Thiết kế bộ ổn áp xoay chiều một pha

Trong số các chỉ tiêu trên thì điện áp đợc xem là chỉ tiêu quan trọng hàng đầu, vì thực tế điện áp hay biến động phức tạp, ảnh ởng nghiêm trọng đến hoạt động của các thiết bị điện trong

Mục lục

Lời nói đầu 3

Giới thiệu chung về thiết bị 7

ổn áp xoay chiều 7

I.vai trò, tác dụng của ổn áp .7

II Các loại ổn áp kiểu thông số 8

1.ổn áp điện môi dùng tụ điện phi tuyến: 8

2.ổn áp dùng điện trở phi tuyến 11

3.ổn áp dùng điện trở nhiệt 12

4.ổn áp dùng Barette 13

5.ổn áp dùng biến trở than 14

6.ổn áp dùng điện cảm phi tuyến 16

iii.các loại ổn áp kiểu bù 17

1.ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ 17

2.ổn áp kiểu khuếch đại từ 20

3.ổn áp dùng thiết bị bán dẫn 22

iv.ổn áp có thiết bị điều khiển 24

1.ổn áp khuếch đại từ kết hợp với mạch điều khiển bằng bán dẫn 24

2.ổn áp điều khiển nhảy cấp dùng Tiristor hoặc Triac 26

3.ổn áp điện từ kết hợp với điều khiển tự động(ổn áp kiểu servomotor) 28

4.ổn áp kiểu điện tử 31

Chơng 2 33

chọn phơng án thiết kế 33

i.nhiệm vụ thiết kế: 33

ii.Chọn phơng án thiết kế 33

1.điều chỉnh điện áp bên sơ cấp 34

2.Điều chỉnh điện áp bên thứ cấp 34

Tính toán mạch động lực ổn áp 37

i.khái quát chung về mạch động lực 37

ii.Tính toán máy biến áp tự ngẫu 37

1.Tính công suất thiết kế của máy biến áp tự ngẫu 37

2.Thiết kế tính toán mạch từ 40

3.Tính toán dây quấn máy biến áp 42

4.Xác định kích thớc dây quấn 46

5.Các bớc tiến hành xây dựng kết cấu mạch từ biến áp tự ngẫu 47

6 Xác định các tham số biến áp tự ngẫu 52

iii.Tính toán biến áp bù cho ổn áp 59

iv.Tính toán tiếp điểm, thiết kế cơ cấu truyền động và lựa chọn động cơ 63

1.Tính toán tiếp điểm 64

2.Tính toán thanh dẫn 66

3.Thiết kế hệ thống truyền động 69

4.Lựa chọn động cơ servo 73

5.Tính thời gian đáp ứng của ổn áp khi điện áp vào thay đổi 10% 73

6.Tính thời gian đáp ứng ổn áp khi điện áp vào thay đổi từ 90V ữ 240V 74

tính toán mạch điều khiển 76

i.Giới thiệu chung về mạch điều khiển 76

ii.nguyên tắc điều khiển 77

iii.Yêu cầu mạch điều khiển 78

iv.Sơ đồ khối mạch điều khiển 78

v.Lựa chọn các khâu trong mạch điều khiển 80

1.Khâu chỉnh lu 80

2.Khâu so sánh 83

3.Khâu khuếch đại 84

4.Khâu tạo điện áp chuẩn 85

5.Mạch điều khiển động cơ 86

vi.tính chọn mạch bảo vệ 89

Thiết kế kết cấu cho ổn áp 92

i.Chọn các thiết bị phụ 92

1.Đồng hồ đo điện áp, dòng điện 92

2.Bộ phận bảo vệ ngắt dòng điện 93

3.Các đầu nối điện vào ra 93

4.áptômát 93

ii.Thiết kế tủ điện 94

1.Yêu cầu khi thiết kế tủ điện 94

2.Thiết kế tủ điện ổn áp 95

96

kết luận 97

Tài liệu tham khảo 98

Lời nói đầu

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nớc với công cuộc công nghiệp hoá hiện đại hoá,nghành điện đóng một vai trò vô cùng quan trọng

Điện đã ứng dụng vào mọi lĩnh vực của đời sống nh sinh hoạt ,sản xất Nguồn năng lợng điện với u thế vợt trội dễ sử dụng, không gây ô nhiễm đã dần thay thế các nguồn năng lợng truyền thống khác nh than, dầu mỏ, khí đốt Các loại máy

điện, khí cụ điện, thiết bị đo điện cũng đợc sản xuất ngày càng nhiều và với nhiều chủng loại phong phú, đa dạng.

Cùng với việc ứng dụng điện năng trong sản xuất ngày càng nhiều nh vậy, một vấn đề đặt ra đòi hỏi với ngời vận hành điện cũng nh hộ sử dụng điện là có một nguồn điện chất lợng cao thể hiện ở sự ổn định điện áp, sự cân bằng pha, modul, thời gian cung cấp điện Trong số các chỉ tiêu trên thì điện áp đợc xem

là chỉ tiêu quan trọng hàng đầu, vì thực tế điện áp hay biến động phức tạp, ảnh ởng nghiêm trọng đến hoạt động của các thiết bị điện trong sinh hoạt cũng nhtrong sản xuất:

h Đối với các thiết bị sinh hoạt gia đình nh đèn, ti vi đều có một điện áp

định mức mà tại đó các thiết bị này hoạt động tốt nhất, tuổi thọ cao nhất Nếu

điện áp cung cấp không ổn định sẽ ảnh hởng xấu đến tính năng của thiết bị và làm giảm tuổi thọ của chúng Một số đồ điện có thể bị hỏng khi điện áp thay đổi lớn

- Đối với các máy sản xuất đợc kéo bằng động cơ không đồng bộ, khi điện

áp giảm xuống thì mômen quay giảm nhiều do mômen tỉ lệ bình phơng với điện

áp M = f(U2), do đó có thể động cơ không khởi động đợc hoặc là không kéo đợc tải Điều này ảnh hởng tới năng suất lao động, chất lợng sản phẩm

