Đồ án thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha

Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha

Lời mở đầu

Đất nước ta đang trên con đường phát triển kinh tế, sự phát triển của
các ngành công nông nghiệp, nhu cầu sinh hoạt của nhân dân kéo theo đòi
hỏi về điện năng ngày càng nhiều. Trong quá trình sử dụng điện năng không
tránh khỏi những sự cố, rủi ro như hiện tượng quá dòng điện, quá điện áp,
hiện tượng ngắn mạch….Vì vậy vấn đề đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện
và đặc biệt là đảm bảo an toàn cho người sử dụng, vận hành là một yêu cầu
rất bức thiết.
Công tắc tơ xoay chiều là một trong những thiết bị đảm bảo an toàn
trong sử dụng điện.Chính vì vậy nghiên cứu, thiết kế công tắc tơ là mối quan
tâm của ngành thiết bị điện.
Được sự hướng dẫn và giúp đỡ của các thầy cô trong bộ môn Thiết bị
điện - Điện tử đại học Bách Khoa Hà Nội. Đặc biệt là sự hướng dẫn và giúp
đỡ nhiệt tình của thầy Nguyễn Văn Đức đã giúp em hoàn thành xong đồ án
tốt nghiệp thiết kế “ Công tắc tơ xoay chiều ba pha”.
Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng nhưng do hiểu biết kiến thức và kinh
nghiệm thực tế còn ít, quá trình thiết kế đồ án của em vẫn còn mắc phải
những sai sót nhất định.Vì vậy em rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến
của các thầy cô để giúp em hoàn thiện hơn phần kiến thức của mình.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn và thầy giáo Nguyễn
Văn Đức.
Sinh viên.
Đỗ Thị Thu Hương.

Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
1
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
Mục Lục:

Lời mở đầu ………………………………………………………… 1
Giới thiệu chung về công tắc tơ 4
Chương I:
Chọn phương án thiết kế.
I/ Các yêu cầu chính đối với công tắc tơ……………………… 6
II/ Lựa chọn kết cấu của công tắc tơ…………………………….7
III/ Tính chọn khoảng cách cách điện
………………………….13
Chương II:
Tính toán mạch vòng dẫn điện.
I/ Khái niệm chung
II/ Mạch vòng dẫn điện chính
1. Tính toán thanh dẫn động…………………………………13
2. Tính toán thanh dẫn tĩnh ………………………………….15
3. Đầu nối………………………………………………… 15
4. Tiếp điểm………………………………………………….16
III/ Mạch vòng dẫn điện phụ
1. Tính toán thanh dẫn………………………………………23
2. Đầu nối………………………………………………… 25
3. Tiếp điểm…………………………………………………26
Chương III:
Tính và dựng đặc tính cơ.
I/ Lập sơ đồ động
II/ Tính toán lò xo
1. Tính toán lò xo nhả……………………………………… 34
2. Tính toán lò xo tiếp điểm chính………………………… 35
3. Tính toán lò xo tiếp điểm phụ…………………………… 37
4. Xác định các lực………………………………………… 40
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
2

Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
5.Đồ thị đặc tính cơ
Chương IV:
Tính toán buồng dập hồ quang.
I/ Khái niệm chung …………………………………………….41
II/ Lựa chọn kết cấu buồng dập ………………………………41
III/ Tính toán các thông số buồng dập ……………………… 43
Chương V:
Tính toán nam châm điện.
I/ Tính toán sơ bộ nam châm
1. Chọn dạng kết cấu……………………………………… 47
2. Chọn vật liệu NCĐ………………………………… 47
3. Chọn từ cảm, hệ số từ rò, hệ số từ tản tại δ=δ
th
………… 48
4. Xác định các thông số chủ yếu của NCĐ………………… 49
5. Xác định các kích thước của cuộn dây…………………… 50
II/ Tính toán kiểm nghiệm nam châm
1. Sơ đồ thay thế………………………………………………55
2. Xác định từ dẫn khe hở không khí…………………………57
3. Xác định từ cảm và hệ số từ rò tại δ=δ
th
………………… 62
4. Xác định thông số cuộn dây……………………………… 64
5. Tính toán vòng ngắn mạch chống rung………………… 65
6. Hệ số tỏa nhiệt của vòng ngắn mạch…………………… 70
7. Tính toán tổn hao trong lõi thép……………………………70
8. Tính toán dòng điện trong cuộn dây…………………… 71
9. Tính toán nhiệt trong cuộn dây………………………… 73
10.Tính và dựng đặc tính lực hút điện từ…………………… 74

11.Tính và dựng đặc tính lực nhả…………………………… 75
12.Tính toán gần đúng thời gian tác động và thời gian nhả 76

Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
3
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
Chương VI:
Thiết kế kết cấu.
I/ Kết cấu vỏ ……………………………………………………78
II/ Hệ thống tiếp điểm… ……………………………………….79
III/ Nam châm điện …………………………………………….82
IV/ Hệ thống mạch từ ………………………………………… 84
V/ Hệ thống buồng dập hồ quang …………………………… 85



Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
4
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TẮC TƠ.
I. Khái niệm:
Công tắc tơ (CTT) xoay chiều là một loại khí cụ điện dựng để đóng cắt
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, thủy lực hay khí nén .
Thông thường ta gặp loại đúng cắt bằng nam châm điện.
II.Phân loại:
Căn cứ vào dòng điện đúng cắt có loại công tắc tơ điện một chiều và công
tắc tơ điện xoay chiều. Công tắc tơ điện một chiều dựng để đóng, cắt mạch điện
một chiều, nam châm điện của nó là loại nam châm điện một chiều. Công tắc tơ
điện xoay chiều dựng để đóng, cắt mạch điện xoay chiều, nam châm điện của nó

có thể là loại nam châm điện một chiều hay xoay chiều.
Căn cứ vào số lần đúng cắt trong một giờ (tần số thao táct):
- Chế độ làm việc nhẹ: Khi tần số thao tác tới 400 lần / giờ.
- Chế độ làm việc trung bình: Khi tần số thao tác tới 600 lần / giờ.
- Chế độ làm việc nặng: Khi tần số thao tác tới 1500 lần / giờ.
Mỗi lần đúng cắt đều làm cho tiếp điểm bị mòn về cả cơ lẫn điện, do đó
cần phải làm tăng độ bền mòn cơ và độ bền mòn điện của CTT.
Độ bền mòn cơ được xác định bằng số lần đúng cắt tối đa chưa đòi hỏi
phải thay thế và sửa chữa các chi tiết khi không có dòng điện chạy qua các tiếp
điểm. Đối với các công tắc tơ hiện tại, yêu cầu độ bền mòn cơ rất cao, từ (10
20).10 lần thao tác.
Độ bền mòn điện được xác định bằng số lần đúng cắt tối thiểu mà sau đó
cần phải thay thế các tiếp điểm khi có dòng điện chạy qua tiếp điểm. Yêu cầu độ
mòn điện từ (2 3).10 lần thao tác.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
5
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
III. Cấu tạo:
Công tắc tơ xoay chiều 3 pha gồm các bộ phận chính sau:
+Hệ thống tiếp điểm gồm có tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, tiếp điểm
thường đúng và tiếp điểm thường mở.
+Hệ thống thanh dẫn: thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh.
+Nam châm điện xoay chiều.
+ Cuộn dây nam châm điện xoay chiều.
+Hệ thống lò xo: lò xo nhả, lò xo tiếp điểm, lò xo giảm chấn rung….
+Các vít đầu nối và dây dẫn mềm.
+Buồng dập hồ quang.
IV. Nguyên lý hoạt động:
Khi cho dòng điện vào cuộn dây, từ thông sẽ được sinh ra trong nam
châm điện.Từ thông này sinh ra một lực điện từ. Khi lực điện từ lớn hơn lực cơ

thì nắp mạch từ được hút về phía mạch từ tĩnh, làm cho tiếp điểm động tiếp xúc
với tiếp điểm tĩnh. Tiếp điểm tĩnh được gắn trên thanh dẫn tĩnh, đầu kia của
thanh dẫn có vít bắt dây điện ra, vào. Các lò xo tiếp điểm có tác dụng duy trì
một lực ép tiếp điểm cần thiết lên tiếp điểm. Đồng thời tiếp điểm phụ cũng được
đóng vào với tiếp điểm phụ thường mở và mở ra đối với tiếp điểm thường đúng.
Lò xo nhả bị nén lại.
Khi ngắt điện vào cuộn dây, từ thông sẽ giảm xuống về không, đồng thời
lực điện từ do nó sinh ra cũng giảm về không. Khi đó lò xo nhả sẽ đẩy toàn bộ
phần động của công tắc tơ lên và cắt dòng điện tải ra. Khi tiếp điểm động tách
khỏi tiếp điểm tĩnh của mạch từ chính thì hồ quang sẽ xuất hiện giữa hai tiếp
điểm. Nhờ các vắch ngăn trong buồng dập hồ quang, hồ quang sẽ được dập tắt.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
6
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
CHƯƠNG I: CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.
I. Các yêu cầu chính đối với công tắc tơ:
1. Yêu cầu về kỹ thuật:
Yêu cầu kỹ thuật là một yêu cầu quan trọng và quyết định nhất đối với
quá trình thiết kế khí cụ điện. Nó bao gồm các yêu cầu về:
- Độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của khí cụ điện khi làm việc ở chế độ
định mức và chế độ sự cố. Vì vậy cần phải đảm bảo độ bền nhiệt của các
chi tiết, bộ phận phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép để không làm giảm cơ
tính, giảm tuổi thọ….
- Độ bền cách điện của các chi tiết bộ phận cách điện và khoảng cách cách
điện khi làm việcvới điện áp lớn nhất để không xảy ra phóng điện, trong
điều kiện môi trường xung quanh cũng như khi có quá điện áp nội bộ hoặc
quá điện áp do khí quyển gây ra.
- Độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận khí cụ điện trong giới hạn số
lần thao tác đã thiết kế, thời hạn làm việc ở chế độ làm việc định mức và
chế độ sự cố.

- Khả năng đúng cắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện thông
qua các chi tiết, bộ phận.
- Độ bền cơ, hóa học đối với môi trưòng xung quanh.
- Tính năng kỹ thuật, công nghệ tiên tiến, kết cấu đơn giản, khối lượng và
kích thước nhỏ.
2. Các yêu cầu về vận hành:
Khi vận hành, sử dụng cần chú ý các yêu cầu sau:
- ảnh hưởng của môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ…do đó cần phải
tránh các tác động có hại của môi trường lên thiết bị điện.
- Có độ tin cậy đối với người sử dụng, vận hành, thao tác.
- Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài.
- Đơn giản, dễ thao tác, sửa chữa, thay thế.
- Chi phí vận hành và tiêu tốn năng lượng ít.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
7
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha

3. Các yêu cầu về kinh tế xã hội:
Đây là một trong các yêu cầu quyết định tới vị trí của sản phẩm:
Khi thiết kế một sản phẩm nói chung và một thiết bị điện nói riêng đầu tiên
người thiết kế phải chú ý đến thị trường, làm thế nào để khi đưa ra sản phẩm của
mình thì có thể chiếm được ưu thế so với các sản phẩm cùng chủng loại, cùng có
chất lượng kỹ thuật thì thiết bị của mình phải có giá thành hạ, có tính thẩm mĩ
của kết cấu, vốn đầu tư khi lắp ráp, chế tạo là nhỏ nhất.
4. Các yêu cầu về công nghệ chế tạo:
- Tính công nghệ của kết cấu: dựng các chi tiết, cụm quy chuẩn, tính lắp
dẫn…
- Lưu ý đến khả năng chế tạo: mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất,
khả năng của thiết bị.
- Lưu ý đến khả năng phát triển chế tạoL, sự lắp ghép vào các tổ hợp khác,

chế tạo dãy….
II. Lựa chọn kết cấu của công tắc tơ.
Để có kết cấu hợp lý và phù hợp với điều kiện công nghệ của nước ta hiện
nay, với việc tham khảo một số mẫu hiện có trên thị trường ta có thể chọn ra
phương án tối ưu, hơn nữa tạo điều kiện dễ dàng cho việc thay thế và lắp ráp.
1. Hệ thống tiếp điểm:
Công tắc tơ ( CTT) làm nhiệm vụ đúng cắt với tần số đúng ngắt cao, do
đó tuổi thọ của công tắc tơ phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống tiếp điểm.
Hệ thống tiếp điểm làm nhiệm vụ dẫn dòng bằng tiếp xúc điện, dòng điện
chạy từ tiếp điểm tĩnh sang tiếp điểm động qua bề mặt tiếp xúc, tiếp điểm đúng
mở làm cho dòng điện chạy qua hoặc ngừng. Có 3 dạng tiếp xúc:
- Tiếp xúc điểm.
- Tiếp xúc đường.
- Tiếp xúc mặt.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
8
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
Kết cấu của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện, chức năng của tiếp điểm,
tần số làm việc, tuổi thọ và nhiều yếu tố khác.Vì vậy thiết kế hệ thống tiếp điểm
cần đảm bảo:
- Khi làm việc dài hạn ở chế độ định mức, tiếp điểm không được phát nóng
quá trị số cho phép.
- Phải ổn định với tác động nhiệt và điện động của dòng điện.
- Đảm bảo độ mòn về cơ, điện là bộ nhất, độ rung tiếp điểm không được lớn
hơn trị số cho phép.
- Điện trở tiếp xúc bộ.
Hệ thống tiếp điểm của CTT thường sử dụng các dạng sau:
- Tiếp điểm hình nón _ tiếp xúc điểm: loại này dựng với dòng điện bộ cỡ vài
Ampe và không cần lực ép lớn.
- Tiếp điểm loại cầu, mặt phẳng _ tiếp xúc điểm: Dựng với dòng điện lớn

hơn cỡ vài choc Ampe, dạng tiếp điểm này có khả năng tự làm sạch bụi bẩn
nơi tiếp xúc, lực ép tiếp điểm không lớn.
- Tiếp điểm hình ngón _ tiếp xúc đường: Tiếp điểm động có khả năng lăn và
trượt trên bề mặt tiếp điểm tĩnh và tự làm sạch bụi bẩn nơi tiếp xúc, dùng
cho dòng điện cỡ vài trăm Ampe.
- Tiếp điểm loại mặt phẳng _ tiếp xúc mặt: Dùng cho dòng điện lớn cần có
lực ép tiếp điểm lớn.
Hiện nay trên thực tế có nhiều hãng sản suất CTT như
TELEMECANIQUE của Pháp, TOGAMI _ Nhật Bản, LG _ Hàn Quốc,
VINAKIP _ Việt Nam.
Với dòng điện định mức I đm = 40 A, CTT của TOGAMI, LG,
VINAKIP đều có đặc điểm cấu tạo chung như sau:
- Kết cấu kiểu bắc cầu hai chỗ ngắt.
- Tiếp xúc điểm (cầu – mặtc).
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
9
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
- Lò xo tiếp điểm loại xoắn trụ làm việc chịu nén, lò xo này có độ bền cao và
ít bị ăn mòn, tạo được lực ép lớn, làm việc ổn định, không có dòng điện
chạy qua do đó có độ tin cậy cao, không bị phát nóng, không già hóa và
giảm tính đàn hồi.
- Kết cấu gọn nhẹ, đơn giản dễ chế tạo, độ tin cậy cao.

