Đồ án Thiết kế rơle trung gian xoay chiều

Lời nói đầu Điện năng là một nguồn năng lượng quan trọng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Nhu cầu sử dụng điện năng không ngừng gia tăng. Ngày nay cần có nhiều thiết bị điện hiện đại hơn, tinh vi hơn và dễ sử dụng hơn. Khí cụ điện là những thiết bị điện chuyên dùng để đóng ngắt, điều khiển, điều chỉnh, bảo vệ các lưới điện và các thiết bị sử dụng điện năng khác. Do đó khí cụ điện là loại thiết bị không thể thiếu được, khi sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng như trong đời sống. Khi công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu cuộc sống ngày càng đòi hỏi cao hơn, càng cần thiết phải có các khí cụ điện nhiều về số lượng, tốt về chất lượng và hoàn hảo hơn. Đặc biệt theo xu thế chung, các khí cụ điện hiện đại còn đòi hỏi phải có khả năng tự động hoá. Chính vì vai trò cần thiết của khí cụ điện nên việc nghiên cứu các phương pháp thiết kế, tính toán của khí cụ điện là một nhiệm vụ quan trọng không ngừng được hoàn thiện. Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị Điện - Khoa Điện, sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Bùi Tín Hữu khoảng thời gian 4 tháng em đã tiến hành thiết kế một loại khí cụ điện mà trong các mạch điều khiển không thể thiếu được. Đó là rơle trung gian xoay chiều. Do thời gian có hạn và còn thiếu kinh nghiệm trong thiết kế, hiểu biết thực tế còn ít nên trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em còn một số sai sót. Em kính mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo và giúp đỡ của các thầy cô giáo và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện Nguyễn công Luận Phần I : Chọn phương án dạng kết cấu. I. Giới thiệu chung về rơle * Rơle trung gian xoay chiều có nhiều loại được sử dụng ở nước ta, do nhiều hãng của nhiều nước sản xuất như: Nga; Đức (SIEMENS); Pháp; Nhật (OMRON, FUJI, NATIONAL); Hàn Quốc (SUNGHO, LG)… Tuy có hình dáng, kích thước cụ thể có khác nhau, nhưng về nguyên lý cấu tạo và các thông số cơ bản đều như nhau. Dựa vào những ưu điểm và dạng kết cấu của các hãng sản xuất, ta chọn dạng kết cấu của rơle như sau: II. Hệ thống tiếp điểm. Tiếp điểm gồm có tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm có dạng hình trụ cầu, tiếp xúc theo hình thức tiếp xúc điểm được gắn lên thanh dẫn theo kiểu bắc cầu. Các tiếp điểm chuyển động theo lực hút điện từ thông qua cần chuyển động điều chỉnh khoảng cách giữa khe hở tiếp điểm chính khoảng cách giữa khe tiếp điểm dễ dàng qua việc điều chỉnh khe hở không khí làm việc của nam chân điện. III. Chọn nam châm điện + Nam châm điện đóng vai trò cơ cấu chuyển động trong rơle, nó quyết định tính năng làm việc và kích thước của Rơle Yêu cầu thiết kế rơ le trung gian với: U = 220V, Iđm = 5A, f = 50 Hz Ta chọn nam chân điện xoay chiều, mạch từ hình chữ U khiểu hút chập và có một khe hở kỹ thuật điện, có một cuộn dây điều khiển và một lò xo nhả chung cho cả nấp hút nam châm điện , không có dây dẫn mềm. Thanh dẫn động cũng chính là lò xo ép tiếp điểm. + Dạng chữ U kiểu hút chập, xét trên thực tế đối với rơle xoay chiều có dòng định mức nhỏ, lực hút điện từ không lớn lắm thường chọn mạch từ kiểu này, đặc tính lực hút gần với đặc tính phản lực, đó mở của tiếp điểm khác với khe hở làm việc đồng thời đơn giản trong tính toán cũng như trong chế tạo… Kết cấu sơ bộ: Hình 1 1. Nắp mạch từ 2. Lõi 3. Cuộn dây nam châm điện 4. Tiếp điểm động và thanh dẫn động 5. Tiếp điểm tĩnh và thanh dẫn tĩnh 6. Cơ cấu truyền động 7. Cần truyền động 8. Lò xo nhả 9. Vòng ngắn mạch 10. ổ trượt của cần truyền động. Nguyên lý làm việc. * Tiếp điểm thường mở khi chưa có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở trạng thái mở (ngắn mạch). Hình 2 * Tiếp điểm thường đóng khi không có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở trạng thái đóng (đóng mạch). Hình 3 Khi đặt điện áp nguồn Unguồn lên cuộn dây của nam châm điện trong cuộn dây sinh ra từ thông f khép mạch qua mạch từ của nam châm điệm và qua khe hở không khí d (khe hở lam việc). Từ thông fd sinh ra lực hút điện từ Fđt tác động lên nắp từ và hút nắp xuống. Nắp chuyển động khi Fđt > Fnhả sẽ làm toàn bộ phần động chuyển động và lúc đó các tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại (các tiếp điểm thường đóng sẽ mở ra). Khi cắt nguồn Fđt = 0 nắp bị nhả ro do Fnhả; các tiếp điểm sẽ trở lại trạng thái ban đầu. IV. Khoảng cách cách điện. Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện đóng một vai trò khá quan trọng. Nó ảnh hưởng tới kích thước của khí cụ điện và độ tin cậy khi vận hành. Vì vậy việc xác định hợp lý đại lượng này có một ý nghĩa không nhỏ. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố như: điện áp, môi trường làm việc… Việc xác định các khoảng cách cách điện trong khí cụ điện hạ áp thường chọn theo kinh nghiệm. a. Điện áp định mức theo cách điện. Với khí cụ điện điều khiển và phần phối năng lượng hạ áp (Uđm = 220V), tồn tại các tiêu chuẩn, quy định về độ bền cách điện theo điện áp định mức. ở trạng thái khô và sạch của khí cụ điện, nó phải chịu được điện áp thử tần số là 50Hz, thời gian thử một phút. Theo bảng (1 - 1)/ 13 tài liệu 1, ta có. + Điện áp thử nghiệm U = 220V + Điện áp định mức của cách điện: Ucđ = 220V b. Khoảng cách điện giữa các phần tử dẫn điện. Muốn khí cụ điện có độ tin cậy cao thì cần khoảng cách cách điện lớn. Song như vậy lại tăng kích thước và khối lượng của thiết bị. Vì vậy nên chọn theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệp điện lực cho các loại khí cụ điện hạ áp thông dụng. ở đây ta xét ở điện áp Uđm = 220 V theo bảng ( 1-2)/14 tài liệu 1 ta chọn khí cụ điện trong mạch điều khiển và tín hiệu, ứng với nó có khoảng cách điện giữa các phần tử dẫn điện, cụ thể là khoảng cách cách điện giữa các thanh dẫn. lcđ = 10mm Hình 4 Phần II : Tính toán mạch vòng dẫn điện. Mạch vòng dẫn điện là bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thước hợp thành. Mạch vòng dẫn điện của rơle bao gồm các bộ phận sau: - Thanh dẫn: Thanh dẫn động và tĩnh. - Đầu nối - Hệ thống tiếp điểm: + Giá đỡ tiếp điểm + Tiếp điển động + Tiếp điểm tĩnh I. Thanh dẫn. 1. Xác định kích thước thanh dẫn động. a. Chọn vật liệu. Thanh dẫn đồng cũng đồng thời là lò xo lá dùng để ép tiếp điểm, các tiếp điểm được gắn trên các thanh dẫn. Vật liệu làm thanh dẫn bằng đồng phốt pho bằng cứng, có đặc điểm là vừa dẫn điện tốt vừa có tính đàn hồi cao, thanh dẫn có tiết diện hình chữ nhật, có các thông số kỹ thuật sau (tra bảng của tài liệu 1). Ký hiệu: : Nhiệt độ nóng chảy : 10830C Điện trở suất ở 200C : r = 0,0177.10-6 (xW cm) Hệ số nhiệt điện trở : a = 0,0043 (1/0C) Độ dẫn điện : l = 393 W/mdeg Nhiệt dung riêng : Cp = 386J/kgdeg Nhiệt lượng nóng chảy : 50,6 J/g Nhiệt lượng bay hơi : 770,0 J/g Modul đàn hồi : E = 100.103N/mm2 Modul trượt : Et = 42.103N/mm2 Độ cứng : HB = 91 kg/mm2 ứng suất uốn cho phép : su = 186 N/mm2 Giới hạn đàn hồi : sK = 550 N/mm2 Giới hạn đàn hồi : sth = 320 N/mm2 Hệ số nở dài : 17,7.10-6 1/0C Tỷ trọng : g = 8,9kg/dm3 Nhiệt độ ổn định : [q] = 950C b. Kết cấu của thanh dẫn động. a b Hình 5 Tiết diện và kích thước các cạnh a,b của các chi tiết thanh dẫn hình chữ nhật được xác định theo công thức (2 - 5)/19 tài liệu 1. Trong đó: n = = 5 á 12: Hệ số hình dáng. Chọn n = 12 Iđm = 5A Kf = Kbm . Kg = 1,03 á 1,06 : là hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần. Chọn Kf = 1,06 KT: hệ số toả nhiệt không khí theo bảng (6 -5)/300 tài liệu 1 Chọn KT = 9.10-6 [W] mm2 0C tôđ : Độ tăng nhiệt độ ổn định tôđ = [q] - q0 = 950C - 400C = 550C Điện trở suất của đồng phốt pho ở nhiệt độ ổn đinh: qôđ = 950C. rq = r20 [1+ a (qôđ - q20)] = 0,0177 . 10-3 [ 1 + 0,0043 . 75] = 0,0234 . 10-3 ( Wmm) Vậy: Suy ra: a = n . b = 12 . 0,16 = 1,92 mm - Mặt khác ta đã chọn với rơle loại này thì thanh dẫn động cũng chính là lò xo ép tiếp điểm dạng tấm phẳng và kết hợp chọn theo đường kính tiếp điểm và đảm bảo độ bền cơ ứng với dòng điện: Iđm = 5A Theo bảng (2 - 15) / 51 tài liệu 1 + Đường kính tiếp điểm: dtđ = 3 (mm) Ta chọn: b = 0,4 (mm) a = 5 (mm) a, b là chiều rộng và bề dày thanh đẫn động. + Tiết diện thanh dẫn động: Stđ = a . b = 5 . 0,4 = 2 mm2 + Mật độ dòng điện qua thanh dẫn. Jtđ = = 2,5 A/mm2 Với [Jcp ] = 1,5 á 4 A/mm2 * Ta nhận thấy mật độ dòng qua thanh dẫn thoả mãn điều kiện. - Tính toán nhiệt độ thanh dẫn. Theo công thức: (2 - 4)/18 tài liệu 1, ta có: qôd = qtd = Với: * S = 2m2: là tiết diện thanh dẫn * p = 2 (a + b) = 2 (5 + 0,4) = 10,8mm là chu vi thanh dẫn. = 0,0163 . 10-3 ( Wmm) 2. Tính toán thanh dẫn động ở chế độ ngắn mạch. Theo công thức ( 6 - 11)/ 321 tài liệu 1 ta có: = Anm - Ađ = Abn - Ađ Suy ra: Inm = Ibn = Std . Với: Inm = Ibn: là dòng ngắn mạch - dòng điện bền nhiệt. Abn = Anm: là giá trị hằng số tích phân bền nhiệt và ứng với nhiệt độ ban đầu. Tra đồ thị hình ( 6 - 5)/ 313 tài liệu 1: Với qbn của đồng phốt pho cho phép bằng 3000 thì: Abn = 3,75 . 104 (/A2S/mm4) qôđ = 950 thì Ađ = 1,6 . 104 (/A2S/mm4) Suy ra: Ibn = 2. * Với các giá trị thời gian khác nhau ta có các giá trị dòng điện và mật độ dòng điện tính toán tương ứng. + tbn = 3s đ Ibn = 200 = 169,3 (A) đ Ibn = = 84,7 (A) + tbn = 4s đ Ibn = 200 = 146,3 (A) đ Ibn = = 73,15 (A/mm2) + tbn = 10s đ Ibn = 200 = 92,74(A) đ Ibn = = 46,4 (A/mm2) Theo bảng (6-7)/305 tài liệu 1 ta có các giá trị mật độ dòng điện cho phép đối với đồng ứng với các thời gian trên: 3sec đ [Jbn] = 94 (A/mm2) 4 sec đ [Jbn] = 82 (A/mm2) 10sec đ [Jbn] = 51 (A/mm2) Vậy ta có bảng so sánh mật độ dòng điện như sau: Tbn (s) 3 4 10 [Jbn] (A/mm2) 94 82 51 Jbhtính (A/mm2) 84,7 73,15 46,4 Ta nhận thấy Jbn < [Jbn]cp. Như vậy có thể bảo đảm được giá trị dòng điện ngắn mạch cho phép. 3. Thanh dẫn tĩnh. Để đảm bảo độ dày bắt vít nối và mật độ dòng điện nằm trong khoảng cho phép ta chọn kích thích thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động. Ta chọn: b = 1mm A = 6mm Suy ra: Stdt = a . b = 6.1 = 6mm2 II. Tính toán vít đầu nối. Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện. Đầu nối có thể chia làm hai phần. + Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài. + Và các mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. Ta chọn kết cấu vít đầu nối có đạng mối nối tháo rời được vằng vít. Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức. Stx = a. b = Đối với thanh dẫn và chi tiết bằng đồng, mật độ dòng điện J có thể lấy bằng 0,31 A/mm2 ứng với dòng điện xoay chiều tần số f = 50Hz dòng định mức nhỏ hơn 200A ( theo tài liệu 1 trang 31) Suy ra: Stx = = 16,13 (mm2) Kích thước và số lượng của chi tiết dùng để nối được tính theo số liệu thực nghiệm trong bảng ( 2 = 9)/32 tài liệu1. Với dòng điện Iđm = 5A thì kích thước của vít lò: - Đường kính ren hẹ mét. + Bulông thép: M3 x 18 + Trụ lõi dẫn điện có ren bằng đồng thau: M3 x 18, mối nối tháo rời được. - Lực ép của mối nối tính theo công thức Ftx = ftt . Stx Trong đó: ftt = 100 á 150 (kg/cm2) : lực ép riêng. Chọn ftx = 100 kg/cm2 Suy ra: Ftx = 100. 16,13 . 10-2 = 16,13kg = 161,3 N - Điện trở tiếp xúc của mối nối không bị phát nóng xác định theo công thức dựa vào kết quả thực nghiệm (2 - 25)/59 tài liệu 1. Rtx = - m = 0,7 (tiếp xúc mặt) - Ktx = 3,04 .10-3: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm giữa (đồng thau - thép) Suy ra: Rtx = = 0,43.10-3 W - Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc. Utx = Iđm . Rtx = 5. 0,43 . 10-3 Vậy Utx đã nằm trong khoảng cho phép là [Utx] = 2 á 30 mV. III. Xác định kích thước tiếp điểm. 1. Chọn vật liệu tiếp điểm. Với dòng điện Idm = 5A, theo bảng (2 - 13)/44 tài liệu 1. Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc kéo nguội với các thông số kỹ thuật sau: Ký hiệu : CP 999 Tỷ trọng : g = 10,5 g/dm3 Nhiệt độ nóng chảy : qnc = 9610C Độ dẫn điện : l = 4,16 w/cm0C Hệ số nhiệt điện trở : 4.10-3 1/0C Điện trở suất ở 200C : r20 = 1,59.10-6 (Wcm) Độ cứng : HB = (30 - 60) kg/mm2 - Kích thước tiếp điểm phụ thuộc vào giá trị của dòng điện định mức. Kết cấu hệ thống tiếp điểm và tần số ngắt của dòng điện. Chọn kích thước tiếp điểm là hình trụ cầu, theo bảng (2 - 15)/51 tài liệu 1. Với Iđm = 5A ta chọn. Đường kính tiếp điểm: d = 3mm Chiều cao tiếp điểm: h = 1,2 mm h d Hình 6 Tiếp điểm động và tĩnh có dạng như nhau Vì tiếp điểm có dạng hình trụ cầu nên khi tiếp xúc có dạng tiếp xúc điểm. 2. Lực ép tiếp điểm. a. Tính theo lý thuyết. Theo công thức (2 - 14) / 53 tài liệu 1 Ftđ = - Ftđ = n. Ftđ1 Vì tiếp xúc cả hai tiếp điểm là tiếp xúc điểm nên n = 1 Suy ra: Ftđ = Ftđ1 Iđm = 5A HB = 91 (kg/mm2): độ cứng vickét của đồng l = 4,16 (W/cm0C): hệ số dẫn nhiệt A = 2,42.10-8 V2/0C2 : hằng số loren Ftđ1 : gọi là lực nén tại một điểm tiếp xúc Ttd : nhiệt độ thanh dẫn nối tiếp xúc Ftx = Ttđ + DT: nhiệt độ tiếp xúc Với DT = ( 5 á 10)0K Chọn DT = 80K Suy ra: Ttx = Ttd + 80K = (qtd + 273) + 80K = ( 43 + 273) + 8 = 3240K Suy ra: Ftđ = = 0,002 (N) b. Tính lực Ftd theo công thức thực nghiệm. Theo công thức (2 - 17)/56 Tài liệu 1. Ftđ = ftđ . Iđm Với rơle điện từ trung gian xoay chiều có dòng điện định mức: Iđm = 5A và vật liệu tiếp điểm là bạc kéo nguội nên ta có: ftđ = 5 á 10 (G/A) Chọn ftđ = 7 (G/A) Suy ra: Ftđ = 7.5 = 35G = 0,35 (N) * So sánh hai kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm ta có. Ftđ = 0,35 (N) 3. Tính điện trở tiếp xúc Rtx - Theo công thức lý thuyết: Rtx = Với rĐ = r20 [1+ a (q - 20)] = 1,59 . 10-6 [1 + 4.10-3 (95 - 20)] = 2,067 .10-6 (Wcm) Suy ra: Rtx = = 0,76.10-3 (W) - Theo công thức thực nghiệm: Rtx = Trong đó: - Ktx = 0,06 . 10-3, chọn theo bảng giữa bạc - bạc trang 59 tài liệu 1. - m = 0,5: hệ số dạng bề mặt là tiếp xúc điểm. - Ftđ = 0,35 (N) Suy ra: Rtx = = 0,32 . 10-3 (W) * So sánh giữa hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm ta lấy giá trị. Rtx = 0,76 . 10-3 (W) 4. Tính điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm. Theo công thức (2 - 27)/62 tài liệu 1 Utx = I . Rtx (V) = 5 . 0,76 . 10-3 = 3,8 .10-3 V * So sánh với tiêu chuẩn: [Utx] = 2 á 30mV; Ta thấy Utx tính được đã thoả mãn yêu cầu cho phép 5. Tính nhiệt độ tiếp điểm. Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng thanh dẫn, ta tính nhiệt độ tiếp điểm theo công thức (2 - 11)/ 52 tài liệu 1 qtđ = qmt + Với: Stđ = = 7,07 mm2 ptđ = p. dtđ = 3,14 . 3 = 9,42 mm KT = 9. 10-6 (W/mm2 0C): hệ số toả nhiệt khống chế l = 0,416 (W/mm0C) Rtx = 0,76 . 10-3 (W) Suy ra: qtđ = 40 + = 410C Theo công thức ( 2 -12)/ 52 tài liệu 1 qtx = qtđ + = 620C * Như vậy: qtx < [q]cp = 950C là nhiệt độ cho phép đối với thanh dẫn cũng như tiếp điểm. 6. Tính dòng điện hàn dính. - Theo công thức lý thuyết ( 2 - 23) / 66 tài liệu 1 ta có: Ihdbđ = A . Trong đó: fnc = 2 á 4: Hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát nóng: chọn fnc = 2 A: là hằng số với từng loại vật liệu tiếp điểm, được tính theo công thức ( 2 - 43) trang 66 tài liệu 1. A = Với = 0,0147 .10-3 ( Wmm) qnc = 9610C Suy ra: A = = 1720 Suy ra: Ihđ = 1720 . = 455,1 (A) So với yêu cầu kỹ thuật . Inm = 10. Iđm = 10. 5 =50 (A) * Như vậy không thể hàn dính được tiếp điểm khi ngắn mạch. - Tính theo công thức thực nghiệm. ( 2 - 36)/67 tài liệu 1 Ihdbđ = Khđ . (A) Trong đó: Ftđ = 0,035 kg Khđ = 300 (A/kg): hệ số hàn dính xác định theo bảng (2-19)/67 tài liệu 1. Suy ra: Ihdbđ = 900 . = 168,4 (A) * Như vậy với dòng điện ngắn mạch Inm =50A không thể hàn dính tiếp điểm. 7. Tính độ mở và độ lún của tiếp điểm a. Độ mở. Độ mở m của tiếp điểm là 1 khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí ngắt của rơ le. Phải chọn độ mở cần thiết để đảm bảo dập tắt hồ quang nhưng kích thước và khối lượng của cơ cấu truyền động đạt được tiêu chuẩn tối ưu Theo kinh nghiệm: Với dòng điện: Iđm = 5 (A) Điện áp: Uđm = 220 (V) Ta chọn độ mở m = 4 (mm) b. Độ lún. Độ lún l của tiếp điểm là quãng được đi được thêm của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại. Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép tiếp điểm mà trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn, nhưng vẫn đảm bảo tiếp xúc tốt. Độ lún l được tính theo công thức: l = A + B . Iđm Ta chọn theo kinh nghiệm: A = 1,5 (mm) B = 0,02 (mm) đ l = 1,5 + 0,02 . 5 = 1,6 ( mm) 8. Tính độ rung tiếp điểm. + Ta tính biên độ rung theo công thức (2 - 39)/72 tài liệu 1. Với tiếp điểm là hình trụ cầu. Xm1 = Trong đó: - Ftđ đ = ( 0,4 á 0,7) Ftđc = 0,6 . 0,035 = 0,021 kg Là lực ép tiếp điểm ban đầu tại thời điểm va đập. - mđ = (KG.S2/m): khối lượng nắp - Gđ = mc . Iđm ( KG) Theo bảng (2 - 17)/55 tài liệu 1 ta có: Mc = 7.10-3 (KG/A): khối lượng đơn vị đ Gđ = 7 . 10-3 . 5 = 35.10-3 KG Vậy: mđ = (KG.S2/m) - Vđo : Vận tốc tại thời điểm va đập Chọn Vđo = 0,1 (m/s) - KV = 0,85 á 0,9 Chọn KV = 0,85: hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu Suy ra: Xm1 = = 0,1275 (mm) Vì số tiếp điểm thường mở cửa rơle là 5 nên ta có độ rung tổng: Xmồ = = 0,0255 (mm) + Thời gian rung của tiếp điểm theo công thức (2-40)/72 tài liệu 1 tm = = = 2,63 (ms) Thời gian cả 5 cặp tiếp điểm rung, sơ bộ được xác định theo công thức (2 - 47)/74 tài liệu 1. tmồ = ( 1,5 á 1,8) . 2 tm = 1,5 . 2 . 2,63 = 7,9 (ms) 9. Tính toán sự ăn mòn của tiếp điểm. Sự ăn mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng ngắt mạch điện và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. + Điều kiện làm việc + Kết cấu của khí cụ điện Theo công thức (2 - 54)/79 tài liệu 1 Trong đó: - Kđ, Kng: Hệ số mòn khi đóng và khi ngắt cho trong hình (2 - 16)/79 tài liệu 1. Kđ = Kng = 0,5 (g/A2) Kkđ = 1,1: hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn. Iđ = . Iđm = 5 (A) Ing =5Iđm =25 (A) g, gng: khối lượng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt. Suy ra: gđ + gng = 10-9 ( 0,5 . 252 + 0,5 . 52). 1,1 = 357,5 . 10-9 (g) Như vậy khối lượng mòn của một lần đóng ngắt là: 357,5 . 10-9 (g) Vậy sau106 lần đóng ngắt thì tiếp điểm mòn: 357,5 . 10-9 .106 = 357,5 . 10-3 (g) + Thể tích của tiếp điểm: Vtđ = Stđ . h = = = 8,478 mm3 + Thể tích bị mòn của tiếp điểm: Vmòn = = 3,405 (dm3) = 3,405 (mm3) Với: g = 10,5 kg/dm3: trọng lượng riêng của bạc kéo nguội Mhm = 357,5 . 