Đồ án Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

hiều cao cửa sổ mạch từ: hcs = hcd + 2 . Δ2 + lf Trong đó: lf = (5 ÷ 10 ) mm - khoảng cách đầu phần ứng tới cách điện đàu cuộn dây. Chọn lf = 7 (mm) Δ 1 Δ4 lf hcd h cs C Δ 3 Δ5 Δ2 Sd/b' Sn/b' lcd SV: Nguyễn Thanh Huy 57 Vậy hcs = 31 + 2 . 1,5 + 7 = 41 (mm). + Chiều cao nam châm điện: H = d ncs S S h b ' b ' + + - Tiết diện đáy nam châm: Theo trang 216 - quyển 1 ta có: Sđ = 0,6 . S2 = 0,6 . 855 = 513 (mm2). + Chiều cao đáy: hđ = d S 513 b ' 30 = = 17 (mm). + Tiết diện lắp nam châm: Sn = 0,7 . S2 = 0,7 . 855 = 598,5 (mm2). + Chiều cao nắp: hn = n S 598,5 b ' 30 = = 19,95 (mm). + Chiều dài nam châm điện: B = a + 2 . a' + 2 . c = 28,5 + 2. 18 + 2. 20,3 = 105 (mm). II. TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM NAM CHÂM. 1. Sơ đồ thay thế. - Do chọn Bth nhỏ, nên mạch từ không bão hoà ta bỏ qua từ trở sắt từ. Ta có sơ đồ đẳng trị mạch như sau: . Gδ1, Gδ2, Gδ3 : từ dẫn chính các khe hở không khí. . Gt1, Gt2, Gt3 : từ dẫn tản đặc trưng cho từ thông tản ở các khe hở không khí. . Gr1, Gr2: từ dẫn đặc trưng cho từ thông rò của cực từ giữa 2 cực từ bên. Gδ1 Gt1 Gδ2 Gt2 Gδ3 Gt3 Gr2 Gr1 IW SV: Nguyễn Thanh Huy 58 Ta có sơ đồ tương đương: . Để có sơ đồ tương đương: 1 1 t1 2 2 t2 3 3 t3 G G G G G G G G G δ δ δ = +⎧⎪ = +⎨ = +⎪⎩ - Ta có sơ đồ tương đương: . Do kết cấu của NCĐ ta có G1 = G3 là từ dẫn của khe hở ở 2 cực từ bên. vậy ta có sơ đồ tương đương: { 13 1 3 1 r r1 r2 G G G 2G G G G = + = = + . Gδ = 13 2 13 2 G .G G G+ . GΣ = Gδ + Gr 2. Tính từ dẫn khe hở không khí. a. Tính từ dẫn khe hở không khí cực từ bên. (2) G1 G2 G3 Gr2 Gr1 IW Gr IW Gδ (4) IW GΣ (5) G13 G3 Gr IW (3) SV: Nguyễn Thanh Huy 59 - Để có kết quả chính xác hơn ta chọn phương pháp phân chia từ trường. + Tính cho một cực từ bên: Ta có: Gδ = Gδ0 + Gδ1 + Gδ2 + Gδ3 +Gδ4 +Theo bảng (5-4)/221 - quyển 1: Theo mục 1 ta có: 0 0 a.b G .δ = μ δ - từ dẫn hình trụ chữ nhật. + Theo bảng (5-4) / 221 - quyển 1. Theo mục 7 ta có: GS1 là từ dẫn 4 hình 1/2 trụ đặc. Trong đó 2 hình cao là a và 2 hình cao là b. GS1 = 2μ0. 0,26 (a + b) = 0,52 μ0= (a + b). + Theo bảng (5-4)/221 - quyển 1. Theo mục 9 ta có: δ Z Gδ0 Gδ1 Gδ2 Gδ4 Gδ3 SV: Nguyễn Thanh Huy 60 GS2 - Từ dẫn 4 hình 1/2 trụ rỗng trong đó 2 hình cao là: a. 2 hình cao là b. . G1/2 trụ rỗng = μ0 . 0,64 1 / Z+δ (a + b). Với: Z = (0,1 ÷ 0,2) δ; chọn Z = 0,2δ. . G1/2 trụ rỗng = 0,1 μ0 (a+b). . Gδ2 = 0,2 . μ0(a+b). + Theo bảng (5-4) / 221 - quyển 1. Theo mục 11 ta có: . Gδ3 - Từ dẫn 4 hình 1/4 cầu đặc. . G1/4 = 0,077 . μ0. δ. . GS3 = 4. 0,077 . μ0. S = 0,308. μ0. δ + Theo bảng (5-4)/221 - quyển 1 - theo mục 1 - 2 ta có: . Gδ4 - từ dẫn 4 hình 1/4 cầu rỗng. . G1/4 cầu rỗng = 0,25 . μ0.Z; với Z = 0,2.δ . Gδ4 = 4. 0,25 . μ0.0,2. δ = 0,2 μ0.δ Vậy: Gδ = Gδ0 + Gδ1 + Gδ2 + Gδ3 + Gδ4 . = μ0 . a.bδ [a.b + 0,72δ(a=b) + 0,508μ0δ. = 0μδ [a . b + 0,72 δ(a+b) + 0,508 δ 2] Với: { 3 3a 18(mm) 18.10 (m)b 28,5(mm) 28,5.10 (m)− −= == = - Theo kết cấu thì 2 cực từ bên như sau: G1 = G3 = 0 μ δ (0,508 δ 2 + 33. 10-3δ + 0,5 . 10-3) (H) b. Tính từ dẫn khe hở không khí cực từ giữa: - ta cũng dùng phương pháp phân chia từ trường. SV: Nguyễn Thanh Huy 61 G2 = 0 μ δ [0,508δ 2 + 0,72δ (a+b) + a.b]; (H) Với a = b = 28,5 (mm) = 28,5 . 10-3 (m). G2 = 0 μ σ [0,508σ 2 + 41 . 10-3σ + 0,8 . 10-3]. c. Tính từ dẫn rò: - Theo bảng (5 - 6) / 227 - quyển 1. nam châm điện có dạng chữ Ш từ dẫn rò có thể biểu diễn như sau: + Theo bảng (5-6)/27 - quyển 1. Theo mục 5 ta có: Trong đó: Gra - Từ dẫn rò chính giữa 2 cực. Gra = μ0 . csb.h c Với: . hcs = 41 (mm) - Chiều cao cửa sổ mạch từ. . c = 20,3 (mm) - Chiều rộng cửa sổ mạch từ. . b = 28,5 (mm) - kích thước mạch từ. Vậy: Gra = 1,25 . 10-6. 328,5.41.10 20,3 − = 71,9 . 10-9 (H). Theo bảng (5 -4)/221 quyển 1. Theo mục 7 ta có: Grb Grc b' a a/2 Gra a SV: Nguyễn Thanh Huy 62 Trong đó: Grb - từ dẫn rò 1/2 trụ đặc. Grb = 0,26 μ0. Với l = hcs = 41 . 10-3 (m) Vậy Grb = 0,26 . 1,25 . 10-6. 41 . 10-3 = 13,3 . 10-9 (H). - Theo bảng (5-4)/221 - quyển 1 theo mục 9 ta có: Trong đó: Grc - từ dẫn 1/2 trụ rỗng. Grc = μ0 . r0,64.l c 1 a / 2 ⎡ ⎤+ ⎢ ⎥⎣ ⎦ Với: . a = 28,5 . 10-3 (mm) . lr = hcs = 41. 10-3 (m) . μ0 = 1,25 . 10-6 (H/m). . C = 20,3 . 10-3 (m) vậy: Grc = 1,25 . 10-6. 3 3 3 0,64.41.10 20,3.10 1 28,5.10 / 2 − − − ⎛ ⎞+ ⎜ ⎟⎝ ⎠ = 13,5 . 10-9 (H). Vậy Gr1 = Gra + 2Grb + 2Grc. = 71,9 . 10-9 + 2. 13,2 . 10-9= + 2. 13,5 . 10-9. = 125,5 . 10-9 (H). d. Tính từ dẫn tổng khe hở không khí.. - Để tính từ dẫn tổng khe hở không khí ta tính đạo hàm của GΣδ: Ta có: GΣδ = 13 2 1 2 13 2 1 2 G .G 2.G .G G G 2G G ++ + Vậy: ( ) ( ) 1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 2G .G .(2G G ) (2G G ).(2G .G )dG d 2G G Σδ + − +=δ + Trong đó: G'1 = μ0 (0,508 - 0,5 .10-3/δ2). G'2 = μ0 (0,508 - 0,8 . 10-3/δ2). e. Tính xuất từ rò (g). SV: Nguyễn Thanh Huy 63 - Theo bảng (5-6)/228 quyển 1. Ta có: g = r1 r 2G l Trong đó: Gr1 = 125,5 . 10-9 (H). lr = hcs = 41 . 10-3 (m). Vậy: g = 9 3 2.125,5.10 41.10 − − = 6,12 . 10 -6 (H/m). + Tính từ dẫn rò toàn mạch. Gr = Gr1 + Gr2 = 2Gr1 = 2. 125,5 . 10-9 = 251 . 10-9 (H) + Tính từ dẫn rò qui đổi. Theo trang 242 - quyển 1 ta có: Grqđ = 1 3 . g. lr. Trong đó: g = 6,12 .10-6 (H/m); lr = hcs = 41.10-3 (m); Vậy Grqđ = 1 3 . 6,12 . 10-6 . 41 . 10-3 = 83,6 . 10-9 (H). + Tính từ dẫn tổng: GΣ = Gδ + Grqđ. Ta có: rq® dGdGdG d d d δΣ δ = +δ δ Vì Grqđ không phụ thuộc δ ⇒ rq®dG dδ = 0 Vậy: dGdG d d δΣ =δ δ 3. Xác định từ thông và từ cảm. Theo công thức (4-50) / 263 quyển 1. Fhth = r k. dG dG1 . d 3 d2.G 2 δτη δ 2 δ ϕ ⎛ ⎞+⎜ ⎟δ δ⎝ ⎠ Vưói φδth: Từ thông khe hở không khí tại δth. K = 0,25: Hệ số xét đến thứ nguyên lực F. SV: Nguyễn Thanh Huy 64 Fhth : Lực hút điện từ tại δth. Vì Gr không phụ thuộc δ ⇒ rdG dδ = 0. φđth = 2 hth2.G .F dG k. d δ δ δ Nên: Fth = 2 ®th 2 k. dG . d2.G δ δ φ δ Theo trang 205 quyển 1: Fhth = kdt. F2. Chọn Kdt = 1,12 hệ số dự trữ về lực. F2 = Fđth = 1,12 . 72,66 = 81,37 (N). + Xác định dG d δ δ tại δth = 3,5 (mm). Trong đó G1 = G3 = 0 μ δ (0,508 δ 2 + 33. 10-3δ + 0,5 . 10-3) (H) G2 = 0 μ δ (0,508 δ 2 + 41. 10-3δ + 0,8 . 10-3) (H) Vậy: 6 1 3 6 2 G G 0,22.10 (H) G 0,33.10 (H) −⎧ = =⎨ =⎩ Vậy: GF = 6 6 6 6 2.0,22.10 .0,33.10 2.0,22.10 0,33.10 − − − −+ = 0,18 . 10 -6 (H). Ta có: G'1 = μ0 (0,508 - 0,5.10-3/ δ2) G'2 = μ0 (0,508 - 0,8.10-3/ δ2) Tại δth = 3,5 (mm) = 3,5 . 10-3 (m) Hay: 6 1 6 2 G' 50.10 (H) G' 80.10 (H) − − ⎧ = −⎨ = −⎩ Vậy: ( ) 2 1 2 1 2 1 2 2G' .G' 4G G'dG d 2.G G ' +δ =δ + = 44 . 10 -6. Thay số liệu đã tính vào công thức (4-50)/263 quyển 1. SV: Nguyễn Thanh Huy 65 ( )262 hth ®th 6 2. 0,18.10 .81,372.G .F dG 0,25.44.10K. d − δ −φ = =δ δ = 5,82 . 10-4 (Wb). Vậy Bδth = 4 ®th 6 2 5,82.10 S 855.10 − − φ = = 0,56 (T) So sánh với việc chọn Bδth = 0,5 (T) là thích hợp. * Xác định hệ số từ rò σr với các δ khác nhau: σr = rq®r0 G1 G δ δ δ δ φ + φφ = = +φ φ φ0: Từ thông chính trong mạch từ. φδ: Từ thông khe hở không khí. σr: hệ số từ rò. Với các giá trị khe hở không khí δ ta xây dựng được bảng sau: δ(mm) 0,2 3,5 5 7 10,5 G1 3,166 0,222 0,169 0,1356 0,11 G2 1,010 0,302 0,254 0,198 0,1576 GΣ 0,9546 0,263 0,2236 0,1966 0,1536 G'1 15625 50 24,365 12,12 5,615 G'2 24999,365 80 39,365 19,77 9,365 dG d δ δ .10 -6H/m 7684 44 21,65 11 6,268 σr 1,03 1,464 1,597 1,7398 2,194 4. Xác định thông số cuộn dây: theo trang 284 quyển 1. Số vòng dây nam châm điện tính theo công thức: W = n min ®m ir tb K .U .K 4,44. .fφ Trong đó: Knmin = 0,85 hệ số tụt áp. Kir = 0,9 K hệ số tính tới sự tổn thất điện áp đường dây. SV: Nguyễn Thanh Huy 66 f = 50 Hz tần số. Uđm = 380 V điện áp định mức. φtb = φđth. σr = 5,82 . 10-4 . 1,5 = 8,73 . 10-4 (Wb). W = 4 0,85.380.0,94 4,44.8,73.10 .50− = 1567 (vòng). + Tiết diện dây quấn: q = klđ . cd cd l .h W (mm2). Trong đó: W = 1567 (vòng) lcd = 10,3 (mm). kld = 0,5. hcd = 31 (mm) Vậy q = 0,5 . 10,3.31 1567 = 0,102 (mm2). + Đường kính dây quấn. - Đường kính dây quấn không có cách điện. d = 4.q 4.0,102 3,14 =π = 0,36 (mm). Theo bảng (5-8) / 276 quyển 1 ta chọn vật liệu dây quấn là điện từ ký hiệu π∃B-1. Với đường kính d = 0,36 (mm) : không có cách điện. q = 0,102 (mm2): tiết diện dây quấn. Tra bảng 5-8/276 quyển 1 ta tra được đường kính cách điện: d' = 0,4 (mm) q' = 3,14 . 2 2 d' 0,4 3,14. 2 2 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞=⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ = 0,44 (mm 2). + Hệ số lấp đầy cuộn dây. Klđ = 2 2 cd cd W. d 1567.3,14(0,4) 4.l .h 4.10,3.31 π = = 0,58. SV: Nguyễn Thanh Huy 67 So sánh Klđ = 0,5 đã chọn. Vậy cuộn dây nhét vừa cửa sổ mạch từ. 5. Tính toán vòng ngắn mạch chống rung. + Xác định trị số trung bình của lực điện từ ở khe hở làm việc khi không có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút phần ứng. Theo công thức (5 - 52)/26 quyển 1. Ftbh = 2 2 4tb tb tn tn 19,9.10 S S δ δ 0 φ φ=4. μ Trong đó: Stn : Tổng diện tích trong và ngoài vòng ngắn mạch. Stn = S'1 - 2b'Δ. Với Δ = 2 (mm): Bề rộng vòng ngắn mạch. S'1 = 540 (mm2): Tiết diện cực từ bên. b'= 30 (mm) kích thước lõi. Vậy Stn = 540 - 2. 30 . 2 = 420 (mm2) Từ thông trung bình qua khe hở không khí, phần ứng hút: φδtb = tb r φ σ Trong đó: σr = 1 + 9 rq® 6 G 83.6.10 1 G 0,18.10 − − δ = + = 1,46 (tại δ = 3,5 (mm). So sánh với hệ số từ rò chọn ban đầu σr = 1,5 (mm) là thoả mãn được: φδtb = 45,82.10 1,5 − = 3. 10-4 (Wb). Vậy: Fhtb = 19,9 . 104 ( )24 6 3.10 420.10 − − ⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦ = 42,6 (N). + Tỷ số giữa lực điện từ bé nhất và giá trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch. Theo công thức: (5 - 53)/267 quyển 1. SV: Nguyễn Thanh Huy 68 t = dt cqdhmin htb htb K .FF F F = Theo công thức 267 quyển 1 chọn Kdt = 1. Fcqdh = cd max F 72,66 2 2 = = 36,33 (N) tại δ = 3,5 (mm). Vậy t = 36,33 0,85 42,6 = Tỷ số giữa điện tích cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch: theo 276 quyển 1 α = n t S 2 f 2 0,85 S 4f 4.0,85 − −= = = 0,34. Ta có: St + Sn = 420 (mm2). n t S 0,34 S = . Vậy: 2 t 2 n S 313(mm ) S 107(mm ) ⎧ =⎨ =⎩ + Điện trở vòng ngắn mạch. Theo công thức (5 - 54)/267 quyển 1. rnm = 20 tn 2 h W. .S .4f 4 f S (3f 2) μ −+ Trong đó: W = 2. π. F = 314 (rad/s). Sh = 0,2 . 10-3 (m) khe hở khi nắp hút. μ0 = 1,25 . 10-6 (H/m) Stn = 420 . 10-6 (m2). f = 0,85. Vậy: rnm = 6 6 2 3 2 314.1,25.10 .420.10 .4.0,85 4 0,85 0,2.10 (3.0,85 2) − − − −+ Rnm = 2,45 . 10-4 (Ω). + Góc lệch pha giữa từ thông trong và ngoài vùng ngắn mạch. SV: Nguyễn Thanh Huy 69 Theo công thức (5 - 55)/269 quyển 1, ta có: Tg.ϕ = t nm .G r ω . Gt = 0 t cn .Sμ δ từ dẫn khe hở không khí tương ứng St. tgϕ = 0 t nm h . .S r . ωμ δ Trong đó: ω = 314 (rad/s) μ0 = 1,25 . 10-6 (H/m) St = 313 (mm2) Rnm = 2,45 . 10-4 (Ω) δh = 0,2 . 10-3 (m) Vậy tgϕ = 6 6 4 3 314.1,25.10 .313.10 2,5 2,45.10 .0,2.10 − − − − = Hay ϕ = 68,20 ⇒ cosϕ = 0,37. + Xác định từ thông trong và ngoài vòng ngắn mạch. φt = sh 21 C 2.C.cos φ + + ϕ Trong đó: φn = φt. C C = 0,34 cos 0,37 α =ϕ = 0,91. φSh = 3. 10-4 (Wb). φt = 4 4 2 3.10 1,89.10 1 0,91 2.0,91.0,37 − −=+ + (Wb). φ n = 1,89 . 10-4 . 0,91 = 1,7 . 10-4 (Wb). + Từ cảm khe hở ngoài vùng ngắn mạch. SV: Nguyễn Thanh Huy 70 Bn = 4 n 6 n 1,7.10 S 107.10 − − φ = = 1,58 (T) So sánh Bn < [Bn]= 1,6 T là thích hợp. + Xác định các lực điện từ. Theo trang 268 quyển 1 ta có giá trị lớn nhất của lực điệnt ừ là: Fmax = 2 2tbt tbn tbn tbtF F 2F .F .cos2+ + ϕ Trong đó: Ftbt = 19,9 . 104. 24 4 6 t 1,89.10 19,9.10 S 313.10 2 − τ − ⎛ ⎞φ = ⎜ ⎟⎝ ⎠ = 22,7 (N). Ftbn = 19,9 . 104 . ( )242 4n 6 n 1,7.10 19,9.10 53,7(N) S 107.10 − − φ = = Cos2ϕ = cos (2. 68,2) = -0,72. Vậy: Fmax = ( ) ( )2 222,7 53,7 2.22,7.53,7.0,72+ − = 40,5 (N). * Giá trị trung bình lực điện từ. Theo trang 268 quyển 1: Frb = Ftbt + Ftbn = 22,7 + 53,7 = 76,4 (N). + Giá trị nhỏ nhất của lực điện từ. Theo trang 268 quyển 1. Fmin = Ftb - Fmax = 76,4 - 40,5 = 35,9 (N) Nhận xét: Ta có từ thông dạng qua hai cực từ trên cũng đứng lò từ thông chạy qua cực từ giữa. Nếu từ thông chạy qua 2 cực từ bên bị lệch pha 1 góc là ϕ thì từ thông chạy qua cực từ giữa sẽ bị lệch pha nhau 1 góc ϕ. Do vậy ta có lực điện từ nhỏ nhất là do nam chân điện sinh ra. Fđtmin = 4Fmin = 4. 35,9 = 143,6 N Ta thấy Fđtmin > Fcơ h = 100N do đó nắp không bị rung. + Tổn hao năng lượng trong vòng ngắn mạch. Theo công thức (5 - 57)/269 Quyển 1. SV: Nguyễn Thanh Huy 71 Pnm = [ ]2U max t U min nm K . 2K .r ωφ (W) Trong đó: KUmax = 1,1. KUmin = 0,85. ω = 314 (rad/s) φt = 1,89 . 104 (Wb). rnm = 2,45 . 10-4 (Ω). Vậy Pnm = 4 2 4 (1,1.314.1,89.10 ) 10,2 2.0,85.2,45.10 − − = (W). + Xác định kích thước ngắn mạch: Chu vi vòng ngắn mạch: P = 2 ( b + Δ + tS b ) = 2 31330 2 30 ⎛ ⎞+ +⎜ ⎟⎝ ⎠ = 84,86 (mm). + Ta chọn vòng ngắn mạch là đồng cứng M1. P20 = 0,018 . 10-3 (Ωmm). α = 0,0043 (1/0C). + Nhiệt độ phát nóng của vòng ngắn mạch là: 2000C. P200 = P20[1 + α (θ - 20)] = 0,018 . 10-3 [1 + 0,004 (200 -20)] = 0,03 . 10-3 (Ωmm). + Tiết diện vòng ngắn mạch. S = 200 nm P r ⎣ Trong đó: ⎣ = P = 84,86 (mm). Vậy S = 3 4 0,03.10 .84,86 2,45.10 − − = 5,2 (mm). SV: Nguyễn Thanh Huy 72 SV: Nguyễn Thanh Huy 73 6. Hệ số toả nhiệt vòng ngắn mạch. +Toả nhiệt trong không khí. Theo công thức (5-13) trang 269 - quyển 1. Q1 = 3 . 10-3 (1 + 0,0017 . θ) = 4.10-3 (W/cm2 0C). Với θ = 2000C. nhiệt độ phát nóng của vòng ngắn mạch. + Toả nhiệt trong lõi thép. Q2 = 2,9 . 10-3 (1 + 0,0068 . θ) = 6,8 . 10-3 (W/cm2 0C). * Diện tích toả nhiệt trong vòng ngắn mạch. - Trong không khí: S1 = P. Δ + 2 nmSt hb ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ = 84,86 . 2 + 2 313 30 ⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠ . 5,2 = 278 (mm 2) = 2,78 (cm2). - Trong lõi thép: S2 = 2b. hnm + 2b.Δ + p.hnm. = 2. 30 . 5,2 + 2. 30 . 2 + 84,86 . 5,2. = 873 (mm2) = 8,73 (cm2). * Dòng điện trong ngắn mạch: ↓ Δ ↑ ↓ hnm ↑ SV: Nguyễn Thanh Huy 74 Pnm = 2nm nmI .r Với Inm = nm 4 nm P 10,2 r 2,45.10− = = 204 (A). * Để tính dòng trong cuộn dây ta qui đổi: Inmqđ = nm 2I 2.204 W 1567 = = 0,26 (A) * Tổn hao trong lõi thép. - Xác định trọng lượng lõi thép M. M = V. γ . Kc. Trong đó: Kc = 0,95 hệ số ép chặt. γ = 7,55 (g/cm3) trọng lượng riêng của thép. Ta có: V = H. B. b - 2hcs. c. b Trong đó: H = 77,95 (mm) chiều cao nam châm điện B = 105 (mm) chiều dài nam châm điện. hcs = 41 (mm) chiều cao cửa sổ. b = 30 (mm) kích thước lõi c = 203 (mm) chiều rộng cửa sổ. V = 77,95 . 105 . 30 - 2. 41 . 20,3 . 30 = 195,6 (cm3). Vậy M = 195,6 . 7,55 . 0,95 = 1,4 (KG). * Suất tổn hao lõi thép. Vậy: φmax = U max ®m i2.K .U .K .Wω Trong đó: ki = 10: hệ số bội dòng điện. Ku = 1,1 hệ số tăng áp. Uđm = 380 (V) điện áp điều khiển. W = 1567 (vòng). φmax = 21,1.380.10 314,.1567 = 12.10-3 (Wb) SV: Nguyễn Thanh Huy 75 * Công suất tổn hao trong lõi: PFe = K. P. H,. Trong đó: K = 2 hệ số xét đến sự tăng tổn hao mạch từ. P = 1,5 (W/kg) suất tổn hao riêng lõi thép (bảng 5-4) N = 1,4 (kg) trọng lượng lõi thép. Vậy PFe = 2. 1,5 . 1,4 = 4,2 (W). * Dòng điện đặt cho tổn thất trong lõi. IFe = FC ®m P 4,2 U 380 = = 11. 10-3 (A). 7. Tính dòng điện trong cuộn dây. b th nmqd FeI I I I Iδ= + + +& & & & & Trong đó: Iδ& dòng điện từ hoá khe hở không khí. tbI& dòng điện từ hoá lõi thép. FeI& dòng điện đặc trưng cho tổn hao năng lượng trong lõi thép. Với ®m 2 U I .W .Gδ Σ = ω Trong đó: δ = 0,2 (mm) khe hở công nghệ xét Gδ ở δ = 0,2 (mm) . GΣ = Gδ + Grqđ = 2,76 . 10-6 + 83,6 . 10-9 = 2,8 . 10-6 (H). ω = 314 (rad/s) W = 1567 (Vòng). Uđm = 380 (V). Iδ = 2 6 380 314.1567 .2,8.10− = 0,176 (A). * Ith: dòng điện từ hoá trong lõi thép. Ith. W = ΣHili tổng từ áp trên các phân đoạn mạch từ. Ta có: Htb = m H 2 tra đường cong từ hoá hình (5-6) quyển 1 ta được: Hm = 1,8 (A/cm). SV: Nguyễn Thanh Huy 76 Htb = 1,8 2 = 1,27 (A/cm). Ta có: Ltb = 2. B + 3. C = 2. 10,5 + 3 . 203 = 27,09 (cm). ΣHili = Htb . ltb = 1,27 . 27,09 = 34,4 (A vòng). Ith = i i H l 34,4 W 1567 Σ = = 0,02 (A). + Giá trị biên độ dòng điện hút: Ih = ( ) ( )2 2nmq® Fe thI I I Iδ+ + + = ( ) ( )2 230,26 11.10 0,02 0,176−+ + + = 0,33 (A). + Mật độ dòng khi hút: Jh = h I 0,33 q 0,102 = = 3,2 (A/mm2). Như vậy: Jh = 3,2 (A/mm2) < (Jcp) = 4 (A/mm2). 8. Tính toán dây quấn nam châm điện. + Điện trở dây quấn. Ta có công thức: Rdq = Pθ tb l .W q Trong đó: Pθ = P95 = 0,023 . 10-3 (Ωmm). ltb: Độ dài trung bình một vòng dây. ltb = 4. (a + lcd + 2Δ). Với: ltb = 10,3 (mm) a = 28,5 (mm). Δ = Δ2 + Δ4 + Δ5 = 1,5 + 0,5 + 0,5 = 2,5 (mm). ltb = 4 (28,5 + 10,3 + 2. 2,5) = 175 (mm) W = 1567 (vòng). q = 0,102 (mm2). SV: Nguyễn Thanh Huy 77 Vậy: Rdq = 0,023 . 10-3 175.1567 0,102 = 61,8 (Ω). * Tổn hao năng lượng trong dây quấn: P = 2hI . R = (0,33) 2. 61,8 = 6,7 (W). * Độ tăng nhiệt bề mặt cuộn dây: - Theo công thức Newtơn: τ = d T P K .S trong đó: KT hệ số toả nhiệt cuộn dây. Theo bảng (5-6)/301 qyển 1: KT = 10 ÷ 20 (W/mm2 0C). Chọn KT = 17 (W/m2 0C). Stn: diện tích toả nhiệt cuộn dây: Stn = Sxq + Sđ. Sxq = P. hcd. VớiP: Chu vi ngoài cuộn dây. P = 2 (a + 2lcd) + 2 (b + 2lcd) = 2 (28,5 + 2. 10,3) + 2 (30 + 2. 10,3) = 199 (mm). Sxq = 199.31 = 6169 (mm2) = 6,169 . 10-3 (m2). Sđ = 3 4 . 2. lcd. Hcd một phần diện tích đáy. = 3 4 .2. 10,3 . 31 = 479 (mm2) = 0,479 . 10-3 (m2) Vậy: Stn = 6,169 . 10-3 + 0,479 . 10-3 = 6,65 . 10-3 (m2). τ = 0 3 6,7 59( C) 17.6,65.10− = Vậyθ = θmt + τ = 40 + 59 = 990C. Như vậy nhiệt độ phát nóng cuộn dây: θ < [θcp] = 1050C. SV: Nguyễn Thanh Huy 78 9. Tính và dựng đặc tính lực hút. - Theo công thức (4-50)/263 quyển 1. Ta có: Fđth = r2 dGK . dG 1 d 3 d2.Gδ φ δ δ⎛ ⎞+⎜ ⎟δ δ⎝ ⎠ Như phần trước đã trình bày: Gr = cost → rdG dδ = 0. Và φδ = tb r φ δ Với δr = 1,46 hệ số từ rò Fđth = 2 tb 2 2 r 2.k. dG d2. .Gδ φ δ⎛ ⎞⎜ ⎟δδ ⎝ ⎠ φtb = u ir ®k®mk .k .U 4,44.f.W kir = 0,94 hệ số xét đến sụt áp trong dây quấn. ku: hệ số thay đổi điện áp nguồn. Uđk = 380 (V) W = 1567 (vòng). Để dựng đặc tính lực hút ta thay đỏi từng giá trị δ: 0,2 ; 1; 3; 5; 7; 10,5 và thay đổi ku tương ứng. ku = 0,85; 1; 1,1. Ta có bảng xác định Fđth theo công thức trên: SV: Nguyễn Thanh Huy 79 δ (mm) Fđth (N) Gδ (H) ku = 0,85 ku = 1 ku = 1,1 0,2 248,93 343,832 416,331 2,8.10-6 3,5 170,729 325,817 285,54 0,18. 10-6 5 116,7 161,191 195,179 0,14 .10-6 7 76,686 105,922 128,256 0,113 .10-6 10,5 71,59 98,902 119,757 0,07 .10-6 Trong đó: G1 = 0 μ δ (0,508δ 2 + 33. 10-3δ + 0,5 . 10-3) G2 = 0 μ δ (0,508δ 2 + 41. 10-3δ + 0,8 . 10-3) G1 = μ0 (0,508 - 0,5 3 2 10− δ ) G2 = μ0 (0,508 - 0,8 3 2 10− δ ) Gδ = 2 1 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 2G G 2G' G' 4G G'dG ; 2G G d 2(G G ) + +δ =+ δ + Lần lượt thay các giá trị tương ứng vào công thức: * Tính và dựng đặctính nhả: Ta có hệ số nhả là tỷ số giữa dòng điện hoặc điện áp cuộn dây khi phần ứng của nam châm điện nhả và khi tác động. KnhI = nh nhnhu t® td I U ; k I U = Trong trường hợp đơn giản, ta cũng có thể xác định qua đặc tính lực của nam châm điện (trên sơ đồ đặc tính lực). Knh = c h F F SV: Nguyễn Thanh Huy 80 Xét tại điểm tới hạn: knh = 36,66 72,55 = 0,6. Vậy ta có giá trị điện áp nhỏ (đối với ku = 0,85). Unh = knh. Utđ = knh. 0,85. Uđm = 0,6 . 0,85 . 380 = 193 (V). Từ thông trung bình trong lõi thép khi nhả: φtbnh = 4nh irU .k 193.0,94 4.10 4,44.f.W 4,44.50.1567 −= = (Wb). Cực điện từ tương ứng Unh được xác định theo biểu thức (ứng với 0,85 Uđm). Fđtnh = 2 tbnh 2 2 r 2.K. .dG 2. .G .dδ φ δ δ δ . Thay đổi các giá trị của khe hở không khí δ ta xác định được các giá trị của đặc tính nhả như trong bảng sau: Khe hở δ (mm) 0,2 3,5 5 7 10,5 Fđtnhả (N) 52,26 36 24,5 16,099 15,732 SV: Nguyễn Thanh Huy 81 Tính toán gần đúng thời gian tác động thời gian nhả: Thời gian tác động (ttđ) là quãng thời gian kể từ thời điểm đưa tín hiệu tác động cho đến khi nắp chuyển động xong. (δ = δmin). ttd = t1 + t2. Trong đó: t1 : thời gian khởi động khi tác dộng. t2: thời gian chuyển động khi tác động. Thời gian nhả là quãng thời gian từ khi cắt điện của cuộn dây đến khi nắp của nam châm điện kết thúc chuyển động (δ = δmax). tnh = t3 + t4. Trong đó: t3 : thời gian khởi động khi nhả. T4: thời gian chuyển động khi nhả. * Đối với nam châm điện xoay chiều: Xét thời gian tác động: ttd = t1 + t2. Với t1: Do dòng điện và từ thông biến thiên tuần hoàn. Với tần số f còn lực điện từ theo 2f. Mà trong thời gian t1 vì khe hở không khí lớn (δ =δmax). Nên dòng trong cuộn dây quá lớn vì vậy nếu đóng điện vào thời điểm mà dòng điện đi qua điểm O chỉ sau 1/4 chu kỳ từ thông đạt trị số cực đại còn nếu đóng điện vào thời điểm i ≠ O thì quãng thời gian để đạt từ thông cực đại cũng không quá 1/2 chu kỳ. Do đó lực điện từ đại trị số cực đại với thời gian bé hơn 1/2 chu kỳ. Như vậy, cho rằng t1 = 1/2 chu kỳ là thời gian lâu nhất để khởi động: ⇒ t1 = 1 2.50 = 0,01 (s) t3 = 1 2.50 = 0,01 (s) Với t2 : Theo công thức (19 - 1) trang 59 sách KCĐ 2002. t2 = ( ) n i i c 2m. x F F i Δ −∑ SV: Nguyễn Thanh Huy 82 trong đó: m Khối lượng phần động: m = G 1 g 20 = = 0,1 2 G 1(KG)träng l−îng phÇn ®éng g = 10 (m/s )gia tèc träng tr−êng. =⎧⎪⎨⎪⎩ m = 0,1 kg. Δx1 = (10,5 - 7).10-3 = 3,5 . 10-3 (m) ( ) ( )3 3 1 76,886 71,59 .3,5.10 31,25 25 .3,5.10 S 2 2 − −+ += − = 161,05 . 10-3 (N/m) Δx2 = (7 - 3,5).10-3 = 3,5 . 10-3 (m) ( ) ( )3 3 2 170,73 76,868 .3,5.10 36,66 32,66 .3,5.10 S 2 2 − −+ += − = 311,7 . 10-3 (N/m) Δx3 = (3,5 - 0,2).10-3 = 3,3 . 10-3 (m) ( ) ( )3 3 3 170,73 248,93 .3,5.10 98,63 72,66 .3,3.10 S 2 2 − −+ += − = 409,8 . 10-3 (N/m) ⇒ t2 = 3 2 3 2 3 2 3 3 3 2.0,1.(3,5.10 ) 2.0,1.(3,5.10 ) 2.0,1.(3,3.10 ) 161,05.10 311,7.10 409,8.10 − − − − − −+ + = 0,0096 (s). * t4 = ( ) n n i i i ic c i 2m. x 2m. x F F i S Δ Δ=−∑ ∑ S1 = ( ) ( )3 331,25 25 .3,5.10 16,099 15,032 3,5.10 2 2 − −+ +− = 43,96 . 10-3 (Nm) S2 = ( ) ( )3 332,66 72,66 .3,5.10 36 16,099 3,5.10 2 2 − −+ +− = 93,14 . 10-3 (Nm) SV: Nguyễn Thanh Huy 83 S3 = ( ) ( )3 398,63 72,6 .3,3.10 52,26 36 3,3.10 2 2 − −+ +− = 137.10-3 (Nm) t4 = 3 2 3 2 3 2 3 3 3 2.0,1.(3,5.10 ) 2.0,1.(3,5.10 ) 2.0,1.(3,3.10 ) 43,96.10 93,14.10 137.10 − − − − − −+ + = 0,01261 (S) Vậy ta có thời gian khởi động của phần ứng khi nhả: tkđ = t1 + t2 = 0,01 + 0,0096 = 0,0196 (S) Thời gian nhả của nam châm điện: tnh = t3 + t4 = 0,01 + 0,01261 = 0,02261 (s) SV: Nguyễn Thanh Huy 84 PHẦN V: TÍNH TOÁN BUỒNG DẬP HỒ QUANG 1. Khái niệm chung. Khi đóng hoặc ngắt mạch, đặc biệt ta ngắt mạch điện hồ quang phát sinh ở giữa từng cặp tiếp điểm của thiết bị điện, hồ quang chảy toả ra nhiệt lượng lớn, nếu không được dập tắt kịp thời, thì lượng nhiệt đó sẽ phát bỏng tiếp điểm, cách điện và thậm chí phá hỏng kết cấu thiết bị. Cho nên dập tắt hồ quang có ý nghĩa rất quan trọng đối với tuổi thọ và độ làm việc tin cậy của thiết bị. Trong hồ quang điện xoay chiều dòng điện qua trị số không hai lần trong một chu kỳ khi đó ở vùng catốt độ bền cách điện được phục hồi, do đó người ta lợi dụng hiện tượng này để thiết kế thiết bị dập hồ quang, sao cho hồ quang bị dập tắt ngay khi dòng điện qua trị số không đầu tiên, tuy nhiên hồ quang thường không bị dập tắt ngay tại thời điểm đó. Khi dòng điện xoay chiều qua trị số không ở khu vực hồ quang đồng thời xảy ra 2 quá trình quan hệ mật thiết với nhau. Một quá trình dập hồ quang đó là quá trình ion hoátăng cường. Một quá trình tạo điều kiện do hồ quang cháy lại đó là quá trình phục hồi điện áp. Đặc trưng cho quá trình thứ nhất là tốc độ tăng cường cách điện và đặc trưng cho quá trình thứ hai là tốc độ phục hồi điện áp. Hồ quang xoay chiều được dập tắt toàn bộ khi thoả mãn điều kiện. Quá trình thứ nhất (tốc độ tăng cường cách điện). 2. Các yêu cầu để thiết kế buồng dập hồ quang. - Đảm bảo được khả năng đóng ngắt mạch điện đảm bảo giá trị dòng điện đóng ngắt ở điều kiện cho trước. - Có thời gian cháy nhỏ để giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang - Quá điệu áp thấp. SV: Nguyễn Thanh Huy 85 - Thời gian dập tắt hồ quang đối với thiết bị xoay chiều là nhỏ hơn 1 2 chu kỳ khi ngắt dòng điện giới hạn cho phép thời gian dập hồ quang là vài nửa chu kỳ. 3 Vật liệu để làm buồn dập hồ quang. Khi chọn vật liệu ta cần chú ý đến các tính chất sau: - Tính chịu nhiệt - Tính cách điện và chống ẩm - Độ nhám bên trong của buồng dập hồ quang - Độ ứng cao Từ tính chất trên ta chọn vật liệu làm buồng dập hồ quang là: xi măng, amiăng Để tính toán buồng dập hồ quang ta chọn kết cấu buồng dập của công tắt tơ mà ta thiết kế là buồng dập kiểu dàn dập. I. TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN. 1. Tính số lượng tấm: Theo công thức (3.49) quyển 1 trang 153 ntk ≥ 0,6 + 2 dm dm dm dm 2 2 0 0 ph ®m hq K .U K .U K 1 ln. k U 0,35.K .U ⎡ ⎤⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦ + Theo công thức (3 - 40) quyển 1: Kđm = 0,9 . ksd . 01 cosϕ− Với khí cụ điện đóng ngắt 3 pha ta có: Ksử dụng = 1,5 Hệ số công suất của mạch ngắt ta chọn cosϕ = 0,9 Kđm = 0,9 . 1,5 . 1 0,9− = 0,427 Theo công thức (3 - 50) quyển 1/ 135 2 / 3 0 2 . . 1300 ngL I K tK = SV: Nguyễn Thanh Huy 86 Theo công thức (3 - 47) quyển 1/ 134 ( ) ( ) 2 6 0 820 5,7 .10 2 40 273 + −= + − t ng t ng I At K I T δ Trong đó: Δt: bề dày tấm ngăn Theo trang 135 quyển 1: Δt = 1 ÷ 5 (mm) Chọn Δt = 1 (mm) δt: khoảng cách giữa các tấm: Chọn δt = 2,5 (mm) T: nhiệt độ dàn dập (nhiệt độ của tấn dập) Theo công thức (3 - 18) quyển 1 T = 293 + 0,018 . Ing . Z Với Z số lần đóng ngắt trong một giờ: chọn Z = 300 lần / giờ T = 293 + 0,018 . 300 . 300 = 386,5 (0K) ( ) ( ) 2 6 0 820 2,5 300 5,7 1.10 41391 2 300 40 386,5 273 tK + == =+ − L: Điện cảm ngắn mạch. Theo công thức (3 - 32) quyển 1 . . dm ng U Sin L I ϕ ω= Cosϕ = 0,9 → sin ϕ = 0,436 ω = 2 πf = 2.3,14 . 50 = 314 (rad/s) Uđm = 400V; Ing = 300A L = 3400.0,436 1,85.10 ( ) 300.314 H−= 2 / 3 0 3 2 / 3 2 . . 1,85.10 .300 .41391 2,64 1300 1300 ng tL I KK − = = = Tính 0Uhq (là điện áp phục hồi ban đầu của một khoảng trống). Theo công thức (3 - 46) quyển 1 SV: Nguyễn Thanh Huy 87 0Uhq = U0t = 0,6n − Trong đó: U0t = (72 + 0,72 δt) = ( 72 + 0,72 . 2,5) = 73,8 (V) Và n là số khoảng trống. Để tương ứng với Iđm = 100A và Uđm = 400V Ta chọn n = 4 khoảng trống. 0Uhq = 73,8 . 0,6n − = 73,8 . 4 0,6− = 136 (V) Tính 0Uhq : là điện áp hồ quang của 1 khoảng trống: Theo công thức (3 - 46) quyển 1. 0Uhq = ( 110 + 0,003 Ing) (0,7 + 0,04 δt) = (110 + 0,003 . 300 ) (0,7 + 0,04 . 2,5) = 88,72 (V) Vậy số lượng tấm: ntk ≥ 0,6 : 2 2 0 0 . . 1 ln . 0,35 . dm dm dm dm ph ph dm K U K U K k U U K ⎡ ⎤⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦ + ntk ≥ 0,6 . 2 0,427.4000, 427.400 2,5 1 ln . 2,5 136 0,35.88,72.0,427 ⎡ ⎤⎛ ⎞− +⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦ + ntk ≥ 1,85 Vậy để phù hợp với số đã cho, ta chọn ntk = 5 (tấm) 2. Kiểm tra điều kiện xảy ra quá trình dao động. Theo công thức (5 - 53) quyển 1. 2 / 3 415. 0,6 . tk ng n fo L L −> Ta có: 2 / 3 3 2 / 3 415. 0,6 415. 5 0,6 10499,98( ) . 1,85.10 .300 − −= =tk ng n Hz L I Theo công thức (3 - 30) quyển 1. f0 = 380 dmU (A + B . Pđm3/4) = 380 400 ( 8000 + 2100 + 74824,63/4) SV: Nguyễn Thanh Huy 88 = 9033202,5 (Hz) Trong đó: A = 8000; B = 2100 là các hệ số tương ứng hệ thống cáp Công suất phụ tải: Pđm = 3 . Uđm . Iđm . cosϕ0 . kdt Kdt = 1,2 là hệ số dự trữ: Uđm = 400V, Iđm = 100A, cosϕ = 0,9 Pđm = 3 . 400 . 100. 0,9 . 1,2 = 74824,6 (W) Vậy f0 > 10499,98 (Hz) thoả mãn điều kiện quá trình không dao động) Thời gian cháy của hồ quang được xác định theo công thức ( 3 - 5)/ 96 quyển 1: 2 29. = + hq hq td hq l t V V Trong đó: 0. hq hq hq R l n R = Theo công thức (3 - 38) quyển 1/131 Rhq = 0 0.6hqU n= − (Với n = 4 khoảng trống vì có 5 tấm) = 88,72 4 0,6− = 163,6 (V) Ta có: Ihq - 0,5 Ing = 0,5 . 300 = 150 (A) 163,6 1,09 150hq R = = (Ω) Rhq là giá trị trung bình của điện trở hồ quang trên 1 cm chiều dài hồ quang của 1 khoảng trống theo công thức (3 - 37) quyển 1 ta có: 0 hq 2 2 ng 14200 14200 R 0,015 0,015 I 300 = + = + = 0,17 (Ω) vậy lhq = hq0 hq R 1,09 6.0,17n.R = = 1,06. Vận tốc chuyển động của hồ quang: Theo công thức (3 - 19)/110 quyển 1. Vhq = 37 . 33 hqI 37. 150= = 196,6 (m/s) SV: Nguyễn Thanh Huy 89 Vtđ: vận tốc tiếp điểm (chọn Vtđ = 10 cm/s). thq = 2 2 1,06 10 9.196,6+ = 0,0018 td: thời gian dập hồ quang là 1/2 chu kỳ tức là td = 0,005. Vậy th q < td nghĩa là thời gian cháy nhỏ hơn thời gian dập. + Chiều dài nhỏ nhất của 1 tấm ngắn. lt > 1,73 . 2 3t ngS .td I lt > 1,73 . 2 32,5 .0,005 300 = 0,36 (cm) Để đảm bảo hồ quang không ra khỏi buồng dập ta chọn lt = 0,4 (cm) 3. Kiểm tra quá trình dập tắt hồ quang. Theo công thức (3-14) quyển 1. Uph = Ung hqR .t l1 e −⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ Ung = ng max U 2 Theo công thức (3 - 26)/124 quyển 1. Ungmax = Unguồn max = 1,1 2. 3 dmU . Ksử dụng . sin ϕ0 1,2 2.400 .1,5.0,436 234 3 = = (V) Vì ngắt mạch 3 pha bằng khí cụ điện 3 cực ta có: Ksử dụng = 1,5 Vậy: Ung = 234 165, 46( ) 2 V= Điện áp phục hồi theo thời gian Theo công thức (3 - 45) quyển 1. Ubđ = U0bđ + Kbt Trong đó: Kb = K0b . 0,6n − = 41391. 4 0,6− = 76321,2 U0bđ = Ub . 0,6n − = 73,8 . 4 0,6− = 136 (V) SV: Nguyễn Thanh Huy 90 Ubđ = 136 + 7631,2 .t Uph = 165,46 ( 1 - 3 1,09 . 1,85.10 t e −− ) Với các giá trị thời gian khác nhau ta có bảng. t (s) O 0,005 0,01 0,015 Uph 0 156,76 165 165,44 Uđđ 136 517,606 899,212 1280,818 Số tấm dập hồ quang là: 5 tấm Chiều dày của mỗi tấm là: 1 (mm) Khoảng cách giữa các tâm là: 2,5 (mm) Số khoảng trống giữa các tấm là 4 khoảng trống. SV: Nguyễn Thanh Huy 91 PHẦN VI: THIẾT KẾ KẾT CẤU Công tắc tơ điện xoay chiều là một khí cụ điện đóng cắt dòng tải bằng nam châm điện. Theo yêu cầu thiết kế, ta thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha với điện áp định mức Uđm = 400 (V); Uđk = 380 (V), Iđm = 100 (V) Ta có thể phân cấu tạo của công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha làm thành các phần tử cơ bản như sau: - Hệ thống mạch vòng dẫn điện gồm: mạch vòng dẫn điện chính và mạch vòng dẫn điện phụ (Vì có 2 hệ thống tiếp điểm chính, phụ) Trong đó có: Hệ thống thanh dẫn: thanh dẫn động, thanh dẫn tĩnh. Hệ thống đầu nối tiếp điểm: hệ thống tiếp điểm chính, hệ thống tiếp điểm phụ. Trong tiếp điểm phụ có 2 dạng tiếp điểm là: tiếp điểm phụ thường đóng và tiếp điểm phụ thường mở. Ngoài ra nếu phân theo khả năng đóng ngắt thì đó là tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh. Hệ thống nam châm điện gồm: + Lõi, nắp, thân của nam châm điện bằng sắt từ. + Cuộn dây điện áp. hệ thống dập hồ quang: khi đóng ngắt mạch điện hồ quang phát sinh tiếp điểm sẽ được dập tắt an toàn. Cơ cấu lò xo: có lò xo tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ, lò xo nhả. Phần đế, năp, thân của công tắc tơ được làm bằng nhựa đen, các phần tử cách điện trong các phần mang điện, vật dẫn điện. 1. HỆ THỐNG MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN. Như ta đã biết: hệ thống mạch vòng dẫn điện chính và phụ đều có cấu tạo như nhau, chỉ khác SV: Nguyễn Thanh Huy 92 - ở mạch vòng dẫn điện chính có hệ thống thanh dẫn mà trên thanh dẫn đó có gắn hệ thống tiếp điểm chính với Iđm = 100 (A) - Mạch vòng dẫn điện phụ có hệ thống thanh dẫn với các tiếp điểm phụ thường mở và thường đóng với khả năng chịu được If = 5 (A) Vì vậy thanh dẫn được chia thành hai thanh dẫn đó là: thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. + Trên thanh dẫn động có gắn trực tiếp điểm động dạng chữ nhật, nó thực hiện khả năng đóng cắt khi đóng và ngắt dòng điện với kích thước thanh dẫn động là: a = 14 (mm) b = 18 (mm) h = 2 (mm) Mặt khác trên thanh dẫn tĩnh có gắn điểm tĩnh cũng giống như thanh dẫn động vì thanh dẫn động do chịu và đập có khí khi đóng ngắt và phải gia công lỗ để bắt vít nếu thanh dẫn tĩnh có kích thước lớn hơn so với than dẫn động. Kích thước là: a = 16 (mm) b = 20 (mm) h = 2 (mm) + Hệ thống đầu nối tiếp điểm - Với hệ thống đầu nối: Để nối các cực với các dây dẫn bên ngoài hoặc nối với các bộ phận bên trong của mạch vòng dẫn điện. Ta dùng các mối nối tháo rời hoặc bằng ren (vít) được chế tạo từ thep CT3 - Với hệ thống tiếp điểm: Có 2 hệ thống tiếp điểm là: tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ, trong đó có tiếp điểm phụ thường đóng và thường mở. 3 tiếp điểm chính với dòng điện 100 (A) 2 tiếp điểm phụ thường mở SV: Nguyễn Thanh Huy 93 2 tiếp điểm phụ thường đóng tương ứng với dòng điện phụ Iđ = 5 (A) Hệ thống tiếp điểm này được chế tạo từ Ag - Ni than dùi việc chế tạo thanh dẫn hay tiếp điểm, các vít đều được tiến hành phay, cắt từ các thanh Cu hay Ag - Ni thanh chì ra các hình dạng cần thiết, sau đó tẩy Baviece làm sạch bên ngoài, đồng thời đảm bảo tính chính xác cao. Các lỗ vít cũng phải được mài nhẵn, tẩy Bavice tốt. 2. HỆ THỐNG NAM CHÂM ĐIỆN. Trong hệ thống nam chân điện có 2 bộ phận cơ bản - Cuộn dây - Mạch từ + Phần mạch từ gồm: lõi, nắp, thân bằng vít từ + Phần cuộn dây: cuộn dây có dạng hình chữ nhật được quấn theo kiểu quấn thường và được ở 2 cực từ bên. a. Kích thước tổng quan của nam châm điện. - Chiều cao nam châm điện: H = 77,95 (mm) - Chiều dài của nam châm điện: B = 105 (mm) b. Các kích thước cơ bản của mạch từ gồm: + Lõi thép được ghép bằng các lá thép kỹ thuận điện mã hiệu : ∃41. Có độ dày 0,5 mm và gồm 57 láứng với Uđk = 380 (V) Mặt khác: do mạch từ mà ta cần thiết kế có dạng hình chữ nhật nếu cực giữa có kích thước lớn hơn so với 2 cực từ bên, đồng thời chống rung 2 cực từ bên được xẻ rãnh để đặt vòng ngắn mạch, ta có kích thước của các cực từ vòng ngắn mạch là" + Với cực từ giữa có: a = 28,5 (mm) b = 28,5 (mm); (b' = 30 (mm)) Tiết diện vòng ngắn mạch Snm = 10,4 (mm) Chiều cao vòng ngắn mạch hnm = 5,2 (mm) Chi vi vòng ngắn mạch Pnm = 84,86 (mm) SV: Nguyễn Thanh Huy 94 Diện tích cực từ ngoài vòng ngắn mạch là Sn = 107 (mm2) Diện tích cực từ trong vòng ngắn mạch là St = 313 (mm2) + Nắp nam châm điên cũng có dạng hình chữ nhật có kích thước như sau: Sn = 598,5 (mm2) hn = 19,95 (mm) Trên nắp có gắn các thanh dẫn cùng với các tiếp điểm để thực hiện chức năng đóng ngắt. + Tiết diện dáy là: Sđ = 513 (mm2) hđ = 17 (mm) Ngoài ra còn có các kích thước cơ bản như sau: - Chiêu cao cửa sổ mạch từ : hCS = 41 (mm) - Bề rộng cửa sổ mạch từ: C = 20,3 (mm) c. Cuộn dây điện áp. - Đường kính dây quấn không kể cách điệu là: 0, 36 - Tiết diện dây quấn không kể cách điệu là: Khi có cách điệu: q = 0,44 (mm2) d = 0,4 (mm) Tương ứng với Uđk = 380 (V) ta có số vòng dây W = 1567 (vòng) Với kích thước cơ bản như sau: - Bề dày cuộn dây là: 10,3 (mm) - Chiều cao cuộn dây là: 31 (mm) - Tiết diện cuộn dây là: 312,3 (mm) 3. BUỒNG ĐIỆN HỒ QUANG Để đảm bảo cho việc dập hồ quang điện dễ dàng ở mạch điện một pha hai chỗ ngắt với Iđm = 100 (A); Uđm = 400 (V) ta phải sử dụng phương pháp dập hồ quang xoay chiều buồng dập kiểu dàn dập phương pháp này cho ta khả năng rút ngắn đáng kể chiều dài hồ quang và dập nó trong thể tích nhỏ, do đó SV: Nguyễn Thanh Huy 95 phát sáng ít và âm thanh bị hạn chế, do đó ó được sử dụng trong công tắc tơ làm việc ở chế độ nhẹ. Tổng số: tấm cầu làm dàn dập là: Ntk = 5 (tấn) Khoảng trồng hồ quang giữa các tầm là: N = 4 4. CƠ CẤU LÒ XO. + Cơ cấu lò xo: lò xo tiếp điểm chình và phụ, lò xo nhỏ a. Với lò xo tiếp điểm chính. Do một lò xo chịu tương ứng lực của hai tiếp điểm, mặt khác do có 3 tiếp điểm chính nếu có 3 lò xo tiếp điểm chính. - Đường kính lò xo tiếp điểm chính là: 1 (mm) - Số vòng của lò xo tiếp điểm chính là: 4 (vòng) Chiều dài tự do của lò xo là: 14,1 (mm) Bước lò xo khi chưa chịu tải: 3,4 (mm) b. Với lò xo tiếp điểm phụ. Do một lò xo tiếp điểm phụ tương ứng 2 tiếp điểm phụ. Tiếp điểm phụ ở đây gồm: Tiếp điểm phụ thường đóng và thường mở với - Đường kính dây quấn lò xo: d = 0,21 (mm) - Số vòng của lò xo tiếp điểm W0 = 13 (Vòng) - Bước lò xo khi chưa chịu tải: 1 (mm) - Chiều dài tự do của lò xo; 13 (mm) c. Lò xo nhả. Với 1 công tắc tơ có 2 lò xo nhả nếu một lò xo nhả lực sẽ giảm đi 1/2 lần Đường kính lò xo nhả: d = 0,86 (mm) Số vòng của lò xo nhả: W0 = 11 (Vòng) Bước của lò xo khi chưa chịu tải: 3,9 (mm) Chiều dài tự do của lò xo là: 39,43 (mm) Ngoài ra cơ cấu cần phải có phần tử chống va đập để tiêu thụ động năng của phần động khi phần động chuyển động hết hành trình của nò. Các SV: Nguyễn Thanh Huy 96 phần tử chống va đập đó là dùng một lò xo lún hay gọi là bộ hoãn xung có tác dụng hạn chế lực va đập, lực rung động xung kích với đường kính lò xo lún từ 0,14 đến 8 (mm) theo FOCT 9389 - 60 để quấn lò xo trong trạng thái nguội không nhiệt luyện. Kiểu lò xo có dạng xoắn hình trụ làm việc bị nén đến 85 - 95%. Vật liệu làm lò xo là dây thép cacbon, lò xo kéo nguội đường kính đã được xác định như trên theo FOCT 3989 - 60 để quấn lò xo trạng thái nguội không nhiệt luyện. Phần đế, thân, vỏ của công tắc tơ được chế tạo bằng nhựa cứng, đen với bề dày của nhựa cứng là 4 - 5 (mm) nhằm tăng độ cứng của công tắc tơ và đảm bảo về mặt giá thành, kích thước công tắc tơ không cồng kềnh về cấu trúc. Khung cách điện của công tắc tơ được chế tạo theo yêu cầu của kết cấu, do cuộn dây xoay chiều không lớn lắm và dùng chế độ nhẹ nên thiết kế chung cbônit. Trường hợp này quấn dây và cách điệu đơn giản hơn và độ dày khung là 2 ÷ 3 mm SV: Nguyễn Thanh Huy 97 KẾT LUẬN Công tắc tơ là khí cụ điện hạ áp, dùng đóng ngắt mạch điện từ xa. Vì vậy công tắc tơ có kích thước nhỏ, cho nên khi thiết kế cần độ chính xác cao. Vì trình độ có hạn nên khi tính toán thiết kế có nhiều chỗ lúng túng, nhất là chương trình năm châm điện. Nhưng với sự hướng dẫn rất chu đáo của thầy Nguyễn Văn Đức cho nên em cũng đã hoàn thành đạt yêu cầu kỹ thuật khi nghiệm lại. Em hy vọng thầy cô trong bộ môn và thầy hướng dẫn Nguyễn Văn Đức có nhiều nhận xét và chỉ bảo thêm để đề tài em thiết kế hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!. Hà Nội, ngày 29 tháng 5 năm 2003 Sinh viên Nguyễn Thanh Huy SV: Nguyễn Thanh Huy 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO Quyển 1: Thiết kế khí cụ điện hạ áp. (Bộ môn Thiết bị điện trường ĐHBK Hà Nội). Quyển 2: Chi tiết máy GS. TS. Nguyễn Trọng Hiệp Quyển 3: Cơ sở lý thuyết khí cụ điện. (Bộ môn Thiết bị điện trường ĐHBK Hà Nội). SV: Nguyễn Thanh Huy 99 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................ Error! Bookmark not defined. PHẦN I: PHÂN TÍCH CHỌN PHƯƠNG ÁN, CHỌN KẾT CẤU THIẾT KẾ. ........... 1 I. Chọn tiếp điểm: ........................................................................................ 1 II. Chọn buồng dập hồ quang. ................................................................... 2 III. Chọn nam châm điện ........................................................................... 2 IV. Chọn khoảng cách cách điện. .............................................................. 4 PHẦN II: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN. .................................. 6 A. Thanh dẫn. .............................................................................................. 7 I. Tính toán thanh dẫn động. ..................................................................... 7 1. Chọn vật liệu để thanh dẫn điện tốt và đảm bảo độ bền cơ, ta chọn vật liệu có điện trở suất càng nhỏ càng tốt. ..................................................................... 7 2. Tính toán thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn. ............................................ 8 3. Kiểm nghiệm lại thanh dẫn. .......................................................................... 10 II. Xác định kích thước thanh dẫn tĩnh. ................................................. 12 B. tính toán vít đầu nối ............................................................................. 13 I Yêu cầu có bản đối với đầu nối .............................................................. 13 1. Chọn kích thước mối nối. ............................................................................. 13 C. Tính toán tiếp điểm. ............................................................................. 15 I. Yêu cầu tiếp điểm. ................................................................................. 15 II. Tính toán tiếp điểm. ............................................................................. 15 1. Chọn dạng kết cấu. ........................................................................................ 15 2. Chọn vật liệu và tính kích thước cơ bản. ..................................................... 15 3. Tính lực ép tiếp điểm tại một chỗ tiếp xúc. ................................................. 17 4. Tính điện trở tiếp xúc. ................................................................................... 18 5. Tính điện áp rơi trên điện áp tiếp xúc. .......................................................... 20 6. Tính nhiệt độ tiếp điểm. ................................................................................ 20 7. Tính nhiệt độ tiếp xúc. ................................................................................... 21 SV: Nguyễn Thanh Huy 100 8. Dòng điện hàn dính tiếp điểm. ...................................................................... 21 III. Độ mở, lún tiếp điểm. ......................................................................... 23 1. Độ mở: m ....................................................................................................... 23 2. Độ lún tiếp điểm: L ....................................................................................... 23 IV. Độ rung của tiếp điểm ........................................................................ 24 1. Xác định trị số biên độ rung. ......................................................................... 24 2. Xác định thời gian rung tiếp điểm. ............................................................... 25 V. Sự ăn mòn tiếp điểm: ........................................................................... 25 VI. Các biện pháp khắc phục và tăng cường chịu mài mòn của tiếp điểm là: ....................................................................................................... 26 D. Mạch vòng dẫn điện phụ. .................................................................... 27 I. Tính toán thanh dẫn. ............................................................................. 27 1. Thanh dẫn động. ............................................................................................ 27 2. Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn. ............................................................... 28 3. Tính kích thước thanh dẫn tĩnh. .................................................................... 30 II. Tính toán đầu nối. ................................................................................ 30 1. Tính toán vít đầu nối. .................................................................................... 30 2. Tính toán tiếp điểm. ....................................................................................... 31 3. Tính lực ép tiếp điểm..................................................................................... 32 4. Tính điện trở tiếp xúc. ................................................................................... 33 5. Nhiệt độ tiếp điểm. ........................................................................................ 34 6. Tính nhiệt độ tiếp xúc. ................................................................................... 35 7. Tính dòng điện hàn dính tiếp điểm. .............................................................. 35 III. Độ mở - độ lún tiếp điểm. ................................................................... 37 1. Độ mở: m ....................................................................................................... 37 2. Độ lún: l .......................................................................................................... 37 IV. Độ rung tiếp điểm. .............................................................................. 37 1. Biên độ rung................................................................................................... 37 2. Xác định thời gian rung của tiếp điểm. ........................................................ 38 SV: Nguyễn Thanh Huy 101 3. Sự ăn mòn tiếp điểm. ..................................................................................... 38 PHẦN III: TÍNH VÀ DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ ................................................................ 40 A. Tính toán cơ cấu. .................................................................................. 40 I. Sơ đồ động. ............................................................................................. 40 II. Tính lò xo tiếp điểm chính. .................................................................. 41 1. Chọn vật liệu. ................................................................................................. 41 2. Tính lò xo tiếp điểm chính. ........................................................................... 41 3. Tính lò xo tiếp điểm phụ. .............................................................................. 44 4. Tính chiều dài tự do của lò xo. ..................................................................... 46 5. Tính lò xo nhả. ............................................................................................... 46 6. Dựng đường đặc tính cơ: .............................................................................. 48 PHẦN IV: TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN ................................................................ 50 I. Tính toán sơ bộ nam chân điện (NCĐ). ............................................... 50 1. Chọn dạng kết cấu. ........................................................................................ 50 2. Chọn vật liệu. ................................................................................................. 51 3. Chọn Bδth, hệ số từ rò, hệ số từ tản: .............................................................. 51 4. Xác định các thông số chủ yếu và kích thước chủ yếu nam châm điện. ... 51 5. Xác định kích thước cuộn dây. ..................................................................... 53 II. Tính toán kiểm nghiệm nam châm. .................................................... 57 1. Sơ đồ thay thế. ............................................................................................... 57 2. Tính từ dẫn khe hở không khí. ...................................................................... 58 3. Xác định từ thông và từ cảm. ........................................................................ 63 4. Xác định thông số cuộn dây: theo trang 284 quyển 1. ................................ 65 5. Tính toán vòng ngắn mạch chống rung. ...................................................... 67 6. Hệ số toả nhiệt vòng ngắn mạch. ................................................................. 73 7. Tính dòng điện trong cuộn dây. .................................................................... 75 8. Tính toán dây quấn nam châm điện. ............................................................ 76 9. Tính và dựng đặc tính lực hút. ...................................................................... 78 SV: Nguyễn Thanh Huy 102 PHẦN V: TÍNH TOÁN BUỒNG DẬP HỒ QUANG ..................................................... 84 1. Khái niệm chung. .......................................................................................... 84 2. Các yêu cầu để thiết kế buồng dập hồ quang. ............................................. 84 3 Vật liệu để làm buồn dập hồ quang. ............................................................. 85 I. Trình tự tính toán. ................................................................................. 85 1. Tính số lượng tấm: ........................................................................................ 85 2. Kiểm tra điều kiện xảy ra quá trình dao động. ............................................ 87 3. Kiểm tra quá trình dập tắt hồ quang. ............................................................ 89 PHẦN VI: THIẾT KẾ KẾT CẤU .................................................................................... 91 1. Hệ thống mạch vòng dẫn điện. ............................................................. 91 2. Hệ thống nam châm điện. ..................................................................... 93 3. Buồng điện hồ quang ............................................................................ 94 4. Cơ cấu lò xo. ........................................................................................... 95 KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 98