Hình 1.1: Kết cấu tiếp điểm của hãng VINAKIP.
Qua sự phân tích các hệ thống tiếp điểm và một số mẫu hiện có trên thị trường,
ta chọn dạng kết cấu của tiếp điểm là:
Đối với tiếp điểm chính:
- Kết cấu kiểu bắc cầu 1 pha hai chỗ ngắt.
- Tiếp xúc kiểu mặt cầu - mặt phẳng (tiếp xúc điểm t).
- Lò xo tiếp điểm loại xoắn trụ làm việc chịu nén.

- Tiếp điểm tĩnh hàn cố định với thanh dẫn.
- Tiếp điểm động chuyển động thẳng, tịnh tiến.
- Có buồng dập hồ quang.
2. Hệ thống dập hồ quang:
Khi đúng hoặc ngắt tiếp điểm, hồ quang sẽ phát sinh do sự phóng điện.
Đặc biệt khi ngắt CTT với tải cảm, hồ quang dễ phát sinh và duy trì lâu. Khi
đúng, hồ quang phát sinh chủ yếu do sự rung của tiếp điểm. Hồ quang xuất hiện
kèm theo ánh sáng và nhiệt độ cao gây mòn tiếp điểm….Do đó phải dập tắt hồ
quang càng nhanh càng tốt.
Đối với CTT xoay chiều thường dùng các phương pháp dập hồ quang sau:
- Dựng cuộn thổi từ với buồng dập khe hở hẹp.
Dưới tác dụng của từ trường lên dòng điện hồ quang, sinh ra lực điện động
hút hồ quang vào buồng dập khe hở hẹp nên hồ quang nhanh chóng được
dập tắt.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
10
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
- Dựng buồng kiểu dàn dập.
Buồng dập kiểu dàn dập được làm từ những lá thép non ghép lại có khe hở
với nhau, khi hồ quang xuất hiện nó được đẩy vào dàn dập do lự điện động
và lực khí động, hồ quang được chia nhỏ thành từng đoạn, chạm vào vách
ngăn và nhanh chóng bị dập tắt.
Phương pháp thứ nhất có khả năng rất tốt xong kết cấu phức tạpP, thường
dùng ở CTT dòng điện lớn, chế độ làm việc nặng.
Phương pháp thứ hai có buồng dập kiểu dàn dậpcho ta khả năng rút ngắn
đáng kể chiều dài hồ quang và dập nó trong thể tích nhỏP, do đó phát sáng ít và
âm thanh bị hạn chế. Nên kiểu này được dựng rộng rãi trong CTT có tần số đúng
cắt khoảng 600 lần / giờ. Phương pháp này có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và
khả năng dập hồ quang cũng rất tốt.
Trong thực tế, Công tắc tơ của TOGAMI, LG, VINAKIP phổ biến dựng

buồng dập có đặc điểm sau:
Tiếp điểm kiểu bắc cầu kết hợp với buồng dập hồ quang có kết cấu bằng lá thép
non đặt ngang. Dập tắt hồ quang bằng biện pháp phân chia hồ quang ra thành
nhiều đoạn ngắn. Hồ quang sinh ra kéo dài về hai phía, dễ dàng bị đẩy vào dàn
dập, chia thành nhiều đoạn. Thành dàn dập làm bằng vật liệu chịu nhiệt nên hồ
quang bị giảm nhanh nhiệt độ và dễ dàng bị dập tắt.
Qua sự phân tích giữa lý thuyết và thực tế ta chọn kết cấu của buồng dập
hồ quang như sau:
Buồng dập hồ quang kiểu dàn dập bằng lá thép non có vách thành
làm bằng vật liệu chịu nhiệt như Ximăng - amiăng.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
11
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha

Hình 1.2: Buồng dập hồ quang của hãng VINAKIP
3.Nam châm điện – Cơ cấu điện từ.
Cơ cấu điện từ là một bộ phận rất quan trọng của CTT, được dựng để biến
đổi điện năng thành cơ năng. Trong công tắc tơ xoay chiều đặc trưng là Nam
châm điện.
Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận chính:
- Cuộn dây.
- Mạch từ.
+ Cuộn dây nam châm điện xoay chiều được thiết kế với điện áp xoay chiều
Ud=380 V.
+ Mạch từ của nam châm điện xoay chiều thường có dạng chữ U và chữ E có
nắp chuyển động quanh trục, nắp hút bị ngập vào cuộn dây hay nắp hút chuyển
động thẳng.
Đối với nam châm điện xoay chiều có mạch từ dạng chữ U, nắp hút quay
quanh trục có đường đặc tính lực hút gần giống đường hypebol. So với nam
châm điện hút thẳng có hai khe hở không khí, nếu tiết diện và độ từ cảm hai

nhánh bằng nhau thì lực hút kiểu thẳng lớn gấp hai lần lực hút kiểu chập.
Đối với nam châm điện xoay chiều có mạch từ dạng chữ E, kiểu hút thẳng
về căn bản có đường đặc tính lực hút gần giống đường đặc tính hình chữ U hút
thẳng vì có thể xem chữ E phân thành hai chữ U, tiết diện nhánh giữa gấp hai
lần tiết diện nhánh bên, khi cường độ từ cảm giống nhau thì lực hút của nam
châm điện chữ E hút thẳng lớn gấp hai lần lực hút của nam châm điện chữ U hút
thẳng.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
12
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
Trên thực tế hầu hết các hãng Telemecanique, TOGAMI, LG,
VINAKIP… đều dựng nam châm điện xoay chiều có kết cấu như sau:
- Mạch từ chữ E hút thẳng.
- Cực từ giữa lớn gấp hai lần cực từ bên, có đặt vòng ngắn mạch chống rung
ở hai cực từ bên.
Tóm lại, ta chọn kết cấu nam châm điện giống như thực tế của các hãng đã
làm ở trên:

Hình 1.3: Mạch từ chữ E hút thẳng có vòng ngắn mạch
III. Tính chọn khoảng cách cách điện:
Khoảng cách cách điện trong công tắc tơ đúng một vai trò vô cùng quan
trọng, nó ảnh hưởng tới kích thước của công tắc tơ và độ tin cậy khi vận hành.Vì
vậy việc xác định hợp lý khoảng cách cách điện là một điều được quan tâm
trong thiết kế công tắc tơ. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào các yếu tố:
- Điện áp định mức.
- Môi trường làm việc.
- Quá trình dập tắt hồ quang.
Việc xác định khoảng cách cách điện thường được chọn theo kinh nghiệm.
Muốn CTT có độ tin cậy cao, cần phải có khoảng cách cách điện lớn,
nhưng như vậy phải tăng kích thước và khối lượng thiết bị. Vì vậy nên chọn

theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệp cho các khí
cụ điện hạ áp thông dụng.
Theo bảng (1_2) TL1 với điện áp U đm = 400 V, thì khoảng cách cách điện
giữa các pha là lcd = 10mm.
Ta có cấu tạo chung của công tắc tơ được thiết kế:
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
13
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
1.Giá phần động 2. Lò xo tiếp điểm
3. Tiếp điểm động 4. Tiếp điểm tĩnh
5. Lắp NCĐ 6. Lò xo nhả
7. Thân (lõi) NCĐ 8. Cữ chặn

Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
14
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
PHẦN II : TÍNH CHỌN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN
Tính chọn mạch vòng dẫn điện chính
**.Khái niệm chung
- Mạch vòng dẫn điện của KCĐ do nhiều bộ phận , chi tiết có hình dạng, kích
thước khác nhau hợp thành.
- Mạch vòng dẫn điện bao gồm các chi tiết :
+ Thanh dẫn động , tĩnh.
+Tiếp điểm động, tĩnh.
+Đầu nối.
+Dây nối mềm (nếu có)
+ Cuộn dây thổi từ (nếu có ).
Nhiệm vụ thiết kế là phải tính toán , xác định được kích thước trong mạch
vòng dẫn điện đồng thời kiểm tra các kích thước này theo điều kiện kỹ thuật đã
cho.

Ngoài mạch vòng dẫn điện chính trong khí cụ điện còn mạch vòng dẫn điện
phụ , việc tính toán mạch vòng dẫn điện này giống mạch vòng dẫn điện chính.
1. Thanh dẫn động
Nhiệm vụ phải tính được tiết diện , kích thước của thanh dẫn ở chế độ làm
việc dài hạn và ngắn mạch. Kiểm nghiệm chúng ở 2 chế độ đó.
1.1. Chọn vật liệu
*.Yêu cầu đối với thanh dẫn.
- Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt, dẫn nhiệt tốt.
- Có độ bền cơ khí cao.
- Có khả năng chịu được ăn mòn, ít bị oxi hóa.
- Có độ mài mòn nhỏ khi bị va đập.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
15
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
- Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ.
*. Chọn vật liệu.
Để thỏa mãn các yêu cầu đối với thanh dẫn. Chọn vật liệu làm thanh dẫn là
thanh dẫn bằng đồng kéo nguội có (bảng 2-22 trang 82) :
- Tỉ trọng 8,9

(g/cm
3
)
- Điện trở suất ở nhiệt độ 20
o
C 1,58.10
-8
(Ω.m)
- Độ dẫn nhiệt 3,9 (W/cm
o

C)
- Tỉ trọng nhiệt 0,39 (Ws/cm
o
C)
- Độ cứng Briven 80 ÷ 120 (KG/mm
2
)
- Nhiệt độ nóng chảy 1083 (
o
C)
- Hệ số nhiệt điện trở 0,0043 (1/
o
C)
- Nhiệt độ cho phép 95
0
C
1.2. Hình dạng và kết cấu.
Thanh dẫn bằng đồng kéo nguội, dạng hình chữ nhật.
a
a b S b
l
a _ Chiều rộng thanh dẫn (mm); b _ Chiều dày thanh dẫn (mm)
l _ Chiều dài thanh dẫn (mm); S _ Tiết diện của thanh dẫn (mm)
1.3. Kích thước thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn.
- Bề dày thanh dẫn được xác định:
b =
Trong đó:
I
dm
- Dòng điện làm việc định mức. (A)

ρ
θ
- Điện trở suất vật liệu ở nhiệt độ ổn định (Ω.m)
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
16
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
K
ph
- Hệ số tổn hao đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng
gần: Chọn K
ph
=1,04
n - Tỉ số tiết diện: Chọn n = 8
K
T
- Hệ số tản nhiệt ra khống chế: Chọn K
T
= 7,5 W/
0
C.m
2
[Tra bảng 6T_5
trang 300 tài liệu Thiết kế khí cụ điện hạ áp (TKKCĐHA)]
τ
ôđ
- Độ tăng nhiệt ổn định: τ
ôđ
= 55
o
C đối với đồng (Bảng 6B_1 trang 288

TL1)
- Bề rộng thanh dẫn được xác định:
a = n.b (mm)
- Điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định:
Trong đó:
- Điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ
α (1/
o
C) - Hệ số nhiệt điện trở của đồng α
Cu
= 0,0043( )
θ
ôđ
(
o
C) -Nhiệt độ ổn định θ
ôđ
= 95
o
C (Bảng 6_1 trang 288 TKKCĐHA)
Vậy:

- Kích thước thanh dẫn làm việc với I
đm
= 35 A:
b =
a = 8.0,77= 6,16(mm)
Tuy nhiên trên thanh dẫn có gắn tiếp điểm, cho nên thanh dẫn phải có kích
thước đảm bảo lớn hơn kích thước của tiếp điểm. Với dòng điện I đm = 35 A,
căn cứ vào bảng ( 2_15) TL1 thì đường kính của tiếp điểm là dtđ = 10 mm.

athực tế = dtđ + (1 2)mm Chọn a thực tế = 10 + 2 =12 (mm).
Chọn bthực tế = 1,2 (mm).
Tiết diện của thanh dẫn: S = a.b = 12.1,2 = 14,4 (mm
2
).
Chu vi thanh dẫn : P= 2.( a+b ) = 2.( 12+1,2 ) = 26,4 (mm).
1.4.Kiểm nghiệm thanh dẫn
a. Kiểm nghiệm khi làm việc ở chế độ dài hạn
- Mật độ dòng điện ở chế độ dài hạn
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
17
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
J
dh
= = = ( A/mm
2
) < [ J
dh
] =4( A/mm
2
)
- Nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn :
=1,45.10
-8

C
=
ođ
<[ ]=95
0

C
b. Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ làm việc ngắn mạch
Độ bền nhiệt của KCĐ là tính chất chịu được sự tác dụng nhiệt của dòng điện
ngắn mạch trong thời gian ngắn mạch nó được đặc trưng bằng dòng bền nhiệt là
dòng điện mà ở đó thanh dẫn chưa bị biến dạng.
Để thuận tịên cho việc đánh giá ta xét giới hạn cho phép của dòng điện và
mật độ dòng điện bền nhiệt của thanh dẫn ở các thời gian ngắn mạch.
t
nm
= 1s; t
nm
= 3s; t
nm
= 4s; t
nm
= 10s
Với điều kiện θ
ođ
= 95
o
C
Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch θ
nm
= 300
o
C
Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt được xác định theo
công thức :
J
nm

=
Với :
t
nm
– Thời gian ngắn mạch (s)
A , A - hệ số tích phân phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ thanh dẫn
(A
2
S/mm
4
).
Theo hình 6_6 trang 313 TL1 ta có: θ
0
= 47,8
o
C

=>A =1,2.10
4
(A
2
S/mm
4
)
θ
nm
= 300
o

=> A =3,75.10

4
(A
2
S/mm
4
)
Có J
cp
trong bảng 6-7 trang 305 TL1
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
18
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm
= 1s :
<J
1cp
= 163(A/mm
2
)
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm
= 3s :
< J
3cp
= 94(A/mm
2
)
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm

= 4s :
< J
4cp
= 82(A/mm
2
)
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm
= 10 s :
< J
10cp
= 51(A/mm
2
)
Kết luận :
Với thanh dẫn có kích thước a=12 mm, b= 1,2 mm khi làm việc với Iđm =
35A có mật độ dòng điện dài hạn và nhiệt độ phát nóng đều thỏa mãn điều kiện
cho phép ở chế độ dài hạn.
Ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn có kích thước nói trên chỉ cho phép làm việc
tối đa ở thời gian ngắn mạch là 10s.
Kích thước đã chọn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
2.Thanh dẫn tĩnh
Thường tính toán cho thanh dẫn động, còn thanh dẫn tĩnh xác định theo kích
thước thanh dẫn động vì cùng Uđm, nhưng ở thanh dẫn tĩnh do có phần đầu nối
nên chọn kích thước > kích thước thanh dẫn động.
Từ kích thước thanh dẫn động a
đ
= 12mm, b
đ
= 1,2mm. vì kích thước thanh

dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động nên chọn a
t
= 14mm, b
t
=1,5mm .
3. 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. Đầu nối gồm, các đầu cực để nối nối với
dây dẫn bên ngoài và nối với các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
19
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
Đầu nối làm nhiệm vụ liên kết mạch ngoài với mạch vòng dẫn điện, đồng thời
làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết của mạch vòng dẫn điện.
**.Yêu cầu.
- Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức
không được tăng quá dòng điện cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và
lực ép tiếp xúc F
tx
đủ để điện trở tiếp xúc R
tx
không lớn, tổn hao công suất bộ.
- 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.
3.1. Chọn kiểu mối nối.
Qua phân tích các ưu nhược điểm các dạng kết cấu mối nối. Chọn dạng kết cấu
mối nối tháo rời được bằng vít (với I
đm

= 35A và I
đm phụ
= 5 A), được chế tạo
bằng thép CT3 có mạ thiếc.
3.2. Xác định vít nối
Từ I
đm
= 35A tra bảng 2.9 trang 32 TLTK
-Chọn vít có đường kính ren d = 5 mm có các thông số:
+ Ký hiệu M5 x15
+ Tiết diện tính toán (mm
2
) 16,7
3.3.Tính diện tích tiếp xúc
Lực ép tại chỗ tiếp xúc để đạt điện trở tiếp xúc và điện áp tiếp xúc cho
phép là :
F
tx
= f
tx
.S
tx

Với :
f
tx
(KG/cm
2
) – Lực ép mối nối. Chọn f
tx

= 120 KG/cm
2
S
tx
(cm
2
) – Diện tích mặt tiếp xúc
S
tx
=a
đn
.b
đn
=
J
tx
– Mật độ dòng điện tại chỗ tiếp xúc, chọn J
tx
= 0,31A/mm
2
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
20
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha

3.4.Tính F
tx
Vậy: F
tx
= f
tx

.S
tx
= 120.112,9.10
-2
=135,48KG =1354,89(N)
-Diện tích phần đầu nối được xách định theo công thức:
S
dn
= S
tx
+ S
tt
= 112,9+ 16,7 = 129,6( mm
2
)
3.5.Tính R
tx
phần đầu nối:
Với: K
tx
= 0,14.10
-3
(N
1/2
/ ) hệ số phụ thuộc vào điện trở suất và ứng suất của
vật liệu, đồng thời phụ thuộc vào trạng thái bề mặt tiếp xúc. Đồng đồng (tiếp
xúc mặt) tra K
tx
trong bảng trang 59
Đối với tiếp xúc mặt: m = 1(trang 55 TL1)

4. Tiếp điểm
**. Khái niệm :
Tiếp điểm dựng để dẫn dòng, đồng thời thực hiện chức năng đúng ngắt của
các khí cụ điện đúng ngắt.
**.Yêu cầu:
- Khi khí cụ điện làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi tiếp xúc
phải bé hơn nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt
biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm.
- Với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch), tiếp điểm
phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động.
- Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đúng ngắt dòng điện trong giới
hạn cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ là nhỏ nhất của tiếp điểm, độ
rung của tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép.
2. Chọn dạng kết cấu hệ thống tiếp điểm
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
21
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
Chọn tiếp điểm kiểu cầu, có hai chỗ ngắt. Loại này có ưu điểm khả năng ngắt
lớn, không cần dây dẫn mềm, làm sạch nơi tiếp xúc khi đúng ngắt, chiếm ít
không gian, việc dậm hồ quang được đảm bảo .
4.1. Chọn vật liệu.
Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp
xúc bộ, ít bị ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính công
nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 35A
Từ bảng 2-13 (trang 45 TL1) ta chọn vật liêu là bạc niken than chì, với các
thông số kỹ thuật sau:
Ký hiệu KMK.A32
Tỷ trọng (γ) 8,7 g/cm
3
Nhiệt độ nóng chảy (θ

nc
) 1300
0
C cc
Điện trở suất ở 20
0
C (ρ
20
) 0,035.10
-3
Ωmm
Độ dẫn nhiệt (λ) 3,25 W/cm
0
C
Độ cứng Briven (H
B
) 45 ÷ 65 kG/cm
2
Hệ số dẫn nhiệt điện trở (α) 0,0035/
0
C
4. Tiếp điểm.
4.1/ Định nghĩa:
Tiếp điểm thực hiện chức năng đúng ngắt của CTT. Kết cấu và các thông
số của tiếp điểm xác định thông số, kết cấu, trọng lượng của CTT.
Yêu cầu đối với tiếp điểm:
- Khi CTT làm việc ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi tiếp xúc phải
bé hơn nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi
tinh thể của vật liệu tiếp điểm.
- Với dòng điện lớn hơn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch) tiếp

điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động. Hệ thống tiếp điểm dập
hồ quang phải có khả năng đúng cắt cho phép không bé hơn trị số định mức.
- Khi làm việc với dòng định mức và khi đúng ngắt dòng điện trong giới
hạn cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bộ nhất, độ rung của tiếp
điểm không được lớn hơn trị số cho phép.

4.2/ Dạng kết cấu của tiếp điểm:
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
22
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha

- Tiếp điểm kiểu cầu.
- Số chỗ ngắt bằng hai.
- Dạng tiếp xúc điểm (trụ cầu và mặt phẳng).
- Lò xo tiếp điểm là lò xo xoắn trụ.
4.3/ Xác định độ mở, độ lún của tiếp điểm:
a/ Độ mở m:
Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp
điểm tĩnh ở vị trí ngắt của công tắc tơ. Độ mở của tiếp điểm cần phải xác định
sao cho khi ngắt, hồ quang bị kéo dài tới độ dài tới hạn và bị dập tắt, đồng thời
kích thước, khối lượng cơ cấu truyền động đạt tối ưu.
Đối với công tắc tơ có dòng I = 40 600 A, điện áp tới 500 V, có
thể chọn độ mở m = 6 12 mm Với dòng I đm = 35A , ta chọn m = 6 mm.
Với hệ thống tiếp điểm phụ : với dòng I
đm
=5 A ta chọn m=3mm
b/ Độ lún l:
Độ lún của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm
động nếu không bị tiếp điểm tĩnh cản lại.
Với hệ thống tiếp điểm chính :

Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép tiếp điểm và
trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn nhưng vẫn đảm bảo tiếp xúc tốt.
Do đó độ lún phải lớn hơn độ cao bị ăn mòn của tiếp điểm.
Theo TL1, độ lún có thể tính theo dòng điện như sau:
l = A + B.Iđm (mm)
trong đó: A= 1,5 mm.
B = 0,02 mm/A.
Iđm = 35 A.
l = 1,5 + 0,02.35 = 2,2 mm.
Với hệ thống tiếp điểm phụ:
l = A + B.Iđm =1,5+0,02.5=1,6mm.
4.4/ Vật liệu làm tiếp điểm:
Vật liệu làm tiếp điểm cần đảm bảo các yêu cầu sau:
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
23
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
Điện trở suất và điện trở tiếp xúc bộ, ít bị ăn mòn, ít bị oxi hóa, khó hàn dính, độ
cứng cao, đặc tính công nghệ cao, giá thành hạ.
Từ bảng (2_13) TL1 ta chọn vật liệu là Bạc - Niken – Than chì (Kim loại
gốm), với các thông số kĩ thuật sau:
Kí hiệu KMK. A32
Tỷ trọng ( ) 8,7 g/cm
3
Nhiệt độ nóng chảy 1300
0
C
Điện trở suất ở 20
0
C 0,035.10
-3

Độ dẫn nhiệt 3,25 W/ cm
0
C
Độ cứng Briven 45 65 Kg/ mm
2

Hệ số dẫn nhiệt điện trở 0,0035 (1/
0
C)
4.5/ Xác định kích thước của tiếp điểm:
- Tính chọn tiếp điểm động:
Chọn tiếp điểm động có tiết diện hình trụ cầu, với I đm = 35 A tra bảng (2_15)
trang 51 TL1 ta chọn đường kính của tiếp điểm động như sau:
d= 10 mm chiều cao tiếp điểm h = 1,4 mm.
- Tiếp điểm phụ : với Iđm=5A ta chọn h=0,8mm
=> chiều cao tiếp điểm phụ h=3mm
-Tính chọn tiếp điểm tĩnh:
Tiếp điểm tĩnh nằm trên thanh dẫn tĩnh, có kết cấu dạng mặt phẳng, tiết diện là
hình vuông có các cạnh là:
a = 12 mm
b = 12 mm
Chiều cao tiếp điểm h = 1,4 mm.
4.6/ Lực ép tiếp điểm.
Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ
dài hạn, tuy nhiên trong chế độ ngắn hạn dòng điện lớn, lực ép tiếp điểm phải
đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và bị hàn dính do hồ
quang khi tiếp điểm bị đẩy và bị rung.
- Xác định lực ép tiếp điểm theo công thức kinh nghiệm (2_17) TL1:
Ftđ = ftđ . Iđm.

Trong đó:
+ ftđ: lực ép riêng trên một tiếp điểm.
Tra bảng (2_17) TL1 , đối với Kim loại gốm ftđ = 7 15 G/A.
Chọn ftđ = 10 G/A.
Ftđ = 10 . 35 = 350 (G) = 3,5 (N).
- Xác định lực ép tiếp điểm theo công thức lý thuyết (công thức 2_14 TL1),
tại một điểm tiếp xúc lực ép tiếp điểm sẽ là:

trong đó: + A= 2,3.10
-8
V/
0
C
2
: Hằng số Loen.
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
24
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
+ HB = 60 Kg/mm
2
.
+ W/ mm
0
C.
+ Ttd: nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát
nóng dài hạn. Ttd = 47,8 + 273 = 320,8
0
K.
+ Ttx: nhiệt độ nơi tiếp xúc Ttx = Ttd + (5 10 )
0

K.
Chọn Ttx = 320,8 + 8 = 328,8
0
K.
.
Do tiếp điểm tiếp xúc điểm nên n = 1 .
So sánh kết quả bằng hai cách tính, ta thấy lực ép tiếp điểm tính bằng
công thức thực nghiệm lớn hơn công thức lý thuyết. Để đảm bảo tiếp điểm có
đủ lực ép ta lấy Ftđ = 3,5 N.
- Lực ép ban đầu : F
tđđ
= (0,4÷0,7) F
tđc
F
tđđ
= 0,6.F
tđc
= 0,6.3,5 = 2,1N
- Lực ép lên hệ thống tiếp điểm phụ(tương tự) :
F
tđc
=5.10=50 KG=0,5(N)
F
tđđ
=0,6.0,5=0,3N.
4.7/ Xác định điện trở tiếp xúc:
Điện trở tiếp xúc có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc của khí cụ điện
nó là một phần của điện trở mạch vòng dẫn điện. R
tx
là do sự thắt hẹp đường đi

của dòng điện tại chỗ tiếp xúc . Do ảnh hưởng của R
tx
mà nhiệt độ tại chỗ tiếp
xúc tăng đồng thời gây tổn hao điện áp tại chỗ tiếp xúc .
Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khi chưa bị phát nóng(20
o
C) :
- Tính R
tx
theo lý thuyết , công thức 2-24 trang 58:
R
tx
=
F
tđ1
(KG) – Lực ép tại 1 chỗ tiếp xúc
R
tx
=
- Tính R
tx
theo công thức kinh nghiệm , CT 2-25:
Trong đó:
Đỗ Thị Thu Hương TBĐ3-K49
25