Đề tài Xây dựng bộ biến đổi ba chức năng dùng cho đèn sự cố

đèn sự cố dạng mắt ếch dùng 2 bóng dạng hình tròn. 1.1.2. Các chế độ làm việc của đèn sự cố Các loại đèn sự cố hiện nay thường có 2 chế độ làm việc dựa trên chính tác dụng của nó đó là: -Chế độ chiếu sáng thường xuyên : Ở chế độ này,khi lưới điện cung cấp bình thường,đèn sự cố chiếu sáng cùng với các loại đèn khác trong mạng lưới.Khi xảy ra sự cố mất nguồn điện lưới vì một lí do bất kì,đèn sự cố tự chuyển sang dùng nguồn điện dự trữ,tiếp tục thắp sáng đèn để cung cấp ánh sáng. -Chế độ chiếu sáng sự cố : Ở chế độ hoạt động này,khi lưới điện bình thường,đèn sự cố sẽ không cung cấp ánh sáng.Khi mất nguồn điện lưới lập tức đèn sự cố sẽ sáng lên bằng nguồn dự trữ. 14 Tại các nơi công cộng thì người ta có thể sử dụng chế độ chiếu sáng thường xuyên và tận dụng luôn bóng của đèn sự cố như một bóng bình thường vào trong mạng lưới.Trên thị trường thì đèn sự cố được thiết kế riêng biệt với 2 chế độ để tiện sử dụng cả cho các cá nhân. 1.2. BA CHỨC NĂNG CỦA BỘ CHẤN LƢU ĐÈN SỰ CỐ 1.2.1. Khái quát 3 chức năng của đèn sự cố Như ta đã biết đèn sự cố có thể chuyển sang nguồn dự phòng mỗi khi mất điện do đó nó phải có khả năng tự chuyển mạch để đổi nguồn.Nguồn dự phòng của đèn sự cố có thể là pin hoặc acqui nhưng đều phải là loại có thể sạc lại.Bên cạnh đó đèn sự cố phải đảm bảo chiếu sáng nhanh nhất có thể mỗi khi sự cố nguồn điện lưới.Dưới đây chúng ta sẽ có một phương án thiết kế được đề xuất,đó là một công cụ chấn lưu gồm 3 chức năng cho các ứng dụng chiếu sáng thông thường và sự cố.Mạch chuyển đổi của đèn sự cố có 3 chức năng sau: -Chấn lưu thông thường, chấn lưu sự cố - Phóng điện -Sạc pin Trong đó : -Chấn lưu thông thường, chấn lưu sự cố : có tác dụng giúp đèn có thể chiếu sáng nhanh chóng và tiết kiệm năng lượng cho nguồn lưới cũng như nguồn dự phòng. -Phóng điện : Có khả năng lấy điện từ nguồn dự phòng để cung cấp cho đèn sự cố có thể chiếu sáng. -Sạc pin : Chức năng tự động nạp lại pin và có thể tự động ngắt khi đầy pin. 15 1.2.2. Phƣơng án tối ƣu đƣợc đề xuất Hiện nay các nhà nghiên cứu trên thế giới đã trình bày nhiều phương pháp hữu hiệu đối với các ứng dụng chiếu sáng sự cố kèm theo cấu trúc liên kết mạch mới và phương pháp kiểm soát của các chấn lưu điện tử cho điện áp thấp và các ứng dụng pin.Một hệ thống nhỏ gọn tích hợp bộ chuyển đổi năng lượng để giảm chi phí chế tạo đã trở thành một xu hướng nghiên cứu tương lai nên việc sử dụng các vi điều khiển trong các ứng dụng chiếu sáng sự cố đã được đề xuất trong nhiều thiết kế. Hình 2.1. Bộ chấn lưu chiếu sáng thông thường và sự cố Hình 2.1 cho thấy các cấu hình mạch thường dùng của một chấn lưu chiếu sáng thông thường và sự cố. Khi nguồn Vu cung cấp bình thường, S1 và S3 được bật on.Sau đó, điện đi qua các bộ nạp chấn lưu điện tử để chiếu sáng lên hai đèn (đèn 1 và 2). Ngoài ra, điện đi qua bộ chuyển đổi flyback để sạc pin, trong khi S2 được tắt, ngăn chặn các pin từ phần xả.Ngược lại, khi nguồn Vu không cung cấp điện, S2 được bật, trong khi S3 được tắt. Điện áp pin VB sau 16 đó được thúc đẩy bởi bộ chuyển đổi Flyback đến mức điện áp tương đương với nguồn tiện ích,do đó,chỉ có đèn sự cố (đèn 1) được thắp sáng. Hình 2.2. Mạch chỉnh lại của mạch hình 2.1 Hình 2.2 cho thấy một phiên bản sửa đổi của mạch hình 2.1, trong đó các bộ sạc và phóng điện được tích hợp và chuyển mạch M3 và M4 được sử dụng để thực hiện hai chiều sạc / xả. Mạch phác thảo trong hình 2.1 và 2.2 có thể là chấn lưu điện tử cho các ứng dụng chiếu sáng thông thường và sự cố, nhưng những mạch trên bị một số lượng lớn các thành phần đếm và tính hệ thống giai đoạn phức tạp.Vì vậy một thiết kế tối ưu được đưa ra như sau: 17 Hình 2.3. Sơ đồ 3 chức năng cho ứng dụng chiếu sáng sự cố Trong đó bao gồm một bộ chuyển đổi tích hợp chấn lưu / sạc / phóng điện, Nhờ một vi điều khiển,việc chuyển đổi tích hợp chỉ yêu cầu hai công tắc hoạt động và chuyển tiếp một thiết bị. Trong sơ đồ này, bộ chuyển đổi được đề xuất có chức năng như chấn lưu thông thường, chấn lưu sự cố, bộ sạc pin hoặc phóng điện.Khi nguồn hữu ích ( lưới điện ) cung cấp năng lượng bình thường,bộ chuyển đổi có chức năng như bộ sạc và chấn lưu thông thường.Ngược lại, khi mất nguồn,điện áp pin được nâng lên bởi bộ xả đến một mức điện áp tương đương.Dưới điều kiện như vậy chỉ là đèn chiếu sáng sự cố do các chấn lưu điện tử để đạt được một chức năng là chiếu sáng sự cố. Trong hệ thống, các vi điều khiển EM78P458 có thể phân biệt được mất điện từ nguồn cung cấp thông thường để chuyển sang chế độ hoạt động sự cố và có thể điều chế độ rộng xung tín hiệu cho bộ chuyển đổi đơn giai đoạn. Việc chuyển đổi được đề xuất có nguồn gốc là bằng cách tích hợp một bộ chuyển đổi hai chiều Flyback và (SRPLIs). Việc chuyển đổi được đề xuất, so với các cấu trúc đèn sự cố thông thường, có thể tiết kiệm hai thiết bị chuyển mạch và điều khiển, làm giảm kích thước và 18 chi phí, và có thể làm tăng reliability hệ thống.Nó rất dễ dàng để kết hợp với vật chiếu sáng cố định, và có thể dễ dàng tích hợp thêm với một boost hoặc chuyển đổi một buck-boost để hiệu chỉnh hệ được số công suất. Bộ biến đổi được hoạt động ở hai chế độ, trong đó một là chế độ vào trực tiếp và hai là chế độ qua pin. Ở chế độ trực tiếp pin được sạc, và đèn được thắp sáng bởi nguồn lưới,trong khi ở chế độ pin, pin được xả để cung cấp cho đèn.Chuyển đổi giữa hai chế độ là tự động và tức thời với sự kiểm soát của một vi điều khiển. Bộ biến đổi này là tương đối nhỏ gọn phù hợp cho các ứng dụng chiếu sáng sự cố và chi phí hiệu quả do cấu hình đơn giản của nó. Điều đó chỉ ra rằng, dưới sự cung cấp bình thường, các chức năng của bộ biến đổi như là một chấn lưu điện tử thông thường và bộ sạc,khi mất điện, bộ chuyển đổi tự động sẽ chuyển sang chế độ hoạt động pin mà không cần thời gian giãn cách.Để kéo dài thời gian hoạt động của pin, bộ chuyển đổi có chức năng như một chấn lưu mờ bằng cách kiểm soát các chu kì tải và / hoặc chuyển đổi tần số. Để đơn giản hóa các thiết kế, bộ chuyển đổi được chia thành hai phần theo chức năng mong muốn, chẳng hạn như bộ sạc, phóng điện, và chấn lưu. Bộ chức năng hai chiều (Flyback) như một bộ sạc hoặc phóng điện, trong khi bộ (SRPLI) hoạt động như một chấn lưu điện tử. 1.3. PHƢƠNG HƢỚNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH 3 CHỨC NĂNG CHO ĐÈN SỰ CỐ 1.3.1. Phƣơng án lựa chọn xây dựng mô hình đèn sự cố cho đề tài Với thiết kế tối ưu như đề xuất ở trên thì bộ biến đổi là gần như hoàn chỉnh và điện áp lấy từ nguồn dự phòng khi sự cố cũng được chỉnh lưu gần tương đương với lưới cả về dạng sóng nhưng trên thực tế việc thiết kế được 1 bộ 19 biến đổi thống nhất như phương án đề xuất là rất khó khăn vì ở nước ta việc có được các linh kiện theo sơ đồ trên rất khó,mặt khác yêu cầu về mặt công nghệ là rất cao và khả năng của bản thân sinh viên thực sự còn nhiều hạn chế nên em đã lựa chọn và thiết kế riêng từng chức năng cho mô hình và kết nối lại để tạo ra mô hình bộ chấn lưu 3 chức năng cho đèn sự cố,dưới đây em xin đưa ra sơ đồ khối cho mô hình bộ 3 chức năng của đèn sự cố như sau : Hình 2.4. Sơ đồ khối của mô hình 3 chức năng cho đèn sự cố Thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ Mô hình đèn sự cố này được thiết kế bóng huỳnh quang loại ống dài cho ánh sáng trắng.Nguồn dự phòng là acqui. Mô hình thiết kế với 2 chế độ hoạt động được thay đổi qua lại bởi một công tắc,2 chế độ hoạt động như sau : -Chế độ chiếu sáng thường xuyên : khi lưới cung cấp điện bình thường đèn sự cố được cung cấp điện áp 220V đưa qua bộ chấn lưu và chiếu sáng cùng các đèn khác trong mạng lưới,khi mất nguồn đèn lập tức được cung cấp điện áp bởi acqui thay thế cho nguồn lưới nhờ bộ nghịch lưu có khả năng kích điện 20 acqui lên 220V-Ac.Khi có điện trở lại,nguồn acqui được ngắt đi thay trở lại bằng nguồn lưới,bộ sạc kiểm tra có cần sạc acqui hay không để hoạt động. -Chế độ chiếu sáng sự cố : khi có nguồn điện lưới đèn sự cố không sáng mà chỉ duy trì nuôi bộ sạc để nạp acqui khi cần,khi mất điện lưới đèn sự cố lập tức sáng lên thay thế các đèn khác trong mạng lưới.ư Phân tích các khối : Ở đây khâu ballast được thiết kế cho cả chiếu sáng thông thường và sự cố.Tác dụng như một chấn lưu điện tử thông thường nhằm giúp bóng đèn được thắp sáng thật nhanh,giảm độ nhấp nháy của đèn cũng như tiết kiệm năng lượng cho hệ thống.Đầu vào là điện áp 220V Ac bất kể của lưới hay từ nguồn dự phòng.Đầu ra cung cấp cho bóng đèn của đèn sự cố. Chức năng xả acqui ở đây chính là gồm phần chuyển mạch và phần nghịch lưu.Khi sự cố,acqui sẽ được chuyển mạch nối vào để lấy điện áp,acqui được nối với mạch nghịch lưu,ở đây bộ nghịch lưu sẽ lấy điện áp một chiều của acqui kích lên 220V Ac và cung cấp sang mạch ballast điện tử để thắp sáng đèn.Trong trường hợp có điện trở lại,khối sẽ tự chuyển mạch ngắt khỏi acqui và lấy điện từ lưới cấp thẳng cho khối ballast. Ở đây không đề cập đến khối sạc acqui bởi nó được thiết kế tách rời bộ xả,nó lấy điện lưới để nạp cho acqui và có khả năng tự ngắt khi acqui đầy.Khối sạc hoạt động tách rời đối với các chế độ làm việc của đèn nên dù ở chế độ chiếu sáng thường xuyên hay sự cố thì chỉ cần có điện lưới khối sạc sẽ tự động kiểm tra và nạp acqui nếu cần. Tóm lại : Sau khi lựa chọn ta đã đưa ra được phương án thiết kế đáp ứng đủ các yêu cầu của đèn sự cố,sau đây chúng ta sẽ đi vào xây dựng từng khâu để hoàn thành mô hình bộ chấn lưu ba chức năng cho đèn sự cố. 21 CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ BỘ CHẤN LƢU CHUYỂN NGUỒN VÀ NGHỊCH LƢU CHO ĐÈN SỰ CỐ 3.1. XÂY DỰNG MẠCH BALLAST ĐIỆN TỬ CHO BỘ Có rất nhiều thiết kế mạch để có thể giải quyết được yêu nhưng hiện tại chủ yếu thông dụng nhất vẫn là mạch nghich lưu theo kiểu bán cầu phản hồi điện áp do tính đơn giản trong thiết kế và hoạt động ổn định. Trong ballast sử dụng các linh kiện điện tử để điều khiển dòng điện chạy trong mạch chính xác hơn. Điều này sẽ làm giảm được ánh sáng nhấp nháy (dao động), cải thiện được hiệu quả của lớp huỳnh quang (photpho) của đèn và dẫn đến làm tăng quang thông, tăng tuổi thọ bóng đèn, giảm tổn thất điện năng. Hệ số công suất của ballast điện tử khá cao (0,9 – 0,99). 3.1.1. Sơ đồ nguyên lí mạch ballast điện tử Sau đây là sơ đồ nguyên lí mạch ballast điện tử được xây dựng cho đèn 18W trở xuống 22 Hình 3.1. Mạch ballast điện tử cấp điện cho bóng - Phân tích mạch : Từ trái sang phải, mạch có các bộ phận tuần tự như sau : - Nắn điện : Nguồn điện lưới 220 VAC được nắn toàn kỳ bằng cầu diode 4007. Tụ hoá C1 lọc lại điện áp này cung cấp cho toàn mạch. Với trị số tụ lọc 10 uF, điện áp DC ngõ ra sẽ có nhấp nhô 100 Hz khoảng 25% với điện thế đỉnh ở 220 VAC là 310V,tăng cảm thụ quang học cho đèn. - Kích khởi dao động : Điện trở R1 dẫn điện áp vào tụ C2 với thời hằng 0,7 RC. Khi điện áp trên tụ 23 C2 đạt 30V thì diac 30 Dv 10r dẫn một xung vào chân B / Q2, kích khởi dao động của inverter. Khi Q2 dẫn thì điện áp chân C / Q2 về 0V, diode K (4007) dẫn, dập tắt điện áp trên tụ C2, khởi đầu một kỳ tạo xung kích dẫn mới. - Inverter : Q1 có điện trở R2 // tụ C3 ở chân B, khởi tạo điện áp ~ 100 VDC ở chân E. Q1 ghép nối tiếp với Q2 nên điện áp chân E / Q1 cũng là điện áp khởi chạy ở chân C / Q2. lúc này diode K phân cực nghịch nên chưa hoạt động. Khi có xung kích thích từ diac, Q2 dẫn mạnh --> điện áp trên chân C / Q2 về 0V, đặt một xung âm lên sơ cấp T1, xung này dẫn qua T2 --> qua hai đầu đèn và tụ C4 --> qua tụ C5 và điện trở cầu chì R5 --> kín mạch lên điện áp dương. Phần thứ cấp P2 quấn cùng chiều với sơ cấp T1 nên tạo một xung âm, qua R4 để tắt T2, đồng thời phần thứ cấp P1 quấn nghịch chiều với sơ cấp nên tạo xung dương, qua R3 đặt lên Q1 làm kích dẫn Q1. Q1 dẫn, tạo một xung dương đặt lên sơ cấp T1, lúc bấy giờ xung âm được tạo ra ở P1, qua R3 đặt lên Q1 để tắt Q1; đồng thời xung dương tạo ra ở P2, qua R4 đặt lên Q2 để kích dẫn Q2. Quá trình tiếp tục diễn ra, tạo dòng điện xoay chiều xung vuông tần số ~30 KHz. Xung dòng do P1 và P2 cùa T1 lớn hơn nhiều so với dòng từ diac và R2 // C3 nên vô hiệu hoá chúng. Khi dao động hồi dưỡng bằng T1 được xác lập thì mạch chỉ hoạt động theo tần số riêng của hệ. - Hoạt động của mạch : Dòng điện xoay chiều ~30 KHz / 220 VAC đặt lên hai đầu đèn. Hiện tượng cộng hưởng LC tạo bởi các thành phần L (sơ cấp T1 và T2) và C4 (C5 có trị số khá lớn nên xem như tổng trở của nó ~ 0 Ohm với tần số 30 KHz). Điện áp cộng hưởng khoảng 600 V trên C4 áp lên hai đầu đèn làm kích dẫn sự phóng điện qua chất khí trong đèn. 24 Khi có dòng điện phóng qua hai đầu đèn thì tổng trở của đèn giảm --> mất cộng hưởng --> chỉ còn 220 VAC / 30 KHz. Với trị số ~ 400 uH, T2 lưu trên nó (cản) một điện áp ~ 70 VAC / 30 KHz. Do đó trên hai đầu đèn chỉ còn điện áp 150 VAC / 30 KHz. Sự phóng điện được duy trì --> đèn sáng liên tục trong suốt thời gian đóng điện. - Nhận xét: Mạch ballast điện tử hiệu suất cao,hiệu quả tiết kiệm điện rõ ràng so với ballast điện từ truyền thống.Nhờ mạch ballast này,dù trong hoàn cảnh sự cố hay bình thường thì bóng đèn đều có thể lập tức chiếu sáng. 3.1.2. Các linh kiện chính trong mạch - Transitor : Mạch dùng hiệu ứng cộng hưởng điện áp rất cao để kích khởi sự phóng điện qua đèn huỳnh quang nên thời gian khởi động ngắn gần như tức thời. Vì vậy dùng Q1 và Q2 phải chọn transistor điện áp thiết đoạn,ở đây mạch sử dụng MJE13003 với các thông số như sau: 25 -Tụ C : Trong việc sử dụng ballast điện tử, hiệu ứng Boca-S. không rõ bằng transfo điện từ thông thường (nhấp nháy 50 Hz) nên cảm thụ phát quang thấp hơn. Vì vậy không nên dùng tụ lọc C1 có trị số quá cao (nên dùng từ 4 uF đến 10 uF mà thôi) để duy trì sự "nhấp nháy",ở đây ta chọn loại 10uF 250V. -Diode : Với việc chọn diode chỉnh lưu thì điện áp lưới đặt trực tiếp vào cầu nắn nên 4 diode này phải chịu được điện áp ngược cao Trị số đỉnh của điện áp là: VP = 220*1,414 = 311 V Trị số đỉnh của điện áp ngược đặt lên mỗi diode là: Vin = 311*1.57 = 448 V Nếu dự trữ thêm 10% thì diode phải chịu được điện áp ngược tới 600 V,từ đó ta chọn loại diode 1N4007 là thích hợp : Vin = 1000V -dòng bão hòa ngược Is = 5A -dòng thuận cực đại IFmax= 1A Loại diode này hiện rất phổ biến trên thị trường. - Ngoài ra phải điều chỉnh T2 thế nào để công suất phải đạt > / = 80% công 26 suất danh định của đèn huỳnh quang. Nếu công suất thấp hay cao quá thì đèn mau "đen đầu", nhanh chóng bị mất khả năng phát sáng. -T1 là xuyến tròn D10mm, d2mm, f= 0,25, mỗi cuộn 3 vòng. -T2 nếu là lõi không khí thì D= 10 mm, h= 20mm, số vòng 350 - 370, f= 0,25 mm (cỡ dây). 3.2. THIẾT KẾ MẠCH CHUYỂN NGUỒN VÀ NGHỊCH LƢU KÍCH ĐIỆN CHO BỘ 3.2.1. Nguyên lí tự chuyển nguồn Như chúng ta đã nêu ra,một công việc rất quan trọng của đèn sự cố chính là khả năng xả acqui để thắp sáng đèn khi sự cố.Bộ xả của ta có thể tự động chuyển sang nguồn dự phòng acqui mỗi khi bị sự cố mất điện lưới,từ đó mới có thể lấy điện từ acqui để đưa vào mạch nghịch lưu kích lên phục vụ việc chiếu sáng khẩn cấp.Acqui ta chọn loại 12V. Bài toán này chúng ta hoàn toàn có thể giải quyết đơn giản bằng một hệ thống rơle.Về cơ bản khi lưới điện cung cấp bình thường thì nguồn 220V sẽ cung cấp trực tiếp cho mạch ballast để thắp sáng đèn,khi mất điện lưới mới đưa điện acqui qua mạch chuyển nguồn nghịch lưu để tạo điện áp 220V Ac. Sơ đồ nguyên lí mạch tự chuyển nguồn được đưa ra ở hình 2.1 27 Hình 3.2.Sơ đồ nguyên lí mạch chuyển nguồn 28 Nguyên lí hoạt động: Điện áp được lấy trực tiếp từ lưới điện 220V-AC sau đó được đưa qua một biến áp hạ áp xuống được 12V xoay chiều.Từ đó qua điot cầu chỉnh lưu thành điện 1 chiều,trong mạch ta có lắp tụ để san phẳng tín hiệu. -Toàn bộ linh kiện điện tử sẽ được cấp nguồn chuẩn chính xác là 12V nhờ IC7812. -Khi không bị mất điện lưới, nghĩa là đầu vào 220V-AC đang có điện lưới, hai rơle RL5 và RL1 sẽ đóng, rơle RL2 và RL3 sẽ mở. -Khi đó điện áp từ lưới sẽ được cấp thẳng cho đèn, nguồn ăc quy sẽ ngắt khỏi mạch.Khi bị mất điện lưới, rơle RL5 và RL1 sẽ ngắt, rơle RL2 và RL3 sẽ đóng. Khi đó nguồn điện ở ăc quy sẽ được cấp cho bộ nghịch lưu thắp sáng đèn. Toàn bộ linh kiện điện tử được chọn theo kí hiệu trên sơ đồ,đầu ra J1 chính là đầu ra điện áp 12V của acqui để cấp cho bộ nghịch lưu mà chúng ta sẽ nghiên cứu trong phần sau. 2.1.2. Linh kiện chính trong mạch -Tụ chọn loai 1000uF 16V vì điện áp trong mạch đã được nắn xuống 12V -Tranzitor loại C828 với Umax là 30V -Mạch dùng rơle loại JZC-23F4123 với thông số như sau: 29 2.1.3. Mạch in thực tế mạch chuyển nguồn 30 Hình 3.3. Mạch in bottom layout 31 Hình 3.4. Mạch in top layout 32 3.2. THIẾT KẾ MẠCH NGHỊCH LƢU KÍCH ĐIỆN ACQUI CHO BỘ CHẤN LƢU BA CHỨC NĂNG Như chúng ta đã biết nguồn dự phòng của đèn sụ cố là acqui,nhưng khi gặp sự cố mất điện lưới thì dù ta đã có mạch lấy nguồn acqui nhưng nguồn một chiều ấy chưa thể đáp ứng cung cấp cho đèn bởi đèn ta sử dụng là loại xoay chiều,do vậy phương pháp đề xuất ở đây là mạch nghịch lưu một chiều thành xoay chiều. 3.2.1. Khái quát chung mạch nghich lƣu Boä nghòch löu coù nhieäm vuï chuyeån ñoåi naêng löôïng töø nguoàn ñieän moät chieàu khoâng ñoåi sang daïng naêng löôïng ñieän xoay chieàu ñeå cung caáp cho taûi xoay chieàu.Ñaïi löôïng ñöôïc ñieàu khieån ôû ngoõ ra laø ñieän aùp hoaëc doøng ñieän. Trong tröôøng hôïp ñaàu, boä nghòch löu ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp vaø tröôøng hôïp sau laø boä nghòch löu doøng.Nguoàn moät chieàu cung caáp cho boä nghòch löu aùp coù tính chaát nguoàn ñieän aùp vaø nguoàn cho boä nghòch löu doøng coù tính nguoàn doøng ñieän. Caùc boä nghòch löu töông öùng ñöôïc goïi laø boä nghòch löu aùp nguoàn aùp vaø boä nghòch löu doøng nguoàn doøng hoaëc goïi taét la øboä nghòch löu aùp vaø boä nghòch löu doøng. Trong tröôøng hôïp nguoàn ñieän ôû ñaàu vaøo vaø ñaïi löôïng ôû ngoõ ra khoâng gioáng nhau, ví duï boä nghòch löu cung caáp doøng ñieän xoay chieàu töø nguoàn ñieän aùp moät chieàu, ta goïi chuùng laø boä nghòch löu ñieàu khieån doøng ñieän töø nguoàn ñieän aùp hoaëc boä nghòch löu doøng nguoàn aùp. Caùc boä nghòch löu taïo thaønh boä phaän chuû yeáu trong caáu taïo cuûa boä bieán taàn. ÖÙùng duïng quan troïng vaø töông ñoái roäng raõi cuûa chuùng nhaèm vaøo lónh vöïc truyeàn ñoäng ñieän ñoäng cô xoay chieàu vôùi ñoä chính xaùc cao. Trong lónh vöïc taàn soá cao, boä nghòch löu 33 ñöôïc duøng trong caùc thieát bò loø caûm öùng trung taàn, thieát bò haøn trung taàn. Boä nghòch löu coøn ñöôïc duøng laøm nguoàn ñieän xoay chieàu cho nhu caàu gia ñình, laøm nguoàn ñieän lieân tuïc UPS, ñieàu khieån chieáu saùng, boä nghòch löu coøn ñöôïc öùng duïng vaøo lónh vöïc buø nhuyeãn coâng suaát phaûn khaùng. Caùc taûi xoay chieàu thöôøng mang tính caûm khaùng (ví duï ñoäng cô khoâng ñoàng boä, loø caûm öùng), doøng ñieän qua caùc linh kieän khoâng theå ngaét baèng quaù trình chuyeån maïch töï nhieân. Do ñoù, maïch boä nghòch löu thöôøng chöùa linh kieän töï kích ngaét ñeå coù theå ñieàu khieån quaù trình ngaét doøng ñieän. Trong caùc tröôøng hôïp ñaëc bieät nhö maïch taûi coäng höôûng, taûi mang tính chaát dung khaùng (ñoäng cô ñoàng boä kích töø dö ), doøng ñieän qua caùc linh kieän coù theå bò ngaét do quaù trình chuyeån maïch töï nhieân phuï thuoäc vaøo ñieän aùp nguoàn hoaëc phuï thuoäc vaøo ñieän aùp maïch taûi. Khi ñoù, linh kieän baùn daãn coù theå choïn laø thyristor (SCR). 3.2.2. Các bộ nghịch lƣu nguồn áp Boä nghòch löu aùp cung caáp vaø ñieàu khieån ñieän aùp xoay chieàu ôû ngoõ ra. Trong caùc tröôøng hôïp khaûo saùt döôùi ñaây ta xeùt boä nghòch löu aùp vôùi quaù trình chuyeån maïch cöôõng böùc söû duïng linh kieän coù khaû naêng ñieàu khieån ngaét doøng ñieän. Nguoàn ñieän aùp moät chieàu coù theå ôû daïng ñôn giaûn nhö acquy, pin ñieän hoaëc ôû daïng phöùc taïp goàm ñieän aùp xoay chieàu ñöôïc chænh löu vaø loïc phaúng. Linh kieän trong boä nghòch löu aùp coù khaû naêng kích ñoùng vaø kích ngaét doøng ñieän qua noù, töùc ñoùng vai troø moät coâng taéc. Trong caùc öùng duïng coâng suaát nhoû vaø vöøa, coù theå söû duïng transistor BJT, MOSFET, IGBT laøm coâng taéc vaø ôû phaïm vi coâng suaát lôùn coù theå söû duïng GTO, IGCT hoaëc SCR keát hôïp vôùi boä chuyeån 34 maïch.Vôùi taûi toång quaùt, moãi coâng taéc coøn trang bò moät diode maéc ñoái song vôùi noù. Caùc diode maéc ñoái song naøy taïo thaønh maïch chænh löu caàu khoâng ñieàu khieån coù chieàu daãn ñieän ngöôïc laïi vôùi chieàu daãn ñieän cuûa caùc coâng taéc. Nhieäm vuï cuûa boä chænh löu caàu diode laø taïo ñieàu kieän thuaän lôïi cho quaù trình trao ñoåi coâng suaát aûo giöõa nguoàn moät chieàu vaø taûi xoay chieàu, qua ñoù haïn cheá quaù ñieän aùp phaùt sinh khi kích ngaét caùc coâng taéc. 3.2.2.1. Bộ nghịch lƣu áp một pha Boä nghòch löu aùp moät pha daïng maïch caàu (coøn goïi laø boä nghòch löu daïng chöõ H)chöùa 4 coâng taéc vaø 4 diode maéc ñoái song. Hình 3.5. Bộ nghịch lưu áp một pha Giaûn ñoà kích ñoùng caùc coâng taéc vaø ñoà thò aùp taûi ñöôïc veõ treân hình. Boä nghòch löu cuõng coù theå maéc döôùi daïng maïch tia : 35 Hình 3.6. Dạng mạch hình tia Maïch goàm hai coâng taéc vaø hai diode maéc ñoái song vôùi chuùng. Maïch taûi vaø ngoõ ra cuûa boä nghòch löu caùch ly qua maùy bieán aùp vôùi cuoän sô caáp phaân chia. Trong tröôøng hôïp khoâng söû duïng maùy bieán aùp caùch ly phía taûi, nguoàn ñieän aùp moät chieàu caàn thieát keá vôùi nuùt phaân theá ôû giöõa, ñaây laø daïng maïch nghòch löu aùp nöûa caàu. Hình 3.7. Dạng mạch nửa cầu 3.2.2.2. Bộ nghịch lƣu áp ba pha 36 Hình 3.8. Bộ nghịch lưu áp ba pha Trong thöïc teá maïch boä nghòch löu aùp ba pha chæ gaëp ôû daïng maïch caàu như hình 3.8a. Maïch chöùa 6 coâng taéc S 1 ,S 2 ....S 6 vaø 6 diode ñoái song D 1 ,D 2 ....D 6 . Taûi ba pha coù theå maéc ôû daïng hình sao hoaëc tam giaùc. 3.2.3. Phân tích bộ nghịch lƣu áp một pha Ta coù theå phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng maïch caàu töông töï nhö boä nghòch löu aùp ba pha. Hai caëp coâng taéc (S 1 ,S 4 ) vaø (S 2 ,S 3 ) töông öùng vôùi heä thoáng hai pha taûi ñoái xöùng töôûng töôïng. 37 Roõ raøng : u t =u t1 /2=-u t2 /2=u 10 - u 20 Neáu caùc coâng taéc ñöôïc kích theo qui taéc ñoái nghòch, ta coù theå xaùc ñònh daïng aùp treân taûi döïa treân giaûn ñoà kích coâng taéc vaø ñieän aùp nguoàn. -Phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng nöûa caàu: ñieän aùp baèng vôùi ñieän aùp pha taûi - taâm nguoàn, baøi toaùn trôû neân ñôn giaûn. -Phaân tích ñieän aùp taûi cuûa boä nghòch löu aùp moät pha daïng caàu: Quaù trình ñieän aùp vaø doøng ñieän ñöôïc veõ treân hình 3.8 Xeùt quaù trình caùc ñaïi löôïng trong moät chu kyø hoaït ñoäng ôû cheá ñoä xaùc laäp. Giaû thieát raèng taïi thôøi ñieåm t=0, thöïc hieän ñoùng S 1 vaø S 2 , ngaét S 3 vaø S 4 . Ñieän aùp taûi baèng U, doøng ñieän taûi chaïy qua maïch (U-S 1 -S 2 ) taêng leân theo phöông trình: Nghieäm doøng ñieän coù daïng: 38 A laø haèng soá, τ=L/R laø haèng soá thôøi gian. Taïi thôøi ñieåm t=T/2, thöïc hieän ngaét S 1 ,S 2 vaø ñoùng S 3 ,S 4 . Ñieän aùp xuaát hieän treân taûi baèng –U, doøng ñieän qua maïch (U,RL,S 3 ,S 4 ) giaûm theo phöông trình: ÔÛ traïng thaùi xaùc laäp, doøng ñieän bieán ñoåi theo daïng xoay chieàu, tuaàn hoaøn. Caùc haèng soá A,B coù theå xaùc ñònh töø ñieàu kieän doøng ñieän taûi taïi caùc thôøi ñieåm t=0, t=T/2 vaø t=T. Hình 3.9. Doøng điện tải Luùc ñoù, taïi thôøi ñieåm t=0: 39 Taïi thôøi ñieåm t=T/2 Taïi thôøi ñieåm t=T: Nhö vaäy, quaù trình doøng taûi trong moät chu kyø hoaït ñoäng seõ coù theå bieåu dieãn nhö sau: Giaù trò I min vaø I max coù theå xaùc ñònh töø quaù trình ñoái xöùng cuûa hai nöûa chu kyø ñieän aùp vaø doøng ñieän taûi, töø ñoù suy ra raèng I max =-I min . Aùp duïng quan heä treân vaøo caùc heä thöùc tính I, ta thu ñöôïc: Coâng suaát taûi: 40 Coâng suaát tieâu thuï treân taûi R-L coù theå xaùc ñònh theo heä thöùc vôùi I2tIR. t laø trò hieäu duïng doøng ñieän qua taûi ñöôïc tính theo bieåu thöùc: Coâng suaát taûi coù theå xaùc ñònh theo trò trung bình doøng qua nguoàn dc I s neáu ta boû qua toån hao cuûa linh kieän boä nghòch löu: P=U.I s 3.2.4. Sơ đồ khối chung mạch nghich lƣu Ta xét sơ đồ khối chung tạo điện xoay chiều từ một chiều Hình 3.10. Sơ đồ khối mạch nghịch lưu a.Khối nguồn Nguồn điện được sử dụng ở đây là nguồn điện một chiều lấy từ bình ắc quy .Thời gian sử dụng phụ thuộc chủ yếu vào dung lượng lưu trữ của ắc quy.Công thức tính công suất phát của acquy như sau: P=u.i 41 Ở đây ta dùng acqui loại bình kín không cần bảo dưỡng,thông số acqui 12V 5Ah Vậy suy ra công suất phát : P=12.5 = 60 W Nếu chạy bóng đèn 8W sẽ được khoảng 7 giờ. b.Khối tạo tần số 50Hz Nhiệm vụ của khối tạo ra sóng giao động đưa vào khối công suất với tần số điện công nghiệp. Sóng ở đây thường là hai dạng chính là hình sin hoặc vuông . Thường thì khối công suất trở kháng đầu vào rất nhỏ nên trên thực tế chúng ta cần một khối khuyếch đại đệm nhiệm vụ ổn định khối phát xung giao động giảm trở kháng đầu vào cho tầng công suất. c.Khối công suất Từ dạng sóng nhận được từ khối phát khối công suất sẽ khuyếch đại đưa đến biến áp tạo điện áp xoay chiều. Thường thì khối này sử dụng các linh kiện công suất như thysistor transistor chịu dòng lớn,yêu cầu cho khối này hoạt động tốt cần có hệ thống tản nhiệt làm mát. d.Biến áp nghịch lƣu Đây là thành phần chính quyết định tới công suất phát của mạch.Biến áp được sử dụng là biến áp nghịch lưu có tỷ số vòng dây của cuộn thứ cấp lớn hơn rất nhiều cuộn sơ cấp. Công suất của mạch được tính như sau: Pmax=U.I 42 Với I là dòng điện biến áp chịu được,U là hiệu điện thế đặt vào cuộn sơ cấp Trong mạch ta sử dụng một máy biến áp nghịch lưu 12V/220V 5A Suy ra công suất mạch tối đa : Pmax= 12.5= 60 W Phương pháp tính chọn máy biến áp thực chất dựa trên cơ sở thời gian hoạt động của đèn sự cố,thông thường đèn sự cố hay được thiết kế với khả năng cung cấp ánh sáng trong khoảng thời gian từ 2 đến 3 giờ.Vậy với loại đèn được sử dụng trong mạch là đèn 8W ta chọn thiết kế công suất mạch 60W để có thể chạy được cả loại đèn 18W,từ đó có thể tính chọn máy biến áp như sau: Từ công thức tính công suất máy biến áp: S = 1.2* P = S 2 / 1.44 Với S là thiết diện có ích của lõi thép tính bằng thiết diện vật lí nhân hệ số ghép: S= a*b*Kg Kg từ 0,85 đến 0.95 Chọn công suất 60W nên lõi sẽ là S = 1.2* = 9.3 cm2 -Dòng cuộn sơ cấp: Is = P/Us Với Us là U sơ cấp,suy ra Is = 60/12 = 5 A 43 -Thiết diện dây sơ cấp: Asc = 2,5/Is (2,5 là mật độ dòng điện). -Đường kính dây sơ cấp: dsc= (π=3,14) Với mạch 60W của chúng ta thì : -Thiết diện : Asc = 2,5/5 = 0,5 -Đường kính của dây là: dsc = = 0,798 cm Từ mối quan hệ giữa các đại lượng I , U và N ta có : Suy ra IP bên thứ cấp là: IP = (12x 5) /220 = 0,3 A -Thiết diện dây thứ cấp: Atc = 2,5/IP Suy ra Atc = 8,3 -Đường kính dây thứ cấp: dtc = 44 -Số vòng cần quấn cho cuộn sơ cấp : Ns = ( K*Us )/S +sai số -Số vòng bên thứ cấp: NP = ( K*UP ) /S +sai số Với K là hệ số biến áp thường lấy trong khoảng 38 đến 45,ta chọn 38 Mạch nghịch lưu có sự sụt áp trên tranz nên điện áp vào sơ cấp không được 12 V chúng ta quấn phần sơ mỗi bên 11 V là được. Vậy ở đây : Bên sơ cấp số vòng là : Ns = 38/9,3 * 11 =40 ( vòng) Bên thứ cấp là : NP = 38/9,3 * 220 = 890 (vòng) Trên đây là các thông số cho máy biến áp nghịch lưu 5A 3.2.5. Các linh kiện quan trọng sử dụng trong mạch - IC CD4047BE Chức năng: tạo sóng vuông hai nửa chu kỳ. Sơ đồ chân: 45 Hình 3.11. Sơ đồ chân IC CD4047BE Đây là IC gồm 14 chân đóng gói dạng dip 100T. Điện áp hoạt động trong khoảng từ 3V đến 15 V. Chúng ta cần quan tâm tới chức năng của các chân sau: Chân 1: đầu vào tụ C Chân 2: đầu vào điện trở R Chân 3: đầu vào R-C tạo dao động với tần số định sẵn Chân 10: đầu ra xung vuông bán chu kỳ dương Chân 11: đầu ra xung vuông bán chu kỳ âm Chân 7: cấp nguồn âm Chân 14: cấp nguồn dương Tần số của xung vuông ra được tính theo công thức: T = 2.48RC Hình dạng thực tế: 46 Hình 3.12. Hình dáng thực tế của IC4047 - Transistor H1061 Là transistor công suất họ BJT-NPN,kiểu đóng vỏ TO220. -Dòng chịu được là 3A -Điện áp 50V -Công suất tối đa 25W Bảng thông số , điều kiện hoạt động của H1061như sau : 47 Hình dạng thực tế: Hình 3.13. Hình dáng thực tế của H1061 - Transistor D718 Là dòng transistor họ BJT-NPN công suất rất lớn. -Dòng chịu đựng 8A -Điện áp 120V -Công suất 80W Bảng thông số, điều kiện hoạt động : Hình dạng thực tế: 48 Hình 3.14. Hình dạng thực tế của D718 - IC KA7805 -Công dụng lấy điện áp ra 5V cho mạch phía sau. -Điện áp vào 5V đến 18V -Điện áp ra 5V ( 4,8V đến 5,2V ) Hình dạng thực tế: Hình 3.15. Hình dạng thực tế của 7805 3.2.6. Sơ đồ mạch nghịch lƣu 3.2.6.1. Nguyên lí 49 Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lí mạch nghich lưu 50 Phân tích mạch điện: Đầu tiên IC 4047 phát ra sóng vuông với hai nửa chu kỳ. Để tần số hoạt động là 50Hz tính toán theo công thức T=2,48RC ta được thông số R,C như sơ đồ. Tín hiệu sóng vuông được xuất ra trên các chân 10,11 qua điện trở R2 tới tầng công suất.Tranzistor H1061 là tranz công suất tầm trung nhiệm vụ trong mạch là kích mở tầng tranz công suất lớn. Cụ thể khi có tín hiệu từ Ic 7805 đưa vào tranz mở khi đó điện áp của tín hiệu được khuyếch đại đủ để kích mở cặp tranz D718. Diot trong mạch có tác dụng bảo vệ tranz,nghĩa là nếu vô tình đặt ngược điện áp thì phần điện áp này sẽ chảy qua diot . Điện trở 1K tác dụng tránh dòng Ib bão hòa khi mạch điện chạy ở chế độ không tải. Cặp tranz công suất D718 hoạt động như một khóa điện tử đóng ngắt liên tục với tần số 50Hz của bộ phát xung .Từ sự đóng ngắt này dòng điện qua biến áp thay đổi theo dạng tín hiệu sóng vuông . Ở chu kỳ dương cuộn L1 của phần sơ cấp được cấp nguồn , điện áp ở đầu ra được khuyếch đại theo tỷ số vòng dây của biến áp. Lúc này đầu ra là chu kỳ dương . Ngược lại ở chu kỳ âm cuộn L2 của phần sơ cấp được cấp điện ,điện áp đầu ra là chu kỳ âm của tín hiệu. Do đó đầu ra của biến áp điện áp là dòng điện xoay chiều tần số 50Hz ,dạng sóng vuông. 3.2.6.2 Sơ đồ mạch in thực tế mạch nghịch lƣu 51 Hình 3.17. Sơ đồ mạch in mạch nghịch lưu 52 3.2.6.3. Ghép nối mạch nghịch lƣu vào bộ chuyển nguồn Vậy chúng ta đã hoàn thành xong phần mạch nghịch lưu kích dòng từ 12V một chiều lên 220V-Ac để cung cấp cho đèn.Khi sự cố mất điện lưới xảy ra,mạch chuyển nguồn sẽ ngắt đầu vào từ lưới và chuyển sang lấy điện từ acqui. Ta ghép nối 2 mạch đã thiết kế riêng rẽ thành 1 mạch convert như sau: Hình 2.9. Sơ đồ mạch convert Mạch trên chính là 2 mạch nghịch lưu và mạch tự chuyển nguồn kết hợp qua ngõ 12V.Từ mạch convert này khi mất điện từ lưới,điện áp acqui sẽ trở thành 220V xoay chiều và cung cấp đến mạch chấn lưu điện tử của đèn. 53 CHƢƠNG 4. THIẾT KẾ MẠCH TỰ ĐỘNG SẠC ACQUI CHO ĐÈN SỰ CỐ Bình ắc quy giúp cho ta có một nguồn điện năng tự chủ. Đó là các bình chứa hay tích trữ điện năng. Nhiệm vụ của nó là : khi cần thiết, năng lượng tích trữ này sẽ được giải phóng và sau đó có thể tích lũy năng lượng trở lại (quá trình phóng – nạp điện của ắc quy). Bình ắc quy được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị điện trong công nghiệp và đời sống hàng ngày. Ắc quy được chế tạo ra theo nhiều loại khác nhau nhưng phổ biến và thường gặp trong thực tế là ắc quy chì (hay ắc quy axit.) và ắc quy nickel (hay ắc quy kiềm) Thực tế acqui axit được sử dụng nhiều hơn do vài ưu điểm sau : -Sức điện động cao -Trong quá trình phóng,sự sụt áp của acqui axit thấp hơn so với acqui kiềm -Giá thành của acqui axit thấp hơn so với acqui kiềm -Điện trở trong của acqui axit nhỏ hơn so với acqui kiềm Bởi các lí do như vậy nên trong đồ án này ta sẽ chọn sử dụng acqui axit làm nguồn dự phòng cho đèn sự cố. 4.1. Khái quát về acqui 4.1.1. Khái niệm về ắc quy Ắc quy là thiết bị điện. Nó được dùng làm nguồn cung điện một chiều cho các thiết bị điện. Ắc quy có khả năng tích trữ điện năng dưới dạng điện điện hóa học và phục hồi năng lượng này dưới một nguồn điện nạp hợp lý. Các thông số cơ bản của acquy - Dung lượng của acquy : Là điện lượng của ăc quy đã được nạp đầy,rồi đem cho phóng điện liên tục với dòng điện phóng 1A tới khi điện áp của ăcquy giảm xuống đến trị số giới 54 hạn quy định ở nhiệt độ quy định. Dung lượng của ăcquy được tính bằng ampe-giờ (Ah) -Điện áp của acquy : Tuỳ thuộc vào nồng độ chất điện phân và nguồn nạp cho ăc quy mà điện áp ở mỗi ngăn của ăc quy khi nó được nạp đầy sẽ đạt 2,6V đến 2,7V(để hở mạch), và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là 1,7V đến 1,8V. Điện áp phụ thuộc vào số bản cực. -Điện trở trong của acquy : Là trị số điện trở bên trong của ăc quy, bao gồm điện trở các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực. Thường thì trị số điện trở trong của ăcquy khi đã nạp đầy điện là (0,001- 0,0015) Ω và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là (0,02-0,025) Ω 4.1.2. Các loại bình acqui -Acquy chì (hay ắc quy axít) Hai điện cực cơ bản là chì được nhúng vào trong bình cách điện có chứa chất điện phân. (nước + a xít sunfuric). Khi nạp điện và ắc quy (tích lũy điện năng cho ắc quy) thì dòng điện trong bình ở trong bình chạy từ cực dương sang âm; khi phóng thì dòng điện chạy ngược lại. -Acquy nickel (hay ắc quy kiềm) Nó gồm một bản cực dương dựa trên vật liệu cơ bản là kiềm (nickel) và một bản cực âm dựa trên vật liệu cơ bản là sắt và cát-đi-mi. Chất điện phân là dung dịch cácbônát-kali (KOH) 4.1.3. Quá trình biến đổi năng lƣợng trong acquy Ắc quy là nguồn năng lượng một chiều có tính chất thuận nghịch: nó tich trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc quy cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng 55 điện, quá trình ắc quy dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện. -Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy chì (ắc quy axít) Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc quy chì (ắc quy axít) có dung dich điện phân là axít sunfuric (H2SO4) nồng độ d = 1,1 ¸ 1,3% bản cực âm là Pb và bản cực dương là PbO2 có dạng: (- ) Pb ½ H2SO4 d = 1,1 ¸ 1,3 ½ PbO2 ( + ) Phương trình hóa học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc quy axít: -Phóng: PbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O -Nạp: Thế điện động e = 2,1 V. -Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc quy nickel (ắc quy kiềm) Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc quy nickel (ắc quy kiềm) có dung dich điện phân là KOH nồng độ d = 20 % bản cực âm là Fe và bản cực dương là Ni(OH)3 có dạng : ( - ) Fe ½ KOH d = 20% ½ Ni(OH)3 ( + ) Phương trình hóa học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc quy kiềm : -Phóng: Fe + 2NI(OH)3 Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2 -Nạp: Thế điện động e = 1,4 V. Nhận xét: 56 Từ phương trình hóa học quá trình phóng nạp của ắc quy, ta thấy trong quá trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân thay đổi. Khi ắc quy phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc quy nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy. 4.1.4.Các đặc tính của acqui axit : Mỗi ngăn của bình acqui là một acqui đơn có đầy đủ các tính chất đặc trưng cho cả bình. Sở dĩ người ta nối tiếp nhiều ngăn lại thành bình acqui là để tăng điện áp định mức của bình acqui. -Đặc tính phóng của acqui axit Đặc tính phóng của acqui là đồthị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức điện động,điện áp acqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi Hình 3.1. Đặc tính phóng của acqui axit Từ đồ thị ta có các nhận xét sau: 57 Trong khoảng thờ i gian phóng từ tp=0 cho tới thời điểm tp= tgh, sức điện động,điện áp và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thờ i gian này độ dốc của các đồ thị là không lớ n, ta gọiđó là giai đoạn phóng ổn định hay thờ i gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện (dòng điện phóng) của acqui. Từ thời điểm tgh trở đi,độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột nếu ta tiếp tục cho acqui phóng điện sau tgh thì sức điện động,điện áp của acqui sẽ giảm rất nhanh, mặt khác các tinh thể sunfat chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô,rắn, khó hoà tan (biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho acqui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của acqui,các giá trị Ep,Up,γ tại tgh gọi là các giá trị giới hạn phóng điện cho phép của acqui.Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động,điện áp của acqui, nồng độ của dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đólà thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của acqui,thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ăcqui (dòng điện phóng và thời gian phóng ). Để đánh giá khả năng cung cấp điện của các acqui có cùng điện áp danh nghĩa, người ta quy định so sánh dung lượng phóng điện thu đượ c của các acqui khi tiến hành thí nghiệm ở chế độ phóng điện cho phép là 20h (10h). Dung lượng phóng trong trường hợ p này đượ c kí hiệu là C20(C10). - Đặc tính nạp Đặc tính nạp của ăcqui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động,điện áp ăcqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi. 58 Hình 3.2. Đặc tính nạp của acqui axit Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét sau: - Trong khoảng thời gian nạp từ tn=0 đến tn= ts, sức điện động,điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần lên. - Tới thời điểm tn= ts trên bề mặt các bản cực xuất hiện các bọt khí do dòng điện điện phân nước thành ôxy và hyđrô (còn gọi là hiện tượ ng sôi ), lúc này trên điện thế giữa các cực của acqui đơn tăng tới giá trị 2,4 V. Nếu ta vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tớ i 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian nạp này gọi là thời gian nạp no, có tác dụng làm cho các phần chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi hoàn toàn, nhờ đó sẽ làm tăng them dung lượng phóng điện của acqui. Trong sử dụng, thời gian nạp no cho acqui thường kéo dài từ 2÷3 giờ , trong suốt thời gian đó, hiệu điện thế trên các cực của acqui và nồng độ dung dịch điện phân là không thay đổi. 59 Như vậy dung lượng thu được khi acqui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no acqui.Sau khi ngắt mạch nạp,điện áp, sức điện động của acqui, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của acqui sau khi nạp. 3.2. Các phƣơng pháp nạp acqui Ở các phần trên chúng ta đã lụa chọn loại acqui 12V 5Ah,dùng cho đèn sự cố nên ta dùng loại bình kín không cần bảo dưỡng.Với mục đích dễ dàng thay mới acqui khi hỏng chúng ta thiết kế một mạch nạp acqui riêng rẽ với các bộ phận khác. Với việc nạp acqui,nếu sau khi acqui đã nạp tối đa mà vẫn được sạc tiếp thì toàn bộ năng lượng chuyển vào khi đó sẽ trở thành nhiệt năng trên acqui,điều này là rất không có lợi cho acqui bởi nó sẽ gây giảm tuổi thọ acqui và hơn nữa là việc tiêu tốn năng lương vô ích. Acqui của đèn sẽ được kết nối với một mạch nạp tự động,mạch này có khả năng tự đo mức của acqui để sạc và ngắt khi acqui được nạp đầy. Có 3 phương pháp nạp ắc qui là: -Phương pháp nạp với dòng điện không đổi -Phương pháp với điện áp không đổi -Phương pháp nạp dòng áp 60 3.2.1. Phƣơng pháp nạp với dòng điện không đổi Hình 3.3. Sơ đồ nạp acqui với dòng điện không đổi Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp cho mọi loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng, sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sửa chữa cho ắc qui bị sunfat hóa. Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp nhau và phải thỏa mãn điều kiện: Un 2,7.Naq Trong đó: Un – điện áp nạp 61 Naq – Số ngăn acqui đơn Trong quá trình nạp, sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng nạp điệnkhông đổi, ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R.Trị số giới hạn của biến trở được xác định theo công thức : n aqn I NU R 0,2 Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài,người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 0,5) C20 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,05C20 . 62 3.2.2. Phƣơng pháp nạp với điện áp không đổi Hình 3.4. Sơ đồ nạp acqui với điện áp không đổi Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3V 2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Hiệu điện thế của nguồn nạp phải đượ c giữ ổn định với độ chính xác đến 3% và được theo dõi bằng vol kế.Dòng nạp In = (Un− Eaq)/ Raq Lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi Eaq tăng dần lên thì In giảm đi khá nhanh. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian. 63 Tuy nhiên phương pháp này ắc qui không được nạp no. Vì vậy nạp với phương pháp điện áp không đổi là phương pháp nạp bổ sung cho ắc qui trong quá trình sử dụng. 3.2.3. Phƣơng pháp nạp dòng áp Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. -Đối với ắc qui axit : Để đảm bảo thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn= 16h tương ứng với 75 - 80% dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là : In= 0,25C20 Vì theo đặc tính nạp của ắc qui thì trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó đảm bảo tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 16h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 20h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ sung thêm 2 - 3h. -Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do khả năng quá tảicủa ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp : In = 0,1C20 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp : In = 0,25C20 Các quá trình nạp ắc qui tự động bị kết thúc khi ngắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên hai cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không. Vì acqui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi acqui đói mà ta phải nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện 64 trong ắc qui sẽ tự động dâng nên không kiếm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến hỏng học nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chúng ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho ắc qui. Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển đến chế độ nạp acqui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không,kết thúc quá trình nạp. Nhận xét : Qua các phương pháp nạp trên ta lựa chọn phương pháp nạp với điện áp không đổi để phù hợp với nhu cầu bổ sung điện mỗi khi acqui thiếu điện của đèn sự cố. 3.3. Xây dựng mạch nạp acqui tự động Để nạp acqui thì phải căn cứ đến những yếu tố sau: -Điện áp ắc quy khi đầy: Ta dùng loại acqui 12V nên khi đầy điện áp acqui thường là 13,6 VDC đến 13,7 VDC. -Chế độ nạp : Có 4 chế độ nạp: * Nạp "thả nổi" : dòng nạp nhỏ hơn 1/15 dung lượng ắc quy trong 20 h. Ví dụ : ắc quy 5 Ah nạp thả nổi với dòng 0,33 A. 65 * Nạp vừa : dòng nạp bằng 1/7 đến 1/8 dung lượng ắc quy trong 8h --> 10h. Ví dụ : ắc quy 5 Ah nạp vừa với dòng 0,6 A đến 0,7 A. * Nạp nhanh : dòng nạp = 1/4 dung lượng ắcquy trong hơn 4h. Ví dụ : ắc quy 5 Ah nạp nhanh với dòng 1,25 A. * Vừa nạp vừa dùng : dòng nạp = 1/2 dung lượng ắc quy cho đến khi đầy (dưới 10 phút). Khi điện áp ắc quy xuống còn 11,8 VDC hay 11,9 VDC thì lại nạp. Tuy nhiên nạp acqui càng nhanh thì tuổi thọ acqui sẽ giảm càng nhanh,nên thường không sử dụng các dòng nạp cao.Trong mach thiết kế chúng ta sẽ sử dụng dòng nạp bằng 1/10 dung lượng acqui,tức là 0,5 A. - Nguồn nạp : Nguồn nạp phải có điện áp cao hơn điện áp đầy của ắc quy. Tốt nhất là nạp bằng nguồn chỉnh lưu, chỉ nắn mà không lọc (không lọc bằng tụ). Khi nắn ra ta có điện thế đỉnh Vp = 12 * = 12 * 1,414 = 16,768 V Đạt yêu cầu điện áp và cường độ nạp. 3.3.1. Các linh kiện chính cho mạch sạc acqui a. Máy biến áp: Chọn máy biến áp ở mạch này người ta thường chọn biến áp có ngõ ra 12V và 15V,dòng bằng 1/2 dung lượng ắcqui để có thể dùng được nhiều chế độ nạp nếu cần. 66 Ở đây ta lấy biến áp 3A,ngõ ra 15V. b.Pic 16F684 Pic 16F684 có 14 chân,ADC 10 bit,dưới dây là sơ đồ chân : Hình 3.5. Sơ đồ chân Pic 16F684. Hình dạng thực tế: Hình 3.6. Hình dạng thực tế Pic 16F684 c. IC KA7805 -Điện áp vào 5V đến 18V -Điện áp ra 5V ( 4,8V đến 5,2V ) 67 Ngoài ra còn một số diode,tụ 35V,điện trở nhiệt 3.3.2. Sơ đồ nguyên lí mạch nạp ăcqui tự động Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lí mạch nạp acqui tự động Đây là sơ đồ nạp acquy kiểu nạp áp không đổi với Pic16F684 là bộ xử lý trung tâm cho mạch. -Các mạch lấy tín hiệu dùng trở phân áp gồm có:R2-R3, R7-R8,lấy thông tin về cho VĐK. -Các diode ổn áp 5v D6,D1 mắc tại đầu vào vi điều khiển với mục đích bảo vệ đầu vào chống vượt quá 5v gây hỏng Port của vi điều khiển. -Role dùng để cấp điện áp nạp cho acquy, có 1 điện trở nhiệt R5 để hạn chế dòng nạp.Khi nạp sẽ gây nóng điện trở này. 68 -Transistor Q1(D468) dùng để cấp nguồn cho cuộn hút role. -Nguồn 15vdc cấp cho mạch được lấy từ điện áp thứ cấp của biến áp nhờ cầu chỉnh lưu hoặc lấy điện về từ acquy nếu mất nguồn, tất cả được mắc tới đầu vào nguồn của IC ổn áp LM7805. -Các diode D7-D8 có nhiệm vụ chống lan áp, dòng ngược từ acquy sang mạch lấy tín hiệu có điện áp lưới( R2-R3) và chống áp VDC trực tiếp từ nguồn nạp tới acquy để bắt buộc phải qua role. -Mạch có đèn led báo nguồn. Khi điện áp xuống tới 11V thì ADC của Pic sẽ phát hiện và mạch sẽ tự động sạc cho acqui.Khi acqui được no role sẽ được điều khiển ngắt bộ sạc khỏi nguồn. Trong trạng thái bình thường,mạch luôn được nuôi sống với biểu hiện là đèn led sáng,Pic luôn sẵn sàng kiểm tra dung lượng acqui cũng như nhận biết trạng thái nguồn lưới để đưa ra tín hiệu điều khiển mạch. 3.3.3. Chƣơng trình điều khiển tự động nạp acqui #include #device *=8 #FUSES NOWDT //No Watch Dog Timer #FUSES HS //High speed Osc (> 4mhz for PCM/PCH) (>10mhz for PCD) //#FUSES NOPUT //No Power Up Timer #FUSES MCLR //Master Clear pin enabled #FUSES NOPROTECT //Code not protected from reading //#FUSES NOCPD //No EE protection //#FUSES NOBROWNOUT //No brownout reset #use delay (clock=20000000) 69 #byte PortC= 0x07 #bit Role_Acquy =PortC.1 unsigned int8 data[2]={},check=0; int1 enable_time=0; unsigned int16 time=0; #INT_RTCC void RTCC(void)// CT phuc vu ngat { if(enable_time==1)// Neu yeu cau tao tre { time--; if(time==0) { enable_time=0; } } if(check<2) { Set_Adc_Channel(7);//Chuan bi doc dien ap luoi if(check) { data[check-1]=Read_Adc();// lay Adc } 70 check++; //Check=1 } else if(check<4) { Set_Adc_Channel(6);//Chuan bi doc dien ap acquy if(check==3) { data[check-2]=Read_Adc();// lay Adc } check++;// Check=4 if(check==4) { check=0;// Da doc xong cac dau vao Adc } } } void delay(unsigned int16 t) { time=t<<1;//Nhan doi thoi gian enable_time=1; while(enable_time!=0) { } t=0; } void status_init(void) 71 { Role_Acquy=0; } void operation(void) { //_____________________CT kiem soat va nap acquy______________ if(data[0]>20)// Neu co dien ap tu luoi 220VAC { if(data[1]>68)// Acquy Full { Role_Acquy=0;//Tat role nap acquy } else if(data[1]<50)// Acquy mising { Role_Acquy=1;// Nap Acquy } } else if(data[0]<10)// Neu ko co dien ap tu luoi 220VAC { Role_Acquy=0;//Tat role nap acquy } } 72 void main() { Setup_Adc_Ports(sAN4|sAN6|sAN7|VSS_VDD);// Khai bao cac chan lam Adc Setup_Adc(Adc_Clock_Div_2); //Clock chia 2 Setup_Timer_0(RTCC_Internal|RTCC_Div_16|RTCC_8_Bit);// Khai bao dung timer 0 Set_Timer0(96);// Thoi gian tran Timer0 la 512us Enable_Interrupts(Int_RTCC); delay_ms(100);//Tre on dinh 100ms enable_interrupts(GLOBAL);//Cho phep cac ngat duoc hoat dong Set_Tris_A(0b11111011);// Thiet lap PortA set_tris_C(0b11111101);// Thiet lap PortC status_init();// Khoi tao ban dau 73 while(1) { delay(512); operation(); } KẾT QUẢ Mô hình với các tính năng của đèn sự cố đã được thiết kế và thực hiện.Việc chuyển đổi được đề xuất đã được thiết kế theo kỹ thuật sau: 1. Điện áp vào: 220 V/50 Hz; 2. Pin điện áp: 12V; 3. Kiểm tra đèn: hai đèn 8W huỳnh quang. Hệ thống hiệu quả tổng thể là khoảng 80%, trong đó thiệt hại chủ yếu là do rò rỉ điện cảm của biến áp. Theo chế độ bình thường, các chức năng chuyển đổi như là một chấn lưu điện tử thông thường, khi mất điện, bộ chuyển đổi sẽ tự động chuyển ngay sang được chế độ pin mà không đợi lâu. 3.3.5. Hình ảnh mô hình trong thực tế 74 Hình 3.9. Hình ảnh mô hình trong thực tế