Bộ CôNG THơNG
TổNG CôNG TY THIếT Bị ĐIệN VIệT NAM
CôNG TY Cổ PHầN KHí Cụ đIệN I BáO CáO TổNG KếT
Đề TàI KHOA HọC Và CôNG NGHệ CấP Bộ Tên đề tài
:
NGHIêN CứU, THIếT Kế Và CHế TạO áp Tô MáT 1 PHA
2 CựC dùng trong gia dụng Có GAM DòNG 10 A - 30 A điện áp 250 V
1

Hoàng Đình Phẩm Kỹ s máy điện Tổng Giám đốc
2

Phùng Đệ Kỹ s cơ khí Phó Tổng Giám đốc
3


Hoàng Nguyên Minh Hong Đình Phẩm
Sơn Tây, tháng 10/2010
vinakip
R
2 MụC LụC
Trang
Lời nói đầu 3
Chơng I.
Nghiên cứu tổng quan nhu cầu sử dụng áp tô mát 1 pha 2 cực có gam
dòng đến 30 A điện áp 250 V tại Việt Nam
5
Chơng II.
Nghiên cứu thiết kế, chế tạo áp tô mát 1 pha 2 cực dùng trong gia
dụng có gam dòng từ 10 A 30 A điện áp 250 V
8
A. Tổng quan về sản phẩm 8
B. Tính toán thiết kế chi tiết sản phẩm 11
I. Tính toán hệ thống liên động cơ khí 11
II. Tính toán thiết kế phần tử bảo vệ 12
III. Tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện 17
IV. Lựa chọn vật t gia công đế và nắp 28
C. Thiết kế chi tiết 30
I. Định hớng thiết kế 30
II. Thiết kế chi tiết 30

chế tạo các sản phẩm phân phối, đóng ngắt và bảo vệ mạch điện hạ và trung áp có
dòng điện đến 5000 A, cấp điện áp đến 35 kV. Công ty đ và đang lớn mạnh không
ngừng, hàng năm cung cấp ra thị trờng trong và ngoài nớc hàng triệu các sản
phẩm, với đủ các chủng loại khác nhau.
Trong những năm qua, đợc sự hỗ trợ của Bộ Công Thơng về định hớng trong
công tác thiết kế. hàng năm Công ty đ nghiên cứu-thiết kế-chế tạo hàng loạt các
sản phẩm mới mang tính cấp thiết, những sản phẩm đó luôn có các tính năng nổi
trội, thay thế hàng ngoại nhập, sản phẩm cụ thể nh:
* Năm 2001: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Balat đèn Natri cao áp và bộ mồi
* Năm 2002: Nghiên cứu thiết kế ổn định công nghệ sản xuất APTOMAT 3A100
và bổ sung điền đầy dy gam dòng từ 10A; 16A; 20A; 25A; 30A; 40A; 50A;
60A; 80A; 100A.
* Năm 2004: nghiên cứu thiết kế và chế tạo Cầu dao hộp đóng cắt nhanh (Đề tài
đ đợc giải thởng VIFOTEC năm 2005).
Năm 2005: nghiên cứu thiết kế và chế tạo Cầu dao cách ly trung thế ngoài trời
có cấp điện áp từ 12kV; 24kV; 35kV dòng điện đến 630 A có dao nối đất
Năm 2006: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo 16 loại công tắc và ổ cắm chìm
tờng chất lợng cao.
Năm 2007 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Cầu chì kèm cầu dao hạ thế (FSD)
có các gam dòng 100A; 150A; 200A
Năm 2008 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo Bộ chuyển đổi nguồn tự động (ATS)
ba pha có gam dòng 200A.
Năm 2009 Nghiên cứu thiết kế và hoàn thiện thiết bị, công nghệ chế tạo Balát
2 cấp công suất 150W/100W, bộ chuyển đổi công suất và bộ khởi động động
cho đèn nari cao áp.
Các đề tài khoa vừa có tính mới, vừa có tính kế thừa mang tính thực tiễn cao, đợc
nghiên cứu từ thực tế nhu cầu thị trờng và dự tính cho tơng lai. do vậy các sản
phẩm ra đời đ đợc thị trờng đón nhận tích cực, tạo đợc niềm tin với khách hàng.
4


5 Chơng I

Nghiên cứu tổng quan nhu cầu sử dụng áp tô mát 1 pha 2 cực
có gam dòng đến 30 A điện áp 250 V tại Việt Nam

Qua khảo sát về vấn đề sử dụng thiết bị điện trong hệ thống điện nói chung cũng
nh tại các hộ tiêu thụ điện nói riêng, do nhu cầu sử dụng các thiết bị tiêu thụ điện
trong các hộ gia đình ngày càng tăng, trong khi đó việc đầu t, nâng cấp cải tạo
đờng dây và trạm cha đáp ứng đợc nhu cầu đó. do vậy trong các hộ tiêu thụ điện
thờng sảy ra hiện tợng quá tải, ảnh hởng đến tuổi thọ thiết bị và đờng dây.
Khỏch hng ngy nay c t do la chn nhng sn phm cho mỡnh, vic a
dng hoỏ sn phm s to iu kin cho khỏch hng cú thêm nhiu s la chn
những mt hng tiờu dùng, nht l nhng thit b in dựng trong gia ỡnh, mt hng
ny cng ũi hi cao v kiu dỏng, mu mó và sự tin nghi.
Nn kinh t th trng, hi nhp với quốc tế, vic cnh tranh gia hng ni a và
hng nhp ngoi tr nờn gay gt hn. Ngoi yu t v giỏ cả cht lng v mu mó
sn phm cũn cú yu t th hiu v tin cy ca ngi tiờu dựng. c bit ỏp tụ
mỏt 1 pha 2 cc c nhp t cỏc nc trờn th gii vi nhiu mu mó v giỏ c
khỏc nhau, mt s Cụng ty nhp linh kin lp rỏp ti Vit nam gim giỏ thnh.
Qua tìm hiểu trên thị trờng cả nớc, đ có rất nhiều cỏc hóng nc ngoi đ cung
cấp sn phm áp tô mát 1 pha 2 cực vo Vit Nam, sản phẩm đợc ngời tiêu dùng

cầu thông số của sản phẩm theo yêu cầu tiêu chuẩn, ỏnh giỏ kh nng cụng ngh
ca cụng ty VINAKIP iu kin ỏp ng yờu cu k thut thit k v ch
to.
Cỏc yờu cu v tớnh nng sn phm
- An ton v in theo tiờu chun
- Kt cu vng chc, m bo bn c
- Kớch thc chi tit dn in, cỏc chi tit bo v nhit tuõn th theo tớnh toỏn v
m bo khụng phỏt núng quỏ tiờu chun cho phộp, m bo v bn in, và
bền nhit.
- B xung ốn tớn hiu bỏo khi úng in v cú in nhm tng thm m ca sn
phm.
- Kh nng lp ln lot cao.
- ỏp ng c gii phỏp lp t thun tin,
- Kh nng ỏp ng cụng ngh ca Cụng ty cao
7 Sản phẩm đạt theo tiêu chuẩn với các thông số sau:

TT Chỉ tiêu chất lượng Đơn vị đo Kết quả đạt được Ghi chú
1 Điện áp làm việc V 250

2 Khoảng mở tiếp điểm mm ≥ 3mm

3 Khoảng nén tiếp điểm mm ≥ 1,2mm

4 Độ bền cơ khí
Chu kỳ
đóng ngắt
≥ 4000


8
Độ tăng nhiệt tại đầu nối
ngoài ở dòng điện
I= 1,13 Iđm
trong thời
gian ≥ 1h
≤ 60
O
C
a. H thng liờn ng c khớ: có nhiệm vụ truyền chuyển động để tự ngắt, tách rời
tiếp điểm động khỏi tiếp điểm tĩnh khi áp tô mát có sự cố hoặc đóng ngắt bằng
tay theo ý muốn.

Hình minh hoạ hệ thống liên động cơ khí 9 b. H thng mch vũng dn in: có nhiệm vụ mang và dẫn dòng điện ở mọi chế
độ khác nhau nh dài hạn, ngắn hạn, ngắn hạn lặp lại và chế độ quá tải của áp
tô mát.
Diện tích tiếp xúc lớn, chống đứt dây
Dây nối mềm đợc nối với cực phụ bằng Phơng pháp
hàn tiếp xúc giảm tối đa điện trơt tiếp xúc
Nối với thanh dẫn bằng hàn tiếp xúc
Dây nối mềm
F
Thanh BIMÊTAN
10 d. Th©n, n¾p vµ hép b¶o vÖ Th©n



Hình vẽ
Hình minh hoạ sơ đồ động cho nguyên lý hoạt động của cơ cấu liên động cơ khí:
Khi áp tô mát ở trạng thái mở hoàn toàn (các cặp tiếp điểm tách rời nhau), điểm cao
nhất trên thanh truyền 1 (vị trí điểm chết trên). Khi tác dụng một lực lên tay bật-
thanh truyền 1 chuyển động xoay, đẩy thanh truyền 2 (lẫy móc) chuyển động từ vị trí
1 đến 1, đồng thời tác dụng đẩy tấm tỳ nén tiếp điểm động chuyển động xuống
dới, khi thanh truyền 1 xoay đến vị trí điểm chết dới, tiếp điểm động tiếp xúc với
tiếp điểm tĩnh khi đó thanh truyền 2 (Lẫy móc) đợc giữ cố định tại điểm 1 áp tô
mát ở vị trí đóng hoàn toàn.

Khi tác dụng một lực F
2
lên thanh giữ lẫy móc, lẫy móc tuột khỏi thanh giữ, thanh
truyền 1 và 2 chuyển động về vị trí ban đầu (điểm chết trên), kết thúc chu kỳ dóng
ngắt.
Thanh truyền 1
Lẫy móc
giữ móc
Tấm tỳ
Tay bật
Giá tiếp điểm động
Giá tiếp điểm tĩnh
Điểm chết trên Thanh truyền 2 (Thép 3 X13) Thanh truyền 1 (Thép 3X13)

II. Tính toán thiết kế phần tử bảo vệ:
áp tô mát là khí cụ điện dùng bảo vệ thiết bị điện khi mạch điện sảy ra các sự cố
nh ngắn mạch, quá dòng, quá áp, thấp áp vì vậy phần tử bảo vệ đóng vai trò rất
quan trọng. Theo tính năng bảo vệ có thể chia áp tô mát theo nhiều chức năng bảo vệ
khác nhau.
áp tô mát bảo vệ quá tải
áp tô mát bảo vệ ngắn mạch
áp tô mát bảo vệ quá dòng
áp tô mát bảo vệ mất pha & thấp áp
13

áp tô mát bảo vệ hỗn hợp là loại có thể kết hợp các chức năng bảo vệ
trong một áp tô mát tuy, nhiên áp tô mát loại này có kết cấu phức tạp,
kích cỡ lớn, giá thành cao.
Qua khảo sát về vấn đề sử dụng thiết bị điện trong hệ thống điện nói chung cũng
nh tại các hộ tiêu thụ điện nói riêng. do nhu cầu sử dụng các thiết bị tiêu thụ diện
trong các hộ gia đình ngày càng tăng trong khi đó việc đầu t, nâng cấp cải tạo
đờng dây và trạm cha đáp ứng đợc nhu cầu đó do vậy trong các hộ tiêu thụ điện
thờng sảy ra hiện tợng quá tải. Một trong những lý do trên, để mong muốn có một
sản phẩm tối u đảm bảo đợc các chỉ tiêu kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế. nhóm thiết
kế đ lựa chọn phơng pháp bảo vệ cho áp tô mát là bảo vệ quá tải.

1. Nguyên lý hoạt động phần tử bảo vệ quá tải
Hiện tợng quá tải trong mạch điện xuất hiện khi có nhiều phụ tải tiêu thụ

Là tập hợp sự biến đổi từ điện năng nhiệt năng cơ năng, dựa trên nguyên lý
sự gin nở không đều của 2 loại vật liệu khác nhau . Phiến kim loại kép (Bimêtan)
cấu tạo gồm 2 tấm kim loại, 1 tấm có hệ số gin nở dài bé, một tấm có hệ số gin nở
dài lớn thờng dùng đồng thau hoặc thép Crôm-Niken, đợc ghép với nhau bằng
phơng pháp cán nóng hệ số gin nở khác nhau giữa hai tấm kim loại khoảng 20 lần.
* Lựa chọn phơng pháp đốt nóng: căn cứ theo điều kiện làm việc của áp tô mát,
dòng điện định mức để lựa chọn các phơng pháp đốt nóng cho phù hợp gồm 3
phơng pháp đốt nóng sau:
- Đốt nóng trực tiếp: Là phơng pháp cho dòng điện trực tiếp đi qua tấm kim loại kép
(Tấm kim loại kép trở thành điện trở đốt nóng) u điểm kết cấu đơn giản, hằng số
thời gian bé, làm việc tin cậy. nhợc điểm khi thay đổi cấp dòng phải thay đổi bề
dày tấm bimetan, hay điện trở đốt nóng, sử dụng cho thiết bị có dòng dịnh mức nhỏ
- Đốt nóng gián tiếp: Là phơng pháp cho dòng điện đi qua phần tử đốt nóng độc
lập, phần tử đốt nóng sẽ truyền nhiệt đốt nóng tấm bimetan. u điểm muốn thay đổi
cấp dòng điện định mức cho áp tô mát chỉ phải thay đổi phần tử đốt nóng. nhợc
điểm khi có quá tải lớn, phần tử đốt nóng đạt đến nhiệt độ khá cao nhng vì không
khí truyền nhiệt kém, tấm bi metan cha kịp tác động phần tử đốt nóng đ bị cháy.
- Đốt nóng hỗn hợp là phơng pháp kết hợp vừa đốt nóng trực tiếp vừa đốt nóng gián
tiếp, u điểm của phơng pháp này là tính ổn định nhiệt cao, có thể làm việc ở bội
số quá tải lớn. Nhợc điểm kết cấu phức tạp, giá thành cao.

Hình minh họa cho các phơng pháp đốt nóng.

Độ dời f
o
và lực tác dụng F
o
lên vật cản đó đợc tính nh sau:
f
o
= l
2
(1)
f
o
= (
1
-
2
)



l
b
2
(2)
Trong đó:
- f
o
: Là độ dời của tấm kim loại kép nếu đầu cuối của nó không bị cản trở (hình
2a)

= 12,5 N
= 95
o
C-30
o
C = 65
o
C
= 2.10
-5
M
pa1
= 1,7.10
-52
= 1,3.10
-5 Kết hợp (1); (2) và (3)
=
)(
16
3
.

mà tại đó áp tô mát tác động và các biểu thức tính toán (1); (2); và (3) xây dựng
đờng đặc tính Am pe - giây (A-S) cho áp tô mát nh sau: 17 Các đờng đặc tính thời gian dòng điện

Thực chất phần tử bảo vệ trong áp tô mát là rơ le nhiệt. Đặc tính cơ bản của rơ
le nhiệt là quan hệ giữa thời gian tác động và dòng điện phụ tải chạy qua. Mặt khác
để đảm bảo tuổi thọ lâu dài của thiết bị theo đúng số liệu kỹ thuật. Lựa chọn áp tô
mát sao cho có đợc đờng đặc tính Am pe- giây áp tô mát gần sát đờng đặc tính
Am pe-giây của đối tợng cần đợc bảo vệ. Nhng nếu chọn quá thấp sẽ không tận
dụng đợc công suất của thiết bị, chọn quá cao sẽ làm giảm tuổi thọ của thiết bị.

III. Tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện
1. Nguyên lý cấu tạo mạch vòng dẫn điện: Mạch vòng dẫn điện đóng vai trò rất


Tiếp điểm hợp kim gốm ( Bạc/ni)
Giá tiếp điểm(Đồng lò xo)
Tính đàn hồi tốt- lực nén tiếp điểm lớn
Thanh dẫn đồng chất lợng cao
mạ bạc giảm điện trở tiếp xúc
kẹp dây vào ra (dạng tấm kẹp)
Diện tích tiếp xúc lớn, chống đứt dây
Dây nối mềm đợc nối với cực phụ bằng Phơng pháp
hàn tiếp xúc giảm tối đa điện trơt tiếp xúc
Nối với thanh dẫn bằng hàn tiếp xúc 2. Tính toán thanh dẫn
Các bớc tính toán và thiết kế thanh dẫn
- Xác định kích thớc thanh dẫn ở chế độ dài hạn, ngắn hạn
- Kiểm nghiệm các kích thớc đ tính
a) Chọn vật liệu :

o
C
Nhiệt độ cho phép cấp A([
cp
]) = 95
o
C
b) Tính toán thiết kế thanh dẫn
- Chọn kết cấu
+ Chiều dài thanh dẫn: l (mm)
+ Chiều rộng thanh dẫn a (mm)
+ Chiều rộng thanh dẫn b (mm)
19 Theo biểu thức Niu tơn P = K
T
.S
T
.(
ođ
-
o
) = K

Hay
)(
.
2
mt
d
TD
mo
K
S
KI


=


Trong đó: R
o
: Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định ()
I : Dòng điện định mức của áp tô mát Iđm=30A
n : Hệ số hình dáng (Chọn n=5)


: (m) Điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định


=
20
.(1+) =
20

mt

Chọn nhiệt độ môi trờng lớn nhất
mt
= 60
o
C
ođ
= 95-60 = 35
o
C
K

: Hệ số tổn hao phụ đặc trng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng
gần
K

=K
đm
-K
g
=1.03ữ1.06 Đối với dòng điện xoay chiều.
K
đm
: hiệu ứng bề mặt
S
T
(m
2
) diện tích tản nhiệt của thanh dẫn

Vậy chu vi tiết diện thanh dẫn đợc tính bằng
S.D=
=

T
K
KI

2
)(
).1(
2
mtoT
To
K
KI





+
.a.b. 2(a+b)=



oT
o
K
KI

thớc chiều dày b và chiều rộng a phù hợp với kết cấu sản phẩm cũng nh kích thớc
băng phôi vật t chọn b = 1,2mm
và a = 5mm.
d. Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch
J
mm
=
mm
dmm
t
AA

Trong đó
J
mm
: Mật độ dòng điện
t
mm
: Thời gian ngắn mạch
A
mm
: Hệ số tích phân ứng với mm hay bền nhiệt
A
d
: Hệ số tích phân ứng với nhiệt độ ban đầu
Với
bn
= 300
o
C

(s)
Mức quy định

J
mm
(A
2
s/mm
2
)
Kết quả

(j
mm
)
cp
(A/mm
2
)
3

0,8944

0,94

4

0,77

0,82

=5A/mm
2

Nh vậy mật độ dòng điện j < (2ữ7) thỏa mn
- Độ tăng nhiệt của thanh dẫn

od
=
3
2
.).1(.2

bKnn
KI
T
f
+


=
36
32
5.10.6).15.(5.2
06,1.10.02382,0.30


+
=14,23
o
C

bằng vít và bu lông M4 và M3
Dạng kết cấu đầu nối
b
a
S
tx
22

Tính đầu nối
Diện tích tiếp xúc đầu nối: S
tx
=
j
I
dm

Đối với thanh dẫn đồng làm việc ở tần số f=50Hz, dòng định mức 30A chọn
mật độ dòng điện nơi tiếp xúc j = 0,13 (A/mm
2
)
S
tx
= 75mm
2

đm
< I < 1,8I
đm
: Dòng khởi động, dòng ngắn
mạch. Tiếp điểm phải chịu đợc độ bền nhiệt và độ bền điện động.
- Khi làm việc với dòng định mức và khi đóng ngắt với dòng điện cho
phép tiếp điểm phải có độ mòn điện và độ mòn cơ cao, độ rung tiếp điểm
không lớn hơn trị số cho phép.
b. Chọn kết cấu và vật liệu tiếp điểm
- Chọn dạng tiếp xúc: Tiếp xúc đóng mở thờng sử dụng các dạng tiếp xúc mặt,
tiếp xúc đờng và tiếp xúc điểm. Căn cứ theo các điều kiện làm việc, dòng định mức
để lựa chọn dạng tiếp xúc cho phù hợp. Đối với áp tô mát có dòng định mức là 30A,
làm việc trong môi trờng ít bụi chọn dạng tiếp xúc điểm.

Tiếp điểm động Tiếp điểm tĩnh
Mặt cầu
Mặt phẳng
23 Vật liệu tiếp điểm


961 (1083)Tỷ trọng

G

g/cmm
2

10,5 (8,9)Điện trở suất ở 20
o
C


20


mm
0,01
59.10
-
3

(0,015.10
-

Hệ số dẫn nhiệt điện trở



1/

o
C

0,004 (0,0015)c. Tính toán tiếp điểm
- Lực ép tiếp điểm:
Lực ép tiếp điểm có tác dụng đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình
thờng ở chế độ dài hạn và chế độ ngắn mạch trong thời gian cho phép
tiếp điểm không bị hàn dính do nhiệt và lực điện động.
Tại điểm tiếp xúc lực ép tiếp điểm sẽ là:
F
tđ
= n.I
2
đm
.
2
16



B

nóng
dài hạn của thanh dẫn)
T
td
=82,44+273=355,44 (
0
K)
T
tx
: Nhiệt độ nơi tiếp xúc T
tx
=T
tđ
+
tx
độ tăng nhiệt của tiếp điểm so với
thanh dẫn
tx
=10
0
vậy T
tx
=365,44 (
0
K)

F
tđ
=1.30
2

K
tx
= 1,58.10
-4

m = 1
R
tx
=
2,7
10.58,1
4
=1,92.10
-7
()
* Điện áp rơi trên tiếp điểm
U
tđ
=I
đm
.R
tđ
=30.1,92.10
-7
=0,0057 V=5mV
Điện áp rơi trên tiếp điểm đảm bảo điều kiện tiếp xúc
Nhiệt độ tiếp điểm.
Nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm

tđ

.[1+0,0035(95-20]=4,04.10
-5

(mm)
K
T
= 8.10
-6
(w.
o
C.mm
2
)
S: Tiết diện thanh dẫn S = 5.1,2 = 6mm
P: Chu vi tiết diện thanh dẫn P = (1,2+5).2 = 12,4 mm
: Độ dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm
= 0,325 [ww/mm.
o
C]
Nhiệt độ môi trờng
mt
= 60
o
C
25 tđ
= 60+
6

f
.
td
F
(A)
Trong đó trị số A đợc xác định nh sau:
A =
)
3
2
1(
)
3
1
1.( 32
ncoBo
ncnc
H


+
+

Với:

o
: Điện trở suất của vật liệu tiếp điểm ở 20
o
C


C
H
Bo
: Độ cứng của vật liệu tiếp điểm
H
Bo
= 70 kG/mm
2

A =
)1300.0035,0.
3
2
1.(10.99,2.70.
)1300.0035,0.
3
1
1.(1300.325,0.32
8
+

=3872,3
F
nc
: Hệ số đặc trng choc ho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát
nóng, chọn F
nc
= 3
F
td