 (TL1), tại một điểm tiếp xúc, lực ép tiếp điểm sẽ là: F tđ1 = I 2 đm . . trong đó: - A = 2,3 . 10 -8 (V/ 0 C): hằng số Loen - H B : độ cứng Brinel của tiếp điểm H B = 45 kG/mm 2 - λ = 3,9 W/cm . 0 C - hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn - T tđ : nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát nóng dài hạn. T tđ = 63,53 + 273 = 336,53 0 K - T tx = θ tđ + + 273 = 63,53 + + 273 = 356,53 0 K ⇒ F tđ1 = 65 2 . . = 0,121 (kG) Do tiếp điểm tiếp xúc mặt nên n=3 F tđ = F tđ1 . n = 0,121 . 3 = 0,363 kG 5. Điện trở tiếp điểm Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm được tính theo công thức thực nghiệm 2 - 25 R tđ = trong đó: F tđ = 3,63 (N) K tx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt bề mặt của tiếp điểm, K tx = (0,2 ÷ 0,3).10 -3 , chọn K tx = 0,2.10 -3 Do tiếp xúc nên chọn m = 0,8 Thay vào ta có: R tx = = 4,43.10 -4 6. Điện áp tiếp xúc của tiếp điểm [...]... l = 3 mm 3.3 MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN PHỤ Cách tính mạch vòng dẫn điện phụ tương tự với cách tính vòng dẫn điện chính, chỉ khác ở là trong mạch vòng phụ dòng điện là 5A 3.3.1 Thanh dẫn động - Vật liệu làm thanh dẫn trong mạch vòng phụ cũng là Đồng kéo nguội, các thông số vẫn là: Ký hiệu ML - TB Tỷ trọng (γ) 8,9g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (θnc) 10830C Điện trở suất ở 200C (ρ20) 0,0174.10-3 Ωmm Độ dẫn nhiệt (λ)... 8 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 được biểu thị qua trị số dòng điện hàn...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 tử đầu nối, điện trở của các vật liệu làm tiếp điểm là không đáng kể so với R tx, vì vậy công thức điện áp rơi trên tiếp điểm sẽ bằng: Utx = Iđm.Rtx = 65.4,43.10-4 = 0,029V ⇒ Utx = 29 mV Vậy điện áp nơi tiếp xúc U tx thỏa mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép [Utx] = 2 ÷... của thanh dẫn, có tiếp điện không đổi, giả thử có một đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt xa nơi tiếp xúc Nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm: θtd = θmt + + = 40 + + = 790C Nhiệt độ nơi tiếp xúc: θtx = θtd + = 79 + = 86,210C trong đó: - ρθ = ρ20 (1 + α.(θ - 20)) = 3,5.10-5.(1+0,325.(95-20)) = 4,42.10-5 Ωmm - θmt: nhiệt độ môi trường, θmt = 400C - Rtđ, Rtx: điện trở tiếp điểm và điện trở... kết quả ta chọn Rtx = 7,6 10-4 Ω e/ Điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc: Utx = I.Rtx= 5.7.6.10-4 = 3,8 mV < [Utx] = 2 ÷30 mV f/ Xác định trị số dòng điện hàn dính - Trị số dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2 - 33 (TL1) Ihdbđ = A (A) trong đó: A= ρ0: điện trở suất của vật liệu ở 200C Ta có: ρ20 = ρ0 (1 + α.20) ρ0 = ρ0 = = 1,47.10-8 (Ωm) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu λ = 4,16 W/cm.0C... (θnc) 10830C Điện trở suất ở 200C (ρ20) 0,0174.10-3 Ωmm Độ dẫn nhiệt (λ) 3,9 W/cm 0C Độ cứng Brinen (HB) 80 ÷120 kG/cm2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,0043 l/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([ θcp]) 950C - Kích thước thanh dẫn Theo công thức 2 -6 (TL1): b= trong đó: - I= 5A: dòng điện định mức - n: hệ số hình dáng, n=a/b = 5 ÷ 10, chọn n=7 - Kf: hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt... nhiên để đảm bảo cho thanh dẫn động có thể chịu được phát nóng thì a> dtđ (dtđ: đường kính tiếp điểm) Tra bảng 2 - 158 với Iđm = 5A thì dtđ = 2 ÷ 5 mm, nên chọn dtđ = 3 Vì vậy chọn a = 4 mm và b = 0,7 mm - Mật độ dòng điện: j = = = 1,79 A/mm2 < [j] = 2 ÷ 4 A/mm2 => thỏa mãn về kết cấu - Nhiệt độ thanh dẫn: Từ công thức 2 - 4 (TKKCĐHA) ta có: S.P = = ⇒ θôd = θtd = với ρ0: điện trở suất của đồng kéo... chọn Bạc kéo nguội (CP999) có các thông số kỹ thuật: Ký hiệu CP 999 Tỷ trọng (γ) 10,5 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (θnc) 961 0C Điện trở suất ở 200C (ρ20) 0,0159.10-3 Ωmm Độ dẫn nhiệt (λ) 4,16 W/cm 0C Độ cứng Brinen (HB) 30 ÷60 kG/cm2 Tỷ trọng nhiệt 0,234 Ws/cm 0C Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,004 l/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([ θcp]) 950C b/ Xác định kích thước Chọn tiếp điểm hình cầu Tra bảng 2 - 15... Chọn tm∑ = 1,5 2 tm = 1,5 2 4,71 = 14,13 ms 10 Độ mòn của tiếp điểm Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch điện Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, về cơ và về điện trong đó chủ yếu là do quá trình mòn điện Khối lượng mòn trung bình của một cấp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là: gđ + gng = 10-9 (Kđ.I2d + Kng.I2ng) Kkđ trong đó: Kkđ: hệ... hiệu ứng gần Kf = Kbm KG = 1,03 ÷ 1,06 Chọn Kf = 1,05 - KT: hệ số tỏa nhiệt, KT = (6 ÷12).10-6 (W/0C.mm2) Chọn KT = 6.10-6 (W/0C.mm2) - ρυ: điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định ρθ = ρ20 [1 +α(θ - 20)] ρ20 : điện trở suất của vật liệu ở 200C α : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu θ : nhiệt độ ổn định của đồng, ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho phép υ = [υ] = 950C ⇒ ρ95 = 0,0174.10-3[1+4,3.10-3(95 . điện I đm = 65A thì độ lún l = 3 ÷ 4 mm. Chọn l = 3 mm. 3.3. MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN PHỤ Cách tính mạch vòng dẫn điện phụ tương tự với cách tính vòng dẫn điện. định cơ cấu mạch vòng và cũng như quyết định kích thước của Công tắc tơ xoay chiều 3 pha. Trình tự thiết kế mạch vòng dẫn điện. 3.2. MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CHÍNH