Đồ Án Tốt Nghiệp Rơle Điện Từ Trung Gian Xoay Chiều (Kèm File Autocad)

Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

Mục lục
Lời nói đầu......................................................................................................................4
CHƯƠNG I: 5
GIớI THIệU CHUNG Về RƠLE......................................................................................5

I. Giới thiệu chung về rơ le:........................................................................5
1. Cấu tạo của Rơle:..................................................................................5
2. Phân loại rơle:.......................................................................................5
2. Đặc tính cơ bản và các thông số của rơle:............................................6
II. Giới thiệu chung về rơle điện từ:...........................................................8
1. Đặc điểm: .............................................................................................8
2. Cấu tạo chung của rơle điện từ:............................................................9
................................................................................................................9
Hình 2. Các bộ phận chung của rơle điện từ...........................................9
3. Nguyên lý hoạt động:..............................................................................9
III. KHOảNG CáCH CáCH ĐIệN:..........................................................10
1.Điện áp định mức theo cách điện:.........................................................10
2.Khoảng cách cách điện của các phần tử dẫn điện:...............................10
IV. CáC YÊU CầU KHI THIếT Kế:........................................................11
CHƯƠNG II:12
PHÂN TíCH PHƯƠNG áN Và CHọN DạNG KếT CấU.........................................12

1. Rơle trung gian của Nhật: ORMON - Nhật (240V-5A)....................13
2. Rơle trung gian của Liên Xô cũ:.........................................................14
...................................................................................................................14
CHƯƠNG III:.....................................................................................................................16
Tính toán và kiểm nghiệm mạch vòng dẫn điện..................................16

I. Giới thiệu kết cấu mạch vòng dẫn điện:..............................................16
II. Thiết kế tính toán thanh dẫn:.............................................................16
1. Các bớc tính toán thanh dẫn:..............................................................16
2. Tính toán thanh dẫn động:...................................................................17
3. Tính toán thanh dẫn tĩnh:.....................................................................23
III. Thiết kế tính toán tiếp điểm:.............................................................23
1. Chức năng của tiếp điểm:.....................................................................23
2. Yêu cầu với các tiếp điểm:...................................................................23
3. Chọn vật liệu làm tiếp điểm:.................................................................24
4. Tính lực ép tiếp điểm:...........................................................................25
5. Xác định điện trở tiếp xúc:...................................................................26
SV: Lơng Văn Sanh

1


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

6. Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc:........................................................28
7.Kiểm tra nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm:..........................................28
8. Xác định dòng điện hàn dính:..............................................................29
9.Tính độ rung tiếp điểm:.........................................................................31
10. Độ ăn mòn tiếp điểm:.........................................................................33
11. Độ mở:.................................................................................................34
12. Độ lún:.................................................................................................35
IV. Đầu nối:................................................................................................35
chơng iv: 37

tính và dựng đặc tính cơ...................................................................................37

i. sơ đồ động:..............................................................................................38
ii. tính toán lò xo Và TRọNG LƯợNG PHầN ĐộNG:............................41
1.Tính trọng lợng của phần động:............................................................41
2. Tính chọn vật liệu làm lò xo tiếp điểm:...............................................41
3. Tính kích thớc lò xo tiếp điểm:............................................................42
4. Tính lò xo nhả:......................................................................................43
iV. đặc tính cơ:...........................................................................................49
Chơng V: 50
Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện...............................................50

I. Giới thiệu chung về nam châm điện:....................................................50
II. tính toán SƠ Bộ nam châm điện:........................................................51
1. Chọn dạng kết cấu:...............................................................................51
2. Chọn vật liệu mạch từ:..........................................................................52
3. Chọn các thông số cờng độ từ cảm,hệ số từ tản và hệ số từ rò:..........53
4. Xác định các kích thớc và thông số chủ yếu của nam châm điện:......53
II. tính toán KIểM NGHIệM nam châm điện:.......................................59
1. Vẽ sơ đồ thay thế của mạch từ khi nắp mở, với 0:.......................59
2 .Tính từ dẫn Gr:......................................................................................60
3. Xác định từ dẫn của khe hở không khí G: Hình 4.5...........................62
4. Xác định từ thông và từ cảm ở khe hở tới hạn :...................................65
5. Xác định thông số cuộn dây:................................................................66
6. Tính toán vòng ngắn mạch:..................................................................68
7.Tính toán tổn hao trong lõi thép:..........................................................77
Chơng VI: 91
Xây dựng và hoàn thiện kết cấu....................................................................91

I. MạCH VòNG DẫN ĐIệN:.....................................................................91

1.Thanh dẫn động:....................................................................................91
SV: Lơng Văn Sanh

2


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

2. Thanh dẫn tĩnh:.....................................................................................91
Ii.TIếP ĐIểM Động và tiếp điểm tĩnh:.....................................................91
Iii. vít đầu nối: ...........................................................................................92
vi. lò xo tiếp điểm và lò xo nhả: ...............................................................92
1. Lò xo tiếp điểm:....................................................................................92
2. Lò xo nhả:.............................................................................................92
vii. nam châm điện:...................................................................................92
1.Mạch từ:..................................................................................................92
2.Cuộn dây:...............................................................................................93
viii. vòng ngắn mạch:................................................................................93
IX. Vỏ RƠLE TRUNG GIAN: .................................................................94

