LỜI NÓI ĐẦU.
Để đánh giá sự phát triển kinh tế của một số quốc gia chúng ta thường
dựa vào trong tiêu chuẩn kinh tế rất quan trọng đó là sự phát triển nền công
nghiệp quốc gia, đặc biệt là ngành điện. Điện năng là nguồn năng lượng quan
trọng được sử dụng rộng rãi hầu hết các lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân.
Một ngành cung cấp năng lượng phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của con
người. Ở đây chúng ta đi sâu vào tìm hiểu một bộ phận trong cơ cấu thiết bị
khá quan trọng trong điều khiển quá trình sản xuất biến đổi truyền tải phân
phối năng lượng.
Khí cụ điện là những thiết bị dùng để đóng, cắt, điều khiển, điều chỉnh
và bảo vệ các lưới điện, mạch điện, máy điện và các máy móc sản xuất. Ngoài
ra nó còn được dùng để kiểm tra và điều khiển các quá trình năng lượng khác.
Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy điện, các trạm biến
áp, trong các xí nghiệp công nghiệp, nông nghiệp, lâm nghiệp, thủy sản, giao
thông vận tải… Do đó việc sử dụng điện năng trong công nghiệp cũng như
trong đời sống không thể thiếu các loại khí cụ điện.
Khí cụ điện có rất nhiều loại tùy theo chức năng và nhiệm vụ. Có thể
chia ra làm các loại chủ yếu sau đây:
+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao: máy ngắt, dao
cách ly, kháng điện, biến dòng, biến áp.
+ Nhóm các khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp như: máy tự
động, các bộ phận đầu nối( cầu dao, công tắc xoay), cầu chì…
+ Nhóm các rơ le: rơ le bảo vệ, rơ le dòng, rơ le áp, rơ le công suất, rơ le
nhiệt…
+ Nhóm các khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ …
Khi nền công nghiệp càng phát triển, hiện đại hóa cao thì càng cần thiết
phải có các loại khí cụ điện tốt hơn, hoàn hảo hơn. Các loại khí cụ điện còn
1
phải đòi hỏi khả năng tự động hóa cao. Chính vì vai trò quan trọng của khí cụ
điện nên việc nghiên cứu các phương pháp tính toán, thiết kế các khí cụ điện
là một nhiệm vụ quan trọng và phải có sự đầu tư đúng mức để ngày càng

Tuổi thọ N=10
5
làm việc liên tục, cách điện cấp A
Số lượng tiếp điểm: 3 tiếp điểm chính thường mở.
2 tiếp điểm phụ thường đóng.
2 tiếp điểm phụ thường mở.
Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
1. Phân tích phương án, chọn kết cấu thiết kế.
2. Tính mạch vòng dẫn điện.
3. Tính và dựng đặng tính cơ.
4. Tính toán nam châm điện.
2
5. Chọn buồng dập hồ quang.
Kem theo bản thuyết minh gồm các bản vẽ sau:
+ Bản vẽ tổng lắp ráp A
o
: 01 bản.
+ Bản vẽ chi tiết A
1
: 02 bản.
+ Bản vẽ các đường đặc tính A
1
: 01 bản.
Mặc dù đã rất tập trung để hoàn thành bản thuyết minh, song do còn
thiếu kinh nghiệm trong việc thiết kế nên quá trình làm đề tài chắc không
tránh khỏi những sai sót. Vậy em rất mong được sự góp ý của các thầy cô
giáo trong bộ môn Thiết bị Điện - Điện tử để bản thuyết minh của em được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thiết kế.

Khi tính toán, thiết kế công tắc tơ thường phải đảm bảo lúc điện áp
bằng 85% U
cd
thì phải đủ sức hút và lúc điện áp bằng 110% U
cd
thì cuộn dây
không nóng quá trị số cho phép và công tắc tơ vẫn làm việc bình thường.
Đảm bảo độ bền điện động: độ bền điện động được xác định bằng số
lần đóng ngắt tối thiểu mà sau đó cần thay thế hoặc sửa chữr các tiếp điểm bị
ăn mòn khi có dòng điện chạy qua tiếp điểm.
Đảm bảo độ mòn về điện đối với công tắc tơ tiếp điểm, trong ngày nay những
loại công tắc tơ hiện đại độ mòn về điện từ (2÷3).10
6
lần đóng ngắt.
Đảm bảo độ bền về cơ: độ mòn về cơ được xác định bằng số lần đóng
ngắt tối đa mà chưr đòi hỏi phải thay thế hoặc sửa chữ các chi tiết khi không
có dòng điện tiếp điểm. Ngày nay các công tắc tơ hiện đại độ bền cơ khí đạt
2.10
7
lần đóng ngắt.
IV.CẤU TẠO CỦA CÔNG TẮC TƠ:
Công tắc tơ điện từ bao gồm những thành phần chính sau:
Hệ thống mạch vòng dẫn điện.
Cơ cấu điện từ.
Hệ thống dập hồ quang.
Hệ thống phản lực.
V.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÔNG TẮC TƠ:
Khi đưa dòng điện vào cuộn dây của nam châm điện sẽ tạo ra từ thông
Φ và sinh ra lực hút điện từ F
đt

công tắc tơ nhỏ và gọn. Từ thông rò không đổi khi chuyển động, lực hút điện
từ lớn.
Nhược điểm: không sử dụng được với dòng điện lớn vì độ mở của tiếp
điểm bằng độ mở của nam châm điện. Nên nếu dùng cho dòng điện lớn thì độ
mở của tiếp điểm lớn dẫn đến nam châm điện hóa. Khi đó kích thước của
công tắc tơ sẽ lớn dẫn đến hay bị rung động.
2. Hút quay:
Ưu điểm: có cấu tạo đơn giản, độ mở tiếp điểm lớn nên sử dụng cho
các loại công tắc tơ có dòng điện lớn.
Nhược điểm: vì do cấu tạo của loại này là có hệ thống cánh tay đòn nên
khó chế tạo và tháo lắp, kích thước công tắc tơ lớn.
6
II. TIẾP ĐIỂM:
Do mạch từ kiểu hút thẳng nên ta chọn tiếp điểm có dạng bắc cầu một
pha hai chỗ ngắt.
Kiểu này có ưu điểm: vì ta chọn như vậy bởi chỗ ngắt trong mạch là hai
nên có khả năng ngắt nhanh, chịu được và dễ dập hồ quang. Đồng thời giảm
hành trình chuyển động dẫn đến giảm kích thước của công tắc tơ. (như hình
vẽ).
Trong đó:
1. Thanh dẫn tĩnh
2. Thanh dẫn động.
3. Tiếp điểm động.
4. Tiếp điểm tĩnh
2
3
4
1
III. BUỒNG DẬP HỒ QUANG:
Buồng dập có tác dụng giúp ta dập tắt hồ quang nhanh nên phải đảm

đổi trong quá trình nắp chuyển động, từ dẫn khe hở không khí lớn, lực hút
điện từ lớn đặc tính của lực hút điện từ gần với đặc tính cơ phản lực của loại
công tắc tơ xoay chiều. Sử dụng kiểu này ta dễ dàng sử dụng tiếp điểm kiểu
hai chỗ ngắt.
Trên thực tế và theo tham khảo với công tắc tơ xoay chiều có dòng định
mức I
đm
<100 (A) người ta thường chọn mạch từ có dạng chữ ш kiểu hút thẳng
có đặc tính hút gần với đặc tính phản lực đồng thời đơn giản hơn trong quá
trình tính toán và chế tạo.
Kết Luận:
Qua phân tích ở trên để phù hợp với yêu cầu và kỹ thuật. Vậy em chọn kiểu
dáng kết cấu cho công tắc tơ mà em thiết kế là:
Mạch từ: chữ ш.
Kiểu hút: hút thẳng.
Tiếp điểm: một pha hai chỗ ngắt.
Buồng dập hồ quang: kiểu dàn dập.
Hệ thống phản lực: 3 lò xo tiếp điểm chính.
2 lò xo nhả.
2 lò xo tiếp điểm phụ.
8
Vỏ: nhựa cứng.
Từ các yếu tố đã chọn ở trên ta có kiểu dáng công tắc tơ mà em thiết kế như
hình vẽ:
Trong đó:
1: Lò xo nhả
2: Nam châm điện.
3: Tiếp điểm tĩnh.
4: Buồng dập hồ quang.
5: Tiếp điểm động.

cđ
≥ 5 (mm)
Nên ta chọn l
cđ
= 10 (mm), l
rò
= 30 (mm).
Khi chọn khoảng cách cách điện nó còn phụ thuộc rất nhiều vào tính chất của
vật liệu, bụi, độ bẩn, trạng thái bề mặt cách điện giữa các pha. Vì vậy khi thiết
kế hình dạng cấu trúc của cách điện sao cho khi vận hành bụi bẩn không phủ
lên chúng.
Vậy để giảm kích thước của công tắc tơ và loại trừ khả năng bụi bẩn nên
chọn kết cấu của cách điện dạng gờ, mái bật như hình vẽ :
l
c®
10
l
rò
PHẦN II: THIẾT KẾ TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.
Mạch vòng dẫn điện của công tắc tơ bao gồm: Thanh dẫn, hệ thống tiếp
điểm và các đầu nối.
Yêu cầu cơ bản của mạch vòng dẫn điện:
+ Đảm bảo độ bền cơ, độ bền động và độ bền nhiệt.
+ Khi làm việc ở chế độ dài hạn với I
đm
nhiệt độ phát nóng cho phép của mạch
vòng không vượt quá nhiệt độ cho phép. Khi làm việc ở chế độ ngắn mạch
trong khoảng thời gian cho phép, mạch vòng phải chịu được lực điện động do
vòng ngắn mạch gây ra mà các tiếp điểm không bị nóng chảy và hàn dính lại.
+Trong quá trình đóng ngắt mạch điện thường xuyên cũng như có sự cố, xuất

nguội có tiết diện hình chữ nhật ký hiệu MI – TB có các thông số kỹ thuật
sau:
θ = 1083 (
o
C) : Nhiệt độ nóng chảy.
ρ
20
= 0,01741.10
-3
(Ωmm) : Điện trở suất 20
o
C.
α = 0,0043 (1/
o
C) : Hệ số nhiệt điện trở
λ = 3,9 (W/cm
o
C) : Độ dẫn điện.
γ = 8,9 (g/cm
3
) : Khối lượng riêng.
H
B
= 80 ÷ 120 (kg/mm
2
) : Độ cứng Brinen.
[θ
cp
] = 95
o

13
Chọn k
T
= 6 (W/m
2 o
C) = 6.10
-6
(W/mm
2o
C).
τ
ôđ
= [θ] – θ
môi trường
: Độ tăng nhiệt độ ổn định.
Với [θ] = 95
o
C : Nhiệt độ phát nóng cho phép của của thanh dẫn.
θ
môi trường
= 40
o
C: Nhiệt độ môi trương.
Nên τ
ôđ
= 95 – 40 = 55
o
C.
ρ
θ

6
32
-
-
Ta có tỷ số:
b
a
= 6 → a = 6.b = 6.1,45 = 8,7 (mm).
Vậy kích thước thanh dẫn tối thiểu là:
a = 8,7 (mm).
b = 1,45 (mm).
Mặt khác thanh dẫn ngoài việc dẫn điện tốt thì nhiệt độ phát nóng của nó
không vượt quá trị số cho phép và thanh dẫn còn phải đủ lớn để gắn tiếp điểm
lên trên.
Vậy kích thước của thanh dẫn còn phụ thuộc vào đường kính của tiếp điểm.
Theo bảng (2 - 15)– quyển 1: Với I
đm
= 60 (A) ta có
d
tđ
= (16 ÷ 20) (mm) : đường kính tiếp điểm.
h
tđ
= (1,4 ÷2,5) (mm): chiều cao tiếp điểm.
Chọn đường kính tiếp điểm: d
tđ
= 14 (mm).
Nên chiều dài thanh dẫn a = 14+ (1÷2)
Vậy ta chọn kích thước của thanh dẫn động như sau:
14

< [J
tđ
] = 4 (A/mm
2
) là phù hợp.
b.Tính toán nhiệt độ thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:
Theo công thức (2- 4)/18 - Quyển 1 ta có:
S.P =
)(.k
k)..+1(..I
mttd.t
ftdo
2
.m®
θ-θ
θαρ
θ
tđ
=
αρ-
θρ
.k..Ik.P.S
.k.P.S+k..I
fo
2
m®T
mtTfo
2
m®
(

20
)
Mà ρ
0
=
20.+1
20
α
ρ
=
20.0043,0+1
10.01741,0
3
= 0,016.10
-3
(Ωmm).
Nên nhiệt độ phát nóng của thanh dẫn :
15
θ
tđ
=
0043,0.04,1.10.016,0.6010.6.35.24
40.10.6.35.24+04,1.10.016,0.60
326
632
--
--
-
= 54,68 (
o

).
Trong đó:
J
nm
= J
bn
: Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt.
t
nm
= t
bn
: Thời gian ngắn mạch, bền nhiệt.
A
bn
, A
đ
: Giá trị hằng số tích phân ứng với nhiệt độ bền nhiệt và nhiệt độ
đầu.
Nhiệt độ bền nhiệt của thanh dẫn là: 300 (
o
C).
Tra đồ thị (6 – 6)– quyển 1 ta được:
θ
bn
= 300 (
o
C) → A
nm
= 4.10
4

t
nm
= 3 (s) → J
nm
= 87,56 (A/mm
2
)
t
nm
= 4 (s) → J
nm
= 75,83 (A/mm
2
)
t
nm
= 10 (s) → J
nm
= 47,96 (A/mm
2
)
So sánh với mật độ dòng điện bền nhiệt cho phép đối với thanh dẫn đồng ở
bảng (6 – 7)- quyển 1 ta có bảng sau:
T
nm
(S) 3 4 10
16
[J
nm
] (A/mm

60
= 1,5 (A/mm
2
).
Trong đó:
S
t
= a.b = 20. 2 = 40 (mm
2
): Tiết diện thanh dẫn tĩnh.
I = I
đm
= 60 (A): Dòng điện định mức.
Vậy J
t
= 1,5 (A/mm
2
) < [J
cp
] = 4 (A/mm
2
) là phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
Như vậy kích thước thanh dẫn tĩnh là: a= 20 (mm).
b= 2 (mm).
II. VÍT ĐẦU NỐI:
Đầu nối dùng để nối dây dẫn mạch ngoài với thanh dẫn tĩnh. Nó là một
phần tử quan trọng trong hệ thống mạch vòng. Nếu không đảm bảo rất dễ bị
hư hỏng trong quá trình vận hành.
II.1 YÊU CẦU ĐỐI VỚI ĐẦU NỐI:
17

).
Theo kinh nghiệm thiết kế và tham khảo tài liệu hướng dẫn với dòng điện
định mức I
đm
= 60 (A) đối với thanh dẫn bằng đồng mật độ dòng điện có thể
lấy bằng 0,31 (A/mm
2
) tại chỗ tiếp xúc với dòng xoay chiều có tần số 50 Hz.
18
Vậy S
tx
=
31,0
60
= 193,5 (mm
2
).
2. Lực ép tiếp xúc được tính theo công thức:
F
tx
= f
tx
.S
tx
(kg).
Trong đó: S
tx
= 193,5 (mm
2
): Diện tích tiếp xúc

tx
k
0,102.F
(Ω)
Trong đó:
k
tx
: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu.
Theo trang 59-quyển 1 ta có: k
tx
= (0,09÷0,14).10
-3
(Ωkg)
m : là hệ số phụ thuộc hình thức tiếp xúc.
Vì hai thanh dẫn ghép có vít, cho nên ở đây tiếp xúc là tiếp xúc mặt nên theo
trang 59 – quyển 1 ta có : m = 1.
Nên điện trở tiếp xúc :
R
tx
=
[ ]
5,222.102,0
10.12,0
3
= 0,005.10
-3
(Ω).
4. Điện áp tiếp xúc mối nối :
Theo công thức (2 – 27)– quyển 1:
U

Với dòng điện lớn cho phép tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và
độ bền điện động.
Khi làm việc với dòng định mức và đóng ngắt dòng điện giới hạn cho
phép tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bé nhất, độ rung của tiếp điểm
không được lớn hơn trị số cho phép.
III.2 CHỌN KẾT CẤU VÀ VẬT LIỆU TIẾP ĐIỂM :
Qua tham khảo tài liệu và với dòng điện định mức I
đm
= 60 (A) ta chọn
dạng kết cấu tiếp điểm là : tiếp xúc điểm kiểu trụ cầu- trụ cầu ( theo trang 37-
quyển 1).
Vật liệu tiếp điểm cần có độ bền cơ cao dẫn điện và dẫn nhiệt tốt với
dòng I
đm
= 60 (A ) theo bảng (2-13)- quyển 1 : Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm
là kim loại gốm : Ag-Niken than chì.
Ký hiệu : KMK- A32M.
Loại kim loại gốm rất tốt có khả năng đáp ứng nhu cầu cho tiếp điểm có độ
cứng cao, điện trở suất nhỏ và ổn định khi làm việc ở chế độ dài hạn.
Các thông số kĩ thuật của KMK – A32M.
γ = 8,7 (g/cm
3
) : Khối lượng riêng.
θ
nc
= 3403 (
o
C) : Nhiệt độ nóng chảy
ρ
20

đm
= 60 (A) ta có:
d= 12÷16 (mm).
h= 1,4÷2,5 (mm).
Chọn kích thước của tiếp điểm động:
a
đ
= 14 (mm).
b
đ
= 2 (mm).
Ta chọn kích thước của tiếp điểm tĩnh lớn hơn so với tiếp điểm động:
a
t
= 16 (mm).
b
t
= 2,5 (mm).
2. Lực ép tiếp điểm tại chỗ tiếp xúc:
Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ
dài han. Trong chế độ ngắn mạch dòng điện lớn lực ép tiếp điểm phải đảm
bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do
hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và rung.
Lực ép tiếp điểm được xác định theo công thức lý thuyết và công thức thực
nghiệm
a. Theo công thức lý thuyết:
d
h
21
Từ công thức (2- 14)- quyển 1 ta có:

= F
tđ1
Trong đó:
I
đm
= 60 (A) – Dòng điện định mức.
H
B
= 75 (kg/mm
2
) Độ cứng Briven vật liệu làm tiếp điểm.
λ = 0,325 (W/cm
o
C) - Độ dẫn nhiệt
A = 2,3. 10
-8
(V/
o
C) – Hằng số Loren.
Theo trang 53 quyển 1 ta có:
T
tđ
= θ
tđ
+ 273(
o
K) = 54,68 + 273 = 327,68 (
o
K)
T

.
)325,0(.16
75.14,3.10.3,2.60
-
= 0,0012(kg).
F
tđ1
= 0,012 (N).
Vậy lực ép tiếp điểm F
tđ
= 1.F
tđ1
= 0,012 (N).
b. Phương pháp kinh nghiệm:
Theo công thức (2 – 17)- quyển 1 ta có:
F
tđ
= f
tđ
. I
đm
.
22
Trong đó:
f
tđ
: lực tiếp điểm đơn vị.
Theo bảng (2 – 17)- quyển 1 ta có : f
tđ
= (7 ÷ 15) (G/A)

Với: ρ
θ

= ρ
20
.[ 1+ α. (95- 20)].
Trong đó:
ρ
20
= 4.10
-5
(Ωmm): điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 20
0
C.
α = 3,5.10
-3
(1/
0
C): hệ số nhiệt điện trở.
Nên ta có: ρ
θ

= 4.10
-5
. [ 1+ 3,5. 10
-3
. (95-20)] = 0,05. 10
-3
(Ωmm).
H

(0.102.F )
(Ω).
Trong đó: k
tx
: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu.
Theo trang 56- quyển 1 ta có: k
tx
= (0,2÷0,3). 10
-3

Chọn k
tx
= 0,25. 10
-3

m= 0,5: hệ số dạng bề mặt tiếp xúc (vì tiếp xúc giữa hai tiếp điểm là
tiếp xúc điểm).
F
tđ
= 6 (N) – Lực ép tiếp điểm.
Vậy ta có điện trở tiếp điểm:
R
tx
=
5,0
3
]6.102,0[
10.25,0
-
= 0,32. 10

(V) = 19,2 (mV).
So sánh với [U
tx
] = (2 ÷ 30) (mV) là phù hợp.
5. Tính nhiệt độ tiếp điểm:
Theo công thức (2 – 11)– quyển 1:
θ
tđ
=
)C(
K.S.P.
R.I
+
K.P.S
.I
+
0
T
®t
2
m®
T
2
m®
mt
λ
ρ
θ
θ
Trong đó:

S
tđ
= π
).mm(86,153=
4
14
.14,3=
4
d
.
2
22
P(mm): chu vi tiếp điểm
P
tđ
= π.d = 3,14. 14 = 43,96 (mm).
R
tđ
: điện trở tiếp điểm.
R
tđ
= 2ρ
0
.
®t
S
h
(Ω).
Trong đó: ρ
θ

0
6
62
6
32
®t
-
-
-
-
θ
6. Tính nhiệt độ tiếp xúc :
Theo công thức (2 – 12)– quyển 1.
θ
tx
=
)C(
..8
R.I
+
0
tx
2
m®
®t
θ
ρλ
θ

Trong đó : θ

232
-
-
Vậy ta so sánh nhiệt độ tiếp xúc θ
tx
< [θ
cp
] = 180
0
C là phù hợp.
25