Nghiên cứu và thiết kế công tắc tơ nâng cao tính năng tự động hóa an toàn

lời nói đầu
Hiện nay với sự phát triển không ngừng của các nghành công nghiệp – nông nghiệp,
việc sử dụng các sản phẩm của khoa học kĩ thuật là rất quan trọng. Chính nhờ sự ứng dụng đó
mà thúc đẩy nền kinh tế cho mỗi quốc gia và trên toàn thế giới, đồng thời chúng góp một
phần không nhỏ vào việc tăng năng xuất lao động, phục vụ đời sống, sinh hoạt hàng ngày của
con người, không những thế chúng còn thay thế và làm việc ở những môi trường không có lợi
cho con người và làm việc với tính chính xác cao.
Để dảm bảo an toàn cho tính mạng con người, bảo vệ các thiết bị điện và tránh tổn
thất kinh tế, cộng với sự phát triển như vũ bão của nền công nghiệp thì khí cụ điện ngày càng
được đòi hỏi nhiều hơn, chất lượng luôn đi theo sự phát triển của công nghệ.
Ngày nay các khí cụ điện hiện đại được sản suất ra phải đảm bảo tính năng an toàn và
tự động hóa cao, trong đó công tắc tơ không nằm ngoài khả năng an toàn và tự động hóa, điều
khiển các quy trình sản suất. Chính vì vậy vai trò cần thiết của sự nghiên cứu, thiết kế công
tắc tơ là đặc biệt quan trọng nhằm nâng cao tính năng tự động hóa an toàn khi vận hành và
tuổi thọ của chúng không ngừng được cải thiện hơn.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy trong nhóm khí cụ điện. Đặc biệt là sự
hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Văn Đức, em đã hoàn thành đượcbài tập dài, với đề tài
thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha.Do kiến thức, kinh nghiệm thực tế và thời gian hạn chế
nên bản thiết kế không tránh khỏi những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong được sự chỉ
bảo và góp ý của các thầy. Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội 09/6/2007
Sinh viên:
1
Sơ lược về công tắc tơ xoay chiều
1. Khái quát và công dụng.
Công tắc tơ xoay chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng cắt từ xa hoặc bằng nút
ấn các mạch điện lực có phụ tải.
Công tắc tơ xoay chiều dùng để đổi nối các mạch điện xoay chiều, nam châm điện của
nó là nam châm điện xoay chiều, nhưng cũng có trường hợp nam châm điện là nam châm
điện một chiều.
Theo nguyên tắc truyền động, ta có công tắc tơ kiểu hơi ép, kiểu thủy lực nhưng phần

lớn các khí cụ điện hiện nay hay các công tắc tơ hiện nay thường được chế tạo theo kiểu điện
từ.
Công tắc tơ xoay chiều có các bộ phận chính sau:
- Mạch vòng dẫn điện (gồm đầu nối, thanh dẫn và 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...
2. Yêu cầu chung đối với công tắc tơ xoay chiều
a. Yêu cầu về kĩ thuật
- Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận khi làm việc ở chế độ sự cố và định
mức.
- 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 cực đại, kéo dài và trong điều kiện của môi trường xung quanh (
như mưa, bụi...), cũng như khi có điện áp nội bộ hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra.
- Độ bền cơ và tính chịu mài mòn của các bộ phận KCĐ trong thời gian giới hạn số
lần thao tác thiết kế, thời hạn làm việc ở chế độ định mức và sự cố.
- Đảm bảo khả năng đóng ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện của
các chi tiết, bộ phận.
b. Yêu cầu về vận hành
2
- Có độ tin cậy cao
- Có tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài
- Đơn giản trong chế tạo, dễ thao tác, thay thế và sửa chữa.
- Phí tổn cho vận hành, tiêu tốn năng lượng ít.
c. Yêu cầu kinh tế xã hội
- Giá thành hạ
- Tạo điều kiện để dễ dàng thuận tiện cho người vận hành
- Đảm bảo an toàn trong lắp giáp và sửa chữa.

