Đề tài Tìm hiểu thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều ba pha

Lời nói đầu Hiện nay với sự phát triển không ngừng của các nghành công nghiệp - nông nghiệp, việc sử dụng các sản phẩm của khoa học kĩ thuật là rất quan trọng. Chính nhờ sự ứng dụng đó mà thúc đẩy nền kinh tế cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới, đồng thời chúng góp phần không nhỏ vào việc tăng năng xuất lao động, phục vụ đời sống, sinh hoạt hàng ngày của con người, không những thế chúng còn thay thế và làm việc ở những môi trường không có lợi cho con người và làm việc với tính chính xác cao. Để đảm bảo an toàn cho tính mạng con người, bảo vệ các thiết bị điện tránh tổn thất kinh tế, cộng với sự phát triển mạnh mẽ của nền công nghiệp thì khí cụ điện ngày càng được đòi hỏi nhiều hơn, chất lượng luôn đi theo sự phát triển của công nghệ. Ngày nay các khí cụ điện hiện đại được sản suất ra phải đảm bảo tính năng an toàn và tự động hóa cao, trong đó công tắc tơ không nằm ngoài khả năng an toàn và tự động hóa, điều khiển các quy trình sản suất. Chính vì vậy vai trò cần thiết của sự nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là đặc biệt quan trọng nhằm nâng cao tính năng tự động hóa an toàn khi vận hành và tuổi thọ của chúng không ngừng được cải thiện hơn. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Đức trong khoảng thời gian học kì 2, em đã hoàn thành được đề án thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha. Do kiến thức, kinh nghiệm thực tế và thời gian hạn chế nên bản đồ án không thể không tránh khỏi những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong được sự chỉ bảo và góp ý của c thầy. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội 18/6/2007 Sinh viên: PHẠM THẾ VINH Mục lục Chương 1. Những vấn đề chung 1. Khái quát và công dụng. Công tắc tơ xoay chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa hoặc bằng nút Ên các mạch điện lực có phụ tải. Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối các mạch điện xoay chiều, nam châm điện của nó là nam châm điện xoay chiều, nhưng cũng có trường hợp nam châm điện là nam châm điện một chiều. Theo nguyên tắc truyền động, ta có công tắc tơ kiểu hơi Ðp, kiểu thủy lực nhưng phần lớn các khí cụ điện hiện nay hay các công tắc tơ hiện nay thường được chế tạo theo kiểu điện từ. Công tắc tơ xoay chiều có các bộ phận chính sau: Mạch vòng dẫn điện (gồm đầu nối, thanh dẫn và các tiếp điểm) là chi tiết dẫn điện từ lưới đến phụ tải và từ thiết bị này đến thiết bị khác. Hệ thống dập hồ quang. Các cơ cấu trung gian. Truyền và biến đổi năng lượng. Nam châm điện. Cơ cấu điện từ biến đổi điện năng thành cơ năng, tạo ra lực điện từ dùng để đóng mở công tắc tơ. Các chi tiết và các cụm cách điện Các chi tiết kết cấu vỏ... 2. Yêu cầu chung đối với công tắc tơ xoay chiều. a.Yêu cầu về kĩ thuật Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận khi làm việc ở chế độ sự cố và định mức q < [q]; qnm < [qnm] và jnm < [jnm]. Đảm bảo độ bền cách điện của các chi tiết bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp cực đại, kéo dài và trong điều kiện của môi trường xung quanh ( như mưa, bụi...), cũng như khi có điện áp nội bộ hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra. Độ bền cơ và tính chịu mài mòn của các bộ phận KCĐ trong thời gian giới hạn số lần thao tác thiết kế, thời hạn làm việc ở chế độ định mức và sự cố. Đảm bảo khả năng đóng ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện của các chi tiết, bộ phận. b.Yêu cầu về vận hành Có độ tin cậy cao Có tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài Đơn giản trong chế tạo, dễ thao tác, thay thế và sửa chữa. Phí tổn cho vận hành, tiêu tốn năng lượng Ýt. c.Yêu cầu kinh tế xã hội Giá thành hạ Tạo điều kiện để dễ dàng thuận tiện cho người vận hành Đảm bảo an toàn trong lắp giáp và sửa chữa. Có hình dánh và kết cấu phù hợp , đẹp. Vốn đầu tư cho chế tạo và lắp giáp Ýt. 3. Nguyên lý làm việc và kết cấu trung của công tắc tơ xoay chiều Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận: cuộn dây và mạch từ và được phân thành nhiều loại như công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây và công tắc tơ kiểu hút ống thẳng. Tất cả các công tắc tơ trên đều làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để dẫn từ nó là những lá thép kĩ thuật điện được dập thành chữ E hoặc chữ U và được ghép lại với nhau. Mạch từ được chia làm hai phần: một phần được kẹp chặt cố định, phần còn lại là nắp được nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn.Cuộn dây hút có điện trở và điện kháng rất bé. Khi ta đặt điện áp vào hai đầu cuộn dây của nam châm điện sẽ có dòng điện chạy trong cuộn dây, cuộn dây sẽ sinh ra từ thông khép mạch qua lõi sắt và khe hở không khí d tạo lực hút điện từ kéo nắp (phần ứng) về phía lõi. Khi cắt điện áp (dòng điện ) trong cuộn dây thì lực hút điện từ không còn nữa và nắp bị nhả ra. 4.Lựa chọn sơ bộ nam châm điện. Dựa vào số lần thao tác trong một giờ ta phân biệt được chế độ làm việc của công tắc tơ điện xoay chiều ba pha nói trên, làm việc ở chế độ làm việc nhẹ. Công tắc tơ xoay chiều dùng nam châm điện có mạc từ hình chữ E hoặc chữ U có nắp quay quanh trụ hoặc chuyển động tịnh tiến theo kiểu hút ống dây, chuyển động kiểu hút thẳng, kiểu quay trên một cạnh và có phần ứng nằm ngoài cuộn dây, phấn ứng chuyển động trong lòng ống dây hoặc một phần ống dây. Qua phân tích ưu nhược điểm của các loại NCĐ đã có sẵn. Ta chọn NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây. Loại kết cấu này có nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phương chuyển động trùng với phương tác dụng của các lực. Đồng thời cho đặc tính lực hút tương đối lớn, hành trình chuyển động nhanh, thời gian chuyển động ngắn. Từ thông rò không sinh ra lực từ phụ. Tuy nhiên đi cùng với những ưu điểm thì NCĐ có kết cấu trên còn có mặt hạn chế là: Có bội số dòng điện lớn so với các mạch từ khác nên không thể dùng trong các chế độ làm việc nặng và trung bình. Lực lò xo nhỏ, công suất nhỏ. Việc dùng kết cấu NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng, có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây hoàn toàn phù hợp với công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ có chế độ làm việc nhẹ. 5.Lựa chọn hệ thống tiếp điểm chính và hệ thống tiếp điểm phụ. Với yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha có tần số đóng cắt = 105 lần. Nên các tiếp điểm phải đảm bảo độ mài mòn về điện và cơ. Qua phân tích và khảo sát các loại tiếp điểm (như tiếp điểm kiểu ngón, tiếp điểm lưỡi, tiếp điểm kiểu tấm phẳng...) chọn tiếp điểm chính kiểu cầu, tiếp xúc mặt phù hợp với NCĐ kiểu hút thẳng với dòng điện đi qua tiếp điểm chính Iđm = 200Tiếp điểm phụ kiểu cầu, tiếp xúc điểm ứng với dòng làm việc nhỏ I =5A. Tiếp điểm cầu có hai chỗ ngắt có ưu điểm là khả năng ngắt lớn không cần dây nối mềm, có khả năng làm sạch nơi tiếp xúc, chiếm Ýt không gian. Ngoài ra việc dập hồ quang được đảm bảo. 6. Lựa chọn sơ bộ hệ thống dập hồ quang. Do công tắc tơ làm việc là công tắc tơ xoay chiều (làm việc với dòng xoay chiều) nên chọn kiểu dập hồ quang là kiểu dàn dập, mỗi chi tiết tiếp điểm sẽ có một buồng dập hồ quang riêng. 