Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín
- 1 -
Lời nói đầu
Khí cụ điện là một phần rất quan trong hệ thống điện nói chung và
trong quá trình đào tạo kĩ sư thiết bị điện - điện tử nói riêng. Trong hai
học kỳ vừa qua chúng em đã được làm quen và tiếp cận sâu sắc đối với
các khí cụ điện hạ áp cũng như cao áp. Qua quá trình học tập và nghiên
cứu chúng em được hiểu rõ nguyên lý cấu tạo, hoạt động và ứng dụ
ng của
các khí cụ điện trong hệ thống điện.
Khí cụ điện có nhiều chủng loại , phong phú về cấu tạo và ứng dụng.
Các loại Rơ le trung gian là một phần nhỏ trong hệ thống các khí cụ điện
điều khiển và bảo vệ. Sau khi hoàn thành các môn học về khí cụ điện , em
được nhận đồ án thiết kế Rơ le trung gian kiểu kín. Em xin chân thành
cảm ơn các th
ầy giáo Phạm Văn Chới , Bùi Tín Hữu đã giảng dạy cho
chúng em về môn khí cụ điện và đặc biệt là thầy giáo Đặng Chí Dũng đã
giúp đỡ em trong quá trình tính toán và hoàn thiện đồ án này.
Trong quá trình thiết kế và tính toán em đã sử dụng một số tài liệu tham
khảo như sau:
Khí cụ điện -- Phạm Văn Chới , Bùi Tín Hữu, Nguyễn Tiến Tôn
Thiết kế khí cụ điện hạ áp
Tài li
ệu của hãng OMRON

Sinh viên thiết kế:

NGUYỄN KIM PHƯƠNG

những giá trị xác định
Cùng với sự phát triển và ti
ến bộ của khoa học kỹ thuật , công nghệ
vật liệu và công nghệ chế tạo , rơle được nghiên cứu và chế tạo ra gồm rất
nhiều chủng loại , hoạt động theo các nguyên lý khác nhau, có các thông
số đặc tính kỹ thuật và lĩnh vực sử dụng khác nhau
Rơ le trung gian được dùng rất nhiều trong các sơ đồ bảo vệ hệ
thống điện và các sơ đồ điề
u khiển tự động. Do có số lượng tiếp điểm lớn ,
từ 4 đến 6 tiếp điểm , vừa thường đóng và thường mở , nên rơle trung
gian dùng để truyền tín hiệu khi khả năng đóng , ngắt và số lượng tiếp
điểm của rơle chính không đủ hoặc để chia tín hiệu từ một rơle chính đến
nhiều bộ phận khác của sơ đồ mạ
ch điện điều khiển . Trong các bảng
mạch điều khiển dùng linh kiện điện tử rơle trung gian thường được dùng
làm phần tử đầu ra để truyền tín hiệu cho bộ phận mạch phía sau, đồng
thời cách ly được điện áp khác nhau giữa phần điều khiển (thường là điện
áp một chiều , điện áp thấp : 9V, 12V, 24V…) với phần chấp hành
thườ
ng là điện xoay chiều, điện áp lớn : 220V,380V.
* Yêu cầu chung khi thiết kế .
Đối với Rơle trung gian kiểu kín khi thiết kế phải thoả mãn các yêu
cầu cơ bản của một sản phẩm công nghiệp hiện đại như yêu cầu về kỹ
thuật , về vận hành, về kinh tế, về công nghệ chế tạo và về lĩnh vực xã
hội , đặc trưng của nhữ
ng yêu cầu trên được biểu hiện qua các qui định
chuẩn mực , tiêu chuẩn nhà nước hoặc của ngành và chúng nằm trong
nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật.
+ Yêu cầu về kỹ thuật : Đây là yêu cầu quan trọng và quyết định
đối với quá trình thiết kế của khí cụ điện . Phải xác định được phương án

vận hành , sản xuất.
Phải có tuổi thọ lớn và thời gian sử dụng lâu dài, đơn giản , dễ sửa
chữa , thao tác vận hành và thay thế dễ dàng.
+ Thiết kế công nghệ
Trong quá trình thiét kế công nghệ phải dựa vào những hướng dẫn ,
quy định của bản thiết kế kỹ thuật đã được thông qua kinh nghiệm sản
xuất ,những k
ết quả về nghiên cứu và thử nghiệm . Qua đó tiến hành
chính xác kết cấu , nghiên cứu và lập bản vẽ công nghệ cho các chi tiết và
bộ phận . Từ đó xác định chính thức hình dáng của vỏ và trang trí mỹ
thuật , cách mạ, lớp phủ và chính xác hoá các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.

II. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Rơ le trung gian xoay chiều

1. Cấu tạo
Rơ le trung gian kiều kín là loại thiế
t bị điện có kết cấu khá đơn
giản. Vì dòng điện làm việc định mức của Rơ le nhỏ nên ta có thể bỏ qua
hồ quang sinh ra giữa các bộ phận mang điện . Như vậy rơle chỉ bao gồm
các bộ phận sau
Nam châm điện xoay chiều
Hệ thống tiếp điểm ( 4 tiếp điểm thường đóng, 4 tiếp điểm thường mở

Hệ thống thanh dẫn
Các vít đầu nối và dây mềm
Các lò xo nhả
Các lò xo tiếp điểm


Sơ đồ nguyên lý
1:nắp nam châm điệ
n
2: cuộn dây nam châm
điện
3:thanh truyền động
4:tiếp điểm tĩnh
5:tiếp điểm động
6:thanh dẫn động
7:lò xo nhả
8:giá đỡ

1
2
3
4
5


3. Thanh dẫn.
Chọn thanh dẫn dạng hình chữ nhật như hình vẽ

l
a
b
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín
- 6 -
4. Lựa chọn kết cấu cách điện .

Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện , đặc biệt trong Rơle đóng một
vai trò khá quan trọng. Đây là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến kích thước
của Rơle và độ tin cậy khi vận hành. Do đó việc cần phải xác định hợp lý
khoảng cách cách đ
iện có một ý nghĩa không nhỏ trong khi thiết kế toàn
bộ các chi tiết cụ thể của khí cụ điện.

a) Điện áp định mức theo cách điện.
Với các khí cụ điện điều khiển hạ áp có điện áp tới 1000V thì chúng
tồn tại các tiêu chuẩn , qui định về độ bền cách điện theo điện áp định
mức ở trạng thái khô sạch c
ủa khí cụ điện chưa vận hành, ở trạng thái
nóng nguội của cách điện, nó phải chịu được điện áp thử ở tần số công
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín
- 7 -
CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.

Trong Rơle trung gian thì mạch vòng dẫn điện đóng một vai trò hết
sức quan trọng bởi vì nó là nhân tố truyền điện tác động tới các cơ cấu
của Rơle , đồng thời một phần của nó cũng làm hệ thống phản lực ,nhằm
hỗ trợ cho kích thướ
c của thiết bị nhỏ tối ưu.
Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về
hình dạng kết cấu và kích thước hợp thành , đối với Rơ le trung gian kiểu
kín thì nó bao gồm những bộ phận chính sau:
-Thanh dẫn : gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh.
-Đầu nối : vít và mối hàn.
-Hệ thống tiếp điểm: gồm tiếp đi
ểm động và tiếp điểm tĩnh.
Như vậy nhiệm vụ tính toán thiết kế của mạch vòng dẫn điện là phải xác
định các kích thước cảu các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện. Tiết diện ,
kích thước của các chi tiết quyết dịnh cơ cấu của mạch vòng dẫn điện và
cũng quyết dịnh kích thước của Rơ le.

I. Tính toán thanh dẫn
Thanh dẫ
n động có chức năng đóng mở trực tiếp vì vậy nó cần phải có
một lực ép đủ để có khả năng tiếp xúc tốt, do đó ta có thể chọn thanh dẫn
động với các thông số như sau:
Thanh dẫn được làm bằng vật liệu là đồng phốtpho có các thông số
như sau:

0
C . Trong
tính toán thiết kế khí cụ điện nói chung ta thường chọn nhiệt độ môi
trường là θ
0
=40
0
C
Điện trở suất của thanh dẫn ở θ=95
0
C là:
ρ
θ=95
= 1,754.10
-8
[1+0,0043.(95-20)]=2,32.10
-8
(Ωm)
Kích thước thanh dẫn làm việc được xác định theo công thức:
b =
3
0
95
2
).()1(.2
.
θθ
ρ
−+
T

a=5 mm
b=0.5mm
Chu vi thanh dẫn P = 11 (mm)
Diện tích thanh dẫn S = 2,5 (mm
2
) 2. Tính toán và kiểm tra thanh dẫn a)Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ dài hạn
Độ tăng nhiệt của thanh dẫn :
C
babaK
KI
o
T
F
C
od
O
3,2
10.5,5.2.10.5,0.10.5.8
06,1.10.9,1.5
)(2...
..
333
82
40


Kiểm nghiệm dòng điện trong thanh dẫn ở chế độ làm việc dài hạn:
I=
=
−
θ
ρ
θ
f
odT
K
KDS
)40.(..
8
9
10.32,2.06,1
)4095(10.8.11.5,2
−
−
−
=7,8 A

b)Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn hạn:
Để thuận tiện cho việc tính toán kiểm nghiệm , ta chỉ xét thanh dẫn có
chiều dài 1 cm, thời gian làm việc ngắn hạn t
nh
=5 s, ở nhiệt độ 95
0
C
-Điện trở của 1 cm thanh dẫn ở nhiệt độ 95

= 0,4.10
-3
(W/m)
Diện tích bề mặt tản nhiệt của thanh dẫn S
T
=P.1=11 (mm
2
)
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín
- 9 -
khối lượng thanh đồng: M=γS.1=8,9.2,5.10
-4
=0,023(g)
K
T
=
55.10.11
10.4.0
.
4
3
−
−
=
τ
T
dh
S
P
=6,6.10

5
4,54.55
.
1 ===
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
−=
−
τ
ττ

-Hệ số quá tải công suất ở chế độ ngắn hạn:
88,10
5
4,54
===
nh
p
t
T
K

-Hệ số quá tải dòng điện ở chế độ ngắn hạn:
3,3==
PI
KK

−
==
odnh
nh
nh
Tt
ττ
τc. Kiểm tra thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch:
Để thuận tiện cho việc tính toán và kiểm nghiệm ta xét giới hạn cho
phép và mật độ dòng bền nhiệt của thanh dẫn ở các thời gian ngắn mạch
t
nm
=1s;t
nm
=3s;t
nm
=10s
Mật độ dòng điện khi ngắn mạch và khi ở dòng bền nhiệt được xác định
theo công thức:
S
S
t
AA
JJ
bn
dbn
nmbn

2
4
1
mmAJ =
−
=

mặt khác tra bảng 6_7 (TK KCĐHA) ta có J
1cp
=162 (A/mm
2
)
Mật độ dòng điện ở t
nm
=3s
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín
- 10 -
)/(5,88
3
10).4,175,3(
2
4
3
mmAJ =
−
=

Tra bảng 6_7 ta có : J
3cp
=94 (A/mm

2
) 153,3 88,5 48,5

Vậy thanh dẫn đã chọn thoả mãn các yêu cầu về độ bền điện cũng như đô
bên điện và ta sẽ sử dụng làm thanh dẫn của Rơle
B) Tính toán thanh dẫn tĩnh

Thanh dẫn tĩnh ngoài nhiệm vụ dẫn điện còn phải chịu lực cơ học do
thanh dẫn động tác động do vậy ta chọn thanh dẫn tĩnh với các kích thước
như sau: a=5 mm ; b=1,0 mm . Vì kích thước thanh dẫn như tính toán ở
trên đã đảm bảo độ bền điện động cho thanh dẫn nên ta không cần tính
toán kiểm nghiệm thanh dẫn tĩnh nữa.

II.Đầu nối
Trị số dòng đ
iện định mức là số liệu ban đầu đế xác định kích
thước các đầu nối thường được lấy tương ứng với tiết diện và kích thước
của thanh dẫn ,kích thước bề mặt tiếp xúc phải phù hợp với số lượng và
kích thước của các chi tiết nối, ví dụ các đường kính ngoài vòng đệm thép
đặt dưới vòng đệm vênh kích thước mối nối phụ thuộc vào diện tích tiếp
xúc và
độ lớn lực ép cần thiết ở chỗ tiếp xúc
Chiều dài phần chống phủ lên nhau của mối nối thường được lấy
bằng chiều rộng của thanh dẫn hoặc chiều rộng mặt phẳng nối của chi tiết
nếu phần đó có thể lắp được đủ số bulông hay ốc vít cần thiết
Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thứ
c :

tx
=100 KG/cm
2
là lực ép riêng

Với dòng điện định mức I
dm
=5A ta chọn mối nối tháo dời và sử dụng loại
vít M
3
với đường kính d=3mm
Diện tích lỗ vít:
S
lv
=
2
22
07,7
4
3.
4
mm
d
==
ππ

Tổng diện tích tiếp xúc của vít:
S=S
lv
+S


1.Chọn kết cấu tiếp điểm

Dạng kết cấu của hệ tiếp điểm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố . Khi chọn
dạng kết cấu của hệ tiếp điểm phải đảm bảo các tiếp điểm phải có điện trở
bé. Do dòng điện bé nên chọn dạng tiếp xúc của tiếp điểm là tiếp xúc
điểm.
1 - PhÇn ®Çu nèi
2 - TÊm èp
3 - VÝt
1
2
3
H×nh 5: KÕt cÊu vÝt
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín
- 12 -
Kích thước tiếp điểm được xác định theo dòng điện định mức đi qua tiếp
điểm: I
dm
=5A Theo bảng 2_15 (TK KCĐHA) ta chọn tiếp điểm có đường
kính d=3mm;chiều cao h=1mm

2.Chọn vật liệu làm tiếp điểmĐể đảm bảo yêu cầu điện trở xuất và điện trở tiếp xúc nhỏ , ít bị ăn mòn,
ít bị oxi hoá , khó hàn dính, độ cứng cao. Đặc tính công nghệ tốt phù hợp
với nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng, cộng với dòng điện I
dm
=5A ,

iểm là : F
1td
=25 (g)

4.Xác định điện trở tiếp xúc

Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng xác định theo công
thức dựa vào kết quả thực nghiệm )(,
)*102,0(
Ω=
m
Ftd
Ktx
R

Trong đó
Ftd , N : lực nén tiếp điểm
m : hệ số dạng bề mặt tiếp xúc
m=0,5 ; tiếp xúc điểm
m= 0,5-0,7 tiếp xúc đường
m= 0,7-1 tiếp xúc mặt
Ktx : hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái bề mặt của
tiếp điểm . Với hai tiếp điểm bằng bạc thì theo TK KCĐHA ta chọn
K
tx
=0,0006
Vậy ta có điện trở tiếp xúc của tiếp điểm khi chưa phát nóng ở 20

-3
(1+
3
2
0,0043.(95-20)) =4,374.10
-3
(Ω)

5.Điện áp rơi trên điện trở 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 đầu nối , điện trở
của vật liệu tiếp điểm không đáng kể so với R
tx
vì vậy điện áp rơi trên
tiếp điểm sẽ bằng:
U
tx
= I R
tx
=5.4.374.10
-3
=21,87 , mV
Điện áp này liên quan trực tiếp tới nhiệt độ phát nóng của vùng tiếp xúc
θ
tx
. Tra trong TK KCĐHA với tiếp điểm bằng bạc và điện áp tiếp xúc
U
tx
=21.87 mV ta có :θ


Trong đó : θ
mt
: nhiệt độ của môi trường xung quanh , lấy bằng 4
0
C
λ : Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm
P : Chu vi tiếp điểm, P = 2.1,5.3,14 = 9,42 (mm)
S : Tiết diện bề mặt tiếp điểm , S = 3.14.1,5
2
= 7,1 (mm
2
)
Vậy nhiệt độ của tiếp điểm:
θ
tđ
= 40 +
8.10.42,9.10.1,7
10.32,2.5
36
82
−−
−
+
8.10.1,7.10.42,9.16,42
02187,0
63 −−
=
= 40 + 1,1 +7,3 = 48,4
oC

2
10
−
.2000=200(A)
Trong đó :
K
hd
: Hệ số hàn dính ,được xác định theo bảng 2-19 (TK KCĐHA)
chọn Khc =2000(A/KG)
F
tđ
:Lực ép tiếp điểm F
tđ
=0,12(N)=12.10
-2
(KG)
Chọn I
ngắt
=10.I
dm
=10.5=50(A). Như vậy dòng điện ngắt không hàn
dính được tiếp điểm

7.Độ ăn mòn của tiếp điểm

Sự mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng và quá trình ngắt
mạch điện.Sự mòn tiếp điểm thể hiện qua việc giảm độ lún ,giảm kích
thước (chiều cao) của tiếp điểm cũng như giảm khối lượng hoặc thể tích
của kim loại tiếp điểm.
Nguyên nhân gây ra sự ăn mòn của tiếp điểm là sự ăn mòn về


ε
(g/
3
cm
) – Khối lượng riêng của vật liệu tiếp điểm .

d
V
,
ng
V
(
3
cm
) – Thể tích mòn riêng cho một lần đóng ngắt .

d
g
,
ng
g
(g) – Khối lượng mòn riêng cho một lần đóng ngắt .

Đối với Rơle công suất nhỏ ta có thể tính khối lượng mòn riêng cho một
lần đóng cắt theo công thức thực nghiệm sau:

g
d
+g

K
kd
: hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn không đều của
các tiếp điểm , Với Rơle công suất nhỏ ta chọn K
kd
=1,5
I
d
,I
ng
: dòng điện đóng và ngắt của Rơle , chọn I
d
=I
ng
=I
dm
=5A
Vậy g
d
+g
ng
=10
-9
.(0,85.25+0,85.25).1,5=63,75.10
-9
(g)
hay V
d
+V
ng

)
Chiều cao của tiếp điểm bị ăn mòn sau 10
6
lần đóng cắt là:
Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín
- 15 -
h
m
=V
m
/S =4.V
m
/(
π
d
2
) =4.6.10
-3
/
π
(0.3)
2
=85.10
-3
(cm)
=0,085 (cm)=0,85(mm)

8.Độ mở , độ lún, khoảng trượt của tiếp điểm Thiết kế Rơle trung gian điện từ kiểu kín
- 16 -
CHƯƠNG III TÍNH VÀ DỰNG ĐẶC TÍNH CƠ

I. Sơ đồ động

II. Tính toán trọng lượng phần động.
Trọng lượng phần động của Rơle trung gian chủ yếu là trọng lượng
của nắp nam châm điện . Theo kinh nghiệm ta có thể tính trọng lượng
phần động theo công thức gần đúng sau:
G
d
= m

=0,75.0,5=0,375 (N)
một điểm về thanh dẫn động để tính toán lò xo nhả, ký hiệu:
''
d
G''
d
G
=G
d
.
l
l
2/
=0,75.0,5 =0,375 (N) G
d
G'
d

F'
lxmh
G
d
"
F