- Đối với các thiết 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% và tuổi thọ của đèn giảm 3 lần Nếu chiếu sáng trong sản xuất, khi ánh sáng không đủ ngời công nhân sẽ làm việc trong điều kiện thần kinh căng thẳng, hại mắt, hại sức khoẻ và có thể gây ra hàng loạt phế phẩm Nh vậy yêu cầu ổn định

điện áp là rất cần thiết

- ở trong phòng thí nghiệm, nếu các thiết bị điều khiển, đo lờng và đối ợng thí nghiệm không đợc cung cấp một điện áp ổn định thì sẽ ảnh hởng đến các thiết bị làm thí nghiệm và gây ra sai số cho các phép đo Đối với những phòng thí

t-nghiệm lớn, quan trọng thì thiết bị điện đòi hỏi nguồn cung cấp có độ ổn định rất cao

- Đối với các ngành, các lĩnh vực quan trọng nh quân sự, hàng không, y tế, truyền hình, viễn thông thì nguồn điện ổn định có vai trò sống còn Vì thế điện áp cho phép sai số với giá trị chuẩn là rất ít, nếu không có thể gây ra những hậu quả hết sức nghiêm trọng

Do tầm quan trọng nh vậy nên ổn định điện áp đóng vai trò rất thiết thực trong sinh hoạt và trong sản xuất Nhiều chuyên gia, kỹ s, công ty điện- điện tử

đã không ngừng nghiên cứu và đầu t để tạo ra các bộ ổn áp có chất lợng cao, đáp ứng tốt các yêu cầu ngày càng khắt khe của nền công nghiệp hiện đại.Với điều kiện nớc ta cơ sở hạ tầng nghành điện còn yếu nên chất lợng cung cấp điện cha

đáp ứng một cách tốt nhất vì thế giải pháp về một bộ ổn định điện áp đợc xem là rất hiệu quả

Khi nhận đợc đề tài làm đồ án tốt nghiệp: “Thiết kế bộ ổn áp xoay chiều một pha”, em rất phấn khởi vì trong quá trình thực hiện đồ án em đã đợc trang bị thêm nhiều kiến thức bổ ích về ổn áp, tổng hợp lại kiến thức các môn đã học,

đồng thời tạo ra khả năng ứng dụng lý thuyết vào thực tế một cách linh hoạt, hiệu quả hơn Nội dung đồ án gồm các chơng:

Chơng I: Giới thiệu chung về thiết bị ổn áp xoay chiều

Chơng II: Chọn phơng án thiết kế

Chơng III: Tính toán mạch động lực ổn áp

Chơng IV: Tính toán mạch điều khiển

Chơng V: Thiết kế kết cấu cho ổn áp

Do thời gian hạn hẹp và kinh nghiệm thực tế cha nhiều nên đồ án của em chắc hẳn còn nhiều thiếu sót Em rất mong các thầy, các cô chỉ bảo để bản đồ án

đợc hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đức cùng tất cả các thầy cô trong bộ môn đã tận tình hớng dẫn em hoàn thành nội dung đồ án này

Hµ néi, ngµy 23 th¸ng 5 n¨m 2006

Sinh viªn

NguyÔn Kiªn Cêng

Ch¬ng 1

Giới thiệu chung về thiết bị

ổn áp xoay chiều

I vai trò, tác dụng của ổn áp

Do đặc điểm mạng điện lới của chúng ta cha đợc cải tạo hoàn chỉnh nên ở phần lớn địa phơng trong cả nớc, điện áp mạng cung cấp cho các phụ tải hay lên xuống thất thờng trong giờ cao điểm Việc sử dụng các máy tăng giảm điện để cấp nguồn cho các thiết bị điện (nhất là điện tử) đang gặp nhiều bất tiện do phải

điều chỉnh bằng tay nên đôi lúc không tin cậy, không kịp thời Ngày nay ngời tiêu dùng có xu hớng sử dụng ổn áp thay cho máy tăng giảm điện ngày càng nhiều

Các bộ ổn áp điện xoay chiều là các thiết bị điện tự động duy trì đại lợng

điện áp xoay chiều đầu ra không đổi khi điện áp đầu vào thay đổi trong một phạm vi nhất định

Mỗi thiết bị tiêu thụ điện năng đợc chế tạo để làm việc ở một cấp điện áp xác định, gọi là điện áp định mức Trong thực tế, điện áp lới cung cấp luôn biến

động trong một phạm vi cho phép, ví dụ ( 0,85 ữ 1,1 ).Uđm Nếu thiết bị điện làm việc ở lới điện không ổn định, đặc tính của thiết bị sẽ không ổn định theo, tuổi thọ của nó giảm, vì vậy các bộ ổn áp đảm bảo cung cấp điện áp ổn định cho các thiết bị công tác

Chất lợng của bộ ổn áp đợc đánh giá bằng hệ số ổn định và độ méo của dạng sóng đầu ra Hệ số ổn định của ổn áp là:

Kôđ =

v r

v r v

v r

r

U U

U U U

U U

Trong đó: UV , UR là điện áp định mức đầu vào và đầu ra.

∆UV , ∆UR là độ dao động của điện áp đầu vào và đầu ra

Nếu Kôđ càng nhỏ thì độ ổn định càng tốt.

Chất lợng điện áp còn đợc đánh giá qua độ méo của nó so với điện áp đầu vào hình sin, nếu điện áp ra bị méo (không sin) thì ngoài thành phần sóng cơ bản ( bậc một ), nó còn có các sóng hài bậc cao, ảnh hởng đến chế độ làm việc của thiết bị và gây nhiễu cho lới điện

Có nhiều kiểu ổn áp xoay chiều với các nguyên lý làm việc khác nhau Chúng thờng đợc phân làm 2 nhóm: nhóm ổn áp thông số (không có điều khiển)

và nhóm ổn áp bù (có điều khiển) Dới đây ta xét đặc điểm của một số loại ổn áp thờng gặp

II Các loại ổn áp kiểu thông số

ổn áp kiểu thông số có cấu tạo rất đơn giản, nó gồm một phần tử tuyến tính nối nối tiếp với một phần tử phi tuyến Điện áp vào đợc đặt trên cả hai phần

tử tuyến tính và phi tuyến Phần tử phi tuyến có đoạn đặc tính U(Z) ít dốc và điện

áp ra đợc lấy trên phần tử ở phi tuyến

Hình 1.1 Sơ đồ ổn áp kiểu thông số.

