Đồ án Thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều có dòng định mức nhỏ (30A) tần số thao tác 400 lần/giờ

LỜI MỞ ĐẦU Trong công cuộc xây dựng đất nước đi lên chủ nghĩa xã hội, vấn đề công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước là nhiệm vụ được Đảng và nhà nước ta đặt lên hàng đầu. Trong đó nhiệm vụ phát triển ngành công nghiệp năng lượng, sản xuất và truyền tải điện năng được đặc biệt coi trọng. Khí cụ điện là thiết bị điện dùng để điều khiển, kiểm tra, tự động điều chỉnh, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chúng trong trường hợp sự cố. Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lí làm việc và kích cỡ khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống. Việc tính toán thiết kế công tắc tơ nói riêng và khí cụ điện nói chung là nhiệm vụ quan trọng để đảm bảo cho ngành công nghiệp điện năng của đất nước ta có thể tự chủ trong vấn đề sản xuất các thiết bị điện phục vụ cho sản xuất và truyền tải điện năng mà không phải phụ thuộc vào việc nhập khẩu từ nước ngoài. Dưới đây em xin trình bày toàn bộ nội dung đồ án môn học Thiết kế khí cụ điện hạ áp do thày giáo Nguyễn Văn Đức hướng dẫn. Mặc dù trong thời gian qua em đã cố gắng hết sức tìm hiểu thực tế, nghiên cứu tài liệu để thực hiện đồ án, nhưng không thể tránh khỏi sai sót, em mong tiếp tục nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thày. Em mong bày tỏ lòng biết ơn tới sự giúp đỡ của thày giáo Nguyễn Văn Đức, thày trực tiếp hướng dẫn và toàn bộ các thày trong bộ môn Thiết bị điện - điện tử đã dạy dỗ em trong nhiều năm vừa qua. Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2007 Sinh viên CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TẮC TƠ Giới thiệu về công tắc tơ: 1. Định nghĩa: Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực, từ xa, bằng tay hay tự động. Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có thể được thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. Thông thường hay gặp công tắc tơ đóng cắt bằng nam châm điện. Công tắc tơ điện từ gồm hai loại, công tắc tơ đóng cắt bằng nam châm điện một chiều và công tắc tơ đóng cắt bằng nam châm điện xoay chiều. 2. Cấu tạo chung: Công tắc tơ điện từ được cấu tạo từ những phần chính: Hệ thống mạch vòng dẫn điện, hệ thống dập hồ quang, hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm, nam châm điện, vỏ và các chi tiết cách điện. 3. Nguyên lý làm việc: Đưa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện tạo ra từ thông , từ thông sinh ra lực điện từ ở khe hở , do lực điện từ Fdt > Fphản lực lò xo nên nắp nam châm điện đậy xuống , tiếp điểm đóng, công tắc tơ đóng, mạch thông. Ngắt công tắc tơ: Ngắt dòng điện ở cuộn dây nam châm điện làm mất từ thông , lực điện từ Fdt = 0 nên lò xo kéo nắp nam châm điện mở, tiếp điểm mở, hồ quang điện được dập tắt ở buồng dập hồ quang, mạch điện ngắt. II. Chọn phương án thiết kế: 1. Phân tích chọn phương án thiết kế: Công tắc tơ điện từ xoay chiều dùng nam châm điện có hai dạng: + Mạch từ hình chữ U nắp hút quay quanh trụ. Tiếp điểm kiểu ngón, dạng tiếp xúc đường, dùng dây nối mềm để đưa điện vào tiếp điểm. Thích hợp với dòng điện lớn, chế độ làm việc nặng nề của công tắc tơ. + Mạch từ hình chữ E nắp hút thẳng, một phần phần ứng ngập trong lòng ống dây. Tiếp điểm kiểu cầu một pha hai chỗ ngắt, không cần dây nối mềm, dập hồ quang dễ hơn, dạng tiếp xúc của tiếp điểm là tiếp xúc điểm hoặc mặt tuỳ theo dòng định mức. Thích hợp với chế độ làm việc nhẹ nhàng của công tắc tơ. Qua phân tích các phương án thiết kế công tắc tơ trên kết hợp với yêu cầu thiết được giao là thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều có dòng định mức nhỏ (30A) tần số thao tác 400lần/giờ là chế độ làm việc nhẹ nhàng nên chọn phương án thiết kế tối ưu là mạch từ hình chữ E nắp hút thẳng. 2. Phân tích chi tiết phương án đã chọn: *Ưu điểm: + Kết cấu đơn giản. + Lực hút điện từ được phân bố đều. + Không cần dây nối mềm để đưa điện vào tiếp điểm động. *Nhược điểm: + Trọng lượng phần động lớn gây khó khăn cho việc hút. + Nếu dòng lớn thì độ mở tiếp điểm lớn dẫn đến kích thước công tắc tơ lớn. a) Dạng mạch từ: Mạch từ hình chữ E, cuộn dây đặt ở giữa, vòng ngắn mạch đặt ở hai cực từ bên, lực hút điện từ phân bố đều hơn, đặc tính lực hút điện từ sát đặc tính cơ đảm bảo thiết kế tối ưu. b) Hệ thống mạch vòng dẫn điện: Tiếp điểm kiểu cầu một pha hai chỗ ngắt, ưu điểm là dễ dập hồ quang, không cần dây nối mềm đưa điện vào tiếp điểm động, do đó kết cấu đơn giản. c) Buồng dập hồ quang: Buồng dập hồ quang kiểu dàn dập, kích thước nhỏ, hạn chế vùng hồ quang cháy, giảm âm thanh khi hồ quang cháy. d) Hệ thống phản lực: Lò xo tiếp điểm tiếp điểm Dùng lò xo hình trụ chịu nén, xoắn, phản lực nhả của tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ đều sử dụng phản lực lò xo. Vòng ngắn mạch nắp phần ứng Lò xo nhả cuộn dây nam châm điện Dạngkết cấu đơn giản CHƯƠNG II. TÍNH MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN Tính thanh dẫn động: Chọn vật liệu: Tra bảng trang 44 và bảng 2-22 trang 82, chọn vật liệu là đồng kéo nguội, kí hiệu: M1-TB + Tỉ trọng (): 8,9(g/cm). + Nhiệt độ nóng chảy: 1083C. + Điện trở suất ở 20C : 1,58.10. + Độ dẫn nhiệt: 3,9 (W/cm. C). + Tỉ trọng nhiệt: 0,39 (Ws/cm. C). + Độ cứng Briven : 80120(kg/mm). + Hệ số nhiệt điện trở : 0,0043(1/C). Thanh dẫn hình chữ nhật: Theo công thức 2.6 trang 19TLTK ta có: b= ; n==412 ; Kph =(1,031,06) là hệ số tổn hao phụ do hiệu ứng gần và hiệu ứng mặt ngoài, chọn = 1,06. độ tăng nhiệt độ ổn định, chọn = 55C đối với đồng. hệ số nhiệt điện trở. KT =(612) hệ số toả nhiệt ở điều kiện không khí chuyển động tự nhiên, chọn = 7,5 ( tra bảng 6-5 trang 300TLTK). Chọn n = 7. Kích thước thanh dẫn làm việc với Idm = 30A: b = => a = 7.b = 5,32(mm). Theo bảng 2-15 trang 51TLTK: a = dtd + (12)mm. Với Idm = 30A chọn đường kính tiếp điểm d = 10mm (cao h = 1,8mm) nên ta chọn a = 12mm. Chọn b = 1mm. Kích thước thanh dẫn phụ làm việc với Idm = 5A: b = 0,22(mm). => a = 7.b = 1,54(mm). Theo bảng 2-15TLTK: Idm = 5A => d = 3mm ( cao 1mm) => chọn a = 5mm, chọn b = 0,3mm. 2. Tính kiểm nghiệm thanh dẫn: - Chế độ dài hạn: + Mật độ dòng điện: J = => thoả mãn. + Kiểm tra sự phát nóng thanh dẫn theo công thức 2-4 trang 18TLTK: Trong đó: Kiểm tra chế độ ngắn mạch: theo công thức 6-21 trang 313TLTK tính với tnm = 3; 5; 10s. Với điều kiện nhiệt độ cho phép của đồng là 95C. Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch là 300C. Theo hình 6-6TLTK v à tra bảng 6-7 trang 305 TLTK ta có: *Với tnm = 3s: => thoả mãn. *Với tnm = 5s: => thoả mãn. *Với tnm = 10s: => thoả mãn. Nhận xét: Dựa vào các kết quả kiểm tra ở chế độ ngắn hạn và dài hạn ta thấy các thông số a, b đều đạt yêu cầu kĩ thuật. Đầu nối: Theo bảng 2-9 trang 32TLTK: *Với Idm = 30A chọn vít M5có đường kính ren d = 5mm + Diện tích tiếp xúc của đầu nối Jtx: mật độ dòng tại chỗ tiếp xúc. Jtx = 0,31A/mm=> + Tính lực Ftx tại chỗ tiếp xúc: với ftx =: lực ép tiếp xúc đơn vị. Chọn ftx = 120 KG/cm. Ftx = 120.96,77.10= 116,124(KG). + Điện trở tiếp xúc phần đầu nối Rtx: với m: hệ số phụ thuộc hình thức tiếp xúc, chọn tiếp xúc mặt, m=1. Ktt: hệ số tiếp xúc, theo bảng trang 59TLTK chọn Ktt = 0,14.10 + Điện áp rơi tại nơi tiếp xúc: Vậy việc chọn vít nối là thích hợp. *Với Idm = 5A, chọn vít có đường kính ren d = 3 mm + Diện tích tiếp xúc đầu nối Stx = 5/0,31= 16,1 mm. + Ftx = 120.16,1.10= 19,35(KG). + Rtx = 7,3.10. + Điện áp tiếp xúc: Utx = 7,3.10.5 = 0,036mV < [Utx ] Vậy việc chọn vít nối là thích hợp. Tiếp điểm: Vật liệu làm tiếp điểm: Theo bảng 2-13 trang 45TLTK với Idm = 30A chọn vật liệu tiếp điểm là kim loại gốm bạc niken than chì: Kí hiệu: KMK A32 Tỉ trọng 8,7g/cm Nhiệt độ nóng chảy 1300 Điện trở suất 0,035.10 Độ dẫn nhiệt 3,25W/cm. Độ cứng Briven Hệ số dẫn nhiệt điện trở 0,0035 Với Idm = 30A < 100A, chọn tiếp điểm hình trụ cầu: Tiếp điểm chính: đường kính tiếp điểm d = 10mm, chiều cao h = 1,8mm. Tiếp điểm phụ: đường kính tiếp điểm d = 3mm, chiều cao h = 1mm. Lực ép tiếp điểm: *Dựa vào việc khảo sát điện trường và nhiệt của thanh dẫn người ta đưa công thức 2-14 trang 52TLTK Dạng tiếp xúc điểm: với: Ttd : nhiệt độ thanh dẫn phát nóng dài hạn = 47+273 = 320 Ttx = Ttd + 8 => Tiếp xúc điểm, n = 1: Ftd = n.Ftd1 Ftd = 0,035(KG). * Tính Ftd theo công thức thực nghiệm: với [G/A] là lực ép tiếp điểm đơn vị, tra bảng 2-17 trang 55TLTK Chọn =10(G/A) => Ftd = 10.30 = 300(G) = 0,3(KG) = 0,3(N). Ftdc = Ftd = 0,3(KG). Ftdd = (0,40,7)Ftd Chọn Ftdd = 0,6Ftd = 0,6.0,3 = 0,18(KG). * Tính lực ép lên tiếp điểm phụ: Ftdc = 10.5 = 50(G) = 0,005(KG). Ftdd = 0,6.Ftdc = 0,003(KG). Điện trở tiếp xúc Rtx: * Theo công thức lý thuyết 2-24TLTK ta có: * Theo công thức thực nghiệm 2-25TLTK: với tiếp xúc điểm: m = 0,5. Tra bảng trang 59TLTK ta có Ktx = 0,16.10 => => Chọn Rtx = 0,38.10 => Utx = Rtx.Idm = 11,4(mV) < [Utx ] = 30mV d) Nhiệt độ tiếp xúc: Theo công thức 2-12TLTK ta có: với: : điện trở suất của vật liệu tiếp điểm, =0,035.10 p,s: chu vi và diện tích tiếp điểm (cm, cm) KT: hệ số toả nhiệt, = 7,5.10 : hệ số dẫn nhiệt, = 3,25(W/cm.) : nhiệt độ môi trường. => thoả mãn. Dòng hàn dính tiếp điểm: * Theo công thức lý thuyết 2-33 trang 66TLTK: với A là hệ số phụ thuộc vật liệu. HBo là độ cứng Briven ở 0 Ftd : lực ép tiếp điểm. : điện trở suất của vật liệu ở 0 fnc = (24): hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc, chọn =3 => * Theo công thức thực nghiệm 2-36 trang 67TLTK: Khd: hệ số hàn dính, tra bảng 2-19 trang 67TLTK hoặc hình 2-13 chọn Khd = 1000 Ftd = 0,3KG => Ihdbd = 1000.=548(A). chọn Ihdbd = 548 > Inm = 10.Idm = 300(A) => thoả mãn. Kiểm tra sự rung tiếp điểm: Theo công thức 2-39 và 2-40 trang 72TLTK ta có: * Biên độ rung tính cho 3 cặp tiếp điểm: * Thời gian rung tính cho 3 cặp tiếp điểm: mdE: tổng khối lượng phần động. ; mc chọn =8(G/A) => vdo = 0,1(m/s) tốc độ tiếp điểm. Kv =0,9 hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu. Ftdd = 0,18(KG). => < [tm ] = 10(ms) thoả mãn sự rung tiếp điểm. g) Hao mòn tiếp điểm: Theo công thức 2-54 trang 79TLTK ta có: Khối lượng hao mòn trung bình của một cặp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là : Với: Id : dòng điện khi đóng tiếp điểm, Id =Idm, chọn Id = 6Idm = 6.30 = 180(A). Ing : dòng điện khi ngắt tiếp điểm, Ing =Idm, chọn Ing = 8.Idm = 8.30 = 240(A). Kd , Kng: hệ số mòn khi đóng ngắt, chọn Kd, Kng = 0,01 Kkd : hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn tiếp điểm = 1,12,5 Tra bảng 2-21 trang 40 TLTK ta có Kkd = 1,8. => Khối lượng mòn về cơ sau 10 lần đóng cắt là: Gm = 10.(gd + gng) = 0,162 (g). Khối lượng tiếp điểm: Gtd = td . Vtd Với: =8,7(g/cm )trọng lượng riêng của vật liệu tiếp điểm. Gtd = 8,7.0,0737 = 0,6412(g). % < (5070)% thoả mãn về hao mòn tiếp điểm. Chọn độ mở và độ lún tiếp điểm: * Độ mở tiếp điểm (m): Với Idm = 30A và Udm = 400V chọn độ mở tiếp điểm m = 6(mm) * Độ lún tiếp điểm (l): l = A + B.Idm với A = 1,5mm và B = 0,02mm/A. => l = 1,5 + 0,02.30 3(mm) Với tiếp điểm phụ: l = 1,5 + 0,02.52 (mm) Tính toáng dựng đặc tính cơ (đặc tính phản lực contactor): Fco = Fphan luc = F với Gd là trọng lượng phần động, Gd = mc.Idm = 30.8 = 0,24(KG). + Lực nhả đầu: Fnhd = K.(Ftd + Gd + Fms)= 1,2.(1+ Gd) = = 1,2.(1 + 0,24) = 1,488(KG). + Lực nhả cuối: Fnhc = Fnhd, chọn Fnhc = 1,5Fnhd = 1,5.1,488 = = 2,232(KG). + Lực ép tiếp điểm chính: Ftdc = 2.3.Ftd = 1,8(KG) (2 chỗ ngắt, 3 pha). Ftdd = Ftdc , chọn Ftdd = 0,5.Ftdc = 0,5.1,8 = 0,9(KG) + Lực ép tiếp điểm phụ: Ftdpc = 5.5(G/A).4 = 0,1(KG) Ftdpd = Ftdpc , chọn Ftdpd = 0,5.Ftdpc = 0,5.0,1 = 0,05(KG). Gd = 0,24(KG) = 2,45(N) Fnhd = 1,488(KG) = 15,18(N) Fnhc = 2,232(KG) = 22,77(N) Ftdc = 1,8(KG) = 18,36(N) Ftdd = 0,9(KG) = 9,18(N) Ftdpc = 0,1(KG) = 1,02(N) Ftdpd = 0,05(KG) = 0,51(N) = m + l = 6 + 3 = 9(mm). 5. Tính toán lò xo: 5.1.Lò xo tiếp điểm chính: a) Chọn lò xo kiểu xoắn hình trụ. Vật liệu làm lò xo là thép Carbon có độ bền vừa, nhãn hiệu II ( Tra bảng 4-1 trang 166 TLTK): - Độ bền giới hạn khi kéo 2200 - Giới hạn mỏi cho phép khi uốn 770 - Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn 480 - Module đàn hồi 200.103 - Module trượt (G) 80.103 - Điện trở suất b) Tính toán lò xo: * FMaxlò xo = Fcuốiloxo = 2.Ftđ1 = 2.0,3 = 0,6(KG) = 6,12(N) * Fminloxo = Fdauloxo = 2.Ftdd = 2.0,18 = 0,32(KG) = 3,26(N) * Độ lún của lò xo: xlv = l = 3(mm). * Chỉ số lò xo: C = =10 Với D: đường kính lò xo d: đường kính dây lò xo. Đường kính dây lò xo: d = Đường kính lò xo: D = C.d = 10.0,6 = 6(mm). * Số vòng lò xo: w = * Bước lò xo chịu nén: tn = d + f/w = 0,6 + 3/6 = 1,1(mm) * Chiều dài tác dụng của lò xo: ltd = w.tn + 1,5.d = 6.1,1 + 1,5.0,6 = = 7,5(mm) * Ứng suất xoắn tính toán: Việc tính toán lò xo là hợp lí. 5.2.Lò xo tiếp điểm phụ: *Độ mở tiếp điểm phụ: Với Idm = 5A chọn độ mở m = 7(mm) *Độ lún tiếp điểm phụ: l = A + B.Idm = 1,5 + 0,02.5 = 2 (mm) * FMaxlò xo = Fcuốiloxo = 2.Ftđc = 2.0,5 = 1(N) * Fminloxo = Fdauloxo = 2.Ftdd = 2.0,3 0,6(N) * Chỉ số lò xo: C = =10 Đường kính dây lò xo: d = Đường kính lò xo: D = C.d = 10.0,6 = 6(mm). * Số vòng lò xo: w = * Bước lò xo chịu nén: tn = d + f/w = 0,25 +2/12 = 0,42(mm) * Chiều dài tác dụng của lò xo: ltd = w.tn + 1,5.d = 12.0,42 + 1,5.0,25 = 5,4(mm) * Ứng suất xoắn tính toán: Việc tính toán lò xo là hợp lí. 5.3.Lò xo nhả: * FMaxlò xo = Fcuốiloxo = 0,5.Fnhc = 0,5.22,77 = 11,39(N) * Fminloxo = Fdauloxo = 0,5.Fnhd = 0,5.15,18 = 7,59(N) * Độ lún của lò xo: f ==9(mm). * Chỉ số lò xo: C = =10 Đường kính dây lò xo: d = Đường kính lò xo: D = C.d = 10.0,8 = 8(mm). * Số vòng lò xo: w = * Bước lò xo chịu nén: tn = d + f/w = 0,8 + 9/28 = 1,25(mm) * Chiều dài tác dụng của lò xo: ltd = w.tn + 1,5.d = 20.1,25 + 1,5.0,8 = 26,2(mm) * Ứng suất xoắn tính toán: Việc tính toán lò xo là hợp lí. Đồ thị đặc tính cơ CHƯƠNG III. TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN I. Thiết kế: 1. Chọn dạng kết cấu: Chọn dạng kết cấu tối ưu: Công thức tính hệ số kết cấu: Kkc = Để xác dịnh Fdt ta phải dựa vào đặc tính cơ (ĐTC). Trên ĐTC ta xác định được điểm tới hạn K(3mm; 31,88N) là điểm mà đặc tính lực hút điện từ dễ cắt ĐTC. Fth =31,88(N); Fdt = K.Fth với K= hệ số dự trữ, chọn K=1,3 Kkc = Tra bảng (5-2) trang 189TLTK: Ta thấy việc chọn dạng kết cấu như phần chọn sơ bộ kết cấu nam châm điện là hợp lí. Chọn vật liệu mạch từ: Nam châm điện xoay chiều: mạch từ làm bằng thép kĩ thuật điện ghép lại nhằm giảm tổn hao, tôn Silich dày từ Tra bảng (5-4) trang 193TLTK: chọn vật liệu làm mạch từ có các thông số sau: Vật liệu: Thép kĩ thuật điện hợp kim tăng cường Mã hiệu : $41 Lực từ phản kháng HC : 0,35A/cm Từ cản dư: 1,1 Tesla Từ cảm bão hòa: 1,9 Tesla Độ từ thẩm: 250 Độ từ thẩm cực đại: 6,5 Điện trở suất: 50.10-8 W.cm Khối lượng riêng: 7,55 g/cm Thành phần cácbon: 0,025 % Tổn hao từ trễ khi bão hòa: 0,15 Từ cảm lõi thép: 0,6 Tesla Chiều dầy lõi thép: 0,5 mm Chọn Bd , sr , st tại = 3(mm): * Hệ số từ tản st =chọn =1,3 * Hệ số từ rò sr = chọn = 1,4 * Chọn Bd khi phần ứng chưa bị hút sao cho khi nắp hút thì giá trị cực đại Bmax < Bbão hoà. Chọn Bd =, chọn Bdth = 0,4T. 4. Xác định tiết diện lõi thép và kích thước, thông số chủ yếu của nam châm điện: 4.1. Xác định tiết diện lõi thép: 1) Xác định Sl hoặc Sml nằm ở khe hở làm việc: Để nam châm điện làm việc thì đặc tính lực hút phải nằm cao hơn và không cắt đặc tính cơ. Do đó từ đặc tính cơ ta xác định được Fcơth ứng với . Fdttt = K. Fcơth Nam châm điện có 3 khe hở làm