Đồ án Thiết kế bộ ổn áp xoay chiều

TỔNG QUAN VỀ BỘ ỔN ÁP XOAY CHIỀU

Giới thệu chung

Điện áp dao động có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của các thiết bị điện, do đó, thiết bị tự động ổn định điện áp (ổn áp) đã được phát triển Ổn áp hoạt động hiệu quả trong phạm vi nhỏ, ngay cả khi điện áp đầu vào thay đổi lớn Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các loại ổn áp ngày càng được cải tiến về độ phức tạp và chất lượng Để đánh giá chất lượng của ổn áp, người ta đã đưa ra một công thức cụ thể.

Hệ số K là chỉ số đánh giá chất lượng ổn áp, trong đó ΔUv và Uv đại diện cho độ biến thiên và điện áp vào, còn ΔUr và Ur là độ biến thiên và điện áp ra.

Để nâng cao chất lượng của ổn áp, cần giảm độ biến thiên của điện áp ra.

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:

Ổn áp sắt từ không tụ bao gồm hai cuộn dây W1 và W2 được quấn trên hai lõi thép, tạo thành nguyên lý làm việc hiệu quả.

GVHD: ThS Vũ Doãn Vượng 6 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17

-Cuộn dây W 1 là cuộn tuyến tính (có khe hở không khí trong mạch từ)

-Cuộn dây W 2 là cuộn bão hoà

-Điện áp vào U v đặt lên cả hai cuộn W 1 và W2còn điện áp ra lấy trên cuộn bão hoà W2 c) Nguyên lý làm việc

Với cấu tạo như trên chúng ta thấy rằng:

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:

Ổn áp sắt từ không tụ có đặc điểm là đầu ra ít thay đổi khi điện áp vào biến động lớn, tuy nhiên, sự dao động của điện áp ra vẫn khá lớn do đặc tính V-A của cuộn kháng bão hoà không thể song song với trục hoành Ưu điểm của loại ổn áp này là khả năng ổn định điện áp tốt trong điều kiện thay đổi lớn, nhưng nhược điểm là vẫn tồn tại sự dao động đáng kể ở đầu ra.

-Có cấu tạo đơn giản

-Dễ thiết kế, chế tạo

-Điện áp ra bị méo dạng

-Chất lượng của ổn áp không cao

2 Ổn áp sắt từ có tụ a) Cấu tạo

Ổn áp sắt từ có tụ bao gồm hai cuộn kháng: cuộn W1 và cuộn W2 Cuộn W1 hoạt động ở chế độ tuyến tính, trong khi cuộn W2 làm việc ở chế độ bão hòa Hai cuộn này được mắc nối tiếp, với điện áp đầu vào được đặt lên cả hai cuộn Điện áp ra được lấy từ hai đầu cuộn W2 và tụ C, mà tụ C được mắc song song với cuộn bão hòa.

Mục đích của việc giảm nhỏ dòng chạy trong cuộn W là để cải thiện hiệu suất của mạch Việc thêm tụ điện vào mạch sẽ tạo ra hiện tượng cộng hưởng, do đó ổn áp sắt từ có tụ được gọi là bộ cổng hưởng Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên sự tương tác giữa cuộn dây và tụ điện, giúp ổn định điện áp hiệu quả hơn.

Tụ C được tính toán sao cho khi điện áp vào U V = U đm thì IC = 1, lúc này mạch điện ở trạng thái cộng hưởng dòng điện Đặc tính V – A

Khi vào đường đặc tính trên chúng ta thấy rằng:

-Khi UR< UCH : mạch có tính điện dung

-Khi UR UCH c) Ưu nhược điểm của ổn áp sắt từ có tụ

-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

Hình 1.5 Cấu tạo ổn áp khuếch đại từ

Khuyếch đại từ là một thiết bị điện gồm nhiều cuộn dây quấn quanh một lõi thép, bao gồm cuộn làm việc và cuộn điều khiển Cuộn điều khiển nhận điện một chiều và thường được thiết kế với hai cuộn mắc ngược cực tính nhau để giảm thiểu ảnh hưởng của mạch xoay chiều từ cuộn làm việc đến mạch một chiều của 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

GVHD: ThS Vũ Doãn Vượng 9 Sinh Viên : Hoàng Trung Hiếu Lớp: ĐT1Đ17 b) Nguyên lý hoạt động

UR = K.UTN = K( UV– U KĐT ) Như vậy muốn cho U R không đổi thì IĐK phải được điều chỉnh sao cho thoả mãn:

- Khi UVtăng thì điều chỉnh IĐK tăng để UKĐTtăng

- Khi UVgiảm thì điều chỉnh IĐK giảm để UKĐTgiảm

Để duy trì U R không đổi, cần thiết lập một quá trình tự động điều chỉnh IĐK theo quy luật thay đổi của U V Giải pháp cho vấn đề này là sử dụng hệ thống điều khiển với các cơ cấu phát, đo và so sánh, được thực hiện thông qua các phần tử điện từ hoặc điện tử Nguyên lý hoạt động của ổn áp khuyếch đại từ đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

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 R 1 sao cho khi UV = Uđm và IT = Iđmthì điện áp ra Ur = Uđm,tức là :

+ Cuộn Uđk2 và Wđk3 được mắc nối tiếp với hai cuộn kháng bão hoà L 2 và cuộn tuyến tính L 3 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 R 2 để chỉnh định dòng Iđk2

+ Biến trở R 3 để chỉnh định dòng Iđk3

+ Việc điều chỉnh dòng điều khiển Iđk2 và I đk3 thực hiện sao cho khi

Hình vẽ 1.7 thể hiện đặc tính của ổn áp kiểu khuyếch đại từ:

Hình 1.7 d) Ưu nhược điểm của ổn áp khuyếch đại từ

- Khả năng chịu quá tải lớn

- Có thể chế tạo với công suất lớn

- Điện áp ra khá ổn định

- 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: đk2 Wđk2Wđk3

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 a) Cấu tạo: Ổn áp làm việc theo nguyên tắc biến áp có cấu tạo đơn giản gồm :

BL - máy biến áp ổn áp là loại máy biến áp tự ngẫu, được trang bị con trượt chổi than ĐSV Động cơ secvô, là động cơ một chiều sử dụng nam châm vĩnh cửu, đảm nhiệm việc truyền động cho con trượt của máy biến áp BL.

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

Ổn áp hoạt động theo nguyên tắc biến áp, khi điện áp đầu vào thay đổi, mạch điều khiển phát tín hiệu để động cơ secvô điều chỉnh chổi than, từ đó thay đổi số vòng dây Quá trình này diễn ra cho đến khi điện áp đầu ra đạt mức định mức, tại đó hệ thống sẽ 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

GVHD: ThS Vũ Doãn Vượng, Sinh Viên: Hoàng Trung Hiếu, Lớp: ĐT1Đ17, đang thực hiện việc điều khiển động cơ secvô để kéo chổi than đến 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:

-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

Giới hạn công suất lớn có thể xảy ra do tiếp xúc với chổi than, dẫn đến hiệu suất không ổn định Khi đầu vào thay đổi đột ngột, đầu ra cũng sẽ gặp phải sai số lớn do việc sử dụng hệ cơ khí, trước khi có sự điều chỉnh và sai số được giảm thiểu.

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 lớnhơn giá trị điện áp ra mong muốn a) Cấu tạo:

Biến áp kiểu cảm ứng bao gồm một cuộn sơ cấp được kết nối với điện áp điều khiển, trong khi đầu ra được nối tiếp với cuộn thứ cấp của biến áp.

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ ÁN

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 được điều chỉnh bằng cách thay đổi số vòng dây quấn, thông qua việc thay đổi điểm đặt của điện áp vào hoặc ra Thông thường, việc thay đổi này diễn ra ở phía cao áp với dòng điện làm việc nhỏ hơn và số vòng lớn hơn Đối với máy ổn áp công suất nhỏ, có thể sử dụng tiếp điểm chổi than trượt trên các vòng dây, trong khi với máy công suất lớn, việc điều chỉnh được thực hiện bằng cách đổi nối tiếp điểm Quá trình đổi nối này có thể tự động hóa thông qua một mạch điều khiển tự động, và tín hiệu điện áp ra sẽ quyết định chiều chuyển động của chổi than.

