Các nhóm khí cụ điện

Lời nói đầu. Để đánh giá sự phát triển kinh tế của một số quốc gia chúng ta thường dựa vào trong tiêu chuẩn kinh tế rất quan trọng đó là sự phát triển nền công nghiệp quốc gia, đặc biệt là ngành điện. Điện năng là nguồn năng lượng quan trọng được sử dụng rộng rãi hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Một ngành cung cấp năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của con người. ở đây chúng ta đi sâu vào tìm hiểu một bộ phận trong cơ cấu thiết bị khá quan trọng trong điều khiển quá trình sản xuất biến đổi truyền tải phân phối năng lượng. Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh và bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất. Ngoài ra nó còn được dùng để kiểm tra và điều khiển các quá trình năng lượng khác. Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, các trạm biến áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, giao thông vận tải… Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng như trong đời sống không thể thiếu các loại khí cụ điện. Khí cụ điện có rất nhiều loại tùy theo chức năng và nhiệm vụ. Có thể chia ra làm các loại chủ yếu sau đây: + Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao: máy ngắt, dao cách ly, kháng điện, biến dòng, biến áp. + Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp như: máy tự động, các bộ phận đầu nối( cầu dao, công tắc xoay), cầu chì… + Nhóm các rơ le: rơ le bảo vệ, rơ le dòng, rơ le áp, rơ le công suất, rơ le nhiệt… + Nhóm các khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ … Khi nền công nghiệp càng phát triển, hiện đại hóa cao thì càng cần thiết phải có các loại khí cụ điện tốt hơn, hoàn hảo hơn. Các loại khí cụ điện còn phải đòi hỏi khả năng tự động hóa cao. Chính vì vai trò quan trọng của khí cụ điện nên việc nghiên cứu các phương pháp tính toán, thiết kế các khí cụ điện là một nhiệm vụ quan trọng và phải có sự đầu tư đúng mức để ngày càng được phát triển và hoàn thiện hơn. Trong quá trình học tập tại trường em đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện. Đặc biệt là sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo: Nguyễn Văn Đức. Nhờ đó em đã thiết kế tính toán loại khí cụ điện mà hiện nay đang có nhu cầu sử dụng rất nhiều và rộng rãi, đó là: “Công tắc tơ xoay chiều ba pha”. Bản thuyết minh này sẽ trình bày việc thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều ba pha với các chỉ số sau: Điện áp định mức Uđm= 400 (V). Dòng điện định mức Iđm= 60 (A). Điện áp điều khiển Uđk= 380 (V). Dòng điện định mức phụ Iph= 5 (A). Dòng điện ngắt Ingắt= 4Iđm. Dòng điện đóng Iđóng= 4Iđm. Tần số f= 50 (HZ). Tuổi thọ N=105 làm việc liên tục, cách điện cấp A Số lượng tiếp điểm: 3 tiếp điểm chính thường mở. 2 tiếp điểm phụ thường đóng. 2 tiếp điểm phụ thường mở. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: Phân tích phương án, chọn kết cấu thiết kế. Tính mạch vòng dẫn điện. Tính và dựng đặng tính cơ. Tính toán nam châm điện. Chọn buồng dập hồ quang. Kem theo bản thuyết minh gồm các bản vẽ sau: + Bản vẽ tổng lắp ráp Ao : 01 bản. + Bản vẽ chi tiết A1 : 02 bản. + Bản vẽ các đường đặc tính A1 : 01 bản. Mặc dù đã rất tập trung để hoàn thành bản thuyết minh, song do còn thiếu kinh nghiệm trong việc thiết kế nên quá trình làm đề tài chắc không tránh khỏi những sai sót. Vậy em rất mong được sự góp ý của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử để bản thuyết minh của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thiết kế. Phần i: phân tích phương án- chọn kết cấu thiết kế. a.KHáI NIệM CHUNG. I.khái niệm về công tắc tơ: Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng ngắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa bằng tay hay tự động. Việc đóng ngắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng điện từ, thủy lực hay khí nén. Trong đó công tắc tơ điện từ được sử dụng nhiều hơn cả. II.phân loai: 1. Theo nguyên lý truyền động người ta chia công tắc tơ thành các loạisau: + Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng điện từ. + Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng thủy lực. + Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng khí nén. + Công tắc tơ không tiếp điểm. 2. Theo dạng dòng điện trong mạch: + Công tắc tơ điện một chiều dùng để đóng ngắt mạch điện một chiều. Nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều. + Công tắc tơ điện xoay chiều dùng để đóng ngắt mạch điện xoay chiều. Nam châm điện của nó là nam châm điện xoay chiều. Ngoài ra trên thực tế còn có loại công tắc tơ sử dụng để đóng ngắt mạch điện xoay chiều, nhưng nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều. III. các yêu cầu đối với công tắc tơ: Công tắc tơ phải đóng dứt khoát, tin cậy phải đảm bảo độ bền nhiệt nghĩa là nhiệt độ phát nóng của công tắc tơ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ phát nóng cho phép: q Ê [qcp ]. Khi tính toán, thiết kế công tắc tơ thường phải đảm bảo lúc điện áp bằng 85% Ucd thì phải đủ sức hút và lúc điện áp bằng 110% Ucd thì cuộn dây không nóng quá trị số cho phép và công tắc tơ vẫn làm việc bình thường. Đảm bảo độ bền điện động: độ bền điện động được xác định bằng số lần đóng ngắt tối thiểu mà sau đó cần thay thế hoặc sửa chữr các tiếp điểm bị ăn mòn khi có dòng điện chạy qua tiếp điểm. Đảm bảo độ mòn về điện đối với công tắc tơ tiếp điểm, trong ngày nay những loại công tắc tơ hiện đại độ mòn về điện từ (2á3).106 lần đóng ngắt. Đảm bảo độ bền về cơ: độ mòn về cơ được xác định bằng số lần đóng ngắt tối đa mà chưr đòi hỏi phải thay thế hoặc sửa chữ các chi tiết khi không có dòng điện tiếp điểm. Ngày nay các công tắc tơ hiện đại độ bền cơ khí đạt 2.107 lần đóng ngắt. iv.cấu tạo của công tắc tơ: Công tắc tơ điện từ bao gồm những thành phần chính sau: Hệ thống mạch vòng dẫn điện. Cơ cấu điện từ. Hệ thống dập hồ quang. Hệ thống phản lực. v.nguyên lý hoạt động của công tắc tơ: Khi đưa dòng điện vào cuộn dây của nam châm điện sẽ tạo ra từ thông F và sinh ra lực hút điện từ Fđt . Do lực hút điện từ lớn hơn lực phản lực làm cho nắp của nam châm điện bị hút về phía mạch từ tĩnh. Các tiếp điểm thường mở của công tắc tơ được đóng lại. Mạch điện thông. Khi ngắt dòng điện của cuộn dây nam châm thì lực hút điện từ Fđt=0 dưới tác dụng của hệ thống lò xo sẽ đẩy phần động trở về vị trí ban đầu. Các tiếp điểm của công tắc tơ mở, hồ quang phát sinh ở tiếp điểm chính sẽ được dập tắt trong buồng dập hồ quang. Mạch điện ngắt. b. phân tích phương án chọn kết cấu: Để có một kết cấu hợp lý và phù hợp với điều kiện công nghệ cho công tắc tơ thiết kế. Ta tiến hành khảo sát một số loại công tắc tơ của một số nước đang sử dụng ở Việt Nam: + Công tắc tơ của Việt Nam. + Công tắc tơ của Liên xô. + Công tắc tơ của Nhật. + Công tắc tơ của Hàn Quốc. + Công tắc tơ của Trung Quốc. Sau khi tham khảo về cơ bản công tắc tơ của các nước đều giống nhau. Từ đó em có nhận xét sau: I. Mạch từ: Trong tất cả các loại công tắc tơ của các nước nói trên người ta đều sử dụng mạch từ chữ ш có cuộn dây được đặt ở giữa, trên hai cực từ người ta đặt vòng chống rung. Loại này có ưu điểm: Lực hút điện từ lớn và được phân bố đều nên làm việc chắc chắn và tin cậy. Các loại kiểu hút trong mạch từ: có 2 loại. 1. Hút thẳng: Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản dễ tháo lắp, nhỏ gọn nên kích thước của công tắc tơ nhỏ và gọn. Từ thông rò không đổi khi chuyển động, lực hút điện từ lớn. Nhược điểm: không sử dụng được với dòng điện lớn vì độ mở của tiếp điểm bằng độ mở của nam châm điện. Nên nếu dùng cho dòng điện lớn thì độ mở của tiếp điểm lớn dẫn đến nam châm điện hóa. Khi đó kích thước của công tắc tơ sẽ lớn dẫn đến hay bị rung động. 2. Hút quay: Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, độ mở tiếp điểm lớn nên sử dụng cho các loại công tắc tơ có dòng điện lớn. Nhược điểm: vì do cấu tạo của loại này là có hệ thống cánh tay đòn nên khó chế tạo và tháo lắp, kích thước công tắc tơ lớn. II. Tiếp điểm: Do mạch từ kiểu hút thẳng nên ta chọn tiếp điểm có dạng bắc cầu một pha hai chỗ ngắt. Kiểu này có ưu điểm: vì ta chọn như vậy bởi chỗ ngắt trong mạch là hai nên có khả năng ngắt nhanh, chịu được và dễ dập hồ quang. Đồng thời giảm hành trình chuyển động dẫn đến giảm kích thước của công tắc tơ. (như hình vẽ). Trong đó: 1. Thanh dẫn tĩnh 2. Thanh dẫn động. 3. Tiếp điểm động. 4. Tiếp điểm tĩnh Iii. Buồng dập hồ quang: Buồng dập có tác dụng giúp ta dập tắt hồ quang nhanh nên phải đảm bảo các yêu cầu sau: + Đảm bảo khả năng đóng và ngắt: nghĩa là phải đảm bảo giá trị dòng điện ngắt ở điều kiện cho trước. + Thời gian cháy hồ quang nhỏ, vùng iôn hóa nhỏ. Nếu không có thể chọc thủng cách điện trong buồng dập hồ quang. + Hạn chế ánh sáng và âm thanh. Do tác dụng của hồ quang là rất nguy hiểm nên ta cần phải có biện pháp nhanh chóng dập hồ quang. Đối với công tắc tơ xoay chiều có hai phương án dập hồ quang chủ yếu là: + Dùng cuộn thổi từ có buồng dập là khe hở hẹp. + Dùng buồng dập kiểu dàn dập. Phương pháp thứ nhất có khả năng dập hồ quang rất tốt song kết cấu phức tạp, thường dùng cho các loại công tắc tơ có dòng điện lớn làm việc ở chế độ nặng và trung bình. Phương pháp thứ hai có kết cấu đơn giản dễ chế tạo, nhưng khả năng dập hồ quang kém hơn phương pháp thứ nhất. Nó được dùng cho công tắc tơ có dòng điện không lớn lắm. Như vậy ở đây ta thiết kế công tắc tơ có Uđm=400 (V); Iđm=60 (A) . Ta sẽ chọn buồng dập hồ quang là buồng dập kiểu dàn dập được làm từ vật liệu sắt ít cacbon. Loại này có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và đơn giản trong tính toán và đảm bảo khi làm việc. iV. Nam châm điện: Nam châm điện có vai trò rất quan trọng, nó quyết định đến tính năng làm việc và kích thước của toàn bộ công tắc tơ. Nam châm điện dạng chữ ш hút chập từ thông không rò. Có từ thông không đổi trong quá trình nắp chuyển động, từ dẫn khe hở không khí lớn, lực hút điện từ lớn đặc tính của lực hút điện từ gần với đặc tính cơ phản lực của loại công tắc tơ xoay chiều. Sử dụng kiểu này ta dễ dàng sử dụng tiếp điểm kiểu hai chỗ ngắt. Trên thực tế và theo tham khảo với công tắc tơ xoay chiều có dòng định mức Iđm<100 (A) người ta thường chọn mạch từ có dạng chữ ш kiểu hút thẳng có đặc tính hút gần với đặc tính phản lực đồng thời đơn giản hơn trong quá trình tính toán và chế tạo. Kết Luận: Qua phân tích ở trên để phù hợp với yêu cầu và kỹ thuật. Vậy em chọn kiểu dáng kết cấu cho công tắc tơ mà em thiết kế là: Mạch từ: chữ ш. Kiểu hút: hút thẳng. Tiếp điểm: một pha hai chỗ ngắt. Buồng dập hồ quang: kiểu dàn dập. Hệ thống phản lực: 3 lò xo tiếp điểm chính. 2 lò xo nhả. 2 lò xo tiếp điểm phụ. Vỏ: nhựa cứng. Từ các yếu tố đã chọn ở trên ta có kiểu dáng công tắc tơ mà em thiết kế như hình vẽ: Trong đó: 1: Lò xo nhả 2: Nam châm điện. 3: Tiếp điểm tĩnh. 4: Buồng dập hồ quang. 