Khí cụ điện

Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
Chơng II
Chọn phơng án kết cấu
1.Hệ thống mạch vòng dẫn điện
Thanh dẫn: do thanh dẫn phải dẫn dòng điện làm việc và có
khi phải chụi dòng điện ngắn mạch lớn khi xảy ra sự cố
đòng thời phải đảm bảo cho tiếp điểm tiếp xúc tốt nên ta
chọn thanh dẫn bằng đồng có tiết diện ngang hình ch nhật.
Đầu nối : chọn đầu nối bằng bu lông có thể tháo rời đợc.
Tiếp điểm chính: do dòng điện làm việc định mức của công tắc tơ là145A nên ta chọn tiếp điểm
hình chữ nhật, kiểu bắc cầu, 1 pha 2 chỗ ngắt, tiếp xúc loại mặt phẳng-mặt phẳng.
Tiếp điểm phụ: cũng dùng kiểu tiếp điểm bắc cầu 1 pha 2 chỗ ngắt.
ii. Hệ thống dập hồ quang
Đối với khí cụ điện hạ áp , các trang bị dập hồ quang thờng là :
- Kéo dài hồ quang điện bằng cơ khí.
- Dùng cuộn dây thổi từ.
- Dùng buồng dập hồ quang kiểu khe hẹp.
- Dùng buồng dập hồ quang kiểu dàn dập.
Qua phân tích và tham khảo thực tế , đối với Công tắc tơ xoay chiều chọn buồng dập hồ quang
kiểu dàn dập .
iii. Nam châm điện
Công tắc tơ có thể đóng ngắt bằng nam châm điện hút quay hoặc hút thẳng.
Nam châm điện hút quay
- Ưu điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút quay tốt hơn nam châm điện hút thẳng.
- Nhợc điểm: Kết cấu phức tạp, một pha có một chỗ ngắt làm cho việc dập hồ quang khó
khăn, phải dùng dây nối mềm.
Nam châm điện hút thẳng
- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, Kết cấu tiếp điểm bắc cầu một pha có hai chỗ ngắt làm cho
việc dập hồ quang đơn giản hơn, Hành trình chuyển động gắn liền với chuyền động của
nắp nam châm điện,việc bố trí buồng dập hồ quang dễ dàng, Không dùng dây nối mềm.
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
- Nhợc điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút thẳng không tốt bằng nam châm hút
quay.
Do có nhiều u điểm cho nên ta sẽ sử dụng nam châm điện xoay chiều hình chữ E kiểu hút chập.
iv. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung
Lò xo nhả, lò xo tiếp điểm: ta chọn kiểu lò xo xoắn hình trụ do nó ít bị ăn mòn và bền hơn lò
xo tấm phẳng.
Lò xo hoăn xung: dùng để giảm bớt va chạm giữa nắp và thân cực từ do đó ta dùng lò xo lá.
v. Hình dáng của công tắc tơ
Sau khi chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta đợc hình dáng công tắc tơ nh sau
1. Tiếp điểm tĩnh. 6. Thanh dẫn tĩnh.
2. Tiếp điểm động. 7. Lò xo nhả.
3. Lò xo ép tiếp điểm. 8. Mạch từ nam châm điện.
. 4. Thanh dẫn động 9. Cuộn dây nam châm điện.
5. Dàn dập hồ quang. 10. Vòng ngắn mạch.
11. Nắp mạch từ nam châm điện.
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
Chơng III
Tính toán mạch vòng dẫn điện
A. Khái niệm chung
Trong Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ quan trọng, nó có chức năng dẫn dòng,
chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng
kết cấu và kích thớc hợp thành. Đối với Công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có mạch vòng dẫn
điện chính và mạch vòng dẫn điện phụ với các bộ phận chính nh sau:
- Thanh dẫn : gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh.
- Dây dẫn mềm.
- Đầu nối : gồm vít và mối hàn
- Hệ thống tiếp điểm : gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh.
- Cuộn thổi từ.
Do đó nhiệm vụ tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện là phải xác định các kích thớc của các
chi tiết trong mạch vòng dẫn điện. Tiết diện và kích thớc của các chi tiết quyết định cơ cấu
mạch vòng và cũng nh quyết định kích thớc của Công tắc tơ xoay chiều 3 pha.
I,Tính toán mạch vòng dẫn điện chính.
1,Thanh dẫn:
1.1,Thanh dẫn động:
a) Chọn vật liệu:
Thanh dẫn động gắn với tiếp điểm động, vì vậy nó cần phải có lực ép đủ để tiếp xúc tốt, độ
cứng cao, nhiệt độ nóng chảy tơng đối cao do đó tra bảng (2-13 TKKCDHA) ta chọn đồng kéo
nguội làm vật liệu cho thanh dẫn động.
Các thông số của đồng kéo nguội :
Ký hiệu ML-TB
Tỷ trọng () 8,9 g/cm
3
Nhiệt độ nóng chảy (
nc
) 1083
0
C
Điện trở suất ở 20
0
C (
20
) 0,0175.10
-6
m
Độ dẫn nhiệt () 3,9W/cm
0
C
Độ cứng Briven (H
B
) 80 ữ 120 kG/cm
2
Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0043 1/
0
C
Nhiệt độ cho phép cấp A ([
cp
]) 95
0
C
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
b) Tính toán thanh dẫn:
- Chọn kết cấu thanh dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề dầy b
Theo công thức (2-6 TKKCDHA)


3
dôT
f
2
.K).1n.(n.2
K I
b
+

=

trong đó :
-I =145 A : Dòng điện định mức.
-n: hệ số hình dáng, n = a/b = 5 ữ 10, chọn n = 7
-K
f
: hệ số tổn hao phụ đặc trng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần.
K
f
= K
bm
.K
g
= 1,03 ữ 1,06 . Chọn K
f
= 1,04.
-K
T
: hệ số tản nhiệt, K
T
= (6 ữ 12)

(W/
0
C.m
2
)
Chọn K
T
=8 (W/
0
C.m
2
)
-

: điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định


=
20
[1+( - 20)]

20
: điện trở suất của vật liệu ở 20
O
C
: hệ số nhiệt điện trở của vật liệu
: nhiệt độ ổn định của đồng , ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho
phép

= [

] = 95
O
C.

95
= 0,0175.10
-6
[1+4,3.10
-3
(95 20)] 0,023.10
-6
(.m)
-
ôđ
: độ tăng nhiệt ổn định

ôđ
= -
mt
với
mt
=40
O
C là nhiệt độ môi trờng

ôđ
= 95 40 = 55
O
C
Vậy bề dầy :

mmmb 169.2002169.0
55.8).17.(7.2
04,1.10.023,0.145
3
62
==
+
=

a=nxb=7x2,169=15,18 mm
Vậy a=15.4 mm b=2,2 mm
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
Đây là kích thớc tối thiểu của thanh dẫn .Để nhiệt độ của thanh dẫn không vợt quá nhiệt độ
cho phép ta phải chọn kích thớc thanh dẫn lớn hơn số liệu tính toán trên.
Đồng thời phải căn cứ vào kích thớc tiếp điểm để có thể đặt tiếp điểm trên thanh dẫn.
Theo bảng (2.15 TKKCDHA) Ta chon kích thớc tiếp điểm đối với dòng điện
I
đm
=145A(100A-160A) Có đờng kính tơng đơng :
d=20 mm
Do với dòng điện 145 A ta sử dụng tiếp điểm hình chữ nhật
b1
a1
a1: Chiều dài tiếp điểm
b1: Chiều rộng tiếp điểm.
Diện tích tơng ứng
a1.b1=

.d
2
/4=3.14.20
2
/4=314 mm
2
Chọn: a1=16mm
b1=19,5 mm
Căn cứ vào kích thớc tiếp điểm ta chọn chiều dài a của thanh dẫn lớn hơn a1 để đảm bảo có
thể gắn đợc tiếp điểm.
Chọn : a=18mm
b=3 mm .
Chu vi mặt cắt thanh dẫn là:
P=2x(a+b)=2x(18+3)=42 mm
Tiết diện mặt cắt:
S=axb=18x3=54mm
2
.
c,Kiểm nghiệm thanh dẫn:
1. Kiểm tra kích th ớc làm ở điều kiện làm việc dài hạn
Mật độ dòng điện : Yêu cầu kiểm nghiệm [j] <2 ữ 4 A/mm
2
.
Ta có:

j
2
/7,2
54
145
mmA
S
I
dm
===

thoả mãn yêu cầu về mật độ dòng điện dài hạn.
2. Nhiệt độ thanh dẫn :
Từ công thức 2-4 (TKKCĐHA) ta có nhiệt độ phát nóng


+
=
.K IK.P.S
.K.P.S.K I
f0
2
T
mtTf0
2
td
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
với
0
: điện trở suất của đồng kéo nguội ở 0
0
C

6
3
20
0
10.016,0
20.0043,01
10.0175,0
.1


=
+
=
+
=



.m

mt
: nhiệt độ môi trờng,
mt
= 40
0
C
Thay vào ta có :

0043,0.04,1.10.016,0.14510.8.42.54
8.40.10.42.5404,1.10.016,0.145
629
962



+
=
td

=
= 65
0
C
Vậy
td

< [
cp
] =95
0
C thanh dẫn thoả mãn về nhiệt độ ở chế độ định mức
3. Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch
Đặc điểm của quá trình ngắn mạch
- Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn
-Thời gian tác động nhỏ
Từ đặc điểm trên rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch nhiệt độ thanh dẫn tăng lên rất lớn có
thể làm thanh dẫn bị biến dạng. Do đó cần phải kiểm tra khi có ngắn mạch thì mật độ dòng
điện thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép không
Từ công thức 6-21 (TKKCĐHA) :

nm
dnm
nm
t
AA
j

=
Trong đó :
t
nm


: thời gian ngắn mạch hay thời gian bền nhiệt
A
nm
: hằng số tích phân ứng với ngắn mạch hay bền nhiệt
A
đ
: hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu
Tra đồ thị hình 6-6 ta có :
Với
nm
= 250
0
C có A
nm
= 3,5.10
4
A
2
s/mm
4

t
đ
= 65
0
C có A
đ
= 1.10
4
A
2
s/mm
4
t
nm
j
nm
(A/mm
2
) [j
nm
]
cp
(A/mm
2
)
3s 91,3 94
4s 79,1 82
10s 50 51
Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật độ dòng điện cho
phép, nên thanh dẫn có thể chịu đợc ngắn mạch
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
4,kết quả:
Vậy kích thớc thanh dẫn : a=18 mm
b=3 mm
1.2,Thanh dẫn tĩnh:
Thanh dẫn tĩnh đợc nối với tiếp điểm tĩnh và gắn với đầu nối. Vì vậy thanh dẫn tĩnh phải có
kích thớc lớn hơn thanh dẫn động.
Ta có thể chọn kích thớc thanh dẫn tĩnh nh sau :
a = 20 mm
b = 3,5 mm
II,Tính toán đầu nối.
Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ bị hỏng nặng
trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao.
Đầu nối gồm 2 phần
-Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài
-Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện
Các yêu cầu đối với mối nối
-Nhiệt độ các mối nối khi làm việc ở dài hạn với dòng điện định mức không đợc tăng quá trị
số cho phép, do đó mối nối phải có kích thớc và lực ép tiếp xúc F
tx
đủ để điện trở tiếp xúc R
tx
không lớn, ít tổn hao công suất
-Khi tiếp xúc mối nối cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua
-Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lợng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi khí cụ điện vận hành
liên tục
Kết cấu của mối nối gồm có : mối nối có thể tháo rời đợc, không thể tháo rời đợc, mối nối
kiêm khớp bản lề có dau nối mềm hoặc không có dây nối mềm. ậ đây ta chon mối nối có thể tháo
rời đợc và bằng bu lông
Với dòng điện định mức I
đm
=145A theo bảng( 2-10 TKKCDHA) chọn bu lông bằng thép
CT-3 có đờng kính hệ ren M8 x15( mm ).
Diện tích bề mặt tiếp xúc : S
tx
=
j
I
dm
Trong đó:S
tx
:Diện tích tiếp xúc.
I
đm
:Dòng điện đích mức
J :Mật độ dòng điện tiếp xúc cho phép.
Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng có tần số f = 50 Hz và dòng điện định mức I
đm
< 200A thì có
thể lấy mật độ dòng điện j = 0,31 A/mm
2
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
S
tx
=
)(mm 3,483
31,0
145
2
=

Lực ép tiếp xúc : F
tx
= f
tx
.S
tx

Với f
tx
là lực ép riêng trên các mối nối, f
tx
= 100 ữ 150 kG/cm
2
Chọn f
tx
=100 kG/cm
2
= 100.10
-2
kG/mm
2
F
tx
= 100.10
-2
. 483,3 = 483,3 Kg =4833 (N)
Điện trở tiếp xúc :

m
tx
tx
tx
)F.102,0(
K
R =
Trong đó K
tx
:Hệ số phụ thuộc vật liệu tiếp điểm
Tra bảng tang 59 TL1 K
tx
(đồng -đồng) =(0.09-0.14) x10
-3
/N

Chọn K
tx
=0.12x10
-3
/N
m:Hệ số phụ thuộc vào dạng tiếp xúc,tiếp xúc mặt-mặt m=1

4833.102,0
10.12,0
R
3
tx

=
=2,43x10
-7

Điện áp tiếp xúc :
U
tx
= I
đm
.R
tx
= 145x 2,43.10
7
= 352.10
7
V =0,0352.10
3
mV
Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([U
tx
]
cp
=2 mV), nên bu lông đã chọn
thoả mãn yêu cầu.
III.Tính toán tiếp điểm
- Tiếp điểm làm nhiệm vụ đóng cắt điện
Khi Công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức , nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải bé hơn
nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu
tiếp điểm.
-Với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động , dòng ngắn mạch) tiếp điểm phải chịu đợc độ
bền nhiệt và độ bền điện động . Hệ thống tiếp điểm dập hồ quang phải có khả năng đóng ngắt
cho phép không bé hơn trị số định mức.
-Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng điện trong giới hạn cho phép ,
tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bé nhất , độ rung của tiếp điểm không đợc lớn hơn trị số
cho phép.
-Dạng kết cấu tiếp điểm:Tiếp điểm 1 pha 2 hỗ ngắt
1.Vật liệu và kích th ớc tiếp điểm .
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, ít bị ăn
mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp
với dòng điện I
đm
=145 A.
Theo bảng(2-14TL1) ta chọn vật liệu làm tiếp điểm :
Kim loai gốm: Bạc-than chì-niken.
Đặc điểm: +Chịu đợc hồ quang.
+Độ cứng cao chống hàn dính.
Ký hiệu KMK.A32
Tỷ trọng () 8,7 g/cm
3
Nhiệt độ nóng chảy (
nc
) 3000
0
C
Điện trở suất ở 20
0
C (
20
) 0,035.10
-6
m
Độ dẫn nhiệt () 325 W/m
0
C
Độ cứng Briven (H
B
) 45 ữ 65 kG/cm
2
Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0035/
0
C
Kích thớc của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thớc của thanh dẫn động
hoặc của thanh dẫn tĩnh.
-Dạng tiếp điểm:
Nh ở phần chon kích thớc thanh dẫn ta đã tính toán đợc kích thớc tiếp điểm :
a1=16 mm
b1=19,5 mm
Đồng thời theo bảng(2-15TKKCDHA).Đối với dòng định mức 145 A ta chon chiều cao
tiếp điểm h=2,2 mm (2,2-3 mm)
Vậy kích thớc tiếp điểm: a1=16 mm
b1=19,5 mm
h =2,2 mm
2. Lực ép tiếp điểm
Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thờng ở chế độ dài hạn, mà trong chế
độ ngẵn hạn dòng điện lớn, lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị xảy ra do lực
điện động và không bị hàn dính khi tiếp điểm bị đẩy và bị rung.Lực ép tiếp điểm có thể xac định
theo hai công thức
a- Theo công thức kinh nghiệm:
F
tđ
= f
tđ
x I
đm
Trong đó : f
tđ
là lực ép tiếp điểm đơn vị Với kim loại gốm f
tđ
=7-15 G/A
Chọn f
tđ
= 10 G/A
F
tđ
=10 x 145 = 1450G = 1,45 KG =14,5N
Phm Vit Hng TB_T2_K49
Đồ án môn học Khí cụ điện GVHD: Nguyễn Văn Đức
b- Tính theo công thức lý thuyết (5-12TL2) , tại một điểm tiếp xúc , lực ép tiếp điểm sẽ là :
F
tđ1
=
2
tx
td
2
B
2
dm
)
T
T
arccos(
1
.
.16
H A
.I








trong đó :
-A=2,42.10
-8
(V/
O
C) : hằng số Loen.
-H
B
: độ cứng Britnel của tiếp điểm
H
B
= 45 kG/mm
2

- = 325 W/m.
O
C hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn
T
tđ
:Nhiệt độ thân tiếp điểm.

33827365273 =+=+=
tdtd
T


T
tx
:Nhiệt độ điểm tiếp xúc
T
tx
= T
td
+(5-10)
0
C
Chọn T
tx
=T
td
+10=348
0
C
F
tđ1
=
225,0
)
348
338
arccos(
1
.
)325(16
1045 1042.2
.145
22
68
2
=







x
xx

kG =2,25N
Vậy lực ép tiếp điểm :F
tđ
=F
tđ1
x n.
Trong đó n:Hệ số tiếp điểm,với tiếp điểm mặt n=3
F
tđ
=2,25.3=6,75 N
Kết hợp với tính toán thực nghiệm ta chọn:
F
tđ
=14,5 (N).
3,Điện trở tiếp xúc:
- Tính theo công thức thực nghiệm 2-25 (TL1)
R
tx
=
m
td
tx
)F.102.0(
K
Trong đó :
F
tđ
tính bằng Newton (N)
m:Hệ số phụ thuộc dạng kết cấu,tiếp xúc mặt mặt m=1
K
tx
: hệ số kể đến sự ảnh hởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp điểm .
Tra bảng trang 59 TL1 đối với kim loại gốm chọn
K
tx
= (0.2-0.3).10
-3
Chon K
tx
=0.25.10
-3
N/

)(10.69,1
5,14102.0
10.25.0
4
3
==


x
R
tx
Phm Vit Hng TB_T2_K49

Xem chi tiết: Khí cụ điện