Đồ án Thiết kế bộ thực hành nguồn ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp

Nhiệm Vụ Thiết kế đồ án tốt nhgiệp Họ và tên sinh viên: Lớp: 1/ Đề tài thiết kế: Thiết kế bộ thực hành ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp 2/Các số liệu ban đầu: Công suất : 1 KVA Dải điện áp đầu vào từ 160v đến 240v Sai số đầu ra cho phép : +3v - 3v 3/Nội dung phân thuyết minh và tính toán: 4/Phần bản vẽ: Hà Nội ngày tháng năm Cán bộ hướng dẫn: Mục Lục Chương I : Giới thiệu về các loại ổn áp xoay chiều . I . Giới thiệu chung…………………………….. II . Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại ổn áp thông dụng… Chương II : Thiết kế và tính toán mạch lực của bộ thực hành ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp công suất 1 KVA I . Sơ đồ mạch lực và mối quan hệ giữa các biến áp thành phần…. II . Tính toán thiết kế máy biến áp thành phần……………….. Chương III : Thiết kế chế tạo mạch điều khiển I . Thiết kế mạch điều khiển động cơ secvô……………….... II . Thiết kế bộ nguồn cho mạch điều khiển …………………… Chương IV : Thiết kế mạch bảo vệ cho bộ thực hành ổn áp công suất 1KVA I . Giới thiệu chung …………………………………………… II . Thiết kế chế tạo mạch bảo vệ điện áp ngoài dải làm việc ……….. III . Nguyên lý làm việc của mạch bảo vệ điện áp ngoài………….. IV . Chọn linh kiện ……………………………………… Chương V : Lắp ráp chế tạo bộ thực hành ổn áp I . Lắp ráp mạch điều khiển động cơ secvô…………………….. II . Lắp ráp mạch bảo vệ điện áp ngoài dải làm việc…………….. III . Lắp ráp bộ nguồn nuôi mạch điều khiển………………. IV . Chế tạo biến áp tín hiệu và biến áp nguồn nuôi………….. V . Chế tạo biến áp tự ngẫu và biến áp ổn áp ………………….. VI . Lắp ráp hộp động lực………………………. VII . Lắp ráp hộp môđul điều khiển ………………………….. Chương VI : Thử nghiệm Kết luận chung Lời Nói Đầu Ngày nay khi nền công nghiệp càng phát triển thì nhu cầu sử dụng diện trong đời sống và sản xuất càng rộng rãi .Nguồn năng lượng điện vơi 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, nhưng lưới điện nước ta vẫn chưa ổn định , nhất là vào giờ cao điểm. 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 rât 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 tâp tại khoa điện –cơ-điện tử, trường Đại Học Phương Đông chúng em đã được tìm hiểu sâu về các kiên thức về thiêt bị điện, biến đổi điện năng . 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-418 Bạch Mai- 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. Hà Nội ngày tháng năm Sinh viên thiết kế: Lương Thế Anh Nguyễn Tiến Thành Nguyễn Thị Thu Hương Chương I : Giới Thiệu Về Các Loại ổn áp Xoay Chiều 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 tâng 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 xuốngcòn 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. Do đó để có một dòng điện chất lượng ,duy trì tuổi thọ của động cơ, thiết bị điện ổn định điện áp là một yêu cầu vô cùng cấp thiết .cho đến nay với sự phát triển của khoa học kĩ thuật cho phép thiết kế một bộ nguồn ổn áp theo nhiều phương pháp như là : 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 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 người ta đưa ra công thức sau : K =
K : hệ số đánh giá chất lượng ổn áp
: độ biến thiên điện áp vào , điện áp vào
: 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/ Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các loại ổn áp thông dụng 1) ổn áp sắt từ không tụ : 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:
Hình 1.1 1.2)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 1.3) 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. 1.4) 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) Ôn áp sắt từ có tụ: 2.1) 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 điên trong mạch tạo ra hiện tương cộng hưởng vì thế ổn ap săt từc có tụ còn gọi là bộ cổng hưởng. 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 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 2.3) 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 khuyếch đại từ : 3.1) 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 :
Hình 1.5 + Khuyếch đại từ là một khí cụ điện gồm nhiều cuộn dây cuốn quanh một lõi thép ,trong đó có cuộn làm việc và cuộn điều khiển . Cuộn điều khiển đươc 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. 3.2) Nguyên lý hoạt động: UV = UKĐT + U1TN 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 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 . 3.3) Giới thiệu nguyên lý hoạt động của ổn áp kiểu khuyếch đại từ cụ thể :
Hình 1.6 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 (iw)
= ( iđk2 * wđk2 ) – ( iđk3 * wđk3) + 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 bên thể hiện đặc tính của ổn áp kiểu khuyếch đại từ:
Hình 1.6 3.4) Ưu nhược điểm của ổn áp kiểu 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 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 áp cần giữ ổn định Uôđ..
Hình 1.7 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 có đầu vào nối với đầu ra của ổn áp, đó chính là cơ cấu so sánh và phát tín hiệu điều khiển bằng các phần tử điện tử bán dẫn . 4.3) 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 công suất thiếu 5.1) Cấu tạo :
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 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. 5.2) Nguyên lý hoạt động của ổn áp dùng biến áp bù có biến áp vi sai để điều khiển sơ cấp biến áp bù :
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 . 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 * Nhược điểm: - Độ tác động chậm do có tác động cơ cấu chuyến động quay - Mạch điều khiển phức tạp Kết luận : Qua sự phân tích trên thì ở mỗi hình thức ổn áp có những ưu điểm và nhược điểm riêng , căn cứ vào yêu cầu của đồ án : “ Thiết kế bộ thực hành nguồn ổn áp xoay chiều “ , từ ưu điểm của ổn áp hoạt động theo nguyên tắc biến áp rất thích hợp cho đề tài này nên chúng em đã chọn hình thức ổn áp hoạt đọng theo nguyên tắc biến áp làm cơ sở để thiết kế “ Bộ thực hành nguồn ổn áp “. Chương II : Thiết kế , tính toán mạch lực của bộ thực hành Nguồn ổn áp xoay chiều làm việc theo Nguyên tắc biến áp công suất 1kvA I/ Sơ đồ mạch lực và mối quan hệ giữa các biến áp thành phần: 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 “ . Qua quá trình nghiên cứu chúng em đã thiết kế sơ đồ mạch lực gồm : Một biến áp tự ngẫu Một biến áp ổn áp Một biến áp tín hiệu Mạch lực của chúng em được xây dựng như sau:
Hình 2.1 : vẽ sơ đồ của mạch 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 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.