Thiết kế và chế tạo bộ nguồn nạp ắc quy tự động cho 10 ắc quy 12v dung lượng 60ah

..57 3. Khối so sỏnh………………………………………….….58 4. Khối tạo dạng xung……………………………….……..58 5. Khối khuếch đại xung ……………………………….….59 III. Lắp rỏp sản phẩm…………………………………………….....62 LờI GIớI THIệU Hiện nay với tiến bộ khoa học kĩ thuật đã và đang đổi mới các phần tử, các mạch điều khiển được áp dụng rộng rãi vào trong công nghiệp và đời sống.Với xu thế phát triển của khoa học hiện nay là ứng dụng khoa học kĩ thuật điện tử,kĩ thuật tin học,cơ khí chính xác… để thực hiện tự động hoá được áp dụng cho từng máy,tổ hợp máy cho từng dây truyền công nghệ,các nhà máy tiến tới tự động hoá cả ngành sản xuất. Tự động hoá làm giảm nhẹ sức lao động chân tay của con người làm cho tự động nó trở thành đặc trưng của nền sản xuất công nghiệp hiện đại. Trong công nghiệp ngoài ra các mạch điều khiển người ta thường dùng kĩ thuật số với phần mềm đơn giản,linh hoạt và dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số hoặc các luật điều khiển.Nó làm tăng tốc độ tác động nhanh và có độ chính xác cao cho hệ thống.Như vậy nó làm chuẩn hoá các hệ thống truyền động điện và các bộ điều khiển tự động hiện đại và có những đặc tính làm việc khác nhau.Trong những ứng dụng đó thì việc áp dụng vào mạch map ắc quy tự động đang được sử dụng rộng rãi và có những đặc tính ưu việt.Bởi ắc quy là nguồn cấp điện một chiều cho các thiết bị trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày cung cấp điện cho các nơi chưa có nguồn điện lưới để phục vụ cho chiếu sáng,ti vi,thông tin liên lạc…điều khiển đo lường ,cung cấp cho các thiết bị giàn khoan ngoài biển.Chính vì vậy việc nghiên cứu chế tạo mạch nạp ắc quy là hết sức cần thiết,nó ảnh hưởng rất lớn tới dung lượng và độ bền của ắc quy. Dưới đây em xin trình bày toàn bộ nội dung của đồ án tốt nghiệp.Thiết kế và chế tạo bộ nguồn nạp ắc quy tự động do thầy giáo Lưu Đức Dũng giảng viên trường Đại Học Bách Khoa hướng dẫn.Mặc dù trong thời gian qua em đã cố gắng tìm hiểu thực tế,nghiên cứu tài liệu để thực hiện đồ án nhưng không thể tránh khỏi những sai sót , em mong tiếp tục nhận được sự đóng góp và chỉ bảo của các quý thầy cô. Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo Lưu Đức Dũng người đã trực tiếp hướng dẫn và toàn bộ các thầy trong bộ môn Tự động hoá xí nghiệp công nghiệp Khoa Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội , đã giúp đỡ và dạy bảo em trong những năm qua. CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUY Ắc quy là nguồn cung cấp năng lượng điện một chiều cho các thiết bị trong công nghiệp và dân dụng. Có nhiều loại ắcquy như: + ắc quy Axit (Acquy chỡ). + ắc quy Kiềm ( Acquy Sắt- Niken, , acquy bạc- kẽm....) Tuy nhiên, trên thực tế thông dụng nhất từ trước đến nay vẫn là acquy axit, vì so với ắcquy kiềm, ắcquy axit có nhiều tính năng tốt hơn như: SĐĐ của mỗi cặp cực lớn, có điện trở trong nhỏ, dung lượng của bình ắc quy lớn. 1/ Cấu tạo của bình ắc quy chì - axit: Bình ắc quy axit gồm vỏ bình có 6 ngăn riêng (hay 12V), trong mỗi ngăn có đặt khối bản cực dương, khối bản cực âm. Chúng được ngăn cách nhau bằng các tấm ngăn, mỗi ngăn như vậy được coi là một acquy đơn, các acquy đơn nối tiếp với nhau tạo thành bình ắc quy. Ngăn đầu và ngăn cuối có đầu tự do tạo thành các đầu cực dương (+), cực âm (-) của ắc quy, dung dịch điện phân (dung dịch axit sunfuric) được đổ vào trong từng ngăn. + - Cấu tạo bình ắc quy Vấu cực Ngăn ắc quy đơn nút nắpp Vỏ bình b) Cấu tạo bản cực Khung xuơng bản cực Chất tác dụng Vấu bản cực a ) phân khối các bản cực và tấm ngăn Tấm ngăn Bản cực duơng Bản cực âm cực duơng Cực âm c) kết cấu bình ắc quy - Vỏ bình: Vỏ bình được làm bằng các loại nhựa như: ebônit, axphađơpec, cao su cứng…chúng có khả năng chịu axit, và có độ bền vững cao. - Bản cực: - Cấu tạo của một bản cực trong ắcquy gồm có phần khung xương và chất tác dụng chát nên nó. + Khung xương của bản cực dương và âm có cấu tạo giống nhau. Chúng được đúc bằng hợp kim chì và Stibi (Sb) và được tạo hình dạng mặt lưới. + Chất tác dụng được chế tạo từ bột chì, dung dịch axit sunfuric và khoảng 3% chất nở như muối của các axit hữu cơ đối với bản cực âm; còn đối với bản dương thì chất tác dụng được chế tạo từ các oxit chì Pb3O4, PbO và dung dịch axit sunfuric, chất nở trong bản cực âm có tác dụng tăng độ xốp, giảm khả năng cò và hiện tượng chóng hoà cứng cho các bản cực, làm tăng điện dung cho acquy. Các bản cực sau khi đã trát đầy chất tác dụng được ép lại, sấy khô và thực hiện quá trình tạo cực, tức là chúng được ngâm vào dung dịch axit sunfuric loãng và nạp bằng dòng điện nhỏ. Sau quá trình như vậy, chất tác dụng ở các bản cực dương sẽ trở thành PbO2, bản cực âm thành Pb. Sau đó chúng được lắp ráp vào bình acquy tạo thành các khối bản cực, các khối bản cực âm và dương được lắp xen kẽ nhau và được cách điện bằng tấm ngăn. - Tấm ngăn: Tấm ngăn là chất cách điện, có độ xốp thích hợp để không ngăn cản dung dịch điện phân thấm đến các bản cực. Tấm ngăn được làm từ polyclovinyl, bông thuỷ tinh ghép với miplat… có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cực dương và âm. -Dung dịch điện phân: Dung dịch điện phân trong ắc quy axit sunfuric (H2SO4) được pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ nhất định. 2/ Yêu cầu cho việc nạp ắc quy: 2.1/ ắcquy là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch: nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng, Quá trình ắcquy cung cấp điện cho phụ tải gọi là quá trình phóng điện; quá trình ắc quy tích trữ năng lượng từ một nguồn điện m ột chiều gọi là quá trình nạp điện. 2.2/ Quá trình biến đổi năng lượng trong acquy axit: a/ Quá trình nạp: 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 nạp In. Khi phóng điện, dưới tác dụng sức điện động riêng của ắcquy các điện tử sẽ chuyển động theo hướng ngược lại (từ dương đến âm) và tạo thành dòng điện phòng Ip. Khi ắcquy đã được nạp no chất tác dụng ở các bản cực dương PbO2, còn ở các bản cực âm là chì xốp Pb. Khi phóng điện, các chất tác dụng ở cả hai bản cực đều trở thành sunfat chì PbSO4. - Quá trình hoá học xảy ra trong acquy axit có thể viết như sau: + Trên bản cực dương: PbO2 + 3H + (HSO4)- + 2e D PbSO4 + 2H2O + Trên bản cực âm: Pb + H2SO4 D PbSO4 + 2e + 2H b/ Quá trình phóng: Khi phóng, điện axit sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfurat, còn nước thì 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 sunfuric nên nồng độ của dung dịch tăng lên. 2.3/ Các đặc tính của Acquy axit: a/ Sức điện động của Acquy axit (SĐĐ) SĐĐ của acquy phụ thuộc chủ yếu vào điện thế trên các cực và phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch điện phân được xác định theo công thức: E0 = 0,85 + P (v) Trong đó: E0 : Sức điện động tĩnh của acquy (v) P : Nồng độ dung dịch điện phân ở 150C (g/cm3) Thông thường, các acquy axit có nồng độ thay đổi trong khoảng 1,12 - 1,29 g/cm3. Do đó, SĐĐ của một acquy đơn