Đề tài Thiết kế rơle trung gian xoay chiều

tiếp xúc Với DT = ( 5 á 10)0K Chọn DT = 80K Suy ra: Ttx = Ttd + 80K = (qtd + 273) + 80K = ( 43 + 273) + 8 = 3240K Suy ra: Ftđ = = 0,002 (N) b. Tính lực Ftd theo công thức thực nghiệm. Theo công thức (2 - 17)/56 Tài liệu 1. Ftđ = ftđ . Iđm Với rơle điện từ trung gian xoay chiều có dòng điện định mức: Iđm = 5A và vật liệu tiếp điểm là bạc kéo nguội nên ta có: ftđ = 5 á 10 (G/A) Chọn ftđ = 7 (G/A) Suy ra: Ftđ = 7.5 = 35G = 0,35 (N) * So sánh hai kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm ta có. Ftđ = 0,35 (N) 3. Tính điện trở tiếp xúc Rtx - Theo công thức lý thuyết: Rtx = Với rĐ = r20 [1+ a (q - 20)] = 1,59 . 10-6 [1 + 4.10-3 (95 - 20)] = 2,067 .10-6 (Wcm) Suy ra: Rtx = = 0,76.10-3 (W) - Theo công thức thực nghiệm: Rtx = Trong đó: - Ktx = 0,06 . 10-3, chọn theo bảng giữa bạc - bạc trang 59 tài liệu 1. - m = 0,5: hệ số dạng bề mặt là tiếp xúc điểm. - Ftđ = 0,35 (N) Suy ra: Rtx = = 0,32 . 10-3 (W) * So sánh giữa hai kết quả lý thuyết và thực nghiệm ta lấy giá trị. Rtx = 0,76 . 10-3 (W) 4. Tính điện áp rơi trên điện trở tiếp xúc của tiếp điểm. Theo công thức (2 - 27)/62 tài liệu 1 Utx = I . Rtx (V) = 5 . 0,76 . 10-3 = 3,8 .10-3 V * So sánh với tiêu chuẩn: [Utx] = 2 á 30mV; Ta thấy Utx tính được đã thoả mãn yêu cầu cho phép 5. Tính nhiệt độ tiếp điểm. Dựa vào sự cân bằng nhiệt trong quá trình phát nóng thanh dẫn, ta tính nhiệt độ tiếp điểm theo công thức (2 - 11)/ 52 tài liệu 1 qtđ = qmt + Với: Stđ = = 7,07 mm2 ptđ = p. dtđ = 3,14 . 3 = 9,42 mm KT = 9. 10-6 (W/mm2 0C): hệ số toả nhiệt khống chế l = 0,416 (W/mm0C) Rtx = 0,76 . 10-3 (W) Suy ra: qtđ = 40 + = 410C Theo công thức ( 2 -12)/ 52 tài liệu 1 qtx = qtđ + = 620C * Như vậy: qtx < [q]cp = 950C là nhiệt độ cho phép đối với thanh dẫn cũng như tiếp điểm. 6. Tính dòng điện hàn dính. - Theo công thức lý thuyết ( 2 - 23) / 66 tài liệu 1 ta có: Ihdbđ = A . Trong đó: fnc = 2 á 4: Hệ số đặc trưng cho sự tăng diện tích tiếp xúc trong quá trình phát nóng: chọn fnc = 2 A: là hằng số với từng loại vật liệu tiếp điểm, được tính theo công thức ( 2 - 43) trang 66 tài liệu 1. A = Với = 0,0147 .10-3 ( Wmm) qnc = 9610C Suy ra: A = = 1720 Suy ra: Ihđ = 1720 . = 455,1 (A) So với yêu cầu kỹ thuật . Inm = 10. Iđm = 10. 5 =50 (A) * Như vậy không thể hàn dính được tiếp điểm khi ngắn mạch. - Tính theo công thức thực nghiệm. ( 2 - 36)/67 tài liệu 1 Ihdbđ = Khđ . (A) Trong đó: Ftđ = 0,035 kg Khđ = 300 (A/kg): hệ số hàn dính xác định theo bảng (2-19)/67 tài liệu 1. Suy ra: Ihdbđ = 900 . = 168,4 (A) * Như vậy với dòng điện ngắn mạch Inm =50A không thể hàn dính tiếp điểm. 7. Tính độ mở và độ lún của tiếp điểm a. Độ mở. Độ mở m của tiếp điểm là 1 khoảng cách giữa tiếp điểm động và tiếp điểm tĩnh ở vị trí ngắt của rơ le. Phải chọn độ mở cần thiết để đảm bảo dập tắt hồ quang nhưng kích thước và khối lượng của cơ cấu truyền động đạt được tiêu chuẩn tối ưu Theo kinh nghiệm: Với dòng điện: Iđm = 5 (A) Điện áp: Uđm = 220 (V) Ta chọn độ mở m = 4 (mm) b. Độ lún. Độ lún l của tiếp điểm là quãng được đi được thêm của tiếp điểm động nếu không có tiếp điểm tĩnh cản lại. Cần thiết phải có độ lún của tiếp điểm để có lực ép tiếp điểm mà trong quá trình làm việc tiếp điểm bị ăn mòn, nhưng vẫn đảm bảo tiếp xúc tốt. Độ lún l được tính theo công thức: l = A + B . Iđm Ta chọn theo kinh nghiệm: A = 1,5 (mm) B = 0,02 (mm) đ l = 1,5 + 0,02 . 