Thiết kế bộ nạp ác quy tự động với các thông số sau

lượng phóng trong trường hợp này được kí hiệu là C20. I.3.4. Đặc tính nạp của acqui: Đặc tính nạp của acqui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi. Hình I.3. Sơ đồ mạch nạp và đường đặc tính nạp 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 tượng sôi), lúc này trên điện thế giữa các cực của acqui đơn tăng tới giá trị 2,4V. Nếu ta tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7V và giữ nguyên. Thời gian nạp này gọi là thời Khoản g nghỉ 1,95V Vùng nạp chính 5 10 0 10 1 ts (2÷3) h Vùng nạp no t,h I (A) U,E (V) 2 Bắt đầu sôi 2,4V 2,1V Eaq Eo 2,7V 2,4V Un Cn= In tn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 9 Lớp: TĐH2_CĐK49 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 thêm dung lượng phóng điện của acquy. Trong sử dụng, thời gian nạp no cho acquy thường kéo dài từ 2÷3 giờ, trong suốt thời gian đó, hiệu điện thế trên các cực của acquy và nồng độ dung dịch điện phân là không đổi. Như vậy dung lượng thu đuọc khi acquy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no acquy. Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của acquy sau khi nạp. Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của acquy. Dòng điện nạp điện nạp định mức đối với acquy qui định bằng 0,1.C20. II. CÁC PHƯƠNG PHÁP NẠP ĐIỆN CHO ACQUI. II.1. Phương pháp nạp acquy với dòng nạp không đổi. Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép cho dòng điện thích hợp cho từng loại acquy, đảm bảo cho acquy được nạp no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng, sửa chữa để nạp điện cho các acquy mới hoặc nạp điện cho các acquy bị sunfat hoá. Với phương pháp nạp này các ác quy được mắc nối tiếp với nhau và phải thoả mãn điều kiện: Un ≥ 2,7 Naq. Trong đó: Un : Điện áp nạp (V). Naq: Số ngăn acquy đơn mắc trong mạch nạp. V V D A +- D A + - R R + + - - A Un Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 10 Lớp: TĐH2_CĐK49 Hình I.4. Nạp với dòng điện không đổi Trong quá trình nạp, sức điện động của acquy tăng dần, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố chí 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 này nạp với dòng áp không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các acquy đưa vào nạp phải có cùng cỡ dung lượng định mức. Để khăc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài người ta đã sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp nạp hai nấc thì dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3÷ 0,5)C20 và kết thúc nạp ở nấc một khi acquy bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai bằng 0,05C20. II.2. Phương pháp nạp acquy với điện áp nạp không thay đổi. Phương pháp nạp acquy với điện áp nạp không thay đổi yêu cầu các acquy được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không thay đổi và được tính bằng từ (2,3÷ 2,5)V cho một ngăn acquy đơn. Hình I.5. Nạp với điện áp không đổi Hiệu điện thế của nguồn nạp phải được giữ ổn định với độ chính xác đến 3% và được theo dõi bằng vônkế. Un A V Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 11 Lớp: TĐH2_CĐK49 Dòng nạp: aq aqn n R EU I −= lúc đầu là rất lớn sau đó khi Eaq tăng dần lên thì In giảm đi khá nhanh. Phương pháp nạp với điện áp nạp không thay đổi có thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm dần theo thời gian. Tuy nhiên dùng phương pháp này acquy không nạp được no, vì vậy phương pháp nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho acquy trong quá trình sử dụng. Để khắc phục nhược điểm và tận dụng được hết những ưu điểm của các phương pháp trên, ta kết hợp hai phương pháp nạp lại thành phương pháp dòng – áp. Đây cũng là phương pháp nạp mà chúng ta chọn để thiết kế mạch điều khiển cho nguồn nuôi nạp tự động trong đồ án này. II.3. Phương pháp nạp dòng áp. Đây là phương pháp nạp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được những ưu điểm của hai phương pháp trên. Đối với yêu cầu của đề bài là nạp acqui tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp acqui là phương pháp dòng áp. Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn=16h tương ứng với 75÷ 80% dung lượng acqui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1C20. Vì theo đặc tính nạp của acqui trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 16h acqui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 20h thì acqui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2÷ 3h. Các quá trình nạp acqui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của acqui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không. II.4.Kết luận: + Vì tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi acqui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong acqui sẽ dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi acqui dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho acqui. + Khi dung lượng acquy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì acqui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp acqui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi acqui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của acqui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp. Do vậy đối với acquy axit ta nạp với các dòng điện nạp: + Dòng nạp ổn định In = 10% C20. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 12 Lớp: TĐH2_CĐK49 + Dòng nạp cưỡng bức In= (0.3÷0.5)C20. ¾ Từ các phân tích ở trên: - Ta tiến hành nạp acqui với dòng điện nạp không đổi: In = 0,1x40 = 4 A - Để đáp ứng yêu cầu của công nghệ cũng như hiệu quả kinh tế ta chọn phương pháp nạp acqui hỗn hợp dòng áp. - Với số lượng acquy là 100 chiếc, ta nạp điện cho acqui theo phương pháp hỗn hợp dòng áp: Mắc thành 10 dãy song song, mỗi dãy có 10 acqui nối nhau. + Dòng điện nạp In = 0,1x40x10 = 40A. + Điện áp nạp Un = 2,7x6x10 = 162V. V D A + - R + + - - A Un …… …… …… …… … … 10 dãy 10 acqui Hình I.6. Phương pháp nạp điện cho acqui Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 13 Lớp: TĐH2_CĐK49 CHƯƠNG II PHƯƠNG ÁN CHỈNH LƯU ------------------------------ I. VẤN ĐỀ CHUNG. Bộ chỉnh lưu là thiết bị dùng để chuyển đổi nguồn xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều. Trong kỹ thuật có nhiều phương án chỉnh lưu như: chỉnh lưu không điều khiển (chỉnh lưu điốt), chỉnh lưu điều khiển (chỉnh lưu tiristor), chỉnh lưu một pha, ba pha, sáu pha. Tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể mà ta chọn lựa các phương án chỉnh lưu phù hợp nhằm đáp ứng được các chỉ tiêu về mặt kỹ thuật và kinh tế. Vì yêu cầu là chỉnh lưu điều khiển nên ta chọn phương án chỉnh lưu tiristor và sau đây là một số sơ đồ chỉnh lưu điều khiển Tiristor cơ bản. II. MỘT SỐ SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN TIRISTOR. II.1. Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha đối xứng. II.1.1. Sơ đồ nguyên lí. Tải : R + L U1 ~ Rd Ld T4 T1 T2T3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 14 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.1.2. Dạng điện áp. Hình II.1. Mạch chỉnh lưu điều khiển cầu một pha t t t t t t t 1i IT2 IT1 id Ung Ud GU U G1G2αG1α α 3Π2ΠΠ0 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 15 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.1.3. Nguyên lí hoạt động. + Trong khoảng (α ÷ π): T1 và T3 dẫn, Id = IT1 =IT3, Ud=U21. + Trong khoảng (π+α ÷ 2π): van T2 và T4 dẫn, Id= IT2= IT4, Ud=U22. + Trong khoảng (2π ÷ 3π+α): van T1 và T3 dẫn, Ud=U21. Quá trình được lặp đi lặp lại ở các chu kì tiếp theo. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN + Điện áp trên tải: Ud = π2 1 θθ π dU .sin..2 2 2 0 ∫ = π1 θθ απ α dU .sin..2 2∫+ = ( )[ ]απαπ +− coscos22 2U + Dòng điện trên tải: Id = d d R U + Dòng điện qua van: IT = 2 dI + Điện áp ngược trên van: Ungmax = 1,41U2 + Dòng điện phía thứ cấp: I2 = 0,58Id + Dòng điện phía sơ cấp: I1 = 1,11.Id.Kba + Công suất tải: Pd = Ud.Id + Công suất máy biến áp: Sba = 1,23 Pd II.1.4.Nhận xét: Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu một pha đối xứng có cấu tạo phức tạp hơn mạch chỉnh lưu điều khiển một pha có điểm trung tính. Mạch sử dụng nhiều kênh điều khiển hơn, điện áp và dòng điện liên tục trong suốt quá trình làm việc. Mạch thường được sử dụng trong những mạch có công suất nhỏ và vừa. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 16 Lớp: TĐH2_CĐK49 II .2. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng. II.2.1. Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp. Với tải : Rd + Ld α α α/2 U1 ~ Rd Ld T2 T1 D1D2 ud id iT1 iD2 iT2 iD1 i2 0 0 0 0 0 0 θ θ 0 θ θ 0 θ θ θ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 17 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.2.2. Nguyên lý hoạt động. Trong sơ đồ các điốt Đ1, Đ2 vẫn mở tự nhiên ở đầu các nửa chu kỳ: Đ1 mở khi u2 âm; Đ2 mở khi u2 dương. Các Tiristo mở theo góc mở α . Tuy nhiên các van khoá theo nhóm: Đ1 dẫn sẽ làm T1 (cùng nhóm catốt chung) khoá, T1 dẫn sẽ làm Đ1 khoá; Tương tự Đ2 dẫn thì T2 khóa, T2 dẫn thì Đ2 khoá. Khi θ = α cho xung điều khiển mở T1. Trong khoảng θ = (α ; π): T1, Đ2 dẫn, ud = u2. Trong khoảng θ = ( π ; π+α ): Đ1, Đ2 dẫn; Đ1 dẫn ở π và làm T1 khoá; T2 chưa khoá nên Đ2 còn mở chưa khoá. Trong khoảng θ = (π+α ; 2π): Đ1, T2 dẫn; T1 dẫn làm D2 khoá, ud = -u2. Trong khoảng θ = ( 2π ; 2π+α ): T2, Đ2 dẫn. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN: + Điện áp tải: Ud = π 2 U2(1 +cosα) + Dòng điện tải: Id = Rd Ud + Dòng điện qua van Tiristor: IT = π απ 2 − Id + Dòng điện qua điốt: ID= ∫ +απ α2 1 Iddθ = π απ 2 + Id + Dòng điện thứ cấp: I2 = Id π α−1 + Điện áp ngược lớn nhất qua van: Ungmax = 2.83U2 + Công suất tải: Pd =Ud Id Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 18 Lớp: TĐH2_CĐK49 + Công suất máy biến áp: Sba = 1.48 Pd II.2.3. Nhận xét. + Hệ số cosϕ của sơ đồ cầu không đối xứng cao hơn so với sơ đồ cầu đối xứng. + Sơ đồ này không cho phép làm việc ở chế độ nghịch lưu phụ thuộc. + Mạch thường được sử dụng với tải có công suất nhỏ và vừa. + Số van giảm so với sơ đồ cầu đối xứng giá thành hạ. II.3. CHỈNH LƯU ĐIỂN KHIỂN CẦU BA PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG. II.3.1. Sơ đồ nguyên lí. UC T1 Hình II.3. Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3F. D4 T3 D6 T5 D2 Rd U B UA Uc U b Ua Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 19 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.3.2. Dạng điện áp. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 20 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.3.3. Nguyên lí hoạt động. Ud Id iT1 iD4 Id ia Id Id θ θ θ θ D6 D2 D4 D6 T3T1 ua T5 T1 ub uc θ D2 ua θ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 21 Lớp: TĐH2_CĐK49 Trong sơ đồ này sử dụng: + 3 Tiristor ở nhóm Katot chung. + 3 Diot ở nhóm Anot chung. Giá trị trung bình của điện áp trên tải: Ud = Ud1 – Ud2 Trong đó: + Ud1 là thành phần điện áp do nhóm Katot chung tạo nên. + Ud2 là thành phần điện áp do nhóm Anot chung tạo nên. πθθπ απθθπ απ απ απ απ 2 63sin2 2 3 cos 2 63sin2 2 3 2 6 11 6 7 22 2 6 11 6 7 21 UdUU UdUU d d == == ∫ ∫ − − − − Vậy : )cos1(2 U63U 2d α+π= Điện áp thứ cấp máy biến áp: ) 3 2sin(39U ) 3 2sin(39U sin39U c b a π+θ= π−θ= θ= Giá trị trung bình của dòng tải: R UI dd = Giá tri trung bình của dòng chảy trong Tiristor và Diot: 3 d DT III == Giá trị điện áp ngược lớn nhất: 2max 6UUng = Công suất tải: Pd = Ud. Id Công suất máy biến áp: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 22 Lớp: TĐH2_CĐK49 dba PS 3 π= II.3.4. Nhận xét. Tuy điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản, kích thước gọn nhẹ hơn. II.4.Kết luận. Qua phân tích