5: Tiếp điểm động. 6: Nắp nam châm điện. 7: Cuộn dây. c. Chọn khoảng cách cách điện. Khoảng cách cách điện đóng một vai trò rất quan trong ảnh hưởng tơi kích thước của công tắc tơ và mức độ vận hành sao cho an tòan. Khoảng cách điện phụ thuộc vào các yếu tố sau: Điện áp định mức. Môi trường làm việc. Quá trình dập tắt hồ quang. Ta có thể xác định khoảng cách cách điện theo các phương pháp sau: + Theo độ bền làm việc pha. + Theo độ bền điện các phần tử mạng điện so với đất. + Theo chế độ bền điện ngay trong nội tại của công tắc tơ đối với các phần tử mang điện. Nếu ta chọn khoảng cách quá nhỏ thì dễ xảy ra phóng điện, nếu chọn khoảng cách lớn sẽ tăng kích thước công tắc tơ. Đối với các pha với nhau điện áp lớn hơn điện áp giữa các pha phần tử mang điện đối với đất, hơn nữa vỏ của các công tắc tơ được làm bằng nhựa cứng, do đó cách điện với đất tốt, làm việc hoàn toàn an toàn. Do đó cách điện giữa các pha trong công tắc tơ là quan trọng nhất, vì vậy ta phải xác định khoảng cách này. Nếu ta chọn khoảng cách cách điện theo phương pháp (độ bền điện giữa các pha) nếu khoảng cách này thoả mãn thì dẫn đến hai phương pháp kia cũng đảm bào an toàn khi làm việc. Chúng ta chọn khoảng cách cách điện tối thiểu theo bảng (1-2)/14-quyển1 với: Uđm = 400 (V) ta có : lcđ ³ 5 (mm) Nên ta chọn lcđ = 10 (mm), lrò = 30 (mm). Khi chọn khoảng cách cách điện nó còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của vật liệu, bụi, độ bẩn, trạng thái bề mặt cách điện giữa các pha. Vì vậy khi thiết kế hình dạng cấu trúc của cách điện sao cho khi vận hành bụi bẩn không phủ lên chúng. Vậy để giảm kích thước của công tắc tơ và loại trừ khả năng bụi bẩn nên chọn kết cấu của cách điện dạng gờ, mái bật như hình vẽ : lrò Phần II: Thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện. Mạch vòng dẫn điện của công tắc tơ bao gồm: Thanh dẫn, hệ thống tiếp điểm và các đầu nối. Yêu cầu cơ bản của mạch vòng dẫn điện: + Đảm bảo độ bền cơ, độ bền động và độ bền nhiệt. + Khi làm việc ở chế độ dài hạn với Iđm nhiệt độ phát nóng cho phép của mạch vòng không vượt quá nhiệt độ cho phép. Khi làm việc ở chế độ ngắn mạch trong khoảng thời gian cho phép, mạch vòng phải chịu được lực điện động do vòng ngắn mạch gây ra mà các tiếp điểm không bị nóng chảy và hàn dính lại. +Trong quá trình đóng ngắt mạch điện thường xuyên cũng như có sự cố, xuất hiện sự va đập cơ khí và rung động. Mạch vòng dẫn điện phải đảm bảo độ bền vững hoạt động tin cậy và đảm bảo tuổi thọ. Khi thiết kế mạch vòng dẫn điện phải có điện trở nhỏ nhất, để giảm tối thiểu tổn hao công suất trên nó và dẫn điện tốt. Mạch vòng dẫn điện trong công tắc tơ cần thiết kế bao gồm hai mạch vòng riêng biệt: Mạch vòng dẫn điện chính Mạch vòng dẫn điện phụ. A. mạch vòng dẫn điện chính: Trong đó: 1: Lò xo tiếp điểm chính. 2: Thanh dẫn động. 3: Tiếp điêm động. 4: Vít đầu nối. 5: Thanh dẫn tĩnh. 6: Tiếp điểm tĩnh. I. thanh dẫn: Thanh dẫn công tắc tơ gồm: Thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh, trên thanh dẫn động có gắn tiếp điểm động còn trên thanh dẫn tĩnh có gắn tiếp điểm tĩnh. Thanh dẫn tĩnh phải có kích thước lớn hơn thanh dẫn động vì nó có gia công bắt vít nối với hệ thống bên ngoài và chịu lực va đập cơ khí của phần động. I.1 Tính toán thanh dẫn động: 1. Chọn vật liệu để thanh dẫn: Để thanh động dẫn điện tốt và đảm bảo độ bền cơ ta chọn vật liệu có điện trở suất càng nhỏ càng tốt và có độ bền cơ cao. Theo bảng (2 – 13)- quyển 1 ta chọn vật liệu thanh dẫn động là đông kéo nguội có tiết diện hình chữ nhật ký hiệu MI – TB có các thông số kỹ thuật sau: q = 1083 (oC)  : Nhiệt độ nóng chảy. r20 = 0,01741.10-3 (Wmm)  : Điện trở suất 20 oC. a = 0,0043 (1/oC)  : Hệ số nhiệt điện trở l = 3,9 (W/cmoC)  : Độ dẫn điện. g = 8,9 (g/cm3) : Khối lượng riêng. HB = 80 á 120 (kg/mm2) : Độ cứng Brinen. [qcp] = 95oC : Nhiệt độ phát nóng cho phép. Chọn thanh dẫn động có tiết diện dạng chữ nhật với kích thước là a, b như hình vẽ: 2. Tính toán thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn. Xác định kích thước a, b: Theo công thức (2 – 6)– quyển 1 ta có: Trong đó: Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức. n = = (4 á 10) : tỷ số giữa hai cạnh. Chọn n = 6. kf: Hệ sổ tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần. Theo trang 18 quyển 1 ta có:  kf = (1,03 á 1,06). Ta chọn kf = 1,04 kT: Hệ số toả nhiệt ra không khí. Theo bảng (6 - 5)– quyển 1 ta có: kT = (6 á 9) (W/m2oC) Chọn kT = 6 (W/m2 oC) = 6.10-6 (W/mm2oC). tôđ = [q] – qmôi trường: Độ tăng nhiệt độ ổn định. Với [q] = 95oC : Nhiệt độ phát nóng cho phép của của thanh dẫn. qmôi trường = 40oC: Nhiệt độ môi trương. Nên tôđ = 95 – 40 = 55oC. rq : Điện trở suất vật dẫn ở nhiệt độ phát nóng cho phép. Ta có: rq = r20. [1 + a. ( [q] – 20) ] (Wmm). Theo bảng (6 – 2)– quyển 1 ta có: r20 = 0,01741.10-3 (Wmm). a = 0,0043 (1/oC): Hệ số nhiệt điện trở. Vậy điện trở suất của thanh dẫn ở nhiệt độ phát nóng cho phép : rq = 0,01741.10-3. [1 + 0,0043. (95 – 20)] = 0,023.10-3 (Wmm ). Nên ta có: b = Ta có tỷ số: = 6 đ a = 6.b = 6.1,45 = 8,7 (mm). Vậy kích thước thanh dẫn tối thiểu là: a = 8,7 (mm). b = 1,45 (mm). Mặt khác thanh dẫn ngoài việc dẫn điện tốt thì nhiệt độ phát nóng của nó không vượt quá trị số cho phép và thanh dẫn còn phải đủ lớn để gắn tiếp điểm lên trên. Vậy kích thước của thanh dẫn còn phụ thuộc vào đường kính của tiếp điểm. Theo bảng (2 - 15)– quyển 1: Với Iđm = 60 (A) ta có dtđ = (16 á 20) (mm) : đường kính tiếp điểm. htđ = (1,4 á2,5) (mm): chiều cao tiếp điểm. Chọn đường kính tiếp điểm: dtđ = 14 (mm). Nên chiều dài thanh dẫn a = 14+ (1á2) Vậy ta chọn kích thước của thanh dẫn động như sau: a= 16 (mm). b= 1,5 (mm). 3. Kiểm nghiệm lại thanh dẫn. 3.1 Tính toán kiểm nghiệm lại thanh dẫn ở chế độ dài hạn: a. Mật độ dòng điện dài hạn: Jtđ = (A/mm2). Trong đó: I = Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức. S = Stđ = a. b = 1,5. 16= 24 (mm2): Tiết diện thanh dẫn. Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn: Jtđ = = 2,5 (A/mm2) So sánh Jtđ < [Jtđ] = 4 (A/mm2) là phù hợp. b.Tính toán nhiệt độ thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn: Theo công thức (2- 4)/18 - Quyển 1 ta có: S.P = qtđ = (o C). Trong đó: qtđ: Nhiệt độ phát nóng ổn định thanh dẫn. Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức. kf = 1,04: Hệ số tổn hao phụ. S = 24 (mm2): Tiết diện thanh dẫn. P = 2. (a + b) = 2. (16+1,5 )= 35 (mm): Chu vi thanh dẫn. qmt = 40 (oC): Nhiệt độ môi trường. r0 - Điện trở suất vật liệu ở 00C. Ta có : r20 = r0. (1 + a20) Mà r0 = = = 0,016.10-3 (Wmm). Nên nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn : qtđ = = 54,68 (o C) qtđ = 54,1 (oC) Vậy ta so sánh với nhiệt độ cho phép : qtđ < [qcp] = 95oC là thích hợp. 3.2 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm viêc ngắn hạn: Tính mật độ dòng điện trong thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch với các thời gian ngắn mạch khác nhau. Theo công thức (6 – 21)– quyển 1 ta có: Jnm2. tnm = Anm – Ađ Jnm = (A/mm2). Trong đó: Jnm = Jbn : Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt. tnm = tbn : Thời gian ngắn mạch, bền nhiệt. Abn, Ađ : Giá trị hằng số tích phân ứng với nhiệt độ bền nhiệt và nhiệt độ đầu. Nhiệt độ bền nhiệt của thanh dẫn là: 300 (oC). Tra đồ thị (6 – 6)– quyển 1 ta được: qbn = 300 (o C) đ Anm = 4.104 (A2S/mm4). qđ = 95 (oC) = 1,7.10-4 (A2S/mm4). Ta có: Anm – Ađ = 4.104 – 1,7.104 = 2,3.104 (AS/mm4). Với các thời gian ngắn mạch khác nhau ta có: tnm = 3 (s) đ Jnm = 87,56 (A/mm2) tnm = 4 (s) đ Jnm = 75,83 (A/mm2) tnm = 10 (s) đ Jnm = 47,96 (A/mm2) So sánh với mật độ dòng điện bền nhiệt cho phép đối với thanh dẫn đồng ở bảng (6 – 7)- quyển 1 ta có bảng sau: Tnm (S) 3 4 10 [Jnm] (A/mm2) 94 82 51 Jnmtt(A/mm2) 87,56 75,83 47,96 Như vậy: Jnm < [Jnm] nên ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn vẫn đảm bảo làm việc tốt và tin cậy. Kết luận: Vậy kích thước đã chọn và tính toán a= 16 (mm). b=1,5 (mm). thì mật độ làm việc trong chế độ làm việc dài hạn và ngắn hạn hoàn toàn thoả mãn yêu cầu về kỹ thuật. I.2 tính toán thanh dẫn tĩnh: Khi làm việc thanh dẫn tĩnh cũng chịu một dòng điện như thanh dẫn động. Như ta đã nói ở trên còn cần phải có độ bền về cơ để gia công lỗ sắt vít đầu nối và chịu va đập cơ khí khi đóng ngắt mạch điện. Vì vậy ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động. Ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau: a = 20 (mm) b = 2 (mm) Mật độ dòng điện thanh dẫn tĩnh là: Jt = = = 1,5 (A/mm2). Trong đó: St = a.b = 20. 2 = 40 (mm2): Tiết diện thanh dẫn tĩnh. I = Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức. Vậy Jt = 1,5 (A/mm2) < [Jcp] = 4 (A/mm2) là phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Như vậy kích thước thanh dẫn tĩnh là: a= 20 (mm). b= 2 (mm). ii. vít đầu nối: Đầu nối dùng để nối dây dẫn mạch ngoài với thanh dẫn tĩnh. Nó là một phần tử quan trọng trong hệ thống mạch vòng. Nếu không đảm bảo rất dễ bị hư hỏng trong quá trình vận hành. ii.1 yêu cầu đối với đầu nối: Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức không vượt quá trị số cho phép. Do đó mối nối phải có kích thước và lực ép tiếp xúc (Ftx) đủ để điện trở tiếp xúc (Rtx) không lớn ít tổn hao công suất. Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ, bền điện và độ bền nhiệt khi dòng ngắn mạch chạy qua. Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phát nóng phải ổn định khi công tắc tơ vận hành. ii.2 chọn dạnh kết cấu mối nối: Căn cứ vào ứng dụng của công tắc tơ với dòng định mức Iđm= 60(A) ta chọn kiểu mối nối tháo rời ren sử dụng vít M6x15 tra bảng(2-3)- quyển 1 và kiểu mối nối như hình sau: Trong đó: 1: Vít M6x15 2: Long đen. 3: Thanh dẫn đầu ra. 4: Thanh dẫn tĩnh. ii.3 tính toán đầu nối: 1. Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức: Stx = (mm2). Theo kinh nghiệm thiết kế và tham khảo tài liệu hướng dẫn với dòng điện định mức Iđm = 60 (A) đối với thanh dẫn bằng đồng mật độ dòng điện có thể lấy bằng 0,31 (A/mm2) tại chỗ tiếp xúc với dòng xoay chiều có tần số 50 Hz. Vậy Stx = = 193,5 (mm2). 2. Lực ép tiếp xúc được tính theo công thức: Ftx = ftx.Stx (kg). Trong đó: Stx= 193,5 (mm2): Diện tích tiếp xúc ftx: Lực ép tiếp xúc riêng trên mối nối thanh đồng. Theo quyển 1- trang 33 ta có : ftx = (100á150) (kg/cm2). Chọn ftx = 115 (kg/cm2). Vậy ta có lực ép tiếp xúc : Ftx = 110.193,5.10-2 = 222,52 (kg) = 2225,2 (N) So sánh với lực ép cho phép Ftx = 2,225 (KN) < 2,3 (KN) là phù hợp. 3. Điện trở tiếp xúc: Theo công thức (2 – 25)– quyển 1 ta có: Rtx = (W) Trong đó: ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu. Theo trang 59-quyển 1 ta có: ktx= (0,09á0,14).10-3 (Wkg) m : là hệ số phụ thuộc hình thức tiếp xúc. Vì hai thanh dẫn ghép có vít, cho nên ở đây tiếp xúc là tiếp xúc mặt nên theo trang 59 – quyển 1 ta có : m = 1. Nên điện trở tiếp xúc : Rtx = = 0,005.10-3 (W). 4. Điện áp tiếp xúc mối nối : Theo công thức (2 – 27)– quyển 1: Utx = Rtx.Iđm (V) Trong đó: Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức. Rtx= 0,005 (W). Utx = 0.005.10-3. 60 = 0,30.10-3 (V) = 0,30 (mV). So sánh với [Utx] = (2 á 30) (mV) là phù hợp. iii. tiếp điểm: Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt mạch điện. Vì vậy kết cấu và thông số của tiếp điểm có ảnh hưởng đến kết cấu và kích thước toàn bộ công tắc tơ, tuổi thọ của công tắc tơ. iii.1 yêu cầu của tiếp điểm : Khi công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép. Với dòng điện lớn cho phép tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động. Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dòng điện 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. iii.2 chọn kết cấu và vật liệu tiếp điểm : Qua tham khảo tài liệu và với dòng điện định mức Iđm= 60 (A) ta chọn dạng kết cấu tiếp điểm là : tiếp xúc điểm kiểu trụ cầu- trụ cầu ( theo trang 37- quyển 1). Vật liệu tiếp điểm cần có độ bền cơ cao dẫn điện và dẫn nhiệt tốt với dòng Iđm= 60 (A ) theo bảng (2-13)- quyển 1 : Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là kim loại gốm : Ag-Niken than chì. Ký hiệu : KMK- A32M. Loại kim loại gốm rất tốt có khả năng đáp ứng nhu cầu cho tiếp điểm có độ cứng cao, điện trở suất nhỏ và ổn định khi làm việc ở chế độ dài hạn. Các thông số kĩ thuật của KMK – A32M. g = 8,7 (g/cm3) : Khối lượng riêng. qnc = 3403 (oC)  : Nhiệt độ nóng chảy r20 = 4,0.10-5 (Wmm)  : Điện trở suất ở 20oC l = 3,25 (W/cmoC)  : Độ dẫn nhiệt. HB = (65 á 85) (kg/mm2) : Độ cứng Brinen Chọn HB = 75 (kg/mm2) a = 3,5.10-3 (1/oC) : Hệ số nhiệt điện trở. iii.3 tính toán tiếp điểm: 1. Chọn kích thước cơ bản: Kết cấu của tiếp điểm như đã nói ở trên có hình dạng trụ cầu. Kích thước ta chọn phù thuộc giá trị định mức, kết cấu tiếp điểm và số lần đóng ngắt. Theo bảng (2-15)- quyển 1 với dòng Iđm= 60 (A) ta có: d= 12á16 (mm). h= 1,4á2,5 (mm). Chọn kích thước của tiếp điểm động: ađ= 14 (mm). bđ= 2 (mm). Ta chọn kích thước của tiếp điểm tĩnh lớn hơn so với tiếp điểm động: at= 16 (mm). bt= 2,5 (mm). d h 2. Lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc: Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài han. Trong chế độ ngắn mạch dòng điện lớn lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và rung. Lực ép tiếp điểm được xác định theo công thức lý thuyết và công thức thực nghiệm a. Theo công thức lý thuyết: Từ công thức (2- 14)- quyển 1 ta có: Ftđ = Mà Ftđ = n. Ftđ1 Với n là số điểm tiếp xúc. Theo trang 53- quyển 1 ta có n=1 vì tiếp điểm động và tiếp điểm chính có dạng trụ cầu nên tiếp xúc ở đây là tiếp xúc điểm. Nên lực ép tiếp điểm: Ftđ = Ftđ1 Trong đó: Iđm = 60 (A) – Dòng điện định mức. HB = 75 (kg/mm2) Độ cứng Briven vật liệu làm tiếp điểm. l = 0,325 (W/cmoC) - Độ dẫn nhiệt A = 2,3. 