Header Page of 161 Báo cáo tốt nghiệp Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha Footer Page of 161 Header Page of 161 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha Chương Những vấn đề chung Khái quát công dụng Công tắc tơ xoay chiều loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa nút ấn mạch điện lực có phụ tải Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối mạch điện xoay chiều, nam châm điện nam châm điện xoay chiều, có trường hợp nam châm điện nam châm điện chiều Theo nguyên tắc truyền động, ta có công tắc tơ kiểu ép, kiểu thủy lực phần lớn khí cụ điện hay công tắc tơ thường chế tạo theo kiểu điện từ Công tắc tơ xoay chiều có phận sau: Mạch vòng dẫn điện (gồm đầu nối, dẫn tiếp điểm) chi tiết dẫn điện từ lưới đến phụ tải từ thiết bị đến thiết bị khác Hệ thống dập hồ quang Các cấu trung gian Truyền biến đổi lượng Nam châm điện Cơ cấu điện từ biến đổi điện thành năng, tạo lực điện từ dùng để đóng mở công tắc tơ Các chi tiết cụm cách điện Các chi tiết kết cấu vỏ Yêu cầu chung công tắc tơ xoay chiều a.Yêu cầu kĩ thuật Đảm bảo độ bền nhiệt chi tiết, phận làm việc chế độ cố định mức θ < [θ]; θnm < [θnm] jnm < [jnm] Đảm bảo độ bền cách điện chi tiết phận cách điện khoảng cách cách điện làm việc với điện áp cực đại, kéo dài điều kiện môi trường Phạm Thế Vinh Footer Page of 161 TBĐ-ĐT3-K48 Header Page of 161 xung quanh ( mưa, bụi ), có điện áp nội điện áp khí gây Độ bền tính chịu mài mòn phận KCĐ thời gian giới hạn số lần thao tác thiết kế, thời hạn làm việc chế độ định mức cố Đảm bảo khả đóng ngắt chế độ định mức chế độ cố, độ bền điện chi tiết, phận b.Yêu cầu vận hành Có độ tin cậy cao Có tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài Đơn giản chế tạo, dễ thao tác, thay sửa chữa Phí tổn cho vận hành, tiêu tốn lượng c.Yêu cầu kinh tế xã hội Giá thành hạ Tạo điều kiện để dễ dàng thuận tiện cho người vận hành Đảm bảo an toàn lắp giáp sửa chữa Có hình dánh kết cấu phù hợp , đẹp Vốn đầu tư cho chế tạo lắp giáp Nguyên lý làm việc kết cấu trung công tắc tơ xoay chiều Cơ cấu điện từ gồm hai phận: cuộn dây mạch từ phân thành nhiều loại công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây công tắc tơ kiểu hút ống thẳng Tất công tắc tơ làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để dẫn từ thép kĩ thuật điện dập thành chữ E chữ U ghép lại với Mạch từ chia làm hai phần: phần kẹp chặt cố định, phần lại nắp nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn.Cuộn dây hút có điện trở điện kháng bé Khi ta đặt điện áp vào hai đầu cuộn dây nam châm điện có dòng điện chạy cuộn dây, cuộn dây sinh từ thông khép mạch qua lõi sắt khe hở không khí δ tạo lực hút điện từ kéo nắp (phần ứng) phía lõi Khi cắt điện áp (dòng điện ) cuộn dây lực hút điện từ không nắp bị nhả Phạm Thế Vinh Footer Page of 161 TBĐ-ĐT3-K48 Header Page of 161 4.Lựa chọn sơ nam châm điện Dựa vào số lần thao tác ta phân biệt chế độ làm việc công tắc tơ điện xoay chiều ba pha nói trên, làm việc chế độ làm việc nhẹ Công tắc tơ xoay chiều dùng nam châm điện có mạc từ hình chữ E chữ U có nắp quay quanh trụ chuyển động tịnh tiến theo kiểu hút ống dây, chuyển động kiểu hút thẳng, kiểu quay cạnh có phần ứng nằm cuộn dây, phấn ứng chuyển động lòng ống dây phần ống dây Qua phân tích ưu nhược điểm loại NCĐ có sẵn Ta chọn NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động phần lòng ống dây Loại kết cấu có nắp phần động chuyển động tịnh tiến, phương chuyển động trùng với phương tác dụng lực Đồng thời cho đặc tính lực hút tương đối lớn, hành trình chuyển động nhanh, thời gian chuyển động ngắn Từ thông rò không sinh lực từ phụ Tuy nhiên với ưu điểm NCĐ có kết cấu có mặt hạn chế là: Có bội số dòng điện lớn so với mạch từ khác nên dùng chế độ làm việc nặng trung bình Lực lò xo nhỏ, công suất nhỏ Việc dùng kết cấu NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng, có phần ứng chuyển động phần lòng ống dây hoàn toàn phù hợp với công tắc tơ xoay chiều pha kiểu điện từ có chế độ làm việc nhẹ 5.Lựa chọn hệ thống tiếp điểm hệ thống tiếp điểm phụ Với yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều pha có tần số đóng cắt = 105 lần Nên tiếp điểm phải đảm bảo độ mài mòn điện Qua phân tích khảo sát loại tiếp điểm (như tiếp điểm kiểu ngón, tiếp điểm lưỡi, tiếp điểm kiểu phẳng ) chọn tiếp điểm kiểu cầu, tiếp xúc mặt phù hợp với NCĐ kiểu hút thẳng với dòng điện qua tiếp điểm Iđm = 200Tiếp điểm phụ kiểu cầu, tiếp xúc điểm ứng với dòng làm việc nhỏ I =5A Tiếp điểm cầu có hai chỗ ngắt có ưu điểm khả ngắt lớn không cần dây nối mềm, có khả làm nơi tiếp xúc, chiếm không gian Ngoài việc dập hồ quang đảm bảo Lựa chọn sơ hệ thống dập hồ quang Phạm Thế Vinh Footer Page of 161 TBĐ-ĐT3-K48 Header Page of 161 Do công tắc tơ làm việc công tắc tơ xoay chiều (làm việc với dòng xoay chiều) nên chọn kiểu dập hồ quang kiểu dàn dập, chi tiết tiếp điểm có buồng dập hồ quang riêng Ngoài có chi tiết khác lò xo, dẫn chi tiết khác Những chi tiết tính toán chi tiết, cụ thể phần sau Chương Mạch vòng dẫn điện 2.1 Khái niệm mạch vòng dẫn điện Mạch vòng dẫn điện khí cụ điện nói chung CTT nói riêng phận khác hình dáng, kết cấu kích thước hợp thành Mạch vòng dẫn điện gồm dẫn (động, tĩnh), dây nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm (giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh), cuộn dây dòng điện (có thể có cuộn thổi từ dập hồ quang) Ngoài mạch vòng dẫn điện có mạch vòng dẫn điện phụ tính toán mạch vòng dẫn điện 2.2 Yêu cần mạch vòng dẫn điện 9 9 Điện trở suất nhỏ, chịu nhiệt độ cao, dẫn điện tốt Bền môi trường (chịu tác dụng độ ẩm, nhiệt độ, khí hậu) Tổn hao nhỏ Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt sửa chữa 2.3 Tính toán lựa chọn dẫn Thanh dẫn CTT gồm có dẫn động dẫn tĩnh Để tính toán thiết kế hai loại dẫn ta cần tính toán thiết kế cho dẫn động Khi tính toán xong kích thước cho dẫn động ta có kích thước dẫn tĩnh (thường kích thước dẫn tĩnh lớn kích thước dẫn động dẫn tĩnh có phần đầu nối), hai dẫn chịu dòng điện làm việc (Iđm) Yêu cầu dẫn: Phạm Thế Vinh Footer Page of 161 TBĐ-ĐT3-K48 Header Page of 161 + Điện trở suất nhỏ, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt + Độ bền cao + Chịu ăn mò hoá học, bị ôxy hoá + Độ mài mòn nhỏ va đập + Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt thay thế, sửa chữa + Giá thành thấp tốt Kích thước cho dẫn tính theo bước: + Xác định kích thước cho dẫn chế độ làm việc dài hạn + Kiểm nghiệm kích thước dẫn chế độ làm việc dài hạn + Kiểm nghiệm kích thước dẫn chế độ ngắn hạn 2.3.1.Xác định kích thước cho dẫn chế độ làm việc dài hạn a Chọn vật liệu dẫn Để thoả mãn yêu cầu dẫn ta chọn vật liệu dẫn đồng kéo nguội có số liệu bảng (theo bảng B2-13 trang 44 tài liệu thiết kế khí cụ điện hạ áp (TLTKKCĐHA)): Tên số vật lý Giá trị Ký hiệu ML-TB Tỷ trọng 8,9 Nhệt độ nóng chảy 1083 Đơn vị g/ cm3 C 15.10-6 Ω.mm Độ dẫn nhiệt 3,9 W/ cm.0C Tỷ trọng nhiệt 0,39 W/ cm.0C 80 ÷ 120 Briven.kg/mm2 0,0043 1/ 0C Điện trở suất 200C (ρ20) Độ cứng Hệ số nhiệt điện trở Nhiệt độ nóng chảy cho phép 95 C b Chọn kiểu dẫn Chọn dẫn dạng hình chữ nhật c Tính toán kích thước dẫn theo lý thuyết Phạm Thế Vinh Footer Page of 161 TBĐ-ĐT3-K48 Header Page of 161 Theo kinh nghiệm dòng điện làm việc (dòng điện định mức) khoảng Iđm = 150A tới Iđm = 210A ta chọn theo kinh nghiệm Trong trình làm việc ổn định ta có: τ = τ od = θ td − θ : độ tăng nhiệt ổn định τ od = 550 C đồng (số liệu tra bảng 6-1 trang 288- TLTKKCĐHA) Phương trình cân nhiệt chế độ xác lập: P.dt = K T ST τ dt (2.1) Từ phương trình ta có kích thước sơ dẫn: I dm ρθ K ph b= (2.2) 2.n.(n + 1).K T τ od Trong đó: ρθ = ρ od = ρ 20 (1 + α (θ od − 20)) (2.3) Kph = 1,05 : Hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao hiệu ứng bề mặt hiệu ứng gần) n = a/b = 8: Tỉ số diện tích a,b : Lần lượt chiều rộng chiều cao dẫn (m) Iđm: Dòng điện làm việc định mức (A) KT: Hệ số tản nhiệt khống chế Chọn KT = 7,5 (số liệu tra bảng 6-5 trang 301- TLTKKCĐHA) θ od : Nhiệt độ ổn định θ od = 950 C (số liệu tra bảng 6-1 trang 288- TLTKKCĐHA) ρ 20 C : Điện trở suất vật liệu 200C ( Ω.m) α : Hệ số nhiệt điện trở đồng α = 0,0043 (1/0C) Theo công thức (2.3) ta có điện trở suất vật liệu chọn (ở đồng kéo nguội) nhiệt độ làm việc ổn định 950C: ρ 95 C = ρ 20 C (1 + α (95 − 20)) 0 ρ 95 C = 1,58.10 −8 (1 + 0,0043 (95 − 20)) = 2,089.10 −8 (Ω.m) Chiều cao dẫn làm việc với dòng địng mức Iđm = 200A tính theo biểu thức (2.2): Phạm Thế Vinh Footer Page of 161 TBĐ-ĐT3-K48 Header Page of 161 b= 200 2.2,089.10 −8.1,05 = 2,5.10 −3 (m) = 2,45(mm) 2.8.(8 + 1).7,5.55 Bề rộng dẫn tính theo tỉ số diện tích n = a/b = a = 8.2,45 = 19,5 (mm) Cần ý dẫn động có gắn tiếp điểm động, kích thước dẫn động phải đủ lớn để gắn tiếp điểm động Vì kích thước dẫn phụ thuộc vào kích thước tiếp điểm Từ bảng 2-15 trang 51- TLTKKCĐHA, ứng với dòng định mức Iđm = 200A ta xác định đường kính tiếp điểm d = 20 ÷ 25 (mm), chiều cao tiếp điểm h = 2,2 ÷ 3,0 (mm) Với đường kính tiếp điểm d = 20 ÷ 25 (mm) bề rộng dẫn lớn nên ta tiến hành quy đổi tiếp điểm tròn thành tiếp điểm chữ nhật theo: π d π d = a'.b' → = a'.b' → π 252 π 20 = 490,625 = a '.b' = 20.24,5 = 314 = a'.b' = 16.19,625 Theo ta thấy a’ = 16 ÷ 20 (mm) b’ = 19,625 ÷ 24,5 (mm) Vậy chọn kích thước tiếp điểm sau: ⎧⎪a ' = 20(mm) ⎨ ' ⎪⎩b = 24,4(mm) (a’, b’ bề rộng dài tiếp điểm chữ nhật) Ta chọn a = 20 + = 22 (mm) b = (mm) Kích thước dẫn với dòng điện làm việc Iđm = 5A: 52.2,089.10 −8.1,05 b= = 0,21.10 −3 (m) = 0,21(mm) 2.8.(8 + 1).7,5.55 Bề rộng dẫn tính theo tỉ số diện tích n = a/b = 8; a = 8.0,21 = 1,68 (mm) Để phù hợp ta chọn a = (mm) b = (mm) (bảng 2-15 trang 51 TKKCĐHA) Phạm Thế Vinh Footer Page of 161 TBĐ-ĐT3-K48 Header Page of 161 2.3.2.Kiểm nghiệm kích thước dẫn Như theo lý thuyết ta tính kích thước cần thiết dẫn tương ứng với dòng định mức Iđm = 200A Tuy nhiên để đưa vào thiết kế ta cần tính toán kiểm nghiệm lại xem với kích thước có dẫn liệu có đảm bảo độ tăng nhiệt, nhiệt độ phát nóng ổn định mật độ dòng điện cho phép dẫn làm việc chế độ dài hạn hay không Đồng thời cần kiểm tra xem dẫn có đảm bảo yêu cầu cần thiết chế độ ngắn hạn ngắn mạch a Kiểm nghiệm kích thước dẫn chế độ dài hạn Kiểm tra nhiệt độ phát nóng dẫn: I dm ρ K ph + S P.K T θ θ td = S P.K T − I dm ρ K ph α ≤ [θ ] (2.4) Trong đó: S = a.b = 22.3 = 66 (mm2) P = 2.