Thiết kế bộ ổn áp xoay chiều một pha

Đồ án tốt nghiệp

Mục lục

Lời nói đầu..................................................... 3
Giới thiệu chung về thiết bị ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
ổn áp xoay chiều............................................. 7
I.vai trò, tác dụng của ổn áp. ...........................................................7
II. Các loại ổn áp kiểu thông số ........................................................8
1.ổn áp điện môi dùng tụ điện phi tuyến:........................................................8
2.ổn áp dùng điện trở phi tuyến.....................................................................11
3.ổn áp dùng điện trở nhiệt............................................................................12
4.ổn áp dùng Barette.......................................................................................13
5.ổn áp dùng biến trở than.............................................................................14
6.ổn áp dùng điện cảm phi tuyến...................................................................16
iii.các loại ổn áp kiểu bù.....................................................................17
1.ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ.......................................................................17
2.ổn áp kiểu khuếch đại từ.............................................................................20
3.ổn áp dùng thiết bị bán dẫn.........................................................................22
iv.ổn áp có thiết bị điều khiển..........................................................24
1.ổn áp khuếch đại từ kết hợp với mạch điều khiển bằng bán dẫn...............24
2.ổn áp điều khiển nhảy cấp dùng Tiristor hoặc Triac..................................26
3.ổn áp điện từ kết hợp với điều khiển tự động(ổn áp kiểu servomotor)......28
4.ổn áp kiểu điện tử........................................................................................31
Chơng 2......................................................... 33
chọn phơng án thiết kế ................................ 33
i.nhiệm vụ thiết kế:.................................................................................33
ii.Chọn phơng án thiết kế....................................................................33
1.điều chỉnh điện áp bên sơ cấp.....................................................................34
2.Điều chỉnh điện áp bên thứ cấp..................................................................34
Tính toán mạch động lực ổn áp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

i.khái quát chung về mạch động lực..........................................37
ii.Tính toán máy biến áp tự ngẫu....................................................37
1.Tính công suất thiết kế của máy biến áp tự ngẫu.......................................37
2.Thiết kế tính toán mạch từ..........................................................................40

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

1


Đồ án tốt nghiệp

3.Tính toán dây quấn máy biến áp................................................................42
4.Xác định kích thớc dây quấn......................................................................46
5.Các bớc tiến hành xây dựng kết cấu mạch từ biến áp tự ngẫu..................47
6. Xác định các tham số biến áp tự ngẫu.......................................................52
iii.Tính toán biến áp bù cho ổn áp...................................................59
iv.Tính toán tiếp điểm, thiết kế cơ cấu truyền động và
lựa chọn động cơ....................................................................................63
1.Tính toán tiếp điểm.....................................................................................64
2.Tính toán thanh dẫn....................................................................................66
3.Thiết kế hệ thống truyền động....................................................................69
4.Lựa chọn động cơ servo..............................................................................73
5.Tính thời gian đáp ứng của ổn áp khi điện áp vào thay đổi 10%..............73
6.Tính thời gian đáp ứng ổn áp khi điện áp vào thay đổi từ 90V ữ 240V....74
tính toán mạch điều khiển ............................. 76
i.Giới thiệu chung về mạch điều khiển........................................76
ii.nguyên tắc điều khiển......................................................................77
iii.Yêu cầu mạch điều khiển...............................................................78
iv.Sơ đồ khối mạch điều khiển..........................................................78

v.Lựa chọn các khâu trong mạch điều khiển........................80
1.Khâu chỉnh lu..............................................................................................80
2.Khâu so sánh...............................................................................................83
3.Khâu khuếch đại..........................................................................................84
4.Khâu tạo điện áp chuẩn...............................................................................85
5.Mạch điều khiển động cơ............................................................................86
vi.tính chọn mạch bảo vệ...................................................................89
Thiết kế kết cấu cho ổn áp....................... . . . . 92
i.Chọn các thiết bị phụ..........................................................................92
1.Đồng hồ đo điện áp, dòng điện...................................................................92
2.Bộ phận bảo vệ ngắt dòng điện...................................................................93
3.Các đầu nối điện vào ra...............................................................................93
4.áptômát........................................................................................................93
ii.Thiết kế tủ điện.....................................................................................94
1.Yêu cầu khi thiết kế tủ điện........................................................................94
2.Thiết kế tủ điện ổn áp..................................................................................95
........................................................ 96
kết luận......................................................... 97
Tài liệu tham khảo........................................ 98

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

2


Đồ án tốt nghiệp

Lời nói đầu
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nớc với công cuộc công
nghiệp hoá hiện đại hoá,nghành điện đóng một vai trò vô cùng quan trọng.

