_____________________________________________________________

LỜI MỞ ĐẦU

Trong công cuộc xây dựng đất nước đi lên chủ nghĩa xã hội, vấn đề
công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước là nhiệm vụ được Đảng và nhà nước
ta đặt lên hàng đầu. Trong đó nhiệm vụ phát triển ngành công nghiệp năng
lượng, sản xuất và truyền tải điện năng được đặc biệt coi trọng.
Khí cụ điện là thiết bị điện dùng để điều khiển, kiểm tra, tự động điều
chỉnh, khống chế các đối tượng điện cũng như không điện và bảo vệ chúng
trong trường hợp sự cố.
Khí cụ điện có rất nhiều chủng loại với chức năng, nguyên lí làm việc và
kích cỡ khác nhau, được dùng rộng rãi trong mọi lĩnh vực của đời sống.
Việc tính toán thiết kế công tắc tơ nói riêng và khí cụ điện nói chung là
nhiệm vụ quan trọng để đảm bảo cho ngành công nghiệp điện năng của đất
nước ta có thể tự chủ trong vấn đề sản xuất các thiết bị điện phục vụ cho sản
xuất và truyền tải điện năng mà không phải phụ thuộc vào việc nhập khẩu từ
nước ngoài.
Dưới đây em xin trình bày toàn bộ nội dung đồ án môn học Thiết kế khí
cụ điện hạ áp do thày giáo Nguyễn Văn Đức hướng dẫn.
Mặc dù trong thời gian qua em đã cố gắng hết sức tìm hiểu thực tế,
nghiên cứu tài liệu để thực hiện đồ án, nhưng không thể tránh khỏi sai sót,
em mong tiếp tục nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các thày.
Em mong bày tỏ lòng biết ơn tới sự giúp đỡ của thày giáo Nguyễn Văn
Đức, thày trực tiếp hướng dẫn và toàn bộ các thày trong bộ môn Thiết bị
điện - điện tử đã dạy dỗ em trong nhiều năm vừa qua.

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2007
Sinh viên

CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TẮC TƠ

δδ
=
, tiếp điểm đóng, công tắc tơ đóng, mạch
thông.
Ngắt công tắc tơ: Ngắt dòng điện ở cuộn dây nam châm điện làm mất từ
thông
( )
0
=
φ
, lực điện từ F
dt
= 0 nên lò xo kéo nắp nam châm điện mở, tiếp
điểm mở, hồ quang điện được dập tắt ở buồng dập hồ quang, mạch điện
ngắt.
II. Chọn phương án thiết kế:
1. Phân tích chọn phương án thiết kế:
Công tắc tơ điện từ xoay chiều dùng nam châm điện có hai dạng:
+ Mạch từ hình chữ U nắp hút quay quanh trụ. Tiếp điểm kiểu ngón,
dạng tiếp xúc đường, dùng dây nối mềm để đưa điện vào tiếp điểm. Thích
hợp với dòng điện lớn, chế độ làm việc nặng nề của công tắc tơ.
+ Mạch từ hình chữ E nắp hút thẳng, một phần phần ứng ngập trong lòng
ống dây. Tiếp điểm kiểu cầu một pha hai chỗ ngắt, không cần dây nối mềm,
dập hồ quang dễ hơn, dạng tiếp xúc của tiếp điểm là tiếp xúc điểm hoặc mặt
tuỳ theo dòng định mức. Thích hợp với chế độ làm việc nhẹ nhàng của công
tắc tơ.
Qua phân tích các phương án thiết kế công tắc tơ trên kết hợp với yêu cầu
thiết được giao là thiết kế công tắc tơ điện từ xoay chiều có dòng định mức
nhỏ (30A) tần số thao tác 400lần/giờ là chế độ làm việc nhẹ nhàng nên chọn
phương án thiết kế tối ưu là mạch từ hình chữ E nắp hút thẳng.

Dạngkết cấu đơn giản
CHƯƠNG II. TÍNH MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN
1. Tính thanh dẫn động:
- Chọn vật liệu: Tra bảng trang 44 và bảng 2-22 trang 82, chọn
vật liệu là đồng kéo nguội, kí hiệu: M1-TB
+ Tỉ trọng (
γ
): 8,9(g/cm
3
).
_____________________________________________________________
3
Vòng ngắn mạch
Lò xo nhả
cuộn dây nam
châm điện
tiếp điểm
Lò xo tiếp
điểm
nắp phần ứng
_____________________________________________________________

+ Nhiệt độ nóng chảy: 1083
0
C.
+ Điện trở suất ở 20
0
C



α
: 0,0043(1/
0
C).
- Thanh dẫn hình chữ nhật:
Theo công thức 2.6 trang 19TLTK ta có:
b=
3
2
.).1.(.2
..
odT
phdm
Knn
KI
τ
ρ
θ
+
;
( )
[ ]
201.
20
−+==
odod
θαρρρ
θθ
n=
b

K
T
=(6
÷
12)
C
02
.m
W
hệ số toả nhiệt ở điều kiện không khí chuyển động tự
nhiên, chọn = 7,5 ( tra bảng 6-5 trang 300TLTK).
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
m
od
C
Ω=−+=−+=⇒
−−
=
88
20
95
10.09,220950043,0110.58,1201
0
θαρρ
θ
Chọn

Theo bảng 2-15TLTK: I
dm
= 5A => d = 3mm ( cao 1mm) => chọn
a = 5mm, chọn b = 0,3mm.
2. Tính kiểm nghiệm thanh dẫn:
- Chế độ dài hạn:
+ Mật độ dòng điện:
_____________________________________________________________
4
_____________________________________________________________

J =
)/(42)/(5,2
1.12
30
.
22
mmAmmA
ba
I
÷〈==
=> thoả mãn.
+ Kiểm tra sự phát nóng thanh dẫn
:
td
θ
theo công thức 2-4 trang 18TLTK:
C
KIKpS
KpSKI

m
Ω=
+
=
+
=
−
−
8
8
20
0
10.45,1
20.0043,01
10.58,1
20.1
α
ρ
ρ
- Kiểm tra chế độ ngắn mạch: theo công thức 6-21 trang
313TLTK
nm
nm
t
AA
j
nm 0
θθ
−
=

nmnm
=<=
−
=
=>
thoả mãn.
*Với t
nm
= 5s:
( )
[ ]
( )
22
/82/56,68 mmAjmmAj
nmnm
=<=
=> thoả mãn.
*Với t
nm
= 10s:
( )
[ ]
( )
22
/51/48,48 mmAjmmAj
nmnm
=<=
=> thoả mãn.
Nhận xét: Dựa vào các kết quả kiểm tra ở chế độ ngắn hạn và dài hạn ta
thấy các thông số a, b đều đạt yêu cầu kĩ thuật.

mmS
tx
==
+ Tính lực F
tx
tại chỗ tiếp xúc:
txtxtx
SfF .
=
với f
tx
=
( )
2
/150120 cmKG
÷
: lực ép tiếp xúc đơn vị.
Chọn f
tx
= 120 KG/cm
2
.
_____________________________________________________________
5
_____________________________________________________________

 F
tx
= 120.96,77.10
2

6
3
3
10.2,1
10.139,1.102,0
10.14,0
tx
R
+ Điện áp rơi tại nơi tiếp xúc:
( )
[ ]
mVUmVIRU
txdmtxtx
302036,030.10.2,1.
6
÷=<===
−
Vậy việc chọn vít nối là thích hợp.
*Với I
dm
= 5A, chọn vít có đường kính ren d = 3 mm
+ Diện tích tiếp xúc đầu nối S
tx
= 5/0,31= 16,1 mm
2
.
+ F
tx
= 120.16,1.10
2

3
Nhiệt độ nóng chảy
( )
nc
θ
1300
C
0
Điện trở suất
( )
20
ρ
0,035.10
( )
mm
Ω
−
3
Độ dẫn nhiệt
( )
λ
3,25W/cm.
C
0
Độ cứng Briven
2
/6545 mmKG
÷

Hệ số dẫn nhiệt điện trở









Π
=
tx
td
B
dmtx
T
T
HA
IF
λ
_____________________________________________________________
6
_____________________________________________________________

với:
T
td
:
[ ]
K
0













Π
=
−
Tiếp xúc điểm, n = 1: F
td
= n.F
td1
 F
td
= 0,035(KG).
* Tính F
td
theo công thức thực nghiệm:dmtdtd
IfF .
=

= 10.5 = 50(G) = 0,005(KG).
F
tdd
= 0,6.F
tdc
= 0,003(KG).
c) Điện trở tiếp xúc R
tx
:
* Theo công thức lý thuyết 2-24TLTK ta có:
( )
Ω=
Π
=
Π
=
−
−
3
3
1
10.38,0
3,0
45.
.
2
10.035,0
.
.
2

( )
Ω==
−
−
3
5,0
3
10.29,0
94,2.102,0
10.16,0
tx
R
=> Chọn R
tx
= 0,38.10
( )
Ω
−
3
=> U
tx
= R
tx
.I
dm
= 11,4(mV) < [U
tx
] = 30mV
d) Nhiệt độ tiếp xúc:
Theo công thức 2-12TLTK ta có:

ρ
: điện trở suất của vật liệu tiếp điểm, =0,035.10
4
−
[ ]
cm
Ω
p,s: chu vi và diện tích tiếp điểm (cm, cm
2
)
K
T
: hệ số toả nhiệt, = 7,5.10
( )
C
024
.W/cm
−
λ
: hệ số dẫn nhiệt, = 3,25(W/cm.
C
0
)
_____________________________________________________________
7
_____________________________________________________________

C
0
0

47
10.035,0.25,3.8
10.29,0.30
≈
−
−
<
C
0
180
=> thoả mãn.
e) Dòng hàn dính tiếp điểm:
* Theo công thức lý thuyết 2-33 trang 66TLTK:
( )
AFfAI
tdnchdbd
..
=
với A là hệ số phụ thuộc vật liệu.






+Π
+
=
ncB
ncnc

+
=
+
=
−
−
5
3
20
0
10.27,3
20.0035,01
10.035,0
20.1
α
ρ
ρ
f
nc
= (2
÷
4): hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc, chọn =3
1351
1300.0035,0.
3
2
1.10.27,3.45.14,3
1300.0035,0.
3
1

FKI .
=
K
hd
: hệ số hàn dính, tra bảng 2-19 trang 67TLTK hoặc hình 2-13
chọn K
hd
= 1000
( )
KGA/
F
td
= 0,3KG => I
hdbd
= 1000.
3,0
=548(A).
chọn I
hdbd
= 548 > I
nm
= 10.I
dm
= 300(A) => thoả mãn.
f) Kiểm tra sự rung tiếp điểm:
Theo công thức 2-39 và 2-40 trang 72TLTK ta có:
* Biên độ rung tính cho 3 cặp tiếp điểm:
( )
tdd
vdod

mI
m
cdm
d
.
=
Σ
; m
c
chọn =8(G/A)
=>
)(49,24
8,9
8.30
Gm
d
==
Σ
v
do
= 0,1(m/s) tốc độ tiếp điểm.
K
v
=0,9 hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu.
F
tdd
= 0,18(KG).
=>
( )
)(10.27,2

( )
kdngngddngd
KIKIKgg ....10
229
+=+
−

Với:
I
d
: dòng điện khi đóng tiếp điểm, I
d
=
( )
74
÷
I
dm
, chọn I
d
= 6I
dm
= 6.30 =
180(A).
I
ng
: dòng điện khi ngắt tiếp điểm, I
ng
=
( )

=>
( )
( )
ggg
ngd
6229
10.62,18,1.240.01,0180.01,0.10
−−
=+=+
Khối lượng mòn về cơ sau 10
5
lần đóng cắt là:
G
m
= 10
5
.(g
d
+ g
ng
) = 0,162 (g).
Khối lượng tiếp điểm: G
td
=
γ
td
. V
td
Với:
td

=
 G
td
= 8,7.0,0737 = 0,6412(g).

