Thiết kế khí cụ điện hạ áp

Trong công cuộc xây dựng đất nước đi lên chủ nghĩa xã hội, vấn đề công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước là nhiệm vụ được Đảng và nhà nước ta đặt lên hàng đầu.

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng đất nước đi lên chủ nghĩa xã hội, vấn đề công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước là nhiệm vụ được Đảng và nhà nước ta đặt lên hàng đầu Trong đó nhiệm vụ phát triển ngành công nghiệp năng lượng, sản xuất và truyền tải điện năng được đặc biệt coi trọng

Khí cụ điện là thiết bị điện dùng để điều khiển, kiểm tra, tự động điều chỉnh, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chúng trong trường hợp sự cố.

Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lí làm việc và kích cỡ khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống Việc tính toán thiết kế công tắc tơ nói riêng và khí cụ điện nói chung là nhiệm vụ quan trọng để đảm bảo cho ngành công nghiệp điện năng của đất nước ta có thể tự chủ trong vấn đề sản xuất các thiết bị điện phục vụ cho sản xuất và truyền tải điện năng mà không phải phụ thuộc vào việc nhập khẩu từ nước ngoài.

Dưới đây em xin trình bày toàn bộ nội dung đồ án môn học Thiết kế khí

cụ điện hạ áp do thày giáo Nguyễn Văn Đức hướng dẫn.

Mặc dù trong thời gian qua em đã cố gắng hết sức tìm hiểu thực tế, nghiên cứu tài liệu để thực hiện đồ án, nhưng không thể tránh khỏi sai sót, em mong tiếp tục nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thày

Em mong bày tỏ lòng biết ơn tới sự giúp đỡ của thày giáo Nguyễn Văn

Đức, thày trực tiếp hướng dẫn và toàn bộ các thày trong bộ môn Thiết bịđiện - điện tử đã dạy dỗ em trong nhiều năm vừa qua.

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2007

Sinh viên

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TẮC TƠ

I Giới thiệu về công tắc tơ:1 Định nghĩa:

Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa, bằng tay hay tự động Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén Thông thường hay gặp công tắc tơ đóng cắt bằng nam châm điện

Công tắc tơ điện từ gồm hai loại, công tắc tơ đóng cắt bằng nam châm điện một chiều và công tắc tơ đóng cắt bằng nam châm điện xoay chiều.

2 Cấu tạo chung:

Công tắc tơ điện từ được cấu tạo từ những phần chính: Hệ thống mạch vòng dẫn điện, hệ thống dập hồ quang, hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm, nam châm điện, vỏ và các chi tiết cách điện.

3 Nguyên lý làm việc:

Đưa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện tạo ra từ thông  , từ thông sinh ra lực điện từ ở khe hở  , do lực điện từ Fdt > Fphản lực lò xo nên nắp nam châm điện đậy xuống min, tiếp điểm đóng, công tắc tơ đóng, mạch thông.

Ngắt công tắc tơ: Ngắt dòng điện ở cuộn dây nam châm điện làm mất từ thông 0, lực điện từ Fdt = 0 nên lò xo kéo nắp nam châm điện mở, tiếp điểm mở, hồ quang điện được dập tắt ở buồng dập hồ quang, mạch điện ngắt.

II Chọn phương án thiết kế:

1 Phân tích chọn phương án thiết kế:

Công tắc tơ điện từ xoay chiều dùng nam châm điện có hai dạng:

+ Mạch từ hình chữ U nắp hút quay quanh trụ Tiếp điểm kiểu ngón, dạng tiếp xúc đường, dùng dây nối mềm để đưa điện vào tiếp điểm Thích hợp với dòng điện lớn, chế độ làm việc nặng nề của công tắc tơ.

+ Mạch từ hình chữ E nắp hút thẳng, một phần phần ứng ngập trong lòng ống dây Tiếp điểm kiểu cầu một pha hai chỗ ngắt, không cần dây nối mềm, dập hồ quang dễ hơn, dạng tiếp xúc của tiếp điểm là tiếp xúc điểm hoặc mặt tuỳ theo dòng định mức Thích hợp với chế độ làm việc nhẹ nhàng của công tắc tơ.

Qua phân tích các phương án thiết kế công tắc tơ trên kết hợp với yêu cầu thiết được giao là thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều có dòng định mức nhỏ (30A) tần số thao tác 400lần/giờ là chế độ làm việc nhẹ nhàng nên chọn phương án thiết kế tối ưu là mạch từ hình chữ E nắp hút thẳng

2 Phân tích chi tiết phương án đã chọn:

*Ưu điểm:

+ Kết cấu đơn giản.

+ Lực hút điện từ được phân bố đều.

+ Không cần dây nối mềm để đưa điện vào tiếp điểm động.

*Nhược điểm:

+ Trọng lượng phần động lớn gây khó khăn cho việc hút.

+ Nếu dòng lớn thì độ mở tiếp điểm lớn dẫn đến kích thước công tắc tơ lớn.

a) Dạng mạch từ:

Mạch từ hình chữ E, cuộn dây đặt ở giữa, vòng ngắn mạch đặt ở hai cực từ bên, lực hút điện từ phân bố đều hơn, đặc tính lực hút điện từ sát đặc tính cơ đảm bảo thiết kế tối ưu.

b) Hệ thống mạch vòng dẫn điện:

Tiếp điểm kiểu cầu một pha hai chỗ ngắt, ưu điểm là dễ dập hồ quang, không cần dây nối mềm đưa điện vào tiếp điểm động, do đó kết cấu đơn giản

c) Buồng dập hồ quang:

Buồng dập hồ quang kiểu dàn dập, kích thước nhỏ, hạn chế vùng hồ quang cháy, giảm âm thanh khi hồ quang cháy.

d) Hệ thống phản lực:

Dùng lò xo hình trụ chịu nén, xoắn, phản lực nhả của tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ đều sử dụng phản lực lò xo

Dạngkết cấu đơn giản

CHƯƠNG II TÍNH MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

1 Tính thanh dẫn động:

- Chọn vật liệu: Tra bảng trang 44 và bảng 2-22 trang 82, chọn

vật liệu là đồng kéo nguội, kí hiệu: M1-TB

hệ số toả nhiệt ở điều kiện không khí chuyển động tự

nhiên, chọn = 7,5 ( tra bảng 6-5 trang 300TLTK).

Với điều kiện nhiệt độ cho phép của đồng là 950C.

Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch là 3000C.

Theo hình 6-6TLTK v à tra bảng 6-7 trang 305 TLTK

Nhận xét: Dựa vào các kết quả kiểm tra ở chế độ ngắn hạn và dài hạn tathấy các thông số a, b đều đạt yêu cầu kĩ thuật.

3 Đầu nối:

Theo bảng 2-9 trang 32TLTK:

*Với Idm = 30A chọn vít M515có đường kính ren d = 5mm + Diện tích tiếp xúc của đầu nối

Ktt: hệ số tiếp xúc, theo bảng trang 59TLTK chọn Ktt = 0,14.103m

Vậy việc chọn vít nối là thích hợp.

*Với Idm = 5A, chọn vít có đường kính ren d = 3 mm + Diện tích tiếp xúc đầu nối Stx = 5/0,31= 16,1 mm2

a) Vật liệu làm tiếp điểm:

Theo bảng 2-13 trang 45TLTK với Idm = 30A chọn vật liệu tiếp điểm là kim loại gốm bạc niken than chì:

Với Idm = 30A < 100A, chọn tiếp điểm hình trụ cầu:

Tiếp điểm chính: đường kính tiếp điểm d = 10mm, chiều cao h = 1,8mm Tiếp điểm phụ: đường kính tiếp điểm d = 3mm, chiều cao h = 1mm.

 : điện trở suất của vật liệu tiếp điểm, =0,035.104 cm p,s: chu vi và diện tích tiếp điểm (cm, cm2 )

chọn Ihdbd = 548 > Inm = 10.Idm = 300(A) => thoả mãn.

f) Kiểm tra sự rung tiếp điểm:

Theo công thức 2-39 và 2-40 trang 72TLTK ta có:

* Biên độ rung tính cho 3 cặp tiếp điểm:

 thoả mãn sự rung tiếp điểm.

g) Hao mòn tiếp điểm:

Theo công thức 2-54 trang 79TLTK ta có:

Khối lượng hao mòn trung bình của một cặp tiếp điểm cho một lần đóng

Khối lượng tiếp điểm: Gtd = td Vtd

Với: td=8,7(g/cm3 )trọng lượng riêng của vật liệu tiếp điểm.

=> l = 1,5 + 0,02.30  3(mm)

Với tiếp điểm phụ: l = 1,5 + 0,02.52 (mm)

Tính toáng dựng đặc tính cơ (đặc tính phản lực contactor):

- Độ bền giới hạn khi kéo k 2200N/ mm2 - Giới hạn mỏi cho phép khi uốn u 770N/ mm2

- Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn x 480N/ mm2

* Độ lún của lò xo: xlv = l = 3(mm) * Chỉ số lò xo: C = Dd =10

Với D: đường kính lò xo d: đường kính dây lò xo.