SV: Lơng Văn Sanh

3


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

Lời nói đầu
Điện năng là một nguồn năng lợng quan trọng đợc sử dụng rộng rãi
trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Nhu cầu sử dụng điện năng
không ngừng gia tăng. Ngày nay cần có nhiều thiết bị điện hiện đại hơn, tinh
vi hơn và dễ sử dụng hơn.
Khí cụ điện là những thiết bị điện chuyên dùng để đóng ngắt, điều
khiển, điều chỉnh, bảo vệ các lới điện và các thiết bị sử dụng điện năng khác.
Do đó khí cụ điện là loại thiết bị không thể thiếu đợc, khi sử dụng điện năng
trong công nghiệp cũng nh trong đời sống.
Khi công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu cuộc sống ngày càng đòi
hỏi cao hơn, càng cần thiết phải có các khí cụ điện nhiều về số lợng, tốt về
chất lợng và hoàn hảo hơn. Đặc biệt theo xu thế chung, các khí cụ điện hiện
đại còn đòi hỏi phải có khả năng tự động hoá.
Chính vì vai trò cần thiết của khí cụ điện nên việc nghiên cứu các phơng
pháp thiết kế, tính toán của khí cụ điện là một nhiệm vụ quan trọng không
ngừng đợc hoàn thiện.
Đợc sự giúp đỡ và hớng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị
Điện - Khoa Điện, sự hớng dẫn tận tình của cô giáo Lu Mỹ Thuận khoảng
thời gian 4 tháng em đã tiến hành thiết kế một loại khí cụ điện mà trong các
mạch điều khiển không thể thiếu đợc. Đó là rơle điện từ trung gian xoay chều.

SV: Lơng Văn Sanh

4


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

CHƯƠNG I:
GIớI THIệU CHUNG Về RƠLE
I. Giới thiệu chung về rơ le:
Khí cụ điện là những thiết bị, cơ cấu điện dùng để điều khiển các quá trình
sản xuất, biến đổi, truyền tảI, phân phối năng lợng điện và các dạng năng lợng khác.
Trong các hệ thống, Rơle có một vị trí rất quan trọng, nó dùng để bảo vệ các
thiết bị điện hay điều khiển các quá trình sản xuất.
Rơle là loại khí cụ điện tự động mà đặc tính vào ra có tính chất sau: tín
hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp ( đột ngột ) khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác
định.
Cùng với sự phát triển và tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ vật liệu,
công nghệ chế tạo. Rơle đợc nghiên cứu và chế tạo gồm nhiều chủng loại, hoạt
động theo nguyên lý khác nhau, có các thông số đặc tính kỹ thuật nổi bật và lĩnh
vực sử dụng rộng rãi.
1. Cấu tạo của Rơle:
Rơ le gồm có 3 cơ cấu chính:
+ Cơ cấu thu: Tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành
những đại lợng cần thiết để rơle hoạt động .
+ Cơ cấu trung gian: So sánh những đại lợng đã đợc biến đổi với mẫu
rồi truyền tín hiệu đến cơ cấu chấp hành .
+ Cơ cấu chấp hành: Phát tín hiệu cho mạch điều khiển.
2. Phân loại rơle:
a. Theo nguyên lý :
+ Rơle điện từ: dựa trên tác dụng của từ trờng do dòng điện chạy trong
cuộn dây sinh ra, tác dụng lên phần ứng (nắp) bằng vật liệu sắt từ làm nắp
dịch chuyển.
+ Rơle phân cực: rơle điện từ có thêm từ trờng phân cực do nam châm
vĩnh cửu tạo ra. Vị trí của nắp phụ thuộc vào cực tính của tín hiệu đa vào rơle
(còn gọi là rơle cực tính).

SV: Lơng Văn Sanh

5


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

+ Rơle từ điện: làm việc dựa trên tác dụng lực của từ trờng do nam
châm vĩnh cửu tạo ra lên dòng điện chạy trong cuộn dây làm cuộn dây dịch
chuyển.
+ Rơle điện động: dựa trên tác dụng tơng hỗ giữa từ trờng do dòng điện
chạy trong cuộn dây sinh ra với dòng điện chạy trong cuộn dây khác làm cuộn
dây này dịch chuyển.
+ Rơle cảm ứng: dựa trên cơ sở tác dụng tơng hỗ từ trờng của cuộn dây
đứng yên với dòng điện cảm ứng trong phần động, làm phần động dịch
chuyển.
+ Rơle nhiệt: dựa trên sự co giãn về kích thớc, thể tích, áp suất của các
vật liệu khi nhiệt độ của chúng thay đổi.
+ Rơle điện tử và bán dẫn
b. Theo cơ cấu chấp hành :
+ Rơle có tiếp điểm: rơle cơ.
+ Rơle không có tiếp điểm: rơle bán dẫn, rơle điện tử.
c. Theo chức năng :
+ Rơle bảo vệ.
+ Rơle điều khiển.
d. Theo nguyên lý xử lý tín hiệu :
+ Rơle tơng tự.
+ Rơle số.

