Đồ án môn học Khí cụ điện
Trờng ĐHBK Hà Nội
Bộ môn TBĐ - ĐT
=== *** ===
Cộng hòa xã hội chủ nghĩa việt nam
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
Nhiệm vụ thiết kế môn học
Họ và tên: Nguyễn Việt Anh.............................................................................
Lớp: Chuyển hệ Thiết Bị Điện - Điện Tử - K9.................................................
I. Đầu đề thiết kế:
Thiết kế công tắc tơ điện xoay chiều
II. Các số liệu ban đầu:
- Tiếp điểm chính: 3 thờng mở:
I
đm
= 30A U
đm
= 400V
- Tiếp điểm phụ: 2 thờng đóng, 2 thờng mở:
I
đm
= 5A U
đm
= 250V
- Điện áp điều khiển:
U
đk
= 250V, 50Hz
- Tuổi thọ:
N
đ

đặc biệt quan trọng nhằm tránh những sự cố đáng tiếc có thể sẽ xảy ra.
Đợc sự giúp đỡ và hớng dẫn của các thầy cô trong nhóm Khí cụ điện thuộc
bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, khoa Điện. Đặc biệt là sự hớng dẫn, giúp đỡ và
đóng góp của thầy Phạm Văn Chới, trong thời gian làm đồ án môn học, em đã hoàn
thành đợc đồ án môn học với đề tài: Thiết kế Công tắc tơ xoay chiều 3 pha.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng song do hiểu biết kiến thức còn có nhiều hạn
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 của các thầy cô và các bạn sinh viên.
Em xin chân thành cảm ơn bộ môn Thiết bị điện - Điện tử và thầy Phạm Văn
Chới đã giúp em hoàn thành đồ án môn học này.
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
2
Đồ án môn học Khí cụ điện
Chơng I
Giới thiệu chung về công tắc tơ
1.1. Giới thiệu chung
Khí cụ điện là những thiết bị điện dùng để điều khiển các quá trình sản xuất,
biến đổi, truyền tải, phân phối năng lợng điện và các dạng năng lợng khác. Theo
lĩnh vực sử dụng, các khí cụ điện đợc chia thành 5 nhóm, trong mỗi nhóm có nhiều
chủng loại khác nhau.
Công tắc tơ là loại khí cụ điện hạ áp, dùng để đóng ngắt trực tiếp dòng điện
tải thờng xuyên đợc điều khiển bằng tín hiệu điện. Công tắc tơ (CTT) thuộc nhóm
khí cụ điện điều khiển.
1.2. Nội dung thiết kế
1. Chọn kết cấu
2. Tính mạch vòng dẫn điện
3. Chọn buồng dập hồ quang
4. Tính và dựng đặc tính cơ
5. Tính nam châm điện

môi trờng xung quanh (nh ma, ẩm, bụi, tuyết ) cũng nh khí có quá điện áp nội bộ
hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra.
- Độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận khí cụ điện trong giới hạn số
lần thao tác đã thiết kế, thời hạn làm việc ở chế độ định mức và chế độ sự cố.
- Khả năng đóng cắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện thông
qua các chi tiết, bộ phận.
- Tính năng kỹ thuật, công nghệ tiên tiến, kết cấu đơn giản, khối lợng và kích
thớc bé.
2. Các yêu cầu về vận hành.
Khi vận hành, sử dụng cần chú ý các yêu cầu sau:
- ảnh hởng của môi trờng xung quanh: độ ẩm, độ cao, nhiệt độ .. do đó cần
phải tránh các tác động có hại của môi trờng lên thiết bị điện.
- Có độ tin cậy đối với ngời sử dụng, vận hành, thao tác.
- Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
4
Đồ án môn học Khí cụ điện
- Đơn giản, dễ thao tác, dễ sửa chữa, thay thế.
- Chi phí vận hành ít, tiêu tốn năng lợng ít.
3. Các yêu cầu về kinh tế xã hội
Đây là một trong các yêu cầu quyết định tới vị trí của sản phẩm, hiệu quả
kinh tế của sản phẩm. Vì vậy chúng tôi đòi hỏi một số yêu cầu sau:
Khi thiết kế một sản phẩm nói chung và một thiết bị điện nói riêng đầu tiên
nhà thiết kế phải chú ý đến thị trờng, làm thế nào để khi đa ra thị trờng mặt hàng
của mình có thể chiếm đợc u thế hơn hẳn so với các sản phẩm khác cùng chủng
loại, cùng có chất lợng kỹ thuật thì thiết bị điện đó phải có giá thành hạ, có tính
thẩm mỹ của kết cấu, vốn đầu t khi chế tạo và lắp ráp là nhỏ nhất.
4. Các yêu cầu về công nghệ chế tạo
- Tính công nghệ của kết cấu: dùng các chi tiết, cụm quy chuẩn, tính lắp
dẫn

lực điện từ do nó sinh ra cũng giảm về không. Khi đó lò xo nhả sẽ đẩy tòan bộ phần
động của công tắc tơ lên và cắt dòng điện tải ra. Khi tiếp điểm động tách khỏi tiếp
điểm tĩnh của mạch từ chính thì hồ quang sẽ xuất hiện giữa hai tiếp điểm. Nhờ các
vách ngăn trong buồng dập hồ quang, hồ quang sẽ đợc dập tắt.
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
6
Đồ án môn học Khí cụ điện
Chơng III
Mạch vòng dẫn điện
3.1. Khái niệm chung
Trong công tắc tơ, mạch vòng dẫn điện là một bộ phận quan trọng, nó có
chức năng dẫn dòng, chuyển đổi và đóng cắt mạch điện. Mạch vòng dẫn điện do
các bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và kích thớc hợp thành. Đối với công
tắc tơ, mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính nh sau:
- Thanh dẫn: Gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh. Thanh dẫn có chức
năng truyền tải dòng điện.
- Đầu nối: gồm vít và mối hàn
- Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, có chức năng
đóng ngắt dòng điện.
- Cuộn thổi từ
Do đó nhiệm vụ tính toán thiết kế mạch vòng dẫn điện là phải xác định các
kích thớc của các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện. Tiết diện và kích thớc của các
chi tiết quyết định cơ cấu mạch vòng và cũng nh quyết định kích thớc của Công tắc
tơ xoay chiều 3 pha.
Trình tự thiết kế mạch vòng dẫn điện.
3.2. Mạch vòng dẫn điện chính
3.2.1. Thanh dẫn
Các bớc tính toán thanh dẫn:
- Xác định tiết diện và các kích thớc của thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn
và các chế độ làm việc khác.

B
) 80 ữ120 kG/cm
2
Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0043 l/
0
C
Nhiệt độ cho phép cấp A ([
cp
]) 95
0
C
b/ Tính toán thanh dẫn
- Chọn kết cấu thanh dẫn có tiết diện ngang hình chữ nhật với bề rộng a, bề
dầy b.
Theo công thức 2 - 6 (TL1):
b =
3
2. .
2. .( 1). . ô
I Kf
n n KT d


+
Trong đó:
- I = 30A: dòng điện định mức
- n: hệ số hình dáng, n = a/b = 5 ữ 10, chọn n = 8
- K
f
: hệ số tổn hao phụ đặc trng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng

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


=
20
[1 + ( - 20)]

20
: điện trở suất của vật liệu ở 20
0
C
: hệ số nhiệt điện trở của vật liệu
: nhiệt độ ổn định của đồng, ở đây ta lấy bằng nhiệt độ phát nóng cho
phép = [] = 95
0
C.

95
= 0,0174. 10
-3
[1+4,3.10
-3
(95 - 20)] 0,023.10
-3
(.mm)
-
ôđ
: độ tăng nhiệt ổn định

ôđ

- Diện tích thanh dẫn:
S= a . b = 2 . 10 = 20 mm
2
- Chu vi thanh dẫn:
P= 2.(a+b) = 2. (10+2) = 24 mm
- Mật độ dòng điện:
j = =
30
20
= 1,5 A/ mm
2
< [j] = 2 ữ 4 A/mm
2
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
9
Đồ án môn học Khí cụ điện
thỏa mãn về kết cấu
- Nhiệt độ thanh dẫn:
Từ công thức 2 -4 (TKKCĐHA) ta có:
S.P = =

od
=
td
=
với
0
: điện trở suất của đồng kéo nguội ở 0
0
C

rất lớn có thể làm thanh dẫn bị biến dạng. Do đó cần phải kiểm tra khi có ngắn
mạch thì mật độ dòng điện thanh dẫn có nhỏ hơn mật độ dòng điện cho phép
không.
Từ công thức 6 - 21 (TKKCĐHA):
= = j
2
nm
. t
nm
= A
nm
- A
d
= A
bn
- A
d
j
nm
=
Trong đó:
I
nm
= I
bn
: dòng điện ngắn mạch hay dòng điện bền nhiệt
t
nm
= t
bn

C có A
đ
= 1.6.10
4
A
2
s/mm
4
t
nm
j
nm
(A/mm
2
) [j
nm
]
cp
(A/mm
2
)
3s 84,6 94
4s 73,3 82
Vậy mật độ dòng điện của thanh dẫn khi xảy ra ngắn mạch nhỏ hơn mật độ
dòng điện cho phép, nên thanh dẫn có thể chịu đợc ngắn mạch.
Hình dáng của thanh dẫn động:
hình vẽ
2. Thanh dẫn tĩnh
Thanh dẫn tĩnh đợc nối với tiếp điểm tĩnh và gắn với đầu nối. Vì vậy thanh
dẫn tĩnh phải có kích thớc lớn hơn thanh dẫn động.

Với dòng điện định mức I
đm
= 65A theo bảng 2 - 10 (TKKCĐHA) chọn bu
lông bằng thép CT3 có đờng kính hệ ren mm M8 x 25.
hình vẽ
Diện tích bề mặt tiếp xúc: S
tx
=
Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng có tần số f = 50 Hz và dòng điện định mức
I
đm
< 200A thì có thể lấy mật độ dòng điện j = 0,31 A/mm
2
.
S
tx
= = 210 (mm
2
)
Lực ép tiếp xúc: F
tx
= f
tx
. S
tx
với f
tx
là lực ép riêng trên các mối nối, f
tx
= 100 ữ 150 kG/cm

Đồ án môn học Khí cụ điện
Điện áp tiếp xúc:
U
tx
= I
đm
. R
tx
= 65.1,64.10
-6
= 1,065.10
-4
V
=> U
tx
= 0,107mV
Vậy điện áp tiếp xúc nhỏ hơn điện áp tiếp xúc cho phép ([U
tx
]
cp
= 30mV), nên
bu lông đã chọn thỏa mãn yêu cầu.
3.2.3. Tiếp điểm
1. Nhiệm vụ của tiếp điểm
- Tiếp điểm làm nhiệm vụ đóng cắt điện
2. 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

13
Đồ án môn học Khí cụ điện
Độ cứng Brinen (H
B
) 45 ữ65 kG/cm
2
Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0035 1/
0
C
Nhiệt độ cho phép cấp A ([
cp
]) 95
0
C
Kích thớc của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thớc của
thanh dẫn động hoặc của thanh dẫn tĩnh.
Đối với dòng điện định mức I
đm
= 65A từ bảng 2 - 15 (TKKCĐHA) ta có:
Đờng kính tiếp điểm d
tđ
= 16mm
Chiều cao tiếp điểm h
tđ
= 2mm
Tuy nhiên do công nghệ làm vật liệu phát triển và chất lợng vật liệu đợc
nâng cao nên ta chọn:
Đờng kính tiếp điểm d
tđ
= 8mm

- A = 2,3 . 10
-8
(V/
0
C): hằng số Loen
- H
B
: độ cứng Brinel của tiếp điểm
H
B
= 45 kG/mm
2
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
14
Đồ án môn học Khí cụ điện
- = 3,9 W/cm .
0
C - hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn
- T
tđ
: nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơi tiếp xúc, lấy bằng nhiệt độ phát
nóng dài hạn.
T
tđ
= 63,53 + 273 = 336,53
0
K
- T
tx
=

