Thiết kế một bộ nguồn nạp ắc qui tự động dùng các linh kiện bán dẫn

. Tấm ngăn : Tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cực dương và âm đồng thời để đỡ chất tác dụng ở các bản cực bớt bị bong rơi ra khi sử dụng ắc quy . Các tấm ngăn phải là chất cách điện , có độ xốp thích hợp để không ngăn cản dung dịch điện phân thấm đến các bản cực . Chúng phải bền vững có độ dẻo , chịu axit và không chứa các tạp chất có haị , nhất là sắt . Các tấm ngăn hiện nay thường được chế tạo bằng mipo ( êbônit xốp mịn ) , miplát ( pôliclounnhin xốp mịn ) , platchipo ( pêclovinhin xốp mịn ) , pôrôvinhin , pênôphát hoặc bông thuỷ tinh ghép với miplat hoặc gỗ v.v... Cấu tạo tấm ngăn có dạng hình chữ nhật . Các tấm ngăn bằng mipo , miplát , pênôplát thường dấy 1,5 ¸ 2,4 mm và có một mặt phẳng hướng về phía bản cực âm còn một mặt có hình sóng hoặc có gồ hướng về phía bản cực dương , tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển hơn đến các bản cực dương và dung dịch lưu thông tốt hơn . Để đảm bảo cách điện tốt nhất , các tấm ngăn được làm rộng hơn so với các bản cực đặc biệt là chiều cao . Đối với các tấm ngăn kết hợp thì lớp bông thuỷ tinh thường dày 0,4 ¸0,8 mm ghép với tấm ngăn miplát tạo thành tấm ngăn hai lớp hay thường gọi là tấm ngăn kép . Loại này tăng được tuổi thọ của ắc quy nhưng đặc tính sử dụng lại kém đi khoảng 10% . Trong một vài trường hợp người ta còn sử dụng tấm ngăn kép bằng gỗ và lưới nhựa Nắp , nút và cầu nối : Nắp làm bằng nhựa êbônit (đối với bình làm bằng êbônit ) và bằng bakêlit ( đối với bình bằng nhựa axphantôpéc ) . Nắp có hai loại : 1-Từng nắp riêng cho mỗi ngăn ( nắp ngăn ) 2-Nắp chung cho cả bình ( nắp bình ) . Loại này kết cấu phức tạp nhưng độ kín tốt . Kết cấu của loại nắp ngăn thông dụng nhất hiện nay . Các lỗ bên để luồn các vấu cực của khối bản cực ra . Lỗ có ren 2 ổ giữa được gọi là lỗ đổ , để dung dịch điện phân vào các ngăn và để kiểm tra mức dung dịch điện phân , nhiệt độ và nồng độ dung dịch trong ắc quy . Để đảm bảo kín tốt , khi chế tạo người ta ép các lỗ bên của nắp những ống chì . Khi hàn nối các ắc quy đơn với nhau đầu vấu cực sẽ chảy ra và gắn liền với ống chì này và cầu nối thành một khối bảo đảm hoàn toàn kín ở chỗ lắp ráp . Lỗ đổ được đậy kín bằng nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân trong bình khỏi bị bẩn và bị sánh ra ngoài . ở nút có lỗ nhỏ để thông khí từ trong bình ra ngoài trời lúc nạp ắc quy . Nắp một số loại ắc quy có lỗ thông khí riêng , nằm sát lỗ đổ . Kết cấu như vậy rất thuận tiện cho việc điều chỉnh mức dung dịch trong bình ắc quy . Trong trường hợp này ổ nút không có lỗ khí nữa. Dung dịch điện phân Dung dịch điện phân trong bình ắc quy là dung dịch axit sunfuric ( H2SO4 ) được pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ quy định tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu mùa và vật liệu làm tấm ngăn . Nồng độ của ắc quy có thể từ 1,21g/cm3 đến 1,31g/cm3 . Cần nhớ rằng : nồng độ quá cao sẽ chóng hỏng tấm ngăn , chóng hỏng bản cực , dễ bị sunfat hoá trong các bản cực nên tuổi thọ và điện dung của ắc quy cũng giảm dần đi rất nhanh . Nồng độ quá thấp thì điện dung định mức và thế hiệu của ắc quy giảm và ở những nước xứ lạnh vào mùa đông dung dịch dễ bị đóng băng . Nồng độ của dung dịch điện phân luôn thay đổi theo mức phóng và mức nạp của ắc quy . Ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ của dung dịch . Người ta thường lấy nhiệt độ +15oC làm mốc để tiêu chuẩn hoá nồng độ của dung dịch điện phân .Để xác định nồng độ người ta dùng tỷ trọng kế . Mỗi một độ chênh lệch so với mốc +15oC đều cho sai số 0,0007g/cm3 . Do đó khi thấy nhiệt độ của dung dịch cao hơn +15oC thì phải cộng thêm sai số vào kết quả đọc được theo tỷ trọng kế còn nếu thấy nhiệt độ dung dịch thấp hơn +15oC thì phải trừ đi . *Những chú ý khi pha chế dung dịch điện phân cho ắc quy axit : (+)Không được dùng axit có thành phần tạp chất cao như loại axit kỹ thuật thông thường và nước không phải là nước cất vì dùng như vâỵ sẽ làm tăng cường độ quá trình tự phóng điện của ắc quy . (+)Các dụng cụ pha chế phải làm bằng thuỷ tinh , sứ hoặc chất dẻo chịu axit . Chúng phải sạch không chứa các muối khoáng , dầu mỡ và các tạp chất v.v.. (+)Để đảm bảo an toàn trong khi pha chế tuyệt đối không được để nước vào axit đặc mà phải đổ từ từ axit vào nước và dùng que thuỷ tinh khuấy đều I.1.3. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui . Ác qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tich trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện. -Khi nạp nhờ nguồn điện nạp mà ở mạch ngoài các điện tử “e” chuyển động từ các bản cực âm đến các bản cực dương - đó là dòng điện nạo In . -Khi phóng điên dưới tác động của sức điện động riêng của ắc quy các điện tử sẽ chuyển động theo hướng ngược lại ( từ dương đến âm và tạo thành dòng điện phóng Ip . -Khi ắc quy đã nạp no , chất tác dụng ở các bản cực dương là PbO2 còn ở các bản cực âm là chì xốp Pb , khi phóng điện các chất tác dụng ở hai bản cực đều trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ . Các quá trình hoá học xảy ra trong ắc quy có thể viết một cách vắn tắt như sau :Trên bản cực dương : phóng PbO2 + 3H+ + HSO4- +2e PbSO4 + 2H2O nạp Trên bản cực âm : phóng Pb + HSO4 PbSO4 + 2e + 2H nạp ở dạng tổng quát , có thể đặc trưng các qúa trình trên bằng cách lập bảng : Trạng thái của ắc quy Bản cực dương Dung dịch điện phân Bản cực âm Đã được nạp no Đã phóng hết điện PbO2 (oxit chì ) PbSO4 (Sunphat chì tinh thể nhỏ) 2H2SO4 (axit sufuric ) 2H2SO4 ( Nước ) Pb (Chì xốp nguyên chất ) PbSO4 (Sunfat chì tinh thể nhỏ ) Như vậy khi phóng điện axít sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat còn nước bị phân hoá ra , do đó nồng độ của dung dịch giảm đi . Khi nạp điện thì ngược lại , nhờ hấp thụ nước và tái sinh ra axit sufuric nên nồng độ của dung dịch tăng lên . Sự thay đổi nồng độ của dung dịch điện phân khi phóng và nạp là một trong những dấu hiệu để xác định mức phóng điện của ắc quy trong sử dụng . Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit. Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui axit có dung dich điện phân là axit H2SO4 nồng độ d = 1,1 ¸ 1,3 % bản cực âm là Pb và bản cực dương là PbO2 có dạng : (- ) Pb ½ H2SO4 d = 1,1 ¸ 1,3 ½ PbO2 ( + ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit : phóng Nạp PbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O Thế điện động e = 2,1 V. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm. Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui kiềm có dung dich điện phân là KOH nồng độ d = 20 % bản cực âm là Fe và bản cực dương là Ni(OH)3 có dạng : ( - ) Fe ½ KOH d = 20% ½ Ni(OH)3 ( + ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm : phóng Fe + 2NI(OH)3 Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2 nạp Thế điện động e = 1,4 V. Nhận xét : Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong quả trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc qui nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui. I.1.4 Các thông số cơ bản của ắc qui . Sức điện động của ắc qui chì và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm Eo = 0,85 + r ( V ) trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V ) - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm3 ) Trong quá trình phóng điện sức điện động của ắc qui được tính theo công thức : Ep = Up + Ip.rb trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V ) Ip - dòng điện phóng ( A ) Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V) rb - điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( W ) Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc qui được tính theo công thức En = Un - In.rb trong đó : En - sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V ) In - dòng điện nạp ( A ) Un - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện (V) rb - điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( W ) Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức : Cp = Ip.tp trong đó : Cp - dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah ) Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A tp - thời gian phóng điện ( h ). Dung lượng nạp của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắc qui và được tính theo công thức : Cn = In.tn trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ). I.5.Quá trình phóng và nạp của ác qui I.5.1 Đặc tính phóng của ắc qui Điểm cuối của quá trình phóng ÄE Ip=5,4 A(1,70V) t(h) Eaq Hình 1-2.Đặc tính phóng của ắc qui Khi phóng bằng một dòng điện Ip không đổi thì nồng độ dung dịch giảm theo đường thẳng vì số lượng chất tác dụng tham gia phản ứng và axit sunfuric được thay thế bằng nước trong mỗi giây đều bằng nhau . Nồng độ ban đầu giả sử bằng 1,27 g/cm3 , còn nồng độ cuối cùng phụ thuộc vào số lượng axit sunfuric tiêu tốn trong thời gian phóng và trữ lượng dung dịch trong bình tức là phụ thuộc vào kết cấu của bình ắc quy . Đường đặc tính của sức điện động tĩnh Eo tính theo Eo = 0,85 + S cũng có dạng như S nhưng nếu tính giá trị thực tế của sức điện động Eqq = Hp +Ip Rqq thì sức điện động Eqq sẽ nhỏ hơn sức điện động Eo một lượng bằng ÄE Raq - Điện trở trong của ắc quy Ip – Cường độ dòng điện phóng Up – Thế điện của ắc quy trong quá trình phóng ÄE – Mức chênh lệch sức điện động trong quá trình phóng hoặc nạp Sở dĩ có sự chênh lệch giữa Eqq và Eo là vì trong quá trình phóng điện nồng độ dung dịch chứa trong chất tác dụng của bản cực bị giảm đi do tốc độ khuếch tán dung dịch đến các bản cực chậm , làm cho nồng độ dung dịch thực tế ở trong lòng bản cực luôn thấp hơn nồng độ dung dịch chung trong từng ngăn . Nếu mạch ngoài của ắc quy hở ( không phóng điện ) thì do khuếch tán mà nồng độ dung dịch trong chất tác dụng và nồng độ dung dịch chung ở mỗi ngăn sẽ cân bằng nhau và thế hiệu của ắc quy cũng sẽ bằng sức điện động tĩnh Eo . Sức điện động thực tế Eqq và Up trong quá trình phóng điện thay đổi theo quy luật phức tạp . Ta có thể phân tích kỹ hơn quá trình phóng điện theo đặc tính trên như sau : sau khi đóng mạch phụ tải R cho ắc quy phóng điện do phản ứng hoá học mà nồng độ chung bị giảm đi , xảy ra sự chênh lệch về nồng độ tạo điều kiện cho việc khuếch tán lớp dung dịch mới vào bản cực , Nồng độ trong các bản cực ngày càng giảm đi , thì sự chênh lệch nồng độ và số lượng dung dịch khuếch tán vào trong các bản cực ngày càng tăng . Quá trinh này tiếp tục cho đến khi có sự cân bằng số lượng axit tiêu tốn trong phản ứng phóng điện . ÄE là hậu quả của quá trình đó . Qúa trình phóng điện chỉ thực hiện đến điểm A vì sau điểm này thế hiệu của ắc quy sẽ giảm đi rất nhanh .Thế hiệu của ắc quy ứng với điểm này được gọi là thế hiệu phóng cuối cùng . Khi thế hiệu ắc quy giảm đến thế hiệu phóng cuối cùng thì người ta thì người ta coi là ắc quy đã bị phóng hết điện . I.4.2 Đặc tính nạp của ác qui Quá trình nạp của ác qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của các sức điện động,điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp Đồ thị quá trình nạp: Hình 1-3.Đặc tính nạp cuả ắc qui Mỗi bình ác qui gồm nhiều ngăn ác qui đơn ghép thành ,có đầy đủ đặc tính tượng trưng cho cả bình ác qui.Do đó khi nghiên cứu quá trình nạp của ác qui ta chỉ cần xét trên một ngăn ác qui đơn Một ngăn ác qui đơn gồm có hai bản cực ,sau khi đổ dung dịch trên hai bản cực ác qui đơn xuất hiện một sức điện động E =1,95V.Nếu lúc này nối hai bản cực với một phụ tải thì ta thấy sức điện động giảm về không ,dòng điện I=0, chính tỏ ác qui chưa đủ khả năng làm nguồn cung cấp cho tải và cần phải có dòng một chiều từ bên ngoài cấp cho ác qui.Quá trình dùng dòng một chiều từ bên ngoài cấp cho ác qui gọi là quá trình nạp điện cho ác qui Nếu trong suốt quá trình nạp dòng điện không đổi In=5-10%Caq(Caq dung lượng của ác qui)thì quá trình nạp là tối ưu .Nạp với dòng điện trên suất điện động trên hai bản cực tăng từ từ 1,95V-2,65V Ta có biểu thức quan hệ giữa Un và E: Unaq=Eaq-In.Raq Giống như động cơ điện một chiều ,suất điện động tăng dần thì dòng nạp sẽ giảm dần .Nếu E=U thì I=a,lúc này chưa chắc ác qui đã no do đó muốn tiếp tục nạp cho ác qui thì ta phải tăng suất điện động để duy trì dòng nạp tránh tình trạng tăng U vì nếu đặt U quá cao thì dòng I sẽ cao.Dòng quá cao sẽ làm hỏng bản cực ,còn dòng quá nhỏ sẽ không đảm bảo . Trong quá trình nạp suất điện động của một ngăn đơn tăng dần từ 1,95V-2,65V đây là quá trình nạp hiệu dụng.Khi E=2,4 V dung dịch trong bình bốc nhiều bọt khí ra môI trường xung quanh .Hiện tượng này gọi là hiện tượng sôi.Cuối quá trình nạp hiệu dụng E=2,65V, ác qui đã gần no .Quá trình E tăng từ 1,95V-2,4V rất chậm hàng chục giờ.Còn từ 2,4V-2,65V rất nhanh Nếu kết thúc quá trình nạp hiệu dụng đem cung cấp cho tải thì ắc qui dùng không được lâu.Chính tỏ ắc qui thực sự no hẳn.Do vậy khi kết thúc quá trình nạp hiệu dụng ta tiếp tục cho ắc qui nạp thêm từ 2-3 giờ với dòng nạp bằng 2,5-5 dung lượng thì trong giai đoạn này suất điện động ắc qui tăng không đắng kể từ 2,65V-2,7V .Giai đoạn này gọi là giai đoạn nạp no.Lúc này nếu ngắt nguồn nạp thì điện áp trên một ngăn đơn ắc qui bằng 2,11V đây chính là điện áp danh định trên một ngăn của ắc qui Kết thúc quá trình này ta có thể mang ắc qui cung cấp cho phụ tải *Nhận xét: Nếu trong quá trình nạp ắc qui người vận hành dùng tay để điều chỉnh thì sẽ không đảm bảo được sự thay đổi của suất điện động để có được dòng nạp tối ưu.Do đó vấn đề dặt ra đối với người thiết kế là làm sao thiết kế được một bộ nguồn nạp ắc qui tự động thay đổi suất điện động phù hợp với Un,In.Tự động tăng dần các cấp điện áp nạp để dòng nạp đạt tối ưu bảo cho quá trình nạp ắc qui là tối ưu I.5.3Các phương pháp nạp ắc qui tự động. Từ việc nghiên cứu quá trình nạp điện cho ắc qui ta thấy có 2 phương pháp chính để nạp điện cho ắc qui: + Phương pháp dòng điện không đổi + Phương pháp điện áp không đổi + Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi. Theo cách nạp này dòng điện nạp thường được giữ ở một trị số không đổi trong suốt thời gian nạp ( nạp một nấc ) . Trong trường hợp nạp vôi cho phép nạp hai nấc tức là được thay đổi cường độ dòng điện một lần . Vì dòng điện nạp mà Eaq trong khi nạp tăng dần nên , nên muốn giữ cho In = const , trong quá trình nạp phải tăng dần thế hiệu nạp Un . Để thực hiện được việc này nguồn điện nạp phải có nhiều nấc điện thế , nếu không phải mắc thêm một biến trở nối tiếp với ắc quy . Nếu tiến hành nạp 2 nấc thì nấc thứ nhất kết thúc khi thế hiệu của mỗi ắc quy đơn đặt 2,4V ( bắt đầu sủi bọt khí trong ắc quy ) sau đó chuyển sang nấc thứ hai với cường độ dòng điện nạp giảm đi và kết quá trình nạp ở cuối nấc này . Theo phương pháp này , tất cả ắc quy ( không lệ thuộc vào thế hiệu định mức ) được mắc nối tiếp với nhau và chỉ cần đảm bảo điều kiện : tổng số các ắc quy đơn trong mạch nạp không vượt quá giá trị Ung/2,7 ( Ung là thế hiệu của nguồn nạp hoặc thiết bị nạp điện ) . Một điều kiện nữa cũng nên đảm bảo là tất cả các ắc quy phải có điện dung như nhau nếu không sẽ phải chọn cường độ dòng điện nạp theo ắc quy có điện dung nhỏ nhất vì vậy ắc quy có điện dung lớn sẽ phải nạp rất lâu . Vì thế hiệu của mỗi ắc quy đơn lúc bắt đầu nạp chỉ bằng 2,0 V nên muốn khử điện áp dư biến trở phải có điện trở Naq: tổng số ắc quy đơn khi nối tiếp nhau trong mạch nạp Nạp bằng dòng điện không đổi là phương pháp nạp chủ yếu và tổng quát nhất , trong đó nạp một nấc là cơ bản , còn nạp hai nấc chỉ áp dụng khi cần rút ngắn thời gian nạp . Phương pháp này cho tuỳ ý chọn cường độ dòng điện nạp cho thích hợp với từng loại ắc quy . Tất cả các ắc quy mới trước khi đem vào sử dụng nói chung đều phải trải qua cách nạp này . Nhược điểm của phương pháp này là thời gian kéo dài và phải thường xuyên theo dõi , điều chỉnh cường độ dòng điện nạp. +Phương pháp nạp với điện áp không đổi. Trong cách nạp này tất cả các ắc quy được mắc song song với nguồn điện nạp ( máy phát điện , máy nạp riêng ) và đảm bảo thế hiệu của nguồn bằng 2,3 ¸2,5 V trên các ắc quy đơn . Để có thế nạp một lúc các ắc quy 6V và 12 V người ta lập mạng 3 dây 2x7,0 V hoặc 2x7,5V . Thế hiệu của nguồn nạp phải được giữ ổn định với độ chính xác đến 3% được theo dõi bằng các vôn kế . lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi Eaq tăng dần thì In giảm đi khá nhanh . +)Ưu: Có thời gian nạp ngắn , ít tốn công => nạp bổ sung . +)Nhược : Không nạp no được , có hại cho tuổi thọ của ắc quy . *Nhận xét: Từ việc phân tích ưu nhược điểm của mỗi phương pháp nạp ác qui và theo yêu cầu của đề bàilà nạp ác qui tự động theo một trình tự đã được định sẵn ta sẽ nạp ác qui kết hợp cả hai cách để tận dụng ưu điểm của mỗi phương pháp Ban đầu nạp với phương pháp dòng nạp không đổi .Sau một thời gian ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Kết luận : - Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc qui sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho ắc qui. Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực cuẩ ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp. *Yêu cầu đầu bài nạp điện cho 4 bình ắc qui có dung lượng :2bình 420Ah/12v, 2 bình 260Ah/12v.Ta có cách mắc như sau: 420Ah/12v 260Ah/12v Từ những phân tích quá trình nạp ắc qui ở phần trên ta thấy quá trình nạp ắc qui muốn tự động hoá phải giảI quyết được các vấn đề +Bộ nguồn phải tự thay đổi điện áp :tăng dần điện áp trong quá trình nạp sao cho phù hợp với sự tăng suất điện động bởi vì trong quá trình nạp suất điện động tăng dần dẫn đến U cũng phải tăng sao cho dong nạp được giữ nguyên không đổi.Trong quá trình nạp hiệu dụng sự tăng phải đảm bảo cho In=7%Idmax thì quá trình nạp là tốt nhất .Trong quá trình nạp no suất điện động ắc qui tăng không nhiều để thực hiện quá trình nạp no người ta có 2 cách : -giữ Un không đổi ,khi E=Un thì In=0 quá trình nạp tự động kết thúc -nạp với dòng =1/2 In tối ưu và do Un,In không đổi sau 2-3 giờ ắc qui no dung dịch tiếp tục sôi ,bản cực nóng thì phải có mạch tự động ngắt (phải có rơle thời gian) với yêu cầu đó phải có kênh phản hồi âm dòng ,mạch điều khiển tự động thay đổi góc mở ỏ khi đó thay đổi U,In không đổi .Cách chuyển đổi từ In1tối ưu sang In2tối ưu phải có kênh chuyển ,khi U=2,65v chuyển sang điện áp chủ đạo khác phải có kênh thay đổi điện áp chủ đạo .Giai đoạn nạp no sau 2-3 giờ ngắt không nạp no nữa thì phải có rơle thời gian