Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ đổi điện 220V 110V– 20A không dùng biến áp

Tại các trường Đại học, Cao đẳng đào tạo ngành kỹ thuật điện, điện tử cũng thường dùng các bộ đổi điện 220V của lưới điện thành 110V cung cấp cho các mạch điều khiển hay thiết bị điện có

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc -

Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NCKH

Tên đề tài: ““Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ đổi điện 220V /110V– 20A không dùng

biến áp”

Số hợp đồng: 2016.01.11/HĐ-KHCN ký ngày 05/01/2016

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Phước Tường Vân Đơn vị công tác: Khoa Điện – Điện tử Thời gian thực hiện: 02/01/2016 đến 30/7/2016

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ

1- Thực trạng:

Hiện nay, trên thị trường Việt Nam có rất nhiều thiết bị điện dân dụng sử dụng điện áp 110V nhập theo nhiều nguồn, từ các nước khác trên thế giới (như Nhật, Mỹ …) là những nước có lưới điện quốc gia là 110V Để sử dụng được những thiết bị điện này, người dùng phải mua bộ biến áp đổi điện từ 220V của lưới điện quốc gia thành 110V Các thiết bị dân dụng này thường có công suất từ vài trăm watt đến 1000W nên bộ biến áp phải có khả năng cung cấp dòng từ 5A đến 10A

Tại các trường Đại học, Cao đẳng đào tạo ngành kỹ thuật điện, điện tử cũng thường dùng các bộ đổi điện 220V của lưới điện thành 110V cung cấp cho các mạch điều khiển hay thiết bị điện có điện áp 110V

2- Các bộ biến đổi hiện có:

Các bộ biến đổi điện áp này trên thị trường có thông số kỹ thuật là:

- 220V/110V – 5A hay 220V/110V – 10A

Có hai loại bộ biến đổi điện áp:

- Loại dùng biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu;

- Loại dùng mạch điện tử công suất để chuyển đổi

Loại dùng máy biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu có nhược điệm:

- Kích thước lớn, nặng nề;

- Hiệu suất thấp vì tổn hao công suất trên dây quấn và lõi thép;

- Đắt tiền

Loại dùng mạch điện tử công suất chuyển đổi có nhược điểm:

- Điện áp ra cung cấp cho tải bị cắt theo từng chu kỳ của dòng điện làm dòng điện xoay chiều thành dòng điện không còn là hình sin;

- Loại này thường chỉ cung cấp cho các loại tải sinh nhiệt như: bàn ủi, bếp điện

3- Lý do thực hiện đề tài:

Nghiên cứu thiết kế bộ đổi điện 220V/110V - 5A hay 10A cho ra điện áp hình sin để

có thể cung cấp cho các loại thiết bị điện và điện tử khác mà thiết bị vẫn hoạt động đúng theo yêu cầu kỹ thuật

Đề tài sẽ sử dụng lý thuyết kỹ thuật xung kết hợp điện tử công nghiệp để tạo mạch đổi điện có kích thước gọn nhẹ, ít tổn hao và giá thành rẻ, làm việc ổn định

Với bộ đổi điện 220V/110V dùng kỹ thuật xung kết hợp điện tử công nghiệp sẽ giúp người dùng mạnh dạn sử dụng các thiết bị điện 110V giá rẻ hiện có rất nhiều trên thị trường Các phòng thí nghiệm / thực hành của các trường đại học, cao đẳng có thiết bị dạy học tiện lợi và hiện đại phục vụ cho các môn học như: Máy điện, Khí cụ điện, Điện tử công nghiệp, Điện tử công suất …

PHẦN 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP (MBA) 220V/110V- 10A

Để thực hiện việc đổi điện từ 220V thành 110V cung cấp cho các thiết bị dân dụng mua từ các nước có nguồn điện 110V hay 110V (như Mỹ, Nhật,…), thường sử dụng biến áp cách ly hay biến áp tự ngẫu

Loại biến áp 220V/110V thông dụng trên thị trường là loại có dòng điện ra ở thứ cấp

là 10A Nôi dung của chương này giới thiệu cách tính toán lõi thép và dây quấn một biến áp cách ly loại 220V/110V – 10A để so sánh với thiết bị được nghiên cứu và thực hiện của đề tài

- Trung áp: có mức điện áp từ trên 1kV đến dưới 110kV;

- Cao áp: có mức điện áp từ 110kV trở lên

b Theo số pha: MBA 1 pha và 3 pha

c Theo công dụng: máy tăng áp và giảm áp

d Theo cấu tạo:

1.3.1 Lõi thép:

Lõi thép được ghép bởi các lá thép kỹ thuật điện, nhiệm vụ của lõi thép là làm mạch dẫn từ Lõi thép bao gồm các trụ thép và gông từ, trong đó, trụ thép là nơi đặt dây quấn, còn gông từ là phần khép kín mạch từ giữa các trụ Khi từ thông xoay chiều đi qua lõi thép, nó gây ra các dòng điện xoáy trong lõi thép Để giảm dòng điện xoáy này, lõi thép được ghép từ những lá thép kỹ thuật điện dày 0,35 mm đến 0,5 mm Lõi thép

có các kiểu sau:

- MBA kiểu lõi hay kiểu trụ: thông dụng cho MBA một pha và ba pha có dung lượng nhỏ và trung bình; được ghép chữ U và I xen kẽ nhau ( mạch từ không phân nhánh);

- MBA kiểu bọc: được ghép bởi các lá thép chữ E, I xen kẽ nhau

Đây là loại mạch từ phân nhánh thường dùng cho 1 pha Để giảm dòng điện xoáy trong lõi thép, người ta dùng thép lá kỹ thuật điện (dày 0,35mm đến 0,5mm, hai mặt có sơn cách điện) ghép lại với nhau thành lõi thép

Lõi thép gồm 2 bộ phận: trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín

- Trụ từ là nơi để đặt dây quấn;

- Gông từ là phần khép kín mạch từ giữa các trụ

Tiết diện trụ từ có thể là hình vuông, hình chữ nhật hay hình tròn có bậc… Loại trụ từ

có tiết diện hình tròn có bậc thường dùng cho MBA công suất lớn

Hình 1.1: Các dạng lõi thép kiểu bọc E-I

Hình 1.2: Các dạng lõi thép kiểu trụ U-I

1.3.2 Dây quấn:

Dây quấn MBA được chế tạo bằng dây đồng hoặc nhôm, có tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật, Bên ngoài dây quấn được bọc cách điện

Dây quấn được tạo thành các bánh dây (gồm nhiều lớp) đặt vào trong trụ của lõi thép Giữa các lớp dây quấn, giữa các dây quấn và giữa mỗi dây quấn và lõi thép phải cách điện tốt với nhau Phần dây quấn nối với nguồn điện được gọi là dây quấn sơ cấp, phần dây quấn nối với tải được gọi là dây quấn thứ cấp

Hình 1.5a

Hình 1.5b

Trong hình 1.5, cuộn sơ cấp và thứ cấp quấn riêng trên 2 trụ 2 bên của lõi thép chữ U Trong hình 1.5b, cuộn sơ cấp và thứ cấp quấn chung trên trụ giữa của lõi thép chữ E MBA thường có 2 hoặc nhiều dây quấn Khi các dây quấn đặt trên cùng 1 trụ, thì dây quấn thấp áp đặt sát trụ thép, dây quấn cao áp đặt lồng ra ngoài Làm như vậy sẽ giảm được vật liệu cách điện và khoảng cách cách điện với phần tiếp đất (lõi sắt) nên giảm được kích thước MBA

Để làm mát và tăng cường cách điện cho MBA, người ta thường đặt lõi thép và dây quấn trong 1 thùng chứa dầu MBA Đối với MBA công suất lớn, vỏ thùng dầu có cánh tản nhiệt và trong nhiều trường hợp phải làm mát bằng cách đặt quạt gió thổi vào các cánh tản nhiệt Ngoài ra còn có các sứ xuyên ra để nối các đầu dây quấn ra ngoài, bộ phận chuyển mạch để điều chỉnh điện áp; rơle hơi để bảo vệ máy, bình dãn dầu, thiết

bị chống ẩm v.v…

Dầu MBA: có tác dụng giải nhiệt và cách điện;

Ống dầu đối lưu: tăng cường giải nhiệt nhờ hiện tượng đối lưu;

Sứ cách điện: dùng để nối các đầu dây sơ cấp và thứ cấp ra ngoài;

Rơ-le hơi: khi áp suất trong máy biến áp tăng cao sẽ làm hở rơ-le hơi và phun dầu ra ngoài, tránh nổ MBA

§1.4 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT

1.4.1 Điện áp định mức:

- Điện áp sơ cấp định mức: U1đm (V, kV) là điện áp nguồn cung cấp vào cuộn sơ cấp;

- Điện áp thứ cấp định mức: U2đm (V, kV) là điện áp bên thứ cấp khi không tải và điện áp đặt vào sơ cấp là định mức

1.4.2 Công suất định mức:

Công suất biểu kiến thứ cấp cung cấp cho tải: Sđm (VA, kVA), đặc trưng cho khả năng chuyển tải năng lượng của máy:

- MBA 1 pha: Sđm = U2đm I2đm (VA, kVA)

- MBA 3 pha: Sđm = U2đm¬.I2đm (VA, kVA)

U

S I

U

S I

U

Sdm I

2

2  MBA 3 pha

dm

dm dm

U

S I

2

2

3



1.4.4 Tần số định mức: fđm(Hz) tần số nguồn điện đặt vào sơ cấp

1.4.5 Điện áp ngắn mạch phần trăm : Un% là điện áp cấp vào sơ cấp khi thứ cấp bị

nối tắt

1.4.6 Tổ nối dâu của MBA:

Đối với MBA 3 pha, tổ nối dây cho biết kiểu nối dây của sơ cấp và thứ cấp, đồng thời cho biết góc lệch pha giữa sức điện động dây sơ cấp và thứ cấp

§1.5 THIẾT KẾ MÁY BIẾN ÁP CÁCH LY 1 PHA

Để thiết kế máy biến áp, ta cần thiết kế khuôn giấy và khuôn gỗ cho dây quấn

1.5.1 Xác định các kích thước:

akh = a + (1 đến 2mm) (kh: khuôn)

bkh = b + (1 đến 2mm)

Hhd = h – [2ckh + (1 đến 2mm)] (hd: hiệu dụng) trong đó: Hhd: chiều cao hiệu dụng

ckh: bề dầy giấy cách điện làm khuôn b: bề dầy mạch từ đã nhân với hệ số ghép fer

- MBA có số liệu U1, U2, I2: 220V, 110V, 10A

- Công suất biểu kiến ở thứ cấp:

S2 = U2.I2 = 110 10 = 1.100VA

Bước 2: Tính tiết diện của lõi thép theo lý thuyết

2,471

1100.1.423,1

.423

At = a.b.kf (chọn kf = đến 0,95)

At = a.b.0,95  a.b = 49,68

Bước 3: Tính số vòng dây, đường kính dây

Số vòng dây cho 1 volt:

V vòng B

A f

N

t

1.68,49.50.44,4

10

.44,

Số vòng dây của cuộn sơ cấp: N1 = NV U1 = 0,9.220 = 198 vòng

Số vòng dây cuộn thứ cấp: N2 = NV U2.Ch = 0,9.110.1,16 = 114 vòng (Ch: hệ

số sụt áp được tra trong bảng là 1.16%) Dòng điện định mức ở sơ cấp:

A U

S

220.9,0

6

5,513.113

,

mm J

I d

cp







Với: JCP: mật độ dòng điện cho phép (JCP của dây đồng là 6A/mm2)

- Bước 4: Kiểm tra hệ số lắp đầy: (từ 0,36 đến 0,46)

day lap so cua tich dien

dien cach day be quan day tich dien tong

k LD

Với số lớp của cuộn dây:

lop vong so

day cuon vong so

S L

/



.

kq = 0,9 – 0,95

Hhd: chiều cao hiệu dụng

d: đường kính dây kể cả cách điện

Diện tích cửa sổ: c.h.3/4a2

At (Chọn = 1 )

1

1100.1.423,1

a.b = = 70,257 cm²

Ta có thể chọn khi a = b, và khi b = 1,5a

Suy ra : amax = 7,05 cm và amin = 5,75 cm  a = 5,75 ÷ 7,05 cm

Acs = c h = a² = 48 cm²

*Ta có khối lượng riêng của thép kỹ thuật điện là Pthép = 7,8kg/dm3 = 7,8g/cm3

Khối lượng lõi thép:

Wth = 6a²b.7,8 = 6 6,5².7.7,8 (gam) = 13,8kg

*Số vòng dây 1 lớp cuộn sơ cấp = = = 65 vòng (Chọn kq = 0,9)

*Số lớp quấn dây cuộn sơ cấp = = = 2.16 lớp = 3 lớp

*Số vòng dây 1 lớp cuộn thứ cấp = = = 48 vòng (Chọn kq = 0,9)

*Số lớp quấn dây cuộn thứ cấp = = = 1,47 lớp = 2 lớp

= 3 × (1,55 mm + 0,446 mm) = 5,988 mm

*Khối lượng dây đồng sử dụng để quấn máy biến áp:

Biết khối lượng riêng của đồng là 8,9.103kg/m3

Khối lượng dây = chiều dài dây x tiết diện dây x khối lượng riêng

Chiều dài dây sơ cấp = chu vi lõi thép * số vòng dây sơ cấp =

= 2.(6,5 +7).141= 30,8 m Tiết diện dây sơ cấp = 3,14 d1 / 4 = 3,14 1,552/4 = 3,54 mm2

Khối lượng dây sơ cấp = chiều dài * tiết diện * khối lượng riêng

= 30,8 3,54.10-6 8,9.103 = 997g Chiều dài dây thứ cấp = chu vi lõi thép * số vòng dây thứ cấp =

= 2.(6,5 + 7).71= 19,17m Tiết diện dây thứ cấp = 3,14 d2 / 4 = 3,14.2,112/4 = 3,49 mm2

Khối lượng dây thứ cấp = chiều dài * tiết diện * khối lượng riêng

= 19,17 3,49 10-6 8,9 103 = 595g

Tổng khối lượng đồng quấn máy biến áp trên là 997 g + 595 g = 1,56kg

Vậy: Khối lượng thép cần là:13,8 kg

Khối lượng đồng cần là: 1,56kg

Chương 2: ĐỔI ĐIỆN DÙNG DIMMER

Từ cấu tạo hình 2.1, triac có ký hiệu như hình 2.2 và cũng được coi như hai SCR ghép song song và ngược chiều

3- Khi triac được dùng trong mạch điện xoay chiều công nghiệp thì nguồn có bán

kỳ dương cực G cần được kích xung dương, khi nguồn có bán kỳ âm cực G cần được kích xung âm Triac cho dòng điện qua cả hai chiều và khi đã dẫn điện thì điện áp trên hai cực T1-T2 rất nhỏ nên được coi như công tắc bán dẫn dùng trong mạch điện xoay chiều (hình 2.3c)

Hình 2.4: Đặc tính vôn-ampe của triac

2.1.4 Các phương thức kích triac

Theo phần nguyên lý của triac thì triac cần được kích xung dương khi cực T2 có điện

áp dương và cần được kích xung âm khi cực T2 có điện áp âm

Thực ra triac có thể kích bằng bốn phương thức như hình 2.5, trong đó cách thứ nhất

và cách thứ hai được coi là cách kích thuận vì đúng theo nguyên lý và chỉ cần dòng điện kích trị số nhỏ hơn so với cách thứ ba và cách thứ tư

§2.2 ỨNG DỤNG CỦA TRIAC VÀ DIAC

Hình 2.6a là nguyên tắc mạch điều khiển triac để thay đổi dòng điện cung cấp cho tải Mạch dịch pha có tác dụng thay đổi thời điểm cho ra xung kích cực G của triac sớm hay trễ, mạch phát xung thường là mạch dao động tích thoát tạo ra xung nảy hay diac nhằm khống chế điện áp lên cực G

Hình 2.6a: Mạch điều khiển

dòng điện qua tải dùng triac

Hình 2.6b: Dạng điện áp trên SCR và triac Hình 2.6c: Dạng điện áp nguồn và trên tải

Hình 2.7 là mạch điều khiển triac đơn giản dùng cho các loại tải có công suất nhỏ Ở mỗi bán kỳ của nguồn điện xoay chiều cực G của triac đều được kích bằng điện áp thích hợp theo cách kích thuận nên triac dẫn điện liên tục cả hai bán kỳ, khi công tắc S

ở vị trí ON Khi công tắc S ở vị trí AUTO thì tùy thuộc trạng thái của tiếp điểm K, tiếp điểm K có thể là bộ điều nhiệt tự động (thermostat) hay bộ điều áp tự động (Pressotat) hay các loại công tắc giới hạn

Hình 2.8 là mạch điều khiển dòng điện qua tải dùng triac, diac kết hợp với quang trở CdS để tác động theo ánh sáng Khi CdS được chiếu sáng sẽ có trị số điện trở nhỏ làm điện áp nạp được trên tụ C thấp, diac không dẫn điện và triac không được kích nên không có dòng qua tải Khi CdS bị che tối sẽ có trị số điện trở lớn làm điện áp trên tụ

C tăng cao đến mức đủ để diac dẫn điện và triac được kích dẫn điện cho dòng điện qua tải Tải ở đây có thể là các loại đèn chiếu sáng lối đi hay chiếu sáng bảo vệ, khi trời tối thì đèn tự động sáng

Hình 2.8

Hình 2.9 là mạch điều khiển triac dùng transistor đơn nối và biến áp xung T Trong mạch này transistor là mạch dao động tích thoát tạo ra xung nảy và qua biến áp xung tạo điện áp kích cho cực G của triac, phụ thuộc trị số của R1 mà thời điểm có xung điện sớm hay trễ Biến áp xung T có tác dụng cách ly điện áp giữa mạch công suất trên tải và mạch điều khiển để đảm bảo an toàn về điện Trong các mạch cần có sự đồng bộ giữa xung kích và nguồn xoay chiều cung cấp cho tải thì nguồn điện cung cấp cho mạch điều khiển có thể lấy từ nguồn xoay chiều 220V, giảm áp rồi qua mạch nắn điện không lọc điện Lúc đó, điện áp nguồn cung cấp cho mạch điều khiển có dạng là những bán kỳ dương gợn sóng và ứng với mỗi bán kỳ của mỗi dòng điện xoay chiều sẽ

có một xung nảy để kích cho cực G của triac (hình 2.10)

-

Chương 3: TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ HIỆN CÓ

THIẾT BỊ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN ÁP 220VAV/110VAC-10A

§3.1 BỘ CHUYỂN ĐỔI HÃNG ROBOTECH

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối mạch bên trong thiết bị Robotech

3.1.1 Giải thích nguyên lý hoạt động của mạch :

Vai trò các linh kiện trong mạch:

- Cầu chì: bảo vệ mạch

- Điện trở 22k: phụ tải trong mạch

- Điện trở 220k: hạn dòng

- Biến trở 100k: điều chỉnh thời gian kích Triac

- Diac DB3: định ngưỡng điện áp vào cực G Triac

- Triac BT138: điều khiển điện áp trên tải

- Tụ C104: Tạo điện áp ngưỡng để kích Triac

Nguyên lý hoạt động:

Mạch hoạt động theo nguyên tắc dùng RC điều khiển Triac Khi cấp nguồn, tại thời điểm VAC đảo chiều (VAC = 0V), Triac chưa dẫn, tụ C nạp qua điện trở 220k và biến trở 100k Khi tụ nạp đến điện áp đủ để qua Diac cấp phân cực cho cực G Triac, Triac dẫn đến cuối bán kỳ Như vậy, điện áp biến thiên trên tụ C ảnh hưởng đến thời điểm dẫn của Triac Khi thay đổi giá trị biến trở, hằng số thời gian nạp tụ thay đổi, thời điểm kích Triac thay đổi, khoảng thời gian dẫn dòng điện của Triac thay đổi, điều chỉnh được điện áp và dòng điện đưa vào tải

Trong trường hợp này, ta cần điện áp ngõ ra là 110VAC, bằng ½ so với điện áp nguồn Do đó, ta cần điều chỉnh biến trở để có góc kích là 90o

3.1.2 Tín hiệu khảo sát thực tế:

- Mạch đơn giản, dễ chế tạo

- Không cần sử dụng biến áp nhờ đó kích thước nhỏ gọn

- Giá thành sản xuất thấp

Khuyết điểm:

- Sản phẩm còn thô sơ, một số chi tiết chưa đảm bảo an toàn

- Chưa ra dạng sin chuẩn nên giới hạn tải sử dụng

- Điện áp ra không cố định 110V cho các tải khác nhau

- Khi không tải, góc kích là 144o, chưa đạt yêu cầu về góc kích 90o