10-3 (g): khối lượng hao mòn của tiếp điểm. - Độ hao mòn của tiếp điểm được tính theo % = 40,2% Phần III: Tính toán và dựng đường đặc tính cơ Khi nghiên cứu chuyển động của các cơ cấu khí cụ điện, cần phải khảo sát hai quá trình khác biệt nhau là quá trình đóng và quá trình cắt của chúng. Trong quá trình đóng khí cụ điện, lực chuyển động phải thắng được lực cản trở chuyển động, trong đó có cả lực cản có ích (lực ép tiếp điểm ). Yêu cầu cơ bản của cơ cấu khí cụ điện là : + Cơ cấu phải đảm bảo trị số cần thiết của các thông số động lực học của cơ cấu chấp hành ( hành trình, góc quay, độ lún, độ mở) + Lực chuyển động của các cơ cấu đảm bảo việc đóng cắt của cơ cấu chấp hành + Tốc độ của cơ cấu chấp hành cần đảm bảo, khi đóng mạch, tốc độ chuyển động của tiếp điểm phải đủ lớn để giảm nhỏ thời gian cháy hồ quang và tốc độ không lớn tránh va đập, rung động. + Phải đảm bảo thời gian tác động. I. Lập sơ đồ động. Công dụng của sơ đồ động là cho ta biết sơ bộ một cách rõ ràng và chính xác về sự truyền và biến đổi chuyển động của các khâu trong cơ cấu, của các vị trí đặc trưng nhất của chu trình chuyển động. Đó là hai vị trí đóng và vị trí ngắt. Các số liệu đặc trưng của sơ đồ động : + Độ lớn hành trình hoặc góc quay của các khâu chủ động và bị động. + Chiều dài các tay đòn, tỉ số truyền. + Đặt và định hướng các véctơ lực hay mômen lực. Ta phân tích lực của sơ đồ động ở hai trạng thái : d = 0 và d ạ 0 hay d = m+1 Khi khe hở d = 0, trạng thái nam châm hút nắp Sơ đồ động cho ta biết sự truyền động và biến đổi khớp, các khâu cơ cấu. Ftđc + F lxnc F đt + G đ l đt llx Hình 7 Với : Flxnhc : Lực ép lò xo nhả cuối. Ftđc : Lực tiếp điểm cuối thường mở. Fđt : Lực điện từ . Gđ : Trọng lượng nắp. - Khi khe hở không khí d ạ 0 (d = m+1) Hình 8 II. Tính toán lò xo và trọng lượng phần động. 1. Tính trọng lượng phần động. Theo phần II. III.8 ta có: Gđ = mc . Iđm = 7. 10-3. 5 = 35. 10-3 KG. = 0,35 N. 2. Lò xo tiếp điểm : a. Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động của rơle nên ta chọn vật liệu làm lò xo là đồng phốt pho, lò xo có dạng tấm phẳng. Loại lò xo này có điện trở suất nhỏ, dẫn điện và tản nhiệt tốt, độ bền cơ cao và dễ gia công. Các thông số kỹ thuật của đồng phốt pho: K‎ý hiệu: Độ bền giới hạn khi kéo: sk = 550N/mm2. Giới hạn đàn hồi: sd = 320 N/mm2. Giới hạn mỏi cho phép khi uốn: su = 186 N/mm2. Modul đàn hồi: E = 100. 103N/mm2. Modul trượt: Et = 42 . 103 N/mm2. Điện trở suất: r20 = 0,0177 . 10-6 Wm. b. Tính toán. - Với rơle này có 5 lò xo tiếp điểm thường đóng và 5 lò xo tiếp điểm thường mở (Tiếp điểm kiểu bắc cầu). + Lực ép tiếp điểm cuối của lò xo (sau khi nắp bị hút). Ftđc = 5.2Ftđ1 =10. 0,35 = 3,5N Với Ftđ1 = 0,35 N; đã tính. + Lực ép tiếp điểm ban đầu của lò xo : Ftđđ = 0; do lò xo tiếp điểm ban đầu không bị uốn cong bởi một lực ép khác. Xác định kích thước của lò xo. Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động, tiếp điểm kiểu bắc cầu. b ltđ a Hình 9 Chiều dài của lò xo từ chỗ lắp chặt được tính theo công thức (4-20) trang 168, TL1 : = 71mm. Vậy chiều dài mỗi bên của lò xo là: l = = 35,5 mm. Độ võng của lò xo được xác định theo công thức (4-21)/169 tài liệu 1. = 1,63 (mm). Vậy f ³ l1 = 1,6 là độ lún tiếp điểm nên chiều dài lò xo l = 35,5 (mm) là thích hợp. + Độ cứng của lò xo là lực do lò xo gây ra ở độ võng khoảng 1mm. j = = 0,215 (N/mm). * Tính toán kiểm tra lại: Theo công thức (4-25)/169 tài liệu 1. su = Với: M = = 0,133 mm3. là mô men chống uốn. So sánh giữa su tính toán và [su]cp cho phép ta thấy. su < [su]cp = 186 N/mm2. Vậy lò xo tiếp điểm đã thiết kế làm việc bình thường. 3. Tính lò xo nhả : a. Chọn vật liệu : Ta chọn vật liệu làm lò xo nhả là thép Cácbon có độ bền cơ cao. Lò xo kiểu hình xoắn trụ, chịu nén tốt, có các thông số sau: Ký hiệu : I(B) Độ bền kéo giới hạn sk = 2650(N/mm2) . Giới hạn mỏi cho phép khi uốn. su = 930 N/mm2. Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn sx = 580 N/mm2. Modul đàn hồi E = 200. 103N/mm2. Mudul trượt: Et = 80. 103 N/mm2. Điện trở suất r = (0,19 á 0,22) . 10-6 Wm. b. Tính toán Theo kết cấu của rơle ta tính lực lò xo nhả theo công thức: + Fnhđ = Kdt (Ftđc + Gđ + Fms). Với Kđt = 1,2: hệ số dự trữ. Ftđc = 3,5N. Gđ = 0,35 N. Fms = 0. Suy ra: Fnhđ = 1,2 (3,5 + 0,35) = 4,62 (N). + Theo kinh nghiệm: Fnhc = (11,5 á 2) Fnhđ. = 1,5 . 4,62 = 6,93 (N). - Đường kính d của dây thép quấn lò xo theo công thức (4-31)/173 tài liệu 1. Trong đó : K = 1,14 : hệ số xét tới độ cong của lò xo. C : Chỉ số của lò xo. c = (4 á 10). Chọn ị Suy ra: D = C.d = 10 . 0,6 = 6 mm. + Số vòng dây của lò xo được xác định theo công thức (4-32) trang 173, tài liệu 1. Trong đó : G = 80.103 N/mm2 : Môđun trượt. f' = m + l1 = 4 + 1,6 = 5,6 mm : Khoảng lún của lò xo. d = 0,6 mm C = 10. Suy ra: = 5 vòng. Số vòng toàn bộ của lò xo : W0 = W + 1 = 6 vòng. + Bước chịu nén của lò xo. Theo (4-33) trang 173, tài liệu 1 : - Chiều dài tự do của lò xo. Theo (4-34) tài liệu 1. l0 = W0. tn + 1,5d = 6 . 1,53 + 1,5 . 0,6 = 10,08 (mm). + Chuyển vị lớn nhất của lò xo kể từ khi chưa chịu tải tới khi chịu tải lớn nhất : Theo (19-3) tài liệu 2 + Bước lò xo khi chưa chịu tải theo công thức : Theo công thức (19-12) tài liệu 3 (Chi tiết máy). + Độ cứng của lò xo j là lực do lò xo sinh ra khi bị kéo hoặc nén 1 khoảng 1mm : = 1 N/mm. * Tính toán kiểm tra lại : Tính trị số ứng suất xoắn của lò xo khi có lực theo công thức ( 4-28) tài liệu 1. Ta xét thấy sx < [sx]cp = 580 N/mm2. Vậy lò xo có thể làm việc tốt. III. Dựng đặc tính cơ : Do rơle này với nam châm điện kiểu hút chập vì thế điểm đặt của lực điện từ khác điểm đặt của các phản lực cho nên ta phải qui đổi các phản lực về điểm đặt của Fđt. Theo công thức (4-1)/148 tài liệu 1. Fqđ = F . Kqđ. Trong đó: Kqđ = Theo kết cấu ta chọn thì llx = lđt. ị Kqđ = 1 ị Fqđ = F. Vậy ta có các bước qui đổi: + Lực ép tiếp điểm: Ftđc = 3,5 (N) Ftđđ = 0 + Lực lò xo nhả. Fnhđ = 4,62 (N) Fnhc = 6,93 (N). + Trọng lượng phần động: Gđ = 0,35 (N) + Khe hở không khí làm việc của nam châm điện dmax = l1 + m = 1,6 + 4 = 5,6 (mm). Phần IV: Tính toán nam châm điện xoay chiều I. Khái niệm chung. Nam châm điện sử dụng đặc biệt chủ yếu trong cơ cấu điện từ, là bộ phận sinh ra lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến, chuyển động quay hữu hạn của cơ cấu chấp hành, hoặc sinh ra các lực hãm…Các quá trình xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp. Vì vậy cho tới nay việc tính toán nam châm điện thường được dựa theo các công thức đơn giản , gần đúng rồi kiểm nghiệm lại theo các công thức lý thuyết dẫn tới bài toán tối ưu. Hiện nay với việc phát triển công nghệ máy tính, người ta đã lập được các phương trình tính nam châm điện bằng phương pháp phân tử hữu hạn nhanh. Trong rơle, nam châm điện là bộ phận chủ yếu là cơ quan sinh lực để thực hiện chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm. - Nguyên lý hoạt động của nam châm điện: khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra lực điện từ Fđt hút nắp (phần ứng) về phía thân mạch từ, khi ngắt dòng điện thì lực điện từ sẽ không còn, đồng thời nắp sẽ tách ra khỏi thân nhờ lực lò xo nhả Fnhả sinh ra. Đặc điểm của nam châm điện. - Nam châm điện kiểu kín, chịu rung và va đập - Làm việc ở chế độ dài hạn và ngắn hạn - Đặc tính phản lực cơ đã biết ở phần III - Nguồn điện áp xoay chiều: Uđm = 220V Có công suất: S = const. Nhiệt độ đối với rơle: qmt = 400C II. Tính chọn sơ bộ nam châm điện. hc hn a1 a2 C B H 1. Chọn dạng kết cấu. Hình 12 Nam châm điện có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây, sự khác nhau về dạng kết cấu dẫn đến sự khác nhau về đặc tính lực hút điện từ Fđt và công nghệ chế tạo. Cuộn dây đặt trên mạch từ. Vòng ngắn mạch đặt phía cực từ có cuộn dây. Nếu căn cứ vào hệ số kết cấu để chọn dạng kết cấu tối ưu, theo công thức (5 - 2) tài liệu 1. Kkc = (N0,5/m) Trong đó: Fđt: lực hút điện từ d: Khe hở không khí tại điểm tới hạn. * Xét trên đường đặc tính phản lực ta xác định ở phần III thấy rằng. Rơle làm việc khi: - Khi hút: Fđt > Fcơ - Khi nhả: Fđt < Fcơ Ta có lực điện từ tại điểm tới hạn. Fđtth = Kdt . Fcơ th Với: Fdt = 1,2: hệ số dự trữ Fcơ th = 5,62 (N) Suy ra: Fđtth = 1,2 . 5,62 = 6,744 (N) dth = 4.10-3m Suy ra: Kkc = = 918 (N0,5/m) * Với giá trị tìm được của Kkc, ta tham khảo bảng (5 - 2) tài liệu 1 ta thấy: Kkc ẻ (630 á 63000) (N0,5/m) Vậy dạng kết cấu của nam chân điện chọn là thích hợp. 2. Chọn vật liệu của nam châm điện. Mạch từ của nam châm điện xoay chiều được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện silic cho trong bảng (5 - 2)/ 193 tài liệu 1, có các thông số kỹ thuật sau: Kí hiệu : ' 31 Độ dày lá thép : D = 0,5 mm Lực từ phản kháng : HC = 0,32 á 0,4A/cm Từ cảm bão hoà : Bd = 2T Độ từ thẩm : m = 250 Độ từ cảm cực đại : mmax = (6 á 7) . 1000 Từ cảm lõi thép : Bmax = 10,8 á 1,2) T Khối lượng riêng : g = 7,65/cm3 Điện trở suất : r = (140 á 60).10-8 ( Wm) 3. Chọn cường độ từ cảm và hệ số từ rò, hệ số từ tản tại khe hở dth = 4mm a. Chọn độ từ cảm. Bmax = (0,8 á 1,2) T; chọn Bmax = 1,03T Bdth = (0,4 á 0,6)T; Chọn Bdth = 0,45T b. Hệ số từ rò: ở trạng thái phản ứng hở, hệ số từ rò srò phụ thuộc rất lớn vào khe hở không khí làm việc sr = 1,1 á 1,8; chọn sr = 1,4 c. Chọn hệ số từ tản. Dựa trên kết cấu của nam chân điện, hệ số từ tản trong khoảng: st = (1 á 1,8); chọn st = 1,3 4. Xác định kích thước chủ yếu và các thông số của nam chân điện. a. Xác định tiết diện lõi thép. Nam châm điện hình chữ U nên S1 = S1= S: là tiết diện lõi thép Lực từ chỉ tác động phía bên cực từ dây quấn do đó: Fđtth = Fđt = 6,744 (N) Theo công thức (5 - 8)/204 tài liệu 1 S = = 167,4 mm2 Gọi kích thước các cạnh của lõi thép là a và b Với mạch từ ép từ các lá thép kỹ thuật điện ta có quan hệ tối ưu của các cạnh của tiết diện hình chữ nhật: = 1 Suy ra: S = a.b = a2 Vậy: s = = 13mm Vì trong quá trình lắp ráp các lá thép có độ dày D = 0,5 mm do đó ta phải kể đến hệ số ép chặt là: Kc = 0,93; nên bề dày của lõi b' = = 14 mm * Nhưng do ở đầu cực từ có đặt vòng ngắn mạch cho nên: a' = a + D' vòng (với D' vòng = 2mm) = 13 + 2 = 15 mm Vậy tiết diện thực của trụ lõi có đặt cuộn dây: S2 = a'. b' = 14 . 15 = 210 mm2 b. Xác định kích thước của cuộn dây. Sức từ động tác động (IW) tác động gồm các sức từ động khi nấp hút vò, khi nắp nhả. (IW)tđ = (IW)h + (IW) nh + Tính (IW) h theo công thức (5 - 20)/210 tài liệu 1. (IW)h = Trong đó: m0 = 1,256 . 10-6H/m: hệ số từ thẩm của không khí Bdth = 0,45T sr = 1,4 ồdh = 2dcn + dcd + dgđ Với: dcn = 0,05 m: khe hở do công nghệ dcd = 0,15m: khe hở chống dính dgđ = 0,05m: Khe hở giả định Vậy: ồdh = 2 . 0,05 + 0,15 + 0,05 = 0,3mm Suy ra: (IW)h = = 150 A vòng + Tính (IW)nh theo công thức (5 - 19)/209 tài liệu 1. (IW)nh = Với: ồdnh = dth + dph = 4 + 0,1 = 4,1 mm Suy ra: (IW)nh = A Vậy (IW)tđ = 150 + 1469A = 1619 A vòng * Kiểm tra lại bội số dòng điện. Ki = = 9,8 Vậy Ki đã nằm trong phạm vi cho phép lò: Ki ẻ (4 á 12) - Xác định kích thước của cuộn dây nam châm điện. + Tiết diện cây của nam châm điện được xác định theo công thức (5 - 14) 21 tài liệu 1. Scd = Trong đó: Kumax = 1,1 : hệ số tầng áp Kumin = 0,85: hệ số tụt áp Kqđ = 1 : hệ số quá tải của dòng dài hạn. Klđ = (0,3 á 0,7); chọn Klđ = 0,4 J = (1,5 á 4) a/mm2; chọn J = 2,5 A/mm2 Suy ra: Scd = = 194 mm2 Từ Scd ta xác định được chiều cao cuộn dây và bề dày trên cơ sở thực nghiệm của NCĐ xoay chiều chọn sơ bộ tỷ số. = 2 á 4 ; chọn = 2 đ hcd = 2 . lcd Scd = lcd . hcd = 2 . Suy ra: lcd = = 9,8 mm đ hcd = 2 . 9,8 = 19,6mm - Xác định kích thước của nam châm điện. hc D2 a2 C B H D1 D3 D4 D5 hcd lf lcd a1 Hình 13 Trong đó: D1 = ( 1 á 2/ mm); chọn: D1 = 1,5mm D2 = ( 0,5 á1/ mm); chọn: D2 = 0,5mm D3 = (0,5 á 1/ mm); chọn: D3 = 0,5mm D4 = (5 á 10 mm); chọn: D4 = 5,7mm D5 = 0,5 (mm) lf = 4,4 (mm) + Bề rộng của cửa sổ mạch từ: C = lcd + D2 + D3 + D4 + D5 = 9,8 + 0,5 + 0,5 + 5,7 + 0,5 = 17mm + Chiều cao của cửa sổ mạch từ: hc = 2 D1 + hcd + lf = 3 + 19,6 +4,4 = 27 (mm) + Chiều rộng của nam châm điện. B = a1 + a2 + C = 13 + 15 + 17 = 45 (mm) + Tiết diện nắp nam châm điện. - Bề dày của nắp lấy bằng bề dảy cực từ: bn = b = 14 (mm) - Chiều cao của nắp lấy bé hơn bề rộng cực từ: hn = 12(mm) + Tiết diện đáy của nam châm điện Sđáy = S1 = 13 . 14 = 182 (mm2) + Chiều cao của NCĐ. H = a1 + hc + hn = 13 + 27 + 12 = 52 (mm) 5. Tính toán kiểm nghiệm nam châm điện. a. Sơ đồ đẳng trị với d ạ 0 Khi nắp mở, có thể bỏ qua từ trở và từ kháng của mạch từ nhưng phải xét đến từ thông rò cho nên mạch từ có sơ đồ đẳng trị sau: IW Gr Gt Gd fd ft fr f0 IW Gr Gd fd fr f0 IW Gồ f0 Hình 14 Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây của NCĐ thì sẽ có các loại từ thông chạy trong mạch từ như sau: + fd: là từ thông chính qua khe hở không khí làm việc tạo ra lực hút điện từ Fđt tác động lên nắp. + ft: là từ thông tản, đi bao quanh bề ngoài từ thông chính fd + fr: Là từ thông rò không đi qua khe hở d mà chỉ khép kín trong không gian giữa lõi và thân mạch từ. b. Tính từ dẫn rò: Gr NCĐ có dạng hình chữ U nên từ dẫn rò được biểu diễn theo điểm 5 bảng ( 5 - 6) tài liệu 1: a2 c lr G9 a1 G7 G1 Hình 15 Trong đó: G1: từ dẫn rò của hình trụ chữ nhật G7: từ dẫn rò của 1/2 hình trụ đặc G9: từ dẫn rò của 1/2 hình trụ rỗng Suy ra: Gtr = G1 + 2 G7 + G9 Với: G1 = m0 . = 28 10-9 (H) G7 = m0 . 0,26lr = 1,256 . 10-6 . 0,26 . 27 . 10-3 = 8,8 . 10-9 (H) G9 = m0. = 10,2 . 10-9 (H) Với lr = hoặc = 27 (mm) Suy ra: Gr = 28 . 10-9 + 2 ( 8,8 + 10,2) . 10-9 = 66 . 10-9 (H) - Xác định suất từ dẫn rò : g Suất từ dẫn rò trên 1 đơn vị chiều dài theo bảng ( 5 - 6) tài liệu 1 g = = 2,4. 10-6 (H/m) - Từ dẫn rò qui đổi trong mạch từ xoay chiều. Gtqđ = g. = 22. 10-9 (H) c. Xác định từ dẫn của khe hở không khí Gd R0 a D' b Hình 16 Theo bảng (5 - 5)/226 quyển, ta chọn phương pháp để tính từ dẫn bằng công thức thực nghiệm. Gd = m0 [. X2 + 0,58 (a+ b)] Với: x2 = r2 = R0 = B = = 45 - = 37,5 (mm) D' = 0,3 (mm); là khe hở khi nắp từ ở trạng thái hút. + d1 = 0,3 (mm) đ r21 = = 2,5 đ x21 = = 1,06 đ Gd1 = 1,256 . 10-6 = 953 . 10-9 (H) + d3 = 1,6 (mm) đ r23 = = 4,15 x23 = = 1,01 đ Gd3 = 1,256.10-6 = 189,3 . 10-9 H + d5 = 4 (mm) đ r25 = = 4,65 đ x25 = = 1,015 đ Gd5 = 1,256 . 10-6 = 88 . 10-9 (H) + d6 = 5 (mm) đ r26 = = 4,74 x26 = = 1,015 đ Gd6 = 1,256 . 10-6 = 66,1 . 10-9 (H) + d7 = 5,6 (mm) đ r27 = = 4,76 x27 = = 1,015 đ Gd7 = 1,256.10-6 = 68,9 Công thức tính sr: sr = 1 + Như vậy ta có bảng tính Gd theo d d . 10-3m 0,3 1,6 3 4 5,6 Gd . 10-9H 953 189,2 110,5 88,1 68,9 3106,5 105,1 29,6 16,8 8,6 sr 1,023 1,116 1,199 1,249 1,319 d. Xác định từ thông và từ cảm. Theo công thức ( 5 - 20)/263 tài liệu 1. Fhtb = K . Trong đó: K = 0,25: hệ số xét tới thử nguyên của Fhtb fdth : từ thông tại khe hở tới hạn Fhtb = 6,744 (N) Gd = 88,1.10-9(H) 1/3 là thừa số đánh giá ảnh hưởng của Gtqđ theo từ thông trung bình. = 0; vì Gr = cost suy ra: fdth = = = 1,328 . 10-4 (Wb) - Từ thông trung bình: ftb ftb = srth . fdth = 1,328 . 1,249 . 10-4 = 1,66 . 10-4 (Wb) Độ từ cảm tại điểm tới hạn: Bdth = = 0,6T - Độ từ cảm trung bình: Bdth = = 0,8T g. Xác định thông số cuộn dây nam châm điện. - Số vòng dây được xác định theo công thức. W = = 4566 Vòng Với: Kỉr = 0,9 : hệ số tính đến sự tổn thất điện áp trên dây quấn. - f = 50Hz - Kumin = 0,85 - Tiết diện dây quấn. q = Klđ . = 0,016 (mm2) - Đường kính dây quấn không kể cách điện: d = = 0,14 mm Với đường kính d = 0,14 mm. Dựa vào bảng ( 5 - 8)/ 276 tài liệu 1 ta chọn loại dây quấn đồng p 'B1 với đường kính có cách điện: d' = 0,165 (mm) Với loại dây quấn này, hệ số lấp đầy thực của cuộn dây là: Klđ = = 0,5 6. Xác định từ thông ở khe hở làm việc khi có vòng ngắn mạch : (ở trạng thái phần ứng hút) Theo công thức (5 - 51)/ 264 tài liệu 1 fdt = = 1,757 . 10-4 (Wb) 7. Tính toán vòng ngắn mạch. Nam châm điện xoay chiều, điện áp đặt vào hình sin theo thời gian với tần số f = 50Hz, từ thông sinh ra cùng biến thiên hình sin theo thời gian và với tần số tương ứng. Do vậy lực điện tử sinh ra cũng biến thiên theo thời gian dạng hình sin. Theo công thức của Macxell về lực điện từ có dạng. Fđt = Hay: Fđt - F0 - F0 cos 2 wt Trong đó: - F0 = (N) fm: biên độ từ thông trong lõi thép cực từ m0 = 1,256 . 10-6 H/m S là tiết diện lõi thép * Như vậy lực điện từ gồm hai thành phần - Thành phần thay đổi theo thời gian Fbđ = F0 . cos 2 wt - Thành phần không đổi Flxđ = F0 Ta có thể biểu diễn lực điện từ. t 0 F0 F Fđt = f(wt) p/2 p 3p/2 2p Fbđ Hình 17 Lực điện từ sẽ biểu diễn theo thời gian và tần số gấp đôi tần số nguồn f1 = 2.50Hz = 100Hz, nghĩa là trong một chu kỳ lực điện từ có 2 lần quá trị số 0 và 2 lần qua trị số max, tương ứng với nó là trong một giây phần ứng sẽ bị hút 100 lần và nhả 100 lần. Vì thế gây ra hiện tượng rung và ồn. Để khắc phục hiện tượng này người ta đặt vòng rung ôm lấy một phần cực từ. Khi có vòng chống rung, từ thông f0 đi qua cực từ thì bị phân chia thành 2 phần: + Một phần đi xuyên qua vòng chống rung là ft + Một phần đi ở phía ngoài vòng chống rung là fn f0 St Sn fn ft Hình 18 Do từ kháng của vòng chống rung nên fn và ft sẽ lệch pha nhau một góc a và hai lựctương ứng do chúng sinh ra sẽ lệch pha nhau một góc là 2 a. Tổng lực điện từ ở cực từ có vòng chống rung là: Fr = Fn + Ft = (Fon + Fot) - [ Fon cos 2cot + Fot cos (2wt - 2 a)] Trong đó: Từ thông fn sinh ra lực: Fn = Fon - Fon cos2wt Tư thông ft sinh ra lực: Ft = Fot - Fot cos2 (wt + a) * Điều kiện chống rung. Thành phần lực không đổi. f0 fn ft X 0 Y a Fkđ = Fon + Fot Hình 19 + Thành phần lực hút biến đổi. Fbđ = = 2Fon = 2Fon cosa + Góc a = lúc đó hệ số rung là: P = = cosa = 0 đ a = Thực tế chỉ có thể tạo được góc a = 500 á 800 thì mạch còn rung không đáng kể. a. Xác định trị số trung bình của lực điện từ ở khe hở khi không có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút phần ứng. Theo công thức (5 - 52/ 267 tài liệu 1 Ftbh = hay Ftbh = 19,9 . 104 Trong đó: Stn : tổng diện tích trong và ngoài vòng chống rung. D = S - Snm = S - D. b Stn = 2mm: bền rộng vòng chống rung S = 210 mm2: là diện tích một đáy của cực từ Snm = D. B mm2 là diện tích rãnh đặt vòng ngắn mạch. Suy ra: Stn = 210 - 2 .14 = 182 mm2 fdth (Wb): là từ thông trung bình ở khe hở làm việc khi phần ứng hút (d= 0,3 m ) fdth = fdh . Gr Với: fdh= = 1,06.10-4 (Wb) Suy ra: fdtb = 1,06.10-4 . 1,023 = 1,08.10-4 (Wb) Vậy: Ftbh = 19,9.104 . = 13 (N) b. Tỷ số giữa lực điện từ bé nhất và giá trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng chống rung. Theo công thức ( 5 - 33)/267 tài liệu 1. f1 = = 0,52 c. Tỷ số giữa diện tích cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch. j = = 0,7 Suy ra: Sn = 0,7. St đ St = = 107 mm Sn = Stn - St = 182 - 107 = 75 mm d. Điện trở vòng ngắn mạch. Theo công thức ( 5 - 54)/267 tài liệu 1 Rnm = = 0,76.10-4 (W) e. Góc lệch pha a giữa từ thông trong và ngoài vòng ngắn mạch. Theo công thức (5 - 55)/ 268 tài liệu 1 Khi số vòng ngắn mạch thường là: Wnm = 1 vòng đ tga = = Suy ra: tga = = 2 đ a =63,430. đ cosa = 0,447 g. Từ thông trong và ngoài vòng chống rung Theo công thức ( 5 - 56)/268 tài liệu 1 ft = Với fdh = 1,06.10-4 (Wb) C' = = 1,57 Suy ra: ft = = 0,48 . 10-4 (Wb) Suy ra: fn = C' . ft = 1,57 . 0,48 . 10-4 = 0,75 . 10-4 (Wb) h. Từ cảm khe hở vùng ngoài vòng chống rung. Bn = = 1 T Như vậy từ cảm khe hở của vùng ngoài vòng ngắn mạch thoả mãn điều kiện. Bn < 1,6 T k. Xác định các lực điện từ. - Lực điện từ do ft sinh ra: Ftbt = 19,9 . 104 = 4,285 (N) - Lực điện từ cho fn sinh ra: Ftbt = 19,9 . 104 = 14,925 (N) - Giá trị lớn nhất của lực điện từ, phần này thay đổi theo thời gian. Do từ thông đi qua, lực điện từ đặt vòng ngắn mạch tạo ra là Fmax Fmax = = 12,4 (N) - Giá trị trung bình của lực điện từ, thành phần không thay đổi do từ thông đi qua cực từ đặt vòng chống rung. Ftb = Ftbt + Ftbn = 14,925 + 4,285 = 19,21 (N) - Giá trị nhỏ nhất của lực điện từ sinh ra trên cực từ đặt vòng chống rung. Fmin = Ftb - Fmax = 19,21 - 12,4 = 6,81 (N) Ta xét thấy: Fmin > Fcơtt = 6,744 (N) Như vậy khi điện áp bị tụt xuống còn 0,85 Uđm thì nam châm điện vẫn có thể hút nắp được. l. Tỷ số giữa lực trung bình và lực bé nhất. b = = 2,82 m. Tổn hao trong vòng ngắn mạch. Với Umax = Kumin . Uđmcd và được tính theo công thức (5 - 57) /269 tài liệu 1. Pnm = = 2,57 (W) n. Các kích thước của vòng ngắn mạch. Dựa vào rnm và giới hạn phát nóng trong vòng ngắn mạch có thể từ: 200 á 2500C Lnm = 2 = 43 (mm) - Chọn vật liệu vòng ngắn mạch là đồng tinh khiết có: r20 = 0,01682 . 10-3 (Wmm) a = 0,0041 1/0C đ r200 = r20 [1+ a (200 - 20)] = 0,0168 [1+ 0,0041 . 180].10-3 = 0,020 . 10-3 (Wmm) Snm = = 11,7 mm2 đ hnm = = 5,8 mm - Hệ số toả nhiệt vòng ngắn mạch: + Toả nhiệt trong không khí. Theo công thức (5-13) Tài liệu 1. Kt1 = 3.10-3 (1 + 0,0017. q). = 3 . 10-3 (1 + 0,0017 . 200) = 4. 10-3 (w/cm2 0C) + Toả nhiệt trong lõi thép. Kt2 = 2,9 . 10-3 ( 1 + 0,0068 . q). = 2,9 . 10-3 (1 + 0,0068 . 200) = 6,844 . 10-3 (w/cm2 0C) - Diện tích toả nhiệt vòng ngắn mạch vào trong không khí. S1 = 2Lnm . D + 2 . hnm = 2 . 43 . 2 + 2 . 5,8 = 260 mm2 Trong lõi thép: S2 = 2. b. hnm + 2.b.D + P.hnm = 2. 14 . 5,8 + 2 . 14 . 2 + 43 . 5,8 = 351,8 mm2 - Độ tăng nhiệt của vòng ngắn mạch: t = ị t = = 380C Nhiệt độ phát nóng của vòng ngắn mạch. qnm = q200 + t = 200 + 38 = 2380C - Dòng điện đặc trưng cho tổn hao năng lượng trong vòng ngắn mạch. Ivnm = = 186,3 (A) đ Ivqđ = = 0,041 A vòng 8. Tính toán tổn hao trong lõi thép. a. Xác định trọng lượng lõi thép. M = m. V . Kc Trong đó: m = 7,65g/cm3: khối lượng riêng V = HB.b - C. b . hc: thể tích lõi thép Với: H = 52 (mm) B = 45 (mm) b = 14 (mm) C = 17 (mm) hc = 27 (mm) Suy ra: V = 52 . 45 . 14 - 17 . 14 . 27 = 26334 (mm3) = 26,334 cm3 Kc = 0,93 : hệ số ép chặt lõi thép đ M = 7,65 . 26,334. 0,93 = 187.3 g b. Suất tổn hoa lõi thép ứng với từ cảm cực đại. fmax = = 1,95 .10-4 (Wb) fmax = = 1,95 .10(Wb) - Từ cảm cực đại của lõi thép: Bmax = = 0,93 T Vậy Bmax ẻ (0,8 á 1,2) T 9. Tính toán dòng điện trong cuộn dây. a. Dòng điện trong cuộn dây khi hút. Khi nắp đóng d rất nhỏ, dòng điện trong cuộn dây gồm 2 thành phần lõi thép và dòng điện từ hoá khe hở, dòng điện khắc phục tổn hao trong lõi thép và dòng ngắn mạch. Ih = Trong đó: Id = : là dòng từ hoá khe hở không khí Vì R < < X, nên coi R ằ 0 đ Id = Với (wL = ww2 . Gdh = 314. 45662 . 953. 10-9 = 6238,7 (W) Suy ra: Id = = 0,035 (A) - Ith: Dòng điện từ hoá lõi thép Theo phương trình từ hoá lõi thép ta có: Ith . W = ồ Hi.li Trong đó: ồ Hi.li: Tổng từ áp trên các phân đoạn mạch từ. ồ Hi.li = Htb . ltb Htb : giá trị trung bình của cường độ từ trường trong lõi thép, tính theo giá trị hiệu dụng của Bmax căn cứ vào đường cong từ hoá của thép ' 31 (hình5- 6)/ 195 tài liệu 1 ta có: Hm = 1,5 t/cm Mà: Htb = = 1,06 A/cm Ltb = 2 (B + hc) = 2 (45 + 27) = 144 (mm) Suy ra: Ith = = 0,033 (A) - IFe = Trong đó: PFe = Kd. Pmax . M Với: Kd = 0,2 á 0,3; là hệ số xét tới sự tăng tổn hao trong mạch từ tập trung với lá thép riêng. Chọn Kd = 0,2 Pmax = P10 = 2,0 . 1,022 = 2,08W/kg Với: P10 = 2,0 w/kg: là suất tổn hao ở tần số 50Hz tra bảng ( 4 - 5) tài liệu 1. M = 0,151 kg Suy ra: PFe = 0,2 . 0,1873 . 2,08 = 0,078 W Vậy IFe = - Giá trị biên độ của dòng điện khi hút. Ih = = = 0,0563 (A) b. Dòng điện trong cuộn dây khi phần ứng nhả: Khi đó: dmax = 5,6 mm Dòng điện trong cuộn dây chủ yếu là dòng điện từ hoá khe hở không khí, dòng điện từ hoá lõi thép và tổn hao rất lớn. Do vậy dòng điện trong mỗi cuộn dây gần đúng tính theo công thức: Inh = Suy ra: Inh = = 0,54 A -Hệ số tầng dòng điện. KI = = 9,6 Ta nhận thấy KI nằm trong giới hạn cho phép lò: ( 4 á 12) 10. Tính toán nhiệt dây quấn. Ta có: R = rđ . Trong đó: rđ: điện trở suất dây quấn ở nhiệt độ cho phép của cấp cách điện cấp A [qcp] = 1050C rq = r20 ( 1 + 2t) = 0,01682 . 10-3 + [1 + 0,0041 (105 - 20)] = 0,02268 . 10-3 (Wmm) ltb: là chiều dài trung bình một vòng dây ltb = 4 (a + lcd = 2D2) = 4 ( 15 + 9,8 + 2 . 0,5) = 103,2 (mm) Suy ra: R = 0,02268 . 10-3 = 708,4 (W) a. Tổn hao năng lượng trong dây quấn. Pdq = . R = 0,05642 . 708,4 = 2,2 W b. Độ tăng nhiệt bề mặt cuộn dây. Theo công thức về sự hút làm nóng cuộn dây của nam châm điện. t = Trong đó: KT = 9 á 14 W/m20C: là hệ số toả nhiệt của cuộn dây, dựa theo bảng ( 6 -5)/ 301 tài liệu 1 Chọn KT = W/m20C S'tn: diện tích toả nhiệt của cuộn dây S'tn = Sxq + Sđ Với: Sxq = 4 (a + 2D2 + 2 D5 + 2 lcd) hcd = 4 (15 + 2.0,5 + 2. 0,5 + 2 . 9,8) . 19,6 = 2869,44 (mm2) Sđ: một phần diện tích đáy: Sđ = ltb . lcd = . 144 . 9,8 = 1058,4 (mm2) Suy ra: S'tn = 2869,44 +1058,4 = 3927,84 (mm2) Vậy: t = = 510C Suy ra: q = t + qmt = 51 + 40 = 910C Như vậy ta nhận thấy: q = 910C < [qcd] = 1050C 11. Tính và dựng đặc tính lực hút của nam châm điện. Theo công thức ( 5- 50)/ 263 tài liệu 1 Fđth = Trong đó: K = 0,25; là hệ số xét tới thứ nguyên của lực F fd + ftb : là từ thông trung bình của lõi thép ftb = Ku: là hệ số đánh giá sự thay đổi của điện áp nguồn. Kumin = 0,85 Kumax = 1,1 Kỉr = 0,9; là hệ số đánh giá ảnh hưởng sự sụt áp trong dây quấn ( 0,8 á1) sr; hệ số từ rò 1,3: là thừa số đánh giá ảnh hưởng của từ dẫn rò Gr = cost đ Suy ra: Fđth = * Thay đổi các hệ số Ku: Ku = 0,85 đ ftb = 1,660 . 10-4 (Wb) Ku = 1 đ ftb = 1,953 . 10-4 (Wb) Ku = 1,1 đ ftb = 2,149 . 10-4 (Wb) Như vậy ta có bảng tính Fđt theo d d. 10-3m Gd . 10-9 H .10-6 sr Fđth (N) 0,85 Uđm Fđth (N) Uđm Fđth (N) 1,1 Uđm 0,3 953 3106,5 1,023 15,9 22 27 1,6 189,2 105,1 1,116 11,49 16 19 3 110,5 29,6 1,199 8,2 11,37 13,76 4 88,1 16,8 1,249 6,8 9,36 11,32 5,6 68,9 8,6 1,319 5,1 7 8,5 12. Tính hệ số nhả của nam châm điện. Hệ số nhả là tỷ số giữa dòng điện hoặc điện áp của cuộn dây, khi phần ứng nhả và tác dụng. KT =; Ku = Và cũng có thể xác định Knh qua đặc tính có và đặc tính lực hút của NCĐ. Từ đặc tính cơ ta thấy tại điểm có d = 5,6 mm là điểm nguy hiểm, nên Knh được tính tại điểm đó; Knh = Với: Fnh = 1,47 (N) Ftđ = 4,62 (N) Suy ra: Knh = = 0,56 - ftbnh = = 0,93.10-4 (Wb) Suy ra: Ftbnh = Vậy ta có bảng tính: d. 10-3m 0,3 1,6 3 4 5 Ftbnh (N) 4,9 3,7 2,6 2,1 1,4 * Như vậy có thể dựng đường đặc tính lực hút của NCĐ xoay chiều qua các số liệu ở 2 bảng trên như sau: Đường đặc tính lực hút nhả của rơle trung gian xoay chiều điện từ 12. Tính toán gần đúng thời gian tác động và thời gian nhả. a. Thời gian tác động. ttđ = tkđ + tcđ Trong đó: tkđ: là thời gian khởi động. tcđ: là thời gian chuyển động. Vì nếu đóng điện vào thời điểm dòng điện đi qua điểm 0, chỉ sau 1/4 chu kỳ thì từ thông đạt được trị số cực đại, còn nếu đóng điện vào thời điểm I ạ 0 thì quãng thời gian để đạt từ thông cực đại cũng không vượt quá 1/2 chu kỳ, do đó lực điện từ đạt trị số cực đại với thời gian bé hơn 1/2 chu kỳ, cho nên tkđ của nam châm điện xoay chiều bé hơn 1/2 chu kỳ. tkđhút = tkđnhả = 0,01 á 0,02 (s) Chọn tkđhút = tkđnhả = 0,01 (s). * Thời gian chuyển động được tính theo công thức tcđ = (dnh - dh) Trong đó: M: khối lượng phần động của NCĐ M = = 0,0036(kgs2/m) dnh = 5,6 . 10-3 m dh = 0,3 .10-3m Sh = 4285 mm2 * mF và md là tỷ lệ xích của các trục toạ độ. Theo hình vẽ ta chọn tỷ lệ xích là mF = md = Vậy: tcđ = (5,6 - 0,3).10-3. = 0,013 s Vậy thời gian tác động sẽ là: ttđ = 0,01 + 0,013 = 0,0237 s b. Thời gian nhả của NCĐ. t'nh = t'kđn + t'cđn t'kđ:là thời gian khởi động nhả được tính từ cắt dòng điện ở cuộn dây cho đến lúc nắp bắt đầu chuyển động. + Thời gian chuyển động nhả tcđn được tính từ lúc bắt đầu chuyển động cho đến khi kết thúc. tcđn = (dnh - dh) . Sn: là diện tích giới hạn giữa đặc tính cơ và đặc tính nhả. Sn = 2112 mm2 Vậy: tcđn = ( 5,6 - 0,3) . 10-3. = 0,021 s Vậy thời gian nhả của NCĐ tnh = 0,01 + 0,021 = 0,031 s Phần V: thiết kế kết cấu * Sau khi tính toán thiết kế ta được rơle điện từ trung gian xoay chiều có kết cấu như sau: I. Mạch vòng dẫn điện. 1. Thanh dẫn. + Thanh dẫn động: Vừa là thanh dẫn vừa là lò xo ép tiếp điểm, được làm bằng đồng phôt pho БP.O.f 6.5 có các kích thước như sau: a = 5 mm b = 0,4 mm l = 35,5mm + Thanh dẫn tính có kích thước như sau; a' = 6 mm b' = 1mm l' = 25 mm 2. Đầu nối. Chọn kiểu mối nối tháo rời ren vít Sử dụng vít M3 x 18 bằng thép mạ bạc chống rỉ. 3. Tiếp điểm. Được chế tạo từ bạc kéo nguội (P999) có kích thước như sau: d = 3mm h = 1,2mm II. Nam châm điện Nam châm điện có dạng hình chữ U, kiểu hút chập. 1. Mạch từ. Vật liệu làm mạch từ là thép silic kỹ thuật điện, có mật độ từ cảm lõi thép. Bmax = 1,02T Các kích thước của nam châm điện. Độ dày là thép: D = 0,5 mm Số lá thép: n = 28 lá Bề rộng cực từ: a = 15 mm Bề dày cực từ: b = 14 mm Tiết diện cực từ: S = 210 mm Bề rộng mạch từ: B = 45 mm Bề cao mạch từ: H = 52 mm Chiều cao của số mạch từ: hoặc = 27 mm Phần nắp mạch từ: hn = 12mm bn = 14 mm Sn = 168 mm2 ln = Trọng lượng lõi thép: M = 187,3 g Bề rộng của sơ mạch từ: C = 17 mm 2. Cuộn dây của NCĐ. - Ký hiệu loại dây: - Đường kính dây quấn: d/d' = 0,14/0,165 - Số vòng dây: W = 4566 vòng - Bề dày cuộn dây: lcd = 9,8 mm - Chiều cao cuộn dây: hcd = 19,6 mm - Tiết diện cuộn dây: Scd = 194 mm2 3. Vòng ngắn mạch. Vật liệu làm vòng ngắn mạch là đồng tinh khiết, có dạng hình chữ nhật rỗng để lồng vào giữa cực từ có kích thước sau: - Chu vi: pnm = 40mm - Bề rộng: Dnm = 2mm - Bề dày: hnm = 5,8mm - Tiết diện: Snm = 11,6mm2 II. Ngoài các bộ phận chính đã chọn, rơle còn có các bộ phận khác như: 1. Vỏ. Vỏ được chế tạo bằng nhựa cứng, trong suốt, có cách điện, vỏ có dạng hình hộp rỗng tháo lắp dễ dàng. Vỏ có độ dày 2 mm, cứng và chắc, trên bề mặt của vỏ làm các gờ để toả nhiệt vỏ kín không thông gió với bên ngoài để tránh bụi bẩn rơi vào rơle làm giảm độ nhạy của rơle. 2. Thân đế. Được chế tạo bằng nhựa cứng đen, cách điện có dạng hình khối chữ nhật đặc, thân có bề dày 10mm, chiều rộng và chiều dài bằng nắp. Phía 4 góc của thân có làm 4 chân đế cao 20mm, để tạo khoảng trống khi bắt vít. ở hai bên đầu của đế có vấu và lò xo. 3. Giá đỡ tiếp điểm động. Làm bằng nhựa cứng đen, có dạng hình trụ ống, đường kính 10mm Trên thanh đỡ có sẻ rãnh để gắn thanh dẫn động, một đầu của thanh có gắn lò xo nhả. 4. Cơ cấu truyền động (cánh tay đón). Được làm bằng thép cứng, được thiết kế như hình vẽ, phía trên cánh tay đòn làm miếng ép vào mạch từ cố định một đầu nắp mạch từ bằng vít tán chặt. 5. Giá đỡ mạch từ. Phần 1 được gắn vào thân đế: Làm bằng thép có độ cứng vững, gồm 2 phần V bằng bu lông, có dạng hình chữ L, có độ dày 3 mm, trên phần này có khoang 2 lỗ để bắt với phần còn lại bằng vít. + phần thứ hai có dạng hình chữ V, có độ dày 1mm được bao vào gần hết cực từ, được cố định với cực từ bằng 2 vít có đường kính 2mm. Kết luận Sau một thời gian nghiên cứu, tìm hiểu, tính toán và thiết kế, đề tài tốt nghiệp đã được hoàn thành đúng thời gian qui định và đảm bảo nội dung yêu cầu của đề tài. Qua chọn và tính toán, rơle điện từ trung gian xoay chiều này đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên so với thực tế thì vẫn còn một số chỗ chưa hợp lý, do còn thiếu kinh nghiệm trong thực tế nhưng em rất mong đề tài của mình được áp dụng vào thực tế. Tài liệu tham khảo Tài liệu 1: Thiết kế khí cụ điện hạ áp. (Bộ môn thiết bị điện - Trường ĐHBK Hà Nội). Tài liệu 2: Chi tiết máy. (GS. TS. Nguyễn Trọng Hiệp). Tài liệu 3: Điều khiển tự động truyền động điện. (Tập 1 - Trịnh Đình Đề - Võ Trí An). Tài liệu 4: Cở sở lý thuyết khí cụ điện. (Bộ môn máy điện - khí cụ điện). Tài liệu 5: Giáo trình khí cụ điện hạ áp. (Bộ môn máy điện - Khí cụ điện) Mục lục Trang