ở mạch bên phần tử tuyến tính và phi tuyến có thể là tụ điện, điện trở, các

đèn điện tử, biến trở than

1 ổn áp điện môi dùng tụ điện phi tuyến:

Cấu tạo: ổn áp điện môi đơn giản gồm một tụ điện tuyến tính C1 nối tiếp

với một tụ điện phi tuyến C2

Sơ đồ nguyên lý nh hình vẽ:

UrUv

Ztt

Zpt

Hình 1.2 Sơ đồ ổn áp điện môi dùng tụ phi tuyến.

Nguyên lý: từ sơ đồ trên ta có quan hệ giữa điện áp ra và điện áp vào là:

Ur =

2 1

1

C C

C

U v

+

Theo kinh nghiệm: C2 = C0 + ∆Uv

C0: giá trị điện dung của tụ khi điện môi là không khí

Ta thấy do C2 tăng theo Uv nên độ biến thiên tơng đối của điện áp ra bao giờ cũng nhỏ hơn độ biến thiên tơng đối của điện áp vào Nghĩa là hệ số ổn định bao giờ cũng nhỏ hơn 1

Nhợc điểm: loại ổn áp dùng sơ đồ này có tác dụng ổn định không lớn; hệ

số K còn cao

Để nâng cao tính chất ổn áp, ngời ta thờng dùng sơ đồ cầu nh sau:

Hình 1.3 Sơ đồ cầu ổn áp dùng tụ phi tuyến.

Điện trở R1 có tác dụng bù pha, làm cho điện áp trên các tụ tuyến tính và phi tuyến hầu nh trùng pha Khi hoàn toàn bù pha điện áp ra có thể tính gần đúng theo biểu thức sau:

Ur = U2 – U1 =

2 1

2 2

1

1

C C

C U C

Ur =

2 1

2

(

C C

C C

U v

+

−

Chọn C1, C2, và R1 một cách thích hợp có thể thu đợc độ ổn định điện áp yêu cầu

Nếu không chú ý đến tính chất phi tuyến, công suất ra có thể tính theo công thức:

2 1 21

2 2 1 2

)(

.)(

C C

R R

I

C C

t

v

++

−ωω

22

8

)(

2 1

2 2 1 2

C C

C C

U v

+

−ω

Nh vậy khi tăng điện dung của tụ điện lên n lần thì công suất ra cũng tăng lên n lần

Chất lợng của các bộ ổn áp điện môi cao, nó ít phụ thuộc vào nguồn cung cấp và có thể sử dụng ở tần số cao

2 ổn áp dùng điện trở phi tuyến.

Cấu tạo: Bộ ổn áp loại này gồm các điện trở phi tuyến đợc nối nối tiếp

hoặc theo sơ đồ cầu với các điện trở tuyến tính

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.4 ổn áp dùng điện trở phi tuyến.

Từ sơ đồ ta có:

Uv = Ur + RCUrαLấy đạo hàm:

r r

v

U du

r

RCU1

R r

v

U

U U U

U du

)1

v r

r

u u

du u

du

Khi tính gần đúng có thể bỏ qua Ur(1 - α) nên:

α

1

v

v r

r

u

du u

Rpt R

Rpt R

Ưu điểm: bộ ổn áp loại này có thể chế tạo ở công suất lớn, có thể dùng

cho cả mạch xoay chiều lẫn một chiều

Nguyên lý: Khi điện áp vào Uv tăng lên, dòng điện chạy qua điện trở nhiệt

là In cũng tăng lên làm cho nhiệt độ tăng và trị số của Rn giảm xuống Vì vậy,

điện áp ra sẽ ít biến đổi hơn điện áp vào

Điện dẫn của Rn biểu thị bằng đẳng thức:

g = g0.e-b/ Tg0, b: hằng số đặc trng cho vật liệu làm điện trở nhiệt

T: nhiệt độ tuyệt đối

Để tiến hành tính toán ngời ta dựa vào đặc tính gốc nêu rõ quan hệ giữa

điện trở và nhiệt độ

Rn = f1(θ)

UrUv

R

R0

Rn

un

in = f2(θ); Un = f3(θ)Rồi từ đó dựng đợc đặc tuyến V-A của điện trở nhiệt:

Un = f4(in)Khi đã có các đặc tuyến có thể dùng phơng pháp đồ thị để tìm ra các số liệu cần thiết

Ưu điểm: điện trở nhiệt có cấu tạo đơn giản, kích thớc nhỏ gọn, độ bền cơ

cao, đặc tính ổn định, có khả năng chế tạo theo đặc tuyến điện cho trớc

Nhợc điểm: ổn áp loại này không chế tạo đợc công suất lớn.

4 ổn áp dùng Barette.

Cấu tạo: ổn áp gồm một barette nh sơ đồ:

Hình 1.6 ổn áp dùng barette và đặc tính V-A của barette.

Barette là một sợi thép hoặc vonfram đặt trong bóng thuỷ tinh chứa khí hidro ở áp suất khoảng 80mmHg Khi dòng điện chạy qua Barette tăng lên chút

ít, điện trở của nó sẽ tăng lên rất nhiều

Nguyên lý: từ sơ đồ ta có:

Uv = UB + U1Khi điện áp vào thay đổi thì dòng điện trên barette thay đổi làm điện trở barette thay đổi nhiều trong khi U1 ít thay đổi, do vậy Ur ít thay đổi

BA

uBI

U

I

0 Imin Imaxur

Ưu điểm:

 Barette có thể làm việc trong mạch một chiều cũng nh xoay chiều, nó ít nhạy bén với tần số của dòng điện cung cấp do có quán tính nhiệt

 Hệ số ổn định của ổn áp loại này từ 0,2 ữ 0,5; sơ đồ ổn định đơn giản, không làm méo tín hiệu

Nhợc điểm:

 Độ ổn định không cao, hiệu suất thấp, có quán tính

 Chỉ dùng cho các mạch có điện áp và dòng điện nhỏ

5 ổn áp dùng biến trở than.

Cấu tạo: bộ ổn áp gồm một biến trở than (là một chồng đĩa than xốp),

một lò xo kéo và một nam châm điện điều khiển Ngoài ra trong mạch có thể mắc điện trở Sun hoặc không

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.7 ổn áp dùng biến trở than.

