Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

Mục lục
Lời nói đầu......................................................................................................................4
CHƯƠNG I: 5
GIớI THIệU CHUNG Về RƠLE......................................................................................5

I. Giới thiệu chung về rơ le:........................................................................5
1. Cấu tạo của Rơle:..................................................................................5
2. Phân loại rơle:.......................................................................................5
2. Đặc tính cơ bản và các thông số của rơle:............................................6
II. Giới thiệu chung về rơle điện từ:...........................................................8
1. Đặc điểm: .............................................................................................8
2. Cấu tạo chung của rơle điện từ:............................................................9
................................................................................................................9
Hình 2. Các bộ phận chung của rơle điện từ...........................................9
3. Nguyên lý hoạt động:..............................................................................9
III. KHOảNG CáCH CáCH ĐIệN:..........................................................10
1.Điện áp định mức theo cách điện:.........................................................10
2.Khoảng cách cách điện của các phần tử dẫn điện:...............................10
IV. CáC YÊU CầU KHI THIếT Kế:........................................................11
CHƯƠNG II:12
PHÂN TíCH PHƯƠNG áN Và CHọN DạNG KếT CấU.........................................12

1. Rơle trung gian của Nhật: ORMON - Nhật (240V-5A)....................13
2. Rơle trung gian của Liên Xô cũ:.........................................................14
...................................................................................................................14
CHƯƠNG III:.....................................................................................................................16
Tính toán và kiểm nghiệm mạch vòng dẫn điện..................................16

tính và dựng đặc tính cơ...................................................................................37

i. sơ đồ động:..............................................................................................38
ii. tính toán lò xo Và TRọNG LƯợNG PHầN ĐộNG:............................41
1.Tính trọng lợng của phần động:............................................................41
2. Tính chọn vật liệu làm lò xo tiếp điểm:...............................................41
3. Tính kích thớc lò xo tiếp điểm:............................................................42
4. Tính lò xo nhả:......................................................................................43
iV. đặc tính cơ:...........................................................................................49
Chơng V: 50
Tính toán và kiểm nghiệm nam châm điện...............................................50

I. Giới thiệu chung về nam châm điện:....................................................50
II. tính toán SƠ Bộ nam châm điện:........................................................51
1. Chọn dạng kết cấu:...............................................................................51
2. Chọn vật liệu mạch từ:..........................................................................52
3. Chọn các thông số cờng độ từ cảm,hệ số từ tản và hệ số từ rò:..........53
4. Xác định các kích thớc và thông số chủ yếu của nam châm điện:......53
II. tính toán KIểM NGHIệM nam châm điện:.......................................59
1. Vẽ sơ đồ thay thế của mạch từ khi nắp mở, với 0:.......................59
2 .Tính từ dẫn Gr:......................................................................................60
3. Xác định từ dẫn của khe hở không khí G: Hình 4.5...........................62
4. Xác định từ thông và từ cảm ở khe hở tới hạn :...................................65
5. Xác định thông số cuộn dây:................................................................66
6. Tính toán vòng ngắn mạch:..................................................................68
7.Tính toán tổn hao trong lõi thép:..........................................................77
Chơng VI: 91
Xây dựng và hoàn thiện kết cấu....................................................................91

I. MạCH VòNG DẫN ĐIệN:.....................................................................91


Lời nói đầu
Điện năng là một nguồn năng lợng quan trọng đợc 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 lới điện và các thiết bị sử dụng điện năng khác.
Do đó khí cụ điện là loại thiết bị không thể thiếu đợc, khi sử dụng điện năng
trong công nghiệp cũng nh 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 lợng, tốt về
chất lợng 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 phơng
pháp thiết kế, tính toán của khí cụ điện là một nhiệm vụ quan trọng không
ngừng đợc hoàn thiện.
Đợc sự giúp đỡ và hớng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn Thiết bị
Điện - Khoa Điện, sự hớng dẫn tận tình của cô giáo Lu Mỹ Thuận 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 đợc. Đó là rơle điện từ trung gian xoay chều.

SV: Lơng Văn Sanh

4


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

SV: Lơng Văn Sanh

5


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

+ Rơle từ điện: làm việc dựa trên tác dụng lực của từ trờng do nam
châm vĩnh cửu tạo ra lên dòng điện chạy trong cuộn dây làm cuộn dây dịch
chuyển.
+ Rơle điện động: dựa trên tác dụng tơng hỗ giữa từ trờng do dòng điện
chạy trong cuộn dây sinh ra với dòng điện chạy trong cuộn dây khác làm cuộn
dây này dịch chuyển.
+ Rơle cảm ứng: dựa trên cơ sở tác dụng tơng hỗ từ trờng của cuộn dây
đứng yên với dòng điện cảm ứng trong phần động, làm phần động dịch
chuyển.
+ Rơle nhiệt: dựa trên sự co giãn về kích thớc, thể tích, áp suất của các
vật liệu khi nhiệt độ của chúng thay đổi.
+ Rơle điện tử và bán dẫn
b. Theo cơ cấu chấp hành :
+ Rơle có tiếp điểm: rơle cơ.
+ Rơle không có tiếp điểm: rơle bán dẫn, rơle điện tử.
c. Theo chức năng :
+ Rơle bảo vệ.
+ Rơle điều khiển.
d. Theo nguyên lý xử lý tín hiệu :
+ Rơle tơng tự.
+ Rơle số.

- Khi 0 < x < xtđ : y = ymin : rơle mở
- Khi x = xtđ

: y = ymax : rơle tác động

- Khi x > xtđ

: y = ymax : rơle đóng

- Khi x > xnhả

: y = ymax : rơle đóng

- Khi xnhả = x

: y = ymin : rơle nhả

- Khi 0 < x < xnhả : y = ymin : rơle nhả
b. Thông số cơ bản của rơle:
+Hệ số nhả:
K nh =

x nh


: rơle thời gian

ttđ = (5ữ15).10-2s : rơle tác động bình thờng
ttđ = (0,15ữ1)s

: rơle tác động chem.

+Thời gian nhả: tnh
Khoảng thời gian tại thời điểm ngắt tín hiệu vào x cho đến khi
đại lợng ra đạt giá trị 0 hoặc cực tiểu.
+Tần số thao tác:
f=

1
t td + t lv + t nh + t ng

ttđ : thời gian tác động
tlv : thời gian làm việc (khoảng thời gian từ khi đại lợng ra
đạt giá trị cực đại đến khi đạt cực tiểu hoặc 0)
tnh : thời gian nhả
tng : thời gian nghỉ (khoảng thời gian từ khi đại lợng ra đạt
giá trị 0 đến khi đạt giá trị cực đại lần sau)
II. Giới thiệu chung về rơle điện từ:
1. Đặc điểm:
+ Rơle điện từ cấu tạo đơn giản, lực hút điện từ (F đt) khá lớn do vậy rơle
điện từ đợc sử dụng rất rộng rãi.

SV: Lơng Văn Sanh


3. Nguyên lý hoạt động:
1

4 khi cha có tín hiệu điều khiển, tiếp điểm ở trạng
* Tiếp điểm thờng mở
tháI mở ( bị ngắt ).

Hình 3. Ký hiệu tiếp điểm thờng mở
*Tiếp điểm thờng đóng khi không có tín hiệu điều khiển, tiếp điểm ở
trạng thái đóng ( đợc đóng )

Hình 4. Ký hiệu tiếp điểm thờng đóng
Khi đa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện, trong cuộn dây sinh ra
một sức từ động F = IW. Sức từ động sinh ra từ thông khe hở không khí của
nam châm điện , sinh ra lực hút điện từ F đt. Khi Fđt > Fcơ sẽ hút nắp nam

SV: Lơng Văn Sanh

9


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

châm điện, nhờ cơ cấu truyền động mà lực hút đợc truyền đến giá phần động,
làm cho giá phần động tịnh tiến trợt theo giá của thanh dẫn hớng và làm các
tiếp điểm thờng mở đóng lại và các tiếp điểm thờng đóng mở ra, đồng thời lò
xo nhả đợc nén lại tạo điều kiện sẵn sàng đẩy nắp nam châm điện về vị trí mở
khi cuộn dây nam châm điện không còn dòng điện

Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

lcđ

Hình 5. Khoảng cách cách điện giữa 2 thanh dẫn
IV. CáC YÊU CầU KHI THIếT Kế:
Đối với Rơle trung gian xoay chiều khi thiết kế phải thỏa mãn các yêu
cầu cơ bản của một sản phẩm công nghiệp hiện đại nh yêu cầu kỹ thuật, về
vận hành, về công nghệ chế tạo và về lĩnh vực xã hội, đặc trng của những yêu
cầu trên đợc biểu hiện thông qua các qui định chuẩn mực, tiêu chuẩn nhà nớc
hoặc của ngành và chúng nằm trong nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật.
+ Các yêu cầu về kỹ thuật:
- Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của rơle làm việc ở chế
độ định mức và chế độ sự cố.
- Đảm bảo độ bền cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và
khoảng cách cách điện khi làm việc với điện áp lớn nhất, lâu dài và trong điều
kiện xung quanh (nh ma, bụi, bẩn) cũng nh khi có quá điện áp nội bộ.
- Đảm bảo độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận rơle trong giới
hạn số lần thao tác đã thiết kế, thời gian làm việc ở chế độ định mức cũng nh
chế độ sự cố.
- Khả năng đóng ngắt ở chế độ sự cố và chế độ định mức.
- Khi U = 85% Uđm thì lực hút điện từ của nam châm điện phải đảm bảo
đủ để rơle làm việc bình thờng.
SV: Lơng Văn Sanh

11




12


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều

dáng, kích thớc cụ thể có khác nhau, nhng về nguyên lý cấu tạo và các thông
số cơ bản đều nh nhau.
Ta tham khảo một số mẫu đang đợc sử dụng ở Việt Nam hiện nay nh
của Nga và Nhật.
1. Rơle trung gian của Nhật: ORMON - Nhật (240V-5A)
1. Nam châm điện xoay chiều

3

2. Hệ thống tiếp điểm

2

4

3. Hệ thống thanh dẫn
4. Hệ thống nắp
5. Lò xo nhả
6. Thân đế và đế

5
1

2

1

7

8

9

10

Hình 2.2. Rơle trung gian của Liên Xô cũ
1. Vỏ rơle
2. Cuộn dây
3. Lõi
4. Vòng ngắn mạch
5. Nắp mạch từ
6. Cơ cấu truyền động
7. Lò xo nhả
8. Cần truyền động
9. Tiếp điểm động và thanh dẫn động
10. Tiếp điểm tĩnh và thanh dẫn tĩnh
Đặc điểm:
- Kết cấu đơn giản, công nghệ chế tạo đơn giản, độ tin cậy cao, dễ sữa
chữa, tháo lắp nhng kích thớc và trọng lợng lớn.
- Mạch vòng dẫn điện 1 pha 2 chỗ ngắt.
- Không dùng dây dẫn mềm nên đơn giản.

SV: Lơng Văn Sanh

Tính toán và kiểm nghiệm mạch vòng dẫn điện
I. Giới thiệu kết cấu mạch vòng dẫn điện:
Trong các loại khí cụ điện nói chung và rơ le trung gian nói riêng.
Mạch vòng dẫn điện đóng vai trò quan trọng, nó cùng với nam châm điện,
khâu truyền động trung gian, và các bộ phận kết cấu khác cấu thành một rơ le
hoàn chỉnh.
Trong rơ le trung gian, mạch vòng dẫn điện là kết cấu của nhiều bộ
phận khác nhau cấu tạo thành. Nó bao gồm: thanh dẫn động, thanh dẫn tĩnh,
tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp điểm, đầu nối ra.

3

1. Đầu lấy điện
2. Giá đỡ tiếp điểm
3. Thanh dẫn tĩnh

4

1

4. Tiếp điểm tĩnh
5. Tiếp điểm động

2

6. Thanh đẫn động

5

6

điện, độ bền cơ khí, khả năng tản nhiệt, mức độ phát nóng phải phù hợp.
Vì không có lò xo tiếp điểm riêng mà dùng thanh dẫn động ngoài
nhiệm vụ dẫn điện còn thêm nhiệm vụ tạo lực lò xo ép lên tiếp điểm, nên yêu
cầu chọn vât liệu dẫn điện tốt, tính đàn hồi cao. Ta chọn vật liệu là đồng phốt
pho băng cứng. Bảng 2.1 có các thông số kỹ thuật nh sau:(Tra theo bảng
(2.22) của (TL1)).
Bảng 3.1. Các thông số vật của vật liệu thanh dẫn
Ký hiệu
P.06,5
Tỷ trọng
=8,9 G/cm3
Nhiệt độ nóng chảy
Tnc=1083oC
Điện trở suất ở 20oC
=0,01741.10-6 .m
Hệ số nhiệt điện trở
=4,3.10-3 1/0C
Độ dẫn điện
=3,9W/0 C.cm
Nhiệt lợng nóng chảy
180 J/g
Nhiệt dung
Cp=0,385 J/g0C
Modul đàn hồi
4600.106 kG/cm2
Nhiệt lợng bay hơi
2600 J/g
Độ cứng
HB=105 kG/mm2
Giới hạn đồ bền kéo

l
Hình 3.2. Kêt cấu thanh dẫn trụ chữ nhật

a. Xác định kích thớc cơ bản:
Từ công thức tỏa nhiệt củaNiutơn:
P = KT.ST.(ôđ-mt) = KT.ST.ôđ

(W)

Cũng có thể biểu diễn công thức cân bằng nhiệt ở chế độ xác lập cho
mọi chi tiết với bề mặt tản nhiệt ST, chiều dài l, và chu vi là p=ST/l:
P = I2.R.Kf = KT.ST. (ôđ-mt)
Hay:
I 2 . .K f
S

= KT . p.( ô d mt )

Trong đó:
R: Điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định ()
: Điện trở xuất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định (m)
= 0 .(1+.) = 20.[1+.(-20)] = mt . [1+.(-mt)]
0, 20, mt điện trở xuất của vật liệu ở 00C, 200C, và nhiệt độ môi trờng
(m)
là hệ số nhiệt điện trở, của đồng là 0,0043 (1/0C).
Kf là hệ số tổn hao phụ đặc trng cho hiệu ứng gần và hiệu ứng bề mặt.
Kf = Kbm .Kg
Kbm là hệ số phụ đặc trng cho hiệu ứng bề mặt.
Kg là hệ số phụ đặc trng cho hiệu ứng gần.
SV: Lơng Văn Sanh

Do đó ta có điện trở suất ở ôđ = 950C là:
= 0,01741.10-3 [1+0,0043.(95-20)]
= 0,023.10-3

(mm)

Tiết diện thanh dẫn đợc tính theo công thức (2-4) của (TL1) ta có:
I 2 K f
S.p =
K T ôd
Tiết diện S = a.b, chu vi p = 2(a+b). Do đó các cạnh a, b của hình
chữ nhật thanh dẫn động xác định nh sau:
I 2 K f
a.b.2.(a+b) =
K T ôd
Hay:
b=

3

I 2 K f
2n(n + 1)KT

od

Trong đó :
n = a/b, nằm trong khoảng 5ữ10. Chọn n=10

SV: Lơng Văn Sanh


a = dtđ + (1ữ2)
Suy ra:
a = 5 (mm)
b=

a 5
=
= 0,5(mm)
l 10

Tiết diện thanh dẫn động:
S = a.b = 2,5 (mm2)
Chu vi thanh dẫn động:
p = 2(a+b) = 2(0,5+5) = 11 (mm)
Mật độ dòng điện là:
J td =

SV: Lơng Văn Sanh

I
5
=
= 2( A / mm 2 )
S 2,5

20


Đồ án tốt nghiệp


tđ =

52.0,023.103.1,05 + 2,5.11.8.106.40
= 43(0 C)
6
2
3
2,5.11.8.10 5 .0,01741.10 .1,05.0,0043

Vậy ta có:
ôđ = 950C > tđ = 43 (0C)
Vậy thanh dẫn thỏa mãn về nhiệt độ ở chế độ dài hạn.
*. Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ làm việc ngắn mạch:
Từ công thức (6-21) của (TL1):
2
I nm
.tnm I bn2 tbn
2
= 2 = J nm
.tnm = Abn Ad (**)
S2
S

(A2s/mm4)

Trong đó:

SV: Lơng Văn Sanh

21

(A/mm2)

Với t = 4s, ta có:
J nm =

4.104 1, 65.104
= 76, 65
4

(A/mm2)

Với t = 10s, ta có :
J nm =

4.104 1, 65.104
= 48, 48
10

(A/mm2-)

Ta lập đợc bảng (2.2) so sánh giữa mật độ dòng điện bền nhiệt đã
tính và mật độ dòng điện bền nhiệt tiêu chuẩn của thanh dẫn.

Bảng 3.2. So sánh Jtt và [J]
t(s)
J(Amm2)
Jtt
SV: Lơng Văn Sanh

t=3s

điện, nó còn phải có độ bền về cơ, do đó ta có thể chọn thanh dẫn tĩnh có kích
thớc lớn hơn nh sau:
a = 5mm
b = 1mm
Khi đó tiết diện cắt ngang của thanh dẫn tĩnh là:
Std = a.b = 5.1 = 5 (mm2)
- Mật độ dòng qua thanh dẫn tĩnh là:
J=

I đm 5
= = 1(A / mm 2 )
S tdt 5

- Chu vi thanh dẫn tĩnh ptd = 2 (a+b)=12(mm)
Do thanh dẫn động có kích thớc nhỏ hơn mà vẫn đảm bảo độ bền về
điện và cơ nên thanh dẫn tĩnh có kích thớc lớn hơn vẫn có thể đảm bảo các
yêu cầu hoạt động nh thanh dẫn động. Do đó các lựa chọn nh trên có thể thoả
mãn trong trờng hợp thanh dẫn tĩnh.
III. Thiết kế tính toán tiếp điểm:
1. Chức năng của tiếp điểm:
Tiếp điểm thực hiện chức năng đóng, ngắt mạch điện. kết cấu va thông
số của tiếp điễm xác định các thông số chính, kết cấu, kích thớc và khối lợng
của rơle.
2. Yêu cầu với các tiếp điểm:
Tiếp điểm cần thiết kế là tiếp điểm tĩnh và động của một rơ le trung
gian hoạt động ở chế độ định mức, nhiệt độ bề mặt nơi không xảy ra tiếp xúc
phải đảm bảo nhỏ hơn nhiệt độ cho phép là 950C.
SV: Lơng Văn Sanh

23

10,5 (G/cm3)
nc = 961 (0C)
20 = 1,59 . 10-5 (.mm)
HB = (30ữ60) (kG/mm2)
= 4,16 (W/cm0C)
= 4.10-3 (1/0C)

Kích thớc của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thớc
của thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh.
Đối với dòng điện 5(A) tra bảng (2-15) của (TL1) :
d=3

(mm)

h=1

(mm)

Mô tả kết cấu tiếp điểm nh sau:
h

SV: Lơng Văn Sanh

24


Đồ án tốt nghiệp

rơle điện từ trung gian xoay chiều


Ftd1 : Lực ép tiếp điểm tại 1 điểm tiếp xúc
SV: Lơng Văn Sanh

25