Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu có điều khiển cho tải nạp ác quy

áy móc thiết bị trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng đều phải sử dụng điện năng , có thể là dùng hoàn toàn nguồn năng lượng điện năng hoặc một phần năng lượng điện năng kết hợp với năng lượng khác. Trên thực tế có những lúc rất cần năng lượng điện mà ta không thể lấy năng lượng điện từ lưới điện được. Do đó ta phải lấy các nguồn điện dự trữ như Ăc quy. Như vậy để có thể sử dụng được các nguồn ăcquy ta phải nạp điện cho ăcquy. Bởi đó bộ chỉnh lưu nạp ăcquy tự động được sử dụng rộng rãi trong nhiều trường hợp cụ thể là rất quan trọng , nếu thiếu nó sẽ không có nguồn điện vận hành , dự trữ cho các máy móc thiết bị mà có thể không đáp ứng được chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Mục lục Chương I: Giới thiệu khái quát về Ăc quy I. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ăc quy…………………………..……5 1. Cấu tạo…………………………………………………………….…..5 2. Nguyên lý làm việc……………………………………………………6 II, Ắcquy kiềm................................................................................................7 1, Nguyên lý làm việc................................................................................7 2, Quá trình hóa học trong ăc quy kiềm....................................................8 III, Các thông số cơ bản của ăc quy................................................................9 1, Dung lượng............................................................................................9 2, Điện áp..................................................................................................9 3, Điện trở trong........................................................................................9 IV, Đặc tính phóng của ăcquy........................................................................10 V, Các phương pháp nạp ăcquy tự động.......................................................11 1. Phương pháp nạp ăcquy với dòng điện không đổi...............................11 2. Phương pháp nạp với điện áp không đổi..............................................12 3. Phương pháp nạp dòng áp....................................................................12 Chương II : Chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu ………………………….13 I . Đối với chỉnh lưu 3 pha ……………………………………………………13 1. Chỉnh lưu cầu 3 pha ………………………………………………..……13 2.Chỉnh lưu tia 3 pha………………………………………………………..15 II. Đối với chỉnh lưu 1 pha………………………………………………….…16 1, Chỉnh lưu một nửa chu kỳ ………………………………………………..16 2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính…………………………..16 3 . Chỉnh lưu cầu một pha …………………………………………………..18 III . Chọn sơ đồ chỉnh lưu ………………………………………………….19 Chương 3 : Thuyết minh hoạt động cảu sơ đồ động lực , vẽ các đường cong dòng điện và điện áp của tải và các van dẫn ( Ud , Id , Uv , Iv ) …………………………….19 I . Tính toán và chọn van động lực ……………………………………….. 20 II./ Tính toán máy biến áp …………………………………………...22 1. Điện áp chỉnh lưu không tải…………………………………………….. 22 2. Công suất tối đa của tải………………………………………..………...23 3. Công suất nguồn cấp……………………………………….…..……….. 23 4, Tính toán sơ bộ mạch từ ……………………………………………….23 5, Tính toán dây quấn biến áp ………………………………………….23 6. Tính kích thước mạch từ ……………………………………………25 7 . kết cấu dây quấn …………………………………………………….26 8 ) Tính khối lượng sắt ………………………………………………...29 9 ) Khối lượng đồng …………………………………………………...29 10 ) Sụt áp trên MBA …………………………………………………..30 11 ) điện trở ngắn mạch MBA ………………………………………….31 12 ) Tổng trở ngắn mạch của MBA …………………………………….31 13 ) Điện áp ngắn mạch MBA ………………………………………….31 14 ) Điện áp ngắn mạch phần trăm của MBA ………………………….31 Chương 4 : Tính chọn các thiết bị bảo vệ……………...…32 I ) Bảo vệ quá dòng điện……………………………...…………………32 II ) bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn ……………………….…….34 Chương 5 : Tính toán cuộn kháng lọc dòng điện……...35 I ) Tính toán các cuộn kháng lọc - CKL dòng điện đập mạch……..……….35 1 ) điện áp rơi trên cuộn kháng …………………………………………….36 2) tính công suất trên cuộn kháng lọc …………………………………...36 3 ) tính toán lõi thép cuộn kháng lọc …………………………………….36 4 ) tính toán dây quán cuộn kháng ………………………………….…..36 Chương VI : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển …39 A . Các bước thiết ……………………………………………………….39 1 / tìm hiểu về mạch điều khiển ……………. 39 2 / sơ đồ khối mạch điều khiển …………………………………………..39 B ) tính toán các thông số của mạch điều khiển ………………………… 41 I/ Tính toán máy biến áp xung …………………………………………………41 II / Tính toán các khâu ………………………………………………………43 1 ) khâu đồng pha ……………………………………………………….….43 2 ) khâu tạo điện áp răng cưa ……………………………………………….44 3 ) khâu so sánh …………………………………………………………. 46 4 ) khâu khếch đaị xung cuối cùng……………………………………… 47 5 ) tạo nguồn nuôi …………………………………………….……………48 */ Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha………………………..49 Chương I: Giới thiệu khái quát về Ắcquy Hiện nay chúng ta có nhiều loại ắc quy, trong đó hai loại cơ bản là ắc quy axit và ắc quy kiềm. Chúng ta xét từng loại sau: I, Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Ăc quy axit: 1. Cấu tạo : - Bình ăc quy được chia thành nhiều ngăn, thong thường là 6 ngăn. Mỗi ngăn ăc quy đơn cho điện áp đầu ra là 2V. Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộ nguồn ăc quy là 12V. - Vỏ bình ăc quy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite. Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạo thành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một ăc quy đơn. Dưới đáy bình ta làm hai yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực. Mục đích là để các bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi trong đáy bình có lắng đọng các cặn bẩn. - Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản cực. Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trên bản cực là dioxit chì. Nếu bản cực dung làm bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng là chì xốp. Khi ăc quy hoạt động chất hoạt tính tham gia đồng thời vào các phản ứng hoá học càng nhiều càng tốt, do đó để tăng bề mặt tiếp xúc của các chất hoạt tính với dung dịch điện phân, người ta chế tạo chất hoạt tính có độ xốp, đồng thời đem ghép những tấm cực cùng tên song song với nhau thành một chum cực ở trong mỗi ngăn của ăc quy đơn. Chùm bản cực dương và chum bản cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng giữa hai bản cực khác tên lại được đặt them một tấm cách, tấm cách được làm từ chất cách điện để cách điện giữa hai bản cực như nhựa xốp, thuỷ tinh hay gỗ. - Phần nắp của ăc quy để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và các vật khác từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bị tràn ra ngoài. Trên nắp bình có các lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân, các lỗ này được nút kín bằng các nút có lỗ thong hơi nhỏ. Ở một số loại ắcquy lỗ thong hơi có thể được chế tạo riêng biệt. Để đảm bảo về độ kín của bình ăc quy, xung quanh mép của nắp ăc quy và xung quanh các lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa chuyên dụng. Dung dịch điện phân dung trong ăc quy thường là hỗn hợp axit sunfuric H2SO4 được pha chế theo tỷ lệ nhất định với nước cất. 2. Nguyên lý làm việc : a, Quá trình nạp: Khi ăc quy đã được lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO4). Vì chì tác dụng với axit theo phản ứng: PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của ăc quy thì dòng điện một chiều được khép kín qua mạch ăcquy và dòng điện đi theo chiều: Cực dương của nguồn một chiều → Dung dịch điện phân → Đầu cực 2 của ăcquy → Cực âm của nguồn một chiều. Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân ly: H2SO4 → 2H+ + SO42- Cation H+ theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo thành phản ứng tại đó: 2H+ + PbSO4 → H2SO4 + Pb Các anion SO42- chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn điện và cũng tạo thành phản ứng tại đó: PbSO4 + H2O + SO42- → PbO2 + 2H2SO4  Kết quả là ở bản cực nối với dương nguồn điện có PbO2 (chì dioxit) và ở chùm bản cực kia có chì Pb, như vậy ở hai chùm bản cực đã có sự khác nhau về cực tính. Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng axit sunfuric bổ sung vào dung dịch điện phân, đồng thời trong quá trình nạp điện dòng điện còn phân tích ra trong dung dịch điện phân khí hydro (H2) và oxy (O2), lượng khí này sủi lên như bọt nước và bay đi, do đó nồng độ của dung dịch điện phân trong quá trình nạp điện được tăng lên. Ăc quy được coi là đã nạp đầy khi quan sát thấy dung dịch sủi bọt đều (gọi đó là hiện tượng sôi). Lúc đó ta có thể ngắt nguồn nạp và xem như quá trình nạp điện cho ăc quy đã hoàn thành. b, Quá trình phóng điện của ăc quy: Nối hai bản cực của ăc quy đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một bong đèn thì năng lượng tích trữ trong ăc quy sẽ phóng qua tải, làm cho bóng đèn sáng. Dòng điện của ăcquy sẽ đi theo chiều: Cực dương của ăcquy (đầu cực đã nối với cực dương nguồn nạp) → Tải (bóng đèn) → Cực âm của ăcquy → Dung dịch điện phân → Cực dương của ăcquy. Quá trình phóng điện của ăcquy, phản ứng hoá học xảy ra trong ăcquy như sau: Tại cực dương: PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O Tại cực âm : Pb + SO42- → PbSO4 + 2e Như vậy khi ăcquy phóng điện, chì sunfat lại được hình thành ở hai bản cực, làm cho các bản cực dần trở lại giống nhau, còn dung dịch axit bị phân thành cation 2H+ và anion SO42- đồng thời quá trình cũng tạo ra nước trong dung dịch, do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăcquy cũng giảm dần . II, Ắcquy kiềm: Nguyên lý làm việc : Ăcquy kiềm là loại ăcquy mà dung dịch điện phân được dùng trong ăcquy là dung dịch kiềm KOH và NaOH. Tuỳ thuộc vào cấu tạo của bản cực, ăcquy kiềm được chia thành 3 loại: - Loại ăcquy sắt - niken, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng sắt (Fe)  và niken (Ni). - Loại ăcquy cadimi - niken, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng  cadimi (Cd) và niken (Ni). - Loại ăcquy bạc - kẽm, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng bạc (Ag)  và kẽm (Zn). Trong ba loại trên thì loại thứ ba có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng lượng và một đơn vị thể tích là lớn hơn, nhưng giá thành của nó lại cao hơn vì phải sử dụng khối lượng bạc tới 30% khối lượng của chất tác dụng, do đó loại này ít dùng. So với ăc quy axit, ăc quy kiềm có nhược điểm là giá thành cao hơn, điện trở trong lớn hơn, nhưng nó lại có các ưu điểm sau: - Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài - Trong điều kiện máy khởi động, làm việc nặng nề hoặc cần có yêu cầu  về độ tin cậy cao thì nó có tính ưu việt hơn hẳn ăc quy axit. - Quá trình nạp điện cho ăc quy kiềm không đòi hỏi nghiêm ngặt về  dòng điện nạp. Trị số dòng điện này có thể lớn gấp 3 lần dòng định  mức cũng chưa làm hỏng được ăc quy. Ăc quy kiềm có cấu tạo tương tự như ăc quy axit, tức là nó cũng gồm dung dịch điện phân, vỏ bình ăc quy, các bản cực,... Bản cực của ăc quy kiềm được chế tạo thành dạng thỏi hoặc không thỏi. Giữa các bản cực được ngăn cách bởi các tấm ebonit. Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được hàn nối như chùm bản cực của ăc quy axit để đưa ra các vấu cực cho ăc quy. Các chùm bản cực được đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa vinhiplat. Loại ăc quy dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi thỏi là một hộp làm bằng thép lá trên bề mặt có khoan nhiều lỗ: Φ = 0,2-0,3 mm để cho dung dịch thấm qua. Nếu là ăc quy kiềm sắt - niken thì trong hộp bản cực âm chứa sắt đặc biệt thuần khiết, còn trong bản cực dương là hỗn hợp 75%NiO.OH và 25% bột than hoạt tính. Loại ăc quy kiềm dùng bản cực không phân thỏi, thì bản cực được chế tạo theo kiểu khung xương, rồi đem các chất tác dụng có cấu trúc xốp mịn để ép vào các lỗ nhỏ trên bản cực. Quá trình hóa học trong ác quy kiềm : Giống như trong ăc quy axit, quá trình hoá học trong ăcquy kiềm cũng là quá trình thuận nghịch Nếu bản cực của ăc quy kiềm là sắt-niken thì phản ứng hoá học xẩy ra trong ăcquy như sau: Trên bản cực dương: Ni(OH)2 + KOH + OH- Ni(OH)3 + KOH Trên bản cực âm: Fe(OH)2 + KOH Fe + KOH + 2OH- Như vậy quá trình nạp điện, sắt hidroxit trên bản cực âm bị phân tích thành sắt nguyên tố và anion OH-. Còn ở bản cực dương, Ni(OH)2 được chuyển hoá thành Ni(OH)3. Chất điện phân KOH có thể xem như nó không tham gia vào phản ứng hoá học mà chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, do đó sức điện động của ăcquy hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân. Sức điện động của ăc quy chỉ đựoc xác định dựa trên trạng thái của các chất tác dụng ở các tấm cực. Thông thường ăc quy kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động sẽ đạt được khoảng 1,7 đến 1,85V. Khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn, sức điện động của ăcquy là 1,2 đến 1,4V. Như vậy điện thế phóng điện của ăc quy kiềm thấp hơn ăc quy axit. Nếu ở ăc quy axit điện thế phóng điện bình quân là 2V thì ở ăc quy kiềm chỉ là 1,2V. Hiện nay các nhà thiết kế, chế tạo ăc quy chưa dừng lại ở những kết quả đã đạt được, người ta đã chế tạo được những ăc quy kiềm mới khá nhỏ và nhẹ, nhưng vẫn có các thông số kỹ thuật của ăc quy axit. Những ăc quy mới đang hướng tới việc thay thế các bản cực bằng những hợp kim mới có khả năng chống han gỉ, giảm kích thước và tăng tính bền vững. Những tạp chất mới được trộn vào trong chất tác dụng sẽ cải thiện đặc tính phóng điện của ăcquy một cách đáng kể. Nhiều ăc quy mới đã không có cầu nối trên nắp và kết cầu vỏ bình cũng thay bằng những vật liệu rất nhẹ nên giảm được chiều dày thành bình, ăc quy cũng ít phải chăm sóc hơn. III, Các thông số cơ bản của ăc quy: Dung lượng : 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 hạn quy định ở nhiệt độ quy định. Dung lượng của ăc quy được tính bằng ampe-giờ (Ah). Điệp áp : 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 của ăc quy không phụ thuộc vào số lượng bản cực của ăcquy nhiều hay ít. Điện trở trong : 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 . IV, Đặc tính phóng của ăcquy: Đặc tính phóng của ăc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ăcquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi. Từ đặc tính phóng của ăc quy ta có nhận xét: - Trong khoảng thời gian phóng từ t = 0 đến t = tgh (10h), sức điện  động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên  trong đoạn này độ dốc của đường đặc tính không lớn, ta gọi đó là giai  đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với  mỗi chế độ phóng điện của ăc quy (dòng điện phóng). Hình 1: Đặc tính phóng nạp của ăc quy - Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta tiếp  tục cho ăcquy phóng điện sau thời gian tgh thì sức điện động, điện áp - của ăcquy giảm rất nhanh. Mặt khác các tinh thể sunfat chì (PbO2) tạo - thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan (bị biến đổi  hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ăc quy sau này. Thời  điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ăc quy, các giá trị EP,  UP, ρ tại tgh được gọi là các giá trị phóng điện của ăc quy, ăc quy  không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%.  Thời gian này được gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng làm cho  phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng bản cực được biến đổi tuần  hoàn, nhờ đó làm tăng dung lượng phóng điện của ăcquy. - Thời gian nạp no cho ăcquy kéo dài từ 2-3h, trong suốt thời gian đó  hiệu điện thế trên các bản cực ăc quy và nồng độ dung dịch điện phân  không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi ăc quy phóng điện  luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ăc quy. - Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ăc quy giảm xuống  và ổn định. Thời gian này cũng gọi là thời gian nghỉ của ăc quy sau  khi nạp. - Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của  ăcquy. Dòng điện nạp định mức với ăc quy là: In = 10%C10. Trong đó  C10 là dung lượng của ăc quy mà với chế độ nạp với dòng điện định  mức là In=0,1C10 thì sau 10h ăc quy sẽ đầy. V, Các phương pháp nạp ăcquy tự động: Có ba phương pháp nạp ăcquy là: - Phương pháp dòng điện - Phương pháp điện áp - Phương pháp dòng áp 1. Phương pháp nạp ăcquy với dòng điện không đổi : Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại ăcquy, bảo đảm cho ăcquy được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sữa chữa để nạp điện cho ăcquy hoặc nạp sửa chữa cho các ăcquy bị sunfat hoá. Với phương pháp này ăcquy được mắc nối tiếp với nhau và phải thoả mãn điều kiện: UN ≥ 2,7.N aq Trong đó: UN - Điện áp nạp Naq - Số ngăn ăcquy đơn trong mạch. Trong quá trình nạp điện sức điện động của ăcquy tăng dần lên, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch biến trở R. Trị số gián hạn của biến trở được xác định theo công thức: Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ăcquy đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục 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 (0,3-0,6)C10 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ăc quy đã bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C10. 2. Phương pháp nạp với điện áp không đổi : Phương pháp này yêu cầu ăc quy mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3-2,5)V cho mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên với phương pháp này ăcquy không được nạp no, do đó nó chỉ dùng bổ sung nạp cho ăcquy trong quá trình sử dụng. 3. Phương pháp nạp dòng áp : Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp. Đối với yêu cầu của đề tài là nạp ăcquy 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 pháp nạp ăc quy là phương pháp dòng áp. - Đối với ăcquy axit: Để đảm bảo thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn = 8h tương ứng với 75%-80% dung lượng ăcquy ta nạp với dòng không đổi là In = 0,1C10. Vì theo đặc tính nạp của ăcquy trong đoạn nạp chính thì khi dìng 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 8h ăcquy bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10h thì ăcquy bắt đầu no, ta nạp bổ sung thêm 2-3h. - Đối với ăcquy kiềm: Trình tự nạp cũng giống như ăcquy axit nhưng do khả năng quá tải của ăcquy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2.C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5.C10. Các quá trình nạp ăcquy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên hai cực của ăcquy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không. Kết luận : Từ các phân tích về tải ăcquy trên ta thấy: Tải ăcquy là tải dung kháng, với đặc điểm là sức điện động của ăcquy tăng dần trong quá trình nạp, tức là nếu ta giữ điện áp không thay đổi thì dòng điện nạp sẽ giảm dần, làm quá trình nạp điện cho ăcquy kéo dài, do đó ta cần kiểm soát được dòng điện nạp cho ăcquy. Thông thường ta nạp với 10% dòng dung lượng của ăcquy và giữ ổn định dòng trong quá trình nạp. Tuy nhiên khi dung lượng của ăcquy đã đạt đến 80%, lúc đó ta tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ăcquy sẽ sôi và làm cạn dung dịch điện phân. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ăcquy sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ăcquy đã thực sự đầy. Khi điện áp trên các bản cực của ăcquy bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về 0, kết thúc quá trình nạp. Chương II : Chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu Hiện nay có nhiều phương pháp để nạp ác quy nhưng thường sử dụng nhất là dùng nguồn điện xoay chiều có bộ chỉnh lưu . Nguồn điện xoay chiều lại có nhiều loại trong đó có 2 loại là : 1 pha và 3 phổ biến nhất . Ứng với mỗi loại lại có các phương pháp chỉnh lưu khác nhau. Sau đây ta đi nghiên cứu các loại cơ bản sau : I . Đối với chỉnh lưu 3 pha : 1, Chỉnh lưu cầu 3 pha : Hình 2: CL cầu 3 pha đối xứng Hình 3: sơ đồ động lực , giản đồ đường cong cơ bản, điện áp tải khi goác mở =600 Đồ thị Ud, Id như hình vẽ Ta thấy khi 600 thì dòng điện liên tục và Khi 600 thì dòng điện gián đoạn và : Với chỉnh lưu cầu 3 pha tạo ra điện áp dây lớn , nhưng sự phức tạp của chỉnh lưu của chỉnh lưu loại này cần phải mở đồng thời 2 van theo đúng thứ tự pha, gây khó khăn khi vận hành sửa chữa nên loại này ta không dùng làm chỉnh lưu tải nạp acquy 2. Chỉnh lưu tia 3 pha : Hình vẽ chỉnh lưu tia 3 pha Chỉnh lưu loại náy có : Nếu 300 thì : Nếu 300 thì : Sơ với chỉnh lưu 1 pha thì chỉnh lưu 3 pha có chất lượng điện áp tốt hơn , biên dộ điện áp đập mạch tốt hơn ,… nhưng điện 3 pha không thông dụng với các hộ gia đình sử dụng nhỏ . Mà yêu cầu của việc thiết kế nguồn chỉnh lưu có điêu khiển cho tải nạp acquy phải được sử dụng rộng rãi tại mọi nơi nên chỉnh lưu dùng nguồn điện xoay chiều 3 pha ít được sử dụng mà người ta chọn nguồn điện xoay chiền 1 pha II. Đối với chỉnh lưu 1 pha : 1, Chỉnh lưu một nửa chu kỳ: Hình : CL một nửa CK Hình 3: Đồ thị U,I Ở sơ đồ chỉnh lưu này, điện áp ra bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ, khi điện áp anod của van bán dẫn âm. Do vậy, điện áp có chất lượng không tốt, và trị số trung bình lớn nhất khi không có điều khiển là: Udo = 0,45.U2 Đây là loại chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy nhiên, các chất lượng kỹ thuật như: chất lượng điện áp một chiều, hiệu suất sử dụng biến áp xấu. Với hệ số sử dụng biến áp: SBA = 3,09.Ud .Id Do đó mà loại chỉnh lưu này ít được dung trong thực tế. 2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính: Có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính là hai sơ đồ chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ hoạt động dịch pha nhau 1800. Ở mỗi chu kỳ có một van dẫn cho dòng điện qua, cho nên ở hai nửa chu kỳ sóng điện áp tải trùng pha với sóng điện áp của cuộn dây có van dẫn. Đặc điểm của loại chỉnh lưu này là phải có biến áp thứ cấp có hai cuộn dây với các thông số giống hệt nhau. Điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần số nguồn cấp (fđm = 2.f1). Điện áp trung bình trên tải, khi điện áp gián đoạn như trên sơ đồ các đường cong chỉnh lưu: Trong đó: Ud0 = 0,9.U2: Là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển. α - Góc mở của các Trisistor Mỗi van chỉ dẫn trong ½ chu kỳ, do đó dòng điện trung bình qua van tối đa bằng ½ dòng điện tải. Trong các loại sơ đồ chỉnh lưu, thì loại tải này có điện áp ngược của van phải chịu là lớn nhất: *, Ưu điểm: So với chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ, sơ đồ này cho chất lượn điện áp tốt hơn. Dòng điện chạy qua van không lớn, điện áp tổng rơi trên van nhỏ và việc điều khiển van tương đối đơn giản. *, Nhược điểm: - Việc chế tạo biến áp với hai cuộn thứ cấp giống hệt nhau và mỗi cuộn chỉ làm việc trong ½ chu kỳ làm việc chế tạo biến áp phức tạp và hiệu suất sử dụng biến áp xấu. - Điện áp ngược của van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất làm cho việc chọn van bán dẫn khó khăn hơn. 3 . Chỉnh lưu cầu một pha : Chỉnh lưu cầu 1 pha có thể dùng sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điều khiển, trong sơ đồ có điều khiển lại có sơ đồ điều khiển đối xứng và điều khiển không đối xứng. Ta xét sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng: Hình 6: Chỉnh lưu cầu một pha Sơ đồ chỉnh lưu này cho điện áp ra trên tải tương tự như sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ, biến áp thứ cấp có trung tính. *, Hoạt động: - Ở ½ chu kỳ đầu (dương); điện áp dương đặt vào anode T1, điện áp âm đặt vào cathode T2, khi có xung mở T1, T2 thì T1, T2 dẫn, có dòng điện qua tải. - Ở ½ chu kỳ sau (âm); anode T4 dương, cathode T3 âm, khi có xung mở T3, T4 thì T3, T4 mở cho dòng điện qua tải theo chiều như khi T1, T2 dẫn. Tức là dòng điện qua tải là dòng điện một chiều. *, Ưu điểm: - Cho dạng điện áp, dòng điện ra giống như các dạng đường cong của chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. - Điện áp ngược của van phải chịu là: *, Nhược điểm: - Phải sử dụng nhiều van bán dẫn hơn, do đó tổng điện áp rơi trên van lớn hơn. - Việc điều khiển đồng thời các van khó khăn hơn. III . Chọn sơ đồ chỉnh lưu : Ta có điện áp của ăc quy là Ud = 24V Theo phần phân tích tải, mỗi ngăn ăc quy đơn có điện áp 2V, do đó có thể thấy ăc quy gồm 12 ăc quy đơn. Theo phần “ Nạp ăc quy bằng phương pháp áp” thì khi nạp cần giữ điện áp trên mỗi ngăn ăc quy đơn là (2,3-2,5)V. Vậy điện áp sau chỉnh lưu lớn nhất là: U2 = 2,5.12 = 30V. Do đó nếu ta dùng sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính thì điện áp ngược van phải chịu là: Unv = 2. 2.U2 = 2. 2.30 = 85V Với Unv = 85V thì việc chọn van bán dẫn công suất không có gì là khó khăn. Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha thì số lượng van sẽ tăng gấp đôi. Do đó: Ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cho mạch nạp ăc quy tự động là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp bên thứ cấp có trung tính. Chương 3 : Thuyết minh hoạt động cảu sơ đồ động lực , vẽ các đường cong dòng điện và điện áp của tải và các van dẫn ( Ud , Id , Uv , Iv ) I . Tính toán và chọn van động lực : Ta có sơ đồ mạch động lực : Hình vẽ Các đường cong chỉnh lưu *) Thuyết minh hoạt động : *, Hoạt động: Sơ đồ chỉnh lưu bao gồm bộ nguồn chỉnh lưu hai nửa chu kỳ với biến áp có trung tính, tải ăc quy được mắc nối tiếp với một cuộn kháng lọc để khắc phục sự gián đoạn của dòng điện ứng với góc mở α nào đó để cho dòng điện qua tải (ăc quy) là dòng ổn định. Đường cong dòng điện và điện áp của tải (ăc quy) Ud, Id được biểu diễn như hình vẽ. Ta thấy khi có them cuộn kháng lọc thì dòng điện ra không bị gián đoạn mà là dòng 1 chiều liên tục. *) Tính toán van động lực : Theo yêu cầu thiết kế, mạch nạp cho ăc quy bao gồm 12 ngăn ăc quy đơn, mà điện áp chỉnh lưu: Ud ≥ 2,7.Naq Trong đó: Naq = 12 - Số ngăn ăc quy đơn Ta có : Ud =2,7.12 = 32,4 V, có thể lấy Ud = 33 V Id = 10%.C10 = 0,1.250 = 25 A Với chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính tra bảng các hệ số cơ bản của các sơ đồ chỉnh lưu ta có : Từ đó ta có điện áp và dòng điện làm việc : V A Vậy ta có thông số cần có của van động lực là : V A Tra bảng thông số van ta chọn được loại van phù hợp với V, A là C48C300 với các thông số như sau : V A mA V mA V us C II./ Tính toán máy biến áp : 1, Điện áp chỉnh lưu không tải: Ud0= Ud + ΔUV + ΔUba + ΔUdn Với Ud = 33V ΔUV = 0,8V - Điện áp rơi trên Thysistor. ΔUba = ΔUR + ΔUX - Là sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến  áp. ΔUdn ≈ 0V - Sụt áp trên dây nối. Vậy: Ud0. = 33 + 3,1 + 2 + 0 = 38,1 V 2, Công suất tối đa của tải: Pdmax = Ud0.Id → Pdmax = 38,1.25 = 925,5 (W). 3, Công suất nguồn cấp: Sba = ks.Pdmax Trong đó: - Sba - Công suất biểu kiến của máy biến áp [VA]. - ks - Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực. Theo bảng 1.2, ta có ks đối với chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ với biến áp có trung tính là: ks = 1,48. → Sba = 1,48. 925,5 = 1409,7 [VA] 4, Tính toán sơ bộ mạch từ : Trong đó : QFe - Tiết diện trụ của lõi thép biến áp, cm2 kQ - Hệ số phụ thuộc vào điều kiện làm mát chọn kQ = 5 m - Số pha của máy biến áp (MBA), m = 1  f - Tần số nguồn điện xoay chiều f = 50Hz => cm2 5, Tính toán dây quấn biến áp : Vòng Trong đó - w - Số vòng dây quấn - U - Điện áp của cuộn dây cần tính - B - Từ cảm, B = (1,0-1,8) Tesla, chọn B = 1,0 Tesla - QFe - Tiết diện lõi thép * ) Bên sơ cấp : U1 = 220 v = = 373 ( Vòng ) * ) Bên thứ cấp : ( có 2 cuộn thứ cấp như nhau ) = = 42,33 V Số vòng dây: = = 72 ( Vòng ) *) Tính dòng điện trong các cuộn dây MBA : +) Bên thứ cấp : K2 = ( K2 tra bảng 8.2 ta được K2 = 0,71 ) => I2 = K2. Id = 0,71 . 25 = 17,75 ( A) +) Bên sơ cấp : K1 = ( K1 tra bảng 8.2 ta được K1 = 1,0 ) Và Kba = => I2 = K1. Id . = 1. 17,75. = 3,415 A *, Tính tiết diện dây dẫn: Chọn mật độ dòng điện trong máy biến áp: Với dây dẫn đồng Cu, MBA khô chọn: J1 = J2 = 2,75 A/mm2 Vậy SCU1 = = = 1,242 mm2 SCU2 = = = 6,45 mm2 Chọn dây dẫn tròn thì đường kính dây d1, d2 được tính : d1 = = = 1,245 mm d2 = = = 2,87 mm quy chuẩn đường kính dây và tiết diện dây theo bảng d1 = 1,25 mm , SCU1 = 1,2272 mm2 d2 = 2,83 mm , SCU2 = 6,29 mm2 do đó mật độ dòng điện cuộn thứ cấp : J1 = = = = 2,82 mm2 6. Tính kích thước mạch từ : Do Sba = 1409,7 VA < 10 KVA Nên ta chọn trụ chữ nhật với kích thước QFe = a.b ( a : bề rộng trụ , b : bề dày trụ ) QFe = a.b = 26,55 cm2 Ta chon lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm Diện tích của sổ cần có : QCS = Qcs1 + Qcs2 Với : Qcs1 = Kld . W1. Scu1 Qcs2 = Kld . W2. Scu2 Trong đó Qcs , Qcs1, Qcs2 : là diện tích của sổ , diện tích của sổ của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ [ cm2 ] W1 , W2 : số vòng dây cuộn sơ cấp và thứ cấp Kld : hệ số lấp đầy , thường chọn Kld = 2,0 – 3,0 Chọn Kld = 3 ta có : Qcs1 = Kld . W1. Scu1 = 3. 373. 1,2272 = 1373 cm2 Qcs2 = Kld . W2. Scu2 = 3. 72. 6,29 = 1359 cm2 => QCS = Qcs1 + Qcs2 = 1273 + 1359 = 2723 cm2 Hình vẽ sơ đồ kết cấu lõi thép biến áp Từ QFe = a.b = 26,55 cm2 Chọn a= 5 cm , b = 5,31 cm Ta có tỉ lệ tối ưu : m = = 2 – 4 = > chọn m = 2 => h = 2.a = 10 cm n = = 0,5 – 2,5 = > chọn n = 0,7 => c = 0,7 .a = 3,5 cm chiều rộng mạch từ : C = 2c + 2a = 2.3,5 + 2.5 = 17 cm Chiều cao mạch từ : H = h + z.a = h + a = 10 +1.5 = 15 cm ( z=1 ) 7 . kết cấu dây quấn : *) số vòng dây trên mỗi lớp : Trong đó : h1g = d1n = 1,33 – 1,36 => chọn 1,35 h2g = d2n = 2,94 – 2,96 => chọn 2,94 Ke = 0,95 hệ số ép chặt +) cuộn sơ cấp W1 : = = 68,46 => chọn W1 = 68 ( vòng ) số lớp : nld1 = = = 5,48 => chọn nld1 = 6 lớp vậy cuộn sơ cấp có 6 lớp : 5 lớp có 68 vòng, 1 lớp có 33 vòng +) cuộn thứ cấp W2 : cuộn này gồm có 2 cuộn : W2l = = = 14,26 => chọn W2l = 14 vòng Số lớp : nld1 = = = 5,14 => chọn nld1 = 6 lớp Mỗi cuộn thứ cấp gồm 2 cuộn dây W2 , mỗi cuộn có 6 lớp trong đó 5 lớp có 14 vòng và 1 lớp 2 vòng . *) bề dày cuộn dây : Bdct = d . nld + cd . nld = ( d + cd ) . nld = dn . nld Chọn bề dày cách điện cd = 0,1 mm ta có : Bdct1 = 1,35 . 6 = 8,1 cm Bdct2 = 2,94 . 6 = 17,64 cm Tổng bề dày các cuộn dây : Bd = Bdct1 + Bdct2 + cdn + cdt +cd12 Chọn cdn = cdt = cd12 = 1 mm ta có : Bd = 8,1 + 17,64 + 1 + 1 +1 = 28,74 cm kích thước hợp lý giữa cuộn dây và trụ : = c – Bd = 3,5 - 28,74 = 6,26 mm = 0,63 cm => phù hợp Vậy : a = 5 cm b = 5,31 cm h = 10 cm c = 3,5 cm 8 ) Tính khối lượng sắt : MFe = VFe . mFe ( Kg ) Trong đó : VFe : thể tích của mạch từ VFe = a.b.( m.h + 2.c ) = 5.5,31. (3.10 + 2.3,5 ) = 982,35 cm3 = 0,98235 dm3  MFe = 0,89235 . 7,85 = 7,711 ( kg ) = 7,7 kg 9 ) Khối lượng đồng : MFe = VFe . mFe ( Kg ) = Scu . L. mcu * ) cuộn sơ cấp W1 : L1 = W1 . . Dtb1 Với : Dtb1 = đường kính trung bình của cuộn dây và Dt1 = DFe + 2cd1 trong đó : DFe : a . đường kính trụ sắt Dt1 : đường kính trong Cdt : cách điện trong ( = 1 mm ) Ta có : Dt1 = 50 + 2.1 = 52 mm Dn1 = Dt1 + 2.( d + cd ).nld1 = Dt1 + 2.dn . nld1 = 52 + 2.1,35.6 = 68,2 mm Dtb1 = = = 60,1 mm Chiều dài cuộn dây sơ cấp : L1 = W1 . . Dtb1 = 373. . 60,1 = 70426 mm = 704,26 dm * ) xét 1 cuộn dây thứ cấp W2 Dtb2 = Dt2 = Dn1 = 68,2 Dn1 = Dt2 + 2.( d + cd ).nld2 = Dt2 + 2.dn . nld2 = 68,2 + 2.2,94.6 = 103,48 mm Dtb2 = = 85,84 mm Chiều dài 1 cuộn dây thứ cấp : L2 = W2 . . Dtb2 = 72. . 85,84 = 19417 mm = 194,17 dm Vậy khối lượng đồng : Mcu = ( L1. S1 + 2. L2 .S2 ). Mcu = (704,27.1,2272 + 2.194,17.6,29 ) . 10-4. 8,9 = 2,943 kg 10 ) Sụt áp trên MBA : Điệp áp trên điện trở : Trong đó : R1 = = R2 = = => tổng điện trở quy đổi MBA : Từ đó : (v) = 3,6 V * ) điện áp rơi trên điện kháng : Trong đó : mf = 1 số pha MBA Xn = Với Rbk = Dtb2 = 6,82 cm => Xn = = 0,168 ( ) Từ đó : = ( V ) Điện áp rơi trên biến áp : ( V ) 11 ) điện trở ngắn mạch MBA : Rmn = 12 ) Tổng trở ngắn mạch của MBA : 13 ) Điện áp ngắn mạch MBA : ( A ) 14 ) Điện áp ngắn mạch phần trăm của MBA : ( A ) Chương 4 : Tính chọn các thiết bị bảo vệ I ) Bảo vệ quá dòng điện : Làm mát van bán dẫn Ta có : + ) tổn hao cong suất trên 1 thysistor : P = U . I = 3,1. 25 = 77,5 ( W ) + ) diện tích về mặt toả nhiệt : Stn = Trong đó : Stn : diện tích bề mặt tỏa nhiệt ( cm2 ) : độ chênh lệch nhiệt độ = Tlv – T mt = 80 – 40 = 400 C : Hệ số xét tới điều kiện tỏa nhiệt = ( 6- 10 ).10-4 ( N/cm2. 0C) => = 8.10-4 ( N/cm2. 0C) Vậy Stn = = 2422 cm2 = 0,2422 m2 Do P = 77,5 W < 100W nên ta chọn cách làm mát bằng cách gắn van bán dẫn lên cách tản nhiệt Chọn loại có 12 cánh như hình vẽ dưới : Ta chọn : a = 15 cm b = 10 cm h = 11 cm h1 = 10 cm h0 = 1 cm c = 0,3 cm z = 1 cm => diện tích tản nhiệt là : Stn = 11.2.h1.b + 2.b.h + 12.c.b + 2.12. c. h1 + 11.z.b + 2.h0.a + a.b = 2788 cm2 > 2422 cm2 thỏa mãn điều kiện làm mát : Để bảo vệ cho van dẫn ta dùng +) Aptomat có các thông số : Ilv = I1 = 3,42 A dòng điện qua aptomat cần chọn : => Idm = 1,1 . Ilv = 1,1. 3,42 = 3,762 ( A ) => Udm = 220 ( V ) Dòng ngắn mạch : Inm = 2,5 . Ilv = 6,05 ( A ) Dòng quá tải : Iqt = 1,5. Ilv = 5,13 ( A ) Chọn loại Aptomat SC68N/SC108N hãng sản xuất SiNo có các thông số định mức : Idm = 6- 10 ( A ) Udm = 220 ( V ) +) chọn cầu dao có các thông số : Idm = 1,1. 3,42 = 3,762 ( A ) Dùng để tạo khoảng cách an toàn khi sửa chữa và cắt bộ nguồn chỉnh lưu khỏi nguồn cấp khi cần thiết Chọn loại cầu dao : VLS/VLS1 loại 1 cực hãng sản xuất Vanlock II ) bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn : Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng mạch R-C mắc song song với van bán dẫn như hình. Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên tiếp xúc P-N. Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Theo Tài liệu thiết kế ta có thể chọn các giá trị đó như sau: R = (5-30) Ώ → R = 15 Ώ C = (0,5-4) μF→ C=2 μF Chương 5 : Tính toán cuộn kháng lọc dòng điện I ) Tính toán các cuộn kháng lọc - CKL dòng điện đập mạch: Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo , làm xấu đi chất lượng dòng điện 1 chiều . Do vậy ta phải thiết kế thêm cuộn kháng lọc RLC để làm giảm đi sự đập mạch này : + ) trị sổ điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch được tình theo biểu thức : Trong đó : LL : trị số điện cảm đập mạch cần thiết [ H ] Iddm : dòng điện định mức của bộ chỉnh lưu ( A ) =3,14 : tần số góc ( s-1) K= 1,2,3, bội số sóng hài . chọn k= 1 m : số lần đập mạch trong 1 chu kỳ m = 2 Udnmax : biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu I%* : trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấy tỷ số theo dòng điện định mức của chỉnh lưu I%* chọn I%* = 10 % Ta có : Ta có : = > cos = = = > tg = 0,93 = > = ( V ) Từ đó : ( H ) * ) thiết kế cuộn kháng lọc ( CKL ) dòng điện đập mạch : +) các thông số cần thiết : - Điện cảm của cuộn kháng LCK = 0,0177 (H) - Dòng điện định mức qua cuộn kháng Idm = 25 (A) - thành phần dòng điện xoay chiều cho phép của sóng hài bậc nhất : I~1 = 0,1.Idm = 2,5 (A) Thông thường dây quấn cuộn kháng loại này có tiết diện khá lớn , do vậy điện trở thuần của cuộn kháng nhỏ có thể bỏ qua . Vì vậy ( Rck ~ 0 ) ZCK = 2π.f’.LCK ( f' = f.m ) Vậy: ZCK = 2π.50.2.0,0177 = 11,12 (Ώ) 1 ) điện áp rơi trên cuộn kháng : UCKL = ZCKL . I~1 = 11,12 . 2,5 = 27,8 ( V ) 2) tính công suất trên cuộn kháng lọc : PCKL = UCKL. I~1 = 27,8 . 2,5 = 69,5 ( W ) 3 ) tính toán lõi thép cuộn kháng lọc : Trong đó : f’ = 2f = 100 số lần đập mạch trong 1 chu kỳ K = 5- 6 => chọn K =5 hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát => ( cm2 ) = > quá nhỏ để quấn dây Do đó ta chọn = 20 cm2 4 ) tính toán dây quán cuộn kháng : Dòng điện gián đoạn có dạng là xung dòng điện , do đó khi chạy trong cuộn kháng xuất hiện sức điện động tự cảm ECKL được tính : ECKL = 4,44.Kdq .W.f ’ . = 4,44.Kdq .W. f ’.B.QFe Trong đó : Kdq = 1,1 – 1,3 : hệ số dây quấn => chọn 1,2 W : số vòng dây cuộn kháng lọc f ’ : tần số dòng điện sau chỉnh lưu : f ’ = m.f = 2.50 = 100 B : mật độ từ cảm lõi théo B = 1,1 – 1,3 => chọn B = 1,0 tesla => W = = = W = 28,46 => chọn W = 28 vòng Dây quấn cuộn kháng có tiết diện : Scu = ( Idm = Ik ) chọn J= 2,75 A/mm2 Ta có dòng điện chạy trong cuộn kháng : I = Id + I1m . cos(60+) => Ik = ( A ) =>Scu = = ( mm2 ) => chọn loại có : => mật độ dòng điện khi đó : J = = = 1,9 ( A/mm2 ) Ta có : QFe = 20 cm2 Chọn : a= 4 cm = 40 mm b= 5 cm = 50 mm => chọn : h = 2.a = 2.40 = 80 mm c = 0,8.a = 0,8.40 = 32 mm diện tích của sổ : Qcs = h.c = 8.3,2 = 25,6 cm2 QFe = a.b = 4.5 = 20 cm2 Chiều dài mạch từ : C = 2.c + 2.a = 2.3,2 + 2.4 = 14,2 cm Chiều cao mạch từ : H = h+ a = 8 + 4 = 12 cm * ) số vòng dây trên 1 lớp : trong đó : Ke = 0,95 : hệ số ép chặt dn : đường kính dây quấn kể cả cách điện dn = 4,6 – 4,63 chon dn = 4,6 => hg = dn = 4,6 mm = > = > chọn WL1 = 14 vòng Số lớp dây quấn trên cuộn dây Nld = = lớp * ) bề dày cuộn dây Bd = ( d + cd ) .nld = dn .nld = 4,6 .2 = 9,2 mm * ) tổng bề dày cuộn dây : = Bd + cdt Trong đó : Cdt : cách điện dây quấn với trụ ta chọn cdt = 3 mm = 9,2 + 3 = 12,2 mm * ) khoảng cách hợp lý giữa dây quấn và trụ : C = C - = 32 – 12,2 = 19,8 mm ~ 2cm * ) khối lượng sắt MFe : MFe = VFe . mFe = ab. ( 3.h + 2.c ). 