Microsoft Word - Ro Le.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA RƠLE

LỜI NĨI ĐẦU
Trong ngành cơng nghiệp điện năng, từ khâu sản xuất truyển tải,
phương pháp và tiêu thụ điện năng ln 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 tồn trong sử dụng. Khí cụ là những thiết bị,
cơ cấu điện tuỳ theo lĩnh vực 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, vận 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 mịn
(của các bộ phận), độ bền cách điện cũng như khả năng đóng 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….

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 dập 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 dịng 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 khơng lớn). Khi cần
các loại khí cụ có độ tin cậy cao và chất lượng tốt đa phần là nhập từ nước
ngoài.
Trong nội dung của đồ án sẽ trình bày các phần tính tốn thiết kế rơ le
trung gian điện từ kiểu kín. Có các thơng số ban đầu:
+ 4 tiếp điểm thường đóng, 4 tiếp điểm thường mở
+ Uđm = 220V

+ Iđm = 5A
+ f = 50 Hz
+ Điện áp điều khiển Uđmđk = 220V, f = 50 Hz
Làm việc liên tục, cách điện cấp B. Tuổi thọ điện 106 lần đóng cắt, tuổi
thọ cơ 107 lần đóng cắt.

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 hoạt 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
ngắt 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 dịng điện; rơle
điện áp; rơle cơng suất; rơle tần số…
Những loại rơle này có thể điều 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 từ 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:

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- 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 điện 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 mịn 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 khơng được q trị số cho phép để
lò xo nhả tác động.
- Kết cấu phải đơn giản; khối lượng và kích thước phải nhỏ 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.

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

+ Rơle điện từ cấu tạo đơn giản, lực hút điện từ (Fđt) khá lớn do vậy

rơle điện từ được sử dụng rất rộng rãi.
+ Rơle điện từ có loại 1 chiều và xoay chiều cơng suất từ vài wát đến
hàng nghìn wát, trong khi đó cơng 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: Dịng điện, điện áp cực đại và cực tiểu, rơle
công suất, rơle tổng trở, tần số, trung gian, tín hiệu…
II.2. Sơ đồ cấu tạo.
1.
2.
3.
4.
5.

Thân mạch từ.
Nắp mạch từ
Lò xo nhả
Cuộn dây
Tiếp điểm tĩnh

3

6
5

2

6. Tiếp điểm động

1

4

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 thơng khe hở khơng khí của
nam châm điện φδ.
Khi Fđt > Fph (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 khơng có dòng điện đưa vào cuộn dây nam châm điện khi đó I = 0 ->
Fđt = 0 -> Fph > Fđt 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.
5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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; khơng 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.
* Kết 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.
- Dạng mạch từ hình chữ U.
- Tiếp điểm động được bố trí trên 1 thanh.
- Kết cấu đơn giản.

6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1 - Lò xo nhả

2 - Lẫy gạt

9 - Cuộn dây
10 - Vòng ngắn mạch

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

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 dịng 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:

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 trị cơ cấu truyền động, nó quyết định tính
năng làm việc cũng như kích thước của rơle.
+ Từ thơng số khơng đổi trong q trình nắp chuyển động.
+ Từ dẫn khe hở khơng khí khơng lớn.
+ Đặc tính lực hút gắn 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 trị 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 mức.
+ 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 lcd = 10 (mm).

8

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG II. TÍNH TỐN VÀ KIỂM NGHIỆM MẠCH
VÒNG DẪN ĐIỆN
I. GIỚI THIỆU KẾT CẤU MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN

Trong các loại khí cụ điện nói chung và rơ le trung gian nói riêng.
Mạch vịng dẫn điện đóng vai trị quan trọng, nó cùng với nam châm điện,
khâu truyền động trung gian, và các bộ phận kết cấu khác cấu thành một rơ le
hoàn chỉnh.
Trong rơ le trung gian, mạch vòng dẫn điện là kết cấu của nhiều bộ
phận khác nhau cấu tạo thành. Nó bao gồm, thanh dẫn động, thanh dẫn tĩnh,
tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp điểm, dây nối mềm, đầu nối ra.
Thanh dÉn tĩnh