Nguyên lý: hoạt động của ổn áp dựa trên sự thay đổi điện trở của biến trở

than Khi lực ép lên biến trở tăng, giá trị điện trở sẽ giảm và ngợc lại Điện áp

đầu ra đợc tính bằng hiệu của điện áp đầu vào và điện áp rơi trên chồng đĩa than

Khi điện áp vào thay đổi hoặc tải thay đổi, điện áp ra thay đổi theo thì lực

điện từ của nam châm điện thay đổi theo cho nên lực ép lên chồng đĩa than cũng thay đổi làm điện trở của nó thay đổi Lúc đó điện áp trên đĩa than cũng thay đổi

và làm cho điện áp ra đợc duy trì ổn định

Muốn duy trì điện áp ra không đổi, điện áp vào không đợc vợt ra khỏi giới hạn sau:

Uvmin = Ur + UBTminUvmax = Ur + UBTmaxUBTmin : sụt áp cực tiểu trên biến trở lúc nó bị ép

UBTmax : sụt áp cực đại trên biến trở lúc biến trở không bị ép

Dòng điện phụ tải cực đại( khi không có điện trở Sun):

r v

BT NC

BT

U U

P I

PBTmax : công suất cực đại của biến trở than

UBT : sụt áp trên biến trở than

INC : dòng điện của cuộn dây nam châm điện

Dòng điện phụ tải khi sử dụng điện trở Sun:

r v

U U

α : hệ số phi tuyến của điện trở Sun

α càng lớn thì công suất và dòng điện phụ tải của bộ ổn áp càng lớn

Ưu điểm: bộ ổn áp biến trở than có thể duy trì điện áp ra chính xác tới 1ữ

2%

Nhợc điểm: có quán tính, độ chính xác ổn định kém, có bộ phận chuyển

động, cấu tạo tơng đối phức tạp

6 ổn áp dùng điện cảm phi tuyến.

Cấu tạo: gồm một phần tử phi tuyến là một cuộn kháng làm việc ở chế độ

bão hoà mắc nối tiếp với một phần tử tuyến tính là cuộn kháng tuyến tính

Sơ đồ: điện áp vào đặt trên cả hai cuộn kháng, điện áp ra đợc lấy trên cuộn phi tuyến

Hình 1.8 Sơ đồ nguyên lý và đặc tính ổn áp dùng điện cảm phi tuyến.

Ưu điểm: loại ổn áp này tổn hao nhỏ, nếu cuộn kháng tuyến tính có khe

hở không khí trong mạch từ có thể nâng cao hiệu suất, có thể dùng cho điện xoay chiều công suất lớn

Nhợc điểm: loại ổn áp này tốn nhiều nguyên vật liệu, điện áp ra bị méo

dạng nhiều, dòng điện lớn do mạch từ bão hoà gây ra

Tuy vậy sự dao động của điện áp đầu ra ∆Ur vẫn còn tơng đối lớn vì đặc

Để giảm bớt ∆Ur ta mắc thêm trên cuộn tuyến tính một cuộn bù wb ngợc cực tính với cuộn bão hoà, điện áp ra trong trờng hợp này đợc tính bằng:

phải chọn sao cho ∆Ur nhỏ nhất

Đặc điểm chung của ổn áp thông số:

 Vì các tổng trở phi tuyến luôn làm việc ở chế độ bão hoà nên dòng không tải lớn, phạm vi thay đổi tải nhỏ

 Điện áp vào nhỏ nhất phải lớn hơn điện áp bão hoà của các phần tử phi tuyến

 Độ ổn định tuỳ thuộc vào độ dốc đặc tính U(Z) của Zpt , các đặc tính này không hoàn toàn song song với trục I nên độ ổn định thấp,

∆Ur dao động nhiều nhất là khi ổn áp mang tải

 Cấu tạo đơn giản

iii các loại ổn áp kiểu bù.

1 ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ.

Cấu tạo: gồm hai cuộn kháng quấn trên cùng một lõi thép từ, cuộn tuyến

tính L1 và cuộn phi tuyến L2; L2 làm việc ở chế độ bão hoà Tụ C nối song song với L2 tạo thành mạch cộng hởng dòng điện

Điện áp ra đợc lấy trên cuộn L2, điện áp vào đợc cung cấp nh hình vẽ:

C nên độ dốc của đặc tính U2(I) đợc giảm, nghĩa là chất lợng ổn định tốt, dòng

điện không tải giảm nhỏ đáng kể, phạm vi ổn định mở rộng Đồng thời hệ số công suất tăng lên so với loại ổn áp sắt từ không có tụ

Hình 1.11 ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ có cuộn bù.

Thông thờng để giảm độ dao động điện áp ra ∆Ur đến mức ít nhất, ngời ta dùng thêm cuộn bù với số vòng dây thích hợp đặt trên mạch từ cuộn tuyến tính L1 và ngợc cực tính với cuộn L2 Tụ C có thể mắc vào điện áp cao hơn U2 nhờ cuộn tăng áp kiểu tự ngẫu với mục đích để giảm trị số tụ vì:

UC = I

C

ω

1

UC tăng thì C giảm khi I và ω không đổi

Vì điện áp lấy ra trên phần tử phi tuyến nên dạng sóng Ur bị méo Để khắc phục có thể dùng bộ lọc thích hợp để lọc thành phần bậc cao

Wb : cuộn bù

We : cuộn lọc

WC : cuộn tăng ápNhờ có cuộn bù wb mà điện áp tụ C đợc tăng cao, ngoài ra còn có cuộn kháng tuyến tính we mắc nối tiếp với tụ C Trị số Le đợc chọn sao cho Le và C tạo thành mạch cộng hởng đối với các sóng bậc cao(chủ yếu là sóng bậc 3), do vậy

điện áp ra sẽ gần Sin hơn

Bộ ổn áp có thể đợc chế tạo với nhiều cấp điện áp vào và nhiều cấp điện

áp ra, có chỗ điều chỉnh ứng với công suất tải khác nhau

 Kết cấu đơn giản, mạch từ hơi cồng kềnh

2 ổn áp kiểu khuếch đại từ.

EMBED PBrush

Hình 1.12 Sơ đồ nguyên lý ổn áp khuếch đại từ.

Cấu tạo: mạch động lực cung cấp cho tải là biến áp tự ngẫu AT Mạch

điều chỉnh là khuếch đại từ có cuộn dây làm việc nối tiếp với cuộn sơ cấp của

AT và đặt vào điện áp Uv Điện áp Ur lấy từ phía thứ cấp của AT Khuếch đại từ

có hai cuộn điều khiển w1 và w1’ nối ngợc cực tính nhau Cuộn w1 nối với nguồn

điện áp ra đã đợc chỉnh lu qua điện trở tuyến tính r1, cuộn w1’ đợc nối qua điện trở phi tuyến r2 Đặc tính V – A của r2 có dạng i = un với n < 1

Nguyên lý: bộ ổn áp này làm việc dựa trên nguyên lý của khuếch đại từ,

điện kháng X của KĐT và do đó thay đổi đợc điện áp ra trên KĐT, dẫn đến thay

đổi điện áp Ur Việc điều khiển KĐT đợc thực hiện tự động nhờ sử dụng mạch phản hồi và các phần tử thích hợp

Các điện trở r1 và r2 đợc điều chỉnh để khi có điện áp ra bằng trị số định mức (Ur = Urđm ) thì sức từ động do các cuộn điều khiển w1và w1’ sinh ra bằng nhau, do đó sức từ động điều khiển tổng sẽ bằng 0

I1w1 = I1’w1’

Nên (IW)1∑ = I1w1 - I1’w1’ = 0

Đặc tính làm việc:

Hình 1.13 Đặc tính làm việc ổn áp khuếch đại từ.

Điều chỉnh điện trở rcd trong mạch cuộn dây chuyển dịch wcd sao cho khi (IW)1∑ =0 thì khuếch đại từ làm việc ở điểm A trên đặc tính “vào- ra”,

I2 = f(I1) tơng ứng với điện kháng X của KĐT ở điểm A’

Nếu vì lý do nào đó(do tải thay đổi hay do điện áp vào dao động) , điện áp

ra tăng lên quá trị số định mức một lợng ∆Ur

∆Ur = Ur - Urđmthì sức từ động điều khiển tổng của hai cuộn điều khiển sẽ có dấu dơng:

−∆

Khi đó KĐT làm việc ở điểm B và điện kháng X tăng lên ứng với điểm B’ làm cho điện áp trên KĐT tăng lên do đó điện áp ra đợc giảm nhỏ về trị số định mức.

Nếu điện áp ra giảm xuống dới trị số định mức thì sức từ động điều khiển lúc này mang dấu âm:

(IW)1∑ < 0 Khi đó KĐT sẽ làm việc ở điểm C trên đặc tính “ vào - ra” và điện kháng

X giảm xuống ứng với điểm C’ làm cho điện áp trên KĐT giảm xuống, do đó

Nguyên lý: nó hoạt động dựa vào sự hoạt động đóng mở của các van bán

dẫn Ta điều khiển thời điểm phát xung mở van thì sẽ thay đổi đợc giá trị điện áp ra

Một sơ đồ thờng dùng:

Điện áp ra có dạng không Sin và theo Furie ta có thể phân tích thành những thành phần Sin bậc thấp và bậc cao Do những thành phần bậc cao có biên

độ nhỏ nên có thể bỏ qua và điện áp ra chủ yếu là thành phần sóng Sin cơ bản

Theo cách này thì điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào, nghĩa là mạch này làm nhiệm vụ giảm điện áp nên cần phải có nguồn điện áp cao hơn điện áp định mức mong muốn

Ưu điểm: chất lợng ổn định điện áp cao, sai số nhỏ.

iv ổn áp có thiết bị điều khiển.

1 ổn áp khuếch đại từ kết hợp với mạch điều khiển bằng bán dẫn

Về mạch động lực ổn áp loại này có cấu tạo giống với ổn áp khuếch đại từ thông thờng: mạch động lực cung cấp cho tải là biến áp tự ngẫu AT, điện áp vào

đặt vào sơ cấp và điện áp ra lấy ra từ thứ cấp của máy biến áp

Khuếch đại từ gồm hai cuộn dây điều khiển w1 và w1’ nối ngợc cực tính với nhau và nối với hai van điện tử (Tiristor) Hai van này đợc điều khiển bằng một mạch điều khiển bán dẫn và sự đóng mở của chúng phụ thuộc vào hiệu số giữa điện áp ra thực tế và giá trị định mức mong muốn

Sơ đồ:

Hình 1.15 ổn áp khuếch đại từ có thiết bị điều khiển bán dẫn.

Nguyên lý:

Mạch có tác dụng giữ điện áp ra ổn định khi có biến động của điện áp vào

và tải Khi điện áp ra đạt giá trị định mức thì ∆Ur = Ur - Urđm= 0 thì không có tín hiệu đa đến mạch điều khiển, các cuộn điều khiển không hoạt động

Khi vì một lý do nào đó điện áp Ur tăng lên thì ∆Ur = Ur - Urđm> 0 thì tín hiệu sai lệch này đợc đa đến mạch điều khiển Mạch điều khiển sau khi xử lý tín hiệu đa tới sẽ phát xung mở T1 và cấp dòng điều khiển một chiều cho cuộn w1 Dòng điện một chiều này gây ra trong lõi thép một từ cảm B0, từ cảm tổng trong mạch từ lúc này là:

0

B B

B= xc +

0

B có chiều ngợc với B nên từ cảm tổng B giảm xuống, B giảm kéo xc

theo điện cảm và điện kháng của cuộn dây w2 của khuếch đại từ tăng lên dẫn tới

điện áp rơi trên w2 tăng lên làm cho điện áp đặt vào phía sơ cấp của máy biến áp

tự ngẫu giảm xuống Theo quan hệ biến áp, điện áp đầu ra cũng giảm xuống về trị số Urđm

Khi vì một lý do nào đó điện áp Ur giảm đi thì ∆Ur = Ur - Urđm< 0 thì tín hiệu đa đến mạch điều khiển sẽ mang dấu âm Mạch điều khiển sẽ xử lý tín hiệu

và sẽ phát xung mở T2 và cấp dòng điều khiển một chiều cho cuộn w1’ Dòng

điện một chiều này gây ra trong lõi thép một từ cảm B cùng chiều với 0 B và xclàm lõi thép nhanh bão hoà hơn khiến μ giảm xuống, μ giảm kéo theo điện cảm

và điện kháng của khuếch đại từ cũng giảm theo nên điện áp rơi trên cuộn w2 giảm Do vậy điện áp đặt vào phía sơ cấp của biến áp tự ngẫu tăng lên và điện áp

Nhợc điểm: dạng sóng điện áp ra còn méo, do đó cần phải dùng bộ lọc để

loại trừ các thành phần bậc cao, kết cấu phức tạp

2 ổn áp điều khiển nhảy cấp dùng Tiristor hoặc Triac.

Cấu tạo: gồm một máy biến áp trong đó:

+ Cuộn dây sơ cấp của biến áp đợc đặt điện áp vào và số vòng dây đợc giữ

cố định

+ Cuộn dây thứ cấp của biến áp đợc lấy ra với nhiều cấp điều chỉnh khác nhau, ứng với mỗi đầu dây ra thì số vòng dây phía thứ cấp là khác nhau Các đầu dây ra này đợc mắc nối tiếp với các Tiristor (hoặc Triac) Điện áp đầu ra đợc lấy

từ phía thứ cấp nh hình vẽ:

Hình 1.16 ổn áp điều khiển nhảy cấp dùng Tiristor.

Nguyên lý:

Theo quan hệ biến áp, ứng với mỗi giá trị điện áp vào có một giá trị điện

áp ra Ta có hệ số biến đổi máy biến áp nh sau:

U w

MBA

ĐKUv

Từ phơng trình trên ta thấy để duy trì điện áp ra không đổi khi số vòng dây đầu vào w1 cố định thì tích số Uvw2 phải không đổi.

Khi Ur = Urđm thì mạch điều khiển sẽ phát xung mở Tiristor thứ i nào đó

U rdm = v

Khi Ur tăng lên vợt quá giá trị định mức thì sẽ có sai lệch ∆U

∆U = Ur - Urdm Lúc này ∆U sẽ có giá trị dơng, tín hiệu ∆U đa tới mạch điều khiển Mạch

điều khiển có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu này và phát xung mở một van bán dẫn khác để giảm số vòng dây w2 đa điện áp ra về giá trị định mức, đồng thời khóa van cũ

Khi Ur giảm thì sai lệch ∆U mang dấu âm sẽ đợc đa tới mạch điều khiển, mạch điều khiển biến đổi tín hiệu và phát xung mở một van bán dẫn khác để tăng số vòng dây w2, đa điện áp ra về giá trị định mức, đồng thời khoá van cũ

Nh vậy, đây là phơng pháp ổn định điện áp đầu ra bằng cách thay đổi tỉ số biến áp K, bằng cách lấy điện áp ra trên các vị trí có số vòng dây w2 khác nhau ta duy trì điện áp ra không đổi Việc điều khiển cũng có thể thực hiện bằng cách thay đổi số vòng dây đầu vào w1

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, việc điều khiển dễ dàng.

Nhợc điểm:

 Loại này chỉ điều chỉnh đợc thô, nhảy cấp nên điện áp đầu ra có sai

số nhất định so với điện áp định mức nên khi có yêu cầu cao về

điện áp ra thì nó không đáp ứng đợc

 Điện áp ra không Sin

 Van bán dẫn bị hạn chế với nguồn công suất lớn

3 ổn áp điện từ kết hợp với điều khiển tự động(ổn áp kiểu servomotor).

a ổn áp kiểu Servomotor không có cuộn bù.

ổn áp kiểu servomotor còn đợc gọi là ổn áp dùng servomotor kéo chổi than theo nguyên lý điện cơ Nguyên lý làm việc của nó là dùng một mạch điều khiển bằng linh kiện điện tử để điều khiển động cơ chấp hành kéo chổi than để

ổn định điện áp

Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.17 ổn áp kiểu servomotor không có cuộn bù.

Phần chính là một máy biến áp tự ngẫu có lõi hình xuyến, đầu vào lấy

điện qua con chạy S Để giữ điện áp Ur không đổi, ta phải thay đổi điện áp Uv cho phù hợp bằng cách điều khiển tự động con chạy S Việc điều chỉnh S đợc thực hiện nhờ động cơ Đ Động cơ này đợc điều khiển bằng bộ so sánh mức độ sai lệch giữa điện áp mẫu Ur’ với điện áp chuẩn Sơ đồ khối mạch điều khiển nh sau:

Điện áp chuẩn

Điện áp lấy mẫu

So sánh và khuếch đại

Mạch điều khiển

Hình 1.18 Sơ đồ khối mạch điều khiển ổn áp kiểu servomotor.

Điện áp Ur sau khi qua bộ chỉnh lu có điện áp Ur’; bộ đo lờng là một mạch cầu gồm 3 nhánh điện trở R1, R2, R3 và một nhánh diode zener Dz đợc nối nh sau:

Hình 1.19 Bộ đo lờng.

Điện áp vào của cầu là Ur’, ∆U là điện áp giữa hai đỉnh chéo AB của cầu Các trị số R1, R2, R3 đợc tính toán nh thế nào để khi Ur = Urđm thì có ∆U = 0 Giá trị ∆U sai lệch đợc khuếch đại lên thành giá trị ∆U1 lớn hơn nhiều lần ∆U1 này

đợc đa tới khối điều khiển (ĐK) để khối này nhận biết điều khiển chiều quay của

động cơ Đ, kéo con trợt S chạy

Khi điện áp Ur tăng lên xuất hiện sự sai lệch điện áp là ∆U, sự sai lệch này

đợc khuếch đại thành ∆U1 lớn hơn nhiều lần để cung cấp cho động cơ Đ quay theo chiều giảm (chiều ngợc), kéo con trợt S chạy đến khi Ur ổn định (Ur = Urđm)

Khi điện áp Ur giảm xuất hiện sự sai lệch điện áp là ∆U, sự sai lệch này

đ-ợc khuếch đại thành ∆U1 lớn hơn nhiều lần để cung cấp cho động cơ Đ quay theo chiều tăng (chiều thuận), kéo con trợt S chạy đến khi Ur ổn định (Ur = Urđm)

KĐ

SS CL

Ưu điểm:

 Điện áp ra ổn định, dạng điện áp ra ít bị méo

 Làm việc tin cậy

 Phạm vi thay đổi điện áp rộng, hiệu suất cao và rất tiện lợi khi chế tạo ở công suất nhỏ

Nhợc điểm: chổi than gây ồn khi làm việc và dễ sinh cháy nổ Do vậy khó

thực hiện đợc ở công suất lớn, giá thành cao

b ổn áp kiểu servomotor có cuộn bù.