(a+b) = 50 (mm) ρ : Điện trở suất 00C ρ 20 1,58.10 −8 ρ0 = = = 1,455.10 −8 (Ω.m) + α 20 + 0,0043.20 200 2.1,455.10 −8.1,05 + 66.10 −9.50.7,5.40 θ td = = 69,6 C ≤ [θ ] = 95 C −9 −8 66.50.7,5.10 − 200 1,455.10 1,05.0,0043 Kiểm tra mật độ dòng điện chế độ dài hạn: j dh = I dm I dm 200 = = = 3,03 ≤ [ j ] = (A/mm ) S a.b 66 (2.5) b Kiểm nghiệm kích thước dẫn chế độ ngắn hạn Trong chế độ ngắn hạn, thời gian xảy ngắn mạch ngắn nên coi trình trình đoạn nhiệt, [θ nm ] lớn Từ phương trình cân nhiệt: Rθ inm dt = G.Cθ dθ Sau tính toán ta phương trình cân sau (biểu thức 6-21 trang 313 TLTKKCĐHA): Phạm Thế Vinh Footer Page of 161 J nm t nm = A θ nm − A θ = const (2.6) TBĐ-ĐT3-K48 Header Page 10 of 161 Trong đó: Aθ0, Aθnm hệ số tích phân phụ thuộc vào vật liệu nhiệt độ dẫn ứng với giới hạn θ0, θnm Hai hệ số Aθ0, Aθnm xác định đồ thị hình 6-6 trang 313 TLTKKCĐHA Theo đồ thị Aθ0 = 1,4.10 (A2S/mm4) Aθnm = 3,75.10 (A2S/mm4) Từ công thức (2.6) ta có : J nm = Aθnm − Aθ t nm (2.7) Để kiểm nghiệm kích thước dẫn trình làm việc ngắn hạn ta lấy thời gian xảy ngắn mạch: tnm: 3, 5, 10 (s) Khi theo công thức (2.7) ta có: Mật độ dòng điện tnm = 3s: J nm 3,85.10 − 1,45.10 = = 89,50( A / mm ) Mật độ dòng điện tnm = 5s: J nm 3,85.10 − 1,45.10 = = 70,55( A / mm ) Mật độ dòng điện tnm = 10s: J nm = 3,85.10 − 1,45.10 = 49,47( A / mm ) 10 Theo bảng 6-7 trang 305 TLTKKCĐHA vật liệu Đồng ta có mật độ dòng điện cho phép : t bn = 3s → [Jbn 3] = 94 A/ mm2 t bn = 5s → [J bn 5] = 51 A/ mm2 Như sau tính toán ta thấy J bn tt < [J bn ], kết cấu dẫn động thoả mãn yêu cầu mạch có cố ngắn mạch 2.3.3.Xác định kích thước dẫn tĩnh Do dẫn động dẫn tĩnh dòng định mức Iđm = 200A qua nên kích thước dẫn tĩnh giống kích thước dẫn động Vì dẫn tĩnh có gắn với phần đầu nối nên ta thường chọn kích thước than dẫn tĩnh lớn kích thước dẫn động Cũng lý mà ta không cần kiểm nghiệm lại dẫn tĩnh Từ kích thước dẫn động chính: a = 22 (mm) b = (mm) Chọn kích thước dẫn tĩnh chính: a’ = 24 (mm) b’ = 3,5 (mm) Từ kích thước dẫn động phụ: a = (mm) b = (mm) chọn a’ = (mm) b’ = 1,5 (mm) 2.4 Tính toán phần đầu nối a Khái niệm Phạm Thế Vinh Footer Page 10 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 Header Page 40 of 161 dGrqdΣ dδ Φδ = = Fhđt = 1/2.Fhtt = 1/2.162,36 = 81,18 (N) 52,39.0,193 2.10 −12 = 8,82.10 − (Wb) −6 0,25.39,531.10 Từ cảm mạch δ = 4,5 mm là: Bδ = Φδ 8,82.10 −4 = = 0,456 (T) S l 44.44.10 − Giá trị từ cảm thực tế tính xấp xỉ giá trị ban đầu chọn (Bδ = 0,5T) giá trị chọn đạt yêu cầu Từ thông trung bình qua lõi sắt mạch từ nắp hút: φ tb = σ r φδth = 1,424.8,82.10 −4 = 12,56.10 −4 (Wb) Từ cảm trung bình qua lõi sắt mạch từ nắp hút: φ tb 12,56.10 −4 = = 0,65 (T) Btb = S 44.44.10 −6 Nhận thấy Btb = 0,65 (T) < Bmax = (T) Số vòng dây nam châm điện: W= K U U dm K IR 0,85.380.0,9 = ≈ 1042(vong ) 4,44 f Φ tb 4,44.50.12,56.10 -4 Uđm : điện áp định mức cuộn dây, Uđm = 380V KUmin : hệ số tính đến sụt áp, KUmin = 0,85 KIR: hệ số có tính đến điện áp rơi điện trở cuộn dây phần ứng bị hút, ta chọn KIR =0,9 Tiết diện dây quấn: q = Đường kính dây: d = Phạm Thế Vinh Footer Page 40 of 161 S cd K ld 10.30.0,5 = = 0,14 (mm ) W 1042 4.q π = 4.0,14 π = 0,43 (mm) TBĐ-ĐT3-K48 38 Header Page 41 of 161 Chọn theo tiêu chuẩn bảng 5.8 trang 276 TLTKKCĐHA: ta lấy d = 0,44 (mm) Kiểm tra lại Klđ: S cd = π d Klđ = = W = π 0,44 1042 = 159 (mm ) S cd 159 = = 0,53 < 0,7 S cs 10.30 Vậy nam châm điện hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế Tính toán vòng ngắn mạch (vòng chống rung): Do F = f(t) nên trình đóng mạch điện xuất rung tiếp điểm Vì ta cần thiết kế vòng ngắn mạch hay vòng chống rung để giảm tối đa tượng rung Vật liệu vòng ngắn mạch ta chọn đồng, vòng ngắn mạch đặt ôm phần diện tích cực từ hình vẽ Chọn bề rộng vòng ngắn mạch mm Trị số trung bình lực điện từ khe hở vòng ngắn mạch, khe hở làm việc trạng thái hút theo công thức 5-52 ta có: Ftbh = 19,9.10 (Φ δtb )2 4.