GVHD: ThS Vũ Doãn Vượng; Sinh viên: Hoàng Trung Hiếu, lớp ĐT1Đ17 Hướng đóng và mở của tiếp điểm rất quan trọng đối với máy có công suất lớn Ưu điểm của hình thức ổn áp này là điện áp ra có hình dáng tương tự như điện áp vào, giá thành rẻ, không cồng kềnh, dễ chế tạo và có dải làm việc rộng.

2 Ổn định điện áp kiểu khuyếch đại từ

Sơ đồ đơn giản cho thấy cách tải được nối tiếp với cuộn kháng có điều khiển, kết nối với nguồn điện U CC Cuộn kháng được điều khiển thông qua mạch điều khiển một chiều UĐK.

Sự thay đổi trong điện áp điều khiển dẫn đến sự biến đổi của dòng điện điều khiển Dòng điện một chiều đi qua lõi thép của cuộn kháng sẽ làm thay đổi điện kháng của cuộn kháng Kết quả là, điện áp rơi trên tải sẽ bị ảnh hưởng.

Thay đổi Uđk sẽ ảnh hưởng đến điện áp rơi trên tải Zt, dẫn đến việc xây dựng máy ổn định điện áp kiểu tự ngẫu với cuộn kháng bão hòa có điều khiển Phương pháp này có cấu trúc mạch tương đối gọn gàng, với quán tính điều khiển lớn, mang lại độ bền cao Nhờ nguyên lý hoạt động giống như máy biến áp tự ngẫu, kích thước mạch từ được thu nhỏ, tiết kiệm vật liệu và giảm tổn hao trên mạch từ Việc điều khiển được thực hiện thông qua modul điều khiển nhanh chóng, sử dụng các phần tử bán dẫn, giúp khắc phục nhược điểm của khuyếch đại từ Thiết bị vẫn duy trì các ưu điểm như độ bền và khả năng chịu quá tải trong khi giảm thiểu tính cồng kềnh.

3 Ổn định điện áp bằng sắt từ có tụ:

Hình 2.3 Cấu tạo ổn áp sắt từ có tụ

Cấu tạo của thiết bị bao gồm hai cuộn kháng quấn trên một lõi thép kỹ thuật điện, với một cuộn tuyến tính L1 và một cuộn phi tuyến tính Hoạt động của nó rất đơn giản và hiệu quả.

L2 làm việc ở chếđộ 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 ( 0, do đó Tr1 – Tr2 khóa Tr3– Tr4khóa ĐSV sẽ ngừng quay.

TÍNH CHỌN THIẾT BỊ

Tính chọn các thiết bị động lực

1 Chế tạo biến áp tự ngẫu công suất 5KVA:

Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, chuyển đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang điện áp khác mà tần số vẫn không thay 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 thiết bị có cấu trúc tương tự như bộ biến đổi áp variac, bao gồm phần sơ cấp và thứ cấp chung một cuộn dây Ở đầu vào, chổi than di động tiếp xúc với các vòng dây đồng quấn trên lõi sắt hình xuyến Cuộn dây thứ cấp không chỉ nhận dòng điện cảm ứng mà còn có dòng điện trực tiếp từ sơ cấp Sự khác biệt giữa ổn áp và variac là ổn áp tự động điều chỉnh điện áp đầu ra khi điện áp nguồn thay đổi, nhờ vào mạch điều khiển và động cơ secvo, trong khi variac yêu cầu người dùng di chuyển chổi than để điều chỉnh điện áp đầu ra theo yêu cầu.

Hình 4.1: Sơ đồ cấu tạo MBA tự ngẫu

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 được quấn trên cùng một lõi thép, tạo ra từ thông Ф Từ thông này tương tự như trong máy biến áp thông thường, giúp cảm ứng ra sức điện động E1 ở cuộn sơ cấp và sức điện động E2 ở cuộn thứ cấp.

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:

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 có cùng dung lượng và điện áp, điện áp và sức điện động của cuộn thứ cấp cũng được hình thành từ hiện tượng cảm ứng điện từ tương tự như MBA phổ thông.

Tổn hao đồng (tổn hao ngắn mạch):

Dòng điện I 1 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 I 2 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 ngẫu thấp hơn so với MBA phổ thông, với mức giảm khoảng một lần Bên cạnh đó, điện áp ngắn mạch U k trong MBA tự ngẫu cũng nhỏ hơn U k trong MBA phổ thông, cũng với tỷ lệ giảm tương tự.

Tỷ số biến áp lớn dẫn đến tổn hao đồng và điện áp U k tăng, làm cho tổng trở của máy biến áp (MBA) cũng gia tăng Máy biến áp tự ngẫu có những ưu điểm nổi bật, bao gồm hiệu suất cao và kích thước gọn nhẹ, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm cần lưu ý.

+ 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

+MBA tự ngẩu có điện áp ngắn mạch U k % bé ( lần so với U k % của

+ bố trí chỉnh điện áp khó khăn

Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp được nối tiếp, dẫn đến nguy cơ điện áp cao từ cuộn cao áp có thể xâm nhập vào cuộn trung áp, gây mất an toàn so với máy biến áp cách ly.

+Vấn đề bảo vệ role cho MBA tự ngẩu khá phức tạp

Khi xảy ra sự cố quá áp hoặc quá dòng, phụ tải có nguy cơ hư hại cao, do đó cần thiết phải trang bị bộ phận bảo vệ riêng cho phụ tải Một giải pháp hiệu quả là chế tạo máy biến áp tự ngẫu, giúp bảo vệ hệ thống điện một cách an toàn và hiệu quả.

Công suất 5 KVA : Từ Tính toán đó ta tính được dòng định mức là:

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.

Tiết diện thực của lõi sắt :

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

Bmlà 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 :

Số vòng tạo thành cuộn thứ cấp:

- Chọn mật độ dòng điện: J = 20 A /mm2

Tiết diện dây quấn như sau: S = I

Vậy S= 1,136 (mm2) Đường kính dây quấn : d 

Chọn dây dẫn cho biến áp tự ngẫu có tiết diện tròn với đường kính ngoài là 1,7 mm, vì cần phải mài một phần trên bề mặt dây quấn để đảm bảo điện áp ra từ chổi than.

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:

P: Công suất biểu kiến của máy biến áp

Vậy trụ đế quấn dây là hình vuông cạnh 2,6 cm

Tiết diện thực của lõi thép :

Số vòng dây thứ cấp:

Số vòng dây sơ cấp:

Bề rộng cửa sổ mạch từ :

3 Thiết kế chế tạo máy biến áp lực

Phạm vi thay đổi điện áp lưới : 50 v đến 380 v

Ta có tiết diện của lõi sắt : F = 1,3 = 91,92 (cm 2 )

Tiết diện thực của lõi sắt : chọn K cl = 0,9

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

Bmlà 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 :

Số vòng tạo thành cuộn thứ cấp:

- Chọn mật độ dòng điện: J = 50 A / mm2

Tiết diện dây quấn như sau: S = I

Vậy S= 2 (mm2) Đường kính dây quấn : d = = = 1,59 (mm 2 )

Khi chọn dây dẫn cho biến áp tự ngẫu, cần sử dụng dây có tiết diện tròn với đường kính ngoài là 1,5 mm Lý do là bề mặt dây quấn cần được mài bớt để đảm bảo điện áp ra từ chổi than, do đó việc lựa chọn dây có đường kính 1,5 mm là hợp lý.

Tính chọn động cơ servo và linh kiện trong mạch điều khiển

Servo là động cơ điện đặc biệt có khả năng quay cơ cấu chấp hành đến vị trí chính xác và giữ vững vị trí đó, ngay cả khi bị tác động Dải góc quay tiêu chuẩn của đầu trục ra thường là 90 độ và 180 độ.

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 được đưa vào hoặc lấy ra trong roto thông qua các chổi than tiếp xúc với cổ góp Cổ góp là một cấu trúc hình trụ có bề mặt với nhiều phiến góp, số lượng phiến góp tương ứng với số cuộn dây và được cách điện bằng mica.

Hộp giảm tốc là thiết bị cần thiết khi sử dụng động cơ Servo, vì động cơ này hoạt động với tốc độ rất cao Việc sử dụng bộ giảm tốc giúp điều chỉnh tốc độ đầu ra, đảm bảo đạt được tốc độ mong muốn mà không cần sử dụng trực tiếp trên bộ đáp ứng.

- Vỏ: bảo vệ các thành phần của servo motor.

+ Dây điện dương + Dây tín hiệu + Dây nối mát

Khi lựa chọn linh kiện cho mạch điều khiển, cần chú ý rằng các linh kiện phải có sẵn trên thị trường để dễ dàng tìm mua và thay thế khi cần sửa chữa.

GVHD: ThS Vũ Doãn Vượng, Sinh Viên: Hoàng Trung Hiếu, Lớp: ĐT1Đ17 Để thiết kế mạch điện, chúng ta nên bắt đầu bằng cách chọn tri số của một vài linh kiện chủ chốt, sau đó sẽ tính toán và lựa chọn các phần tử còn lại để đảm bảo sự phù hợp và hiệu quả cho mạch.

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 loại tụ lọc tín hiệu, trong đó tín hiệu không cần phải hoàn toàn phẳng vì cần có sự thay đổi Nếu sử dụng tụ lớn, tín hiệu sẽ trở nên ổn định và không thay đổi Do đó, nên chọn tụ C1 có giá trị nhỏ hơn 10μ.

R3, R4, KĐT 1 : là bộ khuyếch đại đảo Chọn R3 = 22K , R4 = 560 K

Vậy hệ số khuyếch đại sẽ là :

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 T o C Fgh (mhz)

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

Chọn độ dự chữ gấp 10 lần : I bco = 0,23 10 = 2,3 mA

Vậy trị số của R10 và R11 là :

Chọn động cơ secvô 1 chiều có công suất 10W , điện áp 12V

Dòng định mức của secvô là : I đm 12

Từ dòng định mức của động cơ secvô ta chọn tầng thứ 2 của cầu dalingtơn: Tr 2 là H1061 , Tr4 là A671

Các khuyếch đại thuật toán KĐT 1 , KĐT 2 , KĐT 3 chọn loại LM741

Có các thông số trong bảng sau :

A0 Hệ số khuếch đại điện áp hở mạch 100dB

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 là yếu tố quan trọng giúp tranzito H1061 và A671 hoạt động ổn định và bền bỉ, đặc biệt trong môi trường có điện áp cao và yêu cầu hoạt động liên tục Việc lắp thêm cánh tản nhiệt sẽ đảm bảo thiết bị không bị quá nhiệt, từ đó nâng cao hiệu suất và tuổi thọ của biến áp.

Tính chọn bộ nguồn ổn áp 1 chiều cung cấp cho mạch điều khiển

1 Nhiệm vụ và yêu cầu đối với nguồn nuôi

Các mạch điều khiển giống như bộ não, trong khi nguồn nuôi chúng được ví như mạch máu cung cấp năng lượng cho não Vì vậy, mọi mạch điều khiển, dù đơn giản hay phức tạp, đều cần có nguồn nuôi để hoạt động hiệu quả.

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

Hai bộ nguồn cần cung cấp điện áp ổn định +12V và -12V khi điện áp đầu vào dao động từ 127V đến 380V, nằm trong dải làm việc của ổn áp Ổn áp chỉ hoạt động khi nguồn nuôi các mạch điều khiển đã có sẵn, đảm bảo tính tin cậy trong quá trình hoạt động.

Khi tính toán chế tạo bộ nguồn nuôi ổn áp, ta chỉ cần tính toán cho một trong hai bộ nguồn giống hệt nhau, vì bộ thứ hai có các thông số tương tự Có nhiều sơ đồ lắp ráp cho bộ nguồn nuôi này, nhưng sau khi thực hiện thực tế và thử nghiệm, tôi đã chọn sơ đồ tối ưu nhất.

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

Sơ đồ trên cho thấy khả năng ổn định điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào thay đổi từ 50V đến 380V Với số lượng linh kiện và chủng loại linh kiện ít, việc thiết kế mạch in trở nên dễ dàng hơn.

Để đảm bảo điện áp ra ổn định ở mức +12V và -12V cho các mạch điều khiển, việc tính toán thiết kế biến áp nguồn nuôi là rất quan trọng.

* 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 PV đến 380V

1) Chọn điện áp rơi nhỏ nhất ΔU min =5V trên IC ổn áp ứng với lúc điện áp xoay chiều đầu vào nhỏ nhất U 1min = 50V

2) Điện áp nhỏ nhất ở cửa vào IC ổn áp (khi đã có tụ lọc):

3) Điện áp chỉnh lưu nhỏ nhất khi chưa có tụ lọc ( giá trị trung bình của điện áp đập mạch ) :

(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

Trong đó lấy ΔU ba = 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):

8) Điện áp lớn nhất khi cửa vào IC ổn áp (khi đã có tụ lọc) ứng với khi điện áp lưới U 1max = 380V:

( coi tụ C1 nâng điện áp trung bình lên 2 lần )

9) Sụt áp lớn nhất trên IC ổn áp Δ U max = Uvmax– Ur = 33 – 12 = 21V

10) Công suất tổn thất lớn nhất trên IC ổn áp Δ Pmax= ΔUmax Itải

11) Công suất tải yêu cầu:

12) Công suất máy biến áp

13) Tiết diện lõi sắt máy biến áp

6.9 = 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

Cuộn sơ cấp: W 1 = No.U1max = 7,2.240

Cuộn thứ cấp : W 2 = No.U2max = 7,2.26

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)

Tính chọn mạch bảo vệ cho bộ nguồn ổn áp công suất 5 KVA

Để đảm bảo thiết bị điện hoạt động hiệu quả và bền bỉ, việc tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật và giới hạn điện áp là rất quan trọng Tuy nhiên, những sự cố bất ngờ có thể gây hỏng hóc thiết bị Do đó, hệ thống bảo vệ trong từng thiết bị điện là cần thiết Bộ ổn áp 5 KVA mà chúng tôi thiết kế có dải làm việc rộng và khả năng tự động hóa cao, nhưng sẽ không còn đáng tin cậy khi gặp sự cố từ lưới điện, như điện áp vượt quá giới hạn cho phép.

GVHD: ThS Vũ Doãn Vượng, Sinh viên: Hoàng Trung Hiếu, Lớp: ĐT1Đ17 Để bảo vệ bộ ổn áp, cần thiết kế mạch bảo vệ ngoài dải làm việc của nó, vì vậy chúng ta sẽ xác định giới hạn về dải điện áp làm việc để thực hiện điều này.

2 Thiết kế chế tạo mạch bảo vệ điện áp ngoài dải làm việc:

Bộ ổn áp hoạt động hiệu quả trong dải điện áp từ 50V đến 380V Khi điện áp lưới vượt qua giới hạn này, điện áp đầu ra của bộ ổn áp sẽ không còn duy trì được sự ổn định ở mức định mức.

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 dưới 380 V, mạch điều khiển sẽ kích hoạt Tr3 và Tr4, cho phép dòng điện từ GND chạy qua động cơ secvô và 2KH về -Uư Hệ quả là động cơ secvô sẽ quay theo chiều giảm số vòng dây trên biến áp ổn định.

Khi điện áp vào biến áp ổn áp giảm xuống dưới 50 V, động cơ secvô sẽ kích hoạt công tắc hành trình 2KH, ngắt nguồn cấp cho động cơ, dẫn đến việc động cơ ngừng hoạt động Do điện áp vào quá thấp, điện áp ra cũng sẽ giảm theo.

