Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn

Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn

http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 1 Mục lục trang Lời nói đầu. 3 Chơng 1.Mở đầu. 5 1.1Phân tích v lựa chọn phơng áp tối u. 5 1.2Thuyết minh nguyên lý lm việc của bộ ổn áp. 8 Chơng 2. Tính toán mạch lực. 15 2.1 Khái quát chung mạch lực. 15 2.2 Tính toán công suất điện từ trong quá trình điều chỉnh. 17 2.3 Tính kích thớc cơ bản của mạch từ. 18 2.4 Tính thông số về điện. 20 2.5 Tính thông số dây quấn. 21 2.6 Tính toán sự phân bố dây quấn mạch lực. 22 Chơng 3. Tính toán thông số cuộn chuyển dịch v cuộn phản hồi tự động. 3.1 Tính mạch chuyển dịch. 38 3.2 Tính mạch phản hồi tự động. 40 Chơng 4. Tính chính xác lại kích mạch từ. 43 4.1 Thiết kế v tính chọn kích thớc bối dây. 43 4.2 Tính kích thớc mạch từ. 45 4.3 Tính toán chỉ số kinh tế cho thiết bị. 46 4.4 Kiẻm tra khả năng điều chỉnh điện áp của bộ ổn áp. 48 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 2 Chơng 5. Tính toán nhiệt v kiểm nghiệm lực cơ dây quấn. 52 5.1 Tính nhiệt độ lm việc của dây quấn. 52 5.2 Kiểm tra độ bền cơ của dây quấn. 54 Chơng 6. Khái quát chung về mạch điều khiển. 56 6.1 Giới thiệu chung vế mạch điều khiển. 56 6.2 Đặc điểm chung của tải cần điều chỉnh. 57 Chơng 7. Thiết kế mạch điều khiển. 61 7.1 Thiết kế mach chuyển dịch. 61 7.2 Tính toán thông số mạch chuyển dịch. 63 7.3 Thiết kê mạch điều khiển tự động. 65 7.4 Thiết kế v lựa chọn mạch điều khiển trung gian. 77 7.4 Tính chọn một số thông số mạch trung gian. 86 Chơng 8. Thuyết minh nguyên lý lm việc chung của mạch điều khiển đã thiết kế. 8.1 Nguyên lý lm việc của mach chuyển dịch. 89 8.2 Nguyên lý lm việc của mạch điều khiển tự động. 91 Chơng 9. Thiết kế kết cấu máy biến áp đã thiết kế. 94 Chuyên đề: So sánh các bộ ổn áp khác. 95 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 3 Lời nói đầu Ngy nay khi nền công nghiệp cng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện trong đời sống v sản xuất cng rộng rãi. Nguồn năng lợng điện với u thế l một nguồn năng lợng dễ sử dụng, không gây ô nhiễm môi trờng v con ngời có thể sản xuất đợc bởi vậy điện năng dần thay thế các năng lợng khác nh than, dầu mỏ, khí đốt Một vấn đề đặt ra cần đợc giải quyết đối với ngời vận hnh điện cũng nh hộ sử dụng điện l có một nguồn điện có chất lợng cao thể hiện ở các tính năng nh l sự ổn định điện áp v sự cân băng pha về góc v môdul, thời gian cung cấp điện .ổn định điện áp ảnh hởng rất nhiều tới các thông số kỹ thuật các chỉ tiêu kinh tế của thiết bị điện cụ thể (7): Đối với động cơ không đồng bộ khi điện áp giảm xuống 10% thì mô men quay giảm 19 % hệ số trợt tăng 27.5 % dòng rôto tăng 14% dòng stato tăng 10%,nếu giảm tiếp 20% thì mômen giảm 36%. Ngợc lại khi điện áp tăng lên 10% thì mômen quay tăng lên 21% hệ số trợt giảm xuống 20% dòng điện rôto giảm xuống 18% dòng điện stato giảm xuống còn 10% Đối với thiét bị chiếu sáng khi điện áp giảm xuống 10% thì quang thông giảm 30% ,điện áp giảm xuống 20% thì một số đèn huỳnh quang không có khả năng phát sáng .Khi điện áp tăng 10% thì quang thông của đèn tăng lên 35% tuổi thọ của đèn giảm đi 3 lần. Cho đến nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cho phép thiết kế một bộ nguồn ổn áp công suất lớn theo nhiều phơng pháp khác nhau nh l: ổn áp sắt từ có tụ. ổn áp dùng khuyếch đại từ + bán dẫn. ổn áp dùng bán dẫn. ổn áp dùng máy biến áp kết hợp với điều khiển tự động. http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 4 ở mỗi phơng án có những u nhợc điểm đặc trng riêng về thông số kỹ thuật, chỉ tiêu kinh tế .Trong nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp l thiết kế một bộ nguồn ổn định điện đáp dùng cho phụ tải chiếu sáng với các thông số cho trớc: Công suất định mức: S đm =60 KVA . Điện áp vo : U v =3304420 V . Điện áp ra : U R =380 v. Tần số điện áp nguồn: f=50 Hz. Nhiệm vụ tính toán đồ án gồm những phần sau: Phân tích v chọn phơng án. Tính toán điện từ. Tính toán phần điều khiển. Thiết kế kết cấu. Một bản vẽ A o tổng lắp ráp v 344 bản vẽ chi tiết. Chuyên đề : So sánh với các phơng pháp ổn định điện áp khác. Do thời gian hạn hẹp của một đồ án, với sự cố gắng của bản thân v sự hớng dẫn tận tình của thầy giáo TS Bùi Tín Hữu em đã hon thnh nội dung của đồ án. Nội dung của đồ án gồm ba phần chính: Phần 1: Thiết kế v tính toán mạch lực. Phần 2: Thiết kế v tính toán mạch điều khiển. Phần 3: Thiết kế kết cấu v bản vẽ lắp giáp, bản vẽ chi tiết. Do trình độ có hạn nên không tránh khỏi những sai sót, nhầm lẫn Em mong nhận đợc những chỉ bảo thêm của các Thầy v các Cô cùng các bạn để em hon thiện hơn. Em xin trân thnh cảm ơn. Một lần nữa em xin trân thnh cảm ơn thầy Bùi Tín Hữu đã giúp em hon thnh nội dung của đồ án ny. H nội ngy 20 tháng 4 năm 2001. Sinh viên: Trần Thế Nam http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 5 Phần một : thiết kế và tính toán phần mạch lực . Chơng I : Mở đầu. 1.1 Phân tích và lựa chọn phơng án tối u. Chất lợng nguồn điện năng đợc đánh giá qua nhiều yếu tố trong đó hai yếu tố đợc xem l quan trọng đối với thiết bị chiếu sáng l sự ổn định điện áp. Thờng trong thực tế phụ tải không phải lúc no cũng đóng điện v sự phân bố phụ tải l không đôí xứng giữa các pha gây nên sự mất tính đối xứng cho bộ nguồn cả về góc v giá trị kết quả l điện áp cấp cho thiết bị không đợc ổn định. Sự mất đối xứng điện áp gây ra sự thiệt hại về kinh tế đôi khi gây ra sự cố nghiêm trọng cho ngời dùng điện đặc biệt trong chiếu sáng.Theo thống kê (7): Nếu ánh sáng không đủ ngời công nhân sẽ lm việc trong điều kiện thần kinh căng thẳng hại mắt, hại sức khoẻ kết quả có thể gây ra hng loạt phế phẩm. Nếu độ rọi tăng lên 1,5 lần thì thời gian cho các thao tác chính sẽ giảm đi (8425)% v tăng năng suất lên (445)%. Nh vậy yêu cầu ổn định điện áp cho thiết bị chiếu sáng l rất cần thiết. Nh đã nói ở trên có rất nhiều cách để tạo ra một bộ ổn áp. Tuy nhiên ở mỗi bộ ổn áp có những u v khuyết điểm riêng. Việc phân tích để đa ra một kết cấu phù hợp cả về kinh tế v kỹ thuật l công việc hết sức quan trọng trớc khi thiết kế. Kiểu ổn định điện áp kiểu máy biến áp kết hợp điều khiển tự động. Trong máy biến áp điện áp tỉ lệ với số vòng dây theo biểu thức: 2U 1U = 2W 1W Điện áp đầu ra có thể thay đổi bằng cách thay đổi số vòng dây quấn của bối dây việc thay đổi đó thực hiện bằng việc thay đổi điểm đặt của điện áp vo hoặc điện áp ra.Thờng thì việc đổi nối ny đợc thực hiện trên phía cao áp dòng điện lm việc bé hơn, số U 1 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 6 vòng lớn hơn.Đối với máy ổn áp có công suất nhỏ thì ta có thể dùng tiếp điểm chổi than trợt trên các vòng dây, còn với máy có công suất lớn thì việc điều chỉnh đợc thực hiện bằng đổi nối tiếp điểm . Việc đổi nối ny có thể đợc thực hiện tự động nhờ một mạch chức năng điều khiển tự động -truyền động điện. Tín hiệu điện áp ra sẽ quyết định chiều chuyển động của chổi than cũng nh hớng đóng v mở của tiếp điểm đối với máy có công suất lớn. Trong cách ny điện áp điều chỉnh ra l nhảy cấp hơn nữa quá trình điều chỉnh có tiếp điểm nên sảy ra hiện tợng hồ quang sinh ra tia lửa điện bởi vậy theo phơng pháp ny điện áp ra l không mịn v công suất bị hạn chế do hồ quang sinh ra v khi công suất lớn thì không thể điều chỉnh dới tải đợc. Máy ổn áp ny không hoạt động đợc trong các môi trờng đòi hỏi sự an ton về chống cháy nổ. Ưu điểm của hình thức ổn áp ny l điện áp ra l hình dáng điện áp ra giống điện áp vo .Điện áp ra l sin ổn định điện áp kiểu khuyếch đại từ. Sơ đồ đơn giản: Tải đợc nối nối tiếp với một cuộn kháng có điều khiển v đợc nối với một điện U CC . Điều khiển cuộn kháng thông qua mạch điều khiển một chiều U ĐK . U ĐK thay đổi dẫn đến dòng điện điều khiển thay đổi. Dòng điện điều khiển một chiều từ hoá lõi thép của cuộn kháng sẽ lm điện kháng của cuộn kháng thay đổi. Khi đó điện áp rơi trên tải sẽ l: Upt Ut Zpt Zt = Nh vậy thay đổi Uđk sẽ thay đổi điện áp rơi trên tải Z t . Theo phơng pháp ny kết cấu mạch tơng đối cồng kềnh, quán tính điều khiển lớn có u điểm l bền. Trên cơ sở các phần tử cơ bản đó xây dựng nên máy ổn định điện áp kiểu tự ngẫu dùng phần tử cuộn kháng bão ho có điều khiển. Nguyên lý cấu tạo hoạt động giống nh máy biến áp tự ngẫu nên u điểm của phơng pháp ny l kích thớc mạch từ đợc thu nhỏ rất nhiều do vậy tiết kiệm đợc vật liệu v tổn hao trên mạch từ hơn nữa việc điều khiển đợc thực hiện nhờ modul điều khiển, modul ny đợc xây dựng từ Z t Z PT U đk U cc Z ĐK http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 7 những phần tử bán dẫn nên tốc độ sử lí rất nhanh. Theo cách ny thì nó khắc phục đợc những nhợc điểm m khuyếch đại từ gặp phải. Nó khắc phục đợc tính cồng kềnh của thiết bị trong khi các u điểm khác nh độ bền, khả năng chịu quá tải vẫn đợc duy trì. ổn định điện áp bằng sắt từ có tụ: Cấu tạo v hoạt động rất đơn giản gồm hai cộn kháng quấn trên cùng một lõi thép kỹ thuật điện. Một cuộn tuyến tính L 1 v một cuộn phi tuyến tính L 2 lm việc ở chế độ bão ho. Điện áp vo v điện áp ra nh hình vẽ: đặc điểm của bộ ổn áp ny Dòng không tải nhỏ, phạm vi ổn định rộng, bền Dạng sóng điện áp ra méo. Công suất bị hạn chế (<1 KVA ). ổn định điện áp bằng điện tử công suất. Dùng van bán dẫn thay đổi góc mở để giới hạn điện áp ra. Việc thay đổi thời điểm phát xung sẽ thay đổi điện áp ra.Ngoi u điểm l điện áp ra l mịn, có khả năng điều chỉnh dới tải,quán tính điều chỉnh bé. ở phơng pháp ny gặp phải một số nhợc điểm l: 1. Điện áp ra sẽ l không sin. Điện áp ra sẽ luôn nhỏ hơn điện áp vo nghĩa l chỉ có thể giảm điện áp nên cần có một nguồn điện áp xoay chiều lớn. 2. Van bán dẫn có công suất lớn rất đắt v hiếm, do đó thiết kế một nguồn có công suất lớn l rất khó. 3. Khả năng chịu quá tải kém do khi quá tải sẽ sinh ra nhiệt lớn sẽ lm thay đổi đặc tính điều chỉnh v hơn nữa linh kiện bán dẫn rất nhạy với nhiệt nên đối với việc thiết kế toả nhiệt cho bộ nguồn ổn áp công suất lớn l rất khó khăn. Kết luận. BBĐ U V U R u V u ra l 1 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 8 Qua sự phân tích ở trên thì ở mỗi hình thức ổn áp có những u v nhợc điểm khác nhau. Căn cứ vo yêu cầu của đồ án l thiết kế bộ nguồn ổn áp có công suất l 60 kva điện áp ra l 380 3% cho mạch chiếu sáng nên ta chọn hình thức ổn áp dùng khuyếch đại từ . 1.2 Thuyết minh nguyên lý làm việc của bộ ổn định điện áp dùng khuyếch đại từ. Cuộn kháng bão ho có điều khiển. Cấu tạo: Trên mạch từ cuộn dây W 2 mắc nối tiếp với tải Zt v đợc cấp bởi nguồn xoay chiều U n .Cuộn dây điều khiển W1 đợc cấp bởi nguồn một chiều U đk . Hoạt động: Khi đặt điện áp xoay chiều vo cuộn W 2 có một dòng điện chạy qua W 2 I ~ = ZlZt U + ~ Dòng điện ny theo định luật cảm ứng điện từ thí nó sẽ sinh ra một từ thông từ hoá lõi thép v bản thân nó sinh ra một điện kháng: x l = .L L= w 2 .G Để cho đơn giản trong quá trình tính toán ta bỏ qua thnh phần từ thông rò, từ thông tản của mạch từ. Khi đó hệ số điện cảm L sẽ đợc tính theo biểu thức gần đúng L= w 2 (S/l). Với w :số vòng dây. :từ thẩm lõi thép. S, l :tiết diện, chiều di của lõi thép. Trên cuộn dây sẽ có một điện áp rơi. Điện áp rơi phụ thuộc vo x l , L các thông số của cuộn dây l, S, w, R, Zt l không thay đổi chỉ có l thay đổi đợc nhờ vo việc thay đổi thông số mạch từ. Thay đổi thông số mạch từ bằng cách dùng mạch điện một chiều thay đổi đợc từ hoá lõi thép. Quan hệ giữa dòng điều khiển I đk , , L có dạng. U đk Z t U n W2 W1 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 9 Khi tăng dòng điều khiển I đk sẽ lm giảm thông số dẫn đến lm giảm thông số địên cảm điện kháng của cuộn kháng dẫn đến lm giảm Z l m Ul Ut Zl Zt = Z l giảm nên U 1 giảm theo. Nh vậy có thể điều chỉnh điện áp rơi trên cuộn kháng bằng cách điều chỉnh dòng điện điều khiển. Ta có thể thay thế tơng đơng mạch trên nh sau: Nh vậy theo định luật cảm ứng điện từ thì trên W 1 sẽ xuất hiện một điện áp cảm ứng xoay chiều cảm ứng từ W 2 sang do đó trên W 1 tồn tại cả thnh phần xoay chiều v thnh phần một chiều nên tồn tại sai số cho quá trình điều khiển. Để triệt tiêu thnh phần xoay chiều trên cuộn điều khiển W 1 thay vì dùng một cuộn ngời ta dùng hai cuộn giống nhau bằng một nửa cuộn ban đầu nối nối tiếp nhng ngợc cực tính với nhau do đó sẽ xuất hiện hai thnh phần xoay chiều cảm ứng trên hai cuộn sẽ có giá trị bằng nhau nhng ngợc chiều do đó chúng sẽ tự triệt tiêu cho nhau hon ton. I đk L I đk U XC U ĐK W ~ U ~ W đk http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 10 Dựavo đặc tính trên của cuộn kháng bão ho có điều khiển ta thiết kế bộ ổn áp có sơ đồ nguyên lý hoạt động nh sau: Hình . Nguyên lý hoạt động của mạch lực: Do tính chất đối xứng nên ta chỉ cần xét cho một pha Xét pha A Điện áp vo đặt lên ba cuộn W 1 , W 2 , W 3 điện áp ra lấy trên ba cuộn W 1 , W 2 , W 4 U v = U 1 +U 2 + U 3 ; U r = U 1 +U 2 + U 4 ; Ta giả thiết chiều dòng điện v điện áp có dạng nh hình vẽ Ur U V I V I R * * W 3 W 2 W 4 W 1 Hình * O U 1 U 2 U 3 U 4 U 1 U 2 U 3 U 4 U 1 U 2 U 3 U 4 U r ~ 3 pha U v ~ 3 pha * * * * * * * * * * * * [...]... số pha của máy biến áp Khi điện áp vo lớn hơn điện áp vo định mức Khi điện áp vo lớn hơn điện áp vo định mức thì ta phải bơm dòng điện điều khiển một chiều vo lõi hai Công suất điện từ lớn nhất m lõi thép phải chịu khi giảm điện áp l STK=STRì ( U1 U 2 420 380 )=60ì ( )=4.57 (KVA) U1 420 Công suất thiết kế trên một lõi thép l Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 17 http://www.ebook.edu.vn S1F = Đồ... điện áp vo bé hơn điện áp vo định mức thì ngời ta phải bơm dòng điện điều khiển một chiêù vo lõi một thì phần công suất điện từ rơi trên lõi một đợc tính theo công thức: STK=STRì ( U 2 U1 ) U2 [2] Với: STK công suất thiết kế (phần công suất điện từ trong máy biến áp tự ngẫu ) STR: công suất truyền tải U1: điện áp vo điện áp ra định mức (điện áp tính toán) U 2: U2TT=U2 ì KO :KO hệ số kể đến sự tổn hao... điện áp vo định mức do đó điện áp ra sẽ lớn hơn Điện áp rơi trên các cuộn W2 giảm xuống Điện áp trên W2 giảm kéo theo sự giảm điện áp trên cuộn W4 Tơng tự sự tăng điện áp trên cuộn Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 11 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp W1 l nhỏ so với sự giảm điện áp trên các cuộn W2, W4 cho nên điện áp ra l giảm Quá trình điều khiển công việc trên có thể thực hiện bằng mạch... lm cho điện áp trên các cuộn W2 v W4 giảm xuống Sự giảm xuống của điện áp trên các cuộn W2,W4 lm cho điện áp trên các Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 16 http://www.ebook.edu.vn Đồ án tốt nghiệp cuộn W1 v W3 tăng lên tuy nhiên lợng tăng lên nhỏ hơn sự giảm nên điện áp ra UR= U1 + U2 + U4 vẫn giảm xuống 2.2 Tính công suất điện từ trong quá trình điều chỉnh Khi điện áp vo bé hơn điện áp vo định... gần bão ho thì việc điều chỉnh l không thực hiện đợc Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 14 http://www.ebook.edu.vn Chơng 2 : Đồ án tốt nghiệp Tính toán mạch lực 2.1 Khái quát chung về mạch lực Mạch điện công suất (mạch động lực) do miền điều khiển điện áp từ 330420 vôn nên đợc thiết kế theo kiểu máy biến áp tự ngẫu nên dòng điện của máy biến áp đợc chia lm hai thnh phần : Thnh phần dòng điện truyền... pha của máy biến m 3 áp Công suất điện từ lớn nhất m mạch từ phải chịu khi giảm điện áp l 4.57 (KVA).v khi tăng điện áp l 8.96 (KVA) 2.3 Tính kích thớc cơ bản của mạch từ Do quá trình điều chỉnh điện áp cùng chung một mạch từ nên ta chọn công suất điện từ cho hai trờng hợp tăng điện áp v giảm điện áp l nh nhau v bằng công suất lớn nhất trong hai quá trình điều chỉnh 8.96 (KVA) Công suất mỗi trụ phải chịu... biến áp nghĩa l phần công suất ny đợc truyền theo kiểu điện Trong trờng hợp ny dải điều chỉnh l 330ữ420 vôn v điện áp định mức điều chỉnh ra l 380 vôn nên hệ số điều chỉnh l bé nên phần công suất truyền theo kiểu điện từ l bé do đó phần công suất truyền thẳng điện l rất lớn UV=330 ữ420 vôn: Ur =380 vôn=constant Quá trình lm việc ổn áp của máy biến áp gồm hai miền.Miền trên l miền hạ áp khi điện áp vo lớn. .. Trong thiết kế v tính toán dây quấn ta tạm coi tổn hao trên mạch từ v trên dây quấn l rất nhỏ do đó có thể bỏ qua Trong máy biến áp ba pha công suất máy biến áp đợc tính theo công thức: S = 3 UI10-3 I = S 3 ì U ì I ì!0 3 Ura =388 vôn Ira = Uv = 330 vôn Iv = Uv = 380 vôn Iv = 60 3 ì 388ì!0 3 60 3 ì 330ì!0 3 60 3 ì 380ì!0 3 Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn =89,2 A =104,9 A =91,9 A 20 http://www.ebook.edu.vn... cảm ứng l I42 Chiều dòng điện v điện áp có chiều nh hình vẽ: IV UV IV I12 IR IR Ur Nh vậy điện áp Uv sinh ra dòng điện Iv sau khi gây sụt áp trên các cuộn W3 v W4 v đợc cộng thêm thnh phần cảm ứng từ W2 sang W4 l e24 do đó ta có quan hệ điện áp giữa điện áp vo v điện áp ra nh sau: UV -U3 =Ura +U4 -U24 (1) hay U24 - U4 - U3 =Ura - Uv Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 22 http://www.ebook.edu.vn Đồ án... đến tổng trở của cuộn dây giảm lm giảm điện áp rơi trên các cuộn dây W1, W3 Điện áp trên cuộn W1, W3 giảm bao nhiêu thì điện áp rơi trên W2sẽ tăng lên bấy nhiêu qua quan hệ biến áp thì điện áp cảm ứng sang cuộn W4 cũng tăng bấy nhiêu.Sự giảm điện áp trên cuộn W1l nhỏ so với sự tăng điện áp trên cuộn W2, W4 kết quả l điện áp ở đầu ra tăng lên Khi điện áp vo lớn hơn điện áp vo định mức do đó điện áp ra