Đồ án Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện

Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện MỤC LỤC Trang Lời nói đầu Trong ngành công nghiệp điện năng, từ khâu sản xuất truyển tải, phương pháp và tiêu thụ điện năng luôn phải sử dụng các khí cụ nh­: áp tô mát, công tắc tơ, rơ le và cầu dao… Để phân phối và điều khiển, bảo vệ nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế và an toàn trong sử dụng. Khí cụ là những thiết bị, cơ cấu điện tuỳ theo lĩnh vực sử dụng được chia thành 5 nhóm, mỗi nhóm lại được chia thành nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là: 1. Nhóm khí cụ điện phương pháp năng lượng điện áp cao gồm: dao cách ly, máy ngắt, biến dòng… 2. Nhóm khí cụ điện phương pháp năng lượng điện áp thấp gồm: cầu dao, cầu chì… 3. Nhóm khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ, các bộ khống chế và điều khiển…. 4. Nhóm khí cụ điện gồm các rơ le bảo vệ nh­: rơ le dòng điện, rơ le điện áp, rơ le thời gian, rơ le trung gian…. 5. Nhóm khí cụ dùng trong sinh hoạt: ổ cắm, phích điện…. Khi thiết kế một loại khí cụ điện phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu của một sản phẩm công nghiệp hiện đạt. Đó là các yêu cầu kỹ thuật, vận hành, kinh tế, xã hội được biểu hiện qua các tiêu chuẩn chất lượng các định mức nhà nước, của ngành. Các yêu cầu kỹ thuật như độ bền nhiệt của các chi tiết, các bộ pận làm việc ở chế độ định mức và khi có sự cố xảy ra, độ bền cơ và tính chịu mòn (của các bộ phận), độ bền cách điện cũng như khả năng đóng ngắt của thiết bị. Một yêu cầu về kỹ thuật nữa là kết cấu phải đơn giản, khối lượng và kích thức bé. Các yêu cầu về vận hành nh­: độ tin cậy cao, dễ thao tác, sửa chữa, chi phí cho vận hành và tổn hao thấp, thời gian sử dụng lâu dài. Trong vận hành phải lưu ý đến các yếu tố nh­: độ Èm, độ cao, nhiệt độ…. Các yêu cầu về kinh tế, xã hội và công nghệ chế tạo: giá thành phải hạ, phải có tính thẩm mỹ trong kết cấu, tính cạnh tranh, khả năng lắp lẫn và khả năng phát triển trong tương lai. Một khí cụ điện thường gặp nói chung phải có các bộ phận chủ yếu là: - Mạch vòng dẫn điện gồm: thanh dẫn, đầu nối, các tiếp điểm…. - Hệ thống dập hồ quang - Các cơ cấu trung gian - Nam châm điện - Các chi tiết và các cụm cách điện - Các chi tiết kết cấu, vỏ, thùng. Rơ le là loại khí cụ tự động đóng ngắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện. Tuỳ theo nguyên lý làm việc, tuỳ theo đại lượng điện và giá trị dòng áp đi vào mà có nhiều loại rơ le khác nhau như: rơ le điện từ, rơ le nhiệt, rơ le cảm ứng, rơ le bán dẫn, rơ le dòng điện, rơ le điện áp và rơ le trung gian. Ở Việt Nam cũng chế tạo được các loại khí cụ điện nói chung và rơ le nói riêng. Tuy nhiên chất lượng của nó chưa cao (tuổi thọ không lớn). Khi cần các loại khí cụ có độ tin cậy cao và chất lượng tốt đa phần là nhập từ nước ngoài. Trong nội dung của đồ án sẽ trình bày các phần tính toán thiết kế rơ le trung gian điện từ kiểu kín. Có các thông số ban đầu: + 4 tiếp điểm thường đóng, 4 tiếp điểm thường mở + Uđm = 220V + Iđm = 5A + f = 50 Hz + Điện áp điều khiển Uđmđk = 220V, f = 50 Hz Làm việc liên tục, cách điện cấp B. Tuổi thọ điện 106 lần đóng cắt, tuổi thọ cơ 107 lần đóng cắt. Chương I: xác định và lựa chọn kết cấu của rơle I. Giới thiệu chung về rơ le: - Rơ le là những thiết bị điều khiển tự động. Khi tín hiệu đầu vào, đạt những giá trị xác định, nhảy cấp làm biến đổi tín hiệu đại lượng đầu ra. I.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 lượng cần thiết để rơle hoạt động . + Cơ cấu trung gian: So sánh những đại lượng đã được biến đổi với mẫu rồi truyền tín hiệu đến cơ cấu chấp hành . + Cơ cấu chấp hành: Phát tín hiệu cho mạch điều khiển. I.2. Phân loại rơle: Rơle được phân loại theo công dụng và nguyên lý làm việc. + Loại rơle có tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển bằng cách đóng ngắt tiếp điểm. + Loại rơle không tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển bằng cách thay đổi đột ngột những tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển. + Theo đặc tính tham số đầu vào ta có thể chia ra rơle dòng điện; rơle điện áp; rơle công suất; rơle tần số… Những loại rơle này có thể điều chỉnh theo giá trị cực đại hay cực tiểu hiệu số các tín hiệu hoặc chiều tín hiệu. + Theo phương pháp mắc cơ cấu thu vào mạch ta có thể chia ra loại rơle: - Rơle mạch sơ cấp: Mắc trực tiếp vào mạch điều khiển. - Rơ le mạch thứ cấp: Mắc gián tiếp qua biến áp hay biến dòng. - Rơle trung gian: Làm việc dưới tác động của những tín hiệu từ các rơle khác, với nhiệm vụ khuyếch đại những tín hiệu này và chia ra tác động lên nhiều mạch điều khiển khác nhau. + Theo mục đích sử dụng chia ra 3 nhóm cơ bản: - Rơle bảo vệ mạng điện: Thường là rơle mạch nhị thứ (thứ cấp). Các cơ cấu thu và chấp hành của chúng thường được thiết kế với dòng điện bé. - Rơle điều khiển: Thường là loại rơle mạch sơ cấp. - Rơle tự động và liên lạc: Có thể là rơle mạch thứ cấp loại sơ cấp, chúng làm nhiệm vụ đảm nhiệm các quá trình tự động và thông tin liên lạc. I.3. Các yêu cầu khi thiết kế: + 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 bÒn cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài và trong điều kiện xung quanh (nh­ mưa, bụi, bẩn…) cũng nh­ khi có 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 hút tiếp điểm tiếp xúc. - Khi U = 110% Uđm thì cuộn dây không được quá trị số cho phép để lò xo nhả tác động. - Kết cấu phải đơn giản; khối lượng và kích thước 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 Ýt, tiêu tốn Ýt năng lượng. + Các yêu cầu về kinh tế xã hội: - Giá thành hạ. - Kết cấu phải có thẩm mỹ. - Vốn đầu tư khi chế tạo, lắp ráp vận hành Ýt. II. Giới thiệu chung về rơle điện từ. II.1. Tác dụng: Để bảo vệ mạch điện khi có sự cố ngắn mạch hay quá tải điện áp. + Rơle điện từ cấu tạo đơn giản, lực hút điện từ (Fđt) khá lớn do vậy rơle điện từ được sử dụng rất rộng rãi. + 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… II.2. Sơ đồ cấu tạo. Thân mạch từ. Nắp mạch từ Lò xo nhả Cuộn dây Tiếp điểm tĩnh Tiếp điểm động 5 6 3 4 1 2 II.3. Nguyên lý hoạt động: - Khi đưa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện thì 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 fd. Khi Fđt > Fph  (lực hút điện từ lớn hơn lực phản hồi) làm cho nắp của nam châm điện đóng lại nhờ thanh dẫn động làm tiếp xúc các tiếp điểm tĩnh và động lại với nhau. - Khi không có dòng điện đưa vào cuộn dây nam châm điện khi đó I = 0 -> Fđt = 0 -> Fph > Fđt lò xo kéo nắp nam châm trở về vị trí ban đầu và tiếp điểm tĩnh cũng được đưa về vị trí ban đầu tách các tiếp điểm tĩnh và động khỏi nhau. III. Lựa chọn phương án thiết kế: III.1. Phân tích các mẫu: Để có kết cấu hợp lý và phù hợp với công nghệ chế tạo yêu cầu của đề tài ta tiến hành khảo sát một số loại rơle điện từ trung gian của một số nước. a. Rơle do Liên Xô cũ sản xuất : - Nam châm hút một chiều hoặc xoay chiều. - Mạch từ hút chập cho lực hút điện từ lớn. - Nam châm hĩnh ch÷ U. - Tiếp điểm: Một pha hai chỗ ngắt, kiểu bắc cầu; không có dây nối mềm. Ưu điểm: - Kết cấu chắc chắn. - Tuổi thọ cao. - Độ tin cậy cao. - Dễ tháo lắp, thay thế, sửa chữa các chi tiết. Nhược điểm: - Kích thước và trọng lượng lớn. b. Rơle do Nhật Bản sản xuất: - Có nhiều loại nhưng chủ yếu là kiểu hút chập. - Kết cấu kiểu Công Sôn -> 1 pha một chỗ ngắt có dây dẫn nối mềm. Ưu điểm: - Kích thước nhỏ, gọn. - Mẫu mã hình dáng đẹp. Nhược điểm: - Công nghệ chế tạo cao. - Độ tin cậy không cao. * Kết luận: Từ hai loại rơle do Liên Xô cũ và Nhật Bản sản xuất trên và yêu cầu của thiết kế của đồ án ta chọn loại rơle do Liên Xô cũ sản xuất làm nhiệm vụ thiết kế. III.2. Lựa chọn phương án thiết kế : Qua quan sát và tìm hiểu kết cấu rơle của các nước kể trên ta thấy chúng thường có cấu chung gần giống nhau. Kiểu hút chập. Dạng mạch từ hình chữ U. Tiếp điểm động được bố trí trên 1 thanh. Kết cấu đơn giản. 1 - Lò xo nhả 2 - Lẫy gạt 3 - Cần chuyển động 4 - Tiếp điểm tĩnh, thanh dẫn tĩnh 5 - Tiếp điểm động, thanh dẫn động 6 - Đế giữ mạch từ. 7 - Thân mạch từ 8 - Vá 9 - Cuộn dây 10 - Vòng ngắn mạch 11 - Nắp mạch từ 12 - Cơ cấu truyền đông 13 - Dây dẫn cuộn dây 14 - Lẫy giữ vỏ 15 - Đế 16 - Thanh giữ và định hướng chuyển động cho thanh truyền động. a. Chọn tiếp điểm: Tiếp điểm là một bộ phận quan trọng của rơle, nó ảnh hưởng đến độ bền, hư hỏng của rơle. Tuy thuộc vào dòng điện, chức năng kết cấu và hình thức tiếp xúc của tiếp điểm trong rơle mà lựa chọn tiếp điểm cho phù hợp và phải thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau: - Nhiệt độ: Phát sáng của bề mặt tiếp xúc ở chế độ làm việc dài hạn phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép với dòng điện lớn tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động. - Điện trở tiếp xúc và ổn định độ rung không vượt quá giá trị cho phép. b. Chọn nam châm điện: Theo nguyên lý truyền động điện từ thì nam châm có dạng nắp hút chập hay hót quay. Qua phân tích ta chọn nam châm, nam châm kiểu hút chấp có các tính năng nh­ sau: + Lực hút điện từ lớn. + Nam châm điện đóng vai trò cơ cấu truyền động, nó quyết định tính năng làm việc cũng nh­ kích thước của rơle. + Từ thông số không đổi trong quá trình nắp chuyển động. + Từ dẫn khe hở không khí không lớn. + Đặc tính lực hút gắn với phản lực . + Vòng ngắn mạch. c. Chọn khoảng cách cách điện: Khoảng cách cách điện trong rơle nói riêng và trong các loại khí cụ điện nói chung đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó ảnh hưởng đến kích thước, độ tin cậy, tuổi thọ và khả năng làm việc của các thiết bị. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Điện áp định mức. + Môi trường làm việc. + Độ bền nhiệt của các vật liệu trong rơle. - Điện áp cách điện giữa các pha và các pha với đất theo bảng 1-2 TL2 chọn khoảng cách cách điện giữa các pha lcd = 10 (mm). CHƯƠNG II. 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, dây nối mềm, đầu nối ra. Hình 1.1. Kết cấu chung của mạch vòng dẫn điện. Tính toán 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 trên. II. Thiết kế tính toán thanh dẫn 1. Các bước tính toán thanh dẫn. Tính toán thiết kế thanh dẫn bao gồm: - Xác định tiết diện và chế độ làm việc cơ bản của nó ở chế độ dài hạn và các chế độ khác. - Tính toán kiểm nghiệm tiết diện và kích thước của nó ở chế độ làm việc ngắn hạn và chế độ khởi động đối với rơ le trung gian là khả năng điều khiển và dùng trong tự động hóa, các chế độ sự cố như ngắn mạch xảy ra với các thiết bị phân phối năng lượng. - Lựa chọn dạng và kết cấu thanh dẫn trên cơ sở các thông số đã tính toán. 2. Tính toán thanh dẫn động Thanh dẫn động, thực hiện chức năng đóng hay mở tiếp điểm, truyền chuyển động, 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. Với các loại rơ le trung gian điều khiển dùng trong tự động hóa hiện nay, người ta thường dùng vật liệu là đồng phôt pho, có tính chất và các thông số kỹ thuật nh­ sau (Tra theo bảng 2.22 của tài liệu [2] và đồ thị 1.11 của tài liệu [2]). Ký hiệu Bp0f6,5 Tỷ trọng g=8,9g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy Tnc=1083oC Điện trở suất ở 20oC r=0,01754.10-6W.m Hệ số nhiệt điện trở a=4,3.10-31/0C Độ dẫn điện l=3,9W/g0C Nhiệt lượng nóng chảy 390J/g Nhiệt dung Cp=0,385J/g0C Modul đàn hồi 4600.106kG/cm2 Hệ số nhiệt độ của nhiệt dung 10-4 Nhiệt lượng bay hơi 2600J/g Độ cứng HB=105B.kG/mm Giới hạn đồ bền kéo sk=550N/mm2 Nhiệt độ ổn định cho phép 1300C Độ tăng nhiệt cho phép 900C Với kết cấu rơ le trung gian, thanh dÉn 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 như sau: a b Hình 1.2: Kêt cấu thanh dẫn a. Xác định kích thước cơ bản. Từ công thức Niutơn: P = KT.S.T. (qôđ-q0) = KT.ST.tôđ Cũng có thể biểu diễn công thức cân bằng nhiệt độ ở chế độ xác lập cho mọi chi tiết với bề mặt tản nhiệt ST, chiều dài l, và chu vi là ST/l: P = I2.Rq.Kf = KT.ST. (qôđ-qmt) Hay: Trong đó: Rq: Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định (W) rq: Điện trở xuất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định (Wm) rq = P0 .(1+a.q) = r20.[1+a.(q-20)] = rmt . [1+a.(q-qmt)] r0, r20, rmt điện trở xuất của vật liệu ở 00C, 200C, và nhiệt độ môi trường (Wm) a là hệ số nhiệt điện trở, của đồng là 0,0043 1/0C. Kf là hệ số tổn hao phô đặc trưng cho hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt. Kf = Kbm .Kg Kbm là hệ số phụ đặc trưng cho hiệu ứng bề mặt. Kg là hệ số phụ đặc trưng cho hiệu ứng gần. Với dòng điện xoay chiều, chọn Kf = 1,03¸1,06, 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) Ctd là chu vi của thanh dẫn Ctd = 2(a+b) (mm) qôđ là nhiệt độ ổn định của thanh dẫn qôđ =1300C qmt là nhiệt độ môi trường hoạt động thông thường lấy qmt = 400C. KT là hệ số tỏa nhiệt, KT = 6.10-6W/mm2.0C (Bảng 6-5 của tài liệu [2]). I là dòng điện định mức, I = 5A Tra bảng 6-2 của tài liệu [2] ta được: P20 = 0,01754.10-3 Wmm Do đó ta có: Pq = 0,01754.10-3 [1+0,0043.(130-20)] = 0,0258.10-3 Wmm Tiết diện thanh dẫn được tính theo công thức 2-4 của tài liệu [2] ta có: S.Ctd = Tiết diện S = a.b, chu vi Ctd = 2(a+b). Do đó các cạnh a, b của hình chữ nhật thanh dẫn động xác định như sau: a.b.2.(a+b) = Hay: b = Trong đó n = a/b, nằm trong khoảng 5¸10. Chọn n=10, Iđm = 5A, Kf = 1,05, Pq = 0,0258.10-3Wmm tôđ = 130-40 = 900C ta được a = 10.b = 0,755 mm Để thanh dẫn đạt yêu cầu về kỹ thuật và tính toán ta chọn kích thước thanh dẫn dựa trên việc chọn đường kính tiếp điểm của thanh dẫn. Mà việc chọn đường tiếp điểm thanh dẫn phụ thuộc vào dòng điện định mức theo bảng 2-15 TL[2] Ta có: Iđm = (2¸5) A ® dtđ =(2¸4)mm Chọn dtđ = 3mm Chiều rộng của thanh dẫn phải lớn hơn đường kính tiếp điểm. Các kích thước trên đó phải thỏa mãn về độ bền cơ và bền điện, nên ta chọn a = 5mm; b = Tiết diện thanh dẫn động: S = a.b = 2,5 mm2 Chu vi thanh dẫn động: C = 2(a+b) = 2(0,5+5) = 11mm Mật độ dòng điện là: b/ Tính toán kiểm nghiệm thanh dẫn * Kiểm nghiệm lại nhiệt độ thanh dẫn Từ công thức 2-4 của tài liệu [2] Do đó: Trong đó: S là tiết diện thanh dẫn, S = 2,5mm2 Ctd là chu vi thanh dẫn Ctd = 11mm P0 là điện trở suất của thanh dẫn ở 00C (Wmm) qtd là nhiệt độ hoạt động ổn của thanh dẫn với các thông số kích thước đã chọn. Trong công thức 2-4 của tài liệu [2] nó đóng vai trò qôđ Ta có: Nh­ vậy ta có: Vậy ta có: qôđ = 1300C (theo đề bài) > qtđ = 430C Nên thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ dài hạn *. Kiểm nghiệm lại chế độ làm việc ngắn mạch Từ công thức 6-21 trong tài liệu [2]: Trong đó: 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 hằng số tích phân với độ bền nhiệt và nhiệt độ dài (A2 s/mm4). Trong đó đối với đồng Abn lấy ở qbn = 3000C S là tiết diện thanh dẫn S =2,5mm2 Tra đồ thị 6-6 tài liệu [2] ta có: qbn =3000C thì ta có Abn =4.104 (A2 s/mm4) qôđ =1300C thì ta có Abn =2,1.104 (A2 s/mm4) Từ công thức (**) ta có: Với t = 3s ta có [J] = 94A/mm2 Mà = => Với t = 4s ta có = Þ Với t = 10s ta có [J] = 51 (A/mm2) Þ Ta lập được bảng so sánh giữa mật độ dòng điện bền nhiệt đã tính và mật độ dòng điện bền nhiệt tiêu chuẩn của thanh dẫn t(s) J(Amm2) t=3s t=4s t=10s Jtt 79,6 68,9 43,6 [J] 94 82 52 Vậy thanh dẫn thỏa mãn điều kiện làm việc ở chế độ ngắn hạn. * Kiểm nghiệm thanh dẫn động làm việc ở chế độ ngắn hạn Điện trở thanh dẫn trên một đơn vị chiều dài (1mm) ở nhiệt độ 1300C là: R130 = R20[1+a(q-20)] r20[1+a(q-20)] Thay sè ta có: R130 = 0,01754.10-3.[1+0,0043.[130-20] = 0,2067.10-3W Tổn hao công suất ở chế độ dài hạn là: Pdh = Idh2.R130 = 25.0,2067.10-3 = 5,1673.10-3W/mm Hằng số thời gian phát nóng theo 6-13 trong tài liệu [2] là: Trong đó: Cp là nhiệt dung riêng của đồng phốt pho. Cp = 0,385J/Kg.0C M là khối lượng của vật phát nóng: M = g.S.l = 8,9.0,025.2 = 0,445g S là tiết diện thanh dẫn, S = 2,5mm2 g là trọng lượng riêng của đồng phốt pho, g = 9,8g/cm l là chiều dài thanh dẫn, l = 20mm KT là hệ số tỏa nhiệt của thanh dẫn tính: Suy ra: Độ tăng nhiệt ngắn hạn: Chọn chế độ ngắn hạn có tnh = 20s Ta có: Độ tăng nhiệt ổn định khi công suất ở chế độ ngắn hạn là: Đối với với công suất cho phép ở chế độ ngắn hạn là: = 67812 . 10-3 W/cm2. Dòng cho phép ở chế độ ngắn hạn là: Hệ số công suất quá tải ở chế độ ngắn hạn là: Hệ số quá tải dòng ở chế độ ngắn hạn là: Tính toán kiểm nghiệm: Nh­ vậy kết quả chọn và kết quả tính toán kiểm nghiệm ở trên là gần đúng. Do đó thanh dẫn động có thể hoạt động tốt 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 qua đầu nối. 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 nh­ sau: a = 5mm b = 1mm Khi đó tiết diện cắt ngang của thanh dẫn tĩnh là: Stdt = a.b = 5.1 = 5 (mm2) - Mật độ dòng qua thanh dẫn tĩnh là: - Chu vi thanh dẫn tĩnh Ptdt = 2 (a+b)=12(mm) Để đảm bảo tiếp xúc tốt với đế, ta mạ bạc vào thanh dÉn tĩnh, mặt khác do thanh dẫn động có kích thước nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo độ bền về điện và cơ nên thanh dẫn tĩnh có kích thước lớn hơn vẫn có thể đảm bảo các yêu cầu hoạt động như thanh dẫn động. Do đó các lựa chọn nh­ trên có thể thoả mãn trong trường hợp thanh dẫn tĩnh. III. Thiết kế tính toán tiếp điểm. 1. Chức năng của tiếp điểm. Tiếp điểm trong các khí cụ điện đóng ngắt nói chung, các rơle trung gian nói riêng, đều có chức năng đóng ngắt, truyền tải tín hiệu, công suất, điều khiển, các thông số hoạt động của tiếp điểm rất quan trọng, nó xác định kích thước, phương thức lựa chọn một rơ le trung gian. 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 1300C. 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). Hệ thống tiếp điểm rập hồ quang (nếu có) phải có khả năng đóng ngắt cho phép không bé hơn trị số cho phép. 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, ta chọn các công thức tính toán đối với trường 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, Ýt bị ăn mòn, Ýt 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 cho ở bảng 2-13 của tài liệu [2] và đồ thị 1.11 của tài liệu [2] nh­ sau: Ký hiệu CP 999 Tỷ trọng 10,5g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy qnc = 9610C Điện trở suất ở 200C r20 = 0,0159 . 10-6 W.m Độ cứng HB = (30¸60) kG/mm2 Độ dẫn nhiệt l = 4,16W/cm0C Hệ số nhiệt điện trở a = 4.10-3 1/0C Kích thước của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thước của thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh. Đối với dòng điện 5A tra bảng 2-15 của tài liệu [2] ta chọn đường kính tiếp điểm là d = 4mm, chiều cao tiếp điểm tĩnh có dạng hút chập tức là một pha chỉ có một chỗ ngắt. Mô tả kết cấu tiếp điểm nh­ sau: Hình 1.3. Kích thước tiếp điểm 4. Tính lực Ðp tiếp điểm. Lực Ðp tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm hoạt động ở chế độ dài hạn và chế độ ngắn hạn với dòng điện lớn. Theo tính công thức 2-17 tài liệu [2] ta có: Ftđ = ftđ. Iđm. Trong đó: Iđm là dòng điện định mức của rơ le trung gian kiểu kín Iđm =5A. Chọn ftđ = 0,06 N/A (tra theo trang 57 tài liệu [2]) Ftđ = 0,06 . 5 = 0,3N 5. Xác định điện trở tiếp xúc. Điện trở tiếp xúc một chỗ ngắt Rtx là một phần của mạch vòng dẫn điện. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng xác định theo công thức kinh nghiệm 2-25 tài liệu [2]. Trong đó: - Ftđ là lực Ðp tiếp điểm Ftđ = 0,3N. - m là hệ số bề mặt tiếp xúc. Chọn dạng tiếp xúc là dạng tiếp xúc điểm thì m = 0,5 (trang 59 tài liệu [2]). - Ktx là hệ số tiếp xúc, chọn Ktx =0,06 .10-3 (trang 59 tài liệu [2] ) Thay số vào ta được : Vậy điện trở tiếp xúc tại 1300C là: Rtx130 = Rtx20. [1+2/3.a. (130 – 20)] = 0,343. (1 + 2 / 3. 0,004 . 110) = 0,44mW 6. Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc. Trong trạng thái đóng của tiếp điểm, điện áp rơi trên mạch vòng dẫn điện chủ yếu là do điện trở tiếp xúc của các phần đầu nối, điện trở của vật liệu làm tiếp điểm là không đáng kể so với Rtx. Vì vậy theo công thức điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc là: Utx = Tđm. Rtx = 5.0,44 =2,2mV. Nh­ vậy với giá trị Utđ = 2,2mV thì luôn thoả mãn yêu cầu về điện áp rơi cho phép trên tiếp điểm các khí cụ điện điều khiển và phân phối năng lượng đến 1000V trong đó tiếp điểm làm việc trong không khí là: Utđ = 2 ¸ 30mV. 7. Tính nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm. Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài vô hạn, có tiết diện không tương đối. Giả sử một đầu thanh tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt tại nơi tiếp xúc. Theo công thức 2-11 tài liệu [2] ta có: Trong đó: - qmt là nhiệt độ môi trường xung quanh: qmt = 400C. - Iđm là dòng điện định mức, Iđm = 5A. - S là tiết diện thanh dẫn động. S = 0,025 cm2. - Ctd là chu vi của thanh dẫn. Ctd = 1,1 cm. - KT là hệ số toả nhiệt ra, KT = 6.10-4W/cm20C - Rtx là điện trở tiếp xúc của tiếp điểm Rtx = 0,44. 10-3W. - rq130 là điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 1300C ta có: rq130 = r20.[1+a.(q-20)] = 0,0159.10-4[1+0,004.(130 –20)] = 0,02289 .10-4Wcm. l là độ dẫn nhiệt, l = 0,416W/mm20C. Ta có: = 40 +3,45 + 2,1 = 45,60C Vậy theo 2-12 tài liệu [2] ta có: qtđ+ Thay số vào ta được: Nh­ vậy qtx = 46,240C < [qtx] = 1800C là nhiệt độ dạng tinh thể của vật liệu làm tiếp điểm là bạc. 8. Xác định dòng điện hàn dính. Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm = 5A (xảy ra khi quá tải, ngắn mạch, khởi động) nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng bị hàn dính. Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn dính, gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động). Độ ổn định nhiệt và độ ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số dòng điện giới hạn hàn dính Ithhd. Tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra, nếu cơ cấu có khả năng đủ để ngắt tiếp điểm. Có hai tiêu chuẩn để đánh giá : Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính, trị số tới hạn của dòng điện hàn dính, các trị số này phụ thuộc vào vật liệu làm tiếp điểm, và kết cấu chế độ làm việc của khí cụ điện. Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định dòng điện hàn dính bằng công thức 2-36 tài liệu [2]. Ihd = Khd. Với Ftđ = 0,3N = 3.10-2kG. Khd là hệ số hàn dính tra theo bảng 2-19 tài liệu [2]. Chọn Khd =1000 Ta có: Ihd= 1000.=173,2A So với yêu cầu kỹ thuật ta có dòng điện ngắt mạch Inm là: Inm =10.Iđm = 10.5 = 50A Nh­ vậy với dòng điện ngắn mạch là 50A, thì khi ngắn mạch, mạch không thể nào hàn dính được do Iđm = 50A < Inmcp = Ihđ = 173,2A. 9. Độ ăn mòn tiếp điểm. Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và ngắt mạch điện. Sự ăn mòn của tiếp điểm được thể hiện qua việc giảm độ lún của kích thước (chiều cao) của tiếp điểm cũng nh­ giảm khối lượng hoặc thể tích của tiếp điểm. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là sự ăn mòn về hoá học, ăn mòn về cơ nhưng c