5 = 1,6 ( mm) 8. Tính độ rung tiếp điểm. + Ta tính biên độ rung theo công thức (2 - 39)/72 tài liệu 1. Với tiếp điểm là hình trụ cầu. Xm1 = Trong đó: - Ftđ đ = ( 0,4 á 0,7) Ftđc = 0,6 . 0,035 = 0,021 kg Là lực ép tiếp điểm ban đầu tại thời điểm va đập. - mđ = (KG.S2/m): khối lượng nắp - Gđ = mc . Iđm ( KG) Theo bảng (2 - 17)/55 tài liệu 1 ta có: Mc = 7.10-3 (KG/A): khối lượng đơn vị đ Gđ = 7 . 10-3 . 5 = 35.10-3 KG Vậy: mđ = (KG.S2/m) - Vđo : Vận tốc tại thời điểm va đập Chọn Vđo = 0,1 (m/s) - KV = 0,85 á 0,9 Chọn KV = 0,85: hệ số va đập phụ thuộc vào tính đàn hồi của vật liệu Suy ra: Xm1 = = 0,1275 (mm) Vì số tiếp điểm thường mở cửa rơle là 5 nên ta có độ rung tổng: Xmồ = = 0,0255 (mm) + Thời gian rung của tiếp điểm theo công thức (2-40)/72 tài liệu 1 tm = = = 2,63 (ms) Thời gian cả 5 cặp tiếp điểm rung, sơ bộ được xác định theo công thức (2 - 47)/74 tài liệu 1. tmồ = ( 1,5 á 1,8) . 2 tm = 1,5 . 2 . 2,63 = 7,9 (ms) 9. Tính toán sự ăn mòn của tiếp điểm. Sự ăn mòn của tiếp điểm xảy ra trong quá trình đóng ngắt mạch điện và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. + Điều kiện làm việc + Kết cấu của khí cụ điện Theo công thức (2 - 54)/79 tài liệu 1 Trong đó: - Kđ, Kng: Hệ số mòn khi đóng và khi ngắt cho trong hình (2 - 16)/79 tài liệu 1. Kđ = Kng = 0,5 (g/A2) Kkđ = 1,1: hệ số không đồng đều đánh giá độ mòn. Iđ = . Iđm = 5 (A) Ing =5Iđm =25 (A) g, gng: khối lượng tiếp điểm bị ăn mòn trong khi đóng và ngắt. Suy ra: gđ + gng = 10-9 ( 0,5 . 252 + 0,5 . 52). 1,1 = 357,5 . 10-9 (g) Như vậy khối lượng mòn của một lần đóng ngắt là: 357,5 . 10-9 (g) Vậy sau106 lần đóng ngắt thì tiếp điểm mòn: 357,5 . 10-9 .106 = 357,5 . 10-3 (g) + Thể tích của tiếp điểm: Vtđ = Stđ . h = = = 8,478 mm3 + Thể tích bị mòn của tiếp điểm: Vmòn = = 3,405 (dm3) = 3,405 (mm3) Với: g = 10,5 kg/dm3: trọng lượng riêng của bạc kéo nguội Mhm = 357,5 . 10-3 (g): khối lượng hao mòn của tiếp điểm. - Độ hao mòn của tiếp điểm được tính theo % = 40,2% Phần III: Tính toán và dựng đường đặc tính cơ Khi nghiên cứu chuyển động của các cơ cấu khí cụ điện, cần phải khảo sát hai quá trình khác biệt nhau là quá trình đóng và quá trình cắt của chúng. Trong quá trình đóng khí cụ điện, lực chuyển động phải thắng được lực cản trở chuyển động, trong đó có cả lực cản có ích (lực ép tiếp điểm ). Yêu cầu cơ bản của cơ cấu khí cụ điện là : + Cơ cấu phải đảm bảo trị số cần thiết của các thông số động lực học của cơ cấu chấp hành ( hành trình, góc quay, độ lún, độ mở) + Lực chuyển động của các cơ cấu đảm bảo việc đóng cắt của cơ cấu chấp hành + Tốc độ của cơ cấu chấp hành cần đảm bảo, khi đóng mạch, tốc độ chuyển động của tiếp điểm phải đủ lớn để giảm nhỏ thời gian cháy hồ quang và tốc độ không