›
›

Giáo trình Thiết kế khí cụ điện hạ áp

pdf 300 trang vanle 4990
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Thiết kế khí cụ điện hạ áp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfgiao_trinh_thiet_ke_khi_cu_dien_ha_ap.pdf

Nội dung text: Giáo trình Thiết kế khí cụ điện hạ áp

  1. Giáo trình thiết kế khí cụ điện hạ áp , tháng năm .
  2. LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “thiết kế khí cụ điện hạ áp” đề cập đến những vấn đề cơ bản nhất về tính toán, thiết kế các bộ phận chủ yếu của khí cụ điện hạ áp. Chúng gồm các phần sau : -Những vấn đề chung về thiết kế -Mạch vòng dẫn điện -Cơ cấu trong khí cụ điện -Nam châm điện -Tính toán nhiệt Đây là giáo trình dùng cho sinh viên ngành thiết bị điện - hệ taị chức và dài hạn, nhưng nó cũng có thể bổ ích cho sinh viên các ngành khác và các cán bộ kĩ thuật, quan tâm đến công tác thiết kế, tính toán, chế tạo sửa chữa các khí cụ điện hạ áp. Tham gia biên soạn chương trình này gồm các đồng chí : -Phạm Tố Nguyên : chương 2, một phần chương 5 và chịu trách nhiệm chính. -Lưu Mỹ Thuận : chương 3 và chương 4. -Phạm Văn Chới: chương 1và một phần chương 5. -Bùi Tín Hữu : chương 6. Vì trình độ và thời gian có hạn nên cuốn sách này chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc, thư xin gửi tới bộ môn Thiết Bị Điện, trưòng Đại học Bách Khoa Hà Nội. Tháng 7 năm 1986 Các tác giả. 1
  3. CHƯƠNG I : NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ THIẾT KẾ KHÍ CỤ ĐIỆN §1-1. KHÁI NIỆM CHUNG A- CÁC LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN Khí cụ điện là những thiết bị điện, cơ cấu điện dùng để điều khiển các quá trình sản xuất, biến đổi, truyền tải, phân phối năng lượng điện và các dạng năng lưọng khác. Khái niệm điều khiển theo nghĩa rộng bao gồm : điều chỉnh bằng tay tự động, kiểm tra và bảo vệ. Theo lĩnh vực sử dụng, các khí cụ điện được chia thành 5 nhóm, trong mỗi nhóm lại có rất nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là : 1-Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao, gồm: Dao cách ly, máy ngắt dầu (nhiều dầu và ít dầu), máy ngắt không khí, máy ngắt tự sản khí, máy ngắt chân không cầu chuỷ (cầu chì) , dao ngắn mạch, điện kháng , biến dòng, biến điện áp 2-Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp, gồm: Máy ngắt tự động, máy ngắt bằng tay, các bộ đổi nối (cầu dao, công tắc), cầu chì 3-Nhóm khí cụ điện điều khiển: Công tắc tơ, khởi động từ, các bộ khống chế và điều khiển, nút ấn, công tắc hành trình, các bộ điện trở điều chỉnh và mở máy, các bộ khuếch đại điện tử, khuếch đại từ, tự áp 4-Nhóm các rơle bảo vệ: Rơle dòng điện rơle điện áp, rơle công suất, rơle tổng trở, rơle thời gian. 5-Nhóm khí cụ điện dùng trong sinh hoạt và chiếu sáng: công tắc, ổ cắm, phích cắm, bàn là, bếp điện B- CÁC BỘ PHẬN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN Các khí cụ điện có nhiều chủng loại khác nhau về kết cấu, kích thước, nguyên lý làm việc. Tuy vậy trong công tác thiết kế vẫn có thể phân loại các bộ phận của chúng. Các phần tử hợp thành khí cụ điện bao gồm: - Chi tiết: là phần sơ đẳng của khí cụ điện, được chế tạo từ một chất đồng nhất và chưa phải dùng đến nguyên công lắp ráp. - Cụm (đơn vị lắp ráp) là tổ hợp lắp ráp cả hai hay nhiều chi tiết. Trong một cụm cũng có thể gồm hai hay nhiều cụm nhỏ (cụm bậc hai và các bậc cao). Cụm cơ sở là cụm mà bắt đầu từ đó lắp ráp thành khí cụ điện. 2
  4. - Nhóm: là thành phần chủ yếu của khí cụ điện, gồm tổ hợp của các cụm và các chi tiết có chức năng chung cá biệt, nhóm có thể chỉ có chi tiết mà không có cụm. Các bộ phận chủ yếu của khí cụ điện thường gặp là: - Mạch vòng dẫn điện gồm đầu nối, thanh dẫn và các tiếp điểm. - Hệ thống dập hồ quang - Các cơ cấu trung gian - Nam châm điện - Các chi tiết và các cụm cách điện - Các chi tiết kết cấu, vỏ, thùng C-YÊU CẦU CHUNG CỦA CÁC KHÍ CỤ ĐIỆN Các khí cụ điện được thiết kế phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu của một sản phẩm công nghiệp hiện đại: đó là các yêu cầu về kỹ thuật, về vận hành, về kinh tế, về công nghệ và về xã hội chúng được biểu hiện qua các quy chuẩn, định mức, tiêu chuẩn chất lượng của nhà nước hoặc của ngành và chúng nằm trong nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật. 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. -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, kéo dài và trong điều kiện của 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. -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 viêc ở chế độ định mức và chế độ sự cố. -Khả năng đóng ngắt ở chế độ định mức và chế độ sự cố, độ bền điện thông của các chi tiết, bộ phận. -Các yêu cầu kỹ thuật riêng đối với từng loại khí cụ điện. -Kết cấu đơn giản, khối lượng và kích thước bé. 2- Các yêu cầu về vận hành: - Lưu ý đến ảnh hưởng của môi trường xung quanh: độ ẩm, nhiệt độ, độ cao, - Độ tin cậy cao. - Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài - Đơn giản,dễ thao tác,sữa chữa, thay thế. 3
  5. - Tổn phí vận hành ít, tiêu tốn ít năng lượng. 3- Các yêu cầu về kinh tế, xã hội : -Giá thành hạ -Tạo điều kiện dễ dàng, thuận tiện cho nhân viên vận hành (về tâm sinh lý, về cơ thể, ) -Tính an toàn trong lắp ráp ,vận hành -Tính thẩm mỹ của kết cấu -Vốn đầu tư khi chế tạo, lắp ráp và vận hành ít 4- Các yêu cầu về công nghệ chế tạo : -Tính công nghệ của kết cấu: dùng các chi tiết, cụm quy chuẩn, tính lắp lẫn -Lưu ý đến khả năng chế tạo: mặt bằng sản xuất, đặc điểm tổ chức sản xuất, khả năng của thiết bị. -Lưu ý đến khả năng phát triển chế tạo, sự lắp ghép vào các tổ hợp khác, chế tạo dây, D-ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG LÀM VIỆC ĐẾN KẾT CẤU CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN 1-Vùng khí hậu : Trong quá trình thiết kế, phải lưu ý đến điều kiện khí hậu nơi sử dụng. Vì vậy cần phải nghiên cứu các dạng, loại phù hợp với từng vùng khí hậu. Nhìn chung các loại khí cụ điện chỉ khác nhau ở một số loại vật liệu và các lớp sơn phủ bề mặt các chi tiết. Có các loại khí cụ điện cho các vùng khí hậu sau : - Loaị dùng cho các vùng khí hậu ôn đới. - Loại dùng cho các vùng khí hậu nhiệt đới ẩm . - Loại dùng cho các vùng nhi khô, sa mạc. - Loại dùng cho các vùng khí hậu hàn đới. - Loại dùng cho các vùng khí hậu biển, ôn đới. - Loại dùng cho các vùng khí hậu biển. nhiệt đới. 2-Vị trí lắp đặt : Ngoài điều kiện khí hậu, khi thiết kế khí cụ điện còn phải lưu ý đến vị trí lắp đặt của chúng như : - Kiểu đặt trong phòng kín, có thông gió. - Kiểu đặt trong các hầm lò, có độ ẩm cao. 4
  6. - Kiểu đặt bên ngoài, không có che chắn, bị tác động của mưa bụi , bẩn - Các kiểu chuyên dùng, có che chắn, chống bụi, nước, chống nổ. Tuỳ theo mức độ chống được ảnh hưởng của môi trường bên ngoài, các khí cụ điện được phân theo các cấp bảo vệ (có tiêu chuẩn). 3-Tác động cơ học: Trong quá trình vận chuyển, bảo quản vận hành, các khí cụ điện chịu tác động cơ học từ mọi phía, thể hiện qua độ rung và va đập.Tác động này có dạng và độ lớn khác nhau cho từng lĩnh vực sử dụng, ví dụ như trong công nghiệp , tàu điện, máy bay 4-Sự thay đổi các thông số định mức của khí cụ điện : Khi nhiệt độ môi trường tăng thì dòng điện định mức của các khí cụ điện giảm xuống . Khi chiều cao nơi làm việc lớn hơn 1000m, nên thay đổi dòng điện và điện áp định mức của các khí cụ điện như sau : Độ cao, m KI= I/Iđm Ku=U/Uđm 1000 1.00 1.00 2000 0.98 0.90 3000 0.96 0.80 6000 0.90 0.56 Tất cả các nhân tố trên đều ảnh hưởng đến kết cấu của khí cụ điện. Vì vậy, các nhân tố này nằm trong phần nhiệm vụ thiết kế. A- CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN Thiết kế là việc giải bài toán nhiều ẩn. Bài toán này thường thiếu các số liệu cần thiết nên phải cho trước một số thông số, đưa vào các điều kiện giới hạn phải đơn giản hoá nhiều vấn đề, các phương pháp chủ yếu dùng trong quá trình thiết kế và tính toán kết cấu thường gặp là: Phương pháp đồng dạng, phương pháp tương tự, phương pháp gần đúng liên tiếp. Tính toán thiết kế phải bám sát vào nhiệm vụ được giao. Đôi khi phải huỷ bỏ kết quả tính toán về kích thước và các thông số, mặc dù kết này đúng về mặt toán học nhưng không thể chấp nhận được về mặt kết cấu, chế tạo, vận hành, kinh tế 5
  7. Trong việc tính toán, cần dựa vào các vấn đề lý thuyết và thực tế, trong đó gồm các luật vật lý, các số liệu thực nghiệm của các khí cụ điện tương tự. Vai trò của tính toán là quan trọng , nhưng trong nhiều trường hợp lại chọn trước dạng và các kích thước, mà không cần đến tính toán. Nên lưu ý rằng, khi sử dụng các công thức tính toán kinh nghiệm, cần biết rõ mối quan hệ vật lý giữa các đại lượng, bản chất vật lý của hiện tượng và giới hạn của các đại lượng trong công thức này. Trong công tác thiết kế, thường sử dụng các phơng tiện tính toán: tính bằng tay và bằng máy tính. Việc tính toán bằng taycó nhiều nhược điểm, sai sót lớn. Việc sử dụng máy tính điện tử cho phép giải các bài toán tuyến tính và phi tuyến với kết quả tương đối chính xác. Để giải các bài toán trong khí cụ điện nên dùng máy tính tương tự, với ưu điểm là chọn sơ đồ nhanh, dễ hiệu chỉnh các biến số, các trị số ban đầu. Máy tính số cho kết quả chính xác cao nhưng việc lập phương trình cũng phức tạp. B- GIAI ĐOẠN CHUẨN BỊ THIẾT KẾ Đây là giai đoạn khá quan trọng trong công tác thiết kế. Ở giai đoạn này, yêu cầu phải nắm vững được nhiệm vụ thiết kế, tóm tắt được ưu nhược điểm của các kết cấu tương tự sẵn có làm quen cới cơ sở kinh tế-kỹ thuật của bản thiết kế và hiệu chỉnh nhiệm cụ thiết kế kỹ thuật. a-Nhiệm vụ thiết kế: Trong nhiệm vụ thiết kế một khí cụ điện hoặc một dãy khí cụ điện, phải có đủ các số liệu về các thông số kỹ thuật, về yêu cầu vận hành chế tạo, công nghệ. Những số liệu, tin tức cơ bản: 1-Tên khí cụ điện và mục đích sử dụng 2-Dạng điện (một chiều hay xoay chiều) điện áp định mức, tần số 3-Trị số về dòng định mức 4-Dạng điện và điện áp định mức của mạch điều khiển hay các mạch phụ khác 5-Số lượng và các tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ thường đóng, thường mở, 6-Đặc tính của phụ tải và các thông số vận hành cơ bản loại phụ tải, số lần đóng ngắt trong một giờ, chế độ làm việc: ngắn hạn, dài hạn,khả năng đóng ngắt giới hạn độ bền nhiệt và độ bền điện động, tuổi thọ điện và loại cơ cấu đóng ngắt, khả năng và điều kiện lắp đặt, điều kiện vận hành, các yêu cầu và thông tin về công nghệ chế tạo, các yêu cầu về kinh tế và các yêu cầu khác. 6
  8. Với các khí cụ tổ hợp- tổ hợp của một vài khí cụ điện còn cần các yêu cầu khác như: sơ đồ điện của chúng, quan hệ tương hỗ, vị trí lắp đặt. b-Tóm tắt các kết cấu sẵn có Các khí cụ điện mới phải dựa vào thành tựu khoa học công nghệ trong lĩnh vực chuyên môn. Vì vậy cần nghiên cứu các kết cấu sẵn có trong và ngoài nước với các chức năng tương tự, với các thông số kỹ thuật gần giống loại định thiết kế. Trong trường hợp khí cụ điện sẽ được thiết kế là loại mới, không giống các loại đã có thì bảng tóm tắt các loại sẵn có được xem như là tài liệu tham khảo. Khi lập bảng tóm tắt các khí cụ điện sẵn có, ngoài việc mô tả ngắn gọn các ưu nhược điểm cần phải đánh giá chất lượng của các kết cấu đó. Bảng tóm tắt nên làm theo thứ tự sau: 1- Mô tả ngắn gọn các ưu, nhược điểm chủ yếu: - Nguyên lý và đạc điểm cơ bản của khí cụ điện - Đặc điểm của các bộ phận chính như hệ thống tiếp điểm, hệ dập hồ quang,cơ cấu đóng, ngắt, các cụm về chi tiết vỏ 2 - Các thông số chính: -Các thông số định mức và các thông số kỹ thuật cơ bản nhất -Khối lượng, các kích thứơc lắp ráp và thể tích, diện tích lắp đặt. -Các chỉ tiêu công nghệ kết cấu: số lượng các chi tiết chính và các chi tiết cố định. Thành phần các chi tiết theo công nghệ chế tạo(đúc, dập nguội, ép gia công trên máy cắt gọt, ) -Giá thành 3 - Các chỉ tiêu riêng(suất chỉ tiêu) -Về khối lượng trên một đơn vị thể tích, trên một đơn vị thôngsố cơ bản (dong điện, công suất ) -Về kích thước: thể tích lắp đặt trên một đơn vị khối lượng, diện tích lắp đặt trên một đơn vị thông số cơ bản -Về giá thành trên một đơn vị khối lượng, trên một đơn vị thể tích,trên một đơn vị thông số cơ bản c- Cơ sở kinh tế -kỹ thuật: 7
  9. Cơ sở kinh tế kỹ thuật của các kết cấu mới phải đem lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cho nền kinh tế quốc dân, được biểu diễn qua các chỉ tiêu định lượng. Khí cụ điện được thiết kế phải đạt kết quả vận hành lớn nhất với chi phí lao động chế tạo lắp ráp và vận hành bé nhất. Mặt khác cũng có thể bỏ vốn đầu tư lớn hơn so với thiết kế cũ, giá thành thiết bị mới cao hơn song nó phải làm tăng hiệu quả kinh tế khi vận hành hoặc tăng yêu cầu kỹ thuật. Cần lưu ý rằng vấn đề kinh tế- kỹ thuật phải được người thiết kế quán triệt trong suốt quá trình làm việc, từ khi bắt đầu cho đến khi chuyển bản thiết kế vào sản xuất và tận đến giai đoạn vận hành. Ở các giai đoạn khác nhau, yêu cầu mức chính xác của việc tính toán kinh tế có khác nhau.Trong giai đoạn đầu, các số liệu xuất phát mang tính chất giả thiết sơ bộ, còn ở các giai đoạn sau, chúng được tính toán chinh xác hơn, d- Hiệu chỉnh nhiệm vụ thiết kế- kỹ thuật: Sau khi lập bảng tóm tắt tổng hợp các kết cấu sẵn có và nghiên cứu cơ sở kinh tế kỹ thuật của khí cụ điện được thiết kế, thường xuất hiện những yêu cầu cần thiết hoặc số liệu sai. Vì vậy ở giai đoạn chuẩn bị thiết kế cần bổ sung, hiệu chỉnh, chính xác hoá một số điểm của nhiệm vụ thiết kế. C- CÁC LOẠI THIẾT KẾ : Có các loại thiết kế sau: thiết kế trong công nghiệp và thiết kế giáo học. Thiết kế giáo học là hình thức thiết kế dùng trong nhà trường cho quá trình đào tạo, loại thiết kế này có hai hình thức: thiết kế môn học và thiết kế tốt nghiệp. Mục đích của thiết kế môn học là làm cho sinh viên nắm vững được những bước cơ bản nhất trong việc tính toán kết cấu của một khí cụ điện, còn ở thiết kế tốt nghiệp yêu cầu sinh viên phải nắm vững và rộng hơn những vấn đề về chọn phương án, tính toán kết cấu và cả công nghệ nữa. Ở giai đoạn này cần tính tự lập sáng toạ của sinh viên. Trong sản xuất sau khi có nhiệm vụ thiết kế nhà thiết kế phải tiến hành các giai đoạn sau: -Thiết kế sơ bộ (phác thảo) -Thiết kế kỹ thuật -Thiết kế công nghệ 1- Ở bước thiết kế phác thảo phải tiến hành nghiên cứu các phương án tìm sơ đồ kết cấu xác định dạng kết cấu lập bố cục tổng hợp của khí cụ điện, vẽ bản vẽ tổng quát 8
  10. với các kích thước chính các kích thước lắp ráp, xác định sơ bộ khối lượng của khí cụ điện. Tiến hành tính toán cơ bản đối với các chi tiết chính và xác định các kích thước của chúng. Khảo sát công nghệ chế tạo các chi tiết, các cụm chính và phức tạp nhất, đồng thời chọn vật liệu cho chúng- xác định sơ bộ các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật- lập bảng thuyết minh sơ bộ. Đây là khâu quan trọng cho việc thiết kế kỹ thuật 2 - Thiết kế kỹ thuật: là phần quan trọng và quyết định nhất trong quá trình thiết kế khí cụ điện. Phải xác định được phương án kết cấu tối ưu. Tiến hành nghiên cứu tỉ mỉ các bộ phận và các cụm chi tiết. Chính xác hoá kết cấu khối của cả khí cụ điện. Phải tạo khả năng sử dụng triệt để những chi tiết, cụm đã quy chuẩn hoá. Lập bản vật liệu và các dạng phôi của tất cả các chi tiết trừ một vài chi tiết phụ. Đưa ra các điều kiện thử nghiệm, liểm tra các bộ phận, các cụm và toàn bộ khí cụ điện. Chọn dạng sơn, phủ. Xác định tất cả các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật cần thiết. Viết bản thuyết minh, tính toán cụ thể và hiệu đính lần thứ nhất điều kiện kỹ thuật của bản thiết kế, chế tạo và nghiệm thu. 3 - Thiết kế công nghệ: trong quá trình thiết kế công nghệ, phải dựa vào những hướng dẫn, quy định của bản thiết kế kỹ thuật đã được thông qua những kinh nghiệm sản xuất, những kết quả về nghiên cứu và thử nghiệm của mẫu thử.Qua đó tiến hành chính xác hóa kết cấu. Nghiên cứu và lập các bản vẽ công nghệ cho tất cả các chi tiết cụm, đồng thời chú ý sử dụng tới mức tối đa việc quy chuẩn hóa các chi tiết và bộ phận như: đường kính lỗ, các chi tiết định vị, ren, then để có thể đơn giản hóa tới mức lớn nhất các động tác, danh mục cắt gọt, các dụng cụ đo lường và các chi tiết gá lắp lập và xác định độ dung sai lắp ghép, các nguyên công, quy trình về gia công nhiệt, hàn tẩm nấy Xác định chính thức hình dạng của vỏ và trang trĩ mỹ thuật, cách mạ, lớp phủ chính xác hóa các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật, chỉnh lý bản thuyết minh. Lập hồ sơ về công nghệ chính xác hóa các điều kiện kỹ thuật về chế tạo và nghiệm thu của khí cụ điện Sau khi chế tạo một vài mẫu chuẩn, cần tiến hành hiệu chỉnh bản thiết kế công nghệ và các yêu cầu kỹ thuật (nếu cần thiết). Cần lưu ý đến vai trò chỉ đạo của nhà thiết kế trong tất cả các giai đoạn: nghiên cứu, tính toán, chế tạo thử, sản xuất và vận hành của khí cụ điện. D –TRÌNH TỰ THIẾT KẾ. Tuy khí cụ điện có nhiều dạng, loại rất khác nhau, nhưng vẫn có thể tìm ra một trình tự thiết kế chung. Tùy theo từng loại khí cụ điện và dạng thiết kế (thiết kế giáo học 9
  11. hoặc thiết kế sản xuất) trình tự này có thể thay đổi chút ít. Việt thiết kế một khí cụ điện được tiến hành theo trình tự sau: 1 – Giai đoạn chuẩn bị thiết kế: tập hợp và thống nhất nhiệm vụ thiết kế kỹ thuật lập bảng tóm tắt, tổng hợp các kết cấu tiên tiến cùng chức năng đã có sẵn. Nghiên cứu có sở kinh tế - kỹ thuật cần thiết. 2 – Chọn sơ đồ và dạng kết cấu, bố cục của kết cấu. 3 – Chọn và tính toán cách điện chung. 4 – Lập bảng vẽ phác thảo dạng tổng quát của khí cụ điện và xác định các kích thước chủ yếu. 5 – Thiết kế phần mạch vòng dẫn điện đầu nối, thanh dẫn. 6 – Thiết kế các tiếp điểm. 7 – Tính toán, thiết kế hệ thông đập hồ quang. 8 – Tính toán lực điện động khi ngắn mạch và khí khởi động. 9 – Tính toán và thiết kế các cơ cầu truyền động (Kể cả nam châm điện). 10 – Tính toán vỏ, các chi tiết cách điện, thùng chứa. 11 – Tính toán nhiệt. 12 – Vẽ các chi tiết, cụm của khí cụ điện dựa theo các kết quả đã tính toán 13 – Phân tích sự tổ hợp và sự độc lập của các bộ phận, cụm và tiến hành các vấn đề về phi tiêu chuẩn của các vấn đề về an toàn lao động trong sản xuất cũng như trong vận hành. 14 – Nghiên cứu các vấn đề về tổ chức, liên quan đến việc chế tao khí cụ điện. 15 – Lập phần kinh tế của bản thiết kế. 16 – Lập các bản vẽ, đồ thị của bản thiết kế. 17 – Lập bản thuyết minh gồm tất cả các điểm kể trên. Trong từng phần của bản thuyết minh phải có tính toán, lập luận, lý giải. Phần cuối của bản thuyết minh phải đưa ra những nhận xét, kết luận, các ưu nhược điểm chính của bản thiết kế, các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cơ bản, hiệu ứng kinh tế và kỹ thuật mà bản thiết kế sẽ mang lại § .1 – 3 /-XÁC ĐỊNH CÁC KHOẢNG CÁCH CÁCH ĐIỆN CỦA KHÍ CỤ ĐIỆN HẠ ÁP Khoảng cách cách điện trong khí cụ điện đóng một vai trò khá quan trọng. Nó ảnh hưởng tới kích thước của khí cụ điện và độ tin cậy khi vận hành. Vì vậy việc xác 10
  12. định hợp lý đại lượng này có một ý nghĩa không nhỏ trong toàn bộ công tác thiết kế khí cụ điện. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào khá nhiều yếu tố: điện áp định mức, môi trường làm việc, quá trình dập tắt hồ quang. Việc xác định các khoảng cách cách điện trong khí cụ điện hạ áp thường chọn theo kinh nghiệm 1 – Điện áp định mức theo cách điện Với khí cụ điện điều khiển và phân phối năng lượng hạ áp (đến 1000V), tồn tại các tiêu chuẩn quy định và đồ bền cách điện theo điện áp định mức. Ở trạng thái khô và sạch của khí cụ điện chưa vận hành, ở trạng thái nóng và nguội của cách điện, nó phải chịu được điện áp thử, tần số 50Hz, thời gian thử 1 phút theo bảng 1.1 Bảng 1.1: Điện áp thử nghiệm của khí cụ điện hạ áp Điện áp định mức KOD, Điện áp định mức của Điện áp thử nghiệm (trị V cách điện V hiệu dụng) V 12, 24 Đến 24 500 36, 48, 50 60 1000 110, 127, 220 220 2000 380, 440, 500 500 2500 600, 660 660 2500 750 750 3000 1000 1000 3500 2 – Khoảng cách cách điện giữa các phần tử dẫn điện có điện áp khác nhau 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 khí cụ điện hạ áp thông dụng ở bảng 1.2 11
  13. Bảng 1.2: Khoảng cách cách điện của các phần tử có điện áp khác nhau và so với phần tử nối đất của các khí cụ điện dùng trong công nghiệp, điận áp đến 1000V Điện áp định mức V Từ 100 Từ 251 Từ 401 Tên thiết bị hay mạch sử Đường đi của hồ quang đến đến đến dụng 250 400 600 Khoảng cách, mm Các khí cụ điện điều khiển, phân phối năng Khe hở điện 4 5 7 lượng Các khí cụ điện phân Khoảng cách điện r0 (không phối dùng để bảo vệ 15 17 22 phụ thuộc vào vị trí bề mặt) thiết bị Khoảng cách điện r0 theo mặt Các mạch chính của 10 12 15 trên KCĐ điều khiển, bảo vệ Khoảng cách điện r0 theo bề và phân phối năng lượng 8 10 12 mặt dưới Khí cụ điện trong mạch Khoảng cách điện r0 theo bề 7 9 11 điều khiển và tín hiệu mặt phía trên Mạch chính của khí cụ Khoảng cách điện r0 theo bề điện có dòng định mức 5 7 9 mặt thẳng đứng hoặc mặt bên bé (đến 15A) Chú ý: Khoảng cách cách điện giữa các bộ phận chịu tác động của hồ quang và các khí ion hóa không nằm trong bảng này Khi chọn khoảng cách cách điện, cần lưu ý rằng nó phụ thuộc rất lớn vào tính chất của vật liệu, của bụi, đồ ẩm, trạng thái bề mặt của cách điện. Vì vậy phải thiết kế hình dạng, cấu trúc của cách điện sao cho khi vận hành bụi bẩn không phủ lên chúng. Để 12
  14. giảm các kích thước của khí cụ điện và loại trừ khả năng bụi bẩn, nên chọn kết cấu của cách điện theo dạng có gờ, mái, bậc như hình 1.1 > 2.5 < 2.5 Y 3 Y 3 Hình 1.1 Cấu trúc của các chi tiết cách điện trong khí cụ điện hạ áp -Khoảng cách theo bề mặt (khoảng cách điện r0) -Khe hở theo không khí Để chống việc tích tụ bụi, trên bề mặt cách điện nên gia công nhẵn, phẳng và chỗ nối của hai bề mặt nên gia công có độ cong đều đặn Với các khí cụ điện sử dụng ở những nơi có điều kiện môi trường khắc nghiệt, khe hở điện và khoảng cách điện r0 nên chọn lớn hơn các trị số ở bảng 1.2 Với các tổ hợp từ hai khí cụ điện thiết bị trở lên, các khe hở điện và khoảng cách điện r0 giữa chúng nên lấy lớn hơn trị số trong bảng 1.2 vì rằng khi lắp ráp tổ hợp thi dung sai lắp ráp không thể đảm bảo chính xác như ở từng khí cụ điện riêng rẽ 13
  15. CHƯƠNG II: MẠCH VÒNG DẪN ĐIỆN § 2 – 1. KHÁI NIỆM CHUNG Mạch vòng dẫn điện của khí cụ điện do các bộ phận khác nhau về hình dạng kết cấu và kích thước hợp thành. Mạch vòng dẫn điện gồm thanh dẫn, dây nối mềm, đầu nối, hệ thống tiếp điểm (giá đỡ tiếp điểm, tiếp điểm động, tiếp điểm tĩnh) cuộn dây dòng điện (nếu có, kể cả cuộn dây thổi từ dập hồ quang) Hình 2.1: Mạch vòng dẫn điện của công tắc tơ 1.Thanh dẫn vào 2.Cuộn thổi từ 2 3.Tiếp điểm tĩnh 4.Tiếp điểm động 3 1 7 5.Giá đỡ tiếp điểm động 4 6.Dây dẫn mềm 7.Đầu nối ra Nhiệm vụ tính toán là phải xác định các kích thước của các chi tiết trong mạch vòng dẫn điện Tiết diện của các chi tiết quyết định cơ của mạch vòng và cũng quyết định kích thước của khí cụ điện § 2 – 2. THANH DẪN Các tính toán cơ bản của thanh dẫn gồm: -Xác định tiết diện và các kích thước của nó ở chế độ làm việc dài hạn và các chế độ làm việc khác -Tính toán kiểm nghiệm tiết diện và các kích thước của nó ở chế độ làm việc ngắn hạn chế độ khởi động đới với các khi cụ điện điều khiển và dùng trong tự động hóa 14
  16. A/ XÁC ĐỊNH TIẾT DIỆN THANH DẪN Ở CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC DÀI HẠN: 1) Xác định tiết diện thanh dẫn dựa vào bảng số khi tiết diện của nó không thay đổi theo chiều dài. Trong các bảng 2.1 đến 2.6 cho các trị số của dòng điện và các tiết diện tương ứng với các loại vật liệu khác nhau khi làm việc ở chế độ dài hạn. 2) Tính toán thanh dẫn với tiết diện không đổi: Từ công thức Niutơn: P = K T .ST (θod − θo ) = K T .ST .τod ( W) (2-1) có thể viết biểu thức cân bằng nhiệt ở nhiệt độ xác lập cho mọi chi tiết với bề mặt tản S nhiệt S , chiều dài l và chu vi p = T T l 2 P = I .R θ.K f = KT .ST (θod − θmt ) I2.ρ .K ↔ θ m = K p(θ − θ ) S T od mt Trong đó: Rθ (Ω) : điện trở của thanh dẫn ở nhiệt độ ổn định ρθ (Ωm) : điện trở suất của vật liệu ở nhiệt độ ổn định ρθ = ρo (1+ αθ) o ρo (Ωm) : điện trở suất của vật liệu ở 0 C α là hệ số nhiệt điện trở αCu = 0,0043;αAl = 0,0042 Kf : hệ số tổn hao phụ đặc trưng cho tổn hao bởi hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng gần K f = K bm .K g K bm : hiệu ứng bề mặt Kg : hiệu ứng gần Đối với dòng điện xoay chiều: Kf =1,03 ÷1,06 15
  17. Đối với dòng điện một chiều K f = 1 S(m2 ) : tiết diện thanh dẫn 2 ST (m ) : tiết diện tản nhiệt của thanh dẫn p(m) : chu vi của thanh dẫn θod : nhiệt độ ổn định θmt : nhiệt độ môi trường τod = θod − θmt : độ tăng nhiệt ổn định KT : hệ số tản nhiệt ( bảng 6-5) P(W) : công suất tổn hao trong thanh dẫn I(A) : dòng điện ổn định Tiết diện của thanh dẫn được xác định theo biểu thức: I2.ρ K I2ρ (1+ αθ ).K S.p = θ f = o od f (2-4) KTτod KT (θod − θmt ) Khi xác định chu vi p và hệ số tản nhiệt K T cần phải lưu ý đến vị trí của chi tiết so với các chi tiết khác và điều kiện tản nhiệt của nó. Ví dụ: nếu chi tiết giáp với đế nhựa thì quá trình tản nhiệt của vùng tiếp giáp không đáng kể, khi tính toán thì bỏ qua bề mặt của chi tiết này. Tiết diện và kích thích các cạnh a, b của các chi tiết hình chữ nhật được xác định theo: I2.ρ .K a.b.2(a + b) = θ f (2-5) K T .τod I2.ρ .K b = 3 θ f (2-6) 2n(n +1).KT .τod a với n = b Với các chi tiết có hai lớp cách điện thì tiết diện được xác định theo: 16
  18. δ δ 1 I2.ρ .K .( 1 + 2 + ) θ f λ λ K ab.2(a + b) = 1 2 T2 (2-7) τod Tiết diện và đường kính d của các chi tiết hình tròn được xác định theo biểu thức: πd2 I2.ρ .K πd. = θ f (2-8) 4 KT .τod 2 4I ρθK f d = 3 (2-9) 2 π .K T .τod Với các chi tiết có hai lớp cách điện thì tiết diện được xác định theo: 1 d 1 d 1 I2.ρ .K .( ln 2 + ln 3 + ) πd2 θ f 2λ d 2λ d K .d πd. = 1 1 2 2 T2 3 (2-10) 4 πτod (xem chương 6) Tính toán kiểm nghiệm: từ các biểu thức trên có thể xác định nhiệt độ θod , độ chênh lệch nhiệt độ τod và trị số của dòng điện cho phép I. Độ tăng nhiệt và nhiệt độ cho phép cho ở trong bảng 6-1. Kiểm nghiệm khi xảy ra ngắn mạch ( xem chương 6) Bảng 2-1: Phụ tải dài hạn cho phép của dây dẫn có cách điện cao su và polyclovinyl ở nhiệt độ không khí xung quanh 40o C ( số ở trong ngoặc dùng cho dây dẫn đặt từng chùm có nhiều sợi nhỏ) Tiết diện dây dẫn Chế độ làm việc ( mm2 ) π B : 100% π B : 40% π B : 25% Dòng điện cho phép (A) 1,5 18(15) 18(15) 18(15) 2,5 24(21) 24(21) 24(21) 17
  19. 4 32(30) 32(30) 32(30) 6 39(36) 39(36) 39(36) 10 65(55) 88(75) 110(95) 16 79(67) 110(95) 135(115) 25 110(90) 150(125) 190(155) 35 130(105) 180(145) 225(180) 50 170(145) 235(200) 295(250) 70 210(175) 290(245) 365(305) 95 260(215) 360(300) 455(375) 120 300(250) 420(350) 525(435) 150 345(285) 480(395) 600(495) Chú thích: B là thời gian đóng mạch tương đối. Bảng 2-2: Phụ tải cho phép của thanh dẫn ở nhiệt độ 100o C , môi trường xung quanh 40o C ( thanh dẫn sơn màu đen đặt ở 1 cạnh ). Chiều rộng Chiều dày thanh dẫn (mm) thanh dẫn 1 1,5 2 2,5 3 4 5 6 8 ( mm2 ) Dòng điện dài hạn (A) 10 62 122 144 166 184 220 254 _ _ 12,5 121 150 175 200 223 271 308 _ _ 16 153 188 223 254 280 330 380 425 515 Bảng : 2-3 Dây dẫn mềm đặc biệt Tiết diện Dây dẫn tròn 9125-59 Dây dẫn bẹt ( làm bằng d Dòng điện dây dẫn ây) dài hạn cho mm2 Đường kính Đường kính Đường kính Kích thước 18
  20. dây nhỏ dây dẫn dây nhỏ dẫn Mm mm mm 1 0,08 1,7 - - 13 1,5 0,08 2,1 - - 17 2,5 0,1 2,6 - - 24 4 0,13 3,3 - - 30 6 0,13 4,2 0,08 1,7x12 38 10 0,13 5,5 0,08 1,7x20 50 16 - - 0,08 1,7x25 75 25 - - 0,08 4,6x25 105 35 - - 0,08 4,6x30 120 Việc xác định nhiệt độ của các phần riêng biệt của thanh dẫn trong mạch vòng dẫn điện được tính theo các biểu thức cho trong bảng 2-7. Bảng 2-4: Đặc tính kỹ thuật của thanh dẫn Đồng và Nhôm có tiết diễn chữ nhật, phụ tải dòng cho phép của chúng ( rort 5415-63 và 10552-63) Liên Xô) Kích thước Đồng dây dẫn Khối lượng Phụ tải dòng mm 1 mét dài 1 2 3 4 kg 15x3 0.399 210 - - - 20x3 0.529 275 - - - 25x3 0.662 340 - - - 30x4 1.195 475 - - - 40x4 1.420 625 -/1090 - - 40x5 1.770 700/705 -/1895 - - 50x5 2.240 860/870 -/1525 -/1895 - 50x6 2.670 955/960 -/1700 -/2145 - 19
  21. 60x6 3.200 1125/1145 1740/1990 2240/2495 - 80x6 4.260 1480/1510 2110/2630 2730/3220 - 100x6 5.340 1810/1875 2470/3245 3170/3940 - 60x8 4.26 1320/1345 2160/2485 2760/3020 - 80x8 5.69 1690/1755 2620/3095 3370/3850 - 100x6 7.11 2080/2180 3060/3810 3930/4690 - 120x8 8.51 2400/2600 3400/4400 4340/5600 - 60x10 5.34 1475/1525 2560/2725 3390/3530 - 80x10 7.11 1900/1990 3100/3510 3900/4450 - 100x10 8.89 2310/2470 3610/4325 4650/5385 5300/6060 120x10 10.67 2650/2950 4100/5000 5200/6250 5900/6800 Chú thích: Tử số là phụ tải dòng xoay chiều, mẫu số là phụ tải dòng 1 chiều. Bảng 2-4: Đặc tính kỹ thuật của thanh dẫn Đồng và Nhôm có tiết diện hình chữ nhật, phụ tải dòng cho phép của chung ( r ocr 5415-63 v à 10552-63 Li ên X ô) Đường kính Đồng thanh dẫn Khối lượng Phụ tải dòng mm 1 mét dài 1 2 3 4 kg 15x3 0.122 165 - - - 20x3 0.162 215 - - - 25x3 0.203 265 - - - 30x4 0.324 365/370 - - - 40x4 0.432 480 /855 - - 40x5 0.540 540/545 /965 - - 50x5 0.675 665/670 /1180 /1470 - 50x6 0.810 740/745 /1315 /1655 - 60x6 0.972 870/880 1350/1555 1720/1940 - 20
  22. 80x6 1.296 1150/1170 1630/2055 2100/2460 - 100x6 1.620 1425/1455 1935/2515 2500/3040 - 60x8 1.296 1025/1040 1680/1818 2180/2330 - 80x8 1.728 1320/1355 2040/2400 2620/2975 - 100x6 2.160 1625/1690 2390/2945 3050/3620 - 120x8 2.592 1900/2040 2650/3350 3380/4250 - 60x10 1.620 1155/1180 2010/2110 2650/2720 - 80x10 2.160 1480/1540 2410/2735 3100/3440 - 100x10 2.700 1820/1910 2860/3350 3650/4160 4150/4400 120x10 3.240 2070/2300 3200/3900 4100/4860 4650/5200 Bảng 2 -5: Phụ tải dòng dài hạn cho phép của thanh dẫn đồng và nhôm tiết diện tròn Đường kính Phụ tải dòng Đường kính Phụ tải dòng thanh dẫn Đồng Nhôm thanh dẫn Đồng Nhôm mm mm 6 155 120 21 900/905 695/700 7 196 150 22 955/965 740/745 8 235 180 23 1140/1165 885/900 10 320 245 27 1270/1290 920/1000 12 415 320 28 1325/1360 1025/1050 14 505 390 30 1450/1490 1120/1155 15 565 435 35 1770/1865 1370/1450 16 610/615 475 38 1960/2100 1510/1620 18 720/725 560 40 2080/2260 1610/1750 19 780/785 605/610 42 2200/2430 1700/1870 20 835/840 650/655 45 2380/2670 1850/2060 Chú thích: Tử số là phụ tải dòng xoay chiều Mẫu số là phụ tải dòng một chiều. 21
  23. Bảng 2-6: Đặc tính kỹ thụât của thanh dẫn thép tiết diện chữ nhật và phụ tải dòng cho phép của nó Kích khối phụ tải Kích khối phụ tải Kích khối phụ tải thước lượng dòng thước lượng dòng thước lượng dòng Thanh 1m kg A thanh 1m A Thanh 1m A dẫn , dẫn kg dãn kg Mm mm mm 16x2,5 - 55\70 70x3 1.65 215\320 40x4 1.26 130\220 20x2.5 0.39 60\90 75x3 - 230\345 50x4 1.57 165\270 25x2.5 0.49 70\110 80x3 1.88 245\365 60x4 1.88 195\325 20x3 0.47 65\100 90x3 2.12 275\410 70x4 2.2 225\375 25x3 0.59 80\120 100x3 2.36 305\460 80x4 2.51 260\430 30x3 0.71 95\140 20x4 0.63 70\115 90x4 2.83 290\480 40x3 0.94 125\190 22x4 - 75\125 100x4 3.14 325\535 50x3 1.10 155\230 25x4 0.79 85\140 - - - 60x3 1.41 185\250 30x4 0.94 100\165 - - - Ghi chú : tử số là phụ tải dòng xoay chiều . Mẫu số là phụ tải dòng một chiều Bảng 2-7: Các công thức tính nhiệt độ phát nóng ổn định của các chi tiết của mạch vòng dẫn điện. Dạng mạch vòng Công thức tính toán Các ký hiệu 2 K * P K : P 0 I *ρ T1 1 T2 2 θ =const θ θ = + θO a1 = : b1 = k T * P *S λS1 λS2 I 2ρ S,P,ρ T 1 K θ1od = + θo K T1 * P1 *S1 22
  24. 2 o −a1x K − W \ m , C ,hệ số tổ θ1 = (θC − θ1od ) *e + θ1od T nhiệt 1 2 −b1x θ2 = (θ2 − θ2od )e + θ2od θ , nhiệt độ môi trường θ1 θc θ2 o a1θ1od + b1θ2od θc = a1 + b1 S1,P1,j1 S2,P2,j2 x=0 1 2 θ1 = (θmx − θ1od )cha1x + θ1od θmax a 1 θ2 1 −b1(xo −x1) θ θ2 = (θ1od − θmx )e b1 *sha1x o + θ2od x0 x=0 2 θ1od − θ2od j− A \ m ,mật độ dòng điện θmx = θ1od − a1 cha1x o + cha1 I-A,dòng điện b1 a1 Với mỗi phân đoạn của mạch 1 2 θ1 = θ2od − b 1 vòng xem: θmin −b (x −x ) θ1 θ2 (θ − θ ) 1 o 1 .sha x min 1od 1 o S,S ,S 1 2 ⎫ ⎪ P, P1 , P2 ⎪ θ2od − θ1od ⎬ = CONT θmin = θ1od − a K T , K T1 , K T2 ⎪ Χ1 cha x + 1 sha x 1 c 1 o ρ, ρ , ρ ⎪ b1 1 2 ⎭ θ O = CONT B- XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC DÂY DẪN Ở CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC KHÔNG ỔN ĐỊNH ( Chế độ ngắn hạn, ngắn hạn lập lại, ngắn mạch) ( xem chương 6) 23
  25. §.2-3/- ĐẦU NỐI: Đầu nối tiếp xúc không ngắn mạch là phần tử rất quan trọng của khí cụ điện, nếu không chú ý sẽ bị hư hỏng nặng trong vận hành nhất là đối với khí cụ điện có dòng điện lớn và điện áp cao. Có thể chia làm hai phần: các đầu cực để nối với dây dẫn bên ngoài và nối các bộ phận bên trong mạch vòng dẫn điện. A-YÊU CẦU: 1) Nhiệt độ yêu cầu các mối nối ở chế độ làm việc dài hạn với dòng điện điịnh mức không được tăng quá trị số cho phép, do đó mối nối phải có kích thước và lực áp tiếp xúc Ftx đủ để điện trở tiếp xúc Rtx không lớn, ít tổn hao công xuất. 2) Mối nối tiếp xúc cần có đủ độ bền cơ vf độ bền nhiệt khi có dòng ngắn mạch chạy qua. 3)Lực ép điện trở tiếp xúc, năng lượng tổn hao và nhiệt độ phải ổn định khi khí cụ điện vận hành liên tục B-TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN: 1) chọn dạng kết cấu 2)Xác dịnh đường kính bu lông. 3)Kiểm nghiệm các kích thước đã chọn bằng cách xách định điện trở tiếp xúc Rtx điện áp rơi U tx trên chúng và so sánh với các trị số cho phép. 4) Tính toán độ bền nhiẹt, độ bền cơ của cơ cấu nối tiếp xúch. C- CÁC DẠNG KẾT CẤU: 1) Mối nối tháo rời được (H.2-2) bằng ren và H.2-3 bằng bu lông. 2) Mối nối không tháo rời được ( hàn điện, hàn thiếc ép) 3) mối nối kiêm khớp bản lề có dây nối mềm hoặch không có dây nối mềm. Việc chọn kết cấu mới nối tiếp xúc phụ thuộc vào hình dáng vật liệu của thanh dẫn vấcc yêu cầu kết cấu khác. Thường cố gắng giảm một cách hợp lí số mối nối tiếp xúc, mỗi chỗ nối đều có thể là nơi hư hỏng của mạch vòng đầu tiên. Các số liệu về điện trở của mạch vòng dẫn điện của công tác tơ ở bảng 2-8 24
  26. a) b) c) d) e) Hình 2-2: Các mối nối tiếp xúc khong ngắn mạch( không đóng ngắt) có thể tháo rời được a- Nối vật dẫn với các chi tiết có bề mặt tiếp xúc phẳng b-Nốidây dẫn tròn với dây dẹt c-Nối các dây dẫn tròn với nhau. d-Hàn dây dẫn tròn với nhau. 25
  27. e-Hàn và ép (hàn nguội ) dây cáp với đầu nối. Bảng 2-8: Điện trở của mạch vòng dẫn điện của công tắc tơ loại 1 cực, dòng điện 1000A(H.2-1) No Tên chi tiết μΩ 1 Cuộn dây dập hồ quang 6.1 2 Cuọn dập hồ quang - tiếp điểm trên 1.93 3 Tiếp điểm trên -dưới 0.45 4 Tiếp điểm dưới-giá đỡ tiếp điểm dưới 1.84 5 Giá đỡ tiếp điểm dưới 0.81 6 Giá đỡ tiếp điểm dây dẫn mềm 1.62 7 Dây dẫn mềm 3.5 8 Tổng trở mạch vòng 16.25 1 1 2 2 3 3 10 4 9 1 6 1 3 2 8 5 3 9 Hình 2-3: Nối các thanh dẫn phẳng với đầu cực ra của thiết bị điện. a-Nối trực tiếp b-Nối bằng cách hàn c-Nối có thanh chuyển tiếp đồng nhôm d-Nối có sử dụng lớp bọc 1-Lõi đầu ra bằng đồng hoặch hợp kim đồng 2-Đai ốc bằng thép thường 26
  28. 3-Đai ốc bằng hợp kim đồng hoặc đồng:đối với thanh dẫn đồng để bình thường đối với thanh dẫn nhôm thì tăng kích thước 5- Thanh dẫn đồng hoặc thanh dẫn chuyển tiếp đòng nhôm 6- Mối hàn 7-Thanh dẫn chuyển tiếp đồng nhôm 8-Lớp bọc 9-Mối hàn 10-Thanh nhôm D-XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC ĐẦU NỐI THÁO RỜI ĐƯỢC VÀ CÁC CHI TIẾT ,SỐ LƯỢNG VÍT ,BU LÔNG DÙNG ĐỂ NỐI Trị số dòng điện 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 thức : S tx = a * b = Idm/J Đối với thanh dẫn và chi tiết đồng ,mật độ dòng điện có thể lấy bằng 0.13A/mm2 với dòng xơay chiều tần số f = 50 hz .Dòng điện định mức nhỏ hơn 200A, khi dòng định mức lớn hơn 2000A mật độ dòng có thể lấy bằng 0.12A/mm2 Kích thước và số lượng các chi tiết dùng để nối được xác định theo số liệu thực nghiệm cho trong bảng 2-9 và hình 2-4 Bảng 2-9: kích thước các bu lông không dẫn điện và các trụ dẫn điện có ren của các mối nối tháo được, không ngắt mạch phụ thuộc vào trị số dòng định mức ở chế độ làm việc dài hạn 27
  29. Dòng định Đường kính ren hệ mét mức (A) Bu lông thép Trụ lõi :dẫn điện có ren không dẫn điện Đồng Đồng thau Thép 6 3 - 3 3 10 4 - 4 4 16 4 4 4 4 26 5 5 5 5 40 5 5 5 - 63 6 6 6 - 100 6 8 8 - 160 8 8 10 - 200 10 10 12 - 250 10 12 16 - 400 12 16 20 - 650 16 hoặc 2*10 20 - - 1000 4*1hoặc 2*12 - - - 1600 4*12 - - - 2000 4*12 - - - 2500 4*16 - - - Chú thích :khi nối các chi tiết băng nhôm có bề mặt tiếp xúc phẳng ,cần chọn vòng đệm có diện tích lớn hơn (1.4 – 1.5lần)và chiều dày lớn hơn (khoảng 2 lần ) so với vong đệm tiêu chuẩn sử dụng khi nối các chi tiết dây điện bằng đồng ,đồng thau , đồng thanh , và thép Tính chọn số vít hoặc bu lông cần thiết cho mối nối có thể theo trị số của lực F tx và số liệu trong bẳng 2-10 28
  30. d (mm) 20 15 10 5 0 400 600 200 I dm Hình 2-4 : sự phụ thuộc của đường kính vít ,bu lông dung trong mối nối tháo rời được vào trị số dòng điện định mức ở chế độ dòng điện làm việc dài hạn 1-Bu lông và vít thép không dẫn điện 2-Trụ đồng dẫn điện 3-trụ ,lõi dẫn điện bằng đồng thau . Thường vít được sử dụng với đường kính đếm M4,M5 khi đường kính lớn sử dụng bu lông . Bảng 2-10 : Các thông số của vít và bu lông nối được chế tạo bằng thép CT -3 Đường kính Tiết diện Lực tính toán KN Trị số dòng định Ren,mm tính toán mm2 mức trên 1 bu lông ,A M6 16.7 2.3 63-100 M8 30.8 4.2 100-160 M10 50.0 7 200-250 M12 74.0 10 300-400 M16 140.0 20 500-630 29
  31. Chú thích :khi dung thép CT4 và CT5 ,lực tính toán lấy theo bảng và nhận tương ứng với 1.15 hoặc 1.3 Theo thực nghiệm để đạt trị số điện trở tiếp xúc và điện áp rơi cho phép cần phải tao ra được lực ép riêng ftx trên mối nối các thanh bằng đồng nhôm và hợp kim của chúng không nhỏ hơn 100KG/cm2,thép có mạ thiếc ftx = 100-150KG/cm2 .Lực ép tiếp xúc được tính theo : Ftx = f tx *S tx §. 2-4/-TIẾP ĐIỂM A- YÊU CẦU ĐỐI VỚI TIẾP ĐIỂM Tiếp điểm thực hiện chứ năng đóng ngắt các khí cụ điện đóng ngắt .Kết cấu và các thông số của hệ tiếp điểm xác định các thông số chính ,kết cấu ,kích thước và khối lượng của khí cụ điện (hình 2-5) a) b) 1 l 1 m m 2 3 Ftd F Ftd 4 l x Ftd Ftd m c) d) Hình 2-5 :các loại tiếp điểm a-tiếp điểm cầu (không có lăn trượt) b-tiếp điểm lò xo lá (có trượt ) 30
  32. c-tiếp điểm ngón (có lăn và trượt) d-tiếp điểm hình nêm (có trượt) F,M –lực và mômen của cơ cấu truyền động Ftd - lực ép tiếp điểm m.l - độ mở và độ lún của tiếp điểm Các yêu cầu chính : 1)Khi khí cụ điện làm việc ở chế độ định mức nhiệt độ bề mặt nơi không tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ cho phép (bảng 6-1) Nhiệt độ của vùng tiếp xúc phải bé hơn nhiệt độ biến đổi tinh thể của vật liệu tiếp điểm 2)với dòng điện lớn cho phép (dòng khởi động ,dòng ngắn mạch ) tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động .Hệ thống tiếp điểm dập hồ quang (nếu có) phải có khả năng đóng ngắt cho phép không bé hơn trị số định mức 3)khi làm việc với dòng điện định mức và khi đóng ngắt dòng điện trong giới hạn cho phép ,tiếp điểm phải có độ mòn điện và cơ bé nhất độ rung của tiếp điểm không được lớn hơn trị số cho phép B-CÁC THÔNG SỐ CỦA TIẾP ĐIỂM 1)Độ mở 2)Độ lún 3)Độ lăn , độ trượt 4)Lực ép tiếp điểm 5)Vật liệu tiếp điểm 6)Tọa độ chuyển động của tiếp điểm 7)Khả năng đóng ngắt 8)Độ ổn định điện động (độ bền điện động) 9)Dòng điện hàn dính tiếp điểm 10)Các thông số về rung 11)Độ mòn 12)Độ tin cậy C-NHIỆM VỤ VÀ TRÌNH TỰ THIẾT KẾ 31
  33. Để đảm bảo các yêu cầu của tiếp điểm trong quá trình tính toán phải giải quyết hàng loạt nhiệm vụ theo trình tự sau: 1) Chọn dạng kết cấu của hệ tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ đồng thời chọn dạng kết cấu của các chi tiết còn lại của mạch vòng dẫn điện ,chọn hệ thống dập hồ quang , xác định độ mở của tiếp điểm 2) Chọn vật liệu và kích thước cơ bản của tiếp điểm 3) Xác định lực ép ,nhiệt độ ,điện trở tiếp xúc và điện áp rơi trên tiếp điểm ở chế độ làm việc chính 4) Xác định trị số dòng điện hàn dính tiếp điểm và các biện pháp tăng dòng hàn dính .Xác định trị số lực điện động đẩy tiếp điểm khi có dòng giới hạn đi qua nếu cần thiết 5) Xác định các thông số về sử dụng của tiếp điểm và các biện pháp giảm rung 6) Xác định độ chịu mòn của tiếp điểm và biện pháp giảm sự ăn mòn Khi chọn các thông số kết cấu của hệ tiếp điểm như độ mở ,độ lún ,tiết diện và lực ép tiếp điểm ,không nên chọn các giá trị quá lớn và như thế đã tăng các kích thước khối lượng ,giá thành của khí cụ điện dẫn đến giảm các chỉ tiêu kĩ thuật § .2-5-CHỌN DẠNG KẾT CẤU CỦA HỆ TIẾP ĐIỂM Dạng kết cấu của hệ tiếp điểm được xác định bởi rất nhiều yếu tố. Bảng 2-11: cho sự phân loại các dạng tiếp điểm thường dùng theo chức năng và theo đặc điểm kết cấu Dấu hiệu phân loại Loại tiếp điểm Chức năng trong khí cụ điện -Chính - Dập hồ quang - phụ Sự đóng ngắt trong mạch điện - Đóng -Ngắt 32
  34. -Chuyển mạch Số chỗ ngắt trong mạch điện - Một chỗ ngắt -Hai chỗ ngắt -Nhiều chỗ ngắt Dạng tiếp xúc -Điểm - Đường -Mặt Vị trí của tiếp điểm động ở trạng thái -Tự định vị đóng -Không tự định vị Sự chuyển dịch của tiếp điểm động -Bước -Mên -Trượt -lăn Khi chọn kết của hệ tiếp điểm nên dưa vào các khái niệm sau : 1)Các tiếp điểm chính phải có điện trở bé Từ nhiệm vụ thiết kế có thể chọn hệ tiếp điểm có tiếp điểm dập hồ quang nối song song với tiếp điểm chính nó đóng trước và ngắt sau tiếp điểm chính ,hồ quang chỉ sinh ra trên nó mà không sinh ra trên tiếp điểm chính .Hồ quang là nhân tố chính làm hỏng bề mặt tiếp điểm 2) dạng của tiếp điểm được chọn từ nhiệm vụ thiết kế dựa trên quan điểm mạch điện đóng ngắt 3) Số chỗ ngắt trong mạch xác định khi chọn dạng kết cấu và có thể chọn lại khi thiết kế buồng dập hồ quang Khi điện áp dòng điện ,điện cảm của mạch ngắt nhỏ ví dụ ở rơ le nên chọn loại một chỗ ngắt Khi điện áp khoảng 24-28v điện một chiều ,220-300v điện xoay chiều ,dòng điện khoảng vài ampe tải cảm nên chọn loại 2 chỗ ngắt (H2-5c) có ưu điểm : -Khả năng ngắt lớn hơn nhiều so với loại một chỗ ngắt -Không cần dây dẫn mềm Nhược điểm : lực ép tiếp điểm phải lớn hơn nên dẫn đến tăng cơ cấu truyền động 33
  35. Với dòng điện lớn khoảng vài tram ampe nên dung hệ tiếp điểm có buồng dập hồ quang loại một chỗ ngắt (hình 2_5c) 4) Dạng bề mặt tiếp xúc có 3 dạng : tiếp xúc điểm , tiếp xúc đường ,tiếp xúc mặt ,khi chọn dựa vào các yếu tố : a) tiếp xúc điểm (hình 2-5c) dùng với dong điện bé khoảng vài ampe không cần lực ép lớn ,thường dùng cho các rơ le ,khối tiếp điểm phụ Tiếp xúc điểm loại mặt cầu _mặt phẳng dùng với dòng điển khoảng vài chục ampe Dạng tiếp điểm này có khả năng làm sạch bụi bẩn nơi tiếp xúc : Lực ép tiếp điểm nhỏ,thường sử dụng vật liệu tiếp điểm bằng kim loại không bị oxi hóa b) tiếp điểm đường (H2-5c,d) dùng cho dòng điện lớn đến vài trăm ampe ,hoặc lớn hơn thì dùng vài tiếp điểm nối song song Cùng một lực ép tiếp điểm loại tiếp xúc đường có điện trỏ bé hơn loại tiếp xúc mặt 2-3 lần Dạng tiếp xúc có kha năng tẩy sạch bụi bẩn lồi lõm nơi tiếp xúc c) Tiếp xúc mặt dùng cho các dòng điện lớn ,cần một lực ép tiếp điểm lớn nên có nhưng nơi tiếp xúc vật liệu bị biến dạng .Điều kiện làm sạch bề mặt tiếp xúc không tốt bằng dạng tiếp xúc đường . Khi chọn dạng kết cấu của tiếp điểm còn phải lưu ý đến những vấn đề quan trọng sau : 1)Lò xo xoắn trụ (H2-5a,e) ít bị ăn mòn và bền hơn lò so tấm phằng (H2-5b) nhưng khi dòng điện bé loại lò xo tấm phẳng hay được sử dụng hơn như các loại rơle 2) Loại lò xo không có dòng điện chạy qua làm việc tin cậy hơn so với loại có dòng điện chạy qua vì khi có dòng điện nó bị phát nóng và bị già hóa ,giảm tính đàn hồi 3) Dây nối mền ở tiếp điểm động là phần tử kém tin cậy vì chóng mòn và đứt ,nhất là trường hợp tần số thao tác lớn 4)Tiếp điểm chắp nối di chuyển theo đường thẳng (H2-5 a) thường được thiết kế không có cơ cấu trượt 5) Tiếp điểm dạng chén (H25-a) có tính chất tự làm sạch ,ở loại này nơi hồ quang cháy và nơi tiếp xúc làm việc khác nhau ,cơ cấu truyền động khi đóng không cần phải 34
  36. thắng lực nên toàn bộ tiếp điểm mà chỉ cần thắng lực ma sát .Để tránh lực va đập lớn sinh ra khi đóng làm hỏng tiếp điểm thường sử dụng bộ hoãn xung 6) Tiếp điểm đối (H2-5d) có độ ổn định điện động lớn ,Dòng điện chảy qua các nhánh song song với nhau nên lực ép tiếp điểm tăng , khi có n nhánh thì dòng điện lớn nhất trong mỗi nhánh bằng I1 = KI/n , k = 1.3 - 1.5 hệ số không đồng đều do điện trỏ tiếp xúc gây ra. 7) Tiếp điểm lăn có ưu điểm là không có dây dẫn mềm nhưng nhược điểm là không tự làm sạch được 8) Tiếp điểm chổi (các lá mỏng ghép thành khối ) ít được sử dụng so với các loại khác vì - Khi có dong điện lớn đi qua các lá kim loại bị nóng làm mất tính đan hồi - Bề mặt tiếp xúc bị mòn bởi những hạt kim loại nóng chảy khi có hồ quang,các lá kim loại dễ bị hàn dính - Khó đảm bảo được lực ép tiếp điểm cần thiết Trong bảng 2-12 nêu một số ví dụ về các loại tiếp điểm thường gặp 35
  37. Hình 2-6 :Tiếp đỉểm dạng chắp nối (a,b) và tiếp điểm dạng chém (c.d) a-Kiểu cầu với lò xo xơắn hình trụ ,chuyển động trên mặt của hình tròn b-Kiểu trống c-Kiểu chém ,lò xo vòng d-Kiểu chém ,hai lò xo xoắn Bảng 2-12 : Dạng kết cấu của các hệ tiếp điểm thông dụng Loại tiếp Dạng Dạng kết cấu Dòng điện Nơi sử dụng Số xúc chuyển của hệ tiếp hình vẽ động điểm Chắp nối Theo cung -kiểu đòn lxlá Nhỏ hơn -rơle thiết bị 2-6 b của vòng -kiểu đòn lx Đơn vị đóng bằng 2-6 a tron xoắn Vài đơn vị tay 2-5 c -hình trụ Vài chục -công tắc tơ 2-5a không có độ dến hàng rộng rãi trượt trăm Kiểu cầu lx Vài đơn vị xoắn hình trụ Chắp nối Theo đương Kiểu cầu lò xo Hàng chục Rộng rãi 2-5a thẳng xoắn hình trụ Chắp nối Theo hình Kiểu trống với Vài đơn vị Thiết bị 2-6 b trượt trụ lò xo lá vị đóng bằng tay Nêm Thẳng -Kiểu cắm ,lò -đến hàng ổ cắm cầu 2-7 xo lá trục chì 2-6,c -kiểu cắm lò -đến hàng xo vòng tram 36
  38. 3 5 3 6 a) A-A A 1 3 2 4 2 A b) A-A 7 1 7 7 c) 3 b-b b b 7 7 3 d) Hình 2-7: Tiếp điểm cắm a-ổ cắm cứng vầ phích cắm dàn hồi b-ổ cắm đàn hồi và phích cắm cứng c-ổ cắm dập đàn hồi và dao cắm cứng 1-Phích cắm cứng 2-Mặt cắt của ổ cắm 3-Vỏ nhựa của ổ cắm 4-Nắm nhựa 5-Phích cắm xẻ rãnh để đàn hồi 6-ổ cắm cứng 7-ổ cắm dàn hồi §.2-6 -ĐỘ MỞ , ĐỘ LÚN ,KHOẢNG LĂN,KHOẢNG A-ĐỘ MỞ : 37
  39. Độ mở của tiếp điểm là khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí ngắt của khí cụ điện (H.2-5) xác định độ mở của tiếp điểm sao cho khi ngắt hồ quang sẽ bị kéo dài tới độ dài tới hạn và bị dập tắt. (dập tắt hồ quang bằng kéo dài cơ khí). Độ mở lớn hồ quang dễ bị dập tắt nhưng hành trình của cơ cấu sẽ lớn , cơ cấu truyền động như nam châm điện sẽ lớn do khe hở khống chế lớn. Vì vậy phải chọn độ mở cần thiết đảm bảo dập tắt hồ quang nhưng kích thước , khối lượng của cơ cấu truyền động lại đạt tối ưu. Theo kinh nghiệm với công tắc tơ dòng điện khoảng I = 40 ÷ 600 A , điện áp 500V có thể chọn độ mở m = 6 ÷ 12mm Đối với tải cảm công tắc tơ điện áp từ 380 V ÷ 500 V không thể lấy m ≤ 8mm Cần phải xác định lại độ mở khi tính toán buồng dập hồ quang B-ĐỘ LÚN (khoảng vượt) Độ lún l của tiếp điểm là quãng đường đi thêm được của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại (H.2-5) Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép tiếp điểm và trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn, tiếp điểm vẫn đảm bảo tiếp xúc tốt. Như vậy phải chọn độ lún của tiếp điểm l lớn hơn độ cao bị ăn mòn h của tiếp điểm ( l > h ) Thường chọn l = (1.5 ÷ 2.5)h Có thể chọn độ lún theo dòng điện định mức qua tiếp điểm vì dòng điện lớn cần có lực ép tiếp điểm lớn tăng độ lún lực ép tiếp điểm sẽ tăng ; theo công thức l = A + B.Iđm , mm A = 1.5 (mm) ; B = 0.02 (mm/A) ; Iđm (A) Hoặc theo kinh nghiệm Iđm , A 100 150 300 600 l ,mm 2.3 ÷ 3.5 3 ÷ 4 4 ÷ 5 5 ÷ 6 C- KHOẢNG LĂN : Để thay thế tiếp điểm hồ quang dùng khoảng lăn (x) 38
  40. (h 2-5 c) cho tiếp điểm động di chuyển trên một cung tròn thường sử dụng tiếp điểm ngón tạo sự lăn của tiếp điểm dộng trên mặt tiếp điểm tĩnh , điểm làm việc của tiếp điểm sẽ không trùng với điểm cháy của hồ quang . Xác định khoảng lăn trong khoảng x = 3 ÷ 12 mm. Trị số bé dùng cho tiếp điểm có dòng điện nhỏ. Tăng khoảng lăn tiếp điểm làm việc tin cậy nhưng dẫn đến kết cấu phức tạp. D-KHOẢNG TRƯỢT : Để tẩy sạch bụi bẩn gồ ghề do hồ quang hoặc lớp oxit tạo nên , dụng khoảng trượt y (h 2-5 c). Thường sử dụng tiếp điểm ngón tạo sự trượt của tiếp điểm động trượt trên bề mặt tiếp điểm tĩnh . Xác định khoảng trượt từ vài phân đến vài milimét . Kinh nghiệm chọn khoảng trượt y = 0.2 ÷ 1.5 mm . Nếu tăng khoảng trượt sẽ tăng độ ăn mòn của tiếp điểm. Thường sử dụng kết hợp khoảng lăn và khoảng trượt §·2-7/- CHỌN VẬT LIỆU VÀ KÍCH THƯỚC TIẾP ĐIỂM A-CHỌN VẬT LIỆU –YÊU CẦU ĐỐI VỚI VẬT LIỆU TIẾP 1)Điện trở suất và điện trở tiếp xúc bé 2)Tính dân nhiệt , nhiệt độ nóng chảy cao. 3)Ít bị oxy hoá 4)Khó hàn dính 5)Độ cứng cao , ít bị ăn mòn cơ 6)Đặc tính công nghệ tốt 7)Giá thành hạ. Khi chọn sao cho thoả mãn phần lớn yêu cầu cho thiết kế Bảng 2-13 cho các tính chất cơ bản của vật liệu tiếp điểm Bảng 2-14 so sánh đặc tính của các loại vật liệu tiếp điểm thông dụng 39
  41. B-KÍCH THƯỚC TIẾP ĐIỂM Kích thước tiếp điểm phụ thuộc vào giá trị dòng điện định mức , kết cấu hệ thống tiếp điểm và tần số đóng ngắt dòng điện Kích thước các tiếp điểm hình trụ , hình nón, chữ nhật tầng kim loại quí (h.2-8) có thể lấy theo bảng 2-15 và bảng 2-16 h h h D D h h h h l Hình 2-8 các tấm tổ hợp tiếp điểm được sản xuất bằng phương pháp luyện kim bột ( kim loại gốm). Chỗ lồi lên trên của bề mặt không làm việc 40
  42. nhằm tang tiếp xúc lên tiếp điểm bằng cách hàn hình côn để gá vào các tấm ôm . Đối với khí cụ trong máy bay tính chịu mòn nhỏ hơn so với khí cụ thông dụng trong công nghiệp;đường kính tiếp điểm hình trụ lấy nhỏ hơn gần hai lần so với số liệu Nhiệt lượng tỏa ra ở tiếp điểm sẽ truyền đáng kể vào các phần tử mạch vòng dẫn điện. Vì vậy khi xác định các kích thước chính của tiếp điểm đóng ngắt có dòng điện định mức lớn nên chọn sơ bộ theo tiết diện thanh dẫn. Bảng 2-15 : Các kích thước tiếp điểm hình trụ và tấm ốm tiếp điểm Dòng điện định mức Đường kính tiếp điểm Chiều cao tiếp A mm điểm mm đến 2 1-2 0,3-1,0 2-5 2-4 0,6-1,2 10-20 5-8 0.8-1,6 20-40 8-12 1,2-2,2 40-63 12-16 1,4-2,5 60-100 16-20 1,5-3,0 100-160 20-25 2,2-3,0 160-250 25-32 2,5-3,5 Bảng 2-16 : Kích thước tấm tiếp điểm hìng chữ nhật Chiều dài (mm) Chiều rộng (mm) Chiều cao ( mm) 4 ; 5 -3 ; 4 ; 5 -0,8 ; 1,0 ; 1,6 41
  43. -4 ; 8 ; 10 -3 ; 4 ; 6 ; 8 -1,0 ; 1,2 ; 1,4 10 -12 ; 14 -6 ; 8 ; 10 ; 12 ; 14 -1,0 ; 1,4 ; 1,6 -16 ; 20 -8 ; 10 ; 14/16 ; 20 -1,6 ; 2,0 ; 2,2 -25 ; 3 2 -12 ; 16 ; 20 ; 25 ; 32 -3,0 ; 3,5 ; 5 -40 ; 50 -14 ; 20 ; 25 ; 32 ; 40 -2,5 ; 3,0 ; 3,5 ; 5,0 Chú thích : 1) Chiều rộng nhỏ nhất của tấm bằng một nửa chiều dài của nó. Chiều rộng lớn nhất bằng chiều dài. 2) Giá trị dòng điện định mức có thể sơ bộ xác định theo bảng 5-5 bằng phương pháp so sánh diện tích chữ nhật và đường tròn. §. 2.8/- XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ ,ĐIỆN TRỞ TIẾP XÚC LÚC ÉP VÀ ĐIỆN ÁP RƠI TRÊN TIẾP ĐIỂM Ở CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC DÀI HẠN. I)NHIỆT ĐỘ CỦA TIẾP ĐIỂM : 1) dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng của thanh dẫn dài vô hạn, có tiết diện không đổi .Giả sử một đầu một đầu thanh dẫn tiếp xúc với thanh dẫn khác và nguồn nhiệt đặt tại nơi tiếp xúc. Idm2 * ζθ Idm2 * Rtd θtđ = θmt + + (2-11) S* P * Kt 2 * λ * P *S* Kt Idm2 * Rtx 2 θttx = θtd + ; 8* λ * ζθ Idm2 * Rtd2 θttx − θttd = (2-12) 8* λ * ζθ 42
  44. θmt : nhiệt độ môi trường xung quanh tính theo độ C θtđ : nhiệt độ của tiếp điểm tính theo độ C θtx : nhiệt độ nơi tiếp xúc tính theo độ C Iđm(A) : dòng điện định mức ở chế độ dài hạn ρθ (Ωcm) : điện trở suất của vật liệu tiếp điểm Rtx (Ω) : điện trở tiếp xúc ( không kể đến điện trở vật liệu tiếp điểm) K T (W/cm² *độ C): hệ số tản nhiệt của bề mặt thanh dẫn; S (cm²) : tiết diện của thanh dẫn P(cm): chu vi của thanh dẫn Với tiếp điểm dạnh cầu số 2 ở mẫu trước căn thức không còn nữa Quan hệ trên đúng với các tiếp điểm công suất nhỏ với dòng điện lớn. Kết quả cho sai số tương đối lớn so với thực nghiệm. 2) Dựa vào việc khảo sát điện trường và nhiệt trường của thanh dẫn đặc dài vô hạn có nguồn nhiệt ở đầu tiếp xúc với thanh dẫn khác. Ttd Idm * A1/ 2 Idm * ξ * π * Hb β = arccos( ) = = (2-13) Ttx 4 * λ * a 4 * λ * Ftd1 A * π * Hb 1 Ftd1= Idm2 * * (2-14) 16 * λ2 Ttd 2 [arccos( )] Ttx Ttd Ttx = (2-15) Idm * A * π * Hb cos( ) 4 * λ * Ftd1 4 * λ * Ftd1 Ttd Idm = * arccos( ) A * π * Hb Ttx (2-16) Trong đó : Ttd,(độ K) :nhiệt độ thanh dẫn chỗ xa nơI tiếp xúc Ttx,(độ K) : nhiệt độ nơi tiếp xúc 43
  45. a, (cm) : bán kính của bề mặt tiếp xúc Iđm, (A) : dòng điện định mức ở chế độ làm việc dài hạn λ,(W/cm× 0 C): hệ số dẫn nhiệt của thanh dẫn coi như không phụ thuộc vào nhiệt độ(bảng ) A = 2,3*10−8 (V / 0 C)2 hằng số Iven có những giá trị khác nhau khi vật liệu khác nhau và ít phụ thuộc vào nhiệt độ nên coi là hằng Ftd1 ,(kN) : lực nén tại một điểm tiếp xúc Ftd=n*Ftx ; n: là hằng số tiếp điểm với Tiếp xúc điểm n = 1; tiếp xúc đường n = 2; tiếp xúc mặt n = 3 Ftd1 = ξ*π*a 2 *Hb trong đó ξ = 0,3- 1 ; hệ số tính đén giảm áp lực trên mặt tiếp xúc do ính đàn hồi của vật liệu và độ lồi lõm của bề mặt tiếp điểm . Những quan hệ trên là cho trường hợp tiếp xúc điểm đơn giản giữa hai thanh dẫn đặc , dài vô hạn có tiết diện không đổi . Trong thực tế quá trình xảy ra ở tiếp điểm phức tạo hơn nhièu , vì vậy chỉ nên dùng để khảo sát hiện tượng một cách định tính để có những kết quả gần đúng với điều kiện thực tế .Trong các công rhức trên cần phải dựa thêm vào các hệ số thực nghiệm . ngoài ra nên dùng các quan hệ thực nghiệm . 44
  46. KG/MM2 70 60 50 40 30 20 10 0 200 400 500 800 C Hình 2-9:quan hệ giữa độ cứng Hb(độ cứng Brỉnel)voéi nhiệt độ phát nóng của một vàivật liệu tiếp điểm 1- đồng mềm 2- com8 3-cox12 4-bạc cương B_LỰC ÉP TIẾP ĐIỂM Lực ép tiếp điểm đảm bảo cho tiếp điểm làm việc bình thường ở chế độ làm việc dài hạn, mà trong chê độ ngắn hạn dòng điện lớn như mở máy , quá tải , ngắn mạch lực ép tiếp điểm phải đảm bảo cho tiếp điểm không bị đẩy ra do lực điện động và không bị hàn dính do hồ quang khi tiếp điểm bị đẩy và bị rung Lực ép tiếp điểm có thể xác định theo các quan hệ lý thuyết theo công thức thực nghiệm hay theo đồ thị. 1) xác định lực ép theo quan hệ lý thuyết theo các quan hệ 2-14 kết quả thu được cần phải được hiệu chỉnh qua hệ số thực nghiệm bảng 2) xác định lực ép theo thực nghiệm . Trong bảng 2-17 cho các số hiệu lực ép cuối của tiếp điểm Ftdc(lực ép tiếp điểm khi đóng hoàn toàn ) của các loại rơle suốt lực ép cuối trên một đơn vị dòng điện định mức Ftd của các khí cụ điện thông dụng. 45
  47. Bảng 2-17 lực ép của một tiếp điểm (một trở ngắt )làm việc trong không khí và trong dầu của các dẫn khí cụ điện hiện đại Loại khí cụ điện Vật liệu Ftđ (G/A) Lực nén Ftđ(G) 1 2 3 4 Rơ le có độ nhạy Vàng, platin, hựp - 0,3-2 cao dòng bé hơn kim của vàng với 1(A) iridi Rơle có độ nhạy Tina, paladi hợp - 2-10 cảm (bảo vệ ,cực kim với bạc tính) Rơle điện thoại và Bạc 10-30 điều khiển (đến 3A) Rơle tự động vài Bạc ,CĐK15M - 25-50 trung gian (dòng 5-15A) Các bộ rung , Volflram - 40-350 biến đổi rung tần số cao Các tiếp điểm phụ Bạc 5 20 của các khí cụ điện đến 1000V Bạc 5-10 20 Công tắc tơ điện kim loại gốm 7-15 25 từ Công tắc tơ thuỷ đồng 15-25 300 khí nén (lực lò so đồng 16-20 - 46
  48. không có không khí ) Công tắcđối nối đồng 45-60 trị số lớn cho Công tắc xoay (lò đồng thau dong điện bé xo lá dòng định mức 10-100A) Các bộ khống chế đồng , đồng 25-40 kiểu phẳng , kiểu trống và kểu trục Công tắc định đồng , CH40 22-80 Già trị lớn cho hình (từ 2-15A) 20-60 dòng điện bé áp tô mát Kimloại 20-25 - định hình Gốm 45-60 - Vạn năng Bạc 20-40 - kéo điện đồng 20-40 - Cỗu dao và cầu đồng 150-250 trị số lớn cho dao đổi nối (dòng dòng điện nhỏ đến 100-400A) (1): ví dụ :một nửa lực cho tiếp điểm loại cầu , lực cho một tấm của tiếp điểm hoa huệ ,một tấm củn dao (2): lực nén trong dầu lớn 1,4-1,6 lần so với không khí vì do độ nhớt của dầu và các sản phẩm từ dầu khi có nhiệt độ cao. Ftd ftd = ,(G / A) Idm (2-17) Ftd = ftd * Idm,(G) Trị số của f tđ dựa vào sự phân tích các thông số kĩ thuật của các khí cụ điện đã được sử dụng .Lực ép tiếp điểm tính theo số liệu trong bảng. 47
  49. Lớn hơn trị số tính toán theo quan hệ lý thuyết bởi vì khi dòng điện nhỏ cần có lực dự trữ ,còn khi dòng điện lớn cần tăng lực để đảm bảo độ ổn định điện động và ổn định nhiệt của tiếp điểm. Giá trị lực ép ban đầu F tdđ tại thời điểm bắt đầu tiếp xúc khi đóng và cắt tiếp điểm lấy bằng (0,4 ÷0,7) lực ép cuối F tđđ .Có thể xác định lực ép tiếp điểm theo các công thức kinh nghiệm và theo các công thức thực nghiệm. C-ĐIỆN TRỞ TIẾP XÚC. Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm R tx (một chỗ đóng ngắt )là một phần của điện trở mạch vòng dẫn điện R được đo từ 2 đầu của mạch vòng một cực của khí cụ điện. R = ΣR tx + ΣR đn + ΣRρ R tx - Tổng điện trở tiếp xúc của tiếp điểm . ΣR tx = R1 + R 2 R1- Điện trở của đường đi dòng điện bị thắt hẹp lại R 2 -Điện trở tiếp xúc giữa các lớp. ΣR đn - Tổng điện trở các đầu nối. ∑ Rρ - Tổng điện trở bản thân vật liệu của mạch vòng 1) Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm theo lý thuyết . Điện trở tiếp xúc của do dòng điện bị thắt hẹp R1có dạng : ρ R = ,Ω (2-20) 1 2an Trong đó : (ρ + ρ ) ρ = 1 2 , Ωcm 2 48
  50. ρ - Điện trở suất của 2 loại vật liệu nếu các tiếp điểm làm bằng 2 loại vật liệu . a,cm- Bán kính bề mặt tiếp xúc n=1 – tiếp xúc điểm. n=2 – tiếp xúc đường n=3- tiếp xúc mặt. Khoảng cách giữa các tiếp điểm cạnh nhau phải sao cho dòng điện chạy qua mỗi điểm tiếp xúc không bị ảnh hưởng lẫn nhau. Với lực ép không đáng kể (0,01N) những chỗ lồi lõm bị biến dạng đàn hồi . khi lực nén tăng đến 0,1-0,15N bắt đầu có biến dạng dẻo dẫn đến vật liệu bị nén chặtnéu tăng lực nén đến hàng trăm N thì cả lớp vật liệu bị biến dạng đàn hồi , nếu tiếp tục tăng lực ép nũa sẽ bị biến dạng dẻo. Đặc trưng cho sự biến dạng khi lực ép từ 10N(1kN)có thể khảo sát qua Ftd1 trị số áp suất trung bình nếu áp suất trung bình nhỏ hơn độ cứng của π*a 2 vật liệu tiếp điểm Hb vật liệu biến dạng đàn hồi, nếu lớn hơn biến dạng dẻo . Khi vật liệu biến dạng đàn hồi, bán kính a và điện trở R1 có thể biểu diễn: Ftd1 a = 0,86 * ,cm (2-21) E ζ E R1= = 0,58*ζ * (Ω) (2-22) 2*a Ftd1* r Ftd1, N (kN) : lực nén của một chỗ tiếp xúc r,(cm) : bán kính của tiếp điểm hình cầu E , N/cn(kN/cm): mô đun đàn hồi của vật liệu tiếp điểm Khi vật liệu bị biến dạng dẻo thì a và R1 có thể biểu diễn : 49
  51. Ftd1 a = ,(cm)(2 − 23) π * Hb ζ π * Hb R1= * ,(Ω)(2 − 24) 2 Ftd1 Các quan hệ trên đúng cho mọi tính toán gần đúng, qua đó có thể khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến điện trở tiếp xúc R1 2) Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng xác định theo công thức dựa vào kết quả thực nghiệm Ktx R1 = ,(Ω)(2 − 25) (0,102*Ftd)m 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 Giá trị Ktx khi bề mặt tiếp điểm không có lớp ỗyt có thể lấy sơ bộ như sau : Bạc _Bạc 0,6*10−3 Đồng_đồng(tiếp xúc mặt) (0,09-0,14)*10−3 Đồng_đồng(tiếp xúc điểm) (0,14-0,18)*10−3 Đồng_đồng(tráng thiếc) (0,07-0,1)*10−3 50
  52. Đồng_ nhôm 0,98*10−3 Đồng_đồng thau 0,38*10−3 Đồng thau_đồng thau 0,67*10−3 Đồng thau_ thép 3,04*10−3 Đồng _ thép 3,1*10−3 Thép _ nhôm 4,4*10−3 thép _thép 7,6*10−3 Nhôm _ đồng thau 1,9*10−3 Nhôm _ nhôm 1,6*10−3 Com 10-cok15(kim loại gốm) (0,2 − 0,3) *10−3 3)điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không phát nóng có thể xác định theo các đường cong thực nghiệm hình 2-10 , 2-11 , 2-12 51
  53. ΚΩ 700000 500000 300000 200000 100000 70000 50000 30000 20000 10000 7000 5000 3000 2000 1000 700 500 300 200 100 Ftd 1 235 7 10 20 3050 70 100 Hình 2-10 : đồ thị quan hệ giữa điện trở tiếp xúc và lực ép tiếp điểm của pơle công suất bé dùng trong thông tin và tự động tiếp xúc điểm (φ = 2mm , dòng điện đến 2A . Đường chấm chiếm trị số lớn ) 1-Bạc 2-Vàng 3-plalađi 4-Vàng-NIKEN 5% 5-platin 6platin iriđi 10% 7-volfram(Φ 4mm) 8-Reri 52
  54. 1000 800 600 500 400 300 5 200 3 100 4 60 2 50 40 1 30 5 20 10 Ftd 0.3 0.4 0.5 0.8 1.0 2 3 4 KG 3 4 5 6 7 8910 20 30 40 N Hình 2-11 : Đồ thị quan hệ giữa điện trở tiếp xúc và lực ép tiếp điểm . Tiếp điểm kim loại gồm dạng tiếp xúc điểm (hình cầu-mặt phẳng Φ 14mm , dòng điện 140 va 246A ). 1-Bạc gốm ; 2-COH 10 ; 3-COK15 4-CB 50 ; 5-CH9 53
  55. 200 8 140 100 7 50 6 20 5 10 4 5 3 2 2 1 1.4 Ftd 0.1 0.2 0.5 1 1.4 2 5 10 20 50 KG 1 2 5 101420 50 100 200 500 N Hình 2-12 : Đồ thị quan hệ giữa điển trở tiếp xúc và lực ép tiếp điểm của tiếp điểm ở trang thái nguội (do hai hình trụ vuông góc với nhau tạo thành ) khi lực nén từ 1 đến 227 KG 1-Bạc , mặt; 2-Đồng ,mặt; 3-Bạc , đường ; 4-Đồng ,đường ; 5-Bạc ,điểm; 6-Đường , điểm; 7-Đồng (đồng cứng ); 8-Đồng – Vonfram. 54
  56. 4) Sự thay đổi của điện trở tiếp xúc: Khi có dòng điện chạy qua , tiếp điểm bị phát nóng điện trở tiếp xúc tăng vì điện trở suất của vật liệu tăng 2 0 ⎧ 2 0 ⎫ R txθ = R tx0 (1+ )αθ = R tx20 ⎨1+ α(θ − 20 )⎬ (2-26) 3 ⎩ 3 ⎭ 0 0 0 Rtx0 Rtx20 Rtxθ : Là điện trở tiếp xúc ở 0 C, 20 C và θ C α: hệ số nhiệt điện trở của tiếp điểm. 2/3 : hệ số tính đến sự giảm nhiệt độ theo khoảng cách từ chỗ tiếp xúc. Quan hệ trên đúng cho trường hợp nhiệt độ của bề mặt tiếp xúc bé hơn nhiệt độ hoá mền của vật liệu . D- 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 Rtx vì vậy điện áp rơi trên tiếp điểm sẽ bằng : Utx = I Rtx , V (2-27) Điện áp này liên quan trực tiếp tới nhiệt độ phát nóng của vùng tiếp xúc θtx : 2 0 θtx - θtđ = τtx = U tđ /8ρλ , C (2-28) Utđ , điện áp rơi trên tiếp điểm ρ , Ωcm- điện trở suất của vật liệu tiếp điểm λ , V/cm0C – hệ số dẫn nhiệt của vật liệu tiếp điểm Với các khí cụ điện có tiếp điểm làm việc trong môi trường không khí nhiệt độ phát nóng của tiếp điểm gần bằng trị số cho phép , qua trị số của Utđ có thể xác định được độ tăng nhiệt τtx của bề mặt tiếp xúc : Utđ (mV) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 90 0 3 4 8 11 16 21 28 36 44 61 35 149 τtx , C Bạc Đồng 4 5 10 14 20 26 40 42 51 70 96 160 55
  57. Để tiếp điểm làm việc nhiệt độ tiếp điểm không vượt quá nhiệt độ biến dạng tinh thể của kim loại vì từ nhiệt độ này độ bền cơ của kim loại giảm đi rất nhiều . Nhiệt độ tiếp điểm phảI nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy rất nhiều vì ở nhiệt độ này sẽ xảy ra ham dính tiếp điểm . Bảng 2-18 cho nhiệt độ hoá mền và nhiệt độ nóng chảy của vật liệu tiếp điểm. Bảng 2-18 : Điện áp rơI trên điện trở tiếp điểm , nhiệt độ biến dạng tinh thể (hoá mềm) và nhiệt độ nóng chảy của vật liệu tiếp điểm : Vật liệu Hoá mềm Nóng chảy tiếp điểm U , mV θ , 0C U , mV θ , 0C Bạc 90 180 370 960 Đồng 90÷130 190 430÷450 1083 Platin 220÷440 540 700 1773 Vonfram 120÷250÷400 1000 800÷1000 3400 Grafit - - 5000 4700 Từ trên có thể xác định được trị số của dòng điện cho phép qua tiếp điểm : Icf = ( 0.5÷0.8) Iđm = ( 0.5÷0.8) Um/ Rtx , A (2-29) Ithm – trị số tới hạn của dòng tiếp điểm Utđ nằm trong khoảng. 1)Với rơle công suất bé dung trong tự động và thông tin liên lạc , hàng không: Utđ = ( 0.5÷0.8) Um 2)Các khí cụ điện điều khiển và phân phối năng lượng đến 1000V tiếp điểm làm việc trong không khí : Utđ = 2÷30 mV Với tiếp điểm làm lạnh bằng nước : Utđ = 30÷40 mV C-NHIỆM VỤ TÍNH TOÁN: Khi toán cho các chế độ làm việc dài hạn , ngắn hạn , ngắn hạn lặp lại cần giải quyết những bài toán sau : 56
  58. 1) Từ dòng điện định mức Iđm ( dài hạn ) chọn vật liệu và kích thước của tiếp điểm xác định lực ép tiếp điểm Ftđ sao cho điện áp rơi Utx và nhiệt độ tiếp điểm θtđ , không vượt quá trị số cho phép . Điện trở tiếp xúc Rtx phải nhỏ hơn trị số được xác định theo 2-20 và 2-25 (tính toán thiết kế ). Trên cơ sở ổn định điện động ổn định nhiệt cần hiệu chỉnh trị số lực ép Ftđ đã tính toán . 2) Từ dòng điện định mức Iđm chọn vật liệu , kích thước và lực ép của tiếp điểm Ftđ , xác định điện áp rơi Utx và nhiệt độ của tiếp điểm θtđ , so sánh với trị số cho phép , xác định điện trở tiếp xúc , nhiệt độ của bề mặt tiếp xúc θtx phải nhỏ hơn nhiệt độ hoá mềm của vật liệu( tính toán kiểm nghiệm ). 3) Chọn vật liệu , kích thước và lực ép tiếp điểm Ftđ ,xác định trị số dòng điện dài hạn Iđm điện trở tiếp xúc Rtx sao cho điện áp rơi Utx và nhiệt độ của tiếp điểm θtđ không vượt quá trị số cho phép ( tính toán kiểm nghiệm). §.2-9/- DÒNG ĐIỆN HÀN DÍNH VÀ CÁC BIỆN PHÁP CHỐNG HÀN DÍNH CỦA TIẾP ĐIỂM : Khi dòng điện qua tiếp điểm lớn hơn dòng điện định mức Iđm (quá tải khởi động , ngắn mạch) nhiệt độ sẽ tăng lên và tiếp điểm bị đẩy do lực điện động dẫn đến khả năng hàn dính . Độ ổn định của tiếp điểm chống đẩy và chống hàn dính gọi là độ ổn định điện động (độ bền điện động ). Độ ổn định nhiệt và ổn định điện động là các thông số quan trọng được biểu thị qua trị số của dòng điện tới hạn Ithhd , tại trị số đó sự hàn dính của tiếp điểm có thể không xảy ra , nếu cơ cấu ngắt có đủ khả năng ngắt tiếp điểm . Có hai tiêu chuẩn để đánh giá : lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính; Trị số tới hạn của dòng điện hàn dính ; Nó phụ thuộc vào vật liệu tiếp điểm và kết cấu , chế độ làm việc của khí cụ điện . A- XÁC ĐỊNH TRỊ SỐ DÒNG ĐIỆN HÀN DÍNH THEO QUAN HỆ LÝ THUYẾT : 1) Giả thiết khi có dòng điện có trị số không đổi chạy qua, nhiệt độ của vùng tiếp xúc tăng nhanh đến trị số gần nóng chảy , dòng điện tới hạn Ithhd gần tới trị số hàn dính . 57
  59. t − 1 T 4π FtdΣ Ttd − Ttd e I thhd = arccos( t ) (2-30) − 1 πH Bθ T Ttxt − Ttd e Ttđ - Nhiệt độ của thanh dẫn xa vùng tiếp xúc , do trị số dòng điện lớn ( quá tải , ngắn mạch , khởi động ) gây ra khi chảy qua mạch vòng dẫn điện . Ttxt – Nhiệt độ của vùng tiếp xúc tại thời điểm t1 , có thể coi Ttxt= Ttx. HΒθ - Độ cứng Bribel ở nhiệt độ Ttx . FtđΣ - Lực ép tổng của tiếp điểm FtđΣ = Ftđ - Fđđ1 + Fđđ2 , KG (2-31) Ftđ - Lực ép tiếp điểm . Fđđ1 - Lực điện động do đường đi của dòng bị thắt lại , nó ngược chiều với lực lò xo của tiếp điểm . Fđđ2 - Lực điện động giữa các chi tiết của mạch vòng dẫn điện gần với tiếp điểm T – Hằng số thời gian phát nóng của tiếp điểm C.γ π.F T = td Σ , s (2-32) λ 24.HBθ Trong đó : C, γ, λ - tỉ nhiệt, khối lượng riêng và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu (bảng ) Ithhd – Dòng điện không đổi ( dòng 1 chiều ) . Với dòng điện xoay chiều ( dòng ngắn mạch , ngắn hạn ) thì Ithhd tính theo trị số bình phương trung bình theo thời gian dòng điện đi qua t1 trong nửa chu kỳ đầu . Với tiếp điểm có dòng lớn , lực ép Ftđ lớn thì Ithhd lấy theo trị biên độ của nửa sóng đầu tiên . B – TÍNH TOÁN TRỊ SỐ BAN ĐẦU CỦA DÒNG ĐIỆN HÀN DÍNH DỰA VÀO QUAN HỆ GIỮA ĐIỆN ÁP RƠI VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA BỀ MẶT TIẾP XÚC TIẾP ĐIỂM : 58
  60. Ihdbđ = A f nc . Ftd (2-33) 2 32 λ θnc (1+ α θnc ) A = 3 2 (2-34) π H ρ (1+ α θ ) B0 0 3 nc A – Hằng số với từng loại vật liệu 0 ρ0 - Điện trở suất của vật liệu ở 0 C 0 HB0 - Độ cứng Brinel của vật liệu ở 0 C λ - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu Ftđ - Lực ép tiếp điểm fnc - Hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát nóng , nó phụ thuộc vào lực ép tiếp điểm và thời gian kéo dài của xung dòng điện . Thường fnc = 2÷4 và có thể lớn hơn nếu vật liệu mềm Kết quả trên cho sai số lớn nếu lực ép tiếp điểm nhỏ . C – DỰA VÀO TRỊ SỐ TÍNH TOÁN VÀ THỰC NGHIỆM CỦA DÒNG ĐIỆN HÀN DÍNH I HDBĐ TRƯỜNG HỢP TIẾP XÚC MỘT ĐIỂM,TIẾP ĐIỂM BẰNG BẠC VÀ ĐỒNG: U 2U 2U F I = nc = nc = nc td (2-35) hdbd R πH ρ πH tx ρ B B Ftd U nc -điện áp nóng chảy (bảng 2-18) D-XÁC ĐỊNH TRỊ SỐ DÒNG ĐIỆN HẠN ĐỊNH THEO THƯC NGHIỆM Theo công thức Bút Kê Vit:có thể sơ bộ xác định trị số dòng điện hàn dính ban đầu (trị biên độ) của tiếp điểm theo lực ép tiếp Ftd(KG). 59
  61. Ihdbđ = K hd . Ftđ (2-36) Hệ số Khd xác định theo trên và có thể xác định theo bảng 2-19 và hinh 2-13 . Bảng 2-19:Hệ số hàn dính của tiếp điểm trong khí.Thời gian của xung dòng điện từ 0.05 đến 5giây. Kết cấu hình dạng vật liệu KA Khd tiếp điểm Tiếp điểm kiểu ngắn 1 Và miếng đệm a-CH45 0.35÷1.24 0.1÷1.6 1040-980 Hình đường kính b-CK15 0.52÷1.5 0.1÷1.6 1640-1200 12mm cao 2.5mm, c-MT 0.66÷1.85 0.1÷1.6 2690-1500 tiếp xúc:tiếp xúc c-C 0.88÷2.5 0.1÷1.6 2800-2000 điểm, mặt hình cầu công tắc tơ K 101 Tiếp xúc điểm xung 2 Dòng điện a-M 3÷10 4 ÷25 1300÷1600 0.05÷5s b-M 3.3÷6.9 5÷50 2000÷2500 10s c-M 12 ÷100 10÷5LL 3640÷3500 0.05÷5s d-MT 3÷150 3÷1000 1850÷2000 e- 0.05÷5s 3.5 ÷50 10÷1000 1130÷1200 MB50 0.05÷5s Kiểu ngón và hình 3 Tiêp xúc đứng (K) MT L.8÷8.8 1÷16 1800 Kiểu,tiếp xúcđường 4 Công tăc toKT.5000 MT 1.5÷10 0.36÷13 2900 60
  62. Tiếp bang 2-19 1 2 3 4 5 6 Kiêu ngón ,không tụ a-MT 4.1÷30 1.0÷50 4100 định vi, b-MT 12÷30 10÷52 3800 5 tiếp xúc mặt12x35mm Đồng (mắt ngắt thau 12÷30 10÷53 5750 đầu cao áp c-MT 12÷30 10÷50 5500 kiểu ngón tự định d-M kiểu ngón,tư định vị Kiểu ngón hoặc câù động C 30÷45 35÷70 5000 6 hoặc ngón tinh (áp tô mát d ẫy A.1200) Tiếp điểm trụ doi a-C360 10.6 56 1420 7 5x15mm,cố định trên b-M 1.5 56 2000 giá đồng,các trụ c-C 1.0 56 2400 vuông Góc với nhau (tiếp 61
  63. xúc điểm) IH.CB KA ) B) (5B (2 -P T-M ) 30 MT 2r II- 6) T( ( -M 20 II-C T B) (7 C ) T- 6 T-CB60(7a) 10 (2 A) 2b) T(5 0( 8 -M exyhb B5 II 10c -M 6 FN T (4) -MT 4 II 3 40 -CH T 0 2 8 3 B MT C T2) II- -C ( T 1B) ) 1 ( (1b 0.8 T-MT 45 OK 1a) T-C 5( 0.6 H 4 0.5 T-C 0.4 Fh 0.2 0.4 0.6 1 2 4 6 10 60 20 30 40 Hình2-13:Quan hệ giữa dòng điện hàn dính ban đầu Ihdbđ (trị số biên độ)với lực ép (của lò xo) khi xung là 0.05 đến 5 giây của các tiếp điểm làm việc trong môi trường không khí Các dạng tiếp xúc: .tiếp xúc điểm .tiếp xúc đường .tiếp xúc mặt E-CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG HÀN DÍNH 1.Về Kết Cấu: 62
  64. Tăng lực ép tiếp điểm, giảm sư rung của tiếp điểm trong quá trình đóng. Chọn kết cấu cho lực điện động cùng chiều với lực ép tiếp điểm. Thay đổi dạng tiếp xúc , tiếp xúc điểm bị hàn dính với dòng điện bé, tiếp xúc đường và mặt với dòng điện lớn , phân thành nhiều cặp tiếp điểm song song, khi có n tiếp điểm song song thì hệ số dòng điện lớn nhất sẽ là: In=KI/n K: hệ số không đồng đều: K=1,3÷1,5 2. Chọn vật liệu. Nếu hai tiếp điểm làm bằng kim loại khác nhau thì khò bị hàn dính hơn là làm bằng cùng một loại kim loại. ở môi trường không khí các tiếp điểm kim loại gốm bị hàn dính với dòng điện lớn hơn so với các vật liệu khác. Độ ổn định của tiếp điểm về chống hàn dính có thể khảo sát quá trình . §.2-10/- SỰ RUNG CỦA TIẾP ĐIÊM VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIẢM RUNG. Khi tiếp điểm đóng, thời điểm bắt đàu tiếp xúc có xung lực va đập cơ khí giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra hiện tượng rung của 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 giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh xảy ra sau một thời gian thì kết thúc chuyển sang trạng thái tiếp xúc ổn định, sự rung kết thúc . Quá trình rung được đánh giá qua trị số biên độ rung Xm của khỏang đẩy lớn nhất đầu tiên và thời gian rung tmtương ứng với Xm(hình 2-14). 63
  65. X Xm t t m Xm: trị số biên độ rung đầu tiên Tm: thời gian tương ứng của Xm Hình 2-14: Đồ thị bỉêu diễn quá trình rung của tiếp điểm A-TÍNH TOÁN ĐƠN GIẢN GIỮA CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN VỀ RUNG CỦA CÁC TIẾP ĐIỂM THƯỜNG ĐÓNG: 1) Các tiếp điểm cua rơle công suất bé lò xo là không có điểm tựa để tạo lực nén ban đầu.để giảm độ rung nguy hiểm, quan hệ giữa độ cứng của lò xo tĩnh Jt và lò xo động Jd phải thoả mãn. Jt ≥ Jd ( 2 – 37) để giảm độ rung khi ngắt người ta suử dụng thanh điểm tựa cứng (H. 2) Tiếp điểm rơle công suất bé , lò xo lá được gắn vào chi tiểt động , tiếp điểm cứng ( không đàn hồi) (H-2) 64
  66. xM xM xM % xM f(vd) f(md,Jd) f(Fd) 100 f(J) f(Fd) % 100 Hình 2-15: Biểu diễn các thông số về tính toán sự rung của tiếp điểm và quan hệ giữa biên độ rung Xm với các yếu tố ảnh hưởng đến sự rung Xm - Trị số biên độ đầu tiên của quãng đẩy tiếp điểm động. Ftd0 - Lực ép tiếp điểm tại thời điểm va đập. J - Độ cứng của lò xo. Vd 0 ,ωd 0 - Tốc độ ,tốc độ góc của tiếp điểm tại thời điểm va đập. md - Khối lượng phần động. Jd - Mômen quán tính của phần động. M d - Lực tác động lên phần động . Để tránh rung động nguy hiểm tại thời điểm va đập thì điều kiện cần thiết là hiệu của lực tác động và phản lực qui đổi về điểm tiếp xúc phải thỏa mãn : 2 K V md .vd0 Fdt − Ff1 ≥ 0,5 J (2-38) 1− K V 2 F (N) – Lực hút điện từ (lực tác động ) dt 65
  67. J (N/m ;KG/m) –Độ cứng của lò xo. 2 m (Kg ;KG; S ) –Khối lượng của phần động . d m v (m/s) - Tốc độ tiếp điểm tại thời điểm va đập . d0 KV - Hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu. KV = 0,9 - Đồng KV = 0,07 - Đồng thau KV = 0,85 ÷ 0,95 - Thép KV = 0,75 ÷ 0,9 - Bạc và hợp kim 3 )Tiếp điểm loại cầu (H.2-5a) : Độ cứng được tính toán qua trị số biên độ Xm và thời gian tm mv.(1)2 − K V Xm= d∑ d0 , (2-39) m 2.F tdd 2.mv . . 1− K V t = d∑ d0 , s (2-40) m F tdd F (N ; KG) – Lực ép tiếp điểm ban đầu tại thời điểm va đập tdd 4 )Tiếp điểm kiểu ngón có lò xo xoắn hình trụ (H.2-5c) : Độ rung cũng được tính toán qua trị số Xm và tm : 1− K (.)αωαlJl22+−V .'. . 20 2d 20 2 X = J ' ,m (2-41) m 2 1+ 1− K V 66
  68. 2.X t = m ,s (2-42) m () 1ll+−ω K 1210 V 2.S ω = dtc , s−1 (2-43) 10 JJ''+ d g α - Góc tương ứng với độ nén ban đầu của lò xo tiếp điểm so với 20 trục O2 . J ' (KG/m) –Độ cứng của lò xo với tiếp điểm qui đổi về trục đi qua chỗ va đập và hướng va đập . J ' , J ' - Mômen quán tính của tiếp điểm động 2 và giá tiếp điểm 1 d g so với trục O1 . ω - Tốc độ góc của phần ứng tại điểm va đập. 10 S - Điện tích của phần hình vẽ giới hạn bởi đường được tính lực dtc điện từ tĩnh F và đặc tính cơ F để từ vị trí ban đầu của tiếp điểm đến thời dt c điểm va đập , được biểu diễn bằng thế năng 5 ) Tiếp điểm kiểu đối có lò xo xoắn hình trụ (H.2-5d) : Độ rung cũng được đánh giá qua trị số Xm và tm : 1− K f 22+−V Jm . v f bdd ∑ d0 bd X = J ' ,m (2-44) m 2 1+ 1− KV 2.X t = m ,s (2-45) m v d0 f -Biến vị trí ban đầu của lò xo tiếp điểm . bd 67
  69. B ) TRỊ SỐ RUNG CHO PHÉP VÀ CÁC BIỆN PHÁP GIẢM RUNG : Nếu độ rung không làm tiếp điểm bị mở ra và bị mòn nhiều thì được xem là độ rung cho phép và không nguy hiểm ở các khí cụ điện khác nhau . Ví dụ ở công tắc tơ,độ rung được coi là không lớn ,nếu tổng thời gian rung :t∑ =0,3 ms. Có thể dùng quan hệ : mv. t = m F tdd m Chọn nhỏ khoảng 10−3 kg/ N F tdd Khi đó tổng thời gian rung của tiếp điểm của công tắc tơ khoảng 10ms Tổng thời gian rung sơ bộ xác định theo biểu thức tt∑ ≈ (1, 5÷ 1, 0).2. m ,s (2-47) Trên hình 2-15 trình bày các đường cong về quan hệ giữa trị số của Xm với các yếu tố máy .Quan hệ Xm với một đại lượng độc lập được xác định khi các đại lượng khác giữ cố định .Từ các đường cong trên nhận thấy rằng để giảm Xm có thể dùng các biện pháp sau: -Tăng lực ép tiếp điểm tại thời điểm va đập và tăng độ cứng J của lò xo . -Giảm tốc độ vd và ωd của phần động khí cụ điện tại thời điểm va đập. -Giảm khối lượng phần động md và mômen quán tính của phần động Jd ∑ -Giảm lực Fd tác động lên phần động . Ngoài các biện pháp trên còn có thể sử dụng lò xo hoãn xung để hấp thụ năng lượng chuyển động của các phần động sau thời điểm va đập. Sự rung của tiếp điểm cũng có thể sinh ra khi có sự va đập của các chi tiết thuộc cơ cấu truyền động .Để tránh sự truyền va đập này đến tiếp điểm ,có thể dùng các cơ cấu giảm rung cho khâu truyền động (cơ cấu hoãn xung,lò xo,cao su thủy lực .). 68
  70. §.2-11:SỰ MÒN CỦA TIẾP ĐIỂM VÀ CÁC BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC. 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 hóa học ,ăn mòn về điện và ăn mòn về cơ nhưng chủ yếu tiếp điểm bị ăn mòn là do quá trình mòn điện. Tính toán sụ ăn mòn rất phức tạp vì vậy kết quả tính toán còn thiếu chính xác .Ở đây chỉ xét những phương pháp tính toán gần đúng về độ mòn của tiếp điểm . A – CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI SỰ ĂN MÒN : Sự ăn mòn của tiếp điểm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố sau: 1)Điều kiện làm việc : - Loại dòng điện (điện một chiều ,điện xoay chiều) - Trị số điện áp nguồn . - Trị số dòng điện . - Đặc tính phụ tải (tải cảm bị mòn nhiều) - Tần số đóng ngắt. - Môi trường làm việc (với dòng điện đến hàng trăm ampe,độ mòn trong dầu nhiều hơn trong không khí ,còn với dòng điện đến hàng ngàn ampe thì như nhau). 2 ) Kết cấu của khí cụ điện : - Thời gian đóng và ngắt . - Sự rung của tiếp điểm . - Vật liệu tiếp điểm . - Kết cấu của dạng tiếp điểm . - Cường độ từ trường giữa hai tiếp điểm (tăng quá lớn cường độ từ trường dẫn đến tăng lực điện động ,làm bay hơi kim loại ,tăng độ mòn ). 69
  71. - Sử dụng thổi khí hay thổi dầu (cũng như thổi từ ,chúng làm tăng độ mòn ). - Tốc độ chuyển động của tiếp điểm động . B – CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN GẦN ĐÚNG ĐỘ LỚN CỦA LOẠI KHÍ CỤ ĐIỆN THÔNG DỤNG Độ chịu mòn thể hiện qua thời gian sử dụng ứng với số lần đóng cắt được xác định theo công thức : VV M ==mm (2-48) VVdngd++ g g ng 3 Vm (cm ) – Phần thể tích của đôi tiếp điểm bị ăn mòn ảnh hưởng tới độ lún của tiếp điểm .Trị số mòn cho phép của mỗi tiếp điểm đến 0,5 ÷0,75 độ dầy (chiều cao) của tiếp điểm khi chưa bị ăn mòn ε (g/cm3 ) – Khối lượng riêng của vật liệu tiếp điểm . 3 Vd ,Vng (cm ) – Thể tích mòn riêng cho một lần đóng ngắt . gd , gng (g) – Khối lượng mòn riêng cho một lần đóng ngắt . 1) Rơle công suất bé ,dòng điện đến 5A ,điện áp đến 220V điện một chiều và điện xoay chiều tần số f=50 ÷ 400 Hz .Với điện một chiều một tiếp điểm bị mòn nhiều ,kim loại chuyển dời từ tiếp điểm nọ sang tiếp điểm kia ,còn với điện xoay chiều thì cả hai tiếp điểm mòn như nhau. 2)Điện một chiều : việc tính toán độ mòn ở các trị số dòng điện và điện áp ngắt khác nhau theo những quan hệ khác nhau và phụ thuộc vào tỉ số giữa điện áp ngắt ,dòng điện ngắt với trị số U0 và I0 mà tại những trị số đó ,hồ quang không sinh ra . - Nếu Ung < U0 và Ing < I0 việc ăn mòn chủ yếu là do phần kim loại ở bề mặt tiếp điểm bị nóng chảy khi ngắt bị chuyển sang catot.Thể tích kim loại chuyển từ Anot sang Catot trong một lần ngắt được tính bằng : 3 VKIng ≈ . (2-49) 3 Vng (cm ) – thể tích bị ăn mòn trong một lần ngắt I (A) – Dòng điện 70
  72. K – Hằng số phụ thuộc vào bản chất kim loại Với : Vàng K =4,42.10−14 Platin K = 5,53.10−14 Bạc K = 6,75.10−14 Paladi K= 5,32.10−14 - Nếu Ung >U0 hay Ing > I0 khi đó trong quá trình ngắt sẽ sinh ra tia lửa điện ,còn gọi là hồ quang ngắn. - Nếu Ung >U0 và Ing > I0 khi ngắt sẽ phát sinh hồ quang và hồ quang sẽ chuyển dời kim loại từ Anot sang Catot.Thể tích kim loại bị chuyển dời sau một lần đóng ngắt là : 3 vqdAdd= γ . ,cm 3 vqng=+().γγ eAng ng ,cm (2-50) qd (culon) – Điện lượng đi qua tiếp điểm trong quá trình đóng ,ứng với thời gian bằng (0,3 ÷0,7).t∑ t∑ - thời gian rung của tiếp điểm . qng (culon) – Điện lượng trong quá trình ngắt có thể xác định theo số liệu thực nghiệm hoặc bằng tính toán là tích của dòng điện ngắt Ing và thời gian cháy của hồ quang thq . thq lấy bằng thời gian kéo dài hồ quang tới chiều dài tới hạn Ihqth . 3 γ Ad ,γ Ang ,γ e (cm /culon) – Độ mòn riêng của Catot ,Anot khi đóng và ngắt được cho ở bảng 2. −6 −6 −6 γ Ad .10 γ Ang .10 γ e .10 Vật liệu tiếp điểm (cm3 /culon) (cm3 /culon) (cm3 /culon) 0,5 ÷1,8 Bạc , 200 C 0,3 ÷16 0,2 ÷0,4 (3,1 ÷3,6) Bạc ,1200 C 0,1 Vàng , 200 C 15 1,4 ÷3,3 1,3 71
  73. Platin , 200 C 1,5(5,5) 0,16 0,9 Vonfram , 200 C 3,6 (0,3 ÷0,45) 0,04 Đồng 5 1,5 Platin – Iridi 9 (2,0) 1,5 Bạc 600 C -Niken 400 C 20 1,2 0,6 a) Điện xoay chiều : - Tiếp điểm bị mòn do khi đóng va đập và khi ngắt do nhiệt độ cao. - Hồ quang sẽ sinh ra khi Ing > I0 và Ung >U0 ,mặt khác hồ quang còn phụ thuộc vào thời điểm ngắt và góc lệch pha giữa dòng và áp khi ngắt . - Hồ quang bị dập tắt ở thời điểm đi qua trị số không tại nửa chu kỳ đầu tiên của dòng ngắt vì vạy một cách gần đúng ,có thể coi thời gian cháy của hồ quang bé hơn nửa chu kỳ (với tần số 50Hz là 10ms,còn với tần số 400Hz nhỏ hơn 1,25ms) - Điện lượng có thể xác định theo trị số biên độ của nó trong một lần ngắt : 2.Im . q = 0 (m: trị số biên độ ) ω Việc tính toán độ mòn của các tiếp điểm rơle điện xoay chiều có thể theo các công thức như ở điện một chiều nhưng phải kể cả đến sự thay đổi của thể tích tiếp điểm khi đóng và khi ngắt . 2 ) Các khí cụ điện có điện áp đến 30V điện một chiều dòng điện đến vài trăm ampe .Các công thức dưới đây chủ yếu dùng cho công tắc tơ của động cơ điện . Tổng khối lượng mòn cho một lần đóng ngắt gồm : 2 11UKthq0 hq. ∑r vvddtngAdd+=ng.(γγAng + e ). ITl ng . . n + . γ . I 22UUhq0 − ng T dtd (cm3 ) (2-51) Lng Tdtng =≈0,001(s ) Rng 72
  74. Ld Tsdtd =≈0,004( ) Rd Tdt - Hằng số thời gian điện từ khi đóng và ngắt phụ tải có điện cảm L và điện trở R . γ Ad ,γ Ang ,γ e - Thể tích mòn riêng của Anot và Catot trong một lần đóng ngắt cho trong bảng 2. Uhq0 -Điện áp hồ quang tại thời điểm ứng với trị số dòng điện khi bắt đầu ngắt t∑r -Tổng thời gian rung khi đóng của tiếp điểm . Khq =0,3 ÷0,7 – Hệ số đánh giá phần thời gian rung có hồ quang. 3 ) Các khí cụ điện phân phối và điều khiển đến 1000V : Khối lượng mòn trung bình của 1 cấp tiếp điểm cho một lần đóng ngắt với dòng điện lớn hơn 20A theo R.C Kudonhexop sẽ bằng : −92 2 ggdnd+=10 .( KIKIK ddngngkd . + . ). (2-54) 2 Kd , Kng (g/ A ) – Hệ số mòn khi đóng và ngắt ,cho trong bảng 2-21 và hình 2-16. Kkd - Hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm (với điện 1 chiều từ 20 ÷150A,độ mòn của Anot lớn hơn nửa tổng của độ mòn chung từ 1,1t∑ r ÷3 lần ; ở các khí cụ điện xoay chiều ba pha độ mòn lớn nhất bằng 1,1 ÷2,5 lần độ mòn trung bình ) Dòng điện (A) và Kd hay Kng Chế độ Vật liệu tiếp điểm môi trường ( gA/ 2 ) 200 ÷400 Đóng,giảm rung Khoảng 0,002 Bạc COK-15 Không khí (tổng t∑ r =0,3ms) Khoảng 0,001 Đóng ,tăng cường 15 ÷3000 0,01 rung Bạc COK-15 Không khí 0,05 (t∑ r =1 ÷5ms) 100 ÷300 Như trên Đồng Khoảng 0,2 73
  75. Không khí 1 ÷500 Vật liệu cho ở Ngắt Cho ở hình 2 Không khí hình 2 20 ÷500 Đóng và ngắt Bạc và đồng 3 ÷30 Dầu 9A 2 7 1 4 0.6 3 5 0.4 0.2 2 1 0.1 0.06 0.04 0.02 2 4 A 1 10 20 40 100 200 Hình 2-16 : Quan hệ giữa hệ số Kng và đóng điện ngắt của tiếp điểm trong môi trường không khí. 1 – Bạc 30 ÷40% nikel; 2 – Bạc 15% oxyt Cadmi; 3 – Bạc ; 4 – Đồng; 5 – Đồng Cadmi; 6 – Bạc 40% Volfram 7 – Bạc 60% Volfram; 8 – Bạc 80% Volfram. 74
  76. C – CÁC BIỆN PHÁP TĂNG ĐỘ CHỊU MÒN CỦA TIẾP ĐIỂM 1 ) Chọn vật liệu : Với các tiếp điểm rơle có dòng ngắt bé hơn trị số tạo ra hồ quang Ing < I0 thì nên sử dụng những kim loại quí nhất : bạc platine,vàng và các hợp kim của nó .Với các tiếp điểm có dòng điện lớn hơn chút ít ,nên dùng vật liệu tiếp điểm bằng các kim loại cứng và chịu nhiệt cũng như các hợp kim của chúng như : Volfram , Molipden Với các tiếp điểm của rơle và khí áp điện điều khiển và phân phối năng lượng đến 1000V có dòng từ 1 đến hàng chục ampe thì Bạc là thứ vật liệu chịu mòn nóng trong môi trường không khí (H.2-16). Với các tiếp điểm có dòng lớn hơn 80A nên dùng vật liệu gốc kim loại gốm (H.2-16).Trong một vài trường hợp nếu dùng đồng hay kim loại Cadmi (Bảng 2-14) Khả năng chịu mòn của kim loại gốm tăng lên nếu tăng tỉ lệ phần trăm của thành phần kim loại chịu nhiệt và giảm kích thước của các hạt kim loại . 2 ) Giảm thời gian cháy của hồ quang và cầu kim loại nóng chảy giữa hai tiếp điểm ,có thể sử dụng các biện pháp sau : a ) Trong trường hợp chung nên tăng tốc độ ban đầu của tiếp điểm trong quá trình ngắt . b ) Khi tính toán buồng dập hồ quang cần chọn cường độ từ trường thổi từ tối ưu .Vì nếu chọn lớn ,kim loại nóng chảy sẽ bị lực điện động thổi bắn đi gây mòn nhiều . 3 ) Giảm thời gian rung trong quá trình đóng của tiếp điểm . 4 ) Các biện pháp kết cấu : Tăng kích thước của phần tiếp điểm dễ bị ăn mòn ,sử dụng các tiếp điểm từ định vị ,nhất là trong tiếp điểm kiểu cầu ,để có sự tiếp xúc đồng đều và độ mòn cũng được phân bố đều ,bề mặt tiếp điểm phải được gia công (ép) bằng phẳng. Các vật liệu dẫn điện sử dụng trong khí cụ điện tham khảo ở bảng 2-22. 75
  77. CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG DẬP HỒ QUANG §.3.1/- KHÍA NIỆM CHUNG Dập tắt hồ quang điện trong thiết bị điện áp cao và điện áp thấp là một trong những vấn đề quan trọng có chứa tất cả các vấn đề tổng hợp phữ tạp của kỹ thuật điện và vật lý. Hiện nay còn có nhiều vấn đề chưa được nghiên cứu và khảo sát thích đáng. Một số hiện tượng xảy ra trong hồ quang và sự cháy của nó cũng chưa được thống nhất quan điểm. Điều đó gây ra nhiều khó khăn trong việc thiết kế thiết bị dập hồ quang. Trong các thiết bị khác nhau, quá trình dập hồ quang cũng khác nhau nên thường khảo sát riêng biệt từng loại khí cụ: 1) Khí cụ điện có điện áp thấp đến 220V và dòng điện nhỏ, chủ yếu là các phần tử tự động (rơ le điện cơ). 2) Khí cụ điện có điện áp đến 1000V là những khí cụ đóng ngắt phân phối năng lượng và điều khiển (máy ngắt tự động, công tắc tơ, cầu chảy, khí cụ chỉ huy, v.v ). 3) Khí cụ điện cao áp – khí cụ đóng ngắt phân phối năng lượng (máy ngắt, cầu chảy ). Trong chương trình này chỉ trình bày các phương pháp tính toán gần đúng thiết bị dập hồ quang của khí cụ điện hạ áp (loại thứ nhất và loại thứ hai đã nêu ở trên). Vấn đề thiết kế thiết bị dập hồ quang điện áp cao đã nêu trong giáo trình “khí cụ điện cao áp”. Tính toán sẽ nêu ra dưới đay là của các tác giả Bơ-rôn, Ta-ép, Khu-zơ- net-xốp. Các tính toán này chỉ là gần đúng, tu nhiên đã cho ta một khái niệm về các tham số chính và kích thước chính của thiết bị dập hồ quang. §.3-1-1. YÊU CẦU ĐỐI VỚI HỆ THỐNG DẬP HỒ QUANG Thiết kế thiết bị dập hồ quang phải thỏa mãn những yêu cầu sau: 1. Đảm bảo được khả năng đóng và khả năng ngắt, nghĩa là đảm bảo giá trị dòng điện đóng và dòng điện ngắt ở điều kiện cho trước. 2. Có thời gian hồ quang cháy nhỏ để giảm ăn mòn tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang. 76
  78. 3. Quá điện áp thấp. 4. Kích thước hệ thống dập hồ quang nhỏ, vùng khí ion hóa nhỏ, nếu không nó có thể tạo ra chọc thủng cách điện giữa các phần của thiết bị và còn toàn bộ khí cụ. 5. Hạn chế ánh sáng và âm thanh. Các yêu cầu trên đây có mâu thuẫn. Ví dụ: giảm thời gian hồ quang cháy dẫn đến tăng quá điện áp. Vì vậy, trong quá trình thiết kế thiết bị dập hồ quang đòi hỏi phải tìm ra phương pháp tối ưu nhất trong các trường hợp đã cho. §.3-1-2. GÍA TRỊ DÒNG ĐIỆN NGẮT KHI TÍNH TOÁN THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG. Thời gian dập hồ quang là một trong những tham số chủ yếu của thiết bị dập hồ quang: Khi thiết kế thiết bị dập hồ quang đến 1000V với dòng điện từ một chục đến trăm nghìn ampe thì chiều dài hồ quang từ hàng chục mm đến vài chục cm Và tốc độ chuyển động của hồ quang từ 0 đến hàng trăm m/s. Trên hình 3-1 là sự phụ thuộc của thời gian hồ quang cháy vào dòng điện ngắt đối với thiết bị điện một chiều cũng như xoay chiều. Ở vùng I thời gian cháy của hồ quang gần như tỉ lệ thuận với dòng điện. nhân tố chủ yếu dập hồ qunag điện một chiều là sự kéo dài cơ khí, còn đối với hồ quang điện xoay chiều là độ bền điện phục hồi của khoảng trống hồ quang ở vùng gần ka-tốt Uph và số quãng đứt n của mạch điện, sự kéo dài cơ khí của hồ quang có giá trị thứ yếu. Ở vùng II nhân tố dập hồ quang chủ yếu là kéo dài cơ khí có tác dụng ở mức độ thấp, lực điện động cũng nhỏ. Vì vậy, trong vùng II thời gian dập hồ quang lớn nhất. 77
  79. thq, s Thời gian cháy I II III 0 Ing, A Dòng điện ngắt Ith Hình 3-1: Quan hệ đặc trưng giữa thời gian cháy và dòng điện hồ quang của thiết bị dập hồ quang đến 1000V (khi Ung = const và L = const). Ở vùng III, nhân tố dập hồ quang chủ yếu là lực điện động xuất hiện giữa dòng điện hồ quang và từ trường tạo ra bởi các chi tiết mạch vòng dẫn điện, cũng như giữa hồ quang và từ trường phụ của cuộn dây thổi từ (nếu có). Thời gian dập hồ quang đối với thiết bị điện một chiều là thq ≤ 0,1s, còn đối với thiết bị xoay chiều nhỏ hơn một nửa chu kỳ, khi ngắt dòng điện giới hạn cho phép thời gian dập hồ quang cho phép bằng một vài nửa chu kỳ. Giá trị dòng điện ở vùng II gọi là dòng điện tới hạn Ith. Trong các thiết bị điện hiện đại đến 1000V giá trị dòng điện tới hạn vào khoảng 3-30A ở một vài loại thiết bị một chiều có thể lên đến 100A. Nếu ở giá trị tới hạn mà hồ quang tắt thì nó tắt ở tất cả các giá trị dòng điện nhỏ hơn tới hạn. Hồ quang cũng tắt ở tất cả các giá trị dòng điện lớn hơn tới hạn nếu nó có khả năng chuyển động theo các vùng dập hồ quang để bị kéo dài thêm ra; nếu không có gì ngăn cản chuyển động của nó và nếu cách điện của thiết bị không đạt sẽ dẫn đến ngắn mạch giữa các pha. Giá trị dòng điện ngắn tính toán Dựa vào đặc tính đã cho ở hình 3-1, tính toán thiết bị dập hồ quang đòi hỏi thực hiện ít nhất đối với các giá trị sau của dòng điện ngắt. 1. Dòng điện tới hạn Ith. Ở giá trị này của dòng điện việc dập tắt hồ quang nặng nề nhất. Vì vậy việc dập hồ quang ở dòng điện tới hạn là nhiệm vụ cần thiết của việc thiết kế 78
  80. thiết bị dập hồ quang. Dòng điện tới hạn sơ bộ gần đúng lấy bằng dòng điện ứng với khe hở cuối của tiếp điểm ; còn giá trị chính xác được xác định theo quan hệ của thời gian dập hồ quang với dòng điện ngắt (đường cong tương tự như hình 3-1). 2. Dòng điện định mức – là một trong những tham số chính của thiết bị. 3. Dòng điện biểu thị khả năng ngắt giới hạn của thiết bị Ing. a) Đối với công tắc tơ (theo tiêu chuẩn OCT 11206-65) dòng điện ngắt giới hạn được biểu thị bằng những giá trị sau đối với từng loại khí cụ: - Đóng ngắt mạch một chiều: 10Iđm - Đóng ngắt mạch xoay chiều: 4Iđm và 8Iđm (nếu tính toán với giá trị biên độ cực đại thì: Ing=1,4. 2 . 8. Iđm = 16 Iđm (hệ số 1,4 tính đến thành phần không chu kỳ) b) Đối với máy ngắt tự động Ing phụ thuộc vào dòng điện định mức của máy ngắt, có thể từ 15 Iđm đến 100 Iđm hoặc cao hơn. §.3-2/- VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU BUỒNG DẬP HỒ QUANG. §.3.2-1- VẬT LIỆU BUỒNG DẬP HỒ QUANG: Khi lựa chọn vật liệu làm buồng dập hồ quang cần phải quan tâm đến những tính chất sau: 1. Tính chịu nhiệt của vật liệu làm buồng dập: Nhiệt độ hồ quang sinh ra rất lớn hàng vạn độ K, để buồng dập hồ quang không bị phá hủy do nhiệt lượng hồ quang sinh ra trong buồng dập, hồ quang cần có tốc độ chuyển động nhanh để tránh hồ quang cháy một chỗ. Trong trường hợp ở chỗ hồ quang cháy có tốc độ giảm. Ví dụ trong các khe hẹp của buồng - tạo ra những đường dẫn điện không chỉ đối với các chi tiết làm bằng vật liệu gốm, tất cả các trường hợp đó đều làm chặn hồ quang lại và buồng bị nóng. Ở các chỗ có hồ quang, ví dụ ở khoảng trống giữa các tiếp điểm, ở cuối sừng dập hồ quang, vật liệu của vùng bị nóng nhiều hơn cả. 2. Tính cách điện và chống ẩm của buồng dập: Thành buồng dập hồ quang thường đặt gần các chi tiết dẫn điện của khí cụ điện. Vì vậy những chi tiết của buồng dập hồ quang phải đảm bảo tính cách 79
  81. điện và chống ẩm. Nếu vật liệu có tính hút ẩm cao (ví dụ xi măng amian) thì không đảm bảo được chức năng cách điện mà chỉ có chức năng hạn chế hồ quang. Vật liệu này dưới tác dụng của hồ quang hơi nước cacr hồ quang vào các khe hẹp. 3. Độ nhám bề mặt bên trong thành buồng dập: Để nhanh chóng dập tắt hồ quang, hồ quang phải chuyển động với tốc độ lớn vào khe hẹp để kéo dài thêm hồ quang đồng thời làm cho thân hồ quang tiếp xúc với thành buồng để làm lạnh hồ quang. Bề mặt bên trong thành buồng đòi hỏi phải nhẵn, càng nhẵn tốc độ di chuyển hồ quang càng nhanh và ngược lại bề mặt bên trong thành buồng mà nhám, tốc độ di chuyển hồ quang bị giảm,gây ra đốt nóng vuồng dập và các chi tiết khác. Những loại vật liệu cơ bản để chế tạo thành buồng dập hồ quang: 1) Vật liệu xi măng - amian: Xi măng – amian loại tấp theo Ґ OCT 6697-50 được ép từ xi măng – amian và nhựa amian. Amian là tên gọi của một nhóm khoáng chất có cấu trúc dạng xơ, nó là biến dạng đá pentinic, thành phẩm chủ yếu là 3MgO2.SiO2.2H2O. Amian nằm trong lớp nham thạch, có loại xơ dài và xơ ngắn, thường dùng loại xơ dài, nhiệt độ nóng chảy đến 1150°C, tính cách điện khá cao(1010 ÷ 1012 Ωcm). Tuy nhiên trong trạng thái âm tính, cách điện cảu vạt liệu bị giảm, ngoài ra dưới tác dụng nhiệt độ cao cảu hồ quang những khe nước nhỏ tạo thành vết làm cho thành buồng có độ nhám lớn. Đối với những chi tiết bằng nhựa xi măng amian có độ nhám bề mặt lớn. Công nghệ chế tạo ra buồng dập bằng xi măng amian như sau: trộn xơ amian đã nghiền tơi với xi măng là chất dính kết và nước, đảm bảo độ đông đặc nhất định. Sau đó đem ép vào khuôn ở dạng tấm hay mẫu khuôn đã định sẵn cuối cùng sấy khô các chi tiết đã ép. 2) Vật liệu ép chịu hồ quang: Nó gồm nhiều vật liệu tổng hợp lại: sợi amian và các loại nhựa chịu lửa (như Heloominow, nhựa silic hữu cơ, nhựa ê-pốc-xi và các loại nhựa khác có chất điện như khoáng vật thạch anh), thành phần của chúng phụ thuộcvào kết cấu chi tiết. 80
  82. Các chi tiết làm bằng vật liệu này có tính chịu nhiệt, chịu hồ quang cao, cách điện tốt và đạt được độ nhẵn bóng bề mặt. 3) Gốm (silicat): Hoạt thạch sa mốt, kô-rô-đen (Al2O3) hay kô-rô-đen điện phân so với những dạng khác của gốm (sứ, steatit) thì gốm này có tính chịu nhiệt cao (lớn hơn 1750°C) tổn hao tg bé, điện trở suất cao và rất bền về cơ học nhưng bề mặt không được nhẵn. Buồng dập hồ quang bằng vật liệu gốm sử dụng có hiệu quả kinh tế cao chỉ khi sản xuất hàng loạt có khối lượng lớn về sự gia công của nó rất phức tạp. §.3.2.2/- KẾT CẤU BUỒNG DẬP HỒ QUANG Các khí cụ điện một chiều và xoay chiều có nhiều loại khác nhau nên kết cấu thiết bị dập hồ quang cũng khác nhau (hình 3-2 và 3-3) 3 2 A 5 4 1 A A-A 11 a) 81
  83. A 3 5 4 2 1 2 2 A A-A 11 7 b) 3 2 4 5 3 1 2 11 c) A 2 5 9 4 3 A 1 11 g) 82
  84. 1 3 2 5 4 10 10 1 2 h ) 12 13 1 3 2 5 4 10 1 2 i) Hình 3-2 : Thiết bị dập hồ quang của công tắc tơ điện một chiều. a.Buồng hở e. Buồng có hai "túi không khí " b.Buồng có khe rộng g. Buồng có dàn sắt dập hồ quang c Buồng có vách ngăn dọc h. Buồng có khe hở dích dắc hẹp d.Buồng có "túi không khí" i. Buồng có khe hở dích dắc hẹp và dàn dập hồ quang 1.Tiếp điểm 8.Túi không khí 2.Sừng dập hồ quang 9.Các tấm dàn sắt dập hồ quang 3.Cuộn dây dập hồ quang 10.Những chỗ lồi được toạ ra bởi khe dích dắc 4.Tấm dẫn từ dập hồ quang 11.Khe hở của buồng 5.Thành , buồng dập 12.Các tấm dàn dập hồ quang 6.Vách ngăn ngang 13.Nắp dàn dập hồ quang. 83
  85. 7.Vách ngăn dọc 5 2 4 3 6 6 2 3 4 a) b) 1 3 9 2 5 3,8 2 4 4 c) d) 7 6 3 3 84
  86. e) f) Hình 3-3 :Thiết bị dập hồ quang của công tắc tơ xoay chiều 1.Buồng chính 6.Dàn sắt dập hồ quang 2.Nắp của buồng 7.Cuộn dây dập hồ quang 3.Tiếp điểm cố định 8.Vòng dây dập hồ quang 4.Tiếp điểm cầu 9.Tấm đệm thép 5.Hình chữ U dập hồ quang §.3.3/- CHU VI CHIỀU DÀI , ĐƯỜNG KÍNH VÀ THỜi GIAN CHÁY TẮT CỦA HỒ QUANG CHÁY TỪ LÒ ĐIỆN MỘT CHIỀU VÀ XOAY CHIỀU ĐẾN 1000V Chu vi : Do đặc tính xoắn ốc và có hình cong nên xác định chính xác chiều dài cua hồ quang là một việc khó khăn .Tuy nhiên để tính toán gần đúng có thể đơn giản hóa chu vi của hồ quang. Hình 3-4: Chu vi của hồ quang với các dạng khác nhau của tiếp điểm 85
  87. Khi hồ quang cháy tự do chu vi của nó xem gần đúng là vòng tròn có dây cung h hq .Trên hình 3-4 là các dạng chu vi đặc trưng nhất của hồ quang một chiều và xoay chiều. Chiều dài hồ quang: Trong quá trình ngắt tiếp điểm khoảng trống của chúng có thể biểu diễn gần đúng theo quan hệ : δ hq = v tđ . t nghĩa là bằng tích số tốc độ tách tiếp điểm và thời gian . Độ lớn dây cung có thể biểu diễn gần đúng bằng : h hq = v hq .t nghĩa là bằng tích số tốc độ chuyển động hồ quang và thời gian. Khi đó chiều dài hồ quang được xác định gần đúng như sau (hình 3-4) Khi hồ quang cháy trên hai sừng của tiếp điểm (hình 3-4d) chiều dài hồ quang được xác định theo : α I hq ≈ 2π v hq . t (3-2) 360 Trong đó : α - góc giữa hai sừng tính bằng độ . Việc sử dụng các sừng làm hồ quang cháy xa điểm tiếp xúc và giảm khả năng cháy lặp lại của hồ quang. Đường kính hồ quang : Hồ quang cháy tự do đường kính có thể xác định theo công thức thực nghiệm : Khi hồ quang dịch chuyển : d = 0.27 Ing ,cm (3-3) Khi hồ quang dịch chuyển với tốc độ v hq : d = 1.12 Ing ,cm (3-4) 20+Vhq Trong đó : I ng - dòng điện ngắt ,A (ở xoay chiều là giá trị hiệu dụng) 86
  88. v hq - tốc độ hồ quang ở giá trị trung bình của dòng điện ngắt 0,5 Ing; cm/s Thời gian cháy của hồ quang trong quá trình kéo dài nó đến chiều dài tới hạn: Nếu biết chiều dài tới hạn của hồ quang lhqth và nếu cho rằng tại thời điểm này độ mở tiếp điểm là lớn nhất bằng độ mở cuối cùng δtdc: δtdc = vtd .thq 2 2 2 thì từ (3-1): lhqth = δ tđđ + 9v hq .t hq 2 2 2 2 = v tđ .t hq + 9v hq .t hq lhqth ta có : thq = (3-5) 2 2 vtd + 9vhq Trong đó: vtd - tốc độ mở tiếp điểm thq – thời gian kéo dài hồ quang đến chiều dài tới hạn bằng thời gian mở tiếp điểm Thời gian toàn bộ hồ quang cháy tch bao gồm cả thời gian này và thời gian ion hoá chất khí t i t ch = t hq + ti Phần hồ quang xa nhất đối với tiếp điểm đóng ngắt : Trên cơ sở hình ( 3-4) có thể xác định độ xa nhất của hồ quang đối với tiếp điểm đóng ngắt : hhq=vhq.thq , cm § 3-4/ TÍNH TOÁN GẦN ĐÚNG THIẾT BỊ DẬP HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU ĐẾN 1000V §.3.4-1 : Một số vấn đề chung : Nhiệm vụ tính toán : 87
  89. Theo giá trị điện áp ngắt không đổi bằng điện áp cực đại của nguồn cung cấp ung=1,1uđm xác định chiều dài tới hạn của hồ quang lhqth ở một vài giá trị của dòng điện ngắt Ing (từ giá trị nhỏ nhất đến giá trị tới hạn cho phép § 3.1.2) .Theo các giá trị của chiều dài hồ quang đã tính toán xác định các kich thước của độ mở tiếp điểm và thiết bị dập hồ quang . Sau khi chọn các tham số và kết cấu hệ thống tiếp điểm dập hồ quang ta xác định thời gian dập hồ quang ở một vài giá trị dòng điện ngắt và xây dựng quan hệ giữa thời gian dập hồ quang và giá trị dòng điện ngắt (hình 3-1) giá trị thời gian cho phép Tth<= 0.1s Cuối cùng xác định điện áp cực đại trên hồ quang (đo quá điện áp) nó cần phải nhỏ hơn giá trị biên độ điện áp thử nghiệm. Số liệu cho trước Để tính toán các thông số của thiết bị dập hồ quang một chiều cần biết trước các số liệu sau : 1. Điện áp ngắt của nguòn cung cấp thường bằng 1,1Udm: Ung=1.1Udm ,V gọi là điện áp cực đại của nguòn cung cấp. 2. dòng điện định mức Idm của thiết bị và giá trị dòng ngắt Ing,A 3.tính chất của mạch ngắt (phụ tải): điẹn trở , điện cảm hay điện dung. thường gặp phụ tải điện cảm nhièu hơn cả, nó dặc trưng bằng hằng số thời gian diện tử: Tdt=L\R ,s 4. số lần đóng ngắt của thíêt bị trong một giờ. Theo tiêu chuẩn 1234-66 quy dịnh là; 6;30;50;600;1200;2400;3600;600 lần trong một giờ. Trình tự tính toán: 1. theo giá trị điện áp cực đại của nguồn cung cấp Ung Xách địng chiều dài tới hạn của hồ quang Ihqth đối với một vài giá trị của dòng điện ngắt ($5.1.2) 2. Trong quá trình thiết kế sơ bộ hệ thống tiếp điểm ta dã xác định gần đúng độ mở của tiếp điểm. khi thiét kế thiết bị dập hồ quang, độ mở tiếp điểm mới được xác định chính xác. 88