Tải bản đầy đủ (.pdf) (74 trang)

Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Xác định và lựa chọn kết cấu của Rơle docx

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (853.37 KB, 74 trang )











Đồ án tốt nghiệp

Xác định và lựa chọn kết cấu của Rơle





ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


1
XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA RƠLE

LỜI NÓI ĐẦU
Trong ngành công nghiệp điện năng, từ khâu sản xuất truyển tải,
phương pháp và tiêu thụ điện năng luôn phải sử dụng các khí cụ như: áp tô
mát, công tắc tơ, rơ le và cầu dao… Để phân phối và điều khiển, bảo vệ nhằm
đảm bảo hiệu quả kinh tế và an toàn trong sử dụng. Khí cụ là những thiết bị,
cơ cấu điện tuỳ theo lĩnh vự
c sử dụng được chia thành 5 nhóm, mỗi nhóm lại


được chia thành nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là:
1. Nhóm khí cụ điện phương pháp năng lượng điện áp cao gồm: dao
cách ly, máy ngắt, biến dòng…
2. Nhóm khí cụ điện phương pháp năng lượng điện áp thấp gồm: cầu
dao, cầu chì…
3. Nhóm khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ, các bộ
khống chế và
điều khiển….
4. Nhóm khí cụ điện gồm các rơ le bảo vệ như: rơ le dòng điện, rơ le
điện áp, rơ le thời gian, rơ le trung gian….
5. Nhóm khí cụ dùng trong sinh hoạt: ổ cắm, phích điện….
Khi thiết kế một loại khí cụ điện phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu
của một sản phẩm công nghiệp hiện đạt. Đó là các yêu cầu kỹ thuật, vậ
n hành,
kinh tế, xã hội được biểu hiện qua các tiêu chuẩn chất lượng các định mức
nhà nước, của ngành.
Các yêu cầu kỹ thuật như độ bền nhiệt của các chi tiết, các bộ pận làm
việc ở chế độ định mức và khi có sự cố xảy ra, độ bền cơ và tính chịu mòn
(của các bộ phận), độ bền cách điện cũng như khả năng đ
óng ngắt của thiết bị.
Một yêu cầu về kỹ thuật nữa là kết cấu phải đơn giản, khối lượng và kích thức
bé.
Các yêu cầu về vận hành như: độ tin cậy cao, dễ thao tác, sửa chữa, chi
phí cho vận hành và tổn hao thấp, thời gian sử dụng lâu dài. Trong vận hành
phải lưu ý đến các yếu tố như: độ ẩm, độ cao, nhiệt độ….
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2
Các yêu cầu về kinh tế, xã hội và công nghệ chế tạo: giá thành phải hạ,
phải có tính thẩm mỹ trong kết cấu, tính cạnh tranh, khả năng lắp lẫn và khả

năng phát triển trong tương lai.
Một khí cụ điện thường gặp nói chung phải có các bộ phận chủ yếu là:
- Mạch vòng dẫn điện gồm: thanh dẫn, đầu nối, các tiếp điểm….
- Hệ thống dậ
p hồ quang
- Các cơ cấu trung gian
- Nam châm điện
- Các chi tiết và các cụm cách điện
- Các chi tiết kết cấu, vỏ, thùng.
Rơ le là loại khí cụ tự động đóng ngắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều
khiển sự làm việc của mạch điện. Tuỳ theo nguyên lý làm việc, tuỳ theo đại
lượng điện và giá trị dòng áp đi vào mà có nhiều loại rơ
le khác nhau như: rơ
le điện từ, rơ le nhiệt, rơ le cảm ứng, rơ le bán dẫn, rơ le dòng điện, rơ le điện
áp và rơ le trung gian.
Ở Việt Nam cũng chế tạo được các loại khí cụ điện nói chung và rơ le
nói riêng. Tuy nhiên chất lượng của nó chưa cao (tuổi thọ không lớn). Khi cần
các loại khí cụ có độ tin cậy cao và chất lượng tốt đa phần là nhập t
ừ nước
ngoài.
Trong nội dung của đồ án sẽ trình bày các phần tính toán thiết kế rơ le
trung gian điện từ kiểu kín. Có các thông số ban đầu:
+ 4 tiếp điểm thường đóng, 4 tiếp điểm thường mở
+ U
đm
= 220V
+ I
đm
= 5A
+ f = 50 Hz

+ Điện áp điều khiển U
đmđk
= 220V, f = 50 Hz
Làm việc liên tục, cách điện cấp B. Tuổi thọ điện 10
6
lần đóng cắt, tuổi
thọ cơ 10
7
lần đóng cắt.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3
CHƯƠNG I: XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA
RƠLE

I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RƠ LE:
- Rơ le là những thiết bị điều khiển tự động. Khi tín hiệu đầu vào, đạt
những giá trị xác định, nhảy cấp làm biến đổi tín hiệu đại lượng đầu ra.
I.1. Cấu tạo của Rơle:
Rơ le gồm có 3 cơ cấu chính:
+ Cơ cấu thu: Tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành
những đại lượng cần thiết để rơle hoạ
t động .
+ Cơ cấu trung gian: So sánh những đại lượng đã được biến đổi với
mẫu rồi truyền tín hiệu đến cơ cấu chấp hành .
+ Cơ cấu chấp hành: Phát tín hiệu cho mạch điều khiển.
I.2. Phân loại rơle:
Rơle được phân loại theo công dụng và nguyên lý làm việc.

+ Loại rơle có tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển bằng cách đóng
ngắ
t tiếp điểm.
+ Loại rơle không tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển bằng cách
thay đổi đột ngột những tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều
khiển.
+ Theo đặc tính tham số đầu vào ta có thể chia ra rơle dòng điện; rơle
điện áp; rơle công suất; rơle tần số…
Những loại rơle này có thể đ
iều chỉnh theo giá trị cực đại hay cực tiểu
hiệu số các tín hiệu hoặc chiều tín hiệu.
+ Theo phương pháp mắc cơ cấu thu vào mạch ta có thể chia ra loại
rơle:
- Rơle mạch sơ cấp: Mắc trực tiếp vào mạch điều khiển.
- Rơ le mạch thứ cấp: Mắc gián tiếp qua biến áp hay biến dòng.
- Rơle trung gian: Làm việc dưới tác động của những tín hiệu t
ừ các
rơle khác, với nhiệm vụ khuyếch đại những tín hiệu này và chia ra tác động
lên nhiều mạch điều khiển khác nhau.
+ Theo mục đích sử dụng chia ra 3 nhóm cơ bản:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4
- Rơle bảo vệ mạng điện: Thường là rơle mạch nhị thứ (thứ cấp). Các
cơ cấu thu và chấp hành của chúng thường được thiết kế với dòng điện bé.
- Rơle điều khiển: Thường là loại rơle mạch sơ cấp.
- Rơle tự động và liên lạc: Có thể là rơle mạch thứ cấp loại sơ cấp,
chúng làm nhiệm vụ
đảm nhiệm các quá trình tự động và thông tin liên lạc.
I.3. Các yêu cầu khi thiết kế:

+ Các yêu cầu về kỹ thuật:
- Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của rơle làm việc ở
chế độ định mức và chế độ sự cố.
- Đảm bảo độ bền cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và
khoảng cách cách điệ
n khi làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài và trong
điều kiện xung quanh (như mưa, bụi, bẩn…) cũng như khi có điện áp nội bộ.
- Đảm bảo độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận rơle trong giới
hạn số lần thao tác đã thiết kế, thời gian làm việc ở chế độ định mức cũng
như chế độ sự cố
.
- Khả năng đóng ngắt ở chế độ sự cố và chế độ định mức.
- Khi U = 85% Uđm thì lực hút điện từ của nam châm điện phải đảm
bảo đủ để hút tiếp điểm tiếp xúc.
- Khi U = 110% Uđm thì cuộn dây không được quá trị số cho phép để
lò xo nhả tác động.
- Kết cấu phải đơn giản; khối lượng và kích thước phải nh
ỏ gọn.
+ Các yêu cầu về vận hành:
- Độ tin cậy cao.
- Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài.
- Đơn giản dễ thao tác, dễ thay thế, dễ sửa chữa.
- Phí tổn vận hành ít, tiêu tốn ít năng lượng.
+ Các yêu cầu về kinh tế xã hội:
- Giá thành hạ.
- Kết cấu phải có thẩm mỹ.
- Vốn đầu tư khi chế tạo, lắp ráp vận hành ít.
II. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RƠLE ĐIỆN TỪ.
II.1. Tác dụng:
Để bảo vệ mạch điện khi có sự cố ngắn mạch hay quá tải điện áp.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

5
+ Rơle điện từ cấu tạo đơn giản, lực hút điện từ (F
đt
) khá lớn do vậy
rơle điện từ được sử dụng rất rộng rãi.
+ Rơle điện từ có loại 1 chiều và xoay chiều công suất từ vài wát đến
hàng nghìn wát, trong khi đó công suất tiêu thụ khoảng vài chục wát.
+ Thời gian tác động của rơle điện từ trong khoảng 1 – 20ms.
+ Rơle điện từ có các loại: Dòng điện, điện áp cực đại và cực tiểu, rơ
le
công suất, rơle tổng trở, tần số, trung gian, tín hiệu…
II.2. Sơ đồ cấu tạo.
1. Thân mạch từ.
2. Nắp mạch từ
3. Lò xo nhả
4. Cuộn dây
5. Tiếp điểm tĩnh
6. Tiếp điểm động


II.3. Nguyên lý hoạt động:
- Khi đưa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện thì cuộn dây sinh ra
một sức từ động F = IW. Sức từ động sinh ra từ thông khe hở không khí của
nam châm điện φ
δ
.
Khi F
đt

> F
ph
(lực hút điện từ lớn hơn lực phản hồi) làm cho nắp của
nam châm điện đóng lại nhờ thanh dẫn động làm tiếp xúc các tiếp điểm tĩnh
và động lại với nhau.
- Khi không có dòng điện đưa vào cuộn dây nam châm điện khi đó I = 0 ->
F
đt
= 0 -> F
ph
> F
đt
lò xo kéo nắp nam châm trở về vị trí ban đầu và tiếp điểm tĩnh
cũng được đưa về vị trí ban đầu tách các tiếp điểm tĩnh và động khỏi nhau.

III. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ:
III.1. Phân tích các mẫu:
Để có kết cấu hợp lý và phù hợp với công nghệ chế tạo yêu cầu của đề
tài ta tiến hành khảo sát một số loại rơle điện từ trung gian của một số nước.
2
1
4
3 6
5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

6
a. Rơle do Liên Xô cũ sản xuất :
- Nam châm hút một chiều hoặc xoay chiều.
- Mạch từ hút chập cho lực hút điện từ lớn.

- Nam châm hĩnh chữ U.
- Tiếp điểm: Một pha hai chỗ ngắt, kiểu bắc cầu; không có dây nối mềm.
Ưu điểm:
- Kết cấu chắc chắn.
- Tuổi thọ cao.
- Độ tin cậy cao.
- Dễ tháo lắp, thay thế, sửa chữa các chi tiết.
Nhược điểm:
- Kích thước và trọng lượng lớn.
b. Rơle do Nhật Bản sản xuất:
- Có nhiều loại nhưng chủ yếu là kiểu hút chập.
- Kết cấu kiểu Công Sôn -> 1 pha một chỗ ngắt có dây dẫn nối mềm.
Ưu điểm:
- Kích thước nhỏ, gọn.
- Mẫu mã hình dáng đẹp.
Nhược điểm:
- Công nghệ chế tạo cao.
- Độ tin cậy không cao.
* K
ết luận:
Từ hai loại rơle do Liên Xô cũ và Nhật Bản sản xuất trên và yêu cầu của
thiết kế của đồ án ta chọn loại rơle do Liên Xô cũ sản xuất làm nhiệm vụ thiết kế.
III.2. Lựa chọn phương án thiết kế :
Qua quan sát và tìm hiểu kết cấu rơle của các nước kể trên ta thấy
chúng thường có cấu chung gần giống nhau.
- Kiểu hút chập.
- D
ạng mạch từ hình chữ U.
- Tiếp điểm động được bố trí trên 1 thanh.
- Kết cấu đơn giản.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

7


1 - Lò xo nhả
2 - Lẫy gạt
3 - Cần chuyển động
4 - Tiếp điểm tĩnh, thanh dẫn tĩnh
5 - Tiếp điểm động, thanh dẫn động
6 - Đế giữ mạch từ.
7 - Thân mạch từ
8 - Vỏ
9 - Cuộn dây
10 - Vòng ngắn mạch
11 - Nắp mạch từ
12 - Cơ cấu truyền đông
13 - Dây dẫn cuộn dây
14 - Lẫy giữ vỏ
15 - Đế
16 - Thanh giữ
và định hướng chuyển
động cho thanh truyền động.
a. Chọn tiếp điểm:
Tiếp điểm là một bộ phận quan trọng của rơle, nó ảnh hưởng đến độ
bền, hư hỏng của rơle. Tuy thuộc vào dòng điện, chức năng kết cấu và hình
thức tiếp xúc của tiếp điểm trong rơle mà lựa chọn tiếp điểm cho phù hợp và
phải thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau:
- Nhiệt độ: Phát sáng của bề mặt tiếp xúc ở chế độ làm việc dài hạn
phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép với dòng điện lớn tiếp điểm phải chịu được

độ bền nhiệt và độ bền điện động.
- Điện trở tiếp xúc và ổn định độ rung không vượt quá giá trị
cho phép.
b. Chọn nam châm điện:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

8
Theo nguyên lý truyền động điện từ thì nam châm có dạng nắp hút chập
hay hút quay. Qua phân tích ta chọn nam châm, nam châm kiểu hút chấp có
các tính năng như sau:
+ Lực hút điện từ lớn.
+ Nam châm điện đóng vai trò cơ cấu truyền động, nó quyết định tính
năng làm việc cũng như kích thước của rơle.
+ Từ thông số không đổi trong quá trình nắp chuyển động.
+ Từ dẫn khe hở không khí không lớn.
+ Đặc tính lực hút g
ắn với phản lực .
+ Vòng ngắn mạch.
c. Chọn khoảng cách cách điện:
Khoảng cách cách điện trong rơle nói riêng và trong các loại khí cụ
điện nói chung đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó ảnh hưởng đến kích
thước, độ tin cậy, tuổi thọ và khả năng làm việc của các thiết bị. Khoảng cách
cách điện phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Điện áp định mứ
c.
+ Môi trường làm việc.
+ Độ bền nhiệt của các vật liệu trong rơle.
- Điện áp cách điện giữa các pha và các pha với đất theo bảng 1-2 TL2
chọn khoảng cách cách điện giữa các pha l
cd

= 10 (mm).


N TT NGHIP

9
CHNG II. TNH TON V KIM NGHIM MCH
VềNG DN IN

I. GII THIU KT CU MCH VềNG DN IN
Trong cỏc loi khớ c in núi chung v r le trung gian núi riờng.
Mch vũng dn in úng vai trũ quan trng, nú cựng vi nam chõm in,
khõu truyn ng trung gian, v cỏc b phn kt cu khỏc cu thnh mt r le
hon chnh.
Trong r le trung gian, mch vũng dn in l kt cu ca nhiu b
phn khỏc nhau cu to thnh. Nú bao gm, thanh dn ng, thanh dn tnh,
tip im ng, tip
im tnh, giỏ tip im, dõy ni mm, u ni ra.


Hỡnh 1.1. Kt cu chung ca mch vũng dn in.

Tớnh toỏn thit k mch vũng dn in ca r le in t trung gian xoay
chiu kiu kớn, thc cht l tớnh toỏn thit k tng b phn cu thnh nú nh
ó nờu trờn.
II. THIT K TNH TON THANH DN
1. Cỏc bc tớnh toỏn thanh dn.
Tớnh toỏn thit k thanh dn bao gm:
- Xỏc nh tit din v ch lm vic c bn ca nú ch di hn
v cỏc ch khỏc.

- Tớnh toỏn kim nghim tit din v kớch thc ca nú ch lm
vic ngn hn v ch khi ng i vi r le trung gian l kh nng iu
Thanh dẫn tĩnh
Tiếp điểm tĩnh
Tiếp điểm động
Thanh dẫn động
Đầu nối
Dây dẫn mềm
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

10
khiển và dùng trong tự động hóa, các chế độ sự cố như ngắn mạch xảy ra với
các thiết bị phân phối năng lượng.
- Lựa chọn dạng và kết cấu thanh dẫn trên cơ sở các thông số đã tính
toán.
2. Tính toán thanh dẫn động
Thanh dẫn động, thực hiện chức năng đóng hay mở tiếp điểm, truyền
chuyển động, mang điện truyền tải, do
đó nó phải đảm bảo tính dẫn điện, độ
bền cơ khí, khả năng tản nhiệt, mức độ phát nóng phải phù hợp. Với các loại
rơ le trung gian điều khiển dùng trong tự động hóa hiện nay, người ta thường
dùng vật liệu là đồng phôt pho, có tính chất và các thông số kỹ thuật như sau
(Tra theo bảng 2.22 của tài liệu [2] và đồ thị 1.11 của tài liệu [2]).