2. Đặc tính cơ bản và các thông số của rơle:
a. Đặc tính :
Đờng biểu diễn quan hệ giữa đại lợng vào x và đầu ra y của rơle gọi
là đặc tính vào ra và đợc coi là đặc tính cơ bản của rơle. Nên đặc tính này
còn gọi là đặc tính rơle.

SV: Lơng Văn Sanh

6


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

y
ymax

ymin
0

xnh

xtủ

xlv

x

Hình 1. Đặc tính làm việc của rơle.

- Khi 0 < x < xtđ : y = ymin : rơle mở
- Khi x = xtđ

: y = ymax : rơle tác động

- Khi x > xtđ

: y = ymax : rơle đóng

- Khi x > xnhả

: y = ymax : rơle đóng

- Khi xnhả = x

: y = ymin : rơle nhả

- Khi 0 < x < xnhả : y = ymin : rơle nhả
b. Thông số cơ bản của rơle:
+Hệ số nhả:
K nh =

x nh
<1
x td

Knh : phụ thuộc vào từng loại rơle
+Hệ số dự trữ:
K dt =

x lv
>1
x td

xlv : giá trị làm việc dài hạn của đại lợng đầu vào
xtđ : giá trị tác động của đại lợng đầu vào
+Hệ số điều khiển:

SV: Lơng Văn Sanh

7


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

K dk =

Pdk
Ptd

Pđk : công suất cực đại trên tảI của mạch làm việc
Ptđ : công suất đầu vào cần thiết cho rơle tác động
+Thời gian tác động: ttđ
Khoảng thời gian từ thời điểm đặt tín hiệu và x đến thời điểm đại
lợng đầu ra y đạt giá trị cực đại.
ttđ < 10-3s : rơle không quán tính
ttđ < 10-2s : rơle tác động nhanh
ttđ > 1s

: rơle thời gian

ttđ = (5ữ15).10-2s : rơle tác động bình thờng
ttđ = (0,15ữ1)s

: rơle tác động chem.

+Thời gian nhả: tnh
Khoảng thời gian tại thời điểm ngắt tín hiệu vào x cho đến khi
đại lợng ra đạt giá trị 0 hoặc cực tiểu.
+Tần số thao tác:
f=

1
t td + t lv + t nh + t ng

ttđ : thời gian tác động
tlv : thời gian làm việc (khoảng thời gian từ khi đại lợng ra
đạt giá trị cực đại đến khi đạt cực tiểu hoặc 0)
tnh : thời gian nhả
tng : thời gian nghỉ (khoảng thời gian từ khi đại lợng ra đạt
giá trị 0 đến khi đạt giá trị cực đại lần sau)
II. Giới thiệu chung về rơle điện từ:
1. Đặc điểm:
+ Rơle điện từ cấu tạo đơn giản, lực hút điện từ (F đt) khá lớn do vậy rơle
điện từ đợc sử dụng rất rộng rãi.

SV: Lơng Văn Sanh

8


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

+ Rơle điện từ có loại 1 chiều và xoay chiều công suất từ vài wát đến
hàng nghìn wát, trong khi đó công suất tiêu thụ khoảng vài chục wát.
+ Thời gian tác động của rơle điện từ trong khoảng 1 20ms.
+ Rơle điện từ có các loại: Dòng điện, điện áp cực đại và cực tiểu, rơle
công suất, rơle tổng trở, tần số, trung gian, tín hiệu.
2. Cấu tạo chung của rơle điện từ:
1. Thân mạch từ.
2. Nắp mạch từ
3. Lò xo nhả
2

3

6

4. Cuộn dây

5

5. Tiếp điểm tĩnh
6. Tiếp điểm động

Hình 2. Các bộ phận chung của rơle điện từ

3. Nguyên lý hoạt động:
1

4 khi cha có tín hiệu điều khiển, tiếp điểm ở trạng
* Tiếp điểm thờng mở
tháI mở ( bị ngắt ).

