Đồ án tốt nghiệp thiết kế công tác 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 thường
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 lượng quan
trọng được sử dụng rộng rãi hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân.
Một ngành cung cấp năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của con
người. 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 lượng.
Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh
và bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất. Ngồi
ra nó cịn được dùng để kiểm tra và điều khiển các q trình năng lượng khác.
Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, các trạm biến
áp, trong các xí nghiệp cơng nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, giao
thông vận tải… Do đó việc sử dụng điện năng trong cơng nghiệp cũng như
trong đời sống khơng 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 lượng điện áp cao: máy ngắt, dao
cách ly, kháng điện, biến dịng, biến áp.
+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp như: 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 cơng 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, hồn hảo hơn. Các loại khí cụ điện cịn

1


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

phải địi hỏi khả năng tự động hóa cao. Chính vì vai trị quan trọng của khí cụ
điện nên việc nghiên cứu các phương pháp tính tốn, thiết kế các khí cụ điện
là một nhiệm vụ quan trọng và phải có sự đầu tư đúng mức để ngày càng
được phát triển và hồn thiện hơn.
Trong q trình học tập tại trường em đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ
bảo tận tình của các thầy cơ giáo trong bộ môn Thiết bị điện. Đặc biệt là sự
hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo: Nguyễn Văn Đức. Nhờ đó em đã thiết kế
tính tốn loại khí cụ điện mà hiện nay đang có nhu cầu sử dụng rất nhiều và
rộng rãi, đó là: “Cơng 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).

Dịng điện ngắt

Ingắt= 4Iđm.

Dịng điện đóng

Iđóng= 4Iđm.

Tần số

f= 50 (HZ).

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

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

Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
1. Phân tích phương án, chọn kết cấu thiết kế.
2. Tính mạch vịng dẫn điện.
3. Tính và dựng đặng tính cơ.
4. Tính toán nam châm điện.
2

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

5. Chọn buồng dập hồ quang.
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 đường 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 q trình làm đề tài chắc khơng
tránh khỏi những sai sót. Vậy em rất mong được sự góp ý của các thầy cơ
giáo trong bộ mơn Thiết bị Điện - Điện tử để bản thuyết minh của em được
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 PHƯƠNG ÁN- CHỌN KẾT CẤU
THIẾT KẾ.
A.KHÁI NIỆM CHUNG.
I.KHÁI NIỆM VỀ CƠNG TẮC TƠ:
Cơng tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng ngắt thường xuyên các mạch
điện động lực, từ xa bằng tay hay tự động.
Việc đóng ngắt cơng tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng điện từ,
thủy lực hay khí nén. Trong đó cơng tắc tơ điện từ được sử dụng nhiều hơn
cả.
II.PHÂN LOAI:
1. Theo nguyên lý truyền động người ta chia công tắc tơ thành các loạisau:
+ Công tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng điện từ.
+ Cơng tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng thủy lực.
+ Cơng tắc tơ đóng ngắt tiếp điểm bằng khí nén.
+ Cơng tắc tơ khơng tiếp điểm.
2. Theo dạng dịng điện trong mạch:
+ Cơng 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.
Ngồi ra trên thực tế cịn có loại cơng tắc tơ sử dụng để đóng ngắt mạch điện
xoay chiều, nhưng nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều.
III. CÁC U CẦU ĐỐI VỚI CƠNG TẮC TƠ:
Cơng tắc tơ phải đóng dứt khốt, tin cậy phải đảm bảo độ bền nhiệt
nghĩa là nhiệt độ phát nóng của cơng tắc tơ nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ phát
nóng cho phép: θ ≤ [θcp ].

4

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Khi tính tốn, thiết kế cơng tắc tơ thường phải đảm bảo lúc điện áp
bằng 85% Ucd thì phải đủ sức hút và lúc điện áp bằng 110% Ucd thì cuộn dây
khơng nóng q trị số cho phép và cơng tắc tơ vẫn làm việc bình thường.
Đảm bảo độ bền điện động: độ bền điện động được xác định bằng số
lần đóng ngắt tối thiểu mà sau đó cần thay thế hoặc sửa chữr các tiếp điểm bị
ăn mịn khi có dịng điện chạy qua tiếp điểm.
Đảm bảo độ mịn về điện đối với cơng tắc tơ tiếp điểm, trong ngày nay những
loại công tắc tơ hiện đại độ mịn về điện từ (2÷3).106 lần đóng ngắt.
Đảm bảo độ bền về cơ: độ mòn về cơ được xác định bằng số lần đóng
ngắt tối đa mà chưr địi hỏi phải thay thế hoặc sửa chữ các chi tiết khi khơng
có dịng điện tiếp điểm. Ngày nay các cơng tắc tơ hiện đại độ bền cơ khí đạt
2.107 lần đóng ngắt.
IV.CẤU TẠO CỦA CƠNG TẮC TƠ:
Cơng 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 đưa dòng điện vào cuộn dây của nam châm điện sẽ tạo ra từ thông
Φ và sinh ra lực hút điện từ Fđt . 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 thường
mở của cơng tắc tơ được đóng lại. Mạch điện thơng.
Khi ngắt dịng điện của cuộn dây nam châm thì lực hút điện từ Fđt=0
dưới tác dụng của hệ thống lị 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 được
dập tắt trong buồng dập hồ quang. Mạch điện ngắt.
B. PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN CHỌN KẾT CẤU:

5


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

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 nước
đang sử dụng ở Việt Nam:
+ Công tắc tơ của Việt Nam.
+ Công tắc tơ của Liên xô.
+ 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 nước đều giống nhau. Từ đó
em có nhận xét sau:
I. MẠCH TỪ:
Trong tất cả các loại công tắc tơ của các nước nói trên người ta đều sử
dụng mạch từ chữ ш có cuộn dây được đặt ở giữa, trên hai cực từ người ta
đặt vòng chống rung.
Loại này có ưu điểm: Lực hút điện từ lớn và được 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 thước của

cơng tắc tơ nhỏ và gọn. Từ thơng rị khơng đổi khi chuyển động, lực hút điện
từ lớn.
Nhược điểm: không sử dụng được với dịng 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 thước của
cơng 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 dịng điện lớn.
Nhược điểm: vì do cấu tạo của loại này là có hệ thống cánh tay địn nên
khó chế tạo và tháo lắp, kích thước cơng tắc tơ lớn.
6


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

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 ưu điểm: vì ta chọn như vậy bởi chỗ ngắt trong mạch là hai
nên có khả năng ngắt nhanh, chịu được và dễ dập hồ quang. Đồng thời giảm
hành trình chuyển động dẫn đến giảm kích thước của cơng tắc tơ. (như hình
vẽ).
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 trước.
+ Thời gian cháy hồ quang nhỏ, vùng iơn hóa nhỏ. Nếu khơng 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 cơng tắc tơ xoay chiều có hai phương án dập hồ quang chủ yếu là:
+ Dùng cuộn thổi từ có buồng dập là khe hở hẹp.
+ Dùng buồng dập kiểu dàn dập.
Phương pháp thứ nhất có khả năng dập hồ quang rất tốt song kết cấu phức
tạp, thường dùng cho các loại cơng tắc tơ có dòng điện lớn làm việc ở chế độ
nặng và trung bình.

7


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Phương pháp thứ hai có kết cấu đơn giản dễ chế tạo, nhưng khả năng dập hồ
quang kém hơn phương pháp thứ nhất. Nó được dùng cho cơng tắc tơ có dịng
điện khơng lớn lắm.
Như vậy ở đây ta thiết kế cơng tắc tơ có Uđm=400 (V); Iđm=60 (A) . Ta
sẽ chọn buồng dập hồ quang là buồng dập kiểu dàn dập được làm từ vật liệu
sắt ít cacbon. Loại này có kết cấu đơn giản dễ chế tạo và đơn giản trong tính
tốn và đảm bảo khi làm việc.
IV. NAM CHÂM ĐIỆN:
Nam châm điện có vai trị rất quan trọng, nó quyết định đến tính năng
làm việc và kích thước của tồn bộ cơng tắc tơ.
Nam châm điện dạng chữ ш hút chập từ thơng khơng rị. Có từ thơng khơng
đổi trong q trình nắp chuyển động, từ dẫn khe hở khơng khí lớn, lực hút
điện từ lớn đặc tính của lực hút điện từ gần với đặc tính cơ phản lực của loại
cơng 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 cơng tắc tơ xoay chiều có dịng định
mức Iđm<100 (A) người ta thường chọn mạch từ có dạng chữ ш kiểu hút thẳng
có đặc tính hút gần với đặc tính phản lực đồng thời đơn giản hơn trong q
trình tính tốn 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 ш.
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 lị xo nhả.
2 lị xo tiếp điểm phụ.

8


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Vỏ: nhựa cứng.
Từ các yếu tố đã chọn ở trên ta có kiểu dáng cơng tắc tơ mà em thiết kế như
hình vẽ:

Trong đó:
1: Lị 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 trị rất quan trong ảnh hưởng tơi
kích thước của cơng 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.
Mơi trường làm việc.
Q trình dập tắt hồ quang.
Ta có thể xác định khoảng cách cách điện theo các phương pháp sau:
+ Theo độ bền làm việc pha.
+ Theo độ bền điện các phần tử mạng điện so với đất.

9


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

+ 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 thước cơng tắc tơ.
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 cơng tắc tơ được 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 cơng tắc tơ là quan trọng nhất, vì vậy
ta phải xác định khoảng cách này.
Nếu ta chọn khoảng cách cách điện theo phương pháp (độ bền điện giữa
các pha) nếu khoảng cách này thoả mãn thì dẫn đến hai phương 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 cịn 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 khơng phủ
lên chúng.
Vậy để giảm kích thước của công tắc tơ và loại trừ khả năng bụi bẩn nên
chọn kết cấu của cách điện dạng gờ, mái bật như hình vẽ :

lrị

lc®
10


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

PHẦN II: THIẾT KẾ TÍNH TỐN MẠCH VỊNG DẪN ĐIỆN.
Mạch vịng dẫn điện của cơng 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 Iđm nhiệt độ phát nóng cho phép của
mạch vịng khơng vượt quá nhiệt độ cho phép. Khi làm việc ở chế độ ngắn
mạch trong khoảng thời gian cho phép, mạch vòng phải chịu được lực điện
động do vòng ngắn mạch gây ra mà các tiếp điểm khơng bị nóng chảy và hàn
dính lại.
+Trong q trình đóng ngắt mạch điện thường xun cũng như có sự cố, xuất
hiện sự va đập cơ khí và rung động. Mạch vịng dẫn điện phải đảm bảo độ bền
vững hoạt động tin cậy và đảm bảo tuổi thọ.
Khi thiết kế mạch vịng dẫn điện phải có điện trở nhỏ nhất, để giảm tối
thiểu tổn hao công suất trên nó và dẫn điện tốt.
Mạch vịng dẫn điện trong công tắc tơ cần thiết kế bao gồm hai mạch vịng
riêng biệt:
Mạch vịng dẫn điện chính
Mạch vịng dẫn điện phụ.
A. MẠCH VỊNG DẪN ĐIỆN CHÍNH:

11


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Trong đó:
1: Lị 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 cịn trên thanh dẫn tĩnh có gắn tiếp
điểm tĩnh.
Thanh dẫn tĩnh phải có kích thước lớn hơn thanh dẫn động vì nó có gia
cơng bắt vít nối với hệ thống bên ngồi và chịu lực va đập cơ khí của phần
động.
I.1 TÍNH TỐN 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.

12

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Theo bảng (2 – 13)- quyển 1 ta chọn vật liệu thanh dẫn động là đơng kéo
nguội có tiết diện hình chữ nhật ký hiệu MI – TB có các thơng số kỹ thuật
sau:
θ = 1083 (oC)

: Nhiệt độ nóng chảy.

ρ20 = 0,01741.10-3 (Ωmm)

: Điện trở suất 20 oC.

α = 0,0043 (1/oC)

: Hệ số nhiệt điện trở

λ = 3,9 (W/cmoC)

: Độ dẫn điện.

γ = 8,9 (g/cm3)

: Khối lượng riêng.

HB = 80 ÷ 120 (kg/mm2)

: Độ cứng Brinen.

[θcp] = 95oC

: Nhiệt độ phát nóng cho phép.

Chọn thanh dẫn động có tiết diện dạng chữ nhật với kích thước là a, b như
hình vẽ:

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

b=

3

I 2 . ρ θ .k f
2.n( n + 1).k T . ô đ

Trong ú:
Im = 60 (A): Dũng in nh mức.
a
n = b = (4 ÷ 10) : tỷ số giữa hai cạnh.
Chọn n = 6.
kf: Hệ sổ tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và
hiệu ứng gần.
Theo trang 18 quyển 1 ta có: kf = (1,03 ÷ 1,06).
Ta chọn kf = 1,04
kT: Hệ số toả nhiệt ra khơng khí.
13

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Theo bảng (6 - 5)– quyển 1 ta có: kT = (6 ÷ 9) (W/m2oC)
Chọn kT = 6 (W/m2 oC) = 6.10-6 (W/mm2oC).
τôđ = [θ] – θmôi trường: Độ tăng nhiệt độ ổn định.

Với [θ] = 95oC : Nhiệt độ phát nóng cho phép của của thanh dẫn.
θmơi trường = 40oC: Nhiệt độ môi trương.

Nên τôđ = 95 – 40 = 55oC.
ρθ : Điện trở suất vật dẫn ở nhiệt độ phát nóng cho phép.

Ta có: ρθ = ρ20. [1 + α. ( [θ] – 20) ] (Ωmm).
Theo bảng (6 – 2)– quyển 1 ta có: ρ20 = 0,01741.10-3 (Ωmm).
α = 0,0043 (1/oC): Hệ số nhiệt điện trở.

Vậy điện trở suất của thanh dẫn ở nhiệt độ phát nóng cho phép :
ρθ = 0,01741.10-3. [1 + 0,0043. (95 – 20)] = 0,023.10-3 (Ωmm ).

Nên ta có:
b= 3

60 2. 0,023. 10 -3. 1,04
= 1,45 (mm).
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 thước thanh dẫn tối thiểu là:
a = 8,7 (mm).
b = 1,45 (mm).
Mặt khác thanh dẫn ngồi việc dẫn điện tốt thì nhiệt độ phát nóng của nó
khơng vượt q trị số cho phép và thanh dẫn còn phải đủ lớn để gắn tiếp điểm
lên trên.
Vậy kích thước của thanh dẫn cịn phụ thuộc vào đường kính của tiếp điểm.
Theo bảng (2 - 15)– quyển 1: Với Iđm = 60 (A) ta có
dtđ = (16 ÷ 20) (mm) : đường kính tiếp điểm.
htđ = (1,4 ÷2,5) (mm): chiều cao tiếp điểm.
Chọn đường kính tiếp điểm: dtđ = 14 (mm).
14


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Nên chiều dài thanh dẫn a = 14+ (1÷2)
Vậy ta chọn kích thước của thanh dẫn động như sau:
a= 16 (mm).
b= 1,5 (mm).
3. Kiểm nghiệm lại thanh dẫn.
3.1 Tính tốn kiểm nghiệm lại thanh dẫn ở chế độ dài hạn:

a. Mật độ dòng điện dài hạn:

I
Jtđ = S (A/mm2).
Trong đó:
I = Iđm = 60 (A): Dịng 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

So sánh Jtđ < [Jtđ] = 4 (A/mm2) là phù hợp.
b.Tính tốn nhiệt độ thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:
Theo công thức (2- 4)/18 - Quyển 1 ta có:

I 2® m. . ρ o . (1 + α.θ td ). k f
S.P =
k t . . (θ td - θ mt )
θtđ =

Trong đó:

I 2®m . ρ o . k f + S. P. k T . θ mt o
( C).
S. P. k T - I 2® m . ρ o . k f . α
θtđ: 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.
θmt = 40 (oC): Nhiệt độ môi trường.
ρ0 - Điện trở suất vật liệu ở 00C.

Ta có : ρ20 = ρ0. (1 + α20)
15


Đồ án tốt nghiệp

Mà ρ0 =

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

ρ 20
0,01741.10 3
= 0,016.10-3 (Ωmm).
=
1 + α. 20 1 + 0,0043. 20

Nên nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn :
θtđ =

60 2 . 0,016.10 -3.1,04 + 24. 35. 6.10 -6 . 40
= 54,68 (o C)
-6
2
-3
24. 35. 6.10 - 60 . 0,016.10 . 1,04. 0,0043

θtđ = 54,1 (oC)

Vậy ta so sánh với nhiệt độ cho phép : θtđ < [θcp] = 95oC là thích hợp.
3.2 Tính tốn kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm viêc ngắn hạn:

Tính mật độ dịng điện trong thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch với các
thời gian ngắn mạch khác nhau.
Theo cơng thức (6 – 21)– quyển 1 ta có:
Jnm2. tnm = Anm – Ađ
Jnm =

Anm - A®
(A/mm2).
tnm

Trong đó:
Jnm = Jbn : Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt.
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 được:
θbn = 300 (o C) → Anm = 4.104 (A2S/mm4).
θđ = 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)

16


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

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)

3

4

10

[Jnm] (A/mm2)

94

82

51

Jnmtt(A/mm2)

87,56

75,83

47,96

Như vậy: Jnm < [Jnm] nên ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn vẫn đảm bảo làm
việc tốt và tin cậy.
Kết luận: Vậy kích thước đã chọn và tính tốn 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 TỐN THANH DẪN TĨNH:

Khi làm việc thanh dẫn tĩnh cũng chịu một dòng điện như thanh dẫn
động. Như ta đã nói ở trên cịn cần phải có độ bền về cơ để gia cơng lỗ sắt vít
đầu nối và chịu va đập cơ khí khi đóng ngắt mạch điện.
Vì vậy ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn động.
Ta chọn kích thước thanh dẫn tĩnh như sau:
a = 20 (mm)
b = 2 (mm)
Mật độ dòng điện thanh dẫn tĩnh là:
I
60
Jt = S =
= 1,5 (A/mm2).
t
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.

Như vậy kích thước thanh dẫn tĩnh là:

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

17


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

II. VÍT ĐẦU NỐI:
Đầu nối dùng để nối dây dẫn mạch ngồi với thanh dẫn tĩnh. Nó là một
phần tử quan trọng trong hệ thống mạch vòng. Nếu khơng đảm bảo rất dễ bị
hư hỏng trong q trình vận hành.
II.1 YÊU CẦU ĐỐI VỚI ĐẦU NỐI:

Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dịng điện định mức
khơng vượt q trị số cho phép. Do đó mối nối phải có kích thước và lực ép
tiếp xúc (Ftx) đủ để điện trở tiếp xúc (Rtx) khơng lớn ít tổn hao cơng 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 lượng tổn hao và nhiệt độ phát nóng phải
ổn định khi cơng tắc tơ vận hành.
II.2 CHỌN DẠNH KẾT CẤU MỐI NỐI:

Căn cứ vào ứng dụng của cơng tắc tơ với dịng định mức Iđm= 60(A)
ta chọn kiểu mối nối tháo rời ren sử dụng vít M6x15 tra bảng(2-3)- quyển 1 và
kiểu mối nối như hình sau:

Trong đó:

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

II.3 TÍNH TỐN ĐẦU NỐI:
18


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

1. Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo cơng thức:

I®m
Stx = J (mm2).
Theo kinh nghiệm thiết kế và tham khảo tài liệu hướng dẫn với dòng điện
định mức Iđm = 60 (A) đối với thanh dẫn bằng đồng mật độ dịng 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 được tính theo cơng 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 = (100÷150) (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:
Rtx =

k tx

[ 0,102.Ftx ]

m

(Ω)

Trong đó:
ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu.
Theo trang 59-quyển 1 ta có: ktx= (0,09÷0,14).10-3 (Ωkg)
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 :
Rtx =

0,12.10 3
= 0,005.10-3 (Ω).
[ 0,102. 222,5 ]
19


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

4. Điện áp tiếp xúc mối nối :

Theo công thức (2 – 27)– quyển 1:
Utx = Rtx.Iđm (V)
Trong đó: Iđm = 60 (A): Dịng điện định mức.
Rtx= 0,005 (Ω).
Utx = 0.005.10-3. 60 = 0,30.10-3 (V) = 0,30 (mV).
So sánh với [Utx] = (2 ÷ 30) (mV) là phù hợp.
III. TIẾP ĐIỂM:

Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt mạch điện. Vì vậy kết cấu và
thơng số của tiếp điểm có ảnh hưởng đến kết cấu và kích thước tồn bộ cơng
tắc tơ, tuổi thọ của cơng 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 được độ bền nhiệt và
độ bền điện động.

Khi làm việc với dịng định mức và đóng ngắt dịng điện giới hạn cho
phép tiếp điểm phải có độ mịn điện và cơ bé nhất, độ rung của tiếp điểm
không được lớn hơn trị số cho phép.
III.2 CHỌN KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU TIẾP ĐIỂM :

Qua tham khảo tài liệu và với dòng điện định mức Iđm= 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.
20


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

γ = 8,7 (g/cm3)

: Khối lượng riêng.

θnc = 3403 (oC)

: Nhiệt độ nóng chảy

ρ20 = 4,0.10-5 (Ωmm)

: Điện trở suất ở 20oC

λ = 3,25 (W/cmoC)

: Độ dẫn nhiệt.

HB = (65 ÷ 85) (kg/mm2) : Độ cứng Brinen
Chọn HB = 75 (kg/mm2)
α = 3,5.10-3 (1/oC)

: Hệ số nhiệt điện trở.

III.3 TÍNH TỐN TIẾP ĐIỂM:
1. Chọn kích thước cơ bản:

Kết cấu của tiếp điểm như đã nói ở trên có hình dạng trụ cầu. Kích
thước ta chọn phù thuộc giá trị định mức, kết cấu tiếp điểm và số lần đóng
ngắt.
Theo bảng (2-15)- quyển 1 với dịng Iđm= 60 (A) ta có:
d= 12÷16 (mm).
h= 1,4÷2,5 (mm).
Chọn kích thước của tiếp điểm động:
ađ= 14 (mm).
bđ= 2 (mm).
Ta chọn kích thước của tiếp điểm tĩnh lớn hơn so với tiếp điểm động:
at= 16 (mm).
bt= 2,5 (mm).

h

d

2. Lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc:

21


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường 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 khơng bị hàn dính do
hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và rung.
Lực ép tiếp điểm được 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 = I 2 .

A.π .H B
.
16.λ 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.
λ = 0,325 (W/cmoC) - Độ dẫn nhiệt

A = 2,3. 10-8 (V/oC) – Hằng số Loren.
Theo trang 53 quyển 1 ta có:
Ttđ = θtđ + 273(oK) = 54,68 + 273 = 327,68 (oK)
Ttx : Nhiệt độ nơi tiếp xúc.
Ttx = Ttđ + ΔT.
ΔT = (5 ÷ 10) (oK) : Độ chênh nhiệt ở chỗ tiếp xúc và xa nơi tiếp xúc.

Chọn ΔT = 5 (oK )
Ttx = 327,1 + 5 = 332,1 (oK)
Ta có lực ép tại một điểm tiếp xúc :

22


Đồ án tốt nghiệp

Ftđ1 =

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

60 2 . 2,3.10 -8 . 3,14. 75
.
16. (0,325) 2

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

Ftđ1 = 0,012 (N).
Vậy lực ép tiếp điểm Ftđ= 1.Ftđ1= 0,012 (N).
b. Phương 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 ÷ 15) (G/A)
Chọn ftđ = 10 (G/A).
Iđm= 60 (A): dịng 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 dịng điện nhỏ cần có
dự trữ lực, cịn khi có dịng 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 phương pháp: tính theo lý thuyết và
theo thực ngiệm.
a.Tính theo lý thuyết.
Theo cơng thức (2 – 24)- quyển 1:
Rtx =

ρθ
.
2

πHB
Ft® (Ω).

Trong đó:
ρθ: điện trở suất vật dẫn ở nhiệt độ ổn định.

Với: ρθ = ρ20.[ 1+ α. (95- 20)].
Trong đó:
ρ20 = 4.10-5 (Ωmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 200C.
23


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

α = 3,5.10-3 (1/0C): hệ số nhiệt điện trở.

Nên ta có: ρθ = 4.10-5. [ 1+ 3,5. 10-3. (95-20)] = 0,05. 10-3(Ωmm).
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 (Ω).
6

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

K tx
(Ω).
(0.102.Ft® )m
ktx: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu.

Theo trang 56- quyển 1 ta có: ktx= (0,2÷0,3). 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:
Rtx =

0,25.10 -3

= 0,32. 10-3 (Ω).
0,5
[ 0,102. 6 ]

Để thoả mãn cho việc tính tốn điện áp rơi ta chọn: Rtx = 0,32. 10-3 (Ω).
4. Tính điện áp rơi trên điện áp tiếp xúc:

Theo công thức (2 – 27)– quyển 1 ta có:
Utx = Rtx . Iđm (V).
Trong đó:

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

Vậy điện áp tiếp xúc: Utx = 60. 0,32. 10-3 = 19,2. 10-3 (V) = 19,2 (mV).
So sánh với [Utx] = (2 ÷ 30) (mV) là phù hợp.
5. Tính nhiệt độ tiếp điểm:

Theo cơng thức (2 – 11)– quyển 1:
24


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều 3 pha

θtđ = θ mt +

I 2® m . ρ θ
I2 .R

+ ®m t ®
S. P . K T
λ. P . S . K T

(0 C )

Trong đó:
Iđm = 60 (A): dòng điện định mức.
θmt = 40 (oC): nhiệt độ môi trường.
ρθ = ρ95 = 0,05. 10-3 (Ωmm): 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.
λ = 0,325 (W/mm2oC): Hệ số truyền nhiệt.

S (mm2): tiết diện tiếp điểm

d2
14 2
Stđ= π . = 3,14.
= 153,86 (mm 2 ).
4
4
P(mm): chu vi tiếp điểm
Ptđ = π.d = 3,14. 14 = 43,96 (mm).
Rtđ : điện trở tiếp điểm.
Rtđ = 2ρ0.

h
(Ω).

S t®

Trong đó:

ρθ = 0,05. 10-3 (Ωmm) .

htđ = 2 (mm).
Stđ = 153,86 (mm2).
Nên điện trở tiếp điểm :
Rtđ = 2. 0,05.10 -3.

2
= 1,3. 10-6 (Ω)
153,86

Vậy nhiệt độ tiếp điểm :

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 :
θ t ® = 40 +

Theo cơng thức (2 – 12)– quyển 1.
θtx = θ t ® +

I 2® m . R tx
8. λ. ρ θ

( 0 C)

25