- Có hình dánh và kết cấu phù hợp , đẹp.
- Vốn đầu tư cho chế tạo và lắp giáp ít.
3. Nguyên lý làm việc và kết cấu trung của công tắc tơ xoay chiều
Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận: cuộn dây và mạch từ và được phân thành nhiều loại
như công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện từ kiểu hút ống dây và công tắc tơ
kiểu hút ống thẳng.
Tất cả các công tắc tơ trên đều làm việc theo nguyên lý điện từ gồm mạch từ dùng để
dẫn từ nó là những lá thép kĩ thuật điện được dập thành chữ E hoặc chữ U và được ghép lại
với nhau. Mạch từ được chia làm hai phần: một phần được kẹp chặt cố định, phần còn lại là
nắp được nối với hệ thống tiếp điểm qua hệ thống tay đòn.Cuộn dây hút có điện trở và điện
kháng rất bé.
Khi ta đặt điện áp váo hai đầu cuộn dây của nam châm điện sẽ có dòng điện chạy
trong cuộn dây, cuộn dây sẽ sinh ra từ thông khép mạch qua lõi sắt và khe hở không khí δ tạo
lực hút điện từ kéo nắp (phần ứng) về phía lõi. Khi cắt điện áp (dòng điện ) trong cuộn dây thì
lực hút điện từ không còn nữa và nắp bị nhả ra.
yêu cầu thiết kế
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
- Tiếp điểm chính : I
đm
= 100 A ; U
đm
= 400V
- Số lượng : 3 tiếp điểm thường mở
- Tiếp điểm phụ : I
đm
= 5 A ; U
đm
= 220V
- Số lượng : 2 thường mở; 2 thường đóng
- Nam châm điện : U

đm
= 380V ; f = 50Hz
- Tần số thao tác : 350 lần đóng cắt/giờ
3
- Tuổi thọ : cơ :100.000 ; điện : 1.000.000 lần đóng cắt
- Làm việc liên tục : cách điện cấp A
-----------------------------
nội dung thiết kế
PHẦN 1
CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU
1.1. Lựa chọn nam châm điện.
Dựa vào số lần thao tác trong một giờ ta phân biệt được chế độ làm việc của công tắc
tơ điện xoay chiều ba pha nói trên, làm việc ở chế độ làm việc nhẹ
Công tắc tơ xoay chiều dùng nam châm điện có mạc từ hình chữ E hoặc chữ U có nắp
quay quanh trụ hoặc chuyển động tịnh tiến theo kiểu hút ống dây, chuyển động kiểu hút
thẳng, kiểu quay trên một cạnh và có phần ứng nằm ngoài cuộn dây, phấn ứng chuyển động
trong lòng ống dây hoặc một phần ống dây.
Qua phân tích ưu nhược điểm của các loại NCĐ đã có sẵn. Ta chọn NCĐ hình chữ E,
kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây.
Loại kết cấu này có nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phương chuyển động
trùng với phương tác dụng của các lực. Đồng thời cho đặc tính lực hút tương đối lớn, hành
trình chuyển động nhanh, thời gian chuyển động ngắn. Từ thông rò không sinh ra lực từ phụ.
Tuy nhiên đi cùng với những ưu điểm thì NCĐ có kết cấu trên còn có mặt hạn chế là:
Có bội số dòng điện lớn so với các mạch từ khác nên không thể dùng trong các chế độ làm
việc nặng và trung bình. Lực lò xo nhỏ, công suất nhỏ.
Việc dùng kết cấu NCĐ hình chữ E, kiểu hút thẳng, có phần ứng chuyển động một
phần trong lòng ống dây hoàn toàn phù hợp với công tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ có
chế độ làm việc nhẹ.
1.2. Lựa chọn hệ thống tiếp điểm chính và hệ thống tiếp điểm phụ.
Với yêu cầu thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha có tần số đóng cắt bằng cơ =

100.000 lần, đóng cắt bằng điện = 1.000.000 lần. Nên các tiếp điểm phải có độ mài mòn về
điện và cơ. Qua phân tích và khảo sát các loại tiếp điểm (như tiếp điểm kiểu ngón, tiếp điểm
lưỡi, tiếp điểm kiểu tấm phẳng...) chọn tiếp điểm kiểu cầu phù hợp với NCĐ kiểu hút thẳng
với dòng điện đi qua tiếp điểm chính I
đm
= 100A.
4
Tiếp điểm cầu có hai chỗ ngắt có ưu điểm là khả năng ngắt lớn không cần dây nối
mềm, có khả năng làm xạch nơi tiếp xúc, chiếm ít không gian. Ngoài ra việc dập hồ quang
được đảm bảo.
1.3. Lựa chọn sơ bộ hệ thống dập hồ quang.
Chọn kiểu dập hồ quang là kiểu dàn dập, mỗi chi tiết tiếp điểm sẽ có một buồng dập
hồ quang riêng.
1.4. Ngoài ra còn có các chi tiết khác như lò xo, thanh dẫn ... và các chi tiết khác. Những chi
tiết này sẽ được tính toán chi tiết, cụ thể ở các phần sau.
1.5. Thành lập sơ đồ nối dây.
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
m _ Độ mở của tiếp điểm l _ Độ lún của tiếp điểm
δ _Khe hở không khí F
lxtđ
_ Lực lò xo tiếp điểm
F
tđ
_ Lực ép tiếp điểm F
lxnh
_ Lực lò xo nhả
F

