II. Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp
3. Thiết kế chế tạo máy biến áp lực
Các thông số :
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 28 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
4 . S
Phạm vi thay đổi điện áp lưới : 50 v đến 380 v Với U1min = 50 V thì I1 = S/U1min =
50 5000
= 100 (A)
Với U2min = 380 V thì I2 = S/U1max = 380 5000
= 13,15 (A)
=> Chọn Iđm = 100 (A)
Ta có tiết diện của lõi sắt : F = 1,3 = 91,92 (cm2)
Tiết diện thực của lõi sắt : chọn Kcl = 0,9 => Kthực = F. 0.9 = 91,92 . 0,9 = 82,73 (cm2)
Với Kcl là hệ số ghép sát tối đa
Số vòng dây quấn nv tạo ra 1v sức điện động cho các cuộn dây máy biến áp:
Nv = =>Nv =
Nv = 0,45 (vòng/V)
Với 50 là hệ số phụ thuộc vào tần số và bản chất lõi, giá trị này thường được chọn trong giá trị từ 35 50 .
Bmlà cảm ứng từ thường được chọn trong giá trị từ 1,2T 1,6T. Nhưng thường chọn là 1,2T.
Số vòng tạo thành cuộn dây sơ cấp :
N1 = Nv . U1 N1 = 0,45 . 380 => N1 = 171 (vòng) Số vòng tạo thành cuộn thứ cấp: N2 = Nv . U2 N2 = 0.45 . 50 =>N2 = 22,5 (vòng) - Chọn mật độ dòng điện: J = 50 A / mm2
Tiết diện dây quấn như sau: S = I J =
100
50 = 2 (mm
2)
Vậy S= 2 (mm2)
Đường kính dây quấn :
d = = = 1,59 (mm2) 4 .2
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 29 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
=> d = 1.59 (mm2)
Chọn dây dẫn biến áp tự ngẫu có tiết diện tròn , có thông số sau :
Đường kính ngoài : d =1,5( vì trên bề mặt của dây quấn phải mài đi 1 phần để điện áp ra chổi than. Nên chọn dây có đường kính = 1,5)
II.Tính chọn động cơ servovà linh kiện trong mạch điều khiển 1. Động cơ servo
Servo là một loại động cơ điện đặc biệt có khả năng quay cơ cấu chấp hành tới một vị trí chính xác và giữ cứng tại vị trí đó ngay cả khi cơ cấu chấp hành bị đẩy trở lại. Dải góc quay chuẩn của đầu trục ra thường là 900 và 1800.
Cấu tạo của động cơ:
- Động cơ 1 chiều (motor) gồm hai phần chính: stato là phần đứng yên và roto là phần quay.
- Stato là phần nam châm vĩnh cửu lắp phía trong nằm sát vỏ động cơ DC.
- Roto gồm nhiều vòng dây quấn trên trục động cơ DC.
- Dòng một chiều đưa vào hay lấy ra trong roto thông qua các chổi than tỳ lên cổ góp.Cổ góp là một kết cấu hình trụ trên bề mặt có nhiều phiến góp, số phiến góp bằng số cuộn dây và chúng được cách điện với nhau bằng mica.
- Biến trở
- Hộp giảm tốc: Do động cơ Servo chạy với tốc độ rất nhanh nên cần qua bộ giảm tốc (ít sử dụng trực tiếp trên bộ đáp ứng) nhằm để đạt tốc độ mong muốn.
- Mạch điều khiển
- Vỏ: bảo vệ các thành phần của servo motor.
- Dây tín hiệu gồm: + Dây điện dương + Dây tín hiệu + Dây nối mát
2. Tính chọn linh kiện
Khi ta tính chọn linh kiện cho mạch điều khiển 1 vấn đề cần được quan tâm là những linh kiện được chọn phải là loại có sẵn trên thịtrường , để khi phải sửa chữa thay thế có thể tìm mua được dễ dàng . Sau đây ta sẽ tiến hành tính
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 30 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
chọn từng linh kiện trong mạch , đểđơn giản ta có thể chọn trước tri số của vài linh kiện sau đó sẽ tính chọn các phần tử còn lại cho phù hợp .
Biến áp tín hiệu dùng loại 220 (V)
R1: Điện trở hạn chế dòng chọn loại 10 K R2: Điện trở phân áp chọn loại 10 K
Tụ C1 : là tụ lọc tín hiệu , tín hiệu không cần hoàn toàn phẳng vì cần thay
đổi nếu dùng tụ lớn thì tín hiệu lì không thay đổi nên chọn tụ C1 có giá trị nhỏ hơn 10μ . R3, R4, KĐT1 : là bộ khuyếch đại đảo. Chọn R3 = 22K , R4 = 560 K. Vậy hệ số khuyếch đại sẽ là : K= R4 R3 = 22 560 = 22,5(lần) R5 : chọn R5 = 10 K R6 , R8 : chọn R6 = 10 K , R8 = 10 K R7 ,R 9 : chọn R7 = 10 K , R9 = 10K Tầng thứ nhất cầu Dalingtơn của Tr1-Tr2 chọn loại C828
Tầng thứ nhất cầu Dalingtơn của Tr3-Tr4 chọn loại A564 Có các thông số sau :
Pmax (mW) ICmax (mA) Vcc (V) β ToC Fgh (mhz)
220 50 30 220 125 220
R10 , R11 : là 2 điện trở hạn chế dòng cho hai cầu dalingtơn nên phải
được chọn sao cho đảm bảo các tranzito Tr1- Tr2 và Tr3- Tr4 bão hoà . Ta có : I bco = ICmax / β = 220 50 = 0,23 mA Chọn độ dự chữ gấp 10 lần : Ibco = 0,23. 10 = 2,3 mA Vậy trị số của R10 và R11 là : R10 = R11 =12 2.3= 5,2 K Chọn điện trở chuẩn R10 = R11 = 4,7 K
Chọn động cơ secvô 1 chiều có công suất 10W , điện áp 12V.
Dòng định mức của secvô là : Iđm = 12 3 10 . 10 =833mA
Từ dòng định mức của động cơ secvô ta chọn tầng thứ 2 của cầu
dalingtơn: Tr2 là H1061 , Tr4 là A671.
Các khuyếch đại thuật toán KĐT1, KĐT2, KĐT3 chọn loại LM741 Có các thông số trong bảng sau :
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 31 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
A0 Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch 100dB
Zi Trở kháng vào 1MΩ
Z0 Trở kháng ra 15Ω
Ib Dòng điện phân cực vào 200mA
Vsmax Điện áp nuôi cực đại 18v
V1max Điện áp vào cực đại 13v
V0max Điện áp ra cực đại 14v
F0 Tần số chuyển tiếp 1Mhz
Cánh tản nhiệt : Đểđảm bảo cho tranzito H1061 và A671 làm việcđược lâu dài không bị nóng ở nơi mà biến áp phải hoạt động liên tục, tức là nơi điện áp phải hoạt động nhiều cần lắp thêm cánh tản nhiệt.
III. Tính chọn bộ nguồn ổn áp 1 chiều cung cấp cho mạch điều khiển1. Nhiệm vụ và yêu cầu đối với nguồn nuôi 1. Nhiệm vụ và yêu cầu đối với nguồn nuôi
Như chúng ta đã biết, các mạch điều khiển nếu ví như các bộ não thi nguồn nuôi cung cấp cho mạch điều khiển được ví như các mạch máu cung cấp năng lượng nuôi bộ não. Do đó tất cả các mạch điều khiển dù đơn giản hay phức tạp cũng không thể thiếu được nguồn nuôi .
Trong ổn áp của chúng ta thiết kế cần 2 bộ nguồn để làm nguồn nuôi các khuyếch đại thuật toán, làm nguồn chuẩn để so sánh .
2 bộ nguồn này kí hiệu là : + Uư
- Uư
Hai bộ nguồn này đều phải cung cấp ra điện áp ổn định +12V và -12V khi
điện áp đầu vào dao động từ 127V đến 380V, tức là trong dải làm việc của ổn áp. Ổn áp chỉ làm việc khi nguồn nuôi các mạch điều khiển đã có, đảm bảo ổn áp làm việc luôn tin cậy.
2.Tính toán chế tạo bộ nguồn nuôi ổn áp
Ổn áp thiết kế có hai bộ nguồn nuôi giống hệt nhau nên khi tính toán ta chỉ cần tính cho 1 bộ còn bộ kia có các số liệu giống như vậy. Có nhiều sơ đồ để có thể áp dụng cho việc lắp ráp bộ nguồn nuôi này, nhưng qua thực tế và thử nghiệm em đã chọn sơ đồ sau:
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 32 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
Hình 4.2 Sơ đồ cấu tạo bộ nguồn nuôi ổn áp
IC 7812 : vi mạch ổn áp ± 12V có thông số kĩ thuật như sau :
Mã hiệu Điện áp vào Dòng điện ra Điện áp ra
UA7812MK 17V-33V 1A 11,5-12,5
Qua sơ đồ trên chúng ta thấy nó đáp ứng được các yêu cầu về độ ổn định điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào thay đổi từ 50V đến 380V.Số lượng linh kiện ít, chủng loại linh kiện ít nên khi thiết kế mạch in dễ dàng.
Tính toán thiết kế biến áp nguồn nuôi:
Để điện áp ra của bộ nguồn được ổn định ở +12V và -12V cung cấp cho các mạch điều khiển ta thiết kế biến áp với các thông số như sau:
* Điện áp đầu ra của nguồn ổn áp: Ura = + 12(V)
* Dòng tải lớn nhất: Itải = 1A
• Phạm vi thay đổi của điện áp lưới: Ulưới =50V đến 380V
1) Chọn điện áp rơi nhỏ nhất ΔUmin =5V trên IC ổn áp ứng với lúc điện áp xoay chiều đầu vào nhỏ nhất U1min= 50V
2) Điện áp nhỏ nhất ở cửa vào IC ổn áp (khi đã có tụ lọc):
UVmin = Ura + ΔUmin => UVmin = 12 + 5 = 17V
3) Điện áp chỉnh lưu nhỏ nhất khi chưa có tụ lọc ( giá trị trung bình của điện áp đập mạch ) :
Ucl = 2UVmin = 2.17 = 34 V
(ở đây đã coi tụ lọc nâng giá trị trung bình của điện áp đập mạch lên 2 lần ) 4) Điện áp nhỏ nhất của thứ cấp máy biến áp theo sơ đồ chỉnh lưu Cầu 1 pha
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 33 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
U1max= 1,11 Uclmin + ΔUba
U2min = 1,11.34 + 4 = 41,74 V
Trong đó lấy ΔUba= 4 V là điện áp rơi trên dây quấn máy biến áp và dây dẫn 7) Điện áp chỉnh lưu lớn nhất khi (chưa có tụ lọc):
Uclmax= 0,9.U2max =0,9.26 = 23,4V
8) Điện áp lớn nhất khi cửa vào IC ổn áp (khi đã có tụ lọc) ứng với khi điện áp lưới U1max = 380V:
Uvmax = 2Uclmax = 33V
( coi tụ C1 nâng điện áp trung bình lên 2 lần ) 9) Sụt áp lớn nhất trên IC ổn áp
Δ Umax = Uvmax– Ur = 33 – 12 = 21V
10) Công suất tổn thất lớn nhất trên IC ổn áp
Δ Pmax= ΔUmax. Itải => Δ Pmax = 21.1 = 21W
11) Công suất tải yêu cầu:
Ptải = Ur. Itải
=>Ptải = 12.1 = 12 W
12) Công suất máy biến áp
P = Ptải + Δ Pmax
=> P = 12 + 3 = 33 (W)
13) Tiết diện lõi sắt máy biến áp
F = 1,2. = 1,2. = 6,9cm2 14) Hệ số quấn dây N0 =F40 → 60 F = 50 6.9 = 7,2 ( vòng/ vol)
Việc chon hệ số 40-> 60 phụ thuộc vào chất lượng tôn đối với tôn trong máy biến áp này ta chọn hệ số = 50.
15) Số vòng dây:
Cuộn sơ cấp: W1 = No.U1max = 7,2.240 => W1 = 1737 (vòng)
Cuộn thứ cấp : W2 = No.U2max = 7,2.26 => W2 = 189 (vòng)
16) Dòng điện:
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 34 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
=> I2 = 1 / 1,11 => I2 = 0,9 (A) Sơ cấp: I1 = . 1 2 W W I2 => I1 = 9 , 0 . 1737 189 =>I1 = 0,1 (A)
17) Tiết diện dây : chọn J = 3
Sơ cấp : S1 = J I1 => S1 = 3 1 , 0 = 0,03 (mm2) => Thứ cấp: S2 = J I2 => S2 = 3 9 , 0 = 0,3 (mm2) 18) Đường kính dây Sơ cấp : d1 = 1 . 4S = 03 . 0 . 4 = 0.2 (mm) => d1 = 0,2 (mm) Thứ cấp : d2 = 2 . 4S = 3 , 0 . 4 = 0.6 (mm) => d2 = 0,6 (mm) 19) Chọn IC ổn áp tuyến tính loại 7812
Chọn tụ hoá C2 : ( 4,7 ÷ 10 ) μ và điện áp Ura = 12(V)
Chọn tụ hoá C1 : (1000 ÷ 3000) μ và Uvmax = 33 (V) Chọn cầu chỉnh lưu : 5(A)
IV. Tính chọn mạch bảo vệ cho bộ nguồn ổn áp công suất 5 KVA 1. Giới thiệu chung 1. Giới thiệu chung
Như chúng ta đã biết, tất cả các thiết bị điện muốn làm việc được tốt, lâu dài thì khi vận hành đều phải tuân thủ nghiêm ngặt những yêu cầu kĩ thuật, những giới hạn cho phép về điện áp …Thế nhưng nhiều khi những nguyên nhân khách quan bất ngờ dẫn đến hỏng hóc thiết bị. Do vậy hệ thống bảo vệ trong từng thiết bị điện là không thể thiếu được. Bộ ổn áp mà chúng em thiết kế là bộ nguồnổn áp công suất 5 KVA, có dải làm việc rộng và khả năng tự động hoá cao. Thế nhưng bộ ổn áp sẽ làm việc không tin cậy nữa khi có những sự cố của lưới điện: điện áp vượt ra
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 35 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
ngoài dải làm việc của bộ ổn áp. Vì vậy từ giới hạn về dải điện áp làm việc
chúng ta sẽ thiết kế mạch bảo vệ ngoàI dải làm việc của bộ ổn áp.
2. Thiết kế chế tạo mạch bảo vệ điện áp ngoài dải làm việc:
Bộ ổn áp chỉ làm việc tốt trong dải điện áp từ 50V ÷ 380 V. Còn khi điện áp lưới vượt ra ngoài phạm vi đó thì điện áp ở đầu ra của bộ ổn áp không còn ổn định ở định mức nữa.
Như vậy dựa vào dải làm việc của bộ ổn áp mà ta chọn 2 ngưỡng 50V và 380 V để thiết kế mạch bảo vệ .
+ Khi Ul < 50V thì động cơ secvô làm việc, Ura không được ổn áp.
+ Khi Ul > 380V thì cắt không cho động cơ secvô làm việc, Ura không được ổn
áp.
+ Khi 50V < Ul< 380V thì động cơ sec vô tự động làm việc, điện áp ra của biến áp được ổn áp.
Nguyên lý làm việc của mạch bảo vệ điện áp ngoài dải làm việc
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý của mạch bảo vệ điện áp ngoài dải làm việc
Khi điện áp lưới giảm xuống < 380 V, theo nguyên lý làm việc của mạch điều khiển , Tr3 và Tr4 mở có dòng từ GND chạy qua động cơ secvô qua 2KH về -Uư. Động cơ secvô quay theo chiều giảm số vòng dây trên biến áp ổn định. Khi điện áp vào biến áp ổn áp giảm xuống < 50 V thì động cơ secvô sẽ tác động vào công tắc hành trình 2KH ngắt nguồn cấp cho động cơ dẫn đến động cơ ngừng hoạt động, (điện áp vào rất nhỏ nên điện áp ra cũng nhỏ).
Tác dụng của Đ2là để ngăn dòng từ GND chạy về –Uư, nhưng vẫn có thể dẫn dòng từ +Uư đến GND trong trường hợp công tắc hành trình 2KH đang bị tác động. Như vậy trong trường hợp 2KH đang bị tác động nếu điện áp đầu vào ổn áp tăng lên > 50 V thì điện áp ra lớn hơn điện áp ổn định, do đó Tr1 và Tr2
GVHD: ThS. Vũ Doãn Vượng 36 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17
GND. Động cơ secvô quay theo chiều tăng số vòng dây và tự động chạy ra khỏi công tắc hành trình 2KH dẫn đến mạch Reset lại quay về trạng thái làm việc bình thường.
Tương tự như vậy, khi điện áp vào biến áp ổn áp tăng lên lớn hơn 127V
Tr1 và Tr2trên mạch điều khiển mở, dẫn dòng từ +Uưqua công tắc hành trình 1KH, 2KH đến động cơ và về GND. Động cơ secvô quay theo chiều tăng số vòng dây trên biến áp ổn áp. Trong trường hợp điện áp vào biến áp ổn áp lớn hơn 380V, động cơ secvô sẽ tác động vào công tắc hành trình 1KH ngắt nguồn cấp cho động cơ, động cơ ngừng hoạt động.
Tác dụng của Đ1để ngăn dòng từ +Uư cấp cho động cơ trong trường hợp 1KH đang bị tác động nhưng vẫn có thể dẫn dòng ngược lại từ GND qua 2KH
về +Uư. Như vậy trong trường hợp 1KH đang bị tác động, nếu điện áp đầu vào biến áp ổn áp giảm nhỏ hơn 127V thì Tr3 và Tr4mở dẫn dòng từ GND qua 2KH, qua Đ1về -Uư cấp nguồn cho động cơ secvô quay theo chiều giảm số vòng dây và tự động chạy ra khỏicông tắc hành trình 1KH, mạch reset trở về trạng thái hoạt động ban đầu.
Trong trường hợp có sự cố mất điện, động cơ secvô sẽ tự động quay theo chiều tăng số vòng dây, tránh trường hợp có điện trở lại điện áp lúc này rất lớn mà trước khi mất điện điện áp đang nhỏ) gây sự cố quá tải khi điện áp đầu vào tăng đột ngột.Ta sử dụng 2 tụ có dung lượng 4700μF, 1 tiếp điểm thường đóng của Rơle , 1 điốt Đ3.
Khi mạch Reset hoạt động bình thường, tụ C được nạp đầy đểdự trữ. Khi mất điện Rơle cũng mất điện, tiếp điểm thường đóng của rơle đóng lại, tụ phóng điện qua bản cực dương của tụ, qua động cơ secvô về GND về bản cực âm của tụ, làm động cơ secvô quay con trượt chổi than tăng số vòng dây (vị trí có số
vòng dây an toàn).
Chọn linh kiện: