Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Lời nói đầu.
Để đánh giá sự phát triển kinh tế của một số quốc gia chúng ta thờng dựa
vào trong tiêu chuẩn kinh tế rất quan trọng đó là sự phát triển nền công nghiệp
quốc gia, đặc biệt là ngành điện. Điện năng là nguồn năng lợng quan trọng đợc sử dụng rộng rãi hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Một ngành
cung cấp năng lợng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của con ngời. ở đây
chúng ta đi sâu vào tìm hiểu một bộ phận trong cơ cấu thiết bị khá quan trọng
trong điều khiển quá trình sản xuất biến đổi truyền tải phân phối năng lợng.
Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh và
bảo vệ các lới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất. Ngoài ra
nó còn đợc dùng để kiểm tra và điều khiển các quá trình năng lợng khác.
Khí cụ điện đợc sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, các trạm biến
áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, giao
thông vận tải Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng nh
trong đời sống không thể thiếu các loại khí cụ điện.
Khí cụ điện có rất nhiều loại tùy theo chức năng và nhiệm vụ. Có thể chia
ra làm các loại chủ yếu sau đây:
+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lợng điện áp cao: máy ngắt, dao
cách ly, kháng điện, biến dòng, biến áp.
+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lợng điện áp thấp nh: máy tự động,
các bộ phận đầu nối( cầu dao, công tắc xoay), cầu chì
+ Nhóm các rơ le: rơ le bảo vệ, rơ le dòng, rơ le áp, rơ le công suất, rơ le
nhiệt
+ Nhóm các khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ
Khi nền công nghiệp càng phát triển, hiện đại hóa cao thì càng cần thiết
phải có các loại khí cụ điện tốt hơn, hoàn hảo hơn. Các loại khí cụ điện còn
phải đòi hỏi khả năng tự động hóa cao. Chính vì vai trò quan trọng của khí cụ
1

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

điện nên việc nghiên cứu các phơng pháp tính toán, thiết kế các khí cụ điện là
một nhiệm vụ quan trọng và phải có sự đầu t đúng mức để ngày càng đợc phát
triển và hoàn thiện hơn.
Trong quá trình học tập tại trờng em đã nhận đợc sự giúp đỡ và chỉ bảo
tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị điện. Đặc biệt là sự hớng
dẫn nhiệt tình của thầy giáo: Nguyễn Văn Đức. Nhờ đó em đã thiết kế tính
toán loại khí cụ điện mà hiện nay đang có nhu cầu sử dụng rất nhiều và rộng
rãi, đó là: Công tắc tơ xoay chiều ba pha. Bản thuyết minh này sẽ trình bày
việc thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều ba pha với các chỉ số sau:
Điện áp định mức

Uđm= 400 (V).

Dòng điện định mức

Iđm= 60 (A).

Điện áp điều khiển

Uđk= 380 (V).

Dòng điện định mức phụ

Iph= 5 (A).

Dòng điện ngắt

Ingắt= 4Iđm.

Dòng điện đóng

Iđóng= 4Iđm.

Tần số

f= 50 (HZ).

Tuổi thọ N=105 làm việc liên tục, cách điện cấp A
Số lợng tiếp điểm:

3 tiếp điểm chính thờng mở.
2 tiếp điểm phụ thờng đóng.
2 tiếp điểm phụ thờng mở.

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
1. Phân tích phơng án, chọn kết cấu thiết kế.
2. Tính mạch vòng dẫn điện.
3. Tính và dựng đặng tính cơ.
4. Tính toán nam châm điện.
5. Chọn buồng dập hồ quang.
2


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Kem theo bản thuyết minh gồm các bản vẽ sau:
+ Bản vẽ tổng lắp ráp Ao

: 01 bản.

+ Bản vẽ chi tiết A1

: 02 bản.

+ Bản vẽ các đờng đặc tính A1 : 01 bản.
Mặc dù đã rất tập trung để hoàn thành bản thuyết minh, song do còn
thiếu kinh nghiệm trong việc thiết kế nên quá trình làm đề tài chắc không
tránh khỏi những sai sót. Vậy em rất mong đợc sự góp ý của các thầy cô giáo
trong bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử để bản thuyết minh của em đợc hoàn
thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thiết kế.

3


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Phần i: phân tích phơng án- chọn kết cấu thiết

kế.
a.KHáI NIệM CHUNG.
I.khái niệm về công tắc tơ:
Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng ngắt thờng xuyên các mạch
điện động lực, từ xa bằng tay hay tự động.
Việc đóng ngắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể đợc thực hiện bằng điện từ,
thủy lực hay khí nén. Trong đó công tắc tơ điện từ đợc sử dụng nhiều hơn cả.
II.phân loai:
1. Theo nguyên lý truyền động ngời ta chia công tắc tơ thành các loạisau:
+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng điện từ.
+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng thủy lực.
+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng khí nén.
+ Công tắc tơ không tiếp điểm.
2. Theo dạng dòng điện trong mạch:
+ Công tắc tơ điện một chiều dùng để đóng ngắt mạch điện một chiều.
Nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều.
+ Công tắc tơ điện xoay chiều dùng để đóng ngắt mạch điện xoay
chiều. Nam châm điện của nó là nam châm điện xoay chiều.
Ngoài ra trên thực tế còn có loại công tắc tơ sử dụng để đóng ngắt mạch điện
xoay chiều, nhng nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều.
III. các yêu cầu đối với công tắc tơ:
Công tắc tơ phải đóng dứt khoát, tin cậy phải đảm bảo độ bền nhiệt
nghĩa là nhiệt độ phát nóng của công tắc tơ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ phát
nóng cho phép: [cp ].
Khi tính toán, thiết kế công tắc tơ thờng phải đảm bảo lúc điện áp bằng
85% Ucd thì phải đủ sức hút và lúc điện áp bằng 110% U cd thì cuộn dây không
nóng quá trị số cho phép và công tắc tơ vẫn làm việc bình thờng.
4

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Đảm bảo độ bền điện động: độ bền điện động đợc xác định bằng số lần
đóng ngắt tối thiểu mà sau đó cần thay thế hoặc sửa chữr các tiếp điểm bị ăn
mòn khi có dòng điện chạy qua tiếp điểm.
Đảm bảo độ mòn về điện đối với công tắc tơ tiếp điểm, trong ngày nay những
loại công tắc tơ hiện đại độ mòn về điện từ (2ữ3).106 lần đóng ngắt.
Đảm bảo độ bền về cơ: độ mòn về cơ đợc xác định bằng số lần đóng
ngắt tối đa mà chr đòi hỏi phải thay thế hoặc sửa chữ các chi tiết khi không có
dòng điện tiếp điểm. Ngày nay các công tắc tơ hiện đại độ bền cơ khí đạt
2.107 lần đóng ngắt.
iv.cấu tạo của công tắc tơ:
Công tắc tơ điện từ bao gồm những thành phần chính sau:
Hệ thống mạch vòng dẫn điện.
Cơ cấu điện từ.
Hệ thống dập hồ quang.
Hệ thống phản lực.
v.nguyên lý hoạt động của công tắc tơ:
Khi đa dòng điện vào cuộn dây của nam châm điện sẽ tạo ra từ thông
và sinh ra lực hút điện từ F đt . Do lực hút điện từ lớn hơn lực phản lực làm
cho nắp của nam châm điện bị hút về phía mạch từ tĩnh. Các tiếp điểm thờng
mở của công tắc tơ đợc đóng lại. Mạch điện thông.
Khi ngắt dòng điện của cuộn dây nam châm thì lực hút điện từ Fđt=0 dới
tác dụng của hệ thống lò xo sẽ đẩy phần động trở về vị trí ban đầu. Các tiếp
điểm của công tắc tơ mở, hồ quang phát sinh ở tiếp điểm chính sẽ đợc dập tắt
trong buồng dập hồ quang. Mạch điện ngắt.
b. phân tích phơng án chọn kết cấu:
Để có một kết cấu hợp lý và phù hợp với điều kiện công nghệ cho công

tắc tơ thiết kế. Ta tiến hành khảo sát một số loại công tắc tơ của một số nớc
đang sử dụng ở Việt Nam:
+ Công tắc tơ của Việt Nam.
+ Công tắc tơ của Liên xô.
5


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

+ Công tắc tơ của Nhật.
+ Công tắc tơ của Hàn Quốc.
+ Công tắc tơ của Trung Quốc.
Sau khi tham khảo về cơ bản công tắc tơ của các nớc đều giống nhau. Từ đó
em có nhận xét sau:
I. Mạch từ:
Trong tất cả các loại công tắc tơ của các nớc nói trên ngời ta đều sử
dụng mạch từ chữ có cuộn dây đợc đặt ở giữa, trên hai cực từ ngời ta đặt
vòng chống rung.
Loại này có u điểm: Lực hút điện từ lớn và đợc phân bố đều nên làm việc chắc
chắn và tin cậy.
Các loại kiểu hút trong mạch từ: có 2 loại.
1. Hút thẳng:
Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản dễ tháo lắp, nhỏ gọn nên kích thớc của
công tắc tơ nhỏ và gọn. Từ thông rò không đổi khi chuyển động, lực hút điện
từ lớn.
Nhợc điểm: không sử dụng đợc với dòng điện lớn vì độ mở của tiếp
điểm bằng độ mở của nam châm điện. Nên nếu dùng cho dòng điện lớn thì độ
mở của tiếp điểm lớn dẫn đến nam châm điện hóa. Khi đó kích thớc của công

tắc tơ sẽ lớn dẫn đến hay bị rung động.
2. Hút quay:
Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, độ mở tiếp điểm lớn nên sử dụng cho các
loại công tắc tơ có dòng điện lớn.
Nhợc điểm: vì do cấu tạo của loại này là có hệ thống cánh tay đòn nên
khó chế tạo và tháo lắp, kích thớc công tắc tơ lớn.
II. Tiếp điểm:
Do mạch từ kiểu hút thẳng nên ta chọn tiếp điểm có dạng bắc cầu một
pha hai chỗ ngắt.
Kiểu này có u điểm: vì ta chọn nh vậy bởi chỗ ngắt trong mạch là hai
nên có khả năng ngắt nhanh, chịu đợc và dễ dập hồ quang. Đồng thời giảm
hành trình chuyển động dẫn đến giảm kích thớc của công tắc tơ. (nh hình vẽ).
6


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Trong đó:
1. Thanh dẫn tĩnh
2. Thanh dẫn động.
3. Tiếp điểm động.
4. Tiếp điểm tĩnh