10-8 (V/oC) – Hằng số Loren. Theo trang 53 quyển 1 ta có: Ttđ = qtđ + 273(oK) = 54,68 + 273 = 327,68 (oK) Ttx : Nhiệt độ nơi tiếp xúc. Ttx = Ttđ + DT. DT = (5 á 10) (oK) : Độ chênh nhiệt ở chỗ tiếp xúc và xa nơi tiếp xúc. Chọn DT = 5 (oK ) Ttx = 327,1 + 5 = 332,1 (oK) Ta có lực ép tại một điểm tiếp xúc : Ftđ1 = = 0,0012(kg). Ftđ1 = 0,012 (N). Vậy lực ép tiếp điểm Ftđ= 1.Ftđ1= 0,012 (N). b. Phương pháp kinh nghiệm: Theo công thức (2 – 17)- quyển 1 ta có: Ftđ = ftđ. Iđm. Trong đó: ftđ: lực tiếp điểm đơn vị. Theo bảng (2 – 17)- quyển 1 ta có : ftđ = (7 á 15) (G/A) Chọn ftđ = 10 (G/A). Iđm= 60 (A): dòng điện định mức. Nên ta có lực ép tiếp điểm: Ftđ1 = 10. 60 = 0,6 (KG) = 6 (N). So sánh hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm: khi dòng điện nhỏ cần có dự trữ lực, còn khi có dòng điện lớn cần tăng lực để đảm bảo độ ổn định điện động và ổn định nhiệt của tiếp điểm. Vì vậy ta chọn lực tiếp điểm Ftđ = 6(N). 3. Tính điện trở tiếp xúc: Để tính điện trở tiếp xúc ta có hai phương pháp: tính theo lý thuyết và theo thực ngiệm. a.Tính theo lý thuyết. Theo công thức (2 – 24)- quyển 1: Rtx = . (W). Trong đó: rq: điện trở suất vật dẫn ở nhiệt độ ổn định. Với: rq = r20.[ 1+ a. (95- 20)]. Trong đó: r20 = 4.10-5 (Wmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 200C. a = 3,5.10-3 (1/0C): hệ số nhiệt điện trở. Nên ta có: rq = 4.10-5. [ 1+ 3,5. 10-3. (95-20)] = 0,05. 10-3(Wmm). HB= 75 (kg/mm2). Ftđ= 6 (N). Vậy ta có điện trở tiếp xúc: Vậy Rtx = = 0,15.10-3 (W). b. Tính theo kinh nghiệm: Theo công thức (2 – 25)- quyển 1: Rtx = (W). Trong đó: ktx: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu. Theo trang 56- quyển 1 ta có: ktx= (0,2á0,3). 10-3 Chọn ktx= 0,25. 10-3 m= 0,5: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc (vì tiếp xúc giữa hai tiếp điểm là tiếp xúc điểm). Ftđ = 6 (N) – Lực ép tiếp điểm. Vậy ta có điện trở tiếp điểm: Rtx = = 0,32. 10-3 (W). Để thoả mãn cho việc tính toán điện áp rơi ta chọn: Rtx = 0,32. 10-3 (W). 4. Tính điện áp rơi trên điện áp tiếp xúc: Theo công thức (2 – 27)– quyển 1 ta có: Utx = Rtx . Iđm (V). Trong đó: I = Iđm = 60 (A). Rtx = 0,32. 10-3 (W). Vậy điện áp tiếp xúc: Utx = 60. 0,32. 10-3 = 19,2. 10-3 (V) = 19,2 (mV). So sánh với [Utx] = (2 á 30) (mV) là phù hợp. 5. Tính nhiệt độ tiếp điểm: Theo công thức (2 – 11)– quyển 1: qtđ = Trong đó: Iđm = 60 (A): dòng điện định mức. qmt = 40 (oC): nhiệt độ môi trường. rq = r95 = 0,05. 10-3 (Wmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở nhiệt độ ổn định KT = 6. 10-6 (W/mm2oC): Hệ số nhiệt điện tử. l = 0,325 (W/mm2oC): Hệ số truyền nhiệt. S (mm2): tiết diện tiếp điểm Stđ= p P(mm): chu vi tiếp điểm Ptđ = p.d = 3,14. 14 = 43,96 (mm). Rtđ : điện trở tiếp điểm. Rtđ = 2r0. (W). Trong đó: rq = 0,05. 10-3 (Wmm) . htđ = 2 (mm). Stđ = 153,86 (mm2). Nên điện trở tiếp điểm : Rtđ = = 1,3. 10-6 (W) Vậy nhiệt độ tiếp điểm : 6. Tính nhiệt độ tiếp xúc : Theo công thức (2 – 12)– quyển 1. qtx = Trong đó : qtđ = 44,47 (oC): nhiệt độ tiếp điểm. Iđm = 60 (A): dòng điện định mức. Rtx = 0,32. 10-3(W): điện trở tiếp xúc. l = 0,325 (W/ mm0C): độ dẫn nhiệt. rq = 0,05. 10-3(Wmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm. Nên ta có nhiệt độ tiếp xúc: qtx = Vậy ta so sánh nhiệt độ tiếp xúc qtx< [qcp] = 180 0C là phù hợp. 7. Dòng điện hàn dính tiếp điểm: Khi dòng điện lớn hơn dòng điện định mức, tiếp điểm bị đẩy ra do lực điện động lớn Rtx tăng lên. Tiếp điểm bị hàn dính do nhiệt độ tiếp xúc tăng lên. Có hai tiêu chuẩn đánh giá sự hàn dính. + Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính. + Trị số của dòng điện bị hàn dính. Ith: Là dòng điện tới hạn hàn dính. Tại đó tiếp điểm không bị hàn dính nếu cơ cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm ra. Tính dòng hàn dính theo hai phương pháp: Theo lý thuyết. Theo thực nghiệm. a.Tính theo lý thuyết: Theo công thức (2 – 33)– quyển 1: Ihd = A.. (A). Trong đó: fnc: hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc. Theo trang 66 quyển 1 ta có: fnc = (2 á 4) Chọn fnc = 3 Ftđ= 0,6 (kg) : lực ép tiếp điểm. A: hằng số vật liệu làm tiếp điểm. Theo công thức (2 – 34)/66 – quyển 1 ta có: A = Trong đó: a = 3,5. 10-3(1/oC): hệ số nhiệt điện trở. HB = 75 (kg /mm2): độ cứng Briven. l = 0,325 (W/mmoC): hệ số truyền nhiệt. qnc= 3403 (oC): nhiệt độ nóng chảy vật liệu làm tiếp điểm. r0: điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 0 0C. mà ta có: r0 = Ta có hằng số vật liệu làm tiếp điểm: Vậy ta có dòng điện hàn dính: Ihd = 1503. = 2016 (A). Như thiết kế ban đầu: Ing.m =Iđm = 10. 60 = 600 (A). Vậy Ingm << Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính. b. Tính theo thực nghiệm: Theo công thức (2 – 36)– quyển 1: Ihd = khd. Trong đó: khd : hệ số hàn dính của tiếp điểm. Xác định theo bảng (2 – 19)-quyển 1. Chọn khd = 1000 (A /kg). Ftđ = 0,6 (kg): lực ép tiếp điểm. Vậy ta có dòng hàn dính: Ihd = 1000. = 775 (A). Như thiết kế ban đầu ta có: Ingm = 10. Iđm = 10. 60 = 600 (A) Vậy Ingm < Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính. iv. độ mở độ lún tiếp điểm: 1. Độ mở: m Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách của tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh khi ở vị trí ngắt của công tắc tơ. Cần xác định độ mở của tiếp điểm sao cho khi ngắt hồ quang sẽ bị kéo dài tới độ dài tới hạn và bị dập tắt. Nếu chọn m lớn thì dễ nhưng sẽ tăng kích thước công tắc tơ. Nếu chọn nhỏ khó dập hồ quang, gây nguy hiểm khi vạn hành. Với Iđm = 60 (A); Uđm = 400 (V). Theo trang 41 – quyển 1 ta có: m= 6á12 (mm). Ta chọn độ mở của tiếp điểm m = 6 (mm). 2. Độ lún tiếp điểm: l Độ lún của tiếp điểm là quãng đường mà tiếp điểm động đi được nếu như không có tiếp điểm tĩnh cản lại. Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép tiếp điểm vì trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn, tiếp điểm vẫn đảm bảo tiếp xúc tốt. Theo công thức trang 42 - quyển 1 ta có. l = A + B. Iđm Trong đó: A = 1,5 (mm) B = 0.,02 (mm/A) Vậy l = 1,5 + 0,02. 60 = 2,7 (mm). Chọn độ lún của tiếp điểm l= 3 (mm). V. độ rung của tiếp điểm: Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc có xung ra lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra hiện tượng rung của tiếp điểm. Khi ngắt cũng xảy hiện tượng rung tiếp điểm. Quá trình rung đước đánh giá trị số rung của biên độ lớn nhát của lần va đập đầu tiên Xm và thời gian rung tương ứng là tm. 1. Xác định trị số biên độ rung: Theo công thức (2 – 39) ta có biên độ rung của một cặp tiếp điểm. Trong đó: Ftđđ = ( 0,5 á 0,7). Ftđc . Ta chọn Ftđđ = 0,6 . Ftđc Mà Ftđc = Ftđ = 0,6 ( kg) Ftđđ = 0,6 . Ftđc = 0,6 . 0,6 = 0,36 ( kg) mđ = ( kg.s2/m): khối lượng phần động. mà: Gđ = mc. Iđm ( kg) Theo bảng (2-17)- quyển 1 ta có: mc = (7á15). 10-3 (kg/A) Chọn mc = 10. 10-3 (kg). Gđ = 10 . 10-3 . 60 = 0,6 (kg). Lấy g = 9,8 (m/s2): gia tốc trọng trường. Nên khối lượng phần động: mđ = vđ = 0,1 (m/s): vận tốc tại thời điểm va đập. kv: hệ số va đập Theo trang 72 - quyển 1 ta chọn hệ số va đập kv= 0,9. Vậy Công thức trên xác định biên độ rung của một cặp tiếp điểm. Vì ở đây ta thiết kế công tắc tơ xoay chiều ba pha có 3 cặp tiếp điểm thường mở nên ta có biên độ rung: 2. Xác định thời gian rung tiếp điểm: Theo công thức (2-40)- quyển 1 ta có thời gian rung của một cặp tiếp điểm: Trong đó: mđ = 0,061 (kg.s2/m): khối lượng phần động. vđ = 0,1 (m/s): vận tốc tại thời điểm va đập. Ftđđ = 0,36 (kg). Vậy thời gian rung của một cặp tiếp điểm: ở đây công tắc tơ có ba cặp tiếp điểm thường mở nên ta có thời gian rung của tiếp điểm: So sánh tm < [tm] = 10 (ms) là phù hợp. VI. sự ăn mòn của tiếp điểm: Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng ngắt mạch điện. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, ăn mòn về điện và ăn mòn về cơ. Nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn là do quá trình mòn điện. 1. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ăn mòn: Do điều kiện làm việc: Trị số điện áp nguồn. Trị số dòng điện. Đặc tính phụ tải. Tần số đóng cắt. Môi trường làm việc. Do kết cấu của công tắc tơ: Thời gian đóng và ngắt. Độ rung của tiếp điểm. Vật liệu tiếp điểm. Kết cấu của dạng tiếp điểm. Cường độ từ trường giữa hai tiếp điểm. Tốc độ chuyển động của tiếp điểm động. 2. Tính toán độ mòn của tiếp điểm: Theo công thức (2-54)- quyển 1 ta có: gđ + gng = 10-9.( kđ. I2đ + kng. I2ng). kkđ Trong đó: (gđ + gng): khối lượng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt. Iđ = 4. Iđm= 4. 60 = 240 (A): dòng điện khi đóng. Ing= 4. Ing= 4. 60 = 240 (A): dòng điện khi ngắt. kđ, kng: hệ số mòn khi đóng và khi ngắt. Theo bảng (2-21)- quyển 1 ta chọn: kđ = kng = 0,05 ( g/A2). kkđ = (1,1á 2,5): hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn( theo trang 79- quyển 1). Chọn kkđ = 2,2. Vậy khối lượng mòn một lần đóng ngắt: gđ + gng = 10-9 .( 0,05 . 2402 + 0,05 . 2402 ). 2,2 = 1,28. 10-5 (g). Khối lượng hao mòn của 1 cặp tiếp điểm sau 105 lần đóng ngắt: gm. Gm = 105 (gđ + gng) = 105. 10-5. 1,28 = 1,28 (g). Vậy sau 105 lần đóng ngắt tiếp điểm mòn: m = 1,28 (g) Khối lượng tiếp điểm: gtđ = vtđ. g Trong đó: g = 8,7 ( g/cm3): khối lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm. vtđ = vtđđ+ vtđt (cm3): thể tích của tiếp điểm. vtđđ = Sđ. hđ = p.hđ = vtđt = St. ht = p.ht = đ thể tích tiếp điểm: vtđ = 809. 10-3 (cm3). Vậy khối lượng của tiếp điểm: gtđ = vtđ. g gtđ = 809. 10-3. 8,7 = 7,03 (g). Vậy độ mòn tiếp điểm 18,28% < 70%. Nên sau 105 lần đóng ngắt tiếp điểm vẫn làm việc tốt. Các biện pháp khắc phục và tăng cường chịu mài mòn của tiếp điểm là: Chọn vật liệu có độ bên cơ cao Giảm thời gian cháy của hồ quang. Giảm thời gian rung của tiếp điểm. b. Mạch vòng dẫn điện phụ: Mạch vòng dẫn điện phụ gồm thanh dẫn, đầu nối và tiếp điểm. Quá trình tính toán mạch vòng dẫn điện phụ cũng giống như mạch vòng dẫn điện chính. I. thanh dẫn: I.1 Thanh dẫn động: 1.Chọn vật liệu thanh dẫn: Ta chọn vật liệu giống như thanh dẫn mạch vòng dẫn điện chính. Vậy ta chọn là đồng. Kí hiệu: MI - TB - tiết diện hình chữ nhật có 2 cạnh a và b, các thông số kĩ thuật đã nêu ở phần mạch vòng dẫn điện chính. Có hình dạng như hình vẽ: 2. Tính toán thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn: Xác định kích thước của thanh dẫn theo công thức (2-6)- quyển 1ta có: Trong đó: Chọn : tỷ số giữa hai cạnh. I = Iđmp = 5 (A): dòng điện định mức của mạch vòng phụ. kf = 1,04: hệ số tổn hao phụ. kT = 6. 10-6 (W/mm2C): hệ số tỏa nhiệt ra không khí. tôđ = [qcp] - qmt = 95 - 40 = 55 (0C). rq : điện trở suất của vật dẫn ở nhiệt độ phát nóng cho phép. Mà ta có: rq =r20. [1 + a (q - 20)] = 0,01741 . [1 + 0,0043 . (95 - 20)] = 0,023 . 10-3(Wmm). trong đó a = 0,0043 (1/0C): hệ số nhiệt điện trở. Vậy ta có: Mà a = 6. b = 6. 0,28 = 1,68 (mm) Vậy kích thước tối thiểu của thanh dẫn động là: a = 1,68 (mm). b = 0,26 (mm). Với thanh dẫn ngoài việc dẫn điện tốt thì nhiệt độ phát nóng của nó không vượt quá trị số cho phép và thanh dẫn còn phải đủ lớn để gắn tiếp điểm lên trên. Vậy kích thước của thanh dẫn còn phụ thuộc vào đường kính của tiếp điểm. Theo bảng (2 - 15)- quyển 1 với dòng điện định mức Iđm= 5(A) ta có: d = 2á4 (mm): đường kính tiếp điểm. h = 0,3á1(mm): chiều cao tiếp điểm. Ta chọn đường kính của tiếp điểm động: d = 4 (mm). Vậy ta chọn kích thước của thanh dẫn động: a = 5 (mm) b = 0,5 (mm) 3. Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn: 3.1.Tính kiểm nghiệm lại thanh dẫn ở chế độ dài hạn: a.Tính mật độ dòng điện dài hạn: Theo công thức: Trong đó: I = Iđmp = 5 (A): dòng điện định mức của mạch phụ. S = Std = a. b = 5. 0,5 = 2,5 (mm2): tiết diện thanh dẫn. Vậy mật độ dòng điện dài hạn: So sánh mật độ dòng điện cho phép là: [Jcp] < 4 (A/ mm2)là phù hợp. b. Tính nhiệt độ phát nóng thanh dẫn ở chế độ dài hạn: Theo công thức: (2 - 4)- quyển 1 ta có: S.P = qtd = (o C). Trong đó: qtd - Nhiệt độ phát nóng ổn định thanh dẫn. Iđm = 5 (A): dòng điện định mức. kf = 1,04: hệ số tổn hao phụ. S = 2,5 (mm2): Tiết diện thanh dẫn. P = 2. (a + b) = 2. ( 2,5+ 0,5 )= 11 (mm): Chu vi thanh dẫn. qmt = 40 (oC): Nhiệt độ môi trường. r0 - Điện trở suất vật liệu ở 00C. Ta có : r20 = r0. (1 + a20) Mà r0 = = = 0,016.10-3 (Wmm). Nên nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn : qtd = = 43, 27 (o C). qtd = 43,27 (oC) Vậy ta so sánh với nhiệt độ cho phép : qtđ < [qcp] = 95oC là thích hợp. 3.2. Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm việc ngắn hạn: Tính mật độ dòng điện trong thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch với các khoảng thời gian khác nhau. Theo công thức (6 – 21)– quyển 1 ta có: Jnm2. tnm = Anm – Ađ Jnm = (A/mm2). Trong đó: Jnm = Jbn : Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt. tnm = tbn : Thời gian ngắn mạch, bền nhiệt. Abn, Ađ : Giá trị hằng số tích phân ứng với nhiệt độ bền nhiệt và nhiệt độ đầu. Nhiệt độ bền nhiệt của thanh dẫn là: 300 (oC). Tra đồ thị (6 – 6)– quyển 1 ta được: qbn = 300 (o C) đ Anm = 4.104 (A2S/mm4). qđ = 95 (oC) = 1,7.10-4 (A2S/mm4). Ta có: Anm – Ađ = 4.104 – 1,7.104 = 2,3.104 (AS/mm4). Với các thời gian ngắn mạch khác nhau ta có: tnm = 3 (s) đ Jnm = 87,56 (A/mm2) tnm = 4 (s) đ Jnm = 75,83 (A/mm2) tnm = 10 (s) đ Jnm = 47,96 (A/mm2) So sánh với mật độ dòng điện bền nhiệt cho phép đối với thanh dẫn đồng ở bảng (6 – 7)– quyển 1 ta có bảng sau: Tnm (S) 3 4 10 [Jnm] (A/mm2) 94 82 51 Jnmtt(A/mm2) 87,56 75,83 47,96 So sánh Jnm < [Jnm] nên ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn vẫn đảm bảo làm việc tốt và tin cậy. Kết luận: Vậy kích thước thanh dẫn động đã tính và chọn a =5(mm) b = 0,5(mm) thì mật độ dòng điện trong chế độ dài hạn và ngắn hạn hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu về kỹ thuật. I.2 tính toán thanh dẫn tĩnh: Vì thanh dẫn tĩnh còn cần phải có độ bền cơ để gia công lỗ vít sắt đầu nối và còn chịu va đập khi đóng ngắt mạch điện. Nên ta chọn kích thước thanh dẫn lớn hơn một chút so với thanh dẫn động. Vì vậy ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau: +. Tính toán mật độ dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn: Trong đó: I = Iđmp = 5 (A): dòng điện định mức của mạch phụ. S = a. b = 5. 1 = 5 (mm2): tiết diện thanh dẫn. So sánh với mật độ dòng cho phép: [Jcp] < 4 (A/mm2) là phù hợp. II. tính toán đầu nối: 1. Chọn dạng mối nối: Theo yêu cầu của đầu nối và hình (2-2)- quyển 1 ta chọn kiểu mối nối tháo rời ren vít, sử dụng vít. Theo bảng (2-9)- quyển 1 ta chọn vít loại M3x10. 2. Tính toán vít đầu nối: +. Diện tích bề mặt tiếp xúc xác định theo công thức: Trong đó: Iđmp = 5 (A): dòng điện chạy qua đầu nối. Theo kinh nghiệm thiết kế và theo trang 31- quyển 1với điện xoay chiều f=50 (Hz) và Ipđm=5 (A) đối với thanh dẫn động mật độ dòng điện có thể lấy: J = 0,31 (A/mm2). Ta có diện tích bề mặt tiếp xúc: +.Lực ép tiếp xúc được xác định theo công thức trang33- quyển 1: Ftx = ftx . Stx Theo trang 33- quyển 1 ta có: ftx = 100á150 (kg/cm2): lực ép riêng. Chọn ftx= 100 (kg/cm2). Vậy: Ftx = 100. 16,13. 10-2 = 16,13 (kg) = 161,3 (N) =0,1613 (KN). Theo bảng (20-10)- quyển 1 ta có [Ftx] < 2,3 (KN). Vậy lực ép tiếp xúc Ftx< [Ftx] là phù hợp +. Điện trở tiếp xúc: Theo công thức (2-25) - qyển 1 ta có: Trong đó: ktx = 0,12 . 10-3 (Wkg): hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu. m: hệ số phụ thuộc hình thức tiếp xúc. Vì 2 thanh dẫn ghép có vít cho nên ở đây tiếp xúc là tiếp xúc mặt. Vậy theo trang 59 - quyển 1 ta có: m = 1. Nên ta có điện trở tiếp xúc: +.Tính điện áp tiếp xúc mối nối: Theo công thức (2 - 27) - quyển 1 ta có: Utx = Rtx. Iđm = 0,07. 10-3. 5 = 0,35. 10-3 (V) = 0,35 (mV). So sánh với [Utx] = 2á30 (mV) là thích hợp, cho nên mối nối làm việc đảm bảo. Iii. Tính toán tiếp điểm: III.1 Chọn kết cấu và vật liệu tiếp điểm: Với dòng Iđm = 5 (A) ta chọn tiếp điểm động hình trụ cầu, tiếp điểm tĩnh hình trụ cầu. Tiếp xúc là tiếp xúc điểm. Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là Bạc kéo nguội kí hiệu là: Ag- CP999. Theo bảng (2-15)- quyển 1 ta có các thông số kỹ thuật: g = 10,5 (g/cm3) Khối lượng riêng. qnc= 961 (0C) Nhiệt độ nóng chảy. r20 =1,59. 10-3 (Wm) Điện tử suất ở 200C. l = 4,16 (W/mm0C) Độ dẫn nhiệt. HB = 30 á 60 (kg/mm2) Độ cứng Briven. Chọn: HB = 45 (kg/mm2). a = 0,004 (1/0C) Hệ số nhiệt điện tử. III.2 Tính toán tiếp điểm: 1. Chọn kích thước cơ bản: Kích thước của tiếp điểm ta chọn phù hợp với giá trị của dòng điện, kết cấu và số lần đóng ngắt của tiếp điểm. Theo bảng (2-15)- quyển 1 ta có với Iđm = 5 (A) d = 2 á 4 (mm) : đường kính tiếp điểm. h = 0,6á1,2 (mm) : chiều cao tiếp điểm. Chọn kích thước tiếp điểm tĩnh giống như tiếp điểm động. Vậy ta chọn kích thước của tiếp điểm là: 2. Tính lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc: Lực ép của tiếp điểm được xác định theo công thức lý thuyết và theo công thức thực nghiệm. a. Tính theo công thức lý thuyết: Từ công thức (2 - 14)- quyển 1 ta có: Ftđ = Mặt khác với: Ftđ = n . Ftđ1. vì tiếp xúc giữa 2 tiếp điểm là tiếp xúc điểm nên n = 1(theo trang 53-quyển 1) Vậy lực ép tiếp điểm: Ftđ = Ftđ1. Trong đó: I = Iđm = 5 (A): dòng điện định mức mạch phụ. HB = 45 (kg/mm2): độ cứng Briven. l = 0,416 (W/mm0C): độ dẫn nhiệt. A = 2,3. 10-8 (V/0C): hằng số loren. Ttd: là nhiệt độ thanh dẫn xa nơi tiếp xúc. Ttd = qtd + 273 = 43,27+273 =316,27 (0K). Ttx = Ttd + DT : nhiệt độ nơi tiếp xúc. DT = 5á10 (0K):độ chênh nhiệt ở chỗ tiếp xúc và nơi xa tiếp xúc. Chọn DT = 5 (0K). Ttx = 5+ 316,27 = 321,27 (0K). Nên ta có lực ép tại 1 điểm tiếp xúc: Ftđ1 = = 0,0003(kg). Ftd = 0,0003 (KG) = 0,003 (N) Vậy lực ép tiếp điểm theo công thức lý thuyết: Ftđ = Ftđ1 = 0,003 (N). b. Tính theo công thức kinh nghiệm: Theo công thức (2 - 7)- quyển 1 ta có: Ftđ = ftđ . Iđm. Trong đó: Iđm = 5 (A): dòng điện định mức. ftđ: lực tiếp điểm đơn vị. Theo bảng (2-17)- quyển 1 ta có: ftđ = 5 á 10 (G/A) Chọn: ftđ = 8 (G/A) Vậy lực ép tiếp điểm: Ftđ = 8. 5 = 40 (G) = 0,04 (KG) = 0,4 (N) So sánh 2 kết quả tính theo lý thuyết và thực nghiệm. Khi dòng điện nhỏ cần có dự trữ lực, còn khi có dòng điện lớn cần tăng lực để đảm bảo độ ổn định điện động và ổn định nhiệt của tiếp điểm. Vì vậy dể cho tiếp điểm làm việc tốt ta chọn Ftđ = 0,4 (N) 3. Tính điện trở tiếp xúc: Để tính điện trở tiếp xúc ta tính theo công thức lý thuyết và công thức thực nghiệm. a. Tính theo công thức lý thuyết: Từ công thức (2 - 24)- quyển 1 ta có điện trở tiếp xúc: Rtx = . (W). Trong đó: rq: điện trở suất của tiếp điểm ở nhiệt độ ổn định. rq = r20 [1 + a (95 - 20)] = 0,0159. 10-3. [1+0,004. (95 - 20)] = 0,02. 10-3 (Wmm). Rtx = = 0,2.10-3 (W). b. Tính theo công thức thực nghiệm: Theo công thức (2-25)- quyển 1 ta có điện trở tiếp xúc: Rtx = (W). Trong đó: Ftđ = 0,04 (KG) = 0,4 (N): lực ép tiếp điểm. ktx = 0,6 . 10-3: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu. m = 0,5: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc. Vậy điện trở tiếp xúc: Để thoả mãn tính điện áp rơi ta chọn Rtx = 2,97.10-3 (W). 4.Tính theo điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc: Theo công thức (2-27)- quyển 1: Utx = Iđm. Rtx (V) Trong đó: Iđm= 5 (A): dòng điện định mức. Rtx = 2,97.10-3 (W): điện trở tiếp xúc. Utx = 5. 2,97. 10-3 = 14,85. 10-3 (V) = 14,85 (mV). So sánh với điện áp rơi cho phép [Utx] =2á30 (mV) là thích hợp. 5. Tinh nhiệt độ tiếp điểm: Theo công thức (2 – 11)– quyển 1: qtđ = Trong đó: Iđm = 5 (A): dòng điện định mức. qmt = 40 (oC): nhiệt độ môi trường. rq = 0,02. 10-3 (Wmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở nhiệt độ ổn định KT = 6. 10-6 (W/mm2oC): hệ số tỏa nhiệt. l = 0,416 (W/mm2oC): hệ số truyền nhiệt. S (mm2): tiết diện tiếp điểm Stđ= p P (mm): chu vi tiếp điểm Ptđ = p.d = 3,14. 4 = 12,56 (mm). Rtđ : điện trở tiếp điểm. Rtđ = 2r0. (W). Trong đó: rq = 0,02. 10-3 (Wmm) . htđ = 1,2 (mm). Stđ = 12,56 (mm2). Nên điện trở tiếp điểm : Rtđ = = 4.10-6 (W) Vậy nhiệt độ tiếp điểm : 6.Tính nhiệt độ tiếp xúc : Theo công thức (2 – 12)– quyển 1: qtx = Trong đó : qtđ = 40,93 (oC): nhiệt độ tiếp điểm. Iđm = 5 (A): dòng điện định mức. Rtx = 2,97. 10-3 (W): điện trở tiếp xúc. l = 0,416 (W/ mm0C): độ dẫn nhiệt. rq = 0,02. 10-3(Wmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm. Nên ta có nhiệt độ tiếp xúc: qtx = Vậy ta so sánh nhiệt độ tiếp xúc với nhiệt độ biến dạng tinh thể của vật liệu làm tiếp điểm qtx< [qcp] = 180 0C là phù hợp. 7. Dòng điện hàn dính tiếp điểm. Khi dòng điện lớn hơn dòng điện định mức, tiếp điểm bị đẩy ra do lực điện động lớn Rtx tăng lên. Tiếp điểm bị hàn dính do nhiệt độ tiếp xúc tăng lên. Có hai tiêu chuẩn đánh giá sự hàn dính. +. Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính. +. Trị số của dòng điện bị hàn dính. Ith: Là dòng điện tới hạn hàn dính. Tại đó tiếp điểm không bị hàn dính nếu cơ cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm ra. Tính dòng hàn dính theo hai phương pháp: Theo lý thuyết. Theo thực nghiệm. a.Tính theo công thức lý thuyết: Theo công thức (2 – 33)– quyển 1: Ihd = A.. (A). Trong đó: fnc: hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc. Theo trang 66 quyển 1 ta có: fnc = (2 á 4) Chọn fnc = 2 Ftđ= 0,04 (kg) : lực ép tiếp điểm. A: hằng số vật liệu làm tiếp điểm. Theo công thức (2 – 34)– quyển 1 ta có: A = Trong đó: a = 4. 10-3(1/oC): hệ số nhiệt điện trở. HB = 45 (kg /mm2): độ cứng Briven. l = 0,416 (W/mmoC): hệ số truyền nhiệt. qnc= 3403 (oC): nhiệt độ nóng chảy vật liệu làm tiếp điểm. r0: điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 0 0C. mà ta có: r0 = Ta có hằng số vật liệu làm tiếp điểm: Vậy ta có dòng điện hàn dính: Ihd = 1986. = 562 (A). Như thiết kế ban đầu: Ing.m =Iđm = 10. 5 = 50 (A). Vậy Ingm << Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính. b. Tính theo thực nghiệm: Theo công thức (2 – 36)– quyển 1: Ihd = khd. Trong đó: khd : hệ số hàn dính của tiếp điểm, xác định theo bảng(2–19)-quyển 1. Chọn khd = 980 (A/kg). Ftđ = 0,04 (kg): lực ép tiếp điểm. Vậy ta có dòng hàn dính: Ihd = 980. = 196 (A). Như thiết kế ban đầu ta có: Ingm = 10. Iđm = 10. 5 = 50 (A) Vậy Ingm < Ihd nên tiếp điểm không thể bị hàn dính. III. Độ mở-độ lún tiếp điểm: 1. Độ mở của tiếp điểm: Độ mở tiếp điểm phụ ta chọn giống như độ mở tiếp điểm chính. Vì vậy độ mở của tiếp điểm phụ là: m = 6 (mm) 2. Độ lún của tiếp điểm: l Độ lún của tiếp điểm phụ ta cũng chọn giống như độ lún của tiếp điểm chính. Vậy độ lún của tiếp điểm phụ là: l = 3 (mm). IV. Độ rung tiếp điểm: Tương tự như đối với tiếp điểm chính ta cần xác định số biên độ rung và thời gian rung với lần va đập thứ nhất. 1. Xác định trị số biên độ rung: Theo công thức (2 – 39) ta có biên độ rung của một cặp tiếp điểm. Trong đó: Ftđđ = ( 0,5 á 0,7). Ftđc . Ta chọn Ftđđ = 0,6 . Ftđc Mà Ftđc = Ftđ = 0,04 ( kg) Ftđđ = 0,6 . Ftđc = 0,6 . 0,04 = 0,024 ( kg) mđ = ( kg.s2/m): khối lượng phần động. mà: Gđ = mc. Iđm ( kg) Theo bảng (2-17)/55 - quyển 1 ta có: mc = (5á10). 10-3 (kg/A) Chọn mc = 9. 10-3 (kg). Gđ = 9. 10-3. 5 = 45. 10-3 (kg.A). Lấy g = 9,8 (m/s2): gia tốc trọng trường. Nên khối lượng phần động: mđ = vđ = 0,1 (m/s): vận tốc tại thời điểm va đập. kv: hệ số va đập Theo trang 72 - quyển 1 ta chọn hệ số va đập kv= 0,9. Vậy Công thức trên xác định biên độ rung của một cặp tiếp điểm. Vì ở đây ta thiết kế công tắc tơ xoay chiều ba pha có 2 cặp tiếp điểm phụ thường mở nên ta có biên độ rung: 2. Xác định thời gian rung tiếp điểm: Theo công thức (2-40)- quyển 1 ta có thời gian rung của một cặp tiếp điểm: Trong đó: mđ = 0,0046 (kg.s2/m): khối lượng phần động. vđ = 0,1 (m/s): vận tốc tại thời điểm va đập. Ftđđ = 0,024 (kg). Vậy thời gian rung của một cặp tiếp điểm: ở đây công tắc tơ có ba cặp tiếp điểm thường mở nên ta có thời gian rung của tiếp điểm: So sánh tm < [tm] = 10 (ms) là phù hợp. VI. sự ăn mòn của tiếp điểm: Xác định độ mòn của tiếp điểm ta tính theo công thức (2-54) quyển- 1 ta có: gđ + gng = 10-9.( kđ. I2đ + kng. I2ng). kkđ Trong đó: (gđ + gng): khối lượng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt. Iđ = 4. Iđm= 4. 5 = 20 (A): dòng điện khi đóng. Ing= 4. Ing= 4. 5 = 20 (A): dòng điện khi ngắt. kđ, kng: hệ số mòn khi đóng và khi ngắt. Theo bảng (2-11)- quyển 1 ta chọn: kđ = kng = 0,5 ( g/A2). kkđ = (1,1á2,5): hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn (theo trang 79- quyển 1). Chọn kkđ = 2. Vậy khối lượng mòn một lần đóng ngắt: gđ + gng = 10-9 .( 0,5 . 202 + 0,5 . 202 ). 2,2 =0,08 . 10-5 (g). Khối lượng hao mòn của 1 cặp tiếp điểm sau 105 lần đóng ngắt: gm. Gm = 105 (gđ + gng) = 105. 10-5. 0,08 = 0,08 (g). Vậy sau 105 lần đóng ngắt tiếp điểm mòn: m = 0,08 (g) Khối lượng tiếp điểm: gtđ = vtđ. g Trong đó: g = 10,5 ( g/cm3): khối lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm. vtđ = vtđđ+ vtđt = 2. vtđđ (cm3): thể tích của tiếp điểm. vtđđ = Sđ. hđ = p.hđ = đ thể tích tiếp điểm: vtđ = 2. 15. 10-3 = 30 (cm3). Vậy khối lượng của tiếp điểm: gtđ = vtđ. g gtđ = 30. 10-3. 10,5 = 0,315 (g). Vậy độ mòn tiếp điểm 25,29% < 70%. Nên sau 105 lần đóng ngắt tiếp điểm vẫn làm việc tốt. Phần III: Tính và dựng đặc tính cơ ĐặC ĐIểM CủA CƠ CấU Khác với cơ cấu trong máy điện quay các cơ cấu trong khí cụ điện nói chung và trong công tắc tơ nói riêng chỉ chuyển động trong một giới hạn nhất định được hạn chế bởi các cữ chặn. Khi nghiên cứu cơ cấu công tắc tơ ta chủ yếu khảo sát 2 quá trình. +.Quá trình đóng tiếp điểm. +.Quá trình ngắt tiếp điểm. Quá trình đóng của công tắc tơ thì lực hút điện từ phải thắng được các lực phản của lò xo. Ngược lại quá trình ngắt của công tắc tơ thì các lực phản của quá trình đóng trở thành lực hút điện từ. Yêu cầu cơ bản đối với cơ cấu: Đảm bảo trị số cần thiết của các thông số động lực học của cơ cấu chấp hành như: hành trình, độ mở, độ lún… Lực chuyển động của cơ cấu đảm bảo việc đóng và ngắt của cơ cấu chấp hành khi làm việc dài hạn hay ngắn mạch. Tốc độ của cơ cấu phải đảm bảo thực hiện đúng chức năng. Cơ cấu cần đảm bảo thời gian tác động ở mức cần thiết. Ngoài 4 yêu cầu cơ bản trên còn một số yêu cầu khác tùy thuộc vào các trường hợp sử dụng. A. Tính toán cơ cấu: I. Sơ đồ động. Theo trang 147 - quyển 1 ta có: Trạng thái: (d = 0) Trạng thái (d = m + 1). 1/2 Ftđf 1/2 Ftđf Flxnc + Ftđcc + Gđ Fđf 1/2 Ftđf 1/2 Ftđf Flxnc + Gđ Trong đó: d: khe hở không khí giữa thân và phần ứng. Ftđcc: lực ép tiếp điểm chính cuối lò xo tiếp điểm chính tạo nên. Flxnc: lực ép cuối của lò xo nhả. Fđt: lực hút điện từ Flxnđ: lực ép đầu của lò xo nhả. Ftđf : lực ép tiếp điểm phụ thường mở. Ftđf : lực ép tiếp điểm phụ thường đóng. II. Tính lò xo tiếp điểm chính : Lò xo tiếp điểm chính có tác dụng sinh ra lực ép tiếp điểm khi đóng nhằm làm giảm điện trở tiếp xúc (Rtx) đồng thời khắc phục sự hao mòn tiếp điểm. 1. Chọn kiểu và vật liệu lò xo : Kiểu lò xo phụ thuộc vào sơ đồ động và kết cấu của công tắc tơ và phụ thuộc vào việc chọn vật liệu lò xo. Dựa vào công dụng của khí cụ điện để chọn vật liệu lò xo có ứng xuất cho phép cao hay thấp. Đối với công tắc tơ làm việc với tần số đóng ngắt lớn có tính chống ăn mòn, tuổi thọ cao. Theo bảng (4-1)- quyển 1 ta chọn vật liệu là thép các bon lò xo kiểu xoắn hình trục chịu nén. Kí hiệu I B có các thông số kỹ thuật sau: [dk] = 2650 (N/mm2) Độ bền giới hạn khi kéo. [dđh] = 800 (N/mm2) Độ bền giới hạn đàn hồi. [du] = 930 (N/mm2) Giới hạn cho phép khi uốn. [dX] = 580 (N/mm2 ) Giới hạn cho phép khi xoắn. E= 200 . 103 (N/mm2) Modul đàn hồi. G = 80 . 103 (N/mm2) Môđun trượt. r = (0,19 á 0,22). 10-6 (Wm) Điện trở suất. 2. Lực lò xo của tiếp điểm chính : Lực ép tiếp điểm chính cuối: Ftđcc = Ftđq= 6 (N). Theo trang 154 - quyển 1 ta có lực ép tiếp điểm chính đầu : Ftđcđ = k. Ftđcc. Trong đó: k = (0,5 á 0,7) chọn k = 0,6. Nên lực ép tiếp điểm chính đầu: Ftđcđ = 0,6. Ftđcc = 0,6. 6 = 3,6 (N). Do cấu tạo của hệ thống tiếp điểm là 1 pha có 2 chỗ ngắt cho nên 1 lò xo theo cấu tạo chịu lực tương ứng 2 tiếp điểm. Vậy Ftđcc = Fmax = 2. 6 = 12 (N). Ftđcđ = Fmin = 2. 3,6 = 7,2 (N). 3. Tính toán đường kính dây quấn lò xo : Theo công thức (19 - 6)- quyển 2. Trong đó: d: đường kính dây dẫn lò xo (mm). [dx] = 580 (N/mm2) : giới hạn cho phép khi xoắn. c = 10 : là chỉ số lò xo (nó đặc trưng cho độ cong của các vùng lò xo). D: đường kính trung bình lò xo. k : hệ số xét đến độ cong của dây lò xo. Theo trang 134 - quyển 2 ta chọn : c = 10 ị k = 1,14. F = Ftđcc = 12 (N) : lực ép tiếp điểm chính cuối. Vậy đường kính dây quấn lò xo: Chọn đường kính dây quấn lò xo d = 0,8 (mm). Nên đường kính trung bình của lò xo: D = c. d = 10 .0,8 = 8 (mm) L0 4. Tính số vòng lò xo tiếp điểm chính: Theo công thức (19-7)- quyển 2 ta có số vòng lò xo: Trong đó: DF = Fmax- Fmin = 12 - 7,2 = 4,8 (N). G = 8 . 103 (N/mm2): môđun trượt. d = 0,8 (mm): đường kính dây quấn lò xo. f = l = 3 (mm): khoảng lún lò xo. Nên số vòng của lò xo tiếp điểm chính: chọn W = 5 (vòng). Số vòng toàn bộ lò xo: W0 = W + 1 = 5 + 1 = 6 (vòng). +. Chuyển vị trí lớn nhất của lò xo khi chưa chịut ải tới khi chịu tải max. Theo công thức (19 - 3)- quyển 2: Trong đó: Fmax = 12 (N): lực ép tiếp điểm chính cuối. G = 80. 103 (N/mm2): môđun trượt. +. Bước của lò xo khi chưa chịu tải: Theo công thức (19 - 12 - quyển 2. 5. Tính chiều dài tự do của lò xo: Theo công thức (19 - 11) và (19 - 12)- quyển 2 ta có: l0 = (W0 - 0,5) . d + W (t - d). l0 = (6 - 0,5). 0,8 + 5 (2,8-1) = 14,4 (mm). +. Kiểm nghiệm lại lò xo với độ lún đã chọn. Trong đó: DF = Fmax- Fmin = 12- 7,2 = 4,8 (N). So sánh với độ lún đã chọn là phù hợp.Vậy lò xo đảm bảo độ lún. +. Kiểm nghiệm ứng suất khi xoắn : Theo công thức (4 - 28)- quyển 1. Vậy ứng suất khi xoắn tính toán dx < [dx] = 580 (N/mm2) nên lò xo đảm bảo độ bền cơ. iii. Tính lò xo tiếp điểm phụ: Ta chọn vật liệu thép cacbon như lò xo tiếp điểm chính. Các thông số kỹ thuật như đã nêu ở phần trên. 1. Tính toán lực lò xo tiếp điểm phụ: Lực ép tiếp điểm phụ cuối: Ftđfc = Ftđf = 0,4 (N). Theo trang 154 - quyển 1 ta có lực ép tiếp điểm chính đầu : Ftđfđ = k. Ftđfc. Trong đó: k = (0,5 á 0,7) chọn k = 0,6. Nên lực ép tiếp điểm phụ đầu: Ftđfđ = 0,6. Ftđfc = 0,6. 0,4 = 0,24 (N). Do cấu tạo của hệ thống tiếp điểm là 1 pha có 2 chỗ ngắt cho nên 1 lò xo theo cấu tạo chịu lực tương ứng 2 tiếp điểm. Vậy Ftđfc = Fmax = 2. 0,4 = 0,8 (N). Ftđfđ = Fmin = 2. 0,24 = 0,48 (N). 2. Tính toán đường kính dây quấn lò xo : Theo công thức (19 - 6)- quyển 2. Trong đó: d: đường kính dây dẫn lò xo (mm). [dx] = 580 (N/mm2) : giới hạn cho phép khi xoắn. c =12 : là chỉ số lò xo (nó đặc trưng cho độ cong của các vùng lò xo). D: đường kính trung bình lò xo. k : hệ số xét đến độ cong của dây lò xo. Theo trang 134 - quyển 2 ta chọn : c = 12 ị k = 1,11. F = Ftđfc = 0,8 (N) : lực ép tiếp điểm phụ cuối. Vậy đường kính dây quấn lò xo: Chọn đường kính dây quấn lò xo d = 0,22 (mm). Nên đường kính trung bình của lò xo: D = c. d = 12 .0,22 = 2,64 (mm) 3. Tính số vòng lò xo tiếp điểm phụ: Theo công thức (19-7)- quyển 2 ta có số vòng lò xo: Trong đó: DF = Fmax- Fmin = 0,8 -0,48 = 0,32 (N). G = 8 . 103 (N/mm2): môđun trượt. d = 0,22 (mm): đường kính dây quấn lò xo. f = l = 3 (mm): khoảng lún lò xo. c = 12 Nên số vòng của lò xo tiếp điểm phụ: Chọn W = 12 (vòng). Số vòng toàn bộ lò xo: W0 = W + 1 = 12 + 1 = 13 (vòng). +. Chuyển vị trí lớn nhất của lò xo khi chưa chịu tải tới khi chịu tải max: Theo công thức (19 - 3)/134- quyển 2: Trong đó: Fmax = 0,8 (N): lực ép tiếp điểm phụ cuối. G = 80. 103 (N/mm2): môđun trượt. +. Bước của lò xo khi chưa chịu tải: Theo công thức (19 - 12/ 136 - quyển 2. 4. Tính chiều dài tự do của lò xo: Theo công thức (19 - 11) và (19 - 12)- quyển 2 ta có: l0 = (W0 - 0,5) . d + W (t - d). l0 = (13- 0,5). 0,22 + 12 (0,974- 0,22) = 11,8 (mm). +. Kiểm nghiệm lại lò xo với độ lún đã chọn. Trong đó: DF = Fmax- Fmin = 0,8- 0,48 = 0,32 (N). So sánh với độ lún đã chọn f = 3 (mm) là phù hợp.Vậy lò xo đảm bảo độ lún. Kiểm nghiệm ứng suất khi xoắn : Theo công thức (4 - 28)- quyển 1ta có ứng suất khi xoắn: Vậy dx < [dx] = 580 (N/mm2) nên lò xo đảm bảo độ bền cơ. iv. Tính lò xo nhả: Ta chọn vật liệu làm lò xo nhả là thép các bon, có các thông số kỹ thuật như lò xo tiếp điểm chính và lò xo tiếp điểm phụ. 1. Tính lực lò xo nhả đầu và nhả cuối: ã Lực lò xo nhả đầu : Flxnhđ = kdt (Gđ + FStđfc + Fms). Trong đó: kdt = (1,1á 1,3) : hệ số dự trữ. Chọn k =1,2. Gđ = 6 (N) : trọng lượng phần động. Fms = kms. Gđ = 0,15. 6 = 0,9 (N) kms = (0,15 á 0,2) - hệ số ma sát. Chọn kms = 0,15. FStdfc =2. Ftđfc = 2. 0,8 =1,6(N): tổng lực lò xo tiếp điểm phụ cuối. Vậy lực lò xo nhả đầu: Flxnhđ = 1,2 (6 + 1,6 + 0,9) = 10,2 (N). ã Tính lực lò xo nhả cuối: Ta có: Flxnhc = (1,5 á 2). Flxnhđ Chọn Flxnhc = 1,6. Flxnhđ = 1,6. 10,2 = 16,32 (N) Do thiết kế công tắc tơ sử dụng 2 lò xo nhả. Nên lực tác dụng lên một lò xo nhả là: 2. Đường kính dây quấn lò xo nhả: Theo công thức (19 - 6)- quyển 2. Trong đó: Fmax = 8,16 (N): lực lò xo nhả lớn nhất. [dx] = 580 (N/mm2) : giới hạn cho phép khi xoắn. c : chỉ số lò xo. k : hệ số xét đến độ cong của lò xo. Theo trang 134- quyển 1 ta chọn : c = 12 ; k = 1,11. Vậy đường kính dây quấn của lò xo : Chọn d = 0,7 (mm). Với d = 0,7 (mm) nên đường kính trung bình của lò xo D = 12.0,7 = 8,4 (mm). 3. Tính số vòng lò xo nhả: Theo công thức (19-7)- quyển 2 ta có: Trong đó: DF = Fmax- Fmin = 8,16- 5,1 = 3,06 (N). G = 8 . 103 (N/mm2): mô đun trượt. d = 0,7 (mm): đường kính dây quấn lò xo. f = 9 (mm): khe hở nam châm điện. c = 12 Nên số vòng của lò xo nhả: Chọn W = 12 (vòng). Số vòng toàn bộ lò xo: W0 = W + 1 = 12 + 1 = 13 (vòng). +. Chuyển vị trí lớn nhất của lò xo khi chưa chịu tải tới khi chịu tải max: Theo công thức (19 - 3)- quyển 2: Trong đó: Fmax = 8,16 (N): lực lò xo nhả lớn nhất. G = 80. 103 (N/mm2): mô đun trượt. +. Bước của lò xo khi chưa chịu tải: Theo công thức (19 – 12)- quyển 2. 4. Tính chiều dài tự do của lò xo: Theo công thức (19 - 11) và (19 - 12)- quyển 2 ta có: l0 = (W0 - 0,5) . d + W (t - d). l0 = (13- 0,5). 0,7 + 12 (3,12- 0,7) = 37,79 (mm). +. Kiểm nghiệm lại lò xo với độ lún đã chọn. Trong đó: DF = Fmax- Fmin = 8,16- 5,1 = 3,06 (N). So sánh với độ lún đã chọn [fchọn] = 9 là phù hợp.Vậy lò xo đảm bảo độ lún. +. Kiểm nghiệm ứng suất khi xoắn : Theo công thức (4 - 28)/ 172 - quyển 1. Vậy ứng suất khi xoắn tính toán dx < [dx] = 580 (N/mm2) nên lò xo đảm bảo độ bền cơ. b. Dựng đường đặc tính cơ: Để dựng đường đặc tính cơ ta tổng hợp lại và xây dựng đường đặc tính cơ theo khe hở làm việc của nam châm điện d. Fph = F (d). Với d: khe hở làm việc của nam chân điện. d = m + l = 6 + 3 = 9 (mm). Trong đó bao gồm: ã Tổng lực ép tiếp điểm chính: vì theo thiết kế công tắc tơ có 3 tiếp điểm chính thường mở nên ta có: FStđcc = 3. 12 = 36 (N). FStđcđ = 3. 7,2 = 21,6 (N). ã Tổng lực ép tiếp điểm phụ thường mở: theo thiết kế công tắc tơ có 2 hai tiếp điểm phụ thường mở nên ta có: FStđfc = 2. 0,8 = 1,6 (N). FStđfđ = 2. 0,48 = 0,96 (N). ã Tổng lực ép tiếp điểm phụ thường đóng: công tắc tơ theo thiết kế có 2 tiếp điểm phụ thường đóng nên ta có: FStđfc = 2. 0,8 = 1,6 (N). FStđfđ = 2. 0,48 = 0,96 (N) ã Lực lò xo nhả: FS lxnhc = 16,32 (N). F Slxnhđ = 10,2 (N). ã Tổng lượng phần động: Gđ = 6 (N). Vậy theo sơ đồ động ta vẽ được đặc tính cơ như sau: d (mm) 0 1.6 0.96 3 6 0.96 1.6 59.92 42.84 36 21.6 18.24 14.6 10.2 16.32 6 l m l m FtđfH Ftđ Gđ Flxnhả F∑tđc Fcơ Phần IV: Tính toán nam châm điện I. Tính toán sơ bộ nam chân điện: 1. Chọn dạng kết cấu. Nam châm điện là loại cơ cấu điện từ biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng. Nam châm điện có nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây. Sự khác nhau về dạng kết cấu dẫn đến sự khác nhau về: đặc tính chuyển động trong không gian, đặc tính lực hút điện từ và công nghệ chế tạo. Theo kinh nghiệm chế tạo và qua tham khảo em chọn kiểu dáng kết cấu của nam châm điện là mạch từ chữ Ш hút thẳng. Cuộn dây được đặt ở cực từ giữa và vòng ngắn mạch được đặt ở hai cực từ bên. Để việc chọn dạng kết cấu của nam châm điện đã tối hay chưa ta có các bước kiểm tra sau: Xét trên đặc tính phản lực ta thấy rằng công tắc tơ muốn làm việc được thì khi hút lực hút điện từ phải lớn hơn đặc tính cơ Fđt > Fcơ và khi nhả Ftđ< Fcơ. Theo công thức (5-2)- quyển 1ta có hệ số kết cấu: kkc = (N0,5/ m). Trong đó: Fđtth: lực hút điện từ tại điểm tới hạn (N). dth : Khe hở tới hạn của nam châm điện (mm),. dth = 3 (mm) = 3. 10-3 (m). Xét lực hút điện từ tại điểm tới hạn (42,84 ; 3): Ta có: Fđtth = kdt. Fcơth. Chọn kdt = 1,2: hệ số dự trữ về lực. Fcơth = 42,84 (N) ị Fđtth = 1,2. 42,84 = 51,4 (N). Nên ta có hệ số kết cấu: Theo bảng (5-2) - quyển 1 ta thấy chọn dạng kết cấu nam châm điện tối ưu là: [ kkc ] = 316á2500 (N0,5/m). Như vậy hệ số kết cấu tính toán kkc = 3380 (N0,5/m) < [ kkc ] là phù hợp. Vậy ta chọn kiểu dáng kết cấu nam châm điện dạng chữ Ш là hợp lý. 2. Chọn vật liệu: Mạch từ của nam chân điệm xoay chiều mạch từ được ghép bằng các lá thép kỹ thuật điện. Đặc tính cơ bản của vật liệu từ là quan hệ giữa từ cảm B và cường độ từ trường H. Đặc tính này được xác định trong bảng các đường cong từ hóa và đặc tính quan trọng khác của vật liệu từ là quan hệ giữa độ từ thẩm tương đối và độ từ cảm B. Theo bảng (5-3) - quyển 1 ta chọn vật liệu làm mạch từ cho nam châm điện là thép kỹ thuật điện hợp kim cao. Kí hiệu $41. Độ dày mỗi lá: D = 0,5 (mm). Từ cảm cực đại tần số f = 50 (Hz): Bmax = 1,2 (T). Khối lượng riêng: 7,55 (g/cm3). 3. Chọn từ cảm, hệ số từ rò, hệ số từ tản tại d = dthd: Chọn Từ cảm khe hở không khí tới hạn: Bdth = 0,5 (T). Hệ số từ tản st = 1,5 ứng với dth = 3 (mm). Theo trang 197- quyển 1ta có st = (1á1,8). Hệ số từ rò sr = 1,5 ứng với dth= 3 (mm). Vì khe hở không khí dth = 3(mm) theo trang 202- quyển 1 sr = (1á4). 4. Xác định các thông số chủ yếu và kích thước chủ yếu nam châm điện: Theo dạng kết cấu của nam châm đã chọn ta có: S1 + S3 = S2 và S1 = S3. Trong đó: S2: diện tích cực từ giữa. S1, S3: diện tích cực từ bên. Nên ta có: F2= F1 + F3 = 2F1= 2F3. Vậy lực hút tính toán toàn bộ nam châm điện: Fđttt = F1 + F2 + F3 = 2F2. Mà ta lại có lực hút điện từ tính toán: Fđttt = kdt. Fcơth = 1,2. 42,84 = 51,4 (N). Nên lực hút điện từ của cực giữa nam châm: Theo công thức (5-8) - quyển 1 ta có tiết diện cực từ giữa: +. Xác định kích thước tiết diện lõi thép cực từ giữa: S2 = a. b Ta chọn a = b. Trong đó: a: chiều rộng tính toán của cực từ giữa. b: chiều dày tính toán của cực từ giữa. Vậy S2 = a2 ị a = chọn: a = b = 23 (mm). Số lá thép của mạch từ nam châm điện: Theo công thức (5-12) - quyển 1 ta có: kc = 0,94: hệ số ép chặt. Vậy kích thước cực từ giữa theo tính toán là: a = 23 (mm). b = 24,5 (mm). Nên ta có diện tích cực từ giữa: S2 = 23. 24,5 = 563,5 (mm2). +. Xác định kích thước cực từ bên: Vì cực từ bên có vòng ngắn mạch nên chiều rộng của cực từ bên là: a' = vòng.ng.m Trong đó: a' : kích thước cực từ bên. Dvòng.ng.m : chiều dày vòng ngắn mạch, chọn D = 2 (mm). ị Bề dày cực từ bên: Vậy kích thước cực từ bên là: a = 15,5 (mm). b = 24,5 (mm). Tiết diện cực từ bên: S1 = S3 = aÂ. b = 15,5. 24,5 = 379,75 (mm2). D 5. Xác định kích thước cuộn dây : a. Sức từ động của cuộn dây nam châm điện: Theo công thức (5 - 18)- quyển 1: (IW)tđ = (IW)h + (IW)nh. Trong đó: +.(IW)h: Sức từ động cuộn dây khi phần ứng hút. Theo công thức (5 - 20) - quyển 1: (IW)h = Với: m0 = 1,256. 10-6 (H/m): hệ số từ thẩm qua khe hở không khí. Bdth = 0,5 (T): từ cảm khe hở không khí tới hạn. sr = 1,5: hệ số từ rò. Sdh = 2.Sdcn: khe hở tương đương khi phần ứng hút. Theo trang 208- quyển 1 Sdh = (0,2 á 0,7) (mm) chọn Sdh = 0,4 (mm). Vậy sực từ động khi phần ứng hút: +.(IW)nh: sức từ động cuộn dây khi phần ứng nhả: Theo công thức (5 - 19)- quyển 1 ta có: (IW)nh = Với: Sdnh = 2. dth = 2. 3 = 6 (mm). Vậy sức từ động của cuộn dây khi phần ứng nhả: Vậy sức từ động tác động của cuộn dây nam châm điện : (IW)tđ = 239 + 2388 = 2627 (A.vòng). Tính hệ số bội số của dòng điện: So sánh [ki]=4,5á15 ta thấy ki =11 là phù hợp b. Xác định kích thước cuộn dây: Theo công thức (5 - 24)- quyển 1 ta có tất của cuộn dây: Trong đó: kUmax = 1,1 : hệ số tăng áp. kUmin = 0,85 : hệ số sụt áp. kqt = 1: hệ số quá tải dòng ở chế độ dài hạn. J = 2 á 4 (A/mm2): mật độ dòng điện. Chọn j = 2,5 (A/mm2). klđ = 0,3 á 0,6: hệ số lấp đầy cuộn dây. Chọn klđ = 0,5. ki = 11: hệ số bội số dòng điện. Vậy tiết diện cuộn dây: +. Xác định chiều cao và bề dày của cuộn dây : Theo bảng 212- quyển 1 ta có: (2á4)Chọn = 3 ị hcd = 3 . lcd. Nên bề dày cuộn dây : ị Chiều cao cuộn dây : hcd = 3. lcd = 3. 9 = 27 (mm). c. Xác định kích thước nam châm điện: D3 D2 l f h cd h cs C D 4 D5 D 2 S d/b' S n/b' l cd +. Bề rộng cửa sổ mạch từ: C = lcd + D1 + D2 + D3 + D4 + D5 Trong đó: D1 = (1á2) mm: bề dày tấm cách điện khung dây quấn Chọn D1=1,5mm. D2 = (0,5á1) mm : lớp cách điện phía trong cuộn dây Chọn D2 = 0,5 mm D3 = (0,5á1) mm :lớp cách điện phía ngoài cuộn dây Chọn D3= 0,5 mm. D4 = (5á10) mm: khoảng cách từ cách điện mạch ngoài đến cực từ bên. Chọn D4 = 6 mm. D5 = 0,5 (mm): khe hở lắp ráp. Vậy bề rộng cửa sổ: C = 9 +1,5 + 0,5 + 0,5 + 6 + 0,5 = 18 (mm). +. Chiều cao cửa sổ mạch từ: hcs = hcd + 2 . D1 + lf Trong đó: lf = (5 á 10 ) mm: khoảng cách đầu phần ứng tới cách điện đầu trên cuộn dây. Chọn lf = 7 (mm). hcd = 27 (mm): chiều cao cửa sổ cuộn dây. Vậy chiều cao cửa sổ: hcs = 27 + 2 . 1,5 + 7 = 37 (mm). +. Chiều cao nam châm điện: Trong đó: b = 24,5 (mm): bề dày cực từ. Sđ : tiết diện đáy nam châm. Theo trang 216- quyển 1 ta có: Sđ = 0,6. S2 = 0,6. 563,5 = 338,1 (mm2). ị Chiều cao đáy của nam châm: Sn: tiết diện nắp nam châm: Chọn: Sn = 0,7. S2 = 0,7. 563,5 = 394,45 (mm2). ị Chiều cao nắp của nam châm: Vậy chiều cao nam châm điện: H = 13,8 + 37 + 16,2 = 67 (mm). +. Chiều dài nam châm điện: B = a + 2. a' + 2. C = 24,5 + 2. 15,5 + 2. 18 = 89 (mm). Như vậy ta chọn sơ bộ kích thước của nam châm điện: a = 23 (mm): chiều rộng cực từ giữa. aÂ= 15,5 (mm): chiều rộng cực từ bên. b = 24,5 (mm): bề dày mạch từ. C = 18 (mm): chiều rộng cửa sổ mạch từ. h = 37 (mm): chiều cao cửa sổ mạch từ. H = 67 (mm): chiều cao nam châm điện. B = 89 (mm): chiều dài nam châm điện. II. Tính toán kiểm nghiệm nam châm. Gd1 Gt1 Gd2 Gt2 Gd3 Gt3 Gr2 Gr1 IW 1. Sơ đồ thay thế. Do chọn Bth= 0,5 (T) nên mạch từ không bão hoà ta bỏ qua từ trở sắt từ. Nên ta có sơ đồ đẳng trị mạch như sau (hình 1): Gd1, Gd2, Gd3 : từ dẫn chính các khe hở không khí. Gt1, Gt 2, Gt3: từ dẫn tản đặc trưng cho từ thông tản ở các khe hở không khí. (2) G1 G2 Gr2 Gr1 IW Gr1, Gr2: từ dẫn đặc trưng cho từ thông rò của cực từ giữa 2 cực từ bên. G3 Ta có sơ đồ tương đương (hình 2) : Để có sơ đồ tương đương: G13 G2 Gr (3) IW Ta có sơ đồ tương đương (hình 3): Do kết cấu của NCĐ ta có G1 = G3 là từ dẫn của khe hở ở 2 cực từ bên. Gd Nên ta có sơ đồ tương đương: Gr (4) IW Gd = Vậy ta có sơ đồ thay thế tương đương (hình 5) : IW GS (5) GS = Gd + Gr 2. Tính từ dẫn khe hở không khí : a. Tính từ dẫn khe hở không khí cực từ bên : Để có kết quả chính xác hơn ta chọn phương pháp phân chia từ trường. Theo phương pháp này từ trường ở khe hở không khí được chia thành các trường thành phần có dạng hình học đơn giản. +. Tính cho một cực từ bên: d Z G d0 G d1 G d2 Gd4 Gd3 Theo hình vẽ ta có tổng từ dẫn khe hở không khí: Gd = Gd0 + Gd1 + Gd2 + Gd3 +Gd4 Theo bảng (5-4)- quyển 1: +.Theo mục 1 ta có từ dẫn trụ hình chữ nhật:  : từ dẫn hình trụ chữ nhật. +. Theo mục 7 ta có từ 4 hình nửa trụ đặc, trong đó có 2 hình có chiều dài a, 2 hình có chiều dài b : Gd1 = 2. m0. 0,26 (a + b) = 0,52 m0= (a + b). +. Theo mục 9 ta có từ dẫn của 4 hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + m); 2 hình có chiều dài a, 2 hình có chiều dài b: Với Z = (0,1 á 0,2). d chọn Z = 0,2.d. ị Từ dẫn 4 hình nửa trụ rỗng: +. Theo mục 11 ta có từ dẫn 4 nửa trụ cầu đặc với đường kính d: Gd3 = 4. 0,077 . m0. d = 0,308. m0. d +. Theo mục 13 ta có từ dẫn 4 hình nửa cầu rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2.Z): chọn Z = 0,2.d Vậy từ dẫn khe hở không khí cực từ bên: Gd = Gd0 + Gd1 + Gd2 + Gd3 + Gd4 = + 0,52. m0.(a+b) + 0,2. (a+b) + 0,2. m0. d + 0,308. m0. d = . [a . b + 0,72. d. (a+b) + 0,508. d2] Theo kết cấu thiết kế của nam châm thì từ dẫn của khe hở không khí 2 cực từ bên: G1 = G3 = Gd = . [0,508. d2 + 28,8. 10-3 .d + 379, 75. 10-6 ] (H). Trong đó: a = 15,5 (mm). b = 24,5 (mm). b. Tính từ dẫn khe hở không khí cực từ giữa: Khi tính từ dẫn khe hở không khí cực từ giữa ta cũng dùng phương pháp phân chia từ trường. Vậy ta có từ dẫn cực của cực từ giữa của nam châm điện: G2 = [0,508. d2 + 0,72. d. (a+b) + a.b] (H). G2 = [0,508. d2 + 34,2. 10-3. d + 563,5. 10-6] (H). Với kích thước của cực từ giữa: a = 23 (mm). b = 24,5 (mm). c. Tính từ dẫn rò: Theo bảng (5 - 6)- quyển 1 vì ta chọn nam châm điện có dạng chữ Ш từ dẫn rò có thể biểu diễn như sau: Grc b Gra a a 2 Grb Ta có từ dẫn rò: Gr1= Gr2= Gra + 2. Grb+ 2. Grc. Trong đó: +. Theo bảng (5-6)- quyển 1: theo mục 5 ta có: Gra : từ dẫn rò chính giữa 2 cực. Gra = m0. (H). Với: hcs = 37 (mm): chiều cao cửa sổ mạch từ. c = 18 (mm): chiều rộng cửa sổ mạch từ. b = 24,5 (mm): bề dày cực từ. Nên ta có: +. Grb: từ dẫn rò 1 nửa trụ đặc. Theo bảng (5 -4)- quyển 1: theo mục 7 ta có: Grb = 0,26. m0.lr Với lr = hcs = 37. 10-3 (m). Vậy từ dẫn rò 1 nửa trụ đặc: Grb = 0,26. 1,25. 10-6. 37. 10-3 = 12. 10-9 (H). +. Grc: từ dẫn 1 nửa trụ rỗng. Với: a = 23. 10-3 (m): chiều rộng cực từ giữa. lr = hcs = 37. 10-3 (m): chiều dài từ rò. m0 = 1,25 . 10-6 (H/m): hệ số từ thẩm qua khe hở không khí. C = 18. 10-3 (m): chiều rộng cửa sổ mạch từ. ị Vậy ta có từ dẫn rò: Gr1 = Gr2 = Gra + 2Grb + 2Grc. = 63,2. 10-9 + 2. 12. 10-9+ 2. 11,6. 10-9= 110,4.10-9(H). d. Tính từ dẫn tổng khe hở không khí: Để tính từ dẫn tổng khe hở không khí ta tính đạo hàm của Gd. Vì vậy ta có: Nên đạo hàm : Trong đó: G'1 = m0. ( 0,508 – 379.75.10-6/ d2). G'2 = m0. ( 0,508 – 563,5. 10-6/ d2). e. Tính xuất từ rò (g) : Theo mục 6 - bảng (5-6)- quyển 1 ta có suất từ rò : Trong đó: Gr1 = 110,4. 10-9 (H). lr = hcs = 37. 10-3 (m). +. Tính từ dẫn rò toàn mạch. Gr = Gr1 + Gr2 = 2Gr1 = 2. 110,4. 10-9 = 220,8. 10-9 (H). + Tính từ dẫn rò qui đổi: Theo trang 242 - quyển 1 ta có: Grqđ =. g. lr Trong đó: g = 5,9.10-6 (H/m): suất từ rò. lr = hcs = 37.10-3 (m). Vậy từ dẫn rò qui đổi: Grqđ = . 5,9. 10-6. 37. 10-3 = 72.7. 10-9 (H). +. Tính từ dẫn tổng: GS = Gd + Grqđ. Đạo hàm 2 vế ta có : Vì từ dẫn rò qui đổi không phụ thuộc vào d nên : ị 3. Xác định từ thông và từ cảm tại d = dth: Theo công thức (4-50)- quyển 1: Trong đó: fdth: từ thông khe hở không khí tại điểm tới hạn dth= 3 (mm). k = 0,25: Hệ số xét đến thứ nguyên lực F. Fhth = 25,7 (N). Vì từ dẫn rò qui đổi không phụ thuộc vào d nên : . Nên từ thông khe hở không khí tại điểm tới hạn : +. Xác định tại điểm tới hạn: dth = 3 (mm) ta có: G1 = G3 = . [ 0,508. d2 + 28,8. 10-3 .d + 379,75. 10-6 ] (H). = .[0,508. 32.10-6+ 28,8.3. 10-6+379,75. 10-6] = 0,2.10-6 (H). G2 = [0,508. d2 + 34,2. 10-3. d + 563,5. 10-6] (H). =.[ 0,508. 32. 10-6 +34,2. 3. 10-6+563,5.10-6] = 0,28.10-6(H). Nên ta có : Mà ta lại có: ị Vậy từ thông ở khe hở làm việc tới hạn: Ta có từ cảm tới hạn: So sánh với việc chọn Bdth = 0,5 (T) là thích hợp. ã Xác định hệ số từ rò sr với các d khác nhau: f0: từ thông chính trong mạch từ. fd: từ thông khe hở không khí. sr: hệ số từ rò. Với các giá trị khe hở không khí d ta xây dựng được bảng sau: d(mm) 0,2 1 3 7 9 G1 2,42 0,51 0,2 0,11 0,09 G2 3,58 0,75 0,28 0,15 0,12 GS 0,9546 0,263 0,2236 0,1966 0,1536 G'1 10923 476,3 52,3 9,09 5,25 G'2 16693 707 78 13,8 8,1 9010 405,8 45,8 7,87 4,59 sr 1,04 1,19 1,43 1,81 2,0 4. Xác định thông số cuộn dây: theo trang 284 quyển 1. Số vòng dây nam châm điện tính theo công thức trang 284- quyển 1: Trong đó: knmin = 0,85: hệ số sụt áp. kir = (0,6á0,9): hệ số tính tới sự tổn thất điện áp đường dây. Chọn kir = 0,75. f = 50 (Hz) tần số. Uđm = 380 (V): điện áp điều khiển. ftb = fđth. sr = 3,06. 