mạch ổn áp xoay chiều

SURVOLTEUR TỰ ĐỘNG CHUYỂN NẤC Bộ ổn áp xoay chiều này chưa phải hòan tòan là một ổn áp mà có thể xem nó như là một bộ biến điện survolteur dùng relay để tự động thay đổi các nấc chỉnh d

http://www.ebook.edu.vn 15

Trong công nghiệp và dân dụng đôi khi có một số thiết bị cần thiết phải làm việc với nguồn điện ổn định để bảo đảm độ chính xác cao mà trên lưới luôn có các tải có công suất lớn đóng mở thường xuyên như máy hàn điện ,v.V nên nguồn điện luôn phải bị thay đổi điện

áp liên tục Để khắc phục tình trạng này người ta chế tạo ra các máy ổn áp tự động để cung cấp điện áp cho tải luôn là hằng số

Các dạng ổn áp nguồn xoay chiều để ổn định điện áp là :

Máy ổn áp bảo hòa từ (lọai ổn áp Liên xô hay gọi là ổn áp tổ ong trên thị trường )

* Survolteur tự động chuyển nấc

* Máy ổn áp dùng động cơ DC servo

* Trong chương này chúng ta chỉ xét các máy ổn áp có sử dụng các linh kiện điện tử còn các máy ổn áp không sử dụng linh kiện điện tử chúng ta không xét

§.2.1 SURVOLTEUR TỰ ĐỘNG CHUYỂN NẤC

Bộ ổn áp xoay chiều này chưa phải hòan tòan là một ổn áp mà có thể xem nó như là một bộ biến điện (survolteur) dùng relay để tự động thay đổi các nấc chỉnh (duy trì điện áp ngõ ra đúng định mức)

Với bộ Survolteur tự động chuyển nấc ta có thể có được 8 nấc chỉnh với 3 relay họat động giao hóan (thực hiện việc chuyển nấc)

2.1.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG LỰC

Trong sơ đồ ,các tiếp điểm thường đóng và thường mở thuộc về 3 relay giao hóan K1 ,K2 và

K3 Biến áp động lực chính có 6 đầu dây ra và quấn theo dạng biến áp tự ngẫu

Ở trong phần này chỉ giới thiệu trình bày cụ thể mức điện áp giữa các đầu cho dạng ngõ ra 220V và ngõ vào có mức điện áp thay đổi từ 160V ( 240V

Ngõ vào 160V ( 240V

Ngõ ra 220V + 5%

K 1

K 2

K 3

1 2 3

4

5 6

Sô đồ mạch động lực của Survolteur

*) Cách phân bố điện áp giữa 6 đầu ra của biến áp dùng làm Survolteur tự động chuyển nấc

*) Lưu ý : Nếu đặc trưng trạng thái động cho relay bằng giá trị 1 và trạng thái nghỉ cho relay bằng giá trị 0 ,mà mỗi relay cĩ 2 trạng thái Như vậy 3 relay họat động giao hĩan cho

ta : 2n = 23 = 8 trạng thái

*) Ứng với mỗi trạng thái họat động của relay ,điện áp ngõ vào và ngõ ra được đưa vào và lấy ra ở các ngõ ra khác nhau trên 6 đầu của biến áp

2.1.2 BẢNG TRẠNG THÁI HỌAT ĐỘNG CỦA RELAY

Đây là bảng vị trí và các mức điện áp ngõ vào và ngõ ra của Survolteur tự động khi các relay chuyển trạng thái

Bảng giá trị định ngõ vào và ngõ ra mức điện áp

Nhận xét : Ta dựa vào bảng trạng thái rút ra vài nhận xét sau về đặc điểm của bộ Survolteur tự động chuyển nấc :

Mỗi khỏang điện áp vào thay đổi 10V thì thiết bị chuyển đổi 1 cấp Trong 4 khỏang trạng thái đầu (từ 1 đến 4),ngõ vào cố định tại 1 ÷ 3 và ngõ ra thay đổi ở 4 vị trí khác nhau

để giữ cho mức điện áp ngõ ra luơn bằng 220V ±5%

Lúc đĩ ,tại ngõ vào điện áp thay đổi từ 160V ( 200V và bộ dây 1 ÷ 3 cĩ giá trị điện

áp định mức là 200V Do vậy bộ dây luơn vận hành ở chế độ đúng bằng điện áp định mức hay thấp hơn định mức Hiện tượng này xảy ra tương tự khi ta cĩ 4 trạng thái họat động từ (5÷8)

Trạng

thái K3 K2 K1 Ngõ vào Ngõ ra U(V) vào biến áp Tỉ số

Ura/Uvào

Ura (V) Phần trăm

chênh lệch điện áp ngõ ra

1 0 0 0 1-3 1 – 6 160V→

170V 1,335 214V→

227V -2,9% → +3,2%

2 0 0 1 1 – 3 2 – 6 170V→

180V 1,27 216V→

228V -1,9% → +4%

3 0 1 0 1 – 3 1 – 4 180v→

228V -1,9% → +4%

4 0 1 1 1 – 3 2 – 4 190V→

200V 1,135 216V→

227V -1,9% → +3,6%

5 1 0 0 1 – 5 1 – 6 200V→

210V 1,077 215V→

226V -2% → +3%

1 2

3

4

5

6 19V 8V 48V

187VV

27VV

267VV 40VV

200VV

13V

http://www.ebook.edu.vn 17

6 1 1 1 1 – 5 2 – 6 210V→

220V 1,024 215V→

225V -2% → +2,5%

7 1 0 0 1 – 5 1 – 4 220V→

230V 0,968 213V→

223V -3% → +1,2%

8 1 1 1 1 – 5 2 - 4 230V→

240V 0,915 211V→

220V -4% → 0%

Như vậy : Biến áp sẽ họat động với tính năng kém khi điện áp vào ở mức thấp trong mỗi phạm vi họat động ngõ vào Ở 4 trạng thái đầu từ (1 ÷ 4 ) biến áp làm việc theo trạng thái non điện áp nên độ sụt áp trên thứ cấp lớn khi mang tải

Tính chất sụt áp trên thứ cấp sẽ giảm đi khi mức điện áp vào ở trong khỏang từ 180V

÷ 200V

Với 8 trạng thái họat động nêu trên ,dòng điện qua mỗi đọan dây biến áp sẽ khác biệt theo từng trạng thái ,dẫn đến việc chế tạo biến áp phải quấn theo nhiều cỡ dây khác nhau trên mỗi đọan

2.1.3 HỆ THỐNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Muốn thực hiện chế độ vận hành theo bảng trạng thái giá trị điện áp ngõ vào và điện

áp ngõ ra ,các relay phải họat động theo đúng bảng trạng thái Do đó thiết bị luôn phải đi kèm theo là một hệ thống mạch điều khiển so sánh mức điện áp vào để chuyển đổi tác động cho relay

* Sơ đồ khối của mạch so sánh :

- Nguồn điện 1 chiều thường tạo từ biến áp riêng có 2 dây quấn độc lập (không lấy trên biến áp chính ) ,để tránh bớt các ảnh hưởng trên mạch điều khiển khi relay chuyển mạch động lực Mạch ổn áp thường dùng IC ổn áp 3 chân họ 78XX (thường

là 7812 hay 7815)

- Mạch so sánh điện áp ngõ vào đưa về thường dùng vi mạch Op-amp 741 hay 1458 (741 đôi)

Tín hiệu điện áp xoay chiều đưa về có thể chỉnh lưu thành 1 chiều trước khi đưa về

Op – amp để so sánh

- Xét mạch so sánh dùng Op – amp trong bộ ổn áp :

Nguồn DC có

ổn áp Mạch so sánh điện áp

Tầng đệm (driver)

