Ch-ơng 5: Tính lực điện động Khi có dòng điện chạy qua các phần tử dẫn điện giữa chúng sinh ra lực điện động. Lực điện động này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Kích th-ớc mạch dẫn điện, cách bố trí t-ơng hỗ giữa các phần tử dẫn điện, trong một pha với các pha khác nhau, trị số dòng điện. Trong điều kiện làm việc bình th-ờng thì lực điện động không lớn lắm. Nh-ng khi bị ngắn mạch trị số dòng điện lớn nên làm cho lực điện động sinh ra cũng lớn. Nếu nh- độ bền cơ học trong máy ngắt không đảm bảo các phần tử sẽ bị biến dạng hay bị phá vỡ cấu trúc cách điện. Do đó phải tính lực điện động và h-ớng của nó để thiết kế các phần tử một cách hợp lý. Dòng điện ngắn mạch trị số xung kích qua một cánh hoa huệ tiếp điểm là: n i.3,1 i xk xk1 Với n = 6 )A(3,1083 6 5000.3,1 i xk1 Dòng điện định mức qua một cánh hoa huệ tiếp điểm là: )A(67,216 6 1000.3,1 n I.3,1 I dm 1 Tiếp điểm hoa huệ này gồm 6 cánh tiếp điểm tĩnh và đ-ợc gắn mỗi cánh một lò xo ép. Mỗi cánh tiếp điểm tĩnh chịu một lực điện động tiếp xúc F đđ1 do dòng điện qua cánh chỗ tiếp xúc tạo nên. Đồng thời cũng chịu thêm 1 lực t-ơng hỗ F đđ2 do các dòng điện qua 5 cánh tiếp điểm tĩnh song song còn lại gây ra. 5.1. Tính lực điện động: F đđ1 : Theo công thức thực nghiệm: 2 hd xk 1dd K i F Trong đó: i xk : là giá trị biên độ dòng xung kích (kA) K hd : hệ số hình dạng phụ thuộc vào kết cấu kích th-ớc và vật liệu tiếp điểm Theo kinh nghiệm đối với tiếp điểm hoa huệ thì K hd = 44,5 Ta chọn K hd = 4,25 kg/kA Lực F đđ1 tác động lên 1 cánh hoa huệ là: ở chế độ ngắn mạch ta tính theo dòng điện i xk : F đđ1mm = )N(637,0)kg(065,0 25,4 0833,1 K i 2 2 hd xk ở chế độ định mức: F đđ1mm = )N(0255,0)kg(0026,0 25,4 21667,0 K i 2 2 hd dm Lực điện động F đđ1 này có xu h-ớng chống lại sự tiếp xúc tức là F đđ1 có chiều ng-ợc chiều tác dụng lò xo nén lên tiếp điểm. 5.2. Tính lực điện động F đđ2 t-ơng hỗ giữa các cánh tiếp điểm tĩnh gây nên: Ta coi mỗi phiến trên tiếp điểm hoa huệ nh- là một thanh dẫn. Ta có 6 thanh dẫn song song với nhau, từ đó ta có thể tính lực điện động do 5 phiến tác động lên một phiến nh- sau: Tính khoảng cách l 1 : là khoảng cách thanh 1 tới thanh 2 l 2 : là khoảng cách thanh 1 tới thanh 3 l 3 : là khoảng cách thanh 1 tới thanh 4 l 3 = d + b = 34 + 6 = 40 (mm) Dễ: D 1 D 2 O là tam giác đều: )mm(20 2 l l 3 1 Tam giác D 1 D 3 D 4 vuông nên: )mm(6,342040lll 222 1 2 32 * Tính F đđ2 ở chế độ ngắn mạch: Từ công thức: h l h l 1 l h2 ii10F i 2 i 1 dm2dm1 7 i Ta tính đ-ợc các lực: )N(507,0 60 20 60 20 1 20 60.2 ii10F 2 xk2xk1 7 1 )N(235,0 60 6,34 60 6,34 1 6,34 60.2 ii10F 2 xk2xk1 7 2 )N(188,0 60 40 60 40 1 40 60.2 ii10F 2 xk2xk1 7 3 Tổng hợp các lực chiếu theo ph-ơng D 1 D 4 : F' 1 = F 1 cos60 0 = 0,507 . 0,5 = 0,2535 (N) F' 2 = F 1 cos30 0 = 0,235 . 0,866 = 0,2 (N) F' 3 = F 1 cos0 0 = 0,188 . 1 = 0,188 (N) F đđ2nm = 2(F' 1 + F' 2 ) + F' 3 = 1,095 (N) * Tính F đđ2 ở chế độ định mức Ta tính đ-ợc các lực: )N(02,0 60 20 60 20 1 20 60.2 ii10F 2 dm2dm1 7 1 )N(01,0 60 6,34 60 6,34 1 6,34 60.2 ii10F 2 dm2dm1 7 2 )N(0075,0 60 40 60 40 1 40 60.2 ii10F 2 dm2dm1 7 3 Tổng hợp các lực chiếu theo ph-ơng D 1 D 4 : F' 1 = F 1 cos60 0 = 0,02 . 0,5 = 0,01 (N) F' 2 = F 1 cos30 0 = 0,01 . 0,866 = 0,00866 (N) F' 3 = F 1 cos0 0 = 0,0075 . 1 = 0,0075 (N) F đđ2đm = 2(F' 1 + F' 2 ) + F' 3 = 0,045 (N) Lực điện động F đđ1 này có xu h-ớng ép tiếp điểm vào thanh dẫn tức là F đđ2 có chiều cùng chiều tác dụng lò xo nén lên tiếp điểm. 5.3. Tính lực nén cần thiết lên tiếp điểm và lò xo tiếp điểm Dòng điện đi từ tiếp điểm động sang tiếp điểm tĩnh phải đi qua bề mặt tiếp xúc. Trên thực tế tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh tại một số điểm. Dòng điện đi qua những điểm đó sẽ có mật độ dòng điện lớn làm tổn hao năng l-ợng và tổn hao điện áp lớn. Đặc biệt khi có dòng điện lớn (ngắn mạch) nhiệt độ ở chỗ tiếp xúc của tiếp điểm rất cao làm giảm tính đàn hồi và cơ khí của tiếp điểm, tiếp điểm có thể cháy do nhiệt độ cao của hồ quang. Trong quá trình đóng cắt tiếp điểm bị chấn động, cả tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh đều bị ăn mòn. Sự ăn mòn đó tỉ lệ với trị số dòng điện, số lần đóng cắt và thời gian hồ quang cháy. Ngoài ra tiếp điểm còn bị ăn mòn về cơ nh-ng rất nhỏ, chỉ bằng (1 3%) hao mòn về điện. Vì vậy để tiếp điểm làm việc đ-ợc tốt, ngoài biện pháp dùng buồng dập hồ quang ng-ời ta còn dùng những biện pháp sau đây để giảm nhỏ điện trở tiếp xúc: - Tăng lực nén lên tiếp điểm. - Tăng số điểm tiếp xúc. - Chọn vật liệu làm tiếp điểm có điện trở suất nhỏ, hệ số truyền nhiệt lớn. Tăng lực nén chỉ tăng lên đến giá trị tối -u không thể tăng mãi đ-ợc. Và vật liệu làm tiếp điểm chỉ làm bằng đồng là hợp lý. 5.4. Tính lực ép tiếp xúc tiếp điểm tối -u khi có dòng điện định mức chảy qua: Ta có công thức F tđđm = 2 tx 0 2 2 dm T T arccos.16 A.I Trong đó: - A : Là hằng số vạn năng A=2,42.10 -8 (V 2 / 0 K 2 ) - : ứng suất chống dập nát đối với đồng ở chế độ dòng định mức = 5200 (kg/cm 2 ) - : Hệ số dẫn nhiệt, với đồng = 3,8 (W/cm. 0 C) - T 0 : Nhiệt độ thanh dẫn điện tính theo nhiệt độ tuyệt đối: T 0 = td + 273 0 K = 65 + 273 = 338 ( 0 K) - T tx : Nhiệt độ tiếp điểm tiếp xúc tính theo nhiệt độ tuyệt đối. Kinh nghiệm cho thấy sự chênh lệch giữa nhiệt độ xúc và nhiệt độ thanh dẫn cỡ 5 10 0 C. Ta cho độ chênh lệch này là 8 0 C. T xk = T 1 + 8 = 338 + 8 = 346 ( 0 K) Đối với 1 cánh hoa huệ tiếp điểm ta có: F tđđm = 2 tx 0 2 2 dm1 T T arccos.16 A.i Thay số vào ta có: F tđđm = 2 2 82 346 338 arccos8,3.16 5200.14,3.10.42,2.67,216 = 1,73 (kg) = 16,95 (N) 5.5. Tính lực tiếp điểm ở chế độ ngắn mạch: F tđnm = 2 max tx 0 2 max 2 nm T T arccos 16 A.I Lấy dòng ngắn mạch I nm = 5I đm = 5000 (A) Dòng điện chảy trong mỗi phiến của tiếp điểm hoa huệ: i 1nm = )A(3,1083 6 5000.3,1 Trong đó: - T txmax là độ ở điểm tiếp xúc khi có dòng điện ngắn mạch, nhiệt độ này rất cao nh-ng không v-ợt qua nhiệt độ phát nóng cho phép của vật liệu làm tiếp điểm. Nếu vật liệu làm bằng đồng thì [ ] = 800 0 C T txmax < 1073 0 K. Ta chọn T txmax = 1070 0 K. - max : ứng suất chống dập nát đối với đồng ở nhiệt độ cao max = 250- 300 (kg/cm 2 ). Ta chọn max = 280 (kg/cm 2 ). Thay số: F tđnm = 2 2 82 1070 338 arccos.8,3.16 280.14,3.10.42,2.3,1083 = 0,069 (kg) = 0,68 (N) 5.6. Tính lực nén của lò xo: F 1x = F tđ + F tđ1 - F tđ2 a) Lực nén của lò xo ở chế độ định mức: ở chế độ này lực điện động F đđ1 và F đđ2 nhỏ do đó có thể bỏ qua. Nên lực nén cần thiết của lò xo lên tiếp điểm tĩnh chính là lực ép tiếp điểm. F 1x = F tđ = 1,73 (kg) = 16,97 (N) b) Khi có dòng điện ngắn mạch đi qua hệ thống tiếp điểm, các bề mặt tiếp xúc bị phát nóng rất cao do đó có thể làm nóng chảy hàn dính các tiếp điểm lại với nhau. F 1x = F tđnm + F đđ1nm - F đđ2nm = 0,68 + 0,637 - 1,095 = 0,222 (N) Nh- vậy ta phải chọn lực lò xo F 1x = 1,73 kg để đảm cho tiếp tiếp điểm hoạt động bình th-ờng ở cả chế độ định mức và ngắn mạch. . Ch-ơng 5: Tính lực điện động Khi có dòng điện chạy qua các phần tử dẫn điện giữa chúng sinh ra lực điện động. Lực điện động này phụ thuộc. kiện làm việc bình th-ờng thì lực điện động không lớn lắm. Nh-ng khi bị ngắn mạch trị số dòng điện lớn nên làm cho lực điện động sinh ra cũng lớn. Nếu