Đồ án Thiết kế công tắc cơ

Mục lục Lời nói đầu Đất nước đang càng ngày càng phát triển, quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá đang diễn ra mạnh mẽ. Để thực hiện được thì phải có nguồn năng lương, mà điện năng chiếm một vai trò rất quan trọng. Điện năng cung cấp cho mọi ngành, mọi lĩnh vực, mọi đối tượng. Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng điện thì không thể tránh khỏi những sự cố, rủi ro xảy ra như hiện tượng quá điện áp, quá dòng điện, hiện tượng ngắn mạch... Để đảm bảo vấn đề an toàn tính mạng cho con người, bảo vệ các thiết bị điện và tránh những tổn thất kinh tế có thể xảy ra thì khí cụ điện ngày càng được đòi hỏi nhiều hơn, chất lượng tốt hơn và luôn đổi mới công nghệ. Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các loại khí cụ điện hiện đại được sản xuất ra luôn đảm bảo khả năng tự động hoá cao, trong đó công tắc tơ cũng không nằm ngoài mục đích đó. Chính vì vậy mà nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là đặc biệt quan trọng nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể sẽ xảy ra. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy cô trong nhóm khí cụ điện, thuộc bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa điện. Đặc biệt là sự hướng dẫn giúp đỡ và đóng góp của thầy Đặng Chí Dũng, em đã hoàn thành được đồ án môn học với đề tài thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3 pha. Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do hiểu biết kiến thức còn có nhiều hạn chế, thời gian có hạn và kinh nghiệm thực tế còn ít, nên trong quá trình thiết kế đồ án em còn mắc những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong có được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến thầy cô và các bạn sinh viên. Em xin chân thành cảm ơn bộ môn Thiết bị điện - điện tử và thầy Đặng Chí Dũng. Chương I Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ Khái niệm chung Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng, cắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa, bằng tay hay tự động. Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. Thông thường ta gặp loại đóng cắt bằng nam châm điện. Công tắc tơ gồm các bộ phận chính sau Hệ thống mạch vòng dẫn điện. Hệ thống dập hồ quang. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung. Nam châm điện. Vỏ và các chi tiết cách điện. Nguyên lý hoạt động Khi cho điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ được sinh ra trong nam châm điện. Luồng từ thông này sẽ sinh ra một lực điện từ. Khi lực điện từ lớn hơn lực cơ thì nắp mạch từ được hút về phía mạch từ tĩnh, trên mạch từ tĩnh có gắn vòng ngắn mạch để chống rung, làm cho tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm tĩnh được gắn trên thanh dẫn, đầu kia của thanh dẫn vít bắt dây điện ra, vào. Các lò xo tiếp điểm có tác dụng duy trì một lực ép tiếp điểm cần thiết lên tiếp điểm. Đồng thời tiếp điểm phụ cũng được đóng vào đối với tiếp điểm phụ thường mở và mở ra đối với tiếp điểm thường đóng. Lò xo nhả bị nén lại. Khi ngắt điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ giảm xuống về không, đồng thời lực điện từ do nó sinh ra cũng giảm về không. Khi đó lò xo nhả sẽ đẩy toàn bộ phần động của công tắc tơ lên và cắt dòng điện tải ra. Khi tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh của mạch từ chính thì hồ quang sẽ xuất hiện giữa hai tiếp điểm. Nhờ các tấm dập trong buồng dập hồ quang, hồ quang sẽ được dập tắt. Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ Hệ thống mạch vòng dẫn điện Thanh dẫn: do thanh dẫn phải dẫn dòng điện làm việc và có khi phải chụi dòng điện ngắn mạch lớn khi xảy ra sự cố đòng thời phải đảm bảo cho tiếp điểm tiếp xúc tốt nên ta chọn thanh dẫn bằng đồng có tiết diện ngang hình chư nhật. Đầu nối : chọn đầu nối bằng bu lông có thể tháo rời được. Tiếp điểm chính: do dòng điện làm việc định mức của công tắc tơ là 25 A nên ta chọn tiếp điểm hình trụ, kiểu bắc cầu, 1 pha 2 chỗ ngắt, tiếp xúc loại mặt phẳng-mặt phẳng. Tiếp điểm phụ: cũng dùng kiểu tiếp điểm bắc cầu 1 pha 2 chỗ ngắt. Hệ thống dập hồ quang Đối với khí cụ điện hạ áp , các trang bị dập hồ quang thường là : Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí. Dùng cuộn dây thổi từ. Dùng buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp. Dùng buồng dập hồ quang kiểu dàn dập. Qua phân tích và tham khảo thực tế, đối với Công tắc tơ xoay chiều chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập . Nam châm điện Công tắc tơ có thể đóng ngắt bằng nam châm điện hút quay hoặc hút thẳng. Nam châm điện hút quay Ưu điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút quay tốt hơn nam châm điện hút thẳng. Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, một pha có một chỗ ngắt làm cho việc dập hồ quang khó khăn, phải dùng dây nối mềm. Nam châm điện hút thẳng Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, Kết cấu tiếp điểm bắc cầu một pha có hai chỗ ngắt làm cho việc dập hồ quang đơn giản hơn, Hành trình chuyển động gắn liền với chuyền động của nắp nam châm điện,việc bố trí buồng dập hồ quang dễ dàng, Không dùng dây nối mềm. Nhược điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút thẳng không tốt bằng nam châm hút quay. Do có nhiều ưu điểm cho nên ta sẽ sử dụng nam châm điện xoay chiều hình chữ E kiểu hút chập. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung Lò xo nhả, lò xo tiếp điểm: ta chọn kiểu lò xo xoắn hình trụ do nó ít bị ăn mòn và bền hơn lò xo tấm phẳng. Lò xo hoăn xung: dùng để giảm bớt va chạm giữa nắp và thân cực từ do đó ta dùng lò xo lá. Hình dáng của công tắc tơ Sau khi chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta được hình dáng công tắc tơ như sau 1. Tiếp điểm tĩnh. 6. Thanh dẫn tĩnh. 2. Tiếp điểm động. 7. Lò xo nhả. 3. Lò xo ép tiếp điểm. 8. Mạch từ nam châm điện. 4. Thanh dẫn động. 9. Cuộn dây nam châm điện. 5. Dàn dập hồ quang. 10. Vòng ngắn mạch. 11. Nắp mạch từ nam châm điện. Chương II Tính toán mạch vòng dẫn điện Khái niệm chung Trong Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng, chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thước hợp thành. Đối với Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính như sau: Thanh dẫn: gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Thanh dẫn có chức năng truyền tải dòng điện. Dây dẫn mềm. Đầu nối: gồm vít và mối hàn. Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, có chức năng đóng ngắt dòng điện. Cuộn thổi từ. Mạch vòng dẫn điện chính Thanh dẫn Thanh dẫn động Chọn vật liệu Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tương đối cao... do đó ta có thể chọn Đồng kéo nguội làm vật liệu cho thanh dẫn động. Các thông số của đồng kéo nguội: Ký hiệu ML-TB Tỷ trọng (g) 8,9 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (qnc) 10830C Điện trở suất ở 200C (r20) 0,0158.10-3 Wmm Độ dẫn nhiệt (l) 3,9 W/cm 0C Độ cứng Briven (HB) 80 á 120 kG/cm2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở (a) 0,0043 1/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([qcp]) 950 C Tính toán thanh dẫn Theo phần chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ, ta đã chọn thanh dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề dầy b Theo công thức 2-6 (TL1) : Trong đó : Iđm = 18 A : dòng điện định mức. n: hệ số hình dáng, n = = 5 á 10, chọn n = 7. Kf : hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần. Kf = Kbm.Kg = 1,03 á 1,06. Chọn Kf = 1,06. KT : hệ số tản nhiệt, KT = (6 á 12).10-6 (W/ 0 C.mm2) Chọn KT= 7,5.10-6. ru : điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định. rq = r20[1+a(q - 20)] r20 : điện trở suất của vật liệu ở 20OC. a : hệ số nhiệt điện trở của vật liệu. q: nhiệt độ ổn định của đồng , ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho phép u = [u] = 95 OC. r95 = 0,0158.10 -8[1+4,3.10 -3(95 - 20)] ằ 2,1.10 -8 (W.m) tôđ : độ tăng nhiệt ổn định. tôđ = q - qmt với qmt= 40 OC là nhiệt độ môi trường tôđ = 95 - 40 = 55 OC Vậy ta có a = b.n =7. 0,54 = 3,78 (mm) Vậy kích thước tối thiểu của thanh dẫn động là a = 3,78 mm và b = 0,54 mm. Tuy nhiên hình dạng của thanh dẫn động còn phụ thuộc vào hình dạng của tiếp điểm. Chọn tiếp điểm theo bảng 2-15(TL1.T51) với Iđm = 18 A ta chọn đường kính tiếp điểm dtđ = 8 mm và chiều cao tiếp điểm là htđ= 1,5 mm. Chọn lại kích thước của thanh dẫn động: a= 10 mm và b= 1,2 mm Kiểm tra kích thước làm ở điều kiện làm việc dài hạn Diện tích thanh dẫn: S = a.b =10.1,2 = 12 (mm) Chu vi thanh dẫn: P = 2.(a+b) = 2.(10+1,2) = 22,4 (mm) Mật độ dòng điện : j = = = 1,5 (A/mm2) < [j] =2 á 4 (A/mm2) thoả mãn về kết cấu. Nhiệt độ thanh dẫn : Từ công thức 2-4 (TKKCĐHA) ta có với r0 : điện trở suất của đồng kéo nguội ở 00C (W.mm) qmt : nhiệt độ môi trường, qmt = 400C Thay vào ta có : = 430C Vậy qtd < [qcp] = 950C thanh dẫn thoả mãn về nhiệt độ ở chế độ định mức. Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch Đặc điểm của quá trình ngắn mạch: Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn. Thời gian tác động nhỏ. Từ đặc điểm trên rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch nhiệt độ thanh dẫn tăng lên rất lớn có thể làm thanh dẫn bị biến dạng. Do đó cần phải kiểm tra khi có ngắn mạch thì mật độ dòng điện thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép không. Từ công thức 6-21 (TL1) : Trong đó: Inm = Ibn : dòng điện ngắn mạch hay dòng điện bền nhiệt. tnm = tbn : thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt. Anm = Abn : hằng số tích phân ứng với ngắn mạch hay bền nhiệt. Ađ : hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu. Tra đồ thị hình 6-5 (TL1.T313) ta có: Với qbn = 3000C có Abn = 3,65.104 (A2s/mm4) qđ = 950C có Ađ = 1.6.104 (A2s/mm4) tnm (s) jnm (A/mm2) [jnm]cp (A/mm2) 3 87 94 4 75 82 10 47.4 51 Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép, nên thanh dẫn có thể chịu được ngắn mạch. Thanh dẫn tĩnh Thanh dẫn tĩnh được nối với tiếp điểm tĩnh và gắn với đầu nối. Vì vậy thanh dẫn tĩnh phải có kích thước lớn hơn thanh dẫn động. Ta có thể chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau : at = 10 mm bt = 1,5 mm Do thanh dẫn động thoả mãn ở chế độ dài hạn và ngắn hạn mà thanh dẫn tĩnh có tiết diện và chu vi lớn hơn thanh dẫn động cho nên thanh dẫn tĩnh cũng thoả mãn chế độ dài hạn và ngắn hạn. Đầu nối Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao. Các yêu cầu đối với mối nối Nhiệt độ các mối nối khi làm việc ở dài hạn với dòng điện định mức không được tăng quá trị số cho phép. Khi tiếp xúc mối nối cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua. Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi khí cụ điện vận hành liên tục. Kết cấu của mối nối gồm có : mối nối có thể tháo rời được, không thể tháo rời được, mối nối kiêm khớp bản lề có dây nối mềm hoặc không có dây nối mềm. ở đây ta chon mối nối có thể tháo rời được và bằng bu lông. Với dòng điện định mức Iđm = 18A theo bảng 2-9 (TKKCĐHA) chọn bu lông 5 bằng thép không dẫn điện và trụ đồng 5. b a Stx Diện tích bề mặt tiếp xúc : Stx = Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng có tần số f = 50 Hz và dòng điện định mức Iđm < 200A thì có thể lấy mật độ dòng điện j = 0,31 A/mm2 Stx = Lực ép tiếp xúc : Ftx = ftx.Stx Trong đó ftx là lực ép riêng trên các mối nối, ftx = 100 á 150 kG/cm2 chọn ftx=100 kG/cm2 = 100.10-2 kG/mm2 Ftx = 100.10 -2.58,1 = 58,1 (kG) Theo công thức 2-25(TL1.T59). Điện trở tiếp xúc là: Trong đó m =1 đồng-đồng tiếp xúc mặt Ktx =(0.090.14).10-3 chọn Ktx = 0,1.10-3 Điện áp tiếp xúc Utx = Iđm.Rtx =18.1,7.10 –5= 0,31 (mV) Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([Utx]cp =30 mV), nên bu lông đã chọn thoả mãn yêu cầu. Tiếp điểm Nhiệm vụ của tiếp điểm Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ điện đóng ngắt. Yêu cầu đối với tiếp điểm Khi Công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức , nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm. Với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch) tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động. Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng điện trong giới hạn cho phép , tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bé nhất , độ rung của tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép. Vật liệu làm tiếp điểm Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 18 A. Từ bảng 2-13 (TL1) ta chọn vật liêu là bạc niken than chì, với các thông số kỹ thuật sau: Ký hiệu KMK.A32 Tỷ trọng (g) 8,7 g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy (qnc) 1300 0C Điện trở suất ở 200C (r20) 0,035.10-3 Wmm Độ dẫn nhiệt (l) 3,25 W/cm 0C Độ cứng Briven (HB) 45 á 65 kG/mm2 Hệ số dẫn nhiệt điện trở (a) 0,0035/ 0C Nhiệt độ cho phép cấp A ([qcp]) 950 C Như đã chọn ở phần tính thanh dẫn động ta có kích thước của tiếp điểm là d = 8 mm; h=1,5 mm. Lực ép tiếp điểm Theo công thức kinh nghiệm Ftđ = ftđ x Iđm Tra bảng 2-17 ta chọn ftđ = 15 (g/A) Ftđ = 15 x 18 = 270 (g) = 0,270 (kg) = 2,70 (N) Điện trở tiếp điểm Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm được tính theo công thức 2-25(TL1.T159) Rtx = Trong đó : Ftđ = 2,70 (N) Ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm. Ktx =chọn Ktx = 0,25.10-3 m: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc. vì là tiếp xúc mặtm = () nên chọn m = 0,8 Thay vào ta có: Điện áp tiếp xúc Utx = Iđm.Rtx =18.7.10-4 = 0,0126 (V) = 12,6 (mV) Vậy điện áp nơi tiếp xúc Utx thoả mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép [Utx] = 2 á 30 mV. Nhiệt độ tiếp điểm và nhiệt độ nơi tiếp xúc Theo công thức 2-11(TL1.T52) nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm Trong đó: qtđ : nhiệt độ của tiếp diểm. rq: điện trở suất của vật iệu làm tiếp điểm ở 95oC rq = r95 =r20.[1+ a(q-20)] = 3,5.10-5.(1+0,0035.(95-20)] = 4,42.10-6 ( Wcm) qmt : nhiệt độ môi trường, qmt =400C Rtđ : điện trở tiếp điểm. Rtđ= (W) P, S : chu vi, tiết diện của thanh dẫn. P = 2,24 cm ; S = 12.10-2 (cm2) 0C Nhiệt độ của điểm tiếp xúc là: Dòng điện hàn dính Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm (quá tải , khởi động , ngắn mạch) , nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng hàn dính . Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn dính gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động) . Độ ổn định nhiệt và ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số dòng điện hàn dính Ihd , tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra nếu cơ cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm . Trị số dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2-33 (TL1.T66) Ihdbđ = A (A) Trong đó: A = rO : điện trở suất của vật liệu ở 20OC . Ta có r20 = rO(1+a.20) rO = rO = l : hệ số dẫn nhiệt của vật liệu. l = 3,25 W/cm.OC = 325 W/m.OC qnc : nhiệt độ nóng chảy của vật liệu, qnc = 1300 OC HBo : độ cứng Britnel . HBo = 50 kG/mm2 = 50.106 (kg/m) A = (A/Kg1/2 ) fnc : hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong qúa trình phát nóng, chọn fnc = 3. Ftđ = 0,275 (kG) Ihd = Tính theo công thức thực nghiệm 2-36 (TL1) Ihd = Khd. Trong đó: Khd : hệ số hàn dính , chọn Khd = 2000 A/kG1/2 Ftđ = 0,275 (kG) Ihd = 2000. Ta thấy Ihdbđ LT < Ihdbd TN .Chọn Ihdbd = Ihdbd TN = 1048,8A Inm = 10.Iđm = 10.18 = 180A Vì Inm < Ihdbd cho nên tiếp điểm không bị hàn dính. Độ rung và thời gian rung của tiếp điểm Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc sẽ có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây ra hiện tượng rung tiếp điểm. Tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại và tiếp tục va đập, quá trình này xảy ra trong một khoảng thời gian rồi chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định, sự rung kết thúc. Qúa trình rung được đánh giá bằng độ lớn của biên độ rung Xm và thời gian rung tm Theo công thức 2-39(TL1.T72) biên độ rung cho 3 tiếp điểm thường mở là : Xm = Trong đó mđ : khối lượng phần động. mđ =K.Iđm với K= 7 (g/A) mđ = 7.18 = 126 (g) =0,126 (kg) vđo : tốc độ tiếp điểm tại thời điểm va đập . vđo = 0,1 m/s KV : hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu. Kv = chọn KV = 0,9. Ftđđ : lực ép tiếp điểm đầu. Ftđđ= 0,7.Ftđ =0,7.0,275 = 0,1975 (kg) =1,975 (N) Xm = (m) Do công tắc tơ có ba tiếp điểm nên độ rung của 1 tiếp điểm là = 0,015 (mm) Theo công thức 2-40 (TL1.T72) thời gian rung của tiếp điểm là = 5,6 (ms) Do công tắc tơ có ba tiếp điểm chính cho nên thời gian rung của một tiếp điểm là = 1,9 (ms) Độ mòn của tiếp điểm Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt mạch điện. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hoá học, về cơ và về điện trong đó chủ yếu là do quá trình mòn điện . Khối lượng mòn trung bình của một cặp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là: gđ + gng = 10 -9(Kđ. + Kng.)Kkđ Trong đó : Kkđ : hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm, Kkđ =1,1 á 2,5, chọn Kkđ =1,5 Kđ, Kng : hệ số mòn khi đóng và khi ngắt, tra bảng 2-21 (TL1.T79) ta có Kng=Kđ = 0,01 (g/A2) Iđ và Ing : dòng điện đóng và dòng điện ngắt. Iđ = 5Iđm =5.18 = 90 (A) Ing =3.Iđm = 3.18 = 54 (A) gđ và gng : khối lượng mòn riêng của mỗi một lần đóng và ngắt. gđ + gng = 10 -9 .(0,01.902 +0,01.542 ).1,5 =1,65.10-7 ( g) Sau N = 106 lần đóng ngắt, khối lượng mòn là : Gm = N.(gđ + gng) = 106 . 1,65.10-7 = 0,165( g) Thể tích mòn một sau một lần đóng cắt là Thể tích ban đầu của tiếp điểm là Vtđ = Lượng mòn của tiếp điểm sẽ là : Vm% = Độ mòn cho phép của tiếp điểm là Vm % =70%. Cho nên độ mòn của tiếp điểm mà ta thiết kế là thoả mãn. Độ lún, độ mở của tiếp điểm Độ mở Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở trạng thái ngắt của công tắc tơ. Độ mở cần phải đủ lớn để có thể dập tắt hồ quang nhanh chóng, nếu độ mở lớn thì việc dập tắt hồ quang sẽ dễ dàng.Tuy nhiên khoảng cách quá lớn sẽ ảnh hưởng tới kích thước của công tắc tơ. Ta lấy độ mở của tiếp điểm là m=5mm. Độ lún Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại. Việc xác định độ lún của tiếp điểm là cần thiết vì trong quá trình làm việc tiếp điểm sẽ bị ăn mòn. để đảm bảo tiếp điểm vẫn tiếp xúc tốt thì cần có một độ lún hợp lý. Theo cônh thức lí thuyết l= A+ B.Iđm = 1,5 + 0,02.18 = 1,86 2 (mm). Mạch vòng dẫn điện phụ Việc tính mạch vòng dẫn điện phụ tương tự với cách tính vòng dẫn điện chính, với Iđm =10A. Thanh dẫn Thanh dẫn động Vật liệu và kết cấu: giống với thanh dẫn động trong mạch vòng dẫn điện chính. tính toán thanh dẫn Trong đó Iđm= 10 (A) n= 7 Kf=1,06 KT=7,5.10-6 (W/0C.mm2) tôđ=550C rq=0,015.10-3 (Wmm) b= 0,2 (mm) a=7.0,2= 1,4 (mm) Chọn tiếp điểm kiểu cầu với Iđm=10(A)chon đường kính của tiếp điểm là d= 5(mm) và chiều cao của tiếp điểm là h =1,2 (mm). Vậy thì chọn a = 6 (mm) ; b = 0,8 (mm) Mật độ dòng điện : Vậy j < [j] =2 á 4 A/mm2 thoả mãn về kết cấu Thanh dẫn tĩnh Tương tự như ở mạch vòng dẫn điện chính ta chọn các kích thước của thanh dẫn tĩnh là at = 6 (mm) và bt= 1 (mm). Tiếp điểm Chọn loại tiếp điểm cầu với dạng tiếp xúc điểm. Chọn vật liệu tiếp điểm I = 10 A , tra bảng 2-13 (TL1) có thể chọn Bạc kéo nguội ( CP 999 ) có các thông số kỹ thuật : Tên Ký hiêu Giá tri Đơn vị Nhiệt độ nóng chảy 961 () Tỉ trọng g 10,5 g/cm3 Điện trở suất ở 20 20 0,0116.10-3 Wmm2/m Độ cứng HB 30 á 60 kG/cm2 Độ dẫn nhiệt l 480 W/m 0C Hệ số dẫn nhiệt điện trở 0,004 1/() dtd htd Xác định kích thước tiếp điểm Đường kính tiếp điểm dtđ = 5 (mm) , chiều cao tiếp điểm htđ =1,2 (mm). Tính lực ép tiếp điểm theo công thức thực nghiệm 2-17 (TL1) , ta có : Ftđ = ftđ.Iđm Trong đó ftđ =11 (g/A) ị Ftđ = 10.11= 110 (g) = 0,11 (kg) = 1,1 (N) Tính điện trở tiếp xúc theo công thức: Rtx = Với Ktx= 0,25.10-3 m = 0,5 Rtx= 7,5.10-4 (Ω) Tính điện áp tiếp xúc theo công thức Utx = Iđm.Rtx= 10.0,75.10-3= 7,5.10-3 (V) = 7,5 (mV) Độ lún của tiếp điểm được tính theo công thức l’=A+B.Iđm=1,5+0,02.10=1,7 (mm) Độ mở Vì tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm phụ phải bằng tổng độ mở và độ lún của tiếp điểm chính nên : m’= m + l – l’ =5 + 2 - 1,7 = 5,3 (mm) trong đó m, l là độ mở và độ lún của tiếp điểm chính. Chương III Tính và dựng đặc tính cơ Tính toán lò xo Vật liệu làm lò xo Theo chương I chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta đã chọn lò xo nhả và lò xo ép tiếp diểm là kiểu lò xo xoăn hình trụ. Bây giờ ta sẽ chọn cụ thể loại lò xo là lò xo thép cacbon FOCT 9389 - 60 có các thông số như sau Độ bền giới hạn khi kéo, sk 2650 N/mm2 Giới hạn đàn hồi, sđ 800 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi uốn, su 930 N/mm2 Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn, sx 580 N/mm2 Module đàn hồi, E 200.103 N/mm2 Mudule chống trượt, G 80.103 N/mm2 Điện trở suất, r 0,19 á 0,22 .10-6 Wm Lò xo ép tiếp điểm chính Tính toán cho 1 lò xo Đường kính dây lò xo Theo công thức 4-31 (TL1) , đường kính dây lò xo là : dlxc = Trong đó F: lực ép tiếp điểm tính cho một tiếp điểm(1 pha 2 chỗ ngắt). F=2.Ftđc = 2.2,75 =5,5 (N) C: chỉ số lò xo, C = chọn C = 8 []: ứng suất cho phép. dlxc = Vậy chọn đường kính dây lò xo là dlxc =0,44 (mm) Đường kính lò xo Dlxc = C. dlxc = 8.0,44 =3,52 (mm) Số vòng làm việc Wlxc = Trong đó F: Lực lò xo phải sinh ra trong đoạn f. Flxc= Ftđc - Ftđd =2.(2,75 – 0,7.2,75) = 1,65 (N) f: Độ lún của lò xo flxc = l = 2 (mm) G: Mô đun chống trượt. Wlxc = (vòng) chọn Wlxc= 11 (vòng) Bước lò xo tk = dlxc = 0,44 (mm) tn = d lxc + Chiều dài kết cấu lk = dlxc.Wlxc = 0,44.11= 4,84 (mm) ln = Wlxc.tn + 1,5.dlxc = 11.0,62 + 1,5.0,44 = 7,48 (mm) ứng suất xoắn thực tế của lò xo sx = (N/mm2) Vậy sx < [sx] =580 N/mm2 do đó lò xo chọn thoả mãn yêu cầu không vượt quá ứng suất xoắn cho phép. Lò xo tiếp điểm phụ Tính toán cho 1 lò xo tương tự như tính với lò xo tiếp điểm chính. Đường kính dây lò xo Theo công thức 4-31 (TL1) , đường kính dây lò xo là : dlxp = Trong đó F=2.Ftđp = 2.1,1 =2,2 (N) C = 8 dlxp = Vậy chọn đường kính dây lò xo là dlxp =0,3(mm) Đường kính lò xo Dlxp = C. dlxp = 8.0,3 = 2,4 (mm) Số vòng làm việc Wlxp = Trong đó F: Lực lò xo phải sinh ra trong đoạn flxp. Flxp= Ftđc - Ftđđ =2.