Tiếp điểm tĩnh
Đầu nối
Thanh dẫn động

Tiếp điểm động

Dây dẫn mềm

Hỡnh 1.1. Kết cấu chung của mạch vịng dẫn điện.
Tính tốn thiết kế mạch vòng dẫn điện của rơ le điện từ trung gian xoay
chiều kiểu kín, thực chất là tính tốn thiết kế từng bộ phận cấu thành nó như
đã nêu ở trên.
II. THIẾT KẾ TÍNH TỐN THANH DẪN

1. Các bước tính tốn thanh dẫn.

Tính tốn thiết kế thanh dẫn bao gồm:
- Xác định tiết diện và chế độ làm việc cơ bản của nó ở chế độ dài hạn
và các chế độ khác.
- Tính tốn kiểm nghiệm tiết diện và kích thước của nó ở chế độ làm
việc ngắn hạn và chế độ khởi động đối với rơ le trung gian là khả năng điều

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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
tốn.
2. Tính tốn 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 phơt pho, có tính chất và các thơng 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

Bp0φ6,5

Tỷ trọng

γ=8,9g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy

Tnc=1083oC

Điện trở suất ở 20oC

ρ=0,01754.10-6Ω.m

Hệ số nhiệt điện trở

α=4,3.10-31/0C

Độ dẫn điện

λ=3,9W/g0C

Nhiệt lượng nóng chảy

390J/g

Nhiệt dung

Cp=0,385J/g0C

Modul đàn hồi

4600.106kG/cm2

Hệ số nhiệt độ của nhiệt dung

10-4

Nhiệt lượng bay hơi

2600J/g

Độ cứng

HB=105B.kG/mm

Giới hạn đồ bền kéo

σk=550N/mm2

Nhiệt độ ổn định cho phép

1300C

Độ tăng nhiệt cho phép

900C

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:

10

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

b
a

Hình 1.2: Kêt cấu thanh dẫn
a. Xác định kích thước cơ bản.
Từ cơng thức Niutơn:
P = KT.S.T. (θơđ-θ0) = KT.ST.τơđ
Cũng có thể biểu diễn cơng thức cân bằng nhiệt độ ở chế độ xác lập cho
mọi chi tiết với bề mặt tản nhiệt ST, chiều dài l, và chu vi là ST/l:
P = I2.Rθ.Kf = KT.ST. (θôđ-θmt)
Hay:

I 2 .ρθ .l.K f
= K T .S T .(θ« d − θmt )
S
Trong đó:

• Rθ: Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định (Ω)
• ρθ: Điện trở xuất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định (Ωm)
ρθ = P0 .(1+α.θ) = ρ20.[1+α.(θ-20)] = ρmt . [1+α.(θ-θmt)]
• ρ0, ρ20, ρmt điện trở xuất của vật liệu ở 00C, 200C, và nhiệt độ mơi
trường (Ωm)

• α là hệ số nhiệt điện trở, của đồng là 0,0043 1/0C.
• Kf là hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho hiệu ứng gần và hiệu ứng bề
mặt.
Kf = Kbm .Kg
• Kbm là hệ số phụ đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt.

• Kg là hệ số phụ đặc trưng cho hiệu ứng gần.
• Với dịng điện xoay chiều, chọn Kf = 1,03÷1,06, ở đây chọn Kf = 1,05.

11


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

• S là tiết diện của thanh dẫn S = a.b (mm2)
• ST là tiết diện tản nhiệt của thanh dẫn (mm2)
• P là cơng suất tản nhiệt (W)
• Ctd là chu vi của thanh dẫn Ctd = 2(a+b) (mm)
• θơđ là nhiệt độ ổn định của thanh dẫn θơđ =1300C
• θmt là nhiệt độ mơi trường hoạt động thơng thường lấy θmt = 400C.
• KT là hệ số tỏa nhiệt, KT = 6.10-6W/mm2.0C (Bảng 6-5 của tài liệu
[2]).
• I là dịng điện định mức, I = 5A
• Tra bảng 6-2 của tài liệu [2] ta được:
P20 = 0,01754.10-3 Ωmm
Do đó ta có:
Pθ = 0,01754.10-3 [1+0,0043.(130-20)]
= 0,0258.10-3 Ωmm
Tiết diện thanh dẫn được tính theo cơng thức 2-4 của tài liệu [2] ta có:

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

I 2 Pθ K f
a.b.2.(a+b) =
K T τ «d
Hay:
b=

I 2 Pθ K f
2 n( n + 1)K T τ « d

Trong đó n = a/b, nằm trong khoảng 5÷10. Chọn n=10, Iđm = 5A,
Kf = 1,05, Pθ = 0,0258.10-3Ωmm

τôđ = 130-40 = 900C ta được
5 2.0,0258.10 3.1,05
= 0,0755mm
b=
2.10.(10 + 1).6.10 6.90
a = 10.b = 0,755 mm

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Để thanh dẫn đạt yêu cầu về kỹ thuật và tính tốn 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 dịng điện định mức theo
bảng 2-15 TL[2]
Ta có: Iđm = (2÷5) A → dtđ =(2÷4)mm
Chọn dtđ = 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 =

a 5
= = 0,5mm
l 10

Tiết diện thanh dẫn động:
S = a.b = 2,5 mm2
Chu vi thanh dẫn động:
C = 2(a+b) = 2(0,5+5) = 11mm
Mật độ dòng điện là:
J td =

I
5
=
= 2 A / mm 2
S 2,5

b/ Tính tốn kiểm nghiệm thanh dẫn
* Kiểm nghiệm lại nhiệt độ thanh dẫn
Từ công thức 2-4 của tài liệu [2]

I 2 Pθ K f I 2 P (1 + (ôđ 0))K f
S.C td =
=
K T ôd
K T (ôđ mt )

Do ú:

I 2 Pθ K f + SC td K T θmt
θtd = ôđ =
SC td K T I 2 P0 K f α
Trong đó:

•

S là tiết diện thanh dẫn, S = 2,5mm2

•

Ctd là chu vi thanh dẫn Ctd = 11mm

•

P0 là điện trở suất của thanh dẫn ở 00C (Ωmm)

•

θtd là nhiệt độ hoạt động ổn của thanh dẫn với các thơng số

kích thước đã chọn. Trong cơng thức 2-4 của tài liệu [2] nó đóng vai trị θơđ
Ta có:

13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

P20
0,01754.10 −3
P0 =
=
= 0,0162.10 −3 Ωmm
−3
1 + α(20 − 0) 1 + 4,3.10 .20
Như vậy ta có:
52.0, 0162.10 −3.1, 05 + 2,5.11.6.10 −6 .40
θt® =
= 430 C
−6
−2
−3
−3
2,5.11.6.10 − 5 .0, 0162.10 .1, 05.4,3.10

Vậy ta có:

θơđ = 1300C (theo đề bài) > θtđ = 430C
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]:

I 2nm .t nm I 2bn t bn
= 2 = A bn − A d (**)
S2
S
Trong đó:

• Ibn = Inm là dịng ngắn mạch và cũng chính là dịng bền nhiệt (A)
• Tnm = Tbn = là thời gian ngắn mạch và cũng chính là thời gian bền
nhiệt (s)
• Abn, Ad là hằng số tích phân với độ bền nhiệt và nhiệt độ dài (A2
s/mm4). Trong đó đối với đồng Abn lấy ở θbn = 3000C

• S là tiết diện thanh dẫn S =2,5mm2
Tra đồ thị 6-6 tài liệu [2] ta có:
θbn =3000C thì ta có Abn =4.104 (A2 s/mm4)
θơđ =1300C thì ta có Abn =2,1.104 (A2 s/mm4)
Từ cơng thức (**) ta có:
I nm = S

A bn − A d
t bn

Với t = 3s ta có [J] = 94A/mm2
Mà I nm3 = 2,5

4.10 4 − 2,1.10 4
= 199(A )
3
=> J t3 =

I nm3
S

=

199
= 79, 6(A / mm 2 )
2,5

Với t = 4s ta có

14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

4.10 4 − 2,1.10 4
= 172,3(A)
4

I nm4 = 2,5
⇒ J t4 =

I nm4

=

S

172,3
= 68, 92(A / mm 2 )
2,5

Với t = 10s ta có [J] = 51 (A/mm2)

4.10 4 − 2,1.10 4
= 109(A)
10

I nm10 = 2,5
⇒ J t10 =

I nm10
S

=

109
= 43, 6(A / mm 2 )
2,5

Ta lập được bảng so sánh giữa mật độ dòng điện bền nhiệt đã tính
và mật độ dịng điện bền nhiệt tiêu chuẩn của thanh dẫn
t(s)
2

t=3s

t=4s

t=10s

Jtt

79,6

68,9

43,6

[J]

94

82

52

J(Amm )

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
1300C là:
R130 = R20[1+α(θ-20)]

ρ20 1 [1+α(θ-20)]
S
Thay số ta có:
R130 = 0,01754.10-3.

20
[1+0,0043.[130-20]
2,5

= 0,2067.10-3Ω
Tổn hao cơng suất ở chế độ dài hạn là:
Pdh = Idh2.R130 = 25.0,2067.10-3 = 5,1673.10-3W/mm
Hằng số thời gian phát nóng theo 6-13 trong tài liệu [2] là:

T=

C ρM
KTS

15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trong đó:

•

Cp là nhiệt dung riêng của đồng phốt pho. Cp = 0,385J/Kg.0C

•

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 = 2,5mm2

•

γ là trọng lượng riêng của đồng phốt pho, γ = 9,8g/cm

•

l là chiều dài thanh dẫn, l = 20mm

•

KT là hệ số tỏa nhiệt của thanh dẫn tính:

Pdh
5,1673.10 −3
KT =
=
= 26,1.10 −6 W / cm2 .0 C
S lm .τ 2.(2.0, 05 + 2.0,5).90
•

Suy ra: T =

0,385.0,445
= 262567s
26,1.10 −6 .0,025

Độ tăng nhiệt ngắn hạn:
τ nh = ôđ .[1 e

nh
T

]

Chn ch ngắn hạn có τnh = 20s
Ta có:

τ nh = τ «® .[1 − e

−

20
262567

] = 90.[1 − 0, 999923] = 0, 0070 C

Độ tăng nhiệt ổn định khi công suất ch ngn hn l:

ôđ =

ôđ
90
=
= 1181102, 4 0 C
τnh / T
0, 0000762
1− e

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

P®h
5,1673.10 −3
= 67812 . 10-3 W/cm2.
=
τnh / T
0, 0000762
1-e

Dòng cho phép ở chế độ ngắn hạn là:
I nh =

I ®h
[1 − e

τ nh
T

=
]

5
0, 0000762

= 572, 74A

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

Pnh
67,812
=
= 13,12
P®h 5,1673.10 −3

Hệ số quá tải dòng ở chế độ ngắn hạn là:

16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

KI =

I nh 572, 74
=
= 114,548
I ®h
5

Tính toỏn kim nghim:
ôđ
1181102, 4
= 262567In
= 20, 008s
Tnh = T.In
1181102, 4 90
ôđ ôđ

Nh vy kt qu chn v kt quả tính tốn kiểm nghiệm ở trên là
gần đúng. Do đó thanh dẫn động có thể hoạt động tốt ở chế độ ngắn hạn.
3. Tính tốn 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 ngồi độ bền về
điện, nó cịn phải có độ bền về cơ, do đó ta có thể chọn thanh dẫn tĩnh như
sau:
a = 5mm
b = 1mm
Khi đó tiết diện cắt ngang của thanh dẫn tĩnh là:
Stdt = a.b = 5.1 = 5 (mm2)
- Mật độ dòng qua thanh dẫn tĩnh là:
I ®m 5
= = 1A / mm 2
S tdt 5
- Chu vi thanh dẫn tĩnh Ptdt = 2 (a+b)=12(mm)
J=

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 hợp thanh dẫn tĩnh.
III. THIẾT KẾ TÍNH TỐN 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, cơng 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.

17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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 1300C.

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 khơng bé hơn trị số cho phép.
Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dịng điện trong giới hạn
cho phép, tiếp điểm phải có độ mịn điện và độ mịn cơ bé nhất, độ rung của
tiếp điểm phải khơng lớn hơn trị số cho phép.
Để cho ngắn gọn, ta chọn các cơng thức tính tốn đối với trường hợp
tính tốn tiếp điểm là các cơng 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 mịn, ít bị ơ xi hố, khó hàn dính, độ cứng cao và làm việc tốt
với dịng điện định mức Iđm = 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/cm3

Nhiệt độ nóng chảy

θnc = 9610C

Điện trở suất ở 200C

ρ20 = 0,0159 . 10-6 Ω.m

Độ cứng

HB = (30÷60) kG/mm2

Độ dẫn nhiệt

λ = 4,16W/cm0C

Hệ số nhiệt điện trở

α = 4.10-3 1/0C

Kích thước của tiếp điểm phụ thuộc vào dịng điện định mức và kích
thước của thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh.

18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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.
Mơ tả kết cấu tiếp điểm như sau:
htd

dtd

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 cơng thức 2-17 tài liệu [2] ta có:
Ftđ = ftđ. Iđm.
Trong đó:
Iđm là dịng điện định mức của rơ le trung gian kiểu kín Iđm =5A.
Chọn ftđ = 0,06 N/A (tra theo trang 57 tài liệu [2])
Ftđ = 0,06 . 5 = 0,3N
5. Xác định điện trở tiếp xúc.
Điện trở tiếp xúc một chỗ ngắt Rtx là một phần của mạch vòng dẫn
điện.

Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khơng bị phát nóng xác định theo cơng

thức kinh nghiệm 2-25 tài liệu [2].

Rtx =

Ktx
(0,102.Ft ® ) m

Trong đó:
- Ftđ là lực ép tiếp điểm Ftđ = 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]).

19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

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

Rtx =

0,16.10 −3
= 0,343.10 −3 Ω= 0,343mΩ
0,5
(0,102.0,3)

Vậy điện trở tiếp xúc tại 1300C là:

Rtx130 = Rtx20. [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 Rtx. Vì vậy theo cơng thức điện áp rơi

trên điện trở tiếp xúc là:
Utx = Tđm. Rtx = 5.0,44 =2,2mV.
Như vậy với giá trị U tđ = 2,2mV thì ln thoả mãn u 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 khơng
khí là:
Utđ = 2 ÷ 30mV.
7. Tính nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm.
Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong q trình phát nóng của thanh dẫn dài

vơ hạn, có tiết diện khơng 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:
θt ® = θmt +

I ®2m .ρ130
I ®2m .Rt ®
+
SCt ® kT 2. λ.S.C t ® .KT

Trong đó: - θmt là nhiệt độ mơi trường xung quanh: θmt = 400C.
- Iđm là dòng điện định mức, Iđm = 5A.
- S là tiết diện thanh dẫn động. S = 0,025 cm2.

- Ctd là chu vi của thanh dẫn. Ctd = 1,1 cm.
- KT là hệ số toả nhiệt ra, KT = 6.10-4W/cm20C
- Rtx là điện trở tiếp xúc của tiếp điểm Rtx = 0,44. 10-3Ω.
- ρθ130 là điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 1300C ta có:

20