2
3

4

1
Iii. Buồng dập hồ quang:
Buồng dập có tác dụng giúp ta dập tắt hồ quang nhanh nên phải đảm
bảo các yêu cầu sau:
+ Đảm bảo khả năng đóng và ngắt: nghĩa là phải đảm bảo giá trị dòng
điện ngắt ở điều kiện cho trớc.
+ Thời gian cháy hồ quang nhỏ, vùng iôn hóa nhỏ. Nếu không có thể
chọc thủng cách điện trong buồng dập hồ quang.
+ Hạn chế ánh sáng và âm thanh.
Do tác dụng của hồ quang là rất nguy hiểm nên ta cần phải có biện pháp
nhanh chóng dập hồ quang.
Đối với công tắc tơ xoay chiều có hai phơng án dập hồ quang chủ yếu là:
+ Dùng cuộn thổi từ có buồng dập là khe hở hẹp.
+ Dùng buồng dập kiểu dàn dập.
Phơng pháp thứ nhất có khả năng dập hồ quang rất tốt song kết cấu phức tạp,
thờng dùng cho các loại công tắc tơ có dòng điện lớn làm việc ở chế độ nặng
và trung bình.
Phơng pháp thứ hai có kết cấu đơn giản dễ chế tạo, nhng khả năng dập hồ
quang kém hơn phơng pháp thứ nhất. Nó đợc dùng cho công tắc tơ có dòng
điện không lớn lắm.
Nh vậy ở đây ta thiết kế công tắc tơ có U đm=400 (V); Iđm=60 (A) . Ta sẽ
chọn buồng dập hồ quang là buồng dập kiểu dàn dập đợc làm từ vật liệu sắt ít
cacbon. Loại này có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và đơn giản trong tính toán và
đảm bảo khi làm việc.

iV. Nam châm điện:

7

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Nam châm điện có vai trò rất quan trọng, nó quyết định đến tính năng
làm việc và kích thớc của toàn bộ công tắc tơ.
Nam châm điện dạng chữ hút chập từ thông không rò. Có từ thông không
đổi trong quá trình nắp chuyển động, từ dẫn khe hở không khí lớn, lực hút
điện từ lớn đặc tính của lực hút điện từ gần với đặc tính cơ phản lực của loại
công tắc tơ xoay chiều. Sử dụng kiểu này ta dễ dàng sử dụng tiếp điểm kiểu
hai chỗ ngắt.
Trên thực tế và theo tham khảo với công tắc tơ xoay chiều có dòng định
mức Iđm<100 (A) ngời ta thờng chọn mạch từ có dạng chữ kiểu hút thẳng có
đặc tính hút gần với đặc tính phản lực đồng thời đơn giản hơn trong quá trình
tính toán và chế tạo.
Kết Luận:
Qua phân tích ở trên để phù hợp với yêu cầu và kỹ thuật. Vậy em chọn kiểu
dáng kết cấu cho công tắc tơ mà em thiết kế là:
Mạch từ: chữ .
Kiểu hút: hút thẳng.
Tiếp điểm: một pha hai chỗ ngắt.
Buồng dập hồ quang: kiểu dàn dập.
Hệ thống phản lực: 3 lò xo tiếp điểm chính.
2 lò xo nhả.
2 lò xo tiếp điểm phụ.
Vỏ: nhựa cứng.
Từ các yếu tố đã chọn ở trên ta có kiểu dáng công tắc tơ mà em thiết kế nh
hình vẽ:

8

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Trong đó:
1: Lò xo nhả
2: Nam châm điện.
3: Tiếp điểm tĩnh.
4: Buồng dập hồ quang.
5: Tiếp điểm động.
6: Nắp nam châm điện.
7: Cuộn dây.
c. Chọn khoảng cách cách điện.
Khoảng cách cách điện đóng một vai trò rất quan trong ảnh hởng tơi kích
thớc của công tắc tơ và mức độ vận hành sao cho an tòan. Khoảng cách điện
phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Điện áp định mức.
Môi trờng làm việc.
Quá trình dập tắt hồ quang.
Ta có thể xác định khoảng cách cách điện theo các phơng pháp sau:
+ Theo độ bền làm việc pha.
+ Theo độ bền điện các phần tử mạng điện so với đất.
+ Theo chế độ bền điện ngay trong nội tại của công tắc tơ đối với các
phần tử mang điện.
Nếu ta chọn khoảng cách quá nhỏ thì dễ xảy ra phóng điện, nếu chọn khoảng
cách lớn sẽ tăng kích thớc công tắc tơ.
9