(1,1 – 0,5.1,1 ) = 1,1 (N) flxp: Độ lún của lò xo bằng độ lún của tiếp điểm phụ flxp = l’ = 1,7 (mm) Wlxp = (vòng) chọn Wlxp= 10 (vòng) Bước lò xo tk = dlxp = 0,3 (mm) tn = d lxp + Chiều dài kết cấu lk = dlxp.Wlxp = 0,3.10= 3 (mm) ln = Wlxp.tn + 1,5.dlxp = 10.0,47 + 1,5.0,3 = 5,15 (mm) ứng suất xoắn thực tế của lò xo sx = (N/mm2) Vậy sx < [sx] =580 N/mm2 do đó lò xo chọn thoả mãn yêu cầu không vượt quá ứng suất xoắn cho phép. Lò xo nhả Có hai lò xo nhả Lực lò xo nhả đầu phải thắng được khối lượng phần động và tạo ra lực ép tiếp điểm thường đóng. Fnhđ = Kdt(Gđ + Ftđctđ ) Trong đó: Kdt: Hệ số dự trữ Kdt=Chọn Kdt=1,2 Gđ: Trọng lượng phần động. Trong chương II mạch vòng dẫn điện ta đã chọn Gđ=1,75 (N) Ftđctđ: Lưc ép tiếp điểm cuối thường đóng(2 tiếp điểm thường đóng) Ftđctđ = 2.2.Ftđp = 2.2.1,1 = 4,4 (N) Fnhđ = 1,2.(1,75 +4,4) = 7,4 (N) Do có hai lò xo nhả nên lực lõ xo nhả cho mỗi lò xo : Fnhđ1==3,7 (N) Lực lò xo nhả cuối Fnhc1= Vậy ta chọn Fnhc1=1,5.Fnhđ1=1,5.3,7 = 5,55 (N) Đường kính dây lò xo là : dlxnh = Trong đó F: lực kéo nén cho 1 lò xo F = Fnhc1= 5,55 (N) C: chỉ số lò xo, chọn C=10 dlxnh = Đường kính lò xo Dlxnh = C. dlxnh = 10.0,5= 5 (mm) Số vòng làm việc Wlxnh = Trong đó: F1: Lực lò xo phải sinh ra trong đoạn f F1=Fnhc1- Fnhđ1=5,55 – 3,7 = 1,85 (N) f: Độ lún của lò xo. f=l+m= 2+5 = 7 (mm) Wlxnh= (vòng) 19(vòng) Bước lò xo tk = dlxnh= 0,5 (mm) tn = dlxnh + Chiều dài kết cấu lk = dlxnh.Wlxnh = 0,5.19 =9,5 (mm) ln = Wlxnh.tn + 1,5.dlxnh = 19.0,87+ 1,5.0,5 = 17,28 (mm) ứng suất xoắn thực tế của lò xo sx = N/mm2 Vậy sx < [sx] =580 N/mm2 do đó lò xo chọn thoả mãn yêu cầu không vượt quá ứng suất xoắn cho phép. Đặc tính cơ Lập sơ đồ động Ta xét công tắc tơ làm việc trong tư thế bất lợi nhất, đó là tư thế bị lắp ngược Khi nắp nhả δ = δcn + l + m = 7,05 (mm) Khi nắp hút δ = δcn= 0,05 (mm) Tính toán các lực Lực ép tiếp điểm chính Do công tắc tơ có ba pha, mỗi pha có hai chỗ ngắt nên Lực ép tiếp điểm cuối Ftđc = 2.3.Ftđ = 6.2,75 = 16,5 (N) Lực ép tiếp điểm đầu Ftđđ = 0,7.Ftđc = 0,7.16,5= 11,55 (N) Lực ép tiếp điểm phụ thường đóng Do 1 tiếp điểm phụ có 2 chỗ ngắt và công tắc tơ có 2 tiếp điểm phụ nên Lực ép tiếp điểm cuối Ftđctđ = 2.2.Ftđp = 4.1,1 = 4,4 (N) Lực ép tiếp điểm đầu Ftđđtđ = 0,5.Ftđctđ = 0,5.4,4 = 2,2 (N) Lực ép tiếp điểm phụ thường mở Lực ép tiếp điểm đầu Ftđđtm = Ftđdtđ = 2,2 (N) Lực ép tiếp điểm cuối : Ftđctm = Ftđctđ = 4,4 (N) Lực 2 lò xo nhả Lực lò xo nhả đầu Fnhđ = Kdt(Gđ + Ftđctđ ) =1,2.(1,75 +4,4) = 7,4 (N) Lực lò xo nhả cuối Fnh c = 1,5.Fnh đ = 11,1 (N) Đặc tính cơ Chương IV Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện Khái niệm Nam châm điện được sử dụng ngày càng rất rộng rãi mà không một lĩnh vực ngành kỹ thuật nào không sử dụng nó. Nhiệm vụ chủ yếu của nam châm điện là bộ phận sinh lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến hay chuyển quay hoặc sinh lực hãm. Trong mỗi lĩnh vực khác nhau thì có những loại nam châm khác nhau về hình dáng, kết cấu, ứng dụng. Các qúa trình vật lý xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp, thường được mô tả bằng các phương trình vi phân tuyến tính. Vì vậy việc tính toán nam châm điện thường được dựa theo các công thức gần đúng, đơn giản sau đó mới kiểm nghiệm lại theo công thức lý thuyết, dẫn tới bài toán tối ưu. Đối với công tắc tơ, nam châm điện là cơ cấu sinh lực để thực hiện tịnh tiến đối với cơ cấu chấp hành là hệ thống các tiếp điểm. Tính toán thiết kế nam châm điện Xác định Kkc Theo đặc tính cơ ta chọn điểm A là điểm tới hạn tọa độ A(2,05.10 –3 ;23) Lực điện từ tính toán là Fđttt = K.Fth Trong đó K: là hệ số dự trữ chọn K = 1,1 Fth : lực cơ tại điểm A Fđttt = 1,1. 23 = 25,3 (N) Theo công thức 5-2 (TL1.T188) hệ số kết cấu là Theo bảng 5-2 (TL1.T188) Kkccp =630 đến 6300 N1/2/m Kkc nằm trong khoảng cho phép. Chọn vật liệu dẫn từ Do là nam châm điện xoay chiều nên ta chọn vật liệu thép silic đó là thép lá kỹ thuật hợp kim tăng cường theo bảng 5-3 (TL1-T191) Mã hiệu $ 31 Lực từ phản kháng HC A/cm Từ cảm dư Bdư T Từ cảm bão hoà Bδ 2 T Độ từ thẩm à 250 H/m Độ từ thẩm cực đại àmax H/m Điện trở suất r 50.10-8 Wcm Khối lượng riêng g 7,65 g/cm3 Thành phần cacbon 0,025% Tổn hao từ trễ khi bão hoà Từ cảm lõi thép 0,6 T Chiều dày lá thép 0,5 mm Chọn từ cảm, hệ số từ rò , hệ số từ cảm Ta có Bδth nằm trong khoảng chọn Bδth = 0,5 (T) Hệ số từ rò σr = 1,3 2 chọn σr = 1,5 Hệ số từ tản σt = 1,2 Tính tiết diện lõi mạch từ Fđttt ở trên là của ba khe hở không khí cho nên Theo công thức 5-8 (TL1.T204) thì Tiết diện lõi của nam châm điện là Slõi = 254 (mm2) Trong đó Slõi là diện tích cực từ giữa màSlõi = a.b chọn b= 0,9.a Slõi= 0,9.a2 Ta chọn a =17 (mm) b = 0,9a = 0,9.17 = 15,3 (mm) Lấy b = 16 (mm) Theo công thức 5-11 (TL1) thì Chiều rộng thực sự của lõi Trong đó Kc hệ số ép chặt của lõi thép. Kc = 0,9 và 0,95, ta chọn Kc = 0,95 Số lá thép kĩ thuật điện (tấm) Kích thước cực từ bên khi không có vòng ngắn mạch a’ = Kích thước cực từ bên khi có vòng ngắn mạch a’’ =a’ +2 =8,5 + 2.1,5 =11,5 (mm) Vậy ta có cực từ bên a’ =11,5 (mm) b =16 (mm) Xác định kích thước cuộn dây Theo công thức 5-18(TL1.T209). Sức từ động của cuộn dây (IW)tđ = (IW)nh + (IW)h (A.vòng) Trong đó (IW)nh: sức từ động của khe hở không khí làm việc khi phần ứng hở (IW)h: sức từ động không đổi khi khe hở không khí làm việc Theo công thức 5-19(TL1.T209) (IW)nh = Trong đó Sdnh : tổng khe hở không khí làm việc Sdnh = 2.dnh = 2.2,05.10 -3 =4,1.10 -3 (m) (IW)nh = (A.vòng) Theo công thức 5-20(TL1.T210) (IW)h = Trong đó sr : hệ số từ rò , sr = 1,5 Sdh : khe hở không khí ở trạng thái hút Sdh = 2dcn + dcd + dht =0,2 á 0,5 mm Chọn Sdh = 0,2 (IW)h= (Avòng) ị (IW)tđ = 1632 + 120 = 1752 (A.vòng) Theo công thức 5-21(TL1.T219), ta có hệ số bội số dòng điện KI = thoả mãn yêu cầu KI = 4 á 15 Theo công thức 5-24 (TL1) , diện tích cuộn dây Scd = Trong đó KUmax : Hệ số tính đến điện áp nguồn tăng mà NCĐ vẫn làm việc . Chọn Kumax = 1,1 KUmin : Hệ số tính đến điện áp nguồn giảm mà NCĐ vẫn làm việc . Chọn Kumin = 0,85 . Kqt: Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ làm việc dài hạn Kqt = 1. J : Mật độ dòng điện trong cuộn dây ở chế độ làm việc dài hạn , thường j = 2 á 4 A/mm2 . Chọn j = 3 A/mm2 Klđ : Hệ số lấp đầy cuộn dây , Kld = 0,3 á 0,6 . Chọn Klđ = 0,55 Scd = Từ diện tích cuộn dây, chọn hệ số hình dáng Khd = bcd = hcd = 2.bcd = 2.7 = 14 (mm) Vậy kích thước của cuộn dây là bcd =7 mm hcd =14 mm Kích thước mạch từ a/2 a b c hđ hn D5 D4 D3 D2 D1 bcd hcd hl Bề rộng của sổ mạch từ Trong đó chọn D1 = 0,5 mm khe lắp ráp giũa cuộn dây và lõi. D2 = 1,5 mm bề dày khung. D3 = 0,5 mm bề dày cách điện cuộn dâytrong cuộn dây. D4 = 0,5 mm chiều dầy lót cách điện ngoài cuộn dây. D5 = 5,0 mm khoảng cách bề ngoài đến cực từ bên. bcd = 7 mm chiều rộng cuộn dây. ccs= 7+ 0,5 +1,5 +0,5 +0,5 +5 = 15 (mm) Chiều cao của sổ mạch từ hcs = hcd + 2D2 + D6 Trong đó hcd = 14 mm chiều cao cuộn dây D6 = 5 mm khoảng cách mặt trên cuộn dây đến nắp mạch từ động hcs = 14 +2.1,5 +5 = 22 (mm) Diện tích nắp mạch từ Sn = 0,6.Slõi = 0,6.254 = 152,4 (mm2) hn = Diện tích đáy mạch từ Sđ = 0,5.Slõi = 0,5.254 = 127 (mm2) hđ = Lấy hđ8 mm Chiều cao mạch từ H = hcs + hđ + hn H = 22 + 8 + 10= 40 (mm) Tính toán kiểm nghiệm nam châm điện Sơ đồ thay thế mạch từ Bỏ qua từ trở sắt từ ( mFe >> md ) , ta có mạch từ đẳng trị GS = GdS + Gr Tính từ dẫn khe hở không khí Dùng phương pháp phân chia từ trường để tính từ dẫn qua khe hở không khí. Ta chia ra làm 17 hình. Một khối hình hộp chữ nhật với các cạnh a, b và chiều cao d Gd0 = Hai nửa khối trụ đặc có đường kính d, chiều dài a, từ dẫn của mỗi hình là G1 = 0,26.m0.a Hai nửa khối trụ đặc có đường kính d, chiều dài b, từ dẫn của mỗi hình là G2 = 0,26.m0.b Hai nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là G3 = chọn với m = 0,1.d G3 = Hai nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài b, từ dẫn mỗi hình là G4 = G4 = Bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính d, từ dẫn của mỗi hình là 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 = = 0,025.m0. 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 = Gδ0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) Gd = Gd = Từ dẫn khe hở không khí ở cực từ giữa Gd2 với a =17 mm, b= 16 mm Từ tản khe hở không khí ở lõi là Gd2t = 2(G1 + G2 +G3 +G4 ) +4(G5 +G6 ) Gd2t = 0,019 m0 +0,408m0 d Từ dẫn khe hở không khí ở cực từ bên Gd1 với a = 8,5 mm, b = 16 mm mà Gd3 = Gd1 Gd13 = Gd1 + Gd3 = 2.Gd1 Gd13 = Từ dẫn tổng của ba khe hở không khí là a/2 a/2 b c Từ dẫn rò Chia lõi cực từ làm hai phần bằng nhau. Từ dẫn được tính bằng phương pháp phân chia từ trường. Suất từ đẫn của khối chữ nhật cạnh 1, b và chiều cao ccs g0 = Hai nửa trụ đặc chiều dài 1, đường kính ccs , mỗi khối có suất từ dẫn là g1 = Hai nửa trụ rỗng chiều dài1, đường kính ccs , mõi khối có suất từ dẫn là g2 = mà m = g2 = Vậy suất từ dẫn tổng gr = g0 +2(g1 +g2 ) gr = à0 [1+2.(0,26 + 0,23)] = 1,98.à0 Vậy từ rò qui đổi là Gr1 = .gr.hcs Gr1= .1,98.à0.22.10-3 =1,82.10-8 (H) Ta lại có Gr2 = Gr1 nên tổng từ rò là Gr = Gr1 + Gr2 = 2.Gr1 = 2.1,82.10 –8= 3,64.10-8 (H) Từ dẫn Gồ Gồ = Gdồ + Gr Đạo hàm từ dẫn tổng vì Gr = const nên Hệ số từ tản , từ rò Hệ số từ tản : st = Hệ số từ rò : sr = Kết quả tính toán δ(mm) 0,05 1,05 2,05 3,05 4,05 5,05 6,05 7,05 Gδ2.10-6 6,86 0,35 0,19 0,14 0,13 0,096 0,086 0,078 Gδ20.10-6 6,83 0,32 0,17 0,11 0,08 0,067 0,056 0,048 st 1,004 1,09 1,12 1,27 1,63 1,43 1,54 1,63 Gr.10-8 3,64 3,64 3,64 3,64 3,64 3,64 3,64 3,64 GδΣ.10-8 344 18 10 7,3 5,9 5,1 4,8 4,2 sr 1,01 1,2 1,36 1,5 1,62 1,71 1,76 1,87 60000 134 36 16 8,9 5,6 4 2,9 Như vậy tại điểm tới hạn d = 2,05 mm , hệ số rò sr = 1,36 mà ở trên ta chọn sr= 1,5 thỏa mãn. Tính từ thông mà Fhtb = Fdth =(Wb) Vậy từ cảm tới hạn là Bdth = Bdth = 0,515 T trong khi ta chọn Bdth = 0,5 T. Như vậy sai số là 0,015 T chấp nhận được. Tính số vòng dây Số vòng dây nam châm điện được tính theo công thức trang (284 TL1) W = Trong đó Kir : hệ số tính đến điện áp rơi trên điện trở của cuộn dây , khi phần ứng bị hút KIR =0,900,96. Chọn KIR= 0,95 Uđm : điện áp định mức của cuộn dây Uđm = 220V KUmin : hệ số tính đến sụt áp , KUmin = 0,85 f = 50 Hz (Wb) W= (vòng) Tính đường kính dây Tiết diện của dây dẫn là Đường kính dây dẫn d = = 0,12 (mm) Tra bảng 5-8(TL1) chọn dây có đường kính khi không có cách điện là d = 0,12 mm. Chọn đường kính dây có cả cách điện là d = 0,14 mm Kiểm nghiệm lại hệ số lấp đầy của cuộn dây klđ Vậy hệ số lấp đầy của cuộn dây nằm trong khoảng cho phép. Tính toán vòng ngắn mạch Để chống rung cho phần động của NCĐ do lực đập mạch gây nên. ta đặt vòng ngắn mạch ở hai bên trụ bên. St Sn Số vòng ngắn mạch Wnm = 1 vòng. Lực hút điện từ trung bình ở khe hở làm việc khi không có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút của phần ứng. Trong đó Φdtb: Từ thông trung bình ở khe hở làm việc khi phần ứng hút được srh: Hệ số từ dò khi phần ứng hút (d = 0,05 mm) ta có srh = 1,004. dtb = (Wb) Stn: Diện tích tổng trong và ngoài vòng ngắn mạch. Stn =a’.b = 8,5.16 =136 (mm2) Ftbh = Tỉ số fl của lực điện từ bé nhất và trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch. mà Fmin = Fcơqđ = Tỷ số giữa diện tích cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch = 0,5 Điện trở của vòng ngắn mạch rnm = 3,34.10-4 (W) Góc lệch pha j giữa từ thông ngoài và từ thông trong khi số vòng ngắn mạch Wnm = 1 là : Trong đó St: Diện tích cực từ trong vòng ngắn mạch St = (mm2) tgj = j = 64,50 Góc lệch pha cho phép từ 500 đến 800. Như vậy 64,50 là thoả mãn lí thuyết. Từ thông ft và fn được tính như sau Chọn Từ thông trong vòng ngắn mạch. Từ thông ngoài vòng ngắn mạch. fn = C. ft = 1,16.5,17.10-5 = 6.10-5 (Wb) Từ cảm ở khe hở vùng ngoài vòng ngắn mạch Trong đó Sn: diện tích cực từ ngoài vòng ngắn mạch Sn = 0,5. St = 0,5.90,7 = 45,35 (mm2) Bn Vậy Bn thoả mãn yêu cầu Các lực Lực điện từ phía ngoài vòng ngắn mạch Lực điện từ phía trong vòng ngắn mạch Lực điện từ cực đại Fmax = Lực điện từ trung bình Ftb = Ftbt + Ftbn = 5,86 + 15,8 = 21,66 (N) Lực điện từ nhỏ nhất Lực điện từ nhỏ nhất khi hút là F = 4.Fmin = 4.8,72 = 34,88 (N) Như vậy lực đIện từ nhỏ nhất F = 34,88 N > F =33,75 N thoả mãn yêu cầu. Tỷ số giữa lực trung bình và lực bé nhất b d St ∆ St ltb P = Tính toán vòng ngắn mạch ∆=1,5 mm b=16 mm Diện tích trong vòng ngắn mạch: St= 90,7 mm2 Cạnh d Chiều dài trung bình của vòng ngắn mạch ltb=2(b+d+∆v)=2(16+5,7+2x1.5) = 49,4 (mm) Khi làm việc nhiệt độ vòng ngắn mạch có thể đạt tới 200-2500 C. Nên điện trở suất của vòng ngắn mạch tại 2250 C là Vòng ngắn mạch được làm bằng đồng nên có r20= 0,00158.10-3 (Wmm) Vậy tiết diện vòng ngắn mạch Vậy chiều dày vòng ngắn mạch Tổn hao trong vòng ngắn mạch Dòng điện trong vòng ngắn mạch Pnm =I2nm . rnm Inm = Tính toán kiểm nghiệm cuộn dây Chiều dài trung bình của cuộn dây ltb = = = 88 (mm) Điện trở suất của đồng ở nhiệt độ phát nóng cho phép q = 95 0C(cấp cách điện A) r95 = r20[1 + a(q - 20)] = 1,74.10-8[1 + 0,0043(95 - 20)] = 2,3.10-8 (Wm) Điện trở của cuộn dây ị Rcd = Điện kháng của cuộn dây Xcd= W2.GΣ.ω Trong đó GΣ: từ dẫn tổng của mạch từ khi δ= δmin= 0,2 mm (có kể cả khe hở chống dính)tức khi cuộn dây đang làm việc khi đó GδΣ= 87,11.10-8 GΣ=GδΣ + Gr=87,11.10-8 + 3,64.10-8=9,75.10-7 Xcd = 42502.9,75.10-7.2.Π.50 = 5532,64(W) Tổng trở của cuộn dây Zcd= == 5584,67(W) Dòng điện trong cuộn dây Icd === 0,039(A) Công suất tiêu thụ của cuộn dây P = I2cd.Rcd = (0,039) 2 .760,5841,16 (W) Theo công thức Newton , độ tăng nhiệt trong cuộn dây bằng : t = Trong đó KT: Hệ số toả nhiệt KT = 15 W/m2.0C (bảng 6-5 TL1) Stn: diện tich tỏa nhiệt Stn = Sngoài= hcd .[2(a + b) + 2.p.bcd ] Stn= 14.[2.(17+ 16) + 2. p.7] =1545 (mm2) t = q = qmt +t = 40 +50,05 = 90,05 OC < [ q]cp = 95 OC Vậy cuộn dây thoả mãn về nhiệt. Tính và dựng đặc tính lực điện từ Theo công thức 4-50 (TL1) , lực hút điện từ trung bình được tính : vì Với ba trường hợp U =0,85.Uđm (KU = 0,85) U = Uđm (KU = 1) U = 1,1.Uđm (KU = 1,1) Trong đó K = 0,25 với F tính bằng Newton mà tb = KU = 0,85 1,88.10 (Wb) KU = 1 2,21.10(Wb) KU = 1,1 2,43.10 (Wb) Kết quả tính được ta có d(mm) 0,05 1,05 2,05 3,05 4,05 5,05 6,05 7,05 σr 1,01 1,2 1,36 1,5 1,62 1,71 1,76 1,87 GδΣ.10-8 344 18 10 7,3 5,9 5,1 4,8 4,2 58348 134 36 16 8,9 5,6 4 2,9 δ1.10-4 1,61 1,34 1,16 1,07 0,99 0,93 0,89 0,86 δ2.10-4 1,89 1,57 1,36 1,25 1,16 1,09 1,04 1,01 δ3.10-4 2,08 1,72 1,5 1,37 1,27 1,2 1,14 1,11 Fdt1 59,9 33,2 21,7 14,9 10,6 7,8 6,4 5,2 Fdt2 82,5 45,6 29,7 20,3 14,5 10,6 8,7 6,9 Fdt3 99,9 54,8 36,2 24,4 17,4 12,9 10,4 8,3 Hình dưới đây ta chỉ vẽ đường cong biểu diễn lực hút điện từ ứng với Kumin= 0,85. Từ hình vẽ ta thấy đường cong lực hút điện từ không cắt đường đặc tính cơ nam châm điện đạt yêu cầu. Vì vậy ứng với Kumin= 1 và 1,1 thì nam châm điện cũng sẽ đạt yêu cầu. Chương V Tính và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang Vật liệu Như ở chương chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta đã chọn buồng dập hồ quang kiểu dàn dập. Nên sau đây ta sẽ chọn vật liệu làm buồng dập và các tấm dập Vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang Đối với vật liệu làm vỏ buổng dập hồ quang phải đảm bảo các yêu cầu sau Tính chịu nhiệt cao. Đảm bảo tính cách điện và chống ẩm. Nhám bề mặt bên trong thành buồng dập. Để đảm bảo các yêu cầu trên ta chọn vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang Ximăng Amiăng có Ký hiệu: OCT 8697-58 Vật liệu làm các tấm dập Thường được làm bằng thép ít cacbon, các tấm đúc bằng khuôn mạ một lớp đồng để bảo vệ chống rỉ Tính toán và kiểm nghiệm Chọn khoảng cách giữa các tấm dập là δt= 2,5 mm, bề dày của tấm dập là ∆t= 1 (mm). Giá trị biên độ của điện áp phục hồi theo công thức ( 3-26 TL1) Uphmax=Ungắtmax= Trong đó Udm: điện áp định mức của lưới Udm=440 V φ: góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp sin= 0,6 Ksd: hệ số sơ đồ, vì buồng dập hồ quang này tính cho mỗi một tiếp điểm chính nên Ksd= 0,865 Uphmax=Ungắtmax==205 (V) Tần số dao động riêng của mạch ngắt theo công thức ( 3-30 TL1) f0= Trong đó Pdm: công suất định mức của động cơ Pdm= A=15000 B=3000 Tốc độ tăng trung bình của điện áp phục hồi theo công thức ( 3-27 TL1) Trong đó Kbd: hệ số biên độ Kbd= Độ bền điện phục hồi Trong đó : độ bền điện phục hồi ban đầu ở thời điểm dòng điện xoay chiều qua trị số không == (72 + 0,72.