%27,25%100
6412,0
162,0
=×=
td
m
G
G
% < (50
÷
70)%
 thoả mãn về hao mòn tiếp điểm.
h) Chọn độ mở và độ lún tiếp điểm:
* Độ mở tiếp điểm (m):
Với I
dm
= 30A và U
dm
= 400V chọn độ mở tiếp điểm m = 6(mm)
* Độ lún tiếp điểm (l):
l = A + B.I
dm
với A = 1,5mm và B = 0,02mm/A.
_____________________________________________________________
9

F
)(
)(
với G
d
là trọng lượng phần động, G
d
= m
c
.I
dm
= 30.8 = 0,24(KG).
+ Lực nhả đầu: F
nhd
= K.(F
td
+ G
d
+ F
ms
)= 1,2.(1+ G
d
) =
= 1,2.(1 + 0,24) = 1,488(KG).
+ Lực nhả cuối: F
nhc
=
( )
25,1
÷

tdpc
= 5.5(G/A).4 = 0,1(KG)
F
tdpd
=
( )
6,04,0
÷
F
tdpc
, chọn F
tdpd
= 0,5.F
tdpc
= 0,5.0,1 = 0,05(KG).
 G
d
= 0,24(KG) = 2,45(N)
 F
nhd
= 1,488(KG) = 15,18(N)
 F
nhc
= 2,232(KG) = 22,77(N)
 F
tdc
= 1,8(KG) = 18,36(N)
 F
tdd
= 0,9(KG) = 9,18(N)

u
σ
770
( )
2
/ mmN
- Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn
x
σ
480
( )
2
/ mmN
- Module đàn hồi 200.10
3

( )
2
/ mmN
_____________________________________________________________
10
_____________________________________________________________

- Module trượt (G) 80.10
3

( )
2
/ mmN
- Điện trở suất

=10
Với D: đường kính lò xo
d: đường kính dây lò xo.
 Đường kính dây lò xo: d =
( )
mm
CF
x
6,0
480.14,3
10.12,6.8
.
..8
==
Π
σ
 Đường kính lò xo: D = C.d = 10.0,6 = 6(mm).
* Số vòng lò xo: w =
( )
vong
FC
dGf
6
)26,312,6.(10.8
6,0.10.80.3
..8
..
3
3
3


 Việc tính toán lò xo là hợp lí.
5.2.Lò xo tiếp điểm phụ:
*Độ mở tiếp điểm phụ: Với I
dm
= 5A chọn độ mở m = 7(mm)
*Độ lún tiếp điểm phụ: l = A + B.I
dm
= 1,5 + 0,02.5 = 2 (mm)
* F
Maxlò xo
= F
cuốiloxo
= 2.F
tđc
= 2.0,5 = 1(N)
* F
minloxo
= F
dauloxo
= 2.F
tdd
= 2.0,3 0,6(N)
* Chỉ số lò xo: C =
d
D
=10
Đường kính dây lò xo: d =
( )
mm

* Chiều dài tác dụng của lò xo: l
td
= w.t
n
+ 1,5.d

= 12.0,42 + 1,5.0,25 =
5,4(mm)
* Ứng suất xoắn tính toán:

[ ]
480407
25,0.14,3
10.1.8
.
..8
22
=<==
Π
=
xx
d
CF
σσ

 Việc tính toán lò xo là hợp lí.
_____________________________________________________________
11
_____________________________________________________________


.
..8
==
Π
σ
 Đường kính lò xo: D = C.d = 10.0,8 = 8(mm).
* Số vòng lò xo: w =
( )
vong
FC
dGf
20
)59,739,11.(10.8
8,0.10.80.9
..8
..
3
3
3
=
−
=
* Bước lò xo chịu nén: t
n
= d + f/w = 0,8 + 9/28 = 1,25(mm)
* Chiều dài tác dụng của lò xo: l
td
= w.t
n
+ 1,5.d