 Đường kính dây lò xo: d = FC mm

*Độ mở tiếp điểm phụ: Với Idm = 5A chọn độ mở m = 7(mm) *Độ lún tiếp điểm phụ: l = A + B.Idm = 1,5 + 0,02.5 = 2 (mm)

Để xác dịnh Fdt ta phải dựa vào đặc tính cơ (ĐTC) Trên ĐTC ta xác định được điểm tới hạn K(3mm; 31,88N) là điểm mà đặc tính lực hút điện từ dễ

Tra bảng (5-2) trang 189TLTK: Ta thấy việc chọn dạng kết cấu như phần

chọn sơ bộ kết cấu nam châm điện là hợp lí.

2 Chọn vật liệu mạch từ:

Nam châm điện xoay chiều: mạch từ làm bằng thép kĩ thuật điện ghép lại nhằm giảm tổn hao, tôn Silich dày từ 0 ,10,5mm

Tra bảng (5-4) trang 193TLTK: chọn vật liệu làm mạch từ có các thông

* Hệ số từ rò r = 1 ,31,6chọn = 1,4

* Chọn B khi phần ứng chưa bị hút sao cho khi nắp hút thì giá trị cực đại Bmax < Bbão hoà Chọn B =0,40,6, chọn Bth = 0,4T.

4 Xác định tiết diện lõi thép và kích thước, thông số chủ yếu của namchâm điện:

4.1 Xác định tiết diện lõi thép:

1) Xác định Sl hoặc Sml nằm ở khe hở làm việc:

Để nam châm điện làm việc thì đặc tính lực hút phải nằm cao hơn và không cắt đặc tính cơ Do đó từ đặc tính cơ ta xác định được Fcơth ứng với

' với a: kích thước cực từ giữa a’: kích thước cực từ bên.

với là chiều dày lá thép, chọn = 0,5(mm).

4.2 Xác định kích thước cuộn dây:

1) Xác định sức từ động cuộn dây nam châm điện:

Với nam châm điện xoay chiều, sức từ động phụ thuộc sức từ động tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong lõi thép và tổn hao trong vòng ngắn mạch Do đó sức từ động cuộn dây tăng nên để bù vào tổn hao.

, trong đó hophụ thuộc kết cấu nam châm điện Vớinam châm điện chữ E:

4.3 Xác định kích thước cuộn dây:

Scd = lcd.hcd với lcd: chiều dày cuộn dây hcd: chiều cao cuộn dây

5 Xác định kích thước mạch từ và cuộn dây nam châm điện:

a) Tiết diện đáy mạch từ: Sd = 0,5.Sl =0,5.a.b’=351mm2

2 Từ dẫn qua khe hở không khí:

a) Khe hở 2: dùng phương pháp phân chia từ trường, chia ra làm 17 hình,

G2 = 0,26.0.b’

- Từ dẫn ở hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là :

- Từ dẫn ở hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong , đường kính ngoài ( + 2m), chiều dài b’, từ dẫn mỗi hình là :

Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng G2 ở khe hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên :

-Grb là từ dẫn rò 2 hình ½ trụ tròn đặc có đường kính: ccs, chiều cao hcs

-Grc là từ dẫn rò 2 hình ½ trụ tròn rỗng có đường kính trong ccs, đườngkính ngoài (ccs+a), chiều cao hcs.

Vì nam châm điện xoay chiều, lực điện từ F=f(t) gây ra hiện tượng rung nắp nên phải dùng vòng ngắn mạch để chống rung.

a) Trị số trung bình của lực điện từ ở khe hở khi không có vòng ngắn mạch,

Stn = Sc - Snm : diện tích trong ngoài.

Với Sc: diện tích một cực từ, Sc = a’.b’=17.27=459mm2

Snm: diện tích phần ứng vòng ngắn mạch chiếm chỗ trên cực từ

c) Suất tổn hao vật liệu ứng với BMax trong lõi thép:

11 Tính toán nhiệt cuộn dây:

a) Điện trở cuộn dây:

Với Str , Sng : diện tích trong, ngoài cuộn dây.

với K : hệ số đặc trưng cho hiệu quả toả nhiệt của mặt trong

Fnh 42,7953 24,5581 22,3545 9,4129 6,6979

14 Tính thời gian tác động và thời gian nhả:

ttđ = t1 + t2 với t1: thời gian khởi động khi đóng.

tnh = t3 + t4 t2: thời gian chuyển động khi đóng t3: thời gian khởi động khi nhả t4: thời gian chuyển động khi nhả.Với nam châm điện xoay chiều: t1, t3 = 0,01(s)

delta (mm)F(N)

Đồ thị đặc tính hút và nhả của nam châm điện.

CHƯƠNG IV BUỒNG DẬP HỒ QUANG

1 Khái niệm chung về hồ quang điện:

a) Hồ quang điện:

Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn và nhiệt độ cao đồng thời kèm theo hiệu ứng ánh sáng

Do ảnh hưởng của hồ quang điện làm cho mạch điện ngắt không dứt khoát, tiếp điểm cắt sẽ bị cháy hỏng đồng thời gây ra quá điện áp do đó việc dập hồ quang điện trong khí cụ điện là một vấn đề rất quan trọng và phức tạp.

b) Nguyên nhân sinh ra hồ quang điện:

Nguyên nhân sinh ra hồ quang điện là do quá trình ion hoá chất khí, gồm các dạng ion hoá:

+ Tự phát xạ điện tử + Phát xạ nhiệt điện tử + Ion hoá do va chạm + Ion hoá do nhiệt độ cao

Song song với quá trình phát sinh hồ quang là quá trình dập tắt hồ quang hay phản ion hoá gồm hai hiện tượng:

+ Tái hợp + Khuếch tán.

c) Biện pháp dập hồ quang điện:

Biện pháp dập hồ quang điện là phải tăng cường quá trình phản ion hóa: + Làm giảm nhiệt độ hồ quang.

+ Giảm đường kính hồ quang.

Với các thiết bị khác nhau thì quá trình dập hồ quang là khác nhau nên ta phải khảo sát riêng cho từng loại khí cụ điên.

2 Yêu cầu đối với hệ thống dập hồ quang:

- Thời gian dập tắt hồ quang nhỏ - Đảm bảo khả năng đóng ngắt - Quá điện áp thấp.

- Kích thước nhỏ.

- Hạn chế âm thanh và ánh sáng.

3 Vật liệu và kết cấu buồng dập hồ quang:

Do tính chất của dòng điện xoay chiều là biến đổi theo thời gian, trong một chu kì dòng điện qua giá trị 0 hai lần nên việc dập hồ quang điện xoay chiều dễ hơn dập hồ quang điện một chiều Người ta lợi dụng hiện tượng này để thiết kế thiết bị dập hồ quang sao cho hồ quang bị tắt ngay ở nửa chu kì đầu tiên.

Để dập hồ quang điện xoay chiều người ta sử dụng buồng dập hồ quang kiểu giàn dập Cấu tạo buồng dập hồ quang kiểu giàn dập gồm nhiều tấm sắt non đặt song song với nhau.

Vật liệu làm buồng dập hồ quang phải đảm bảo được yêu cầu: chịu nhiệt độ cao, cách điện tốt, chống ẩm và nhẵn bóng.

Vật liệu làm buồng dập hồ quang là ximăng amiăng: là vật liệu chế tạo từ bột xơ amiăng trộn với xi măng và nước sau đó ép vào khuôn định hình và sấy khô Sợi amiăng có nhiệt độ nóng chảy cao, cách điện lớn.

Buồng dập kiểu giàn dập có dòng điện định mức 30A, tiếp điểm kiểu cầu có hai chỗ ngắt phù hợp với contactor có chế độ làm việc nhẹ Buồng dập kiểu giàn dập cho ta khả năng kéo dài hồ quang và dập tắt trong thể tích nhỏ.

Chọn số tấm sắt non song song: n = 4 (tấm).

4 Nguyên lý dập hồ quang điện xoay chiều:

Nguyên lý dập hồ quang: Dòng hồ quang tác dụng với từ trường của tấm

sắt non tạo ra lực điện động kéo hồ quang vào buồng dập làm chiều dài hồ quang tăng, đường kính hồ quang giảm Đồng thời do tác dụng của các tấm sắt non, nhiệt độ hồ quang giảm, hồ quang bị chia làm nhiều đoạn dẫn đến Ubền điện tăng, hồ quang bị dập tắt.

Tài liêu tham khảo:

- Khí cụ điện (Phạm Văn Chới, Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn).

- Thiết kế khí cụ điện hạ áp.

- Bài giảng khí cụ điện hạ áp (Nguyễn Văn Đức)