Hệ thống relay giao hóan

Tín hiệu điện

áp ngõ vào

Sơ đồ nguyên lý :

Nguyên lý họat động :

- Op – amp lắp trong mạch này ở trạng thái so sánh với ngõ vào khơng đảo ghim điện

áp chuẩn qua diod zener DZ .Điện trở R6 và biến trở VR ghép song song với diod zener dùng

để thay đổi mức điện áp chuẩn ở ngõ vào khơng đảo

- Tín hiệu xoay chiều đưa về so sánh được chỉnh lưu qua diod D1 và lọc phẳng nhờ tụ

C1 qua các điện trở hạ áp R1 và R2 ,R3 và R4 để đưa vào ngõ đảo của vi mạch 741

- Tại mức điện áp xoay chiều so sánh nào đĩ ,chỉnh biến trở VR để hiệu số điện áp giữa ngõ vào đảo và ngõ vào khơng đảo cĩ mức chênh lệch sao cho điện áp ngõ ra của vi mạch 741 (6) đủ lớn để transistor T1 ngưng dẫn ,dẫn đến khơng cĩ điện áp phân cực cho transistor T2 ,làm T2 ngưng dẫn Relay K khơng cĩ điện áp giữa 2 đầu ,khơng tác động

- Khi điện áp nguồn xoay chiều tăng cao ,làm điện áp ngõ vào đảo của vi mạch 741 tăng Hiệu số điện áp giữa ngõ vào đảo (2) và ngõ vào khơng đảo (3) cĩ mức chênh lệch sao cho điện áp ngõ ra của vi mạch 741 (6) giảm thấp (so với điện áp chuẩn ) ,làm UBE1 tăng dẩn đến transistor T1 dẫn ,UCE1 giảm làm UBE2 tăng ,transistor T2 dẫn cho dịng qua Relay ,relay tác động tiếp điểm

2.1.4 GIẢI THÍCH SỰ HỌAT ĐỘNG GIAO HĨAN CỦA RELAY (K1,K2,K3)

Tín hiệu AC đưa

741

LED

R 1 220K

R 3 4,7K

R 2 10K R 4 4,7K DZ

R 5 2,2K

VR 5K

R 6 1,2K

R 7 1,2K

R 8 1,2K

R 9 1,2K

R 10 1,2K

R 11 1K

R 12 22K

T 2 D460

T 1 B562

1N4001

D 2 RELAY

K

D 1 1N4007

C 1

4,7μF

↑

→

″

↓

±

K 1

K 2

K 3

←

↑

→

↓

°

± (A)

(C)

(B)

U ra =216V

U C =227V

U vào =170V Tác động

Hình (a)

http://www.ebook.edu.vn 19

Tín hiệu xoay chiều đưa về 3 relay (lấy từ C) do K1 ,relay K2 (lấy từ B) ,relay K3 (lấy

từ A)

- Trong trạng thái 1 với mức điện áp vào 160V ( 170V ,mức điện áp xoay chiều tại C cao nhất trong 3 vị trí A ,B ,C Như vậy ,relay K1 phải tác động.Nếu chọn thời điểm

K1 tác động lúc ngõ vào 170V ,mức điện áp xoay chiều tại C cần để K1 thay đổi trạng

thái là UC với :

V 227 V

170 335 , 1 V 170 U

U U

13

16

- Sau khi K1 tác động ,điện áp ngõ ra giảm từ 227V xuống 216V nhưng khi UC > 227V vẫn đưa về mạch điều khiển K1 nên K1 vẫn họat động tiếp tục ,lúc này mạch động lực

ở trạng thái như hình (a)

- Sau đĩ đến cuối trạng thái 2 ,lúc điện áp vào lên đến 180V ,ngõ ra lúc này là 228V ,điện áp UC = 280V nên K1 vẫn duy trì trạng thái họat động Khi điện áp UB = 216V ,nếu ta chỉnh mức điện áp tác động cho K2 là 216V ,lúc đĩ K2 tác động và thay đổi các trạng thái của tiếp điểm

- Khi tiếp điểm thường đĩng K2 mở ra ,relay K1 mất tín hiệu xoay chiều vào mạch điều khiển nên K1 ngưng họat động ,lúc này các trạng thái tiếp điểm trên mạch động lực như hình (b) :

- Sau khi K2 tác động ,K1 ngưng mức điện áp ngõ ra là 216V (từ 228V giảm xuống 216V) ,các mức điện áp so ở C và B là :

UC = UB = 216V Nên K1 khơng thể tác động lại

Khi đến cuối trạng thái 3 ,mức điện áp vào là 190V lúc đĩ ta cĩ điện áp UB và UC là:

V 228 V

190 2 , 1 V 190 U

U U

U

13

14 C

Với giá trị này của UC ,K1 họat động lại ,giảm điện áp ngõ ra 228V xuống 216V

Nhưng UB = UC = 228V nên K1 và K2 cùng duy trì trạng thái họat động

Như hình (c) :

K 1

K 2

K 3

←

↑

→

↓

°

± (A)

(C)

(B)

U ra =216V

U C =216V

U vào =180V

Tác động

Hình (b)

Ngưng tác động

K 1

K 2

K 3

←

↑

→

↓

°

± (A)

(C)

(B)

U ra =216V

U C =228V

U vào =190V

Tác động

Hình (c)

Tác động

Khi đến cuối trạng thái 4 ,mức điện áp vào là 200V ,ta cĩ :

UB = UC > 228V Suy ra UA = Uvào =200V

- Nếu chỉnh mức điện áp xoay chiều phản hồi về mạch điều khiển để K3 tác động là

UA = 200V ,lúc đĩ K3 tác động và khi K3 chuyển mạch ,ngõ ra mất điện áp tức thời nên ở C

và B bị mất điện áp ,relay K1 và K2 ngưng tác động trở về trạng thái ban đầu

Sau khi K3 đã chuyển mạch xong ,ta cĩ trạng thái mạch động lực như hình (d) :

Lúc đĩ ,điện áp phản hồi ở các tiếp điểm C và B về mạch điều khiển K1và K2 là :

V 194 V

6 , 193 V

200 968 , 0 V 200 U

U U

V 215 V

4 , 215 V

200 077 , 1 V 200 U

U U

15

14 B

15

16 C

≈

=

=

=

≈

=

=

=

Vậy ở thời điểm này,các relay K1 và K2 đều ngưng họat động vì điện áp phản hồi cịn thấp hơn ngưỡng điện áp tác động

Hiện tượng tiếp tục từ trạng thái 5 trở đi tương tự giống như mơ tả từ trạng thái 1 đến trạng thái 4

K 1

K 2

K 3

←

↑

→

↓

°

± (A)

(C)

(B)

U ra =216V

U C =216V

U vào =180V

Tác động

Hình (d)

Ngưng tác động Ngưng tác động

http://www.ebook.edu.vn 21

Ngõ vào 160V

K3

Ngõ ra 220V+5%

C1

C2

K2

K1

K3

§.2.2 MẠCH ỔN ÁP DÙNG ĐỘNG CƠ DC SERVO

2.2.1 NGUYÊN TẮC ỔN ÁP

- Trong 1 bộ variac thơng thường , khi cung cấp điện vào trong variac ,ta cĩ thể dùng tay xoay con chạy để di chuyển chổi than lấy điện trên ngõ ra và làm thay đổi điện áp ở ngõ

ra ,tùy theo chiều quay chổi than mà ngõ ra cĩ điện áp tăng hay giảm Tĩm lai: Chổi than di chuyển chiều quay làm thay đổi điện áp ngõ ra

Tương tự như variac thơng thường ,ổn áp thơng thường cĩ dạng hình xuyến nhưng chổi than được di chuyển thay đổi chiều quay nhờ động cơ DC servo

- Điểm khác biệt giữa Variac và ổn áp là:

Chổi than di động được đặt ở ngõ vào và điện áp ngõ ra được ở 2 vị trí cố định Khi điện áp nguồn thay đổi ,con chạy di chuyển làm thay đổi số vịng dây quấn ở ngõ vào (tương ứng với mức vào cao hay thấp) để giữ cho điện áp ngõ ra là khơng đổi

- Động cơ DC servo được điều khiển bằng 1 mạch điện tử so sánh mức điện áp AC ngõ ra để điều khiển đảo chiều quay cho động cơ DC Về mặt cấu tạo bộ ổn áp trên gồm 3 phần :

- Biến áp lõi hình xuyến làm nguồn động lực chính

- Hệ thống chổi than và động cơ DC servo

Mạch điều khiển thay đổi chiều quay động cơ

I PHÂN LỌAI CHO CÁC TRƯỜNG HỢP BỐ TRÍ DÂY QUẤN TRONG BIẾN ÁP HÌNH XUYẾN

a) Trường hợp ổn áp cĩ 2 ngõ vào và 2 ngõ ra tương ứng 2 mức điện áp 110V và 220V:

Tại ngõ vào 220v mức thay đổi điện áp từ 160v đến 240v (Uvào = 80v)

Tại ngõ vào 110v mức thay đổi điện áp từ 50 đến 130v đối với dạng này đọan dây quấn từ 110v - 220v thường cĩ đường kính bé nhất, quấn trong cùng lớp thứ 2 quấn từ 110v đến điểm a (giới hạn quét về phía dưới khi điện áp vào thấp nhất); đường kính dây dùng trong đọan này lớn hơn lớp đầu tiên nhưng bé hơn lớp ngịai cùng tương ứng với phạm vi quét chổi than khi điện áp vào thay đổi trong phạm vi cho phép 80v Đây là trường hợp biến áp xuyến quấn thành 3 lớp

Trường hợp biến áp xuyến quấn thành 2 lớp, lớp trong cùng quấn từ 110v đến 220v , lớp ngịai cùng tương ứng từ 110v đến 240v, lúc này ta chỉ dùng 2 cở dây cho biến áp

Nguyên nhân bố trí dây thành 2 hay 3 lớp dây quấn phụ thuộc vào phạm vi quét tốc độ quay

và hệ số biến tốc dùng cho động cơ DC servo

110V 0V 220V

Điện áp vào

160V ÷ 240V

Điện áp ra Chổi than

http://www.ebook.edu.vn 23

Khi phạm vi quét 80v như định ở trên được bố trí trên lớp ngịai cùng khỏang dây quấn tương ứng 80v được trải rộng trong phạm vi chu vi của đường trịn với gĩc ở tâm từ 3400 đến 3500 (gần khít vịng trịn)

Giả sử trong thời gian dt, chổi than di chuyển trên mặt quét một đọan cong ds (trên

chu vi), tương ứng với gĩc ở tâm là dω

Ta cĩ vận tốc quay:

πω

=

θ

dt

d u Với u: tốc độ quay của chổi than

(ω =rad/s.)

v =vịng/s Hay : ω = 2ЛU/60

Quan hệ vận tốc dài chổi than theo chu vi vịng trịn ngịai biến áp xuyến

V Hay

60

n

2 2

D V Vậy

2

D d

d V

u u

u t

s

π

=

π

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

ω

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

=

Trong khỏang quét trọn, tương ứng phạm vi dao động thay đổi điện áp vào là ΔU vào ứng với gĩc ở tâm là (2Л – α)

Trong phạm vi 1 đọan ds, phân bố địên áp chênh lệch của lớp ngịai cùng biến áp là: giả sử :

Dn

dθ α

Chiều quay

ds

Chổi than

Fr

100 - 200

Gĩc giới hạn hành trình quay của chổi than

U 2 2

U dt

dU

2

U dt

dU

dU d

2 U

vào vào

vào vào

o va vào

π

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

α

− π

Δ

=

ω

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

α

− π

Δ

=

= θ α

− π Δ

⎪

⎩

⎪

⎨

⎧

= Δ

π

=

= α

V vào

0

80 U

) rad ( 90 20

n 427 0 n 60

2 90 2

80 dt

=

π

⎟

⎟

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎜

⎜

⎝

⎛

π

− π

(v/giây)

dt

duvào 0.854 1.7 2.56 3.4 4.3 6.4 8.5 17

Ứng với gĩc quay của chổi than là:(2 π-α),α>20 0 (trị số này phụ thuộc vào thiết kế)

ΔU vào =80 v

Giả sử chọn : α=120 0 =2 π/3(rad)

n 5

8 n 60

2 90 2

80 dt

=

π

⎟

⎟

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎜

⎜

⎝

⎛

π

− π

=

hay 1.6n

dt

dUvào

= n(vịng/phút) 1.6 2.12 2.68 4 5.3 10.6

(v / giây)

dt

duvào

Giả sử gọi F là tổng lực làm thay đổi chổi than (trừ đi ma sát do lực ép lị xo lên chổi than

để tạo tiếp xúc tốt tại điểm tiếp xúc điểm quét và ma sát do độ phẳng của mặt quét tạo bởi các vịng dây quấn liên tiếp nhau)

http://www.ebook.edu.vn 25

Tính gần đúng moment quay chổi than:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

=

= μ

60

n 2

P D

.

P :cơng suất cần dùng để tạo ra moment quay chổi than m và tốc độ quay n

(vịng/phút).Quan hệ giữa cơng suất động cơ với các tham số:

Pđộng cơ = Kbđ.P

Kbđ: hệ số biến đổi xác định hiệu suất của bộ chuyển động từ trục quay động cơ đến chổi than

n

bđ độngcơ nFD

55 , 9

K

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

- Cùng với một lực F cần đủ để quay chổi than (tức đủ để thắng ma sát tại mặt tiếp xúc và các ma sát khác) đồng với đường kính ngịai Dn của biến áp xuyến; nếu tốc độ quay k của chổi than thấp thì cơng suất của động cơ P động cơ sẽ bé

- Với 2 biến áp xuyến chế tạo giả sử cùng lực quay chổi than như nhau nếu Dn tăng thì cần

P động cơ lớn

- Hơn nữa khi Dn tăng muốn tốc độ đáp ứng khi điện áp dUvào/dt lớn ta cần cĩ giá trị của P động cơ lớn.Lớn vì n cần cĩ giá trị cao

- b Trường hợp: ổn áp chỉ quấn một lớp từ 0 đến 240V và phạm vi quét dùng trong một gĩc nhỏ hơn 2400 , tương ứng với dạng ổn áp họat động theo chế độ ngõ vào Autovolt V2 cĩ thể lấy ra 2 cấp điện áp 110-220V (hoặc một cấp điện áp tùy ý)

* Phân lọai: cĩ 3 dạng, tương ứng với mỗi dạng này cách mắc mạch điện mạch động lực cĩ khác nhau

- Dạng 1: ổn áp cĩ kết cấu đưa điện áp vào và lấy ra ra trực tiếp trên biến áp xuyến

- Dạng 2: biến đổi dạng của dạng 1, ngõ vào bố trí theo kiểu autovolt nhưng ngõ ra vẫn lấy điện trực tiếp trên biến áp xuyến

- Dạng 3: Dùng để nối rộng tàm cơng suất họat động của biến áp xuyến, cĩ dùng thêm biến

áp bù đầu nối tiếp nhưng ổn áp cĩ một ngõ vào và một ngõ ra

Một vấn đề khác nữa là:

- Với dịng điện đi qua chổi than từ 5A-10A ổn áp làm việc liên tục ta dùng một chổi than cĩ diện tích 5mm2 và vị trí quét nằm trên mặt của biến áp xuyến

Ngõ ra

220V 0V

110V

Ngõ vào (80 –