Điện đã ứng dụng vào mọi lĩnh vực của đời sống nh sinh hoạt ,sản xất. Nguồn
năng lợng điện với u thế vợt trội dễ sử dụng, không gây ô nhiễm đã dần thay thế
các nguồn năng lợng truyền thống khác nh than, dầu mỏ, khí đốt... Các loại máy

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

3


Đồ án tốt nghiệp

điện, khí cụ điện, thiết bị đo điện cũng đợc sản xuất ngày càng nhiều và với
nhiều chủng loại phong phú, đa dạng.
Cùng với việc ứng dụng điện năng trong sản xuất ngày càng nhiều nh vậy,
một vấn đề đặt ra đòi hỏi với ngời vận hành điện cũng nh hộ sử dụng điện là có
một nguồn điện chất lợng cao thể hiện ở sự ổn định điện áp, sự cân bằng pha,
modul, thời gian cung cấp điện... Trong số các chỉ tiêu trên thì điện áp đợc xem
là chỉ tiêu quan trọng hàng đầu, vì thực tế điện áp hay biến động phức tạp, ảnh hởng nghiêm trọng đến hoạt động của các thiết bị điện trong sinh hoạt cũng nh
trong sản xuất:
- Đối với các thiết bị sinh hoạt gia đình nh đèn, ti vi... đều có một điện áp
định mức mà tại đó các thiết bị này hoạt động tốt nhất, tuổi thọ cao nhất. Nếu
điện áp cung cấp không ổn định sẽ ảnh hởng xấu đến tính năng của thiết bị và
làm giảm tuổi thọ của chúng. Một số đồ điện có thể bị hỏng khi điện áp thay đổi
lớn.
- Đối với các máy sản xuất đợc kéo bằng động cơ không đồng bộ, khi điện
áp giảm xuống thì mômen quay giảm nhiều do mômen tỉ lệ bình phơng với điện
áp M = f(U2), do đó có thể động cơ không khởi động đợc hoặc là không kéo đợc
tải. Điều này ảnh hởng tới năng suất lao động, chất lợng sản phẩm...
- Đối với các thiết bị chiếu sáng, khi điện áp giảm xuống 10% thì quang
thông giảm 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% và tuổi thọ của đèn giảm 3 lần. Nếu chiếu sáng trong sản xuất, khi ánh sáng
không đủ ngời công nhân sẽ làm việc trong điều kiện thần kinh căng thẳng, hại
mắt, hại sức khoẻ và có thể gây ra hàng loạt phế phẩm. Nh vậy yêu cầu ổn định
điện áp là rất cần thiết.
- ở trong phòng thí nghiệm, nếu các thiết bị điều khiển, đo lờng và đối tợng thí nghiệm không đợc cung cấp một điện áp ổn định thì sẽ ảnh hởng đến các
thiết bị làm thí nghiệm và gây ra sai số cho các phép đo. Đối với những phòng thí

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

4


Đồ án tốt nghiệp

nghiệm lớn, quan trọng thì thiết bị điện đòi hỏi nguồn cung cấp có độ ổn định rất
cao.
- Đối với các ngành, các lĩnh vực quan trọng nh quân sự, hàng không, y tế,
truyền hình, viễn thông thì nguồn điện ổn định có vai trò sống còn. Vì thế điện áp
cho phép sai số với giá trị chuẩn là rất ít, nếu không có thể gây ra những hậu quả
hết sức nghiêm trọng.
Do tầm quan trọng nh vậy nên ổn định điện áp đóng vai trò rất thiết thực
trong sinh hoạt và trong sản xuất. Nhiều chuyên gia, kỹ s, công ty điện- điện tử
đã không ngừng nghiên cứu và đầu t để tạo ra các bộ ổn áp có chất lợng cao, đáp
ứng tốt các yêu cầu ngày càng khắt khe của nền công nghiệp hiện đại.Với điều
kiện nớc ta cơ sở hạ tầng nghành điện còn yếu nên chất lợng cung cấp điện cha
đáp ứng một cách tốt nhất vì thế giải pháp về một bộ ổn định điện áp đợc xem là
rất hiệu quả.
Khi nhận đợc đề tài làm đồ án tốt nghiệp: Thiết kế bộ ổn áp xoay chiều
một pha, em rất phấn khởi vì trong quá trình thực hiện đồ án em đã đợc trang bị

thêm nhiều kiến thức bổ ích về ổn áp, tổng hợp lại kiến thức các môn đã học,
đồng thời tạo ra khả năng ứng dụng lý thuyết vào thực tế một cách linh hoạt,
hiệu quả hơn. Nội dung đồ án gồm các chơng:
Chơng I: Giới thiệu chung về thiết bị ổn áp xoay chiều.
Chơng II: Chọn phơng án thiết kế.
Chơng III: Tính toán mạch động lực ổn áp.
Chơng IV: Tính toán mạch điều khiển.
Chơng V: Thiết kế kết cấu cho ổn áp.
Do thời gian hạn hẹp và kinh nghiệm thực tế cha nhiều nên đồ án của em
chắc hẳn còn nhiều thiếu sót. Em rất mong các thầy, các cô chỉ bảo để bản đồ án
đợc hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Đức cùng tất
cả các thầy cô trong bộ môn đã tận tình hớng dẫn em hoàn thành nội dung đồ án
này.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

5


§å ¸n tèt nghiÖp

Hµ néi, ngµy 23 th¸ng 5 n¨m 2006
Sinh viªn
NguyÔn Kiªn Cêng

Ch¬ng 1

thiÕt kÕ æn ¸p xoay chiÒu 1 pha

6

Đồ án tốt nghiệp

Giới thiệu chung về thiết bị
ổn áp xoay chiều
I. vai trò, tác dụng của ổn áp.
Do đặc điểm mạng điện lới của chúng ta cha đợc cải tạo hoàn chỉnh nên ở
phần lớn địa phơng trong cả nớc, điện áp mạng cung cấp cho các phụ tải hay lên
xuống thất thờng trong giờ cao điểm. Việc sử dụng các máy tăng giảm điện để
cấp nguồn cho các thiết bị điện (nhất là điện tử) đang gặp nhiều bất tiện do phải
điều chỉnh bằng tay nên đôi lúc không tin cậy, không kịp thời. Ngày nay ngời
tiêu dùng có xu hớng sử dụng ổn áp thay cho máy tăng giảm điện ngày càng
nhiều.
Các bộ ổn áp điện xoay chiều là các thiết bị điện tự động duy trì đại lợng
điện áp xoay chiều đầu ra không đổi khi điện áp đầu vào thay đổi trong một
phạm vi nhất định.
Mỗi thiết bị tiêu thụ điện năng đợc chế tạo để làm việc ở một cấp điện áp
xác định, gọi là điện áp định mức. Trong thực tế, điện áp lới cung cấp luôn biến
động trong một phạm vi cho phép, ví dụ ( 0,85 ữ 1,1 ).Uđm . Nếu thiết bị điện làm
việc ở lới điện không ổn định, đặc tính của thiết bị sẽ không ổn định theo, tuổi
thọ của nó giảm, vì vậy các bộ ổn áp đảm bảo cung cấp điện áp ổn định cho các
thiết bị công tác.
Chất lợng của bộ ổn áp đợc đánh giá bằng hệ số ổn định và độ méo của
dạng sóng đầu ra. Hệ số ổn định của ổn áp là:
Kôđ =

U r U v U r .U v
:
=

Ur Uv
U r .U v

Trong đó: UV , UR là điện áp định mức đầu vào và đầu ra.
UV , UR là độ dao động của điện áp đầu vào và đầu ra.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

7


Đồ án tốt nghiệp

Nếu Kôđ càng nhỏ thì độ ổn định càng tốt.
Chất lợng điện áp còn đợc đánh giá qua độ méo của nó so với điện áp đầu
vào hình sin, nếu điện áp ra bị méo (không sin) thì ngoài thành phần sóng cơ bản
( bậc một ), nó còn có các sóng hài bậc cao, ảnh hởng đến chế độ làm việc của
thiết bị và gây nhiễu cho lới điện.
Có nhiều kiểu ổn áp xoay chiều với các nguyên lý làm việc khác nhau.
Chúng thờng đợc phân làm 2 nhóm: nhóm ổn áp thông số (không có điều khiển)
và nhóm ổn áp bù (có điều khiển). Dới đây ta xét đặc điểm của một số loại ổn áp
thờng gặp.
II. Các loại ổn áp kiểu thông số .
ổn áp kiểu thông số có cấu tạo rất đơn giản, nó gồm một phần tử tuyến
tính nối nối tiếp với một phần tử phi tuyến. Điện áp vào đợc đặt trên cả hai phần
tử tuyến tính và phi tuyến. Phần tử phi tuyến có đoạn đặc tính U(Z) ít dốc và điện
áp ra đợc lấy trên phần tử ở phi tuyến.
Ztt

Uv

Zpt

Ur

Hình 1.1. Sơ đồ ổn áp kiểu thông số.
ở mạch bên phần tử tuyến tính và phi tuyến có thể là tụ điện, điện trở, các
đèn điện tử, biến trở than...
1. ổn áp điện môi dùng tụ điện phi tuyến:
Cấu tạo: ổn áp điện môi đơn giản gồm một tụ điện tuyến tính C 1 nối tiếp
với một tụ điện phi tuyến C2.
Sơ đồ nguyên lý nh hình vẽ:

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

8


Đồ án tốt nghiệp

C1

C2

Uv

Ur

Hình 1.2. Sơ đồ ổn áp điện môi dùng tụ phi tuyến.
Nguyên lý: từ sơ đồ trên ta có quan hệ giữa điện áp ra và điện áp vào là:

Ur =

U v C1
C1 + C2

Theo kinh nghiệm: C2 = C0 + Uv
C0: giá trị điện dung của tụ khi điện môi là không khí.
Ta thấy do C2 tăng theo Uv nên độ biến thiên tơng đối của điện áp ra bao
giờ cũng nhỏ hơn độ biến thiên tơng đối của điện áp vào. Nghĩa là hệ số ổn định
bao giờ cũng nhỏ hơn 1.
Nhợc điểm: loại ổn áp dùng sơ đồ này có tác dụng ổn định không lớn; hệ
số K còn cao.
Để nâng cao tính chất ổn áp, ngời ta thờng dùng sơ đồ cầu nh sau:

C2

C1

Ux

U 2 R1

c

Ur
R2

C2

C1

Hình 1.3. Sơ đồ cầu ổn áp dùng tụ phi tuyến.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

9


Đồ án tốt nghiệp

Điện trở R1 có tác dụng bù pha, làm cho điện áp trên các tụ tuyến tính và
phi tuyến hầu nh trùng pha. Khi hoàn toàn bù pha điện áp ra có thể tính gần đúng
theo biểu thức sau:
Ur = U2 U1 =

Ur =

U v C1
U C
v 2
C1 + C2 C1 + C2

U v (C1 C 2 )
C1 + C 2

Chọn C1, C2, và R1 một cách thích hợp có thể thu đợc độ ổn định điện áp
yêu cầu.
Nếu không chú ý đến tính chất phi tuyến, công suất ra có thể tính theo
công thức:
2

U v (C1 C 2 ) 2
Rt
.
Pr =
I 21 + Rt
(C1 + C 2 ) 2
Rt là điện trở tải.
Công suất ra là hàm số của điện trở tải, nếu coi các thông số khác là
không đổi thì khi:
Rt =

2
(C1 + C2 )

Thì công suất ra sẽ là cực đại:
2

U v (C1 C 2 ) 2
Prmax =
8.(C1 + C 2 )
Nh vậy khi tăng điện dung của tụ điện lên n lần thì công suất ra cũng tăng lên n
lần.
Chất lợng của các bộ ổn áp điện môi cao, nó ít phụ thuộc vào nguồn cung
cấp và có thể sử dụng ở tần số cao.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

10

Đồ án tốt nghiệp

2. ổn áp dùng điện trở phi tuyến.
Cấu tạo: Bộ ổn áp loại này gồm các điện trở phi tuyến đợc nối nối tiếp
hoặc theo sơ đồ cầu với các điện trở tuyến tính.
Sơ đồ nguyên lý:
Rtt

R

Rpt

Rpt

R

Uv
Rpt

Uv

Ur

Ur

Hình 1.4. ổn áp dùng điện trở phi tuyến.
Từ sơ đồ ta có:
Uv = Ur + RCUr
Lấy đạo hàm:

duv
RCU r
1
= 1 + RCU r = 1 +
du r
Ur
duv
U Ur
U
=1+ R =1+ v
du r
Ur
Ur


duv
du r
=
u r u v + u r (1 )

Khi tính gần đúng có thể bỏ qua Ur(1 - ) nên:
du r duv 1
=
.
ur
uv
Với trị số thích hợp thì điện áp ra sẽ ổn định, sơ đồ cầu thờng đợc ứng
dụng trong thực tế vì cho độ ổn định điện áp cao hơn.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

11


Đồ án tốt nghiệp

Ưu điểm: bộ ổn áp loại này có thể chế tạo ở công suất lớn, có thể dùng
cho cả mạch xoay chiều lẫn một chiều.
3. ổn áp dùng điện trở nhiệt.
Cấu tạo: ổn áp gồm một điện trở nhiệt Rn nối tiếp với các điện trở không
đổi R và R0 theo sơ đồ:
R
R0
Uv

Ur
un

Rn

Hình 1.5. Sơ đồ ổn áp dùng điện trở nhiệt.
Điện trở nhiệt làm bằng các vật liệu bán dẫn (Ge, Si) có hệ số nhiệt độ âm
khá lớn. Khi nung nóng trị số các điện trở nhiệt thay đổi trong phạm vi rất rộng
(từ 10 ữ1000 lần).
Nguyên lý: Khi điện áp vào Uv tăng lên, dòng điện chạy qua điện trở nhiệt
là In cũng tăng lên làm cho nhiệt độ tăng và trị số của R n giảm xuống. Vì vậy,
điện áp ra sẽ ít biến đổi hơn điện áp vào.
Điện dẫn của Rn biểu thị bằng đẳng thức:
g = g0.e-b/ T
g0, b: hằng số đặc trng cho vật liệu làm điện trở nhiệt.

T: nhiệt độ tuyệt đối.
Để tiến hành tính toán ngời ta dựa vào đặc tính gốc nêu rõ quan hệ giữa
điện trở và nhiệt độ.
Rn = f1()
Từ đặc tuyến này trong chế độ xác lập có thể dựng đợc các đặc tuyến:

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

12


Đồ án tốt nghiệp

in = f2(); Un = f3()
Rồi từ đó dựng đợc đặc tuyến V-A của điện trở nhiệt:
Un = f4(in)
Khi đã có các đặc tuyến có thể dùng phơng pháp đồ thị để tìm ra các số
liệu cần thiết.
Ưu điểm: điện trở nhiệt có cấu tạo đơn giản, kích thớc nhỏ gọn, độ bền cơ
cao, đặc tính ổn định, có khả năng chế tạo theo đặc tuyến điện cho trớc.
Nhợc điểm: ổn áp loại này không chế tạo đợc công suất lớn.
4. ổn áp dùng Barette.
Cấu tạo: ổn áp gồm một barette nh sơ đồ:
U
I

uB

BA
I

uv

u1

ur

0

Imin Imax

Hình 1.6. ổn áp dùng barette và đặc tính V-A của barette.
Barette là một sợi thép hoặc vonfram đặt trong bóng thuỷ tinh chứa khí
hidro ở áp suất khoảng 80mmHg. Khi dòng điện chạy qua Barette tăng lên chút
ít, điện trở của nó sẽ tăng lên rất nhiều.
Nguyên lý: từ sơ đồ ta có:
Uv = UB + U1
Khi điện áp vào thay đổi thì dòng điện trên barette thay đổi làm điện trở
barette thay đổi nhiều trong khi U1 ít thay đổi, do vậy Ur ít thay đổi.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

13


Đồ án tốt nghiệp

Ưu điểm:
Barette có thể làm việc trong mạch một chiều cũng nh xoay
chiều, nó ít nhạy bén với tần số của dòng điện cung cấp do có

quán tính nhiệt.
Hệ số ổn định của ổn áp loại này từ 0,2 ữ 0,5; sơ đồ ổn định đơn
giản, không làm méo tín hiệu
Nhợc điểm:
Độ ổn định không cao, hiệu suất thấp, có quán tính
Chỉ dùng cho các mạch có điện áp và dòng điện nhỏ.
5. ổn áp dùng biến trở than.
Cấu tạo: bộ ổn áp gồm một biến trở than (là một chồng đĩa than xốp),
một lò xo kéo và một nam châm điện điều khiển. Ngoài ra trong mạch có thể
mắc điện trở Sun hoặc không.
Sơ đồ nguyên lý:
IT

RS
Rthan

INC
NCĐ

Uv
Lò xo

Ur

Hình 1.7. ổn áp dùng biến trở than.
Nguyên lý: hoạt động của ổn áp dựa trên sự thay đổi điện trở của biến trở
than. Khi lực ép lên biến trở tăng, giá trị điện trở sẽ giảm và ngợc lại. Điện áp
đầu ra đợc tính bằng hiệu của điện áp đầu vào và điện áp rơi trên chồng đĩa than.
Ur = Uv - ITRT

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

14


Đồ án tốt nghiệp

Khi điện áp vào thay đổi hoặc tải thay đổi, điện áp ra thay đổi theo thì lực
điện từ của nam châm điện thay đổi theo cho nên lực ép lên chồng đĩa than cũng
thay đổi làm điện trở của nó thay đổi. Lúc đó điện áp trên đĩa than cũng thay đổi
và làm cho điện áp ra đợc duy trì ổn định.
Muốn duy trì điện áp ra không đổi, điện áp vào không đợc vợt ra khỏi giới
hạn sau:
Uvmin = Ur + UBTmin
Uvmax = Ur + UBTmax
UBTmin : sụt áp cực tiểu trên biến trở lúc nó bị ép.
UBTmax : sụt áp cực đại trên biến trở lúc biến trở không bị ép.
Dòng điện phụ tải cực đại( khi không có điện trở Sun):
Itmax=

PBT max
P
I NC = BT max I NC
U BT
Uv Ur

PBTmax : công suất cực đại của biến trở than.
UBT : sụt áp trên biến trở than.
INC : dòng điện của cuộn dây nam châm điện.
Dòng điện phụ tải khi sử dụng điện trở Sun:

Itmax=

.PBT max
I NC
Uv Ur

: hệ số phi tuyến của điện trở Sun.
càng lớn thì công suất và dòng điện phụ tải của bộ ổn áp càng lớn.
Ưu điểm: bộ ổn áp biến trở than có thể duy trì điện áp ra chính xác tới 1ữ
2%.
Nhợc điểm: có quán tính, độ chính xác ổn định kém, có bộ phận chuyển
động, cấu tạo tơng đối phức tạp.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

15


Đồ án tốt nghiệp

6. ổn áp dùng điện cảm phi tuyến.
Cấu tạo: gồm một phần tử phi tuyến là một cuộn kháng làm việc ở chế độ
bão hoà mắc nối tiếp với một phần tử tuyến tính là cuộn kháng tuyến tính.
Sơ đồ: điện áp vào đặt trên cả hai cuộn kháng, điện áp ra đợc lấy trên cuộn
phi tuyến.
U
uv

L1
A

Uv

L2

Ur

ur

uv
B

uRa

uL1

I
0

IA

IB

Hình 1.8. Sơ đồ nguyên lý và đặc tính ổn áp dùng điện cảm phi tuyến.
Nguyên lý:
Từ sơ đồ ta có:
Uv = UL1 + Ur
Đặc tính của hai cuộn dây U(L1) và U(L2) tạo nên đặc tính điện áp ra bằng
phẳng trong phạm vi IA, IB nên khi điện áp vào thay đổi nhiều, điện áp ra thay đổi
rất ít.

Ưu điểm: loại ổn áp này tổn hao nhỏ, nếu cuộn kháng tuyến tính có khe
hở không khí trong mạch từ có thể nâng cao hiệu suất, có thể dùng cho điện
xoay chiều công suất lớn.
Nhợc điểm: loại ổn áp này tốn nhiều nguyên vật liệu, điện áp ra bị méo
dạng nhiều, dòng điện lớn do mạch từ bão hoà gây ra.
Tuy vậy sự dao động của điện áp đầu ra Ur vẫn còn tơng đối lớn vì đặc
tính V- A của cuộn kháng bão hoà không thể nằm song song với trục hoành đợc.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

16


Đồ án tốt nghiệp

Để giảm bớt Ur ta mắc thêm trên cuộn tuyến tính một cuộn bù w b ngợc cực tính
với cuộn bão hoà, điện áp ra trong trờng hợp này đợc tính bằng:
Ur = (U1 U2)

Trong đó tỉ số

wb
w1

wb
phải chọn sao cho Ur nhỏ nhất.
w1

Đặc điểm chung của ổn áp thông số:
Vì các tổng trở phi tuyến luôn làm việc ở chế độ bão hoà nên dòng

không tải lớn, phạm vi thay đổi tải nhỏ.
Điện áp vào nhỏ nhất phải lớn hơn điện áp bão hoà của các phần tử
phi tuyến.
Độ ổn định tuỳ thuộc vào độ dốc đặc tính U(Z) của Z pt , các đặc
tính này không hoàn toàn song song với trục I nên độ ổn định thấp,
Ur dao động nhiều nhất là khi ổn áp mang tải.
Cấu tạo đơn giản.
iii.

các loại ổn áp kiểu bù.
1. ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ.
Cấu tạo: gồm hai cuộn kháng quấn trên cùng một lõi thép từ, cuộn tuyến

tính L1 và cuộn phi tuyến L2; L2 làm việc ở chế độ bão hoà. Tụ C nối song song
với L2 tạo thành mạch cộng hởng dòng điện.
Điện áp ra đợc lấy trên cuộn L2, điện áp vào đợc cung cấp nh hình vẽ:

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

17


Đồ án tốt nghiệp

L1

C

Uv

L2

Ur

Hình 1.9. ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ.
Nguyên lý:
Từ sơ đồ ta có thể xây dựng các đặc tính của bộ ổn áp:
Ur

u

I1-ic
I1

ic

U1(i)

U2(i)

i
0

i
0

Hình 1.10. Các đặc tính làm việc của ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ.
Từ sơ đồ nguyên lý ta có:
I1 = I2 + IC
Do tác dụng của tụ C nên quan hệ điện áp ra và dòng điện tơng đối phức

tạp. Khi U2 < U2ch(điện áp cộng hởng) thì mạch vòng L2C có tính chất dung. Khi
U2 = U2ch trong mạch xảy ra hiện tợng cộng hởng dòng điện, các dòng IL2 và IC
triệt tiêu nhau. Khi U2 > U2ch mạch vòng L2C có tính chất điện cảm. Nhờ tụ điện
C nên độ dốc của đặc tính U2(I) đợc giảm, nghĩa là chất lợng ổn định tốt, dòng
điện không tải giảm nhỏ đáng kể, phạm vi ổn định mở rộng. Đồng thời hệ số
công suất tăng lên so với loại ổn áp sắt từ không có tụ.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

18


Đồ án tốt nghiệp

Hình 1.11. ổn áp sắt từ cộng hởng có tụ có cuộn bù.
Thông thờng để giảm độ dao động điện áp ra Ur đến mức ít nhất, ngời ta
dùng thêm cuộn bù với số vòng dây thích hợp đặt trên mạch từ cuộn tuyến tính
L1 và ngợc cực tính với cuộn L2. Tụ C có thể mắc vào điện áp cao hơn U2 nhờ
cuộn tăng áp kiểu tự ngẫu với mục đích để giảm trị số tụ vì:
UC = I

1
C

UC tăng thì C giảm khi I và không đổi.
Vì điện áp lấy ra trên phần tử phi tuyến nên dạng sóng U r bị méo. Để khắc
phục có thể dùng bộ lọc thích hợp để lọc thành phần bậc cao.
Wb : cuộn bù
We : cuộn lọc
WC : cuộn tăng áp

Nhờ có cuộn bù wb mà điện áp tụ C đợc tăng cao, ngoài ra còn có cuộn
kháng tuyến tính we mắc nối tiếp với tụ C. Trị số Le đợc chọn sao cho Le và C tạo
thành mạch cộng hởng đối với các sóng bậc cao(chủ yếu là sóng bậc 3), do vậy
điện áp ra sẽ gần Sin hơn.
Bộ ổn áp có thể đợc chế tạo với nhiều cấp điện áp vào và nhiều cấp điện
áp ra, có chỗ điều chỉnh ứng với công suất tải khác nhau.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