Một số sơ đồ ổn áp có cuộn bù:

Hình 1.20 Một số sơ đồ ổn áp servomotor có cuộn bù.

ở hai phơng án bù trên cuộn bù không đóng vai trò trực tiếp vào việc ổn

định điện áp mà chỉ bù một lợng điện áp nhỏ vào điện áp ra để điện áp ra đợc ổn

MĐK

ATUv

Ưu điểm: chất lợng điện áp tốt, ít bị méo dạng; độ tin cậy làm việc cao,

các phần tử điều khiển tiêu thụ công suất bé nên dễ chế tạo ổn áp công suất lớn; hiệu suất cao, giá thành hạ

Nhợc điểm: khó chế tạo và thiết kế, có chổi than nên gây ồn và dễ cháy

nổ, thờng chế tạo với công suất lớn

4 ổn áp kiểu điện tử.

Cấu tạo: ổn áp gồm một máy biến áp tự ngẫu AT, cuộn dây bù điện áp T1

và mạch điều khiển là các linh kiện bán dẫn

Sơ đồ:

Hình 1.21 ổn áp điện tử.

Nguyên lý: Khi điện áp vào là định mức, điện áp ra đạt giá trị ổn định

mong muốn và lúc này tín hiệu điện áp mẫu và tín hiệu điện áp chuẩn là nh nhau, mạch phản hồi của bộ ổn áp không hoạt động

Khi vì một lý do nào đó điện áp ra của bộ ổn áp thay đổi thì giá trị điện áp mẫu và điện áp chuẩn có độ sai lệch ∆U:

∆U = Ur - Uchuẩn

UrAT

Uv Mạch điều khiển dòng điện

Bộ so sánh, khuếch đại sẽ xác định chính xác giá trị ∆U và khuếch đại lên

để tạo thành tín hiệu điều khiển mạch điều khiển dòng điện Mạch điều khiển dòng điện dựa vào tín hiệu điều khiển đa tới sẽ phân tích và điều chỉnh biến áp

bù T1 tăng hay giảm điện áp đầu vào để điện áp ra luôn đợc ổn định

Ưu điểm:

 Điện áp ra ổn định, làm việc tin cậy, dạng điện áp ra ít bị méo, phạm vi thay đổi điện áp rộng, hiệu suất cao

 Không gây ồn và cháy nổ, tác động nhanh, khối lợng nhẹ

Nhợc điểm: Phức tạp khi thiết kế, chế tạo mạch điều khiển, công suất

không lớn, giá thành cao

Ch¬ng 2

chän ph¬ng ¸n thiÕt kÕ

i nhiÖm vô thiÕt kÕ:

ThiÕt kÕ bé æn ¸p xoay chiÒu mét pha víi c¸c th«ng sè sau:

S®m = 5 KVA

Uv = 90 ÷ 240 VUr®m = 220 V, ∆Ur = 5%

f = 50 HzD¹ng sãng ®iÖn ¸p ra h×nh sin

C¨n cø vµo c¸c tham sè yªu cÇu vÒ nguån æn ¸p xoay chiÒu mét pha cÇn thiÕt kÕ lµ ®iÖn ¸p ra h×nh sin, sai sè 5%, c«ng suÊt 5 KVA vµ qua ph©n tÝch c¸c

loại ổn áp hiện có ở trên ta chọn ổn áp cần thiết kế là ổn áp kiểu servomotor Bởi vì nó có u điểm là điện áp ra hình sin, kết cấu nhỏ gọn, tổn hao không tải nhỏ nên hiệu suất cao, điện áp vào có thể dao động trong phạm vi rộng Tuy rằng nó cũng có một số nhợc điểm là chổi than chóng mòn, có thể phát sinh hồ quang, thời gian tác động chậm, thờng là 0,4s nếu điện áp lệch 10% Nhng do nó có nhiều u điểm hơn các loại khác và đáp ứng yêu cầu của đề tài nên vẫn đợc chọn Loại ổn áp kiểu này đợc dùng rất phổ biến trong thực tế hiện nay.

Có hai phơng pháp điều chỉnh điện áp để đợc Ura không đổi là điều chỉnh

điện áp phía sơ cấp và điều chỉnh điện áp phía thứ cấp Dới đây ta sẽ phân tích cụ thể từng phơng án để xem nên chọn phơng án nào

1 điều chỉnh điện áp bên sơ cấp.

Với phơng pháp này có u điểm là điện áp trên một vòng dây không thay

đổi(từ thông chạy trong mạch từ không thay đổi) vì ta cố định số vòng dây bên thứ cấp, mà bên thứ cấp có Ura= const Do đó tổn hao không tải nhỏ, số vòng dây

ít hơn Mặt khác nếu bên thứ cấp ta lấy 2 hoặc nhiều mức điện áp (100V, 220V ) thì vẫn đảm bảo đợc Ura= const và chỉ cần một chổi than bên sơ cấp là

đủ( bên thứ cấp cố định số vòng dây), nếu điều chỉnh bên thứ cấp thì điều này là không thể

2 Điều chỉnh điện áp bên thứ cấp.

Với phơng án này có u điểm là dòng điện trên chổi than ổn định hơn, khả năng chịu quá tải tốt hơn Nhng nó có nhiều nhợc điểm nh điện áp trên một vòng dây thay đổi khi Uvào thay đổi ( từ thông trong mạch từ thay đổi) vì ta cố định số vòng dây bên sơ cấp, do đó tổn hao không tải lớn và thay đổi Mặt khác không thể lấy ra nhiều mức điện áp đợc, phơng án này chỉ đợc dùng khi Ura thay đổi trong một dải nào đó, còn Uvào thì cố định

Qua phân tích u nhợc điểm của các phơng án, qua thực tế chế tạo và sử dụng ta chọn phơng án thiết kế là ổn áp kiểu servomotor kiểu tự ngẫu điều chỉnh

bên sơ cấp vì nó có nhiều u điểm nổi bật hơn so với phơng án điều chỉnh bên thứ cấp, nó phù hợp với nguồn ổn áp xoay chiều một pha yêu cầu

• Động cơ servo: đây là loại động cơ chấp hành một chiều hoặc xoay chiều dùng để kéo tiếp điểm trợt nhằm ổn định điện áp ra Động cơ đợc lựa chọn thích hợp tuỳ thuộc vào mạch ổn áp, yêu cầu cụ thể

• Mạch điều khiển(MĐK): đây là một mạch bán dẫn chức năng có khâu chỉnh lu, so sánh, khuếch đại và điều khiển nhằm biến đổi tín hiệu sai lệch giữa Ur và Urđm thành tín hiệu điều khiển động cơ servo kéo tiếp điểm trợt Mỗi khâu của mạch cần đợc lựa chọn, tính toán sao cho khả năng điều khiển động cơ là tốt nhất

• Hệ thống tiếp điểm trợt: động cơ servo không kéo trực tiếp chổi than mà qua một hệ thống bánh răng Hệ thống này biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động quay của tiếp điểm và giảm tải cho động cơ

Khi điện áp Ur đạt giá trị Urđm thì độ sai lệch ∆U = Ur – Urđm = 0 Lúc này không có tín hiệu đa đến khâu khuếch đại mạch điều khiển và mạch điều khiển

sẽ không phát tín hiệu điều khiển động cơ chấp hành Tiếp điểm đợc giữ nguyên

ở vị trí ban đầu và điện áp ra đợc ổn định

Khi điện áp Ur giảm nhỏ hơn giá trị Urđm mong muốn thì độ sai lệch ∆U<

0 Tín hiệu ∆U này sẽ đợc khuếch đại và đa đến mạch điều khiển động cơ chấp hành quay và dịch chuyển tiếp điểm theo chiều sao cho giảm số vòng dây đầu vào để đa Ur về giá trị định mức, động cơ sẽ ngừng quay khi không còn tín hiệu

điều khiển; nghĩa là:

Ur = UrđmKhi điện áp Ur tăng lớn hơn giá trị Urđm mong muốn thì độ sai lệch ∆U >

0 Tín hiệu ∆U này sẽ đợc khuếch đại và đa đến mạch điều khiển động cơ chấp hành quay và dịch chuyển tiếp điểm theo chiều sao cho tăng số vòng dây đầu vào

để đa Ur về giá trị định mức, động cơ sẽ ngừng quay khi không còn tín hiệu điều khiển; nghĩa là:

Ur = Urđm

Chơng 3

Tính toán mạch động lực ổn áp

i khái quát chung về mạch động lực.

Với phơng án ổn áp lựa chọn để thiết kế, mạch động lực(mạch điện công suất) của ổn áp gồm máy biến áp tự ngẫu, hệ thống tiếp điểm, động cơ Mạch

động lực là phần chính của bộ ổn áp, nó truyền tải công suất từ phía đầu vào tới

đầu ra và đóng vai trò trực tiếp trong việc ổn định điện áp Máy biến áp đợc dùng trong ổn áp là máy biến áp tự ngẫu vì thực tế điện áp vào và điện áp ra của

ổn áp khác nhau không nhiều, nghĩa là tỷ số biến đổi nhỏ nên để đợc kinh tế hơn

về chế tạo và vận hành

Trong các thiết bị điện nói chung và ổn áp nói riêng mạch động lực đóng một vai trò vô cùng quan trọng Nó chiếm một tỷ trọng lớn về khối lợng vật liệu, giá thành và độ tin cậy của thiết bị Chính vì vậy, việc tính toán thiết kế ra một mạch động lực làm việc tốt sẽ khiến cho các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật đợc cải thiện rất nhiều

ii Tính toán máy biến áp tự ngẫu.

1 Tính công suất thiết kế của máy biến áp tự ngẫu.

Máy biến áp tự ngẫu là một loại máy biến áp đặc biệt, nó có đặc điểm là cuộn sơ cấp và thứ cấp ngoài liên hệ với nhau về từ ra nó còn liên hệ với nhau về

điện Cho nên công suất truyền tải của máy biến áp tự ngẫu khác công suất thiết

kế (hay công suất tính toán)

Do yêu cầu của đề tài là Uv= (90 ữ 240) V , Ur= 220 V = const nên ta phải xét máy làm việc ở 2 chế độ là tăng áp và giảm áp, ta tính toán công suất thiết kế ứng với từng chế độ làm việc.

a Khi máy biến áp làm việc ở chế độ tăng áp.

Khi Uv = (90 ữ 220) V

Ta có sơ đồ:

Hình 3.1 Sơ đồ biến áp tự ngẫu tăng áp.

Theo công thức 2-12 TL1(Thiết kế máy biến áp điện lực – Phan Tử Thụ)

Công suất thiết kế của máy biến áp tự ngẫu 1 pha là:

Stk = U1.I1.10-3 = U2.I2.10-3 (kVA)

hay có thể xác định theo công suất truyền tải Str

Theo công thức 2-13a TL1:

Stk = Str r

v r

So sánh 2 chế độ làm việc của máy biến áp tự ngẫu ta thấy ở chế độ tăng

áp công suất thiết kế lớn hơn nhiều, do đó ta chọn Stk của máy biến áp tự ngẫu ở chế độ tăng áp để tính toán

S tk

10 3 (cm2)

Trong đó:

• St là tiết diện lõi thép

• C là hệ số phụ thuộc điều kiện làm mát

10 95 ,

= 42,25(cm2

Mạch từ của máy biến áp đợc thiết kế có dạng hình xuyến, đợc tạo bởi các băng thép dài cuộn xoáy ốc liên tục, nhằm tránh tổn hao do từ thông lệch hớng cán Lõi thép có tiết diện hình chữ nhật có kích thớc St=a.b: