Đồ án Điện tử công suất - Hoàng Trung Hiếu

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN Độc lập - Tự do - Hạnh phúc PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 1. Thông tin về sinh viên: Họ và tên sinh viên: Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17 Thời gian làm ĐAMH: từ ngày đến ngày 2. Tên đề tài ĐAMH: Thiết kế bộ ổn áp xoay chiều, với các số liệu sau: Điện áp ra: 220(V); dòng tải max: 25(A); điện áp vào: 50 ÷ 380(V); tần số: 50(Hz); cosj: 0,85 3. Các nhiệm vụ cụ thể của ĐAMH 3.1. Nội dung của bản thuyết minh đồ án Chương 1: Tổng quan về bộ ổ áp xoay chiều Chương 2: Phân tích lựa chọn phương án thiết kế nguồn ổn áp xoay chiều một pha Chương 3: Thiết kế và thuyết minh sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp Chương 4: Tính chọn thiết bị Chương 5: Kết luận 3.2. Các bản vẽ chính: 02 bản vẽ A0 - Sơ đồ nguyên lý mạch - Giản đồ điện áp dòng điện Phú Thọ, ngày tháng năm 2020 GV HƯỚNG DẪN BỘ MÔN DUYỆT ThS. Vũ Doãn Vượng ThS. Vũ Doãn Vượng MỤC LỤC 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 . Em đã chọn đề tài ” Thiết kế bộ ổn áp xoay chiều ” làm đề tài 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. Trong thời gian học tập tại Khoa Điện-Trường Đại Học Công Nghiệp Việt Trì, chúng em đã được học tập và tìm hiểu nhiều kiến thức chuyên ngành. Được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Vũ Doãn Vượng, chúng em đã hoàn thành đồ án môn học một cách nghiêm túc và đúng thời hạn. Tuy nhiên, vì lượng kiến thức bản thân có hạn, 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. Phú Thọ, ngày tháng năm 2020 Sinh viên thực hiện Hoàng Trung Hiếu . CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ ỔN ÁP XOAY CHIỀU Ổn áp là một thiết bị có thể tự động duy trì điện áp ra thay đổi trong 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 ngày 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. Ổn định điện áp ảnh hưởng rất nhiều tới các thông số kĩ thuật,các chỉ tiêu kinh tế của thiết bị điện, cụ thể: Đối với động cơ không đồng bộ khi điên áp giảm xuống 10% thì momen quay giảm 19%, hệ số trượt tăng 27.5%, dòng roto tăng 14%, dòng Stato tăng 10%, nếu giảm tiếp 20% thì momen giảm 36%. Ngược lại khi điện áp tăng lên 10% thì 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: Ổn áp sắt từ có tụ Ổn áp sắt từ không tụ Ổn áp dùng khuếch đại từ Ổn áp dùng máy biến áp kêt hợp điều khiển tự động Ổn áp kiểu bù Ở mỗi phương án có ưu,nhược điểm đặc trưng riêng về thông số kĩ thuật,chỉ tiêu kinh tế I. Giới thệu 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) .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 = K : hệ số đánh giá chất lượng ổn áp ΔUv,Uv : độ biến thiên điện áp vào , điện áp vào ΔUr,Ur : độ biến thiên điện áp ra , điện áp ra Như vậy qua công thức trên chúng ta đã thấy rằng muốn nâng cao chất lượng của ổn áp thì phải giảm được độ biến thiên của điện áp ra. II. Phân loại và nguyên lý hoạt động của các loại ổn áp thông dụng 1. Ổn áp sắt từ không tụ: a) Nguyên lý làm việc: 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: Hình1.1 Sơ dồ nguyên lý làm việc của ổn áp sắt từ không tụ b) Cấu tạo: Ổn áp loại này gồm hai cuộn dây W1 và cuộn dây W2 quấn trên hai lõi thép: -Cuộn dây W1 là cuộn tuyến tính (có khe hở không khí trong mạch từ) -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 c) Nguyên lý làm việc Với cấu tạo như trên chúng ta thấy rằng: Uv= U1 + U2 Và nếu bỏ qua tổn hao trên hai cuộn kháng thì ta có: UV= U1 + UR Đặc tính V – A của các phần tử được thể hiện ở hình 1.2 dưới đây: 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. d) Ưu nhược điểm của ổn áp sắt từ không tụ Ưu điểm: -Có cấu tạo đơn giản -Dễ thiết kế, chế tạo Nhược điểm: -Điện áp ra bị méo dạng -Dòng tổn hao lớn -Hiệu suất thấp -Chất lượng của ổn áp không cao 2. Ổn áp sắt từ có tụ a) Cấu tạo Hình 1.3 Ổn áp sắt từ có tụ cũng gồm hai cuộn kháng:Cuộn W1 và cuộn W2. Cuộn W1 là cuộn làm việc ở chế độ tuyến tính,cuộn W2 làm việc ở chế độ bão hoà .Hai cuộn đươc mắc nối tiếp nhau .Điện 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 điện trong mạch tạo ra hiện tương cộng hưởng vì thế ổn áp sắt từ có tụ còn gọi là bộ cổng hưởng. b) 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 -Khi UR<UCH: mạch có tính điện cảm Vì vậy phải chọn miền làm việc của ổn áp sau điểm cộng hưởng tức là: UV> UCH c) Ưu nhược điểm của ổn áp sắt từ có tụ + Ưu điểm -Hiệu suất cao -Độ tác động nhanh -Đơn giản, dễ chế tạo + Nhược điểm -Điện áp ra bị méo dạng -Dải điện áp đầu vào hẹp -Xuất hiện những sóng hài bậc 3. Ổn áp kiểu khuếch đại từ a) 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 Uđk Wđk Wt Kđt Hình 1.5 Cấu tạo ổn áp khuếch đại từ + Khuyếch đại từ là một khí cụ điện gồm nhiều cuộn dây cuốn quanh mộtlõi thép, trong đó có cuộn làm việc và cuộn điều khiển. Cuộn điều khiển được cấp điện một chiều thường có hai cuộn mắc ngược cực tính nhau để khử sự ảnh hưởng của mạch xoay chiều ở cuộn làm việc vào mạch một chiều ở cuộn điều khiển. +Điều chỉnh điện áp hay dòng điện của cuộn làm 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. b) Nguyên lý hoạt động UV = UKĐT + UTN UR = K.UTN = K( UV – U KĐT ) Như vậy muốn cho UR không đổi thì IĐK phải được điều chỉnh sao cho thoả mãn: - 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 theo 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. c) Nguyên lý hoạt động của ổn áp khuyếch đại từ Hình1.6 Sơ đồ nguyên lý làm việc của ổn áp khuếch đại từ W1, W2, W3: 3 cuộn dây điều chỉnh đó chính là cơ cấu phát. Chúng ta phải chỉnh định R1 sao cho khi UV = Uđm và IT = Iđm thì điện áp ra Ur = Uđm,tức là : UV = Uđm UT = Iđm 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. + Cuộn Wđk2 và Wđk3 đấu ngược cưc tính nhau nên sức từ động của chúng bằng hiệu hai sức từ động + Biến trở R2 để chỉnh định dòng Iđk2 + Biến trở R3 để chỉnh định dòng Iđk3 + Việc điều chỉnh dòng điều khiển Iđk2 và Iđk3 thực hiện sao cho khi UR = URđm thì IW=0 Hình vẽ 1.7 thể hiện đặc tính của ổn áp kiểu khuyếch đại từ: đk2 Wđk2 Wđk3 Hình 1.7 d) Ưu nhược điểm của ổn áp khuyếch đại từ Ưu điểm - Khả năng chịu quá tải lớn - Hiệu suất cao - Có thể chế tạo với công suất lớn - Điện áp ra khá ổn định - Độ tác động nhanh Nhược điểm - Giá thành hạ - Thiết bị cồng kềnh phức tạp - Điện áp ra bị méo dạng 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: 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 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 áp cần giữ ổn định Uôđ Hình 1.8 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 c) Ưu nhược điểm của loại ổn áp làm việc theo nguyên tắc biến áp: + Ưu điểm: -Giá thành rẻ -Không cồng kềnh,dễ chế tạo -Không méo dạng điện áp -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. 5. Ổn áp kiểu bù: Ổn áp loại này làm việc theo nguyên tắc bù điện áp thiếu và cắt đi điện áp 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. a) Cấu tạo: Hình 1.9 + 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. Nguyên lý hoạt động của ổn áp dùng biến áp bù có biến áp vi sai để điều khiển sơ cấp biến áp bù: Mạch điều khiển Hình 1.10 - Nguyên lý hoạt động của loại ổn áp này là bù công suất thiếu. Khi điện áp đầu vào mà thay đổibao nhiêu so với điện áp định mức thì biến áp bù chỉ cầnbù dương hay bù âm một lượng bấynhiêu để điện áp ra là định mức. - Từ sơ đồ trên chúng ta có: UR = Ulưới + Ubù. - Để điều khiển điện áp đặt vào sơ cấp của biến áp bù, mạch điều khiển đượclấy tín hiệu từ đầu ra cua ổn áp sẽ phát tín hiệu để điều khiển 2 secvô motơquay ngược chiều nhau một lượng để sao cho bên thứ cấp biến áp bù cóđược lượng điện áp cần thiết để đầu ra của ổn áp là định mức. c) 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. Nhược điểm: - Độ tác động chậm do có tác động cơ cấu chuyến động quay. -Mạch điều khiển phức tạp. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ÁN XOAY CHIỀU 1 PHA Chất lượng nguồn điện năng được đánh giá qua nhiều yếu tố trong đó yếu tố được xem là quan trọng đối với người sử dụng là sự ổn định điện áp. Thường trong thực tế phụ tải không phải lúc nào cũng đóng điện và sự phân bố phụ tải là không đôí xứng giữa các pha gây nện sự mất tính đối xứng cho bô nguồn cả về góc và giá trị kết quả là điện áp cấp cho thiết bị không được ổn định. Sự mất đối xứng điện áp gây ra sự thiệt hại về kinh tế đôi khi gây ra sự cố nghiệm trọng cho người dùng điện.Có rất nhiều cách để tạo ra môt bộ ổn áp.Tuy nhiên ở mỗi bộ ổn áp có những ưu và khuyết điểm riêng.Việc phân tích để đưa ra một kết cấu phù hợp cả về kinh tế và kỹ thuật là công việc hết sức quan trọng trước khi thiết kế. I. Các dạng ổn áp 1. Kiểu ổn định điện áp kiểu máy biến áp kết hợp điều khiển tự động Hình 2.1 Cấu tạo máy biến áp Trong máy biến áp điện áp tỉ lệ với số vòng dây theo biểu thức: Điện áp đầu ra có thể thay đổi bằng cách thay đổi số vòng dây quấn, việc thay đổi đó thực hiện bằng việc thay đổi điểm đặt của điện áp vào hoặc điện áp ra. Thường thì việc đổi này được thực hiện trên phía cao áp dòng điện làm việc bé hơn, sốvòng lớn hơn. Đối với máy ổn áp có công suất nhỏ thì ta có thể dùng tiếp điểm chổi than trượt trên các vòng dây, còn với máy có công suất lớn thì việc điều chỉnh được thực hiện bằng đổi nối tiếp điểm .Việc đổi nối này có thể được thực hiện tự đông nhờ một mạch chức năng điều khiển tự đông truyền động điện.Tín hiệu điện áp ra sẽ quyết định chiều chuyển động của chổi than cũng như hướng đóng và mở của tiếp điểm đối với máy có công suất lớn. Ưu điểm của hình thức ổn áp này là điện áp ra là hình dáng điện áp ra giống điện áp vào, giá thành rẻ, không cồng kềnh, dễ chế tạo, dải làm việc rộng 2. Ổn định điện áp kiểu khuyếch đại từ. Hình 2.2 Sơ đồ đơn giản.Tải được nối nối tiếp với một cuộn kháng có điều khiển và được nối với một điện UCC. Điều khiển cuộn kháng thông qua mạch điều khiển một chiều UĐK. UĐK thay đổi dẫn đến dòng điện điều khiển thay đổi.Dòng điện điều khiển một chiều từ hoá lõi thép của cuộn kháng sẽ làm điện kháng của cuộn kháng thay đổi. Khi đó điện áp rơi trên tải sẽ là: Như vậy thay đổi Uđk sẽ thay đổi điện áp rơi trên tải Zt. Theo phương pháp này kết cấu mạch tương đối cổng kềnh, quán tính điều khiển lớn có ưu điểm là bền.Trên cơ sở các phần tử cơ bản đó xây dựng nên máy ổn định điện áp kiểu tự ngẫu dùng phần tử cuộn kháng bão hoà có điều khiển. Nguyện lý cấu tạo hoạt động giống như máy biến áp tự ngẫu nên ưu điểm của phương pháp này là kích thước mạch từ được thu nhỏ rất nhiều do vây tiết kiệm được vât liệu và tổn hao trện mạch từ hơn nữa việc điều khiển được thực hiện nhờ modul điều khiển, modul này được xây dựng từ những phần tử bán dẫn nện tốc độ sử lý rất nhanh. Theo cách này thì nó khắc phục được những nhược điểm mà khuyếch đại từ gặp phải.Nó khắc phục được tính cổng kềnh của thiết bị trong khi các ưu điểm khác như độ bền, khả năng chịu quá tải vẫn được duy trì. 3. Ổn định điện áp bằng sắt từ có tụ: Hình 2.3 Cấu tạo ổn áp sắt từ có tụ Cấu tạo và hoạt động rất đơn giản gổm hai cuộn kháng quấn trên cùng một lõi thép kỹ thuât điện. Một cuộn tuyến tính L1 và một cuộn phi tuyến tính L2 làm việc ở chế độ bão hoà.Điện áp vào và điện áp ra như hình vẽ. Đặc điểm của bộ ổn áp này: -Dòng không tải nhỏ, phạm vi ổn độ rộng, bền -Dạng sóng điện áp ra méo. -Công suất bị hạn chế (<1 KVA ). 4. Ổn định điện áp bằng điện tử công suất: Hình 2.4 Cấu tạo ổn áp bằng điện tử công suất Dùng van bán dẫn thay đổi góc mở để giới hạn điện áp ra.Việc thay đổi thời điểm phát xung α sẽ thay đổi điện áp ra. Ngoài ưu điểm là UV điện áp ra là mịn, có khả năng điều chỉnh dưới tải,quán tính điều chỉnh bé. Ở phương pháp này gặp phải một số nhược điểm là: Điện áp ra sẽ là không sin. Điện áp ra sẽ luôn nhỏ hơn điện áp vào nghĩa là chỉ có thể giảm điện áp nện cần có một nguổn điện áp xoay chiều lớn. Van bán dẫn có công suất lớn rất đắt và hiếm, do đó thiết kế một nguổn có công suất lớn là rất khó. Khả năng chịu quá tải kém do khi quá tải sẽ sinh ra nhiệt lớn sẽ làm thay đổi đặc tính điều chỉnh và hơn nữa linh kiện bán dẫn rất nhạy với nhiệt nện đối với việc thiết kế toả nhiệt cho bộ nguổn ổn áp công suất lớn là rất khó khăn. II. Lựa chọn phương án Qua sự phân tích ở trên thì ở mỗi hình thức ổn áp có những ưu và nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên với những ưu điểm nổi bật của việc thiết kế bộ ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp kết hợp điều khiển tự động em xin chọn thiết kế theo phương án này. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ỔN ÁP I.Giới thiệu chung Mạch điều khiển trong các hệ thống tự động đóng 1 vai trò quan trọng không thể thiếu dược. Mạch điều khiển thực hiện chức năng điều chỉnh một hay nhiều thông số nào đó của thiết bị như dòng điện, điện ap theo 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 lên 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 được thiết kế sao cho hoạt động tin cậy nhận biết và xử lí tín hiệu 1 cách chính xác đảm bảo hoàn toàn tự động để người sử dụng vận hành, thao tác dễ dàng. Cùng với mạch điều khiển như bộ não của con người thì mạch lực là các phần tử chấp hành chính là tay chân để thực hiện mệnh lệnh do bộ não điều khiển, II. Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp 1. Sơ đồ mạch lực Hình 3.1.a Sơ đồ của mạch động lực 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 : Biến áp ổn áp tạo ra điện áp ổn định 220V khi điện áp vào thay đổi từ 50V đến 380V . 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 . Dải làm việc của mạch: 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 50V đến 380V. Khi lưới điện áp dao đông trong phạm vi 50V< 380V < 217V 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 -> 380V 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 xungquanh giá trị 220V 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 50V đến 380V. 2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ổn áp Hình 3.1.b Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển ổn áp Chức năng của các linh kiện điện tử trong mạch: 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 hiệuđiều khiển R5, VR1: Khâu so sánh tạo ra điện áp R3, R4, KĐT1: KHâu khuyếch đại bão hoà có đảo R6, R8: Vì ở đây ta nối tầng nên R6, R8có 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 hành 1 chiều ĐSV: Động cơ secvô kéo chổi than 3. Nguyên lý làm việc của bộ ổn áp Tổng quát 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: - Cấp thẳng điện áp lưới vào sơ cấp của biến áp tín hiệu. Khi điện áp lướithay 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. - 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 sẽcấp tín hiệu cho mạch điều khiển để điều khiển cho động cơ secvô kéo chổithan tới vị trí vòng dây tương ứng với điện áp vào của ổn áp. b) Cụ thể Khi điện áp lưới ở mức 217V - 223V 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 nhỏ hơn UR6, tức là tín hiệu đưa vào cổng không đảo nhỏ hơn tín hiệu đưa vào cổng đảo KĐT2 nên điện áp ra ở điểm B âm , điểm B âm Tr1 – Tr2 khóa, đồng thời UR8 nhỏ hơn UR9, tín hiệu đưa vào cổng đảo nhỏ hơn tín hiệu đưa vào cổng không đảo của KĐT3, vậy tại điểm C dương đặt vào cực B của Tr3 – Tr4, Tr3 – Tr4 khóa, động cơ không được cấp điện do đó động cơ Servo sẽ không quay. Khi điện áp đầu vào 50V 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 ở điểm B âm, khi B âm thì Tr1 khóa, Tr2 khóa, đồng thời UR8 dương hơn UR9 tức là tín hiệu đưa vào cổng đảo của KĐT3 nhờ VR3, do đó tín hiệu ra ở điểm C âm. Lúc này có dòng Ic qua Tr3, có dòng IB khoá Tr4, vì vậy có dòng chạy từ GND qua động cơ Servo quay theo 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 Vôđ thì điểm A = 0, điểm B 0, động cơ Servo ngừng quay. Khi điện áp đầu vào 223V- 380V, tín hiệu điện áp lấy về từ biến áp tín hiệu sau cầu chỉnh lưu đưa về cổng không đảo của KĐT1 lớn hơn tín hiệu đặt ở cổng không đảo của KĐT1 nhờ VR1, điểm A sẽ âm dần. Khi A âm, UR6 nhỏ hơn UR7, tức là tín hiệu đưa vào đảo nhỏ hơn tín hiệu đặt đưa vào cổng không đảo cua KĐT2 nhờ VR2, tín hiệu ra ở điểm B dương, Tr1 mở, có dòng IB cho Tr2, Tr2 mở thì cấp nguồn phần ứng Uư cho ĐSV, làm ĐSV quay theo chiều tăng số vòng sơ cấp của biến áp BL để giữ cho Ura của BL bằng Uôđ, đồng thời UR8 lớn hơn UR9 tức là tín hiệu đưa vào cổng đảo âm hơn tín hiệu đưa vào cổng không đảo của KĐT3, điện áp ra của điểm B dương Tr3 – Tr4 khóa. Khi Tr3 – Tr4 mở ĐSV quay theo chiều tăng số vòng dây sơ cấp của biến áp BL. Khi Ura bằng Uôđ thì điểm A = 0, điểm B 0, do đó Tr1 – Tr2 khóa Tr3– Tr4 khóa ĐSV sẽ ngừng quay. Giản đồ điện áp CHƯƠNG 4: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ I. Tính chọn các thiết bị động lực 1. Chế tạo biến áp tự ngẫu công suất 5KVA: Máy biến áp là một thiết bị điện từ đứng yên làm việc trên nguyên lí cảm ứng điện từ biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác với tần số không đổi. Phía nối với nguồn được gọi là sơ cấp, kí hiệu:1 Phía nối với tải được gọi là thứ cấp, kí hiệu :2 Nếu U1/U2 < 1 ta có máy biến áp tăng áp Nếu U1>U2 ta có máy biến áp giảm áp. a. Cấu tạo máy biến áp tự ngẫu: Máy biến áp tự ngẫu là máy biến áp có cấu tạo giống bộ biến đổi áp variac cấu tạo gồm phần thứ cấp và phần sơ cấp chung một cuộn dây liên hệ trực tiếp với nhau về điện. Ở ngõ vào chổi than di động được đặt bám trên các vòng dây đồng quấn trên lõi sắt kĩ thuật điện hình xuyến. Bên phía cuộn dây thứ cấp ngoài dòng điện cảm ứng, còn có dòng điện chạy trực tiếp từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp. Cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có thể có đường kính khác nhau. Điểm khác biệt giữa ổn áp và variac là khi điện áp nguồn cung cấp cho ổn áp thay đổi, mạch điều khiển sẽ nhận tín hiệu thay đổi và điều khiển động cơ secvo chạy sẽ thay đổi vị trí chổi than làm thay đổi dây quấn ở ngõ vào (tương ưng với mức cao hay thấp) giữ cho áp ngõ ra không đổi. Còn variac ta dùng tay để di chuyển chổi than để thay đổi áp ở ngõ ra và ngõ vào chỉ chọn một hay hai mức điện áp tùy yêu cầu. Hình 4.1: Sơ đồ cấu tạo MBA tự ngẫu Trong đó: A’x’: là cuộn sơ cấp có số vòng dây là w1. a’x’: là cuộn dây thứ cấp có số vòng dây w2. A’a’: là cuộn nối tiếp của MBA tự ngẫu. b. Nguyên lý làm việc của máy biến áp tự ngẫu: Nguyên lý làm việc của MBA tự ngẩu về cơ bản không khác gì máy biến áp phổ thông, hoạt động tuân theo định luật cảm ứng điện từ. Lúc cuộn thứ cấp không tải (tức là tự ngẩu không tải), cuộn sơ cấp đấu vào nguồn điện có điện áp U1 sinh ra dòng điện I1 và từ thông Ф. Cuộn thứ và cuộn sơ cấp cùng quấn trên một lỏi thép, nên cùng móc vòng với từ thông Ф. Từ thông này cũng giống như máy biến áp phổ thông, cảm ứng ra trong cuộn sơ cấp sức điện động E1, trong cuộn thứ cấp sức điện động E2 và: E1 = 4,44f.w1.Фm E1E2=w1w2=Kt E2 = 4,44f.w2.