để ngắt .Khi ắc qui đói phải chuyển sang nạp hiệu dụng nên phải có kênh chuyển đổi logic Xuất phát từ số lượng bình phải nạp ,công suất mạch nạp ta thiết kế được bộ nguồn nạp ắc qui như trình bày ở các phần sau CHƯƠNG II PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHỈNH LƯU 1. Chỉnh lưu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha II.1.1Sơ đồ nguyên lý Hình 2-1.Sơ đồ nguyên lí cầu 3 pha điều khiển đối xứng Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm: Nhóm Katot chung : T1, T3, T5 Nhóm Anot chung : T2, T4, T6 Góc mở a được tính từ giao điểm của các nửa hình sin Giá trị trung bình của điện áp trên tải Trên thực tế người ta lấy cosỏ=30o Khi đó ta có Trong đó Udmax=Un=2.6.2,7=32,4V Suy ra U2=16V Điên áp các pha thứ cấp của máy biến áp là: Giá trị trung bình của dòng thứ cấp máy biến áp. Trong đó Idmax=2,7(420+260)=95,2A Chọn Idmax=100A Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là: Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu Công suất biến áp Nhận xét : Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển thì điện áp ra Ud ít đập mạch ( trong một chu kì đập mạch 6 lần ) do đó vấn đề lọc rất đơn giản, điện áp ngược lên mỗi van nhỏ, công suất biến áp nhỏ nhưng mạch phức tạp nhiều kênh điều khiển. II.1.2. Đường đặc tính biểu diễn Hình 2-2.Đường đặc tính sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng II.2 Chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển II.2.1Sơ đồ nguyên lý Hình 2-3.Sơ đồ nguyên lí cầu 3 pha điều khiển không đối xứng Trong sơ đồ này sử dụng 3 Tiristor ở nhóm Katot chung và 3 Diot ở nhóm Anot chung. Giá trị trung bình của điện áp trên tải 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 Vậy Trên thực tế lấy cosỏ=30o khi đó ta có Điện áp thứ cấp máy biến áp Giá trị trung bình của dòng chảy trong Tiristor và Diot Giá trị dòng điện ngược lớn nhất Công suất biến áp 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.2.2 Đường đặc tính biểu diễn u ud id ua Ia Hình 2-4.Đường đặc tính cầu 3 pha điều khiển không đối xứng II.3. Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng II.3.1Sơ đồ nguyên lý Hình 2-5.Sơ đồ nguyên lí điều khiển cầu 1 pha không đối xứng Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng chảy của Tiristor và của điốt không bằng nhau. Góc dẫn của điốt là : Góc dẫn của Tiristor là : Giá trị trung bình của điện áp tải Do đó Giá trị trung bình của dòng tải Dòng qua Tiristor Dòng qua Điốt Giá trị hiệu dụng của dòng chạy qua sơ cấp máy biến áp Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng có cấu tạo đơn giản, gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van . Thích hợp cho các máy có công suất nhỏ và vừa. II.3.2. Đường đặc tính biểu diễn Hình 2-6.Đường đặc tính sơ đồ cầu 1 pha không đối xứng II.4 Chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng II.4.1Sơ đồ nguyên lý Hình 2-7.Sơ đồ nguyên lí cầu 1 pha đối xứng II.4.2Đường đặc tính biểu diễn Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngược trên van trong trường hợp tải RL , R đủ lớn để đảm bảo dòng qua tải là liên tục được biểu diễn trên hình vẽ i 2 I d U T1 o 2 ? I d i T1T2 I d i d I d 0 a 2 ? i T3T4 U d Hình 2-8.Đường đặc tính sơ đồ cầu 1 pha đối xứng - Mạch có T1 , T3 chung Katot T2 , T4 chung Anot Nửa chu kỳ đầu U2 > 0 , Anot của T1 dương , Katot của T2 âm . Nếu có xung điều khiển mở đồng thời T1 và T2 thì cả hai van này được mở thông và đặt điện áp lưới lên tải Ud = U2 . Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (Ud = U2) cho đến khi nào T1 , T2 còn dẫn .(Khoảng dẫn của các van phụ thuộc vào tải ) . Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T3 dương và katot T4 âm , nếu có xung điều khiển mở đồng thời T3,T4 thì các van này được mở thông và Ud = - U2 , với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trước + Giá trị trung bình của tải Ud = = = Udo cosa. Udo : điện áp trung bình tải trong chỉnh lưu cầu không điều khiển . + Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở) . + Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp I2 = = Id =71A + Điện áp ngược lớn nhất van phải chịu Unv = U2 + Dòng làm việc của van tính theo giá trị trung bình IT = = = 0.71 Id=0,71.100=71A + Hệ số đập mạch kđm = 0,67 + Công suất biến áp Sba = 1,23Pd=1,23.3,1=3,8KVA + Ưu điểm : - Điện áp ngược trên van nhỏ - Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao + Nhược điểm : - Số van nhiều hơn - Điều khiển van T1 ,T2 và nhóm T3 , T4 phải đồng thời nên khó khăn hơn. Kết luận Cả ba phương án dùng sơ đồ chỉnh lưu đối xứng cầu ba pha ,chỉnh lưu không đối xứng cầu ba pha và chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng đều có nhiều kênh điều khiển, nhiều Tiristor nên giá thành cao không kinh tế. Do yêu cầu của đầu bài, vì số kênh điều khiển ít nên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đông đối xứng. Chúng có một số ưu điểm: - Hiệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ như cầu 1 pha đối xứng. - Đơn giản hơn vì số lượng Tiristor giảm xuống chỉ còn 2 nên mạch điều khiển có ít 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 Qua phân tích trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng dùng cho mạch lực mạch nạp ắcqui tự động . Phương án này vừa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật vừa bảo đảm cho việc thiết kế. CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH LỰC Ta chọn phương án chỉnh lưu cho mạch nạp ác qui là sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng * Các thông số yêu cầu: Udmax =32,4V Idmax =33,3A P =3,1KW III.1.Tính chọn van mạch lực Điện áp ngược của van Ulv =knv.U2 U2 =Ud/ku + Với sơ đồ chỉnh lưu 1 pha: knv=.ku=0,9 Ulv=. Dòng điện làm việc Ilv=Ihd=khd.Id=100/=70,7A Ulv=kđt.Ulv=1,6.51=81,6V Iđm=kiIlv=4.70,7=282,2A *Từ các thông số trên ta có thể chọn: Ti loại ST303S04MFK3 có:Unmax =400V Iđm =300A Umax =1,8V Irmax =10mA Điot loại HD310 104-6 có:Unmax=400V Idmax=300A Umax=1,6V Irmax=1,5mA III.2.Mạch bảo vệ Tiristor : T R C Để bảo vệ van ta dùng mạch RC đấu song song với van nhằm bảo vệ quá áp do tích tụ điện khi chuyển mạch gây nên. Các