Thiết kế công tắc tơ Đồ án khí cụ điện hạ áp
Luận văn
Đề tài: Thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3
pha
Ngäc V¨n Tó - 1 - TB§-§T1
Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp
Mục lục
Lu n v n 1
t i: Thi t k Cụng t c t xoay chi u 3 pha 1
Mục lục 2
Lời nói đầu 5
Chơng I 6
Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ 6
I. Khái niệm chung 6
i. Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ 6
ii. Nguyên lý hoạt động 7
II. Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ 7
1. Hệ thống mạch vòng dẫn điện 7
ii. Hệ thống dập hồ quang 7
iii. Nam châm điện 8
iv. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung 8
v. Hình dáng của công tắc tơ 8
Chơng II 9
Tính toán mạch vòng dẫn điện 9
I. Khái niệm chung 9
III. Mạch vòng dẫn điện chính 10
1. Thanh dẫn 10
ii. Đầu nối 13
iii. Tiếp điểm 15
II. Mạch vòng dẫn điện phụ 21
1. Thanh dẫn 21

v. Tính đờng kính dây 44
vi. Tính toán vòng ngắn mạch 44
vii. Tính toán vòng ngắn mạch 47
Ngọc Văn Tú - 3 - TBĐ-ĐT1
Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp
viii. Tính toán kiểm nghiệm cuộn dây 48
ix. Tính và dựng đặc tính lực điện từ 50
Chơng V 54
Tính và kiểm nghiệm buồng dập hồ quang 54
I. Vật liệu 54
1. Vật liệu làm vỏ buồng dập hồ quang 54
ii. Vật liệu làm các tấm dập 54
VI. Tính toán và kiểm nghiệm 54
Chơng VI 58
Hoàn thiện kết cấu 58
I. Mạch vòng dẫn điện 58
1. Mach vòng dẫn điện chính 58
ii. Mạch vòng dẫn điện phụ 59
VII. Lò xo tiếp điểm, lò xo nhả 59
1. Lò xo tiếp điểm chính 59
2. Lò xo tiếp điểm phụ 59
3. Lò xo nhả 59
VIII. Nam châm điện 60
1. Mạch từ 60
2. Kích thớc cuộn dây 60
iii. Vòng ngắn mạch 60
iv. Buồng dập hồ quang 60
IX. Vỏ và các chi tiết khác 61
Chơng VII 61
Ví dụ minh họa ứng dụng công tắc tơ trên 61

chế, thời gian có hạn và kinh nghiệm thực tế còn ít, nên trong quá trình thiết kế
đồ án em còn mắc những sai sót nhất định. Vì vậy em rất mong có đợc sự chỉ
bảo và đóng góp ý kiến thầy cô và các bạn sinh viên.
Em xin chân thành cảm ơn bộ môn Thiết bị điện - điện tử và thầy Đặng Chí
Dũng.
Chơng I
Chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ
I. Khái niệm chung
i. Tác dụng và cấu tạo của công tắc tơ
Công tắc tơ là khí cụ điện dùng để đóng, cắt thờng xuyên các mạch điện
động lực, từ xa, bằng tay hay tự động. Việc đóng cắt công tắc tơ có tiếp điểm có
thể thực hiện bằng nam châm điện, thuỷ lực hay khí nén. Thông thờng ta gặp loại
đóng cắt bằng nam châm điện. Công tắc tơ gồm các bộ phận chính sau
- Hệ thống mạch vòng dẫn điện.
- Hệ thống dập hồ quang.
- Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung.
- Nam châm điện.
- Vỏ và các chi tiết cách điện.
Ngọc Văn Tú - 6 - TBĐ-ĐT1
Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp
ii. Nguyên lý hoạt động
Khi cho điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ đợc sinh ra trong nam châm
điện. Luồng từ thông này sẽ sinh ra một lực điện từ. Khi lực điện từ lớn hơn lực
cơ thì nắp mạch từ đợc hút về phía mạch từ tĩnh, trên mạch từ tĩnh có gắn vòng
ngắn mạch để chống rung, làm cho tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh.
Tiếp điểm tĩnh đợc gắn trên thanh dẫn, đầu kia của thanh dẫn vít bắt dây điện ra,
vào. Các lò xo tiếp điểm có tác dụng duy trì một lực ép tiếp điểm cần thiết lên
tiếp điểm. Đồng thời tiếp điểm phụ cũng đợc đóng vào đối với tiếp điểm phụ th-
ờng mở và mở ra đối với tiếp điểm thờng đóng. Lò xo nhả bị nén lại.
Khi ngắt điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ giảm xuống về không, đồng

hút thẳng.
- Nhợc điểm: Kết cấu phức tạp, một pha có một chỗ ngắt làm cho việc dập
hồ quang khó khăn, phải dùng dây nối mềm.
Nam châm điện hút thẳng
- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, Kết cấu tiếp điểm bắc cầu một pha có hai chỗ
ngắt làm cho việc dập hồ quang đơn giản hơn, Hành trình chuyển động
gắn liền với chuyền động của nắp nam châm điện,việc bố trí buồng dập hồ
quang dễ dàng, Không dùng dây nối mềm.
- Nhợc điểm: đặc tính cơ của nam châm điện hút thẳng không tốt bằng nam
châm hút quay.
Do có nhiều u điểm cho nên ta sẽ sử dụng nam châm điện xoay chiều hình chữ
E kiểu hút chập.
iv. Hệ thống các lò xo nhả, lò xo tiếp điểm và lò xo hoãn xung
Lò xo nhả, lò xo tiếp điểm: ta chọn kiểu lò xo xoắn hình trụ do nó ít bị ăn
mòn và bền hơn lò xo tấm phẳng.
Lò xo hoăn xung: dùng để giảm bớt va chạm giữa nắp và thân cực từ do đó ta
dùng lò xo lá.
v. Hình dáng của công tắc tơ
Sau khi chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ ta đợc hình dáng công tắc tơ nh sau
Ngọc Văn Tú - 8 - TBĐ-ĐT1
Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp
1. Tiếp điểm tĩnh. 6. Thanh dẫn tĩnh.
2. Tiếp điểm động. 7. Lò xo nhả.
3. Lò xo ép tiếp điểm. 8. Mạch từ nam châm điện.
4. Thanh dẫn động. 9. Cuộn dây nam châm điện.
5. Dàn dập hồ quang. 10. Vòng ngắn mạch.
11. Nắp mạch từ nam châm điện.
Chơng II
Tính toán mạch vòng dẫn điện
I. Khái niệm chung

0
C (
20
) 0,0158.10
-3
mm
Độ dẫn nhiệt () 3,9 W/cm
0
C
Độ cứng Briven (H
B
) 80 ữ 120 kG/cm
2
Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0043 1/
0
C
Nhiệt độ cho phép cấp A ([
cp
]) 95
0
C
b. Tính toán thanh dẫn
Theo phần chọn kết cấu và thiết kế sơ bộ, ta đã chọn thanh dẫn có tiết
diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề dầy b
Theo công thức 2-6 (TL1) :
Trong đó :
Ngọc Văn Tú - 10 - TBĐ-ĐT1
3
.1).K2.n.(n
.K.I

= 1,06.
K
T
: hệ số tản nhiệt, K
T
= (6 ữ 12).10
-6
(W/
0
C.mm
2
)

Chọn K
T
=
7,5.10
-6
.


: điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định.


=
20
[1+( - 20)]

20
: điện trở suất của vật liệu ở 20


ôđ
= 95 - 40 = 55
O
C
Vậy ta có
a = b.n =7. 0,54 = 3,78 (mm)
Vậy kích thớc tối thiểu của thanh dẫn động là a = 3,78 mm và b = 0,54 mm.
Tuy nhiên hình dạng của thanh dẫn động còn phụ thuộc vào hình dạng của
tiếp điểm.
Chọn tiếp điểm theo bảng 2-15(TL1.T51)
với I
đm
= 18 A ta chọn đờng kính tiếp điểm d
tđ
= 8 mm và chiều cao tiếp
điểm là h
tđ
= 1,5 mm.
Chọn lại kích thớc của thanh dẫn động: a= 10 mm và b= 1,2 mm
c. Kiểm tra kích thớc làm ở điều kiện làm việc dài hạn
Diện tích thanh dẫn:
S = a.b =10.1,2 = 12 (mm
2
)
Ngọc Văn Tú - 11 - TBĐ-ĐT1
)(54,0
3
55.10.5,7).17.(7.2
06,1.10.1,2.18

P.S
mtodT
f
od
0
2
mtoT
f
2

+
=


=



+
==
.K IK.P.S
.K.P.S.K I
f0
2
T
mtTf0
2
tddô
với
0

0043,0.06,1.10.015,0.1810.5,7.4,22.12
40.10.5,7.4,22.1206,1.10.015,0.18
326
632



+
=
td

= 43
0
C
Vậy
td

< [
cp
] = 95
0
C

thanh dẫn thoả mãn về nhiệt độ ở chế độ
định mức.
d. Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch
Đặc điểm của quá trình ngắn mạch:
Dòng điện và mật độ dòng điện có trị số rất lớn.
Thời gian tác động nhỏ.
Từ đặc điểm trên rõ ràng khi xảy ra ngắn mạch nhiệt độ thanh dẫn tăng

A
đ
: hằng số tích phân ứng với nhiệt độ đầu.
Tra đồ thị hình 6-5 (TL1.T313) ta có:
Với
bn
= 300
0
C có A
bn
= 3,65.10
4
(A
2
s/mm
4
)đ
= 95
0
C có A
đ
= 1.6.10
4
(A
2
s/mm
4

tĩnh có tiết diện và chu vi lớn hơn thanh dẫn động cho nên thanh dẫn tĩnh cũng
thoả mãn chế độ dài hạn và ngắn hạn.
ii. Đầu nối
Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý dễ
bị hỏng nặng trong quá trình vận hành nhất là những khí cụ điện có dòng điện
lớn và điện áp cao.
Ngọc Văn Tú - 13 - TBĐ-ĐT1
b
a
S
tx
Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp
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.
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.
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 dây nối mềm hoặc không có dây nối mềm. ở
đây ta chon mối nối có thể tháo rời đợc và bằng bu lông.
Với dòng điện định mức I
đm
= 18A theo bảng 2-9 (TKKCĐHA) chọn bu lông
5 bằng thép không dẫn điện và trụ đồng 5.

Diện tích bề mặt tiếp xúc : S
tx
=

2
chọn f
tx
=100 kG/cm
2
= 100.10
-2
kG/mm
2

F
tx
= 100.10
-2
.58,1 = 58,1 (kG)
Theo công thức 2-25(TL1.T59). Điện trở tiếp xúc là:
Ngọc Văn Tú - 14 - TBĐ-ĐT1
m
tx
tx
F
K
).,(
R
tx
1020
=
Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp
Trong đó
m =1

đm
.R
tx
=18.1,7.10
5
= 0,31 (mV)
Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([U
tx
]
cp
=30 mV), nên
bu lông đã chọn thoả mãn yêu cầu.
iii. Tiếp điểm
a. Nhiệm vụ của tiếp điểm
Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng ngắt của các khí cụ điện đóng ngắt.
b. 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.
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.
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 = 18 A.
Từ bảng 2-13 (TL1) ta chọn vật liêu là bạc niken than chì, với các thông số
kỹ thuật sau:

0
C
Nh đã chọn ở phần tính thanh dẫn động ta có kích thớc của tiếp điểm là d
= 8 mm; h=1,5 mm.
4. Lực ép tiếp điểm
Theo công thức kinh nghiệm
F
tđ
= f
tđ
x I
đm
Tra bảng 2-17 ta chọn f
tđ
= 15 (g/A)
F
tđ
= 15 x 18 = 270 (g) = 0,270 (kg) = 2,70 (N)
5. Điện trở tiếp điểm
Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm đợc tính theo công thức 2-25(TL1.T159)
R
tx
=
m
td
tx
)F.102,0(
K
Trong đó :
F

==


4
80
3
107
721020
10250
6.Điện áp tiếp xúc
U
tx
= I
đm
.R
tx
=18.7.10
-4
= 0,0126 (V) = 12,6 (mV)
Vậy điện áp nơi tiếp xúc U
tx
thoả mãn điều kiện nhỏ hơn điện áp tiếp xúc
cho phép [U
tx
] = 2 ữ 30 mV.
7. Nhiệt độ tiếp điểm và nhiệt độ nơi tiếp
xúc
Theo công thức 2-11(TL1.T52) nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm
Ngọc Văn Tú - 16 - TBĐ-ĐT1
T



=
95
=
20
.[1+ (-20)] = 3,5.10
-5
.(1+0,0035.(95-20)]
= 4,42.10
-6
( Wcm)

mt
: nhiệt độ môi trờng,
mt
=40
0
C
R
tđ
: điện trở tiếp điểm.
R
tđ
=
65
10071
663
51
10424

.,.
., ,
.,.
=++=




td

0
C
Nhiệt độ của điểm tiếp xúc là:

C
RI
txdm
tdtx
0
6
24222
2448
104249338
10718
147 ,
.,.,.
) (
,
.8.
.

3
2
1(H
)
3
1
1(32
ncOB
ncnc
O
+
+

O
: điện trở suất của vật liệu ở 20
O
C .
Ta có
20
=
O
(1+.20)


O
=
20.1
O
+


= 50 kG/mm
2
= 50.10
6
(kg/m)

A =
741135
130000350
3
2
1102731050
130000350
3
1
1130025332
86
,
)., (.,
)., (.,.
=
+
+


(A/Kg
1/2
)
f
nc

= 0,275 (kG)

I
hd
= 2000.
)A(8,1048275,0 =
Ta thấy I
hdbđ LT
< I
hdbd TN
.Chọn I
hdbd
= I
hdbd TN
= 1048,8A
I
nm
= 10.I
đm
= 10.18 = 180A
Vì I
nm
< I
hdbd
cho nên tiếp điểm không bị hàn dính.
9.Độ rung và thời gian rung của tiếp điểm
Ngọc Văn Tú - 18 - TBĐ-ĐT1
Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp
Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đầu tiếp xúc sẽ có xung lực va đập cơ khí
giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây ra hiện tợng rung tiếp điểm. Tiếp điểm

= 7.18 = 126 (g) =0,126 (kg)
v
đo
: tốc độ tiếp điểm tại thời điểm va đập .
v
đo
= 0,1 m/s
K
V
: hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu.
K
v
=
9,085,0 ữ

chọn K
V
= 0,9.
F
tđđ
: lực ép tiếp điểm đầu.
F
tđđ
= 0,7.F
tđ
=0,7.0,275 = 0,1975 (kg) =1,975 (N)

X
m
=


)s(10.6,5
975,1
9,01.1,0.175,0.2
t
3
m

=

=
= 5,6 (ms)
Do công tắc tơ có ba tiếp điểm chính cho nên thời gian rung của một tiếp
điểm là
Ngọc Văn Tú - 19 - TBĐ-ĐT1
Thit k cụng tc t ỏn khớ c in h ỏp
3
6,5
3
t
m
mtd
t
==
= 1,9 (ms)
10. Độ mòn của tiếp điểm
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 cặp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là:

đ
, K
ng
: hệ số mòn khi đóng và khi ngắt, tra bảng 2-21
(TL1.T79) ta có
K
ng
=K
đ
= 0,01 (g/A
2
)
I
đ
và I
ng
: dòng điện đóng và dòng điện ngắt.
I
đ
= 5I
đm
=5.18 = 90 (A)
I
ng
=3.I
đm
= 3.18 = 54 (A)
g
đ
và g

. 1,65.10
-7
= 0,165(

g)
Thể tích mòn một sau một lần đóng cắt là
Thể tích ban đầu của tiếp điểm là
V
tđ
=
)4(mm,,.
.
.
d
3
2
7551
4
8
4
2
==

h
Lợng mòn của tiếp điểm sẽ là :
V
m
% =
%,%.
,

Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm
tĩnh ở trạng thái ngắt của công tắc tơ.
Độ mở cần phải đủ lớn để có thể dập tắt hồ quang nhanh chóng, nếu độ
mở lớn thì việc dập tắt hồ quang sẽ dễ dàng.Tuy nhiên khoảng cách quá lớn sẽ
ảnh hởng tới kích thớc của công tắc tơ.
Ta lấy độ mở của tiếp điểm là m=5mm.
b. Độ lún
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.
Theo cônh thức lí thuyết l= A+ B.I
đm
= 1,5 + 0,02.18 = 1,86

2 (mm).
II. Mạch vòng dẫn điện phụ
Việc tính mạch vòng dẫn điện phụ tơng tự với cách tính vòng dẫn điện
chính, với I
đm
=10A.
1.Thanh dẫn
a. Thanh dẫn động
Vật liệu và kết cấu: giống với thanh dẫn động trong mạch vòng dẫn điện
chính.
tính toán thanh dẫn
3
ụdT
f

C


=0,015.10
-3
(Wmm)

b= 0,2 (mm)

a=7.0,2= 1,4 (mm)
Chọn tiếp điểm kiểu cầu với I
đm
=10(A)

chon đờng kính của tiếp điểm
là d= 5(mm) và chiều cao của tiếp điểm là h =1,2 (mm).
Vậy thì chọn a = 6 (mm) ; b = 0,8 (mm)
Mật độ dòng điện :
j
)/(,
,.
2
082
806
10
mmA
S
I
m
===

10,5 g/cm
3
Điện trở suất ở 20
C
0


20
0,0116.10
-3
Wmm
2
/m
Độ cứng H
B

30 ữ 60
kG/cm
2
Độ dẫn nhiệt

480 W/m
0
C
Hệ số dẫn nhiệt điện trở

0,004
1/(
C
0

m
td
tx
)F.102,0(
K
Với K
tx
= 0,25.10
-3
m = 0,5

R
tx
= 7,5.10
-4
()
Tính điện áp tiếp xúc theo công thức
U
tx
= I
đm
.R
tx
= 10.0,75.10
-3
= 7,5.10
-3
(V) = 7,5 (mV)
Độ lún của tiếp điểm đợc tính theo công thức
l=A+B.I

580 N/mm
2
Module đàn hồi, E 200.10
3
N/mm
2
Mudule chống trợt, G 80.10
3
N/mm
2
Điện trở suất, 0,19 ữ 0,22 .10
-6
m
ii. Lò xo ép tiếp điểm chính
Tính toán cho 1 lò xo
Đờng kính dây lò xo
Theo công thức 4-31 (TL1) , đờng kính dây lò xo là :
d
lxc
=
][
C.F8
x

Trong đó
F: lực ép tiếp điểm tính cho một tiếp điểm(1 pha 2 chỗ ngắt).
F=2.F
tđc
= 2.2,75 =5,5 (N)
C: chỉ số lò xo, C =

lxc
3
lxc
4
lxc
F.D8
f.d.G

Trong đó

F: Lực lò xo phải sinh ra trong đoạn f.

F
lxc
= F
tđc
- F
tđd
=2.(2,75 0,7.2,75) = 1,65 (N)
f: Độ lún của lò xo
f
lxc
= l = 2 (mm)
G: Mô đun chống trợt.

W
lxc
=
41,10
65,1.52,3.8

Chiều dài kết cấu
l
k
= d
lxc
.W
lxc
= 0,44.11= 4,84 (mm)
l
n
= W
lxc
.t
n
+ 1,5.d
lxc
= 11.0,62 + 1,5.0,44 = 7,48 (mm)
ứng suất xoắn thực tế của lò xo

x
=
74,578
44,0.
8.5,5.8
d
FC8
22
=

=

lxp
=
)(,
.
.,.
mm30
580
8228
=

Vậy chọn đờng kính dây lò xo là d
lxp
=0,3(mm)
Đờng kính lò xo
D
lxp
= C. d
lxp
= 8.0,3 = 2,4 (mm)
Số vòng làm việc
W
lxp
=
lxp
3
lxp
4
lxp
F.D8
f.d.G