Mục lục
Trang
Lời nói đầu ..2
Phần một :
Sơ lợc về công tắc tơ xoay chiều ...3
Phần hai :
Thiết kế công tắc tơ xoay chiều 3 pha
Ch ơng I : Yêu cầu thiết kế và chọn phơng án kết cấu ...5
Ch ơng II : Tính mạch vòng dẫn điện . . . . .8
Ch ơng III : Đặc tính cơ và tính toán lò xo . . ..18
Ch ơng IV : Nam châm điện . . .25
Ch ơng V : Chọn buồng dập hồ quang .. 44
Ch ơng VI : Tính toán nhiệt và trọng lợng nam châm điện . .46
1
Lời nói đầu
Hiện nay với sự phát triển không ngừng của các nghành công nghiệp -
nông nghiệp, nên việc sử dụng các sản phẩm của khoa học kĩ thuật là rất quan
trọng .Chính nhờ sự ứng dụng đó mà thúc đẩy nền kinh tế cho mỗi quốc gia và
trên toàn thế giới, đồng thời chúng góp một phần không nhỏ vào việc tăng
năng suất lao động, phục vụ đời sống, sinh hoạt hàng ngày của con ngời
không những thế chúng còn thay thế và làm việc ở những môi trờng không có
lợi cho con ngời và làm việc với tính chính xác cao .
Với nhiều u điểm nh vậy nên việc sử dụng khí cụ điện trong nghành
tăng lên không ngừng. Mặt khác, các khí cụ điện ngày càng đợc cải tiến và
hoàn thiện, đồng thời việc nghiên cứu, chế tạo để tạo ra những khí cụ điện có
nhiều u điểm hơn nữa là cần thiết cho mỗi sinh viên.
Đợc sự giúp đỡ và hớng dẫn của các thầy cô trong nhóm khí cụ điện,
thuộc bộ môn Thiết bị điện - điện tử, khoa Điện. Đặc biệt là hớng dẫn giúp đỡ
và đóng góp của thầy Nguyễn Văn Đức và thầy Bùi Tín Hữu, trong thời gian
làm đồ án môn học, em đã hoàn thành đợc đồ án môn học với đề tài thiết kế
Công tắc tơ xoay chiều 3 pha.

kiện của môi trờng xung quanh (nh ma, ẩm, bụi ) cũng nh khi có điện áp
nội bộ hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra.
Độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận khí cụ điện trong giới hạn
số lần thao tác đã thiêt kế, thời hạn làm việc ở chế độ định mức và chế độ sự
cố.
Đảm bảo khả năng đóng, ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ
bền điện thông qua các chi tiết bộ phận.
Các yêu cầu kĩ thuật riêng đối với từng loại khí cụ điện.
Kết cấu đơn giản, khối lợng và kích thớc bé.
3.2.Yêu cầu về vận hành:
Lu ý đến ảnh hởng của môi trờng xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ, độ cao

3
Độ tin cậy cao.
Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài.
Đơn giản, dễ thao tác, sửa chữa, thay thế.
Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn ít năng lợng.
3.3.Các yêu cầu về kinh tế, xã hội:
Giá thành hạ.
Tạo điều kiện dễ dàng thuận tiện cho nhân viên vận hành (về tâm sinh
lý, về cơ thể )
Tính an toàn trong lắp ráp vận hành.
Tính thẩm mỹ của kết cấu.
Vốn đầu t khi chế tạo, lắp ráp và vận hành ít.
4.Nguyên lý hoạt động và kết cấu chung của công tắc tơ xoay chiều:
Cơ cấu điện từ gồm hai bộ phận: cuộn dây và mạch từ, chúng đợc phân
bố thành nhiều loại nh công tắc tơ kiểu điện từ hút chập, công tắc tơ kiểu điện
từ kiểu hút ống dây và công tắc tơ kiểu hút thẳng.
Tất cả các loại công tắc tơ trên đều làm việc theo nguyên lý điện từ
gồm mạch từ dùng để dẫn từ, nó là những lá thép kĩ thuật điện đợc dập hình

