Thiết kế bộ thực hành ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp

Thiết kế bộ thực hành ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp

Nhiệm Vụ Thiết kế đồ án tốt nhgiệp

Đề tài thiết kế: Thiết kế bộ thực hành ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp

2/Các số liệu ban đầu:

Công suất : 1 KVA

Dải điện áp đầu vào từ 160v đến 240v

Sai số đầu ra cho phép : +3v

Lời Nói Đầu

Ngày nay khi nền công nghiệp càng phát triển thì nhu cầu sử dụng diện trong đời sống và sản xuất càng rộng rãi Nguồn năng lượng điện vơi

ưu thế là nguồn năng lượng dễ sử dụng , không gây ô nhiễm môi trường

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

Hiện nay, nhu cầu sử dụng điện rất lớn, nhưng lưới điện nước ta vẫn chưa ổn định , nhất là vào giờ cao điểm Một vấn đề cần được giải quyết đối với người vận hành điện cũng như các hộ sử dụng điện là có một nguồn điện chất lượng cao , thể hiện ở các tính năng như là :sự ổn định điện áp ,thời gian cung cấp điện … ổn định điện áp ảnh hưởng rât nhiều tới các thông sô kĩ thuật ,các chỉ tiêu kinh tế của thiết bị điện

Nhóm em đã chọn đề tài ” Thiết kế bộ thực hành nguồn ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp ” làm đề tài tốt nghiệp với mong muốn để các bạn sinh viên khoá sau được thực hành nắm chắc kiến thức hoàn chỉnh về nguồn ổn áp, để từ đó có thể thiết kế máy ổn áp dân dụng hay máy ổn áp trong công nghiệp

Qua 4 năm học tâp tại khoa điện –cơ-điện tử, trường Đại Học Phương Đông chúng em đã được tìm hiểu sâu về các kiên thức về thiêt bị điện, biến đổi điện năng Được sự giúp đỡ tận tình của thầy Lưu Đức Dũng và các anh tại trung tâm Nghiên cứu và phát triển công nghệ tự động-418 Bạch Mai- Hà Nội; chúng em đã hoàn thành Đồ án tốt nghiệp một cách nghiêm túc và đúng thời hạn Tuy nhiên ,vì thời gian có hạn và khối lượng kiến thức đã được học tập , chúng em không tránh khỏi sai sót trong khi thưc hiện,vì vậy chúng em rất mong sự góp ý, chỉ bảo tận tình của các thầy cô để đồ án thiết kế này hoàn thiện hơn

Chương I : GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI ỔN ÁP

• Đối với thiết bị chiếu sáng,khi điện áp giảm xuống 10%thì quang thông 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 ba lần

Do đó để có một dòng điện chất lượng ,duy trì tuổi thọ của động cơ, thiết bị điện ổn định điện áp là một yêu cầu vô cùng cấp thiết cho đến nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật cho phép thiết kế một bộ nguồn ổn

áp theo nhiều phương pháp như là :

Do lưới điện dao động nhiều ảnh hưởng không tốt đến sự hoạt động của các thiết bị điện nên người ta đã chế tạo thiết bị tự động ổn định điện áp (gọi tắt là ổn áp)

ổn áp là một thiết bị có thể tự động duy trì điện áp ra thay đổi trọng phạm vi nhỏ khi điện áp vào thay đổi trong một phạm vi lớn Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các loại ổn áp cũng ngaỳ càng được cải tiến từ đơn giản đến phức tạp và chất lượng ngày càng tốt hơn

Để đánh giá được chất lượng của ổn áp người ta đưa ra công thức sau :

K =

Uv Ur

Ur Uv

*

* Δ

Δ Δ

K : hệ số đánh giá chất lượng ổn áp

ΔUv, Uv : độ biến thiên điện áp vào , điện áp vào

- Cuộn dây W2 là cuộn bão hoà

- Điện áp vào UV đặt lên cả hai cuộn W1 và W2 còn điện áp ra lấy trên cuộn bão hoà W2

áp đầu vào đươc đặt lên hai cuộn này Điện áp ra đươc lấy trên hai đầu cuộn W2 và tụ C Tụ C được mắc song song với cuộn bão hoà W2

Mục đích để giảm nhỏ dòng chạy trong cuộn W1 Việc mắc thêm tụ điên trong mạch tạo ra hiện tương cộng hưởng vì thế ổn ap săt từc có tụ còn gọi là bộ cổng hưởng

2.2/ Nguyên lý hoạt động:

Tụ C được tính toán sao cho khi điện áp vào UV = Uđm thì IC = 1 , lúc này mạch điện ở trạng thái cộng hưởng dòng điện

Đặc tính V – A

Hình 1.4

Khi vào đường đặc tính trên chúng ta thấy rằng :

- Khi UR < UCH : mạch có tính điện dung

- Dải điện áp đầu vào hẹp

- Xuất hiện những sóng hài bậc

3 Ổn áp kiểu khuyếch đại từ :

3.1) Cấu tạo: Gồm một khuyếch đại từ và một biến áp tự ngẫu

Hình vẽ sau mô tả cấu tạo của ổn áp kiểu khuyếch đại từ :

việc nhờ điều khiển dòng điện trong cuộn điều khiển

+ Điện áp vào được đặt vào đầu vào của biến áp tự ngẫu

+ Điện áp ra lấy ở đầu ra của biến áp tự ngẫu

- Khi UV tăng thì điều chỉnh IĐK tăng để UKĐT tăng

- Khi UV giảm thì điều chỉnh IĐK giảm để UKĐT giảm

Vì vậy vấn đề cơ bản đặt ra là làm sao tạo được quá trình tự động thay đổi IĐK thêo quy luật UV ,thay đổi để UR không đổi > Điều này được giải

quyết nhờ hệ thống điều khiển gồm các cơ cấu phát, đo, so sánh bằng các

phần tử điện từ hoặc điện tử

3.3) Giới thiệu nguyên lý hoạt động của ổn áp kiểu khuyếch đại từ cụ thể :

UT = Iđm

Ö UR = Uđm + Cuộn Uđk2 và Wđk3 được mắc nối tiếp với hai cuộn kháng bão hoà

L2 và cuộn tuyến tính L3 qua bộ chỉnh lưu

+ Việc điều chỉnh dòng điều khiển iđk2 và iđk3 thực hiện sao cho khi

- Khả năng chịu quá tải lớn

- Hiệu suất cao

- Có thể chế tạo với công suất lớn

4) ổn áp làm việc theo nguyên tắc biến áp:

Trong máy biến áp , điện áp tỷ lệ với số vòng dây theo biểu thức:

2

1 2

1

W

W U

U =

U1 : Điện áp sơ cấp của máy biến áp

U2 : Điện áp thứ cấp của máy biến áp

W1 : Số vòng dây sơ cấp của máy biến áp

W2 : Số vòng dây thứ cấp của máy biến áp

4.1) Cấu tạo :

Ổn áp làm việc theo nguyên tắc biến áp có cấu tạo đơn giản gồm :

BL - máy biến áp ổn áp : là máy biến áp tự ngẫu có con trượt chổi than

Mạch điều khiển có đầu vào nối với đầu ra của ổn áp, đó chính là cơ cấu so sánh và phát tín hiệu điều khiển bằng các phần tử điện tử bán dẫn

4.3) Ưu nhược điểm của loại ổn áp làm việc theo nguyên

- Dải làm việc rộng + Nhược điểm :

- Mạch điều khiển phức tạp

- Độ tác động chậm

- Bị giới hạn công suất lớn do tiếp xúc chổi than

- Khi thay đổi đầu vào đột ngột thi đầu ra cũng có sai

số lớn do sử dụng hệ cơ khí) sau đó mới có sai số nhỏ

+ Có nhiều nhiều cách để điều khiển cuộn sơ cấp của biến áp bù như dùng biến áp vi sai , hai mặt được mài đi để lấy điện áp qua hai chổi quay ngược chiều nhau cấp cho sơ cấp biến áp bù Hoặc cách khác là dùng các phần tử không tiếp điểm để đóng, cắt biến áp bù tuỳ theo điện áp lưới là cao hay thấp

5.2) Nguyên lý hoạt động của ổn áp dùng biến áp bù có

ra

M¹ch

®iÒu khiÓn

Từ sơ đồ trên chúng ta có : UR = Ulưới + U bù

Để điều khiển điện áp đặt vào sơ cấp của biến áp bù, mạch điều khiển được lấy tín hiệu từ đầu ra cua ổn áp sẽ phát tín hiệu để điều khiển 2 secvô motơ quay ngược chiều nhau một lượng để sao cho bên thứ cấp biến áp bù

có được lượng điện áp cần thiết để đầu ra của ổn áp là định mức

5.3) Ưu, nhược điểm của ổn áp kiểu bù ;

* Ưu điểm :

- Gọn nhẹ

- Dải làm việc rộng , điều chỉnh trơn

- Không bị méo dạng điện áp

- Có thể chế tạo với công suất lớn

Chương II : THIẾT KẾ , TÍNH TOÁN MẠCH LỰC CỦA BỘ

THỰC HÀNH NGUỒN ỔN ÁP XOAY CHIỀU LÀM VIỆC THEO NGUYÊN TẮC BIẾN ÁP CÔNG SUẤT 1KVA

I/ Sơ đồ mạch lực và mối quan hệ giữa các biến áp thành

phần:

Như đã giới thiệu ở chương I , trên thực tế hiện nay có nhiều loại ổn

áp sử dụng các nguyên lý khác nhau Việc lưa chọn kết hợp những nguyên

lý đó để tạo ra một sơ đồ mạch lực có thể đáp ứng được những yêu cầu về kỹ thuật và kinh tế là một việc quan trọng Mỗi loại ổn áp có những ưu và

nhược điểm riêng nên khi lựa chọn phương án thiết kế mạch lực nhóm em đã chọn hình thức ổn áp làm việc theo nguyên tắc biến áp , với ưu điểm dải làm việc rộng, không méo dạng điện áp phù hợp với yêu cầu của “ bộ thực hành ổn áp “

Qua quá trình nghiên cứu chúng em đã thiết kế sơ đồ mạch lực gồm :

- Một biến áp tự ngẫu

- Một biến áp ổn áp

- Một biến áp tín hiệu Mạch lực của chúng em được xây dựng như sau:

B.A tÝn hiÖuUlu¬Ý

Uvμo

+12v

-12vGND

GND

Hình 2.1 : vẽ sơ đồ của mạch lực

• Máy biến áp ổn áp ( máy biến áp động lực ) : là máy biến áp tự ngẫu có con trượt chổi than

• Chức năng : Biến áp ổn áp tạo ra điện áp ổn định 220V khi điện

áp vào thay đổi từ 160V đến 240V

• Động cơ secvô ĐSV : ( động cơ 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu).Truyền động cho con trượt của máy biến áp ổn áp

• Máy biến áp tự ngẫu có chức năng giả làm Ulưới thay đổi và khảo sát dải điện áp có Ulưới thay đổi ( khi chỉnh định )của bộ ổn áp

• Máy biến áp tín hiệu có chức năng : lấy tín hiệu điện áp từ Uracủa máy ổn áp tới mạch điều khiển

Dải làm việc của ổn áp rộng hay hẹp cũng quyết định đến chất lượng của ổn áp , mặt khác cũng để phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam nên quyết định chọn dải làm việc của ổn áp là từ 160V đến 240V

• Khi lưới điện áp dao đông trong phạm vi 160V -> 217 là 160V thì : Động cơ secvô tự động thay đổi kéo con trượt chổi than giảm số vòng dây sơ cấp tương ứng với điện áp vào để giữ cho Ura ổn định xung quanh giá trị 220V

• Khi lưới điện áp dao động trong phạm vi 223V -> 240V thì : Động cơ secvô tự động kéo con trượt chổi than tăng số vòng dây sơ cấp tương ứng với điện áp vào , giữ cho điện áp ra ổn định xung quanh giá trị 220V

II/ Tính toán thiết kế máy biến áp thành phần:

Tìm hiểu về máy biến áp tự ngẫu :

Trong trường hợp điện áp sơ cấp và thứ cấp khác nhau không đáng kể nghĩa là tỉ số biến áp nhỏ ,để được kinh tế hơn về mặt chế tạo và vận hành

người ta thường dùng máy biến áp tự ngẫu

Giống như máy biến áp thường, máy biến áp tự ngẫu cũng có hai cuộn

Sơ cấp và thứ cấp Hai cuộn này không chỉ liên hệ với nhau về từ mà còn

liên hệ với nhau về điện

+ Máy biến áp tự ngẫu tăng áp : n = Uvào / Ura < 1 + Máy biến áp tự ngẫu hạ áp : n = Uvào /Ura >1

1) Tính toán chế tạo biến áp tự ngẫu công suất 1KVA

• Công suất 1 KVA :

Từ đó ta tính được dòng định mức là :

Iđm = S / Uđm

=> Iđm = 1000 / 220

Iđm = 4,55 (A)

Kthực = 37 (cm2)

• Số vòng dây trên toàn bộ lõi sắt là :

W = 250 / 4,44 * f * Kthực * BT => W = 250 / 4,44 *50 *37 * 1,2

W = 250 / 1

=> S =

55 , 4

55 , 4

Vậy S = 1 (mm2) Đường kính dây quấn :

1

* 4

=> d = 1,13 (mm2)

Chọn dây dẫn biến áp tự ngẫu có tiết diện tròn , có thông số sau : Đương kính ngoài : d = 1,4 ( vì trên bề mặt của dây quấn phải mài

