Khảo sát bộ nguồn P46 và P52 máy biến áp

Aptomat là khí cụ điện dùng để tự động đóng ngắtmạch điện, bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp.. Sau khi ngắn được dòng điện ngắn mạch,Aptomat phải đảm bảo làm việc tốt ở chỉ số dòng điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Đề tài:

KHẢO SÁT BỘ NGUỒN P46 VÀ P52

THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: VŨ BẢO TUYÊNSINH VIÊN THỰC HIỆN : NGUYỄN VĂN LÂM

LỚP : 95KĐĐ

TP.HỒ CHÍ MINH 2-2000

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH ĐỘC LẬP -TỰ DO- HẠNH PHÚC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN BỘ MÔN ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : NGUYỄN VĂN LÂM

Lớp : 95KĐĐ

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

1. Tên đề tài:

Khảo sát bộ nguồn P46 và P52 Thiết kế máy biến áp bộ nguồn

2. Các số liệu ban đầu:

-

-3. Nội dung các phần thuyết minh :

-4. Các bản vẽ :

-5 Giáo viên hướng dẫn: VŨ BẢO TUYÊN

6 Ngày giao nhiệm vụ: 13 -12-1999

7 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 28-2-2000

Giáo viên hướng dẫn Thông qua bộ môn

Ngày… Tháng … Năm2000 Chủ nhiệm bộ môn

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG

DẪN

Họ và tên sinh viên : NGUYỄN VĂN LÂM

Lớp : 95KĐĐ

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

Tên đề tài:

Khảo sát bộ nguồn P46 và P52 Thiết kế máy biến áp bộ nguồn

Nội dung luận văn tốt nghiệp:

-

-Nhận xét của giáo viên hướng dẫn:

-Giáo viên hướng dẫn (ký và ghi rõ họ tên)

VŨ BẢO TUYÊN

BẢN NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA GIÁO VIÊN PHẢN

BIỆN

Họ và tên sinh viên : NGUYỄN VĂN LÂM

Lớp : 95KĐĐ

Ngành : ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

Tên đề tài:

Khảo sát bộ nguồn P46 và P52 Thiết kế máy biến áp bộ nguồn

Nội dung luận văn tốt nghiệp:

-

-Nhận xét của giáo viên phản biện :

-Giáo viên phản biện (ký và ghi rõ họ tên )

Lời Nói Đầu

Trong quá trình học tập tại nhà trường, thực tập đo lường làmôn học quan trọng Nó giúp cho sinh viên hiểu sâu và nhớ kỹ lýthuyết đã được học, đồng thời củng cố kiến thức cho một số mônhọc khác Môn thực tập đo lường điện cần rất nhiều bộ nguồnAC/DC Tuy nhiên, các bộ nguồn này đã được trang bị từ trước năm

1975 và được sử dụng liên tục cho đến nay Vì vậy, việc hư hỏng ởcác bộ nguồn này rất thường xảy ra

Trước kia, hệ thống điện cung cấp cho bộ nguồn phù hợp vớiđiện áp sử dụng chung cho cả trường là 110V Nhưng hiện nay, hệthống điện sử dụng cho trường có cấp điện áp là 220V, phòng thínghiệm đo lường lại chưa đủ trang thiết bị để bố trí từng môn họcvà bảo quản các bộ nguồn Thực tế, có rất nhiều bộ nguồn bị saicấp điện áp so với các giá trị chuẩn ban đầu

Với đề tài: “KHẢO SÁT BỘ NGUỒN P46 VÀ P52 - THIẾT

KẾ MÁY BIẾN ÁP BỘ NGUỒN”, chúng tôi đã tiến hành khảo

sát thực tế hai bộ nguồn P46 và P52 để từ đó có thể tính toán thiếtkế lại một số phần trong hai bộ nguồn

Qua 6 tuần làm việc khẩn trương, tôi đã cố gắng hoàn thànhđề tài này Tuy nhiên, dù cố gắng thế nào cũng không tránh khỏithiếu sót Mong quí thầy cô và bạn bè đóng góp để tập luận án nàyđược hoàn chỉnh hơn

Tháng 2 năm 2000

Sinh viên thực hiện

Tập luận văn đã hoàn thành đúng thời gian qui định của nhà trường Kết quả này đạt được là nhờ sự hướng dẫn tận tình của Thầy Cô trong nhà trường suốt năm năm qua, cùng với sự nổ lực của bản thân.

Em xin chân thành cảm ơn cô Vũ Bảo Tuyên đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ

em hoàn thành luận văn tốt nghiệp này đúng thời hạn.

Em xin cám ơn thầy Lê Viết Phú đã giúp đỡ em khi thực hiện đề tài.

Cảm ơn các bạn sinh viên đã đóng góp

ý kiến giúp tôi hoàn thành tập luận văn tốt nghiệp này.

MỤC LỤC

Nhiệm vụ luận án

Lời mở đầu

Lời cảm tạ

Mục lục

PHẦN A: KHẢO SÁT BỘ NGUỒN TẠI PHÒNG THỰC TẬP ĐO

LƯỜNG

Chương 1: Giới thiệu bộ nguồn P46 và P52 -1

I Giới thiệu -1

II Cấu tạo chung của hai bộ nguồn -1

Chương 2 : Sơ đồ mạch thực tế của bộ nguồn P46 và P52- -7 I Bộ nguồn P46 -7

1 Sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn P46 -7

2 Nguyên lý hoạt động -8

II Bộ nguồn P52 -9

1 Sơ đồ nguyên lý -9

2 Nguyên lý hoạt động -10

3 Các giá trị khảo sát -10

PHẦN B: THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN Chương 1: Lý thuyết tính toán máy biến áp -13

I Nguyên lý làm việc máy biến áp -13

II Các công thức cơ bản về máy biến áp -13

III Phân loại máy biến áp -14

IV Các bước tính toán máy biến áp công suất nhỏ 15 1 Lõi thép -15

2 Dây quấn -17

Chương 2: Thiết kế bộ nguồn P46 -26

I Tính máy biến áp -26

II Khảo sát cuộn cảm L -32

Chương 3: Thiết kế bộ nguồn P52 -36

I Máy biến áp 1 -36

II Máy biến áp 2 -39

III Phương án sử dụng mạch điều chỉnh điện áp 42

1 Mạch nguồn đôi 12V -42

2 Mạch điều chỉnh điện áp 0÷ 30V; 1,3A -42

Chương 4: Thiết kế máy biến áp tự ngẫu -46

I Giới thiệu -46

II Hình dạng Variac -46

III Nguyên tắc hoạt động -47

Chương 5: Phương án thiết kế mạch chỉnh lưu -49

I Mạch chỉnh lưu toàn sóng -49

II Tính chọn nguồn chỉnh lưu DC -49

PHẦN C: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

PHẦN D: PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu:

Để thực hành thí nghiệm đo lường đạt hiệu quả cao, yêu cầucần phải có một bộ nguồn với nhiều cấp điện áp khác nhau Cáccấp điện áp này có thể điều chỉnh được cũng như một số cấp cốđịnh khác.Vì vậy, yêu cầu trị số dòng điện và điện áp hay nói cáchkhác là công suất phải đảm bảo ổn định và chính xác Vơí yêu cầunày, người thiết kế phải tính theo công suất qui định

Hiện nay, các bộ nguồn AC/DC trong phòng thí nghiệm đolường được hoạt động ở cấp điện áp 110V, trong khi nguồn điệncung cấp tại các xưởng hiện nay là 220V Điều này, thực sự gây khókhăn cho việc bảo trì và vận hành Do đó, cần phải tính toán lạisao cho phù hợp với các cấp điện áp ngõ vào vàngõ ra cho phù hợp

Phòng thí nghiệm hiện tại đựơc trang bị bộ nguồn P52 vàP46 Các bộ nguồn được trang bị từ trước năm 1975, được sử dụngliên tục cho đến nay.Vì vậy, các bộ nguồn đều có hư hỏng

Ngõ ra của các bộ nguồn như sau:

1 Bộ nguồn P46:

• 2 ngõ ra 120V-10AMP Max

• 2 ngõ ra 0÷120VAC-3.5AMP Max (Điều chỉnh được)

• 1 ngõ ra 22.5V-10AMP Max và 45VAC-5AMP Max

• 1 ngõ ra 18VDC-10 AMP Max và 36VDC -5AMP Max

2 Bộ nguồn P52:

• 1 ngõ ra 120VAC –10AMP Max

• 1 ngõ ra 0÷350VDC-150mAMP Max (Điều chỉnh được)

• ngõ ra 0÷25VDC và 0÷100mA (Điều chỉnh được)

• ngõ ra 6VAC, 12VAC-2.5AMP cố định.

Bao gồm các phần chính sau:

1 Biến áp cách ly

2 Biến áp tự ngẫu

3 Mạch chỉnh lưu

4 Bảo vệ quá tải và ngắn mạch

1 Biến áp cách ly:

Nhiệm vụ: Thay đổi điện áp nguồn theo yêu cầu thiết kế

- Ở bộ nguồn P46 có một biến áp cách ly biến đổi điện áp22.5V-10A và 45V-5A, một cuộn cảm sau bộ lọc

- Ở bộ nguồn P52 có 2 biến áp: một biến áp biến đổi điện ápđưa qua bộ điều chỉnh để có điện áp 0÷25VDC và dòng 0÷100mAvà một biến áp có ngõ ra điều chỉnh 0÷350VDC với dòng 150mA

Hoạt động chung của biến áp cách ly là: Khi có điện áp xoaychiều vào phần sơ cấp, dòng điện cảm ứng cho điện áp ngõ ra thứcấp

Hình 1 Cấu tạo máy biến áp cách ly

Thường ta sử dụng lõi thép E_I,U_I để quấn dây.Tỉ số biếnáp:

1 I

2 I

= 2 U

1 U

= 2 N

1 N

2 Biến áp tự ngẫu:

Biến áp tự ngẫu là một dạng biến áp đặc biệt, ngõ ra có thểthay đổi điện áp theo nhiều cấp, tùy theo yêu cầu thiết kế Trongphòng thí nghiệm đo lường, biến áp tự ngẫu được dùng là lõi théphình trụ, cuộn dây đồng được quấn theo lõi thép hình trụ Khi tathay đổi số vòng dây trên bề mặt cuộn dây thì ta thay đổi điện áptừ 0÷120V

3 Chỉnh lưu:

U1 N1 U2 N2

1to1

Khi có yêu cầu điện áp ngõ ra là DC mà ngõ vào là AC thìbắt buộc ta phải dùng bộ chỉnh lưu điện áp, đồng thời lọc nguồn đểcó một điện áp DC ổn định ít gợn sóng.

4 Bảo vệ quá tải:

Trong bộ nguồn thực tập hiện nay, thiết bị bảo vệ được dùnglà bộ Aptomat Aptomat là khí cụ điện dùng để tự động đóng ngắtmạch điện, bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp

Aptomat còn gọi là cầu dao tự động, thường được gọi làAptomat không khí vì hồ quang được dập tắt trong không khí

Aptomat có yêu cầu sau:

1 Chế độ làm việc ở định mức cuả Aptomat phải là chếđộ làm việc dài hạn, nghĩa là chỉ số dòng điện định mức chạy quaAptomat lâu bao nhiêu cũng được Mặt khác, mạch dòng điện củaAptomat phải chịu được dòng điện lớn (khi có ngắn mạch) lúc cáctiếp điểm của nó đã đóng hay đang đóng

2 Aptomat phải ngắt được trị số dòng điện ngắn mạchlớn có thể vài chục kA Sau khi ngắn được dòng điện ngắn mạch,Aptomat phải đảm bảo làm việc tốt ở chỉ số dòng điện định mức

3 Để nâng cao tính ổn định nhiệt và điện động của cácthiết bị điện, hạn chế sự phá hoại do dòng điện ngắn mạch gây ra,Aptomat phải có thới gian cắt bé Muốn vậy, thường phải kết hợplực thao tác cơ học với thiết bị dập hồ quang bên trong Aptomat.Để thực hiện yêu cầu thao tác bảo vệ có chọn lọc, Aptomat cầnphải có khả năng chỉnh trị số dòng điện tác động và thời gian tácđộng Để có thể hiểu rõ về Aptomat ta thử khảo sát nguyên lí vàcấu tạo cuả Aptomat như sau:

a Nguyên lí làm việc:

Sơ đồ nguyên lí điện của Aptomat dòng điện cực đại vàAptomat điện áp thấp được trình bày như sau:

4

3 1

Hình 2 Sơ đồ nguyên lí Aptomat dòng điện cực đại

Ở trạng thái bình thường, sau khi đóng điện, Aptomat đượcgiữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc răng 1 khớp với 5 cùngmột cụm với tiếp điểm động Khi mạch điện quá tải hay ngắnmạch, nam châm điện 2 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm nhả móc 1,cần 5 được tự do, kết quả các tiếp điểm của Aptomat được mở rộngdưới tác dụng của lò xo 6, mạch điện bị ngắt

Hình 3 Sơ đồ Aptomat điện áp thấp

Trên hình 3, khi sụt áp quá mức, nam châm điện 1 sẽ nhảphần ứng 8 làm nhả móc 2, do đó các tiếp điểm của Aptomat cũngđược mở ra dưới tác động cuả lực lò xo 4, mạch điện bị cắt Cụmnam châm 2 (ở hình 3) gọi là móc bảo vệ quá tải hay ngắn mạch.Cụm nam châm 1(hình 3) được gọi là móc bảo vệ sụt áp hay mấtđiện áp

b Phân loại và cấu tạo:

4

6 1 3 2

Như vậy, hồ quang chỉ cháy trên trên tiếp điểm hồ quang, dođó bảo vệ được tiếp điểm chính để dẫn điện Dùng thêm tiếp điểmphụ để tránh hồ quang cháy lan vào làm hư hại tiếp điểm chính.

Tiếp điểm của áptomat thường được làm bằng hợp kim gốmchịu được hồ quang như Ag-W,Cu-W,Ni

2 Hợp dập hồ quang:

Để Aptomat dập được hồ quang trong tất cả các chế độ làmviệc của lưới điện, người ta thường dùng hai kiểu thiết bị dập hồquang là: kiểu nửa kín và kiểu hở

Kiểu nửa kín được đặt trong vỏ kín của aptomat và có lổ thoátkhí Kiểu này có giới hạn cắt không quá 50kA

Kiểu hở được dùng khi giới hạn dòng điện cắt lớn hơn 50KAhoặc điện áp lớn hơn 1000V

Trong buồng dập hồ quang thông dụng, người ta dùng nhữngtấm thép xếp thành lưới ngăn để phân chia hồ quang thành nhiềuđoạn ngắn thuận lợi cho việc dập hồ quang

3 Cơ cấu truyền động cắt Aptomat:

Truyền động cắt Aptomat thường có hai cách: Bằng tay vàbằng cơ điện (điện từ và động cơ điện)

Điều khiển bằng tay được thực hiện với các Aptomat có dòngđiện định mức không lớn hơn 600A Điều khiển bằng điện từ (namchâm điện) được ứng dụng ở các Aptomat có dòng điện lớn hơn(đến 1000A) Bộ nguồn tại phòng thí nghiệm P46 và P52 được sửdụng dạng Aptomat bằng tay (có dòng nhỏ hơn 50A)

Để tăng lực điều khiển bằng tay người ta còn dùng một taydài phụ theo nguyên lí đòn bẩy Ngoài ra, còn có cách điều khiểnbằng động cơ điện hoặc khí nén

4 Móc bảo vệ:

Aptomat tự động cắt nhờ các phần tử bảo vệ, gọi là móc bảovệ.

Móc bảo vệ quá tải (quá dòng) để bảo vệ thiết bị điện khỏi bịquá tải, đường thời gian-dòng điện của móc bảo vệ phải nằm dướiđường đặc tính cuả đối tượng cần bảo vệ Người ta thường dùng hệthống điện từ và rơle nhiệt làm móc bảo vệ đặt bên trong Aptomat

Móc kiểu điện từ có cuộn dây mắc nối tiếp với mạch điệnchính Khi dòng điện vượt quá trị số cho phép thì phần ứng bị hútvà móc sẽ đập vào khớp rơi tự do, làm tiếp điểm của Aptomat mở

ra Điều chỉnh vit để thay đổi lực kháng của lò xo, ta có thể điềuchỉnh được trị số dòng điện tác động

Móc kiểu rơle nhiệt đơn giản hơn cả, có kết cấu tương tự nhưrơle nhiệt có phần tử phát nóng đấu nôí tiếp với mạch điện chính,tấm kim loại kép dãn nở làm nhả khớp rơi tự do để mở tiếp điểmcủa Aptomat khi có quá tải

Móc bảo vệ sụt áp (bảo vệ điện áp) cũng thường dùng kiểuđiện từ, cuộn dây mắc song song với mạch điện chính

c Cách lựa chọn Aptomat:

