Giáo trình

Giáo trình thiết bị điện

Các bộ ổn định điện

Tác giả: lê thành bắc

KHÁI NIỆM CHUNG

Các bộ ổn định điện là các thiết bị điện tự động duy trì đại lượng đầu ra ở mức không đổi khi đại lượng đầu vào biến đổi trong một phạm vi nhất định. Ứng với các đại lượng dòng điện, điện áp, công suất có các bộ ổn định dòng điện, điện áp và công suất, những bộ ổn định điện áp hiện nay đang được dùng phổ biến hơn cả.

Chất lượng của bộ ổn định điện được đánh giá bằng hệ số ổn định Kôđ .

Kôđ= ΔΥΥ size 12{ { {"ΔΥ"} over {Υ} } } {} : ΔΧΧ size 12{ { {"ΔΧ"} over {Χ} } } {} = Χ.ΔΥΥ.ΔΧ size 12{ { {Χ "." "ΔΥ"} over {Υ "." "ΔΧ"} } } {}. {}

Trong đó :

+ Υ size 12{Υ} {}{}và ΔΥ size 12{"ΔΥ"} {} là đại lượng đầu ra và gia số của nó .

+ Χ size 12{Χ} {} và ΔΧ size 12{"ΔΧ"} {} là đại lượng đầu vào và gia số của nó.

Nếu Kôđ càng nhỏ thì chất lượng của bộ ổn định điện càng tốt. Đối với bộ ổn định điện áp (ổn áp ) thì hệ số ổn định được biểu diễn bằng :

Kôđ= ΔΥΥ size 12{ { {"ΔΥ"} over {Υ} } } {} : ΔΧΧ size 12{ { {"ΔΧ"} over {Χ} } } {} = ΔURUR:ΔUVUV size 12{ { {ΔU rSub { size 8{R} } } over {U rSub { size 8{R} } } } : { {ΔU rSub { size 8{V} } } over {U rSub { size 8{V} } } } } {}

Trong đó :

- UR là điện áp ra.

{}{}{} - UV là điện áp đầu vào.

- D size 12{D} {}UR và D size 12{D} {}UV là độ biến thiên điện áp đầu ra và độ biến thiên điện áp đầu vào. Hiện nay có rất nhiều loại ổn áp với những nguyên lí làm việc rất khác nhau. Trong phạm vi giáo trình này chỉ đề cập một số loại phổ biến.

ỔN ÁP SẮT TỪ KHÔNG TỤ

Kiểu đơn giản nhất của loại này là hai cuộn kháng nối tiếp nhau, một cuộn tuyến tính L1 ( có khe hở không khí trong mạch từ ) và một cuộn bão hòa L2 như hình 9-1.

Hình 9-1: Ổn áp sắt từ không tụĐiện áp vào UV đặt trên cả hai cuộn còn điện áp ra Ur lấy trên cuộn bão hòa:

UV = U1 + U2 = U1 + Ur.

Nếu bỏ qua tổn hao trong hai cuộn kháng thì phương trình trên có thể viết dưới dạng số học là:

UV = U1 + Ur .

Đặc tính V- A của bộ ổn áp này được trình bày như hình 9-2.

Ta nhận thấy khi điện áp đầu vào thay đổi nhiều thì điện áp đầu ra thay đổi ít ( D size 12{D} {}UV >> D size 12{D} {}UR). Tuy vậy sự dao động của điện áp đầu ra D size 12{D} {}UR vẫn còn tương đối lớn vì đặc tính V-A của cuộn kháng bão hòa không thể nằm song song với trục hoành được. Có thể giảm bớt D size 12{D} {}UR bằng cách mắc thêm trên cuộn tuyến tính một cuộn bù Wb ngược cực tính với cuộn bão hòa.

Hình 9-2: Đặc tính của ổn áp sắt từ không tụĐiện áp ra trong trường hợp này được tính bằng :

UR = (U2 - U1). WbW1 size 12{ { {W rSub { size 8{b} } } over {W rSub { size 8{1} } } } } {}.

Trong đó tỉ số WbW1 size 12{ { {W rSub { size 8{b} } } over {W rSub { size 8{1} } } } } {} phải chọn sao cho UR bé nhất.

Để có một điện áp ra tùy ý thì cuộn dây W2 của cuộn kháng bão hòa phải là cuộn sơ cấp của biến áp, còn điện áp lấy ra trên cuộn thứ cấp là ở trên cuộn kháng bão hòa.

Hình 9-3 trình bày một số kiểu sơ đồ nối.

Hình 9-3: Một số sơ đồ ổn áp sắt từ không tụNhược điểm chính của ổn áp sắt từ không tụ là tốn nhiều nguyên vật liệu, hiệu suất bé, điện áp ra bị méo dạng nhiều.

ỔN ÁP SẮT TỪ CÓ TỤ

Nhược điểm lớn nhất của ổn áp sắt từ không tụ là dòng điện lớn do khi mạch từ bão hòa gây ra. Điều này có thể khắc phục được bằng cách mắc thêm một tụ điện có trị số thích hợp song song với cuộn kháng bão hòa. Do dòng điện trên tụ ngược pha với dòng điện trên cuộn kháng bão hòa nên chúng tự triệt tiêu nhau.

Mắc thêm tụ điện tạo ra trong mạch hiện tượng cộng hưởng, vì vậy ổn áp sắt từ còn được gọi là bộ ổn áp cộng hưởng.

Bộ ổn áp kiểu hai cuộn kháng

Sơ đồ đơn giản nhất của loại này được mô tả như hình 9-4.

Hình 9-4: Ổn áp sắt từ có tụỔn áp gồm hai cuộn kháng, một cuộn tuyến tính và một cuộn bão hòa mắc nối tiếp nhau, tụ điện C mắc song với cuộn bão hòa. Điện áp ra lấy trên cuộn kháng bão hòa . Điện áp đầu ra có quan hệ khá phức tạp với điện áp vào và dòng điện I. Khi: U2 < Uch ( điện áp cộng hưởng) thì mạch vòng L2C có tính chất điện dung. Khi U2 = Uch trong mạch xảy ra hiện tượng cộng hưởng dòng điện. Khi U2 > Uch thì mạch vòng L2C có tính chất điện cảm (hình 9-5).

Hình 9-5: Đặc tính của ổn áp(mạch L) Hình 9-6: Dạng đặc tính V-A.Đặc tính V-A của bộ ổn áp này hình 9-6. Ta nhận thấy ở đây khi D size 12{D} {}UV tương đối lớn thì D size 12{D} {}UR thay đổi không đáng kể và UR chỉ ổn định khi U2 > Uch . Vì vậy phải chọn miền làm việc của ổn áp sau điểm cộng hưởng .

Để giảm bớt đến mức tối đa sự thay đổi của điện áp đầu ra UR người ta dùng thêm cuộn bù với số vòng thích hợp quấn trên mạch từ của cuộn dây tuyến tính L1 và ngược cực tính với cuộn W2. Sơ đồ mạch biểu diễn trên hình 9-7.

Tụ điện C có thể mắc vào điện áp cao hơn UR nhờ cuộn tăng áp kiểu biến áp tự ngẫu, mục đích làm giảm trị số của tụ ( biết UC = Iω C size 12{ { {I} over {ω" C"} } } {} , nếu UC càng cao thì trị số của tụ càng bé khi dòng điện I và tần số không đổi).

Nhược điểm chính của loại ổn áp cộng hưởng là điện áp ra bị méo bởi phần tử phi tuyến L2 . điều này có thể khắc phục bằng cách dùng bộ lọc thích hợp.

Hình 9-7: Ổn áp có cuộn dây bù Hình 9-8: Ổn áp cộng hưởng

Trên hình 9-8 trình bày nguyên lí của bộ ổn áp sắt từ cộng hưởng. Bộ ổn áp này đã dùng nhiều biện pháp tích cực nhằm cải tiến tối đa các thông số của nó . Ở đây nhờ có cuộn bù Wb điện áp của tụ được tăng cao. Ngoài ra còn có cuộn kháng tuyến tính L3 mắc nối tiếp với tụ C. Trị số L3 chọn sao cho L3 và C tạo thành mạch cộng hưởng đối với các sóng bậc cao (chủ yếu là sóng hài bậc 3), do vậy điện áp ra sẽ gần hình sin hơn.

Bộ ổn áp kiểu biến áp có sun từ

Biến áp có sun từ đóng vai trò của cuộn kháng bão hòa và cuộn kháng tuyến tính. Sơ đồ nguyên lí của loại này như hình 9-9. Tụ C mắc song song với U2 hoặc với điện áp cao hơn U2.

Hình 9-9: Ổn áp kiểu shun từỔN ÁP KHUẾCH ĐẠI TỪ

Điện áp hay dòng điện của tải mắc ở đầu ra của khuếch đại từ có thể điều khiển được nhờ dòng điện điều khiển vào cuộn dây điề̀u khiển. Muốn duy trì điện áp hay dòng điện đầu ra không đổi thì chỉ việc thay đổi trị số dòng điều khiển Iđk , đó là nguyên lí làm việc của bộ ổn áp khuếch đại từ như hình 9-10.

Nó gồm một KĐT đơn và một biến áp tự ngẫu AT, điện áp đầu vào đặt trên hai cuộn làm việc của khuếch đại từ và cuộn dây sơ cấp của AT.

Hình 9-10: Dạng đơn giản của ổn áp khuếch đại từ Có UV = UKĐT + U1AT. Điện áp đầu ra lấy ở cuộn thứ cấp của máy biến áp tự ngẫu AT. Vai trò của AT dùng để nâng cao điện áp ra :

Ur= K.UAT = K( UV+ UKĐT).

Trong đó : K là hệ số biến áp của AT.

Muốn cho Ur không đổi thì Iđk phải được điều chỉnh sao cho :

+ Khi Ur = Uđm thì Iđk = Iđkđm và có UKĐTđm.

+ Khi Ur > Uđm thì Iđk < Iđkđm và có UKĐT làm giảm Ur về lại Uđm.

+ Khi Ur < Uđm thì Iđk> Iđkđm và có UKĐT làm tăng Ur lên lại Uđm.

Hình 9-11: Đặc tính ổn ápVấn đề mấu chốt là phải tạo ra được quá trình tự động thay đổi Iđk theo quy lụật trên khi Ur thay đổi. Điều này được giải quyết nhờ hệ thống điều khiển gồm các cơ cấu phát, cơ cấu đo và cơ cấu so sánh. Khi UV thay đổi ( vì điện áp dưới tải thay đổi hoặc tải của ổn áp thay đổi) các cơ cấu trên có nhiệm vụ tạo ra Iđk phù hợp với đặc tính điều chỉnh của ổn áp do đó điện áp ra sẽ được duy trì ổn định. Ur dao động ít nhất nếu các cơ cấu phát, đo và so sánh được làm bằng các linh kiện điện tử và bán dẫn. Tuy vậy chúng cũng còn được làm từ các phần tử điện từ.

Hình 9 -12 trình bày nguyên lí của một ổn áp KĐT mà cơ cấu của hệ điều khiển làm bằng các cuộn kháng. KĐT có ba cuộn dây điều khiển Wđk1, Wđk2 và Wđk3. Trong đó: Wđk1:là cơ cấu phải chỉnh định bằng dòng điện Iđk1 sao cho khi : UV = Uvđm , It = Itđm thì điện áp ra bằng điện áp định mức. Iđk1 được chỉnh định bằng điện trở R1.

Cuộn Wđk2 và Wđk3 mắc nối tiếp với cuộn kháng bão hòa L2 và tuyến tính L3 qua bộ chỉnh lưu, vì hai cuộn này trên hình được nối ngược cực tính với nhau do đó sức từ động chung bằng hiệu hai sức từ động: (IW) = ( Iđk2.Wđk2) - ( Iđk3 .Wđk3)

Trong đó: Iđk2 và Iđk3 phải được chỉnh định qua biến trở R2 và R3 sao cho khi Ur = URđm thì sức từ động tổng bằng không(IW= 0). Khi Ur thay đổi thì Iđk2Wđk2 và Iđk3Wđk3 thay đổi theo hình 9-11.

Quá trình tự động thay đổi điện áp có thể biểu diễn như sau:

+ khi UR < Urđm thì sức từ động IW >0 dẫn đến LKĐT giảm và UKĐT giảm và điện áp ra lại tăng lại.

+ khi UR > Urđm thì IW < 0 dẫn đến LKĐT tăng làm UKĐT tăng và điện áp ra giảm lại.

Ổn áp khuếch đại từ có thể chế tạo với công suất tương đối lớn, hiệu suất cao hơn so với ổn áp sắt từ.

Hình 9-12: Sơ đồ nguyên lí ổn áp khuếch đại từ

ỔN ÁP BIẾN TRỞ THAN

Loại ổn áp này có cấu tạo khá đơn giản như hình 9-13. Nó gồm một chồng đĩa than xốp, một lò xo kéo và một nam châm điện. Điện áp đầu ra được tính bằng hiệu của điện áp đầu vào và điện áp rơi trên chồng đĩa than:

U = UV - IT. R

Nếu điện áp ra thay đổi ( khi điện áp vào và tải thay đổi) 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.

Khi điện trở của đĩa than thay đổi thì điện áp rơi trên nó cũng thay đổi, kết quả làm cho điện áp đầu ra UR được duy trì không đổi.

Hình 9-13: Ổn áp điện trở tiếp xúc

ỔN ÁP KIỂU SERVOMOTOR

Ổn áp kiểu servomotor còn được gọi là ổn áp dùng servomotor kéo chổi than theo nguyên lí điện cơ. Nguyên lí làm việc của nó là dùng một mạch điều khiển bằng linh kiện bán dẫn điện tử để điều khiển động cơ thừa hành làm nhiệm vụ ổn định điện áp.

Sơ đồ nguyên lí làm việc như hình minh họa.

Phần chính là một biến áp tự ngẫu BA có lõi hình xuyến, đầu vào lấy điện qua con chạy S. Để giữ điện áp ra Ur không đổi ta phải thay đổi điện áp vào Uv cho phù hợp bằng cách điều khiển tự động con chạy S. Việc điều chỉnh S được thực hiện nhờ động cơ M. Động cơ này được điều khiển bằng bộ so sánh mức độ sai lệch giữa điện áp mẫu Ur’ (Ur’ là đại diện cho Ur) và điện áp chuẩn. Sơ đồ khối mạch điều khiển được trình bày như hình 9-15.

THĐLCLUvUrU’rHình 9-15 : Sơ đồ khối mạch điều khiển ổn ápMM

Điện áp Ur sau khi qua bộ chỉnh lưu (CL) có điện áp Ur’. Bộ đo lường là một mạch cầu gồm ba nhánh điện trở R1, R2, R3 và một nhánh điôt zener Dz được vẽ trên hình 9-16.

Điện áp giữa hai nhánh của cầu là Ur’ (điện áp chỉnh lưu của Ur ), D size 12{D} {}U là điện áp giữa hai đỉnh chéo AB của cầu. Các trị số điện trở R1, R2, R3 được tính toán như thế nào để khi Ur= Urđm thì có D size 12{D} {}U= 0. Giá trị D size 12{D} {}U sai lệch được khuếch đại lên thành giá trị D size 12{D} {}U1 lớn hơn nhiều lần. D size 12{D} {}U1 này được đưa đến khối thực hiện TH để khối này nhận biết điều khiển chiều quay của động cơ M, kéo theo con trượt S chạy. Ta có cụ thể như sau:

+Khi điện áp ra Ur tăng xuất hiện sự sai lệch điện áp là D size 12{D} {}U, sự sai lệch này được khuếch đại thành D size 12{D} {}U1 lớn gấp nhiều lần để cung cấp cho động cơ M quay theo chiều giảm(chiều ngược), kéo theo con trượt S chạy đến khi Ur ổn định (Ur=Urđm).

+Khi điện áp ra Ur giảm xuất hiện sự sai lệch điện áp là D size 12{D} {}U, sự sai lệch này được khuếch đại thành D size 12{D} {}U1 lớn gấp nhiều lần để cung cấp cho động cơ M quay theo chiều tăng (chiều thuận), kéo theo con trượt S chạy đến khi Ur ổn định (Ur=Urđm).

Ổn áp loại này có các ưu điểm: điện áp ra ổn định, làm việc tin cậy, dạng điện áp ra ít bị méo dạng, phạm vi thay đổi điện áp rộng, hiệu suất cao và rất tiện lợi khi chế tạo ở công suất nhỏ. Tuy nhiên nó có một số nhược điểm là: cấu tạo khá phức tạp, do có hệ thống chổi than nên gây ồn khi làm việc và dễ sinh cháy nổ, do vậy loại này khó thực hiện ở công suất lớn và giá thành cao.

ỔN ÁP KIỂU BÙ

Nguyên lí làm việc của ổn áp kiểu bù tương tự như ổn áp kiểu servomotor. Hình 9-17 là sơ đồ nguyên lí của loại ổn áp kiểu bù.

Mục đích của cuộn bù là bù thêm một lượng điện áp thích hợp để có điện áp ra ổn định. Phương trình cân bằng điện áp là: Uv= Ur + D size 12{D} {}Ub

Việc thay đổi lượng điện áp bù nhờ biến áp tự ngẫu. Mạch điều khiển có nhiệm vụ so sánh và khuếch đại điện áp ra thay đổi để điều khiển servomotor M theo hai chiều quay thuận hoặc quay ngược. Servomotor M lại điều khiển từ biến áp tự ngẫu T làm cho nó cung cấp một lượng điện áp có véc tơ dương hoặc âm cho biến thế B. Thứ cấp của B nối nối tiếp với mạch động lực giữa đầu vào và đầu ra.

Thực tế điện áp lưới dao động từ Umin đến Umax nên thường phương án được đưa ra là bù một lượng D size 12{D} {}U và do một biến áp khác đảm nhiệm. Sơ đồ nguyên lí như hình 9-18. Khi có Uv nhỏ hơn một trị số điện áp đặt Uđ thì biến áp BA1 làm việc (Triac T1 dẫn, Triac T2 ngưng dẫn) bù một lượng điện áp D size 12{D} {}U do đó điện áp của biến áp BA2 luôn luôn lớn hơn Uđ. Khi điện áp Uv cao thì biến áp BA1 ngưng làm việc. Biến áp BA2 làm nhiệm vụ bù lượng điện áp D size 12{D} {}U để điện áp ra ổn định, việc bù này nhờ thay đổi Uđk theo vị trí chổi than con trượt của biến áp vi sai. Khi các biến áp BA1, BA2 không cần thiết phải bù thì thiết bị tự ngắt mạch sơ cấp của nó để tránh hiện tượng bão hòa mạch từ làm tăng tổn hao công suất.

Ưu điểm của ổn áp kiểu bù là chất lượng điện áp tốt ít bị méo dạng, độ tin cậy làm việc cao, các phần tử điều khiển lượng công suất bé( của BA1 và BA2 ) nên dễ chế tạo ổn áp ở công suất lớn, hiệu suất cao và giá hạ. Tuy nhiên loại này cũng tồn tại một số nhược điểm: khó chế tạo và thiết kế, sử dụng chổi than nên gây ồn và dễ cháy nổ, loại này thường được chế tạo với công suất lớn.

ỔN ÁP ĐIỆN TỬ

Ổn áp gồm một biến áp tự ngẫu T2 , cuộn dây bù điện áp T1 và mạch điều khiển là các linh kiện bán dẫn. Nguyên lí làm việc loại này tương tự loại servomotor, nhưng ở đây động cơ thừa hành servomotor và con chạy S được thay thế bằng mạch điều khiển dòng điện và cuộn dây bù điện áp T1. Khi điện áp thay đổi, mạch điều khiển sẽ phân tích để bù lượng điện áp thích hợp đảm bảo điện áp ra ổn định. Hình 9-19 là sơ đồ nguyên lí của ổn áp điện tử.

Ưu nhược điểm của ổn áp điện tử

Ngoài các ưu điểm đạt được như loại servomotor, loại này còn khắc phục được các nhược điểm là không gây ồn hoặc cháy nổ. Tác động rất nhanh , nhạy và khối lượng nhẹ.

Tuy nhiên nó cũng có các nhược điểm là khá phức tạp khi thiết kế, chế tạo mạch điều khiển, công suất chế tạo loại ổn áp này không lớn và giá thành sản xuất khá cao.

Đánh giá:
0 dựa trên 0 đánh giá
Nội dung cùng tác giả
 
Nội dung tương tự