lớn tránh va đập, rung động. + Phải đảm bảo thời gian tác động. I. Lập sơ đồ động. Công dụng của sơ đồ động là cho ta biết sơ bộ một cách rõ ràng và chính xác về sự truyền và biến đổi chuyển động của các khâu trong cơ cấu, của các vị trí đặc trưng nhất của chu trình chuyển động. Đó là hai vị trí đóng và vị trí ngắt. Các số liệu đặc trưng của sơ đồ động : + Độ lớn hành trình hoặc góc quay của các khâu chủ động và bị động. + Chiều dài các tay đòn, tỉ số truyền. + Đặt và định hướng các véctơ lực hay mômen lực. Ta phân tích lực của sơ đồ động ở hai trạng thái : d = 0 và d ạ 0 hay d = m+1 Khi khe hở d = 0, trạng thái nam châm hút nắp Sơ đồ động cho ta biết sự truyền động và biến đổi khớp, các khâu cơ cấu. Ftđc + F lxnc F đt + G đ l đt llx Hình 7 Với : Flxnhc : Lực ép lò xo nhả cuối. Ftđc : Lực tiếp điểm cuối thường mở. Fđt : Lực điện từ . Gđ : Trọng lượng nắp. - Khi khe hở không khí d ạ 0 (d = m+1) Hình 8 II. Tính toán lò xo và trọng lượng phần động. 1. Tính trọng lượng phần động. Theo phần II. III.8 ta có: Gđ = mc . Iđm = 7. 10-3. 5 = 35. 10-3 KG. = 0,35 N. 2. Lò xo tiếp điểm : a. Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động của rơle nên ta chọn vật liệu làm lò xo là đồng phốt pho, lò xo có dạng tấm phẳng. Loại lò xo này có điện trở suất nhỏ, dẫn điện và tản nhiệt tốt, độ bền cơ cao và dễ gia công. Các thông số kỹ thuật của đồng phốt pho: K‏‎ý hiệu: Độ bền giới hạn khi kéo: sk = 550N/mm2. Giới hạn đàn hồi: sd = 320 N/mm2. Giới hạn mỏi cho phép khi uốn: su = 186 N/mm2. Modul đàn hồi: E = 100. 103N/mm2. Modul trượt: Et = 42 . 103 N/mm2. Điện trở suất: r20 = 0,0177 . 10-6 Wm. b. Tính toán. - Với rơle này có 5 lò xo tiếp điểm thường đóng và 5 lò xo tiếp điểm thường mở (Tiếp điểm kiểu bắc cầu). + Lực ép tiếp điểm cuối của lò xo (sau khi nắp bị hút). Ftđc = 5.2Ftđ1 =10. 0,35 = 3,5N Với Ftđ1 = 0,35 N; đã tính. + Lực ép tiếp điểm ban đầu của lò xo : Ftđđ = 0; do lò xo tiếp điểm ban đầu không bị uốn cong bởi một lực ép khác. Xác định kích thước của lò xo. Lò xo tiếp điểm cũng chính là thanh dẫn động, tiếp điểm kiểu bắc cầu. b ltđ a Hình 9 Chiều dài của lò xo từ chỗ lắp chặt được tính theo công thức (4-20) trang 168, TL1 : = 71mm. Vậy chiều dài mỗi bên của lò xo là: l = = 35,5 mm. Độ võng của lò xo được xác định theo công thức (4-21)/169 tài liệu 1. = 1,63 (mm). Vậy f ³ l1 = 1,6 là độ lún tiếp điểm nên chiều dài lò xo l = 35,5 (mm) là thích hợp. + Độ cứng của lò xo là lực do lò xo gây ra ở độ võng khoảng 1mm. j = = 0,215 (N/mm). * Tính toán kiểm tra lại: Theo công thức (4-25)/169 tài liệu 1. su = Với: M = = 0,133 mm3. là mô men chống uốn. So sánh giữa su tính toán và [su]cp cho phép ta thấy. su < [su]cp = 186 N/mm2. Vậy lò xo tiếp điểm đã thiết kế làm việc bình thường. 3. Tính lò xo nhả : a. Chọn vật liệu : Ta chọn vật liệu làm lò xo nhả là thép Cácbon có độ bền cơ cao. Lò xo kiểu hình xoắn trụ, chịu nén tốt, có các thông số sau: Ký hiệu : I(B) Độ bền kéo giới hạn sk = 2650(N/mm2) . Giới hạn mỏi cho phép khi uốn. su = 930 N/mm2. Giới hạn mỏi cho phép khi xoắn sx = 580 N/mm2. Modul đàn hồi E = 200. 