Đồ án tốt nghiệp Xác định và lựa chọn kết cấu của Rơle ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA RƠLE LỜI NÓI ĐẦU Trong ngành công nghiệp điện năng, từ khâu sản xuất truyển tải, phương pháp và tiêu thụ điện năng luôn phải sử dụng các khí cụ như: áp tô mát, công tắc tơ, rơ le và cầu dao… Để phân phối và điều khiển, bảo vệ nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế và an toàn trong sử dụng. Khí cụ là những thiết bị, cơ cấu điện tuỳ theo lĩnh vự c sử dụng được chia thành 5 nhóm, mỗi nhóm lại được chia thành nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là: 1. Nhóm khí cụ điện phương pháp năng lượng điện áp cao gồm: dao cách ly, máy ngắt, biến dòng… 2. Nhóm khí cụ điện phương pháp năng lượng điện áp thấp gồm: cầu dao, cầu chì… 3. Nhóm khí cụ điện điều khiển: công tắc tơ, khởi động từ, các bộ khống chế và điều khiển…. 4. Nhóm khí cụ điện gồm các rơ le bảo vệ như: rơ le dòng điện, rơ le điện áp, rơ le thời gian, rơ le trung gian…. 5. Nhóm khí cụ dùng trong sinh hoạt: ổ cắm, phích điện…. Khi thiết kế một loại khí cụ điện phải thoả mãn hàng loạt các yêu cầu của một sản phẩm công nghiệp hiện đạt. Đó là các yêu cầu kỹ thuật, vậ n hành, kinh tế, xã hội được biểu hiện qua các tiêu chuẩn chất lượng các định mức nhà nước, của ngành. Các yêu cầu kỹ thuật như độ bền nhiệt của các chi tiết, các bộ pận làm việc ở chế độ định mức và khi có sự cố xảy ra, độ bền cơ và tính chịu mòn (của các bộ phận), độ bền cách điện cũng như khả năng đ óng ngắt của thiết bị. Một yêu cầu về kỹ thuật nữa là kết cấu phải đơn giản, khối lượng và kích thức bé. Các yêu cầu về vận hành như: độ tin cậy cao, dễ thao tác, sửa chữa, chi phí cho vận hành và tổn hao thấp, thời gian sử dụng lâu dài. Trong vận hành phải lưu ý đến các yếu tố như: độ ẩm, độ cao, nhiệt độ…. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2 Các yêu cầu về kinh tế, xã hội và công nghệ chế tạo: giá thành phải hạ, phải có tính thẩm mỹ trong kết cấu, tính cạnh tranh, khả năng lắp lẫn và khả năng phát triển trong tương lai. Một khí cụ điện thường gặp nói chung phải có các bộ phận chủ yếu là: - Mạch vòng dẫn điện gồm: thanh dẫn, đầu nối, các tiếp điểm…. - Hệ thống dậ p 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. Rơ le là loại khí cụ tự động đóng ngắt mạch điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện. Tuỳ theo nguyên lý làm việc, tuỳ theo đại lượng điện và giá trị dòng áp đi vào mà có nhiều loại rơ le khác nhau như: rơ le điện từ, rơ le nhiệt, rơ le cảm ứng, rơ le bán dẫn, rơ le dòng điện, rơ le điện áp và rơ le trung gian. Ở Việt Nam cũng chế tạo được các loại khí cụ điện nói chung và rơ le nói riêng. Tuy nhiên chất lượng của nó chưa cao (tuổi thọ không lớn). Khi cần các loại khí cụ có độ tin cậy cao và chất lượng tốt đa phần là nhập t ừ nước ngoài. Trong nội dung của đồ án sẽ trình bày các phần tính toán thiết kế rơ le trung gian điện từ kiểu kín. Có các thông số ban đầu: + 4 tiếp điểm thường đóng, 4 tiếp điểm thường mở + U đm = 220V + I đm = 5A + f = 50 Hz + Điện áp điều khiển U đmđk = 220V, f = 50 Hz Làm việc liên tục, cách điện cấp B. Tuổi thọ điện 10 6 lần đóng cắt, tuổi thọ cơ 10 7 lần đóng cắt. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 CHƯƠNG I: XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA RƠLE I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RƠ LE: - Rơ le là những thiết bị điều khiển tự động. Khi tín hiệu đầu vào, đạt những giá trị xác định, nhảy cấp làm biến đổi tín hiệu đại lượng đầu ra. I.1. Cấu tạo của Rơle: Rơ le gồm có 3 cơ cấu chính: + Cơ cấu thu: Tiếp nhận những tín hiệu đầu vào và biến đổi nó thành những đại lượng cần thiết để rơle hoạ t động . + Cơ cấu trung gian: So sánh những đại lượng đã được biến đổi với mẫu rồi truyền tín hiệu đến cơ cấu chấp hành . + Cơ cấu chấp hành: Phát tín hiệu cho mạch điều khiển. I.2. Phân loại rơle: Rơle được phân loại theo công dụng và nguyên lý làm việc. + Loại rơle có tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển bằng cách đóng ngắ t tiếp điểm. + Loại rơle không tiếp điểm tác động lên mạch điều khiển bằng cách thay đổi đột ngột những tham số của cơ cấu chấp hành mắc trong mạch điều khiển. + Theo đặc tính tham số đầu vào ta có thể chia ra rơle dòng điện; rơle điện áp; rơle công suất; rơle tần số… Những loại rơle này có thể đ iều chỉnh theo giá trị cực đại hay cực tiểu hiệu số các tín hiệu hoặc chiều tín hiệu. + Theo phương pháp mắc cơ cấu thu vào mạch ta có thể chia ra loại rơle: - Rơle mạch sơ cấp: Mắc trực tiếp vào mạch điều khiển. - Rơ le mạch thứ cấp: Mắc gián tiếp qua biến áp hay biến dòng. - Rơle trung gian: Làm việc dưới tác động của những tín hiệu t ừ các rơle khác, với nhiệm vụ khuyếch đại những tín hiệu này và chia ra tác động lên nhiều mạch điều khiển khác nhau. + Theo mục đích sử dụng chia ra 3 nhóm cơ bản: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 - Rơle bảo vệ mạng điện: Thường là rơle mạch nhị thứ (thứ cấp). Các cơ cấu thu và chấp hành của chúng thường được thiết kế với dòng điện bé. - Rơle điều khiển: Thường là loại rơle mạch sơ cấp. - Rơle tự động và liên lạc: Có thể là rơle mạch thứ cấp loại sơ cấp, chúng làm nhiệm vụ đảm nhiệm các quá trình tự động và thông tin liên lạc. I.3. Các yêu cầu khi thiết kế: + Các yêu cầu về kỹ thuật: - Đảm bảo độ bền nhiệt của các chi tiết, bộ phận của rơle làm việc ở chế độ định mức và chế độ sự cố. - Đảm bảo độ bền cách điện của các chi tiết, bộ phận cách điện và khoảng cách cách điệ n khi làm việc với điện áp lớn nhất, kéo dài và trong điều kiện xung quanh (như mưa, bụi, bẩn…) cũng như khi có điện áp nội bộ. - Đảm bảo độ bền cơ và tính chịu mòn của các bộ phận rơle trong giới hạn số lần thao tác đã thiết kế, thời gian làm việc ở chế độ định mức cũng như chế độ sự cố . - Khả năng đóng ngắt ở chế độ sự cố và chế độ định mức. - Khi U = 85% Uđm thì lực hút điện từ của nam châm điện phải đảm bảo đủ để hút tiếp điểm tiếp xúc. - Khi U = 110% Uđm thì cuộn dây không được quá trị số cho phép để lò xo nhả tác động. - Kết cấu phải đơn giản; khối lượng và kích thước phải nh ỏ gọn. + Các yêu cầu về vận hành: - Độ tin cậy cao. - Tuổi thọ lớn, thời gian sử dụng lâu dài. - Đơn giản dễ thao tác, dễ thay thế, dễ sửa chữa. - Phí tổn vận hành ít, tiêu tốn ít năng lượng. + Các yêu cầu về kinh tế xã hội: - Giá thành hạ. - Kết cấu phải có thẩm mỹ. - Vốn đầu tư khi chế tạo, lắp ráp vận hành ít. II. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RƠLE ĐIỆN TỪ. II.1. Tác dụng: Để bảo vệ mạch điện khi có sự cố ngắn mạch hay quá tải điện áp. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5 + Rơle điện từ cấu tạo đơn giản, lực hút điện từ (F đt ) khá lớn do vậy rơle điện từ được sử dụng rất rộng rãi. + Rơle điện từ có loại 1 chiều và xoay chiều công suất từ vài wát đến hàng nghìn wát, trong khi đó công suất tiêu thụ khoảng vài chục wát. + Thời gian tác động của rơle điện từ trong khoảng 1 – 20ms. + Rơle điện từ có các loại: Dòng điện, điện áp cực đại và cực tiểu, rơ le công suất, rơle tổng trở, tần số, trung gian, tín hiệu… II.2. Sơ đồ cấu tạo. 1. Thân mạch từ. 2. Nắp mạch từ 3. Lò xo nhả 4. Cuộn dây 5. Tiếp điểm tĩnh 6. Tiếp điểm động II.3. Nguyên lý hoạt động: - Khi đưa dòng điện vào cuộn dây nam châm điện thì cuộn dây sinh ra một sức từ động F = IW. Sức từ động sinh ra từ thông khe hở không khí của nam châm điện φ δ . Khi F đt > F ph (lực hút điện từ lớn hơn lực phản hồi) làm cho nắp của nam châm điện đóng lại nhờ thanh dẫn động làm tiếp xúc các tiếp điểm tĩnh và động lại với nhau. - Khi không có dòng điện đưa vào cuộn dây nam châm điện khi đó I = 0 -> F đt = 0 -> F ph > F đt lò xo kéo nắp nam châm trở về vị trí ban đầu và tiếp điểm tĩnh cũng được đưa về vị trí ban đầu tách các tiếp điểm tĩnh và động khỏi nhau. III. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ: III.1. Phân tích các mẫu: Để có kết cấu hợp lý và phù hợp với công nghệ chế tạo yêu cầu của đề tài ta tiến hành khảo sát một số loại rơle điện từ trung gian của một số nước. 2 1 4 3 6 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 6 a. Rơle do Liên Xô cũ sản xuất : - Nam châm hút một chiều hoặc xoay chiều. - Mạch từ hút chập cho lực hút điện từ lớn. - Nam châm hĩnh chữ U. - Tiếp điểm: Một pha hai chỗ ngắt, kiểu bắc cầu; không có dây nối mềm. Ưu điểm: - Kết cấu chắc chắn. - Tuổi thọ cao. - Độ tin cậy cao. - Dễ tháo lắp, thay thế, sửa chữa các chi tiết. Nhược điểm: - Kích thước và trọng lượng lớn. b. Rơle do Nhật Bản sản xuất: - Có nhiều loại nhưng chủ yếu là kiểu hút chập. - Kết cấu kiểu Công Sôn -> 1 pha một chỗ ngắt có dây dẫn nối mềm. Ưu điểm: - Kích thước nhỏ, gọn. - Mẫu mã hình dáng đẹp. Nhược điểm: - Công nghệ chế tạo cao. - Độ tin cậy không cao. * K ết luận: Từ hai loại rơle do Liên Xô cũ và Nhật Bản sản xuất trên và yêu cầu của thiết kế của đồ án ta chọn loại rơle do Liên Xô cũ sản xuất làm nhiệm vụ thiết kế. III.2. Lựa chọn phương án thiết kế : Qua quan sát và tìm hiểu kết cấu rơle của các nước kể trên ta thấy chúng thường có cấu chung gần giống nhau. - Kiểu hút chập. - D ạng mạch từ hình chữ U. - Tiếp điểm động được bố trí trên 1 thanh. - Kết cấu đơn giản. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 7 1 - Lò xo nhả 2 - Lẫy gạt 3 - Cần chuyển động 4 - Tiếp điểm tĩnh, thanh dẫn tĩnh 5 - Tiếp điểm động, thanh dẫn động 6 - Đế giữ mạch từ. 7 - Thân mạch từ 8 - Vỏ 9 - Cuộn dây 10 - Vòng ngắn mạch 11 - Nắp mạch từ 12 - Cơ cấu truyền đông 13 - Dây dẫn cuộn dây 14 - Lẫy giữ vỏ 15 - Đế 16 - Thanh giữ và định hướng chuyển động cho thanh truyền động. a. Chọn tiếp điểm: Tiếp điểm là một bộ phận quan trọng của rơle, nó ảnh hưởng đến độ bền, hư hỏng của rơle. Tuy thuộc vào dòng điện, chức năng kết cấu và hình thức tiếp xúc của tiếp điểm trong rơle mà lựa chọn tiếp điểm cho phù hợp và phải thoả mãn những yêu cầu cơ bản sau: - Nhiệt độ: Phát sáng của bề mặt tiếp xúc ở chế độ làm việc dài hạn phải nhỏ hơn nhiệt độ cho phép với dòng điện lớn tiếp điểm phải chịu được độ bền nhiệt và độ bền điện động. - Điện trở tiếp xúc và ổn định độ rung không vượt quá giá trị cho phép. b. Chọn nam châm điện: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 8 Theo nguyên lý truyền động điện từ thì nam châm có dạng nắp hút chập hay hút quay. Qua phân tích ta chọn nam châm, nam châm kiểu hút chấp có các tính năng như sau: + Lực hút điện từ lớn. + Nam châm điện đóng vai trò cơ cấu truyền động, nó quyết định tính năng làm việc cũng như kích thước của rơle. + Từ thông số không đổi trong quá trình nắp chuyển động. + Từ dẫn khe hở không khí không lớn. + Đặc tính lực hút g ắn với phản lực . + Vòng ngắn mạch. c. Chọn khoảng cách cách điện: Khoảng cách cách điện trong rơle nói riêng và trong các loại khí cụ điện nói chung đóng một vai trò hết sức quan trọng. Nó ảnh hưởng đến kích thước, độ tin cậy, tuổi thọ và khả năng làm việc của các thiết bị. Khoảng cách cách điện phụ thuộc vào các yếu tố sau: + Điện áp định mứ c. + Môi trường làm việc. + Độ bền nhiệt của các vật liệu trong rơle. - Điện áp cách điện giữa các pha và các pha với đất theo bảng 1-2 TL2 chọn khoảng cách cách điện giữa các pha l cd = 10 (mm). N TT NGHIP 9 CHNG II. TNH TON V KIM NGHIM MCH VềNG DN IN I. GII THIU KT CU MCH VềNG DN IN Trong cỏc loi khớ c in núi chung v r le trung gian núi riờng. Mch vũng dn in úng vai trũ quan trng, nú cựng vi nam chõm in, khõu truyn ng trung gian, v cỏc b phn kt cu khỏc cu thnh mt r le hon chnh. Trong r le trung gian, mch vũng dn in l kt cu ca nhiu b phn khỏc nhau cu to thnh. Nú bao gm, thanh dn ng, thanh dn tnh, tip im ng, tip im tnh, giỏ tip im, dõy ni mm, u ni ra. Hỡnh 1.1. Kt cu chung ca mch vũng dn in. Tớnh toỏn thit k mch vũng dn in ca r le in t trung gian xoay chiu kiu kớn, thc cht l tớnh toỏn thit k tng b phn cu thnh nú nh ó nờu trờn. II. THIT K TNH TON THANH DN 1. Cỏc bc tớnh toỏn thanh dn. Tớnh toỏn thit k thanh dn bao gm: - Xỏc nh tit din v ch lm vic c bn ca nú ch di hn v cỏc ch khỏc. - Tớnh toỏn kim nghim tit din v kớch thc ca nú ch lm vic ngn hn v ch khi ng i vi r le trung gian l kh nng iu Thanh dẫn tĩnh Tiếp điểm tĩnh Tiếp điểm động Thanh dẫn động Đầu nối Dây dẫn mềm [...]... 6.1 0-6 W/mm2.0C (Bảng 6-5 của tài liệu [2]) • I là dòng điện định mức, I = 5A • Tra bảng 6-2 của tài liệu [2] ta được: P20 = 0,01754.1 0-3 Ωmm Do đó ta có: Pθ = 0,01754.1 0-3 [1+0,0043.(13 0-2 0)] = 0,0258.1 0-3 Ωmm Tiết diện thanh dẫn được tính theo công thức 2-4 của tài liệu [2] ta có: I 2 Pθ K f S.Ctd = K T τ«d Tiết diện S = a.b, chu vi Ctd = 2(a+b) Do đó các cạnh a, b của hình chữ nhật thanh dẫn động xác định như... bảng 2-1 3 của tài liệu [2] và đồ thị 1.11 của tài liệu [2] như sau: Ký hiệu CP 999 Tỷ trọng 10,5g/cm3 Nhiệt độ nóng chảy θnc = 9610C Điện trở suất ở 200C ρ20 = 0,0159 1 0-6 Ω.m Độ cứng HB = (30÷60) kG/mm2 Độ dẫn nhiệt λ = 4,16W/cm0C Hệ số nhiệt điện trở α = 4.1 0-3 1/0C Kích thước của tiếp điểm phụ thuộc vào dòng điện định mức và kích thước của thanh dẫn động hoặc thanh dẫn tĩnh 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP... dòng điện định mức, Iđm = 5A - S là tiết diện thanh dẫn động S = 0,025 cm2 - Ctd là chu vi của thanh dẫn Ctd = 1,1 cm - KT là hệ số toả nhiệt ra, KT = 6.1 0-4 W/cm20C - Rtx là điện trở tiếp xúc của tiếp điểm Rtx = 0,44 1 0-3 Ω - ρθ130 là điện trở suất của vật liệu làm tiếp điểm ở 1300C ta có: 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ρθ130 = ρ20.[1+α.( -2 0)] = 0,0159.1 0-4 [1+0,004.(130 –20)] = 0,02289 1 0-4 Ωcm λ là độ dẫn nhiệt,... chuẩn để đánh giá : Lực cần thiết để tách các tiếp điểm bị hàn dính, trị số tới hạn của dòng điện hàn dính, các trị số này phụ thuộc vào vật liệu làm tiếp điểm, và kết cấu chế độ làm việc của khí cụ điện Theo công thức kinh nghiệm ta có thể xác định dòng điện hàn dính bằng công thức 2-3 6 tài liệu [2] Ihd = Khd Ft® Với Ftđ = 0,3N = 3.1 0-2 kG Khd là hệ số hàn dính tra theo bảng 2-1 9 tài liệu [2] Chọn Khd... Ta có công thức 2-5 4 tài liệu [2]: gđ+ gng =1 0-9 (KđIđ2 +KngIng2)Kkđ Trong đó: Kđ, Kng (g/A2) là hệ số mòn khi đóng và khi ngắt Tra trong đồ thị 2-1 6 tài liệu [2] Với Ing = Iđ =5A, ta được Kđ = Kng = 0,45g/A2 22 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Kkđ là hệ số không đồng đều, đánh giá độ mòn không đều của các tiếp điểm Với khí cụ điện xoay chiều Kkđ = (1,1÷ 2,5).ở đây ta chọn Kkđ =1,1 lần độ mòn đều của tiếp điểm Như... đó : - d là đường kính dây dẫn mềm Chọn d =2(mm) - I là dòng điện định mức Iđm =5A π.d 2 3,14.2 2 = = 3,14(mm2 ) - S là diện tích của dây dẫn: S = 4 4 I 5 - J là mật độ dòng điện qua dây dẫn: J = = = 1,6( A / mm) S 3,14 j < [j] = [2÷4]A/mm thoả mãn thiết kế - P là chu vi của dây dẫn mềm P =π.d = π 2 = 6,28mm - ρcu là điện trở suất của đồng, ρcu = 0,0176.1 0-3 (mm) Thay số vào ta có: 25 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP... 5÷10 Chọn n=10, Iđm = 5A, Kf = 1,05, Pθ = 0,0258.1 0-3 Ωmm τôđ = 13 0-4 0 = 900C ta được 5 2.0,0258.10 3.1,05 = 0,0755mm b= 2.10.(10 + 1).6.10 6.90 a = 10.b = 0,755 mm 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Để thanh dẫn đạt yêu cầu về kỹ thuật và tính toán ta chọn kích thước thanh dẫn dựa trên việc chọn đường kính tiếp điểm của thanh dẫn Mà việc chọn đường tiếp điểm thanh dẫn phụ thuộc vào dòng điện định mức theo bảng 2-1 5... điện định mức của rơ le trung gian kiểu kín Iđm =5A Chọn ftđ = 0,06 N/A (tra theo trang 57 tài liệu [2]) Ftđ = 0,06 5 = 0,3N 5 Xác định điện trở tiếp xúc Điện trở tiếp xúc một chỗ ngắt Rtx là một phần của mạch vòng dẫn điện Điện trở tiếp xúc của tiếp điểm không bị phát nóng xác định theo công thức kinh nghiệm 2-2 5 tài liệu [2] Rtx = Ktx (0,102.Ft ® ) m Trong đó: - Ftđ là lực ép tiếp điểm Ftđ = 0,3N -. .. 0,5 (N) + Độ mỡ và độ lún f' = δ' = m' + l' = m.kqđ + l.kqđ = 3 + 1,2 = 4,2 (mm) Như vậy để dựng được đường đặc tính lực ta cần phải tổng tất cả các lực để xây dựng nên sơ đồ đặc tính phản lực 33 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP IV ĐẶC TÍNH CƠ F(N) 5,37 5- 3,7 43,67 Fcơ 3,2 3 Fnh 3- 2,5 2,04 2- 1,34 1,2 1- 0 Ftđ⎦ ⎣ Gđ | 1 1,2 | 2 | 3 | 4 4,2 δ(mm) Ftđ⎦ ⎣ 1,2 34 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM NGHIỆM NAM... được xác định theo công thức 2-4 8 tài liệu [2] N= Vm Vm γ = V® + Vng g ® + g ng Trong đó: - Vm cm3 là phần thể tích của mỗi tiếp điểm cỡ 0,5÷0,75 độ dày (chiều cao) của tiếp điểm khi bị ăn mòn - Vđ là thể tích mòn tính cho một lần đóng - Vng là thể tích tính cho một lần ngắt - gđ là khối lượng mòn riêng cho một lần đóng - gng là khối lượng mòn riêng cho một lần ngắt - γ là khối lượng riêng của vật liệu . Đồ án tốt nghiệp Xác định và lựa chọn kết cấu của Rơle ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1 XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA RƠLE LỜI NÓI. 10 7 lần đóng cắt. ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3 CHƯƠNG I: XÁC ĐỊNH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU CỦA RƠLE I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RƠ LE: - Rơ le là những thiết