Hình 3. Ký hiệu tiếp điểm thờng mở
*Tiếp điểm thờng đóng khi không có tín hiệu điều khiển, tiếp điểm ở
trạng thái đóng ( đợc đóng )

Hình 4. Ký hiệu tiếp điểm thờng đóng
Khi đa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện, trong cuộn dây sinh ra
một sức từ động F = IW. Sức từ động sinh ra từ thông khe hở không khí của
nam châm điện , sinh ra lực hút điện từ F đt. Khi Fđt > Fcơ sẽ hút nắp nam

SV: Lơng Văn Sanh

9


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

châm điện, nhờ cơ cấu truyền động mà lực hút đợc truyền đến giá phần động,
làm cho giá phần động tịnh tiến trợt theo giá của thanh dẫn hớng và làm các
tiếp điểm thờng mở đóng lại và các tiếp điểm thờng đóng mở ra, đồng thời lò
xo nhả đợc nén lại tạo điều kiện sẵn sàng đẩy nắp nam châm điện về vị trí mở
khi cuộn dây nam châm điện không còn dòng điện

Khi ngắt điện trên cuộn dây nam châm điện, lực hút điện từ giảm về 0.
Lò xo nhả đẩy giá phần độngtrợt lên phía trên làm nhả nắp của nam châm
điệnvà hệ thống tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu.
III. KHOảNG CáCH CáCH ĐIệN:
Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện đóng vai trò rất quan trọng, nó
ảnh hởng đến kích thớc, độ tin cậy, tuổi thọ, khả năng làm việc của khí cụ
điện
Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh: nhiệt độ, áp
suất, môi trờng làm việc...
1.Điện áp định mức theo cách điện:
Với khí cụ điện điều khiển và phân phối năng lợng hạ áp (Uđm= 220V)
tồn tại các tiêu chuẩn, quy định về độ bền cách điện theo điện áp định mức, ở
trạng thái khô và sạch của khí cụ điện, nó phải chịu đợc điện áp thử tần số
50Hz, thời gian thử một phút. Theo bảng (1-1) của (TL1):
+ Điện áp định mức của khí cụ điện: Uđm = 220V
+ Điện áp định mức của cuộn dây: Ucd = 220V
+ Điện áp thử nghiệm ( trị hiệu dụng ): Utn = 2000V
2.Khoảng cách cách điện của các phần tử dẫn điện:
Muốn khí cụ điện có độ tin cậy cao cần khoảng cách cách điện lớn, tuy
nhiên nh vậy lại tăng kích thớc và khối lợng của thiết bị. Vì vậy nên chọn theo
khoảng cách cách điện tối thiểu theo qui định của điện lực cho các loại khí cụ
điện hạ áp thông dụng.
Hiện nay ở điện áp Uđm= 220V, theo bảng (1-2) của (TL1) ta chọn khí
cụ điện trong mạch điều khiển và tín hiệu, ứng với khoảng cách cách điện giữa
các phần tử dẫn điện lcđ = 7mm
SV: Lơng Văn Sanh

10

Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

lcđ

Hình 5. Khoảng cách cách điện giữa 2 thanh dẫn
IV. CáC YÊU CầU KHI THIếT Kế:
Đối với Rơle trung gian xoay chiều khi thiết kế phải thỏa mãn các yêu
cầu cơ bản của một sản phẩm công nghiệp hiện đại nh yêu cầu kỹ thuật, về
vận hành, về công nghệ chế tạo và về lĩnh vực xã hội, đặc trng của những yêu
cầu trên đợc biểu hiện thông qua các qui định chuẩn mực, tiêu chuẩn nhà nớc
hoặc của ngành và chúng nằm trong nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật.
+ Các yêu cầu về kỹ thuật:
- Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của rơle làm việc ở chế
độ định mức và chế độ sự cố.
- Đảm bảo độ bền cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và
khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp lớn nhất, lâu dài và trong điều
kiện xung quanh (nh ma, bụi, bẩn) cũng nh khi có quá điện áp nội bộ.
- Đảm bảo độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận rơle trong giới
hạn số lần thao tác đã thiết kế, thời gian làm việc ở chế độ định mức cũng nh
chế độ sự cố.
- Khả năng đóng ngắt ở chế độ sự cố và chế độ định mức.
- Khi U = 85% Uđm thì lực hút điện từ của nam châm điện phải đảm bảo
đủ để rơle làm việc bình thờng.
SV: Lơng Văn Sanh

11

Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

- Khi U = 110% Uđm thì nhiệt độ cuộn dây không đợc quá trị số cho
phép.
- Kết cấu phải đơn giản, khối lợng và kích thớc phải nhỏ gọn.
+ Các yêu cầu về vận hành:
- Độ tin cậy cao.
- Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài.
- Đơn giản dễ thao tác, dễ thay thế, dễ sửa chữa.
- Phí tổn vận hành ít, tiêu tốn ít năng lợng.
+ Các yêu cầu về kinh tế xã hội:
- Giá thành hạ.
- Kết cấu phải có thẩm mỹ.
- Vốn đầu t khi chế tạo, lắp ráp vận hành ít.
+ Các yêu cầu về thiết kế công nghệ: Trong quá trình thiết kế công
nghệ phảI dựa vào những hớng dẫn, qui định của bản thiết kế kỹ thuật đã đợc
thông qua kinh nghiệm sản xuất, nghiên cứu và thử nghiệm. Qua đó tiến hành
chính xác kết cấu, nghiên cứu và lập bản vẽ công nghệ của các chi tiết và bộ
phận. Từ đó xác định chính xác hình dáng của vỏ và trang trí mỹ thuật, và
chính xác hóa chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.