103N/mm2. Mudul trượt: Et = 80. 103 N/mm2. Điện trở suất r = (0,19 á 0,22) . 10-6 Wm. b. Tính toán Theo kết cấu của rơle ta tính lực lò xo nhả theo công thức: + Fnhđ = Kdt (Ftđc + Gđ + Fms). Với Kđt = 1,2: hệ số dự trữ. Ftđc = 3,5N. Gđ = 0,35 N. Fms = 0. Suy ra: Fnhđ = 1,2 (3,5 + 0,35) = 4,62 (N). + Theo kinh nghiệm: Fnhc = (11,5 á 2) Fnhđ. = 1,5 . 4,62 = 6,93 (N). - Đường kính d của dây thép quấn lò xo theo công thức (4-31)/173 tài liệu 1. Trong đó : K = 1,14 : hệ số xét tới độ cong của lò xo. C : Chỉ số của lò xo. c = (4 á 10). Chọn ị Suy ra: D = C.d = 10 . 0,6 = 6 mm. + Số vòng dây của lò xo được xác định theo công thức (4-32) trang 173, tài liệu 1. Trong đó : G = 80.103 N/mm2 : Môđun trượt. f' = m + l1 = 4 + 1,6 = 5,6 mm : Khoảng lún của lò xo. d = 0,6 mm C = 10. Suy ra: = 5 vòng. Số vòng toàn bộ của lò xo : W0 = W + 1 = 6 vòng. + Bước chịu nén của lò xo. Theo (4-33) trang 173, tài liệu 1 : - Chiều dài tự do của lò xo. Theo (4-34) tài liệu 1. l0 = W0. tn + 1,5d = 6 . 1,53 + 1,5 . 0,6 = 10,08 (mm). + Chuyển vị lớn nhất của lò xo kể từ khi chưa chịu tải tới khi chịu tải lớn nhất : Theo (19-3) tài liệu 2 + Bước lò xo khi chưa chịu tải theo công thức : Theo công thức (19-12) tài liệu 3 (Chi tiết máy). + Độ cứng của lò xo j là lực do lò xo sinh ra khi bị kéo hoặc nén 1 khoảng 1mm : = 1 N/mm. * Tính toán kiểm tra lại : Tính trị số ứng suất xoắn của lò xo khi có lực theo công thức ( 4-28) tài liệu 1. Ta xét thấy sx < [sx]cp = 580 N/mm2. Vậy lò xo có thể làm việc tốt. III. Dựng đặc tính cơ : Do rơle này với nam châm điện kiểu hút chập vì thế điểm đặt của lực điện từ khác điểm đặt của các phản lực cho nên ta phải qui đổi các phản lực về điểm đặt của Fđt. Theo công thức (4-1)/148 tài liệu 1. Fqđ = F . Kqđ. Trong đó: Kqđ = Theo kết cấu ta chọn thì llx = lđt. ị Kqđ = 1 ị Fqđ = F. Vậy ta có các bước qui đổi: + Lực ép tiếp điểm: Ftđc = 3,5 (N) Ftđđ = 0 + Lực lò xo nhả. Fnhđ = 4,62 (N) Fnhc = 6,93 (N). + Trọng lượng phần động: Gđ = 0,35 (N) + Khe hở không khí làm việc của nam châm điện dmax = l1 + m = 1,6 + 4 = 5,6 (mm). Phần IV: Tính toán nam châm điện xoay chiều I. Khái niệm chung. Nam châm điện sử dụng đặc biệt chủ yếu trong cơ cấu điện từ, là bộ phận sinh ra lực để thực hiện các chuyển dịch tịnh tiến, chuyển động quay hữu hạn của cơ cấu chấp hành, hoặc sinh ra các lực hãmCác quá trình xảy ra trong nam châm điện rất phức tạp. Vì vậy cho tới nay việc tính toán nam châm điện thường được dựa theo các công thức đơn giản , gần đúng rồi kiểm nghiệm lại theo các công thức lý thuyết dẫn tới bài toán tối ưu. Hiện nay với việc phát triển công nghệ máy tính, người ta đã lập được các phương trình tính nam châm điện bằng phương pháp phân tử hữu hạn nhanh. Trong rơle, nam châm điện là bộ phận chủ yếu là cơ quan sinh lực để thực hiện chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành là hệ thống tiếp điểm. - Nguyên lý hoạt động của nam châm điện: khi có dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra lực điện từ Fđt hút nắp (phần ứng) về