Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - Thiết kế bộ thực hành ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp pdf

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 gia

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ thực hành ổn áp xoay chiều

theo nguyên tắc biến áp

1 Đề tài thiết kế:

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay khi nền công nghiệp phát triển thì nhu cầu sử dụng điện trong

đời sống và sản xuất chiếm một vị trí vô cùng quan trọng Nguồn năng lượng điện với 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 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 rất 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 tập tại Khoa Điện Trường Đại Học Bách Khoa , chúng em

đã được học tập và tìm hiểu nhiều kiến thức chuyên ngành 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 - 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

mô men 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 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

• Nguồn ổn áp đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị được điều khiển tự động hoá cao, các dây chuyền sản xuất, các bộ vi xử lý Do đó để có một dòng điện ổn định đáp ứng tốt cho các nhu cầu về sản xuất và dân sinh là một yêu cầu vô cùng cấp thiết Cho đến nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật cho phép thiết kế bộ nguồn ổn áp theo nhiều phương pháp như:

Ở mỗi phương án có ưu ,nhược điểm đặc trưng riêng về thông số kĩ thuật ,chỉ tiêu kinh tế

I GIỚI THIỆU CHUNG :

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 chúng ta có thể dựa trên 4 tiêu chí sau:

+ Dải thay đổi điện áp đầu vào càng lớn càng tốt, điều này chứng tỏ khả năng ổn định điện áp đầu ra của ổn áp khi đầu vào thay đổi

+ Độ ổn định của điện áp ra hay sai số của điện áp ra thực tế so với mức điện áp ra mong muốn

+ Độ tác động nhanh của ổn áp khi điện áp lưới thay đổi đột ngột nhằm giữ cho điện áp ra của ổn áp luôn ổn định

+ Độ méo dạng sóng của điện áp ra

II TÌM HIỂU NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI ỔN ÁP THÔNG DỤNG

II.1 ổ n áp sắt từ không tụ :

ổn áp sắt từ không tụ làm việc dựa theo nguyên lý bão hoà từ sơ đồ nguyên lý làm việc của ổn áp sắt từ không tụ được trình bày dưới đây:

- 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

II.1.3 Nguyên lý làm việc:

Hình 1.2

Từ đường đặc tính trên chúng ta nhận thấy rằng với một sự thay đổi lớn điện

áp vào thì đầu ra của ổn áp thay đổi ít hơn Tuy vậy sự dao động của điện áp ra vẫn còn tương đối lớn vì đặc tính V-A của cuộn kháng bão hoà không thể nằm song song với trục hoành được

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

II.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

II.3.1 Cấu tạo:

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

+ 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 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

+ 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

UR = URđm thì (iw) Σ =0

Hình vẽ bên thể hiện đặc tính của ổn áp kiểu khuyếch đại từ:

- Khả năng chịu quá tải lớn

- Hiệu suất cao

- Có thể chế tạo với công suất lớn

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

U : 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

II 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

ĐSV : Động cơ secvô ( động cơ 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu) truyền động cho con trượt của BL

Mạch điều khiển : Lấy tín hiệu từ đầu ra của ổn áp Ura ,so sánh với điện

Hình 1.7

II.4.2 Nguyên lý làm việc :

Ổn áp làm việc theo nguyên tắc biến áp hoạt động theo nguyên lý khi điện

áp đầu vào thay đổi thì mạch điều khiển sẽ phát tín hiệu để động cơ secvô sẽ kéo chổi than làm thay đổi số vòng dây để tương ứng với điện áp đầu vào sao cho điện

áp đầu ra sẽ là định mức thì dừng lại

Mạch điều khiển được cấp tín hiệu thông qua biến áp tín hiệu Ở đây chúng

ta có 2 phương pháp cấp điện áp cho biến áp tín hiệu:

1) Cấp thẳng điện áp lưới vào sơ cấp của biến áp tín hiệu Khi điện áp lưới thay đổi biến áp tín hiệu sẽ cấp tín hiệu cho mạch điều khiển để điều khiển động cơ secvô kéo chổi than tới vị trí vòng dây phù hợp với điện áp lưới

2) Có thể nối sơ cấp của biến áp tín hiệu với điện áp ra của ổn áp Khi điện áp lưới thay đổi kéo theo điện áp ra cũng thay đổi, biến áp tín hiệu sẽ cấp tín hiệu cho mạch điều khiển để điều khiển cho động cơ secvô kéo chổi than tới vị trí vòng dây tương ứng với điện áp vào của ổn áp

Trong bộ thực hành của chúng em thiết kế, phương án được chọn là phương án

- 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

thừa Bằng cách sử dụng 1 biến áp bù chúng ta có thể cộng vào một giá trị điện áp cùng pha với điện áp vào khi điện áp vào nhỏ hơn giá trị điện áp ra mong muốn Cũng như vậy ta có thể trừ đi một giá trị điện áp ngược pha với điện áp vào khi điện áp vào lớn hơn giá trị điện áp ra mong muốn

5.1) Cấu tạo :

®k

Hình 1.8

+ Gồm một biến áp kiểu cảm ứng ,đầu ra được nối tiếp với cuộn thứ

cấp của biến áp , sơ cấp của biến áp được nối với điện áp điều khiển

+ Có 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

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

ra

M¹ch

®iÒu khiÓn

Hình 1.9

Nguyên lý hoạt động của loại ổn áp này là bù công suất thiếu Khi điện áp đầu vào mà thay đổi bao nhiêu so với điện áp định mức thì biến áp bù chỉ cần bù dương hay bù âm một lượng bấy nhiêu để điện áp ra là định mức

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

II.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

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 “

Bộ thực hành của chúng em thiết kế gồm 2 khối:

+ Khối động lực gồm các thiết bị chính sau:

- Một biến áp tự ngẫu

- Một biến áp ổn áp

- Một biến áp tín hiệu + Khối điều khiển gồm thành phần chính là mạch điều khiển và một số linh kiện

I.1Thiết kế, tính toán khối động lực:

Mạch lực của chúng em được xây dựng như sau:

Cấu trúc khối động lực

S¬ cÊp

§SV

Uth

B.A tÝn hiÖuUlu¬Ý

Uvμo

+12v

-12vGND

a Chức năng của các phần tử trong mạch :

*Máy biến áp ổn áp ( máy biến áp động lực ) : là máy biến áp tự ngẫu có con trượt chổi than Chức năng của 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 Ura của máy ổn áp tới mạch điều khiển

b Dải làm việc của ổn áp :

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 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

Sai số cho phép là : ± 3V

Qua đó chúng ta thấy rằng điện áp ra qua ổn áp sẽ được ổn định ở điện áp định mức là 220V khi điện áp lưới dao động từ 160V đến 240V, với sai số cho phép là +3V và -3V

*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

II.1Tính toán, lựa chọn biến áp tự ngẫu:

*Công suất 1 KVA :

Từ đó ta tính được dòng định mức là :

Iđm = S / Uđm

=> Iđm = 1000 / 220

Iđm = 4,55 (A)

Thông số thiết kế :

k : hệ số kinh nghiệm

*Tiết diện tác dụng của lõi sắt : ta chọn k = 1,3

F = 1,3 1000 => F = 41,11 (cm2)

* Tiết diện thực của lõi sắt : Chọn Kcl = 0,9

Kthực = Kcl * 41,11 => Kthực = 0,9 * 41,11

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 :

Đường 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

V =

4

* 14 ,

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)

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

56 , 1

7 , 1

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 :

* 14 ,

3 (2,162 – 0,792 ) = 1,9 (dm2)

*Trọng lượng toàn bộ lõi sắt :

m = 7,5 (KG)

=> M = 7,5 * 1,9 = 14,25(KG)

*Dây quấn : Giữa lõi sắt và dây quấn có đặt khuôn quấn dây ở mặt trên và dưới của lõi sắt dày 2 mm Vậy chu vi 1 vòng dây quấn sẽ là :

C = 2 ( a+ b + 2 *2 ) = 2 ( 68+ 60+ 4 ) = 264 (mm)

*Chiều dài toàn bộ dây quấn là :

L = C * W = 264 * 254 = 67056 (mm)= 67,056 (mm) -> L = 67 (mm)

*Trọng lượng toàn bộ dây quấn là :

3,75 (KG)

Silic quấn tròn

68 (mm)

60 (mm)

79 (mm)

216(mm)

13,8 (KG)

II.3.Lựa chọn thiết kế máy biến áp tín hiệu :

CHƯƠNG III

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU 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 SECVễ :

Sơ đồ khối của mạch điều khiển động cơ secvụ :

Cơ

cấu chấp hμnh

Tạo nguỡng trên

K đại bão hoμ có đảo

Tạo nguỡng duới

Tín hiệu

điện áp

Hỡnh 3.1

làm việc lõu dài trong mụi trường khắc nghiệt và tỡm kiếm linh kiện để lắp rỏp và thay thế dễ dàng , chỳng ta thiết kế mạch điều khiển động cơ secvụ như sau :

4 2

Cl

Tr 1

Tr 2

Tr3 Tr4K®T 1

223v 217v 220v

U

220v 223v 217v

II.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

R , VR : Khâu so sánh tạo ra điện áp chuẩn