Thiết kế rơle trung gian xoay chiều

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
+ Điện áp thử nghiệm U = 220V
+ Điện áp định mức của cách điện: U
cđ
= 220V
b. Khoảng cách điện giữa các phần tử dẫn điện.
Muốn khí cụ điện có độ tin cậy cao thì cần khoảng cách cách điện lớn.
Song như vậy lại tăng kích thước và khối lượng của thiết bị. Vì vậy nên
chọn theo khoảng cách cách điện tối thiểu theo quy định của công nghiệp
điện lực cho các loại khí cụ điện hạ áp thông dụng.
ở đây ta xét ở điện áp U
đm
= 220 V theo bảng ( 1-2)/14 tài liệu 1 ta
chọn khí cụ điện trong mạch điều khiển và tín hiệu, ứng với nó có khoảng
cách điện giữa các phần tử dẫn điện, cụ thể là khoảng cách cách điện giữa
các thanh dẫn. l
cđ
= 10mm
l
c®
Hình 4
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 5
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
PHẦN II : TÍNH TOÁN MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN.
Mạch vòng dẫn điện là bộ phận khác nhau về hình dáng kết cấu và
kích thước hợp thành.
Mạch vòng dẫn điện của rơle bao gồm các bộ phận sau:
- Thanh dẫn: Thanh dẫn động và tĩnh.
- Đầu nối
- Hệ thống tiếp điểm: + Giá đỡ tiếp điểm
+ Tiếp điển động
+ Tiếp điểm tĩnh
I. Thanh dẫn.
1. Xác định kích thước thanh dẫn động.
a. Chọn vật liệu.
Thanh dẫn đồng cũng đồng thời là lò xo lá dùng để ép tiếp điểm, các
tiếp điểm được gắn trên các thanh dẫn. Vật liệu làm thanh dẫn bằng đồng
phốt pho bằng cứng, có đặc điểm là vừa dẫn điện tốt vừa có tính đàn hồi cao,
thanh dẫn có tiết diện hình chữ nhật, có các thông số kỹ thuật sau (tra bảng
của tài liệu 1).
Ký hiệu: :
. 6.5
φ
Ρ Ο
Nhiệt độ nóng chảy : 1083
0
C
Điện trở suất ở 20
0
C : ρ = 0,0177.10
-6
(xΩ cm)
Hệ số nhiệt điện trở : α = 0,0043 (1/
0
C)
Độ dẫn điện : λ = 393 W/mdeg
Nhiệt dung riêng : C
p
= 386J/kgdeg
Nhiệt lượng nóng chảy : 50,6 J/g
Nhiệt lượng bay hơi : 770,0 J/g
Modul đàn hồi : E = 100.10
3
N/mm
2
Modul trượt : E
t
= 42.10
3
N/mm
2
Độ cứng : H
B
= 91 kg/mm
2
ứng suất uốn cho phép : σ
u
= 186 N/mm
2-
Giới hạn đàn hồi : σ
K
= 550 N/mm
2
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 6
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Giới hạn đàn hồi : σ
th
= 320 N/mm
2
Hệ số nở dài : 17,7.10
-6
1/
0
C
Tỷ trọng : γ = 8,9kg/dm
3

Nhiệt độ ổn định : [θ] = 95
0
C
b. Kết cấu của thanh dẫn động.

Hình 5
Tiết diện và kích thước các cạnh a,b của các chi tiết thanh dẫn hình
chữ nhật được xác định theo công thức (2 - 5)/19 tài liệu 1.

( )
ρ
τ
2
®m ® f
3
t «d
I . .K
b =
2n n +1 .K .
Trong đó: n =
a
b
= 5 ÷ 12: Hệ số hình dáng.
Chọn n = 12
I
đm
= 5A
K
f
= K
bm
. K
g
= 1,03 ÷ 1,06 : là hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn
hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần.
Chọn K
f
= 1,06
K
T
: hệ số toả nhiệt không khí theo bảng (6 -5)/300 tài liệu 1
Chọn K
T
= 9.10
-6
[W] mm
2 0
C
τ
ôđ
: Độ tăng nhiệt độ ổn định
τ
ôđ
= [θ] - θ
0
= 95
0
C - 40
0
C = 55
0
C
Điện trở suất của đồng phốt pho ở nhiệt độ ổn đinh: θ
ôđ
= 95
0
C.
ρ
θ
= ρ
20
[1+ α (θ
ôđ
- θ
20
)]
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 7
a
b
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
= 0,0177 . 10
-3
[ 1 + 0,0043 . 75] = 0,0234 . 10
-3
( Ωmm)
Vậy:
( )
( )
−
−
= =
+
2 3
3
6
5 .0,0234.10 .1,06
0,16
1 12 1 .12.9.10 .55
a mm
Suy ra: a = n . b = 12 . 0,16 = 1,92 mm
- Mặt khác ta đã chọn với rơle loại này thì thanh dẫn động cũng chính
là lò xo ép tiếp điểm dạng tấm phẳng và kết hợp chọn theo đường kính tiếp
điểm và đảm bảo độ bền cơ ứng với dòng điện: I
đm
= 5A
Theo bảng (2 - 15) / 51 tài liệu 1
+ Đường kính tiếp điểm: d
tđ
= 3 (mm)
Ta chọn: b = 0,4 (mm)
a = 5 (mm)
a, b là chiều rộng và bề dày thanh đẫn động.
+ Tiết diện thanh dẫn động:
S
tđ
= a . b = 5 . 0,4 = 2 mm
2
+ Mật độ dòng điện qua thanh dẫn.
J
tđ
=
®m
td
I
5
=
S 2
= 2,5 A/mm
2
Với [J
cp
] = 1,5 ÷ 4 A/mm
2
* Ta nhận thấy mật độ dòng qua thanh dẫn thoả mãn điều kiện.
- Tính toán nhiệt độ thanh dẫn.
Theo công thức: (2 - 4)/18 tài liệu 1, ta có:
θ
ôd
= θ
td
=
®m 0 T T mt
2
T ®m 0 f
I . .K + Sp.K .
Sp.K - I . .K .a
ρ θ
ρ
Với:
* S = 2m
2
: là tiết diện thanh dẫn
* p = 2 (a + b) = 2 (5 + 0,4) = 10,8mm là chu vi thanh dẫn.
( )
3
20
0
20
0,0177.10
1 . 1 0,0043.20
−
= =
+ θ +
ρ
ρ
α
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 8
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
= 0,0163 . 10
-3
( Ωmm)
2. Tính toán thanh dẫn động ở chế độ ngắn mạch.
Theo công thức ( 6 - 11)/ 321 tài liệu 1 ta có:
2
nm nm
2
td
I .t
S
= A
nm
- A
đ
= A
bn
- A
đ
Suy ra: I
nm
= I
bn
= S
td
.
bn ®
nm
A - A
t
Với: I
nm
= I
bn
: là dòng ngắn mạch - dòng điện bền nhiệt.
A
bn
= A
nm
: là giá trị hằng số tích phân bền nhiệt và ứng với nhiệt
độ ban đầu.
Tra đồ thị hình ( 6 - 5)/ 313 tài liệu 1:
Với θ
bn
của đồng phốt pho cho phép bằng 300
0
thì:
A
bn
= 3,75 . 10
4
(/A
2
S/mm
4
)
θ
ôđ
= 95
0
thì
A
đ
= 1,6 . 10
4
(/A
2
S/mm
4
)
Suy ra: I
bn
= 2.
4 4
bn
3,75.10 - 1,6.10
t
* Với các giá trị thời gian khác nhau ta có các giá trị dòng điện và mật
độ dòng điện tính toán tương ứng.
+ t
bn
= 3s
→ I
bn
= 200
2,15
3
= 169,3 (A)
→ I
bn
=
bn
td
I
169,3
=
S 2
= 84,7 (A)
+ t
bn
= 4s
→ I
bn
= 200
2,15
3
= 146,3 (A)
→ I
bn
=
146,3
2
= 73,15 (A/mm
2
)
+ t
bn
= 10s
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 9
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
→ I
bn
= 200
2,15
3
= 92,74(A)
→ I
bn
=
92,74
2
= 46,4 (A/mm
2
)
Theo bảng (6-7)/305 tài liệu 1 ta có các giá trị mật độ dòng điện cho
phép đối với đồng ứng với các thời gian trên:
3sec → [J
bn
] = 94 (A/mm
2
)
4 sec → [J
bn
] = 82 (A/mm
2
)
10sec → [J
bn
] = 51 (A/mm
2
)
Vậy ta có bảng so sánh mật độ dòng điện như sau:
T
bn
(s) 3 4 10
[J
bn
] (A/mm
2
) 94 82 51
J
bhtính
(A/mm
2
) 84,7 73,15 46,4
Ta nhận thấy J
bn
< [J
bn
]
cp
. Như vậy có thể bảo đảm được giá trị dòng
điện ngắn mạch cho phép.
3. Thanh dẫn tĩnh.
Để đảm bảo độ dày bắt vít nối và mật độ dòng điện nằm trong khoảng
cho phép ta chọn kích thích thanh dẫn tĩnh lớn hơn kích thước thanh dẫn
động.
Ta chọn: b = 1mm
A = 6mm
Suy ra: S
tdt
= a . b = 6.1 = 6mm
2
II. Tính toán vít đầu nối.
Đầu nối tiếp xúc là phần tử quan trọng của khí cụ điện. Đầu nối có thể
chia làm hai phần.
+ Các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài.
+ Và các mối nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện.
Ta chọn kết cấu vít đầu nối có đạng mối nối tháo rời được vằng vít.
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 10
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Diện tích bề mặt tiếp xúc được xác định theo công thức.
S
tx
= a. b =
®m
I
J
Đối với thanh dẫn và chi tiết bằng đồng, mật độ dòng điện J có thể lấy
bằng 0,31 A/mm
2
ứng với dòng điện xoay chiều tần số f = 50Hz dòng định
mức nhỏ hơn 200A ( theo tài liệu 1 trang 31)
Suy ra:
S
tx
=
5
0,31
= 16,13 (mm
2
)
Kích thước và số lượng của chi tiết dùng để nối được tính theo số liệu
thực nghiệm trong bảng ( 2 = 9)/32 tài liệu1.
Với dòng điện I
đm
= 5A thì kích thước của vít lò:
- Đường kính ren hẹ mét.
+ Bulông thép: M3 x 18
+ Trụ lõi dẫn điện có ren bằng đồng thau: M3 x 18, mối nối tháo rời được.
- Lực ép của mối nối tính theo công thức
F
tx
= f
tt
. S
tx
Trong đó: f
tt
= 100 ÷ 150 (kg/cm
2
) : lực ép riêng.
Chọn f
tx
= 100 kg/cm
2
Suy ra: F
tx
= 100. 16,13 . 10
-2
= 16,13kg
= 161,3 N
- Điện trở tiếp xúc của mối nối không bị phát nóng xác định theo công
thức dựa vào kết quả thực nghiệm (2 - 25)/59 tài liệu 1.
R
tx
=
( )
tx
m
tx
K
0,102.F
- m = 0,7 (tiếp xúc mặt)
- K
tx
= 3,04 .10
-3
: hệ số kể đến sự ảnh hưởng của vật liệu và trạng thái
bề mặt của tiếp điểm giữa (đồng thau - thép)
Suy ra:
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 11
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
R
tx
=
( )
3
0,7
3,04.10
0,102.161,3
−
= 0,43.10
-3
Ω
- Điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc.
U
tx
= I
đm
. R
tx
= 5. 0,43 . 10
-3
Vậy U
tx
đã nằm trong khoảng cho phép là [U
tx
] = 2 ÷ 30 mV.
III. Xác định kích thước tiếp điểm.
1. Chọn vật liệu tiếp điểm.
Với dòng điện I
dm
= 5A, theo bảng (2 - 13)/44 tài liệu 1.
Ta chọn vật liệu làm tiếp điểm là bạc kéo nguội với các thông số kỹ
thuật sau:
Ký hiệu : CP 999
Tỷ trọng : γ = 10,5 g/dm
3
Nhiệt độ nóng chảy : θ
nc
= 961
0
C
Độ dẫn điện : λ = 4,16 w/cm
0
C
Hệ số nhiệt điện trở : 4.10
-3
1/
0
C
Điện trở suất ở 20
0
C : ρ
20
= 1,59.10
-6
(Ωcm)
Độ cứng : H
B
= (30 - 60) kg/mm
2
- Kích thước tiếp điểm phụ thuộc vào giá trị của dòng điện định mức.
Kết cấu hệ thống tiếp điểm và tần số ngắt của dòng điện. Chọn kích
thước tiếp điểm là hình trụ cầu, theo bảng (2 - 15)/51 tài liệu 1. Với I
đm
= 5A
ta chọn.
Đường kính tiếp điểm: d = 3mm
Chiều cao tiếp điểm: h = 1,2 mm
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 12
h
d
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Hình 6
Tiếp điểm động và tĩnh có dạng như nhau
Vì tiếp điểm có dạng hình trụ cầu nên khi tiếp xúc có dạng tiếp xúc
điểm.
2. Lực ép tiếp điểm.
a. Tính theo lý thuyết.
Theo công thức (2 - 14) / 53 tài liệu 1
F
tđ
=
2
B
®m
2 2
t®
tx
A. .H
1
I . .
16.
T
arcos
T
π
λ
 
 
 
 ÷
 
 
- F
tđ
= n. F
tđ1
Vì tiếp xúc cả hai tiếp điểm là tiếp xúc điểm nên n = 1
Suy ra: F
tđ
= F
tđ1
I
đm
= 5A
H
B
= 91 (kg/mm
2
): độ cứng vickét của đồng
λ = 4,16 (W/cm
0
C): hệ số dẫn nhiệt
A = 2,42.10
-8
V
2
/
0
C
2
: hằng số loren
F
tđ1
: gọi là lực nén tại một điểm tiếp xúc
T
td
: nhiệt độ thanh dẫn nối tiếp xúc
F
tx
= T
tđ
+ ∆T: nhiệt độ tiếp xúc
Với ∆T = ( 5 ÷ 10)
0
K
Chọn ∆T = 8
0
K
Suy ra: T
tx
= T
td
+ 8
0
K = (θ
td
+ 273) + 8
0
K
= ( 43 + 273) + 8 = 324
0
K
Suy ra: F
tđ
=
( )
2 8
2 2
5 .2,42.10 . .91 1
.
16 0,416
316
arccos
324
π
−
 
 
 
 
 
 
= 0,002 (N)
b. Tính lực F
td
theo công thức thực nghiệm.
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 13
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế rơle trung gian xoay chiều
Theo công thức (2 - 17)/56 Tài liệu 1.
F
tđ
= f
tđ
. I
đm
Với rơle điện từ trung gian xoay chiều có dòng điện định mức:
I
đm
= 5A và vật liệu tiếp điểm là bạc kéo nguội nên ta có:
f
tđ
= 5 ÷ 10 (G/A)
Chọn f
tđ
= 7 (G/A)
Suy ra: F
tđ
= 7.5 = 35G = 0,35 (N)
* So sánh hai kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm ta có.
F
tđ
= 0,35 (N)
3. Tính điện trở tiếp xúc R
tx
- Theo công thức lý thuyết:
R
tx
=
Bb¹c
§
t®1
.H
2 F
π
ρ
Với ρ
Đ
= ρ
20
[1+ α (θ - 20)]
= 1,59 . 10
-6
[1 + 4.10
-3
(95 - 20)] = 2,067 .10
-6
(Ωcm)
Suy ra: R
tx
=
6 2
2,067.10 3,14.60.10
2 0,035
−
= 0,76.10
-3
(Ω)
- Theo công thức thực nghiệm:
R
tx
=
( )
tx
m
t®
K
0,102.F
Trong đó:
- K
tx
= 0,06 . 10
-3
, chọn theo bảng giữa bạc - bạc trang 59 tài liệu 1.
- m = 0,5: hệ số dạng bề mặt là tiếp xúc điểm.
- F
tđ
= 0,35 (N)
Suy ra: R
tx
=
( )
3
0,5
0,06.10
0,102.0,35
−
= 0,32 . 10
-3
(Ω)
* So sánh giữa hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm ta lấy giá trị.
R
tx
= 0,76 . 10
-3
(Ω)
SV Nguyễn công Luận - ĐKT - K44 Trang 14

Xem chi tiết: Thiết kế rơle trung gian xoay chiều