Ký hiệu
Bp0
φ
6,5
Tỷ trọng
γ=8,9g/cm

3
Nhiệt độ nóng chảy T
nc
=1083
o
C
Điện trở suất ở 20
o
C
ρ
=0,01754.10
-6
Ω.m
Hệ số nhiệt điện trở
α
=4,3.10
-3
1/
0
C
Độ dẫn điện
λ
=3,9W/g
0
C
Nhiệt lượng nóng chảy 390J/g
Nhiệt dung C
p
=0,385J/g
0

C
Modul đàn hồi 4600.10
6
kG/cm
2
Hệ số nhiệt độ của nhiệt dung 10
-4
Nhiệt lượng bay hơi 2600J/g
Độ cứng H
B
=105B.kG/mm
Giới hạn đồ bền kéo
σ
k
=550N/mm
2

Nhiệt độ ổn định cho phép 130
0
C
Độ tăng nhiệt cho phép 90
0
C

Với kết cấu rơ le trung gian, thanh dẫn động có kết cấu hình chữ nhật
đã chọn, để đảm bảo các chế độ hoạt động, độ bền theo yêu cầu, thanh dẫn
chữ nhật có chiều dài l. tiết diện chữ nhật có chiều dài a, và chiều rộng b như
sau:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


11








Hình 1.2: Kêt cấu thanh dẫn

a. Xác định kích thước cơ bản.
Từ công thức Niutơn:
P = K
T
.S.T. (θ
ôđ

0
) = K
T
.S
T

ôđ

Cũng có thể biểu diễn công thức cân bằng nhiệt độ ở chế độ xác lập cho
mọi chi tiết với bề mặt tản nhiệt S
T
, chiều dài l, và chu vi là S

T
/l:
P = I
2
.R
θ
.K
f
= K
T
.S
T
. (θ
ôđ

mt
)
Hay:
)θθ.(S.K
S
K.l.ρ.I
mtd«TT

2
−=
Trong đó:
• R
θ
: Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định (Ω)
• ρ

θ
: Điện trở xuất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định (Ωm)
ρ
θ
= P
0
.(1+α.θ) = ρ
20
.[1+α.(θ-20)] = ρ
mt
. [1+α.(θ-θ
mt
)]
• ρ
0
, ρ
20
, ρ
mt
điện trở xuất của vật liệu ở 0
0
C, 20
0
C, và nhiệt độ môi
trường (
Ωm)
• α là hệ số nhiệt điện trở, của đồng là 0,0043 1/
0
C.
• K

f
là hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho hiệu ứng gần và hiệu ứng bề
mặt.
K
f
= K
bm
.K
g

• K
bm
là hệ số phụ đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt.
• K
g
là hệ số phụ đặc trưng cho hiệu ứng gần.
• Với dòng điện xoay chiều, chọn K
f
= 1,03÷1,06, ở đây chọn K
f
= 1,05.
a
b
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

12
• S là tiết diện của thanh dẫn S = a.b (mm
2
)
• S

T
là tiết diện tản nhiệt của thanh dẫn (mm
2
)
• P là công suất tản nhiệt (W)
• C
td
là chu vi của thanh dẫn C
td
= 2(a+b) (mm)
• θ
ôđ
là nhiệt độ ổn định của thanh dẫn θ
ôđ
=130
0
C
• θ
mt
là nhiệt độ môi trường hoạt động thông thường lấy θ
mt
= 40
0
C.
• K
T
là hệ số tỏa nhiệt, K
T
= 6.10
-6

W/mm
2
.
0
C (Bảng 6-5 của tài liệu
[2]).
• I là dòng điện định mức, I = 5A
• Tra bảng 6-2 của tài liệu [2] ta được:
P
20
= 0,01754.10
-3
Ωmm
Do đó ta có:
P
θ
= 0,01754.10
-3
[1+0,0043.(130-20)]
= 0,0258.10
-3
Ωmm
Tiết diện thanh dẫn được tính theo công thức 2-4 của tài liệu [2] ta có:
S.C
td
=
2
f
T«d
IPK

K
θ
τ

Tiết diện S = a.b, chu vi C
td
= 2(a+b). Do đó các cạnh a, b của hình
chữ nhật thanh dẫn động xác định như sau:
a.b.2.(a+b) =
θ
τ
2
f
T«d
IPK
K

Hay:
b =
d«T
f
2
K)1n(n2
KPI
τ
θ
+

Trong đó n = a/b, nằm trong khoảng 5
÷10. Chọn n=10, I

đm
= 5A,
K
f
= 1,05, P
θ
= 0,0258.10
-3
Ωmm
τ
ôđ
= 130-40 = 90
0
C ta được
mm0755,0
90.10.6).110.(10.2
05,1.10.0258,0.5
b
6
32
=
+
=

a = 10.b = 0,755 mm
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

13
Để thanh dẫn đạt yêu cầu về kỹ thuật và tính toán ta chọn kích thước
thanh dẫn dựa trên việc chọn đường kính tiếp điểm của thanh dẫn. Mà việc

chọn đường tiếp điểm thanh dẫn phụ thuộc vào dòng điện định mức theo
bảng 2-15 TL[2]
Ta có: I
đm
= (2÷5) A → d

=(2÷4)mm
Chọn d

= 3mm
Chiều rộng của thanh dẫn phải lớn hơn đường kính tiếp điểm. Các
kích thước trên đó phải thỏa mãn về độ bền cơ và bền điện, nên ta chọn
a = 5mm; b =
mm5,0
10
5
l
a
==

Tiết diện thanh dẫn động:
S = a.b = 2,5 mm
2

Chu vi thanh dẫn động:
C = 2(a+b) = 2(0,5+5) = 11mm
Mật độ dòng điện là:
2
td
mm/A2

5,2
5
S
I
J ===

b/ Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn
* Kiểm nghiệm lại nhiệt độ thanh dẫn
Từ công thức 2-4 của tài liệu [2]
θθ
τ
22
f«®f
td
T«d T «® mt
IPK IP(1 ( 0))K
S.C
KK()
+α θ −
==
θ−θ

Do đó:
0
2
ftdTmt
td «®
2
td T f
IPK SC K

SC K I P K
θ
+
θ
θ=θ =

α

Trong đó:
• S là tiết diện thanh dẫn, S = 2,5mm
2

• C
td
là chu vi thanh dẫn C
td
= 11mm
• P
0
là điện trở suất của thanh dẫn ở 0
0
C (Ωmm)
• θ
td
là nhiệt độ hoạt động ổn của thanh dẫn với các thông số
kích thước đã chọn. Trong công thức 2-4 của tài liệu [2] nó đóng vai trò
θ
ôđ

Ta có:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

14
mmΩ10.0162,0
20.10.3,41
10.01754,0
)020(α1
P
P
3
3
3
20
0



=
+
=
−+
=

Như vậy ta có:
23 6
0

62 3 3
5 .0, 0162.10 .1, 05 2,5.11.6.10 .40
43 C

2,5.11.6.10 5 .0,0162.10 .1,05.4,3.10
−−
−− − −
+
θ= =


Vậy ta có:
θ
ôđ
= 130
0
C (theo đề bài) > θ

= 43
0
C
Nên thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ dài hạn
*. Kiểm nghiệm lại chế độ làm việc ngắn mạch
Từ công thức 6-21 trong tài liệu [2]:
(**)AA
S
tI
S
t.I
dbn
2
bn
2
bn

2
nm
2
nm
−==
Trong đó:
• I
bn
= I
nm
là dòng ngắn mạch và cũng chính là dòng bền nhiệt (A)
• T
nm
= T
bn
= là thời gian ngắn mạch và cũng chính là thời gian bền
nhiệt (s)
• A
bn
, A
d
là hằng số tích phân với độ bền nhiệt và nhiệt độ dài (A
2

s/mm
4
). Trong đó đối với đồng A
bn
lấy ở θ
bn

= 300
0
C
• S là tiết diện thanh dẫn S =2,5mm
2

Tra đồ thị 6-6 tài liệu [2] ta có:
θ
bn
=300
0
C thì ta có A
bn
=4.10
4
(A
2
s/mm
4
)
θ
ôđ
=130
0
C thì ta có A
bn
=2,1.10
4
(A
2

s/mm
4
)
Từ công thức (**) ta có:
bn
dbn
nm
t
AA
SI

=

Với t = 3s ta có [J] = 94A/mm
2


3
nm
I = )A(199
3
10.1,210.4
5,2
44
=


=>
3
3

nm
2
t
I
199
J79,6(A/mm)
S2,5
===

Với t = 4s ta có
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

15
4
nm
I
= )A(3,172
4
10.1,210.4
5,2
44
=



4
4
nm
2
t

I
172,3
J68,92(A/mm)
S2,5
== =

Với t = 10s ta có [J] = 51 (A/mm
2
)
10
44
nm
4.10 2,1.10
I 2,5 109(A)
10

==


10
10
nm
2
t
I
109
J43,6(A/mm)
S2,5
===


Ta lập được bảng so sánh giữa mật độ dòng điện bền nhiệt đã tính
và mật độ dòng điện bền nhiệt tiêu chuẩn của thanh dẫn
t(s)
J(Amm
2
)
t=3s t=4s t=10s
J
tt
79,6 68,9 43,6
[J] 94 82 52

Vậy thanh dẫn thỏa mãn điều kiện làm việc ở chế độ ngắn hạn.
* Kiểm nghiệm thanh dẫn động làm việc ở chế độ ngắn hạn
Điện trở thanh dẫn trên một đơn vị chiều dài (1mm) ở nhiệt độ
130
0
C là:
R
130
= R
20
[1+α(θ-20)]
ρ
20
S
1
[1+α(θ-20)]
Thay số ta có:
R

130
= 0,01754.10
-3
.
5,2
20
[1+0,0043.[130-20]
= 0,2067.10
-3
Ω
Tổn hao công suất ở chế độ dài hạn là:
P
dh
= I
dh
2
.R
130
= 25.0,2067.10
-3
= 5,1673.10
-3
W/mm
Hằng số thời gian phát nóng theo 6-13 trong tài liệu [2] là:
SK
MC
T
T
ρ
=

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

16
Trong đó:
• C
p
là nhiệt dung riêng của đồng phốt pho. C
p
= 0,385J/Kg.
0
C
• M là khối lượng của vật phát nóng:
M =
γ.S.l = 8,9.0,025.2 = 0,445g
• S là tiết diện thanh dẫn, S = 2,5mm
2

• γ là trọng lượng riêng của đồng phốt pho, γ = 9,8g/cm
• l là chiều dài thanh dẫn, l = 20mm
• K
T
là hệ số tỏa nhiệt của thanh dẫn tính:
dh
3
620
T
lm
P
5,1673.10
K 26,1.10 W / cm . C

S . 2.(2.0,05 2.0,5).90


== =
τ+

• Suy ra:
s262567
025,0.10.1,26
445,0.385,0
T
6
==


Độ tăng nhiệt ngắn hạn:
τ
ττ
nh
T
nh «®
.[1 e ]

=−

Chọn chế độ ngắn hạn có
τ
nh
= 20s
Ta có:

ττ
20
0
262567
nh «®
.[1 e ] 90.[1 0,999923] 0,007 C

=− =− =
Độ tăng nhiệt ổn định khi công suất ở chế độ ngắn hạn là:
τ
nh
0
«®
«®
/T
90
1181102,4 C
0,0000762
1e
τ
τ
== =


Đối với với công suất cho phép ở chế độ ngắn hạn là:

nh
3
®h
nh

/T
P
5,1673.10
P
0,0000762
1 - e

τ
==
= 67812 . 10
-3
W/cm
2
.
Dòng cho phép ở chế độ ngắn hạn là:
τ
I
nh
®h
nh
T
I
5
572,74A
0,0000762
[1 e ]
== =


Hệ số công suất quá tải ở chế độ ngắn hạn là:

nh
p
3
®h
P
67,812
K13,12
P
5,1673.10

== =

Hệ số quá tải dòng ở chế độ ngắn hạn là:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

17
nh
I
®h
I
572,74
K114,548
I5
== =

Tính toán kiểm nghiệm:

«®
nh
«® «®

1181102,4
T T.In 262567In 20,008s
1181102,4 90

τ
== =
′′
τ−τ −

Như vậy kết quả chọn và kết quả tính toán kiểm nghiệm ở trên là
gần đúng. Do đó thanh dẫn động có thể hoạt động tốt ở chế độ ngắn hạn.
3. Tính toán thanh dẫn tĩnh
Thanh dẫn tĩnh là bộ phận cắm trực tiếp với đế, có chứa cả tiếp điểm
để tiếp xúc với thanh dẫn động qua đầu nối.
Như vậy là khả năng làm việc của thanh dẫn tĩnh ngoài độ bền về
điện, nó còn phải có độ bền về cơ, do đó ta có thể chọn thanh dẫn tĩnh như
sau:
a = 5mm
b = 1mm
Khi đó tiết diệ
n cắt ngang của thanh dẫn tĩnh là:
S
tdt
= a.b = 5.1 = 5 (mm
2
)
- Mật độ dòng qua thanh dẫn tĩnh là:
2
®m
tdt

I
5
J1A/mm
S5
===

- Chu vi thanh dẫn tĩnh P
tdt
= 2 (a+b)=12(mm)
Để đảm bảo tiếp xúc tốt với đế, ta mạ bạc vào thanh dẫn tĩnh, mặt khác
do thanh dẫn động có kích thước nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo độ bền về điện và
cơ nên thanh dẫn tĩnh có kích thước lớn hơn vẫn có thể đảm bảo các yêu cầu
hoạt động như thanh dẫn động. Do đó các lựa chọn như trên có thể thoả mãn
trong trường h
ợp thanh dẫn tĩnh.
III. THIẾT KẾ TÍNH TOÁN TIẾP ĐIỂM.
1. Chức năng của tiếp điểm.
Tiếp điểm trong các khí cụ điện đóng ngắt nói chung, các rơle trung
gian nói riêng, đều có chức năng đóng ngắt, truyền tải tín hiệu, công suất,
điều khiển, các thông số hoạt động của tiếp điểm rất quan trọng, nó xác định
kích thước, phương thức lựa chọn một rơ le trung gian.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

18
2. Yêu cầu với các tiếp điểm.
Tiếp điểm cần thiết kế là tiếp điểm tĩnh và động của một rơ le trung
gian hoạt động ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi không xảy ra tiếp xúc
phải đảm bảo nhỏ hơn nhiệt độ cho phép là 130
0
C.

Nhiệt độ cho phép ở vùng tiếp xúc phải nhỏ hơn nhiệt độ biến đổi tinh
thể cho phép của vật liệu làm tiếp điểm.
Đối với dòng điện lớn cho phép, như dòng khởi động, dòng ngắn mạch,
tiếp điểm phải chịu độ bền nhiệt, độ bền điện động (do lực điện động gây ra).
Hệ thống tiếp
điểm rập hồ quang (nếu có) phải có khả năng đóng ngắt cho
phép không bé hơn trị số cho phép.
Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dòng điện trong giới hạn
cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và độ mòn cơ bé nhất, độ rung của
tiếp điểm phải không lớn hơn trị số cho phép.
Để cho ngắn gọn, ta chọn các công thức tính toán đố
i với trường hợp
tính toán tiếp điểm là các công thức kinh nghiệm.
3. Chọn vật liệu làm tiếp điểm.
Để đảm bảo các yêu cầu của tiếp điểm về điện trở suất, điện trở tiếp
xúc nhỏ, ít bị ăn mòn, ít bị ô xi hoá, khó hàn dính, độ cứng cao và làm việc tốt
với dòng điện định mức I
đm
= 5A. Ta có thể chọn tiếp điểm là bạc kéo nguội
với các thông số kỹ thuật cho ở bảng 2-13 của tài liệu [2] và đồ thị 1.11 của
tài liệu [2] như sau:
Ký hiệu CP 999
Tỷ trọng 10,5g/cm
3

Nhiệt độ nóng chảy
θ
nc
= 961
0

C
Điện trở suất ở 20
0
C
ρ
20
= 0,0159 . 10
-6
Ω.m
Độ cứng
H
B
= (30
÷
60) kG/mm
2

Độ dẫn nhiệt
λ
= 4,16W/cm
0
C
Hệ số nhiệt điện trở
α
= 4.10
-3
1/
0
C


Kích thước của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích
thước của thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

19
Đối với dòng điện 5A tra bảng 2-15 của tài liệu [2] ta chọn đường kính
tiếp điểm là d = 4mm, chiều cao tiếp điểm tĩnh có dạng hút chập tức là một
pha chỉ có một chỗ ngắt.
Mô tả kết cấu tiếp điểm như sau:
d
td
h
td

Hình 1.3. Kích thước tiếp điểm
4. Tính lực ép tiếp điểm.
Lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm hoạt động ở chế độ dài
hạn và chế độ ngắn hạn với dòng điện lớn.
Theo tính công thức 2-17 tài liệu [2] ta có:
F

= f

. I
đm
.
Trong đó:
I
đm
là dòng điện định mức của rơ le trung gian kiểu kín I

đm
=5A.
Chọn f

= 0,06 N/A (tra theo trang 57 tài liệu [2])
F

= 0,06 . 5 = 0,3N
5. Xác định điện trở tiếp xúc.
Điện trở tiếp xúc một chỗ ngắt R
tx
là một phần của mạch vòng dẫn
điện.
Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng xác định theo công
thức kinh nghiệm 2-25 tài liệu [2].
m
t
tx
tx
F
K
R
).102,0(
=
®

Trong đó:
- F

là lực ép tiếp điểm F


= 0,3N.
- m là hệ số bề mặt tiếp xúc. Chọn dạng tiếp xúc là dạng tiếp xúc điểm
thì m = 0,5 (trang 59 tài liệu [2]).
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

20
- K
tx
là hệ số tiếp xúc, chọn K
tx
=0,06 .10
-3
(trang 59 tài liệu [2] )
Thay số vào ta được :

343,0Ω10.343,0
)3,0.102,0(
10.16,0
3
5,0
3
mR
tx
===



Vậy điện trở tiếp xúc tại 130
0

C là:
R
tx130
= R
tx20
. [1+2/3.α. (130 – 20)]
= 0,343. (1 + 2 / 3. 0,004 . 110) = 0,44mΩ
6. Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc.
Trong trạng thái đóng của tiếp điểm, điện áp rơi trên mạch vòng dẫn
điện chủ yếu là do điện trở tiếp xúc của các phần đầu nối, điện trở của vật liệu
làm tiếp điểm là không đáng kể so với R
tx
. Vì vậy theo công thức điện áp rơi
trên điện trở tiếp xúc là:
U
tx
= T
đm
. R
tx
= 5.0,44 =2,2mV.
Như vậy với giá trị U

= 2,2mV thì luôn thoả mãn yêu cầu về
điện áp rơi cho phép trên tiếp điểm các khí cụ điện điều khiển và phân
phối năng lượng đến 1000V trong đó tiếp điểm làm việc trong không
khí là:
U

= 2 ÷ 30mV.

7. Tính nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm.
Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài
vô hạn, có tiết diện không tương đối. Giả sử một đầu thanh tiếp xúc với thanh
dẫn khác và nguồn nhiệt đặt tại nơi tiếp xúc.
Theo công thức 2-11 tài liệu [2] ta có:
Tt
tm
Tt
m
mtt
KCS
λ
RI
kSC
ρ
I
θθ
2

2
130
2
®
®®
®
®
®
++=
Trong đó: - θ
mt

là nhiệt độ môi trường xung quanh: θ
mt
= 40
0
C.
- I
đm
là dòng điện định mức, I
đm
= 5A.
- S là tiết diện thanh dẫn động. S = 0,025 cm
2
.
- C
td
là chu vi của thanh dẫn. C
td
= 1,1 cm.
- K
T
là hệ số toả nhiệt ra, K
T
= 6.10
-4
W/cm
20
C
- R
tx
là điện trở tiếp xúc của tiếp điểm R

tx
= 0,44. 10
-3
Ω.
- ρ
θ130
là điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 130
0
C ta có:
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

21
ρ
θ130
= ρ
20
.[1+α.(θ-20)] = 0,0159.10
-4
[1+0,004.(130 –20)]
= 0,02289 .10
-4
Ωcm.
λ là độ dẫn nhiệt, λ = 0,416W/mm
20
C.
Ta có:
26 23

4
4

5 .2,289.10 5 .0, 44.10
40
0,025.1,1.6.10
2 0,416.0,025.1,1.6.10
−−


θ= + +

= 40 +3,45 + 2,1 = 45,6
0
C
Vậy theo 2-12 tài liệu [2] ta có:
=
tx
θ
θ

+
θ
ρλ
RI
txm
8
.
22
®

Thay số vào ta được:
226

0
tx
4
(5 .0,44 .10 )
45,6 45,6 0,64 46,24 C
8.0,416.0,02289.10


θ= + = + =

Như vậy θ
tx
= 46,24
0
C < [θ
tx
] = 180
0
C là nhiệt độ dạng tinh thể của vật
liệu làm tiếp điểm là bạc.
8. Xác định dòng điện hàn dính.
Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức I
đm
= 5A (xảy
ra khi quá tải, ngắn mạch, khởi động) nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy
do lực điện động dẫn đến khả năng bị hàn dính. Độ ổn định của tiếp điểm
chống đẩy và chống hàn dính, gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động).
Độ ổn đị
nh nhiệt và độ ổn định điện động là các thông số quan trọng được
biểu thị qua trị số dòng điện giới hạn hàn dính I

thhd
. Tại trị số đó sự hàn dính
của tiếp điểm có thể không xảy ra, nếu cơ cấu có khả năng đủ để ngắt tiếp
điểm.
Có hai tiêu chuẩn để đánh giá : Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị
hàn dính, trị số tới hạn của dòng điện hàn dính, các trị số này phụ thuộc vào
vật liệu làm tiếp đi
ểm, và kết cấu chế độ làm việc của khí cụ điện.
Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định dòng điện hàn dính
bằng công thức 2-36 tài liệu [2].
I
hd
= K
hd
.

F

Với F

= 0,3N = 3.10
-2
kG.
K
hd
là hệ số hàn dính tra theo bảng 2-19 tài liệu [2].
Chọn K
hd
=1000
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP


22
Ta có:
I
hd
= 1000.
2
3.10

=173,2A
So với yêu cầu kỹ thuật ta có dòng điện ngắt mạch I
nm
là:
I
nm
=10.I
đm
= 10.5 = 50A
Như vậy với dòng điện ngắn mạch là 50A, thì khi ngắn mạch, mạch
không thể nào hàn dính được do I
đm
= 50A < I
nmcp
= I

= 173,2A.
9. Độ ăn mòn tiếp điểm.
Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và ngắt mạch điện.
Sự ăn mòn của tiếp điểm được thể hiện qua việc giảm độ lún của kích
thước (chiều cao) của tiếp điểm cũng như giảm khối lượng hoặc thể tích của

tiếp điểm.
Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là sự
ăn mòn về hoá học,
ăn mòn về cơ nhưng chủ yếu là sự ăn mòn về điện gây nên cho tiếp điểm.
Tính toán sự ăn mòn của tiếp điểm rất phức tạp và thiếu chính xác, ở
đây ta chỉ dùng các công thức gần đúng để tính toán.
Sự ăn mòn của tiếp điểm thể hiện qua thời gian sử dụng ứng với số lần
đ
óng ngắt. Chúng được xác định theo công thức 2-48 tài liệu [2].
mm
®n
g
®n
g
VV
N
VV gg
γ
==
++

Trong đó:
- V
m
cm
3
là phần thể tích của mỗi tiếp điểm cỡ 0,5÷0,75 độ dày (chiều
cao) của tiếp điểm khi bị ăn mòn.
- V
đ

là thể tích mòn tính cho một lần đóng.
- V
ng
là thể tích tính cho một lần ngắt.
- g
đ
là khối lượng mòn riêng cho một lần đóng.
- g
ng
là khối lượng mòn riêng cho một lần ngắt.
- γ là khối lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm.
Ta có công thức 2-54 tài liệu [2]:
g
đ
+ g
ng
=10
-9
(K
đ
I
đ
2
+K
ng
I
ng
2
)K


.
Trong đó:
K
đ
, K
ng
(g/A
2
) là hệ số mòn khi đóng và khi ngắt. Tra trong đồ thị 2-16
tài liệu [2].
Với I
ng
= I
đ
=5A, ta được K
đ
= K
ng
= 0,45g/A
2
.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

23
K

là hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của các tiếp
điểm. Với khí cụ điện xoay chiều K

= (1,1÷ 2,5).ở đây ta chọn K


=1,1 lần
độ mòn đều của tiếp điểm.
Như vậy ta có:
g
đ
+ g
ng
= 10
-9
. (0,45.10
2
+ 0,45.10
2
).1,1=0,99.10
-7
g.
Vậy V
đ
+ V
ng
= (g
đ
+ g
ng
)/γ =
5,10
10.99,0
7−
=0,0943.10

-7
g
Thể tích cuả đôi cặp tiếp điểm là:
1.
4
4.
.
4
22
π
==
h
d
π
V
= 12,56mm
3

Do đó:
3
6
mm
7
®ng dng
VV
12,56.10,5.10
N 1,33.10 lÇn
VV gg
0,99.10




=== =
++

Ta thấy N = 1,33.10
6
> N
điện
= 10
6
. Nên kích thước và tính toán lựa
chọn thỏa mãn độ bền điện.
Vậy thể tích bị ăn mòn trong qúa trình làm việc là:
V
m
= N
điện
. (V
đ
+ V
ng
) = 10
6
.0,094.10
-7
= 9,4.10
-3
cm
3


Ta có diện tích của cặp tiếp điểm là:
22
2

d(0,4)
S 0,1256cm
44
ππ
== =

Vậy độ ăn mòn của tiếp điểm là:
mm748,0cm0748,0
1256,0
10.4,9
S
V
h
3
td
m
m
====


Với chiều cao h = 1mm, ta có h
m
/h =
mm748,0
1

748,0
=
nằm trong
phạm vi 0,5
÷0,75 nên kết cấu lựa chọn thỏa mãn.
10. Độ mở
Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp
điểm tĩnh ở trạng thái ngắt của rơ le.
Độ mở cần thiết phải đủ lớn để có khả năng rập hồ quang, song nó
không được lớn quá ảnh hưởng tới kích thước của rơ le.
Theo kinh nghiệm, 1mm có thể chịu được 3000V vì vậy ta chọn độ
mở c
ủa rơ le cần thiết là 3mm.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

24
11. Độ lún
Độ lún của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được 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 và trong qúa trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn nhưng
vẫn đảm bảo tiếp xúc.
Vì vậy phải chọn độ lún của tiếp điểm lớ
n hơn độ ăn mòn của tiếp
điểm mới có thể đảm bảo tiếp xúc tốt.
l = (1,5
÷2).h
m
= 1,6.0,748 = 1,2mm
Như vậy tiếp điểm đi được trong một hành trình là:


δ= 3 + 1,2 = 4,2mm

IV. ĐẦU NỐI
Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng của khí cụ điện, nếu
không chú ý dễ bị hư hỏng nặng trong vận hành nhất là với khí cụ điện có
dòng điện lớn và điện áp cao. Có thể chia làm hai phần.
• Các đầu cực để nối với dây dẫn ngoài.
• Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện.
Yêu cầu đối với các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện
định mức không được tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích
thước và lực ép tiếp xúc để điện trở tiếp xúc R
tx
không lớn, ít tổn hao công
suất.
Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn
mạch chạy qua.
Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định,
khi khí cụ điện vận hành liên tục.
Chọn kết cấu mối nối có thể tháo rời được , dây dẫn được nối với
đầu
nối thông qua mối hàn có tráng thiếc thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh.
Ngoài ra phần đầu nối phải bố trí hợp lý để không gây ảnh hưởng tới yếu tố
xung quanh.
Với dòng điện I = 5A ta chọn mối nối tháo rời, và sử dụng loại vít M
2

bằng thép CT3 vậy có thể lấy d = 3mm.
Tiết diện của lỗ vít:

×