Đ 2 có chức năng ngăn dòng điện từ GND chạy về -Uư, nhưng cho phép dòng từ +Uư đến GND khi công tắc hành trình 2KH bị tác động Khi 2KH bị tác động và điện áp đầu vào ổn áp vượt quá 50 V, điện áp ra sẽ lớn hơn điện áp ổn định, dẫn đến Tr 1 và Tr2 trên mạch điều khiển mở, cho phép dòng từ +Uư qua Đ 2 đến động cơ secvô.

Động cơ secvô quay theo chiều tăng số vòng dây và tự động thoát khỏi công tắc hành trình 2KH, dẫn đến mạch Reset trở 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 Tr2trên mạch điều khiển mở, dẫn dòng từ +Uưqua công tắc hành trình

Động cơ secvô hoạt động theo chiều tăng số vòng dây trên biến áp ổn áp Khi điện áp vào biến áp ổn áp vượt quá 380V, động cơ secvô sẽ kích hoạt công tắc hành trình 1KH, ngắt nguồn cung cấp cho động cơ và khiến động cơ ngừng hoạt động.

Tác dụng của Đ 1 để ngăn dòng từ +Uư cấp cho động cơ trong trường hợp

Khi 1KH bị tác động, nó vẫn có khả năng dẫn dòng ngược từ GND qua 2KH về +Uư Nếu điện áp đầu vào của biến áp ổn áp giảm xuống dưới 127V, Tr 3 và Tr4 sẽ mở, cho phép dòng chảy từ GND qua 2KH, qua Đ 1 về -Uư để cấp nguồn cho động cơ secvô Điều này khiến động cơ quay theo chiều giảm số vòng dây và tự động thoát khỏi công tắc hành trình 1KH, đưa mạch reset trở về trạng thái hoạt động ban đầu.

Trong trường hợp mất điện, động cơ secvô sẽ tự động quay theo chiều tăng số vòng dây để tránh quá tải do điện áp đầu vào tăng đột ngột khi có điện trở lại Để đảm bảo hoạt động an toàn, chúng ta sử dụng 2 tụ điện có dung lượng 4700μF, 1 tiếp điểm thường đóng của Rơle và 1 điốt Đ 3.

Khi mạch Reset hoạt động bình thường, tụ C được nạp đầy để dự trữ năng lượng Khi mất điện, rơle cũng ngừng hoạt động, làm cho tiếp điểm thường đóng của rơle đóng lại Tụ sẽ phóng điện qua bản cực dương, qua động cơ secvô và về GND, tạo điều kiện cho động cơ secvô quay con trượt chổi than, tăng số vòng dây đến vị trí an toàn.

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

Lắp ráp chế tạo bộ ổn áp

Mỗi thiết bị điện cần trải qua quá trình chế tạo, thử nghiệm và điều chỉnh các thông số để đảm bảo tính chính xác và hiệu suất tối ưu.

GVHD: ThS Vũ Doãn Vượng, Sinh Viên: Hoàng Trung Hiếu, Lớp: ĐT1Đ17 Trong quá trình thiết kế và tính toán, các chế độ làm việc thường mang tính lý thuyết, dẫn đến khi thiết bị được đưa vào thực tế, nhiều vấn đề phát sinh không phù hợp Do đó, cần tìm biện pháp khắc phục và điều chỉnh một số thông số để bộ ổn áp hoạt động hiệu quả.

Khi thiết kế linh kiện, chúng tôi đã tính toán và lựa chọn kỹ lưỡng, nhưng do sự khan hiếm trên thị trường, chúng tôi buộc phải chọn linh kiện khác Việc này dẫn đến việc một số thông số cần điều chỉnh để phù hợp hơn Vì vậy, nhóm chúng tôi đã dành thời gian để lắp ráp và điều chỉnh lại cho đúng yêu cầu.

2 Lắp ráp mạch điều khiển động cơ secvô:

Để lắp ráp mạch in theo sơ đồ nguyên lý đã thiết kế, trước tiên chúng ta cần kiểm tra chất lượng các linh kiện Việc này đảm bảo rằng mạch hoạt động hiệu quả nhất có thể khi các linh kiện được lắp đặt đúng cách.

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 thấp hơn giá trị định mức, điện áp ra cũng sẽ giảm, do đó cần tăng giá trị điện áp đầu ra Việc này được thực hiện thông qua mạch điều khiển, giúp động cơ secvô di chuyển con trượt chổi than đến vị trí thích hợp, giảm số vòng dây của máy biến áp động lực Kết quả là điện áp đầu ra tăng lên đạt giá trị định mức Sự điều chỉnh điện áp trở nên cần thiết khi điện áp vào càng nhỏ.

GVHD: ThS Vũ Doãn Vượng 38, Sinh Viên: Hoàng Trung Hiếu, Lớp: ĐT1Đ17 Khi khoảng cách giữa các cuộn dây tăng lên, mạch điều khiển sẽ điều chỉnh động cơ secvô để di chuyển con trượt chổi than đến vị trí giảm số vòng dây của máy biến áp động lực.

Khi điện áp ra vượt quá giá trị định mức, mạch điều khiển sẽ điều khiển động cơ secvô để di chuyển con trượt chổi than, từ đó làm tăng số vòng dây của máy biến áp động lực Kết quả là điện áp đầu ra sẽ giảm xuống mức điện áp ra định mức mong muốn Để điều chỉnh điện áp hiệu quả, hệ số điều chỉnh trên các cuộn dây cần phải lớn hơn, do đó mạch điều khiển tiếp tục điều khiển động cơ secvô nhằm 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:

Ta tiến hành lắp ráp mạch bảo vệ theo sơ đồ nguyên lý:

Tên linh kiện Kí hiệu Giá trị Ghi chú Điện trở R1, R2 ,R5,R6 ,

500 K 4,5 K Biến trở VR1=VR2=VR3 50K

Mạch bảo vệ gồm: 3 điốt 1A

2 tụ mắc song song có giá trị 4700 μF

4 Lắp ráp bộ nguồn nuôi mạch điều khiển

Dựa trên sơ đồ nguyên lý, chúng ta thiết kế mạch in để lắp các linh kiện, trong đó kích thước mạch in được xác định bởi vị trí bộ nguồn trong ổn áp và cần có khoảng trống để lắp cánh tản nhiệt cho hai tranzito Ở hai đầu mạch in, chúng ta lắp các đầu nối để thuận tiện cho việc tháo lắp Để dễ dàng quan sát, vị trí lắp LED được chọn sao cho người ngoài có thể nhìn thấy nguồn cho các mạch Đối với kích thước linh kiện, chúng ta khoan các lỗ chân linh kiện với đường kính 1Φ mm để việc cắm linh kiện trở nên dễ dàng hơn.

Hình 7.1 Cấu tạo hộp động lực

* Tủ hộp động lực gồm :

Khung tủ được chế tạo từ sắt chắc chắn, với mặt đáy và mặt bên làm bằng thép, trong khi ba mặt còn lại sử dụng mica trong suốt, giúp sinh viên dễ dàng quan sát quá trình hoạt động của bộ thực hành Đặc biệt, mặt trước của tủ được sơn màu đen và in sơ đồ khối của mạch lực để tăng tính trực quan và hỗ trợ cho việc học tập.

Mặt trước của hộp lực gồm :

- 2 đồng hồ vôn kếđo điện áp vào và điện áp ra

- 1 đèn báo ổn áp đang làm việc

- 1 núm xoay của biến áp tự ngẫu

Bên hông hộp bốtrí 1 áttômat đóng cắt nguồn cho ổn áp vận hành và dừng hoạt động

Tiêu đề	Đồ án Thiết kế bộ ổn áp xoay chiều
Tác giả	Hoàng Trung Hiếu
Người hướng dẫn	ThS. Vũ Doãn Vượng
Trường học	Trường ĐH Công nghiệp Việt Trì
Chuyên ngành	Điện
Thể loại	đồ án

Định dạng
Số trang	41
Dung lượng	870,63 KB