ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
LỜI NÓI ĐẦU
Điện năng là một nguồn năng lượng quan trọng được sử dụng rộng rãi
trong tất cả các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân. Nhu cầu sử dụng điện năng
không ngừng gia tăng. Ngày nay cần có nhiều thiết bị điện hiện đại hơn, tinh
vi hơn và dễ sử dụng hơn.
Khí cụ điện là những thiết bị điện chuyên dùng để đóng ngắt, điều
khiển, điều chỉnh, bảo vệ các lưới điện và các thiết bị sử dụng điện năng khác.
Do đó khí cụ điện là loại thiết bị không thể thiếu được, khi sử dụng điện năng
trong công nghiệp cũng như trong đời sống.
Khi công nghiệp ngày càng phát triển, nhu cầu cuộc sống ngày càng
đòi hỏi cao hơn, càng cần thiết phải có các khí cụ điện nhiều về số lượng, tốt
về chất lượng và hoàn hảo hơn. Đặc biệt theo xu thế chung, các khí cụ điện
hiện đại còn đòi hỏi phải có khả năng tự động hoá.
Chính vì vai trò cần thiết của khí cụ điện nên việc nghiên cứu các
phương pháp thiết kế, tính toán của khí cụ điện là một nhiệm vụ quan trọng
không ngừng được hoàn thiện.
Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết
bị Điện - Khoa Điện, sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Bùi Tín Hữu
khoảng thời gian 4 tháng em đã tiến hành thiết kế một loại khí cụ điện mà
trong các mạch điều khiển không thể thiếu được. Đó là rơle trung gian xoay
chiều.
Do thời gian có hạn và còn thiếu kinh nghiệm trong thiết kế, hiểu biết
thực tế còn ít nên trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em còn một số sai
sót.
Em kính mong nhận được sự thông cảm, chỉ bảo và giúp đỡ của các
thầy cô giáo và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện
Nguyễn công Luận
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 1

SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 2
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
khác với khe hở làm việc đồng thời đơn giản trong tính toán cũng như trong
chế tạo…
Kết cấu sơ bộ:
Hình 1
1. Nắp mạch từ
2. Lõi
3. Cuộn dây nam châm điện
4. Tiếp điểm động và thanh dẫn động
5. Tiếp điểm tĩnh và thanh dẫn tĩnh
6. Cơ cấu truyền động
7. Cần truyền động
8. Lò xo nhả
9. Vòng ngắn mạch
10. ổ trượt của cần truyền động.
Nguyên lý làm việc.
* Tiếp điểm thường mở khi chưa có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở
trạng thái mở (ngắn mạch).
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 3
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Hình 2
* Tiếp điểm thường đóng khi không có tín hiệu điều khiển tiếp điểm ở
trạng thái đóng (đóng mạch).
Hình 3
Khi đặt điện áp nguồn U
nguồn
lên cuộn dây của nam châm điện trong
cuộn dây sinh ra từ thông φ khép mạch qua mạch từ của nam châm điệm
và qua khe hở không khí δ (khe hở lam việc). Từ thông φ

tồn tại các tiêu chuẩn, quy định về độ bền cách điện theo điện áp định mức. ở
trạng thái khô và sạch của khí cụ điện, nó phải chịu được điện áp thử tần số
là 50Hz, thời gian thử một phút. Theo bảng (1 - 1)/ 13 tài liệu 1, ta có.
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 4
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
+ Điện áp thử nghiệm U = 220V
+ Điện áp định mức của cách điện: U
cđ
= 220V
b. Khoảng cách điện giữa các phần tử dẫn điện.
Muốn khí cụ điện có độ tin cậy cao thì cần khoảng cách cách điện lớn.
Song như vậy lại tăng kích thước và khối lượng của thiết bị. Vì vậy nên
chọn theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệp
điện lực cho các loại khí cụ điện hạ áp thông dụng.
ở đây ta xét ở điện áp U
đm
= 220 V theo bảng ( 1-2)/14 tài liệu 1 ta
chọn khí cụ điện trong mạch điều khiển và tín hiệu, ứng với nó có khoảng
cách điện giữa các phần tử dẫn điện, cụ thể là khoảng cách cách điện giữa
các thanh dẫn. l
cđ
= 10mm
l
c®
Hình 4
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
PHẦN II : TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.
Mạch vòng dẫn điện là bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và
kích thước hợp thành.

Nhiệt dung riêng : C
p
= 386J/kgdeg
Nhiệt lượng nóng chảy : 50,6 J/g
Nhiệt lượng bay hơi : 770,0 J/g
Modul đàn hồi : E = 100.10
3
N/mm
2
Modul trượt : E
t
= 42.10
3
N/mm
2
Độ cứng : H
B
= 91 kg/mm
2
ứng suất uốn cho phép : σ
u
= 186 N/mm
2-
Giới hạn đàn hồi : σ
K
= 550 N/mm
2
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Giới hạn đàn hồi : σ

Trong đó: n =
a
b
= 5 ÷ 12: Hệ số hình dáng.
Chọn n = 12
I
đm
= 5A
K
f
= K
bm
. K
g
= 1,03 ÷ 1,06 : là hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn
hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần.
Chọn K
f
= 1,06
K
T
: hệ số toả nhiệt không khí theo bảng (6 -5)/300 tài liệu 1
Chọn K
T
= 9.10
-6
[W] mm
2 0
C
τ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
= 0,0177 . 10
-3
[ 1 + 0,0043 . 75] = 0,0234 . 10
-3
( Ωmm)
Vậy:
( )
( )
−
−
= =
+
2 3
3
6
5 .0,0234.10 .1,06
0,16
1 12 1 .12.9.10 .55
a mm
Suy ra: a = n . b = 12 . 0,16 = 1,92 mm
- Mặt khác ta đã chọn với rơle loại này thì thanh dẫn động cũng chính
là lò xo ép tiếp điểm dạng tấm phẳng và kết hợp chọn theo đường kính tiếp
điểm và đảm bảo độ bền cơ ứng với dòng điện: I
đm
= 5A
Theo bảng (2 - 15) / 51 tài liệu 1
+ Đường kính tiếp điểm: d
tđ
= 3 (mm)

td
=
®m 0 T T mt
2
T ®m 0 f
I . .K + Sp.K .
Sp.K - I . .K .a
ρ θ
ρ
Với:
* S = 2m
2
: là tiết diện thanh dẫn
* p = 2 (a + b) = 2 (5 + 0,4) = 10,8mm là chu vi thanh dẫn.
( )
3
20
0
20
0,0177.10
1 . 1 0,0043.20
−
= =
+ θ +
ρ
ρ
α
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
= 0,0163 . 10

nm
= I
bn
: là dòng ngắn mạch - dòng điện bền nhiệt.
A
bn
= A
nm
: là giá trị hằng số tích phân bền nhiệt và ứng với nhiệt
độ ban đầu.
Tra đồ thị hình ( 6 - 5)/ 313 tài liệu 1:
Với θ
bn
của đồng phốt pho cho phép bằng 300
0
thì:
A
bn
= 3,75 . 10
4
(/A
2
S/mm
4
)
θ
ôđ
= 95
0
thì

bn
td
I
169,3
=
S 2
= 84,7 (A)
+ t
bn
= 4s
→ I
bn
= 200
2,15
3
= 146,3 (A)
→ I
bn
=
146,3
2
= 73,15 (A/mm
2
)
+ t
bn
= 10s
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
→ I

Vậy ta có bảng so sánh mật độ dòng điện như sau:
T
bn
(s) 3 4 10
[J
bn
] (A/mm
2
) 94 82 51
J
bhtính
(A/mm
2
) 84,7 73,15 46,4
Ta nhận thấy J
bn
< [J
bn
]
cp
. Như vậy có thể bảo đảm được giá trị dòng
điện ngắn mạch cho phép.
3. Thanh dẫn tĩnh.
Để đảm bảo độ dày bắt vít nối và mật độ dòng điện nằm trong khoảng
cho phép ta chọn kích thích thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn
động.
Ta chọn: b = 1mm
A = 6mm
Suy ra: S
tdt

)
Kích thước và số lượng của chi tiết dùng để nối được tính theo số liệu
thực nghiệm trong bảng ( 2 = 9)/32 tài liệu1.
Với dòng điện I
đm
= 5A thì kích thước của vít lò:
- Đường kính ren hẹ mét.
+ Bulông thép: M3 x 18
+ Trụ lõi dẫn điện có ren bằng đồng thau: M3 x 18, mối nối tháo rời được.
- Lực ép của mối nối tính theo công thức
F
tx
= f
tt
. S
tx
Trong đó: f
tt
= 100 ÷ 150 (kg/cm
2
) : lực ép riêng.
Chọn f
tx
= 100 kg/cm
2
Suy ra: F
tx
= 100. 16,13 . 10
-2
= 16,13kg

−
= 0,43.10
-3
Ω
- Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc.
U
tx
= I
đm
. R
tx
= 5. 0,43 . 10
-3
Vậy U
tx
đã nằm trong khoảng cho phép là [U
tx
] = 2 ÷ 30 mV.
III. Xác định kích thước tiếp điểm.
1. Chọn vật liệu tiếp điểm.
Với dòng điện I
dm
= 5A, theo bảng (2 - 13)/44 tài liệu 1.
Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc kéo nguội với các thông số kỹ
thuật sau:
Ký hiệu : CP 999
Tỷ trọng : γ = 10,5 g/dm
3
Nhiệt độ nóng chảy : θ
nc

SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 12
h
d
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Hình 6
Tiếp điểm động và tĩnh có dạng như nhau
Vì tiếp điểm có dạng hình trụ cầu nên khi tiếp xúc có dạng tiếp xúc
điểm.
2. Lực ép tiếp điểm.
a. Tính theo lý thuyết.
Theo công thức (2 - 14) / 53 tài liệu 1
F
tđ
=
2
B
®m
2 2
t®
tx
A. .H
1
I . .
16.
T
arcos
T
π
λ
 

0
C
2
: hằng số loren
F
tđ1
: gọi là lực nén tại một điểm tiếp xúc
T
td
: nhiệt độ thanh dẫn nối tiếp xúc
F
tx
= T
tđ
+ ∆T: nhiệt độ tiếp xúc
Với ∆T = ( 5 ÷ 10)
0
K
Chọn ∆T = 8
0
K
Suy ra: T
tx
= T
td
+ 8
0
K = (θ
td
+ 273) + 8

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Theo công thức (2 - 17)/56 Tài liệu 1.
F
tđ
= f
tđ
. I
đm
Với rơle điện từ trung gian xoay chiều có dòng điện định mức:
I
đm
= 5A và vật liệu tiếp điểm là bạc kéo nguội nên ta có:
f
tđ
= 5 ÷ 10 (G/A)
Chọn f
tđ
= 7 (G/A)
Suy ra: F
tđ
= 7.5 = 35G = 0,35 (N)
* So sánh hai kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm ta có.
F
tđ
= 0,35 (N)
3. Tính điện trở tiếp xúc R
tx
- Theo công thức lý thuyết:
R
tx

- Theo công thức thực nghiệm:
R
tx
=
( )
tx
m
t®
K
0,102.F
Trong đó:
- K
tx
= 0,06 . 10
-3
, chọn theo bảng giữa bạc - bạc trang 59 tài liệu 1.
- m = 0,5: hệ số dạng bề mặt là tiếp xúc điểm.
- F
tđ
= 0,35 (N)
Suy ra: R
tx
=
( )
3
0,5
0,06.10
0,102.0,35
−
= 0,32 . 10

nhiệt độ tiếp điểm theo công thức (2 - 11)/ 52 tài liệu 1
θ
tđ
= θ
mt
+
2 2
®m ®m tx
T
T
I . I .R
+
Sp.K
2 .p.s.K
θ
ρ
λ
Với: S
tđ
=
2
2
t®
.d
3,14.3
=
4 4
π
= 7,07 mm
2

−
+

= 41
0
C
Theo công thức ( 2 -12)/ 52 tài liệu 1
θ
tx
= θ
tđ
+
( )
2
2 3
2 2
®m tx
7
5 ,76.10
I .R
41
8. .
8.0,416.2,067.10
−
−
θ
−
= +
λ ρ
= 62

1
32. . 1 + .
3
2
.H . 1 + .
3
 
λ θ α θ
 ÷
 
 
π ρ α θ
 ÷
 
Với
20
0
1,59.10 6
1 .20 1 0,004.20
ρ
ρ
α
−
= =
+ +
= 0,0147 .10
-3
( Ωmm)
θ
nc

= 10. I
đm
= 10. 5 =50 (A)
* Như vậy không thể hàn dính được tiếp điểm khi ngắn mạch.
- Tính theo công thức thực nghiệm. ( 2 - 36)/67 tài liệu 1
I
hdbđ
= K
hđ
.
t®
F
(A)
Trong đó: F
tđ
= 0,035 kg
K
hđ
= 300 (A/kg): hệ số hàn dính xác định theo bảng (2-19)/67
tài liệu 1.
Suy ra: I
hdbđ
= 900 . 0,035 = 168,4 (A)
* Như vậy với dòng điện ngắn mạch
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 16
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
I
nm
=50A không thể hàn dính tiếp điểm.
7. Tính độ mở và độ lún của tiếp điểm

=
( )
2
® ®o V
t®®
m .V 1 - K
2.F
Trong đó:
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 17
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
- F
tđ đ
= ( 0,4 ÷ 0,7) F
tđc
= 0,6 . 0,035 = 0,021 kg
Là lực ép tiếp điểm ban đầu tại thời điểm va đập.
- m
đ
=
®
G
g
(KG.S
2
/m): khối lượng nắp
- G
đ
= m
c
. I

/m)
- V
đo
: Vận tốc tại thời điểm va đập
Chọn V
đo
= 0,1 (m/s)
- K
V
= 0,85 ÷ 0,9
Chọn K
V
= 0,85: hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu
Suy ra: X
m1
=
( )
3 2
3,57.10 .0,1 1 0,85
2.0,021
−
−
= 0,1275 (mm)
Vì số tiếp điểm thường mở cửa rơle là 5 nên ta có độ rung tổng:
X
m
∑
=
=
1

9. Tính toán sự ăn mòn của tiếp điểm.
Sự ăn mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng ngắt mạch điện
và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố.
+ Điều kiện làm việc
+ Kết cấu của khí cụ điện
Theo công thức (2 - 54)/79 tài liệu 1
Trong đó:
- K
đ
, K
ng
: Hệ số mòn khi đóng và khi ngắt cho trong hình (2 - 16)/79
tài liệu 1.
K
đ
= K
ng
= 0,5 (g/A
2
)
K
kđ
= 1,1: hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn.
I
đ
= . I
đm
= 5 (A)
I
ng

= 357,5 . 10
-3
(g)
+ Thể tích của tiếp điểm:
V
tđ
= S
tđ
. h =
2
t®
.d
.h
4
π
=
2
3,14.3
.1,2
4
= 8,478 mm
3
+ Thể tích bị mòn của tiếp điểm:
V
mòn
=
3 3
357,5.10 .10
10,5
− −

Khi nghiên cứu chuyển động của các cơ cấu khí cụ điện, cần phải
khảo sát hai quá trình khác biệt nhau là quá trình đóng và quá trình cắt của
chúng.
Trong quá trình đóng khí cụ điện, lực chuyển động phải thắng được
lực cản trở chuyển động, trong đó có cả lực cản có ích
(lực ép tiếp điểm ). Yêu cầu cơ bản của cơ cấu khí cụ điện là :
+ Cơ cấu phải đảm bảo trị số cần thiết của các thông số động
lực học của cơ cấu chấp hành ( hành trình, góc quay, độ lún, độ mở)
+ Lực chuyển động của các cơ cấu đảm bảo việc đóng cắt của
cơ cấu chấp hành
+ Tốc độ của cơ cấu chấp hành cần đảm bảo, khi đóng mạch,
tốc độ chuyển động của tiếp điểm phải đủ lớn để giảm nhỏ thời gian cháy
hồ quang và tốc độ không lớn tránh va đập, rung động.
+ Phải đảm bảo thời gian tác động.
I. Lập sơ đồ động.
Công dụng của sơ đồ động là cho ta biết sơ bộ một cách rõ ràng và
chính xác về sự truyền và biến đổi chuyển động của các khâu trong cơ cấu,
của các vị trí đặc trưng nhất của chu trình chuyển động. Đó là hai vị trí đóng
và vị trí ngắt.
Các số liệu đặc trưng của sơ đồ động :
+ Độ lớn hành trình hoặc góc quay của các khâu chủ động và bị động.
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 20
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
+ Chiều dài các tay đòn, tỉ số truyền.
+ Đặt và định hướng các véctơ lực hay mômen lực.
Ta phân tích lực của sơ đồ động ở hai trạng thái : δ = 0 và δ ≠ 0 hay
δ = m+1
Khi khe hở δ = 0, trạng thái nam châm hút nắp
Sơ đồ động cho ta biết sự truyền động và biến đổi khớp, các khâu cơ cấu.
Hình 7

F
t
® F
l
x
n
®
l
®
t
l
l
x
Hình 8
II. Tính toán lò xo và trọng lượng phần động.

= 320 N/mm
2
.
Giới hạn mỏi cho phép khi uốn: σ
u
= 186 N/mm
2
.
Modul đàn hồi: E = 100. 10
3
N/mm
2
.
Modul trượt: Et = 42 . 10
3
N/mm
2
.
Điện trở suất: ρ
20
= 0,0177 . 10
-6
Ωm.
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 22
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
b. Tính toán.
- Với rơle này có 5 lò xo tiếp điểm thường đóng và 5 lò xo tiếp điểm
thường mở (Tiếp điểm kiểu bắc cầu).
+ Lực ép tiếp điểm cuối của lò xo (sau khi nắp bị hút).
F

l
71
2 2
=
= 35,5 mm.
Độ võng của lò xo được xác định theo công thức (4-21)/169 tài liệu 1.
3
3
td
3 3 3
4.F .l
4.0,35.35,5
f
6.b .E 6.0,4 .100.10
= =
= 1,63 (mm).
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 23
b
l
t®
a
Hình 9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Vậy f ≥ l
1
= 1,6 là độ lún tiếp điểm nên chiều dài lò xo l = 35,5 (mm)
là thích hợp.
+ Độ cứng của lò xo là lực do lò xo gây ra ở độ võng khoảng 1mm.
j =
t®

< [σ
u
]
cp
= 186 N/mm
2
.
Vậy lò xo tiếp điểm đã thiết kế làm việc bình thường.
3. Tính lò xo nhả :
a. Chọn vật liệu :
Ta chọn vật liệu làm lò xo nhả là thép Cácbon có độ bền cơ cao. Lò xo kiểu
hình xoắn trụ, chịu nén tốt, có các thông số sau:
Ký hiệu : I(B)
Độ bền kéo giới hạn σ
k
= 2650(N/mm
2
) .
Giới hạn mỏi cho phép khi uốn. σ
u
= 930 N/mm
2
.
Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn σ
x
= 580 N/mm
2
.
Modul đàn hồi E = 200. 10
3

= 1,2: hệ số dự trữ.
F
tđc
= 3,5N.
G
đ
= 0,35 N.
F
ms
= 0.
Suy ra:
F
nhđ
= 1,2 (3,5 + 0,35) = 4,62 (N).
+ Theo kinh nghiệm:
F
nhc
= (11,5 ÷ 2) F
nhđ
.
= 1,5 . 4,62 = 6,93 (N).
- Đường kính d của dây thép quấn lò xo theo công thức (4-31)/173 tài
liệu 1.
[ ]
x
F.C.K
d 1,6≥
σ
Trong đó :
K = 1,14 : hệ số xét tới độ cong của lò xo.