Tính toán và thiết kế bộ nguồn cho máy biến áp

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính & Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông - Lâm - Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình.

LỜI NÓI ĐẦU

Máy biến áp là bộ biến đổi cảm ứng đơn giản dùng để biến đổi dòngđiện

xoay chiều từ điện áp này thành dòng điện xoay chiều khác có điện áp khác.Các dây quấn và mạch từ của nó đứng yên và quá trình biến đổi từ trường đểsinh ra sức điện động cảm ứng trong các dây quấn được thực hiện bằng dâycáp điện

Máy biến áp được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như máybiến áp lò, máy biến áp hàn, máy biến áp đo lường, máy biến áp thửnghiệm… Các bộ nguồn cấp điện dùng cho sinh hoạt, cho các thiết bị điện –điện tử hoặc dùng cho việc đo lường và thí nghiệm hầu hết phải sử dụng đếnmáp biến áp

Nhận thức được vai trò và tầm quan trọng của máy biến áp dùng cho

đo lường, thí nghiệm Chúng em đã thực hiện đề tài chế tạo bộ nguồn sửdụng trong thực tập kỹ thuật điện và điện tử cơ bản

Đề tài được trình bày thành ba chương:

Chương 1: Tổng quan về bộ nguồn.

Chương 2: Tính toán và thiết kế bộ nguồn.

Chương 3: Chế tạo bộ nguồn.

Do sự hiểu biết thực tế và thời gian có hạn nên quá trình thực hiện đềtài không thể tránh những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến của các thầy,

cô và các bạn để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn đã trực tiếphướng dẫn chỉ bảo chúng em để hoàn thành đồ án này!

Nhóm sinh viên.

* Nguồn điện từ nhà máy điện:

Đây là nguồn điện được sản xuất với quy mô công nghiệp từ các nhàmáy điện Thiết bị chính của nhà máy điện là máy phát điện, đó là thiết bịbiến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứngđiện từ Tuy nhiên, nguồn năng lương để chạy các máy phát điện này làkhông giống nhau

Chẳng hạn như thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước(nhà máy thủy điện Hòa Bình; nhà máy thủy điện Sơn La), dưới áp suất củanước kết hợp với lưu tốc của dòng chảy đã làm quay tuốc bin nước và tuốcbin này làm chạy máy phát điện; nhiệt điện là nguồn điện có được từ hơinước bị đun nóng (nhà máy nhiệt điện Uông Bí; nhiệt điện Phả Lại), hơinước nóng làm quay tuốc bin hơi nước và tuốc bin này làm chạy máy phátđiện

* Nguồn điện từ các thiết bị lưu trữ, tích lũy điện:

Các thiết bị có khả năng lưu trữ và tích lũy điện được dùng chủ yếu làpin và ắc quy Tùy theo cấu tạo và chất liệu sử dụng làm ra chúng khác nhauthì khả năng tích lũy điện sẽ khác nhau.

- Pin là thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa năng, năng lượngnày sẽ được chuyển hóa thành điện năng khi sử dụng Pin cung cấp nănglượng điện hoạt động hầu hết cho các thiết bị cầm tay nhỏ gọn, sử dụng điện

áp ổn định

- Ắc quy là một thiết bị điện có khả năng tích trữ năng lượng dướidạng hóa năng và phóng điện dưới dạng điện năng Trong quá trình hoạtđộng, ắc quy sẽ tích và phóng điện liên tục

Pin và ắc quy được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi, với chi phí thấp,kích thước đa dạng sử dụng phù hợp với mọi ứng dụng của người dùng

1.2 Phân loại điện áp.

* Nguồn điện cao áp ( ≥1000V):

Muốn truyền tải điện năng đi xa cần phải dùng đường dây tải điện có điện áp cao để giảm tổn thất điện năng trên đường dây Để có điện áp cao như mong muốn đó cần phải sử dụng máy biến áp ( biến thế )

nguồn vào, điều này khó có thể sử dụng trực tiếp cho các thiết bị điện tử đó.

Để có thể phù hợp với các loại thiết bị với các mức điện áp khác nhau đó,chúng ta phải sử dụng máy biến áp

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lýcảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang

* Nguồn điện hạ áp ( <1000V):

Trong sinh hoạt, các hộ tiêu thụ điện không thể trực tiếp sử dụngnguồn điện áp cao được cung cấp từ nhà máy điện vì lý do an toàn Do đó,cần phải hạ thấp điện áp xuống khoảng 220V; 0,4KV để thích hợp cho cácthiết bị dân dụng, thiết bị công nghiệp Muốn làm được điều đó, ta phải sửdụng máy biến áp

Mặt khác, trong công tác thí nghiệm, đo lường về điện thường dùngcác thiết bị điện tử sử dụng điện áp nhỏ, công suất nhỏ Một số thiết bị sửdụng điện áp một chiều mà trong khi hầu hết chúng ta đều dùng nguồn điệnxoay chiều 220V/380V làm đầu hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khácnhưng có tần số không thay đổi

Do đó, yêu cầu sử dụng nguồn điện áp thấp (dưới 100V) vào nhiềumục đích trong sinh hoạt, trong công tác y tế, trong thí nghiệm, đo lường,

… với nhiều mức điện áp nhỏ khác nhau 50V, 40V, 36V, 24V, 15V, 12V,9V, … rất cần thiết

1.3 Các loại bộ nguồn:

Gồm có nguồn điện 1 pha và 3 pha

+ Nguồn điện 1 pha: là nguồn có công suất vừa và nhỏ nên được ứngdụng

rộng rãi trong sinh hoạt như mạng điện trong gia đình, một số các thiết bịđiện dân dụng: quạt, máy bơm nước……Và được sử dụng trong thí nghiệm

đo lường điều khiển

+ Nguồn điện 3 pha: là nguồn có công suất lớn nên được sử dụngtrong

công nghiệp như trong các khu công nghiệp, nhà máy xí nghiêp

Chương 2

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ NGUỒN DÙNG TRONG

THÍ NGHIỆM – ĐO LƯỜNG

2.1 Sơ đồ khối của bộ nguồn.

2.1.1 Biến áp ( máy biến áp).

- Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp xoay chiều

có giá trị thích hợp với yêu cầu Trong một số trường hợp có thể dùng trực

tiếp điện áp 220V mà không cần biến áp

a) Cấu tạo máy biến áp cảm ứng 1 pha.

Máy biến áp cảm ứng 1 pha có hai bộ phận chính là lõi thép (mạch từ) và

dây quấn

* Lõi thép:

Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo

từ những vật liệu dẫn từ tốt Lõi thép gồm hai bộ phận chính là trụ và gông

+ Trụ là nơi để đặt dây quấn

Điện áp ra (AC) 220V

(AC)

+ Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ.

Giữ các trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín

Theo kết cấu lõi thép ta chia ra máy biến áp kiểu trụ và máy biến áp kiểu bọc (kiểu chữ U và chữ E)

Cấu tạo máy biến áp

+ Máy biến áp kiểu trụ có phấn dây quán bao quanh trụ thép Loạibiến áp trụ là máy biến áp 1 pha và 3 pha công suất nhỏ và trung bình

+ Máy biến áp kiểu bọc có phần mạch từ phân nhánh ra hai bên và bao bọc bởi dây quấn Loại biến áp này thường là biến áp nhỏ và đăc biệt

* Dây quấn máy biến áp:

- Dây quấn máy biến áp thường được làm bằng dây đồng là loại dâymềm, có độ bền cơ học cao, khó đứt, dẫn điện tốt, có tiết diện tròn hoặc chữnhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện.

- Dây quấn gồm nhiều vòng dây lồng vào trụ lõi thép Giữa các vòng dây,giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõithép

+ Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp

+ Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp

Ngoài hai bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như vỏ máy, vậtliệu cách điện vv

b) Nguyên lý làm việc của máy biến áp cảm ứng 1 pha.

-Xét sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha 2 dây quấn như hình vẽ:

(1) Cuộn sơ cấp: w1 vòng

(2) Cuộn thứ cấp: w2 vòng

(3) Lõi thép

(4) Phụ tải

Sơ đồ cấu nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha

- Nguyên lý làm việc của máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứngđiện từ:

Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sẽ có dòng diện i1 trongdây quấn 1, dòng i1 sinh ra sức từ động F=i1.w1 Sức từ động này sinh ra từ

thông ɸ móc vòng cả hai dây quấn 1 và 2 Theo định luật cảm ứng điện từ

trong cuộn dây 1 và 2 sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng e1 và e2, nếudây quấn 2 nối với một tải bên ngoài Zt thì dây quấn 2 sẽ có dòng điện i2 đưa

ra tải với điện áp u2

Như vậy năng lượng của dòng diện xoay chiều đã được truyền từ dâyquấn 1 sang dây quấn 2

2.1.2 Khối chỉnh lưu.

- Khối chỉnh lưu (mạch chỉnh lưu) có nhiệm vụ chuyển điện áp xoaychiều thành điện áp một chiều nhưng không bằng phẳng (có giá trị thay đổinhấp nhô) Sự thay đổi này phụ thuộc vào từng dạng mạch chỉnh lưu

- Ví dụ sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu thường được mắc như sau:

Uv

2.1.3 Bộ lọc.

- Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều nhấp nhô thành điện

áp một chiều ít nhấp nhô hơn, do đó bộ lọc được lắp đặt sau bộ chỉnh lưu.Đối với chỉnh lưu nửa chu kỳ, sau khi qua bộ lọc dòng điện ít bị nhấp nhohơn nhưng chưa được bằng phẳng Đối với chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, dòngđiện được liên tục hơn, sau khi qua bộ lọc sẽ được san bằng hơn so với chỉnhlưu bán chu kỳ Vì vậy, chọn chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (chỉnh lưu cầu) dùngcho bộ nguồn trên

2.1.4 Ổn áp.

Ổn định điện áp Thực tế có nhiều dạng ổn áp: ổn áp kiểu tham số( dùng điốt Zenner); ổn áp tuyến tính sử dụng IC; ổn áp xung Trong phạm

vi bộ nguồn này sử dụng IC để ổn áp

(Diode bán dẫn Si có U D = 0,6 V; Diode bán dẫn Ge có U D = 0,2 V) Ta sẽ sử

dụng chỉnh lưu cầu để điện áp sau khi qua chỉnh lưu ít nhấp nhô hơn

Đối với bộ nguồn như trên, ta cần lấy ra điện áp một chiều 9V bằngchỉnh lưu cầu, sử dụng Diode bán dẫn Si Theo đó, điện áp qua được chỉnhlưu cầu phải có giá trị thấp nhất bằng: 9 + 2.0,6 = 10,2 (V)

Chọn U21= 12V là điện áp thứ cấp cấp cho mạch điều chỉnh điện áp(0-9)V một chiều

Và U22= 24V là điện áp thứ cấp cấp cho mạch điều chỉnh điện áp 24)V xoay chiều

(0-Từ đây ta sẽ tính toán kích thước lõi thép và dây quấn cho máy biến

áp cảm ứng 1 pha

+ a (cm) : bề rộng trụ giữa của lõi thép.

+ b (cm) : bề dày của lõi thép biến áp

+ c (cm) : bề rộng của cửa sổ lõi thép

+ h (cm) : chiều cao của sổ lõi thép

Gọi X, i lần lượt là số lượng và bề dày bản lá thép, i (mm) Suy ra bề

dày của lõi thép biến áp là: X =¿ 10.b i

(2.1)

- Tiết diện của trụ lõi thép: Si (cm2)

+ Với lá thép kỹ thuật điện có bề dày tiêu chuẩn từ 0.5mm đến0.35mm, lá thép thuộc loại tôn cán lạnh với hàm lượng Si khoảng 4% thì tachọn giá trị của B từ 1,4 T đến 1,6 T

Chọn B=1,2T, suy ra:

nv= 1,2.8,445 ≈ 4,5 (vòng/volt)

- Số vòng dây quấn của các cuộn dây máy biến áp được xác định theosức điện động cảm ứng trong các bộ dây sơ cấp và thứ cấp.

Chọn U1 = U11 = 220V ; U2 = U22 = 24V là điện áp cuộn sơ cấp vàđiện áp cuộn thứ cấp, thì :

+ Số vòng dây cuộn sơ cấp :

Nghĩa là lấy điện áp 12V từ cuộn thứ cấp tại vòng dây số 60.

- Tiết diện của sổ lõi thép : Scs = h.c (cm2) Để tiết kiệm vật liệu tối

ưu nhất thường chọn h=3.c Do đó : Scs = 4.h (cm2) Đối với lá thép có kichthước theo tiêu chuẩn thì các kích thước có mối quan hệ theo tỷ lệ nhất định

I1, I2 là cường độ dòng điện sơ cấp và thứ cấp, đơn vị (A)

J là mật độ dòng điện, đơn vị (A/mm2)Với Pđm = 50W, chọn J = 3,5 (A/mm2)

+ Cường độ dòng điện cuộn sơ cấp:

I1 = U 1 P = 22050 0,23 (A)+ Cường độ dòng điện cuồn thứ cấp:

I2 = I 1.U 1 U 2 = 0,23.22024 2,1 (A)Suy ra:

Sd1 = 0,233,5 0,066 (mm2)

Sd2 = 2,13,5 0,6 (mm2)

Do vậy, đường kính cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là:

D1 = √4 Sd 1 π 0,3 (mm)D2 = √4 Sd 2 π 0,87 (mm)

- Tổng tiết diện dây quấn cuộn sơ cấp:

Ssc = N1.Sd1 = 990.0,066 = 65,34 (mm2)

- Tổng tiết diện dây quấn cuộn thứ cấp:

Stc = N2.Sd2 = 119.0,6 = 69,6 (mm2)

- Tín hiệu qua chỉnh lưu cầu có dạng như sau :

Qua tụ lọc tín hiệu được san phẳng hơn :

- Sau khi qua bộ chỉnh lưu cầu thì tụ lọc cũng phải đảm bảo chịu đượcđiện áp lớn nhất là:

Khi đó: CL = 0,00155 (F)

Tra bảng chọn tụ lọc : 2200 F / 25V (loại tụ hóa)

Lắp ráp và hàn gắn linh kiện vào bo mạch, sau đó bố trí vào vỏ hộp nguồn tađược sản phẩm như hình ảnh dưới đây:

Hình ảnh bên trong hộp nguồn.

Hình ảnh mặt trước của hộp nguồn.

1, Cắm phích điện của bộ nguồn vào mạng điện lưới 220V

2, Bật công tắc (5) khởi động bộ nguồn

3, Vặn chiết áp (4), (6) để điều chỉnh điện áp, giá trị điện áp ra đượchiển thị trên đồng hồ Kim đồng hồ chỉ vào giá trị điện áp đó

- Khi không sử dụng phải tắt công tắc, rút phích nguồn để đảm bảo an toàn

LỜI KẾT

Sau một thời gian nghiên cứu về các loại nguồn, tìm hiểu kiến thứcthực tế và kiến thức của thầy cô truyền dạy, chúng em đã hoàn thành đồ ánnày Qua quá trình thực hiện, chúng em đã rút ra được nhiều kinh nghiệmbiết phối hợp giữa lý thuyết với thực hành và biết cách làm việc theo nhóm.Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn khó tránh tránh được những thiếu sót.Chúng em rất mong được sự quan tâm, ủng hộ từ phía thầy, cô giáo để các

đồ án tiếp theo củng chúng em được hoàn thành tốt hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !