Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn

Trang 1

Thiết kế bộ nguồn ổn áp công suất lớn 1

Mục lục trang

Lời nói đầu 3

Chương 1.Mở đầu 5

1.1Phân tích vμ lựa chọn phương áp tối ưu 5

1.2Thuyết minh nguyên lý lμm việc của bộ ổn áp 8

Chương 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 thước 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

Chương 3 Tính toán thông số cuộn chuyển dịch vμ cuộn phản hồi tự động 3.1 Tính mạch chuyển dịch 38

3.2 Tính mạch phản hồi tự động 40

Chương 4 Tính chính xác lại kích mạch từ 43

4.1 Thiết kế vμ tính chọn kích thước bối dây 43

4.2 Tính kích thước 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

Trang 2

Chương 5 Tính toán nhiệt vμ kiểm nghiệm lực cơ dây quấn 52

5.1 Tính nhiệt độ lμm việc của dây quấn 52 5.2 Kiểm tra độ bền cơ của dây quấn 54 Chương 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 Chương 7 Thiết kế mạch điều khiển 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 vμ lựa chọn mạch điều khiển trung gian 77 7.4 Tính chọn một số thông số mạch trung gian 86 Chương 8 Thuyết minh nguyên lý lμm việc chung của mạch điều

8.1 Nguyên lý lμm việc của mach chuyển dịch 89 8.2 Nguyên lý lμm việc của mạch điều khiển tự động 91 Chương 9 Thiết kế kết cấu máy biến áp đã thiết kế 94

Trang 3

Lời nói đầu

Ngμy nay khi nền công nghiệp cμng phát triển thì nhu cầu sử dụng điện trong đời sống vμ sản xuất cμng rộng rãi Nguồn năng lượng điện với ưu thế lμ một nguồn năng lượng dễ sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường

vμ con người có thể sản xuất được bởi vậy điện năng dần thay thế các năng lượng khác như than, dầu mỏ, khí đốt

Một vấn đề đặt ra cần được giải quyết đối với người vận hμnh điện cũng như hộ sử dụng điện lμ có một nguồn điện có chất lượng cao thể hiện ở các tính năng như lμ sự ổn định điện áp vμ sự cân băng pha về góc vμ môdul, thời gian cung cấp điện .ổn định điện áp ảnh hưởng 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 trượt tăng 27.5 % dòng rôto tăng 14% dòng stato tăng 10%,nếu giảm tiếp 20% thì mômen giảm 36% Ngược lại khi điện áp tăng lên 10% thì mômen quay tăng lên 21% hệ số trượt 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 φ 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 phương pháp khác nhau như lμ:

Trang 4

ở mỗi phương án có những ưu nhược điểm đặc trưng riêng về thông số

kỹ thuật, chỉ tiêu kinh tế Trong nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp lμ thiết

kế một bộ nguồn ổn định điện đáp dùng cho phụ tải chiếu sáng với các thông số cho trước:

Chuyên đề: So sánh với các phương pháp ổn định điện áp khác

Do thời gian hạn hẹp của một đồ án, với sự cố gắng của bản thân vμ sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS Bùi Tín Hữu em đã hoμn thμnh nội dung của đồ án Nội dung của đồ án gồm ba phần chính:

Phần 1: Thiết kế vμ tính toán mạch lực

Phần 2: Thiết kế vμ tính toán mạch điều khiển

Phần 3: Thiết kế kết cấu vμ 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 được những chỉ bảo thêm của các Thầy vμ các Cô cùng các bạn để em hoμn thiện hơn Em xin trân thμnh cảm ơn

Một lần nữa em xin trân thμnh cảm ơn thầy Bùi Tín Hữu đã giúp em hoμn thμnh nội dung của đồ án nμy

Hμ nội ngμy 20 tháng 4 năm 2001

Sinh viên:

Trần Thế Nam

Trang 5

Phần một : thiết kế và tính toán phần

1.1 Phân tích và lựa chọn phương án tối ưu

Chất lượng nguồn điện năng được đánh giá qua nhiều yếu tố trong đó hai yếu tố được xem lμ quan trọng đối với thiết bị chiếu sáng lμ sự ổn định

điện áp Thường trong thực tế phụ tải không phải lúc nμo cũng đóng điện

vμ sự phân bố phụ tải lμ không đôí xứng giữa các pha gây nên sự mất tính

đối xứng cho bộ nguồn cả về góc vμ giá trị kết quả lμ điện áp cấp cho thiết

bị không được 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 người dùng điện đặc biệt trong chiếu sáng.Theo thống kê (7):

Nếu ánh sáng không đủ người công nhân sẽ lμm việc trong điều kiện thần kinh căng thẳng hại mắt, hại sức khoẻ kết quả có thể gây ra hμng loạt phế phẩm Nếu độ rọi tăng lên 1,5 lần thì thời gian cho các thao tác chính sẽ giảm đi (8425)% vμ tăng năng suất lên (445)% Như vậy yêu cầu ổn định

điện áp cho thiết bị chiếu sáng lμ rất cần thiết Như đã nói ở trên có rất nhiều cách để tạo ra một bộ ổn áp Tuy nhiên ở mỗi bộ ổn áp có những ưu

vμ khuyết điểm riêng Việc phân tích để đưa ra một kết cấu phù hợp cả về kinh tế vμ kỹ thuật lμ công việc hết sức quan trọng trước 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:

2 U

1 U

=

2 W

1 W

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 vμo hoặc điện áp ra.Thường thì việc đổi nối nμy được thực hiện trên phía cao áp dòng điện lμm việc bé hơn, số

U1

Trang 6

vòng lớn hơn.Đối với máy ổn áp có công suất nhỏ thì ta có thể dùng tiếp

điểm chổi than trượt trên các vòng dây, còn với máy có công suất lớn thì việc điều chỉnh được thực hiện bằng đổi nối tiếp điểm Việc đổi nối nμy

có thể được 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 như hướng đóng vμ mở của tiếp điểm đối với máy

có công suất lớn Trong cách nμy điện áp điều chỉnh ra lμ nhảy cấp hơn nữa quá trình điều chỉnh có tiếp điểm nên sảy ra hiện tượng hồ quang sinh

ra tia lửa điện bởi vậy theo phương pháp nμy điện áp ra lμ không mịn vμ công suất bị hạn chế do hồ quang sinh ra vμ khi công suất lớn thì không thể điều chỉnh dưới tải được Máy ổn áp nμy không hoạt động được trong các môi trường đòi hỏi sự an toμn về chống cháy nổ Ưu điểm của hình thức ổn áp nμy lμ điện áp ra lμ hình dáng điện áp ra giống điện áp vμo Điện áp ra lμ sin

• ổn định điện áp kiểu khuyếch đại từ

Sơ đồ đơn giản:

Tải được nối nối tiếp với một cuộn kháng có

điều khiển vμ được nối với một điện UCC

Điều khiển cuộn kháng thông qua mạch điều

khiển một chiều UĐK

UĐK thay đổi dẫn đến dòng điện điều khiển

thay đổi Dòng điện điều khiển một chiều từ hoá lõi thép của cuộn kháng

sẽ lμm điện kháng của cuộn kháng thay đổi Khi đó điện áp rơi trên tải sẽ lμ:

Upt

Ut Zpt Zt =

Như vậy thay đổi Uđk sẽ thay đổi điện áp rơi trên tải Zt Theo phương pháp nμy kết cấu mạch tương đối cồng kềnh, quán tính điều khiển lớn có

ưu điểm lμ 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 hoμ có điều khiển Nguyên lý cấu tạo hoạt động giống như máy biến áp tự ngẫu nên ưu

điểm của phương pháp nμy lμ kích thước mạch từ được thu nhỏ rất nhiều

do vậy tiết kiệm được vật liệu vμ tổn hao trên mạch từ hơn nữa việc điều khiển được thực hiện nhờ modul điều khiển, modul nμy được xây dựng từ

Trang 7

những phần tử bán dẫn nên tốc độ sử lí rất nhanh Theo cách nμy thì nó khắc phục được những nhược điểm mμ khuyếch đại từ gặp phải Nó khắc phục được tính cồng kềnh của thiết bị trong khi các ưu điểm khác như độ bền, khả năng chịu quá tải vẫn được duy trì

• ổn định điện áp bằng sắt từ có tụ:

Cấu tạo vμ hoạt động rất đơn giản gồm hai cộn kháng quấn trên cùng một lõi thép kỹ thuật điện Một cuộn tuyến tính L1 vμ một cuộn phi tuyến tính

L2 lμm việc ở chế độ bão hoμ Điện áp vμo vμ điện áp ra như hình vẽ:

đặc điểm của bộ ổn áp nμy

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 α sẽ thay đổi điện áp ra.Ngoμi ưu điểm lμ

điện áp ra lμ mịn, có khả năng điều chỉnh dưới

tải,quán tính điều chỉnh bé ở phương pháp nμy gặp phải một số nhược

điểm lμ:

1 Điện áp ra sẽ lμ không sin Điện áp ra sẽ luôn nhỏ hơn điện áp vμo nghĩa lμ 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 vμ hiếm, do đó thiết kế một nguồn có công suất lớn lμ rất khó

3 Khả năng chịu quá tải kém do khi quá tải sẽ sinh ra nhiệt lớn sẽ lμm thay đổi đặc tính điều chỉnh vμ 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 lμ rất khó khăn

Trang 8

Qua sự phân tích ở trên thì ở mỗi hình thức ổn áp có những −u vμ nh−ợc

điểm khác nhau Căn cứ vμo yêu cầu của đồ án lμ thiết kế bộ nguồn ổn áp

có công suất lμ 60 kva điện áp ra lμ 380 ± 3% cho mạch chiếu sáng nên ta chọn hình thức ổn áp dùng khuyếch đại từ

Trên mạch từ cuộn dây W2 mắc nối tiếp

với tải Zt vμ đ−ợc cấp bởi nguồn xoay

chiều Un.Cuộn dây điều khiển W1 đ−ợc

cấp bởi nguồn một chiều Uđk

U +

Để cho đơn giản trong quá trình tính toán ta bỏ qua thμnh phần từ thông

rò, từ thông tản của mạch từ Khi đó hệ số điện cảm L sẽ đ−ợc tính theo biểu thức gần đúng

L= w2.μ.(S/l) Với w :số vòng dây

μ :từ thẩm lõi thép

S, l :tiết diện, chiều dμi của lõi thép

Trên cuộn dây sẽ có một điện áp rơi Điện áp rơi phụ thuộc vμo xl, L các thông số của cuộn dây l, S, w, R, Zt lμ không thay đổi chỉ có μ lμ thay đổi

đ−ợc nhờ vμo việc thay đổi thông số mạch từ Thay đổi thông số mạch từ μ bằng cách dùng mạch điện một chiều thay đổi đ−ợc từ hoá lõi thép Quan

hệ giữa dòng điều khiển Iđk, μ, L có dạng

Uđk

Zt

Un

W2 W1

Trang 9

Zt =

Zl giảm nên U1 giảm theo Như vậy có thể điều chỉnh điện áp rơi trên cuộn kháng bằng cách điều chỉnh dòng điện điều khiển

Ta có thể thay thế tương đương mạch trên như sau:

Như vậy theo định luật cảm ứng điện từ thì trên W1 sẽ xuất hiện một điện

áp cảm ứng xoay chiều cảm ứng từ W2 sang do đó trên W1 tồn tại cả thμnh phần xoay chiều vμ thμnh phần một chiều nên tồn tại sai số cho quá trình

điều khiển Để triệt tiêu thμnh phần xoay chiều trên cuộn điều khiển W1thay vì dùng một cuộn người ta dùng hai cuộn giống nhau bằng một nửa cuộn ban đầu nối nối tiếp nhưng ngược cực tính với nhau do đó sẽ xuất hiện hai thμnh phần xoay chiều cảm ứng trên hai cuộn sẽ có giá trị bằng nhau nhưng ngược chiều do đó chúng sẽ tự triệt tiêu cho nhau hoμn toμn

Trang 10

Dựavμo đặc tính trên của cuộn kháng bão hoμ 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

Trang 11

Cuộn W1, W3 được cuộn trên cùng một lõi thép như một cuộn kháng,

cuộn W2,W4 được cuộn trên cùng một lõi thép quan hệ điện từ theo kiểu

biến áp Các cực tính của cuộn dây có chiều như hình vẽ: (Hình )

• Khi ta đặt điện áp vμo lμ định mức nghĩa lμ UV=380V thì điện áp trên

các cuộn lμ định mức vμ điện áp ra lμ định mức

• Khi điện áp vμo nhỏ hơn điện áp định mức thì điện áp rơi trên các

cuộn sẽ giảm vμ nhỏ hơn giá trị định mức

bằng cách bơm dòng điều khiển một chiều vμo lõi 1 lμm cho mật độ từ

thông trong lõi thép tăng lên theo biểu thức:

B=BO+Bxc

Với BO,, BXC lμ từ cảm bị từ hoá bởi thμnh phần dòng

điện một chiều vμ dòng điện xoay chiều gây nên

Tăng giá trị của B lμm cho lõi thép sớm bão hoμ lμm cho từ thẩm của lõi

thép μ=dB/dH giảm xuống sự giảm của μ kéo theo sự giảm của điện cảm

điện kháng của cuộn dây dẫn đến tổng trở của cuộn dây giảm lμm 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 W1lμ nhỏ so với sự tăng điện áp trên cuộn W2, W4 kết quả lμ

điện áp ở đầu ra tăng lên

• Khi điện áp vμo lớn hơn điện áp vμo 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 Tương tự sự tăng điện áp trên cuộn

Trang 12

W1 lμ nhỏ so với sự giảm điện áp trên các cuộn W2, W4 cho nên điện áp ra

lμ giảm

Quá trình điều khiển công việc trên có thể thực hiện bằng mạch điện

điều khiển đ−ợc mô tả nh− hình vẽ

Hình

Bộ điều khiển thực việc phát xung mở trisistor T1 vμ T2 nó nhận tín hiệu

điện áp điều khiển từ mạch lực đ−a về để thực hiện việc thay đổi thời điểm cấp phát xung cũng nh− việc quyết định cấp xung cho trisistor nμo Khi

điện áp vμo nhỏ hơn điện áp định mức cấp phát xung cho T1 bơm vμo lõi

1 vμ khi điện áp vμo lớn hơn điện áp định mức thì cấp xung cho T2 để bơm dòng một chiều vμo lõi 2

Trang 13

Hình Trên mỗi pha các cuộn dây được bố trí như hình vẽ để đảm bảo khả năng chuyển dịch trên cả hai lõi thép vμ triệt tiêu thμnh phần xoay chiều cảm ứng trên cuộn dây điều khiển nên mỗi cuộn chuyển dịch cơ bản được chia thμnh hai cuộn nhỏ vμ chúng được đấu ngược cực tính với nhau nên mỗi pha có 8 cuộn dây

Hoạt động:

Bình thường khi điện áp vμo vμ điện áp ra lμ đối xứng vμ phụ tải lμ đối xứng thì có một dòng điện một chiều định mức chạy qua Dòng điện điều khiển định mức nμy do điện áp điều khiển định mức sinh ra Khi đó lõi thép chịu sự từ hoá của hai thμnh phần:

Thμnh phần từ hoá gây ra bởi thμnh phần dòng điện một chiều

Thμnh phần từ hoá gây ra bởi thμnh phần dòng điện xoay chiều Dòng điện một chiều sẽ từ hoá lõi thép ngay bản thân pha đó vμ pha bên cạnh nghĩa lμ:

uab sinh ra dòng điện iab từ hoá 12 lõi thép pha A vμ 12 lõi thép pha B

ubc sinh ra dòng điện ibc từ hoá 12 lõi thép pha B vμ 12 lõi thép pha C

R

MBA ĐK CL-Đ

Trang 14

uca sinh ra dòng điện ica từ hoá 12 lõi thép pha C vμ 12 lõi thép pha A

Khi sảy ra hiện tượng quá tải một pha hay lệch tải pha nμo đó sẽ lμm cho

điện áp của riêng pha đó giảm khỏi giá trị định mức do đó điện áp dây ở pha UAB đó cũng giảm xuống Sự giảm của điện áp dây lμm cho điện áp

điều khiển uab của pha dó giảm xuống theo khi đó dòng điện điều khiển một chiều giảm xuống dẫn đến điện kháng của pha đó tăng lên, lμm cho

điện áp ở pha đó pha A,B UAtăng, UB tăng dẫn đến UAB tăng lên theo Các pha khác cũng tương tự Việc giữ cân bằng

điện áp giữa các pha được thực hiện một cách tự

động Điện trở điều chỉnh cho phép điều chỉnh cấp

dòng điện một chiều cấp cho mạch nμy Thay đổi

dòng điện điều khiển nμy sẽ lμm cho lõi thép sẽ bão

hoμ muộn hơn điều nμy cho phép tăng được điện áp

bão hoμ của lõi thép nghĩa lμ mục đích cuối cùng của việc nμy lμ điều chỉnh điểm lμm việc của lõi thép về vùng lμm việc tuyến tính trên đường

đặc tính từ hoá

Khi đó dải điều chỉnh sẽ nằm trong vùng tuyến tính tránh được sai số do bão hoμ mạch từ gây ra bởi vì khi mạch từ lμm việc ở vùng bão hoμ hoặc gần bão hoμ thì việc điều chỉnh lμ không thực hiện được

Trang 15

Chương 2 : 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

330-420 vôn nên được thiết kế theo kiểu máy biến áp tự ngẫu nên dòng điện của máy biến áp được chia lμm hai thμnh phần :

• Thμnh phần dòng điện truyền trực tiếp từ sơ cấp sang thứ cấp

• Thμnh phần truyền từ sơ cấp sang thứ cấp theo quan hệ biến áp nghĩa lμ phần công suất nμy được truyền theo kiểu điện

Trong trường hợp nμy dải điều chỉnh lμ 330ữ420 vôn vμ điện áp định mức

điều chỉnh ra lμ 380 vôn nên hệ số điều chỉnh lμ bé nên phần công suất truyền theo kiểu điện từ lμ bé do đó phần công suất truyền thẳng điện lμ rất lớn

UV=330 ữ420 vôn:

Ur =380 vôn=constant Quá trình lμm việc ổn áp của máy biến áp gồm hai miền.Miền trên lμ miền hạ áp khi điện áp vμo lớn hơn giá trị định mức từ (380ữ 420) vôn thì phải giảm xuống bằng giá trị định mức mong muốn còn miền dưới lμ miền tăng áp khi điện áp vμo nhở hơn giá trị định mức thì máy phải thực hiện quá trình tăng điện áp ở đầu ra lên bằng giá trị định mức Để tiện việc bố trí dây quấn mạch lực cũng như dây quấn điều khiển nên mạch từ của máy

ổn áp kiểu khuyếch đại từ trong trường hợp nμy có dạng như hình vẽ :

Hình Lõi 1

Lõi 1

Trang 16

Sơ đồ dây quấn mạch lực:

Trên lõi 1 quấn các cuộn W1,W3 trên lõi thép 2 quấn các cuộn W2, W4

Điện áp vμo đặt trên ba cuộn W1, W2 vμ W3 Điện áp ra lấy trên ba cuộn

W1, W2 vμ W4 Khi điện áp vμo nhỏ hơn giá trị định mức thì ở trạng thái tự

nhiên nghĩa lμ không có sự điều chỉnh điện áp đặt trên các cuộn lμ U1, U2,

U3 vμ U4 nhỏ hơn giá trị điện áp khi ta đặt vμo đầu vμo một giá trị điện áp

vμo định mức do đó điện áp ra lấy trên ba cuộn lμ W1,W2 vμ W4 lμ:

UR=U1+U2 +U4 <URđm

Để tăng điện áp đầu ra ta phải bơm dòng điện một chiều vμo lõi trên lμ lõi

1 lμm cho thông số của mạch từ lμ từ thẩm μ giảm xuống dãn đến điện

kháng, điện áp rơi trên các cuộn dây quấn trên nó lμ U1, u3 giảm xuống

U=I ì Z

Z= R + jωL

L=W2G =W2μ ì (S / l)

Điện áp trên các cuộn W1, W3 giảm xuống lμm cho điện áp trên các cuộn

W2, W4 tăng lên kết quả lμ lμm cho điện áp ở đầu ra tăng lên Tương tự

cho trường hợp giảm điện áp khi điện áp vμo lớn hơn giá trị định mức thì

điện áp ở đầu ra lμ lớn hơn giá trị mong muốn do đó cần phải giảm điện áp

đầu ra xuống Giảm điện áp đầu ra xuống bằng cách bơm dòng điện một

chiều vμo lõi 2 lμm cho điện áp trên các cuộn W2 vμ W4 giảm xuống Sự

giảm xuống của điện áp trên các cuộn W2,W4 lμm cho điện áp trên các

Trang 17

cuộn W1 vμ W3 tăng lên tuy nhiên lượng 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 vμo bé hơn điện áp vμo định mức

Khi điện áp vμo bé hơn điện áp vμo định mức thì người ta phải bơm dòng

điện điều khiển một chiêù vμo lõi một thì phần công suất điện từ rơi trên

lõi một được tính theo công thức:

STK=STRì (

2

1 2

U

) [ 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 vμo

U2: điện áp ra định mức (điện áp tính toán)

U2TT=U2 ì KO :KO hệ số kể đến sự tổn hao điện áp rơi trên tải thường lấy từ 1,0 ữ 1,1 trong trường hợp nμy ta chọn bằng 1.02 nên điện áp tính toán sẽ lμ U2TT=U2ì KO=380ì

=3 (KVA) Với m lμ số trụ hay số pha của máy biến

áp

• Khi điện áp vμo lớn hơn điện áp vμo định mức

Khi điện áp vμo lớn hơn điện áp vμo định mức thì ta phải bơm dòng điện

điều khiển một chiều vμo lõi hai Công suất điện từ lớn nhất mμ lõi thép

phải chịu khi giảm điện áp lμ

STK=STRì (

1

2 1

Trang 18

=1.52 (KVA) Víi m lμ sè trô hay sè pha cña m¸y biÕn

tõ cã d¹ng h×nh ch÷ nhËt Ta cã trong m¸y biÕn ¸p tù ngÉu :

C«ng suÊt ®iÖn trªn mét trô cña m¸y biÕn ¸p ®−îc tÝnh theo c«ng thøc

9 ,

.

×

kr an W

f

Uv Unx

K=0,8

→a12=0,9 +0,8×4 3 =1,95 cm

®iÖn ¸p r¬i trªn cuén d©y cã w vßng lμ

ChiÒu dμi trung b×nh cña mét vßng d©y ChiÒu cao cña m¹ch tõ

Trang 19

ThiÕt kÕ bé nguån æn ¸p c«ng suÊt lín 19

W Uv

Unx

β

9 , 7

Tt Bt f Unx

10 ) 10 44

, 4

10 ) 10 44

, 4 (

9 , 7

kr an f

thay sè vμo ta ®−îc

10 ) 10 50 1 44 , 4 ( 3

95 , 0 95 , 1 50 9 , 7 3

Trang 20

2.4 Tính thông số về điện.

Chiều dòng điện vμ điện áp có chiều nh− hình vẽ:

Dòng điện vμo IV đi qua W3 thì rẽ nhánh lμm hai nhánh một nhánh đi qua

W1 vμ W2 gọi lμ dòng I12 một nhánh đi qua cuộn W4 rồi khép kín qua tải gọi lμ dòng I4 Trên W3 có dòng Iv đi qua ,trên W4 có dòng IR đi qua dòng

điện chạy qua các cuộn W1 vμ W2 lμ hiệu của hai dòng điện

I12 =⎢IV –IR.⎢ do điện áp đầu ra đ−ợc coi lμ ổn định vμ công suất lμ không thay đổi nên dòng điện ở đầu ra đ−ợc coi lμ không đổi vμ bằng giá trị IR

định mức vμ không đổi

Thiết bị lμm việc trong dải điều chỉnh do vậy tại mọi thời điểm của điện

áp vμo đều có thể lμ điểm lμm việc lâu dμi của thiết bị nên thông số của thiết bị nh− dây quấn, cách điện, nhiệt độ lμm việc đều phải thoả mãn tất cả các điểm thuộc dải điều chỉnh Trong thiết kế vμ tính toán dây quấn

ta tạm coi tổn hao trên mạch từ vμ trên dây quấn lμ rất nhỏ do đó có thể bỏ qua

Trong máy biến áp ba pha công suất máy biến áp đ−ợc tính theo công thức:

*

Trang 21

Uv = 420 vôn → Iv = 3

0

! 420 3

Mật độ dòng điện trong dây dẫn của máy biến áp ta thường chọn J =2ữ 2,5 A/mm2 Ơ đây ta chọn hình thức lμm mát máy biến áp bằng không khí nên ta chọn mật độ dòng điện bằng 2 A/mm2

=44,6 mm2 Chọn kích thước dây quấn.[2]

Trang 22

2.6 Tính toán sự phân bố vòng dây của mạch lực

1.Cơ sở tính toán sự phân bố W

Mạch lực máy biến áp ổn áp tự động cấu tạo vμ hoạt động theo nguyên tắc máy biến áp tự ngẫu trên cơ sở các phần tử cơ bản lμ các cuộn kháng bão hoμ có điều khiển Các cuộn W1, W3 quấn trên cùng lõi thép cuộn

W2,W4 quấn trên cùng một lõi Nh− đã phân tích ở trên dòng điện IV đ−ợc phân tích lμm hai thμnh phần thμmh phần dòng điện truyền thẳng từ sơ sơ cấp sang thứ cấp I4 vμ thμnh phần dòng điện truyền từ sơ cấp sang thứ cấp theo kiểu biến áp tức lμ theo quan hệ điện từ Nh− vậy trong biến áp dòng

điện qua W1 vμ W3 lμ I12 chạy qua Theo định luật cảm ứng điện từ do W2

vμ W4 quấn trên cùng một lõi thép thì sẽ cảm ứng sang cuộn W4 một sức

điện động do mạch kín nên sinh ra một dòng điện cảm ứng I24 .Ng−ợc lại dòng điện qua W4 lμ I4 =Ira sẽ cảm ứng sang W2 một sức điện động ,sức

điện động nμy sẽ sinh ra một dòng điện cảm ứng Nh− vậy trên W4 sẽ có hai thμnh phần dòng điện chảy qua lμ I4 (Ira ) vμ thμnh phần dòng điện cảm ứng lμ I24, trên W2 vμ W4 cũng có hai thμnh phần dòng điện chạy qua lμ I12

va thμnh phần dòng điện cảm ứng lμ I42 Chiều dòng điện vμ điện áp có chiều nh− hình vẽ:

Nh− vậy điện áp Uv sinh ra dòng điện Iv sau khi gây sụt áp trên các cuộn W3 vμ W4 vμ đ−ợc cộng thêm thμnh phần cảm ứng từ W2 sang W4 lμ e24

do đó ta có quan hệ điện áp giữa điện áp vμo vμ điện áp ra nh− sau:

Trang 23

Sự phân bố của W hay sự phân bố điện áp trên các cuộn dây vμ hệ số biến áp Kba =U4 /U2 lμ các trị số phải thoả mãn bμi toán điều khiển sao cho :

∗Tại thời điểm Uv =380 vôn thì Ura =380 vôn vμ không có điều khiển

∗Tại thời điểm Uv≠380 vôn vμ thuộc dải điều chỉnh (330 ữ420)vôn thì sự phân bố sao cho :

• có thể điều chỉnh được

• hệ số điều chỉnh lμ tối ưu

• tính tối ưu về kinh tế trong cả quá trình thiết kế vμ trong quá trình vận hμnh

2) Xây dựng thuật toán.

Trên cơ sở cách chọn ban đầu trong thiết kế mạch từ ta chọn kích thước mạch từ lμ như nhau với cùng một mật độ từ thông rơi trên một vòng dây

220

=122 vòng

Do quan hệ điện từ trong mạch nμy rất phức tạp cho nên để cho đơn giản trong quá trình tính toán ta dùng phương pháp tính lμ duyệt toμn bộ trên lưới đều kết hợp với phương pháp dò miền có xác suất nghiệm lμ lớn Trên cơ sở đó ta xây dựng thuật toán nμy như sau:

Trang 24

Từ đó ta sẽ tìm được hệ số biến áp kba cần thiết vμ giá trị W4 tương ứng

nhờ phương trình (1)

Tại các thời đểm Uv ≠220 vôn thì Ura ≠ Urađm do đó cần có một hệ số điều

chỉnh điện áp trên các cuộn W1 ,W2 vμ W3 để sao cho điện áp đầu ra lμ

định mức Hệ số điều chỉnh có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1 tùy thuộc vμo

từng trường hợp lμ tăng áp hay lμ giảm áp tuy nhiên hệ số nμy cũng

không nên bé quá hoặc lớn quá vì khi lớn quá cần có một dòng điều khiển

lớn do đó gây nên tổn hao năng lượng nhiều ngược lại hệ số điều chỉnh bé

quá thì quá trình điều chỉnh đòi hỏi rất nhiều về độ chính xác cũng như

quán tính điều chỉnh của mạch điều chỉnh phải bé do đó đi đôi với ưu

điểm lμ độ chính xác thì yêu cầu về trình độ thiết kế ,vận hμnh vμ tính

kinh tế của thiết bị phải cao việc tối ưu hóa kết cấu dây quấn đảm bảo tính

kỹ thuật vμ kinh tế lμ rất quan trọng trong quá trình thiết kế ban đầu

Từ thuật toán trên ta xây bμi toán tính toán như sau:

Giả sử tồn tại sự phân bố W1, W2 , W3 vμ hệ số biến áp kba với

kba =

2

4 U

U

=

2

4 W W

Trang 25

• khi Uv =220 vôn tính được sự phân bố điện áp trên các cuộn W1, W2,

vμ trên W3

từ phương trình (1) U24 - U4 - U3 = Urao - Uv

thay vμo ta được

kbaì U2 -0,0379ì(kbaì W2)2 - kbaì U2 +U3 = 226,6 -220 =6,6 (vôn) hay 0,0379ì(kbaì W2)2 - kbaì U2 +U3 +6,6 = 0

giải phương trình nμy ta được nghiệm kba do đó tìm được hệ số biến áp cần thiết để thỏa mãn điều kiện lμ khi Uv =220 vôn vμ không có điều chỉnh thì điện áp ra lμ định mức nghĩa lμ Urao =220 +6,6 (vôn)

Với sự phân bố W1, W2, W3 đã chọn vμ hệ số kba đã tìm được đã thỏa mãn trạng thái lμm việc định mức ta đi giải bμi toán điều khiển cho quá trình tăng vμ giảm điện áp ở đầu ra Quá trình điều khiển được xem lμ nặng nề nhất trong quá trình lμm việc tăng vμ giảm điện áp chính lμ hai điểm mút của dải điều chỉnh Uv =190 vôn vμ Uv =242 vôn do đó ta chỉ cần tính toán

hệ số điều chỉnh cho qua trình tăng điện áp tại thời điểm Uv =190 vôn vμ quá trình giảm điện áp tại thời điểm Uv =242 (vôn)

đạt giá trị mong muốn Ta giả sử tồn tại một giá trị điều chỉnh điẹn áp trên lõi một lμ x (với x=(0ữ 1) ) để điện áp ở đầu ra lμ định mức khi điện áp đặt

ở đầu vμo lμ thay đổi trong miền điện áp thấp trong dải điều chỉnh 190ữ220 vôn Khi có một điện áp vμ Uv (Uv < Uvđm) thì ta có sự phân bố

điện áp tự nhiên trên các cuộn lμ U1 U2 U3 U4 tương ứng Khi có điều chỉnh thì sự phân bố điện áp sau khi điều chỉnh lμ

U11 =U1 ì x

Trang 26

U31 =U3 ì x

→U21 =Uv -(U11 +U31) =Uv -x(U1 +U3)

→U241=kbaì U21

U41 =Ira ì x4≈const Thay vμo phương trình (1) ta được

U241 - U31 -U4 =Urao - Uvao =226,6 -190 =36,6 (vôn) Giải phương trình nμy ta tìm được giá trị của x từ đó ta sẽ tìm được sự phân bố điện áp sau sau khi điều chỉnh vμ dải lμm việc trên đường trên

đường đặc tính từ hóa của lõi thép

• Khi Uv =242 (vôn)

Theo nguyên lý điều chỉnh để giảm điện áp đầu ra thì ta phải bơm dòng

điện điều khiển vμo lõi thép II lμm cho điện áp trên cuộn W2 giảm xuống kéo theo sự giảm điện áp trên cuộn W4 theo quan hệ máy biến áp do điện

áp đầu vμo lμ không đổi nên điện áp trên các cuộn W1 vμ W3 tăng lên tuy nhiên sự tăng nhỏ hơn sự giảm nên kết quả lμ điện áp ở đầu ra giảm xuống

Để cho đơn giản cho quá trình tính toán ta gọi hệ số điều chỉnh trên lõi I

lμ y (với y >1) Khi Uv =242 vôn ta có sự phân bố điện áp ở trạng thái chưa có điều chỉnh tương ứng lμ

Ta có phương trình:

Trang 27

• Khi Uv =220 (vôn)thì ta có sự phân bố điện áp trên các cuộn dây tương ứng lμ:

U1 =72,3 (vôn): U2 =72,3 (vôn) : U3 =74,4 (vôn)

Ta có phương trình: 0,0379ì(kbaì W2)2 -kbaì U2 +U3 +6,6 =0

Thay vμo ta có 60,6ì k2

ba -72,4ì kba +80,8 =0

Giải phương trình ta thấy phương trình vô nghiệm nghĩa lμ ta không tìm

được một hệ số biến áp nμo để cho điện áp đầu ra lμ định mức khi điện áp vμo lμ định mức với điều kiện lμ không có sự điều chỉnh Tương tự cho những trường hợp sau

2) Với sự phân bố: W1 =40 (vòng) : W2 = 45 (vòng) : W3 =37 (vòng)

• Khi Uv =220 (vôn)thì ta có sự phân bố điện áp trên các cuộn dây tương ứng lμ:

U1 =72,3 (vôn): U2 =90,9 (vôn) : U3 =57 (vôn)

Ta có phương trình: 0,0379ì(kbaì W2)2 -kbaì U2 +U3 +6,6 =0

Trang 28

Thay vμo ta cã 94,7× k2

ba -90,9× kba +67 + 6,6 =0

Ph−¬ng tr×nh v« nghiÖm

Trang 29

Trang 30

1) W1 =40 (vòng) : W2 =75 (vòng) :W3 =7 (vòng) với kba =0,21: 2) W1 =45 (vòng) : W2 =70 (vòng) :W3 =7 (vòng) với kba =0,226: 3) W1 =50 (vòng) : W2 =65 (vòng) :W3 =7 (vòng) với kba =0,24: 4) W1 =55 (vòng) : W2 =60 (vòng) :W3 =7 (vòng) với kba =0,265: 5) W1 =60 (vòng) : W2 =55 (vòng) :W3 =7 (vòng) với kba =0,288: 6) W1 =65 (vòng) : W2 =50 (vòng) :W3 =7 (vòng) với kba =0,31: 7) W1 =70 (vòng) : W2 =45 (vòng) :W3 =7 (vòng) với kba =0,194: Trên đây lμ 7 bộ giá trị , 7 bộ giá trị W1 , W2 vμ W3 vμ hệ số kba cho phép tại thời điểm Uv=220 (vôn) thì Ura =Urađm với điều kiện lμ không có điều khiển nghĩa lμ nó đạt đ−ợc điều kiện 1 của bμi toán đã đặt ra Kiểm ngiệm

vμ tối −u hóa các kết quả đã tìm đ−ợc bằng bμi toán điều chỉnh nghĩa lμ tìm đ−ợc một hệ số điều chỉnh trong quá trình lμm việc ổn trong dải điều chỉnh lμ tốt nhất Tính tốt nhất thể hiện ở tính kỹ thuật vμ tính kinh tế trong quá trình điều chỉnh cũng nh− trong quá trình thiết kế

3 Lựa chọn kết cấu tối −u nhờ bài toán điều chỉnh

Từ thuật toán cho bμi toán điều chỉnh đã xây dựng ở trên ta đi xác định hệ

số điều chỉnh điện áp trên các cuộn từ đó ta sẽ tìm đ−ợc kết cấu dây quấn cho mạch nμy đảm bảo rằng quá trình điều chỉnh lμ tối −u nhất

U'1 =U1ì x (0 < x < 1)

U'3 =U3 ì x

U'2 =Uv -(U1' + U'3)

Trang 31

=190 -x ì(62,8 + 9,42) =190 -72,2 ì x

U'24 =kba ì U'

3 = 0,21ì(190 -72,2ì a) =39,9 -15,1 ì a

U'4 =W24 ì 0,0379 =6,8 (vôn)

Ta có phương trình: 39,9 -15,1 ì a - 6,8 -9,42 ì a = Ura -Uv =226,6 -190 Giải phương trình ta có nghiệm 22,32 ì a = -3,5

a = - 0,516 < 0 do đó không thoả mãn điều kiện đặt ra nên trường hợp nμy bị loại Tương tự cho các trường hợp sau:

(2) W1 = 45 (vòng) : Với kba =0,226 ta có

W2 =70 (vòng) : W4 =W2ì kba =70 ì 0,226 =15,8 (vòng).,

U'4 =W24 ì 0,0379 = 9,46 (vôn)

Ta có phương trình: 43,1 - 18 ì a - 9,46 ì a - 9,42 = Ura -Uv =226,6 -190 Giải phương trình ta có nghiệm 27,6ìa =-1,32

a = - 0,047 < 0 (loại)

Trang 33

Do đó điện áp ở đầu ra khi chưa có điều chỉnh lμ nhỏ hơn điện áp định mức Gọi hệ số điều chỉnh trên lõi 1 lμ a thì điện áp sau khi điều chỉnh rơi trên các cuộn lμ:

U'4 =W24 ì 0,0379 =9,5 (vôn)

Ta có phương trình: 64 - 32ì b - 10,4 - 14ì b = Ura -Uv =226,6 - 242

Giải phương trình ta có nghiệm 46 ì b = 69,6

b=1,51 Chấp nhận được

Trang 34

(5) W1 =60 (vßng) : Víi kba =0,288 ta cã

W2 =55 (vßng) : W4 =W2× kba =55 × 0,288 =15,8 (vßng)

U'

4 =W2

4 × 0,0379 =9,46 (v«n)

Ta cã ph−¬ng tr×nh: 54,7 + 30× a - 10,9 × a -9,46 = Ura -Uv = 226,6 - 190 Gi¶i ph−¬ng tr×nh ta cã nghiÖm 40,9× a = 9,42

a = 0,255 NghiÖm cã thÓ chÊp nhËn ®−îc

U'1 =U1× b ( b > 1)

Trang 35

U'4 =W24 × 0,0379 =9,46 (v«n)

Ta cã ph−¬ng tr×nh: 69,6 - 38,5× b - 9,46 - 14× b = Ura -Uv =226,6 - 242 Gi¶i ph−¬ng tr×nh ta cã nghiÖm 52,5× b = 76,14

U'4 =W24 × 0,0379 =9,1 (v«n)

Ta cã ph−¬ng tr×nh: 58,9 - 37,5× a - 10,9×a - 9,1 = Ura -Uv =226,6 -190 Gi¶i ph−¬ng tr×nh ta cã nghiÖm 48,4× a = 13,8

Trang 36

U'1 =U1× a (0 < a < 1)

U'3 =U3 × a

Trang 37

U'2 =Uv -(U1' + U'3)

=190 - aì(109,9 + 10,9) =190 - 120,89ì a

U'24 =kba ì U'

3 = 0,194ì(190 - 120,89ì a) =36,86 - 23,4ì a

U'4 =W24 ì 0,0379 = 7,1 (vôn)

Ta có phương trình: 36,86 - 23,4ì a - 7,1 - 10,9ì a = Ura -Uv =226,6 -190 Giải phương trình ta có nghiệm 34,3ìa = - 6,89

a = - 0,2 < 0 (loại)

Như vậy có 3 trường hợp kết cấu dây quấn có thể hoạt động được lμ:

W1 =55 (vòng) : Hệ số điều chỉnh điện áp trên lõi 1

Trang 38

Mạch chuyển dịch thực hiện vai trò luôn giữ điểm lμm việc trên đường

đặc tính từ hoá của lõi thép ở vùng tuyến tính để đảm bảo khả năng có thể

điều chỉnh đồng thời thực hiện vai trò cân bằng điện áp giữa các pha để tạo

ra một nguồn điện áp ổn định vμ đối xứng Từ hai yêu cầu trên mạch chuyển dịch có cấu tạo như sau:

Trên mỗi pha có hai cuộn chuyển dịch của bản thân pha đó vμ pha bên cạnh Trên mỗi pha có hai lõi 1 vμ 2 mặt khác để triệt tiêu thμnh phần xoay chiều trên cuộn dây chuyển dịch nên ta thiết kế mạch chuyển dịch có cấu trúc vμ các cực tính được mô tả như hình vẽ trên

2.Cơ sở và tính toán mạch chuyển dịch.

Mạch chuyển dịch đồng thời lμ mạch cân bằng điện áp giữa các pha mạch nμy đảm bảo điện áp giữa các pha lμ bằng nhau tạo nên một nguồn

đối xứng trong mọi trưòng hợp hơn nữa nó còn cho phép ta điều chỉnh

điểm lμm việc trên đường đặc tính từ hoá thuộc vùng tuyến tính để quá trình điều chỉnh phản hồi tự động lμ thực hiện được

Theo tính toán mạch lực ta chọn điểm lμm việc định mức lμ tại điểm BTđm

=1 tesla để cho khả năng quá tải cao mμ quá trình điều chỉnh mạch từ không bị bão hoμ ta chọn phạm vi điều chỉnh từ 1ữ 1,3 (tesla)

Trang 39

H cường độ từ trường trong mạch từ

L∑ chiều dμi trung bình của mạch từ Theo cách chọn ban đầu ta chọn L∑ =1,1 m

⇒ F1 =F2 =(H1 - H2) ì L∑ = 3,1 ì 102ì 1,1 = 341 A.vòng

tổng sức từ động mμ cuộn chuyển dịch Icd ì Wcd phải sinh ra lμ 2 ì F1

=682 Avòng.Do ta chọn kết cấu đối xứng nên số bối dây trên cả hai pha lμ

682

=1364 vòng

Số vòng trên mỗi bối dây lμ:170 vòng

• Tính thông số dây quấn mạch chuyển dịch

Chọn mật độ dòng điện trong dây quấn lμ j =2A/mm2 Tiết diện dây quấn lμ:

=0,25 mm2 Chọn kích thước dây quấn: [2]

Trang 40

3.2 Tính mạch phản hồi tự động ổn định điện áp

1) Cơ sở tính toán mạch phản hồi tự động

Mạch điều chỉnh tự động ổn áp gồm hai phần: phần tăng áp vμ phần hạ áp theo thiết kế ở trên thì điều chỉnh lõi một thực hiện tăng điện áp ở đầu ra

vμ điều dhỉnh lõi hai thực hiện quá trình giảm áp ở đầu ra Thực chất quá trình điều chỉnh trên lμ thay đổi mật độ từ thông của lõi thép để thay đổi thông số cảm kháng của cuộn dây từ đó thay đổi điện áp rơi trên của từng cuộn dây để điện áp ở đầu ra lμ không đổi Khi chưa điều chỉnh tại mỗi thời điểm Uv thì có một giá trị BTmax tương ứng trên trụ Sau khi điều chỉnh lμm giảm điện áp trên lõi xuống tức lμ lμm giảm điện áp vòng của nó xuống:

x thì hệ số điều chỉnh điện áp tương ứng đối với cuộn hai lμ x do đó ta chỉ cần xét quá trình điều chỉnh đối với một cuộn từ đó suy ra cuộn còn lại trên cơ sở đó ta xét cuộn dây W1:

57 , 1

ư

ì

ì = 0,86 (tesla)

Định dạng
Số trang	109
Dung lượng	617,13 KB