= (0,2 ữ 0,3).10
-3
, chọn K
tx
= 0,2.10
-3
Do tiếp xúc nên chọn m = 0,8
Thay vào ta có:
R
tx
= = 4,43.10
-4
6. Điện áp tiếp xúc của tiếp điểm
Trong trạng thái đóng của tiếp điểm, điện áp rơi trên mạch vòng dẫn điện
chủ yếu là do điện trở tiếp xúc của các phần tử đầu nối, điện trở của các vật liệu
làm tiếp điểm là không đáng kể so với R
tx
, vì vậy công thức điện áp rơi trên tiếp
điểm sẽ bằng:
U
tx
= I
đm
.R
tx
= 65.4,43.10
-4
= 0,029V
U
tx

C
trong đó:
-

=
20
. (1 + .( - 20))
= 3,5.10
-5
.(1+0,325.(95-20)) = 4,42.10
-5
mm
-
mt
: nhiệt độ môi trờng,
mt
= 40
0
C
- R
tđ
, R
tx
: điện trở tiếp điểm và điện trở tiếp xúc.
- D, S: chu vi, diện tích
8. Dòng điện hàn dính
Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức I
đm
(quá tải, khởi
động, ngắn mạch), nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn

-8
(m)
: hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
= 3,25 W/cm.
0
C = 0,325 W/mm.
0
C

nc
: nhiệt độ nóng chảy của vật liệu,
nc
= 1300
0
C
H
Bo
: độ cứng Brinel
H
Bo
= 45 kG/mm
2
A = = 1931
f
nc
: hệ số đặc trng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát nóng,
chọn f
nc
= 3
F

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
động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại va tiếp tục va đập, quá trình này
xảy ra trong một khoảng thời gian rồi chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định, sự
rung kết thúc. Quá trình rung đợc đánh giá bằng độ lớn của biên độ rung X
m
và thời
gian rung t
m
.
Theo công thức 2 - 39, biên độ rung cho 3 tiếp điểm thờng mở là:
X
m
=
Với:
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
17
Đồ án môn học Khí cụ điện
m
đ
: khối lợng phần động
m
đ
= = = = 66,26 (G.s
2
/m)
v
đo
: tốc độ tiếp điểm tại thời điểm va đập
v


= (1,5 ữ1,8).2. t
m
Chọn t
m

= 1,5 . 2 .t
m
= 1,5 . 2 . 4,71 = 14,13 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 hóa học, về cơ và
về điện trong đó chủ yếu là do quá trình mòn điện.
Khối lợng mòn trung bình của một cấp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt là:
g
đ
+ g
ng
= 10
-9
(K
đ
.I
2
d
+ K
ng
.I
2
ng). K

= 2.I
đm
= 2.65=130A
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
18
Đồ án môn học Khí cụ điện
I
ng
= 3. I
đm
= 3.65= 195A
g
đ
và g
ng
: khối lợng mòn riêng của mỗi một lần đóng và ngắt
g
đ
+ g
ng
= 10
-9
(0,01.195
2
+ 0,01.130
2
).1,1
= 6,04.10
-7
(g)

= h . . = 2 . . = 100,53 (mm
3
)
Lợng mòn của tiếp điểm sẽ là:
V
m
% = . 100% = .100% = 34,82%
11. Độ lún, độ mở của tiếp điểm
a/ Độ mở:
- Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm rộng 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 h-
ởng tới kích thớc của công tắc tơ.
- Theo kinh nghiệm với dòng I
đm
= 65A và điện áp U
đm
= 400V ta chọn độ
mở m = 3mm.
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.
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
19
Đồ án môn học Khí cụ điện
- 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.,
- Chọn độ lún theo công thức kinh nghiệm với dòng điện I

2
Hệ số dẫn nhiệt điện trở () 0,0043 l/
0
C
Nhiệt độ cho phép cấp A ([
cp
]) 95
0
C
- Kích thớc thanh dẫn
Theo công thức 2 -6 (TL1):
b =
trong đó:
- I= 5A: dòng điện định mức
- n: hệ số hình dáng, n=a/b = 5 ữ 10, chọn n=7
- K
f
: hệ số tổn hao phụ đặc trng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và
hiệu ứng gần.
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
20
Đồ án môn học Khí cụ điện
K
f
= K
bm
. KG = 1,03 ữ 1,06. Chọn K
f
= 1,05
- K

0
C
: hệ số nhiệt điện trở của vật liệu
: nhiệt độ ổn định của đồng, ở đây ta lấy bằng nhiệt độ
phát nóng cho phép = [] = 95
0
C

95
= 0,0174.10
-3
[1+4,3.10
-3
(95 - 20)] 0,023 .10
-3
(.mm)
-
ôđ
: độ tăng nhiệt ổn định

ôđ
= -
mt
với
mt
= 40
0
C là nhiệt độ môi trờng

ôđ

=
td
=
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
21
Đồ án môn học Khí cụ điện
với
0
: điện trở suất của đồng kéo nguội ở 0
0
C

0
= = = 0,016.10
-3
.mm

mt
: nhiệt độ môi trờng,
mt
= 40
0
C
Thay vào ta có:

td
= = 43,15
0
C
Vậy

tx
là lực ép riêng trên các mối nối. Chọn f
tx
= 100 kG/cm
2
= 100.10
-4
kG/mm
2
.
=> F
tx
= 100.10
-4
.16,13 = 0,16 (kG)
Tra bảng 2 - 9 (TL1) chọn bu lông có đờng kính ren d= 4 mm (M4), số lợng
1 chiếc.
3.3.3. Tiếp điểm
Chọn loại tiếp điểm cầu với dạng tiếp xúc điểm
a/ Chọn vật liệu tiếp điểm
I= 5A, tra bảng 2-13 (TL1) có thể chọn Bạc kéo nguội (CP999) có các thông
số kỹ thuật:
Ký hiệu CP 999
Tỷ trọng () 10,5 g/cm
3
Nhiệt độ nóng chảy (
nc
) 961
0
C

đờng kính tiếp điểm d
tđ
= 3mm, chiều cao tiếp điểm h
tđ
= 1 mm.
Hình vẽ
c/ Lực ép tiếp điểm
Tính theo công thức lý thuyết 2 -14 (TL1), tại một điểm tiếp xúc, lực ép tiếp
điểm sẽ là:
F
tđ
= I
2
. .
trong đó:
- A = 2,3. 10
-8
(V/
0
C): hằng số Loen
- H
B
: độ cứng Brinen của tiếp điểm
H
B
= 60 kG/mm
2
= 60.10
6
kG/m

F
tđ
= f
tđ
. I
đm
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
23
Đồ án môn học Khí cụ điện
trong đó: f
tđ
= 5 G/A (bảng 2 - 17)
=> F
tđ
= 5.5 = 25 (G) = 0,025 (kG)
So sánh hai kết quả ta chọn F
tđ
= 0,025kG = 0,25N
d/ Điện trở tiếp xúc
- Tính theo công thức lý thuyết 2 - 24 (TL1)
R
tx
=
Điện trở suất của tiếp điểm =
20
.[1 + (
tx
- 20)]
= 1,59.10
-8

-4
()
So sánh hai kết quả ta chọn R
tx
= 7,6 .10
-4

e/ Điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc:
Utx = I.Rtx= 5.7.6.10-4
= 3,8 mV < [U
tx
] = 2 ữ30 mV
f/ Xác định trị số dòng điện hàn dính
- Trị số dòng điện hàn dính xác định theo quan hệ lý thuyết 2 - 33 (TL1)
I
hdbđ
= A. . (A)
trong đó:
A =
SV: Nguyễn Việt Anh Lớp:
24
Đồ án môn học Khí cụ điện

0
: điện trở suất của vật liệu ở 20
0
C
Ta có:
20
=

6
kg/m
2
=> A =
f
nc
: hệ số đặc trng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát
nóng, chọn f
nc
= 2.
F
tđ
= 0,025 kg
I
hd
= 1720. . = 386 (A)
- Tính theo công thức thực nghiệm 2 - 36 (TL1)
I
hd
= K
hd
.
K
hd
: hệ số hàn dính. Tra bảng 2 - 19 (TL1), chọn K
hd
= 1000 A/kG
0,5
F
td