δt ). với n=2 là số chỗ ngắt = Kt: tốc độ tăng độ bền phục hồi Kt= Với Ing: dòng điện ngắt Ing=3.Idm= 3.18 = 54 (A) T: nhiệt độ của tấm dàn dập T= (V/s) Kt= (V/s) Vậy Xác định số tấm dập theo quá trình không dao động của điện áp phục hồi theo công thức (3-54 TL1) Trong đó Kdm: hệ số định mức Với L: điện cảm mạch ngắt : điện áp hồ quang của một khoảng trống Vậy chọn ntd= 3 tấm Kiểm tra điều kiện xảy ra qua trình không dao động theo công thức (3-53 TL1) Mà ta có f0= 31421,55 do đo thỏa mãn điều kiện trên vậy quá trình không dao động. Số lượng tấm dàn dập là ndd= ntd+3 = 3 + 3 = 6 tấm Thời gian cháy của hồ quang thq= 0,01s Chiều dài nhỏ nhất của các tấm theo công thức (3-55 TL1) (cm) chọn lt= 0, 5 cm Chỗ mở của các tấm có hình chữ V. Các tấm cuối nối với tiếp điểm đóng ngắt. Chương VI Hoàn thiện kết cấu Mạch vòng dẫn điện Mach vòng dẫn điện chính Thanh dẫn động Có tiết diện hình chữ nhật. Được làm bằng vật liệu là đồng kéo nguội có ký hiệu ML-TB. Các kích thước là ađc= 10 mm, bđc= 1,2 mm. Thanh dẫn tĩnh Có tiết diện hình chữ nhật. Cũng được làm bằng vật liệu là đồng kéo nguội có ký hiệu ML-TB. Có các kích thước là atc= 10 mm, btc= 1,5 mm. Thanh dẫn tĩnh sẽ có hình dáng như sau để tận dụng lực điện động để tăng lực ép tiếp điểm. Thêm vào đó do điện áp giữa hai thanh dẫn tĩnh là 440 V nên các thanh dẫn tĩnh sẽ được đặt cách nhau 5 mm. Tiếp điểm Dạng bắc cầu, tiếp điểm hình trụ. Được làm bằng vật liệu là kim loại gốm (Bạc-Than chì-Niken) có ký hiệu là KMK.A32 Có các kích thước là đường kính dtđ= 8 mm, Chiều cao h tđ= 1,5 mm Đầu nối Bu lông 5 bằng thép không dẫn điện và có trụ đồng 5 Mạch vòng dẫn điện phụ Thanh dẫn động Có tiết diện hình chữ nhật. Được làm bằng vật liệu là đồng kéo nguội có ký hiệu ML-TB. Các kích thước là ađp= 6 mm, bđp= 0,8 mm. Thanh dẫn tĩnh Có tiết diện hình chữ nhật. Được làm bằng vật liệu là đồng kéo nguội có ký hiệu ML-TB. Có các kích thước là atp= 6 mm, btp= 1 mm. Tiếp điểm Dạng bắc cầu, tiếp điểm hình cầu. Được làm bằng vật liệu bạc. Có các kích thước là đường kính dtđ=5 mm, Chiều cao h tđ= 1,2 mm. Lò xo tiếp điểm, lò xo nhả Lò xo co dạng hình xoắn trụ,vật liệu chế tạo lò xo là Thép các bon GOTC9389-60 1. Lò xo tiếp điểm chính Đường kính dây lò xo dlxc= 0,44 mm. Đường kính lò xo Dlxc= 3,52 mm. Số vòng Wlxc= 11 vòng. 2. Lò xo tiếp điểm phụ Đường kính dây lò xo dlxp= 0,3 mm. Đường kính lò xo Dlxp= 2,4 mm. Số vòng Wlxp= 10 vòng. 3. Lò xo nhả Đường kính dây lò xo dlxnh= 0,5 mm. Đường kính lò xo Dlxnh = 5 mm. Số vòng Wlxnh = 19 vòng. Nam châm điện 1. Mạch từ Vật liệu làm mạch từ là Thép $31. Kích thước lõi a=b’ = 17 mm. Số lá thép kỹ thuật điện n= 34 tấm. Chiều dày một lá thép D = 0,5 mm. Kích thước hai mạch từ bên a’=a’’=11,5 mm. Chiều rộng cửa sổ mạch từ Ccs = 15 mm. Chiều cao cửa sổ mạch từ hcs=22 mm. Chiều cao nắp mạch từ hn= 10 mm. Chiều cao đáy mạch từ hđ= 8 mm. Tổng chiều cao mạch từ H= 40 mm. 2. Kích thước cuộn dây Chiều rộng cuộn dây bcd= 7 mm. Chiều cao cuộn dây hcd= 14 mm. Số vòng dây W = 4250 vòng. Đường kính dây d = 0,12 mm ( không kể cách điện) d = 0,14 mm (kể cách điện) Vòng ngắn mạch Hai vòng ngắn mạch đặt ở hai cực từ bên. Số vòng Wnm=1 vòng Bề dày của tiết diện vòng ngắn mạch ∆v=1,5 mm. Chiều cao của tiết diện vòng ngắn mạch h =2,93 mm. Chiều rộng của vồng ngắn mạch là d = 5,7 mm. Buồng dập hồ quang Vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang là Ximăng Amiăng có Ký hiệu: OCT 8697-58 Vật liệu làm các tấm dập là bằng thép ít cacbon, các tấm đúc bằng khuôn mạ một lớp đồng để bảo vệ chống rỉ Chiều dài nhỏ nhất của tấm dập lt= 0,5 (cm) Chọn khoảng cách giữa các tấm dập là δt= 2,5 mm, bề dày của tấm dập là ∆t= 1 (mm). Chỗ mở của các tấm có hình chữ . Vỏ và các chi tiết khác Vỏ làm bằng vật liệu nhựa cứng cách điện tốt. Đáy nam châm điện có đặt một giá đỡ để chống rung cơ khí trong quá trình đóng mở nắp nam châm điện. Ngoài ra CTT còn nhiều chi tiết phụ khác. Chương VII Ví dụ minh họa ứng dụng công tắc tơ trên Sơ đồ nguyên lý Đây là sơ đồ nguyên lý đóng cắt một động cơ có Uđm = 440 V~ và Iđm= 18 A với tải của động cơ là một băng truyền sản xuất thường xuyên phải đóng cắt. Để đóng cắt động cơ này ta dùng công tắc tơ đã thiết kế ở trên, ngoài ra còn dùng thêm một rơ le nhiệt để bảo vệ quả tải và cầu chì để bảo vệ ngắn mạch. Ngoài ra ta cũng dùng thêm mạch sau để kiểm tra hoạt động của động cơ Nguyên tắc hoạt động Mạch chính điều khiển động cơ Khi muốn khởi động băng tải thì ấn nút Đ, cuộn dây CD của công tắc có điện, các tiếp điểm chính K1, K2, K3 của công tắc tơ đóng lại, động cơ điện được cấp điện và sẽ quay. Đồng thời tiếp điểm phụ K0 của công tắc tơ đóng lại để duy trì điện cho cuộn dây khi thả nút ấn Đ ra, vừa có tác dụng bảo vệ điểm không tức ngăn ngừa tình trạng động cơ tự khởi động khi điện áp lưới phục hồi sau khi mất điẹn hoặc điện áp sụt quá thấp. Khi muốn dừng băng tải ấn nút N, cuộn dây của công tắc tơ mất điện, các tiếp điểm, các tiếp điểm K1, K2, K3 mở ra cắt điện vào cuộn dây, động cơ dừng lại, băng tải cũng dừng lại. Mạch kiểm tra Khi cấp điện cho động cơ thì tiếp điểm phụ thường mở của công tắc tơ đóng lại làm cho đèn đỏ bật sáng báo cho công nhân vận hành biết rằng động cơ đã hoạt động. Còn khi ngắt điện cấp vào động cơ thì tiếp điểm phụ thường đóng của động cơ sẽ đóng vào và đèn xanh bật sáng báo cho công nhân vận hành biết rằng động cơ đã ngừng hoạt động TàI LIệU THAM KHảO 1.Thiết kế khí cụ điện hạ áp Bộ môn máy điện – khí cụ điện, ĐHBK – Hà Nội 1987 2.Khí cụ điện, NXB KHKT 2004 TS Phạm Văn Chới TS Bùi Tín Hữu KS Nguyễn Tiến Tôn 3.Khí cụ điện hạ áp Bộ môn máy điện – khí cụ điện, ĐHBK – Hà Nội 1976 4.Phần tử tự động Nguyễn Tiến Tôn, Phạm Văn Chới, ĐHBK – Hà Nội 1984