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

Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Cộng hoà x• hội chủ nghĩa Việt Nam Khoa điện Độc lập - tự do - hạnh phúc …....o0o……… ....o0o…… ` Nhiệm Vụ Thiết kế đồ án tốt nhgiệp Họ và tên : Sinh viên: Khoa : 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 các phần thuyết minh và tính toán: .......................................................................................................................................................................................................................................................................... ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 4.Các bản vẽ và đồ thị(ghi rõ các loại bản vẽ và kích thước: .......................................................................................................................................................................................................................................................................... ……………………………………………………………………………………… 5. Cán bộ hướng dẫn: Giáo viên : Lưu Đức Dũng -Thiết kế bộ thực hành ổn áp xoay chiều 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế:………………………………………………... 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:………………………………………………….. Kết quả điểm đánh giá: - Quá trình thiết kế - Điểm duyệt - Bản vẽ thiết kế Ngày........tháng........năm 200... Cán bộ hướng dẫn thiết kế Chủ nhiệm khoa (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) Sinh viên thực hiện và nộp bản thiết kế cho khoa Ngày tháng năm 200 (Chữ ký) Nhận xét của giáo viên hướng dẫn …………………………………………………………………………..................... ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………..................... ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. Nhận xét của giáo viên duyệt …………………………………………………………………………..................... ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………..................... ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………. Mục Lục Chương I : Tổng quan 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 I. Cấu trúc của mô hình thực hành. II. Tính toán ,lựa chọn các phần tử trong mô hình thực hành. 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 . 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. V. Một số thiết bị bảo vệ khác 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. Lựa chọn biến áp tín hiệu và biến áp nguồn nuôi. V. Lựa chọn biến áp tự ngẫu và biến áp ổn áp. VI .Lắp ráp khối động lực. VII. Lắp ráp khối modul điều khiển. Chương VI : Tài liệu hướng dẫn thực hành. Kết luận chung 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 đ• 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 đ• 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 đ• 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 đ• 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. 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 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 thiệu chung : Do lưới điện dao động nhiều ảnh hưởng không tốt đến sự hoạt động của các thiết bị điện nên người ta đ• 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. ổn áp sắt từ không tụ : II.1.1Nguyên lý làm việc : ổn áp sắt từ không tụ làm việc dựa theo nguyên lý b•o hoà từ sơ đồ nguyên lý làm việc của ổn áp sắt từ không tụ được trình bày dưới đây: Hình 1.1 II.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 b•o hoà - Điện áp vào UV đặt lên cả hai cuộn W1 và W2 còn điện áp ra lấy trên cuộn b•o hoà W2 II.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 b•o hoà không thể nằm song song với trục hoành được. II.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 II.2. ổn áp sắt từ có tụ: II. 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 b•o 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 b•o 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 - 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 II.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 II.3. ổn áp kiểu khuyếch đại từ : II.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 khiểnđươc 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. II.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 m•n: -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 . II.3.3. Giới thiệu nguyên lý hoạt động của ổn áp kiểu khuyếch đại từ cụ thể : Hình1.6 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 b•o 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 II.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 II.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 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 áp cần giữ ổn định Uôđ.. 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 2. II.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 . II.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.