19


Đồ án tốt nghiệp

Ưu điểm:
Dòng không tải nhỏ, phạm vi ổn định rộng.
Chất lợng ổn định cao hơn loại không có tụ.
Nhợc điểm:
Dạng sóng điện áp ra còn méo nhiều, phải có bộ lọc tốt.
Công suất còn bị hạn chế ( 1 KVA).
Kết cấu đơn giản, mạch từ hơi cồng kềnh
2. ổn áp kiểu khuếch đại từ.

EMBED PBrush

Hình 1.12. Sơ đồ nguyên lý ổn áp khuếch đại từ.
Cấu tạo: mạch động lực cung cấp cho tải là biến áp tự ngẫu AT. Mạch
điều chỉnh là khuếch đại từ có cuộn dây làm việc nối tiếp với cuộn sơ cấp của
AT và đặt vào điện áp U v. Điện áp Ur lấy từ phía thứ cấp của AT. Khuếch đại từ
có hai cuộn điều khiển w1 và w1 nối ngợc cực tính nhau. Cuộn w1 nối với nguồn

điện áp ra đã đợc chỉnh lu qua điện trở tuyến tính r1, cuộn w1 đợc nối qua điện
trở phi tuyến r2 . Đặc tính V A của r2 có dạng i = un với n < 1.
Nguyên lý: bộ ổn áp này làm việc dựa trên nguyên lý của khuếch đại từ,
nếu ta thay đổi dòng điện điều khiển trong cuộn điều khiển KĐT sẽ thay đổi đợc

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

20


Đồ án tốt nghiệp

điện kháng X của KĐT và do đó thay đổi đợc điện áp ra trên KĐT, dẫn đến thay
đổi điện áp Ur. Việc điều khiển KĐT đợc thực hiện tự động nhờ sử dụng mạch
phản hồi và các phần tử thích hợp.
Các điện trở r1 và r2 đợc điều chỉnh để khi có điện áp ra bằng trị số định
mức (Ur = Urđm ) thì sức từ động do các cuộn điều khiển w1và w1 sinh ra bằng
nhau, do đó sức từ động điều khiển tổng sẽ bằng 0.
I1w1 = I1w1
Nên (IW)1 = I1w1 - I1w1 = 0.
Đặc tính làm việc:

i2

iw
i1'w1'
C
i1w1
0

ur

C'

(iw)1
urđmur

ur

-(iw) 1
(iw)1 0

B'

i2

A'
A
B

X

(iw)1

(iw)1

Hình 1.13. Đặc tính làm việc ổn áp khuếch đại từ.
Điều chỉnh điện trở rcd trong mạch cuộn dây chuyển dịch wcd sao cho khi
(IW)1 =0 thì khuếch đại từ làm việc ở điểm A trên đặc tính vào- ra,
I2 = f(I1) tơng ứng với điện kháng X của KĐT ở điểm A.

Nếu vì lý do nào đó(do tải thay đổi hay do điện áp vào dao động) , điện áp
ra tăng lên quá trị số định mức một lợng Ur.
Ur = Ur - Urđm
thì sức từ động điều khiển tổng của hai cuộn điều khiển sẽ có dấu dơng:
(IW)1 > 0

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

21


Đồ án tốt nghiệp

Khi đó KĐT làm việc ở điểm B và điện kháng X tăng lên ứng với điểm B
làm cho điện áp trên KĐT tăng lên do đó điện áp ra đợc giảm nhỏ về trị số định
mức.
Nếu điện áp ra giảm xuống dới trị số định mức thì sức từ động điều khiển
lúc này mang dấu âm:
(IW)1 < 0
Khi đó KĐT sẽ làm việc ở điểm C trên đặc tính vào - ra và điện kháng
X giảm xuống ứng với điểm C làm cho điện áp trên KĐT giảm xuống, do đó
điện áp ra đợc tăng lên đến trị số định mức.
Ưu điểm:
Công suất ổn áp lớn, hiệu suất cao.
Chất lợng ổn định cao.
Nhợc điểm: dạng sóng điện áp ra còn méo, do đó cần phải dùng bộ lọc để
loại trừ các thành phần bậc cao.
Ngày nay, để hoàn thiện các tính năng làm việc của bộ ổn áp, ngời ta
dùng kết hợp KĐT với các dụng cụ điện tử và bán dẫn.
3. ổn áp dùng thiết bị bán dẫn.