phía thân mạch từ, khi ngắt dòng điện thì lực điện từ sẽ không còn, đồng thời nắp sẽ tách ra khỏi thân nhờ lực lò xo nhả Fnhả sinh ra. Đặc điểm của nam châm điện. - Nam châm điện kiểu kín, chịu rung và va đập - Làm việc ở chế độ dài hạn và ngắn hạn - Đặc tính phản lực cơ đã biết ở phần III - Nguồn điện áp xoay chiều: Uđm = 220V Có công suất: S = const. Nhiệt độ đối với rơle: qmt = 400C II. Tính chọn sơ bộ nam châm điện. hc hn a1 a2 C B H 1. Chọn dạng kết cấu. Hình 12 Nam châm điện có rất nhiều dạng kết cấu khác nhau về mạch từ và cuộn dây, sự khác nhau về dạng kết cấu dẫn đến sự khác nhau về đặc tính lực hút điện từ Fđt và công nghệ chế tạo. Cuộn dây đặt trên mạch từ. Vòng ngắn mạch đặt phía cực từ có cuộn dây. Nếu căn cứ vào hệ số kết cấu để chọn dạng kết cấu tối ưu, theo công thức (5 - 2) tài liệu 1. Kkc = (N0,5/m) Trong đó: Fđt: lực hút điện từ d: Khe hở không khí tại điểm tới hạn. * Xét trên đường đặc tính phản lực ta xác định ở phần III thấy rằng. Rơle làm việc khi: - Khi hút: Fđt > Fcơ - Khi nhả: Fđt < Fcơ Ta có lực điện từ tại điểm tới hạn. Fđtth = Kdt . Fcơ th Với: Fdt = 1,2: hệ số dự trữ Fcơ th = 5,62 (N) Suy ra: Fđtth = 1,2 . 5,62 = 6,744 (N) dth = 4.10-3m Suy ra: Kkc = = 918 (N0,5/m) * Với giá trị tìm được của Kkc, ta tham khảo bảng (5 - 2) tài liệu 1 ta thấy: Kkc ẻ (630 á 63000) (N0,5/m) Vậy dạng kết cấu của nam chân điện chọn là thích hợp. 2. Chọn vật liệu của nam châm điện. Mạch từ của nam châm điện xoay chiều được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện silic cho trong bảng (5 - 2)/ 193 tài liệu 1, có các thông số kỹ thuật sau: Kí hiệu : ' 31 Độ dày lá thép : D = 0,5 mm Lực từ phản kháng : HC = 0,32 á 0,4A/cm Từ cảm bão hoà : Bd = 2T Độ từ thẩm : m = 250 Độ từ cảm cực đại : mmax = (6 á 7) . 1000 Từ cảm lõi thép : Bmax = 10,8 á 1,2) T Khối lượng riêng : g = 7,65/cm3 Điện trở suất : r = (140 á 60).10-8 ( Wm) 3. Chọn cường độ từ cảm và hệ số từ rò, hệ số từ tản tại khe hở dth = 4mm a. Chọn độ từ cảm. Bmax = (0,8 á 1,2) T; chọn Bmax = 1,03T Bdth = (0,4 á 0,6)T; Chọn Bdth = 0,45T b. Hệ số từ rò: ở trạng thái phản ứng hở, hệ số từ rò srò phụ thuộc rất lớn vào khe hở không khí làm việc sr = 1,1 á 1,8; chọn sr = 1,4 c. Chọn hệ số từ tản. Dựa trên kết cấu của nam chân điện, hệ số từ tản trong khoảng: st = (1 á 1,8); chọn st = 1,3 4. Xác định kích thước chủ yếu và các thông số của nam chân điện. a. Xác định tiết diện lõi thép. Nam châm điện hình chữ U nên S1 = S1= S: là tiết diện lõi thép Lực từ chỉ tác động phía bên cực từ dây quấn do đó: Fđtth = Fđt = 6,744 (N) Theo công thức (5 - 8)/204 tài liệu 1 S = = 167,4 mm2 Gọi kích thước các cạnh của lõi thép là a và b Với mạch từ ép từ các lá thép kỹ thuật điện ta có quan hệ tối ưu của các cạnh của tiết diện hình chữ nhật: = 1 Suy ra: S = a.b = a2 Vậy: s = = 13mm Vì trong quá trình lắp ráp các lá thép có độ dày D = 0,5 mm do đó ta phải kể đến hệ số ép chặt là: Kc = 0,93; nên bề dày của lõi b' = = 14 mm * Nhưng do ở đầu cực từ có đặt vòng ngắn mạch cho nên: a' = a + D' vòng (với D' vòng = 2mm) = 13 + 2 = 15 mm Vậy tiết diện thực của trụ lõi có đặt cuộn dây: S2 = a'. b' = 14 . 