Фm Ta có tỷ số biến áp của MBA tự ngẩu là: + Lúc cuộn thứ có tải nếu bỏ qua điện áp giáng trong cuộn dây quấn ta có thể viết: kt=w1w2=E1E2=U1U2 E1 ~ U1 và E2 ~ U2 Lúc đó : c. Tổn hao công suất MBA tự ngẫu: Tổn hao sắt từ (tổn hao không tải): So sánh với MBA phổ thông cùng dung lượng, cùng điện áp thì điện áp, sức điện động cuộn thứ cấp, cũng giống như MBA phổ thông đều do hiện tượng cảm ứng điện từ gây ra. Tổn hao đồng (tổn hao ngắn mạch): Dòng điện I1 chạy qua một phần của của cuộn dây W1 vòng (đoạn nối tiếp). Dòng I chạy trong cuộn chung, cũng là cuộn dây thứ cấp nhỏ hơn dòng điện I2 đưa ra phụ tải : I = I2 – I1 Vì vậy tổn hao đồng trong MBA tự ngẩu nhỏ hơn tổn hao đồng trong MBA hai cuộn dây cách ly cùng dung lượng và điện áp. Người ta chứng minh được rằng: Tổn hao đồng trong MBA tự ngẩu nhỏ hơn tổn hao đồng trong MBA phổ thông ( lần. Điện áp ngắn mạch Uk trong MBA tự ngẩu cũng nhỏ hơn Uk trong MBA phổ thông ( lần. Tỷ số biến áp càng lớn, tổn hao đồng và Uk càng lớn, mà Uk càng lớn thì tổng trở của MBA càng lớn. d. Ưu nhược điểm của máy biến áp tự ngẫu: Ưu điểm: + Chi phí vật liệu thấp. +Giá thành chế tạo thấp. + Tổn hao công suất ít, hiệu suất cao. + kích thước gọn, trọng lượng thấp. + Nâng cao được dung lượng giới hạn chế tạo. Có thể chế tạo MBA tự ngẩu dung lượng lớn. Nhược điểm: +MBA tự ngẩu có điện áp ngắn mạch Uk% bé ( lần so với Uk% của MBA phổ thông. + bố trí chỉnh điện áp khó khăn. + Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp nối tiếp nhau nên điện áp cao phía cao áp có thể xâm nhập sang cuộn trung áp, không đảm bảo an toàn như MBA cách ly. +Vấn đề bảo vệ role cho MBA tự ngẩu khá phức tạp. + Khi có sử cố quá áp ( hoặc quá dòng ) dễ làm hư phụ tải vì vậy có bộ phận bảo vệ tải riêng. e. Chế tạo máy biến áp tự ngẫu: Công suất 5 KVA : Từ Tính toán đó ta tính được dòng định mức là: Iđm = S/Uđm => Iđm = =>Iđm = 22,72 (A) Thông số thiết kế : S = 5 KVA , Iđm = 22,72 (A) Từ công thức : F = k k : hệ số kinh nghiệm Tiết diện tác dụng của lõi sắt : ta chọn k = 1,3 => F = 1,3. =>F = 91,92 (cm2 ) Tiết diện thực của lõi sắt : Chọn Kcl = 0,9 Kthực = Kcl . 92 =>Kthực = 0,9 . 92 Kthực= 82,28 (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 . Bm là 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 = 20 A /mm2 Tiết diện dây quấn như sau: S = đm = = 1,136 (mm2) Vậy S= 1,136 (mm2) Đường kính dây quấn : 4 .1,136 3,14 d = = = 1,447 (mm2). Suy ra: d = 1,7 (mm2) Chọn dây dẫn biến áp tự ngẫu có tiết diện tròn , có thông số sau : Đường kính ngoài : d = 1,7 ( vì trên bề mặt của dây quấn phải mài đi 1 phần để điện áp ra chổi than. Nên chọn dây có đường kính = 1,7) 2. Thiết kế tính toán máy biến tín hiệu Có các thông số sau : P = 30W ,U1 = 220v, U2 = 12v, Itải = 5A Tiết diện lõi sắt: Ta có : F=k P: Công suất biểu kiến của máy biến áp K: Hệ số kinh nghiệm k= 1,1 ÷ 1,3 F: Tiết diện lõi sắt Chọn k = 1,2 => F = 1,2 = 6,6 (cm2) Vậy trụ đế quấn dây là hình vuông cạnh 2,6 cm Tiết diện thực của lõi thép : FT = Kc.KG.F = 0,94.0,84.6,6 = 5,2 (cm2) Số vòng dây thứ cấp: W2 = Ta có : f = 50Hz , Bm = 1,1, E2 =4,44 W2 = = 94 ( vòng) Số vòng dây sơ cấp: W1 = Ta có : f = 50Hz , Bm = 1,1 W1 = = 1732 ( vòng) Dòng điện : Thứ cấp I2 = = = 4,5 (A) Sơ cấp I1 = .I2 = .4,5 = 0,25 (A) Bề rộng cửa sổ mạch từ : R = = 13 (mm) 3. Thiết kế chế tạo máy biến áp lực Các thông số : S= 5KVA Phạm vi thay đổi điện áp lưới : 50 v đến 380 v Với U1min = 50 V thì I1 = S/U1min = = 100 (A) Với U2min = 380 V thì I2 = S/U1max = = 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 . Bm là 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 = = = 2 (mm2) Vậy S= 2 (mm2) Đường kính dây quấn : 4 .2 3,14 4 . S P d = = = 1,59 (mm2) => 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 servo và 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 thị trường , để khi phải sửa chữa thay thế có thể tìm mua được dễ dàng . Sau đây ta sẽ tiến hành tính chọn từng linh kiện trong mạch , để đơn 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= = = 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 = = 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 == 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 = =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 : 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 : Để đảm 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 khiển 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: 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 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 === 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: Thứ cấp : I2 = Itải / 1,11 => I2 = 1 / 1,11 => I2 = 0,9 (A) Sơ cấp: I1 = I2 => I1 = =>I1 = 0,1 (A) 17) Tiết diện dây : chọn J = 3 Sơ cấp : S1 = => S1 = = 0,03 (mm2) => Thứ cấp: S2 = => S2 = = 0,3 (mm2) 18) Đường kính dây Sơ cấp : d1 = = = 0.2 (mm) => d1 = 0,2 (mm) Thứ cấp : d2 = == 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 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 nguồn ổn 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 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 Đ2 là 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 trên mạch điều khiển mở, dẫn dòng từ +Uư qua Đ2 đến động cơ secvô về 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 Tr2 trên mạch điều khiển mở, dẫn dòng từ +Uư qua 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 Đ1 để 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 Tr4 mở dẫn dòng từ GND qua 2KH, qua Đ1 về -Uư cấp nguồn cho động cơ secvô quay theo chiều giảm số vòng dây và tự động chạy ra khỏi công 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 để dự 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: Kí hiệu Số lượng Giá trị Ghi chú Tụ 4700 μF 2 4700 μF 1 chiều Điốt quốc phòng 3 1A Bảng thống kê các linh kiện của mạch bảo vệ điện áp ngoài dải làm việc V. Lắp ráp chế tạo bộ ổn áp 1. Giới thiệu chung: Mỗi thiết bị điện ngoài việc thiết kế và tính toán bao giờ cũng phải trải qua quá trình chế tạo thử nghiệm và chỉnh định các thông số cho phù hợp với các chế độ làm việc ngoài thực tế. Bởi khi tính toán thiết kế vẫn mang tính lý thuyết nhiều, nên khi đưa thiết bị vào hoạt động trong thực tế nhiều khi mới nảy sinh những vấn đề chưa thật phù hợp cần phải tìm biện pháp khắc phục và chỉnh định lại một số thông số để khi đưa vào vận hành, bộ ổn áp này thực sự mang lại hiệu quả. Mặt khác những linh kiện khi thiết kế đã được tính toán, lựa chọn, nhưng ngoài thị trường lại hiếm nên phải chọn dùng loại khác, khi đó một số thông số khác lại phải thay đổi cho phù hợp.Chính vì những yêu cầu đó nhóm chúng em đã giành thời gian lắp và chỉnh định. 2. Lắp ráp mạch điều khiển động cơ secvô: Với sơ đồ nguyên lý như đã thiết kế cùng các linh kiện chúng ta tiến hành lắp ráp các linh kiện theo đúng sơ đồ vào mạch in.Trước khi lắp các linh kiện ta tiến hành kiểm tra chất lượng của các con linh kiện để đảm bảo cho mạch hoạt động tốt nhất. Sơ đồ đấu dây: Mạch này phải đảm bảo những tiêu chuẩn sau : + Khi điện áp vào định mức là 50V thì điện áp ra cũng bằng giá tri định mức, lúc này không cần dòng điện điều chỉnh dòng của động cơ. + Khi điện áp vào nhỏ hơn giá tri định mức thì điện áp ra cũng nhỏ hơn giá trị định mức mong muốn, cần tăng giá trị điện áp của đầu ra, tăng bằngcách mạch điều khiển sẽ điều khiển động cơ secvô di chuyển con trượt chổi than đến vị trí giảm số vòng dây của máy biến áp động lực, kết quả là điện áp ở đầu ra tăng lên đạt giá trị định mức. Khi điện áp vào càng nhỏ thì đòi hỏi sự điều chỉnh điện áp giữa các cuộn dây càng lớn, nghĩa là mạch điều khiển sẽ điều khiển động cơ secvô di chuyển con trượt chổi than đến vị trí giảm số vòng dây của máy biến áp động lực. + Khi điện áp ra lớn hơn điện áp ra định mức thì mạch điều khiển sẽ điều khiển động cơ secvô di chuyển con trượt chổi than đến vị trí làm tăng số vòng dây của máy biến áp động lực, kết quả là điện áp ở đầu ra giảm xuống bằng giá trị điện áp ra định mức mong muốn. Điện áp ra càng lớn thì hệ số điều chỉnh điện áp trên các cuộn dây phải lớn, do đó mạch điều khiển điều khiển động cơ secvô di chuyển con trượt chổi than đến vị trí làm tăng số vòng dây trên máy biến áp động lực. con trượt chổi than đến vị trí làm tăng số vòng dây trên máy biến áp động lực. Bảng giá trị các linh kiện trong mạch: 3. Mạch bảo vệ ngoài dải làm việc của bộ ổn áp: Tên linh kiện Kí hiệu Giá trị Ghi chú Điện trở R1, R2 ,R5,R6 , R7 , R9 R 3 R4 R10 , R11 10K 10 K 22 K 500 K 4,5 K Biến trở VR1=VR2=VR3 50K Tụ điện C1 C2 4,7 μ /16v 104 Xoay chiều KĐT KĐT1,KĐT2,KĐT3 μ A741 Tranzitor Tr1 Tr2 Tr3 Tr4 C828 H1061 A546 A671 Ta tiến hành lắp ráp mạch bảo vệ theo sơ đồ nguyên lý: Mạch bảo vệ gồm: 3 điốt 1A 2 tụ mắc song song có giá trị 4700 μF 1 rơle 4. Lắp ráp bộ nguồn nuôi mạch điều khiển Từ sơ đồ nguyên lý chúng ta thiết kế mạch in để lắp các linh kiện vào kích thước mạch in được khống chế bởi vị trí đặt bộ nguồn trong ổn áp,đồng thời để mộtkhoảng trên mạch in để lắp cánh tản nhiệt cho hai tranzito.Ở hai đầu mạch in còn lắp các đầu nối để tiện khi tháo lắp. Chọn vị trí lắp led sao cho đứng ngoài có thể nhìn thấy chỉ thi có nguồn cho các mạch, với kích thước của các linh kiện ta khoan các lỗ chân linh kiện mm 1Φ để cắm cho dễ dàng. 5. Hộp động lực: Hình 7.1 Cấu tạo hộp động lực * Tủ hộp động lực gồm : - Biến áp tự ngẫu - Biến áp tín hiệu - Biến áp ổn áp - Biến áp nguồn nuôi - Các mạch điều khiển * Kích thước hộp : - Cao 300 mm - Dài 500 mm - Rộng 300 mm Khung tủ được gia công bằng sắt, hộp có mặt đáy và mặt bên làm bằng thép, 3 mặt còn lại sử dụng chất liệu mica trong để sinh viên tiện theo dõi quá trình hoạt động của bộ thực hành,riêng mặt trước đã được sơn đen và in sơ đồ khối của mạch lực. Mặt trước của hộp lực gồm : - 2 đồng hồ vôn kế đo điện áp vào và điện áp ra - 1 đèn báo ổn áp đang làm việc - 1 núm xoay của biến áp tự ngẫu - 6 cọc cắm Bên hông hộp bố trí 1 áttômat đóng cắt nguồn cho ổn áp vận hành và dừng hoạt động. KẾT LUẬN Sau hơn một thời gian thực hiện đề tài, em đã hoàn thành được đề tài nhờ sờ giúp đỡ của Thầy giáo Vũ Doãn Vượng. Qua để tài em thấy được vai trò và tầm quan trọng của đồ án, qua đó đã củng cố được một phần kiến thức đã học, đặc biệt là được tìm hiểu qua thực tế, tiếp xúc với các linh kiện thiết bị mà trước đây chưa có thời gian được tìm hiểu. Biết được cách tính toán trong thiết kế quấn dây và thiết kế mạch điều khiển trong ổn áp, đồng thời cũng hiểu được nguyên lý và cách vận hành cũng như ứng dụng động cơ secvo trong máy ổn áp. Một vấn đề nữa được biết đến là sự tương quan giữa thực tiện và lí thuyết tính toán có kết quả khá lệch nhau nhưng đó là cơ sở để đánh giá thực tiễn, đối với lí thuyết thì được xét ở điều kiện lí tưởng đối lại với thực tế khó xét được ở điều kiện lí tưởng. Trong quá trình thực hiện đồ án, nhóm đã hiểu được nguyên lý làm việc, cũng như các tính năng máy ổn áp, qua đó biết được phương pháp vận hành cũng như thiết kế máy biến áp. Một lần nữa em xin cảm ơn thầy giáo Vũ Doãn Vượng, khoa Điện trường Đại Học Công nghiệp Việt Trì đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em thực hiện đồ án. Song do lượng kiến thức bản thân có hạn nênchắc chắn không thể tránh khỏi những sai sót mong quý thầy cô góp ý và bổ sung thêm để đề tài đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!