Luận văn Thiết kế bộ nguồn đa năng điều chỉnh điện áp AC và DC

Luận văn Thiết kế bộ nguồn đa năng điều chỉnh điện áp AC và DCMục Lục LỜI NÓI ĐẦU Máy biến áp là bộ biến đổi cảm ứng đơn giản dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều từ điện áp này thành dòng điện xoay chiều khác có điện áp khác. Các dây quấn và mạch từ của nó đứng yên và quá trình biến đổi từ trường để sinh ra sức điện động cảm ứng trong các dây quấn được thực hiện bằng dây cáp điện. Máy biến áp được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như máy biến áp lò, máy biến áp hàn, máy biến áp đo lường, máy biến áp thử nghiệm… Các bộ nguồn cấp điện dùng cho sinh hoạt, cho các thiết bị điện – điện tử hoặc dùng cho việc đo lường và thí nghiệm hầu hết phải sử dụng đến máp biến áp. Nhận thức được vai trò và tầm quan trọng của máy biến áp dùng cho đo lường, thí nghiệm. Chúng em đã thực hiện đề tài chế tạo bộ nguồn sử dụng trong thực tập kỹ thuật điện và điện tử cơ bản. Đề tài được trình bày thành ba chương: Chương 1: Tổng quan về bộ nguồn. Chương 2: Tính toán và thiết kế bộ nguồn. Chương 3: Chế tạo bộ nguồn. Do sự hiểu biết thực tế và thời gian có hạn nên quá trình thực hiện đề tài không thể tránh những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến của các thầy, cô và các bạn để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn cô giáo Nguyễn Thị X đã trực tiếp hướng dẫn chỉ bảo chúng em để hoàn thành đồ án này! Nhóm sinh viên. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN ĐIỆN Các loại nguồn điện. Mọi thiết bị có khả năng biến đổi các dạng năng lượng khác thành điện năng gọi là nguồn điện. * Nguồn điện từ nhà máy điện: Đây là nguồn điện được sản xuất với quy mô công nghiệp từ các nhà máy điện. Thiết bị chính của nhà máy điện là máy phát điện, đó là thiết bị biến đổi cơ năng thành điện năng thông thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ. Tuy nhiên, nguồn năng lương để chạy các máy phát điện này là không giống nhau. Chẳng hạn như thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước (nhà máy thủy điện Hòa Bình; nhà máy thủy điện Sơn La), dưới áp suất của nước kết hợp với lưu tốc của dòng chảy đã làm quay tuốc bin nước và tuốc bin này làm chạy máy phát điện; nhiệt điện là nguồn điện có được từ hơi nước bị đun nóng (nhà máy nhiệt điện Uông Bí; nhiệt điện Phả Lại), hơi nước nóng làm quay tuốc bin hơi nước và tuốc bin này làm chạy máy phát điện. * Nguồn điện từ các thiết bị lưu trữ, tích lũy điện: Các thiết bị có khả năng lưu trữ và tích lũy điện được dùng chủ yếu là pin và ắc quy. Tùy theo cấu tạo và chất liệu sử dụng làm ra chúng khác nhau thì khả năng tích lũy điện sẽ khác nhau. - Pin là thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa năng, năng lượng này sẽ được chuyển hóa thành điện năng khi sử dụng. Pin cung cấp năng lượng điện hoạt động hầu hết cho các thiết bị cầm tay nhỏ gọn, sử dụng điện áp ổn định. - Ắc quy là một thiết bị điện có khả năng tích trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và phóng điện dưới dạng điện năng. Trong quá trình hoạt động, ắc quy sẽ tích và phóng điện liên tục. Pin và ắc quy được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi, với chi phí thấp, kích thước đa dạng sử dụng phù hợp với mọi ứng dụng của người dùng. Phân loại điện áp. * Nguồn điện cao áp ( ≥1000V): Muốn truyền tải điện năng đi xa cần phải dùng đường dây tải điện có điện áp cao để giảm tổn thất điện năng trên đường dây. Để có điện áp cao như mong muốn đó cần phải sử dụng máy biến áp ( biến thế ). nguồn vào, điều này khó có thể sử dụng trực tiếp cho các thiết bị điện tử đó. Để có thể phù hợp với các loại thiết bị với các mức điện áp khác nhau đó, chúng ta phải sử dụng máy biến áp. Máy biến áp là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều từ điện áp này sang * Nguồn điện hạ áp ( <1000V): Trong sinh hoạt, các hộ tiêu thụ điện không thể trực tiếp sử dụng nguồn điện áp cao được cung cấp từ nhà máy điện vì lý do an toàn. Do đó, cần phải hạ thấp điện áp xuống khoảng 220V; 0,4KV để thích hợp cho các thiết bị dân dụng, thiết bị công nghiệp. Muốn làm được điều đó, ta phải sử dụng máy biến áp. Mặt khác, trong công tác thí nghiệm, đo lường về điện thường dùng các thiết bị điện tử sử dụng điện áp nhỏ, công suất nhỏ. Một số thiết bị sử dụng điện áp một chiều mà trong khi hầu hết chúng ta đều dùng nguồn điện xoay chiều 220V/380V làm đầu hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác nhưng có tần số không thay đổi. Do đó, yêu cầu sử dụng nguồn điện áp thấp (dưới 100V) vào nhiều mục đích trong sinh hoạt, trong công tác y tế, trong thí nghiệm, đo lường, … với nhiều mức điện áp nhỏ khác nhau 50V, 40V, 36V, 24V, 15V, 12V, 9V, … rất cần thiết. Các loại bộ nguồn: Gồm có nguồn điện 1 pha và 3 pha + Nguồn điện 1 pha: là nguồn có công suất vừa và nhỏ nên được ứng dụng rộng rãi trong sinh hoạt như mạng điện trong gia đình, một số các thiết bị điện dân dụng: quạt, máy bơm nước……Và được sử dụng trong thí nghiệm đo lường điều khiển + Nguồn điện 3 pha: là nguồn có công suất lớn nên được sử dụng trong công nghiệp như trong các khu công nghiệp, nhà máy xí nghiêp... Chương 2 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BỘ NGUỒN DÙNG TRONG THÍ NGHIỆM – ĐO LƯỜNG Sơ đồ khối của bộ nguồn. 220V (AC) Biến áp Chỉnh lưu Bộ lọc Ổn áp Điều chỉnh Điện áp ra (AC) Điện áp ra (DC) Biến áp ( máy biến áp). - Biến áp để biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp xoay chiều có giá trị thích hợp với yêu cầu. Trong một số trường hợp có thể dùng trực tiếp điện áp 220V mà không cần biến áp. Cấu tạo máy biến áp cảm ứng 1 pha. Máy biến áp cảm ứng 1 pha có hai bộ phận chính là lõi thép (mạch từ) và dây quấn. * Lõi thép: Lõi thép máy biến áp dùng để dẫn từ thông chính của máy, được chế tạo từ những vật liệu dẫn từ tốt. Lõi thép gồm hai bộ phận chính là trụ và gông. + Trụ là nơi để đặt dây quấn. + Gông là phần khép kín mạch từ giữa các trụ. Giữ các trụ và gông tạo thành mạch từ khép kín. Theo kết cấu lõi thép ta chia ra máy biến áp kiểu trụ và máy biến áp kiểu bọc (kiểu chữ U và chữ E). Cấu tạo máy biến áp + Máy biến áp kiểu trụ có phấn dây quán bao quanh trụ thép. Loại biến áp trụ là máy biến áp 1 pha và 3 pha công suất nhỏ và trung bình. + Máy biến áp kiểu bọc có phần mạch từ phân nhánh ra hai bên và bao bọc bởi dây quấn. Loại biến áp này thường là biến áp nhỏ và đăc biệt. * Dây quấn máy biến áp: - Dây quấn máy biến áp thường được làm bằng dây đồng là loại dây mềm, có độ bền cơ học cao, khó đứt, dẫn điện tốt, có tiết diện tròn hoặc chữ nhật, bên ngoài dây dẫn có bọc cách điện. - Dây quấn gồm nhiều vòng dây lồng vào trụ lõi thép. Giữa các vòng dây, giữa các dây quấn có cách điện với nhau và các dây quấn cách điện với lõi thép. + Dây quấn nối với nguồn gọi là dây quấn sơ cấp. + Dây quấn nối với tải gọi là dây quấn thứ cấp. Ngoài hai bộ phận chính trên còn có các bộ phận khác như vỏ máy, vật liệu cách điện...vv. b) Nguyên lý làm việc của máy biến áp cảm ứng 1 pha. -Xét sơ đồ nguyên lý của máy biến áp 1 pha 2 dây quấn như hình vẽ: (1) Cuộn sơ cấp: w1 vòng. (2) Cuộn thứ cấp: w2 vòng. (3) Lõi thép. (4) Phụ tải Sơ đồ cấu nguyên lý làm việc của máy biến áp 1 pha - Nguyên lý làm việc của máy biến áp làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn sẽ có dòng diện i1 trong dây quấn 1, dòng i1 sinh ra sức từ động F=i1.w1 Sức từ động này sinh ra từ thông ɸ móc vòng cả hai dây quấn 1 và 2. Theo định luật cảm ứng điện từ trong cuộn dây 1 và 2 sẽ xuất hiện các sức điện động cảm ứng e1 và e2, nếu dây quấn 2 nối với một tải bên ngoài Zt thì dây quấn 2 sẽ có dòng điện i2 đưa ra tải với điện áp u2. Như vậy năng lượng của dòng diện xoay chiều đã được truyền từ dây quấn 1 sang dây quấn 2. Khối chỉnh lưu. - Khối chỉnh lưu (mạch chỉnh lưu) có nhiệm vụ chuyển điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều nhưng không bằng phẳng (có giá trị thay đổi nhấp nhô). Sự thay đổi này phụ thuộc vào từng dạng mạch chỉnh lưu. - Ví dụ sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu thường được mắc như sau: Bộ lọc. - Bộ lọc có nhiệm vụ san bằng điện áp một chiều nhấp nhô thành điện áp một chiều ít nhấp nhô hơn, do đó bộ lọc được lắp đặt sau bộ chỉnh lưu. Đối với chỉnh lưu nửa chu kỳ, sau khi qua bộ lọc dòng điện ít bị nhấp nho hơn nhưng chưa được bằng phẳng. Đối với chỉnh lưu hai nửa chu kỳ, dòng điện được liên tục hơn, sau khi qua bộ lọc sẽ được san bằng hơn so với chỉnh lưu bán chu kỳ. Vì vậy, chọn chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (chỉnh lưu cầu) dùng cho bộ nguồn trên. Ổn áp. Ổn định điện áp. Thực tế có nhiều dạng ổn áp: ổn áp kiểu tham số ( dùng điốt Zenner); ổn áp tuyến tính sử dụng IC; ổn áp xung. Trong phạm vi bộ nguồn này sử dụng IC để ổn áp. Khối điều chỉnh. Điều chỉnh điện áp thay đổi trong phạm vi từ 0V đến giá trị ổn áp. Thiết kế và tính toán. Bộ nguồn có: P = 50W; U1= 220V/50Hz ; U2= (0-24)V xoay chiều và (0-9)V một chiều. Để lấy ra điện áp một chiều cần sử dụng Diode chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều, nhưng điện áp này có giá trị thấp hơn điện áp trước khi qua nó một lượng UD (V) và không bằng phẳng (Diode bán dẫn Si có UD= 0,6 V; Diode bán dẫn Ge có UD= 0,2 V). Ta sẽ sử dụng chỉnh lưu cầu để điện áp sau khi qua chỉnh lưu ít nhấp nhô hơn. Đối với bộ nguồn như trên, ta cần lấy ra điện áp một chiều 9V bằng chỉnh lưu cầu, sử dụng Diode bán dẫn Si. Theo đó, điện áp qua được chỉnh lưu cầu phải có giá trị thấp nhất bằng: 9 + 2.0,6 = 10,2 (V) Chọn U21= 12V là điện áp thứ cấp cấp cho mạch điều chỉnh điện áp (0-9)V một chiều. Và U22= 24V là điện áp thứ cấp cấp cho mạch điều chỉnh điện áp (0-24)V xoay chiều. Từ đây ta sẽ tính toán kích thước lõi thép và dây quấn cho máy biến áp cảm ứng 1 pha. 2.2.1. Máy biến áp. a) Lõi thép (mạch từ). - Chọn lõi thép chữ E. Kích thước cơ bản của lõi thép tiêu chuấn dạng chữ E. - Trong đó: + a (cm) : bề rộng trụ giữa của lõi thép. + b (cm) : bề dày của lõi thép biến áp. + c (cm) : bề rộng của cửa sổ lõi thép. + h (cm) : chiều cao của sổ lõi thép. Gọi X, i lần lượt là số lượng và bề dày bản lá thép, i (mm). Suy ra bề dày của lõi thép biến áp là: (2.1) - Tiết diện của trụ lõi thép: Si (cm2) Si = a.b = (1,1 ÷ 1,2). 1,188. 8,4 (cm2). Chọn : a = 2,4 (cm) b = 3,5 (cm) i = 0,5 (mm) X = 70 (lá thép) - Số vòng dây quấn để tạo ra 1 volt sức điện động cảm ứng: nv (vòng/volt) nv= (vòng/volt) B (T): mật độ từ trường. (2.2) + Với lá thép kỹ thuật điện có bề dày tiêu chuẩn từ 0.5mm đến 0.35mm, lá thép thuộc loại tôn cán nóng và hàm lượng Si từ 2% đến 4% thì chúng ta chọn giá trị B từ 1,0 T đến 1,2 T. + Với lá thép kỹ thuật điện có bề dày tiêu chuẩn từ 0.5mm đến 0.35mm, lá thép thuộc loại tôn cán lạnh với hàm lượng Si khoảng 4% thì ta chọn giá trị của B từ 1,4 T đến 1,6 T. Chọn B=1,2T, suy ra: nv= (vòng/volt) - Số vòng dây quấn của các cuộn dây máy biến áp được xác định theo sức điện động cảm ứng trong các bộ dây sơ cấp và thứ cấp. Chọn U1 = U11 = 220V ; U2 = U22 = 24V là điện áp cuộn sơ cấp và điện áp cuộn thứ cấp, thì : + Số vòng dây cuộn sơ cấp : N1 = U1.nv = 220.4,5 = 990 (vòng) + Số vòng dây cuộn thứ cấp : N2 = N22 = 1,1.U2.nv = 1,1.24.4,5 119 (vòng) Đối với điện áp ra 12V ở cuộn thứ cấp : N21 = 1,1.12.4,5 60 (vòng) Nghĩa là lấy điện áp 12V từ cuộn thứ cấp tại vòng dây số 60. - Tiết diện của sổ lõi thép : Scs = h.c (cm2). Để tiết kiệm vật liệu tối ưu nhất thường chọn h=3.c Do đó : Scs = 4.h (cm2). Đối với lá thép có kich thước theo tiêu chuẩn thì các kích thước có mối quan hệ theo tỷ lệ nhất định. Ví dụ : c =  ; h=3.c Scs = 6.a (cm2). Với a = 2,4 (cm) đã chọn, suy ra : c = 1,2 (cm) h = 3,6 (cm). Scs =6.2,4 =14,4 (cm2). Dây quấn. - Tiết diện dây quấn cuộn sơ cấp và thứ cấp được tính theo công thức: Sd1 = Sd2 = Trong đó: I1, I2 là cường độ dòng điện sơ cấp và thứ cấp, đơn vị (A) J là mật độ dòng điện, đơn vị (A/mm2) Với Pđm = 50W, chọn J = 3,5 (A/mm2) + Cường độ dòng điện cuộn sơ cấp: I1 = = 0,23 (A) + Cường độ dòng điện cuồn thứ cấp: I2 = = 2,1 (A) Suy ra: Sd1 = 0,066 (mm2) Sd2 = 0,6 (mm2) Do vậy, đường kính cuộn sơ cấp và thứ cấp lần lượt là: D1 = 0,3 (mm) D2 = 0,87 (mm) - Tổng tiết diện dây quấn cuộn sơ cấp: Ssc = N1.Sd1 = 990.0,066 = 65,34 (mm2) - Tổng tiết diện dây quấn cuộn thứ cấp: Stc = N2.Sd2 = 119.0,6 = 69,6 (mm2) 2.2.2. Khối chỉnh lưu. Dòng điện Imax qua Diode: ID = I2 = 2,1A. Hệ số gợn sóng (khi Ct = 0) W = 0,05 Tần số của điện áp qua khối chỉnh lưu: 2f = 2.50 = 100 Hz Tra bảng chọn Diode 1N4007 2.2.3. Bộ lọc. - Tín hiệu qua chỉnh lưu cầu có dạng như sau : Qua tụ lọc tín hiệu được san phẳng hơn : - Sau khi qua bộ chỉnh lưu cầu thì tụ lọc cũng phải đảm bảo chịu được điện áp lớn nhất là: 12 – 2.UD = 12 – 2.0,6 = 10,8 (V) Do đó ta có thể chọn một tụ lọc có Umax = 25 (V) - Để xác định điện dung của tụ ta dựa vào độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu: + CL: giá trị điện dung của tụ lọc, đơn vị F, µF + TCL: chu kỳ chỉnh lưu (s) + Rt: điện trở tải tương đương (Ω) + Kgs: độ gợn sóng khối chỉnh lưu Chọn độ gợn sóng sau khối chỉnh lưu là Kgs = 5% = 0,05. Chu kỳ chỉnh lưu: (s) Điện trở tải tương đương: Khi đó: CL = 0,00155 (F) Tra bảng chọn tụ lọc : 2200 mF / 25V. (loại tụ hóa) 2.2.4. Bộ ổn áp. Để lấy ra điện áp U21 = (0 – 9)V một chiều, ta dùng IC7809 đặt sau bộ lọc đã tính trên. IC7809 là loại IC ổn áp nguồn dương, ổn định điện áp qua nó luôn là 9V. 2.2.5. Bộ điều chỉnh. - Bộ nguồn có 2 ngõ điện áp ra. Điện áp ra một chiều U21 biến thiên từ 0V đến 9V, và điện áp ra xoay chiều U22 biến thiên từ 0V đến 24V. Cả 2 ngõ ra đều được điều chỉnh bằng chiết áp. Chương 3 CHẾ TẠO BỘ NGUỒN 3.1. Linh kiện và thiết bị sử dụng. ………………………………………….. 3.2. Lắp ráp bộ nguồn * Sơ đồ nguyên lý: * Quá trình lắp ráp: Lắp ráp và hàn gắn linh kiện vào bo mạch, sau đó bố trí vào vỏ hộp nguồn ta được sản phẩm như hình ảnh dưới đây: Hình ảnh bên trong hộp nguồn. Hình ảnh mặt trước của hộp nguồn. Chú thích: 3.3. Hướng dẫn sử dụng. Quan sát ký hiệu trên mặt trước bộ nguồn, xác định vị trí núm điều chỉnh, công tắc nguồn, dây cắm điện và nơi lấy điện ra. - Thao tác sử dụng: 1, Cắm phích điện của bộ nguồn vào mạng điện lưới 220V. 2, Bật công tắc (5) khởi động bộ nguồn 3, Vặn chiết áp (4), (6) để điều chỉnh điện áp, giá trị điện áp ra được hiển thị trên đồng hồ. Kim đồng hồ chỉ vào giá trị điện áp đó. - Khi không sử dụng phải tắt công tắc, rút phích nguồn để đảm bảo an toàn. LỜI KẾT Sau một thời gian nghiên cứu về các loại nguồn, tìm hiểu kiến thức thực tế và kiến thức của thầy cô truyền dạy, chúng em đã hoàn thành đồ án này. Qua quá trình thực hiện, chúng em đã rút ra được nhiều kinh nghiệm biết phối hợp giữa lý thuyết với thực hành và biết cách làm việc theo nhóm. Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng vẫn khó tránh tránh được những thiếu sót. Chúng em rất mong được sự quan tâm, ủng hộ từ phía thầy, cô giáo để các đồ án tiếp theo củng chúng em được hoàn thành tốt hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn !