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