10-4. 1,5 = 4,59. 10-4 (Wb). Vậy số vòng cuộn dây nam châm: +. Tiết diện dây quấn: Trong đó: W = 2377 (vòng): số vòng cuộn dây. lcd = 9 (mm): bề dầy cuộn dây. kld = 0,5: hệ số lấp đầy. Với klđ = (0,3á0,6). hcd = 27 (mm): chiều cao cuộn dây. Vậy tiết diện dây quấn nam châm: +. Đường kính dây quấn của cuộn dây : Đường kính dây quấn không có cách điện. Theo bảng (5-8)- quyển 1 ta chọn vật liệu dây quấn là điện dây quấn là đồng ký hiệu p$B-1. Tra bảng với đường kính d = 0,25 (mm) : không có cách điện. Nên ta có đường kính dây quấn kể cả cách điện : d = 0,27 (mm). Nên tiết diện dây quấn kể cả cách điện : Nên ta có hệ số lấp đầy cuộn dây : So sánh với klđ = (0,3á0,6) ta thấy klđ = 0,55 là hợp lý. 5. Tính toán vòng ngắn mạch chống rung: +. Xác định trị số trung bình của lực điện từ ở khe hở làm việc khi không có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút của phần ứng. Theo công thức (5 - 52)- quyển 1 ta có lực hút trung bình khi hút. Trong đó: Stn : tổng diện tích trong và ngoài vòng ngắn mạch Stn = S1 – 2.b.Dn.m. Với Dn.m = 2 (mm): bề rộng vòng ngắn mạch. S1 = 379,75 (mm2): tiết diện cực từ bên. b= 24,5 (mm): bề rộng cực từ. Nên: Stn = 379,75 - 2. 24,5. 2 = 281,75 (mm2). fdtb: từ thông trung bình qua khe hở không khí khi phần ứng hút. Vậy lực hút trung bình khi hút: +. Tỷ số giữa lực điện từ nhỏ nhất và giá trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch: Theo công thức (5 - 53)- quyển 1 ta có: Trong đó: kdt = 1: hệ số dự trữ của thành phần lực đập mạch. Tại d= 3 (mm). Vậy : Tỷ số giữa điện tích cực từ ngoài và diện tích cực từ trong vòng ngắn mạch theo 276 - quyển - 1 Mà ta có: St + Sn = 281,75 (mm2). Vậy ta có : St = 196 (mm2). Sn = 85,75 (mm2). +. Điện trở vòng ngắn mạch: Theo công thức (5 - 54)- quyển 1 ta có điện trở vòng ngắn mạch Trong đó: w = 2. p. f = 314 (rad/s). Sh = 0,2. 10-3 (m): khe hở khi nắp hút. m0 = 1,256 . 10-6 (H/m) Stn = 281,75 . 10-6 (m2). f = 0,73. Vậy điện trở vòng ngắn mạch: +. Góc lệch pha giữa từ thông trong jt và jn khi số vòng ngắn mạch Wnm=1. Theo công thức (5 - 55)- quyển 1 ta có: Mà ta có: Nên góc lệch pha: Trong đó: w = 314 (rad/s) m0 = 1,256. 10-6 (H/m) St = 196 (mm2) rnm = 1,72 . 10-4 (W) dh = 0,2 . 10-3 (m) ị j = 660 ị cosj = 0,4. Vậy ta thấy j = 660 là phù hợp với j =( 500á800 ). +. Xác định từ thông trong và ngoài vòng ngắn mạch: Theo công thức ( 5- 56 )- quyển 1 ta có từ thông trong vòng ngắn mạch: Trong đó: fdh = 2,04. 10-4 (Wb). ị nên ta có từ thông ngoài vòng ngắn mạch: fn = c.ft = 1,1.1,16.10-4= 1,276.10-4 +. Từ cảm khe hở vùng ngoài vòng ngắn mạch. So sánh Bn = 1,49 (T) < [Bn]= 1,6 (T) là thích hợp. + Xác định các lực điện từ. Theo công thức trang 268- quyển 1 ta có giá trị lớn nhất của lực điện từ là: Trong đó: Cos2j = cos (2. 66) = - 0,67. Vậy: ị Giá trị trung bình của lực điện từ: Frb = Ftbt + Ftbn = 13,6 + 37,8 = 51,4 (N). Vậy giá trị nhỏ nhất của lực điện từ: Fmin = Ftb - Fmax = 51,4 - 30,4 = 21 (N). Nhận xét: Ta có từ thông dạng qua hai cực từ trên cũng đứng lò từ thông chạy qua cực từ giữa. Nếu từ thông chạy qua 2 cực từ bên bị lệch pha 1 góc là j thì từ thông chạy qua cực từ giữa sẽ bị lệch pha nhau 1 góc j. Do vậy ta có lực điện từ nhỏ nhất là do nam chân điện sinh ra. Fđtmin = 4. Fmin = 4. 21 = 84 (N). Ta thấy Fđtmin > Fcơ h = 59,9(N) do đó nắp không bị rung. +. Tổn hao năng lượng trong vòng ngắn mạch: Theo công thức (5 - 57)- quyển 1 ta có: Trong đó: kUmax = 1,1: hệ số tăng áp. kUmin = 0,85: hệ số sụt áp. w = 314 (rad/s) ft = 1,16. 10-4 (Wb). rnm = 1,72. 10-4 (W). ị +. Xác định kích thước của vòng ngắn mạch: Chu vi vòng ngắn mạch: P = 2 ( b + D + ) = 2. ( 24,5 + 2 + ) = 69 (mm). Chọn vật liệu làm vòng ngắn mạch là đồng cứng tinh khiết r20 = 0,01681. 10-3 (Wmm): điện trở suất ở 200C. a = 0,0043 (1/0C): hệ số nhiệt điện trở. Nhiệt độ phát nóng của vòng ngắn mạch là 2000C. Nên ta có điện trở suất của vật dẫn ở nhiệt độ phát nóng: r200 = r20. [1 + a (q - 20)] = 0,01681. 10-3 [1 + 0,0043. (200 -20)] = 0,03 . 103 (Wmm). Tiết diện vòng ngắn mạch. Như vậy chiều cao của vòng ngắn mạch: ¯ D ư ¯ hnm ư 6. Hệ số toả nhiệt vòng ngắn mạch. +Toả nhiệt trong không khí: Theo công thức (5-13)- quyển 1 ktkk= 3. 10-3 .(1 + 0,0017 . q) = 3. 10-3 .(1 + 0,0017. 200 ) = 4,02. 10-3 (W/cm2 0C). Với q = 2000C. nhiệt độ phát nóng của vòng ngắn mạch. + Toả nhiệt trong lõi thép. ktkk= 2,9. 10-3. (1 + 0,0068. q) = 2,9. 10-3. (1 + 0,0068. 200 ) = 6,84. 10-3 (W/cm2 0C). Diện tích toả nhiệt trong vòng ngắn mạch: - Trong không khí: S1 = 2. Pnm. D + 2. . hnm = 2. 69. 2 + 2. = 372 (mm2). - Trong lõi thép: S2 = 2b. hnm + 2b.D + P.hnm = 2. 24,5. 6 + 2. 2. 24,5 + 69. 6= 806 (mm2). +.Dòng điện đặc trưng cho tổn hao năng lượng trong ngắn mạch: ị dòng điện trong cuộn dây ta qui đổi: 7. Tổn hao trong lõi thép: +. Xác định trọng lượng lõi thép M. M = V. g . kc. Trong đó: kc = 0,94: hệ số ép chặt. g = 7,55 (g/cm3): trọng lượng riêng của thép. V = H. B. b - 2hcs. c. b : thể tích lõi. Với: H = 67 (mm): chiều cao nam châm điện B = 89 (mm): chiều dài nam châm điện. hcs = 37 (mm): chiều cao cửa sổ. b = 24,5 (mm): kích thước lõi c = 18 (mm) chiều rộng cửa sổ. Nên ta có: V = 67.89. 24,5 - 2. 37 .18. 24,5 = 113,5 (cm3). Vậy trọng lượng lõi thép: M = 113,5. 7,55 . 0,94 = 0,8 ( kg). +. Suất tổn hao lõi thép ứng với từ cảm cực đại: Trong đó: kir = 0,8 Ku = 1,1: hệ số tăng áp. Uđk = 380 (V): điện áp điều khiển. W = 2377 (vòng): số vòng cuộn dây. Vậy từ cảm cực đại của lõi thép: So sánh với việc chọn Bmax = 1,2 (T). +. Công suất tổn hao trong lõi: PFe = kd. Pmax. M Trong đó: kd = (2á3): hệ số xét đến sự tăng tổn hao mạch từ. Chọn kd = 2 Pmax =P10. = 1,55. (1,13)2 =1,98 (W/kg) Với P10 = 1,55 (W/kg): suất tổn hao riêng lõi thép ( theo bảng 5-4). M = 0,8 (kg): khối lượng mạch từ. Vậy công suất tổn hao trong lõi thép: PFe = 2. 1,98. 0,8 = 3,168 (W). 8. Tính dòng điện trong cuộn dây: a. Dòng điện trong cuộn dây khi hút: Khi nắp đóng d rất nhỏ (d = 0,2 mm), dòng điện trong cuộn dây gồm: dòng điện trong cuộn dây, dòng điện từ hoá khe hở, dòng điện khắc phục tổn hao trong lõi thép và dòng ngắn mạch. Trong đó: +.: dòng điện từ hoá khe hở không khí. Vì R<< X nên coi Rằ 0. Với GS = Gd + Grqđ = 2,05. 10-6 + 72,7. 10-9 = 2,13. 10-6 (H). w = 314 (rad/s). W = 2377 (Vòng): số vòng cuộn dây. Uđk = 380 (V). Vậy ta có: +. Ith: dòng điện từ hoá trong lõi thép. Theo phương trình từ hoá lõi thép ta có: Ith. W = SHi . li Trong đó: SHi . li = SHtb . ltb: tổng từ áp trên các phan đoạn mạch từ. Htb: giá trị trung bình của cường độ từ trường trong lõi thép tính theo giá trị hiệu dụng của Bmax. Căn cứ vào đường cong từ hoá của thép 41 hình ( 5-6 ) quyển 1: Hm = 1,8 (A/cm). Mà: Htb = = 1,27 (A/cm). Ta có: Ltb = 2. B + 3. C = 2. 8,9 + 3. 1,8= 23,2 (cm). Vậy ta có dòng điện từ hóa trong lõi thép: +. : dòng điện đặc trưng cho tổn hao năng lượng trong lõi thép. Trong đó: PFe = 3,168 (W): công suất tổn hao trong lõi thép. Uđk = 380 (V): điện áp định mức của cuộn dây. kumax = 1,1: hệ số tăng áp. Vậy dòng điện đặc trưng cho tổn hao trong lõi: +. Ivqđ = 0,16 (A): dòng điện qui đổi của cuộn dây. Vậy giá trị biên độ của dòng điện khi hút: Nên ta có mật độ dòng khi hút: Như vậy: Jh = 3,33 (A/mm2) < [Jcp] = 4 (A/mm2) là phù hợp. b. Dòng điện cuộn dây khi nhả d = 9 (mm): Khi nhả dòng điện trong cuộn dây chủ yếu là dòng điện từ hoá khe hở không khí, dòng điện từ hóa lõi thép và tổn hao rất lớn. Do vậy dòng điện trong cuộn dây được tính gần đúng theo công thức: Trong đó: GS = Gd + Grqđ = 76,2. 10-9+72,2. 10-9 = 148. 10-9 (H). kumax = 1,1: hệ số tăng áp. W= 2377 (vòng). Uđm = 380 (V). Dòng điện khi nhả: Hệ số tầng dòng điện: Vậy kI = 8,3 nằm trong giới hạn cho phép [kI] = ( 4á15 ). 9. Tính toán nhiệt dây quấn nam châm điện: +. Tính điện trở dây quấn : Theo công thức: Trong đó: ltb: độ dài trung bình của một vòng dây. ltb = 4. ( a + lcd + 2D) Với: lcd = 9 (mm): bề dày cuộn dây. a = 23 (mm): bề rộng cực từ giữa. D = D1 + D2 + D5 = 1,5 + 0,5 + 0,5 = 2,5 (mm). ị ltb = 4 (23 + 9 + 2. 2,5) = 148 (mm) W = 2377 (vòng): số vòng cuộn dây. q = 0,057 (mm2): tiết diện dây quấn. rq: điện trở suất của dây quấn ở nhiệt độ cho phép của cấp cách điện. rq = r20. [ 1+ a. ( 105- 20 )] = 0,01681. 10-3.[ 1+0,0043.(105-20)] = 0,023.10-3 (W.mm). Nên điện trở dây quấn: +. Tổn hao năng lượng trong dây quấn: Pdq = Ih2 . R = (0,19)2. 142 = 5,12 (W). Trong đó  Ih = 0,19 (A) : dòng điện khi hút. +. Độ tăng nhiệt bề mặt cuộn dây: Theo công thức Newtơn về sự hút làm nóng cuộn dây của nam châm điện ta có: Trong đó: kT: hệ số toả nhiệt cuộn dây. Theo bảng (5-6)- qyển 1: kT = (10 á 20) (W/mm2 0C). Nên ta chọn kT = 17 (W/m2 0C). Stn: diện tích toả nhiệt của cuộn dây Stn = Sxq + Sđ. Sxq = P. hcd Với P: chu vi ngoài cuộn dây. P = 2. ( a + 2lcd) + 2. ( b + 2lcd) = 2. ( 23 + 2. 9) + 2. (24,5 + 2. 9) = 167 (mm). Sxq = 167.27 = 4509 (mm2) = 4,509. 10-3 (m2). Sđ = . 2. lcd. hcd : một phần diện tích đáy. = .2. 9. 27 = 365 (mm2) = 0,365. 10-3 (m2) Nên diện tích toả nhiệt : Stn = 4,509. 10-3 + 0,365. 10-3 = 4,874. 10-3 (m2). Nhiệt độ phát nóng của cuộn dây: q = qmt + t = 40 + 61,79 = 101,79 (0C). Như vậy nhiệt độ phát nóng cuộn dây q = 101,79 < [qcp] = 1050C là hoàn toàn phù hợp. 10. Tính và dựng đặc tính lực hút: Theo công thức (5-50)- quyển 1. Trong đó : k = 0,25 : hệ số xét tới thứ nguyên lực. fd = ftb: từ thông trung bình của lõi thép. ku: hệ số đánh giá sự thay đổi điện áp nguồn. kir = 0,75: hệ số đánh giá sự ảnh hưởng điện áp trong dây quấn. sr: hệ số từ rò. Như phần trước đã trình bày: Gr = cost đ Uđk = 380 (V): điện áp cuộn dây. W = 2377 (vòng): số vòng cuộn dây. Vậy lực hút điện từ: Thay đổi các hệ số ku ta có: ku = 0,85 đ Ftb = 4,59. 10-4(Wb). ku = 1 đ Ftb = 5,4. 10-4(Wb). ku = 1,1 đ Ftb = 5,94. 10-4(Wb). Để dựng đặc tính lực hút ta thay đỏi từng giá trị d: 0,2 ; 1; 3; 5; 7; 9 và thay đổi ku tương ứng. ku = 0,85; 1; 1,1. Nên ta có bảng xác định Fđth theo công thức trên: d (mm). Fđth Gd (H). ku = 0,85. ku = 1. ku = 1,1. 0,2 125,77 174,04 210,6 2,05.10-6 1 99,42 145,28 180 0,43.10-6 3 56,47 78,16 94,57 0,17.10-6 5 39,85 55,16 66,75 0,1.10-6 6 28,71 39,74 43,2 0,096.10-6 9 18,49 24,82 29,61 0,0810-6 +.Tính và dựng đặctính nhả: Ta có hệ số nhả là tỷ số giữa dòng điện hoặc điện áp cuộn dây khi phần ứng của nam châm điện nhả và khi tác động. knhI = knhU = Trong trường hợp đơn giản, ta cũng có thể xác định qua đặc tính lực của nam châm điện (trên sơ đồ đặc tính lực). knh = Xét tại điểm tới hạn: knh = = 0,59. Vậy ta có giá trị điện áp nhả: với ku = 0,85. Unh = knh. Utđ = knh. 0,85. Uđm = 0,59. 0,85. 380 = 190,57 (V). Từ thông trung bình trong lõi thép khi nhả: Vậy lực điện từ tương ứng với Unh được xác định theo công thức: Thay đổi các giá trị của khe hở không khí d ta xác định được các giá trị của đặc tính nhả như trong bảng sau: Khe hở d (mm) 0,2 3 5 6 9 Fđtnhả (N) 32,57 15,33 11,49 7,58 4,4 11. Tính toán gần đúng thời gian tác động và thời gian nhả: Thời gian tác động (ttđ) là quãng thời gian kể từ thời điểm đưa tín hiệu tác động cho đến khi nắp chuyển động xong. (d = dmin). ttd = t1 + t2. Trong đó: t1 : thời gian khởi động khi tác dộng. t2: thời gian chuyển động khi tác động. Thời gian nhả là quãng thời gian từ khi cắt điện của cuộn dây đến khi nắp của nam châm điện kết thúc chuyển động (d = dmax). tnh = t3 + t4. Trong đó: t3 : thời gian khởi động khi nhả. t4: thời gian chuyển động khi nhả. +. Đối với nam châm điện xoay chiều: Xét thời gian tác động: ttd = t1 + t2. Với t1: Do dòng điện và từ thông biến thiên tuần hoàn. Với tần số f còn lực điện từ theo 2f. Mà trong thời gian t1 vì khe hở không khí lớn (d =dmax). Nên dòng trong cuộn dây quá lớn vì vậy nếu đóng điện vào thời điểm mà dòng điện đi qua điểm O chỉ sau 1/4 chu kỳ từ thông đạt trị số cực đại còn nếu đóng điện vào thời điểm i ạ O thì quãng thời gian để đạt từ thông cực đại cũng không quá 1/2 chu kỳ. Do đó lực điện từ đại trị số cực đại với thời gian bé hơn 1/2 chu kỳ. Như vậy cho rằng t1 = 1/2 chu kỳ là thời gian lâu nhất để khởi động: ị t1 = = 0,01 (s). t3 = = 0,01 (s). Với t2 : Theo công thức (19 - 1)- quyển 3 ta có: Trong đó: m khối lượng phần động. m = = 0,061 (kg). Với g = 9,8 (m/s2): gia tốc trọng trường. G = 0,6 (kg): trọng lượng phần động. - Dx1 = ( 9 – 6 ).10-3 = 3. 10-3 (m) - Dx2 = (6 - 3).10-3 = 3. 10-3 (m). - Dx3 = (3- 0,2).10-3 = 2,8. 10-3 (m). Mà ta có: Vậy ta có thời gian khởi động của phần ứng khi nhả: tkđ = t1 + t2 = 0,01 + 0,011 = 0,021 (s). Thời gian nhả của nam châm điện: tnh = t3 + t4 = 0,01 + 0,013 = 0,023 (s). Phần V: Tính toán buồng dập hồ quang I. khái niệm chung : ở điều kiện bình thường chất khí hầu như không dẫn điện và là môi trường cách điện tốt. Trong khí cụ điện khi đóng hoặc ngắt mạch, đặc biệt là khi ngắt mạch điện hồ quang sẽ phát sinh ở giữa từng cặp tiếp điểm của công tắc tơ. Hồ quang cháy toả ra một nhiệt lượng lớn, nếu không được dập tắt kịp thời thì lượng nhiệt đó sẽ phát bỏng tiếp điểm, cách điện thậm chí phá hỏng kết cấu của thiết bị điện. Cho nên dập tắt hồ quang có ý nghĩa rất quan trọng đối với tuổi thọ và độ làm việc tin cậy của thiết bị. Trong hồ quang điện xoay chiều dòng điện qua trị số không hai lần trong một chu kỳ. Khi đó độ bền catot độ bền cách điện được phục hồi. Do đó người ta lợi dụng hiện tượng này để thiết kế buồng dập hồ quang sao cho dòng điện dập tắt ngay sau khi dòng điên đi qua trị số không đầu tiên. Tuy nhiên hồ quang thường không bị dập tắt ngay tại thời điểm đó. Khi dòng điện xoay chiều qua trị số không ở khu vực hồ quang đồng thời xảy ra hai quá trình mật thiết với nhau : +. Quá trình dập hồ quang: là quá trình iôn hoá tăng cường. +. Quá trình tạo điều kiện cho hồ quang cháy lại: là quá trình phục hồi điện áp Đặc trưng cho quá trình thứ nhất là tốc độ tăng cường cách điện và đặc trưng cho quá trình thứ hai là tốc độ phục hồi điện áp. II. các yêu cầu của hệ thống dập hồ quang: Đảm bảo được khả năng đóng ngắt mạch điện nghĩa là đảm bảo giá trị dòng điện đóng và dòng điện ngắt ở điều kiện cho trước. Có thời gian cháy nhỏ để giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang Quá điện áp thấp. Kích thước hệ thống dập hồ quang nhỏ, vùng khí iôn hoá nhỏ. Nếu không nó có thể chọc thủng cách điện giữa các phần và có thể toàn bộ khí cụ điện. iii. tính toán buồng dập hồ quang: 1. Chọn kết cấu và vật liệu làm buồng dập hồ quang: Như đã trình bày ở phần chọn kết cấu. Để tính toán buồng dập hồ quang ta chọn kết cấu buồng dập của công tắc tơ mà ta thiết kế là: buồng dập kiểu dàn dập. Khi chọn vật liệu làm buồng dập hồ quang ta cần chú ý đến các tính chất sau: Tính chịu nhiệt của vật liệu. Tính cách điện và chống ẩm. Độ nhám bên trong của buồng dập hồ quang. Độ ứng cao. Từ tính chất trên ta chọn vật liệu làm buồng dập hồ quang là xi măng- amiăng. 2. Số lượng tấm: Theo công thức (3- 49) quyển 1 ta có số lượng tấm: Trong đó: +. kđm: hệ số định mức. Theo công thức (3 - 40) quyển 1 ta có: kđm = 0,9 . ksd. Theo trang 124- quyển 1 với khí cụ điện đóng ngắt 3 pha ta có: ksd = 1,5. Hệ số công suất của mạch ngắt ta chọn cosj = 0,85. Nên hệ số định mức: kđm = 0,9. 1,5. = 0,52. +.Theo công thức (3 - 50)- quyển 1 ta có: Ing = 4.Iđm = 4. 60 = 240 (A): dòng điện khi ngắt. Theo công thức (3 - 47) quyển 1: Trong đó: Dt, dt : bề dày và khoảng cách giữa các tấm. Theo trang 135- quyển 1 ta có : Dt = 1 á 5 (mm). Chọn Dt = 1 (mm) dt ³ 2 (mm). Chọn dt = 2 (mm) T: nhiệt độ của tấm dàn dập. Theo công thức (3 - 48)- quyển 1 ta có: T = 293 + 0,018 . Ing . = 293 + 0,018. 240. = 367,8 (0K). Với Z = 300 (lần/h): số lần đóng ngắt trong một giờ. Điện cảm ngắn mạch ( theo công thức 3-32 quyển 1). Cosj0 = 0,85 đ sin j0 = 0,52. w = 2. p. f = 2. 3,14 . 50 = 314 (rad/s). Uđm = 400 (V). Ing = 240 (A). Nên ta có: Vậy ta có: +.Uph0: điện áp phục hồi ban đầu của một khoảng trống. Theo công thức (3 - 46) quyển 1 ta có: Trong đó: U0t = (72 + 0,72 dt ) = ( 72 + 0,72 . 2) = 73,44 (V). Và n: là số khoảng trống. Để tương ứng với Iđm = 60A ; Uđm = 400V.Ta chọn n = 2 khoảng trống. Nên: +. Uhq0: điện áp hồ quang của 1 khoảng trống. Theo công thức (3-5)- quyển 1. Uhq0 = ( 110 + 0,003. Ing).( 0,7 + 0,04 dt) = (110 + 0,003 . 240 ).( 0,7 + 0,04. 2) = 86,34 (V). Nên số lượng tấm : Vậy để phù hợp ta chọn số tấm thiết kế ntk = 5 (tấm) 3. Kiểm tra điều kiện xảy ra quá trình dao động: Theo công thức (5 - 53) quyển 1 ta có; Theo công thức (3 - 30)- quyển 1: f0 = . ( A + B . Pđm3/4) = . ( 8000 + 2100 + 424003/4). = 59502376 (Hz). Trong đó: A = 8000; B = 2100: hệ số tương ứng hệ thống cáp. Pđm : Công suất phụ tải: Pđm = . Uđm . Iđm . cosj0 . kdt Kdt = 1,2 là hệ số dự trữ: Uđm = 400V, Iđm = 60A, cosj0 = 0,85. Pđm = . 400 . 60. 0,85. 1,2 = 42400 (W). Vậy f0 > 8348 (Hz) nên thoả mãn điều kiện quá trình không dao động. 4.Thời gian cháy của hồ quang: Theo công thức (3 - 5)- quyển 1: Trong đó: +.Vtđ = 0,1 (m/s) = 10 (cm/s): tốc độ của tiếp điểm. +. lhq: chiều dài hồ quang trên một khoảng trống. Theo công thức (3 - 38)- quyển 1 n = 4: số khoảng trống ( vì ta chọn nt = 5 ). - Rhq: điện trở toàn bộ của hồ quang. Ta có: Ihq = 0,5. Ing = 0,5 . 240 = 120 (A) : dòng điện hồ quang. Uhq = Uhq0.  : điện áp hồ quang. Uhq0 = 86,34 (V) : điện áp hồ quang trong một khoảng trống. ị Uhq = 86,34. = 159,2 (V).  Nên điện ta có: - Rhq0 : giá trị trung bình của điện trở hồ quang trên 1 cm chiều dài hồ quang của 1 khoảng trống. Theo công thức (3 - 37)- quyển 1 ta có: Vậy chiều dai hồ quang: - Vhq: vận tốc chuyển động của hồ quang.Theo công thức (3-19)- quyển 1: Vhq = 37. = 37. = 182,5 (m/s). Vậy thời gian cháy của hồ quang: Ta có thời gian dập hồ quang là 1/2 chu kỳ. Vậy thời gian dập hồ quang td = 0,005 (s). Nên thq< td nghĩa là thời gian cháy nhỏ hơn thời gian dập hồ quang là hợp lý. +. Chiều dài nhỏ nhất của 1 tấm ngắn. lt ³ 1,73. dt. td. = 1,73. 22. 0,005. = 0,22 (cm). Để đảm bảo hồ quang không ra khỏi buồng dập ta chọn lt = 0,3 (cm). 5. Kiểm tra quá trình dập tắt hồ quang: +. Quá trình không dao động của điện áp phục hồi: theo trang 125-quyển 1 ta có: Trong đó: Theo công thức (3-26)- quyển 1: Uđm = 400 (V): điện áp định mức. ksd = 1,5 vì công tắc tơ đóng ngắt ba pha. sinj0 = 0,52. ị Nên ta có: Ung = = 198 (V). Vậy điện áp phục hồi quá trình không dao động: +. Điện áp phục hồi phụ thuộc vào độ bền phục hồi: Theo công thức (3 - 45) quyển 1 ta có: Uđb = U0đb + kt. t Trong đó: kt = k0t. = 457528. = 843634 (v/s). U0đb = 73,44. = 135,4 (V) Ubđ = 135,4 + 843634.t Với các giá trị thời gian khác nhau ta có bảng. t (s) 0 0,005 0,01 0,015 Uph 0 180,8 196,5 197,8 Uđb 135,4 4353,57 8571,74 12789,91 Số tấm dập hồ quang là: 5 tấm Chiều dày của mỗi tấm là: 1 (mm) Khoảng cách giữa các tấm là: 2 (mm) Số khoảng trống giữa các tấm là 4 khoảng trống. 134,5 180,8 196,5 197,8 4353,57 8571,74 12789,91 U(v) t(s) 0 Kết luận Công tắc tơ là khí cụ điện hạ áp, dùng đóng ngắt mạch điện từ xa. Vì vậy công tắc tơ có kích thước nhỏ, cho nên khi thiết kế cần độ chính xác cao. Vì trình độ có hạn nên khi tính toán thiết kế có nhiều chỗ lúng túng, nhất là chương trình năm châm điện. Nhưng với sự hướng dẫn chu đáo và tận tình của thầy giáo Nguyễn Văn Đức cho nên em cũng đã hoàn thành đạt yêu cầu kỹ thuật khi nghiệm lại. Em rất mong nhận được lời nhận xét và góp ý cũng như sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn để đề tài của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!. Hà Nội, ngày 10 tháng 4 năm 2004 Sinh viên Trần Quang Thịnh. Tài liệu tham khảo Quyển 1: Thiết kế khí cụ điện hạ áp. (Bộ môn Thiết bị điện trường ĐHBK Hà Nội). Quyển 2: Chi tiết máy GS. TS. Nguyễn Trọng Hiệp Quyển 3: Cơ sở lý thuyết khí cụ điện. (Bộ môn Thiết bị điện trường ĐHBK Hà Nội). Mục lục Trang Lời nói đầu 1 Phần I: phân tích chọn phương án-chọn kết cấu 4 A. khái niệm chung 4 I. khái niệm về công tắc tơ 4 Ii. phân loại 4 iii. các yêu cầu đối với công tắc tơ 4 iv. cấu tạo của công tắc tơ 5 v. nguyên lý hoạt động 5 b. phân tích chọn phương án kết cấu 5 i. mạch từ 6 ii. tiếp điểm 6 iii. hồ quang điện 7 iv. nam châm điện 8 C. chọn khoảng cách cách điện 9 Phần ii: thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện 11 a. mạch vòng dẫn điện chính 11 i. thanh dẫn 12 i.1 tính toán thanh dẫn động 12 1.Chọn vật liệu thanh dẫn 12 2.Tính toán thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn 13 3.Kiểm nghiệm lại thanh dẫn 14 i.2 tính toán thanh dẫn tĩnh 17 ii. vít đầu nối 17 ii.1 yêu cầu đối với đầu nối 17 ii.2 chọn dạng kết cấu đầu nối 18 ii.3 tính toán đầu nối 18 iii. tiếp điểm 19 iii.1 yêu cầu của tiếp điểm 19 iii.2 chọn kết cấu và vật liệu làm tiếp điểm 20 iii.3 tính toán tiếp điểm 20 1. Chọn kích thước cơ bản 20 2. Lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc 21 3. Tính điện trở tiếp xúc 23 4. Tính điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc 24 5. Tính nhiệt độ tiếp điểm 24 6. Tính điện trở tiếp xúc 25 7. Dòng điện hàn dính tiếp điểm 25 iv. độ mở độ lún tiếp điểm 27 1. Độ mở 27 2. Độ lún 28 v. độ rung tiếp điểm 28 1. Xác định trị số biên độ rung 28 2. Xác định thời gian rung tiếp điểm 29 vi. sự ăn mòn tiếp điểm 30 1. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự ăn mòn tiếp điểm 30 2. Tính toán độ mòn của tiếp điểm 30 b. mạch vòng dẫn điện phụ 31 i. thanh dẫn 31 i.1 thanh dẫn động 32 1. Chọn vật liệu thanh dẫn 32 2. Tính toán thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn 32 3. Tính toán kiểm nghiệm lại thanh dẫn 33 I.2 tính toán thanh dẫn tĩnh 35 ii. tính đầu nối 36 1 Chọn dạng mối nối 36 2. Tính toán vít đầu nối 36 iii. tính toán tiếp điểm 37 iiI.1 chọn dạng kết cấu và vật liệu làm tiếp điểm.. 37 iii.2 tính toán tiếp điểm 37 1. Chọn kích thước cơ bản 37 2. Tính lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc 38 3. Tính điện trở tiếp xúc 39 4. Tính điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc 40 5. Tính nhiệt độ tiếp điểm 40 6. Tính nhiệt độ tiếp xúc 41 7. Dòng điện hàn dính 42 iii. độ mở- độ lún tiếp điểm 43 iv. độ rung của tiếp điểm 44 1. Xác định trị số biên độ rung 44 2. Thời gian rung tiếp điểm 45 vi. sự ăn mòn của tiếp điểm 45 Phần iii: tính và dựng đặc tính cơ 47 a. tính toán cơ cấu 47 i. sơ đồ động 47 ii. lò xo tiếp điểm chính 48 1. Chọn kiểu và vật liệu làm lò xo 48 2. Lực lò xo của tiếp điểm chính 49 3. Tính toán đường kính dây quấn lò xo 49 4. Tính số vòng lò xo tiếp điểm chính 50 5. Tính chiều dài tự do của lò xo 51 iii. lò xo tiếp điểm phụ 51 1. Lực lò xo tiếp điểm phụ 51 2. Tính toán đường kính dây quấn lò xo 52 3. Tính số vòng lò xo tiếp điểm phụ 52 4. Tính chiều dài tự do của lò xo 53 iv. lò xo nhả 54 1. Tính lực lò xo nhả đầu và nhả cuối 54 2. Đường kính dây quấn lò xo nhả 54 3. Tính số vòng lò xo nhả 55 4. Tính chiều dài tự do của lò xo 56 b. dựng đường đặc tính cơ 56 Phần iv: tính toán nam châm điện 59 i. tính toán sơ bộ nam châm điện 59 1. Chọn dang kết cấu 59 2. Chọn vật liệu 60 3. Chọn từ cảm, hệ số từ rò, hệ số từ tản 60 4. Xác định thông số chủ yếu và kích thước nam châm điện 60 5. Xác định kích thước cuộn dây 62 ii. tính toán kiểm nghiệm nam châm 66 1. Sơ đồ thay thế 66 2. Tính từ dẫn khe hở không khí 67 3. Xác định từ thông và từ cảm tại d = dth 71 4. Xác định thông số cuộn dây 73 5. Tính toán vòng ngắn mạch chống rung 74 6. Hệ số tỏa nhiệt vòng ngắn mạch 79 7. Tổn hao trong lõi thép 80 8. Tính dòng điện trong cuộn dây 81 9. Tính toán nhiệt dây quấn nam châm điện 83 10. Tính và dựng đặc tính lực hút 85 11. Tính toán gần đúng thời gian tác động và thời gian nhả 87 Phần v: tính toán buồng dập hồ quang 90 i. khái niệm chung 90 ii. các yêu cầu của buồng dập hồ quang 90 iii. tính toán buồng dập hồ quang 91 1. Chọn kết cấu và vật liệu làm buồng hồ quang 91 2. Số lượng tấm 92 3. Kiểm tra điều kiện xảy ra quá trình dao động 93 4. Thời gian cháy của hồ quang 93 5. Kiểm tra quá trình dập tắt hồ quang 95