để lựa chọn sơ đồ đáp ứng được yêu cầu công nghệ cũng như kinh tế ta thấy: + Dùng sơ đồ chỉnh lưu đối xứng và chỉnh lưu không đối xứng cầu ba pha cho chúng ta chất lượng điện áp và dòng điện tốt nhưng mạch sử dụng nhiều kênh điều khiển do vậy việc thiết kế mạch phức tạp, mạch sử dụng nhiều Tiristor nên giá thành cao không kinh tế. Do vậy ta chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng. Mạch có những ưu điểm sau: + Hiệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ như cầu 1pha đối xứng. + Đơn giản hơn vì số lượng Tiristor giảm xuống chỉ còn 2 nên mạch điều khiển có it kênh điều khiển hơn, bảo đảm kinh tế hơn. + Cùng một dải điều chỉnh điện áp một chiều thì cầu không đối xứng điều khiển chính xác hơn. CHƯƠNG III Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 23 Lớp: TĐH2_CĐK49 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC I. Sơ đồ mạch lực. +- ……… 10 dãy 10 acqui RS Rf T1 T2 D1 D2 AT ~ R0C0 R0 C0 … … ……… ……… … … A Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 24 Lớp: TĐH2_CĐK49 AT: Aptômat có nhiệm vụ bảo vệ quá tải, ngắn mạch đồng thời làm nhiệm vụ đóng cắt điện cho mạch lực. R-C: Mắc song song với các tiristor có tác dụng bảo vệ các tiristor khỏi quá áp khi chuyển mạch. V : Vônkế đo điện áp tải. A : Ampekế đo dòng tải. Rs : Điên trở sun lấy tín hiệu phản hồi dòng về mạch điều khiển. Rf : Lấy tín hiệu phản hồi áp về mạch điều khiển II. TÍNH TOÁN MẠCH LỰC. Số liệu cho trước: Điện áp nguồn một pha : U1= 220V; f = 50Hz. Dung lượng nạp : C = 40 Ah Số lượng acqui : n = 100. Do đó: + Dòng điện nạp : In = 40 A. + Điện áp nạp : Un = Ud = 162 V. + Chọn góc điều khiển : α = 300 II.1. Tính chọn van. Từ công thức: dU = )cos1( 2 2 απ + U . Điện áp Ud đạt max khi góc α = 0. V UU d 9,179 22 162.14,3 22 max 2 === π Điện trở nạp: Ω=−=−= 05,0 40 60.2162.0,2 n aqn I NU R Dòng điện nạp chạy qua Tiristor: AII dT 68,1614,3.2 52,014,3.40 2 . =−=−= π απ . Dòng điện chạy qua Diôt: AII dD 31,2314,3.2 52,014,3.40 2 . =+=+= π απ . Giá trị của dòng chạy qua cuộn thứ cấp của cuộn biến thế: AII d 54,3614,3 52,01.4012 =−=−= π α Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 25 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp ngược đặt lên Tiristor và Diot: VxUU ng 42,2549,17922 2 === Chọn van: Để đảm bảo cho các van hoạt động tốt chúng ta chọn van phải nhân thêm hệ số dự trữ : + Hệ số dự trữ về điện áp: ku = 1,6. + Hệ số dự trữ về dòng điện: ki =1,2. + Chọn van chịu được điện áp ngược : VxU ng 40742,2546,1 == + Dòng điện trung bình chạy Diot là: AxID 972,2731,232,1 == + Dòng điện trung bình chạy qua Tiristor: AIT 2068,16.2,1 == Do vậy tra sổ tay ta được: Chọn 2 Tiristor T35N500BOF(bảng p.2 trang 211 sách Tính toán và thiết kế các thiết bị Điện tử công suất _Trần Văn Thịnh) có các thông số như sau: + Dòng điện làm việc cực đại: Iđm = 35A. + Điện áp ngược cực đại đặt nên van: Ung = 500V. + Tổn thất điện áp: ∆U = 2V. + thời gian chuyển mạch(mở và khoá): tcm = 120µs. + Giá trị dòng điều khiển: Ig = 120 mA. + Điện áp điều khiển: Ug = 1,4 V. + Dòng điện tự giữ: Ih = 200mA. + Dòng điện rò: Ir = 20mA. + Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 125 0C. Chọn 2 Diôt S6460P-G (bảng p.1 trang 211 sách Tính toán và thiết kế các thiết bị Điện tử công suất _Trần Văn Thịnh) có các thông số như sau: + Dòng điện chỉnh lưu cực đại: Imax =30A. + Điện áp cực của Điốt : Ung = 500V. + Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của Diot: ∆U = 1,2V. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 26 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.2. Tính toán mạch bảo vệ quá điện áp. Tiristor và Diôt cũng rất nhậy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức ta gọi là quá điện áp, vì vậy cần mắc thêm mạch bảo vệ quá điện áp. Người ta chia ra 2 loại nguyên nhân gây nên quá điện áp: + Nguyên nhân nội tại: Đấy là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khoá Tiristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, luôn luôn có, của đường dây nguồn dẫn đến các Tiristor. Vì vậy giữa các anôt và catôt của Tiristor xuất hiện quá điện áp. + Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi cắt đóng tải một máy biến áp trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ chảy, khi có sấm sét... Để bảo vệ mạch quá áp người ta thường dùng mạch R – C: Mạch R – C đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên. Mạch R – C đấu giữa các pha thứ cấp của máy biến áp là bảo vệ quá điện áp do đóng cắt tải ( dòng điện từ hoá ) máy biến áp gây nên. Thông số của R – C phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện từ hoá máy biến áp.v.v… t t Dạng điện dòng điện và điện áp UAC i Mạch bảo vệ quá áp R C D Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 27 Lớp: TĐH2_CĐK49 Tính toán: - Hệ số quá điện áp: im pim Ub U k . .= + k - hệ số quá điện áp. + impU - giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt nên Diôt hoặc Tiristor một cách chu kỳ. + b – hệ số dự trữ về điện áp, b =1 ÷ 2, lấy b = 1,6. + imU giá trị cực đại điện áp thực tế đặt nên Diôt hoặc Tiristor VUU ngim 42,254== Như vậy ta có: 23,1 42,254.6,1 500 . . === im pim Ub U k + Xác định các thông số trung gian, C*min(k), R*max(k), R*min(k). Sử dụng các đường cong trong sổ tay tra cứu ta có C*min(k) = 6; R*max(k) = 1,2; R*min(k) = 0,56 (tra trong đồ thị hình X.9 trang 262 Sách điện tử công suất _ Nguyễn Bính). + Xác định maxt i d d khi xảy ra trùng dẫn ta có phương trình t i C d dLtU =+ )sin(2 2 αω ⇒ maxt i d d = CL U 22 (với LC = 0,2mH). ⇒ maxt i d d = CL U 22 = sAsA μ/27,1/10.72,126510. 2,0 9,179.2 33 ≈= + Xác định Q, sử dụng các đường cong Q = f( t i d dI , ) Với sA d d AI t i d μ/27,1;40 == (tra trong đồ thị hình X.10 trang 263 sách Điện Tử Công Suất – Nguyễn Bính). Ta có Q = 30Aμ s. + Xác định R, C Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 28 Lớp: TĐH2_CĐK49 FC U QC im μ41,1 42,254 6.30.2..2 *minmin === Q UL RR Q UL R imim 2 . 2 . * max * min ≤≤ 6 3 6 3 10.30.2 42,254.10.2,02,1 10.30.2 42,254.10.2,056,0 − − − − ≤≤⇒ R 95.3431,16 ≤≤⇒ R Ta chọn theo giá trị chuẩn: R = 26Ω , C = 1,5 Fμ II.3. Tính Toán Máy Biến áp. Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp: U2 = 179,9V. Giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp máy biến áp:. I2 =36,54A. + Công suất biểu kiến MBA: S2 = U2.I2 = 179,9x36,54= 6573,55 (VA) = 6,57355 (KVA) Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện trụ tính theo công thức: fC SKQ . 2= Trong đó : - C = 1 : Số trụ mạch từ - S2 = 6573,55 : Công suất MBA - f =50 : Tần số nguồn - K = 5 ÷ 6 chọn K = 5 )(33,5750.1 55,65735 2cmQ == Đường kính trụ: cmQd 5,8 14,3 33,57.44 === π Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn ( bảng 4.2a - Phụ lục sách thiết kế máy biến áp – Phan Tử Thụ): d = 9 cm + Chọn loại thép, các lá thép có độ dày 0.5 mm. + Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 1,1 (T). + Chọn tỉ số: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 29 Lớp: TĐH2_CĐK49 M = d h = 2,3 →H = M.D = 2,3 x 8,5 = 19,55(cm) + Chọn chiều cao trụ h = 21 cm. Tính toán dây quấn: + Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp: 158 1,1.10.33,57.50.44,4 220 ...44,4 4 1 1 === − TFe BQf UW (vòng) + Số vòng dây mỗi pha thứ cấp của máy biến áp: 1 1 2 2 .WU UW = . = 130158. 220 9,179 = (vòng) + Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp: +Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp: )/(75.2 221 mmAJJ == + Dòng điện sơ cấp của máy biến áp là: A U IUI 88.29 220 54,36.9,179. 1 22 1 === + Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp. )(8,10 75,2 88,29 2 1 1 1 mmJ IS === + Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp. )(28,13 75,2 54,36 2 2 2 2 mmJ IS === Chọn dây quấn hình chữ nhật: + Tiết diện S1 = 11.1 mm2, a = 1.45mm, b= 8mm. + Tiết diện S2 = 14 mm2, a = 2,24mm, b= 6,40mm. Tra bảng p.5 trang 234_ Tính toán và thiết kế thiết bị điện tử công suất_Trần Văn Thịnh. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 30 Lớp: TĐH2_CĐK49 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU. - Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi tiristor, nó có vai trò quyết định đến chất lượng, độ tin cậy của bộ biến đổi. Mạch điều khiển rất đa dạng nhưng với hệ thống mạch lực cụ thể của mạch nạp cần có một hệ điều khiển thích ứng. Với mạch này, hệ điều khiển sẽ phát xung mở hai tiristor T1, T2. Các tiristor sẽ mở khi thoả mãn đồng thời hai điều kiện: - Một điện áp dương đủ lớn đặt lên hai cực của tiristor theo hướng từ anôt đến katôt. - Xung điện áp dương đưa vào cực điều khiển đủ lớn về biên độ, độ rộng. Để làm thay đổi điện áp ra tải chỉ cần thay đổi thời điểm phát xung điều khiển, tức là thay đổi góc mở α cuả các van. Ưu điểm của tiristor là chỉ cần dòng và áp điều khiển nhỏ nhưng có thể chịu được áp và dòng rất lớn chảy qua. - Hệ thống mạch điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu sau: + Phát xung điều khiển chính xác vào đúng thời điểm mà người thiết kế đã tính toán sẵn. + Các xung điều khiển phát ra phải đủ lớn về biên độ và độ rộng đề mở các van. + Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao và đảm bảo được phạm vi điều chỉnh góc mở α. + Dạng xung được điều chỉnh thích hợp và tác động nhanh. + Đảm bảo hoạt động tốt, độ tin cậy cao khi điện áp nguồn thay đổi giá trị biên độ. Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện ra tải và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá dòng hay ngắn mạch tải. Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 31 Lớp: TĐH2_CĐK49 II. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG. Dựa vào nguyên tắc điều khiển và yêu cầu của công nghệ ta thiết lập được sơ đồ khối của bộ điều khiển: Trong đó: Ung: Điện áp nguồn Uđk: Điện áp điều khiển II.1.Nguyên tắc điều khiển: Để điều chỉnh góc mở của các tirisor trong nửa chu kì điện áp dương ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos. II.1.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính: Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ (ur), đồng bộ với điện áp dặt trên cực A – K của tirisor, thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh. - Điện áp điều khiển (uc) - điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ, thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh. ur m ur 0 α α π 2π uc t ĐF Utựa KĐX BĐC Ud Uph Uđk Ung BĐK BAX Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 32 Lớp: TĐH2_CĐK49 Bấy giờ hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là: ud= uc- ur Mỗi khi uc= ur thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được “ sườn xuống” của điện áp đầu ra của khâu so sánh. “Sườn xuống” này thông qua đa hài một trạng thái ổn định tạo ra một xung điều khiển. Như vậy, bằng cách làm biến đổi uc người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh được góc mở α của tirisor. Giữa α và uc có quan hệ: mr c U u . πα = Người ta lấy Ucmax = Ur m II.1.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”: Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ (ur), vượt trước uAK=Um.sinω t của tiristor một góc là 2 π : us=Um.cos tω - Điện áp điều khiển (uc) - điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ(theo hai chiều dương và âm). Nếu đặt u2 vào cổng đảo và uc vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi ur=uc ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này lật trạng thái: Um.cosα =uc. t uc (ur + uc) ur ur 0 α Hình 4.3: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “ARCCOS” Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 33 Lớp: TĐH2_CĐK49 Do đó: α=arccos ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ m c U u . Khi uc= Um thì α=0. Khi uc=0 thì α= 2 π . Khi uc = -Um thì α=π . Như vậy, khi điều chỉnh ucmtừ trị uc= +Um đến trị uc= -Um, ta có thể điều chỉnh được góc mở α từ 0 đến π. Nguyên tắc điều khiển này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. II.2. Khâu đồng pha (ĐF): Có nhiệm vụ tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp biến áp mạch lực. Khâu này có chức năng xác định điểm gốc để tính góc điều khiển α. Vì vậy nó có góc pha liên hệ chặt chẽ với điện áp mạch lực. Thông thường khâu đồng pha còn làm nghiệm vụ cách ly giữa mạch lực điện áp cao với mạch điều khiển điện áp thấp. Hình IV.1: Sơ đồ khối đồng pha. Tín hiệu đồng bộ có thể lấy từ biến áp lực cũng có thể lấy từ một biến áp khác. Do trong mạch điều khiển có nhiều khâu sử dụng nguồn điện áp thấp nên chúng ta dùng một biến áp có quấn nhiều cuộn dây thứ cấp, mỗi cuộn có một chức năng riêng biệt, trong đó sử dụng cuộn có điện áp 0V-12V-24V dùng cho khâu đồng bộ. Mạch tạo xung đồng bộ được lấy từ điện áp lưới U = 220V, f=50Hz, trùng pha với điện áp đặt nên cuộn sơ cấp của biến áp động lực. Hai điôt D2 và D3 làm nhiệm vụ chỉnh lưu tạo ra tín hiệu U1 làm ngưỡng để so sánh với tín hiệu một chiều. Giá trị điện áp một chiều sau chỉnh lưu là: VUUdUU 8,1012.9,0.9,022sin2 2 1 22 0 21 ===== ∫ πθθπ π R0 D4 D3D2 R2 D3 Ung 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 34 Lớp: TĐH2_CĐK49 Ta chọn 2 Diot D1 và D2 là diot IN4007. II.3. Khâu tạo xung đồng bộ. Điện áp U1 được so sánh với điện áp U0 để tạo ra các tín hiệu tương ứng với thời điểm điện áp nguồn đi qua điểm không. U0 càng nhỏ thì xung U2 càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn Nựa chọn αmax = 1750 thì U0 = 02 5sin2U (IV.1) Chức năng riêng biệt, trong đó sử dụng cuộn có điện áp 0V-12V-24V dùng cho khâu đồng bộ. Mạch tạo xung đồng bộ được lấy từ điện áp lưới U = 220V, f=50Hz, trùng pha với điện áp đặt nên cuộn sơ cấp của biến áp động lực. Hai u1 urss 0 0 t t u0 u u2 0 t Hình IV.2. Khâu tạo xung đồng bộ Hình IV.3. Dạng điện áp khâu tạo xung đồng bộ R3 R4 R5OA2 R4 R3 R5 +E _ + D11 2 U0 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 35 Lớp: TĐH2_CĐK49 điôt D2 và D3 làm nhiệm vụ chỉnh lưu tạo ra tín hiệu U1 làm ngưỡng để so sánh với tín hiệu một chiều. Từ phương trình IV.1 ta có 0U = V48,1087,0.12.25sin.12.2 0 == . Ta có : 434 0 RR E R U += 434 1248,1 RRR +=⇒ 443 12)(48,1 RRR =+⇒ 43 52,1048,1 RR =⇒ 1,7 4 3 =⇒ R R Để tổn thất trên điện trở nhỏ chúng ta chọn R4 = 4,7KΩ, R3 = 33KΩ,R5= 2,2KΩ. II.4. Khâu tạo điện áp tựa (Utựa ): Tạo điện áp có dạng cố định ( tam giác, răng cưa, cosin…) có chu kỳ làm việc theo nhịp của điện áp đồng pha. Hình IV.4. Khâu tạo điện áp răng cưa OA3 R6 C1 T1 R7 -E + _ 2 3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 36 Lớp: TĐH2_CĐK49 Nguyên lý cơ bản của khâu này là dùng mạch tích phân và khóa điện tử T1, T1 là tranristor ngược C828. Khi U2 = 0, T1 khóa tụ C1 được nạp điện bởi dòng điện: constI R EI CR === 6 t CR Edt R E C dtI C UU tt CCR 60 60 6 11 −=−=−== ∫∫ Tại thời điểm điện áp U2 chuyển từ 1 → 0 tụ C1 phóng hết điện ( UC1 = 0) và bắt đầu được nạp điện. Khi U2 = (0→1) tranristor T1 thông, tụ C1 bắt đầu phóng điện cho tới khi điện áp U2 = (1→0). Tụ C1 phóng điện trong suốt độ rộng của xung. Khi U2 chuyển trạng thái từ (0→1) tụ C1 được nạp điện trở lại. II.5. Bộ điều chế(BĐC). Bộ điều chế (hình IV.6)gồm bộ tạo xung cưa hay còn gọi điện áp tựa Utựa và bộ so sánh(SS), tín hiệu đồng bộ Uđk sẽ đồng bộ quá trình làm việc của máy phát xung răng cưa. Xung răng cưa đươc so sánh với tín hiệu điều khiên trong bộ so sánh. u2 u3 0 0 t t HìnhIV.5. Dạng điện áp tạo xung răng cưa URC SS Uđk URC Uđk t t Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 37 Lớp: TĐH2_CĐK49 Tại thời điểm Urc= Uđk thì bộ so sánh sẽ tạo ra một xung mà vị trí của nó trên trục thời gian sẽ phụ thuộc vào giá trị của tín hiệu điều khiển (hình IV.7). II.6. Khâu phản hồi. II.6.1. Khâu phản hồi dòng điện. Hình IV.6. Bộ điều chế urss D6 R (4)(3) Uđk R8 u3 urss 0 0 t t udk u u4 0 t OA3 Hình IV.7. Dạng điện áp bộ điều chế R20 R21 R22 R23 R24 R25 RS -E VR1 85 4 + _ + _ R3 R15 R14 R13 4066R12 R11 10 OA7 OA6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 38 Lớp: TĐH2_CĐK49 Hình IV.8. Khâu phản hồi dòng điện. Điện áp phản hồi được lấy trên điện trở RS trên mạch lực. Tín hiệu này qua khuyếch đại thuật toán OA6 được lật lại tạng thái sau đó được cộng với tín hiệu chủ đạo lấy trên triết áp VR1 U4 = UfhI + Ucđ1 (Ucđ1 lấy trên triết áp VR1). Ban đầu khi chưa nối tải vào mạch, điện áp của bộ chỉnh lưu là Ud = U0, dòng điện Id = 0. Khi nối tải vào mạch dòng điện tăng lên, do nội trở của ắc qui nhỏ nên dòng điện sẽ tăng lên rất lớn sẽ làm giảm tuổi thọ của ắc qui. Để hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện chúng ta sử dụng khâu phản hồi dòng điện để giữ dòng điện luôn luôn ổn định ở giá trị đặt. Khi bắt đầu nạp dòng điện trong mạch tăng lên, làm cho điện áp lấy trên điện trở RS tăn lên. Điện áp U4 tăng, qua khuyếch đại thuật toán OA7 tín hiệu được lật lại trạng thái, điện áp U5 tăng, Uđk tăng. Điện áp điều khiển tăng, làm tăng góc mở α. Do đó điện áp trên mạch lực giảm xuống, điện áp giảm làm cho dòng điện giảm xuống bằng giá trị đặt chính là dòng điện nạp cho ắc qui. Ngược lại khi dòng điện trong mạch lực giảm xuống, làm cho điện áp điều khiển giảm, góc mở α tăng lên, điện áp trên mạch lực tăng dẫn đến dòng điện tăng tới giá trị đặt. II.6.2. Khâu phản hồi điện áp. Hình IV.9.Khâu phản hồi điện áp Tín hiệu phản hồi điện áp được lầy trên điện trở phản hội Rf. Khuếch đại thuật toán OA8 đóng vai trò là khâu lặp tín hiệu, với hệ số khuyếch đại là 1 16 17 == R Rk . Mạch phản hồi điện áp làm nhiệm vụ ổn định điện áp khi dung lượng của ắc qui đã đạt được 80% định mức. Biến trở VR2 là biến trở lấy điện áp chủ đạo, Ucđ nạp lớn nhất khi mỗi ngăn ắc qui đạt tới 2,7V. UđkU = U7 = UphU - Ucđ Trong đó: Ucđ: điện áp chủ đạo lấy trên biến trở VR2. R31 R26 R28 OA9 OA8 4066 R27 +E VR2 Rf Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 39 Lớp: TĐH2_CĐK49 UphU: điện áp tại đầu ra của khuyếch đại thuật toán OA8 (U6). Khi điện áp nạp tăng lên lớn hơn giá trị điện áp đặt cho mỗi ngăn ắc qui đơn là 2,7V làm cho Uf tăng, UfhU tăng, làm cho UđkU tăng lên. Điện áp điều khiển tăng làm cho góc mở α tăng, do vậy Tiristor bớt mở, điện áp nạp ắc qui giảm xuống bằng giá trị đặt. Do vậy điện áp luôn được giữ ổn định xung quang giá trị đặt. II.6.3. Khối chuyển mạch nạp. Hình IV.10. Khâu chuyển mạch nạp Khi dung lượng của ắc qui đạt tơi 80% giá trị định mức mạch sẽ tự động chuyển từ chế độ nạp dòng điện sang chế độ nạp bằng điện áp. Biến trở VR2 là biến trở đặt giá trị chủ đạo tương ứng với điện áp trên mỗi ngăn của ắc qui là 2,4V. Khi điện áp nạp cho mỗi ngăn của ắc qui dưới 2,4V, điện áp U6 nhỏ hơn điện áp chu đạo lấy trên biến trở VR2, điện áp tai đầu ra của khuyếch đại thuật toán OA10 (U8) âm. Tín hiệu này khoá chế độ nạp ổn áp và cho chế độ ổn dòng hoạt động. Khi điện áp trên mỗi ngăn của ắc qui đạt tới 2,4V, điện áp U6 lớn hơn điện áp lấy trên biến trở VR3, điện áp tại đầu ra của khuyếch đại thuật toán OA10 chuyển trạng thái (0→1). Tín hiệu này làm mở chế độ nạp bằng điện áp đồng thời qua phần tử đảo khoá chế độ nạp dòng điện. II.7. Bộ điều khiển (BĐK): Nhằm thực hiện một quy luật điều khiển nào đó được điều chỉnh bằng lượng đặt (phụ thuộc vào công nghệ ) và lượng phản hồi (phụ thuộc các tham số U, I, … của tải ) để tạo ra điện áp điều khiển điều chỉnh góc α để khống chế năng lượng ra tải theo yêu cầu. D14 OA10 R33 +E VR2 Rf R32 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 40 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.8. Khối tạo xung chùm. Hình IV.11. Khâu tạo xung chùm. Bộ OA11 là một da hài dao động tạo o ra các xung vuông có tần số cao lặp di lặp lại theo chu kỳ, với mục đích làm giảm kích thước của máy biến áp xung. Tụ điện C2 và điện trở R11 tạo thành mạch tích phân. Mạch R12, R13 là mạch phản hồi. Nguyên lý làm việc của mạch như sau: giả sử tại thời điểm 0 điện áp ra của khuyếch đại thuật toán đạt giá trị cực đại Ur = Urmax ≈ +E. Thông qua mạch phản hồi R12, R13 đầu vào “+” của khuyếch đại thuật toán sẽ có tín hiệu phản hồi 13 1312 0 .RRR EU +=+ duy trì khuyếch đại thuật toán nằm ở chế độ bão hoà dương. Lúc này tụ C2 được nạp thông qua điện trở R11 . Khi t=t1, điện áp UC đạt giá tị U0, khuyếch đại thuật toán lật trạng thái và Ur = -Urmax ≈ -E. Điện áp trên tụ C2 không thể thay đổi đột ngột và lúc này tụ C2 lại phóng điện qua R11. Ở thời điểm t = t2, khi 13 1312 0 RRR EUU C +−=−= , khuyếch đại thuật toán lật trạng thái Ur = Urmax ≈ +E và sau đó quá trình lại được lặp lại. Thời gian phóng của tụ C2 là: )21ln(..)ln(.. 12 13 11 0max 0max 27 R RCR UU UUCRt r r x +=− += Mạch tạo chùm xung có tần số f= 1/2fx = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T= 1/f = 333 (μs) ta có : T= 2. R11. C2. ln(1+2. R13/ R12) R10 R11 R12R13 R27 + OA11 R30 R28 R29 D6C2 9_ t t t Uc Ur U9 0 0 0 t1 t2 t3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 41 Lớp: TĐH2_CĐK49 Chọn R12= R13= 33kΩ . thì T= 2,2 R11. C2 = 333 (μs) vậy : R11. C2 = 151,36 (μs) Chọn tụ C2 = 0,1μs có điện áp U = 16 (V) ; R11= 15136 (Ω). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R11=2 KΩ. II.9. Khâu khuyếch đại xung và biến áp xung. Hình.IV. Khâu biến áp xung và khuếch đại xung Tính Biến áp xung(BAX): Theo phần tính toán mạch lực, ta có: + Dòng điện làm việc cực đại: Iđm = 35A. + Điện áp ngược cực đại đặt nên van: Ung = 500V. + Tổn thất điện áp: ∆U = 2V. + thời gian chuyển mạch(mở và khoá): tcm = 120µs. + Giá trị dòng điều khiển: Ig = 120 mA. + Điện áp điều khiển: Ug = 1,4 V. + Dòng điện tự giữ: Ih = 200mA. + Dòng điện rò: Ir = 20mA. + Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 125 0C. → Độ rộng xung điều khiển: tx = 2.tcm = 240µs. Và đây cũng là giá trị dòng áp ở thứ cấp máy biến áp Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: ∆B = 0,3T; ∆H = 30 A/m; không có khe hở không khí. + Tỉ số biến áp xung: m= 2÷3 chọn m = 3 +E T2 T3 R17 D8 R14 D9 D10 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 42 Lớp: TĐH2_CĐK49 + Điện áp cuộn thứ cấp của máy biến áp xung: U2 = Ug = 1,4V. + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1= mU2 = 3x 1,4 = 4,2V. + Dòng điện thứ cấp máy bíên áp xung: I2 =Ig = 120mA + Dòng điện sơ cấp máy biến áp xung: I1 = I2/m = 120/3 = 40mA + Độ thẩm từ trung bình tương đối của lõi sắt: μtb = H B Δ Δ 0μ = 3 6 10.830.10.25,1 3,0 =− Thể tích lõi thép: 2 11x0 ...s.t.. B IUlQV xtb Δ== μμ Trong đó : - μtb : độ từ thẩm trung bình của lõi sắt. - μ0 : độ từ thẩm của không khí(1,25.10-6). - tx: Độ rộng xung - U1 : điện áp sơ cấp - I1 : dòng điện sơ cấp - sx : Mức sụt biên độ xung() Thay số vào ta được : 3362 663 65.110.65,1 )7,0( 04,0.2,4.2.10.240.10.25,1.10.8 cmmV === − −− Dựa vào bảng I.5 trang 120_sách tính toán và thiết kế mạch điện tử công suất_Trần Văn Thịnh : Chọn mạch từ OA-22/30-6,5(vì V=Q.l= 8,2.0,26=2,13 cm3); có các số liệu sau: a = 4 mm d = 22 mm Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 43 Lớp: TĐH2_CĐK49 D = 30mm Q = 0,26cm2 l = 8,2cm Số vòng quấn dây sơ cấp BAX: - Theo luật cảm ứng điện từ : w1 = kQB tU x .. .1 Δ (với k = 0,76 là hệ số chất đầy). 73 76,0.10.26.7,0 10.240.2,4 6 6 1 ==⇒ − − W vòng - Số vòng dây thứ cấp : w2 = m w1 = 3 73 = 25 vòng - Tiết diện dây quấn thứ cấp S1 = 1 1 J I - Chọn mật độ dòng điện J1 = 4 A/mm2 21 01,04 04,0 mmS ==⇒ Đường kính dây quấn sơ cấp : d1 = π 1S4 = mm11,0 14,3 01,0.4 = Chọn dây dẫn có tiết diện tròn (bảng p.5 trang232_tính toán và thiết kế thiết bị điện tử công suất_Trần Văn Thịnh). Tiết diện S1 =0,095(mm 2 ), đường kính d1 = 0,11(mm), trọng lượng 0,0845gam/m. Tiết diện dây quấn thứ cấp: S2 = 2 2 J I = 4 12,0 = 0,03 mm2 Chọn mật độ dòng điện J2 = 4 A/mm2 - Đường kính dây quấn thứ cấp: d2 = π 2S4 = 14,3 03,0.4 = 0,2 mm Chọn dây dẫn có tiết diện tròn (bảng p.5 trang232_tính toán và thiết kế thiết bị điện tử công suất_Trần Văn Thịnh). Tiết diện S2 =0,03142(mm 2 ), đường kính d2 = 0,2(mm), trọng lượng 0,279gam/m. - Kiểm tra hệ số lấp đầy: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 44 Lớp: TĐH2_CĐK49 klđ = ) 4 d.( wSwS 2 2211 π + = 2 2 2 21 2 1 d wdwd + = 2 22 22 25.03,073.11,0 + klđ < 1:như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. Tính toán khâu KĐ cuối cùng T2, T3, T4, T5: chọn transistor công suất loại 2SC911 làm việc ở chế độ xung có các thông số: + Transistor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si + Điện áp giữa collector và bazơ là khi hở mạch Emito : UCB0 = 40 V + Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto : UEB0 = 4 V + Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng được : ICmax = 500 mA + Công suất tiêu tán ở Colecto : PC = 1,7 W + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 =1750 C. + Hệ số khuyếch đại β = 50. + Dòng điện làm việc của colecto IC5=I1=40 mA. +Dòng điện làm việc của Bazo IB5 = )(8,050 405 mA IC ==β Loại Tiristor đã chọn có công suất điều khiển khá bé nên dòng colecto—bazo của Tranzito Tr3 và Tr5 khá bé trong trường hợp này có thể bỏ Tr2 và Tr4 đi cũng được mà khi đó vẫn đủ công suất điều khiển tranzito. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E= +12V ta phải mắc thêm điện trở R16,R18 nối tiếp với cực emito lần lượt của Tr3 và Tr5. R16 = R18 = Ω=−=− 195 04,0 2,412 1 1 I UE Điện trở R14 và R15 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazo của Tr3, chọn R9 thoả mãn: R15 =R14 ≥U/Ib5 = 12/8.10-4 = 0,15KΩ Chọn R15 =R14 = 1KΩ. trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có các tham số: - Dòng điện định mức : Iđm = 10 (mA) Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 45 Lớp: TĐH2_CĐK49 - Điện áp ngược lớn nhất : Ung = 25 (V) - Điện áp để cho Diot mở thông : Um =1(V) II.10. Khối nguồn nuôi mạch điều khiển. Biến áp nguồn nuôi và biến áp đồng pha dùng chung cuộn sơ cấp. Do đó ta sử dụng một máy biến áp với một cuộn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp, mỗi cuộn thực hiện một chức năng riêng. Cuộn 0V-12V-24V sử dụng làm cuộm đồng pha với tín hiệu nguồn, cuộn 0V-18V-36V sử dụng làm nguồn nuôi mạch điều khiển. Hình4.15: Khối nguồn nuôi mạch điều khiển. - Các linh kiện sử dụng trong mạch: + Chỉnh lưu cầu 5A. + Tụ lọc nguồn trước và sau ổn áp C1 = C2 = C3 = C4 =220μF/50V. + Vi mạch ổn áp 78L12, 79L12 là loại vi mạch ổn áp có công suất nhỏ. Dòng điện tải không vượt quá 100mA. Chúng được bao gói dưới 2 dạng: vỏ sắt lý hiệu bằng chữ H, vỏ bằng chất dẻo ký hiệu bằng chữ Z. D1 7812 7912 D1 D1 D1 C2 C1 C3 C4 +12V -12V Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 46 Lớp: TĐH2_CĐK49 Tính toán máy biến áp nguồn: - Khối nguồn ±12 cấp cho khuyếch đại thuật toán, I1 = 500mA. ⇒Công suất của nguồn nuôi là: P1 =U1.I1 = 36.0,5 = 18W - Khối nguồn đồng pha 0V – 12V – 24V, I2 = 500mA. ⇒Công suất của nguồn đồng pha là: P2 =U2.I2 = 24.0,5 = 12W - Công suất của máy biến áp là: P = P1 + P2 =18 +12 = 30W - Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: 78L V CC R 79L V CC R Hình4.16:Sơ đồ bố trí chân. Ung U22 U21 U23 U24 0V 12V 24V 0V 18V 36V Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 47 Lớp: TĐH2_CĐK49 A U PI 136,0 220 30 1 1 === - Tiết diện lõi thép mạch từ: 222,0 30 2,1 cm P kS === Ta chọn lõi thép có tiết diện S = 0,92cm2, làm bằng thép kỹ thuật điện dày 0,2mm, gồm các lá thép hình chữ Ш và chữ I ghép lại với nhau: Theo công thức kinh nghiêm chúng ta tính số vòng/vôn: S kn =0 (với k = 40÷60 là hệ số của máy biến áp, lấy k = 50) 54 92,0 50 0 ==⇒ n vòng/vôn. - Số vòng dây cuộn sơ cấp là: W1 = n0.U1 = 54.220 = 11880 vòng. - Số vòng dây cuộn thứ cấp là: Cuộn 12V: W21 = W22 = n0.U = 54.12 = 648 vòng. Cuộn 18V: W23 = W24 = n0.U = 54.18 = 972 vòng. - Dòng điện trong các cuộn thứ cấp: AI W WI W WII 5,2136,0. 648 11880.. 1 22 1 1 21 1 2221 ===== AI W WI W WII 66,1136,0. 972 11880.. 1 24 1 1 23 1 2423 ===== - Tiết diện dây quấn: + Cuộn sơ cấp: 211 272,05 36,1 mm J IS === (chọn J = 5A/mm2) + Cuộn 12V: 222212221 5,05 5,2 mm J I J ISS ===== (chọn J = 5A/mm2) + Cuộn 18V: 224232423 33,05 66,1 m J I J ISS ===== (chọn J = 5A/mm2) - Đường kính dây thứ cấp là: + Cuộn sơ cấp: mmSd 59,0272,0.4.4 11 === ππ Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 48 Lớp: TĐH2_CĐK49 + Cuộn 12V: mmSSdd 8,05,0.4.4.4 22212221 ===== πππ . + Cuộn 18V: mmSSdd 65,033,0.4.4.4 24232423 ===== πππ . - Tra sổ tay “thông số dây dẫn tiết diện tròn” (sách “điện tử công suất ” – NXB Khoa học kỹ thuật – 1996, Nguyễn Bính), ta chọn được dây: + Dây sơ cấp: d1 = 0,59mm, S1 = 0,2734mm2, 0,21ohm/m. + Dây sơ cấp: d21 = d22 = 0,8mm, S1 = 0,5027mm2, 0,0342ohm/m. + Dây sơ cấp: d23 = d24 = 0,67mm, S1 = 0,3526mm2, 0,0488ohm/m. II.11. Các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch. - Toàn bộ mạch điện phải dùng 4 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND. Hình4.4: Sơ đồchân IC4081. * Các thông số: Nguồn nuôi IC : Vcc = 3÷9 (V), ta chọn: Vcc = 12 (V). Nhiệt độ làm việc : - 40o C ÷ 80o C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2÷4,5 (V). Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ P=2,5 (nW/1 cổng). - Mạch sử dụng 11 khuyếch đại thuật toán (OA1÷OA11) do vậy chúng ta cần 4 con IC TL084. mỗi con có sơ đồ bố trí chân như hình bên dưới: & & && 14 8 71 Vdd Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 49 Lớp: TĐH2_CĐK49 Hình4.5: Sơ đồchân ICTL084. *Thông số của TL084 : Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 (V) chọn Vcc = ± 12 (V) Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = -25÷ 850 C Công suất tiêu thụ: P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tổng trở đầu vào : Rin= 106 ( MΩ) Dòng điện đầu ra : Ira = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/μs). - Mạch sử dụng một phần tử đảo lấy từ IC7404 có sơ đồ bố trí chân như hình vẽ: Hình4.6: Sơ đồchân 7404. -Vcc 1 7 814 +Vcc + _ _ + _ + + _ 13 11 10 912 2 54 63 14 71 8 Vcc Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 50 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.12. Mạch điều khiển: Qua phân tích yêu cầu công nghệ cũng như tìm hiểu, ta có sơ đồ mạch điều. II.12.1. Sơ đồ mạch điều khiển. +E D6 R9 -E R3 R4 +E R5 D5 D4 R0 D3 R7 OA3 R8 D1 OA1 D2 +E OA2 D8 T2 R14 R17 T3 R16 D10 D9 D11 T4 R15 R19 T5 R18 D13 D12 D7 C2 R11 R10 OA4 OA5 AND AND T1 C1 OA6 R20 R25 R21 7404 R31 OA7 R26 R28 Udk 4066 4066 RS R2 R1 R34 +E VR1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 51 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.12.2. Dạng điện áp. u1 0 t u 0 t u0 u3 u4 u6 u7 0 0 0 t t 0 t t udk R13 R12 OA9 OA8 u2 0 t D14 OA10 R33 +E VR3 Rf +E VR2 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 52 Lớp: TĐH2_CĐK49 II.12.3. Nguyên lý hoạt động. Tín hiệu xoay chiều U1 sau khi đươc chỉnh lưu bởi D3, D4 sẽ được so sánh với điện áp Uo để tạo ra tín hiệu đồng bộ U2 qua bộ khuếch đại OA1. Tín hiệu này tương ứng với thời điểm mà điện áp nguồn đi qua điểm không. Khi tín hiệu đồng bộ dương sẽ mở bóng T1 để giảm điện áp trên tụ C về 0. Khi tín hiệu đồng bộ âm, Tranzito T1 khoá tụ C1 được nạp điện theo công thức: Uc = 7R Et Ở đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán OA2 có tín hiệu răng cưa U3, sau đó tín hiệu răng cưa được so sánh với tín hiệu điều khiển Udk nhờ bộ so sánh khuếch đại thuật toán OA3 tạo ra dạng điện áp U4 như hình vẽ. Bộ khuếch đại OA4 là một đa hài tạo xung có tần số cao U5 với mục đích giảm kích thước của máy biến áp xung. Tín hiệu phân phối U6, U7 được trộn lẫn với tín hiệu U5 và U4 để tạo ra tín hiệu cho từng Tiristo riêng U8, U9. Những tín hiệu này được khuếch đại và thông qua biến áp xung đưa trực tiếp lên cực điều khiển của Tiristo. 0 t t t t u8 0 u9 0 0 u5 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 53 Lớp: TĐH2_CĐK49 PH Ụ L ỤC MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH Mô phỏng là phương pháp mô hình hoá dựa trên cơ sở xây dựng các mô hình toán học. Cho phép giải quyết thành công với mức độ khó khăn được giảm đi nhiều lần. Bản chất của phương pháp mô phỏng là làm sao xây dựng các mô hình số hệ thống, trong đó hệ thống có thể đựơc chia thành các hệ nhỏ hơn, thậm chí các khâu chức năng. Lĩnh vực Điện tử công suất cũng được ứng dụng rộng rãi với nhiều phần mềm như: PSPICE, SABER, PSIM, TINA,.... Sau đây là phần mềm ELECTRONIC WORKBENCH MULTISIM V6.02 dùng để mô phỏng hoạt động cuả sơ đồ mạch điều khiển: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 54 Lớp: TĐH2_CĐK49 Sơ đồ: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 55 Lớp: TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 56 Lớp: TĐH2_CĐK49 Để đo dạng điện áp tại các điểm chúng ta sử dụng Oscillscope ảo trong phần mềm để kiểm tra dạng điện áp tại các khâu: Điện áp tại khâu đồng pha (1): Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 57 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp so sánh giữa điện áp sau chỉnh lưu với điện áp đặt U0: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 58 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp tại khâu tạo xung đồng bộ (2): Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 59 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 60 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp ra của khâu điều chế (4): Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 61 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp tại điểm 6: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 62 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp tại điểm 7: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 63 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp khâu xung chùm (5): Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 64 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp điều khỉên tại điểm 8: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 65 Lớp: TĐH2_CĐK49 Điện áp điều khiển tại điểm 9: Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 66 Lớp: TĐH2_CĐK49 KẾT LUẬN Sau mười tuần thực tập tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Võ Minh Chính chúng em đã được thiết kế bộ nạp acqui tự động. Dựa trên cơ sở những kiến thức đã được học, tài liệu tham khảo, cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo. Qua đợt thực tập này chúng em tiếp thu được nhiều kinh nghiệm. Biết vận dụng những kiến thức mình đã học vào trong thực tiễn cuộc sống Nhiệm vụ thực tập đã được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân, song do kinh nghiệm thực tế còn hạn chế, thời gian không dài nên vẫn không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong có sự góp ý thêm của thầy giáo và các bạn để quyển đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên Nguyễn Văn Bình Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 67 Lớp: TĐH2_CĐK49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Điện tử công suất _Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh. 2. Điện tử công suất_Nguyễn Bính. 3. Tính toán và thiết kế các thiết bị Điện tử công suất_ Trần Văn Thịnh. 4. Hướng dẫn thiết kế mạch Điện tử công suất_Phạm Quốc Hải. 5. Trang bị điện ô tô_Nguyễn Oanh. 6. Phần mềm mô phỏng Circuit Maker.