15 = 210 mm2 b. Xác định kích thước của cuộn dây. Sức từ động tác động (IW) tác động gồm các sức từ động khi nấp hút vò, khi nắp nhả. (IW)tđ = (IW)h + (IW) nh + Tính (IW) h theo công thức (5 - 20)/210 tài liệu 1. (IW)h = Trong đó: m0 = 1,256 . 10-6H/m: hệ số từ thẩm của không khí Bdth = 0,45T sr = 1,4 ồdh = 2dcn + dcd + dgđ Với: dcn = 0,05 m: khe hở do công nghệ dcd = 0,15m: khe hở chống dính dgđ = 0,05m: Khe hở giả định Vậy: ồdh = 2 . 0,05 + 0,15 + 0,05 = 0,3mm Suy ra: (IW)h = = 150 A vòng + Tính (IW)nh theo công thức (5 - 19)/209 tài liệu 1. (IW)nh = Với: ồdnh = dth + dph = 4 + 0,1 = 4,1 mm Suy ra: (IW)nh = A Vậy (IW)tđ = 150 + 1469A = 1619 A vòng * Kiểm tra lại bội số dòng điện. Ki = = 9,8 Vậy Ki đã nằm trong phạm vi cho phép lò: Ki ẻ (4 á 12) - Xác định kích thước của cuộn dây nam châm điện. + Tiết diện cây của nam châm điện được xác định theo công thức (5 - 14) 21 tài liệu 1. Scd = Trong đó: Kumax = 1,1 : hệ số tầng áp Kumin = 0,85: hệ số tụt áp Kqđ = 1 : hệ số quá tải của dòng dài hạn. Klđ = (0,3 á 0,7); chọn Klđ = 0,4 J = (1,5 á 4) a/mm2; chọn J = 2,5 A/mm2 Suy ra: Scd = = 194 mm2 Từ Scd ta xác định được chiều cao cuộn dây và bề dày trên cơ sở thực nghiệm của NCĐ xoay chiều chọn sơ bộ tỷ số. = 2 á 4 ; chọn = 2 đ hcd = 2 . lcd Scd = lcd . hcd = 2 . Suy ra: lcd = = 9,8 mm đ hcd = 2 . 9,8 = 19,6mm - Xác định kích thước của nam châm điện. hc D2 a2 C B H D1 D3 D4 D5 hcd lf lcd a1 Hình 13 Trong đó: D1 = ( 1 á 2/ mm); chọn: D1 = 1,5mm D2 = ( 0,5 á1/ mm); chọn: D2 = 0,5mm D3 = (0,5 á 1/ mm); chọn: D3 = 0,5mm D4 = (5 á 10 mm); chọn: D4 = 5,7mm D5 = 0,5 (mm) lf = 4,4 (mm) + Bề rộng của cửa sổ mạch từ: C = lcd + D2 + D3 + D4 + D5 = 9,8 + 0,5 + 0,5 + 5,7 + 0,5 = 17mm + Chiều cao của cửa sổ mạch từ: hc = 2 D1 + hcd + lf = 3 + 19,6 +4,4 = 27 (mm) + Chiều rộng của nam châm điện. B = a1 + a2 + C = 13 + 15 + 17 = 45 (mm) + Tiết diện nắp nam châm điện. - Bề dày của nắp lấy bằng bề dảy cực từ: bn = b = 14 (mm) - Chiều cao của nắp lấy bé hơn bề rộng cực từ: hn = 12(mm) + Tiết diện đáy của nam châm điện Sđáy = S1 = 13 . 14 = 182 (mm2) + Chiều cao của NCĐ. H = a1 + hc + hn = 13 + 27 + 12 = 52 (mm) 5. Tính toán kiểm nghiệm nam châm điện. a. Sơ đồ đẳng trị với d ạ 0 Khi nắp mở, có thể bỏ qua từ trở và từ kháng của mạch từ nhưng phải xét đến từ thông rò cho nên mạch từ có sơ đồ đẳng trị sau: IW Gr Gt Gd fd ft fr f0 IW Gr Gd fd fr f0 IW Gồ f0 Hình 14 Khi có dòng điện chạy trong cuộn dây của NCĐ thì sẽ có các loại từ thông chạy trong mạch từ như sau: + fd: là từ thông chính qua khe hở không khí làm việc tạo ra lực hút điện từ Fđt tác động lên nắp. + ft: là từ thông tản, đi bao quanh bề ngoài từ thông chính fd + fr: Là từ thông rò không đi qua khe hở d mà chỉ khép kín trong không gian giữa lõi và thân mạch từ. b. Tính từ dẫn rò: Gr NCĐ có dạng hình chữ U nên từ dẫn rò được biểu diễn theo điểm 5 bảng ( 5 - 6) tài liệu 1: a2 c lr G9 a1 G7 G1 Hình 15 Trong đó: G1: từ dẫn rò của hình trụ chữ nhật G7: từ dẫn rò của 1/2 hình trụ đặc G9: từ dẫn rò của 1/2 hình trụ rỗng Suy ra: Gtr = G1 + 2 G7 + G9 Với: G1 = m0 . = 28 10-9 (H) G7 = m0 . 0,26lr = 1,256 . 10-6 . 0,26 . 27 . 10-3 = 8,8 . 10-9 (H) G9 = m0. = 10,2 . 10-9 (H) Với lr = hoặc = 27 (mm) Suy ra: Gr = 28 . 10-9 + 2 ( 8,8 + 10,2) . 10-9 = 66 . 10-9 (H) - Xác định suất từ dẫn rò : g Suất từ dẫn rò trên 1 đơn vị chiều dài theo bảng ( 5 - 6) tài liệu 1 g = = 2,4. 10-6 (H/m) - Từ dẫn rò qui đổi trong mạch từ xoay chiều. Gtqđ = g. = 22. 10-9 (H) c. Xác định từ dẫn của khe hở không khí Gd R0 a D' b Hình 16 Theo bảng (5 - 5)/226 quyển, ta chọn phương pháp để tính từ dẫn bằng công thức thực nghiệm. Gd = m0 [. X2 + 0,58 (a+ b)] Với: x2 = r2 = R0 = B = = 45 - = 37,5 (mm) D' = 0,3 (mm); là khe hở khi nắp từ ở trạng thái hút. + d1 = 0,3 (mm) đ r21 = = 2,5 đ x21 = = 1,06 đ Gd1 = 1,256 . 10-6 = 953 . 10-9 (H) + d3 = 1,6 (mm) đ r23 = = 4,15 x23 = = 1,01 đ Gd3 = 1,256.10-6 = 189,3 . 10-9 H + d5 = 4 (mm) đ r25 = = 4,65 đ x25 = = 1,015 đ Gd5 = 1,256 . 10-6 = 88 . 10-9 (H) + d6 = 5 (mm) đ r26 = = 4,74 x26 = = 1,015 đ Gd6 = 1,256 . 10-6 = 66,1 . 10-9 (H) + d7 = 5,6 (mm) đ r27 = = 4,76 x27 = = 1,015 đ Gd7 = 1,256.10-6 = 68,9 Công thức tính sr: sr = 1 + Như vậy ta có bảng tính Gd theo d d . 10-3m 0,3 1,6 3 4 5,6 Gd . 10-9H 953 189,2 110,5 88,1 68,9 3106,5 105,1 29,6 16,8 8,6 sr 1,023 1,116 1,199 1,249 1,319 d. Xác định từ thông và từ cảm. Theo công thức ( 5 - 20)/263 tài liệu 1. Fhtb = K . Trong đó: K = 0,25: hệ số xét tới thử nguyên của Fhtb fdth : từ thông tại khe hở tới hạn Fhtb = 6,744 (N) Gd = 88,1.10-9(H) 1/3 là thừa số đánh giá ảnh hưởng của Gtqđ theo từ thông trung bình. = 0; vì Gr = cost suy ra: fdth = = = 1,328 . 10-4 (Wb) - Từ thông trung bình: ftb ftb = srth . fdth = 1,328 . 1,249 . 10-4 = 1,66 . 10-4 (Wb) Độ từ cảm tại điểm tới hạn: Bdth = = 0,6T - Độ từ cảm trung bình: Bdth = = 0,8T g. Xác định thông số cuộn dây nam châm điện. - Số vòng dây được xác định theo công thức. W = = 4566 Vòng Với: Kỉr = 0,9 : hệ số tính đến sự tổn thất điện áp trên dây quấn. - f = 50Hz - Kumin = 0,85 - Tiết diện dây quấn. q = Klđ . = 0,016 (mm2) - Đường kính dây quấn không kể cách điện: d = = 0,14 mm Với đường kính d = 0,14 mm. Dựa vào bảng ( 5 - 8)/ 276 tài liệu 1 ta chọn loại dây quấn đồng p 'B1 với đường kính có cách điện: d' = 0,165 (mm) Với loại dây quấn này, hệ số lấp đầy thực của cuộn dây là: Klđ = = 0,5 6. Xác định từ thông ở khe hở làm việc khi có vòng ngắn mạch : (ở trạng thái phần ứng hút) Theo công thức (5 - 51)/ 264 tài liệu 1 fdt = = 1,757 . 10-4 (Wb) 7. Tính toán vòng ngắn mạch. Nam châm điện xoay chiều, điện áp đặt vào hình sin theo thời gian với tần số f = 50Hz, từ thông sinh ra cùng biến thiên hình sin theo thời gian và với tần số tương ứng. Do vậy lực điện tử sinh ra cũng biến thiên theo thời gian dạng hình sin. Theo công thức của Macxell về lực điện từ có dạng. Fđt = Hay: Fđt - F0 - F0 cos 2 wt Trong đó: - F0 = (N) fm: biên độ từ thông trong lõi thép cực từ m0 = 1,256 . 10-6 H/m S là tiết diện lõi thép * Như vậy lực điện từ gồm hai thành phần - Thành phần thay đổi theo thời gian Fbđ = F0 . cos 2 wt - Thành phần không đổi Flxđ = F0 Ta có thể biểu diễn lực điện từ. t 0 F0 F Fđt = f(wt) p/2 p 3p/2 2p Fbđ Hình 17 Lực điện từ sẽ biểu diễn theo thời gian và tần số gấp đôi tần số nguồn f1 = 2.50Hz = 100Hz, nghĩa là trong một chu kỳ lực điện từ có 2 lần quá trị số 0 và 2 lần qua trị số max, tương ứng với nó là trong một giây phần ứng sẽ bị hút 100 lần và nhả 100 lần. Vì thế gây ra hiện tượng rung và ồn. Để khắc phục hiện tượng này người ta đặt vòng rung ôm lấy một phần cực từ. Khi có vòng chống rung, từ thông f0 đi qua cực từ thì bị phân chia thành 2 phần: + Một phần đi xuyên qua vòng chống rung là ft + Một phần đi ở phía ngoài vòng chống rung là fn f0 St Sn fn ft Hình 18 Do từ kháng của vòng chống rung nên fn và ft sẽ lệch pha nhau một góc a và hai lựctương ứng do chúng sinh ra sẽ lệch pha nhau một góc là 2 a. Tổng lực điện từ ở cực từ có vòng chống rung là: Fr = Fn + Ft = (Fon + Fot) - [ Fon cos 2cot + Fot cos (2wt - 2 a)] Trong đó: Từ thông fn sinh ra lực: Fn = Fon - Fon cos2wt Tư thông ft sinh ra lực: Ft = Fot - Fot cos2 (wt + a) * Điều kiện chống rung. Thành phần lực không đổi. f0 fn ft X 0 Y a Fkđ = Fon + Fot Hình 19 + Thành phần lực hút biến đổi. Fbđ = = 2Fon = 2Fon cosa + Góc a = lúc đó hệ số rung là: P = = cosa = 0 đ a = Thực tế chỉ có thể tạo được góc a = 500 á 800 thì mạch còn rung không đáng kể. a. Xác định trị số trung bình của lực điện từ ở khe hở khi không có vòng ngắn mạch ở trạng thái hút phần ứng. Theo công thức (5 - 52/ 267 tài liệu 1 Ftbh = hay Ftbh = 19,9 . 104 Trong đó: Stn : tổng diện tích trong và ngoài vòng chống rung. D = S - Snm = S - D. b Stn = 2mm: bền rộng vòng chống rung S = 210 mm2: là diện tích một đáy của cực từ Snm = D. B mm2 là diện tích rãnh đặt vòng ngắn mạch. Suy ra: Stn = 210 - 2 .14 = 182 mm2 fdth (Wb): là từ thông trung bình ở khe hở làm việc khi phần ứng hút (d= 0,3 m ) fdth = fdh . Gr Với: fdh= = 1,06.10-4 (Wb) Suy ra: fdtb = 1,06.10-4 . 1,023 = 1,08.10-4 (Wb) Vậy: Ftbh = 19,9.104 . = 13 (N) b. Tỷ số giữa lực điện từ bé nhất và giá trị trung bình của lực điện từ khi không có vòng chống rung. Theo công thức ( 5 - 33)/267 tài liệu 1. f1 = = 0,52 c. Tỷ số giữa diện tích cực từ ngoài và trong vòng ngắn mạch. j = = 0,7 Suy ra: Sn = 0,7. St đ St = = 107 mm Sn = Stn - St = 182 - 107 = 75 mm d. Điện trở vòng ngắn mạch. Theo công thức ( 5 - 54)/267 tài liệu 1 Rnm = = 0,76.10-4 (W) e. Góc lệch pha a giữa từ thông trong và ngoài vòng ngắn mạch. Theo công thức (5 - 55)/ 268 tài liệu 1 Khi số vòng ngắn mạch thường là: Wnm = 1 vòng đ tga = = Suy ra: tga = = 2 đ a =63,430. đ cosa = 0,447 g. Từ thông trong và ngoài vòng chống rung Theo công thức ( 5 - 56)/268 tài liệu 1 ft = Với fdh = 1,06.10-4 (Wb) C' = = 1,57 Suy ra: ft = = 0,48 . 10-4 (Wb) Suy ra: fn = C' . ft = 1,57 . 0,48 . 10-4 = 0,75 . 10-4 (Wb) h. Từ cảm khe hở vùng ngoài vòng chống rung. Bn = = 1 T Như vậy từ cảm khe hở của vùng ngoài vòng ngắn mạch thoả mãn điều kiện. Bn < 1,6 T k. Xác định các lực điện từ. - Lực