10-4.7,85 = 4.5. ( 3.8 + 2.3,2 ).10-4.7,85 = 4,775 kg * ) khối lượng đồng MCu : Ta có Chiều dài của vòng dây trong cùng : Lt = 2.( a + b ) + 2π .cdt = 2 .( 40 + 50) + 2π .3 = 199 mm Chiều dài của vòng dây ngoài cùng: Ln = 2.( a + b ) + 2π.(cdt +) = 2.( 40 + 50 ) + 2π .( 3 + 12,2 ) = 965,4 mm Chiều dài trung bình của một vòng dây: Ltb = = 2 mm => khối lượng đồng Cu : Mcu = Ltb .W.S.mcu = 582,2 . 28. 13,2 . 8,9.10-2. 10-4 = 1,915 kg ~ 1,92 kg Chương VI : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển A . Các bước thiết kế: 1 / tìm hiểu về mạch điều khiển Điều khiển Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau, thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nguyên lý điều khiển này có thể được mô tả trên hình vẽ : Hình vẽ các đường cong điện áp quá trình điều khiển van Ta có điện áp hình sin Udf đặt vào Anod của Tiristor, để có thể điều khiển được góc mở van α của Triristor ta cần tạo một điện áp tựa dạng răng cưa URC như trên sơ đồ hình trên, điện áp răng cưa này được so sánh với điện áp điều khiển Udk. Khi nào điện áp tựa bằng với điện áp điều khiển (URC = Udk) thì ta phát xung mở Triristor Xdk, Triristor sẽ được mở từ khi có xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ, hoặc cho tới khi nào dòng điện I =0. 2 / sơ đồ khối mạch điều khiển : Để có thể điều khiển được van bán dẫn đóng mở theo nguyên lý đã nêu ở trên, ta cần mạch điều khiển với 3 sơ đồ khối được nêu ở hình vẽ : Hình vẽ sơ đồ khối mạch điều khiển a ) nhiệm vụ các khâu : * ) Khâu đồng pha : có nhiệm vụ tạo điện áp tựa dạng răng cưa URC, thông thường là điện áp tựa răng cưa dạng tuyến tính, trùng pha với điện áp anod của Triristor. *) Khâu so sánh : nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, thực hiện công việc so sánh giữa 2 điện áp, và tại thời điểm hai điện áp bằng nhau (URC = Udk) thì phát xung điều khiển Triristor gửi sang tầng khuếch đại (khâu tạo xung). * ) Khâu tạo xung : có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor, với yêu cầu của xung mở Tiristor là có sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo xung loại này là xung kim hoặc xung chữ nhật, đủ độ rộng và công suất để mở được van, và đảm bảo là cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực. Hình vẽ d ạng xung điều khiển van Mạch điều khiển chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính gồm 2 kênh điều khiển. Mỗi kênh sẽ tạo xung tương ứng cho từng van T1 và T2 khi đến nửa chu kỳ dương của điện áp hay nửa chu kỳ âm của nó. Ta có sơ đồ dạng điện áp qua bộ điều khiển xét cho kênh điều khiển van T1 như hình vẽ * ) Khâu khếch đại xung ( khâu khếch đại cuối cùng ) : Tiến hành khếch đại xung từ mạch dạng xung đưa đảm bảo mở chắc chắn tiristor . khâu này cũng thường làm nhiệm vụ cách ly giũa mạch điều khiển và mạch lực . B ) tính toán các thông số của mạch điều khiển : Chọn loại van tiristor C48C300 có các thông số cần thiết: - Điện áp điều khiển Tiristor : Udk = 3 V - Dòng điện điều khiển Tiristor : Idk = 75 mA =0,075 A - Thời gian mở Tiristor : tm = 80 μs - Độ rộng xung điều khiển : tx = 2 . tm = 160 μs - Tần số xung điều khiển : fx = 3 kHz - Độ mất đối xứng cho phép : Δα = 4o - Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : U = ± 12V - Mức sụt biên độ xung : sx = 0,15 I/ Tính toán máy biến áp xung : Chọn vật liệu làm lõi sắt lá sắt Ferit dạng hình vòng xuyến làm việc trên một phần đặc tính từ hóa có: ΔB = 0,3T; ΔH = 30 A/m. -) Tỷ số biến áp xung: thường m = (2-3), chọn m =3. -) Điện áp cuộn thứ cấp biến áp xung U2 = Udk = 3 V -) Điện áp sơ cấp biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.3 = 9 V -) Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Id = 0,15 A -)Dòng điện sơ cấp biến áp xung : I1 = A -) Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: Trong đó = 4.10-7 = ( H/m ) -) thể tích lõi thép cần có : V = Q. = = = 9.10-7 ( m3 ) = 0,9 .10-6 ( m3 ) = 0,9 cm3 Theo bảng 1.5 tài liệu thiết kế bảng thông số các loại lõi thép hình xuyến tròn ta chọn được mạch từ là A0-20/25-6,5 co thể tích V = 0,162 . 7,1 = 1,15 cm3 Từ đó ta có các kích thước của mạch từ như sau : a = 2,5 mm b = 6,5 mm d = 20 mm D = 25 mm Q = 0,162 cm2 = 7,1 cm Qcs = 3,14 cm2 * ) tính toán cuộn sơ cấp : -) Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: Theo định luật cảm ứng điện từ ta có : => W1 = -) tiết diện dây quấn sơ cấp : S1 = mm2 ( chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm2 ) -) đường kính dây quấn sơ cấp : mm Theo bảng P.5 - Tài liệu thiết kế, Thông số của dây đồng tiêu chuẩn Ta chọn được loại dây: S1 = 0,00785 mm2 → d1 = 0,1 mm * ) tính toán cuộn thứ cấp : -) số vòng dây thứ cấp : vòng -) tiết diện dây quấn sơ cấp : S1 = mm2 ( chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm2 ) -) đường kính dây quấn sơ cấp : mm Ta chọn được loại dây: S2 = 0,02011 mm2 → d1 = 0,16 mm -) kiểm tra lại hệ số lấp đầy : Kld = Như vậy cửa sổ đủ S cần thiết II / Tính toán các khâu : 1 ) khâu đồng pha : Điệp áp U0 đồng pha qua điot D1, D2 được dạng điện áp 1 chiều nửa hình sin . điện áp xoay chiều đồng pha UA = 12 V . Điện trở R1 được dùng để hạn chế dòng vào KĐTT. Chọn R1 = 10 (K ) Chọn góc duy trì và khóa năng lượng là 50 thì điện áp đặt vào cửa dương của bộ so sánh là : Dd = V. Từ đó : => . Chọn R1 = 35 ( K ) . R3 chọn loại 100 K, đặt ở giá trị 5 K Chọn khếch đại thuật toán là loại TL084 có : Nguồn cung cấp E = 12 V Nhiệt độ làm việc t = -25 850 C Công suất tiêu thụ P = 680 mW Tổng trở đầu vào Rin = 106 M Dòng điện ra Ira = 30 pA Điện áp Uo được so sánh với điện áp trên điện trở R3 . tại thời điểm Uo = UR3 thì đổi dấu của điện áp ra khếch đại thuật toán : + điện áp tại cửa âm UR3 = Điện áp cửa dương bằng Uo . Điện áp ra bằng : Ura = Ko .