Thiết kế công tắc tơ điện một chiều

THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 5
sơ đồ động


PHẦN III: TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN
I. KHÁI NIỆM VỀ MẠCH VÒNG ĐẪN ĐIỆN
Mạch vòng đẫn điện cuả khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về
hình dáng, kết cấu và kích thước hợp hành. Mạch vòng dẫn điện gồm
thanh dẫn, dầu nối, hệ thống tiếp điểm ( giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động,
tiếp điểm tĩnh )
II. YÊU CẦU ĐỐI VƠÍ MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN .

Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt
Bền với môi trường
Có độ cứng vứng tốt
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 6
Tổn hao đồng nhỏ
Có thể làm việc được trong một khoảng thời gian nhắn khi có sự cố
Có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp
III 1 . YÊU CẦU ĐỐI VỚI THANH DẪN.
Có độ bền cơ khí cao
Có khả năng chịu được ăn mòn hoá học, ít bị ôxi hoá
Có độ mài mòn nhỏ khi bị va đập
Kết cấu đơn giản, giá thành rẻ
III. 2 . CHỌN VẬT LIỆU
Để thoả mãn yêu cầu đối với thanh dẫn . Chọn vật liệu thanh dẫn
đồng CAĐINI kéo nguội có:
Tỉ trọng : 8,9 g/m
3

Nhiệt độ nóng chảy : 1083
0
C
Điện trở suất ở 20
0
C : 2,3. 10
-3

Độ dẫn nhiệt : 0,39 Ws/cm
0
C
Độ cứng Briven : 95 - 110kg/mm
Hệ số nhiệt điện trở : 0,0043 1/
0
C = 4. 10
-3

III. 3 HÌNH DẠNG THANH DẪN
Thanh dẫn hình chữ nhật
A: chiều rộng thanh dẫn
B: chiều dày thanh dẫn
S: tiết diện thanh dẫn
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 7
III. 4 TÍNH TOÁN THANH DẪN Ở CHẾ ĐỘ DÀI HẠN
Bề dày thanh dẫn được xác định:
()
)(
1 2

3
2
mmfod
Knn
KI
b
t
τ
ρ
θ
+
=

Trong đó :
I : dòng điện làm việc ( A )
P
0
: điện trở suất cuả vật liêụ ở nhiệt độ ổn định (
mΩ
)
K
f
: Hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiểu ứng bề mặt và
hiệu ứng gần. Đối với dòng đIện một chiều K
f
= 1.
N : tỉ lệ giữa chiều rộng và chiều dày thanh dẫn . Chọn n = 6
K
T
: Hệ số tản nhiệt ra khống chế . Chọn K
T
= 5 ( W/ m
2
0C)
[ bảng 6 - 5 TKKCDDHA )
độ tăng nhiệt ổn định = 65
0
C [ Bảng 6 – 1 TKKCĐHA ]
* Bề rộng thanh dẫn được xác định
a = n . b ( mm )

* Điện trở suất cuả vật liệu ở nhiệt độ ổn định ( 0 = 105
0
C )

Trong đó :
()
mΩ= 20
θ
ρ
: điện trở suất cuả vật liệu ở nhiệt độ 0 = 20
0
C và p
0=20
= 1,8 .
10
-8
[Bảng 2 - 13 TKKCĐHA ]
hệ số nhiệt điện trở cuả đồng = 0,0043
θ
ôđ
(
0
C ) nhiệt độ ổn định
θ
ôđ
= 105
0
C [ bảng 6 – 1 TKKCĐHA ]

( )
[ ]
33
105
10.46,520105.0043,0110.4
−−
=
=−+=
θ
ρ

* kích thước thanh dẫn làm việc với I
đm
= 80A
( )
[ ]
201.
2001050
−+=
== od
θαρρ
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 8

()
108,0
65.5.166.2
10.46,5.80
3
32
=
+
=
−
b
( mm)
a = n .b = 6 . 1 = 6 mm
Để phù hợp chọn:
a = 8 mm
b = 1mm
vậy ta có tỉ lệ :
n =
8
1
8
==
b
a

III. 5 KIỂM TRA THANH DẪN
Quá trình kiểm tra nhằm xác định xem với tiết điện tính toán và lựa
chọn có đảm bảo được độ tăng nhiệt, nhiệt độ ổn định cho phép khi thanh
dẫn làm việc ở chế độ dài hạn hay không .Đồng thời kiểm tra khả năng quá
tải của thanh dẫn ở chế độ không ổn định nhiệt ( chế độ ngắn hạn hay chế
độ ngắ
n mạch ) mà tại đó thanh dẫn không bị biến dạng hay tính chất của
vật liệu làm thanh dẫn vẫn ở điều kiện cho phép
Kiểm tra khi làm việc ở chế độ dài hạn
Kiểm tra độ tăng nhiệt độ :
Trong đó :
()
()
C
nK
bnJ
T
od
0
6
32
105
2
656,46
10.18.5.2
8.1.10.46,5.31,0
1 2

<=
+
=
+
=
−
−
=
θ
ρ
τ


J : mật độ dòng điện của thanh dẫn: lấy j = 0,31

S : điện tích thanh dẫn
S = a.b + 8 . 1 + 8 ( mm
2
)
* kiểm tra nhiệt độ ổn định
)/(10
8
80
2
mmA
S
I
J ===
C
odmtod
0
6,866,4640 =+=+=
τθθ
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 9

Trong đó :
θ

mt
: nhiệt độ môi trường ( lấy
C
mt
0
40=
θ
)
* Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn :
Chế độ ngắn hạn là chế độ mà thanh dẫn làm việc trong thời gian
ngắn. Khi độ chênh nhiệt độ chưa đạt tới trị số ổn định thì đã nghỉ ( tức là
chưa lợi dụng hết khả năng chịu nhiệt của vật liệu ) . Do đó ta có thể nâng
phụ tải lên để khí cụ đ
iện ứng với thời gian làm việc mà tại đó khí cụ điện
vùa đạt tới độ tăng nhiệt cho phép.
Để thuận tiện cho việc tính toán kiểm nghiệm . Kiểm tra thanh dẫn
có chiều dài 1 cm , thời gian làm việc ngắn hạn t
nh
= 3 sec, nhiệt độ là
105
0
C
* Điện trở của 1cm thanh dẫn ở nhiệt độ 105
0
C là :

( )
[ ]
( )
[ ]
20.1 20.1.
2020105
−+=−+=
=== odod
ISRR
θαρθα
θθθ

=
()
[]
5
4
9
10.83,620105.0043,01.
10.8
1
.10.4
−
−
−
=−+

R
0 = 20
: điện trở của đồng ở nhiệt độ 0 = 20
0
C
* Tổn hao công suất cho phép ở chế độ làm việc dài hạn.
P
dh
= I
2
dh
. R
0 = 105
= 80
2
. 6,83. 10
-5
= 0,437( W/ cm )
* hằng số phát nóng được xác định :
T=
TT
SK
MC
.
.

C : nhiệt dung riêng của đồng C = 0,39 J/g
0
C
S
t
: diện tích bề mặt làm nguộn của thanh dẫn dài 1cm : S
t
= D. L
D : Chu vi thanh dẫn . D = 2 ( a + b )
L : Chiều dài thanh dẫn . L = 1cm
M : Khối lượng thanh dẫn dài 1cm : ( g )
S
t
= D. L + 2 ( a + b ) . l = 2 ( 0,8 + 0,1 ) . 1 = 1,8 ( cm
2
)
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 10
M =
)(12,71.8.0.9,8 KGlS ==
γ

Tỉ trọng của đồng
* Hằng số thời gian phát sóng
303
8,1.10.5
7.39,0
.
.
4
===
−
TT
SK
MC
T
( S )
* Độ tăng nhiệt ở chế độ ngắn hạn :
( )
nh
t
T
eTT
odnh
−
′
= 1.

Trong đó :
T
ôđ
: độ tăng nhiệt ổn định khi công suất ở chế độ ngắn hạn tính
toán ở t
nh
= 3sec;

(
)
Ce
nh
0
25,01.65
5
,6303
=−=
−
τ

* Hệ số quá tải công suất ở chế độ ngắn hạn:
61
5
303
===
nh
P
t
T
K

* Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ ngắn hạn :
K
I
=
761 ==
p
K

* Công suất cho phép ở chế độ ngắn hạn:
P
nh
= K
p
. P
dh
= 61.0,437 = 26,7 ( W/ cm )
* Dòng điện ở chế độ ngắn hạn :
I
nh
= K
t
. P
dh
= 80. 7 = 560 ( A )
* Mật độ dòng điện ở chế độ làm việc ngắn hạn :
J
nh =
()
2
/70
8
560
mmA
S
I
nh
==

*Kiểm tra thời gian làm việc liên tục cho phép ở chế độ ngắn hạn

sec3
25,065
65
ln.303. =
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
−
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
−
nhod
od
nh
LnTt
ττ
τ
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 11
*Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch .
Độ bền nhiệt của khí cụ điện là tính chất chịu được sự tác đụng nhiệt
của dòng điện ngắn mạch trong thời gian ngắn mạch nó đượcđặc trưng
bằng dòng bền nhiệt là dòng điện bền nhiệt ở đó thanh dẫn chưa bị biến
dạng.
Để thuận tiệ
n cho việc đánh giá ta xét giới hạn cho phép của dòng
điện và mật độ dòng điện bền nhiệt của thanh dẫn ở các thời gian ngắn
mạch.
T
nm
= 1 sec: 3 sec: 5 sec .
Giới hạn cho phép của dòng điện và mật độ dòng điện được xác định
theo công thức.
I
bn
= I
nm
= S. J
nm
J
bnh1
=
bn
dbn
t
AA −

T
nm
= t
bn
: thời gian ngắn mạch ( sec )
A
d
: A
bn
= A
nm
: giá trị ứng với giới hạn dưới và trên là 0
d
: 0
nm
Theo ( H6 – 6 TKKCĐHA ) ta có : A
d
= 1,4 . 10
4

A
bn
= 3,75 . 10
4
A
2
s / mm
4

S : tiết điện vật dẫn ( mm
2
)
Theo điều kiện 0
od
= 65 + 40 = 105
0
C
Nhiệt độ cho phép đối với đồng 0
bn
= 300
0
C
Mật độ dòng điện khi t
nm
= 1 sec
J
bnh1
=
()
()
2
4
/8,484
1
10.4,175,3
mmA=
−

Mật độ dòng điện khi t
nm
= 3 sec
J
bnh1
=
()
()
2
4
/9,279
3
10.4,175,3
mmA=
−

Mật độ dòng điện khi t
nm
= 4 sec
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 12
J
bnh1
=
()
()
2
4
/4,242
4
10.4,175,3
mmA=
−
S
III. 6. ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN
ở chế độ dài hạn độ tăng nhiệt độ cho phép t
od
= 65
0
C , nhiệt độ ổn
định cho phép 0
od
= 105
0
C( bảng TKKCĐHA )
ở chế độ ngắn hạn , mật độ dòng điện cho phép ở thời gian ngắn hạn t
nh
= 5
sec là 54 ( A/mm
2
)
ở chế độ ngắn mạch, mật độ dòng bền nhiệt cho phép đối với thanh
bằng đồng ở thời gian ngắn mạch 1 sec, 3sec, 4sec, là 162 A/mm
2
, 94
A/mm
2
, 82A/mm
2

Kết luận :
Với thanh dẫn có kích thước a = 12mm, b = 2mm làm việc với dòng
điện I
dm
= 80A. Có độ tăng nhiệt độ, nhiệt độ làm việc và mật độ dòng điện
dài hạn tính toán . Hoàn toàn có khả năng làm việc tốt ở các chế độ dòng
điện dài hạn và chế độ ngắn hạn . Riêng ở chế độ ngắn mạch thanh dẫn ,
thanh dẫn có kích thước nói trên chỉ cho phép làm việc tối đa ở thời gian
ngắn mạch là 4 sec bởi khi làm việc vơi thời gian ngắn mạch t
nm
> 4 sec
mật độ dòng điện bền nhiệt lớn hơn mật độ dòng bền nhiệt cho phép,
không đảm bảo an toàn.

IV. ĐẦU NỐI

IV . 1. KHÁI NIỆM VÀ NHIỆT VỤ:
Đầu nối tiếp xúc là phần tử rất quan trọng của khí cụ điện, nếu
không chú ý dẽ bị hư hỏng nặng trong vận hành, đầu nối gồm các đầu cực
để nối với dây dẫn bên ngoài và nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn
điện.
Đầu nối làm nhiệm vụ liên kết mạch ngoài với mạch vòng dẫn điện, đồng
thời làm nhiệm vụ liên kết các chi tiết của mạch vòng dẫn điện.
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 13
IV. 2. YÊU CẦU :
Nhiệt độ các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện định mức
không được tăng quá giá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thước
và lựuc ép tiếp xúc F
tx
đủ để điện trở tiếp xúc R
tx
không lớn, tổn hao công
suất bé.
- Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng ngắn
mạch chạy qua.
- Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi
khí cụ điện vần hành liên tục.
IV. 3. CHỌN DẠNG KẾT CẤU
Qua phân tích các ưu nhược điểm các dạng kết cấu mố
i nối. Chọn
dạng kết cấu mối nối tháo rời được bằng bu lông không dẫn điện, được chế
tạo bằng thép CT3 có mạ thiếc. Dạng kết cấu này phù hợp với hình dáng
vật liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu này phù hợp với hình dáng vật
liệu thanh dẫn và các yêu cầu kết cấu khác.
IV. 4 ĐƯỜNG KÍNH BU LÔNG, SỐ LƯỢNG BU LÔNG :
Theo số liệu thực nghiệm ( Bảng 2-9, 2-10 TKKCĐHA )
đối với dòng điện I
đm
= 80 A/ Chọn bu lông có đường kính ren d = 6mm
Các thông số :
- kí hiệu : M6
- Tiết diện tính toán : 16,7 mm
2

- Lực tính toán : 2,3 KN
- Lực ép cần lên chỗn tiếp xúc để đạt điện trở típ xúc và điện sap tiếp xúc
cho phép là :
F
tx
= f
tx
. S
tx
= 100. 2,58 = 258 ( kg ) = 2,58 ( kN )
Trong đó :
F
tx
( KG / cm
2
) : lực ép riêng trên mối nối. Chọn f
tx
= 100 KG/
2

S
tx
( cm
2
) điện tích bề mặt tiếp xúc
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 14

)(58,2
31
80
2
cm
j
J
S
dm
tx
===

J ( A/ mm
2
) : mật độ dòng điện chỗ tiếp xuc với I
đm
< 200A
chọn j = 0,31 ( A/ mm
2
) = 31 ( A/ cm
2
)
- số lượng bu lông : 1 bu lông
IV. 5 . HÌNH DẠNG KÍCH THƯỚC PHẦN ĐẦU NỐI .
Đường kính trong của đầu nối : d = 8 ( mm )

Chọn dây dẫn mềm : đây dẫn mềm gồm nhiều sợi đồng nhỏ đường
kính 0,31 mm ghép lại với nhau . Đối với dòng I
đm
= 80 A chọn tiết diện
dây dẫn mềm S = 25 mm ( bảng 2 – 3 TKKCĐHA )
Đầu nối điện ra ngoài chọn trụ đồng dẫn có ren có đường kính ren d = 8
mm
V. TIẾP ĐIỂM
V. 1. KHÁI NIỆM VÀ CÁC YÊU CẦU CHUNG VỀ TIẾP ĐIỂM
Tiếp điểm dùng để dẫn dòng, đồng thời thực hiện chức năng đóng
ngắt của các khí cụ điện đòng ngắt.
Yêu cầu :

Xem chi tiết: Thiết kế công tắc tơ điện một chiều