Cấu tạo: bộ ổn áp gồm các van bán dẫn nối với nhau theo sơ đồ thích
hợp.
BBĐ

Uv

Ur

Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý ổn áp dùng thiết bị bán dẫn.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

22


Đồ án tốt nghiệp

Nguyên lý: nó hoạt động dựa vào sự hoạt động đóng mở của các van bán
dẫn. Ta điều khiển thời điểm phát xung mở van thì sẽ thay đổi đợc giá trị điện áp
ra.
Một sơ đồ thờng dùng:
T1
Rt
T2

ur

0

t

Điện áp ra có dạng không Sin và theo Furie ta có thể phân tích thành
những thành phần Sin bậc thấp và bậc cao. Do những thành phần bậc cao có biên
độ nhỏ nên có thể bỏ qua và điện áp ra chủ yếu là thành phần sóng Sin cơ bản.
Theo cách này thì điện áp ra luôn nhỏ hơn điện áp vào, nghĩa là mạch này
làm nhiệm vụ giảm điện áp nên cần phải có nguồn điện áp cao hơn điện áp định
mức mong muốn.
Ưu điểm: chất lợng ổn định điện áp cao, sai số nhỏ.
Nhợc điểm:
Do dùng linh kiện bán dẫn nên điện áp ra không Sin và có những
thành phần bậc cao không có lợi.
Công suất nguồn bị hạn chế bởi công suất van.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

23


Đồ án tốt nghiệp

iv.

ổn áp có thiết bị điều khiển.
1. ổn áp khuếch đại từ kết hợp với mạch điều khiển bằng bán dẫn
Về mạch động lực ổn áp loại này có cấu tạo giống với ổn áp khuếch đại từ

thông thờng: mạch động lực cung cấp cho tải là biến áp tự ngẫu AT, điện áp vào
đặt vào sơ cấp và điện áp ra lấy ra từ thứ cấp của máy biến áp.
Khuếch đại từ gồm hai cuộn dây điều khiển w1 và w1 nối ngợc cực tính
với nhau và nối với hai van điện tử (Tiristor). Hai van này đợc điều khiển bằng

một mạch điều khiển bán dẫn và sự đóng mở của chúng phụ thuộc vào hiệu số
giữa điện áp ra thực tế và giá trị định mức mong muốn.
Sơ đồ:

Ur

AT

Uv
w2
Wcd

rcd

W1

r1

W1'

r2

T1
T2
Mạch
ĐK

Ur
Urđm

Hình 1.15. ổn áp khuếch đại từ có thiết bị điều khiển bán dẫn.
Nguyên lý:
Mạch có tác dụng giữ điện áp ra ổn định khi có biến động của điện áp vào
và tải. Khi điện áp ra đạt giá trị định mức thì Ur = Ur - Urđm= 0 thì không có tín
hiệu đa đến mạch điều khiển, các cuộn điều khiển không hoạt động.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

24


Đồ án tốt nghiệp

Khi vì một lý do nào đó điện áp U r tăng lên thì Ur = Ur - Urđm> 0 thì tín
hiệu sai lệch này đợc đa đến mạch điều khiển. Mạch điều khiển sau khi xử lý tín
hiệu đa tới sẽ phát xung mở T1 và cấp dòng điều khiển một chiều cho cuộn w 1.
Dòng điện một chiều này gây ra trong lõi thép một từ cảm B 0, từ cảm tổng trong
mạch từ lúc này là:
B = B xc + B 0
B 0 có chiều ngợc với B xc nên từ cảm tổng B giảm xuống, B giảm kéo
theo điện cảm và điện kháng của cuộn dây w 2 của khuếch đại từ tăng lên dẫn tới
điện áp rơi trên w2 tăng lên làm cho điện áp đặt vào phía sơ cấp của máy biến áp
tự ngẫu giảm xuống. Theo quan hệ biến áp, điện áp đầu ra cũng giảm xuống về
trị số Urđm.
Khi vì một lý do nào đó điện áp U r giảm đi thì Ur = Ur - Urđm< 0 thì tín
hiệu đa đến mạch điều khiển sẽ mang dấu âm. Mạch điều khiển sẽ xử lý tín hiệu
và sẽ phát xung mở T2 và cấp dòng điều khiển một chiều cho cuộn w1. Dòng
điện một chiều này gây ra trong lõi thép một từ cảm B 0 cùng chiều với B xc và
làm lõi thép nhanh bão hoà hơn khiến giảm xuống, giảm kéo theo điện cảm
và điện kháng của khuếch đại từ cũng giảm theo nên điện áp rơi trên cuộn w 2

giảm. Do vậy điện áp đặt vào phía sơ cấp của biến áp tự ngẫu tăng lên và điện áp
đầu ra cũng tăng lên về Urđm.
Ưu điểm:
Công suất ổn áp lớn, hiệu suất cao.
Chất lợng ổn định cao.
Do sử dụng mạch điều khiển bán dẫn nên có độ dao động điện áp ra
nhỏ hơn, quán tính giảm.
Nhợc điểm: dạng sóng điện áp ra còn méo, do đó cần phải dùng bộ lọc để
loại trừ các thành phần bậc cao, kết cấu phức tạp.

thiết kế ổn áp xoay chiều 1 pha

25