đi 1 phần để điện áp ra chổi than Nên chọn dây có đường kính = 1,4)

• Chu vi lõi xuyến : Chọn hệ số chèn kín Kc = 0,7

C =

7 , 0

4 , 1

3 B * (Dn2 -Dtr2 )

=> V =

4

734 , 0

* 14 ,

Ta có chu vi của lõi là :

3,689 (KG)

Silic Quấn tròn

56 (mm)

73,4 (mm)

64 (mm)

175 (mm)

11,5 (KG)

2) Thiết kế chế tạo máy biến áp lực :

Các thông số :

S =1 KVA

Quấn dây từ 0 đến 250 V

Để thừa 1/10 lõi không quấn dây

Phạm vi thay đổi điện áp lưới : 160V đến 240V

• Với U1min = 160 (V) -> I1 = S / U1min

-> I1 = 1000 / 160

-> I1 = 6,25 (A)

• Với U1max = 240(V) -> I1 = S / U1max

-> I1 = 4,17 (A)

=> Chọn Iđm = 6,25 (A)

56 , 1

4 = 1,4 (mm2)

Chọn dây dẫn biến áp tự ngẫu có tiết diện tròn với các thông số sau :

đường kính ngoài : d = 1,7 (mm2)

Vì trên bề mặt dây quấn phải mài đi 1 phần để điện áp ra chổi than , nên chọn dây có đường kính =1,7(mm2)

7 , 1

Ö chu vi của lõi sắt là :

Ctr = CT / 2,75 = 679 / 2,75 = 247 (mm) Vậy đường kính trong của lõi là ;

dtr = 247 / 3,14 = 79 (mm)

• Chiều dầy của lõi sắt là :

a = dn - dtr / 2 = 216- 79 / 2 = 68 (mm)

• Chiều cao của lõi sắt :

b = F / a = 41 / 6,8 = 60(mm) = 0,6(dm) Vậy lõi sắt có kích thước như hình vẽ sau :

b

dn

dtr

Hình 2.3

• Thể tích của toàn bộ lõi sắt :

* 14 ,

• Trọng lượng toàn bộ dây quấn là :

M = 67 * 55,9 = 3,75(KG)

Ta chọn dây emay có trọng lượng riêng là : 55,9 (g/ m)

Bảng tóm tắt số liệu của biến áp lực :

254 ( vòng)

3,75 (KG)

Silic quấn tròn

68 (mm)

60 (mm)

79 (mm)

216 (mm)

13,8(KG)

Chọn k = 1,2

-> F = 1,2 30 = 6,6 (cm2 )

Vậy trụ để quấn dây là hình vuông cạnh 2,6 cm

• Tiết diện thực của lõi thép :

• Số vòng dây sơ cấp :

W1 = U1 / 4,44 * f * FT * Bm

Î W1 = 220 / 4,44 * 50 * 1,1 * 5,2 * 10 -4

Î W1 = 1732 ( vòng )

• Dòng điện : Thứ cấp I2 = Itải / 1,11 = 5 / 1,11 = 4,5 ( A )

Sơ cấp I1 = * 2

1

2

I W

C1 = 4 ( 26 + 2+e1 )

Với e1 là chiều dày lớp dây sơ cấp

e1 =

8 , 0

) 02 , 0 35 , 0 (

16 + = 7,4 (mm)

Thay vào công thức C1 : C1 = 4 ( 26 + 2 + 7,4 )

Î C1 = 141,6 (mm) Vậy chiều dài dây quấn sơ cấp là :

L1 = W1 * C1 = 1732 * 141,6 = 245 (m) Trọng lượng dây quấn sơ cấp là :

m1 = L1 * 0,8555 = 0,209 (kilôgam)

• Thứ cấp : Chiều dài lớp dây quấn thứ cấp :

e2 =

8 , 0

) 1 , 0 5 , 1 (

Hình 2.4

khiển

∗ Giới thiệu chung :

Mạch điều khiển trong các hệ thống tự động đóng 1 vai trò quan trọng không thể thiếu được mạch điều khiển thực hiện chức năng điều chỉnh 1 hay nhiều thông số nào đó của thiết bị như dòng điện , điện áp theo 1 yêu cầu điều chỉnh cho trước hoặc giữ 1 thông số nào đó ổn định theo 1 giá trị yêu cầu đặt ra Tuy rằng kích thước , khối lượng của mạch điều khiển là nhỏ nhưng hàm lượng chất xám và giá trị kinh tế chứa trong nó chiếm rất cao , cho nên nó giữ vai trò hết sức quan trọng tới việc đánh giá tiêu chuẩn kĩ thuật và giá trị kinh tế của thiết bị Để đảm bảo yêu cầu kĩ thuật đặt ra , mạch điều khiển phải được thiết kế sao cho hoạt động thật tin cậy nhận biết

và sử lý tín hiệu 1 cách chính xác bảo đảm hoàn toàn tự động để người sử dụng vận hành , thao tác đơn giản dễ dàng Cùng với mạch điều khiển các phần tử chấp hành cũng đóng 1 vai trò không kém phần quan trọng Nếu ví mạch điều khiển như bộ não của con người thì các phần tử chấp hành chính

là chân tay để thực hiện những mệnh lệnh do bộ não điều khiển

I/ Thiết kế mạch điều khiển động cơ Secvô :

Sơ đồ khối của mạch điều khiển động cơ secvô :

Cơ

cấu chấp hμnh

Tạo nguỡng trên

K đại bão hoμ có đảo

Tạo nguỡng duới

3

4 2

220v 223v 217v

1) Chức năng của các linh kiện trong mạch điều khiển

Tụ C1 : lọc tín hiệu điều khiển

Tụ C2 : Mắc // R4 , KĐT1 tạo thành khâu quán tính

Điện trở R1 , R2 : Điện trở hạn chế dòng và phân áp tín hiệu điều khiển

R5 , VR 1 : Khâu so sánh tạo ra điện áp chuẩn

R3, R4 , KĐT1 : KHâu khuyếch đại bão hoà có đảo

R6 ,R8 : Vì ở đây ta nối tầng nên R6 ,R8 có chức năng bảo vệ cho KĐT1 , khi KĐT2 hoặc KĐT3 có bị chết thì không ảnh hưởng đến KĐT1

R7 , VR2 ,KĐT2 : Khâu so sánh tạo ngưỡng trên

R9 , VR3 : Khâu so sánh tạo ngưỡng dưới

R10, R11 : Hạn chế dòng cho hai nhóm tranristo

CL : cầu chỉnh lưu diot chỉnh lưu tín hiệu điện áp

xoay chiều Thành 1 chiều

ĐSV : Động cơ secvô kéo chổi than

2) Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển

• Khi điện áp lưới ở trong phạm vi : 217V đến 223 V , tín hiệu lấy

Về từ biến áp tín hiệu đưa tới cổng đảo của KĐT1 bằng tín hiệu đặt ở cổng không đảo của KĐT1 Vậy điểm A = 0 Khi điểm A = 0 thì | UR7| âm hơn | UR6| , tức là tín hiệu đưa vào cổng không đảo âm hơn tín hiệu đưa vào cổng đảo KĐT2 nên điện áp ra ở điểm B âm , điểm B âm Tr1 – Tr2 khoá đồng thời | UR9| dương hơn | UR8| , tín hiệu đưa vào cổng không đảo dương hơn tín hiệu đưa vào cổng đảo của KĐT3 Vậy tại điểm C dương đặt vào cực bazơ của Tr3 – Tr4 , Tr3 – Tr4 khoá ,động cơ không được cấp điện do

đó ĐSV sẽ không quay

• Khi 160V ≤ Ul < 217 V , tín hiệu điện áp lấy về đưa vào cổng không đảo của KĐT1 nhỏ hơn tín hiệu đặt ở cổng đaơ của KĐT1 nhờ

VR1 , Vì vậy tại điểm A sẽ dương dần Khi điểm A dương thì | UR6|

>| UR7| , tức là tín hiệu đưa vào cổng đảo của KĐT2 nhờ VR2 lớn hơn tín hiệu đưa vào cổng không đảo của KĐT2 nhờ VR2 Vì vậy tín hiệu ra của điểm B âm Khi B âm thì Tr1 khoá, Tr2 khoá Đồng thời |

UR8| dương hơn | UR9| tức là tín hiệu đưa vào cổng đảo của KĐT3

lớn hơn tín hiệu đặt đưa vào cổng không đảo của KĐT3 nhờ VR3 , do

đó tín hiệu ra của điểm C âm Lúc này có dòng I c qua Tr3 , có dòng IBcho Tr4 vì vậy có dòng chạy từ GND qua ĐSV qua Tr4 về – Uư Động cơ Secvô quay thêo chiều rút ngắn số vòng dây sơ cấp của biến

áp lực BL để giữ cho điện áp ra ổn định Khi Ura của biến áp lực bằng

Uôđ thì điểm A = 0 , điểm B < 0 , điểm C > 0 , động cơ Secvô ngừng quay