Giáo trình

Công tắc tơ

1

2
1.Điện áp định mức U
đ m
: là điện áp định mức của mạch điện tương ứng mà
mạch điện của CTT phải đóng cắt. Điện áp định mức có các cấp: 110V, 220V, 440V
một chiều và 127V, 220V, 380V, 500V xoay chiều.
2.Dòng điện định mức I
đm
: là dòng điện định mức đi qua tiếp điểm chính của
CTT trong chế độ làm việc gián đoạn lâu dài, nghĩa là ở chế độ này thời gian
tiếp điểm của CTT ở trạng thái đóng không quá 8h.
Dòng điện định mức của CTT hạ áp thông dụng có các cấp: 10; 20; 25; 40; 60; 75;
100; 150; 250; 300; 600; 800A. Nếu CTT đặt trong tủ điện thì dòng điện định mức phải
lấy thấp hơn 10% do đ
iều kiện làm mát kém.
ở chế độ làm việc lâu dài, nghĩa là khi tiếp điểm của CTT ở trạng thái đóng lâu hơn
8h thì dòng điện định mức của CTT lấy thấp hơn khoảng 20% do ở chế độ này lượng
ôxit kim loại tiếp điểm tăng vì vậy làm tăng điện trở tiếp xúc và nhiệt độ tiếp điểm tăng
quá giá trị cho phép.

3.Điệ
n áp cuộn dây định mức U
cdđm
: là điện áp định mức đặt vào cuộn dây. Khi
tính toán, thiết kế CTT thường phải bảo đảm lúc điện áp bằng 85%U
cdđm
thì phải đủ sức
hút và lúc điện áp bằng 110%U
cdđm

8.Tần số thao tác: là số lần đóng cắt CTT cho phép trong 1h. Tần số thao tác của
CTT bị hạn chế bởi sự phát nóng của tiếp chính do hồ quang và sự phát nóng của cuộn
dây do dòng điện.
Tần s
ố thao tác thường có các cấp 30, 100, 120, 150; 300; 600; 1200; 1500 lầ/h.

9.Tính ổn định điện động: nghĩa là khi tiếp điểm chính của CTT cho phép một
dòng điện lớn nhất đi qua mà lực điện động sinh ra không phá huỷ mạch vòng dẫn điện.
Thường qui định dòng điện ổn định điện động bằng 10I
đm
.

10.Tính ổn định nhiệt: nghĩa là khi có dòng điện ngắn mạch chạy qua trong thời
gian cho phép, các tiếp điểm không bị nóng chảy và hàn dính.

IV. YÊU CẦU CHUNG KHI THIẾT KẾ.

1. Các yêu cầu về kỹ thuật:
- Độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của khí cụ điện khi làm việc ở chế
độ định mức và chế độ sự cố.
- Dẫn điện tốt.
- Độ bền cách điện của các chi tiết cách điện và khoảng cách cách điện khi
làm việc với điện áp lớn nhấ
t để không xảy ra phóng điện, kéo dài trong
điều kiện môi trường xung quanh ( như mưa, ẩm, bụi, tuyết ) cũng như
khi có quá điện áp nội bộ hoặc quá điện áp do khí quyển gây ra.

4
- 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

1.Cấu tạo:

5
Công tắc tơ gồm các bộ phận chính sau:
- Hệ thống mạch vòng dẫn điện, bao gồm: thanh dẫn ( thanh dẫn động và
thanh dẫn tĩnh ), dây nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm ( gồm có tiếp
điểm động và tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp điểm ), cuộn dây dòng điện (
nếu có, kể cả cuộn dây thổi từ
dập hồ quang ).
- Hệ thống dập hồ quang.
- Nam châm điện xoay chiều.
- Hệ thống lò xo : lò xo nhả , lò xo tiếp điểm, lò xo giảm chấn rung
- Vỏ và các chi tiết cách điện.

2. Nguyên lý hoạt động:
Khi đặt điện áp vào cuộn dây của nam châm điện, luồng từ thông sẽ được
sinh ra trong nam châm điện. Luồng từ thông này sẽ sinh ra một lực đi
ện từ, hút phần
ứng của nó. Khi lực điện từ lớn hơn lực cơ thì nắp mạch từ được hút về phía mạch từ
tĩnh, làm cho tiếp điểm động gắn trên phần ứng đóng hoặc cắt với tiếp điểm tĩnh. Tiếp
điểm tĩnh được gắn trên thanh dẫn, đầu kia của thanh dẫn vít bắt dây điện ra, vào. Các
lò xo tiế
p điểm có tác dụng duy trì một lực ép tiếp điểm cần thiết lên tiếp điểm. Đồng
thời tiếp điểm phụ cũng được đóng vào đối với tiếp điểm phụ thường mở và mở ra đối
với tiếp điểm phụ thường đóng, lò xo nhả bị nén lại.
Khi ngắt điện vào cuộn dây, luồng từ thông sẽ
giảm xuống về không, đồng
thời lực điện từ do nó sinh ra cũng giảm về không. Khi đó lò xo nhả sẽ đẩy toàn bộ
phần động của công tắc tơ lên và cắt dòng điện tải ra. Khi tiếp điểm động tách khỏi tiếp
điểm tĩnh thì hồ quang sẽ xuất hiện giữa hai tiếp điểm.Khi đó hệ thống dập hồ quang sẽ

= 400V
- Số lượng
.
: 2 thường đóng, 2 thường mở.
- Nam châm điện : U
đm
= 220V; f = 50Hz
- Tuổi thọ : Điện: 10
6
lần đóng cắt.
- Làm việc liên tục : cách điện cấp C.

II.LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU.

1.Lựa chọn kết cấu:
Công tắc tơ xoay chiều kiểu điện từ dùng nam châm điện có mạch từ hình
chữ E hay chữ Π có nắp quay quanh trục hay chuyển động tịnh tiến theo kiểu hút ống.
Ta không dùng kiểu quay trên một cạnh vì nắp NCĐ xoay chiều to, nặng và kẽ hở
không khí chính lớn.
Mạch từ hình chữ E kiểu quay cho đặc tính hút tốt hơn kiểu hút thẳng
nhưng kiể
u hút thẳng có thể tận dụng được trọng lượng của nắp khi ngắt. Mặt khác loại
này có đặc tính lực hút tương đối lớn và có dạng gần trùng với đặc tính cơ nên giảm

7
rung tốt, hành trình chuyển động tương đối nhanh, thời gian chuyển động ngắn. Từ
thông rò của nó sinh ra lực phụ làm tăng lực hút. Kết cấu mạch loại này đơn giản.
Tuy nhiên NCĐ xoay chiều kiểu chữ E, hút thẳng có phần ứng chuyển
động
một phần trong lòng ống dây có nhược điểm là bội số dòng điện lớn ( 10 ÷ 15 ) so với

4 - Tiếp điểm tĩnh.

8
f
®t
g

f
lxt®

f
lxnh

m
δ

1
2
3
4
5
6
7
5 – Nắp nam châm điện.
6 – Lò xo nhả.
7 – Thân ( lõi ) nam châm điện.


- lực ép lò xo nhả.
F
đ t
- lực hút điện từ.
G - trọng lực phần động.
CHƯƠNG III
MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN
A.KHÁI NIỆM CHUNG.

Mạch vòng dẫn điện 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 thước hợp
thành. Mạch vòng dẫn điện gồm có các bộ phận chính như sau:
• Thanh dẫn : gồm thanh dẫn động và thanh dẫn tĩnh.
• Dây dẫn mềm
• Đầu nối : gồm vít và mối hàn.
• Hệ thống tiếp điểm : gồm tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh, giá đỡ tiếp
điểm.
• Cuộn dây dòng điện ( nếu có, kể cả cuộn thổi từ dập hồ quang ).

B.YÊU CẦU ĐỐI VỚI MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.
• Có điện trở suất nhỏ, dẫn điện tốt, tổn hao đồng nhỏ.
• Bền với môi trường.
• Có độ cứng, vững tốt.
• Làm việc ở chế độ sự cố trong thời gian cho phép.
• Có kết cấu đơn giản, dễ thiết kế, chế tạo, lắp ráp, thay thế.

C.MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN CHÍNH.

Độ dẫn nhiệt (λ) 3,9 W/cm
0
C
Độ cứng Briven (H
B
) 80 ÷ 120 kG/cm
2

Hệ số nhiệt điện trở (α) 0,0043 1/
0
C
Nhiệt độ cho phép cấp A ([θ
cp
]) 95
0
C
Độ dẫn nhiệt 3,9 W/cm
o
C

3.Chọn dạng thanh dẫn:
Chọn dạng thanh dẫn có tiết diện chữ nhật, chiều rộng a, chiều dày b:

II.TÍNH TOÁN THANH DẪN Ở CHẾ ĐỘ DÀI HẠN.

a
b

ôđ
trong đó:
K
T
:Hệ số tản nhiệt.
S
T
:Tiết diện tản nhiệt của thanh dẫn.S
T
=2(a+b)l.

Ρ :Công suất tản nhiệt của thanh dẫn.
θ
ôđ
:Nhiệt độ làm việc ổn định của thanh dẫn.

θ
o
:Nhiệt độ của môi trường.
ta có:
I
đm
R
θ
K
f
= K

S :tiết diện của thanh dẫn.S=ab[m
2
].
l :chiều dài của thanh dẫn[m].
Ta có:
).(lS)ba(2K
ab
lKI
mtd«TT
f
dm
2
θθ
ρ
θ
−+=d«T
f
dm
2
TK
KI
)ba(2ab
θ
ρ
=+

chọn:

⇔
9
d«
10882,0
−
⋅=
τ
ρ
θ12
Thay :
ρ
θ
= ρ
(20oC)
[1+α(θ
ôđ
-20)].
τ
ôđ
= θ
ôđ
- θ
mt
.
Ta có:
.
)]20(0043,01[(10.0174,0

mt
=64 - 40=24
o
C.
c.Kiểm nghiệm mật độ dòng điện dài hạn:
Mật độ dòng điện chạy qua thanh dẫn ở chế độ dài hạn là:

2
/25,3
20
65
mmA
S
I
J
dm
d
===
< [j] =2 ÷ 4 A/mm
2
→ thoả mãn yêu cầu.
d. Kiểm nghiệm thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch:
Độ bền nhiệt của khí cụ điện là tính chất chịu đựng được sự
tác dụng nhiệt của dòng điện ngắn mạch trong thời gian ngắn mạch. Nó được đặc trưng
bằng dòng điện bền nhiệt, là dòng điện dòng điện mà ở giá trị đó thanh d
ẫn chưa bị biến
dạng.
Mật độ dòng điện chạy qua thanh dẫn ở chế độ ngắn mạch là:
j
nm

2
s/mm
4
, ứng với nhiệt độ bền nhiệt của đồng θ
bn
= 250
0
C có
A
bn
=3,5 .10
4
A
2
s/mm
4t
nm
j
nm
(A/mm
2
) [j
nm
]
cp
(A/mm
2

t và điện trở tiếp xúc bé.
+ Tính dẫn nhiệt và nhiệt độ nóng chảy cao.
+ ít bị ôxi hoá.
+ Khó hàn dính.
+ Độ cứng cao, ít bị ăn mòn cơ.
+ Đặc tính công nghệ tốt.

14
+ Giá thành hạ.
- Với yêu cầu thiết kế, ta chọn vật liệu là kim loại gốm ( Bạc-
Niken- Than chì) có các thông số:
+ Ký hiệu : KM K- A32.
+ Tỷ trọng : 8,7 ( g/ cm
3
).
+ Nhiệt độ nóng chảy: 3400
0
C.
+ Điện trở suất ở 20
0
C : 3,5x10
-5
( Ω.mm ).
+ Độ dẫn nhiệt : 3,25 (W/ cm.
0
C).
+ Tỷ trọng nhiệt : 0,234 (W.s/ cm.
0
C).
+ Độ cứng Briven : 45 ÷ 65 ( kg.mm

tđ
.I
đm
.
- Tra bảng 2-17 TLLK ta chọn được:
f
tđ
= 7 ( g/ A ).
F
tđ
= 7.65 = 455[g] ≈4,6 ( N ).
- Theo lý thuyết :
+ Dựa vào việc khảo sát nhiêt trường và điện
trường của thanh dẫn đặc, dài vô hạn, có nguồn nhiệt ở đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác,
ta có công thức sau:
.
)]
T
T
[arccos(
1
.
16
AH
.IF
2
tx
td
2
B

(
0
K ).
T
tx
: Nhiệt độ chỗ tiếp xúc, thường lấy T
tx
= T
tđ
+ ( 5 ÷ 10
0
) K. Vậy ta
chọn T
tx
= 347 (
0
K ).
thay số ta có :
)(141,1
]
347
337
[arccos
1
.
380.16
10.50.14,3.10.3,2
.65
2
2

tiếp xúc điểm.
K
tx
: Hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật
liệu và tạng thái bề mặt của tiếp điểm.Tra bảng trang 59 ( TL1) : Với vật liệu kim loại
gốm thì có: K
tx
= (0,2÷ 0,3).10
-3
. Chọn K
tx
= 0,25
-3
.

Thay số ta có:
).(10.4,0
)6,4.102,0(
10.25,0
3
5,0
3
Ω==
−
−
tx
R

Hiệu điện thế tại nơi tiếp xúc:
U

S.P.K
ρ
.I
θθ
22
dm
t
2
dmtx
t
2
dm
0tx
+++=

Trong đó:
θ
0
: Nhiệt độ môi trường xung quanh (θ
0
= 40
0
C ).
I
đm
: Dòng điện định mức ( I
đm
= 65 A ).

17

39
Ω===
−
−
−−
S
l
R
ρ K
t
: Hệ số toả nhiệt bề mặt của thanh dẫn. K
t
= 8
(W/ m
2
).
λ : Hệ số dẫn nhiệt. λ = 3,25 (W/ m ).
P : Chu vi tiếp điểm:
P = Π.d = 3,14.8.10
-3
= 25,12.10
-3
( m ).

Thay số ta có :
].[55.
10.5,3.10.25,3 8

e.TT
arccos(
θ
.H.
Π
.
λ
ε
.F.H 4
I
T
t
tdtx
T
t
tdtd
B
td
thhd
1
1
−
−
−
−
=.F.fAI
tdncthhd

2
1(
ρ
H.
Π
)
θ
.
α
.
3
1
1.(
θ
.
λ
.32
A
nc0B
ncnc
+
+
=

Trong đó:

ρ
0
: Điện trở suất của vật liệu tiếp điểm ở 0
0

C].

λ : Hệ số dẫn nhiệt.λ = 3,25 (W/cm) = 325 (W/m).
H
B
: Độ cứng Brunmen ở 0
0
C,H
B
= 50 kg/ mm
2
.

θ
nc
: Nhiệt độ nóng chảy của tiếp điểm.θ
nc
= 3400
0
C.
Thay số ta có:

).N/A(64,195
)3400.325
3
2
1.(10.27,3.10.50.14,3
325).3400.325.
3
1

Thay số ta có:

).(67846,01000 AI
hdbd
==* So sánh dòng điện hàn dính tiếp điểm theo lý thuyết và
thực nghiệm ta thấy dòng diện hàn dính tiếp điểm theo lý thuyết lớn hơn thực
nghiệm. Vậy ta chọn I
hdtd
= 678 (A).
* So sánh với I
nm
: với I
nm
= 10.I
dm
= 10.65 =650 ( A ), ta thấy
I
nm
< I
hdtd
, vậy tiếp điểm không bị hàn dính nagy cả khi bị ngắn mạch.

Tính biên độ và thời gian rung:
- Khi đóng tiếp điểm, thời điểm bắt đầu tiếp xúc có
xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh gây nên hiện tượng rung
tiếp điểm. Tiếp điểm động bị bật trở lại với một biên độ nào đó rồi lại tiếp tục va đập.
Quá trình tiếp xúc rồi lại tách rời giữ

t
−
=

Trong đó : -m
d
: Khối lượng phàn động.
Tính m
d
:
M
d=
g
G
d
.
Trong đó:

20
-G
d
=I
dm
.m
c
.Chọn m
c
=9.4 ⇒G
d
=9.4.65=611 [g.m/s

2
mmx
m
−−
==
−
=] [7.1][10.7.1.
3,2
1.1.0.0611,0.2
3
sms
Kv
t
m
==
−
=
−

X
m
và t
m
ở trên đuợc tính ứng với khối lượng phần động của
một tiếp điểm.Vì công tắc tơ có ba tiếp điểm
⇒:


∑
=1.8.2.t
m
=1.8.2.0.57=2.1 [s].Vì t
∑
>0.3s là thời gian rung dể có thể
bỏ qua độ rung của công tắc tơ,vậy dộ rung la dáng kể,ta phải dùng lò so hoãn
xung dể giảm độ rung này.
Ăn mòn tiếp điểm.
- Yêu câu đối với tiếp điểm sau số lần đóng cắt n
nhất định là:
V
mòn
/V
tđ
≤70%.

).(1.0)(5.100
4
2.8.14.3
4

33
22
cmmm
hd
V
td
===
Π

=K
ng
=0.001(g/A
2
).
-I
đ
:Dòng điện đóng,chọ I
d
=10.I
đm
=650 (A).
-I
ng
:Dòng điện ngắt,chọn I
ng
=I
đm
=65 (A).
Thay số ta có:
).(10.5553.1).65.001.0650.001.0(10
9229
gg
−−
=+=

Tổng khối lượng kim loại bị ăn mòn sau 10
6
lkần đóng cắt là:
G

V* Vậy dộ mòn tiếp điểm nằm trong vùng cho phép sau 10
6
lần đóng cắt.
3.Thanh dẫn động.
Hình dạng,kết cấu ,vật liệu chế tạo thanh dẫn động và thanh dẫn
tĩnh hoàn toàn gióng nhau.Việc tính toán,kiểm nghiệm thanh dẫn động giống với việc
tính toán kiểm nghiệm thanh dãn tĩnh.

22
Do không phải chịu va đập cơ khí và không phải nối với đầu
nối dây nối ra bên ngoài như thanh dẫn tĩnh nên thanh dẫn động có kích thước nhỏ hơn
thanh dẫn tĩnh.
Kích thước của thanh dẫn động :
-Chièu rộng và chiều cao thanh dẫn:a=7[mm],b=2[mm].
- Chiều cao và đường kính tiếp điểm :h=2[mm],d=7[mm].
III.TÍNH TOÁN ĐẦU NỐI THANH DẪN TĨNH.
1.Chọn kết cấu đầu nối.
Các thanh dẫn tĩnh được nối với dây nối mềm bằng các vít đầu
nối.Để đảm bảo cho việc thay thế sửa chũa ta chọn đàu nối là mối nối có thể tháo rời.Số
lượng mối nối ở mỗi pha là hai,hình dạng thanh dẫn nối là hình chữ nhật.
Cấu tạo đầu nối : - Vít ghép nối: dùng để ghép nối giữa thanh dẫn tĩnh và dây nối
- Đệ
m lò xo vênh, phẳng: có tác dụng tạo lực ép giữ chăt thanh dẫn tĩnh và
dây nối

].
Thay số ta có:

].[210.
31,0
65
2
mmS
tx
==

b.Lực ép tiếp xúc : txtxtx
SfF
=

Trong đó :-
]./[2,4
2
mmkNf
tx
=
(Tra bảng 2-10 TLTKKCHA)
Thay số có:

].[64,28210.
8,30
2,4

10.14,0
.
).102,0(
5
3
Ω===
−
−
m
tx
tx
F
K
R

d.Điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc:

24

].[11,365.10.05,0.
3
mmVIRU
dmtxtx
===
−*Yêu cầu của điện áp rơi trên chỗ tiếp xúc là:2-30 (mmV).Vậy bulông đã
chọn có thể đáp ứng đươc yêu cầu thiết kế.


), điện áp rơi trên catôt bé ( 10 ÷ 12 V ), nhiệt độ hồ quang
cao ( 6000
÷ 18000
o
K ) và kèm theo hiệu ứng ánh sáng. Hồ quang điện là quá trình điện
và nhiệt liên quan mật thiết với nhau.
Vùng catôt khoảng cách ngắn ( cỡ 10
-3
mm ) với U
c
cỡ 10 ÷ 20 V, nên
cường độ điện trường ở vùng này khá lớn 20.10
3
V/mm.