σ rh S tn Trong đó: Φδtb: Từ thông trung bình khe hở làm việc hút: σrh: Hệ số từ dò phần ứng hút (δ = 0,5 mm) σr = 1,07 Stn: Diện tích tổng vòng ngắn mạch Stn = Sl1 - Snm = a’.b’ – 2.b’.Δ =(26.44 -2.44.2).10-6 =968.10-6(m2) Ftbh = 19,9.10 Phạm Thế Vinh Footer Page 41 of 161 (12,56.10 −4 ) ≈ 70,7 (N) 4.1,07 (26.44 - 2.44.2).10 -6 TBĐ-ĐT3-K48 39 Header Page 42 of 161 Tỉ số fl lực điện từ bé trị trung bình lực điện từ vòng ngắn mạch: f l = Fmin K dt Fcqdh K dt 0,25.Fc max 1,1.0,25.202,8 = = = ≈ 0,76 70,7 Ftbh Ftbh Ftbh Điện trở vòng ngắn mạch tính theo công thức 5-54: rnm = f ; l ω μ S tn δh (3 f l + 2)2 − f l = 563,25.10 − Ω Góc lệch pha ϕ từ thông Φn từ thông Φt số vòng ngắn ω.Gt ωμ0 St = mạch Wnm = theo công thức 5-55 : tgϕ = rnm rnm δ h Trong : St: Diện tích cực từ vòng ngắn mạch (26.44 - 2.44.2).10 -6 S tn = = 645,3 (mm2) St = 1+α + 0,5 314.4.π 10 −7 645,3.10 −6 = 2,16 ⇒ ϕ = 65,160 tgϕ = −3 −6 0,5.10 563,25.10 Từ thông vòng ngắn mạch: 0,5 α = = 1,2 Ta có C = cos ϕ Φt = Φt = cos 65,16 Φ δh 2.σ rh + C + 2.C cos ϕ 12,56.10 − 2.1,057 + 1,2 + 2.1,2 cos 65,16 ≈ 0,325.10 −3 Wb Từ thông vòng ngắn mạch Φn = C.Φt = 1,2.0,325.10-3 = 0,39.10-3 (Wb) Từ cảm khe hở vùng vòng ngắn mạch Φn Φn 0,39.10 −3 Bn = = = ≈ 1,2(T ) < 2(T)=[B] S n α St 0,5.645,3.10 − Lực điện từ phía vòng ngắn mạch: Ftbn ( ) Φ2 0,39.10 −3 = 19,9.10 n = 19,9.10 ≈ 90,97 N Sn 0,5.645,3.10 − Phạm Thế Vinh Footer Page 42 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 40 Header Page 43 of 161 Lực điện từ phía vòng ngắn mạch: ( ) −3 Φ t2 0,32.10 Ftbt = 19,9.10 = 19,9.10 ≈ 31,6 N St 645,3.10 − Lực điện từ cực đại: Fmax = Ftbt2 + Ftbn + 2.Ftbt Ftbn cos 2ϕ = 31,6 + 90,97 + 2.31,6.90,97 cos( 2.65,16 ) = 64,5 N Lực điện từ trung bình: Ftb = Ftbt + Ftbn = 122,57 (N) Lực điện từ nhỏ nhất: Fmin = Ftb − Fmax = 122,57 − 64,5 = 58,07 N Như lực điện từ nhỏ hút phải lớn lực phần ứng: FminΣ = 4.Fmin = 4.58,07 = 232,38 (N) Theo đồ thị ta thấy Fcơmax = 202,8 (N) < FminΣ = 232,38 (N) Do điều kiện FminΣ > Fcơ nắp đóng (δ = 0,5 mm) hoàn toàn thoả mãn Tổn hao vòng ngắn mạch: Pnm 2 ( KU max ω.Φ t ) (1,1.314.0,235.10−3 ) = = = 6W K u2min 2.rnm 0,852.2.763,25.10−6 PnmΣ = 2.Pnm = 12 W Dòng điện vòng ngắn mạch: Inm = Pnm = = 88,66( A) rnm 763,25.10 −6 Dòng vòng ngắn mạch quy đổi cuộn dây: Inmqđ = Inm.(Wnm/W) Wnm: Số vòng dây cuộn ngắn mạch Wnm = W: Số vòng dây nam châm điện W = 1500 Inmqđ = 2.88,66 = 0,12 A 1500 Kích thước vòng ngắn mạch: Chọn vật liệu vòng ngắn mạch đồng ủ cứng: Tên số vật lý Giá trị Đơn vị Điện trở suất 20 C (ρ20) 1,7.10 -8 Ω.m Hệ số nhiệt điện trở 0,0043 1/ 0C Phạm Thế Vinh Footer Page 43 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 41 Header Page 44 of 161 Nhiệt độ hoá mềm cho phép 250 C Tổng chiều dài vòng ngắn mạch: lnm = 2.(b’ + 2.Δ + at) =2.(35 + 2.2 + 399,543/35) = 100,83 (mm) Tiết diện vòng ngắn mạch: S nm = ρ 200 l nm 100,83 = 0,03.10 −3 = 3,96(mm ) rnm 763,25.10 −6 ρ 200 = ρ 20 (1 + α (200 − 20)) = 1,7.10 −8 (1 + 0,0043.180) = 0,03.10 −6 Ω.m Chiều cao vòng ngắn mạch: hnm = S nm 3,96 = ≈ 2(mm) Δ Tính toán nhiệt tổn hao: Nhiệt độ phát nóng vòng ngắn mạch: θnm = τnm + θ0 < [θ] = 2500C Trong : τ = Pnm K Tkk S Tkk + K TFe S TFe KTkk = 3.10-3.(1 + 0.0017.40) = 4,02 10-3(W/cm2) KTFe = 2,9.10-3.(1 + 0.0068.40) = 6,844 10-3(W/cm2) STkk = 2.Δv.b’ + 2.(at +2.Δv).Δv = 2.2.35 + 2.( 399,543/35 +2.2).2 = 201,662 (mm2) STFe = 2.Δv.b’ + 4.b’.h nm = 2.2.35 + 4.35.2 = 420 (mm2) τ= −3 −2 4,02.10 201,662.10 + 6,844.10 −3.420.10 −2 = 1630 C θnm = τnm + θ0 = 2030C < [θ] = 2500C Tổn hao sắt: ΔPFe = Pm.m.K K: hệ số thực nghiệm làm tăng tổn hao Chọn K = 1,5 m: trọng lượng mạch từ m = γ.V = γ.l.S l: tổng chiều dài mạch từ S: tiết diện mạch từ m =γ.(H.b’.L-2.c.b’.hcs) = 7,65(90,7.35.114 – 2.18.35.41).10-3 =2,37(kg) γ: khối lượng riêng vật liệu mạch từ γ = 7,65 (g/cm3) Pm: suất tổn hao ứng với Bm (B cực đại lõi thép) Phạm Thế Vinh Footer Page 44 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 42 Header Page 45 of 161 ⎛B 2⎞ Pm = P10 ⎜⎜ m ⎟⎟ (W / Kg ) ⎝ 1,0 ⎠ P10: suất tổn hao ứng f = 50Hz B = 1(T), P10 = 1,6(W/Kg) Φ max l 8,73.10 −4 Bm = = = 0,82(T ) Sl 1060.10 −6 ⎛ 0,82 ⎞ Pm = 1,6.⎜ ⎟ = 1,07(W / Kg ) ⎝ 1,0 ⎠ Công suất tổn hao sắt: ΔPFe = m.Pm.K = 2,37.1,07.1,5 = 3,8(W) Dòng điện đặc trưng cho tổn hao sắt: I Fe = ΔPFe 3,8 = = 0,009( A) 1,1.U dm 1,1.380 Dòng điện cuộn dây: Dòng điện nắp hút: I h = ( I th + I δ ) + ( I nmqd + I Fe ) Iδ ≈ 1,1.U dm 1,1.380 = = 0,22( A) với 1,88.10 Xh 1060.10 −6 X h = ω.W μ = 314.1500 4.3,14.10 = 1,88.103 (Ω) −3 0,5.10 δh I th = Σ S −7 H i li Hi cường độ từ trường chạy đoạn mạch từ Hi W có giá trịn Sn ≅ Sđ = S11/2 Li chiều dà đoạn mạch từ Do ta có I th = H Σ.li , Σli = 2.L +3.hcs = 2.114 + 3.41 = 351 (mm) theo W đường cong vật liệu mạch từ ứng với Bmax = 0,9(T) ta có H = 1,8(A/cm) I th = 1,8 35,1 = 0,042( A) 1500 Dòng điện nắp hút: I h = (0,042 + 0,22) + (0,12 + 0,009) = 0,29( A) Mật độ dòng nắp hút: j = Dòng điện nắp mở: I m = I h 4.I h 4.0,29 = = = 2,443( A / mm ) 2 q π d π 0,39 1,1.U dm 1,1.380 = = 1,8( A) 231,21 Xm Trong Xm = ω.W2.Gm = ω.W2.(Gδm + Grm) Phạm Thế Vinh Footer Page 45 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 43 Header Page 46 of 161 Xm =314.15002.(0,2283.10-6 + 9,896.10-8) = 231,21(Ω) Kiểm tra bội số dòng điện: K I = Im 1,8 = ≈ 6,2 < 15 hoàn toàn thoả mãn I h 0,29 hcd Tính toán nhiệt cuộn dây: l q Điện trở cuộn dây: Rcd = ρ cd = ρ cd Trong đó: a ltb W q b’ ρ cd = ρ 20 (1 + α (95 − 20)) = 1,5.10 −8 (1 + 0,0043.75) = 1,98.10 −8 Ω.m ltb = 1/2.[2.(a +b’) + (2.(a +b’) +2.π.hcd)] ltb = 1/2.[2.(35 +35) + (2.(35 + 35) +2.π.10)] = 171,4 (mm) q: tiết diện dây quấn Rcd = ρ cd −3 4.ltb W −8 4.171,4.10 1500 = , 98 10 = 42,6(Ω) π d π 0,39 2.10 −6 Công suất tiêu thụ cuộn dây: Pcd = Ih2.Rcd = 0,292.42,6 = 3,5 (W) Độ tăng nhiệt cuộn dây: τ = P Trong K t S t Kt: hệ số toả nhiệt, chọn Kt = 13 (W/m2 0C) Từ bảng 6-5 trang 301 TLTKKCĐHA, Kt =6 ÷ 14(W/m2 0C) St : diện tích toả nhiệt Với khung dây nhựa bakenit K = St = K.ST + Sn = Stn = lcd.[2.(a +b’) + 2.(a +b’) +2.π.hcd] St = 30.[2.(35 + 35) + 2.(35 + 35) +2.π.41] = 16128,4 (mm2) τ= ΔPFe + Pnm + Pcd 3,8 + + 3,5 = = 580 C −6 14.16128,4.10 K t S t θ = τ + θ0 = 980C < [θ] = 1050C Tính dựng đặc tính lực hút F = f(δ): Áp dụng công thức: Fhtb = Với Φδ = Φ cd = Phạm Thế Vinh Footer Page 46 of 161 Φ cd δr ⎛ dGδ dGr ⎜⎜ + dδ Gδ ⎝ dδ K Φ σ Kir = 0,9; Φ δ = ⎞ ⎟⎟ ⎠ 10,27.10 −4.K U δr KU U dm K ir K 380.0,9 = U = 10,27.10 −4.KU 4,44 f W 4,44.50.1500 TBĐ-ĐT3-K48 44 Header Page 47 of 161 K : hệ số tính tới thứ nguyên lực K = 0,25 Fhtb = 0,25.10,27 2.10 −8.K U Gδ δ r 2 dGr =0 dδ dGδ 18,65.10 −8.K U dGδ = 2 dδ dδ Gδ δ r FhtΣ = Fhtb Ứng với giá trị tương ứng KU = 0,85; 1; 1,1 ta lập bảng quan hệ F = f(δ) để vẽ đặc tính lực hút: δ (mm) 0.5 1,6 5,5 11,9 13,5 Gδ (.10-6) (H) 1,7354 0,5689 0,193 0,1200 0,1105 G’δ (.10-6) (H) -3394,15 -331,12 -39,531 -6,763 -5,052 σr 1,070 1,1739 1,424 1,8246 1,8955 FhtΣ (N)( KU = 0,85) 345,85 266,08 150,50 57,02 46,03 FhtΣ (N)( KU = 1) 446,26 350,93 230,63 85,63 56,95 FhtΣ (N)( KU =1,1) 577,27 427,08 275 112,68 74,97 Theo bảng tính toán ta thấy đặc tính ứng với KU = 0,85 độ mở tới hạn δth = 5,5 mm FhtΣ (N)( KU = 0,85) = 150,50 (N) > Fcơ(δth) = 135,3 (N) Do nam châm điện làm việc với công tắc tơ nên dựa vào đặc tính ta đến kết luận FhtΣ (N) > Fcơ với δ Phạm Thế Vinh Footer Page 47 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 45 Header Page 48 of 161 Phạm Thế Vinh Footer Page 48 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 46 Header Page 49 of 161 Tính toán đặc tính nhả nam châm điện: Hệ số nhả tỉ số điện áp cuộn dây phần động nam châm điện hút nhả Dựa vào hệ số Knh ta xác định độ nhạy nam châm điện Với nam châm điện có độ nhạy cao đặc tính Fnh phải nằm hoàn toàn đặc tính Đối với công tắc tơ xoay chiều Knh = 0,4 ÷ Dựa vào đặc tính nam châm điện chọn Knh = Khi Knh = U nh = U td Fnh δth = 5,5 mm Ftd Fnh 42 = = 0,53 Fh 150,50 Dựa vào quan hệ ta có Fh = Knh2 Fnh = 0,28 Fnh Bảng tính toán chi tiết: δ (mm) 0.5 1,6 5,5 11,9 13,5 FhtΣ (N) 345,85 266,08 150,50 57,02 46,03 Fnh (N) 96,84 74,5 42 16 12,89 Tính thời gian tác động thời gian nhả: Thời gian tác động: ttđ = t1 + t2 Thời gian tác động nhả: tnh = t3 + t4 t1 , t3 : thời gian khởi động tác động nhả t2 , t4 : thời gian chuyển động tác động nhả Vì nam châm điện xoay chiều nên t1 , t3 ≤ 1/2.T = 1/2.0,02 = 0,01 (s) Chọn t1 = t3 = 0,01 (s) 4 1 Để tính t2 ta dùng công thức: t = ∑ Δti = ∑ 2.m.Δxi ( Fh − Fc ) i Với Δxi = δi - δi-1 quãng đường doạn thứ i ( Fh − Fc ) i = ΔS i m khối lượng phần động Δxi [(a + 2.c + 2.a’).b’.hn + a.b’.(hcs – hcd) + 2.a’.b’.(hcs – hcd)] Vđ =127,45 (cm2) Phạm Thế Vinh Footer Page 49 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 47 Header Page 50 of 161 m = Vđ.γFe =127,45.7,65 = 0,975 (Kg) t2 = 0,005 + 0,0058 + 0,0136 + 0,0125= 0,037 (s) 4 1 Để tính t2 ta dùng công thức: t = ∑ Δti = ∑ 2.m.Δxi ( Fh − Fc ) i t4 = 0,015 + 0,018 + 0,034 + 0,012= 0,079 (s) Vậy ta có: Thời gian tác động: ttđ = t1 + t2 = 0,01 + 0,037 = 0,047 (s) Thời gian tác động nhả: tnh = t3 + t4 = 0,01 + 0,079 = 0,089 (s) Tính khối lượng công tắc tơ: Khối lượng công tắc tơ bao gồm khối lượng mạhc từ, khối lượng cuộn dây, khối lượng phần kết cấu: Gctt = Gcd + GFe + Gph Theo tính toán ta có: GFe = 2,37 (Kg) Gcd = Gcu = γcu.lcu.q =γcu.ltb.W.π.d2/4 Gcd = 3,89.17,14.1042.π.0.0372/4 Gcd =0,107 (Kg) Khối lượng phần kết cấu: Gph = 0,8.( Gcd + GFe) = 1,98 (Kg) Khối lượng công tắc tơ: Gctt = 0,107 + 2,37 + 1,98 =4,457 (Kg) Phạm Thế Vinh Footer Page 50 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 48 Header Page 51 of 161 Chương Thiết kế buồng dập hồ quang Khái niệm hồ quang điện Đối với khí cụ điện, cầu dao, công tắc tơ đóng cắt mạch, hồ quang phát sinh tiếp điểm Nếu hồ quang cháy lâu, khí cụ điện hệ thống điện hỏng Hồ quang điện tượng phóng điện không khí hay với mật độ dòng [j] lớn nhiệt độ [θ] cao, đồng thời kèm theo hiệu ứng ánh sáng Đó mối quan hệ phức tạp điện nhiệt Do ảnh hưởng hồ quang điện, mạch điện ngắt không dứt khoát gây cháy hỏng tiếp điểm đồng thời gây điện áp Do việc dập hồ quang khí cụ điện quan trọng Hồ quang điện phát sinh trình ion hoá chất khí với dạng chính: Tự phát xạ điện từ Phát xạ nhiệt điện tử Ion hoá va chạm Ion hoá nhiệt độ cao Tái hợp khuếch tán Để dập tắt hồ quang cần phải tăng cường phản ion hoá cách giảm đường kính hồ quang Đặc điểm hồ quang điện xoay chiều Đặc điểm dòng điện xoay chiều sau nửa chu kỳ nguồn cung cấp dòng điện điện áp qua trị số không lần Do người ta dựa vào để ngắ mạch điện mà hồ quang sinh giảm cách đáng kể so với dòng chiều Khi dòng điện i = khu vực hồ quang đồng thời sảy ra: Quá trình phản ion hóa mạnh đến mức dần tính dẫn điện Quá trình phục hồi điện áp hồ quang từ điện áp tắt đến điện áp cháy Yêu cầu hệ thống dập hồ quang Đảm bảo khả đóng khả ngắt Phạm Thế Vinh Footer Page 51 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 49 Header Page 52 of 161 9 9 Quá điện áp thấp Kích thước hệ thống dập hồ quang nhỏ Có khả hạn chế ánh sáng âm Thời gian cháy nhỏ, giảm mòn tiếp điểm, thiết bị dập hồ quang Giá trị dòng điện ngắt tính toán hệ thống dập hồ quang Trong trình tính toán lựa chọn buồng dập hồ quang ta cần ý tới phụ thuộc dòng điện ngắt vào thời gian hồ quang cháy Vùng (I): thời gian hồ quang cháy thq tỉ lệ với dòng ngắt ing Trong vùng thq cháy nhỏ nên ta dập hồ quang vùng cách tăng dòng điện phục hồi (CTT làm việc với dòng điện xoay chiều) Vùng (II): thq cháy lớn, nên thời gian dập hồ quang lớn Biện pháp dập hồ quang chủ yếu sử dụng cách kéo dài khí Vùng (III): thq cháy nhỏ, dòng ngắt lớn Nhân tố chủ yếu dập hồ quang vùng sử dụng lực điện động dòng hồ quang với từ trường dòng điện khác mạch vòng dẫn điện từ trường cuộn thổi từ Vật liệu kết cấu buồng dập hồ quang Vật liệu làm buồng dập phải có khả chịu nhiệt độ cao, có tính cách điện cao có khả chống ẩm Để dập tắt hồ quang cách nhanh chóng mặt buồng dập phải có độ nhám bề mặt phải nhỏ nghĩa mặt bên buồng dập phải nhẵn Một số vật liệu dùng để làm vỏ hộp dập hồ quang Vật liệu xi măng – amiang: Phạm Thế Vinh Footer Page 52 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 50 Header Page 53 of 161 Ximăng - amian loại theo Γ0CT 8697- 58 ép từ xi măng - amian nhựa amian Đối với chi tiết nhựa xi măng - amian có độ nhẵn bề mặt lớn Vật liệu ép chịu hồ quang: Nó gồm nhiều vật liệu tổng hợp lại: Sợi amian loại chịu lửa (như mêlominơ, nhựa si lic hữu cơ, nhựa êpôcxi loại nhựa khác) Thành phần chúng phụ thuộc vào kết cấu chi tiết Các chi tiết làm vật liệu có tính chụi nhiệt, chịu hồ quang cao, cách điện tốt đạt độ nhẵn bề mặt Gốm xilicat: Buồng dập hồ quang vật liệu gốm sử dụng có hiệu kinh tế cao sản xuất khối lượng lớn gia công phức tạp Kết cấu kiểu buồng dập Qua phân tích dạng kết cấu kiểu buồng dập Chọn kiểu buồng dập hồ quang kiểu dàn dập Dàn dập chế tạo từ thép non Kiểu Dàn dập Số lượng cho chỗ ngắt Bề dầy (mm) Khoảng cách (mm) Với kiểu buồng dàn dập phù hợp với dòng điện định mức 200A tiếp điểm chữ nhật có hai chỗ ngắt phù hợp với công tắc tơ có chế độ làm việc trung bình Buồng kiểu dàn dập cho ta khả rút ngắn đáng kể chiều dài hồ quang dập thể tích nhỏ phát sáng âm bị hạn chế Phạm Thế Vinh Footer Page 53 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 51 Header Page 54 of 161 Phạm Thế Vinh Footer Page 54 of 161 TBĐ-ĐT3-K48 52 ... 161 Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha Chương Những vấn đề chung Khái quát công dụng Công tắc tơ xoay chiều loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa nút ấn mạch điện lực có phụ tải Công. .. Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối mạch điện xoay chiều, nam châm điện nam châm điện xoay chiều, có trường hợp nam châm điện nam châm điện chiều Theo nguyên tắc truyền động, ta có công tắc tơ. .. kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây công tắc tơ kiểu hút ống thẳng Tất công tắc tơ làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để dẫn từ thép kĩ thuật điện dập