thiết bị bán dẫn nói chung cũng như Tiristor rất nhạy cảm với điện áp và tốc độ biến thiên điện áp ( ) đặt lên nó . Các nguyên nhân gây nên quá áp thì chia thành hai loại : - Nguyên nhân bên ngoài : Do cắt đột ngột mạch điện cảm,do biến đổi đột ngột cực tính của nguồn, khi cầu chảy bảo vệ đứt hoặc khi có sấm sét. - Nguyên nhân bên trong ( nội tại ) : Khi van chuyển từ trạng thái mở sang trạng thái khoá, do sự phân bố không đều điện áp trong các van mắc nối tiếp. ở đây ta quan tâm đến việc bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân bên trong gây ra. i t Nguyên nhân quá điện áp trên van là do sự suất hiện dòng điện ngược chảy qua mỗi van khi nó chuyênr từ trạng thái mở sang trạng thái khoá. Dòng điện ngược này suy giảm rất nhanh do vậy sẽ suất hiện sự quá điện áp Để khắc phục hiện tượng quá điện áp này ta dùng mạch R-L-C nhưng do mạch đã có tính chất điện cảm nên ta chỉ cần dùng mạch R-C đấu song song như hình vẽ. Khi van khóa dòng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ. III.3 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các van bán dẫn Khi làm việc với dòng điện có dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất Dp, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó, nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý. + Tính toán cánh tản nhiệt + Tổn thất công suất trên 1 Tiristo: Dp = DU. Ilv =1,8*70,7=127,26(w) + Diện tích bề mặt toả nhiệt: Sm =Dp/km .t Trong đó: Dp - tổn hao công suất (w) t - độ chênh lệch so với môi trường Chọn nhiệt độ môi trường Tmt =400 c. Nhiệt độ làm việc cho phép của Tiristo Tcp =1250 c. Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt Tlv =800 c t = Tlv - Tmt = 400 c Km hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. Chọn Km = 8 [ w/m2 . 0 C ] vậy sm = =0,3976 (m2 ) Chọn loại cánh toả nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh a x b =13 x 13 (cm x cm). Tổng diện tích toả nhiệt của cánh S = 12.2.13.13=4056(cm2 ) Hình 3-1. Hình dáng và kích thước giới hạn cho cánh toả nhiệt một van bán dẫn III.4Tính toán máy biến áp chỉnh lưu Điện áp chỉnh lưu không tải Udo=Ud+Uv+Uba+Udn Ud điện áp chỉnh lưu Uv sụt áp trên các van Udn 0 sụt áp trên dây nối Uba=Ur+Ux là sụt áp điện trở và điện kháng máy biến áp Chọn sơ bộ Uba=6% Ud=0,06.32,4=1,944V Phương trình cân bằng điện áp khi có tải Udo.cosỏmin= Ud+2Uv+Uba+Udn min=100là góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới Udo===38,5V Công suất tối đa của tải Pdmax=UdoId=38,5.100=3850W Công suất máy biến áp nguồn Sba=ks.Pdmax Sba công suất biểu kiến của máy biến áp Ks hệ số công suất theo mạch chỉnh lưu.Tra bảng Ks=1,23 Sba=1,23.3850=4,7KVA III.4.1Tính toán sơ bộ mạch từ Tiết diện QFe của lõi thép máy biến áp QFe=kq Kq hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát Chọn Kq=5(máy biến áp khô) M số trụ của máy biến áp Chọn m=1(máy biến áp 1 pha) F tần số nguồn điện xoay chiều Lấy f=50 QFe=5.48(cm2) Chọn a=6cm b=8cm Hình 3-2.Kết cấu mạch từ Tính toán dây quấn ,số vòng ,kích thước Điện áp các cuộn dây Điện áp thứ cấp U2= Ku hệ số điện áp chỉnh lưu.Tra bảng ku=0,9 U2==42,7V -Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp: I2=.Id=.100=81,65A -Dòng điện sơ cấp máy biến áp: I1===15,85A -Đường kính trụ: D===7,86cm Lấy d=8cm,độ dày lá thép :0,5mm Chọn tỷ số m=h=m.d=2,3.8=20cm (thông thường lấy m=2ữ2,5cm) Chọn chiều cao trụ =20cm Tính toán dây quấn Chọn lõi thép có tiết diện 50cm2làm bằng vật liệu sắt từ dày 0,5mm,lá thép dập hình chữ E và I +Tính số vòng trên vôn Wo===0,9vòng/vôn +Số vòng cuộn sơ cấp W1=U1.W0=220.0,9=198(vòng) +Số vòng cuộn thứ cấp W1=U2.Wo=42,7.0,9=39(vòng) Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp với dây dẫn bằng đồng ,máy biến áp khô: J1=J2=2,75A/mm2 +Tính dây quấn máy biến áp S1===5,76mm2 S2===29,69mm2 Đường kính dây dẫn d1===2,7mm chọn d1=3mm,đường kính kể cả cách điện D=0,5mm d2===6,14mm chọn d2=7mm, đường kính kể cả cách điện D=0.95(mm). Kết cấu dây quấn Hình 3-3.Kết cấu dây quấn Kết cấu dây quấn sơ cấp +Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp của cuộn sơ cấp k: hệ số ép chặt k=0.95. h: chiều cao của trụ. hg: khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp. d: đường kính dây. Chọn sơ bộ khoảng cách cách điện đến gông: hg=1.5 cm. (vòng) +Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp (lớp) Chọn n1.1=5 lớp Chọn 198 vòng chia thành 5 lớp, mỗi lớp 40 vòng .+Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp . Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dày S=0.1cm . Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp: a=1.0 cm. +Đường kính trong của ống cách điện. +. Đường kính trong của cuộn dây sơ cấp +. Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd=0.1(mm). + Bề dày cuộn sơ cấp +. Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp. +. Đường kính trung bình của cuộn dây sơ cấp: +. Chiều dài dây quấn sơ cấp. + Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp: cd=1.0(cm) Kết cấu dây quấn thứ cấp. +. Chọn sơ bộ chiều cao cột thứ cấp : +Tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp. + Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp Chọn n=3 lớp. +. Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp +. Đường kính trong của cuộn dây thứ cấp . Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd=0.1(mm). . +Bề dày cuộn sơ cấp .+ Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp. .+ Đường kính trung bình của cuộn dây thứ cấp: .+ Chiều dài dây quấn thứ cấp. + Đường kính trung bình các cuộn dây. .Chọn khoảng cách giữa 2 cuộn thứ cấp: a=2.0(cm). +. Chiều rộng cửa sổ +Tính khoảng các giữa 2 tâm trục +. Chiều rộng mạch từ +Chiều cao mạch từ IV.4.2 Tính khối lượng của sắt và đồng . +Thể tích của trụ +Thể tích của gông +Khối lượng của trụ + Khối lượng của gông +. Khối lượng của sắt +. Thể tích của đồng +Khối lượng của đồng Mcu=Vcu.mcu=5,24*8,9=46,63(kg) Tính các thông số của máy biến áp IV.4.3 Tính các thông số của máy biến áp + Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75C trong đó .+ Điện trở trong của cuộn thứ cấp máy biến áp ở 75C trong đó .+ Điện trở máy biến áp qui đổi về thứ cấp + Sụt áp trên điện trở máy biến áp +Điện áp trên tải có góc mở +Tổn hao ngắn mạch trong máy biến áp + Điện áp ngắn mạch tác dụng CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN IV.1Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển IV.1.1Mục đích và yêu cầu - Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristor 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 2Tiristor T1 và T2. Các Tiristor sẽ mở khi thoả mãn đồng thời 2 điều kiện : + Một điện áp dương đủ lớn đặt lên 2 cực của Tiristor theo hướng từ Anôt đến Katốt. + Xung điện áp dương đưa vào cực điều khiển phải đủ lớn (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 của các van. Ưu điểm của Tiristor là chỉ cần dòng và áp điều khiển nhỏ nhưng có thể chịu được dòng và áp rất lớn chảy qua. Hệ thống mạch điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu: + Phát xung điều khiển chính xác và 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 để mở các van. + Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao và đảm bảo được phạm vi điều chỉnh góc mở. + 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. IV.1.2.Nguyên tắc điều khiển. Để điều chỉnh góc mở của các Tiristor trong nửa chu kì điện áp dương ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển : Thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos. +Nguyên tắc điều chỉnh thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này ta dùng hai điện áp : - Điện áp đồng bộ , có dạng răng cưa, đồng bộ với điện áp đặt trên Anốt và Katốt của Tiristor, kí hiệu là Ur . Điện áp điều khiển là điện áp một chiều , có thể điều chỉnh được biên độ, kí hiệu là Uc Dạng đồ thị được biểu diễn như hình sau : Hình 4-1.Nguyên tắc điều chỉnh thẳng tuyến tính Tổng đại số của Ur + Uc được đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm biến đổi Uc ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là thời điểm điều chỉnh góc a . Khi Uc = 0 ta có a = 0 Uc 0 Quan hệ giữa a và Uc được biểu diễn qua công thức sau : Người ta thường chọn Ur max = Uc max + Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS Theo nguyên tắc này người ta cũng dùng cả hai điện áp để điều chỉnh góc mở a của Tiristor. Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo hai hướng ( âm và dương ). Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp UAK của Tiristor một góc bằng ð/2 Nếu UAK = A.sinwt Thì Ur = B.coswt Dạng đồ thị được biểu diễn như hình sau: Hình 4-2.Nguyên tắc điều chỉnh thẳng đứng ARCCOS Từ điện áp UAK ta tạo ra Ur . Tổng đại số Ur + Uc được đưa đến đầu vào khâu so sánh. Khi Ur + Uc = 0 ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh: Uc + Bcosa = 0. Nên . Chọn B = Ucmax Khi đó Uc = 0 ta có a = p/2 Uc = Ucmax a = p Uc = -Ucmax a = 0 IV.2 Nguyên tắc ổn áp, ổn dòng: Mạch nạp ác quy tự động phải sử dụng hai nguyên tắc: 1. ổn dòng trong gia đoạn đầu của quá trình nạp. 2. ổn áp trong giai đoạn nạp ác quy no. Muốn thực hiện được điều này ta phải biết được chế độ ổn áp và ổn dòng của bộ chỉnh lưu. IV.2.1. Nguyên tắc ổn dòng: Ban đầu bộ chỉnh lưu chạy không tải với điện áp không tải U0 . Khi nối tải dòng điện qua tải quá độ tăng dần tới giá trị ổn định. Tại đây bộ biến đổi thực hiện quá trình ổn dòng như sau: + ổn dòng theo sườn trước: Nguyên tắc điều khiển Uđk = Ud + Uf _Ban đầu điện áp ra của bộ chỉnh lưu là điện áp không tải Ud = U0, Id = 0 khi nối tải vào dòng điện Id tăng dần kéo theo điện áp phản hồi Uf tăng. Do Uđk = Uf + Ud Nên Uđk tăng dẫn tới điện áp ra của bộ chỉnh lưu giảm dần. Do Ud giảm dần làm tốc độ tăng dòng điện giảm cho tới khi Id = Iôd . Tại giá trị ổ định Id0 điện áp bộ chỉnh lưu là U0đ _Nếu vì một lý dô nào đó dòng điện tăng hơn I0đ ® Uf tăng ® Uđk tăng làm điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu giảm xuống Ud < U0đ. Chính vì điều này làm dòng điện chỉnh lưu giảm dần với tốc độ ổn định. _Ngược lại nếu Id giảm ( Id < I0d ) dòng điện sẽ tự động tăng tới giá trị ổn định. + Theo sườn sau: _Ban đầu điện áp bộ chỉnh lưu là Ud = U0, Id = 0 _ Nối tải dòng điện tăng dần Uf tăng dần ® Uđk tăng làm điện áp ra giảm. _Dòng điện chỉnh lưu đang duy trì ổn định. Vì một lý do nào đó dòng điện tăng dẫn đến Uf tăng làm Uđk giảm làm góc mở a tăng Ud giảm nhỏ hơn U0d dòng điện sẽ giảm dần tới giá trị ổn định. Tương tự như vậy nếu dòng điện giảm. Kết luận: Như vậy nếu thựu hiện ổn dòng ta phải: _Phản hồi âm dòng điện nếu điều khiển theo sườn sau. _Phản hồi dương dòng điện nếu điều khiển theo sườn trước. IV.2.2 Nguyên tắc ổn áp: Ban đầu bộ chỉnh lưu chạy không tải với điện áp không tải U0 . Khi nối tải dòng điện qua tải quá độ tăng dần tới giá trị ổn định. Tại đây bộ biến đổi thực hiện quá trình ổn áp như sau: +ổn áp theo sườn trước: Nguyên tắc điều khiển Uđk = Ud + Uf _Ban đầu điện áp ra của bộ chỉnh lưu là điện áp không tải Ud = U0, Id = 0 khi nối tải vào dòng điện Id tăng dần kéo theo điện áp phản hồi Uf tăng. Do Uđk = Uf + Ud Nên Uđk tăng dẫn tới điện áp ra của bộ chỉnh lưu giảm dần. Do Ud giảm dần tới Uôđ _Nếu vì một lý dô nào đó điện áp tăng hơn Uôđ ® Uf tăng ® Uđk tăng làm điện áp đầu ra bộ chỉnh lưu giảm xuống Ud = Uôđ. _Ngược lại nếu Ud giảm điện áp sẽ tự động tăng tới giá trị ổn định. +Theo sườn sau: _Ban đầu điện áp bộ chỉnh lưu là Ud = U0, Id = 0 _ Nối tải điện áp tăng dần Uf tăng dần ® Uđk tăng làm điện áp ra giảm. _Điện áp chỉnh lưu đang duy trì ổn định. Vì một lý do nào đó điện áp tăng dẫn đến Uf tăng làm Uđk giảm làm góc mở a tăng Ud giảm dần tới giá trị ổn định. Tương tự như vậy nếu dòng điện giảm. Kết luận: Như vậy nếu thựu hiện ổn áp ta phải: _Phản hồi âm điện áp nếu điều khiển theo sườn sau. _Phản hồi dương điện áp nếu điều khiển theo sườn trước. Hình 4-3.Hình biểu diền nguyên tắc ổn áp,ổn dòng IV.2Tính toán biến áp xung chọn vật liệu làm lõi là sẮt ferit AM. Lõi có dạng hình xuyến ,làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có ÄB=0,3T và ÄH=30A/m ,không có khe hở không khí : TỶ sỐ biẾn áp xung m=3 Độ rỘng xung tx=40s Độ sỤt đỉnh xung: sx=0,05. +> điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung : U2=Udk=3V +> điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA xung : U1= mU2 = 3*3 = 9(V) +> dòng điện thứ cấp BA xung : I2=Idk=200 mA +> dòng điện sơ cấp BA xung: I1=I2/m=200/3= 0.066 A Độ tỪ thẨm trung bình tương đối cỦa lõi sẮt: = =4* (h/m) _ độ từ thẩm của không khí +> thể tích lõi thép cần có : V=Ql= =0.1(cm3) chọn v=0.123 cm3 tra bảng Tra bẢng thông sỐ các loẠi loĩ thép xuyẾn trên ta chỌn lõi thép có các thông số như sau: Q=0.03(cm2), a=1(mm), b=3(mm), D=14(mm), d=12(mm) SỐ vòng dây quẤn sơ cẤp: w1=(vũng) SỐ vòng dây quẤn thỨ cẤp: w2==134(vòng) tiết diện dây quấn sơ cấp : S1==0.011(mm2) ChỌn mẬt độ dòng điỆn j1=6(A/mm2) Đường kính dây quẤn sơ cẤp: d1= =0,118(mm) tiết diện dây quấn thứ cấp : S2=0,05(mm2) ChỌn mẬt độ dòng điỆn j2=4(A/mm2) đường kính dây quấn thứ cấp : d2==0,25(mm) chọn dây có đường kính d2=0.25 (mm) kiểm tra hệ số lấp đầy : Klđ====0.096 IV.3 Tạo nguồn nuôi Ta cần tạo ra nguồn điện áp ± 12 (V) để cấp cho biến áp xung, nuôi IC, các bộ điều chỉnh dòng điện, tốc độ và điện áp đặt tốc độ. Ta dùng mạch chỉnh lu cầu 1 pha dùng điôt, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: ta chọn U2 =9(v) Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này: Điện áp đầu vào: UV = 7¸35 (V). Điện áp đầu ra: Ura= 12(V) với IC 7812. Ura= -12(V) với IC 7912 Dòng điện đầu ra: Ira = 0¸1 (A). Tụ điện C1, C2 dùng để lọc thành phần sóng dài bậc cao. Chọn C4= C3 = 10 (mF) ; C1=C2=470 ((mF) IV.4 Tính chọn các tham số trong mạch điều khiển IV4.1Tính tầng khuếch đại cuối cùng : Chọn transistor công suất tr4 loại C828,làm việc ở chế độ xung có các thông số + transistor loại pnp ,vật liệu bán dẫn là si + > điện áp giữa bazo và colector khi hở mạch emito Ucb0=30 v +> điện áp giữa emito và bazo khi hở mạch colector : UEB)=5 v +> dòng điện lớn nhất ở colector có thể chịu đựng được: Icmax=50 mA +> công suất tiêu tán ở colector : Pc=250 mw +> nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1=1250c +> hệ số khuếch đại : =220 +> dòng làm việc của colector : Ic=I1=0.066 A dòng làm việc của bazơ : IB 3= Chọn nguồn cung cấp cho MBA xung E=+12v .với nguồn E=12v ta phải mắc thêm R14 nối tiếp cực emitơ của Tr4 : R17= Tất cả các điot trong mạch điều khiển chọn loại 1N4007 Có Iđm=1A IV.4.2 Tính chọn tầng so sánh Khuếch đại thuật toán chọn LM324 Chọn R12=R13>==12kÙ Trong đó nếu nguồn nuôI Vcc= ±12v thì điện áp vào là Uv=12v.Dòng điện hạn chế để Ilv<1mA Chọn R12=R13=15kÙ Ivmax==0.8mA IV.4.3 Tính chọn khâu đồng pha Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C5(chọn C5 là H101) mặt khác để bảo đảm điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ nạp được Tr = R. C5 = .Chọn tụ C5=104 Vậy R=19kÙ Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp ráp mạch R. Thường chọn Tranzito Trl loại A564 có các thông số: Tranzito loại pnp làm bằng Si Điện áp giữa Colecto và Bazơ khi hở mạch Emito: UCBO =25(v) Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto: UEBO =7(v) Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : Icmax = 100 (mA). Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp =1500 C Hệ số khuếch đại : b =250 Dòng cực đại của Bazơ : IB3 =Ic /b =100/250 =0,4(A) Điện trở R5 để hạn chế dòng đI vào bazo của Tr1 Chọn R5 sao cho R5 ≥ ==30KÙ chọn điện áp xoay chiều đồng pha:UA=9v chọn điện trở R9 sao cho Iv<1mA R9 ≥ ==9KÙ chọn R9=10kÙ Tr9và Tr10 trong sơ đồ darlington chọn loại: Tr9 chọn loại C828 có các thông số: + transistor loại pnp ,vật liệu bán dẫn là si + > điện áp giữa bazo và colector khi hở mạch emito Ucb0=30 v +> điện áp giữa emito và bazo khi hở mạch colector : UEB)=5 v +> dòng điện lớn nhất ở colector có thể chịu đựng được: Icmax=50 mA +> công suất tiêu tán ở colector : Pc=250 mw +> nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : T1=1250c +> hệ số khuếch đại : =220 Tr10 chọn loại H1061 có các thông số: + transistor loại pnp ,vật liệu bán dẫn là si +Pmax=25w +Fgh=8MHZ +ToC=150 +điện áp làm việc max ở 25oC : V cbo=50v Vceo=50v Vebo=4v +Ic=3mA +Hệ số khuếch đại õ.ỏ=35/320 Biến trở từ VR1VR5 chọn loại B503(50K) *Từ các thông số tính chọn trên ta xây dựng được mạch điều khiển như sau: *Giản đồ tín hiệu U aa U A B U U R4 U C U D E U U U cl U dk F Hình 4-5.Hình biểu diễn phát xung IV.5.Các khối trong mạch điều khiển. IV.5.1.Nguyên lí mạch điều khiển Nguồn cấp cho mạch sử dụng biến áp BA.Điện áp thứ cấp được chỉnh lưu qua cầu chỉnh lưu .Điện áp 1 chiều là +12v các khối của mạch là khối dịch pha (R5,Tr1),khối đồng pha tạo xung răng cưa(R7,R8,C5,Tr2),khối tạo điện áp điều khiển(Vr2,R23,R24),khối khuếch đại xung (Tr4,Tr5,BAX),kênh phản hồi dòng Trong mỗi nửa chu kì của nguồn 220v có 1 xung áp đặt vào Tr1 do phân áp R3,R4 tạo ra khi 1 đầu nối đất và 1 đầu nối với nguồn 1 chiều (+12v) tạo ra dòng điện áp như hình vẽ +Khâu đồng pha - Tạo ra điện áp đồng pha có dạng răng cưa. Trong mỗi nửa chu kì của điện áp chỉnh lưu đều có điện áp đồng pha. - Nguyên lí: Điện áp nguồn qua chỉnh lưu tạo ra điện áp 12V có dạng đập mạch âm. Điện áp đập mạch âm khi qua bộ phân áp R3, R4 thì điện áp đập mạch sẽ dâng lên một đoạn. Lúc này điện áp sẽ có phần âm và phần dương. Khi điện áp dương thì UBE 0; UCE < 0 à Tranzitor 2 mở cấp điện áp cho tụ C5. Khi tụ C5 được nạp đầy thì điện trở của tụ C5 = 0. Điện áp được phóng xuống đất. Khi đó Tranzitor 1 và Tranzitor 2 đóng lại. Tụ điện C5 bắt đầu phóng qua Tranzitor 3 về nguồn 12V. Tranzitor 3 có nhiệm vụ nắn thẳng đường tuyến tính của xung răng cưa.Ta được hình vẽ 1 + Khối so sánh. Thực hiện so sánh điện áp xung răng cưa của khối đồng pha với điện áp điều khiển 1 chiều. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau sẽ xuất hiện một xung lấy suờn dương (0 à 1) để chế biến thành xung mở Tranzitor. Như vậy thay đổi độ lớn của điện áp điều khiển 1 chiều sẽ thay đổi được vị trí điểm cắt của điện áp điều khiển và điện áp răng cưa tức là thay đổi được góc mở. Nguyên lí: Uđk = ( Ucđ - Uph).k ổn dòng 1: Uđk1 = ( Ucđ1 – Uph1).k ổn dòng 2: Uđk2 = ( Ucđ2 - Uph2).k Điện áp chủ đạo và điện áp phản hồi qua IC thuật toán có tác dụng vừa là mạch cộng điện áp, vừa là mạch khuyếch đại sẽ tạo ra điện áp điều khiển 1 chiều đưa vào IC thuật toán thứ 2 để thực hiện so sánh với điện áp đồng pha. Khi điện áp điều khiển lớn hơn điện áp đồng pha thì sườn dương tăng từ 0 à 1.Khi điện áp điều khiển bé hơn điện áp đồng pha thì sườn dương giảm từ 1à 0. Ta được hình vẽ 2. +Khâu sửa xung. Xung dương tạo ra sau khối so sánh là một xung vuông kéo dài từ khi xuất hiện cho đến hết nửa chu kì đang xét của điện áp cần chỉnh lưu. Phải chế biến xung này thành dạng thích hợp cho việc mở Tranzitor. Trong trường hợp mạch động lực và mạch điều khiển có cách li( không liên quan trực tiếp về điện) giữa mạch động lực và mạch điều khiển. Khối sửa xung sẽ làm nhiệm vụ đó. Sau khi ra khối so sánh xung được đưa qua khối vi phân thì xung sẽ tạo thành xung kim. Sau đó xung được đưa qua bộ khuyếch đại Đalinton để khuyếch đại xung để xung có công suất đủ lớn. Việc cách li giữa mạch động lực và mạch điều khiển được thực hiện nhờ biến áp xung. Sau biến áp xung có các điốt(D6,D7,D8,D9) để thực hiện lọc xung âm đưa ra cực điều khiển G, K là xung dương hoàn toàn. + khâu tạo trễ Khi ắc quy đói thì suất điện động của ắcquy giảm xuống có tín hiệu đưa vào cổng dương nhỏ hơn tín hiệu đưa vào cổng âm khi đó rơle 1RL nhả thực hiện quá trình nạp cho tụ C10 làm cho rơle thời gian 2Rth (thường mở,mở chậm)hút thực hiện cấp tín hiệu điều khiển cho khuyếch đại thuật toán Khi ắc quy bắt đầu sôi thì suất điện động của ắcquy bắt đầu tăng lên có tín hiệu lấy về lớn hơn tín hiệu đặt thì Tr7 và Tr8 mở làm cho rơle 1RL hút thực hiện quá trình cắt điện áp Udk1 và đồng thời cấp điện áp Udk2,thực hiện ổn dòng ở mức 2 thì rơle 2Rth bắt đầu tính thời gian duy trì.Sau 2-3 giờ tụ C10 phóng hết sẽ cắt nguồn nạp làm cho 2 tranzitor 9và 10 mở không còn tín hiệu điều khiển, khoá suất điện động giảm xuống .Mặt khác khi ắc qui bắt đầu sôi đặt Uvr5=2,56v thì Vr5//R24làm cho Uvr5 giảm điện thế tại điểm sau KĐT =0 làm cho tiếp điểm 1RL lại nhả Quá trình lặp lại như vậy +Khâu khuếch đại -Nguyên lí hoạt động : Tín hiệu xung tại điểm (F) là xung kim , qua R14đưa vào bộ khuyếch đại xung , gồm 2 Tranzitor Tr4 và Tr5 mắc theo kiểu Darlington . Xung (+) đặt vào cực B của Tr4 làm Tr4 mở , sau đó được đưa đến B của Tr5 và Tr5 mở .Khi đó sơ cấp của biến áp xung được dẫn dòng , trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có kích để mở Thyristor Khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung do khâu tạo dạng xung hình thành đủ mạnh để mở van mạch lực. Đầu ra của KĐX sẽ được nối với cực G-K của van , còn đầu vào được nối với KĐX. Khi không có xung (+) đặt lên B của Tr4 , Tr4 khoá dẫn đến Tr5 khóa ,điện áp của biến áp xung giảm đột ngột ,trên cuộn dây sơ cấp của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng , nên cần D10 mắc song song với nó để khép kín vòng , triệt tiêu sức điện động đó ,bảo vệ các Transistor . Xung sau khi qua khuyếch đại Darlington thì được khuyếch đại với hệ số D5 lọc bỏ phần xung âm trước khi qua Tr4,Tr5 . D6,D8,D9,D10 có nhiệm vụ làm dòng điều khiển chảy đúng theo 1 chiều từ (+) sang (-) để kích mở Thyristor . R13,R12 ,C6 để chống nhiễu ,đảm bảo loại bỏ nhiễu ảnh hưởng tới việc điều khiển Thiristor . Các tầng KĐX luôn làm việc ở chế độ khoá vì điện áp ra tải luôn đạt ở trị số Ecs> 10V Sau khi lựa chọn xong các linh kiện của tầng khuyếch đại cuối cùng chúng ta có các thông số cơ bản của mạch: Điện áp nguồn nuôi xung: Ecc=+24(V); chọn điện trở R0 để phân áp cho BAX: KẾT LUẬN Qua thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp, với đề tài “ Thiết Kế Bộ Nguồn N¹p ¾c Qui Tù §éng” đã giúp em lăm vững hơn thực tế chuyên môn, nhằm củng cố thêm cho kiến thức đã học được ở nhà trường Được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo L­u §øc Dòng vµ c« NguyÔn ThÞ HiÒn , c¸c thầy cô trong bộ môn Tự Động Hoá và các bạn, cùng sự nỗ lực của bản thân, em đá hoàn thành đề tài tốt nghiệp này Đề tài thiết kế tốt nghiệp đã phần nào đề cập đến những vấn đề, những phương pháp cơ bản, mô tả đầy đủ trạng thái , nguyên lý hoạt động của bé nguån n¹p ¾c qui tù ®éng ®· ®­îc øng dông rÊt nhiÒu trong thùc tÕ Do thời gian có hạn lên đồ án còn có nhiều thiếu sót, mong thầy cô và các bạn đóng góp ý kiến để đồ án được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn! Ha Nội , ngày 1……tháng…6…năm2007…… Sinh Viªn Nguyễn Thu Trang TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PGS - TS Nguyễn Bính -Điện tử công suất Nhà suất bản khoa học kỹ thuật, Hà nội 2000 2. Phạm Quốc Hải - Dương Văn Nghi - Phân tích và giải mạch điện tử công suất. Nhà suất bản Giáo dục, Hà nội 2000 3.Lê Văn Doanh- Điện tử công suất thiết kế và ứng dụng 4. Đỗ Văn Thụ (chủ biên) - Kỹ thuật điện tử Nhà xuất bản giáo dục, Hà nội 1999 5.Phần mềm mô phỏng Circuit Maker 6. Đĩa tra cứu ICMaster 2000. 7.10,000 Tranzitor quốc tế –Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I :GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUI………………… 1 I.1:Khái niệm………………………………………………………. 1 I.2 Cấu tạo và đặc điểm của các loại ắc qui……………………….. 1-8 I.3 Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui………………….. 8-13 I.4Quá trình phóng và nạp của ắc qui…………………………… 13-21 CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHỈNH LƯU… 22 II.1Chỉnh lưu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha………………… 22-25 II.2Chỉnh lưu 3 pha bán điều khiển………………………………… 26-28II.3Chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng……………… 29-31 II.4 Chỉnh lưu cầu 1 pha đối xứng………………………………….. 32-34 CHƯƠNG III:THIẾT KẾ MẠCH LỰC… 35 III.1Tính chọn van mạch lực………………………………………… 35-36 III.2Mạch bảo vệ Tiristor……………………………………………. 36-37 III.3Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn………………………… 37-38 III.4 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu……………………………… 38-48 CHƯƠNG IV:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN… 49 IV.1Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển…………………………….. 49-55 IV.2Tính toán máy biến áp xung…………………………………. 56-58 IV.3Tính chọn các khối trong mạch điềukhiển………………… 59-63 IV.4Các khối trong mạch điều khiển………………………………. 63-68 TÀI LIỆU THAM KHẢO KẾT LUẬN