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Đối với các pha với nhau điện áp lớn hơn điện áp giữa các pha phần tử
mang điện đối với đất, hơn nữa vỏ của các công tắc tơ đợc làm bằng nhựa
cứng, do đó cách điện với đất tốt, làm việc hoàn toàn an toàn.
Do đó cách điện giữa các pha trong công tắc tơ là quan trọng nhất, vì vậy
ta phải xác định khoảng cách này.
Nếu ta chọn khoảng cách cách điện theo phơng pháp (độ bền điện giữa
các pha) nếu khoảng cách này thoả mãn thì dẫn đến hai phơng pháp kia cũng
đảm bào an toàn khi làm việc.
Chúng ta chọn khoảng cách cách điện tối thiểu theo bảng (1-2)/14quyển1 với:
Uđm = 400 (V) ta có : lcđ 5 (mm)
Nên ta chọn lcđ = 10 (mm), lrò = 30 (mm).
Khi chọn khoảng cách cách điện nó còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của
vật liệu, bụi, độ bẩn, trạng thái bề mặt cách điện giữa các pha. Vì vậy khi thiết
kế hình dạng cấu trúc của cách điện sao cho khi vận hành bụi bẩn không phủ
lên chúng.
Vậy để giảm kích thớc của công tắc tơ và loại trừ khả năng bụi bẩn nên
chọn kết cấu của cách điện dạng gờ, mái bật nh hình vẽ :

lrò

l cđ

10

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Phần II: Thiết kế tính toán mạch vòng dẫn điện.
Mạch vòng dẫn điện của công tắc tơ bao gồm: Thanh dẫn, hệ thống tiếp
điểm và các đầu nối.
Yêu cầu cơ bản của mạch vòng dẫn điện:
+ Đảm bảo độ bền cơ, độ bền động và độ bền nhiệt.
+ Khi làm việc ở chế độ dài hạn với I đm nhiệt độ phát nóng cho phép của mạch
vòng không vợt quá nhiệt độ cho phép. Khi làm việc ở chế độ ngắn mạch
trong khoảng thời gian cho phép, mạch vòng phải chịu đợc lực điện động do
vòng ngắn mạch gây ra mà các tiếp điểm không bị nóng chảy và hàn dính lại.
+Trong quá trình đóng ngắt mạch điện thờng xuyên cũng nh có sự cố, xuất
hiện sự va đập cơ khí và rung động. Mạch vòng dẫn điện phải đảm bảo độ bền
vững hoạt động tin cậy và đảm bảo tuổi thọ.
Khi thiết kế mạch vòng dẫn điện phải có điện trở nhỏ nhất, để giảm tối
thiểu tổn hao công suất trên nó và dẫn điện tốt.
Mạch vòng dẫn điện trong công tắc tơ cần thiết kế bao gồm hai mạch vòng
riêng biệt:
Mạch vòng dẫn điện chính
Mạch vòng dẫn điện phụ.
A. mạch vòng dẫn điện chính:

11


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Trong đó:
1: Lò xo tiếp điểm chính.
2: Thanh dẫn động.
3: Tiếp điêm động.
4: Vít đầu nối.
5: Thanh dẫn tĩnh.

6: Tiếp điểm tĩnh.
I. thanh dẫn:
Thanh dẫn công tắc tơ gồm: Thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh, trên
thanh dẫn động có gắn tiếp điểm động còn trên thanh dẫn tĩnh có gắn tiếp
điểm tĩnh.
Thanh dẫn tĩnh phải có kích thớc lớn hơn thanh dẫn động vì nó có gia
công bắt vít nối với hệ thống bên ngoài và chịu lực va đập cơ khí của phần
động.
I.1 Tính toán thanh dẫn động:
1. Chọn vật liệu để thanh dẫn:
Để thanh động dẫn điện tốt và đảm bảo độ bền cơ ta chọn vật liệu có
điện trở suất càng nhỏ càng tốt và có độ bền cơ cao.
Theo bảng (2 13)- quyển 1 ta chọn vật liệu thanh dẫn động là đông kéo
nguội có tiết diện hình chữ nhật ký hiệu MI TB có các thông số kỹ thuật
sau:
= 1083 (oC)

: Nhiệt độ nóng chảy.

20 = 0,01741.10-3 (mm)

: Điện trở suất 20 oC.

= 0,0043 (1/oC)

: Hệ số nhiệt điện trở

= 3,9 (W/cmoC)

: Độ dẫn điện.

= 8,9 (g/cm3)

: Khối lợng riêng.

HB = 80 ữ 120 (kg/mm2)

: Độ cứng Brinen.

[cp] = 95oC

: Nhiệt độ phát nóng cho phép.

Chọn thanh dẫn động có tiết diện dạng chữ nhật với kích thớc là a, b nh
12


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

hình vẽ:

2. Tính toán thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn.
Xác định kích thớc a, b: Theo công thức (2 6) quyển 1 ta có:

Trong đó:
Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức.
n = = (4 ữ 10) : tỷ số giữa hai cạnh.
Chọn n = 6.
kf: Hệ sổ tổn hao phụ đặc trng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu
ứng gần.
Theo trang 18 quyển 1 ta có: kf = (1,03 ữ 1,06).
Ta chọn kf = 1,04
kT: Hệ số toả nhiệt ra không khí.
Theo bảng (6 - 5) quyển 1 ta có: kT = (6 ữ 9) (W/m2oC)
Chọn kT = 6 (W/m2 oC) = 6.10-6 (W/mm2oC).
ôđ = [] môi trờng: Độ tăng nhiệt độ ổn định.
Với [] = 95oC : Nhiệt độ phát nóng cho phép của của thanh dẫn.
môi trờng = 40oC: Nhiệt độ môi trơng.
Nên ôđ = 95 40 = 55oC.
: Điện trở suất vật dẫn ở nhiệt độ phát nóng cho phép.
Ta có: = 20. [1 + . ( [] 20) ] (mm).
Theo bảng (6 2) quyển 1 ta có: 20 = 0,01741.10-3 (mm).
= 0,0043 (1/oC): Hệ số nhiệt điện trở.
Vậy điện trở suất của thanh dẫn ở nhiệt độ phát nóng cho phép :
= 0,01741.10-3. [1 + 0,0043. (95 20)] = 0,023.10-3 (mm ).
Nên ta có:
13


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

60 2. 0,023. 10 -3. 1,04
= 1,45 (mm).
b= 3
2. 6. (6 + 1). 6. 10 -6. 55
Ta có tỷ số:
a
= 6 a = 6.b = 6.1,45 = 8,7 (mm).
b
Vậy kích thớc thanh dẫn tối thiểu là:
a = 8,7 (mm).
b = 1,45 (mm).
Mặt khác thanh dẫn ngoài việc dẫn điện tốt thì nhiệt độ phát nóng của nó
không vợt quá trị số cho phép và thanh dẫn còn phải đủ lớn để gắn tiếp điểm
lên trên.
Vậy kích thớc của thanh dẫn còn phụ thuộc vào đờng kính của tiếp điểm.
Theo bảng (2 - 15) quyển 1: Với Iđm = 60 (A) ta có
dtđ = (16 ữ 20) (mm) : đờng kính tiếp điểm.
htđ = (1,4 ữ2,5) (mm): chiều cao tiếp điểm.
Chọn đờng kính tiếp điểm: dtđ = 14 (mm).
Nên chiều dài thanh dẫn a = 14+ (1ữ2)
Vậy ta chọn kích thớc của thanh dẫn động nh sau:
a= 16 (mm).
b= 1,5 (mm).
3. Kiểm nghiệm lại thanh dẫn.
3.1 Tính toán kiểm nghiệm lại thanh dẫn ở chế độ dài hạn:
a. Mật độ dòng điện dài hạn:
Jtđ = (A/mm2).

Trong đó:
I = Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức.
S = Stđ = a. b = 1,5. 16= 24 (mm2): Tiết diện thanh dẫn.
Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn:
Jtđ =

60
= 2,5 (A/mm2)
24
14


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

So sánh Jtđ < [Jtđ] = 4 (A/mm2) là phù hợp.
b.Tính toán nhiệt độ thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:
Theo công thức (2- 4)/18 - Quyển 1 ta có:
I 2đm . . o . (1 + . td ). k f
S.P =
k t . . ( td - mt )
I 2đm . o . k f + S. P. k T . mt o
tđ =
( C).
S. P. k T - I 2đm . o . k f .
Trong đó:

tđ: Nhiệt độ phát nóng ổn định thanh dẫn.
Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức.

kf = 1,04: Hệ số tổn hao phụ.
S = 24 (mm2): Tiết diện thanh dẫn.
P = 2. (a + b) = 2. (16+1,5 )= 35 (mm): Chu vi thanh dẫn.
mt = 40 (oC): Nhiệt độ môi trờng.
0 - Điện trở suất vật liệu ở 00C.

Ta có : 20 = 0. (1 + 20)
0,01741.10 3
20
Mà 0 =
=
= 0,016.10-3 (mm).
1 + . 20 1 + 0,0043. 20
Nên nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn :
60 2. 0,016.10 -3.1,04 + 24. 35. 6.10 -6. 40
tđ =
= 54,68 (o C)
24. 35. 6.10 -6 - 60 2. 0,016.10 -3. 1,04. 0,0043
tđ = 54,1 (oC)
Vậy ta so sánh với nhiệt độ cho phép : tđ < [cp] = 95oC là thích hợp.
3.2 Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm viêc ngắn hạn:
Tính mật độ dòng điện trong thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch với các thời
gian ngắn mạch khác nhau.
Theo công thức (6 21) quyển 1 ta có:
Jnm2. tnm = Anm Ađ
Jnm = (A/mm2).
Trong đó:
Jnm = Jbn : Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt.
15

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

tnm = tbn : Thời gian ngắn mạch, bền nhiệt.
Abn, Ađ : Giá trị hằng số tích phân ứng với nhiệt độ bền nhiệt và nhiệt độ
đầu.
Nhiệt độ bền nhiệt của thanh dẫn là: 300 (oC).
Tra đồ thị (6 6) quyển 1 ta đợc:
bn = 300 (o C) Anm = 4.104 (A2S/mm4).
đ = 95 (oC) = 1,7.10-4 (A2S/mm4).

Ta có: Anm Ađ = 4.104 1,7.104 = 2,3.104 (AS/mm4).
Với các thời gian ngắn mạch khác nhau ta có:
tnm = 3 (s) Jnm = 87,56 (A/mm2)
tnm = 4 (s) Jnm = 75,83 (A/mm2)
tnm = 10 (s) Jnm = 47,96 (A/mm2)
So sánh với mật độ dòng điện bền nhiệt cho phép đối với thanh dẫn đồng ở
bảng (6 7)- quyển 1 ta có bảng sau:
Tnm (S)
[Jnm] (A/mm2)
Jnmtt(A/mm2)

3
94
87,56

4
82

75,83

10
51
47,96

Nh vậy: Jnm < [Jnm] nên ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn vẫn đảm bảo làm việc
tốt và tin cậy.
Kết luận: Vậy kích thớc đã chọn và tính toán a= 16 (mm).
b=1,5 (mm).
thì mật độ làm việc trong chế độ làm việc dài hạn và ngắn hạn hoàn toàn thoả
mãn yêu cầu về kỹ thuật.
I.2 tính toán thanh dẫn tĩnh:
Khi làm việc thanh dẫn tĩnh cũng chịu một dòng điện nh thanh dẫn
động. Nh ta đã nói ở trên còn cần phải có độ bền về cơ để gia công lỗ sắt vít
đầu nối và chịu va đập cơ khí khi đóng ngắt mạch điện.
Vì vậy ta chọn kích thớc thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thớc thanh dẫn động.
16


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Ta chọn kích thớc thanh dẫn tĩnh nh sau:
a = 20 (mm)
b = 2 (mm)
Mật độ dòng điện thanh dẫn tĩnh là:
Jt = =

60
= 1,5 (A/mm2).
40

Trong đó:
St = a.b = 20. 2 = 40 (mm2): Tiết diện thanh dẫn tĩnh.
I = Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức.
Vậy Jt = 1,5 (A/mm2) < [Jcp] = 4 (A/mm2) là phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
Nh vậy kích thớc thanh dẫn tĩnh là:

a= 20 (mm).
b= 2 (mm).

ii. vít đầu nối:
Đầu nối dùng để nối dây dẫn mạch ngoài với thanh dẫn tĩnh. Nó là một
phần tử quan trọng trong hệ thống mạch vòng. Nếu không đảm bảo rất dễ bị
h hỏng trong quá trình vận hành.
ii.1 yêu cầu đối với đầu nối:
Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức
không vợt quá trị số cho phép. Do đó mối nối phải có kích thớc và lực ép tiếp
xúc (Ftx) đủ để điện trở tiếp xúc (Rtx) không lớn ít tổn hao công suất.
Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ, bền điện và độ bền nhiệt khi dòng
ngắn mạch chạy qua.
Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lợng tổn hao và nhiệt độ phát nóng phải
ổn định khi công tắc tơ vận hành.

ii.2 chọn dạnh kết cấu mối nối:
Căn cứ vào ứng dụng của công tắc tơ với dòng định mức I đm= 60(A)
ta chọn kiểu mối nối tháo rời ren sử dụng vít M 6x15 tra bảng(2-3)- quyển 1 và
kiểu mối nối nh hình sau:

17


Đồ án tốt nghiệp

Trong đó:

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

1: Vít M6x15
2: Long đen.
3: Thanh dẫn đầu ra.
4: Thanh dẫn tĩnh.

ii.3 tính toán đầu nối:
1. Diện tích bề mặt tiếp xúc đợc xác định theo công thức:
Stx = (mm2).
Theo kinh nghiệm thiết kế và tham khảo tài liệu hớng dẫn với dòng điện định
mức Iđm = 60 (A) đối với thanh dẫn bằng đồng mật độ dòng điện có thể lấy
bằng 0,31 (A/mm2) tại chỗ tiếp xúc với dòng xoay chiều có tần số 50 Hz.
Vậy Stx =

60
= 193,5 (mm2).
0,31

2. Lực ép tiếp xúc đợc tính theo công thức:
Ftx = ftx.Stx (kg).
Trong đó: Stx= 193,5 (mm2): Diện tích tiếp xúc

ftx: Lực ép tiếp xúc riêng trên mối nối thanh đồng.
Theo quyển 1- trang 33 ta có : ftx = (100ữ150) (kg/cm2).
Chọn ftx = 115 (kg/cm2).
Vậy ta có lực ép tiếp xúc :
Ftx = 110.193,5.10-2 = 222,52 (kg) = 2225,2 (N)
So sánh với lực ép cho phép Ftx = 2,225 (KN) < 2,3 (KN) là phù hợp.
3. Điện trở tiếp xúc:
Theo công thức (2 25) quyển 1 ta có:

18


Đồ án tốt nghiệp

Rtx =

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

k tx

[ 0,102.Ftx ]

m

()

Trong đó:
ktx : hệ số kể đến sự ảnh hởng của vật liệu.
Theo trang 59-quyển 1 ta có: ktx= (0,09ữ0,14).10-3 (kg)
m : là hệ số phụ thuộc hình thức tiếp xúc.

Vì hai thanh dẫn ghép có vít, cho nên ở đây tiếp xúc là tiếp xúc mặt nên theo
trang 59 quyển 1 ta có : m = 1.
Nên điện trở tiếp xúc :
0,12.10 3
Rtx =
= 0,005.10-3 ().
[ 0,102. 222,5 ]
4. Điện áp tiếp xúc mối nối :
Theo công thức (2 27) quyển 1:
Utx = Rtx.Iđm (V)
Trong đó: Iđm = 60 (A): Dòng điện định mức.
Rtx= 0,005 ().
Utx = 0.005.10-3. 60 = 0,30.10-3 (V) = 0,30 (mV).
So sánh với [Utx] = (2 ữ 30) (mV) là phù hợp.
iii. tiếp điểm:
Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt mạch điện. Vì vậy kết cấu và
thông số của tiếp điểm có ảnh hởng đến kết cấu và kích thớc toàn bộ công tắc
tơ, tuổi thọ của công tắc tơ.
iii.1 yêu cầu của tiếp điểm :
Khi công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi không
tiếp xúc phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép.
Với dòng điện lớn cho phép tiếp điểm phải chịu đợc độ bền nhiệt và độ
bền điện động.
Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dòng điện giới hạn cho
phép tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bé nhất, độ rung của tiếp điểm
không đợc lớn hơn trị số cho phép.
19


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

iii.2 chọn kết cấu và vật liệu tiếp điểm :
Qua tham khảo tài liệu và với dòng điện định mức I đm= 60 (A) ta chọn
dạng kết cấu tiếp điểm là : tiếp xúc điểm kiểu trụ cầu- trụ cầu ( theo trang 37quyển 1).
Vật liệu tiếp điểm cần có độ bền cơ cao dẫn điện và dẫn nhiệt tốt với
dòng Iđm= 60 (A ) theo bảng (2-13)- quyển 1 : Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm
là kim loại gốm : Ag-Niken than chì.
Ký hiệu : KMK- A32M.
Loại kim loại gốm rất tốt có khả năng đáp ứng nhu cầu cho tiếp điểm có độ
cứng cao, điện trở suất nhỏ và ổn định khi làm việc ở chế độ dài hạn.
Các thông số kĩ thuật của KMK A32M.
= 8,7 (g/cm3)

: Khối lợng riêng.

nc = 3403 (oC)

: Nhiệt độ nóng chảy

20 = 4,0.10-5 (mm)

: Điện trở suất ở 20oC

= 3,25 (W/cmoC)

: Độ dẫn nhiệt.

HB = (65 ữ 85) (kg/mm2) : Độ cứng Brinen

Chọn HB = 75 (kg/mm2)
= 3,5.10-3 (1/oC)

: Hệ số nhiệt điện trở.

iii.3 tính toán tiếp điểm:
1. Chọn kích thớc cơ bản:
Kết cấu của tiếp điểm nh đã nói ở trên có hình dạng trụ cầu. Kích
thớc ta chọn phù thuộc giá trị định mức, kết cấu tiếp điểm và số lần đóng ngắt.
Theo bảng (2-15)- quyển 1 với dòng Iđm= 60 (A) ta có:
d= 12ữ16 (mm).
h= 1,4ữ2,5 (mm).
Chọn kích thớc của tiếp điểm động:
ađ= 14 (mm).
bđ= 2 (mm).
Ta chọn kích thớc của tiếp điểm tĩnh lớn hơn so với tiếp điểm động:
at= 16 (mm).
20


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

bt= 2,5 (mm).

h

d

2. Lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc:
Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thờng ở chế độ
dài han. Trong chế độ ngắn mạch dòng điện lớn 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 tiếp điểm đợc xác định theo công thức lý thuyết và công thức thực
nghiệm
a. Theo công thức lý thuyết:
Từ công thức (2- 14)- quyển 1 ta có:
Ftđ =

I2 .

A. .H B
.
16. 2

1
[arccos(

Ttd 2
)]
Ttx

Mà Ftđ = n. Ftđ1
Với n là số điểm tiếp xúc.
Theo trang 53- quyển 1 ta có n=1 vì tiếp điểm động và tiếp điểm chính có
dạng trụ cầu nên tiếp xúc ở đây là tiếp xúc điểm. Nên lực ép tiếp điểm:
Ftđ = Ftđ1
Trong đó:

Iđm = 60 (A) Dòng điện định mức.
HB = 75 (kg/mm2) Độ cứng Briven vật liệu làm tiếp điểm.
= 0,325 (W/cmoC) - Độ dẫn nhiệt
A = 2,3. 10-8 (V/oC) Hằng số Loren.
Theo trang 53 quyển 1 ta có:
21


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Ttđ = tđ + 273(oK) = 54,68 + 273 = 327,68 (oK)
Ttx : Nhiệt độ nơi tiếp xúc.
Ttx = Ttđ + T.
T = (5 ữ 10) (oK) : Độ chênh nhiệt ở chỗ tiếp xúc và xa nơi tiếp xúc.
Chọn T = 5 (oK )
Ttx = 327,1 + 5 = 332,1 (oK)
Ta có lực ép tại một điểm tiếp xúc :
60 2 . 2,3.10 -8 . 3,14. 75
.
Ftđ1 =
16. (0,325) 2

1
327,68 2 = 0,0012(kg).
[ arccos (
)]
332,68

Ftđ1 = 0,012 (N).
Vậy lực ép tiếp điểm Ftđ= 1.Ftđ1= 0,012 (N).
b. Phơng pháp kinh nghiệm:
Theo công thức (2 17)- quyển 1 ta có:
Ftđ = ftđ. Iđm.
Trong đó:
ftđ: lực tiếp điểm đơn vị.
Theo bảng (2 17)- quyển 1 ta có : ftđ = (7 ữ 15) (G/A)
Chọn ftđ = 10 (G/A).
Iđm= 60 (A): dòng điện định mức.
Nên ta có lực ép tiếp điểm: Ftđ1 = 10. 60 = 0,6 (KG) = 6 (N).
So sánh hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm: khi dòng điện nhỏ cần có
dự trữ lực, còn khi có dòng điện lớn cần tăng lực để đảm bảo độ ổn định điện
động và ổn định nhiệt của tiếp điểm. Vì vậy ta chọn lực tiếp điểm Ftđ = 6(N).
3. Tính điện trở tiếp xúc:
Để tính điện trở tiếp xúc ta có hai phơng pháp: tính theo lý thuyết và theo
thực ngiệm.
a.Tính theo lý thuyết.
Theo công thức (2 24)- quyển 1:

22


Đồ án tốt nghiệp

Rtx =

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

. ().
2

Trong

đó:
: điện trở suất vật dẫn ở nhiệt độ ổn định.
Với: = 20.[ 1+ . (95- 20)].
Trong đó:
20 = 4.10-5 (mm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 200C.
= 3,5.10-3 (1/0C): hệ số nhiệt điện trở.
Nên ta có: = 4.10-5. [ 1+ 3,5. 10-3. (95-20)] = 0,05. 10-3(mm).
HB= 75 (kg/mm2).
Ftđ= 6 (N).
Vậy ta có điện trở tiếp xúc:
0,05.10 -3
Vậy Rtx =
.
2

3,14. 75
= 0,15.10-3 ().
6

b. Tính theo kinh nghiệm:
Theo công thức (2 25)- quyển 1:
Rtx =
Trong đó:

K tx

().
(0.102.Ftđ )m
ktx: hệ số kể đến sự ảnh hởng của vật liệu.

Theo trang 56- quyển 1 ta có: ktx= (0,2ữ0,3). 10-3
Chọn ktx= 0,25. 10-3
m= 0,5: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc (vì tiếp xúc giữa hai tiếp điểm là
tiếp xúc điểm).
Ftđ = 6 (N) Lực ép tiếp điểm.
Vậy ta có điện trở tiếp điểm:
0,25.10 -3
-3
Rtx =
0 , 5 = 0,32. 10 ().
[ 0,102. 6 ]
Để thoả mãn cho việc tính toán điện áp rơi ta chọn: Rtx = 0,32. 10-3 ().
4. Tính điện áp rơi trên điện áp tiếp xúc:
Theo công thức (2 27) quyển 1 ta có:
Utx = Rtx . Iđm (V).
23


Đồ án tốt nghiệp

Trong đó:

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

I = Iđm = 60 (A).
Rtx = 0,32. 10-3 ().

Vậy điện áp tiếp xúc: Utx = 60. 0,32. 10-3 = 19,2. 10-3 (V) = 19,2 (mV).
So sánh với [Utx] = (2 ữ 30) (mV) là phù hợp.
5. Tính nhiệt độ tiếp điểm:
Theo công thức (2 11) quyển 1:
I 2đ m .
I 2đ m . R t đ
+
tđ = mt +
S. P . K T
. P. S. K T

(0 C )

Trong đó:
Iđm = 60 (A): dòng điện định mức.
mt = 40 (oC): nhiệt độ môi trờng.
= 95 = 0,05. 10-3 (mm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở
nhiệt độ ổn định
KT = 6. 10-6 (W/mm2oC): Hệ số nhiệt điện tử.
= 0,325 (W/mm2oC): Hệ số truyền nhiệt.
S (mm2): tiết diện tiếp điểm
d2
14 2
= 153,86 ( mm 2 ).
Stđ= . = 3,14.
4
4
P(mm): chu vi tiếp điểm
Ptđ = .d = 3,14. 14 = 43,96 (mm).

Rtđ : điện trở tiếp điểm.
Rtđ = 20.
Trong đó:

h
().
S tđ
= 0,05. 10-3 (mm) .
htđ = 2 (mm).
Stđ = 153,86 (mm2).

Nên điện trở tiếp điểm :
-3
Rtđ = 2. 0,05.10 .

2
= 1,3. 10-6 ()
153,86

Vậy nhiệt độ tiếp điểm :
24


Đồ án tốt nghiệp

t đ = 40 +

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

60 2 . 0,05.10 -3

60 2 .1,3 .10 -6
+
= 44,47 0 C.
-6
-6
153,86. 43,96. 6.10
2. 0,325. 43,96.153,86. 6.10

6. Tính nhiệt độ tiếp xúc :
Theo công thức (2 12) quyển 1.
I 2đ m . R tx
tx = t đ +
8. .

( 0 C)

Trong đó : tđ = 44,47 (oC): nhiệt độ tiếp điểm.
Iđm = 60 (A): dòng điện định mức.
Rtx = 0,32. 10-3(): điện trở tiếp xúc.
= 0,325 (W/ mm0C): độ dẫn nhiệt.
= 0,05. 10-3(mm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm.
Nên ta có nhiệt độ tiếp xúc:
60 2 . ( 0,32.10 -3 ) 2
= 47,38 0 C.
tx = 44,47 +
-3
8. 0,325. 0,05.10
Vậy ta so sánh nhiệt độ tiếp xúc tx< [cp] = 180 0C là phù hợp.
7. Dòng điện hàn dính tiếp điểm:
Khi dòng điện lớn hơn dòng điện định mức, tiếp điểm bị đẩy ra do lực

điện động lớn Rtx tăng lên. Tiếp điểm bị hàn dính do nhiệt độ tiếp xúc tăng
lên.
Có hai tiêu chuẩn đánh giá sự hàn dính.
+ Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính.
+ Trị số của dòng điện bị hàn dính.
Ith: Là dòng điện tới hạn hàn dính. Tại đó tiếp điểm không bị hàn dính nếu cơ
cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm ra.
Tính dòng hàn dính theo hai phơng pháp: Theo lý thuyết.
Theo thực nghiệm.
a.Tính theo lý thuyết:
Theo công thức (2 33) quyển 1:
Ihd = A.. (A).
25