7. Ngoài ra còn có các chi tiết khác như lò xo, thanh dẫn ... và các chi tiết khác. Những chi tiết này sẽ được tính toán chi tiết, cụ thể ở các phần sau. Chương 2. Mạch vòng dẫn điện Khái niệm về mạch vòng dẫn điện. Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện nói chung và của CTT nói riêng do các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu và kích thước hợp thành. Mạch vòng dẫn điện gồm thanh dẫn (động, tĩnh), dây nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm (giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh), cuộn dây dòng điện (có thể có cuộn thổi từ dập hồ quang). Ngoài mạch vòng dẫn điện chính còn có mạch vòng dẫn điện phụ được tính toán nh­ mạch vòng dẫn điện chính. Yêu cần đối với mạch vòng dẫn điện. Điện trở suất nhỏ, chịu được nhiệt độ cao, dẫn điện tốt. Bền đối với môi trường (chịu tác dụng độ Èm, nhiệt độ, khí hậu). Tổn hao nhá. Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa. Tính toán và lựa chọn thanh dẫn. Thanh dẫn trong CTT gồm có thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Để tính toán thiết kế hai loại thanh dẫn này ta chỉ cần tính toán thiết kế cho thanh dẫn động. Khi tính toán xong kích thước cho thanh dẫn động thì ta có ngay kích thước của thanh dẫn tĩnh (thường kích thước thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động do trên thanh dẫn tĩnh còn có phần đầu nối), vì hai thanh dẫn đều cùng chịu một dòng điện như nhau khi làm việc (Iđm). Yêu cầu đối với thanh dẫn: + Điện trở suất nhỏ, dẫn điện, dẫn nhiệt tốt. + Độ bền cơ cao. + Chịu ăn mò hoá học, Ýt bị ôxy hoá. + Độ mài mòn nhỏ khi va đập. + Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt và thay thế, sửa chữa. + Giá thành càng thấp càng tốt. Kích thước cho thanh dẫn được tính theo các bước: + Xác định kích thước cho thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn. + Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn. + Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn. 2.3.1.Xác định kích thước cho thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn. Chọn vật liệu thanh dẫn. Để thoả mãn các yêu cầu của thanh dẫn ta có thể chọn vật liệu thanh dẫn là đồng kéo nguội có các số liệu trong bảng dưới (theo bảng B2-13 trang 44 tài liệu thiết kế khí cụ điện hạ áp (TLTKKCĐHA)): Tên hằng số vật lý Giá trị Đơn vị Ký hiệu ML-TB Tỷ trọng 8,9 g/ cm3 Nhệt độ nóng chảy 1083 0C Điện trở suất 200C (r20) 15.10-6 W.mm Độ dẫn nhiệt 3,9 W/ cm.0C Tỷ trọng nhiệt 0,39 W/ cm.0C Độ cứng 80 ¸ 120 Briven.kg/mm2 Hệ số nhiệt điện trở 0,0043 1/ 0C Nhiệt độ nóng chảy cho phép 95 0C Chọn kiểu thanh dẫn. Chọn thanh dẫn dạng hình chữ nhật. Tính toán kích thước thanh dẫn theo lý thuyết. Theo kinh nghiệm thì khi dòng điện làm việc (dòng điện định mức) trong khoảng Iđm = 150A tới Iđm = 210A thì ta có thể chọn theo kinh nghiệm. Trong quá trình làm việc ổn định thì ta luôn có: : độ tăng nhiệt ổn định. đối với đồng (số liệu được tra trong bảng 6-1 trang 288- TLTKKCĐHA). Phương trình cân bằng nhiệt ở chế độ xác lập: (2.1) Từ phương trình trên ta có kích thước sơ bộ của thanh dẫn: (2.2) Trong đó: (2.3) Kph = 1,05 : Hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao do hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần). n = a/b = 8: Tỉ số diện tích. a,b : Lần lượt là chiều rộng và chiều cao thanh dẫn (m). Iđm: Dòng điện làm việc định mức (A). KT: Hệ số tản nhiệt ra khống chế. Chọn KT = 7,5 (số liệu được tra trong bảng 6-5 trang 301- TLTKKCĐHA). : Nhiệt độ ổn định (số liệu được tra trong bảng 6-1 trang 288- TLTKKCĐHA). : Điện trở suất của vật liệu ở 200C ( W.m). : Hệ số nhiệt điện trở của đồng (1/0C). Theo công thức (2.3) ta có điện trở suất của vật liệu đã chọn (ở đây là đồng kéo nguội) ở nhiệt độ làm việc ổn định 950C: Chiều cao thanh dẫn làm việc với dòng địng mức Iđm = 200A được tính theo biểu thức (2.2): Bề rộng thanh dẫn tính theo tỉ số diện tích n = a/b = 8. a = 8.2,45 = 19,5 (mm) Cần chó ý rằng trên thanh dẫn động có gắn tiếp điểm động, kích thước thanh dẫn động phải đủ lớn để gắn tiếp điểm động trên đó. Vì vậy kích thước thanh dẫn phụ thuộc vào kích thước tiếp điểm. Từ bảng 2-15 trang 51- TLTKKCĐHA, ứng với dòng định mức Iđm = 200A ta xác định được đường kính tiếp điểm d = 20 ¸ 25 (mm), chiều cao tiếp điểm h = 2,2 ¸ 3,0 (mm). Với đường kính tiếp điểm d = 20 ¸ 25 (mm) thì bề rộng thanh dẫn sẽ khá lớn nên ta tiến hành quy đổi tiếp điểm tròn thành tiếp điểm chữ nhật theo: Theo trên ta thấy a’ = 16 ¸ 20 (mm) và b’ = 19,625 ¸ 24,5 (mm) Vậy chọn kích thước tiếp điểm nh­ sau: (a’, b’ là bề rộng và dài của tiếp điểm chữ nhật) Ta chọn a = 20 + 2 = 22 (mm) và b = 3 (mm). Kích thước thanh dẫn với dòng điện làm việc Iđm = 5A: Bề rộng thanh dẫn tính theo tỉ số diện tích n = a/b = 8; a = 8.0,21 = 1,68 (mm) Để phù hợp ta chọn a = 5 (mm) và b = 1 (mm). (bảng 2-15 trang 51 TKKCĐHA) 2.3.2.Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn. Nh­ vậy theo lý thuyết ta đã tính được kích thước cần thiết của thanh dẫn tương ứng với dòng định mức Iđm = 200A. Tuy nhiên để đưa vào thiết kế ta cần tính toán kiểm nghiệm lại xem với kích thước đã có của thanh dẫn thì liệu có đảm bảo được độ tăng nhiệt, nhiệt độ phát nóng ổn định và mật độ dòng điện cho phép khi thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn hay không. Đồng thời cần kiểm tra xem thanh dẫn có đảm bảo các yêu cầu cần thiết trong các chế độ ngắn hạn và ngắn mạch. Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ dài hạn. Kiểm tra nhiệt độ phát nóng thanh dẫn: (2.4) Trong đó: S = a.b = 22.3 = 66 (mm2). P = 2.(a+b) = 50 (mm). : Điện trở suất ở 00C. Kiểm tra mật độ dòng điện ở chế độ dài hạn: (A/mm2) (2.5) Kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn. Trong chế độ ngắn hạn, thời gian xảy ra ngắn mạch rất ngắn nên có thể coi quá trình này là quá trình đoạn nhiệt, do đó rất lớn. Từ phương trình cân bằng nhiệt: . Sau khi tính toán ta được phương trình cân bằng sau (biểu thức 6-21 trang 313 TLTKKCĐHA): (2.6) Trong đó: Aq0, Aqnm là các hệ số tích phân phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ thanh dẫn ứng với các giới hạn trên và dưới là q0, qnm. Hai hệ số Aq0, Aqnm được xác định bằng đồ thị hình 6-6 trang 313 TLTKKCĐHA. Theo đồ thị này thì Aq0 = 1,4.10 4 (A2S/mm4) và Aqnm = 3,75.10 4 (A2S/mm4). Từ công thức (2.6) ta có : (2.7) Để kiểm nghiệm kích thước thanh dẫn trong quá trình làm việc ngắn hạn ta lấy thời gian xảy ra ngắn mạch: tnm: 3, 5, 10 (s). Khi đó theo công thức (2.7) ta có: Mật độ dòng điện khi ở tnm = 3s: Mật độ dòng điện khi ở tnm = 5s: Mật độ dòng điện khi tnm = 10s: Theo bảng 6-7 trang 305 TLTKKCĐHA đối với vật liệu Đồng ta có mật độ dòng điện cho phép : t bn = 3s ® [Jbn 3] = 94 A/ mm2 t bn = 5s ® [J bn 5] = 51 A/ mm2 Nh­ vậy sau khi tính toán ta thấy J bn tt < [J bn ], kết cấu của thanh dẫn động thoả mãn yêu cầu khi mạch có sự cố ngắn mạch. 2.3.3.Xác định kích thước thanh dẫn tĩnh. Do thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh cùng dòng định mức Iđm = 200A đi qua nên kích thước thanh dẫn tĩnh giống nh­ kích thước thanh dẫn động. Vì thanh dẫn tĩnh có gắn với phần đầu nối nên ta thường chọn kích thước than dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động. Cũng vì lý do đó mà ta không cần kiểm nghiệm lại thanh dẫn tĩnh. Từ kích thước thanh dẫn động chính: a = 22 (mm) và b = 3 (mm). Chọn kích thước thanh dẫn tĩnh chính: a’ = 24 (mm) và b’ = 3,5 (mm). Từ kích thước thanh dẫn động phụ: a = 5 (mm) và b = 1 (mm) chọn a’ = 6 (mm) và b’ = 1,5 (mm). Tính toán phần đầu nối. Khái niệm. Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng trong khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hư hỏng nặng trong quá trình vận hành. Đầu nối gồm các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài và nối với các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. Nhiệm vô. Đầu nối làm nhiệm vụ liên kết mạch ngoài với mạch vòng dẫn điện (tức làm nhiệm vụ đưa điện vào ra khí cụ điện), đồng thời làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết của mạch vòng dẫn điện. Yêu cầu. Nhiệt độ của mối nối khi làm việc dài hạn ứng với dòng điện định mức không được lớn hơn nhiệt độ cho phép . Lực Ðp đầu nối đủ lớn để Rtx nhỏ, giảm được tổn hao ở phần đầu nối. Đảm bảo đủ độ bền nhiệt, độ bền cơ. Chọn dạng kết cấu đầu nối. Việc chọn kết cấu mối nối phụ thuộc vào hình dáng vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu khác. Thường cố gắng giảm một các hợp lý số mối nối tiếp xúc, mỗi chộ đầu nối đều có thể là nơi hư hỏng của mạch vòng dẫn điện đầu tiên. Có nhiều loại mối nối tiếp xúc, việc sử dụng kiểu mối nối nào là phụ thuộc các yêu cầu về kết cấu và dòng điện làm việc. Với dòng Iđm = 200A ta chọn loại mối nối tháo rời được bằng vít ren. Xác định kích thước và số lượng bulông ốc vít. Kích thước bulông, vít phụ thuộc vào Iđm. Theo trị số dòng điện làm việc 150A ta chọn vật liệu vít là thép không dẫn điện. Theo bảng 2-9 trang 32 và bảng 2-10 trang 33 TLTKKCĐHA ta chọn vít có: Đường kính ren (M12) d = 12 (mm). Tiết diện tính toán Stt = 74 (mm2). Lực tính toán Ftt = 10 ( KN.) Chọn số lượng bulông, vít là 1. Theo thực nghiệm để đạt trị số điện trở tiếp xúc và điện áp rơi cho phép, cần phải tạo ra lực Ðp riêng ftx trên mối nối các thanh đồng đủ lớn : Chọn ftx (lực Ðp riêng) =100 (KG/cm2) Diện tích tiếp xúc đầu nối: (2.8) Do Iđm = 200A nên ta chọn [J tx ] = 0,31 A/mm2 Theo công thức (2.8) ta có: Lực Ðp tiếp xúc đầu nối là : Ftx = ftx.Stx = 100.645.10-2 = 6,45 (KN) < 10 (KN) Diện tích phần đầu nối được xác định theo công thức: Sđn = Stx + Stt = 645 + 74 = 719 (mm2) Xác định điện trở tiếp xúc của đầu nối : Rtxđn = (2.9) ktx là hệ số ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm. Với tiếp xúc đồng - đồng ktx = 0,14.10-3 và m = 1 tiếp xúc bề mặt. Rtxđn = Điện áp tiếp xúc: Utx = Itx.Rtxđn = 200.0,21.10-6 = 4,2.10-6(V) = 0,42 (mV) Kết luận : Do Utx = 0,42 (mV) < [utx] = (2 ¸ 30 mV) nên phần đầu nối thiết kế thoả mãn yêu cầu kĩ thuật. Với dòng Iđm = 5A thì chọn vít có d = 3 (mm), kí hiệu M1 và tiết diện tính toán 7,1(mm2). Số lượng vít là 1. Lực Ðp tiếp xúc đầu nối l: Ftx = ftx.Stx = 100.16,13.10-2 .9,81= 158 (N) Diện tích phần đầu nối được xác định theo công thức: Sđn = Stx + Stt = 16,13 + 7,1 = 23,2 (mm2) Xác định điện trở tiếp xúc của đầu nối : Rtxđn = Điện áp tiếp xúc: Utx = Itx.Rtxđn = 5.8,22.10-6 = 0,0411 (mV) Kết luận : Do Utx = 0,411 (mV) < [utx] = (2 ¸ 30 mV) nên phần đầu nối thiết kế thoả mãn yêu cầu kĩ thuật. Tính toán tiếp điểm. 2.5.1.Yêu cầu đối với tiếp điểm. Dẫn điện tốt, kiểu dáng và kết cấu hợp lý. Tiếp điểm là bộ phận dễ hư hỏng nhất vì vậy mà tuổi thọ của công tắc tơ là tuổi thọ tiếp điểm. Chế độ định mức thì qtx < [qtx] = q biến đổi tinh thể tiếp điểm. Ngoài ra độ bền cơ, bền điện, độ rung tiếp điểm cũng phải nhỏ hơn trị số cho phép, hao mòn tiếp điểm phải ở mức quy định. Chế độ ngắn mạch thì phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động, với tiếp điểm hồ quang thì phải có khả năng ngắt lớn. Kết cấu tiếp điểm: Tiếp điểm kiểu công sôn(Hình 1). Thường dùng cho dòng điện bé (đến 5A), tải nhẹ. Dạng tiếp xúc điểm không có lò xo tiếp điểm riêng mà lợi dụng tính đàn hồi của thanh dẫn động để tạo lực Ðp tiếp điểm và không có buồng dập hồ quang. Tiếp điểm kiểu cầu(Hình 2). Với đặc điểm một pha có hai chỗ ngắt nên hồ quang bị phân đoạn. Tiếp điểm động chuyển động thẳng, không dây nối mềm, lò xo Ðp tiếp điểm dạng xoắn hình trụ, kết cấu đơn giản, thường dùng trong các công tắc tơ, khởi động từ điều khiển động cơ điện có dòng điện định mức khá lớn. Tiếp điểm kiểu ngón(Hình 3).Mét pha có một chỗ ngắt, phần động chuyển động quay, vì vậy có dây dẫn mềm để nối với tiếp điểm động. Bằng kết cấu này, vùng tiếp xúc làm việc không bị hồ quang. Loại kết cấu này thường sử dụng trong các máy cắt hạ áp (áp tô mát) và các thiết bị đóng cắt có chế độ làm việc nặng nề. Tiếp điểm kiểu dao(Hình 4). Thường dùng cho cầu dao có dòng điện bé (đến vài trục ampe). Lực Ðp tiếp điểm ở đây nhờ tính đàn hồi của lá đồng tiếp điểm tĩnh. Với dòng điện lớn, người ta dùng tấm thép lò xo dạng phẳng để tạo lực Ðp tốt hơn. Với kết cấu này, khi bị ngắn mạch lực điện động sẽ cùng chiều với lực Ðp tiếp điểm, đảm bảo tiếp xúc tốt. Loại tiếp điểm kiểu dao chỉ dùng đóng cắt không điện hoặc dòng điện bé (dòng không tải), thường gặp ở cầu dao, dao cách ly. Tiếp điểm kiểu đối. Tận dụng được khoảng không rỗng bên trong lòng trụ tiếp điểm nên có thể tăng được khả năng dập hồ quang. Mặt khác nếu tính đủ diện tích tiếp xúc của tiếp điểm cũng nh­ thanh dẫn động (tĩnh) thì nó có thể dẫn dòng điện lớn cỡ hàng trăm ampe. Tiếp điểm kiểu hoa huệ. Loại tiếp điểm này thường dùng cho các máy cắt dòng điện cỡ hàng ngàn ampe. Kết cấu này cũng thường được sử dụng trong các trạm đóng cắt trọn bộ, lắp ráp kiểu mô - đun. 2.5.2.Chọn dạng kết cấu tiếp điểm. Do yêu cầu làm việc với dòng điện Iđm = 200A nên ta chọn kết cấu tiếp điểm kiểu cầu hai chỗ ngắt, tiếp xúc mặt, có buồng dập hồ quang: Tiếp xúc mặt nên đảm bảo được dòng điện lớn hàng trăm ampe. Khả năng tẩy sạch bụi bẩn lồi lõm trên bề mặt tiếp xúc. Khả năng ngắt lớn, không cần dây nối mềm. Dập hồ quang dễ dàng. Với tiếp điểm phụ do dòng làm việc 5A nên ta chọn tiếp điểm kiểu cầu hai chỗ ngắt tiếp xúc điểm, dập hồ quang tự nhiên. 2.5.3.Độ mở, độ lún. Độ lún: Là khoảng cách mà tiếp điểm động có thể đi thêm được nếu không bị cản lại bởi tiếp điểm tĩnh. Theo công thức lý thuyết: l = a + b.Iđm Với a = 1,5 (mm) b = 0,02 (mm/A) Thay sè : lc = 1,5 + 0,02. 200 = 5,5 (mm) Với dòng I = 5A thì độ lún là: lf = 1,5 + 0,02. 5 = 1,6 (mm). Độ mở: Để đảm bảo cách điện do có hồ quang sinh ra trong quá trình đóng, cắt mạch điện nên ta phải chọn độ mở hay khoảng cách giữa hai tiếp điểm phải thật an toàn. Với dòng điện làm việc Iđm = 200A thì ta chọn độ mở mc = 9 (mm). Với dòng điện I = 5A ta chọn độ mở mf = 10,9 (mm) để sao cho tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm chính bằng với cho tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm phụ. 2.5.4.Chọn vật liệu và kích thước tiếp điểm. Kích thước tiếp điểm: phụ thuộc vào Iđm, kết cấu và tần số đóng cắt. Dựa vào Iđm, và kích thước thanh dẫn đã chọn ở trên ta chọn kích thước tiếp điểm theo bảng 2-15 trang 51 TKKCĐHA: Tiếp điểm chính có chiều rộng atđ = 20 (mm), chiều dài btđ = 24,5 (mm) và chiều cao tiếp điểm h = 3 (mm). Tiếp điểm chính có dạng tiếp xúc mặt, đảm bảo các yêu cầu về nhiệt độ, điện trở tiếp xúc, lực Ðp tiếp điểm và điện áp tiếp xúc khi lam việc với dòng khá lớn 200A. Tiếp điểm phụ có dạng tiếp xúc điểm do dòng làm việc nhỏ I =5A. Theo kích thước thanh dẫn phụ có chiều rộng a = 5 (mm) và cao b = 1 (mm). Ta chọn tiếp điểm phụ có đường kính d = 4 (mm) và cao h = 1 (mm). Để đảm bảo về yêu cầu kỹ thuật của tiếp điểm ta dùng bạc kim loại gốm để thiết kế chế tạo tiếp điểm bảng 2-13 trang 44 TKKCĐHA: Tên hằng số vật lý Giá trị Đơn vị Ký hiệu MC Tỷ trọng 10 g/ cm3 Nhệt độ nóng chảy 961 0C Điện trở suất ở 200C 1,8.10 -3 W.mm Độ dẫn nhiệt 0,416 W/cm.0C Tỷ trọng nhiệt 0,234 Ws/ cm.0C Độ cứng 35 ¸ 45 Briven.kg/ mm2 Hệ số nhiệt điện trở 4.10 -3 1/ 0C 2.5.5.Xác định nhiệt độ, điện trở tiếp xúc, lực Ðp tiếp điểm và điện áp tiếp xúc khi làm việc dài hạn. Tính toán lực Ðp tiếp điểm: Theo công thức lý thuyết 2-14 trang 53 TLKKCĐHA: Ftđ 1 = (2.10) Trong đó : Ttđ (0K ) : Nhiệt độ trụ dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc Ttd = 69,60C = 342,60K Ttx( 0K ) : Nhiệt độ nơi tiếp xúc giữa hai tiếp điểm Ttx= Ttd +8 = 77,60C = 350,6 0K Iđm : Dòng điện định mức. l : Hệ số dẫn nhiệt (l =0,416 W/ cm0C). A : Hằng số A= 2,3.10-8 ( V/ 0C ) HB: Độ cứng Briven (HB = 40 Briven. Kg/ mm2). Thay số vào ( 2-10 ): Ftđ 1 = = 8,5 (N) Do dạng tiếp xúc ta chọn là tiếp xúc mặt nên Ftđ = 3.Ftđtt = 25,5 (N) Xác định Ftđ theo thực nghiệm: Ftđtt = ftđ.Iđm Với ftđ: hệ số Ðp tiếp điểm ftđ = 7 ¸ 15 (G/A) Ta chọn: ftđ = 10 (G/A) Ftđ = 10.200 = 2000 ( G) = 20 (N ) Vậy so sánh Ftđtt với Ftđ = 3.Ftđtt = 25,5 (N) vậy ta chọn Ftđ = 25,5 (N). Khi đó ta có thể tăng dự trữ lực, đảm bảo độ ổn định điện động. Cần chú ý rằng Ftđ = Ftđc là tiếp điểm đóng ổn định. Lực Ðp tiếp điểm đầu Ftđđ là lực Ðp khi tiếp điểm tĩnh bắt đầu tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh khi đóng. Thông thường Ftđđ = 0,4 ¸ 0,7 Ftđc Như vậy ta có: Ftđc = Ftđ = 25,5 (N) Ftđđ = 0,7.Ftđc = 17,85 (N) Với tiếp điểm phụ dòng 5A: Ftđcf = 10.5 = 50 (G) = 0,5 (N) Ftđđf = 0,7.Ftđcf = 0,35 (N) Xác định điện trở và điện áp tiếp xúc: Biểu diễn quan hệ giữa lực Ðp tiếp điểm với điện trở tiếp xúc. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng tại 200C xác định theo công thức 2 - 24 trang 58 (TLTKKCĐHA): Rt x 20 = Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng tại 200C xác định theo công thức 2 - 25 (TLTKKCĐHA): Rt x 20 = (2-12) Trong đó: kt x : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm. kt x = ( 0,2 ¸ 0,2 ).10-3 Chọn ktx =0,2.10-3. Ftđ = 25,5 N : lực Ðp tiếp điểm. m : hệ số dạng bề mặt tiếp xúc ( tiếp xúc mặt : m = 1). Rtx20 = = 0,07.10-3 (W). So sánh hai kết quả thực nghiệm và lý thuyết ở trên ta lấy Rtx20 = 0,05.10-3W Xác định điện trở ở chế độ làm việc của tiếp điểm, ta xét lúc [qcp] = 950C là khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm bị phát nóng: Rtx[q] = Rtx 20.[1+ 2/3.a.( [q]-20 )] = 0,05.10-3.[ 1+ 2/3.4.10-3.(95-20)] = 0,055.10-3 ( W ) Đối với tiếp điểm phụ: Rt x 20 = Rtx20 = = 0,88.10-3 (W). So sánh hai kết quả thực nghiệm và lý thuyết ở trên ta lấy Rtx20 = 0,88.10-3W Xác định điện trở ở chế độ làm việc của tiếp điểm, ta xét lúc [qcp] = 950C là khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm bị phát nóng: Rtx[q] = Rtx 20.[1+ 2/3.a ( [q]-20 )] = 0,055.10-3.[ 1+ 2/3.4.10-3.(95-20)] = 0,066.10-3 ( W ) Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm : Utx = I.Rtx = 200. 0,066.10-3 = 13,2.10-3 ( V ) = 13,2 ( mV ) Theo tiêu chuẩn thì Utx phải nằm trong khoảng ( 2 ¸ 30 ) mV Vậy Utx < [Utx] = 30 mV hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế. Đối với tiếp điểm phụ: Utx = I.Rtx = 5.0,88.10-3 =4,4.10-3 ( V ) = 4,4( mV ) Vậy Utx < [Utx] = 30 mV hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế. Tính toán nhiệt độ tiếp điểm: Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài vô hạn có tiết diện không đổi. Giả thiết có một đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt tại nơi tiếp xúc. Theo công thức 2-11 TKKCĐHA, ta có: qtđ= qmt + (2-13) Trong đó : qmt : Nhiệt độ môi trường xung quanh tiếp điểm: 400C . qtx : Nhiệt độ nơi tiếp xúc (0C). Rtx : Điện trở tiếp xúc; Rtx = 10,98.10-5 (W). kT:Hệ số tản nhiệt ra môi trường của thanh dẫn. Tra bảng 6-5 TLTKKCĐHA kT = 6.10-6 W/ mm2 0C. rq : Điện trở suất của vật liệu tiếp điểm (Wmm). rq = r95 =r20 .[ 1 + a.([qcp] - 20 )] = 1,8.10-6[ 1+ 4.10-3(95-20 )] = 2,34.10-6 (Wmm). l : Độ dẫn nhiệt; l = 0,416 (W/cm 0C). S, P : Diện tích và chu vi tiếp điểm: Stđ = atđ.btđ = 20.24,5 = 490 (mm2). Ptđ = 89 (mm). Thay số vào (2-13) ta được : qtđ = 40 + = 40 + 2,28 + 13,39 + 10,48 = 66,15 ( 0C ) qtx < [qtx] =1800C là nhiệt độ hoá mềm của vật liệu làm tiếp điểm. 2.5.6.Tính dòng hàn dính. Xác định trị số dòng điện hàn dính theo quan hệ lý thuyết: Theo công thức 2-33 TLTKKCĐHA ta có: (2-14) Trong đó: fnc =2 ¸ 4 là hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc. Ftd là lực Ðp tiếp điểm. Ftd =25,5 (N) A là hệ số phụ thuộc vật liệu được tính theo công thức: (2-15) = 625,56 Theo (2-14) ta có: Xác định trị số dòng điện hàn dính theo thực nghiệm : Theo công thức 2 - 36 TLTKKCĐHA, xác định trị số dòng điện hàn dính theo lực Ðp tiếp điểm . Ihd = .khd = .1200 = 1697 (A) Trong đó : Ftđ : là lực Ðp tiếp điểm Ftđ = 2,55 KG khd : hệ số hàn dính phụ thuộc dòng điện làm việc, tra bảng 2-19 trang 67 (TLTKKCĐHA): khd = 1200 A/KG So sánh hai kết quả trên ta lấy giá trị dòng hàn dính: Ihd = 1697 (A). Với dòng ngắn mạch In = 10.Iđm = 2000 A thì không thể làm cho tiếp điểm hàn dính được. 2.5.7.Sù rung của tiếp điểm. Theo công thức 2-39 TLTKKCĐHA, với tiếp điểm cầu: Biên độ rung của tiếp điểm: Xm = (2-15) Trong đó : Ftđ đ : Lực Ðp tiếp điểm đầu. Ftđđ = 1,575 KG Vđo : Vận tốc tại thời điểm va đập. Vđo = 0,1 m/s KV : Hệ số va đập phụ thuộc tính đàn hồi vật liệu. Với vật liệu thanh dẫn là đồng nên ta có KV = 0,9. Mđå : Khối lượng phần động (KG.s2/m) mc : Trọng lượng đơn vị, mc =8.10-3KG/A Trọng lượng phần động : Mđå = mc.Iđm = 8.200 = 1,6 (KG.s2/m) Từ (2-15) ta có : Xm = = 0,017 (mm) Xác định thời gian rung: Tương ứng với biên độ rung cho đến lúc tiếp điểm làm việc ổn định, ta có thời gian rung. Theo công thức 2 - 40 TLTKKCĐHA: tm = = 2,14 (ms) Khoảng thời gian rung sơ bộ là : tå = ( 1,5 ¸ 2 ).2.tm tmå = 2.2.2,14 = 8,56 ms < [tm] = 10 ms. Thấy rằng thời gian rung là 8,56 ms < [tm] = 10 ms là thời gian rung cho phép, biên độ rung nhỏ hơn độ lún khá nhiều vì vậy thiết kế trên là chấp nhận được. 2.5.8.Sự mòn tiếp điểm và biện pháp khắc phục. Trong quá trình đóng, ngắt các tiếp điểm có hiện tượng hồ quang xuất hiện, mặt khác do va chạm cơ khí dẫn tới có một độ mòn tiếp điểm nhất định. Theo công thức 2 - 54 TLTKKCĐHA: Khối lượng ăn mòn trung bình khi đóng, ngắt một lần tiếp điểm : gđ + gng = 10-9.( kđ.I2đ + kng.I2ng).kkđ kkđ : Hằng số mòn không đồng đều kkđ = 1,5. kđ , kng : Hệ số mòn khi ngắt và đóng tiếp điểm. Tra bảng 2-21 trang 79 TLTKKCĐHA ta chọn: kđ = kng = 0,05 Ing = 6.Iđm = 1200A : Dòng điện ngắt. Id = 4.Iđm = 800 A : Dòng điện quá độ lúc đóng. gđ + gng = 10-9.0,05.[(Iđ)2 + (Ing)2].1,5 gđ + gng = 7,775.10-5 (g) Với yêu cầu thiết kế tuổi thọ của tiếp điểm là 105 lần đóng cắt, vậy tổng khối lượng mòn là : åg =( gđ + gng ).105 = 7,775.10-5.105 = 7,775 (g) Khối lượng tiếp điểm: Gtđ = gtđ.Vtđ gtđ- Trọng lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm gtđ = 10 (g/cm3) Vtđ - Thể tích của tiếp điểm. Vtđ = a.b.c = 20.24,5.3 = 1,47 (cm3) Khối lượng tiếp điểm: Gtđ = 10.1,47 = 14,7 (g). vậy Tiếp điểm chọn nh­ trên là đảm bảo quá trình làm việc của công tắc tơ. Chương 3. Kết cấu trong khí cụ điện Đặc điểm cơ cấu, các yêu cầu cơ bản và các số liệu ban đầu. Khác với máy điện quay, các cơ cấu khí cụ điện thường được chuyển động trong một giới hạn được xác định bởi các cứ chặng. Chuyển động trong cơ cấu khí cụ điện có hai quá trình khác biệt là quá trình đóng và quá trình ngắt. Trong quá trình đóng thì Ftđ > Fc cản trở chuyển động (phản lực). Trong quá trình ngắt thì Ftđ < Fc (F cản trở - phản lực của quá trình đóng thành lực chuyển động). Các yêu cần cơ bản đối với cơ cấu khí cụ điện: Đảm bảo trị số cần thiết các thông số động học của cơ cấu chấp hành. Ví dụ như hành trình chuyển động, độ mở, độ lún, góc quay… Lực chuyển động của cơ cấu cần đảm bảo ổn định việc bảo vệ đóng cắt của cơ cấu hành trình trong khi làm việc bình thươngf cũng như khi sự cố. Tốc độ chuyển động của tiếp điểm phải đủ lớn để giảm thời gian cháy của hồ quang, nhưng cũng không được lớn quá tránh va đạp mạnh. Các khâu của cơ cấu chấp hành phải làm việc tin cậy, dễ sửa chữa, tháo lắp, vận hành đơn giản. Lập sơ đồ động của kết cấu. Tác dụng của sơ đồ động cho ta biết sơ bộ một cách rõ ràng và chính xác sự truyền và biến đổi chuyển động trong các khâu trong cơ cấu. Sơ đồ động được dựng ở các vị trí đặc trưng nhất của cơ cấu đóng cắt: d = l + m và d = dod + dcn = 0, và trường hợp nắp của công tắc tơ đặt ngược. Sơ đồ động cần biểu diễn rõ các khâu, khớp trong cơ cấu và sự liên quan các khâu trong cơ cấu: độ lớn hành trình, góc quay, chiều dài cánh tay, tỉ số truyền, đặt và định hướng các véctơ lực, các số liệu khác như độ mở, độ lún, khe hở không khí Lực cơ tác dụng bao gồm: Lực Ðp tiếp điểm chính thường mở. Lực Ðp tiếp điểm phụ thường mở. Lực Ðp tiếp điểm phụ thường đóng. Lực Ðp tiếp điểm cuối. Lực lò xo nhả. Khối lượng phần động. Lực ma sát (bỏ qua). Lực tác dụng và phản lực tác dụng trong cơ cấu, quy đổi lực. Ta phân lực và mô men thành hai loại: lực tác động và phản lực tác động. Lực và mô men chuyển động của cơ cấu truyền động điện từ là các lực tác động. Các lực này đặt vào khâu chủ động. Lực cản có Ých là lực Ðp của lò xo tiếp điểm. Lực có hại là lực ma sát. Trọng lực có thể có Ých hoặc có hại. Khi quy đổi lực ta cần chú ý: Khi điểm đặt lực chuyển động chính tức lực điện từ và các lực, phản lực không cùng điểm đặt thì ta phải quy đổi về cùng một vị trí để thuận tiện cho việc xây dựng đặc tính lúc tính toán và so sánh. Lực và mô men sau khi quy đổi phải bằng lực và mô men trước khi quy đổi. Công của lực và mô men trước quy đổi bằng công của lực và mô men sau quy đổi. Điểm quy đổi là điểm đặt của lực điện từ. Cần quy đổi cả độ mở và độ lún về khe hở không khí. Lực Ðp tiếp điểm chính thường mở: Lực Ðp tiếp điểm cuối: Ftđc = 6.Ftđ = 6.25,5 = 153 N Lực Ðp tiếp điểm đầu: Ftđđ = 0,6.Ftđc = 0,6.153= 91,8 N Lực Ðp tiếp điểm phụ thường mở: Lực Ðp tiếp điểm cuối: Ftđctm = 4.Ftđf = 4.0,5 = 2 N Lực Ðp tiếp điểm đầu: Ftđđtm = 0,6.Ftđc = 0,6.2 = 1,2 N Lực Ðp tiếp điểm phụ thường đóng: Lực Ðp tiếp điểm đầu: Ftđđtđ = 2 N Lực Ðp tiếp điểm cuối: Ftđctđ = 1,2 N Lực lò xo nhả: Lực nhả đầu Fnhđ = kdtr.(Gđ + Ftđđtđ) = 1,2.(1,6.9,81 + 2) = 21,23 (N) Lực nhả cuối: Fnhc =1,5.Fnhđ = 1,5.21,23 = 31,8 (N) Trong đó kdtr là hệ số dự trữ lực cho trong khoảng 1,1 đến 1,3. Ta chọn kdtr = 1,2 Dựng đặc tính của lực tác dụng và phản lực tác dụng. 21,23 Chương 4. Tính toán lò xo Khái niệm chung. Lò xo là bộ phận quan trọng của công tắc tơ tạo nên tiếp điểm (lò xo tiếp điểm), tạo lực ngắt cơ cấu trong quá trình ngắt của cơ cấu (lò xo nhả). Yêu cầu với lò xo tiếp điểm và lò xo nhả: Độ đàn hồi phù hợp. Đặc tính cơ ổn định. Bền cơ học cao. Không hoặc Ýt bị ăn mòn của hoá chất và môi trường. Chọn kiểu lò xo và vật liệu làm lò xo. Kiểu lò xo: Qua phân tích và đánh giá các loại lò xo, ta chọn kiểu lò xo xuắn hình trụ, không dẫn điện. Loại này Ýt bị ăn mòn hoá chất, Ýt chịu ảnh hưởng của môi trường, độ bền cơ cao, làm việc tin cậy, an toàn, không bị phát nóng và già hoá. Vật liệu làm lò xo: Theo tính chất đóng cắt của công tắc tơ dùng để đóng cát mạch điện với tần số đóng cắt 450 lần/h. Tuổi thọ 105 lần đóng cắt. Ta chon vật liệu lò xo là lá thép cacbon G0TC 9389-60P có độ bền trung bình. (tra theo bảng 4-1 TLTKKCĐHA): Tên đại lượng vật lý Giá trị Đơn vị Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn (dx) 480 N/ mm2 Modul chống trượt (G) 80.103 N/ mm2 Modul đàn hồi (E) 200.103 N/ mm2 Điện trở suất (r) 0,19 ¸ 0,2.10-6 W.m Độ bền giới hạn khi kéo (sk) 2200 N/ mm2 Độ bền giới hạn mỏi khi uốn (su) 770 N/ mm2 Các thông số của lò xo: x: Hành trình của lò xo tính từ vị trí đó là lò xo sinh ra lực lớn nhất. fđ: Độ võng ban đầu của lò xo. Fđ, lđ: Lực nén ban đầu và chiều dài ban đầu của lò xo. ltđ: chiều dài tự do của lò xo. Tính toán lò xo. Lò xo tiếp điểm chính: Lực Ðp cần thiết do một lò xo tạo ra: Flx = 1,3.Ftđc = 1,3.25,5 = 33,15 (N). Khoảng làm việc của lò xo : flv = fđ = 5,5 (mm) Khoảng lún của lò xo : Vậy khoảng lún của lò xo là : Chọn khoảng lún của lò xo là : Chọn chỉ số hình dáng của lò xo: C = D/d = 8. Đường kính lò xo tính theo công thức 4.31 trang 173 TLTKKCĐHA: Đường kính trung bình của lò xo: D = 1,2.8 = 9,6 (mm). Số vòng của lò xo tính theo công thức 4.32 trang 173 TLTKKCĐHA: (vòng) Bước lò xo chịu nén: tn = d + f/W = 1,2 + 12/9 = 2,53 (mm). Chiều dài tự do của lò xo: ln = W.tn + 1,5.d = 9.2,53 + 1,5.1,2 = 24,57 (mm). Kiểm tra lại tính toán lò xo ta có: Khoảng lún thực tế của lò xo: ứng suất thực tế: < [sx] = 480 (N/mm2) Vậy lò xo tính toán hoàn toàn thoả mãn yêu cầu làm việc của công tăc tơ. Lò xo tiếp điểm phụ: Lực Ðp cần thiết do một lò xo tạo ra: Flx = 2.Ftđf = 2.0,5 = 1 (N). Khoảng lún cần thiết: f = 2,5.fđ = 4 (mm) Chọn chỉ số hình dáng của lò xo: C = D/d = 11. Đường kính lò xo tính theo công thức 4.13 trang 173 TLTKKCĐHA: Đường kính trung bình của lò xo: D = 0,24.11 = 2,6 (mm). Số vòng của lò xo: (vòng) Bước lò xo chịu nén: tn = d + flv/W = 0,24 + 4/7 = 0,8 (mm). Chiều dài tự do của lò xo: ln = W.tn + 1,5.d = 7.0,8 +1,5.0,24 = 6 (mm). Khoảng lún thực tế của lò xo: Ứng suất thực tế: < [sx] = 480 (N/mm2) Vậy lò xo tính toán hoàn toàn thoả mãn yêu cầu làm việc của công tăc tơ. Lò xo nhả: Lực Ðp do một lò xo tạo ra khi khí cụ điện ở trạng thái đóng : Khoảng làm việc của lò xo: flv = m = 8 (mm) Khoảng lún của lò xo : Ta có : Vậy khoảng lún của lò xo là : Chọn chỉ số hình dáng của lò xo: C = =10 Đường kính lò xo tính theo công thức 4.13 trang 173 TLTKKCĐHA: d = 1,6 Đường kính trung bình của lò xo: D = C.d = 10.0,87 = 8,7 (mm) Số vòng của lò xo: (vòng) Bước lò xo chịu nén: Chiều dài tự do của lò xo: ln = w.tn + 1,5.d = 15.2,42 +1,5.0,87 = 37,6 (mm) Khoảng lún thực tế của lò xo: Ứng suất thực tế: <scp = 480 N/mm2 Vậy lò xo tính toán hoàn toàn thoả mãn yêu cầu làm việc của công tăc tơ. Chương 5. Nam Châm Điện Khái niệm chung. Nam châm điện (NCĐ) là cơ cấu điện từ dùng để biến đổi điện năng thành cơ năng. Nam châm điện được sử dụng rộng rãi trong khí cụ đóng ngắt. Đó là cơ cấu sinh ra lực để phần tử tác động. Các quá trình tính toán NCĐ rất phức tạp. Thông thường ta tính toán theo công thức gần đúng rồ kiểm nghiệm lại theo lý thuyết. Nhiệm vụ thiết kế. + Bài toán thiết kế. + Bài toán kiểm nghiệm. + Tính toán kiểm nghiệm. Chọn dạng kết cấu. NCĐ có nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây, do đó cần chọn kết cấu phù hợp rồi mới chọn phương án. Để chọn dạng kết cấu tối ưu, dựa trên cơ sở tính toán và thực nghiệm các dạng nam châm điện khác nhau, ta tiến hành chọn theo chỉ tiêu hình học và khối lượng. Đối với NCĐ xoay chiều thì theo công thức 5 - 1 trang 188 TLTKKCĐHA: kkc = ( N0,5/ m ) (5 - 1) Trong đó: Fđttt : Lực hút điện từ tính toán của nam châm điện. dth : Khe hở làm việc của nam châm điện. dth = 4,5 (mm). KKC: đặc trưng tỉ số đường kính và chiều cao cuộn dây. Mỗi dạng kết cấu của NCĐ trong một phạm vi nhất định của KKC sẽ đạt tối ưu về trọng lượng. Do F º S º D2 và d º l (chiều cao mạch từ hay cuộn dây) nên ta có: kkc º với D là đường kính lõi cuộn dây (mạch từ) Fđttt =K.Fdth = 1,2.135,3 = 162,36 (N) Theo 5-1 ta có: kkc = ( N0,5/ m ) Dựa vào bảng 5.2 trang 189 TLTKKCĐHA ta chọn nam châm điện hình chữ E, nắp hút thẳng như phần trên đã lựa chọn. Mạch từ nam châm điện. Mạch từ NCĐ được chế tạo từ thép kĩ thuật điện (tôn silic). Ta chọn các lớp tôn có bề dày 0,5 mm để chế tạo mạch từ cho NCĐ. Chọn vật liệu làm mạch từ là '31 có các thông số (bảng 5.3 trang 191 TLTKKCĐHA): Tên đại lượng vật lý Giá trị Đơn vị Lực từ phản kháng HC 0,35 A/ cm Từ cảm dư 0,8 ¸ 1,2 T Từ cảm bão hoà 2 T Độ tự thẩm 250 H/ m Độ tự thẩm cực đại 6 ¸ 7 H/ m Điện trở suất 40 ¸ 60.10-8 Wcm Khối lượng riêng 7,65 G/ cm3 Thành phần Cácbon 0,02 ¸0,03 % Tổn hao từ trễ khi bão hoà 0,1 ¸ 0,15 mJ/ cm3 Từ cảm lõi sắt 0,6 T Chiều dày lá thép 0,5 mm Chọn từ cảm Bs, sr, st chọn tại sth Khi nam châm điện làm việc, đặc tính điện từ Fđt(d) nguy hiểm nhất là khi Fđt(d) < Fcơ(d). Thường xảy ra tại điểm tới hạn d = 5,5 (mm) và Fđt(d) = Ftt = k.Fcơ(dth) = 1,2.135,3 = 162,36 (N). Chọn Bs = 0,45 (T) ; hệ số từ rò sr = 1,45 và hệ số từ tản st = 1,5. Xác định tiết diện lõi thép, kích thước, thông số chủ yếu. Xác định tiết diện lõi thép mạch từ: Theo công thức 5.8 trang 204 TLTKKCĐHA ta có tổng diện tích lõi thép mạch từ để đạt được lực từ cần thiết tại điểm tới hạn: (m2) = 32,2 (cm2). Diện tích lõi cực từ giữa: S11 = SS/2 = 32,2/2 @ 16,1 (cm2). Diện tích lõi hai cự từ nhánh: S12 = S13 = S11/2 = 8(cm2). Với cự từ giữa ta chọn b/a = 0,92 a = Chọn a = 4,4 (cm) b = 0,92.4,4 = 4,05 (cm). Số lá thép: n = b/0,5 = 40,5/0,5 = 81 (lá). Cạnh thực của lõi thép: b’ = b/Kc = 4,05/0,92 = 4,4 (cm) chọn 44 (mm). Kc chọn bằng 0,92 là hệ số Ðp chặt của lõi thép. Đối với hai cực từ hai nhánh chọn b’ = 44 (mm). Do mạch từ đã chọn là mạch từ chữ E nên a’ = a/2 + 2.Dv = 26 (mm), Dv = 2(mm) là chiều rộng vòng ngắn mạch. Xác định kích thước cuộn dây:/ Tính sức từ động cuộn dây: Cuộn dây nam châm điện phải tạo ra sức từ động (Ftd = IW) sinh ra lực điện từ đủ lớn để nam châm điện làm việc bình thường. Sức từ động trong cuộn nam châm điện xoay chiều phụ thuộc vào đặc tính làm việc của nam châm điện, tổn hao do từ trễ, dòng xoáy. Do đó ta có phương trình cân bằng áp khi nắp nam châm điện ở vị trí tới hạn d = dth theo công thức 5.18 trang 209 TLTKKCĐHA: (IW) dtd = (IW)dh + (IW) dnh (IW)dh: sức từ động do tổn hao trễ, dòng xoáy và vòng ngắn mạch không tải trong quá trình làm việc. (IW) dnh: sức từ động ứng với nắp nhả, phụ thuộc vào d. Sdh = 2. dcn + dgđ + dcd: dcn = 0,03 ¸ 0,1(mm) khe hở công nghệ. dcd = 0,1 ¸ 0,5(mm) khe hở công nghệ. dgđ khe hở công nghệ. Sdh = 0,2 ¸ 0,7(mm) chọn bằng 0,5 (mm) Kiểm tra bội số tăng dòng điện: Ta thấy Ki = 13,4 thoả mãn yêu cầu Ki = 4 ¸ 15 nên thiết kế trên là đảm bảo. Xác định kích thước cuộn dây: Tiết diện cuộn dây và diện tích cửa ssổ mạch từ cần thiết để đặt cuộn dây được xác định theo quan hệ giữa sức từ động, các kích thước cuộn dây và [j]. Khi tính toán cuộn dây ta quan tâm đển trạng thái làm việc dài hạn của nam châm điện, đó là trạng thái hút của nam châm điện và ở chế độ nặng nề nhất khi U = Kmax.Uđm. Theo công thức 5.24 trang 211 TLTKKCĐHA ta có: Kumax = 1,1: hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà nam châm điện vẫn làm việc mà không bị cháy. Kumax = 0,85: hệ số tính đến sự giảm điện áp nguồn mà nam châm điện vẫn sinh ra được lực điện từ đủ lớn để hút được. Kqt =1: hệ số quá tải cho phép khi nam châm điện làm việc ở các chế độ. Kld: hệ số lấp đầy Kld = 0,2 ¸ 0,7. Chọn Kld = 0,5. j = 2,5 (A/mm2): mật độ dòng điện cho trong khoảng 2 ¸ 5(A/mm2) Lấy hệ số hình dáng Khd = với nam châm điện xoay chiều. Ta có chiều dài cuộn dây: hcd = chọn hcd = 10 (mm). Khi đó ta có chiều cao cuộn dây là: lcd = 3.hcd = 3.10 = 30(mm) Kết cấu mạch từ: a = 44 mm; b =40,5 mm; b’ = 44 mm. D1 = 0,5 mm chiều dày cách điện giữa lõi sắt và khung dây D2 = 1,5 mm bề dày khung dây quấn. D3 = D4 = 0,5 mm bề dày cách điện cuộn dây D5 = 5,0 mm; D6 = 8,0 mm Chiều rộng cuộn dây : hcd = 10 mm, chiều cao: lcd = 30 mm Chiều cao lõi mạch từ : hl = lcd + 2.D2 = 33 mm Chiều rộng cửa sổ mạch từ : c = D1 + D2 + 2D3 + hcd + D4 = 18 mm Chiều cao cửa sổ mạch từ: hcs = lcd + 2.D2 + D6 = 41 mm Diện tích nắp mạch từ : Sn = 0,5.Sl1 = 0,6.442 »1161 mm2 hn = Diện tích đáy mạch từ : Sđ = 0,5.Sl1 = 0,5. 441 » 968 mm2 hđ = Tổng chiều cao mạch từ: H = hcs + hđ + hn = 41 + 28,7 + 23,9 = 93,6 (mm) Tổng chiều dài nam châm điện: L = 2.c + a +2.a’ = 2.18 + 44 + 2.26 = 132 (mm) Lập sơ đồ thay thế mạch từ. Bá qua từ trở sắt từ ( mFe >> md ), ta có mạch từ đẳng trị. Tính các từ dẫn: Dùng phương pháp phân chia từ trường để tính từ dẫn qua khe hở không khí. Ta chia ra làm 17 hình : Một hình chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao d: Gd0 = Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính d, chiều dài a: G1 = 0,26.m0.a Hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính d, chiều dài b: G2 = 0,26.m0.b Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là: G3 = Hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là: G4 = Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính d: G5 = 0,077m0.d Bốn hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong d. đường kính ngoài (d + 2m), từ dẫn mỗi hình là: G6 = Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng Gd2 ở khe hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên : Gd = Gd0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) Gd= Chọn m = 0,15d ta có: Gd = m0.( ) Với khe hở cực từ giữa, do a*b = 44*44 (mm) nên: Gd2 = m0.( ) (H) Với khe hở cực từ bên, do a*b = 26*44 (mm) nên: Gd1 = Gd3 = m0.( ) (H) Theo sơ đồ trên ta có: Gd13 = Gd1 + Gd3 =m0.( ) Vậy từ dẫn tổng qua khe hở không khí: Gd = Gd = (H) Từ tản khe hở cực từ giữa: Gt2 = m0.() (H) Từ tản khe hở cực từ bên: Gt1 = Gt3 = m0.() (H) Đối với mạch từ xoay chiều, từ dẫn rò được tính theo công thức: GrqđS = gr : suất từ dẫn rò hl : chiều cao lõi mạch từ Tính suất từ dẫn rò gr? Dùng phương pháp chân chia từ trường ta có: + một hình trụ chữ nhật b’.l.c: G0 = + hai hình 1/2 trụ tròn đặc đường kính c, chiều cao 1: G1 = 2.0,26.m0.l + hai hình 1/2 trụ tròn rỗng đường kính trong c, ngoài c+a, chiều cao 1. G2 = GS = 2.( G0 + G1 + G2) = GrqđS = = GrqđS = 24,135.10-7.l = 24,135.10-7.41.10-3 = 0,09896.10-6 (H) Hệ số từ tản : st = Hệ số từ rò : sr = Kết quả tính toán: d (mm) 0.5 1,6 5,5 11,9 13,5 Gd13 (.10-6) (H) 3,8804 1,2813 0,5229 0,2834 0,2631 Gd2 (.10-6) (H) 3,1394 1,0234 0,4052 0,2082 0,1907 Gd (.10-6) (H) 1,7354 0,5689 0,193 0,1200 0,1105 G’d13 (.10-6) (H) -7563,80 -737,61 -92,243 -14,767 -10,953 G’d2 (.10-6) (H) -6156,94 -600,74 -75,443 -12,381 -9,276 G’d (.10-6) (H) -3394,15 -331,12 -39,531 -6,763 -5,052 sr 1,070 1,1739 1,424 1,7246 1,8955 Như vậy tại điểm tới hạn d = 5,5 mm, hệ số rò sr » 1,424 xấp xỉ hệ số rò ban đầu chọn (sr = 1,45). Sai số là 1,8%, do vậy đạt yêu cầu. Từ thông mạch từ (tính ở lõi giữa) được tính theo công thức: Theo đó ta có: Trong đó: K = 0,25 là hệ số tính tới thứ nguyên của lực. = 0 và Fhđt = 1/2.Fhtt = 1/2.162,36 = 81,18 (N) (Wb) Từ cảm mạch tại d = 4,5 mm là: Bd = (T) Giá trị từ cảm thực tế tính được xấp xỉ giá trị ban đầu chọn (Bd = 0,5T) do đó giá trị chọn đạt yêu cầu. Từ thông trung bình qua lõi sắt mạch từ chính khi nắp hút: (Wb) Từ cảm trung bình qua lõi sắt mạch từ chính khi nắp hút: Btb = (T) Nhận thấy Btb = 0,65 (T) < Bmax = 2 (T). Số vòng dây nam châm điện: W = Uđm : điện áp định mức của cuộn dây, Uđm = 380V KUmin : hệ số tính đến sụt áp, KUmin = 0,85 KIR: hệ số có tính đến điện áp rơi trên điện trở của cuộn dây khi phần ứng bị hút, ta chọn KIR =0,9. Tiết diện dây quấn: q = Đường kính dây: d = . Chọn theo tiêu chuẩn bảng 5.8 trang 276 TLTKKCĐHA: ta lấy d = 0,44 (mm). Kiểm tra lại Klđ: Klđ = < 0,7. Vậy nam châm điện hoàn toàn thoả mãn yêu cầu thiết kế. Tính toán vòng ngắn mạch (vòng chống rung): Do F = f(t) nên trong quá trình đóng mạch điện thì sẽ xuất hiện sự rung của tiếp điểm. Vì vậy ta cần thiết kế vòng ngắn mạch hay vòng chống rung để giảm tối đa hiện tượng rung này. Vật liệu vòng ngắn mạch ta chọn bằng đồng, vòng ngắn mạch đặt ôm một phần diện tích cực từ nh­ hình vẽ. Chọn bề rộng vòng ngắn mạch là 2 mm. Trị sè trung bình của lực điện từ ở khe hở khi không có vòng ngắn mạch, khe hở làm việc ở trạng thái hút theo công thức 5-52 ta có: Trong đó: Fdtb: Từ thông trung bình ở khe hở làm việc khi hót: srh: Hệ số từ dò khi phần ứng hút (d = 0,5 mm) sr = 1,07. Stn: Diện tích tổng trong và ngoài vòng ngắn mạch. Stn = Sl1 - Snm = a’.b’ – 2.b’.D =(26.44 -2.44.2).10-6 =968.10-6(m2) Ftbh = (N) Tỉ sè fl của lực điện từ bé nhất và trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch: Điện trở vòng ngắn mạch tính theo công thức 5-54: Góc lệch pha j giữa từ thông ngoài Fn và từ thông trong Ft khi số vòng ngắn mạch Wnm = 1 theo công thức 5-55 : Trong đó : St: Diện tích cực từ trong vòng ngắn mạch St = (mm2) tgj = Þ j = 65,160 Từ thông trong vòng ngắn mạch: Ta có Từ thông ngoài vòng ngắn mạch. Fn = C.Ft = 1,2.0,325.10-3 = 0,39.10-3 (Wb). Từ cảm ở khe hở vùng ngoài vòng ngắn mạch. < 2(T)=[B] Lực điện từ phía ngoài vòng ngắn mạch: Lực điện từ phía trong vòng ngắn mạch: Lực điện từ cực đại: = Lực điện từ trung bình: Ftb = Ftbt + Ftbn = 122,57 (N) Lực điện từ nhỏ nhất: Nh­ vậy lực điện từ nhỏ nhất khi hút phải lớn lực cơ của phần ứng: FminS = 4.Fmin = 4.58,07 = 232,38 (N) Theo đồ thị ta thấy Fcơmax = 202,8 (N) Fcơ khi nắp đóng (d = 0,5 mm) là hoàn toàn thoả mãn. Tổn hao trong vòng ngắn mạch: PnmS = 2.Pnm = 12 W Dòng điện trong vòng ngắn mạch: Inm = Dòng trong vòng ngắn mạch quy đổi về cuộn dây: Inmqđ = Inm.(Wnm/W) Wnm: Số vòng dây cuộn ngắn mạch Wnm = 1. W: Số vòng dây nam châm điện. W = 1500. Inmqđ = Kích thước vòng ngắn mạch: Chọn vật liệu vòng ngắn mạch là đồng ủ cứng: Tên hằng số vật lý Giá trị Đơn vị Điện trở suất 200C (r20) 1,7.10-8 W.m Hệ số nhiệt điện trở 0,0043 1/ 0C Nhiệt độ hoá mềm cho phép 250 0C Tổng chiều dài vòng ngắn mạch: lnm = 2.(b’ + 2.D + at) =2.(35 + 2.2 + 399,543/35) = 100,83 (mm) Tiết diện vòng ngắn mạch: Chiều cao vòng ngắn mạch: Tính toán nhiệt và tổn hao: Nhiệt độ phát nóng vòng ngắn mạch: qnm = tnm + q0 < [q] = 2500C Trong đó : KTkk = 3.10-3.(1 + 0.0017.40) = 4,02. 10-3(W/cm2) KTFe = 2,9.10-3.(1 + 0.0068.40) = 6,844. 10-3(W/cm2) STkk = 2.Dv.b’ + 2.(at +2.Dv).Dv = 2.2.35 + 2.( 399,543/35 +2.2).2 = 201,662 (mm2) STFe = 2.Dv.b’ + 4.b’.h nm = 2.2.35 + 4.35.2 = 420 (mm2) qnm = tnm + q0 = 2030C < [q] = 2500C Tổn hao sắt: DPFe = Pm.m.K. K: hệ số thực nghiệm làm tăng tổn hao. Chọn K = 1,5. m: trọng lượng mạch từ m = g.V = g.l.S l: tổng chiều dài mạch từ. S: tiết diện mạch từ. m =g.(H.b’.L-2.c.b’.hcs) = 7,65(90,7.35.114 – 2.18.35.41).10-3 =2,37(kg) g: khối lượng riêng vật liệu mạch từ. g = 7,65 (g/cm3) Pm: suất tổn hao ứng với Bm (B cực đại trong lõi thép) P10: suất tổn hao ứng f = 50Hz và B = 1(T), P10 = 1,6(W/Kg). Công suất tổn hao sắt: DPFe = m.Pm.K = 2,37.1,07.1,5 = 3,8(W) Dòng điện đặc trưng cho tổn hao sắt: Dòng điện trong cuộn dây: Dòng điện khi nắp hút: với Hi là cường độ từ trường chạy trong các đoạn mạch từ. Hi có giá trịn như nhau do Sn @ Sđ = S11/2. Li là chiều dà các đoạn mạch từ. Do đó ta có được , trong đó Sli = 2.L +3.hcs = 2.114 + 3.41 = 351 (mm) và theo đường cong vật liệu mạch từ ứng với Bmax = 0,9(T) ta có H = 1,8(A/cm). Dòng điện khi nắp hút: Mật độ dòng khi nắp hút: Dòng điện khi nắp mở: Trong đó Xm = w.W2.Gm = w.W2.(Gdm + Grm) Xm =314.15002.(0,2283.10-6 + 9,896.10-8) = 231,21(W) Kiểm tra bội số dòng điện: < 15 hoàn toàn thoả mãn. Tính toán nhiệt cuộn dây: Điện trở cuộn dây: Trong đó: ltb = 1/2.[2.(a +b’) + (2.(a +b’) +2.p.hcd)] ltb = 1/2.[2.(35 +35) + (2.(35 + 35) +2.p.10)] = 171,4 (mm) q: tiết diện dây quấn. Công suất tiêu thụ cuộn dây: Pcd = Ih2.Rcd = 0,292.42,6 = 3,5 (W) Độ tăng nhiệt cuộn dây: Trong đó Kt: hệ số toả nhiệt, chọn Kt = 13 (W/m2. 0C) Từ bảng 6-5 trang 301 TLTKKCĐHA, Kt =6 ¸ 14(W/m2. 0C) St : diện tích toả nhiệt. Víi khung dây là nhựa bakenit K = 1. St = K.ST + Sn = Stn = lcd.[2.(a +b’) + 2.(a +b’) +2.p.hcd] St = 30.[2.(35 + 35) + 2.(35 + 35) +2.p.41] = 16128,4 (mm2) q = t + q0 = 980C < [q] = 1050C Tính và dựng đặc tính lực hút F = f(d): Áp dụng công thức: Với và Kir = 0,9; K : hệ số tính tới thứ nguyên của lực K = 0,25 và = 0 FhtS = 2. Fhtb Ứng với các giá trị tương ứng của KU = 0,85; 1; 1,1 ta lập bảng quan hệ F = f(d) để vẽ đặc tính lực hút: d (mm) 0.5 1,6 5,5 11,9 13,5 Gd (.10-6) (H) 1,7354 0,5689 0,193 0,1200 0,1105 G’d (.10-6) (H) -3394,15 -331,12 -39,531 -6,763 -5,052 sr 1,070 1,1739 1,424 1,8246 1,8955 FhtS (N)( KU = 0,85) 345,85 266,08 150,50 57,02 46,03 FhtS (N)( KU = 1) 446,26 350,93 230,63 85,63 56,95 FhtS (N)( KU =1,1) 577,27 427,08 275 112,68 74,97 Theo bảng tính toán ta thấy đặc tính cơ ứng với KU = 0,85 và tại độ mở tới hạn dth = 5,5 mm thì FhtS (N)( KU = 0,85) = 150,50 (N) > Fcơ(dth) = 135,3 (N). Do nam châm điện làm việc với công tắc tơ nên dựa vào đặc tính cơ của nó ta có thể đi đến kết luận FhtS (N) > Fcơ với mọi d. Tính toán đặc tính nhả của nam châm điện: Hệ số nhả là tỉ số giữa điện áp cuộn dây khi phần động của nam châm điện hút và nhả. Dựa vào hệ số Knh ta có thể xác định được độ nhạy của nam châm điện. Với nam châm điện có độ nhạy cao thì đặc tính Fnh phải nằm hoàn toàn dưới đặc tính cơ. Đối với công tắc tơ xoay chiều thì Knh = 0,4 ¸ 1. Dựa vào đặc tính của nam châm điện chọn Knh = tại dth = 5,5 mm. Khi đó Knh = . Dựa vào quan hệ này ta có Fh = Knh2. Fnh = 0,28. Fnh. Bảng tính toán chi tiết: d (mm) 0.5 1,6 5,5 11,9 13,5 FhtS (N) 345,85 266,08 150,50 57,02 46,03 Fnh (N) 96,84 74,5 42 16 12,89 Tính thời gian tác động và thời gian nhả: Thời gian tác động: ttđ = t1 + t2 Thời gian tác động khi nhả: tnh = t3 + t4 t1 , t3 : thời gian khởi động khi tác động và khi nhả. t2 , t4 : thời gian chuyển động khi tác động và khi nhả. Vì nam châm điện xoay chiều nên t1 , t3 £ 1/2.T = 1/2.0,02 = 0,01 (s) Chọn t1 = t3 = 0,01 (s) Để tính t2 ta dùng công thức: Với Dxi = di - di-1 quãng đường đi doạn thứ i. và m là khối lượng phần động. [(a + 2.c + 2.a’).b’.hn + a.b’.(hcs – hcd) + 2.a’.b’.(hcs – hcd)] Vđ =127,45 (cm2) m = Vđ.gFe =127,45.7,65 = 0,975 (Kg) t2 = 0,005 + 0,0058 + 0,0136 + 0,0125= 0,037 (s) Để tính t2 ta dùng công thức: t4 = 0,015 + 0,018 + 0,034 + 0,012= 0,079 (s) Vậy ta có: Thời gian tác động: ttđ = t1 + t2 = 0,01 + 0,037 = 0,047 (s) Thời gian tác động khi nhả: tnh = t3 + t4 = 0,01 + 0,079 = 0,089 (s) Tính khối lượng công tắc tơ: Khối lượng công tắc tơ bao gồm khối lượng mạhc từ, khối lượng cuộn dây, khối lượng phần kết cấu: Gctt = Gcd + GFe + Gph Theo tính toán ở trên ta có: GFe = 2,37 (Kg) Gcd = Gcu = gcu.lcu.q =gcu.ltb.W.p.d2/4. Gcd = 3,89.17,14.1042.p.0.0372/4 Gcd =0,107 (Kg) Khối lượng phần kết cấu: Gph = 0,8.( Gcd + GFe) = 1,98 (Kg) Khối lượng công tắc tơ: Gctt = 0,107 + 2,37 + 1,98 =4,457 (Kg) Chương 6. Thiết kế buồng dập hồ quang 1. Khái niệm về hồ quang điện. Đối với khí cụ điện, cầu dao, công tắc tơ... khi đóng cắt mạch, hồ quang phát sinh trên tiếp điểm. Nếu hồ quang cháy lâu, khí cụ điện trên hệ thống điện sẽ hỏng. Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong không khí hay hơi với mật độ dòng [j] lớn và nhiệt độ [q] cao, đồng thời kèm theo hiệu ứng ánh sáng. Đó là mối quan hệ phức tạp giữa điện và nhiệt. Do ảnh hưởng của hồ quang điện, mạch điện ngắt không dứt khoát gây cháy hỏng tiếp điểm đồng thời gây quá điện áp. Do đó việc dập hồ quang trong khí cụ điện là rất quan trọng. Hồ quang điện phát sinh là quá trình ion hoá chất khí với các dạng chính: Tự phát xạ điện từ. Phát xạ nhiệt điện tử. Ion hoá do va chạm. Ion hoá do nhiệt độ cao. Tái hợp và khuếch tán. Để dập tắt hồ quang cần phải tăng cường phản ion hoá bằng cách giảm đường kính hồ quang. 2. Đặc điểm hồ quang điện xoay chiều. Đặc điểm của dòng điện xoay chiều là cứ sau nửa chu kỳ của nguồn cung cấp thì dòng điện và điện áp qua trị số không một lần. Do đó người ta dựa vào đây để ngắ mạch điện mà hồ quang sinh ra được giảm đi một cách đáng kể so với dòng một chiều. Khi dòng điện i = 0 thì khu vực hồ quang đồng thời sảy ra: Quá trình phản ion hóa mạnh đến mức mất dần tính dẫn điện. Quá trình phục hồi điện áp hồ quang từ điện áp tắt đến điện áp cháy. 3. Yêu cầu đối với hệ thống dập hồ quang. Đảm bảo được khả năng đóng và khả năng ngắt Quá điện áp thấp. Kích thước hệ thống dập hồ quang nhá. Có khả năng hạn chế ánh sáng và âm thanh. Thời gian cháy nhỏ, giảm mòn tiếp điểm, thiết bị dập hồ quang. 4. Giá trị dòng điện ngắt trong khi tính toán hệ thống dập hồ quang. Trong quá trình tính toán và lựa chọn buồng dập hồ quang ta cần chú ý tới sự phụ thuộc của dòng điện ngắt vào thời gian hồ quang cháy. Vùng (I): thời gian hồ quang cháy thq tỉ lệ với dòng ngắt ing. Trong vùng này thq cháy nhỏ nên ta có thể dập hồ quang trong vùng này bằng cách tăng dòng điện phục hồi (CTT làm việc với dòng điện xoay chiều). Vùng (II): thq cháy lớn, nên thời gian dập hồ quang cũng lớn. Biện pháp dập hồ quang chủ yếu là sử dụng cách kéo dài cơ khí. Vùng (III): thq cháy nhỏ, dòng ngắt rất lớn. Nhân tố chủ yếu dập hồ quang trong vùng này là sử dụng lực điện động của dòng hồ quang với từ trường dòng điện khác trong mạch vòng dẫn điện và từ trường cuộn thổi từ. 5. Vật liệu kết cấu buồng dập hồ quang. Vật liệu làm buồng dập phải có khả năng chịu được nhiệt độ cao, có tính cách điện cao và có khả năng chống Èm. Để dập tắt hồ quang một cách nhanh chóng thì mặt trong của buồng dập phải có độ nhám bề mặt phải nhỏ nhất nghĩa là mặt bên trong buồng dập phải nhẵn. Một số vật liệu dùng để làm vỏ hộp dập hồ quang. Vật liệu xi măng – amiang: Ximăng - amian loại tấm theo G0CT 8697- 58 được Ðp từ xi măng - amian và nhựa amian. Đối với những chi tiết bằng nhựa xi măng - amian có độ nhẵn bề mặt lớn. Vật liệu Ðp chịu hồ quang: Nó gồm nhiều vật liệu tổng hợp lại: Sợi amian và các loại chịu lửa (như mêlominơ, nhựa si lic hữu cơ, nhựa êpôcxi và các loại nhựa khác). Thành phần của chúng phụ thuộc vào kết cấu của chi tiết. Các chi tiết làm vật liệu này có tính chụi nhiệt, chịu hồ quang cao, cách điện tốt và đạt được độ nhẵn bề mặt. Gốm xilicat: Buồng dập hồ quang bằng vật liệu gốm sử dụng có hiệu quả kinh tế cao chỉ khi sản xuất khối lượng lớn vì sự gia công của nó rất phức tạp. 6. Kết cấu và kiểu buồng dập. Qua phân tích các dạng kết cấu và kiểu buồng dập. Chọn kiểu buồng dập hồ quang là kiểu dàn dập. Dàn dập được chế tạo từ lá thép non. Kiểu Dàn dập Số lượng tấm cho một chỗ ngắt 5 Bề dầy một tấm (mm) 1 Khoảng cách giữa các tấm (mm) 3 Với kiểu buồng dàn dập phù hợp với dòng điện định mức 200A tiếp điểm chữ nhật có hai chỗ ngắt phù hợp với công tắc tơ có chế độ làm việc trung bình. Buồng kiểu dàn dập cho ta khả năng rút ngắn đáng kể chiều dài hồ quang và dập nó trong thể tích nhỏ do đó phát sáng Ýt và âm thanh bị hạn chế.