việc thì Fdttt được chia làm 3 phần tỉ lệ với diện tích cực từ Scực từ: Fdtttlõi = Theo công thức (5-7) trang 204TLTK: 2) Xác định kích thước lõi của nam châm điện: Chọn Cạnh thực sự của lõi thép: Với Kc là hệ số ép chặt *Kích thước cực từ bên: Với mạch từ chữ E, vòng ngắn mạch được đặt ở 2 cực từ bên: với a: kích thước cực từ giữa a’: kích thước cực từ bên. : chiều rộng vòng ngắn mạch chọn = 1(mm). *Số lá thép: với là chiều dày lá thép, chọn = 0,5(mm). 4.2. Xác định kích thước cuộn dây: 1) Xác định sức từ động cuộn dây nam châm điện: Với nam châm điện xoay chiều, sức từ động phụ thuộc sức từ động tổn hao do từ trễ và dòng xoáy trong lõi thép và tổn hao trong vòng ngắn mạch. Do đó sức từ động cuộn dây tăng nên để bù vào tổn hao. - Khi nắp hút: với Khe hở công nghệ Khe hở chống dính Khe hở giả định - Sức từ động (IW)tđ: với Stđ khi nắp hở. Stđ khi nắp hút. + , trong đó phụ thuộc kết cấu nam châm điện. Với nam châm điện chữ E: + Bội số tăng dòng điện: => hợp lí. 4.3. Xác định kích thước cuộn dây: Scd = lcd.hcd với lcd: chiều dày cuộn dây hcd: chiều cao cuộn dây Scd = lcd.hcd = với hệ số lấp đầy mật độ dòng điện Kqt: hệ số quá tải, làm việc dài hạn chọn =1, làm việc ngắn hạn>1 chọn Kqt = 1 KUmax =1,1 KUmin = 0,85 Hệ số hình dáng: 5. Xác định kích thước mạch từ và cuộn dây nam châm điện: a) Tiết diện đáy mạch từ: Sd = 0,5.Sl =0,5.a.b’=351 b) Tiết diện nắp mạch từ: Sn=0,6.Sl = 421 c) Chiều cao đáy: hd = d) Chiều cao nắp: hn = e) Tổng chiều cao mạch từ: H = hcs + hd + hn hcs = 2.= 2.1,5+27+5 = 35(mm) =>H = 35+13+16 = 64(mm) ccs = 0,5+1,5+0,5+9+0,5+5 = 17(mm) khe hở lắp ráp cách điện trong chiều dày khung dây, chọn = 1,5(mm) cách điện ngoài : khoảng cách cuộn dây tới cực từ bên, chọn = 5(mm) : khoảng cách từ mặt trên cuộn dây tới nắp, chọn = 5(mm) a/2 a b c hđ hn D6 D5 D4 D2 D1 lcd hcd hl f) Tổng chiều dài mạch từ: C = 2.ccs + a + 2.a’ = 2.17+26+2.15 = 90(mm) II. Tính toán kiểm nghiệm: 1. Sơ đồ đẳng trị mạch từ khi nắp mở: Bỏ qua từ trở sắt từ. Từ dẫn ở khe hở Từ dẫn ở khe hở Từ dẫn ở khe hở Biến đổi tương đương ta có: Gc3 Gt3 Gc2 Gc1 Gt1 Gr2 Gr1 IW Từ dẫn tổng qua khe hở không khí: Gr2 Gr1 IW GrS Gd IW GrS IW 2. Từ dẫn qua khe hở không khí: a) Khe hở : dùng phương pháp phân chia từ trường, chia ra làm 17 hình, có các kích thước: a, b’, - Từ dẫn ở một hình chữ nhật với các cạnh a, b’ và chiều cao d : Gd0 = - Từ dẫn ở hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính d, chiều dài a, từ dẫn của mỗi hình là : G1 = 0,26.m0.a - Từ dẫn ở hai hình nửa khối trụ đặc, đường kính d, chiều dài b’, từ dẫn của mỗi hình là : G2 = 0,26.m0.b’ - Từ dẫn ở hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài a, từ dẫn mỗi hình là : G3 = = chọn với m = 0,1.d - Từ dẫn ở hai hình nửa trụ rỗng với đường kính trong d, đường kính ngoài (d + 2m), chiều dài b’, từ dẫn mỗi hình là : G4 = = - Từ dẫn ở bốn hình 1/4 cầu đặc với đường kính d, từ dẫn của mỗi hình là: G5 = 0,077m0.d - Từ dẫn ở bốn hình 1/4 cầu rỗng với đường kính trong d. đường kính ngoài (d + 2m), từ dẫn mỗi hình là : G6 = = 0,025.m0.d Vì tất cả các từ dẫn này song song với nhau nên từ dẫn tổng Gd2 ở khe hở không khí sẽ là tổng của 17 từ dẫn trên : Gd2 = Gd0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) = m0. b) Tương tự với từ dẫn Gd1 và Gd3 ta cũng tính như Gd2 chia ra làm 17 hình, có các kích thước: a’, b’, Þ Gd1 = Gd3 = Gd0 + 2.( G1 + G2 + G3 + G4) +4.( G5 +G6) = m0. Þ Gd13 = Gd1 + Gd3 = m0. Vậy từ dẫn tổng qua khe hở không khí : Gd = = 3. Từ dẫn rò: Từ dẫn rò quy đổi: với Gr1 =Gra+Grb+Grc , trong đó: -Gra là từ dẫn rò một hình chữ nhật có kích thước: ccs, b’, hcs -Grb là từ dẫn rò 2 hình ½ trụ tròn đặc có đường kính: ccs, chiều cao hcs -Grc là từ dẫn rò 2 hình ½ trụ tròn rỗng có đường kính trong ccs, đường kính ngoài (ccs+a), chiều cao hcs. Hệ số từ rò tại : (sai lệch 0,42%=> hợp lí) Từ thông và từ cảm tại : với K = 0,25 (sai lệch 0,8%=> hợp lí) với Sl =a.b’ hợp lí. Số vòng dây: với KUmin = 0,85 Ki r =0,9: hệ số kể đến sụt áp Đường kính dây: ; với Chọn theo bảng dây chuẩn trang 277TLTK: chọn d = 0,18(mm), kể cả cách điện chọn d’=0,2(mm) Kiểm tra hệ số lấp đầy: Hệ số lấp đầy: => thoả mãn. (mm) 0,2 2 3 7 9 2,9178 0,3244 0,2289 0,1211 0,1038 4,4510 0,4842 0,3378 0,1719 0,1449 2,5250 0,2773 0,1943 0,1005 0,0854 0,0765 0,0765 0,0765 0,0765 0,0765 1,0303 1,2762 1,3941 1,7618 1,8973 -1440 -14,361 -6,3544 -1,1253 -0,6605 -2200 -21,992 -9,7456 -1,7484 -1,0373 -1250 -12,467 -5,5270 -0,9947 -0,5917 8. Tính toán vòng ngắn mạch: Vì nam châm điện xoay chiều, lực điện từ F=f(t) gây ra hiện tượng rung nắp nên phải dùng vòng ngắn mạch để chống rung. Trị số trung bình của lực điện từ ở khe hở khi không có vòng ngắn mạch, phần ứng ở trạng thái hút: Theo công thức 5-52TLTK ta có: với là hệ số từ rò ở khe hở công nghệ () Từ bảng trên ta có: = 1,0303 Stn = Sc - Snm : diện tích trong ngoài. Với Sc: diện tích một cực từ, Sc = a’.b’=17.27=459 Snm: diện tích phần ứng vòng ngắn mạch chiếm chỗ trên cực từ =>Stn= Sc – Snm = 459 – 108 = 351 Với Chọn Sn + St = Stn = 351 => St = 234, Sn = 117 Tính tỉ số f1 của lực điện từ bé nhất và trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng ngắn mạch: với Fmin = Fcơ quy đổi trên một cực từ, bằng Từ đặc tính cơ ta có: FcơMax = 44,6(N) => Fmin = 11,15(N) Điện trở vòng ngắn mạch: Theo công thức (5-54)TLTK ta có: Góc lệch pha giữa Khi Wn =1(vòng): với Tính từ thông trong và ngoài vòng ngắn mạch: Theo công thức (5-56)TLTK ta có: với với (Wb) (Wb) (Wb) Từ cảm khe hở trong và ngoài vòng ngắn mạch: < [Bn ] =1,6(T) Tính Ftbt và Ftbn của vòng ngắn mạch: g) Tính FMax: h) Tính Fmin: Fmin = Ftb - Fmax Ftb = Ftbt + Ftbn = 9,72+26,15 = 35,87(N) =>Fmin = Ftb - Fmax = 35,87 – 21,41 = 14,46(N) =>Fmin = 4.Fmin = 4.14,46 = 57,84(N) > Fcơ Max = 44,6(N) => hợp lí. i) Tổn hao vòng ngắn mạch: Theo công thức (5-57)TLTK ta có: j) Kích thước vòng ngắn mạch: + Tổng chiều dài vòng ngắn mạch: b’ at +Vật liệu làm vòng ngắn mạch: Đồng không ủ cứng có: +Tiết diện vòng ngắn mạch: với +Chiều cao vòng ngắn mạch: k) Dòng điện trong vòng ngắn mạch: Quy đổi về cuộn dây nam châm điện: l) Nhiệt độ phát nóng vòng ngắn mạch: với: KTKK : hệ số toả nhiệt trong không khí. với là nhiệt độ môi trường. STKK : diện tích toả nhiệt không khí. KTFe: hệ số toả nhiệt của vòng ngắn mạch trong lõi thép. 9. Tính tổn hao trong lõi thép: a) Thể tích lõi thép mạch từ: V=l.S với l, S: chiều dài và tiết diện mạch từ V=H.C.b’-2.ccs.hcs.b’=64.90.27-2.17.35.27=123,39 b) Khối lượng mạch từ: với là khối lượng riêng vật liệu sắt từ. c) Suất tổn hao vật liệu ứng với BMax trong lõi thép: vớiP1,0: suất tổn hao vật liệu ở f=50Hz, B=1T Tra bảng =>P1,0 =1,55 d) Công suất tổn hao sắt: PFe = PMax.M.K với K: hệ số thực nghiệm làm tăng tổn hao, chọn K = 2. =>PFe = 0,92.0,932.2=1,737(W) e) Dòng điện đặc trưng cho tổn hao sắt: 10. Tính toán dòng điện trong cuộn dây: a) Dòng khi nắp hút: với Nếu tính đến tổn hao dòng trong vòng ngắn mạch và tổn hao sắt thì: với Ith: dòng từ hoá lõi thép Ta có: HMax = 1,8(A/cm) Ltb= 2C + 3H = 2.90 + 3.64 = 372(mm) = 37,2(cm) b) Mật độ dòng điện J: => hợp lí c) Dòng khi nắp mở: với Với Gmở= Gmở+Gr Trong đó: d) Bội số tăng dòng điện: => hợp lí 11. Tính toán nhiệt cuộn dây: a) Điện trở cuộn dây: b) Tổn hao trên cuộn dây: c) Độ tăng nhiệt cuộn dây: với KT: hệ số toả nhiệt, chọn KT = 6 ST =K.Str + Sng Với Str , Sng : diện tích trong, ngoài cuộn dây. với K : hệ số đặc trưng cho hiệu quả toả nhiệt của mặt trong chọn K = 0. =>ST = Sng Nhiệt độ cuộn dây khi làm việc: b’ a =2,5mm 12. Tính và dựng đặc tính lực hút : với K=0,5 với với Kir = 0,96 Ku= 0,85 1 1,1 Ta có bảng sau: Ku = 0,85 Fhtb(N) Ku = 1 Ku = 1,1 .10 0,2 106,2240 147,0228 177,8976 2,5250 2 57,3001 79,3081 95,9629 0,2773 3 42,3356 59,9800 72,5758 0,1943 7 21,2474 25,2559 30,5597 0,1005 9 18,9843 20,9713 23,7453 0,0854 13. Tính và dựng đặc tính nhả : Từ thông trung bình trong lõi thép: Lực điện từ ứng với Unh là: Ta có bảng giá trị sau: 0,2 2 3 7 9 Fnh 42,7953 24,5581 22,3545 9,4129 6,6979 14. Tính thời gian tác động và thời gian nhả: ttđ = t1 + t2 với t1: thời gian khởi động khi đóng. tnh = t3 + t4 t2: thời gian chuyển động khi đóng. t3: thời gian khởi động khi nhả. t4: thời gian chuyển động khi nhả. Với nam châm điện xoay chiều: t1, t3 = 0,01(s) a) Tính t2: với m: khối lượng phần động. Fh: lực hút ở đoạn i. Fc: lực cản. : quãng đường ở đoạn thứ i. b) Tính t4: Đồ thị đặc tính hút và nhả của nam châm điện. CHƯƠNG IV. BUỒNG DẬP HỒ QUANG Khái niệm chung về hồ quang điện: Hồ quang điện: Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn và nhiệt độ cao đồng thời kèm theo hiệu ứng ánh sáng. Do ảnh hưởng của hồ quang điện làm cho mạch điện ngắt không dứt khoát, tiếp điểm cắt sẽ bị cháy hỏng đồng thời gây ra quá điện áp do đó việc dập hồ quang điện trong khí cụ điện là một vấn đề rất quan trọng và phức tạp. Nguyên nhân sinh ra hồ quang điện: Nguyên nhân sinh ra hồ quang điện là do quá trình ion hoá chất khí, gồm các dạng ion hoá: + Tự phát xạ điện tử. + Phát xạ nhiệt điện tử. + Ion hoá do va chạm. + Ion hoá do nhiệt độ cao. Song song với quá trình phát sinh hồ quang là quá trình dập tắt hồ quang hay phản ion hoá gồm hai hiện tượng: + Tái hợp. + Khuếch tán. Biện pháp dập hồ quang