CHƯƠNG II:
PHÂN TíCH PHƯƠNG áN Và CHọN DạNG KếT CấU
Rơle trung gian xoay chiều có nhiều loại đợc sử dụng ở nớc ta, do
nhiều hãng của nhiều nớc sản xuất nh: Nga; Đức (SIEMENS); Pháp; Nhật
(OMRON, FUJI, NATIONAL); Hàn Quốc (SUNGHO, LG). Tuy có hình

SV: Lơng Văn Sanh

12


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

dáng, kích thớc cụ thể có khác nhau, nhng về nguyên lý cấu tạo và các thông
số cơ bản đều nh nhau.
Ta tham khảo một số mẫu đang đợc sử dụng ở Việt Nam hiện nay nh
của Nga và Nhật.
1. Rơle trung gian của Nhật: ORMON - Nhật (240V-5A)
1. Nam châm điện xoay chiều

3

2. Hệ thống tiếp điểm

2

4

3. Hệ thống thanh dẫn
4. Hệ thống nắp
5. Lò xo nhả
6. Thân đế và đế

5
1

Hình 2.1. Rơle trung gian ORMON Nhật
Đặc điểm:
- Mạch từ chữ U hút chập.

6

- Khoảng cách cách điện nhỏ nên độ tin cậy không cao.
- Tiếp điểm động trên nắp mạch từ, trên tiếp điểm đóng, dới tiếp
mở.
- Phải có hệ thống dây dẫn mềm.
- Phần đầu nối lấy ra dễ dàng.
- Công nghệ chế tạo khó, khó tháo lắp và sữa chữa.
- Mạch vòng dẫn điện 1 pha 1 chỗ ngắt.

SV: Lơng Văn Sanh

13


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

2. Rơle trung gian của Liên Xô cũ:
6

5

4
3

2

1

7

8

9

10

Hình 2.2. Rơle trung gian của Liên Xô cũ
1. Vỏ rơle
2. Cuộn dây
3. Lõi
4. Vòng ngắn mạch
5. Nắp mạch từ
6. Cơ cấu truyền động
7. Lò xo nhả
8. Cần truyền động
9. Tiếp điểm động và thanh dẫn động
10. Tiếp điểm tĩnh và thanh dẫn tĩnh
Đặc điểm:
- Kết cấu đơn giản, công nghệ chế tạo đơn giản, độ tin cậy cao, dễ sữa
chữa, tháo lắp nhng kích thớc và trọng lợng lớn.
- Mạch vòng dẫn điện 1 pha 2 chỗ ngắt.
- Không dùng dây dẫn mềm nên đơn giản.

SV: Lơng Văn Sanh

14


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

- Lò xo thanh dẫn động, ngoài nhiệm vụ dẫn điện còn thêm nhiệm
vụ tạo lực lò xo ép tiếp điểm.
- Vật liệu dẫn điện tốt, độ đàn hồi cao.
Tuy cả hai rơle của Nhật và Liên Xô cũ có sự khác nhau về trọng lợng, kích
thớc nhng cả hai đều có đặc điểm chung:
- Sử dụng kiểu hút chập
- Mạch từ chữ U
Sự khác nhau là: rơle của Liên Xô cũ có kết cấu 1 pha 2 chỗ ngắt, còn của
Nhật có kết cấu 1 pha 1 chỗ ngắt.
Qua phân tích ta chọn kiểu kết cấu của rơle Liên Xô cũ để thiết kế vì nó phù
hợp với công nghệ của Việt Nam.

SV: Lơng Văn Sanh

15


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

CHƯƠNG III:

Tính toán và kiểm nghiệm mạch vòng dẫn điện
I. Giới thiệu kết cấu mạch vòng dẫn điện:
Trong các loại khí cụ điện nói chung và rơ le trung gian nói riêng.
Mạch vòng dẫn điện đóng vai trò quan trọng, nó cùng với nam châm điện,
khâu truyền động trung gian, và các bộ phận kết cấu khác cấu thành một rơ le
hoàn chỉnh.
Trong rơ le trung gian, mạch vòng dẫn điện là kết cấu của nhiều bộ
phận khác nhau cấu tạo thành. Nó bao gồm: thanh dẫn động, thanh dẫn tĩnh,
tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp điểm, đầu nối ra.

3

1. Đầu lấy điện
2. Giá đỡ tiếp điểm
3. Thanh dẫn tĩnh

4

1

4. Tiếp điểm tĩnh
5. Tiếp điểm động

2

6. Thanh đẫn động

5

6

7

7. Cần truyền động
Hình 3.1. Kết cấu chung của mạch vòng dẫn điện.
Thiết kế mạch vòng dẫn điện của rơ le điện từ trung gian xoay chiều
kiểu kín, thực chất là tính toán thiết kế từng bộ phận cấu thành nó nh đã nêu ở
hình 2.1.
II. Thiết kế tính toán thanh dẫn:
1. Các bớc tính toán thanh dẫn:
Tính toán thiết kế thanh dẫn bao gồm:
- Xác định tiết diện và kích thớc cơ bản của thanh dẫn ở chế độ dài
hạn .