Việc lựa chọn Aptomat chủ yếu dựa vào:

- Dòng điện tính toán đi trong mạch

- Dòng điện quá tải

- Tính thao tác có chọn lọc

Ngoài ra lựa chọn Aptomat cần phải căn cứ vào đặc tính làmviệc của phụ tải, là Aptomat không được phép ngắt khi có quá tảingắn hạn thường xảy ra trong điều kiện làm việc bình thường nhưdòng điện khởi động, dòng điện đỉnh trong phụ tải công nghệ

Yêu cầu chung là dòng điện định mức của móc bảo vệAptomat không được bé hơn dòng điện tính toán Itt của mạch Iáptô

> Itt

Tùy theo đặc tính làm việc và điều kiện cụ thể của phụ tải,người ta hướng dẫn lựa chọn dòng điện định mức của móc bảo vệbằng 125%, 150% so với dòng điện tính toán

2 Nguyên lý hoạt động:

- Aptomat làm nhiệm vụ đóng ngắt nguồn đồng thời bảo vệquá tải trong mạch điện Trong mạch này, loại Aptomat được sửdụng đóng ngắt cả lúc hai bộ dây

- Khi bật công tắt nguồn, tiếp điểm A sẽ được nối B, C sẽđược nối D và Line sẽ được nối với Load Điện áp sẽ đi từ A sang B

đi vào biến áp tự ngẫu (Variac) Biến áp tự ngẫu này được điềuchỉnh bằng tay để lấy ra điện áp theo dãy điều chỉnh từ0÷120V.Ngõ ra của Variac được đưa vào điểm C và D Tại đây, điệnáp được đưa qua biến áp 1 Biến áp 1 có nhiệm vụ hạ áp nguồnxuống còn 22,5VAC-10A hoặc 45VAC-5A

Ngõ ra của biến áp 1 được đưa đến CT1 nhằm chuyển đổi từ22,5V-10A sang 45VAC-5A Khi bật công tắc CT1 ở vị trí 1, haicuộn thứ cấp n21 và n22 được nối tiếp với nhau nên áp ra 45VAC-5A.Khi bật công tắc CT1 sang vị trí 3, hai cuộn thứ cấp n21 và n22 đượcmắc song song nhau làm cho số vòng quấn giảm nhưng tiết diệndây quấn tăng gấp đôi, nên dòng tăng gấp đôi (10A) và áp giảmcòn 22,5V

Ngõ ra thứ cấp của biến áp 1 được đưa ra hai đầu bên ngoàibộ nguồn, đồng thời được chỉnh lưu qua bộ lọc để được điện áp18VDC-10A;36VDC-5A

Cuộn dây L được mắc nối tiếp với ngõ ra DC có nhiệm vụ lọcvà san bằng điện áp gợn sóng

I Bộ nguồn P52:

1 Sơ đồ nguyên lý của bộ nguồn P52:

Hình 6 Mạch điều chỉnh điện áp 0-25VDC

2 Nguyên lí hoạt động của bộ nguồn P52:

Khi bật công tắc nguồn, tiếp điểm của Aptomat đóng lại, bộnguồn hoạt động Biến áp 1 có ngõ ra thứ cấp là 0 – 6VAC-12VACvà ngõ ra thứ 2 được đưa đến mạch điều chỉnh điện áp 0÷25VDC,đồng thời dòng điều chỉnh 0÷100mA Ngõ ra của biến áp tự ngẫu(Variac) được đưa đến máy biến áp 2 Ngõ ra của máy biến áp 2 sẽđược chỉnh lưu và có giá trị thay đổi từ 0÷350VDC –150mA

Mạch điều chỉnh hoạt động như sau: Khi thay đổi giá trị RV,

ta có điện áp đưa đến chân E của 2N1305 thay đổi, dẫn đến2N1011 cũng sẽ dẩn mạnh hay yếu làm cho ngõ ra của mạch nguồnthay đổi Khi thay đổi RA tại chân E của 2N1011, dòng ra IC của2N1011 sẽ thay đổi theo làm cho ngõ ra có dòng thay đổi

2N1305 có tác dụng chỉnh sai, 2N1011 là transistor công suất.Diode M4E5 có tác dụng ghim áp Các diode có tác dụng dẫn dòngvà bảo vệ

3 Các giá trị khảo sát:

• Khảo sát nguồn áp:

Khi Ira= 0mA ; Ura= 0V

2N1011 có điện áp phân cực: VEB = 0V

VEC= 45.1VVCB = -45.2V

R v

V i n

V o u t - +

2N1305

2N1011

330

2,4 220

10k

11k

RA

2N1305 có điện áp phân cực: VEB = 0.2V

VEC= 0.1VVCB = 0V

Khi Ira= 0mA ; Ura= 10V

2N1011 có điện áp phân cực: VEB = 0V

VEC= 34.1VVCB = -34.2V2N1305 có điện áp phân cực: VEB = 0.1V

VEC= 0.3VVCB = -0.1V

Khi Ira= 0mA ; Ura= 26.7V

2N1011 có điện áp phân cực: VEB = 0V

VEC= 17.3VVCB = -17.3V2N1305 có điện áp phân cực: VEB = 0.1V

VEC= 0.4VVCB = -0.3V

• Khảo sát nguồn dòng:

Khi Ira= 9.1mA ; Ura= 5.34V

2N1011 có điện áp phân cực: VEB = 0V

VEC= 38.9VVCB = -38.9V2N1305 có điện áp phân cực: VEB = 0.1V

VEC= 0.2VVCB = 0V

Khi Ira=50 mA ; Ura= 5.34V

2N1011 có điện áp phân cực: VEB = 0V

VEC= 39VVCB = -39V2N1305 có điện áp phân cực: VEB = 0.1V

VEC= 0.2V

VCB = 0V

Khi Ira= 155mA ; Ura= 5.34V

2N1011 có điện áp phân cực: VEB = 0V

VEC= 39VVCB = -39V2N1305 có điện áp phân cực: VEB = 0.1V

VEC= 0.1VVCB = 0VCác giá trị đo được dựa trên bộ nguồn tại phòng thực tập đo lường

PHẦN B

THIẾT KẾ & TÍNH TOÁN

CHƯƠNG I LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP

I Nguyên lý làm việc của máy biến áp:

Máy biến áp làm nhiệm vụ biến đổi điệp áp Có hai loại máybiến áp: Máy biến áp tăng áp và máy biến áp hạ áp

Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên cơ sở hiệntượng cảm ứng điện từ

Khảo sát một máy biến áp đơn giản gồm hai cuộn dây đượcquấn trên lõi sắt mạch từ cột Cuọân dây N1 mắc nối tiếp với nguồnđiện vào và được gọi là cuộn sơ cấp, cuộn N2, lấy điện áp ra gọi làcuộn thứ cấp

Hình 7 Nguyên tắc làm việc máy biến áp.

Khi cuộn dây thứ cấp N2 để hở, dòng điện sơ cấp N1, tạo rasức điện động F0 gây từ thông lưu thông trong mạch từ qua haicuộn dây N1 và N2, làm phát sinh các sức điện động E1và E2 trong

2 cuộn sơ cấp và thứ cấp

Khi nối cuộn thứ cấp N2 với phụ tải thì dòng điện thứ cấp I2xuất hiện Phụ tải càng tăng, dòng I2 càng tăng làm dòng I1 tăngtheo tương ứng để giữ ổn định từ thông không đổi Đó là nguyên lýlàm việc của máy biến áp

Nếu U2>U1: máy biến áp tăng áp

U2<U1: máy biến áp hạ áp

II Các công thức cơ bản về máy biến áp:

- Khi máy biến áp không tải, N2 chưa có tải, I0 = 0

U1 = E1+R1I1 +X1I1= E1+R1I0+X1I0 = E1

Do I0=0,04÷0,1Iđm nên U1=E1

-Khi máy biến áp có tải I2>0:

U1 = E1+R1I1 +X1I1 với U1>E2U2 = E2-R2I2 -X2I2 với U2<E2Các sức ứng điện động E1,E2 sinh ra trong các cuộn sơ cấp vàthứ cấp được xác định như sau:

e1=−N1* ω * Φm * cos ωt Vậy ta có:

2 2

1 1

*

*

* 44 , 4

*

*

* 44 , 4

N f

E

N f

trong đó,ωΦ=:từ2 πthông fvới sinh flàtần rasốtronglướilõiđiệnthép

*Tỷ số biến áp:Tỷ số giữa điện áp U1 và điện áp U2, ta có:

2

1 2

1 2

1

U

U N

N E

N E

E

1

2 1

2 1

2 = = =

=

III Phân loại máy biến áp:

Có nhiều cơ sở để phân loại máy biến áp, nếu căn cứ vàonguồn cấp điện cho máy biến áp để có thể phân loại máy biến ápmột pha với máy biến áp 3 pha

Ở đây, ta chỉ căn cứ vào dây quấn sơ cấp N1 và thứ cấp N2 màphân chia thành hai dạng máy biến áp:

Máy biến áp cách ly, có cuộn sơ cấp và thứ cấp biệt lập

Máy biến áp tự ngẫu, có các cuộn sơ cấp và thứ cấp cùng quấnchung một cuộn, do đó chúng có cùng một mạch

Hình 8a Biến áp cách ly Hình 8b Biến áp tự ngẫu

Ưu điểm của máy biến áp tự ngẫu so với máy biến áp cách ly:

Khối lượng dây đồng và mạch từ giảm nhiều

• Ở các đoạn chịu tải chung 2 dòng I1 và I2 chỉ cần có tiếtdiện chịu tải hiệu hai dòng điện I1 vàI2

• Hiệu suất cao hơn so với máy biến áp cách ly

• Không lưu ý lớp cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp

Khi tính toán máy biến áp một pha, công suất nhỏ (dưới5KVA), ta có thể tạm chia thành các dạng bài toán sau:

- Dạng bài toán dựa vào sơ đồ biến áp để xác định kích thướclõi thép và số liệu dây quấn (bài toán thuận)

- Dạng bài toán ngược là dựa vào kích thước lõi thép ta tínhtoán số liệu dây quấn biến áp theo một yêu cầu để tận dụng tối đacông suất lõi thép

Các phần chính của máy biến áp là: Lõi thép và dây quấn

1 Lõi thép:

Lõi thép là máy biến áp thường dùng là loại thép được cánmỏng, có chứa hàm lượng silic từ 1%-4%và bề dày từ 0,35mm-0,5mm, nhằm mục đích giảm tổn hao điện năng trong mạch từ dotác dụng bởi dòng điện Fuco và hiện tượng từ trễ làm phát nhiệt.Từ cảm có thể chọn B=1T hoặc 1,2T (hay1000 Gauss hoặc 1200Gauss) Ngoài ra loại thép có hàm lượng silic 1% ta chọn B=0,7-0,8T

Lõi thép máy biến áp có hai loại hình thông thường đó làhình chữ U-I và chữ E-I, được cán mỏng thành từng tấm Các mẫukhuôn này được dập khuôn theo một kích thước nhất định có trênthị trường

Chất lượng lõi thép được qui định bằng hàm lượng silic cótrong thép Nó ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng máy biến áp, sắtđúng chất lượng sẽ có độ từ cảm lớn, từ thông sinh ra lớn, gây nêntừ trường mạnh Nhờ đó đảm bảo với một số vòng dây quấn sẽ chosinh ra một điện áp chính xác cao Thép càng mỏng tổn hao càng

ít Ngoài ra, hai mặt lõi thép còn được tráng một lớp verni rấtmỏng nhằm mục đích làm giảm tồn hao năng lượng

Bảng chuẩn của lõi thép chữ E-I:

Các bước tính toán như sau:

Bước1: Tính chọn lõi thép

Lõi thép thông dụng nhất là loại thép có hình dạng E-I.Xác định sơ đồ biến áp với đầy đủ các tham số điện áp vàdòng điện ở phía thứ cấp và sơ cấp Từ đó suy ra công suất biểukiến S2 ở phía thứ cấp:

S2= ∑n1 U2i.I2i (KVA)

Bước2 : Nếu áp dụng các công thức ước lượng thông thường,

từ giá trị S2, ta định ra tiết diện cần dùng cho lõi thép máy biến ápAt

At=1,423.Khd BS2[cm2]

Với lõi thép dạng U-I thì Khd= 0.75-0.85

Với cách xác định này At= a.b

* Khi chọn a = b với At = a.b, chu vi trung bình của sợi dâynhỏ nhất (so với các kết cấu khác khi chọn a khác b và At = a.b)

Do đó dẫn đến khối lượng dây tốn ít nhất và tổn hao đồng trong

biến áp nhỏ nhất, có thể làm tăng hiệu suất biến áp, giảm nhỏ độgiảm áp ở thứ cấp biến áp khi mang tải Tuy nhiên, khi chọn theophương pháp này khối lượng lõi thép sẽ tăng lên so với kết cấukhác của lõi thép khi a<b

* Khi a<b, khối lượng lõi thép sẽ ít tốn hơn so với lúc chọna>b và At=a.b, nhưng khối lượng dây đồng sẽ tốn nhiều hơn, tổnhao đồng trong máy biến áp tăng, hiệu suất có thể giảm và tăng độgiảm áp ở thứ cấp khi mang tải

Trong trường hợp này, để dễ thi công bộ dây ta chỉ nên chọn

b = 1,5a là tối đa để tránh cuộn dây bị phình ra ở phần hông khithi công

* Khi chọn a, b, trị số a có liên quan đến dòng từ hóa lõithép máy biến áp

Giả sử với lõi thép E-I có kích thước đúng tiêu chuẩn bề dàiđừơng sức trung bình là ltb = 6a

Theo định luật Ampere, khi bỏ qua khe hở không khí trongmạch từ, ta có dòng điện từ hóa như sau:

N1 i10=H ltbN1: Tổng số vòng dây quấn sơ cấp

i10: Dòng điện từ hóa ở cuộn sơ cấp

H: Cường độ từ trường, tương ứng với giá trị từ cảm B đã xácđịnh để tính ra từ thông và số vòng N2 ở sơ cấp

Vậy a càng lớn i10 càng lớn

Bước3: Xác định số vòng dây quấn phía sơ cấp và thứ cấp

1 Xác định số vòng tạo ra 1 volt sức điện động cảm ứng:

E = 4,44.f.B.At.N(V)Khi E= 1V thì N= nv

Vậy nv=4,44*f1*B*Atf= [Hz}; B= [T]; At = [m2];nv = [Vòng/volt]

Nếu chọn At =[cm2 ] ta có:

Nếu chọn B=0,8T ta có nv=

t

A

,3 56

B= 1T ta có nv=

t

A 45

B= 1,2T ta có nv=

t

A ,5 37

Mặc khác nv =4,44*f1*B*At

Vậy số vòng dây quấn sơ cấp: N1=U1 nv

N1: tổng số vòng quấn sơ cấp

U1: điện áp định mức của dây quấn sơ cấp

2 Đối với máy biến áp hai dây quấn, khi tính toán số vòngthứ cấp ta căn cứ vào giá trị điện áp thứ cấp không tải U20

Gọi ∆U% là phầøn trăm sụt áp tại thứ cấp mang tải so với lúckhông tải

Vậy ∆U%= U20U−2U2.100%

U20: Điện áp không tải thứ cấp

U2: Điện áp định mức thứ cấp

Theo Beyaert, khi tính toán có thể ước lượng ∆U% theo cấpcông suất của biến áp ,ta có thể định nghĩa đại lượng Ch sau đâyđể dễ tính toán:

1 U

1

∆

.Vậy U20=Ch.U2 hay Ch=1+∆100U%

Trong tính toán chính xác, ta dựa vào S2 để ước lượng Ch,trong trường hợp ước lượng nhanh, ta có thể chọn: Ch=1,05÷1,15

Bước 4: Dựa vào S2 ta ước lượng gần đúng hiệu suất η barồisuy ra dòng sơ cấp:

Dòng điện phía sơ cấp: I1=

1 ba

2U

S

*

η

Bảng 2: Quan hệ giữa ∆U% theo công suất biểu kiến S2

Theo Beyeart ta có:

Theo Transfomatoren Fabik Magnus ta có ∆U% theo S2 khiphụ tải thuần trở (cosΨ=1)

Quan hệ Ch theo:

d= 1,128 (mm )

J

I

.Trong đó I=[A],J=[A/mm2]

Khi chọn J chú ý đến các tham số ràng buộc sau:

- Cấp cách điện của vật liệu dùng chế tạo bộ dây

- Chế độ làm việc dài hạn, ngắn hạn có lặp lại hay không lặplại

- Điều kiện thông gió và giải nhiệt

Bảng 3: Quan hệ giữa η ba theo S2

Theo Robert Kuhn