cơ học ở mức trung bình, làm việc ở chế độ dài hạn, ngắn hạn và có thể đôi
khi làm việc ở chế độ sự cố.
I.2.Lựa chọn ph ơng án kết cấu:
I.2.1.Lựa chọn nam châm điện :
Dựa vào tần số thao tác trong một giờ, ta phân biệt đợc chế độ làm việc
của công tắc tơ xoay chiều 3 pha nói trên, làm việc ở chế độ làm việc nhẹ.
Công tắc tơ xoay chiều 3 pha dùng nam châm điện có mạch từ hình chữ
E hoặc chữ U có nắp quay quanh trục hoặc chuyển động tịnh tiến theo kiểu
hút ống dây, chuyển động kiểu hút thẳng, kiểu quay trên 1 cạnh và có phần
ứng nằm ngoài cuộn dây, phần ứng chuyển động trong lòng ống dây hoặc một
phần ống dây.ở đây không dùng kiểu quay trên 1 cạnh vì nắp nam châm xoay
chiều to, nặng và khe hở không khí chính lớn.
Mạch từ hình chữ E kiểu hút thẳng có thể tận dụng đợc trọng lợng nắp
khi ngắt và mạch từ kiểu hút thẳng đợc dùng trong chế độ làm việc nhẹ, đặc
biệt là trờng hợp lực lò xo nhở không đủ để khắc phục các loại lực cản.
5
Qua phân tích u nhợc điểm của các loại nam châm điện đã có sẵn. Ta
chọn nam châm điện hình chữ E, kiểu hút thẳng có phần ứng chuyển động
một phần trong lòng ống dây.
Loại kết cấu này có nắp và phần động chuyển động tịnh tiến, phơng
chuyển động trùng với phơng tác dụng của các lực. Đồng thời cho đặc tính lực
hút tơng đối lớn, hành trình chuyển động tơng đối nhanh, thời gian chuyển
động ngắn. Từ thông rò không sinh ra lực phụ.
Tuy nhiên đi cùng với những u điểm thì nam châm điện có kết cấu trên
còn có những hạn chế, đó là : có bội số dòng điện lớn so với các mạch từ khác
nên không thể dùng trong các chế độ làm việc nặng hoặc trung bình, lực lò xo
nhỏ, công suất nhỏ.
Việc dùng kết cấu nam châm điện hình chữ E, kiểu hút thẳng, có phần
ứng chuyển động một phần trong lòng ống dây hoàn toàn phù hợp với công
tắc tơ xoay chiều 3 pha kiểu điện từ có chế độ làm việc nhẹ.


6 7
Trong đó:
1.Giá phần động
2.Lò xo tiếp điểm
3.Tiếp điểm động
4.Tiếp điểm tĩnh Ftđ = Flxtđ
5.Nắp nam châm điện Flxnh Flxnh
6.Lò xo nhả
7.Thân (lõi) mạch từ
8.Cữ chặn
m : độ mở của tiếp điểm G
l : độ lún của tiếp điểm Fđt Fđt
: Khe hở không khí
Flxtd : Lực lò xo tiếp điểm Fđt
Flxnh : Lực lò xo nhả
Ftd : Lực ép tiếp điểm
Fđt : Lực hút điện từ
G : Trọng lực phần động
Chơng II : Tính mạch vòng dẫn điện
II.1.Khái niệm về mạch vòng dẫn điện:
Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về hình
dáng, kết cấu và kích thớc hợp thành. Mạch vòng dẫn điện gồm thanh dẫn
7
a
b
(thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh), đầu nối, tiếp điểm (giá đỡ tiếp điểm, tiếp
điểm động, tiếp điểm tĩnh).
II.2.Yêu cầu đối với mạch vòng dẫn điện:
- Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt.

= 1,74.10
-8
(1 + 0,0043*75)
= 2,183.10
-8
(m)
Theo công thức (2-6) trang 19 sách TKKCĐHA ta có:
b =
3
2
).().1.(.2
..
ocpT
f
Knn
KI



+
Trong đó :
8
I = Iđm = 180 (A)
K
f
: hệ số tổn hao phụ ; K
f
= 1,03 ữ 1,06.
K
T

tđ
+ 2 = 27 (mm)
b = a/7 = 3,8 (mm)
Tiết diện thanh dẫn : S = a . b = 102,6 (mm
2
) = 102,6.10
-6
(m
2
)
Chu vi thanh dẫn : P = 2 .(a + b) = 61,6 (mm) = 61,6.10
-3
(m)
II.3.3.Kiểm nghiệm ở chế độ dài hạn:
Mật độ dòng điện : Jdh =
ba
I
dm
.
=
6,102
180
= 1,75 (A/mm
2
)
Jdhcp : mật độ dòng điện dài hạn cho phép ; Jdhcp = 1,5 ữ 4 (A/mm
2
)
mật độ dòng điện trong giới hạn cho phép.
Nhiệt độ thanh dẫn td =

Với điều kiện nhiệt độ ban đầu đ

= cp = 95 C.
Nhiệt độ cho phép đối với đồng khi có dòng ngắn mạch nm = 300 C.
9
Tra đờng cong phát nóng của đồng khi có dòng ngắn mạch (Hình 6-6
trang 313 sách TKKCĐHA ) ta có :
Ađ = 1,52.10
4
(A
2
.s/mm
4
) ; Anm = 3,75.10
4
(A
2
.s/mm
4
)
Theo công thức (2-61) trang 93 sách TKKCĐHA ta có :
Jnm =
t
AA
nm
dnm

Mật độ dòng điện khi ở tnm = 3 (s) :
Jnm1 =
3

thời gian ngắn mạch.
II.3.5.Đầu nối:
Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú
ý dễ hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng
điện lớn và điện áp cao.
Có thể chia đầu nối làm hai loại :
- Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài
- Mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện
Các yêu cầu đối với mối nối:
- Nhiệt độ các mối nối khi làm việc ở dài hạn với dòng điện định mức
không đợc tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thớc và lực ép
tiếp xúc F
tx
đủ để điện trở tiếp xúc R
tx
không lớn, ít tổn hao công suất
- Khi tiếp xúc mối nối cần có đủ độ bền cơ và độ bền nhiệt khi có dòng
ngắn mạch chạy qua
- Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lợng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định
khi khí cụ điện vận hành liên tục
10
b
a
S
tx
Kết cấu của mối nối gồm có : mối nối có thể tháo rời đợc, không thể
tháo rời đợc, mối nối kiêm khớp bản lề có dau nối mềm hoặc không có dây
nối mềm. ở đây ta chọn mối nối có thể tháo rời đợc và bằng bu lông
Với dòng điện định mức I
đm

.S
tx

Với f
tx
là lực ép riêng trên các mối nối, f
tx
= 100 ữ 150 kG/cm
2
Chọn f
tx
=100 kG/cm
2
.
F
tx
= 100. 5,8 = 580 (kG) = 5800 (N).
Theo công thức (2-25) trang 59 sách TKKCĐHA ta có :
Điện trở tiếp xúc :

m
tx
tx
F
K
).02,1(
R
tx
=
với K

II.4.Tiếp điểm:
II.4.1.Nhiệm vụ của tiếp điểm:
11
Tiếp điểm làm nhiệm vụ đóng cắt điện
II.4.2.Yêu cầu đối với tiếp điểm:
Khi Công tắc tơ làm việc ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi không
tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép. Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé
hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm.
Với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động, dòng ngắn mạch) tiếp
điểm phải chịu đợc độ bền nhiệt và độ bền điện động. Hệ thống tiếp điểm dập
hồ quang phải có khả năng đóng ngắt cho phép không bé hơn trị số định mức.
Khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng điện trong
giới hạn cho phép, tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bé nhất, độ rung của
tiếp điểm không đợc lớn hơn trị số cho phép.
II.4.3.Vật liệu làm tiếp điểm:
Vật liệu làm tiếp cần đảm bảo các yêu cầu sau: điện trở suất và điện trở
tiếp xúc bé, ít bị ăn mòn, ít bị ôxy hoá, khó hàn dính, độ cứng cao, đặc tính
công nghệ cao, giá thành hạ và phù hợp với dòng điện I = 180A
Tra bảng (5-2) sách KCĐ ta chọn vật liệu bằng kim loại gốm ký hiệu là
KMK.A20 với các đặc tính :
Khối lợng riêng : = 9,5.10
3
kG/m
3
.
Điện trở suất ở 20
0
C :
20
= 0,025.10

tđ
. I
đm
Tra bảng (2-17) trang 55 sách TKKCĐHA ta chọn f
tđ
= 10 G/A
F
tđ
=10 . 180 =1800 (G) = 18 (N).
12
Điện trở tiếp điểm :
R
tx
=
m
td
tx
)F.102,0(
K
trong đó : F
tđ
= 18(N)
K
tx
: hệ số kể đến sự ảnh hởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của tiếp
điểm, K
tx
= (0,2 ữ0,3).10
-3
, chọn K

= 19,6 (mV).
Vậy điện áp tiếp điểm U
tđ
thoả mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc
cho phép [U
tx
] = 2 ữ 30 (mV).
II.4.6. Nhiệt độ tiếp điểm và nhiệt độ nơi tiếp xúc:
Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn, có
tiếp điện không đổi, giả sử có một đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn
nhiệt đặt xa nơi tiếp xúc
Nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm :

tđ
=
o
+
T
tddm
T
dm
PKS
RI
KPS
I
...2
.
..
.
22




++
=51,3C.
Nhiệt độ nơi tiếp xúc
13
8
272
22
10.33,3.325.8
)10.37,2.(180
3,51
..8
.


+=+=



txdm
tdtx
RI
51,3
0
C.
II.5.Dòng điện hàn dính:
Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức I
đm

m
.
II.6.1.Tính độ rung tiếp điểm:
Theo công thức (2- 39) trang 72 sách TKKCĐHA ta có :
x
m
=
tdd
vod
F
Kvm
.2.3
)1.(.
2

Trong đó :
K
v
: hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu. Chọn
K
v
=0,9.
v
o
: vận tốc tiếp điểm ở thời điểm ban đầu ; v
o
=0,1 (m/s).
m
d
: khối lợng của phần tiếp điểm động.

tdd
: lực ép tiếp điểm ban đầu tại thời điểm va đập :
F
tdd
= (0,5 ữ 0,7) F
tdc
.
F
tdc
: lực ép tiếp điểm cuối thời điểm va đập :
F
tdc
= F
td
= 18 (N) = 1,8 (kG).
F
tdd
= 0,6 . 18 = 10,8 (N) =1,08 (kG).
x
m
=
3.08,1.2
)9.01.(1,0.183,0
2

= 2,82.10
-5
(m) = 0,028 (mm).
II.6.2.Thời gian rung tiếp điểm:
t

Độ lún l của tiếp điểm là quãng đờng đi thêm đợc của tiếp điểm động
nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại
Việc xác định độ lún của tiếp điểm là cần thiết vì trong quá trình làm
việc tiếp điểm sẽ bị ăn mòn. để đảm bảo tiếp điểm vẫn tiếp xúc tốt thì cần có
một độ lún hợp lý
Chọn độ lún theo công thức kinh nghiệm với dòng điện I
đm
= 180 (A)
thì độ lún l = 3 ữ 4 (mm). Chọn l = 4(mm).
II.8.Hao mòn tiếp điểm:
15
Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt
mạch điện. Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là ăn mòn về hoá
học, về cơ và về điện trong đó chủ yếu là do quá trình mòn điện .
Khối lợng mòn trung bình của một cấp tiếp điểm cho một lần đóng
ngắt là :
g
đ
+ g
ng
= 10
-9
(K
đ
.
2
d
I
+ K
ng

đ
=6.I
đm
= 6.180 = 1080 (A)
I
ng
= I
đm
=180 (A)
g
đ
và g
ng
: khối lợng mòn riêng của mỗi một lần đóng và ngắt

g
đ
+ g
ng
= 10
-9
(0,01.1080
2
+ 0,01.180
2
).1,5 = 1,8.10
-5
(G).
Sau 10
5

m
= G
m1
+ G
m2
= 1,8 + 18 = 19,8 (G).
Vì tiếp điểm cầu có hai điểm ngắt , tính cho một chỗ tiếp xúc :
G
m1
=
(G) 9,9
2
8,19
2
==
m
G
Thể tích mòn :
V
m
=
)(m 10.042,1
5,9
9,9
36
1

==

m

Theo kinh nghiệm công tắc tơ xoay chiều, dòng điện Iđm = 5 (A) ta
chọn độ mở m = 10 (mm).
Độ lún l = 1,5 + 0,02.5 = 1,6 2 (mm).
16
Lực ép lên hệ thống tiếp điểm phụ :
Ftdpc = Idm . ftd. Trong đó chọn ftd = 10 (G/A).
Ftdpc = 5 . 10 = 50 (G) = 0,05 (kG) = 0,5 (N).
Ftdpd = 0,6 . Ftdpc = 0,6 . 0,5 = 0,3 (N).
Chơng III : Đặc tính cơ và tính toán lò xo
I.Lập sơ đồ động:
Xét trờng hợp xấu nhất là công tắc tơ đặt ngợc :
17
0

m
= m + l
= 0
Lực cơ tác dụng bao gồm :
- Lực ép tiếp điểm chính thờng mở
- Lực ép tiếp điểm phụ thờng mở
- Lực ép tiếp điểm phụ thờng đóng
- Lực lò xo nhả
- Trọng lợng phần động
- Lực ma sát ( bỏ qua )
II.Tính toán các lực :
II.1. Lực ép tiếp điểm chính th ờng mở :
Lực ép tiếp điểm cuối thờng mở :
Ftđc







= 0,6 . 2 = 1,2 (N)
181
F
đđ
F
đ
G
đ
+ F
nh
đ
G
đ
+ F
nhc
F
đt
F
đ
F
đ