SV: Lơng Văn Sanh

16


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

- Tính toán kiểm nghiệm tiết diện và kích thớc của thanh dẫn ở chế độ
làm việc ngắn hạn và chế độ khởi động. Vì đối với rơ le trung gian đó là khả
năng điều khiển và dùng trong tự động hóa.
- Lựa chọn dạng và kết cấu thanh dẫn trên cơ sở các thông số đã tính
toán ở các chế độ.
2. Tính toán thanh dẫn động:
Thanh dẫn động vừa thực hiện chức năng đóng hay mở tiếp điểm nhờ
bộ truyền động vừa mang điện truyền tải, do đó nó phải đảm bảo tính dẫn

điện, độ bền cơ khí, khả năng tản nhiệt, mức độ phát nóng phải phù hợp.
Vì không có lò xo tiếp điểm riêng mà dùng thanh dẫn động ngoài
nhiệm vụ dẫn điện còn thêm nhiệm vụ tạo lực lò xo ép lên tiếp điểm, nên yêu
cầu chọn vât liệu dẫn điện tốt, tính đàn hồi cao. Ta chọn vật liệu là đồng phốt
pho băng cứng. Bảng 2.1 có các thông số kỹ thuật nh sau:(Tra theo bảng
(2.22) của (TL1)).
Bảng 3.1. Các thông số vật của vật liệu thanh dẫn
Ký hiệu
P.06,5
Tỷ trọng
=8,9 G/cm3
Nhiệt độ nóng chảy
Tnc=1083oC
Điện trở suất ở 20oC
=0,01741.10-6 .m
Hệ số nhiệt điện trở
=4,3.10-3 1/0C
Độ dẫn điện
=3,9W/0 C.cm
Nhiệt lợng nóng chảy
180 J/g
Nhiệt dung
Cp=0,385 J/g0C
Modul đàn hồi
4600.106 kG/cm2
Nhiệt lợng bay hơi
2600 J/g
Độ cứng
HB=105 kG/mm2
Giới hạn đồ bền kéo

k=550 N/mm2
Nhiệt độ ổn định cho phép
950C
Độ tăng nhiệt cho phép
550C
Với kết cấu rơ le trung gian, thanh dẫn động có kết cấu hình chữ nhật
đã chọn, để đảm bảo các chế độ hoạt động, độ bền theo yêu cầu, thanh dẫn
chữ nhật có chiều dài l. tiết diện chữ nhật có chiều dài a, và chiều rộng b nh
sau:

SV: Lơng Văn Sanh

17


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

b
a

b
20
,9
29
,1
35
,2

l
Hình 3.2. Kêt cấu thanh dẫn trụ chữ nhật

a. Xác định kích thớc cơ bản:
Từ công thức tỏa nhiệt củaNiutơn:
P = KT.ST.(ôđ-mt) = KT.ST.ôđ

(W)

Cũng có thể biểu diễn công thức cân bằng nhiệt ở chế độ xác lập cho
mọi chi tiết với bề mặt tản nhiệt ST, chiều dài l, và chu vi là p=ST/l:
P = I2.R.Kf = KT.ST. (ôđ-mt)
Hay:
I 2 . .K f
S

= KT . p.( ô d mt )

Trong đó:
R: Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định ()
: Điện trở xuất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định (m)
= 0 .(1+.) = 20.[1+.(-20)] = mt . [1+.(-mt)]
0, 20, mt điện trở xuất của vật liệu ở 00C, 200C, và nhiệt độ môi trờng
(m)
là hệ số nhiệt điện trở, của đồng là 0,0043 (1/0C).
Kf là hệ số tổn hao phụ đặc trng cho hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt.
Kf = Kbm .Kg
Kbm là hệ số phụ đặc trng cho hiệu ứng bề mặt.
Kg là hệ số phụ đặc trng cho hiệu ứng gần.
SV: Lơng Văn Sanh

18


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

Với dòng điện xoay chiều, chọn Kf = 1,03ữ1,06, ở đây chọn Kf = 1,05.
S là tiết diện của thanh dẫn S = a.b (mm2)
ST là tiết diện tản nhiệt của thanh dẫn (mm2)
P là công suất tản nhiệt (W)
p là chu vi của thanh dẫn p = 2(a+b) (mm)
ôđ là nhiệt độ ổn định của thanh dẫn ôđ = 95 (0C).
mt là nhiệt độ môi trờng, thông thờng lấy mt = 400C.
KT là hệ số tỏa nhiệt, KT = (6-9).10-6

(W/mm2.0C) (Bảng (6-5) của

(TL1)).
Chọn KT = 8.10-6

(W/mm2.0C)

I là dòng điện định mức, I = 5A
Tra bảng (6-2) của (TL1) ta đợc:
20 = 0,01741.10-3

(mm)

Do đó ta có điện trở suất ở ôđ = 950C là:
= 0,01741.10-3 [1+0,0043.(95-20)]
= 0,023.10-3

(mm)

Tiết diện thanh dẫn đợc tính theo công thức (2-4) của (TL1) ta có:
I 2 K f
S.p =
K T ôd
Tiết diện S = a.b, chu vi p = 2(a+b). Do đó các cạnh a, b của hình
chữ nhật thanh dẫn động xác định nh sau:
I 2 K f
a.b.2.(a+b) =
K T ôd
Hay:
b=

3

I 2 K f
2n(n + 1)KT

od

Trong đó :
n = a/b, nằm trong khoảng 5ữ10. Chọn n=10

SV: Lơng Văn Sanh

19


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

Iđm = 5A
Kf = 1,05
= 0,023.10-3 (mm)
ôđ = 95-40 = 550C
Ta đợc :

b=

3

52.0, 023.103.1, 05
= 0,18(mm)
2.10.(10 + 1).8.106.55

a = 10.b = 10.0,18 = 1,8 (mm)
Để thanh dẫn đạt yêu cầu về kỹ thuật và thực tế ta chọn kích thớc
thanh dẫn cần dựa trên việc chọn đờng kính tiếp điểm đặt trên thanh dẫn. Mà
việc chọn đờng kính tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức theo bảng
(2-15) của (TL1):
Ta có: Iđm = (2ữ5) A dtđ =(2ữ4)mm
Chọn dtđ = 3 (mm)
Chiều rộng của thanh dẫn phải lớn hơn đờng kính tiếp điểm. Các
kích thớc trên đó phải thỏa mãn về độ bền cơ và bền điện, nên ta có:

a = dtđ + (1ữ2)
Suy ra:
a = 5 (mm)
b=

a 5
=
= 0,5(mm)
l 10

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

SV: Lơng Văn Sanh

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

20


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

b. Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn:
* Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:
Từ công thức (2-4) của (TL1):
I 2 K f I 2 (1 + ôđ )K f
S.p =
=
K T ôd
K T (ôđ mt )
Do đó:
I 2 K f + SpK T mt
td = ôđ =
SpK T I 20 K f
Trong đó:
S là tiết diện thanh dẫn, S = 2,5 (mm2)
p là chu vi thanh dẫn p = 11 (mm)
0 là điện trở suất của thanh dẫn ở 00C (mm)
td là nhiệt độ hoạt động ổn của thanh dẫn với các thông số kích thớc đã
chọn. Trong công thức (2-4) của (TL1) nó đóng vai trò ôđ
Ta có:
0 =

20
0, 01741.103
=
= 0, 016.103 (mm)
1 + (20 0) 1 + 0, 0043.20

Nh vậy ta có:

tđ =

52.0,023.103.1,05 + 2,5.11.8.106.40
= 43(0 C)
6
2
3
2,5.11.8.10 5 .0,01741.10 .1,05.0,0043

Vậy ta có:
ôđ = 950C > tđ = 43 (0C)
Vậy thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ dài hạn.
*. Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm việc ngắn mạch:
Từ công thức (6-21) của (TL1):
2
I nm
.tnm I bn2 tbn
2
= 2 = J nm
.tnm = Abn Ad (**)
S2
S

(A2s/mm4)

Trong đó:

SV: Lơng Văn Sanh

21

Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

Ibn = Inm : là dòng ngắn mạch và cũng chính là dòng bền nhiệt (A)
Tnm = Tbn : là thời gian ngắn mạch và cũng chính là thời gian bền nhiệt
(s)
Abn, Ad: là đại lợng nhiệt (A2s/mm4). Trong đó đối với đồng Abn lấy ở
bn = 3000C
S là tiết diện thanh dẫn S =2,5mm2
Tra đồ thị (6-6) của (TL1) ta có:
bn = 3000C thì ta có Abn =4.104 (A2 s/mm4)
ôđ = 950C thì ta có Abn =1,65.104 (A2 s/mm4)
Từ công thức (**) ta có:
J nm =

Abn Ad
tbn

(A/mm2)

Với t = 3s, ta có :
J nm =

4.104 1, 65.104
= 88,5
3

(A/mm2)

Với t = 4s, ta có:
J nm =

4.104 1, 65.104
= 76, 65
4

(A/mm2)

Với t = 10s, ta có :
J nm =

4.104 1, 65.104
= 48, 48
10

(A/mm2-)

Ta lập đợc bảng (2.2) so sánh giữa mật độ dòng điện bền nhiệt đã
tính và mật độ dòng điện bền nhiệt tiêu chuẩn của thanh dẫn.

Bảng 3.2. So sánh Jtt và [J]
t(s)
J(Amm2)
Jtt
SV: Lơng Văn Sanh

t=3s

t=4s

t=10s

88,5

76,65

48,48
22


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

[J]

94

82

52

Vậy thanh dẫn thỏa mãn điều kiện làm việc ở chế độ ngắn hạn.
3. Tính toán thanh dẫn tĩnh:
Thanh dẫn tĩnh là bộ phận cắm trực tiếp với đế, có chứa cả tiếp điểm để
tiếp xúc với thanh dẫn động.
Nh vậy là khả năng làm việc của thanh dẫn tĩnh ngoài độ bền về

điện, nó còn phải có độ bền về cơ, do đó ta có thể chọn thanh dẫn tĩnh có kích
thớc lớn hơn nh sau:
a = 5mm
b = 1mm
Khi đó tiết diện cắt ngang của thanh dẫn tĩnh là:
Std = a.b = 5.1 = 5 (mm2)
- Mật độ dòng qua thanh dẫn tĩnh là:
J=

I đm 5
= = 1(A / mm 2 )
S tdt 5

- Chu vi thanh dẫn tĩnh ptd = 2 (a+b)=12(mm)
Do thanh dẫn động có kích thớc nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo độ bền về
điện và cơ nên thanh dẫn tĩnh có kích thớc lớn hơn vẫn có thể đảm bảo các
yêu cầu hoạt động nh thanh dẫn động. Do đó các lựa chọn nh trên có thể thoả
mãn trong trờng hợp thanh dẫn tĩnh.
III. Thiết kế tính toán tiếp điểm:
1. Chức năng của tiếp điểm:
Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng, ngắt mạch điện. kết cấu va thông
số của tiếp điễm xác định các thông số chính, kết cấu, kích thớc và khối lợng
của rơle.
2. Yêu cầu với các tiếp điểm:
Tiếp điểm cần thiết kế là tiếp điểm tĩnh và động của một rơ le trung
gian hoạt động ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi không xảy ra tiếp xúc
phải đảm bảo nhỏ hơn nhiệt độ cho phép là 950C.
SV: Lơng Văn Sanh

23

Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

Nhiệt độ cho phép ở vùng tiếp xúc phải nhỏ hơn nhiệt độ biến đổi tinh
thể cho phép của vật liệu làm tiếp điểm.
Đối với dòng điện lớn cho phép, nh dòng khởi động, dòng ngắn mạch,
tiếp điểm phải chịu độ bền nhiệt, độ bền điện động (do lực điện động gây ra).
Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dòng điện trong giới hạn
cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và độ mòn cơ bé nhất, độ rung của
tiếp điểm phải không lớn hơn trị số cho phép.
Để cho ngắn gọn, dễ dàng, ta chọn các công thức tính toán đối với trờng
hợp tính toán tiếp điểm là các công thức kinh nghiệm.
3. Chọn vật liệu làm tiếp điểm:
Để đảm bảo các yêu cầu của tiếp điểm về điện trở suất, điện trở tiếp xúc
nhỏ, ít bị ăn mòn, ít bị ô xi hoá, khó hàn dính, độ cứng cao và làm việc tốt với
dòng điện định mức Iđm = 5A. Ta có thể chọn tiếp điểm là bạc kéo nguội với
các thông số kỹ thuật nh bảng (2.3):
Bảng 2.3. Thông số vật lý của vật liệu làm tiếp điểm
Ký hiệu
Tỷ trọng
Nhiệt độ nóng chảy
Điện trở suất ở 200C
Độ cứng
Độ dẫn nhiệt
Hệ số nhiệt điện trở

CP 999

10,5 (G/cm3)
nc = 961 (0C)
20 = 1,59 . 10-5 (.mm)
HB = (30ữ60) (kG/mm2)
= 4,16 (W/cm0C)
= 4.10-3 (1/0C)

Kích thớc của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thớc
của thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh.
Đối với dòng điện 5(A) tra bảng (2-15) của (TL1) :
d=3

(mm)

h=1

(mm)

Mô tả kết cấu tiếp điểm nh sau:
h

SV: Lơng Văn Sanh

24


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

d

Hình 3.3. Kích thớc tiếp điểm
4. Tính lực ép tiếp điểm:
Lực ép tiếp điểm đảm bảo tiếp điểm làm việc bình thờng ở chế độ dài hạn,
trong chế độ ngắn hạn thì lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không
sinh ra lực điện động và không bị hàn dính, không bị rung.
Lực ép tiếp điểm tính yheo 2 cách:
a. Tính theo lý thuyết:
Theo công thức (6-14) của (TL1):
Ftd1 = I 2dm

A..H B
1
.
2
16 [arccos( Ttd )]2
Ttx

Trong đó:
Idm = 5 (A) : Dòng điện định mức của rơle
A = 2,3.10-8 (V/độ): Hằng số Loren
= 4,16 (W/cm0C) = 0,416 (W/mm0C) : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
làm tiếp điểm.
HB = (30ữ60) (KG/mm2) : Độ cứng Brinen
Chọn HB = 60 (KG/mm2)
Ttd : Nhiệt độ thanh dẫn tính theo độ Kenvin
Ttd = 43+273 = 316 (0K)
Ttx : Nhiệt độ chỗ tiếp xúc
Ttx = Ttd + (2-5) = 316 + 4 =320 (0K)

Ftd1 : Lực ép tiếp điểm tại 1 điểm tiếp xúc
SV: Lơng Văn Sanh

25