đt
_Lực hut điện từ G _ Trọng lượng
5
Hình 1
F
tđ
= F
lxtđ
F
lxnh
F
lxnh
F
đt
G F
đt
F
đt
Hình 2
6
PHẦN 2
TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN
2.1. Khái niệm về mạch vòng dẫn điện.
Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu
và kích thước hợp thành. Mạch vòng dẫn điện gồm thanh dẫn, đầu nối, hệ thống tiếp điểm
( giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động tiếp điểm tĩnh ).
1
3
2
Hình 3

1_Phần đầu nối; 2_Thanh dẫn; 3_Tiếp điểm
7
2.2. Yêu cầu đối với mạch cầu dẫn điện.
- Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt.
- Bền đối với môi trường.
- Có độ cứng vững tốt.
- Tổn hao đồng nhỏ.
- Có thể làm việc được trong một khoảng thời gian ngắn khi sự cố.
- Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp.
2.3. Tính toán và chọn thanh dẫn.
2.3.1. Yêu cấu 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 hóa học, ít bị oxi hóa.
- Có độ mài mòn nhỏ khi bị va đậm.
- Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ.
2.3.2. 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 15.10
-6
(Ω.m)
- Độ dẫn nhiệt 3,8 (W/cm

o
C)
- Tỉ trọng nhiệt 0,39 (Ws/cm
o
C)
- Độ cứng Briven 100 (KG/mm
2
)
- Nhiệt độ nóng chảy 1083 (
o
C)
- Hệ số nhiệt điện trở 0,0043 (1/
o
C)
2.3.3. Hình dạng và kết cấu.
Thanh dẫn bằng đồng kéo nguội, dạng hình chữ nhật(Hình 4).
a
8
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)
2.3.4. Kích thước thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn.
- Bề dày thanh dẫn được xác định:
b =
3
2
.).1(2
..
odT

f
cKnn
KI
τ
ρ
θ
+
Trong đó:
I - Dòng điện làm việc (A)
ρ
θ
- Điện trở suất vật liệu ở nhiệt độ ổn định (Ω.m)
K
f
- Hệ số tổn hao đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng
gần: Chọn K
f
=1,06
n - Tỉ số tiết diện : Chọn n = 7
K
T
- Hệ số tản nhiệt ra khống chế : Chọn K
T
= 7,5 [ Tra bảng 6_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 6_1 trang 288
TKKCĐHA)
- Bề rộng thanh dẫn được xác định:
a = n.b(mm)
- Điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định:
( )
[ ]
201
2095
−+=
==
od
CC
oo
θαρρ
θθ
Trong đó:

).(
20
m
C
o
Ω
=
θ
ρ
- Điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ
C

o
20
=
θ
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:
9

[ ]
).(10.118,375.10.15110.15
536
95
mm
C
o
Ω=+=
−−−

=
θ
ρ
- Kích thước thanh dẫn làm việc với I
đm
= 40 A:
b =
)(2)(973,1
55.5,7).17(7.2
04,1.10.118,3.100
3
82
mmmm
≈=
+
−
a = 7.1,973.
3
10
−
= 13,816(mm)
)(14 mm
≈
Để phù hợp từ bảng 2_15 trang 51 TKKCĐHA với I
dm
= 100A chọn đường kính tiếp
điểm d =14 mm nên ta chọn : a = 16 mm
b = 1,5 mm
- Kích thước thanh dẫn làm việc với I
dm

= 5A:

b =
)(23,0
55.5,7).17(7.2
06,1.10.1,2.5
3
82
mm
=
+
−
a = 7.0,23 = 1,61(mm)
Để phù hợp từ bảng 2_15 trang 51 TKKCĐHA với I
dm
= 5A chọn đường kính tiếp
điểm
td
d
= 20 mm;
td
h
=3,0(mm) nên ta phải quy đổi :

)(159,314.
4
.
2
2
mmba

d
==
Π
Chọn
td
a
=17(mm) từ đó ta có:
td
a
=
td
a
+2=19(mm)

td
b
=19(mm)

2.3.5. Tính toán và kiểm tra thanh dẫn.
Quá trình kiểm tra nhằm xác định xem với tiết diện tính toán và lựa chọn có đảm bảo
được độ tăng nhiệt và nhiệt độ ổn định cho phép khi thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn hay
không, Đồng thời kiểm tra xem thanh dẫn ( với thiết diện không đổi ) có làm việc hay làm
việc trong khoảng thời gian là bao lâu và khả năng quá tải là bao nhiêu ở chế độ không ổn
định nhiệt (gồm chế độ ngắn hạn , chế độ ngắn mạch ) mà thanh dẫn không bị biến dạng hay
tính chất của vật liệu làm thanh dẫn vẫn ở điều kiện cho phép.
a. Kiểm tra khi làm việc ở chế độ dài hạn.
- Kiểm tra độ tăng nhiệt độ:
38236
3682
2

0
2
10.15.10.154,1.1007.10.42.10.38
7.40.10.42.10.3804,1.10.154,1.100
......
.....
−−−−
−−−
−
+
=
−
+
=
fdmtT
tmtt
od
KIKPSK
KPSKI
ρα
θρ
τ
10

C
o
49,60
≈
- Mật độ dòng điện ở chế độ dài hạn:
)/(4)/(10.632.2

10.38
100
226
6
mmAJmmA
S
I
J
dncp
dm
dn
=<===
−
b. Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ 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
= 1sec; t
nm
= 3sec; t
nm
= 10sec;
Với điều kiện θ
ôđ
= 95
o

C
Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch θ
bn
= 300
o
C
Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt được xác định theo công
thức :
bn
dbn
nmbn
t
AA
JJ
−
==
Với :
t
bn
= t
nm
– Thời gian ngắn mạch(sec)
A
d
; A
bn
= A
nm
– Giá trị giới hạn dưới và giới hạn trên là nhiệt độ vật
dẫn ban đầu và sau khi ngắn mạch là

θ
d
và
θ
bn
(A
2
S/mm
4
)
Theo (Hình 6_6 trang 313 TKKCĐHA) ta có :
nm
A
θ
=3,875.10
4
(A
2
S/mm
4
)

θ
A
=1,625.10
4
(A
2
S/mm
4

)
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm
= 1 sec:
)/(150
1
10).625,1875,3(
2
4
1
mmAJ
=
−
=

Có J
1cp
= 162(A/mm
2
)(bảng 6-7 trang 305 TKKCĐHA)
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm
= 3 sec:
11
)/(6,86
3
10).625,1875,3(
2
4
3

mmAJ
=
−
=
Có J
3cp
= 94(A/mm
2
)(bảng 6-7 trang 305 TKKCĐHA)
- Mật độ dòng điện khi ở t
nm
= 10 sec:
)/(51)/(4,47
10
10).625,1875,3(
22
4
10
mmAmmAJ
≤=
−
=
Có J
10cp
= 51(A/mm
2
)(bảng 6-7 trang 305 TKKCĐHA)
2.3.6. Đánh giá và kết luận.
ở chế độ dài hạn độ tăng nhiệt độ cho phép τ
ôđcp

=55
o
C và nhiệt độ ổn định cho phép
θ
ôđcp
= 95
o
C (Bảng 6_1 TKKCĐHA).
ở chế độ ngắn hạn, mật độ dòng điện cho phép ở thời gian ngắn hạn t
nh
= 5sec là
13,27(A/mm
2
).
ở chế độ ngắn mạch, mật độ dòng bền nhiệt cho phép đối với thanh dẫn bằng đồng ở
thời gian ngắn mạch 1sec, 3sec, 10sec là 162(A/mm
2
)
94 (A/mm
2
) 51 (A/mm
2
).
Kết luận:
Với thanh dẫn có kích thước a = 19 mm , b = 2 mm ( Khi làm việc với dòng điện I
đm
=
100A) có độ tăng nhiệt độ, nhiệt độ làm việc và mật độ dòng điện dài hạn tính toán. Hoàn
toàn có khả năng làm việc được và làm việc tốt ở các chế độ dài hạn và chế độ ngắn hạn.
Riêng 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 10 sec (Bởi khi làm việc với thời gian ngắn mạch t
nm
≥

10 sec mật
độ dòng điện bền nhiệt lớn hơn mật độ dòng bền nhiệt cho phép, không đảm bảo khả năng an
toàn).
2.4. đầu nối.
2.4.1. Khái niệm và nhiệm vụ.
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.
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.
2.4.2. Yêu cầu.
12
- 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 bé.
- 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.
2.4.3. Chọn dạng kết cấu.
Qua phân tích các ưu nhược điểm các dạnh kết cấu mối nối. Chọn dạng kết cấu mối
nối tháo rời được bằng vít (với I

đm
= 100 A ), không dẫn điện, được chế tạo bằng thép CT3 có
mạ thiếc. Dạng kết cấu này phù hợp với hình dáng vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu
khác.
2.4.4. Đường kính vít. Số lượng vít.
Theo số liệu thực nghiệm (Bảng 2_9 và Bảng 2_10 trang 32-33 TKKCĐHA)
- Đối với dòng I
đm
= 100 A. Chọn vít có đường kính ren d = 5 mm có các thông số:
- Ký hiệu M8
- Tiết diện tính toán (mm
2
)
- Lực ép cần có lên 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 riêng mối nối. Chọn f
tx
= 100 KG/cm

2
S
tx
(cm
2
) - Diện tích mặt tiếp xúc . Chọn J = 0,31A/mm
2
)(322
31,0
100
2
mm
J
I
S
tx
tx
===

Vậy: F
tx
= f
tx
.S
tx
= 100.322 =3,22(KN)
)(2,4 KN
≤
Với: K
tx

= 0,14.10
-3
(Ωm) hệ số phụ thuộc vào điện trở suất và ứng suất của
vật liệu, đồng thời phụ thuộc vào trạng thái mặt tiếp xúc. Đối với tiếp xúc mặt: m =
1(trang 55 TKKCĐHA)
)(10.26,4
10.22,3.102,0
10.14,0
).02,1(
7
3
3
Ω===
−
−
m
tx
tx
tx
F
K
R
13
-Điện áp tiếp xúc:
)(10.26,42610,4.100.
57
VRIU
txtxtx
−−
===

- Số lượng vít :1

1 - PhÇn ®Çu nèi
2 - TÊm èp
3 - VÝt
1
2
3
H×nh 5: KÕt cÊu vÝt
2.5. Tiếp điểm.
2.5.1. Khái niệm và các yêu cầu chung về tiếp điểm.
Tiếp điểm dùng để dẫn dòng, đồng thời thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ
điện đóng 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 đóng 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.
2.5.2. Chọn dạng kết cấu hệ thống tiếp điểm chính (I
đm
= 100A).
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 đóng ngắt, chiếm ít không gian, việc dậm
hồ quang được đảm bảo .
14

h
l
5
D
1
2
3
m
4
6
H×nh 6
1_ Lò xo tiếp điểm 4_ Tiếp điểm tĩnh
2_ Cữ chặn 5_ Giá tiếp điểm động
3_ Tiếp điểm động 6_ Giá tiếp điểm tĩnh
l, h, D_ độ lún , chiều cao, đường kính của tiếp điểm
m_ Độ mở tiếp điểm
2.5.3. Chọn vật liệu và kích thước tiếp điểm.
a. Chọn vật liệu.
Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé, 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 = 100A
Từ bảng 2-13 ( TKKCĐHA ) 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
Điện trở suất ở 20
0
C (ρ
20
) 3,5.10
-8
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
Nhiệt độ cho phép cấp A ([θ
cp
]) 95
0
C
b. Kích thước tiếp điểm
Để phù hợp với chiều rộng, bề dày thanh dẫn và giá trị dòng điện định mức, kết cấu
tiếp điểm kiểu cầu, hai cỗ ngắt, và tần số đóng ngắt dòng điện là 350 lần/giờ
15
Kích thước tiếp điểm hình trụ và tấm ốp tiếp điểm được lấy theo (Bảng 2-15 trang 51
KKCĐHA)
Tiếp điểm chính :Chiều cao h = 2mm; chiêu rộng a = 17mm; chiều dài b = 19mm.

Diện tích S =
2
32319.17 mm
=
; P = 2.(17+19) =72mm.
2.5.4. Chọn độ mở tiếp điểm.
Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí
ngắt của công tắc tơ.
- Hệ thống tiếp điểm chính theo công thức kinh nghiệm với công tắc tơ xoay chiều,
dòng điện I
đm
= 100A Chọn độ mở m = 6mm
2.5.5. Chọn độ lún.
Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có
tiếp điểm chính chặn lại (hình 7)
Độ lún được chọn theo dòng điện định mức đi qua tiếp điểm, có công thức sau:
l = A + B.I
đm

- Với hệ thống tiếp điểm chính:
l = A + B.I
đm
= 1,5 + 0,02.100 =3.5mm
2.5.6. Lực ép, nhiệt độ, điện trở tiếp xúc và điện áp rơi trên tiếp điểm ở chế độ làm việc
dài hạn.
a. Lực ép tiếp điểm
Lực ép tiếp điểm phải đảm bảo sao cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ dài
hạn, mà trong chế độ ngắn hạn, dòng điện lớn như mở máy, quá tải, ngắn mạch... lực ép tiếp
điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do
hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và rung .

- Lực ép lên hệ thống tiếp điểm chính:
- Lực ép tiếp điểm lên một chỗ ngắt (tiếp điểm cầu) được xác định theo công thức kinh
nghiệm:
F
tđ
= f
tđ
.I
đm
Tra bảng 2-17 ta chọn f
tđ
= 10 G/A
F
tđ
=10.100 =1000G =10N
- Tính theo công thức lý thuyết 2-14 (TL1) , tại một điểm tiếp xúc , lực ép tiếp điểm sẽ
là :
16
F
tđ1
=
22
2
)arccos(
1
.
.16
..
.







tx
td
B
dm
T
T
HA
I
λ
π
Trong đó :
- A=2,3.10
-8
(V/
O
C) : hằng số Loen.
- H
B
: độ cứng Britnel của tiếp điểm
H
B
= 45 kG/mm
2

- λ = 3,9 W/cm.

O
C - hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn
- T
td
: nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát nóng
dài hạn T
td
= 55 + 273 = 328
O
K
- T
tx
= θ
td
+8 + 273 = 336
O
K
⇒ F
tđ1
=
337,0
)
827361
27361
arccos(
1
.
)325.0,0.(16
50..10.3,2
.40

22
8
2
=






++
+
−
π
(KG)
Do tiếp điểm tiếp xúc mặt nên m = 3
F
tđ
= F
tđ1
.m = 3.0,337 = 1,011(KG)
Vậy ta chọn F
tđc
= 10,11(N)
b. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm.
- Đối với tiếp điểm chính:
- Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khi chưa bị phát nóng(20
o
C) :
m

tdc
tx
Ctx
F
K
R
o
).02,1(
20
=
Trong đó:
K
tx
- Hệ số phụ thuộc vào điện trở suất và ứng suất của vật liệu, đồng
thời phụ thuộc vào trạng thái mặt tiếp xúc. Đối với tiếp xúc điểm (Đồng-
Đồng), từ bảng trang 58 TKKCĐHA chọn K
tx
=0,2.10
-3
(Ω.N)
m – Hệ số dạng bề mặt tiếp xúc. Đối với tiếp xúc điểm m = 0,5.
Vậy ta có :
- Điện trở tiếp xúc khi chưa phát nóng (20
o
C)
)(10.94,1
)11,10.1,0(
10.2,0
4
1

3
20
Ω==
−
−
Ctx
o
R
17
- Điện trở tiếp xúc khi làm việc ở chế độ phát nóng cho phép:
[ ]
=−+=
=
)2095.(.
3
2
1
95
α
θ
tx
Ctx
RR
o
= 1,94.10
-4
(1+
3
2
.0,0035.75) = 2,28.10

-4
(Ω)
c. Điện áp rơi trên tiếp điểm:
- Hệ thống tiếp điểm chính:
U
tx
= I
đm
R
tx95C
= 100. 2,28.10
-4
= 22,8(mV)
d. Nhiệt độ của tiếp điểm:
Sự tăng nhiệt độ của tiếp điểm chủ yếu là khi có dòng điện lớn đi qua. Nên ở đây ta
chỉ tính cho hệ thống tiếp điểm chính làm việc ở I
đm
= 40 A
Nhiệt độ tiếp điểm được xác định theo công thức sau:
mttd
θθ
=
+
ttdtd
dm
T
Ctx
dm
KPS
I

KPS
RI
o
..
.
..
.
2
95
2
θθ
ρ
λ
+
=
Với:
- θ
mt
- Nhiệt độ của môi trường xung quanh = 40
o
C
-λ- Hệ dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm = 3,25 (W/cm
o
C)
- P- Chu vi tiếp điểm P = 2.3,14.7= 4,4 cm
- S – Tiết diện bề mặt tiếp điểm S = 3,14.7
2
=1,54 (cm
2
)

Vậy nhiệt độ tiếp điểm:
θ
tđ
= 40 +
7.10.72.10.323
)75.0035,01.(10.5,3.100
7.10.72.10.323.325
10.28,2.100
40
36
82
36
42
−−
−
−−
−
+
++
= 40 + 2,714 + 9,912 = 52,852,626
o
C
Vậy nhiệt độ tiếp xúc:

)75.0035,01.(10.5,3.325.8
)10.28,2.(100
626,52
..8
.
8

242
22
+
+=+=
−
−
θ
ρλ
θθ
txdm
tdtx
RI

15,57524,4626,52
=+=
tx
θ
2.5.7. Dòng điện hàn dính:
Theo công thức lý thuyết 2-33 và 2-34:
tdnchdbd
FFAI ..
=
Trong đó:
18
A=
)..
3
2
1.(..
)..

3
1
1.(..32
00 ncB
ncnc
H
ϑαρπ
ϑαϑλ
+
+
8
8
0
10.271,3
20.0035,01
10.5,3
−
−
=
+
=
ρ
3
86
10.124,1
)1300.0035,0.
3
2
1.(10.271,3.10.65.
)1300.0035,0.

3
1
1.(1300.325.32
=
+
+
=
−
π
A
)(10.957,1011,1.3.10.124,1
33
AI
hdbd
==
Theo công thức kinh nghiệm trị số dòng điện hàn dính được xác định theo công thức
sau:
tdchdhd
FKI .
=
Với:
K
hd
– Hệ số hàn dính của tiếp điểm trong không khí. Từ bảng 2-19_trang 67
TKKCĐHA với tiếp xúc điểm thời gian của xung dòng điện 0,05
÷
5 sec. Chọn K
hd
= 1500 KG/A
)(10.51,1011,1.1500

3
AI
hdbd
==⇒
Ta có
)(10.51,110100.10.10
33
AII
dmnm
<===
vậy điều kiện chống hàn dính thoả
mãn
2.5.8. Sự rung của tiếp điểm.
- Biên độ rung:
tdd
vdod
m
F
Kvm
x
2.3
)1(.
2
−
=
∑
-Thời gian rung:
tdd
vdod
m

F
Kvm
t
.3
1.2
−
=
∑
Với:
Σ
d
m
- Tổng khối lượng phần động.
19
)(1,0)(100
10
10.100
.
2
mKGsN
g
mI
g
G
m
cdmd
d
=====
Σ
v

đo
- Vận tốc tiếp điểm tại thời điểm va đập. Chọn v
đo
=0,1m/sec
K
v
- Hệ số va đập phụ thuộc vào tính dần hồi của vật liệu.
Đối với đồng K
v
= 0,9 (Trang 72)

tdd
F
- lực ép tiếp điểm tại thời điểm va đập ban đầu
tdctdd
FF )6,0:4,0(
=
chọn
tdctdd
FF .6,0
=
)(6396,3011,1.6.6,0 KGF
tdd
==
Vậy:
)(10.458,0
6396,3.2.3
)9,01(1,0.1,0
6
2

mx
m
−
=
−
=
)(10.58,0
6396,3.3
9,01.1,0.1,0.2
3
mst
m
−
=
−
=
Sự rung ( khoảng cách rung và thời gian rung ) nằm trong giới hạn cho phép.
2.5.9. Sự mòn của tiếp điểm
- Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và ngắt mạch điện.
Sự mòn tiếp điểm thể hiện qua việc giảm độ lún, giảm kích thước của tiếp điểm cũng
như giảm khối lượng hoặc thể tích của kim loại tiếp điểm.
- Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn hóa học, ăn mòn về điện, về
cơ, Nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn về điện.
- Khối lượng mòn trung bình của tiếp điểm cho một lần đóng ngắt:
g
đ
+ g
ng
=10
-9

(K
đ
.I
đ
+ K
ng
.I
ng
2
)K
kđ
Với:
I
đ
- Dòng điện khi đóng tiếp điểm. Chọn I
đ
= 6.I
đm
(A)
I
ng
- Dòng điện khi ngắt tiếp điểm. Chọn I
ng
= 8.I
đm
(A)
K
đ
, K
ng

(g/A) Hệ số mòn khi đóng và ngắt. Chọn K
đ
= K
ng
= 0,01 (Từ bảng 2-21
trang 40 TKKCĐHA)
K
kđ
- Hệ số không đồng đều dánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm.
Theo quy định ở các khí cụ điện xoay chiều 3 pha. Độ mòn lớn nhất được lấy bằng 2
lần độ mòn trung bình.
20
Vậy:
g
đ
+ g
ng
= 10
-9
(0.01.600
2
+ 0,01.800
2
).2 = 2.
5
10
−
(g)
- Khối lượng mòn về cơ sau 10
5

lần đóng ngắt:
g
đ
+ g
ng
=1184.10
-9
.10
5
= 1184.10
-4
(g)
- Khối lượng mòn về điện sau 10
5
lần đóng ngắt:
g
đ
+ g
ng
=2.10
-5
.10
5
= 2(g)
- Khối lượng tiếp điểm:
G
tđ
= γ
tđ
.V

tđ

Với:
γ
tđ
- Trọng lượng riêng của vật liệu làm tiếp điểm(bạc) = 8,7.10
-3
(g/mm
3
)
V
tđ
- Thể tích của tiếp điểm
)(6462.19.17..
3
mmhbaV
td
===
a – chiều dài tiếp điểm
b – chiều rộng tiếp điểm
h – Chiều cao của tiếp điểm
⇒ G
tđ
=
)(6202,510.7,8.646
3
g
=
−
xét tỷ sồ

%70%6,35
6202,5
2
<==
td
m
G
G
lượng tiếp điểm bị mòn thoả mãn
2.5.10. Kết kuận và đánh giá:
Với kích thước và kết cấu của tiếp điểm cầu hai chỗ ngắt có:
Hệ thống tiếp điểm chính
Vật liệu làm tiếp điểm Bạc Niken Than chì
Chiều dài b(mm) 19
Chiều rộng a(mm) 17
Chiều cao h(mm) 2
Lực ép tiếp điểm đầu F
tdd
(N) 36,96
Lực ép tiếp điểm cuối F
tdc
(N) 60,66
So sánh với các trị số cho phép:
- Điện áp tiếp xúc cho phép U
txcp
= 2÷30mV
- Nhiệt độ hóa mềm cho phép đối với đồng θ
cphm
= 190
o

C(bảng 2-18)
21
- Nhiệt độ hóa mềm cho phép đối với bạc θ
cphm
= 180
o
C(bảng 2-18)
- Nhiệt độ làm việc của tiếp điểm cho phép θ
tđcp
= 95
0
C(bảng 6-1)
- Tổng thời gian rung cho phép đối với công tắc tơ t
Σ

= 0,3 ms
Với kích thước và kết cấu lựa chọn trên tiếp điểm hoàn toàn có khả năng làm việc tốt.
PHẦN 3
TÍNH TOÁN LÒ XO
3.1. Khái niệm chung.
Lò xo là một bộ phận quan trọng của công tắc tơ có nhiệm vụ tạo lực ép lên tiếp điểm
(Đối với lò xo tiếp điểm ), tạo lực ngắt cơ cấu trong quá trình ngắt của cơ cấu ( Lò xo nhả )
Yêu cầu đối với lò xo tiếp điểm và lò xo nhả:
- Có độ đàn hồi phù hợp
- Có đặc tính cơ ổn định theo thời gian
- Có khả năng bền về cơ
- Không bị ăn mòn bởi hóa chất và môi trường
3.2. Chọn kiểu và vật liệu lò xo.
22
3.2.1. Kiểu lò xo.

Qua phân tích và đánh giá các loại lò xo. Chọn kiểu lò xo là lò xo xoắn hình trụ chịu
nén, loại lò xo không dẫn điện, Với loại lò xo này phù hợp với kết cấu đã chọn, có ưu điểm, ít
bị ăn mòn, bền về cơ, làm việc tin cậy, không bị phát nóng và già hóa. Hình 8
3.2.2. Chọn vật liệu làm lò xo.
Dựa vào công dụng công tắc tơ được thiết kế, dùng để đóng ngắt mạch điện có tần số
đóng ngắt 300lần/ giờ. Có tuổi thọ về cơ và điện 10
5
lần đóng ngắt và 10
6
lần đóng ngắt. Có
lực ép tương đối lớn.
Tra bảng 4-1 (TKKCĐHA), chọn vật liệu làm lò xo là dây thép cácbon ΓOTC9389-60
độ bền trung bình , nhãn hiệu II (Π) :
- Độ bền giới hạn khi kéo 2650 N/mm
2
- Giới hạn mỏi cho phép khi uốn 930 N/mm
2
- Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn 580 N/mm
2
- Module đàn hồi 200.10
3
N/mm
2
- Mudule trợt 80.10
3
N/mm
2
- Điện trở suất 0,19 ÷ 0,22 .10
-6
Ωm

Các thông số của lò xo : Hình 9

Hình 10: Đặc tính lò xo
23
d
L
D
t
f
lv
f
đ
F
lv
l
lv
F
đ
l
đ
l
tđ
- x -Hành trình của cơ cấu lò xo, tính từ vị trí tại đó lò xo sinh lực lớn nhất.
- f
đ
- Độ võng ban đầu của lò xo
- f
lv
- Độ võng làm việc của lò xo
- F

đ
, l
đ
- Lực nén ban đầu và chiều dài ban đầu của lò xo
- l
tđ
- Chiều dài tự do của lò xo
3.3. Tính toán lò xo.
3.3.1. Lò xo tiếp điểm chính.
- Lực ép cần thiết do 1 lò xo tạo ra
F = 6.F
tđtt
= 2.10,11 = 60,66 (N)
- Khoảng lún ban đầu:
f
đ
=A+B.I
đm
=1,5+0,02.100 = 3,5 (mm)
- Khoảng lún cần thiết là:
24
f
lv
= 2.f
đ
= 2.3,5 = 7 (mm)
- Chỉ số của lò xo chọn :
C =
d
D

=10
- Đường kính của lò xo:
zd = 1,6
)(64,1
580
10.66,60.
mm
CF
x
≈=
σ
- Đường kính trung bình của lò xo:
D = C.d = 10.1,64 = 16,4(mm)
- Số vòng của lò xo:
6678,6
22,20.10.8
7.64,1.10.80
..8
..
..8
..
3
3
33
4
≈≈===
FC
fdG
FD
fdG

w
lvlv
(vòng)
- Bước lò xo chịu nén:
)(873,2
678,5
7
64,1 mm
w
f
dt
lv
n
≈+=+=
- Chiều dài tự do của lò xo:
l
n
= w.t
n
+ 1,5.d = 5,678.2,873 +1,5.1,64 = 18,773(mm)
- Độ cứng cửa lò xo:
J=
)(9,2
7
22,20
mm
N
f
F
lv

==
- Khoảng lún thực tế ứng với lực đã cho:
)(7
64,1.10.80
678,5.10.8.22,20
.
...8
3
33
mm
dG
wCF
f
tt
===
- ứng suất xoắn thực tế:
)(32,574
64,1.14,3
10.66,60.8
.
..8
2
22
mm
N
d
CF
xtt
≈==
π

σ
<σ
cp
= 580N/mm
2
Vậy lò xo tiếp điểm chính chọn phù hợp
3.3.2. Lò xo nhả.
- Lực nhả đầu của một lò xo :
F
nh đ
= K
dt
(G
đ
+ F
tđ đ
)
F
nh đ
= 1,2.(10 + 1) = 13,2 (N)
Trong đó:
25