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

Đồ án Thiết kế bộ thực hành ổn áp xoay chiều (full) thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn ngành trong thời kỳ mới

• Người hướng dẫn: Lưu Đức Dũng
• Trường học: Đại học Bách khoa
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Thực Hành Nguồn Ổn Áp Xoay Chiều Theo Nguyên Tắc Biến Áp
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Chung Về Bộ Thực Hành Ổn Áp Xoay Chiều

Bộ thực hành ổn áp xoay chiều là thiết bị quan trọng trong lĩnh vực điện công nghiệp và dân dụng hiện đại. Ngày nay, nhu cầu sử dụng điện trong sản xuất và đời sống ngày càng tăng cao, do đó nguồn điện chất lượng cao trở thành yêu cầu vô cùng cấp thiết. Ổn áp là thiết bị tự động duy trì điện áp ra ổn định khi điện áp vào thay đổi trong phạm vi lớn. Lưới điện dao động nhiều ảnh hưởng không tốt đến hoạt động của các thiết bị điện, làm giảm hiệu suất máy móc và tuổi thọ thiết bị. Vì vậy, thiết kế và xây dựng bộ thực hành ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp giúp sinh viên nắm vững kiến thức lý thuyết và thực tiễn về các loại ổn áp hiện nay.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Ổn Áp Điện Trong Công Nghiệp

Ổn định điện áp ảnh hưởng trực tiếp đến thông số kỹ thuật và chỉ tiêu kinh tế của thiết bị điện. Khi điện áp giảm 10%, mô men quay của động cơ không đồng bộ giảm 19%, hệ số trượt tăng 27.5%, dòng điện Stato tăng 10%. Đối với thiết bị chiếu sáng, điện áp giảm 10% làm quang thông giảm 30%. Ngược lại, tăng điện áp 10% làm mô men quay tăng 21% nhưng tuổi thọ đèn giảm ba lần. Do đó, nguồn ổn áp đặc biệt quan trọng cho các thiết bị tự động hóa cao.

1.2. Nhu Cầu Thực Tiễn Của Thiết Kế Ổn Áp

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các phương pháp thiết kế ổn áp xoay chiều ngày càng đa dạng như: ổn áp sắt từ có tụ, ổn áp sắt từ không tụ, ổn áp dùng khuếch đại từ, ổn áp kiểu bù. Mỗi phương án có ưu nhược điểm riêng về thông số kỹ thuật. Việc thiết kế bộ thực hành ổn áp giúp sinh viên hiểu sâu về các loại ổn áp và có khả năng thiết kế máy ổn áp dân dụng hay công nghiệp.

II. Các Loại Ổn Áp Xoay Chiều Thông Dụng

Có nhiều loại ổn áp xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, mỗi loại có cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau. Ổn áp sắt từ không tụ là một trong những loại phổ biến nhất, hoạt động dựa trên nguyên lý bão hoà từ. Loại này gồm hai cuộn dây quấn trên hai lõi thép: cuộn tuyến tính và cuộn bão hoà. Ổn áp sắt từ có tụ kết hợp tụ điện để cải thiện hiệu suất và độ ổn định. Ổn áp dùng khuếch đại từ sử dụng các vi tử điều khiển tự động, còn ổn áp kiểu bù bù trực tiếp các sự biến thiên điện áp. Việc tìm hiểu chi tiết từng loại ổn áp giúp lựa chọn đúng thiết bị cho từng ứng dụng cụ thể.

2.1. Ổn Áp Sắt Từ Không Tụ

Ổn áp sắt từ không tụ làm việc dựa trên nguyên lý bão hoà từ. Cấu tạo gồm cuộn tuyến tính W1 (có khe hở không khí) và cuộn bão hoà W2. Điện áp vào UV đặt lên cả hai cuộn, điện áp ra lấy trên cuộn bão hoà. Khi điện áp vào thay đổi lớn, điện áp ra thay đổi ít hơn nhờ đặc tính V-A đặc biệt. Tuy nhiên, sự dao động điện áp ra vẫn còn tương đối lớn vì đặc tính không thể hoàn toàn song song với trục hoành.

2.2. Ổn Áp Sắt Từ Có Tụ Và Các Loại Khác

Ổn áp sắt từ có tụ cải tiến từ loại không tụ bằng cách kết hợp tụ điện, giúp tăng độ ổn định và giảm méo dạng sóng. Ổn áp dùng khuếch đại từ sử dụng cuộn khuếch đại để điều khiển tự động, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu cao. Ổn áp kiểu bù bù trực tiếp những biến thiên điện áp lưới, nhanh chóng và hiệu quả cho các thiết bị nhạy cảm.

III. Tiêu Chí Đánh Giá Chất Lượng Ổn Áp Xoay Chiều

Để đánh giá chất lượng ổn áp xoay chiều, cần dựa vào bốn tiêu chí chính. Thứ nhất, dải thay đổi điện áp đầu vào càng lớn càng tốt, chứng tỏ khả năng ổn định điện áp đầu ra khi đầu vào thay đổi lớn. Thứ hai, độ ổn định điện áp ra hay sai số giữa điện áp thực tế và mong muốn phải nhỏ. Thứ ba, độ tác động nhanh của ổn áp khi điện áp lưới thay đổi đột ngột rất quan trọng để duy trì ổn định. Thứ tư, độ méo dạng sóng điện áp ra phải nhỏ để bảo vệ thiết bị điện. Những tiêu chí này giúp lựa chọn ổn áp phù hợp cho từng ứng dụng.

3.1. Dải Thay Đổi Điện Áp Và Độ Ổn Định

Dải thay đổi điện áp đầu vào phản ánh khả năng của ổn áp trong việc duy trì điện áp ra ổn định khi điện áp vào biến thiên. Dải càng lớn, ổn áp càng tốt. Độ ổn định điện áp được đo bằng sai số phần trăm giữa giá trị thực tế và giá trị danh định. Sai số nhỏ hơn 3-5% được coi là tốt, đáp ứng yêu cầu hầu hết thiết bị điện.

3.2. Tốc Độ Phản Ứng Và Chất Lượng Sóng

Độ tác động nhanh hay thời gian đáp ứng của ổn áp ảnh hưởng đến khả năng giữ ổn định khi lưới điện dao động bất thường. Thời gian phản ứng nhanh (dưới 100ms) tốt cho các thiết bị nhạy cảm. Độ méo sóng (THD - Total Harmonic Distortion) phải thấp, thường dưới 5%, để tránh tạo ra hài và làm hỏng thiết bị.

IV. Ứng Dụng Và Hướng Phát Triển Bộ Thực Hành Ổn Áp

Bộ thực hành ổn áp xoay chiều theo nguyên tắc biến áp có ứng dụng rộng rãi trong giáo dục và thực tiễn công nghiệp. Trong giáo dục, bộ thực hành giúp sinh viên hiểu sâu về nguyên tắc biến áp, cấu tạo ổn áp và các phương pháp điều khiển. Trong công nghiệp, ổn áp xoay chiều được sử dụng để bảo vệ các thiết bị nhạy cảm, cải thiện hiệu suất máy móc. Hướng phát triển trong tương lai là kết hợp công nghệ điều khiển tự động hiện đại, sử dụng vi xử lý để tăng độ chính xác và tốc độ phản ứng. Việc thiết kế bộ thực hành ổn áp góp phần quan trọng vào sự phát triển công nghệ điện tại Việt Nam.

4.1. Ứng Dụng Trong Giáo Dục Và Đào Tạo

Bộ thực hành ổn áp xoay chiều là công cụ giáo dục quý báu giúp sinh viên nắm vững kiến thức ổn áp từ lý thuyết đến thực hành. Sinh viên có thể hiểu rõ nguyên tắc biến áp, cấu tạo cuộn dây, vai trò của lõi thép trong ổn áp. Thông qua thực hành trực tiếp, sinh viên phát triển kỹ năng thiết kế máy ổn áp dân dụng và công nghiệp, chuẩn bị tốt cho sự nghiệp.

4.2. Ứng Dụng Công Nghiệp Và Hướng Phát Triển

Ổn áp xoay chiều được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất, bảo vệ các thiết bị yêu cầu điện áp ổn định cao. Hướng phát triển tương lai bao gồm kết hợp vi xử lý và điều khiển tự động để tăng độ ổn định và tốc độ phản ứng. Công nghệ này góp phần vào hiện đại hóa ngành điện Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 17 Đồ án tốt nghiệp nguyên tắc biến áp , với ưu điểm dải làm việc rộng, không méo dạng điện áp phù hợp với yêu cầu của “ bộ thực hành ổn áp “. Bộ thực hành của chúng em thiết kế gồm 2 khối: + Khối động lực gồm các thiết bị chính sau: - Một biến áp tự ngẫu - Một biến áp ổn áp - Một biến áp tín hiệu + Khối điều khiển gồm thành phần chính là mạch điều khiển và một số linh kiện.

Cấu trúc khối động lực I.1Thiết kế, tính toán khối động lực: Mạch lực của chúng em được xây dựng như sau: 18 Đồ án tốt nghiệp Bé thùc hμnh +12v GND -12v æn ¸p xoay chiÒu theo nguyªn t¾c biÕn ¸p +Uu GND -Uu * §SV S¬ cÊp Uth B.A tÝn hiÖu Ulu¬Ý Uvμo V«n kÕ V«n kÕ B.1 : sơ đồ khối động lực a. Chức năng của các phần tử trong mạch : *Máy biến áp ổn áp ( máy biến áp động lực ) : là máy biến áp tự ngẫu có con trượt chổi than. Chức năng của biến áp ổn áp tạo ra điện áp ổn định 220V khi điện áp vào thay đổi từ 160V đến 240V. * Động cơ secvô ĐSV : ( động cơ 1 chiều kích từ nam châm vĩnh cửu).Truyền động cho con trượt của máy biến áp ổn áp.

*Máy biến áp tự ngẫu có chức năng giả làm Ulưới thay đổi và khảo sát dải điện áp có Ulưới thay đổi ( khi chỉnh định )của bộ ổn áp. *Máy biến áp tín hiệu có chức năng : lấy tín hiệu điện áp từ Ura của máy ổn áp tới mạch điều khiển. Dải làm việc của ổn áp : Dải làm việc của ổn áp rộng hay hẹp cũng quyết định đến chất lượng của ổn áp , mặt khác cũng để phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam nên quyết định chọn dải làm việc của ổn áp là từ 160V đến 240V. *Khi lưới điện áp dao đông trong phạm vi 160V -> 217 thì : Động cơ secvô tự động thay đổi kéo con trượt chổi than giảm số vòng dây sơ cấp tương ứng với điện áp vào để giữ cho Ura ổn định xung quanh giá trị 220V *Khi lưới điện áp dao động trong phạm vi 223V -> 240V thì : Động cơ secvô tự động kéo con trượt chổi than tăng số vòng dây sơ cấp tương ứng với điện áp vào , giữ cho điện áp ra ổn định xung quanh giá trị 220V Sai số cho phép là : ± 3V Qua đó chúng ta thấy rằng điện áp ra qua ổn áp sẽ được ổn định ở điện áp định mức là 220V khi điện áp lưới dao động từ 160V đến 240V, với sai số cho phép là +3V và -3V.

II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, LỰA CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG KHỐI ĐỘNG LỰC: *Tìm hiểu về máy biến áp tự ngẫu : Trong trường hợp điện áp sơ cấp và thứ cấp khác nhau không đáng kể nghĩa là tỉ số biến áp nhỏ ,để được kinh tế hơn về mặt chế tạo và vận hành người ta thường dùng máy biến áp tự ngẫu. Giống như máy biến áp thường, máy biến áp tự ngẫu cũng có hai cuộn Sơ cấp và thứ cấp. Hai cuộn này không chỉ liên hệ với nhau về từ mà còn liên hệ với nhau về điện + Máy biến áp tự ngẫu tăng áp : n = Uvào / Ura < 1 + Máy biến áp tự ngẫu hạ áp : n = Uvào /Ura >1 20 Đồ án tốt nghiệp II.1Tính toán, lựa chọn biến áp tự ngẫu: *Công suất 1 KVA : Từ đó ta tính được dòng định mức là : Iđm = S / Uđm => Iđm = 1000 / 220 Iđm = 4,55 (A) Thông số thiết kế : S = 1 KVA Iđm = 4,55 (A) Quấn dây từ 0 -> 250 (V) Để thừa 1/10 lõi không quấn dây *Từ công thức : F = k S k : hệ số kinh nghiệm *Tiết diện tác dụng của lõi sắt : ta chọn k = 1,3 F = 1,3 1000 => F = 41,11 (cm2) * Tiết diện thực của lõi sắt : Chọn Kcl = 0,9 21 Đồ án tốt nghiệp Kthực = Kcl * 41,11 => Kthực = 0,9 * 41,11 Kthực = 37 (cm2) *Số vòng dây trên toàn bộ lõi sắt là : W = 250 / 4,44 * f * Kthực * BT => W = 250 / 4,44 *50 *37 * 1,2 W = 250 / 1 W = 250 (vòng) * Chọn mật độ dòng điện : J = 4,55 A / mm2 * Tiết diện dây quấn như sau : I S = J 4,55 => S = 4,55 Vậy S = 1 (mm2) Đường kính dây quấn : 4*S 4 *1 d = = Π 3,14 => d = 1,13 (mm2) 22 Đồ án tốt nghiệp Chọn dây dẫn biến áp tự ngẫu có tiết diện tròn , có thông số sau : Đường kính ngoài : d = 1,4 ( vì trên bề mặt của dây quấn phải mài đi 1 phần để điện áp ra chổi than. Nên chọn dây có đường kính = 1,4) *Chu vi lõi xuyến : Chọn hệ số chèn kín Kc = 0,7 W *d C = 0,7 W : Số vòng dây quấn d : Đường kính dây quấn 250 * 1,4 => C = = 500 (mm) 0,7 Vì phải để lại 1/10 chu vi của lõi không quấn dây nên chu vi của lõi cần phải có là : C CT = +C 10 500 => CT = + 500 10 CT = 550 (mm) * Đường kính ngoài cuả lõi ; Dn = CT / Π => Dn = 550 / 3,14 23 Đồ án tốt nghiệp Dn = 175 (mm) *Đường kính trong của lõi là : Dtr = Ctr / Π Với Ctr là chu vi của lõi được tính như sau : Chọn hệ số xếp chồng KXC = 2,75 thì chu vi trong của lõi là : Ctr = CT / 2,75 => Ctr = 550 / 2,75 Vậy Ctr = 200 (mm) Vậy đường kính trong của lõi là : Dtr = Ctr / 3,14 => Dtr = 200 / 3,14 (mm) Dtr =64 (mm) *Chiều dầy của lõi sắt là : A = Dn - Dtr / 2 => A = 56 (mm) *Chiều cao của lõi sắt : B = F / A => B = 41,11 / 5,6 24 Đồ án tốt nghiệp B = 73,4 (mm) = 0,734 (dm) Vậy lõi sắt sẽ có kích thước như hình vẽ : q dn dtr Hình 2.2 *Thể tích của toàn bộ lõi sắt : V = (Dn / 2 )2 *3,14 * B - (Dtr / 2 )2 * 3,14 *B 25 Đồ án tốt nghiệp 3,14 * B V = * (Dn2 -Dtr2 ) 4 3,14 * 0,734 => V = ( 1,752 - 0,642 ) = 1,53 (dm3) 4 *Trọng lượng toàn bộ lõi sắt : Chọn m = 7,5 (kg) => M = 7,5 * 1,53 = 11,5 (kilogam) *Dây quấn : Giữa lõi sắt và dây quấn đặt 1 lớp cách điện dày 2mm Ta có chu vi của lõi là : C = 2 * ( A + B + 2*2 ) => C = 2 * ( 56 + 73,4 + 4 ) C = 267 (mm) *Chiều dài toàn bộ dây quấn là ; L = C * W => L = 267 * 250 Vậy L = 66 (mm) *Trọng lượng toàn bộ dây quấn là : chọn dây quấn emay M = 66 * 55,9 => M = 3,689 (KG) 26 Đồ án tốt nghiệp Bảng tóm tắt số liệu của biến áp tự ngẫu: Dây quấn Mạch từ Loại d W M Loại A B Dtr Dn M Dây Tôn Tròn 1,4 250 Silic 56 64 175 11,5 emay (mm) (vòng) 3,689 Quấn (mm) 73,4 (mm) (mm) tròn (mm) (KG) (KG) II.