Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo áp tô mát một pha hai cực dùng trong gia dụng có gam dòng 10a 30a điện áp 250v

Bộ CôNG THơNG
TổNG CôNG TY THIếT Bị ĐIệN VIệT NAM
CôNG TY Cổ PHầN KHí Cụ đIệN I








BáO CáO TổNG KếT
Đề TàI KHOA HọC Và CôNG NGHệ CấP Bộ


Tên đề tài
:
NGHIêN CứU, THIếT Kế Và CHế TạO áp Tô MáT 1 PHA
2 CựC dùng trong gia dụng Có GAM DòNG 10 A - 30 A điện áp 250 V



1

Hoàng Đình Phẩm Kỹ s máy điện Tổng Giám đốc
2

Phùng Đệ Kỹ s cơ khí Phó Tổng Giám đốc
3

Đồng Văn Kim Kỹ s điện Giám đốc X2
4

Liễu Chí Thanh Kỹ s cơ khí Giám đốc X3
5

Nguyễn Duy Thành Trung cấp cơ khí Phó Giám đốc X3
6

Nguyễn Xuân Diện Kỹ s điện Giám đốc xởng dây điện
7

Nguyễn Kim Tờng Kỹ s cơ khí Trởng phòng TKCN
8

Phan Hùng Kỹ s điện KTV Phòng TKCN
9

Nguyễn Đăng Dũng Kỹ s

kinh tế Trởng phòng ĐĐSX
10

Hạ Thị Dung Cử nhân TCKT Giám đốc tài chính

Chủ nhiệm đề tài Đơn vị thực hiện

Hoàng Nguyên Minh Hong Đình Phẩm



Sơn Tây, tháng 10/2010
vinakip
R
2


MụC LụC
Trang
Lời nói đầu 3
Chơng I.
Nghiên cứu tổng quan nhu cầu sử dụng áp tô mát 1 pha 2 cực có gam
dòng đến 30 A điện áp 250 V tại Việt Nam
5
Chơng II.
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo áp tô mát 1 pha 2 cực dùng trong gia
dụng có gam dòng từ 10 A 30 A điện áp 250 V
8
A. Tổng quan về sản phẩm 8
B. Tính toán thiết kế chi tiết sản phẩm 11
I. Tính toán hệ thống liên động cơ khí 11
II. Tính toán thiết kế phần tử bảo vệ 12
III. Tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện 17
IV. Lựa chọn vật t gia công đế và nắp 28
C. Thiết kế chi tiết 30
I. Định hớng thiết kế 30
II. Thiết kế chi tiết 30

III. Thiết kế các cụm chi tiết 35
D. Thiết kế và chế tạo khuôn mẫu gá lắp 42
1. Triển khai thiết kế khuôn mẫu 42
2. Triển khai chế tạo kế khuôn mẫu 44
3. Lu trình công nghệ chế tạo khuôn ép 46
E. Gia công chi tiết, lắp ráp và hiệu chỉnh 47
1. Lu trình chế tạo 47
2. Dập, ép chi tiết 48
3. Lắp ráp 48
Chơng III. Kiểm tra thử nghiệm 49
I. Kiểm tra khuôn ép các chi tiết nhựa 49
II. Kiểm tra khuôn dập đột, uốn các chi tiết kim loại 49
III. Kiểm tra các chi tiết nhựa 49
IV. Kiểm tra các chi tiết kim loại 49
V. Kiểm tra lắp ráp và xuất xởng 50
Chơng IV : Kết luận và kiến nghị 51
Phụ lục 53




3




Lời nói đầu

Công ty CP Khí Cụ Điện I - VINAKIP đợc thành lập từ cuối những năm 60
của thế kỷ trớc, với bề dày kinh nghiệm trên 40 năm chuyên nghiên cứu, thiết kế và

chế tạo các sản phẩm phân phối, đóng ngắt và bảo vệ mạch điện hạ và trung áp có
dòng điện đến 5000 A, cấp điện áp đến 35 kV. Công ty đ và đang lớn mạnh không
ngừng, hàng năm cung cấp ra thị trờng trong và ngoài nớc hàng triệu các sản
phẩm, với đủ các chủng loại khác nhau.
Trong những năm qua, đợc sự hỗ trợ của Bộ Công Thơng về định hớng trong
công tác thiết kế. hàng năm Công ty đ nghiên cứu-thiết kế-chế tạo hàng loạt các
sản phẩm mới mang tính cấp thiết, những sản phẩm đó luôn có các tính năng nổi
trội, thay thế hàng ngoại nhập, sản phẩm cụ thể nh:
* Năm 2001: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Balat đèn Natri cao áp và bộ mồi
* Năm 2002: Nghiên cứu thiết kế ổn định công nghệ sản xuất APTOMAT 3A100
và bổ sung điền đầy dy gam dòng từ 10A; 16A; 20A; 25A; 30A; 40A; 50A;
60A; 80A; 100A.
* Năm 2004: nghiên cứu thiết kế và chế tạo Cầu dao hộp đóng cắt nhanh (Đề tài
đ đợc giải thởng VIFOTEC năm 2005).
Năm 2005: nghiên cứu thiết kế và chế tạo Cầu dao cách ly trung thế ngoài trời
có cấp điện áp từ 12kV; 24kV; 35kV dòng điện đến 630 A có dao nối đất
Năm 2006: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo 16 loại công tắc và ổ cắm chìm
tờng chất lợng cao.
Năm 2007 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Cầu chì kèm cầu dao hạ thế (FSD)
có các gam dòng 100A; 150A; 200A
Năm 2008 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Bộ chuyển đổi nguồn tự động (ATS)
ba pha có gam dòng 200A.
Năm 2009 Nghiên cứu thiết kế và hoàn thiện thiết bị, công nghệ chế tạo Balát
2 cấp công suất 150W/100W, bộ chuyển đổi công suất và bộ khởi động động
cho đèn nari cao áp.
Các đề tài khoa vừa có tính mới, vừa có tính kế thừa mang tính thực tiễn cao, đợc
nghiên cứu từ thực tế nhu cầu thị trờng và dự tính cho tơng lai. do vậy các sản
phẩm ra đời đ đợc thị trờng đón nhận tích cực, tạo đợc niềm tin với khách hàng.
4

bằng chứng là liên tục trong những năm qua mức tiêu thụ các sản phẩm đó tăng đến
150% mỗi năm.
Trong những năm gần đây, nhất là từ khi Việt Nam gia nhập tổ chức thơng mại thế
giới (WTO) nền kinh tế nớc ta luôn phát triển ở tốc độ cao. Hội nhập kinh tế thế
giới đó là cơ hội vàng và cũng là những thách thức không nhỏ đối với các doanh
nghiệp Việt Nam trong đó có VINAKIP. Không ngừng phát triển sản phẩm mới có
chất lợng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng là mục tiêu sống còn mà
ban lnh đạo công ty luôn đề cao. Trên cơ sở khả năng kỹ thuật - công nghệ, đội ngũ
kỹ s giàu kinh nghiệm trong công tác nghiên cứu thiết kế. Qua khảo sát thị trờng
Công ty VINAKIP lựa chọn sản phẩm p tụ mỏt mt pha 2 cc dựng trong gia dng
cú cỏc gam dũng 10 A ữ
ữữ
ữ 30 A in ỏp 250 V là đề tài nghiên cứu cấp bộ năm 2010.
áp tô mát là thiết bị điện dùng để đóng và tự động ngắt mạch điện khi có sự cố nh
quá tải, ngắn mạch, quá dòng, quá áp, thấp áp
Sản phẩm với những u điểm so với những thiết bị có các chức năng tơng tự nh:
Mẫu m đẹp, kích thớc gọn nhẹ, thuận lợi trong lắp đặt (Kiểu lắp chìm, lắp nổi và
lắp phối hợp trên bảng điện) phù hợp lắp chung các thiết bị phụ cùng loại của nhiều
hng khác nhau.
Trong khuôn khổ đề tài chúng tôi xin trình bày các phần chính sau :
Chơng I: Nghiên cứu tổng quan nhu cầu sử dụng áp tô mát 1 pha 2 cực có
gam dòng đến 30 A điện áp 250 V tại Việt Nam.
Chơng II: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo áp tô mát 1 pha 2 cực dùng trong gia
dụng có gam dòng từ 10 A 30 A điện áp 250 V.
Chơng III: Kiểm tra và thử nghiệm
Chơng IV: Kết luận và kiến nghị
Phần Phụ lục

5


Chơng I

Nghiên cứu tổng quan nhu cầu sử dụng áp tô mát 1 pha 2 cực
có gam dòng đến 30 A điện áp 250 V tại Việt Nam

Qua khảo sát về vấn đề sử dụng thiết bị điện trong hệ thống điện nói chung cũng
nh tại các hộ tiêu thụ điện nói riêng, do nhu cầu sử dụng các thiết bị tiêu thụ điện
trong các hộ gia đình ngày càng tăng, trong khi đó việc đầu t, nâng cấp cải tạo
đờng dây và trạm cha đáp ứng đợc nhu cầu đó. do vậy trong các hộ tiêu thụ điện
thờng sảy ra hiện tợng quá tải, ảnh hởng đến tuổi thọ thiết bị và đờng dây.
Khỏch hng ngy nay c t do la chn nhng sn phm cho mỡnh, vic a
dng hoỏ sn phm s to iu kin cho khỏch hng cú thêm nhiu s la chn
những mt hng tiờu dùng, nht l nhng thit b in dựng trong gia ỡnh, mt hng
ny cng ũi hi cao v kiu dỏng, mu mó và sự tin nghi.
Nn kinh t th trng, hi nhp với quốc tế, vic cnh tranh gia hng ni a và
hng nhp ngoi tr nờn gay gt hn. Ngoi yu t v giỏ cả cht lng v mu mó
sn phm cũn cú yu t th hiu v tin cy ca ngi tiờu dựng. c bit ỏp tụ
mỏt 1 pha 2 cc c nhp t cỏc nc trờn th gii vi nhiu mu mó v giỏ c
khỏc nhau, mt s Cụng ty nhp linh kin lp rỏp ti Vit nam gim giỏ thnh.
Qua tìm hiểu trên thị trờng cả nớc, đ có rất nhiều cỏc hóng nc ngoi đ cung
cấp sn phm áp tô mát 1 pha 2 cực vo Vit Nam, sản phẩm đợc ngời tiêu dùng

a chuộng nht là sản phẩm do hóng LG sản xuất, vi s lng tiờu th khỏ cao do
hỡnh thc mu mó v giỏ c hp lý.
Nm bt c nhu cu ca th trng Cụng ty VINAKIP ó quyt nh nghiờn
cu thit k, ch to ỏp tụ mỏt 1 pha 2 cc vi mt s tớnh nng u vit nhm thay
th mt phn hng nhp khu, cnh tranh vi cỏc hóng hin hnh.
Sn phm mu nghiờn cu l cỏc loi ỏp tụ mỏt 1 pha 2 cc A30-T/250V cú gam
dũng 20A v 30A, sử dụng mẫu của ca hóng LG Hàn Quốc làm chủ đạo cho việc
nghiên cứu thiết kế. ngoài ra một số mẫu của các hng khác đợc tham khảo nh
Mitsubishi; IL SHIN; SINO hin cú bỏn trên thị trờng.


6













Hình ảnh tổng quan sản phẩm mẫu
Phân tích đánh giá mẫu:
Qua phân tích đánh giá các tính năng nổi trội và những hạn chế của các sản phẩm
mẫu. kiểm tra các thụng s k thut theo yêu cầu tiờu chun ỏnh giỏ cht
lng. t ú phõn tớch u im, tớnh nng của sản phẩm, xây dựng đợc các yêu

cầu thông số của sản phẩm theo yêu cầu tiêu chuẩn, ỏnh giỏ kh nng cụng ngh
ca cụng ty VINAKIP iu kin ỏp ng yờu cu k thut thit k v ch
to.
Cỏc yờu cu v tớnh nng sn phm
- An ton v in theo tiờu chun
- Kt cu vng chc, m bo bn c
- Kớch thc chi tit dn in, cỏc chi tit bo v nhit tuõn th theo tớnh toỏn v
m bo khụng phỏt núng quỏ tiờu chun cho phộp, m bo v bn in, và
bền nhit.
- B xung ốn tớn hiu bỏo khi úng in v cú in nhm tng thm m ca sn
phm.
- Kh nng lp ln lot cao.
- ỏp ng c gii phỏp lp t thun tin,
- Kh nng ỏp ng cụng ngh ca Cụng ty cao
7


Sản phẩm đạt theo tiêu chuẩn với các thông số sau:

TT Chỉ tiêu chất lượng Đơn vị đo Kết quả đạt được Ghi chú
1 Điện áp làm việc V 250

2 Khoảng mở tiếp điểm mm ≥ 3mm

3 Khoảng nén tiếp điểm mm ≥ 1,2mm

4 Độ bền cơ khí
Chu kỳ
đóng ngắt
≥ 4000

5
Khả năng cách điện
Giữa pha - pha
Giữa pha - vỏ

MΩ


≥ 10


6
Độ bền điện áp tần số
công nghiệp
Giữa pha - pha
Giữa pha - vỏ


2000
V/phút


Không bị đánh
thủng cách điện

7
Khe hở không khí giữa
những phần mang điện
mm ≥ 3mm

8
Độ tăng nhiệt tại đầu nối
ngoài ở dòng điện
I= 1,13 Iđm
trong thời
gian ≥ 1h
≤ 60
O
C

8

Lẫy móc
giữ móc
Tấm tỳ
Tay bật
F
1
Thanh truyền 1
Thanh truyền 2

Chơng II

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo áp tô mát 1 pha 2 cực
dùng trong gia dụng có gam dòng từ 10 A 30 A điện áp 250 V

A. Tổng quan về sản phẩm
1. Tính năng của sản phẩm: áp tô mát là thiết bị điện dùng đóng và tự động
ngắt mạch điện khi có sự cố nh quá tải, ngắn mạch, quá dòng, quá áp, thấp áp
Nguyên lý cấu tạo: Theo tính năng bảo vệ có thể chia áp tô mát theo nhiều loại
sau:
áp tô mát bảo vệ quá tải
áp tô mát bảo vệ ngắn mạch
áp tô mát bảo vệ quá dòng
áp tô mát bảo vệ mất pha & thấp áp
áp tô mát bảo vệ hỗn hợp là loại có thể kết hợp các chức năng bảo vệ
trong một áp tô mát. tuy nhiên áp tô mát loại này có kết cấu phức tạp,
kích cỡ lớn, giá thành cao.
Cu to gồm các bộ phận chính nh sau:

a. H thng liờn ng c khớ: có nhiệm vụ truyền chuyển động để tự ngắt, tách rời
tiếp điểm động khỏi tiếp điểm tĩnh khi áp tô mát có sự cố hoặc đóng ngắt bằng
tay theo ý muốn.










Hình minh hoạ hệ thống liên động cơ khí


9


b. H thng mch vũng dn in: có nhiệm vụ mang và dẫn dòng điện ở mọi chế
độ khác nhau nh dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại và chế độ quá tải của áp
tô mát.

Hình minh hoạ hệ thống mạch vòng dẫn điện

c. Phn t bo v có nhiệm vụ nhận và biến đổi các tín hiệu đầu vào, tác động một
lực lên hệ thống liên động cơ khí để ngắt áp tô mát khi mạch điện có sự cố quá
tải.
















Tiếp điểm hợp kim gốm ( Bạc/ni)
Giá tiếp điểm(Đồng lò xo)
Tính đàn hồi tốt- lực nén tiếp điểm lớn
Thanh dẫn đồng chất lợng cao
mạ bạc giảm điện trở tiếp xúc
kẹp dây vào ra (dạng tấm kẹp)

Diện tích tiếp xúc lớn, chống đứt dây
Dây nối mềm đợc nối với cực phụ bằng Phơng pháp
hàn tiếp xúc giảm tối đa điện trơt tiếp xúc
Nối với thanh dẫn bằng hàn tiếp xúc
Dây nối mềm
F
Thanh BIMÊTAN
10


d. Th©n, n¾p vµ hép b¶o vÖ








Th©n

N¾p











Hép b¶o vÖ


11


B. tính toán Thiết kế chi tiết sản phẩm
I. Tính toán thiết kế hệ thống liên động cơ khí:
1. Hệ thống liên động cơ khí có nhiệm vụ truyền chuyển động đóng, ngắt áp tô
mát.
Dựa trên nguyên lý cơ cấu 4 khâu có tác dụng đóng, ngắt và khâu truyền chuyển
động trung gian, khâu tryuyền động trung gian là cơ cấu tự do tuột khớp giữa hệ
thống tiếp điểm ở vị trí đóng. Nếu có sự cố, dù có cố định giữ tay bật ở vị trí đóng
ATM vẫn không đóng đợc.

Hình vẽ
Hình minh hoạ sơ đồ động cho nguyên lý hoạt động của cơ cấu liên động cơ khí:
Khi áp tô mát ở trạng thái mở hoàn toàn (các cặp tiếp điểm tách rời nhau), điểm cao
nhất trên thanh truyền 1 (vị trí điểm chết trên). Khi tác dụng một lực lên tay bật-
thanh truyền 1 chuyển động xoay, đẩy thanh truyền 2 (lẫy móc) chuyển động từ vị trí
1 đến 1, đồng thời tác dụng đẩy tấm tỳ nén tiếp điểm động chuyển động xuống
dới, khi thanh truyền 1 xoay đến vị trí điểm chết dới, tiếp điểm động tiếp xúc với
tiếp điểm tĩnh khi đó thanh truyền 2 (Lẫy móc) đợc giữ cố định tại điểm 1 áp tô
mát ở vị trí đóng hoàn toàn.

Khi tác dụng một lực F
2
lên thanh giữ lẫy móc, lẫy móc tuột khỏi thanh giữ, thanh
truyền 1 và 2 chuyển động về vị trí ban đầu (điểm chết trên), kết thúc chu kỳ dóng
ngắt.
Thanh truyền 1
Lẫy móc
giữ móc
Tấm tỳ
Tay bật
Giá tiếp điểm động
Giá tiếp điểm tĩnh
Điểm chết trên

Điểm chết dới
F
1
Hình 1
F2
1
1'
Hình 2
lò xo phản hồi
12

Việc tính toán thiết kế hệ thống liên động cơ khí cần dựa trên các yêu cầu về
thông số kỹ thuật của sản phẩm nh dòng định mức, điện áp định mức, chế độ làm
việc, các yêu cầu theo tiêu chuẩn để từ đó lựa chọn đợc dạng kết cấu, kích thớc cơ
cấu, vật t chế tạo, thoả mn các yêu cầu trong công tác tính toán thiết kế, đáp ứng
các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật, căn cứ qung đờng đi của tiếp điểm động (Khoảng
mở tiếp điểm) để tính chọn cơ cấu khâu, khớp cho hợp lí, với yêu cầu áp tô mát có
dòng định mức
I
đm
= 30A, điện áp 250 V, cần có khoảng mở của áp tô mát là 3mm do vậy chọn
hành trình khép kín chuyển động các khớp quay từ điểm chết dới đến điểm chết
trên khoảng 3mm.
- Các khâu khớp truyền chuyển động do vậy trong quá trình làm việc luôn có
các lực ma sát tác dụng, dẫn đến nhanh mòn, không đảm bảo các yêu cầu về
độ bền cơ khí chọn vật t chế tạo (thép 3X13)

Thanh truyền 2 (Thép 3 X13) Thanh truyền 1 (Thép 3X13)

II. Tính toán thiết kế phần tử bảo vệ:
áp tô mát là khí cụ điện dùng bảo vệ thiết bị điện khi mạch điện sảy ra các sự cố
nh ngắn mạch, quá dòng, quá áp, thấp áp vì vậy phần tử bảo vệ đóng vai trò rất
quan trọng. Theo tính năng bảo vệ có thể chia áp tô mát theo nhiều chức năng bảo vệ
khác nhau.
áp tô mát bảo vệ quá tải
áp tô mát bảo vệ ngắn mạch
áp tô mát bảo vệ quá dòng
áp tô mát bảo vệ mất pha & thấp áp
13

áp tô mát bảo vệ hỗn hợp là loại có thể kết hợp các chức năng bảo vệ
trong một áp tô mát tuy, nhiên áp tô mát loại này có kết cấu phức tạp,
kích cỡ lớn, giá thành cao.
Qua khảo sát về vấn đề sử dụng thiết bị điện trong hệ thống điện nói chung cũng
nh tại các hộ tiêu thụ điện nói riêng. do nhu cầu sử dụng các thiết bị tiêu thụ diện
trong các hộ gia đình ngày càng tăng trong khi đó việc đầu t, nâng cấp cải tạo
đờng dây và trạm cha đáp ứng đợc nhu cầu đó do vậy trong các hộ tiêu thụ điện
thờng sảy ra hiện tợng quá tải. Một trong những lý do trên, để mong muốn có một
sản phẩm tối u đảm bảo đợc các chỉ tiêu kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế. nhóm thiết
kế đ lựa chọn phơng pháp bảo vệ cho áp tô mát là bảo vệ quá tải.

1. Nguyên lý hoạt động phần tử bảo vệ quá tải
Hiện tợng quá tải trong mạch điện xuất hiện khi có nhiều phụ tải tiêu thụ

điện cùng trong một thời điểm, các thiết bị làm việc vợt công suất định mức
của thiết bị, dẫn đến dòng điện trong mạch điện tăng, nhiệt độ nóng dần lên,
trạng thái ổn định nhiệt của thiết bị điện bị phá vỡ, xuất hiện hiện tợng tăng
nhiệt, nếu quá trình kéo dài, mạch điện không đợc tách ra khỏi thiết bị sẽ gây
h hại cho thiết bị. Bảo vệ quá tải sảy ra khi nhiệt độ tăng dần lên sẽ đốt nóng
phiến kim loại kép, phiến kim loại kép cong về một phía sinh ra lực đẩy F đẩy
tấm giữ cần móc tuột ra khỏi lẫy móc, cơ cấu liên động trở về vị trí ban đầu,
tiếp điểm động tách rời khỏi tiếp điểm tĩnh, mạch điện đợc ngắt.











Hình minh họa quá trình tác động của phần tử bảo vệ


Tấm giữ cần móc
F
Phiến kim loại kép
Cần móc
14


* Nguyên lý hoạt động:

Là tập hợp sự biến đổi từ điện năng nhiệt năng cơ năng, dựa trên nguyên lý
sự gin nở không đều của 2 loại vật liệu khác nhau . Phiến kim loại kép (Bimêtan)
cấu tạo gồm 2 tấm kim loại, 1 tấm có hệ số gin nở dài bé, một tấm có hệ số gin nở
dài lớn thờng dùng đồng thau hoặc thép Crôm-Niken, đợc ghép với nhau bằng
phơng pháp cán nóng hệ số gin nở khác nhau giữa hai tấm kim loại khoảng 20 lần.
* Lựa chọn phơng pháp đốt nóng: căn cứ theo điều kiện làm việc của áp tô mát,
dòng điện định mức để lựa chọn các phơng pháp đốt nóng cho phù hợp gồm 3
phơng pháp đốt nóng sau:
- Đốt nóng trực tiếp: Là phơng pháp cho dòng điện trực tiếp đi qua tấm kim loại kép
(Tấm kim loại kép trở thành điện trở đốt nóng) u điểm kết cấu đơn giản, hằng số
thời gian bé, làm việc tin cậy. nhợc điểm khi thay đổi cấp dòng phải thay đổi bề
dày tấm bimetan, hay điện trở đốt nóng, sử dụng cho thiết bị có dòng dịnh mức nhỏ
- Đốt nóng gián tiếp: Là phơng pháp cho dòng điện đi qua phần tử đốt nóng độc
lập, phần tử đốt nóng sẽ truyền nhiệt đốt nóng tấm bimetan. u điểm muốn thay đổi
cấp dòng điện định mức cho áp tô mát chỉ phải thay đổi phần tử đốt nóng. nhợc
điểm khi có quá tải lớn, phần tử đốt nóng đạt đến nhiệt độ khá cao nhng vì không
khí truyền nhiệt kém, tấm bi metan cha kịp tác động phần tử đốt nóng đ bị cháy.
- Đốt nóng hỗn hợp là phơng pháp kết hợp vừa đốt nóng trực tiếp vừa đốt nóng gián
tiếp, u điểm của phơng pháp này là tính ổn định nhiệt cao, có thể làm việc ở bội
số quá tải lớn. Nhợc điểm kết cấu phức tạp, giá thành cao.

Hình minh họa cho các phơng pháp đốt nóng.

Đốt nóng trực tiếp
Đốt nóng gián tiếp
Đốt nóng hỗn hợp
Phần tử đốt nóng
Phần tử đốt nóng
15

Dựa trên những u và nhợc điểm của các phơng pháp đốt nóng đợc phân tích ở
trên, căn cứ theo dòng định mức của áp tô mát lựa chọn phơng pháp đốt nóng trực
tiếp để phù hợp kết cấu sản phẩm, khả năng bảo vệ thiết bị của áp tô mát.
Nguyên lý : Trong tấm kim loại lỡng kim (Bimetan), tấm có hệ số gin nở
nhiệt lớn hơn gọi là tấm chủ động, tấm có hệ số gin nở nhiệt bé hơn gọi là
tấm bị động, khi có dòng điện chạy qua trong một thời gian nhất định, tổng trở
của mạch điện tăng làm nóng Bimetan, khi đó một đầu của tấm Bimetan đ bị
cố định, theo nguyên lý dn nở về nhiệt của hai vật liệu khác nhau thì tấm
Bimetan sẽ bị cong về phía tấm kim loại có độ gin dài nhỏ hơn, khi bị cản trở
sẽ sinh ra lực tác dụng lên vật cản đó

Độ dời f
o
và lực tác dụng F
o
lên vật cản đó đợc tính nh sau:
f
o
= l
2
(1)
f
o
= (
1
-
2
)



l
b
2
(2)
Trong đó:
- f
o
: Là độ dời của tấm kim loại kép nếu đầu cuối của nó không bị cản trở (hình
2a)

- F
o
: Là lực tác dụng lên đầu cuối nếu nó bị cản trở hoàn toàn (Khi f
o
=o) (hình
2.c)
- 1, 2: Hệ số gin nở về nhiệt của 2 tấm kim loại
- b : là chiều rộng của tấm Bimêtan
- : Chiều dày tấm bimetan
- l : là chiều dài tấm bimetan
2. a
fo
2.b
f<fo
F<Fo
2.c
Fo
16

- : là mô đun dàn hồi của tấm bimetan
- : là độ chênh nhiệt của tấm Bimêtan so với nhiệt độ lúc nó thẳng hoàn toàn.
Từ (1) và (2) Nếu tấm bimetal cong đi một đoạn f mới bị cản (hình 2b) thì lực
tác dụng nh sau:
F=F
o
(3)
Chọn bề rộng tấm kim loại kép (Bimêtan) b = 6 mm
Chiều dài l = 26 mm
F
o

= 12,5 N
= 95
o
C-30
o
C = 65
o
C
= 2.10
-5
M
pa


1
= 1,7.10
-5


2
= 1,3.10
-5


Kết hợp (1); (2) và (3)
=
)(
16
3
.

.
21

b
lF
o

Thay số =
)10.3,110.7,1(
16
3
65.10.2.6
26.26,12
555

= 0,8764 mm
Chọn chiều dày tấm Bimêtan cho loại có dòng định mức 30A và 25A là =
1mm. Căn cứ dòng định mức, dựa theo kinh nghiệm chọn chiều dày = 0,8 mm cho
các gam dòng từ 10A đến 20A.
Việc tính toán thiết kế và lựa chọn áp tô mát bảo vệ thiết bị một cách hiệu quả
nhất cả về đặc tính bảo vệ và kinh tế cần phải dựa trên đặc tính Ampe - giây của áp
tô mát và đặc tính Ampe - giây của đối tợng cần bảo vệ. Khi có dòng điện chạy qua
trong một thời gian sẽ nung nóng thanh Bimêtan theo công thức nh sau:
Q=I
2
Rt
Trong đó I : dòng điện chạy qua áp tô mát
R: điện trở đợc đốt nóng
t : Thời gian đốt nóng
Do vậy căn cứ các thông số nh dòng định mức của áp tô mát, dòng quá tải

mà tại đó áp tô mát tác động và các biểu thức tính toán (1); (2); và (3) xây dựng
đờng đặc tính Am pe - giây (A-S) cho áp tô mát nh sau:


17














Các đờng đặc tính thời gian dòng điện

Thực chất phần tử bảo vệ trong áp tô mát là rơ le nhiệt. Đặc tính cơ bản của rơ
le nhiệt là quan hệ giữa thời gian tác động và dòng điện phụ tải chạy qua. Mặt khác
để đảm bảo tuổi thọ lâu dài của thiết bị theo đúng số liệu kỹ thuật. Lựa chọn áp tô
mát sao cho có đợc đờng đặc tính Am pe- giây áp tô mát gần sát đờng đặc tính
Am pe-giây của đối tợng cần đợc bảo vệ. Nhng nếu chọn quá thấp sẽ không tận
dụng đợc công suất của thiết bị, chọn quá cao sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị.

III. Tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện
1. Nguyên lý cấu tạo mạch vòng dẫn điện: Mạch vòng dẫn điện đóng vai trò rất

quan trọng trong áp tô mát, nó có nhiệm vụ đóng ngắt và truyền dẫn dòng điện
- Thanh dẫn có chức năng truyền tải dòng điện
- Hệ thống tiếp điểm gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh có chức năng truyền
tải và đóng ngắt dòng điện.
- Giá tiếp điểm: Bao gồm giá tiếp điểm động và giá tiếp điểm tĩnh có chức năng
hàn gắn tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh
- Các dây dẫn mềm
- Các mối ghép đầu nối dây
Vì vậy trong nhiệm vụ tính toán thiết kế phải lựa chọn vật liệu chế tạo, xác định
kích thớc các chi tiết cấu nên mạch vòng dẫn điện cho phù hợp đảm bảo cho ATM
làm việc đợc ở chế độ dài hạn, chế độ quá tải có thời gian nhng đảm bảo kích cỡ
ATM là nhỏ nhất, kết cấu & vật liệu đợc chọn nh sau:

2
1,2
o
1
3
4
5 6
7
10
100
1000
Đặc tính A-s của ATM
Đặc tính A-s của đối tợng bảo vệ
ATM tác động ở giá trị
Iđm
t
18

Tiếp điểm hợp kim gốm ( Bạc/ni)
Giá tiếp điểm(Đồng lò xo)
Tính đàn hồi tốt- lực nén tiếp điểm lớn
Thanh dẫn đồng chất lợng cao
mạ bạc giảm điện trở tiếp xúc
kẹp dây vào ra (dạng tấm kẹp)
Diện tích tiếp xúc lớn, chống đứt dây
Dây nối mềm đợc nối với cực phụ bằng Phơng pháp
hàn tiếp xúc giảm tối đa điện trơt tiếp xúc
Nối với thanh dẫn bằng hàn tiếp xúc














2. Tính toán thanh dẫn
Các bớc tính toán và thiết kế thanh dẫn
- Xác định kích thớc thanh dẫn ở chế độ dài hạn, ngắn hạn
- Kiểm nghiệm các kích thớc đ tính
a) Chọn vật liệu :

Thanh dẫn động đợc gắn với tiếp điểm động để tham gia đóng ngắt mạch điện vì
vậy vật liệu chế tạo thanh dẫn vừa phải có tính dẫn điện, truyền nhiệt nhanh và có
cơ tính tốt để tạo ra lực nén tiếp xúc khi đóng áp tô mát, theo các yêu cầu trên
lựa chọn vật liệu đồng kéo nguội chế tạo thanh dẫn tĩnh và đồng lò xo có tính đàn
hồi tốt chế tạo thanh dẫn động.
Các thông số của đồng kéo nguội:
Tỷ trọng () = 8,9g/cm
3

Nhiệt độ nóng chảy (
nc
) = 1083
o
C
Điện trở suất ở 20
o
C (
20
) = 0,018.10
-3
mm
Độ dẫn nhiệt () = 3,9w/cm
o
C
Độ cứng Brinen (H
B
) = 80ữ120 kG/cm
2

Hệ số dẫn nhiệt điện trở () = 0,0043 1/

o
C
Nhiệt độ cho phép cấp A([
cp
]) = 95
o
C
b) Tính toán thiết kế thanh dẫn
- Chọn kết cấu
+ Chiều dài thanh dẫn: l (mm)
+ Chiều rộng thanh dẫn a (mm)
+ Chiều rộng thanh dẫn b (mm)
19








Theo biểu thức Niu tơn P = K
T
.S
T
.(
ođ
-
o
) = K

T
.S
T
.
ođ
(1).
- Phơng trình cân bằng nhiệt ở nhiệt độ xác lập cho chi tiết với bề mặt
tản nhiệt S
T
, chiều dài l và chu vi D=
l
S
T

Có dạng: P = I
2
.R
o
. K


= K
T
.S
T
.(
ođ
-
mt
) (2)

Hay
)(
.
2
mt
d
TD
mo
K
S
KI


=


Trong đó: R
o
: Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định ()
I : Dòng điện định mức của áp tô mát Iđm=30A
n : Hệ số hình dáng (Chọn n=5)


: (m) Điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định


=
20
.(1+) =
20

(1+)(+20)

o
; Điện trở suất của vật liệu ở 20
o
C
Với:
20
=0.018.10
-3
(mm)
=0,0043 (
o
C
-1
)
=95 (
o
C)


= 0,02382.10
-3
(mm)

ođ
: Độ tăng nhiệt độ

ođ
= -

mt

Chọn nhiệt độ môi trờng lớn nhất
mt
= 60
o
C
ođ
= 95-60 = 35
o
C
K

: Hệ số tổn hao phụ đặc trng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng
gần
K

=K
đm
-K
g
=1.03ữ1.06 Đối với dòng điện xoay chiều.
K
đm
: hiệu ứng bề mặt
S
T
(m
2
) diện tích tản nhiệt của thanh dẫn

S (m
2
) Tiết diện của thanh dẫn
D (mm) chu vi của thanh dẫn

ođ
(
o
C ) nhiệt độ ổn định

mt
Nhiệt độ môi trờng
l
b
a
20


ođ
=
ođ
-
mt
Độ tăng nhiệt ổn định
K
t
(
o
C) Hệ số tản nhiệt
P : Công suất tổn hao trên thanh dẫn

Vậy chu vi tiết diện thanh dẫn đợc tính bằng
S.D=
=

T
K
KI

2
)(
).1(
2
mtoT
To
K
KI





+
.a.b. 2(a+b)=



oT
o
K
KI

.

2


b=
.
.)1(.2
.
2
od
fo
Knn
KI



+

Thay số tính b=
3
6
32
35.10.6).15(5.2
06,1.10.02382.30


+
= 2,622 mm
Với kích thớc chiều dày b = 2,322 kích thớc a = 4mm. Lựa chọn các kích

thớc chiều dày b và chiều rộng a phù hợp với kết cấu sản phẩm cũng nh kích thớc
băng phôi vật t chọn b = 1,2mm
và a = 5mm.
d. Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch
J
mm
=
mm
dmm
t
AA

Trong đó
J
mm
: Mật độ dòng điện
t
mm
: Thời gian ngắn mạch
A
mm
: Hệ số tích phân ứng với mm hay bền nhiệt
A
d
: Hệ số tích phân ứng với nhiệt độ ban đầu
Với
bn
= 300
o
C

A
mm
= 4.10
4
(A
2
s/mm
4
)



d
= 95
o
C

A
d
= 1,6.10
4
(A
2
s/mm
4
)
Từ đó ta có bảng :
t
mm

(s)
Mức quy định

J
mm
(A
2
s/mm
2
)
Kết quả

(j
mm
)
cp
(A/mm
2
)
3

0,8944

0,94

4

0,77

0,82

10

0,4898

0,51

Nh vậy mật độ dòng qua thanh dẫn thoả mn các điều kiện thanh dẫn chịu
đợc ngắn mạch.
e. Kiểm tra thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn
- Tiết diện thanh dẫn
S
td
= a.b =1.2x5 = 6mm
2

- Chu vi thanh dẫn
21

P
td
= 2(a+b) = 2.(1.2+5)=12mm
- Mật độ dòng qua thanh dẫn j=
td
dm
S
I
=
6
30

=5A/mm
2

Nh vậy mật độ dòng điện j < (2ữ7) thỏa mn
- Độ tăng nhiệt của thanh dẫn

od
=
3
2
.).1(.2

bKnn
KI
T
f
+


=
36
32
5.10.6).15.(5.2
06,1.10.02382,0.30


+
=14,23
o
C

- Nhiệt độ ổn định

ođ
=
od
+
mt
= 14.23+60 = 14,23+60 = 74,23 < = 95
o
C
Theo các kết quả kiểm tra thanh dẫn với kích thớc a = 5mm; b = 1,2mm hoàn
toàn thoả mn các yêu cầu ở mọi chế độ làm việc khác nhau.
f. Tính toán đầu nối
* Đầu nối tiếp xúc rất quan trọng trong khí cụ điện, nó ảnh hởng trực tiếp đến
quá trình vận hành nhất là đối với khí cụ có dòng điện lớn và điện áp cao.
Có thể chia đầu thành 2 loại sau:
- 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 đầu nối (mối nối)
- Nhiệt độ tại các mối nối khi làm việc ở chế độ làm việc dài hạn với dòng
định mức không đựơc vợt quá trị số cho phép, do vậy yêu cầu mối nối
phải có kích thớc và lực ép tiếp xúc đủ để đảm bảo cho điện trở tiếp xúc
là nhỏ nhất, ít tổn hao công suất
- Mối nối phải có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt để chống lại lực điện động
khi có dòng ngắn mạch chạy qua.
Kết cấu mối nối:
Thờng sử dụng 2 loại mối nối sau
- Mối nối có thể tháo rời đợc
- Mối nối cố định (Hàn các dây dẫn mềm)
Với dòng điện định mức qua các mối nối là 30A lựa chọn các mối nối cố định

bằng vít và bu lông M4 và M3
Dạng kết cấu đầu nối






b
a
S
tx
22

Tính đầu nối
Diện tích tiếp xúc đầu nối: S
tx
=
j
I
dm

Đối với thanh dẫn đồng làm việc ở tần số f=50Hz, dòng định mức 30A chọn
mật độ dòng điện nơi tiếp xúc j = 0,13 (A/mm
2
)
S
tx
= 75mm
2

Lực ép tiếp xúc: F
tx
=f
tx
.S
tx
Trong đó f
tx
là lực ép riêng trên các mối nối, chọn f
tx
= 100 kG/cm
2

F
tx
= 7,5 kG


3. Tính toán tiếp điểm.
a. Khái quát chung về tiếp điểm :
- Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt của áp tô mát
Yêu cầu chính đối với tiếp điểm
- Khi làm việc ở chế độ định mức thì nhiệt độ bề mặt nơi tiếp xúc phải nhỏ
hơn nhiệt độ cho phép
tx
<
cp

- Với dòng điện cho phép I

đm
< I < 1,8I
đm
: Dòng khởi động, dòng ngắn
mạch. Tiếp điểm phải chịu đợc độ bền nhiệt và độ bền điện động.
- Khi làm việc với dòng định mức và khi đóng ngắt với dòng điện cho
phép tiếp điểm phải có độ mòn điện và độ mòn cơ cao, độ rung tiếp điểm
không lớn hơn trị số cho phép.
b. Chọn kết cấu và vật liệu tiếp điểm
- Chọn dạng tiếp xúc: Tiếp xúc đóng mở thờng sử dụng các dạng tiếp xúc mặt,
tiếp xúc đờng và tiếp xúc điểm. Căn cứ theo các điều kiện làm việc, dòng định mức
để lựa chọn dạng tiếp xúc cho phù hợp. Đối với áp tô mát có dòng định mức là 30A,
làm việc trong môi trờng ít bụi chọn dạng tiếp xúc điểm.










Tiếp điểm động Tiếp điểm tĩnh
Mặt cầu
Mặt phẳng
23


Vật liệu tiếp điểm

Vật liệu chế tạo tiếp điểm phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé
- Tính dẫn nhiệt, nhiệt độ nóng chảy cao
- ít bị ô xy hoá
- Khó hàn dính
- Độ cứng cao, ít bị ăn mòn cơ
- Đặc tính công nghệ tốt
- Giá thành hạ.
Từ những yêu cầu và tính chất của vật liệu tiếp điểm, căn cứ theo dòng định
mức của áp tô mát lựa chọn vật liệu chế tạo tiếp điểm là Bạc + Đồng niken có
các thông số kỹ thuật sau:
Vật liệu

Thông số

Ký hiệu

Đơn vị

Giá trị


Bạc
(Đồng)
Nhiệt độ nóng chảy


nc
o
C

961 (1083)


Tỷ trọng

G

g/cmm
2

10,5 (8,9)


Điện trở suất ở 20
o
C


20


mm
0,01
59.10
-
3

(0,015.10
-

3
)


Độ cứng

H
B
kG/mm
2

30
ữ
60 (95
ữ
110 )

Nhiệt độ cho phép cấp
A
[

cp
]

o
C

95 (95)

Hệ số dẫn nhiệt điện trở



1/

o
C

0,004 (0,0015)


c. Tính toán tiếp điểm
- Lực ép tiếp điểm:
Lực ép tiếp điểm có tác dụng đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình
thờng ở chế độ dài hạn và chế độ ngắn mạch trong thời gian cho phép
tiếp điểm không bị hàn dính do nhiệt và lực điện động.
Tại điểm tiếp xúc lực ép tiếp điểm sẽ là:
F
tđ
= n.I
2
đm
.
2
16



B

HA
.
2
)][arccos(
1
tx
td
T
T

Trong đó
N: Hệ số tiếp xúc với n=1
A: Hằng số Loren A=2,24.10
-8
(V/
o
C)
H
B
: Độ cứng = 70 (kG/mm
2
)
24

: Hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn =3,9 (w/cm
o
C)
T
td
: Nhiệt độ của thanh dẫn ở xa nới tiếp điểm (lấy bằng nhiệt độ phát

nóng
dài hạn của thanh dẫn)
T
td
=82,44+273=355,44 (
0
K)
T
tx
: Nhiệt độ nơi tiếp xúc T
tx
=T
tđ
+
tx
độ tăng nhiệt của tiếp điểm so với
thanh dẫn
tx
=10
0
vậy T
tx
=365,44 (
0
K)

F
tđ
=1.30
2

22
8
)10.9.3.(16
70 10.42.2



2
)]
4,365
4.355
cos([
1
ar
=0,72 kG
Điện trở tiếp điểm
Điện trở tiếp điểm đợc xác định
R
tx
=
m
tx
tx
F
K
)(

Trong đó : F
tđ
= 0,72kG = 7,2N

K
tx
= 1,58.10
-4

m = 1
R
tx
=
2,7
10.58,1
4
=1,92.10
-7
()
* Điện áp rơi trên tiếp điểm
U
tđ
=I
đm
.R
tđ
=30.1,92.10
-7
=0,0057 V=5mV
Điện áp rơi trên tiếp điểm đảm bảo điều kiện tiếp xúc
Nhiệt độ tiếp điểm.
Nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm

tđ

=
mt
+
t
dm
KPS
I

.
2


+
T
td
dm
KPS
RI
2
.
2


Trong đó


=
20
[1+(-20)] = 0,032.10
-3

.[1+0,0035(95-20]=4,04.10
-5

(mm)
K
T
= 8.10
-6
(w.
o
C.mm
2
)
S: Tiết diện thanh dẫn S = 5.1,2 = 6mm
P: Chu vi tiết diện thanh dẫn P = (1,2+5).2 = 12,4 mm
: Độ dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm
= 0,325 [ww/mm.
o
C]
Nhiệt độ môi trờng
mt
= 60
o
C
25


tđ
= 60+
6

52
10
.
8
.
60
.
125
10.4,4.30


=
6
62
10.8.60.125.325,02
10.74,9.30


= 82,74
o
C
Dòng điện hàn dính tiếp điểm
Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức (Do quá tải, dòng
điện khi khởi động hay ngắn mạch), nhiệt độ của tiếp điểm tăng lên, đồng thời
khi dòng điện lớn lực điện động tăng lên dẫn đến khả năng tiếp điểm bị hàn
dính. Dòng điện hàn dính đợc xác định nh sau:
I
hdtd
= A.
nc

f
.
td
F
(A)
Trong đó trị số A đợc xác định nh sau:
A =
)
3
2
1(
)
3
1
1.( 32
ncoBo
ncnc
H


+
+

Với:

o
: Điện trở suất của vật liệu tiếp điểm ở 20
o
C

o
=
20
.
1
2


+
o
=
20.0035,01
10.032,0
3
+

=2,99.10
-5
(mm)
: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm tiếp điểm
= 0,325 (w/m.
o
C)

nc
: Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu tiếp điểm

nc
= 1300
o

C
H
Bo
: Độ cứng của vật liệu tiếp điểm
H
Bo
= 70 kG/mm
2

A =
)1300.0035,0.
3
2
1.(10.99,2.70.
)1300.0035,0.
3
1
1.(1300.325,0.32
8
+

=3872,3
F
nc
: Hệ số đặc trng choc ho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát
nóng, chọn F
nc
= 3
F
td

: Lực ép tiếp điểm
I
hđb
= 3872,3x
3
.
72,0
=5585,78 A
Nh vậy với điều kiện I
hđb
> 20I
đm
= 600 đảm bảo tiếp điểm không bị hàn dính.
Độ rung và thời gian rung của tiếp điểm
Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc có xung lực va đập cơ khí giữa
tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh sẽ gây ra hiện tợng rung của tiếp điểm. Khi đó
tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó sau đó lại tiếp tục va đập, quá
trình này sảy ra trong khoảng thời gian sau đó mới chuyển sang trạng thái tiếp