( U+ - U- ) = Ko . ( Uo - UR3 ) Khi U0 > UR3 thì điện áp ra Ura = Ubh = E -1,5 V 2 ) khâu tạo điện áp răng cưa : a) sơ đồ và nguyên lý : Điệp áp đồng bộ được đưa vào cửa đảo của khâu tạo điệp áp răng cưa . Khi Udp ( Udp = -Ubh ) khi đó D3 dẫn , tụ C nạp điện , điện áp trên tụ C bằng điện áp đầu ra OA2 . Điệp áp trên tụ C nạp tăng tuyến tính đến trị số ngưỡng của điốt ổn áp DZ và giữ điện áp ở trị số này . Ở nửa chu kỳ sau , khi Udb > 0 thì D3 khóa nên dòng qua D3 bằng 0 , tụ phóng điện , điện áp trên tụ C ( điện áp ra ) giảm tuyến tính tính . Khi điện áp giảm đến 0 rồi âm thì điot DZ dẫn như điot bình thường giữ cho điện giá trị 0 . b ) tính toán : + ) khi Udp < 0 ( Udp = - Ubh ) thì D3 dẫn tụ C được nạp điện . Điện áp trên tụ C bằng điện áp đầu ra của OPAM . Thông thường thiết kế với R5 << R4 do đó có iR5 >> iR4 , để đơn giản bỏ qua iR4 nên iR5 = iC Ura = UC = Uc(0) + ( vì Uc(0) = o ) Điot ổn áp không cho điện áp nạp trên tụ C quá Udz. Chọn loại điot ổn áp là KC210B có điện áp ổn áp là : Udz = 10 (V) Dòng tối đa I = 22 ( mmA ) Với tần số công nghiệp f= 50 Hz thì mỗi nửa chu kỳ T = 10 ( ms ), chọn R4 và C sao cho tụ được nạp đến điện áp Udz trong thời gian t = tn = 0,5 (ms) Chọn C = 0,2 ( uF) => Ic = 0,2. 10-6.2.104 = 4. 10-3 ( A ) R4 = ( k ) chọn R4 = 3 ( k ) +) khi Udp > 0 ( Udp = + Ubh ) thì D3 khóa , tụ C phóng điện Dòng phóng điện : Ip = Điện áp trên tụ C giảm dần theo thời gian : Uc(t) = Uc (0) + Thời gian phóng điện t = tp = 0,5 ms , tại thời điểm tp điện áp trên tụ bằng 0 => = 0 => R5 + R6 = 57 ( k ) Chọn R6 = 10 ( k ) . chọn R5 loại 100 ( k ) , đặt ở giá trị 50 ( k ) 3 ) khâu so sánh : a/ sơ đồ nguyên lý so sánh điện áp tựa và điện áp điều khiển , điểm cân bằng của hai điện áp này là thời điểm mở tiristor . khi Udk > Urc thì điện áp ra của khâu so sánh là Ura = + Ubh = E – 1,5 ( V ) khi Udk < Urc thì điện áp ra của khâu so sánh là Ura = - Ubh = -( E – 1,5 ) ( V ) kết quả cho điện áp xung chữ nhật b ) tính toán R6 chọn 10 ( k ) , chọn khâu KĐTT là loại TL084, nguồn nuôi E = 12 ( V ) 4 ) khâu khếch đaị xung cuối cùng : Chọn Tranzitor công suất Tr2 loại BC142 làm việc ở chế độ xung có các thông số: - Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si - Công suất tiêu tán ở Collecto: PC = 0,8 W - Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T = 1750C Chọn D4, D5, D6 loại 1N4003 có : Imax = 1 A , Ung = 200 V Chọn các loại điện trở R8 = 10 ( k ) , R9 = 5 ( k ) 5 ) tạo nguồn nuôi : Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 1 pha, trên trụ thép có 5 cuộn dây như hình trên, với một cuộn sơ cấp và 4 cuộn thứ cấp: - ) Cuộn thứ 1 và thứ 2 là các cuộn dây đồng pha, các cuộn dây này cần  lấy trung thực điện áp hình sin của lưới. - ) Cuộn thứ 3: Cần tạo ra điện áp ±12V (có ổn áp) để cấp nguồn nuôi cho các IC, mà cụ thể là A1, A2, A3. Để ổn định điện áp đầu ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, với các thông số của vi mạch như sau: + Điện áp đầu vào: UV = 7 - 35 V + Điện áp đầu ra: Với 7812 Ura = +12V Với 7912 Ura = - 12V + Dòng điện đầu ra: Ira = 0 - 1 A + Các tụ điện C để lọc thành phần sóng hài bậc cao: Chọn C = 470 μF, U = 35 V - ) Cuộn thứ 4: Cuộn này có nhiệm vụ tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các Tisistor. Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên nguồn cấp cho biến áp xung cần phải độc lập với nguồn cấp cho các khuếch đại thuật toán để tránh bị sụt áp nguồn. * / Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: 1. Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U23 = 14 V. 2. Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán  ta chọn 2 IC TL 084 khi đó sẽ có 8 khuếch đại thuật toán, ta sử dụng  6 khuếch đại thuật toán cho 2 kênh điều khiển và 1 cho mạch trừ để  lấy đường hồi tiếp dòng điện (tính toán ở phần sau):  PIC = 7.pIC = 7.0,68 = 4,76 W 3. Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển Tiristor: PX = 6.Udk.Idk = 6.3.0,075 = 1,35 W Điện áp pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung: 5. Điện áp lấy ra ở cuộn đồng pha U21 = U22 = Udf = 9 V 6. Dòng điện chạy qua cuộn dây chọn 10 mA. 7. Công suất các cuộn dây đồng pha:  Pdf = 2.Udf.IX = 2.9.0,01 = 0,18 W 8. Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN = Pdf + PX + PIC = 0,18 + 1,35 + 4,76 = 6,29 W 9. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn hao trong máy: S = 1,05.PN = 1,05.6,29 = 6,6045 W 10. dòng điện sơ cấp biến áp : 11. tiết diện trụ tính theo công thức : => chọn a = 12 mm b = 16 mm h = 60 mm => chọn Qt = 12.16 = 192 mm2 = 1,92 cm2 12 Chọn mật độ từ cảm B = 1T ở trong tụ ta có số vòng dây quấn sơ cấp: vòng 13. chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 A/mm2 Tiết diện dây quấn sơ cấp : S1 = A/mm2 Đường kính dây quấn sơ cấp : d1 = mm => tra bảng ta được : d = 0,12 mm S = 0,01131 mm2 => đường kính bề ngoài kể cả cách điện là : d = 0,14 mm 14 . số vòng dây quấn thứ cấp W21 = W22 : W21 = W22 = W1 . vòng 15 . số vòng dây quấn thứ cấp W23 W23 = W1 . vòng 16. số vòng dây quấn thứ cấp W24 W24 = W1. vòng 17. đường kính các cuộn thứ cấp : vì kích thước nhỏ không đáng kể nên chọn d = 0,26 mm 18. tính chọn điốt cho bộ chỉnh lưu nguồn nuôi : +) với cuộn dây 3 : xét trường hợp chỉ cuộn 3 làm việc thì khi đó : I3 = A Dòng điện qua mỗi van : ID = A => dòng điện định mức qua van : Idm = 10.ID = 2,36 A Điện áp ngược van cần chọn : Unv = KdtU. Unmax = 1,8 . 9,8 = 35,64 v KdtU : hệ số dự trữ điện áp . +) với cuộn dây 4 : xét trường hợp chỉ cuộn 4 làm việc thì khi đó : I4 = A Dòng điện qua mỗi van : ID = A dòng điện định mức qua van : Idm = 10.ID = 3,88 A Điện áp ngược van cần chọn : Unv = KdtU. Unmax = 1,8 . 12,03 = 21,66 V Để đơn giản ta dùng cùng 1 loại điốt đáp ứng được cả 2 yêu cầu của 2 dãy điốt trên. Theo bảng P1 thông số chọn loại MR 2000 với các thông số : + ) dòng điện chỉnh lưu cực đại : Imax = 20 A + ) điện áp ngược của điốt : Inv = 50 V