THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1

Đồ án : Thiết kế công tắc tơ điện một chiều PHẦN I : SƠ LƯỢC VỀ CÔNG TẮC TƠ MỘT
CHIỀU
I . KHÁI QUÁT VÀ CÔNG DỤNG :
Công tắc tơ một chiều là một loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt từ
xa hoặc bằng nút ấn các mạch điện lực có phụ tải.
Công tắc tơ điện một chiều dùng để đổi nối các mạch điện một
chiều, nam châm điện của nó là nam châm điện một chiều.
Công tắc tơ một chiều có các bộ
phận chính như sau :
- Mạch vòng dẫn điện ( gồm đầu nối, thanh dẫn, 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

II . YÊU CẦU CHUNG ĐỐI VỚI CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT
CHIỀU.

II. 1. YÊU CẦU VỀ KỸ THUẬT.
Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận khi làm việc ở chế độ
sử dụng cố và định mức.
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 2

điện chạy trong cuộn dây, cuộn dây sinh ra từ thông khép mạch qua lõi
thép có dòng đIện và khe hở không khí tạo lực hút điện từ kéo nắp ( phần
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 3
ứng ) về phía lõi. Khi cắt điện áp ( dòng điện ) trong cuộn dây thì lực hút
điện từ không còn nữa và nắp bị nhả ra. PHẦN II : YÊU CẦU THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN
PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU.
I. YÊU CẦU THIẾT KẾ
Thiết kế công tắc tơ một chiều một pha kiểu điện từ có các thông số.
Tiếp điểm chính : I
đm
= 80A; U
đn
= 250v
Số lượng : 1 thường mở . 0 thường đóng
Tiếp điểm phụ : I
đm
= 5A ; U
đn
= 250V
Số lượng : 0 thường mở . 0 thường đóng
Nam châm điện : U

động càng lớn . Nếu dòng điện đổi chiều thì từ trường cũng đổi chiều, lực
điện động không bị đổi chiều dòng điện nhỏ nhất có thể dập tắt hồ quang
một cách chắc chắn bằng 1/4 dòng định mức của cuộn dây thổi từ.
Nam chân điện kiểu hút chập của cuộn dây có công suất 20 – 25 W
Có kh
ả năng làm việc chuẩn xác trong phạm vi điện áp dao động từ
85% - 105% U
đm

Thời gian tác động cuả công tắc tơ khoảng 0,08 – 0,1s
Thời gian nhả 0,03-00,04s
điện áp nhả 0,05-0,1U
đm

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


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

()
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

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
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

]
20.1 20.1.
2020105
−
+
=
−
+
=
=== odod
ISRR
θ
α
ρ
θ
α
θθθ

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

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

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

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 .

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

=
()
()
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

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

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

trong giới hạn cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ là nhỏ nhất
cuả tiếp điểm, độ rung cuả tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép.
V. 2. CHỌN DẠNG K
ẾT CẤU HỆ THỐNG TIẾP ĐIỂM
Tiếp điểm hình ngón làm bằng CU – Cd. Loại này có ưu điểm là tiếp
điểm xúc đầu không trùng với điểm tiếp xúc cuối có tác dụng cọ sát làm
sạch bề mặt , tăng độ tiếp xúc, mặt khác điểm dẫn điện khác với điểm chịu
hồ quang nên làm tăng độ bền cuả tiếp đi
ểm.
Hình dạng tiếp điểm.

THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 16
V. 3. CHỌN ĐỘ MỞ CỦA TIẾP ĐIỂM
Độ mở m của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp
điểm tĩnh ở vị trí cuả công tắc tơ . Công tắc tơ một chiều, dòng điện
I
đm
= 80 A chọn độ m = 10 mm
V. 4. CHỌN ĐỘ LÚN
Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động
nếu không có tiếp điểm tĩnh chặn lại. Độ lún được chọn theo dòng điện
địng mức đi qua tiếp điểm có công thức sau :
I = A + B . I
đm

A = 1,5 ( mm ) ; B = 0,02 ( mm/ A )
I = 1,5 + 0,02 . 80 = 3,1 ( mm )

- Độ cứng Brien : 95 – 110 ( kg / mm )
- Nhiệt độ nóng chảy : 1038 (
0
C )
- Hệ số nhiệt điện trở : 0,0043 ( 1/
0
C )
- Tỉ trọng nhiệt : 0,39 ( Ws/ cm
0
C)
kích thước tiếp điểm
Để phù hợp với kích thước thanh dẫn , I
đm
. Kết cấu tiếp điểm kiểu
ngón , tần số đóng ngắt 500lần/giờ
Kích thước tiếp điểm được tính toán như sau : Trước hết ta quy đổi từ tiếp điểm hình trụ sang tiếp điểm kiểu ngón
Dựa vào bảng 2 – 15 TKKCĐHA với I
đm
= 80A tương ứng có tiếp điểm
hình trụ với đường kính d = 20mm. Với tiếp điểm kiểu ngón chọn bề rộng
tiếp điểm bằng bề rọng thanh daaxn
Ta có :

)(3.39
8.4
20.
.4

định như sau :
* lực ép tiếp điểm đầu
Theo bảng quan hệ giữa lự
c ép tiếp điểm F và dòng điện I
đm
ta có :
Tiếp điểm chính :
Với I
đm
= 80 A chọn

F
1
= f. I
đm
mà f = 15
F
1
= 15 . 80 = 1200
Lực ép tiếp điểm cuối:
F
tdcc
= n . F
1
= 1 . 1200 = 1200 trong đó n là số tiếp điểm mở
F
tdcd
= 0,6. F
tdcc


Đồng ) chọn K
tx
= 0,2. 10
-3
(
N
Ω
)
m : hệ số dạng bề mặt tiếp xúc đối với tiếp xúc đường m = 0,7
Vậy ta có :

()
)(10.7,2
720.102,0
10.2,0
5
7,0
3
20
0
Ω==
−
−
= Ctxx
R
θ

Điện trở của tiếp điểm khi làm việc ở chế độ phát nóng cho phép

()

⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
+

Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm:
U
tx
= I
đm
. R
tx0=105 C

U
tx
= 80. 3,39. 10
-5
= 2,7 . 10
-3
= 27 ( mV )
Nhiệt độ của tiếp điểm .

txmtxthdtd
θ
θ
θ
θ
+

KSP
RI
2
.
105
2
λ
θ
=
=

λ
: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm ( W/ cm
0
C)
P : Chu vi mặt tiếp xúc giữa tiếp điểm và thanh dẫn ( cm )
S : Diện tích bề mặt tiếp xúc giữa tiếp điểm và thanh dẫn ( cm
2
)
K
t
: Hệ số tản nhiệt của bề mặt tiếp điểm . Chọn K
t
= 5 ( W/m
20
C )
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 20
Chu vi tiếp điểm :
- Chu vi mặt tiếp xúc giữa tiếp điểm và thanh dẫn
P = 2 ( a + m ) = 2 ( 8 + 22 ) = 60 ( cm )

9,2
10.14,3.8
10.27,0
8
0
===
−
−
=
λρ
θ
θ

Trong đó :
C
0
105=
θ
ρ
: điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 105
0
C
(
)
[
]
20105.1.
00
20105
−

* Nhiệt độ tiếp điểm .
1
9
,649,20029,026,61
=
+
+
=
+
+=
txmtxthdtd
θ
θ
θ
θ
(
0
C )
V . 7. DÒNG ĐIỆN HÀN DÍNH
Theo công thức thực nghiệm trị số dòng điện hàn dính được xác
định theo công thức sau:
I
dh
= K
dh.
)(147580720.5500 AF
tdc
==

K

Sự ăn mòn tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt
mạch điện . Sự ăn mòn tiếp điểm thể hiện qua việc giảm độ lún , giảm kích
thước của tiếp điểm cũng như giảm khối lượng hoặc thể tích của kim loại
tiếp điểm.
Nguyên nhân gây ra ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hóa học, ăn
mòn về cơ , ăn mòn về điện . Nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn là do ăn
mòn về điện .
Khối lượng mòn trung bình của tiếp điểm cho một lần đóng ngắt:
G
đ
+ g
ng
= 10
-9
. ( K
đ
. I
2
d
+ K
ng
. I
ng
2
) . K
kđ
I
đ
: dòng điện khi đóng ngắt tiếp điểm . Chọn I
đ

Vậy g
d
+ g
ng
= 10
-9
. ( 0,01 . 80
2
+ 0,01 . 80
2
) . 2 = 1,29 . 10
-4

Khối lượng mòn về cơ sau 10
5
lần đóng ngắt:
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 22
( g
đ
+ g
ng
). 10
5
= 1,29 . 10
-4
. 10
5
= 129 ( g )
khối lượng mòn về cơ điện sau 0,5.10
5

cfhm
θ
= 190
0
C
( bảng 2 - 18 TKKCĐHA )
Nhiệt độ làm việc cho phép của tiếp điểm
tdcf
θ
= 105
0
C
Với kích thước kết cấu như trên tiếp điểm hoàn toàn có khả năng làm
việc tốt.

PHẦN IV: CHỌN HỘP DẬP HỒ QUANG
I . KHÁI NIỆM VỀ HỒ QUANG ĐIỆN
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 23
Đối với các KCĐ , cầu dao , CTT… Khi đóng, cắt mạch điện,
hồ quang phát sinh trên tiếp điểm. Nếu hồ quang cháy lâu, khí cụ điện
và hệ thống điện sẽ bị hư hỏng .
Hồ quang điện là hiện tượng phóng điện trong khí hơi. Hồ
quang có mật độ dòng điện lớn từ ( 10
4
- 10
5
) A/ cm

Hồ quang điện một chiều sẽ tắt , nếu loại bỏ được điểm hồ
quang cháy ổn định ( điểm B ) nghĩa là đặc tuyến V – A tĩnh của thiết
bị dập hồ quang U
hq
= f ( I
hq
) khi I
hq
= const cần phải nằm cao hơn đặc
tính tải, muối thế phải tăng chiều dài hồ quang để dập tắt hồ quang.
IV. YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG DẬP HỒ
- Đảm bảo được khả năng đóng và khả năng ngắt , nghĩa là đảm bảo
giá trị dòng điện đóng I
đ
= 6. I
đm
= 6.80 = 480A và dòng điện ngắt
I
ng
= I
đm
= 80A
THIẾT KẾ CÔNG TẮC TƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 24
- Thời gian hồ quang cháy nhỏ để giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị
dập hồ quang.
- Quá điện áp thấp
- kích thước hệ thống dập hồ quang nhỏ , vùng khí ion hóa nhỏ , nếu
không nó có thể tạo ra chọc thủng cách điện giữa các phần của thiết bị
và còn toàn bộ KCĐ
- có khả năng hạn chế ánh sáng và âm thanh

PHẦN V: TÍNH TOÁN LÒ XO VÀ ĐỰNG ĐẶC
TÍNH CƠ