Đồ án tốt nghiệp Thiết kế Rơle điện từ trung gian xoay chiều

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐH QUY NHƠN

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

************

=====000=====

NHIỆM VỤ
THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: ĐỖ CÔNG KHANH
Khoa

: Kỹ thuật & Công nghệ

Ngành học

: Điện kỹ thuật

Khoá

: 27

1. Đầu đề thiết kế tốt nghiệp:
Thiết kế Rơle điện từ trung gian xoay chiều.
2. Các số liệu ban đầu :
m = 220V; Iđm = 5A; k = 220V; f = 50Hz

Tuổi thọ N = 106;
Số lượng tiếp điểm 4

;4

Làm việc liên tục; cách điện cấp A, kiểu kín.
3. Nội dung các thuyết minh và tính toán:
1. Phân tích chọn phương án thiết kế.
2. Tính mạch vòng dẫn điện.
3. Tính và dựng đặc tính cơ.
4. Tính toán nam châm điện.
5. Thiết kế kết cấu.
4. Các bản vẽ:
- 1 Bản vẽ nguyên lý Rơle trung gian.
- 1 Bản vẽ đường đặc tính cơ
- 1 Bản vẽ kết cấu nam châm điện.
- 1 Bản vẽ đường đặc tính lực hút điện từ lúc hút và lúc nhả
- 1 Bản vẽ tông lắp ráp của Rơle


LỜI NÓI ĐẦU
Điện năng là một nguồn năng lượng quan trọng được sử dụng rộng rải
trong tất cả các lónh vực của nền kinh tế quốc dân. Nhu cầu sử dụng điện năng
không ngừng gia tăng. Ngày nay cần có nhiều thiết bò điện hơn, tinh vi hơn và
dễ sử dụng hơn.
Khí cụ điện là những thiết bò điện chuyên dùng để đóng ngắt, điều khiển,
điều chỉnh, bảo vệ các lưới điện và các thiết bò sử dụng điện năng khác. Do
đó, khí cụ điện là loại thiết bò không thể thiếu được, khi sử dụng điện năng
trong công nghiệp, cũng như 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 lượng, tốt về
chất lượng và hoàn hảo hơn. Đặc biệt các khí cụ điện hiện đại càng đòi hỏi
phải có khả năng tự động hoá cao.
Chính vai trò cần thiết của khí cụ điện nên việc tính toán thiết kế khí cụ
điện là một nhiệm vụ quan trọng.


PHẦN MỞ ĐẦU
I- KHÁI NIỆM CHUNG VỀ RƠLE

Khí cụ điện là những thiết bò, cơ cấu điện dùng để điều khiển các quá
trình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các dạng
năng lượng khác.
Trong các hệ thống điện Rơle có một vò trí rất quan trọng, nó dùng để
bảo vệ các thiết bò 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
trò xác đònh.
Cùng với sự phát triển và tiến bộ của khoa học kỹ thuật, công nghệ vật
liệu công nghệ chế tạo. Rơle được 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 lónh vực sử rộng rải.
1) Các bộ phận của Rơle
Gồm 3 bộ phận chính:
- Bộ phận thu: có tác dụng tiếp nhận tín hiệu vào và biến đổi nó thành
đại lượng vật lý để rơle hoạt động.
- Bộ phận trung gian: có nhiệm vụ so sánh tín hiệu vào đã được biến
đổi với tín hiệu mẫu cho ra tín hiệu so sánh là hiệu của hai tín hiệu này.
- Bộ phận chấp hành: Tuỳ theo tín hiệu so sánh mà bộ phận chấp hành
thực hiện những chức năng đóng hoặc mở tiếp điểm của rơle.

2) Phân loại Rơle
a) Theo nguyên lý:
- Rơle điện từ: dựa trên tác dụng lực của từ trường do dòng điện chạy trong
cuộn dây sinh ra lên phần ứng (nắp) bằng vật liệu sắt từ làm nắp dòch chuyển.


- Rơle phân cực: rơle điện từ có thêm từ trường phân cực do nam châm
vónh cửu tạo ra. Vò trí của nắp phụ thuộc vào cực tính của tín hiệu đưa vào rơle
(còn gọi là rơle cực tính).
- Rơle từ điện: làm việc dựa trên tác dụng lực của từ trường do nam
châm vónh cửu tạo ra lên dòng điện chạy trong cuộn dây làm cuộn dây dòch
chuyển.
- Rơle điện động: dựa trên tác dụng tương hỗ giữa từ trường do dòng
điện chạy trong cuộn dây sinh ra với dòng điện chạy trong cuộn dây khác làm
cuộn dây này dòch chuyển.
- Rơle cảm ứng: dựa trên cơ sở tác dụng tương hỗ giữa từ trường của
cuộn dây đứng yên với dòng điện cảm ứng trong phần động, làm phần động
dòch chuyển.
- Rơle nhiệt: dựa trên sự co giãn về kích thước, thể tích, áp suất của
các vật liệu khi nhiệt độ của chúng thay đổi.
- Rơle điện tử và bán dẫn – gọi là Rơle không tiếp điểm
b) Theo cơ cấu chấp hành:
- Rơle có tiếp điểm: rơle cơ
- Rơle không có tiếp điểm: rơle bán dẫn, điện tử.
c) Theo chức năng:
- Rơle bảo vệ
- Rơle điều khiển
d) Theo nguyên lý xử lý tín hiệu:
- Rơle tương tự
- Rơle số

3) Đặc tính cơ bản và các thông số của rơle
a) Đặc tính:


Đường biểu diển quan hệ giữa đại lượng vào x và đầu ra y của rơle gọi là
đặc tính “vào - ra ” và được coi là đặc tính cơ bản của rơle. Nên đặc tính này
còn gọi là đặc tính rơle.

y
ymax

ymin
0

xnh

xtđ

xlv

x

Hình 1. Đặc tính làm việc của Rơle không có tiếp điểm
- Khi 0 < x - Khi x = xtđ

: y =ymax : rơle tác động

- Khi x > xtđ

: y =ymax : rơle đóng

- Khi x > xnh

: y =ymax : rơle đóng

- Khi x = xnh

: y = ymin : rơle nhả

- Khi 0 < x < xnh: y = ymin : rơle không tác động
b) Thông số cơ bản của rơle
+ Hệ số nhả


K nh =

x nh
x tđ

Knh phụ thuộc vào từng loại rơle: - Với loại rơle cực đại Knh < 1
- Với loại rơle cực tiểu Knh > 1
+ Hệ số dự trữ

K dt =

x lv
x tđ

Trong đó: xlv - giá trò làm việc dài hạn của đại lượng đầu vào

xtđ - giá trò tác động của đại lượng vào
+ Hệ số điều khiển:

K đk =

Pđk
Ptđ

Trong đó: 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 vào x đến thời điểm đại lượng
đầu ra y đạt giá trò cực đại.
ttđ < 10-3s: rơle không quán tính
ttđ < 10-2s: rơle tác động nhanh
ttđ > 1s

: rơle thời gian

ttđ = (5÷15).10-2s: rơle tác động bình thường
ttđ = (0,15÷1)s

: rơle tác động chậm

+ Thời gian nhả: tnh
Khoảng thời gian tại thời điểm ngắt tín hiệu vào x đến khi đại lượng ra y
đạt giá trò 0 hoặc cực tiểu.
+ Tần số thao tác:

f=

1
t tđ + t lv + t nh + t ng

Trong đó: ttđ - thời gian tác động
t lv - thời gian làm việc (khoảng thời gian từ khi đại lượng ra
đạt giá trò cực đại đến khi đạt cực tiểu hoặc 0)
tnh - thời gian nhả
tng - thời gian nghỉ (khoảng thời gian từ khi đại lượng ra đạt giá
trò 0 đến khi đạt giá trò cực đại lần sau)
4) So sánh thông số kinh tế - kỹ thuật của các loại rơle khác nhau
a) Phân loại rơle tónh:
Nếu phân loại theo nguyên tắc làm việc, rơle tónh dùng linh kiện bán dẫn
có thể phân loại thành:
- Rơle tương tự sử dụng các linh kiện bán dẫn tương tự như điốt, tranzito,
khuếch đại thuật toán.
- Rơle tương tự kết hợp kỹ thuật số có sử dụng thêm các phần tử số như
VÀ, HOẶC, v.v...
- Rơle kỹ thuật số không có vi xử lý.
- Rơle kỹ thuật số có bộ vi xử lý.
Nếu phân loại theo số lượng tín hiệu đầu vào, rơle loại này có thể phân
loại thành:
- Rơle đo lường một đại lượng điện, thí dụ như rơle áp, rơle dòng.
- Rơle đo lường hai đại lượng điện, thí dụ như rơle đònh hướng công suất,
rơle khoảng cách.
- Rơle đo lường nhiều đại lượng điện, thí dụ như rơle quá dòng ba pha,
rơle thiểu áp ba pha, v.v...
Nếu phân loại theo chức năng, rơle tónh cũng có thể được chia thành rơle
bảo vệ và rơle phụ giống các rơle điện cơ. Tuy nhiên, các rơle phụ thường

dùng là rơle trung gian và rơle thời gian. Rơle tín hiệu kiểu tónh như một phần
tử riêng biệt thường không được chế tạo.
Cách phân loại như trên sử dụng khái niệm rơle tónh theo nghóa rộng.
Trong trường hợp chung, khái niệm rơle tónh theo nghóa hẹp thường được dùng
để chỉ các loại rơle bán dẫn tương tự hoặc có sử dụng kết hợp một số loại linh kiện
kỹ thuật số đơn giản. Rơle thuần kỹ thuật số không sử dụng bộ vi xử lý đôi khi cũng
được gọi là tónh, song thường được gán thêm chữ “số”. Khái niệm tónh theo nghóa
hẹp hầu như không được dùng cho rơle sử dụng bộ vi xử lý.
b) So sánh thông số kinh tế - kỹ thuật của các loại rơle khác nhau:
Các rơle bảo vệ sử dụng trong ngành điện lực có thể chia thành ba nhóm
lớn như sau:
Nhóm thứ nhất là các loại rơle điện cơ nơi có sự chuyển đổi năng lượng
điện thành cơ trong quá trình xử lý thông tin. Nhóm này gồm các loại rơle
điện từ, rơle điện động, rơle cảm ứng và rơle nhiệt.
Nhóm thứ hai là các loại rơle tónh, trong đó thực hiện việc so sánh các
đại lượng thuần túy điện ở dạng tương tự. Nó bao gồm các loại rơle khuếch
đại từ, rơle điện tử, rơle dùng điốt hoặc tranzito, rơle dùng vi mạch tương tự.
Rơle số thuộc nhóm thứ ba. Ở nay các tín hiệu trước khi được xử lý đã
được chuyển đổi thành mã số. Nhóm này bao gồm các rơle dùng vi mạch số
không có bộ vi xử lý và các rơle có bộ vi xử lý. Như trên đã nói, rơle số cũng
thuộc nhóm các loại rơle tónh song để phân biệt rõ người ta tách chúng thành
hai nhóm khác nhau.
Bảng 1 trình bày sự so sánh các rơle thuộc các nhóm khác nhau về một
số thông số kinh tế - kỹ thuật, xét trên quan điểm khai thác, sử dụng. Ở đây
các chữ số chỉ thứ tự theo chiều hướng từ kém nhất (1) đến tốt nhất (8). Các
chỉ số này chỉ có giá trò đònh tính chứ không có giá trò đònh lượng. Đây là sự
đánh giá có tính chất tương đối với giá trò trung bình theo từng chủng loại. Vì

vậy vẫn có thể xảy ra trường hợp một rơle thuộc chủng loại này tốt hơn rơle
thuộc chủng loại khác theo thông số nào đó, nhưng chỉ số trung bình của
chủng loại này vẫn thấp hơn chủng loại kia.
Mặc dù việc đánh giá chỉ có tính chất tương đối, song kết quả tổng cộng
các chỉ số tương đối phù hợp với thực tế. Trong nhóm các rơle điện cơ, rơle
cảm ứng vẫn có chất lượng tốt hơn cả. Điều này giải thích vì sao hiện nay rơle
loại này vẫn được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện ở Việt Nam.
Rơle sử dụng bóng điện tử, mặc dù ra đời sau các loại rơle điện cơ song
không thể hiện được tính ưu việt hơn hẳn của nó. Vì vậy, trên thực tế rơle
điện tử chưa bao giờ được đưa vào sản xuất ở qui mô công nghiệp.

Thông số kinh tế kỹ
thuật

Rơle điện cơ
Điện Cảm Nhiệt

Rơle tónh
Khuếch Bóng Tranzito

Rơle số
Vi
Vi

từ

đại từ

mạch

ứng

điện
tử

xử
lý


- Giá thành

5

6

8

7

4

3

2

1

- Độ chính xác

2

3

1

4

5

6

7

8

- Tốc độ thao tác

4

3

1

2

5

6

7

8

- Độ trôi tham số

1

3

2

4

5

6

7

8

- Độ nhạy

4

3

1

2

5

6

7

8

- Công suất tiêu thụ

3

4

1

2

5

6

7

8

- Độ phức tạp

8

6

7

5

4

3

2

1

- Độ linh hoạt

3

4

1

2

5

6

7

8

- Độ tin cậy

5

4

2

8

1

3

6

7

- Chi phí vận hành

3

4

1

7

2

5

6

8

- Kích thước

3

2

5

1

4

6

7

8

- Kinh nghiệm sử dụng

7

8

6

3

1

2

4

3

Tổng cộng

48

50

36

47

46

58

69

76

Bảng 1. So sánh các thông số kinh tế - kỹ thuật của các loại rơle
Nế u cá c rơle có nguồ n gố c từ Liê n Xô (cũ ) phầ n lớ n là cá c rơle
điệ n cơ thì việ c thay chú n g đượ c thự c hiệ n chỉ mớ i bằ ng cá c rơle tónh
sử dụ n g tranzito và vi mạ c h. Vớ i chính sá c h mở cử a, chú n g ta đã có
điề u kiệ n tiếp nhậ n và sử dụ ng mộ t số loạ i rơle số củ a cá c nướ c
phương Tâ y . Mặ c dù có giá thà n h cao nhưng loạ i rơle nà y có chấ t
lượ n g hơn hẳ n cá c loạ i rơle trướ c , do đó chú n g đang đượ c đưa và o sử
dụ ng tạ i hầ u hế t cá c cô n g trình trọ n g điể m củ a ngà n h điệ n lự c . Nhu
cầ u sử dụ n g các rơle loạ i nà y cà n g trở nê n cấ p bá c h khi ta tă n g cô n g
suấ t truyề n tả i trong lướ i điệ n hợ p nhấ t dẫ n đế n yê u cầ u khắ c khe hơn
đố i vớ i vấ n đề ổ n đònh độ n g củ a hệ thố n g.
II- RƠLE TRUNG GIAN


Rơle trung gian được dùng rất nhiều trong các sơ đồ bảo vệ hệ thống điện
và các sơ đồ điều khiển tự động.
Do có số lượng tiếp điểm lớn từ 4 đến 6 tiếp điểm vừa thường đóng vừa
thường mở, nên rơle trung gian dùng để truyền tín hiệu khi khả năng đóng,
ngắt và số lượng tiếp điểm của rơle chính không đủ hoặc để chia tín hiệu từ
một rơle chính đến nhiều bộ phận chính của sơ đồ mạch điều khiển.
Trong các bảng mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử (transistor, vi
mạch, IC . . . ) rơle trung gian thường được dùng làm phần tử đầu ra để truyền
tín hiệu cho bộ phận phía sau, đồng thời cách ly được điện áp khác nhau giữa
phần tử điều khiển (thường là điện áp một chiều 9V, 12V, 24V) với phần chấp
hành (thường là điện xoay chiều 220V, 380V ).
1) Cấu tạo của Rơle:

6

3

2
4

5

1

7

Hình 2. Các bộ phận chính của rơle trung gian điện từ


Rơle trung gian là loại thiết bò điện có kết cấu khá đơn giản, vì dòng điện
làm việc đònh mức của rơle nhỏ nên không phát sinh hồ quang giữa các bộ
phận mang điện.
Như vậy rơle gồm các bộ phận sau:
1. Nam châm điện xoay chiều
2. Hệ thống tiếp điểm
3. Hệ thống thanh dẫn
4. Các vít đầu nối
5. Lò xo nhả
6. Hệ thống nắp
7. Thân đế và đế.
Vỏ hộp rơle thường làm bằng nhựa trong suốt cho phép quan sát, kiểm tra
tình trạng các bộ phận của rơle thuận tiện. Vỏ hộp được cố đònh chặt với đế

bằng móc giữ. Khi lắp đặt, rơle gắn trên bảng mạch bằng đinh vít, nối dây
điện vào cuộn dây và các tiếp điểm của rơle bằng các vít ở dưới đế nhựa của
rơle.
2) Nguyên lý hoạt động:
a) Tiếp điểm thường mở khi chưa có tín hiệu điều khiển, tiếp điểm ở
trạng thái mở (mạch bò ngắt).

Hình 3. Ký hiêu tiếp điểm thường mở
b)Tiếp điểm thường đóng khi không có tín hiệu điều khiển, tiếp điểm ở
trạng thái đóng (mạch được đóng).


Hình 4. Ký hiệu tiếp điểm thường đóng
Khi có điện áp tác động trên cuộn dây nam châm điện, trong cuộn dây
sinh ra sức từ động F = IW, sức từ động này sinh ra từ thông khe hở không khí

φδ , khi đó Fđt > Fcơ sẽ hút nắp nam châm điện. Nhờ cơ cấu truyền động mà lực
hút được truyền đến giá phần động, làm cho giá phần động tònh tiến trượt theo
giá của thanh dẫn hướng và làm các tiếp điểm thường mở đóng lại và các tiếp
điểm thường đóng mở ra, đồng thời lò xo nhả được nén lại tạo điều kiện sẵn
sàng đẩy nắp nam châm điện về vò trí mở khi cuộn dây nam châm điện không
còn điện áp tác động.
Khi ngắt điện trên cuộn dây nam châm điện, lực hút điện từ giảm về 0.
Lò xo nhả đẩy giá phần động trượt lên phía trên làm nhả nắp của nam châm
điện và hệ thống tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu.
* Ngoài Rơle trung gian điện cơ còn có những Rơle điện tử và bán dẫn.
Ngày nay những Rơle không tiếp điểm được sử dụng khá rộng rải nhờ
vào việc ứng dụng linh hoạt đặc tính làm việc của các linh kiện bán dẫn. Như
Rơle không tiếp điểm sử dụng Tranzito.
Tranzitor thường làm việc ở hai chế độ chính. Chế độ khuếch đại tuyến

tính tương ứng với vùng tín hiệu chưa bão hòa (miền A) và chế độ đóng ngắt
mạch tương ứng với vùng tín hiệu bão hòa (miền B), như hình 5.
I

B
A

U


Hình 5. Các miền làm việc của Tranzitor
Trong trường hợp này, tranzito làm việc trong chế độ bão hòa (miền B).
Nó đóng vai trò như một rơle không tiếp điểm. So với chức năng đóng ngắt
mạch của rơle có tiếp điểm, rơle không tiếp điểm có các ưu điểm sau:
- Kích thước nhỏ, giá thành giảm.
- Không có hiện tượng phóng tia hồ quang làm giảm tuổi thọ của tiếp điểm.
- Chi phí bảo quản, khai thác, sửa chữa giảm.
Sơ đồ đóng ngắt mạch sử dụng tranzito loại n-p-n và p-n-p:

Rc
K

Rb B

Rc
C
E

n-p-n

K
Ur

Rb B

C
E

p-n-p

Ur

Hình 6. Các sơ đồ rơle không tiếp điểm dùng tranzito
Khi dòng qua cực gốc I b = 0, dòng qua cực góp I c = 0, công tắc hở mạch.
Khi dòng qua cực gốc Ib đạt giá trò nào đó dòng cực góp I c sẽ đạt giá trò cực
đại Icmax , công tắc sẽ đóng mạch.
III- KHOẢNG CÁCH CÁCH ĐIỆN

Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện đóng một vai trò khá quan
trọng, nó ảnh hưởng tới kích thước của khí cụ điện và độ tin cậy khi vận hành.
Vì vậy việc xác đònh hợp lý đại lượng này có một ý nghóa không nhỏ.
Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố như: nhiệt độ, áp
suất, môi trường làm việc . . .
Việc xác đònh các khoảng cách cách điện trong rơle thường chọn theo
kinh nghiệm.
1) Điện áp đònh mức theo cách điện


Với khí cụ điện điều khiể n và phâ n phố i nă ng lượ ng hạ á p (U đm =
220V) tồn tại các tiêu chuẩ n, quy đònh về độ bề n cá c h điệ n theo điện áp

đònh mức. Ở trạng thái khô và sạ c h củ a khí cụ điệ n, nó phả i chòu được
điệ n áp thử tần số 50 Hz, thờ i gian thử mộ t phú t . Theo bả ng 1-1/TL1 ta
có :
+ Điện áp đònh mức của khí cụ điện: m = 220 V
+ Điện áp đònh mức của cuộn dây: Ucd = 220 V
+ Điện áp thử nghiệm (trò hiệu dụng): Utn = 2000 V
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 như vậy lại tăng kích thước và khối lượng của thiết bò. Vì vậy nên chọn
theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy đònh của công nghiệp điện lực
cho các loại khí cụ điện hạ áp thông dụng
Hiện nay ở điện áp m = 220 V, theo bảng 1-2/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, cụ thể là khoảng cách cách điện giữa các thanh dẫn.
lcđ=10 mm

lcd
Hình 7. Khoảng cách cách điện giữa 2 thanh dẫn


IV- YÊU CẦU CHUNG 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 như yêu cầu kỹ thuật, về vận
hành, về kinh tế, về công nghệ chế tạo và về lónh vực xã hội, đặc trưng của
những yêu cầu trên được biểu hiện qua các qui đònh chuẩn mực, tiêu chuẩn nhà
nước hoặc của ngành và chúng nằm trong nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật.
+ Yêu cầu kỹ thuật: Đây là yêu cầu quan trọng và quyết đònh đối với quá
trình thiết kế của khí cụ điện. Phải xác đònh được phương án tối ưu, chính xác
hoá kết cấu của khối khí cụ điện, các yêu cầu đó được thể hiện bằng độ bền

nhiệt của các chi tiết, bộ phận của khí cụ điện khi chúng làm việc ở chế độ
đònh mức, chế độ sự cố ngắn mạch . . .
Yêu cầu về kỹ thuật còn phải đảm bảo độ bền cách điện của những chi
tiết hay bộ phận cách điện khi làm việc với điều kiện khắc nghiệt nhất như
trường hợp quá điện áp lớn nhất, kéo dài thời gian làm việc trong điều kiện
môi trường xung quanh không có lợi cho mọi thiết bò điện như mưa, ẩm,
bụi . . . Khi thiết kế về kỹ thuật ta còn phải chú trọng đến độ bền cơ và tính
chòu mài 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 đònh mức và chế độ sự cố xảy ra.
Phải đảm bảo khả năng đóng ngắt ở chế độ đònh mức và chế độ sự cố, độ
bền cách điện của các chi tiết, bộ phận. Khi thiết kế phải tạo khả năng sử
dụng triệt để những chi tiết, hình mẫu đã chuẩn hoá.
+ Yêu cầu về kinh tế xã hội: Cơ sở kinh tế kỹ thuật của các kết cấu phải
mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cho nền kinh tế quốc dân. Chúng được biểu
hiện qua các chỉ tiêu đònh lượng.
+ Yêu cầu về vận hành: Khâu vận hành có thể coi là giai đoạn cuối của
quá trình sản xuất, trong khi vận hành sẽ có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới
quá trình vận hành như môi trường xung quanh, độ ẩm, nhiệt độ, áp suất . . .


Khi vận hành phải có độ tin cậy cao để đản bảo an toàn cho người vận hành,
sản xuất.
Phải có tuổi thọ lớn và thời gian sử dụng lâu dài, đơn giản, dể sửa chữa,
thao tác vận hành và thay thế dễ dàng.
+ Thiết kế công nghệ: Trong quá trình thiết kế công nghệ phải dựa vào
những hướng dẫn, quy đònh của bản thiết kế kỹ thuật đã được thông quakinh
nghiệm sản xuất, kết quả 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 đònh chính xác hình dáng của vỏ và trang trí mỹ thuật, và chính xác
hoá chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.

CHƯƠNG 1
PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN VÀ CHỌN DẠNG KẾT CẤU
Rơle trung gian xoay chiều có nhiều loại được sử dụng ở nước ta, do
nhiều hãng của nhiều nước sãn xuất như Liên Xô cũ , Đức (SIEMENS), Pháp,
Nhật (OMRON, FUJI, NATIONAL), Hàn Quốc (SUNGHO, LG) . . . Tuy có
hình dạng, kích thước cụ thể có thể khác nhau nhưng về nguyên lý cấu tạo và
các thông số kỹ thuật gần như nhau.
Ta tham khảo một số mẫu đang được sử dụng ở Việt Nam hiện nay như
của Nga và Nhật.

1

1.1- Rơle trung gian của Nhật: OMRON – Nhật (240V – 5A)
7

4

5
2

6
9
3

8


Hình 1-1. Rơle trung gian OMRON – Nhật
1- Tiếp điểm thường đóng

2- Tiếp điểm thường mở
3- Thân mạch từ
4- Thanh dẫn
5- Vít đầu nối
6- Lò xo nhả
7- Nắp
8- Thân đế và đế
9- Cuộn dây
Đặc điểm:
- Mạch từ chữ U nắp hút chập
- Khoảng cách điện nhỏ nên độ tin cậy không cao
- Tiếp điểm động trên nắp mạch từ, trên tiếp điểm đóng, dưới tiếp
điểm mở

5

6

- Phải có hệ thống dây nối mềm
- Phần đầu nối lấy ra dễ dàng
4

- Kích thước nhỏ gọn, vật tư chi phí ít
- Công nghệ chế tạo khó, khó tháo lắp và sửa chữa
- Mạc3h vòng dẫn điện 1 pha 1 chỗ ngắt
1.2- Rơle trung gian của Liên Xô cũ
2

1

10

9

8

7


Hình 1.2. Rơle trung gian của Liên Xô cũ
1- Vỏ rơle
2- Mạch từ
3- Cuộn dây
4- Vòng ngắn mạch
5- Nắp mạch từ
6- Cần tryền động
7- Lò xo nhả
8- Ổ trượt của cần truyền động
9- Tiếp điểm thường đóng
10-

Tiếp điểm thường mở

Đặc điểm:
- Kết cấu đơn giản, công nghệ chế tạo đơn giản, độ tin cậy cao, dễ sửa
chữa, tháo lắp nhưng kích thước và trọng lượng lớn
- Mạch vòng dẫn điện 1 pha 2 chỗ ngắt
- Không dùng dây nối mềm nên đơn giản

- 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 có sự khác nhau về trọng lượng,
kích thước nhưng cả hai đều có đặc điểm chung:
+ Sử dụng kiểu hút chập
+ Mạch từ chữ U
Sự khác nhau là: Rơle của Liên Xô có kết cấu 1 pha 2 chỗ ngắt, còn của
Nhật có kết cấu 1 pha 1 chỗ ngắt.
Qua các phương án phân tích ta chọn kiểu kết cấu của Rơle Liên Xô để
thiết kế vì nó phù hợp với công nghệ của Việt Nam.

CHƯƠNG 2
TÍNH MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN
Mạch vòng dẫn điện do các bộ phận khác nhau về hình dáng, kết cấu và
kích thước hợp thành.
Mạch vòng dẫn điện gồm:
+ Thanh dẫn: Thanh dẫn động và tónh.
+ Đầu nối.


+ Hệ thống tiếp điểm:
- Giá đỡ.
- Tiếp điểm động.
- Tiếp điểm tónh.
2.1-TÍNH TOÁN THANH DẪN ĐỘNG

2.1.1- Chọn vật liệu thanh dẫn.
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 tiếp điểm. Nên yêu cầu chọn

vật liệu dẫn điện tốt, tính đàn hồi cao.
Ta chọn vật liệu làm thanh dẫn bằng đồng phốt pho băng cứng, thanh dẫn
có tiết diện hình chữ nhật, có các thông số kỹ thuật bảng 2-1:
Kí hiệu

p.0 φ 6,5

Độ bền giới hạn khi kéo

σ = 550 N/mm2
k
σ = (290÷360) N/mm2
d
σu = 190 N/mm2
σx = 120 N/mm2

Giới hạn đàn hồi
Giới hạn mỏi cho phép khi uốn
Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn
Môđun đàn hồi

E = (90÷113) N/mm2
G= 42.103 N/mm2

Môđun trượt
Điện trở suất ở 20 C
0

ρ = 0,176.10-6 Ωm

Bảng 2-1. Các thông số vật lý của vật liệu thanh dẫn
2.1.2- Chọn tiết diện thanh dẫn.
Tiết diện thanh dẫn hình chữ nhật với các cạnh a, b (hình 2-1)
b

b

a

l


Hình 2-1. Kích thước thanh dẫn
2.1.3- Xác đònh các kích thước.
Từ phương trình cân bằng nhiệt ở chế độ dài hạn. Bề dày b được xác đònh
theo công thức 2-6/TL1:
b= 3

I 2đm .ρθ .K f

2n (n +1)K T .τôđ

Trong đó:
a
+ n = b : tỉ số bề rộng và bề dày thanh dẫn
Thường chọn n = (10÷12)
Chọn n =12
+ Iđm = 5A
+ Kf: hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và
hiệu ứng gần.

Kf = Kbm.Kg
Kbm: hiệu ứng bề mặt
Kg : hiệu ứng gần
Với dòng điện xoay chiều: Kf = 1,03÷1,06
Chọn Kf = 1,06
+ KT: hệ số toả nhiệt
KT = 6÷12 W/0C.m2
Chọn KT = 8.10-6 W/0C.mm2
+ τôđ: độ tăng nhiệt độ ổn đònh
+ τôđ = [θ] – θmt


Với [θ] = θôđ = 950C
θmt = 400C: nhiệt độ môi trường
Vậy:
τôđ = [θ] – θmt = 950C – 400C = 550C
Điện trở suất của đồng phốtpho ở nhiệt dộ ổn đònh θôđ = 950C

ρθ = ρ20 [1+ α (θôđ – θ20)]
α : hệ số nhiệt điện trở, với đồng α = 0,0043 (1/0C)

ρθ = 0,0176.10-6[1+0,0043.75]
= 0,0233.10-6 (Ωm) = 0,0233.10-3 (Ωm)
Vậy: bề dày thanh dẫn
b=

3

52.0, 0233.10 −3.1, 06
= 0,18 (mm)

2.12.(12 + 1).8.10 −6.55

a
Bề rộng thanh dẫn: n = b  a = n.b = 12.0,18 = 2,16 (mm)
Kích thước tối thiểu thanh dẫn đạt được yêu cầu nhiệt: b = 0,18 (mm)
a=
2,16 (mm)
Để đảm bảo độ bền cơ, trên thanh dẫn có gắn tiếp điểm động (thanh dẫn
động có dạng chỏm cầu) nên a ≥ dtđ
Với dòng điện Iđm = 5A, căn cứ vào TL1
Đường kính chỏm cầu: dtđ = (2÷4) mm
Chọn đường kính tiếp điểm: dtđ = 3 mm
Chiều cao tiếp điểm: htđ = 1 mm
Có a≥dtđ : a = dtđ + (1÷2)
a = 3+2= 5 (mm)
Vậy kích thước thanh dẫn được chọn: a = 5 (mm)
b = 0,4 (mm)
Tiết diện thanh dẫn động:


Std = a.b = 5.0,4 = 2 (mm2)
Chu vi thanh dẫn động:
Ptd = 2.(a+b) = 2.(5+0,4) = 10,8 (mm)
2.1.4- Kiểm tra lại thanh dẫn đã chọn làm việc ở chế độ dài hạn và
ngắn hạn:
1) Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:
- Mật độ dòng điện qua thanh dẫn khi làm việc dài hạn.

Jtd =

I đm 5
= = 2,5 (A/mm2) < [Jcp] = 2÷4 A/mm2
Std 2

Vậy kích thước thanh dẫn đã chọn thoả mãn yêu cầu ổn đònh nhiệt.
- Kiểm tra nhiệt độ thanh dẫn.
Theo công thức 2-4/TL1

I 2 .ρ 0 .(1 + α .θôđ ).K f
S.P =
K T .(θôđ − θ mt )

θôđ

I 2 .ρθ .K T + S .P .K T .θ mt
=
S .P .K T − I 2 .ρ 0 .K f .α

Với: điện trở suất ở 00C được xác đònh theo công thức:

ρ 20 = ρ0 [1 + α (20 − 0)]
ρ 20
ρ0 =
1 + 20α
Với: α = 0,0043 (1/oC)

ρ20 = 0,176.10−6 (Ωm)
0,176.10−6
ρ0 =
= 0,162.10−6 (Ωm)

1 + 20.0, 0043
Kf = 1,06
KT = 8.10-6 W/mm2.oC
Ptd = 10,8 mm
Std = 2 mm2


θmt = θ0 = 40oC
Thay vào ta có nhiệt độ thanh dẫn làm việc ở chế độ dài hạn:
θôđ = θtd =

52.0,162.10−6.8.10−6 + 2.10,8.8.10 −6.40
= 40 (oC)
−6
2
−6
2.10,8.8.10 − 5 .0,162.10 .1,06.0, 0043

θôâđ < [θcp] = 95oC
Vậy thanh dẫn thoả mãn về ổn đònh nhiệt ở chế độ dài hạn.
2) Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch:
Theo công thức trang 27/TL1. Đương lượng nhiệt khi có ngắn mạch:
Jnm2.tnm = Aθnm - Aθđ
Với:
θnm = 250oC : nhiệt độ ngắn hạn cho phép của đồng
θđ = 95oC : nhiệt độ khi làm việc cho phép
Theo hình 2-9/trang 94/TL2
Ta tra được: Aθnm = 3,65.104 (A2s/mm4)
Aθđ = 1,65.104 (A2s/mm4)
Từ công thước trên ta có:

J nm =

A θnm − A θôđ
t nm

Qua đó ta tính mật độ dòng diện ngắn mạch với các giá trò thời gian khác
nhau có các giá trò mật độ dòng điện tương ứng:

J nm3s =
J nm4s

(3, 65 − 1, 65).104
= 81, 65 (A/mm2)
3

(3, 65 − 1, 65).10 4
=
= 70, 71 (A/mm2)
4

J nm10s =

(3, 65 − 1, 65).104
= 44, 72 (A/mm2)
10