sẽ thay đổi từ 1,19 ¸ 2,14v, có nghĩa là nồng độ của dung dịch điện phân tăng thì SĐĐ của acquy cũng tăng. b/ Các đặc tính phóng và nạp của acquy: * Trong quá trình phóng điện của acquy thì sức điện động được tính theo công thức: EP = UP + IP.raq Trong đó: Ep : sức điện động của acquy phóng điện (v) IP : dòng điện phóng (A) Up : điện áp đo trên các cực của acquy khi phóng điện (v) raq : điện trở của acquy khi phóng điện (v) - Dung lượng phóng của acquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của acquy cho phụ tải, và được tính theo công thức: CP = IP.tP Trong đó: CP: dung lượng thu được trong quá trình phóng điện. (A.h). IP: dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tP. -Đặc tính phóng của acquy là đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi. Trong- khoảng thời gian phóng tP = 0 đến tP = tgh, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian này, độ dốc của các đồ thị 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 acquy (dòng điện phóng). -Từ thời điểm tgh trở đi, độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta tiếp tục cho acquy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của acquy sẽ giảm rất nhanh; mặt khác tinh thể sunfat chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô, rắn rất khó hoà tan (Biến đổi hoá học trong quá trình nạp điện trở lại cho ắcquy C P = I P .t P Vùng phóng điện cho phép 4 0 5 10 1,75 1,95 2,11 I (A) U (V) 20 12 8 8 t E U P Khoảng nghỉ E Đặc tính phóng của ắc quy sau này, thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắcquy, các giá trị EP, UP, P tại tgh gọi là các giá trị tới hạn phóng điện cho acquy. -Nếu ngắt mạch vào thời điểm tgh thì hiệu điện thế UP sẽ tăng vọt lên bằng sức điện động của acquy. Còn sau đó, nhờ khuyếch tán mà nồng độ dung dịch cân bằng dần, sức điện động ắcquy sẽ tăng dần tới E0 và bằng 1,96 v đối với ắcquy được coi là phóng hết điện. Đoạn cuối của đường cong Eaq ứng với khoảng nghi của ắcquy hay thời gian phục hồi của ắcquy, thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của acquy ( dòng điện phóng và thời gian phóng.) * Trong quá trình nạp điện của ắcquy thì SĐĐ được tính theo công thức: En = Un - In.raq Trong đó: In : dòng điện nạp (A) Un : điện áp đo trên cực acquy khi nạp. raq : điện trở trong của acquy khi nạp điện. - Dung lượng nạp của ắcquy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của acquy và được tính theo công thức: Cn = In.tn Trong đó Cn : dung lượng thu được trong quá trình nạp điện(Ah) In : dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp điện tn. - Đặc tính nạp của ắcquy là đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng nạp điện không thay đổi (In = const). Khoảng nghỉ 1,95V C n = I n .t n Vùng nạp chính 5 10 0 10 1 ts s 20 (2¸3) h Vùng nạp no t I (A) U,E (V) 2,4V 2 2,7V un Bắt đầu sôi 2,4V 2,1V Eaq E Đặc tính nạp của ắc quy Trong khoảng thời gian nạp từ 0 đến t = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần, tới thời điểm ts , trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (gọi là hiện tượng sôi), lúc này điện thế giữa các cực của ắcquy tăng tới 2,4v. Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này tăng vọt lên 2,7v và giữ nguyên thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng làm cho phân các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi hoàn toàn, làm cho dung lượng phóng điện của ắcquy tăng thêm. Ta có thể kết thúc quá trình nạp ở đây. Nhưng thường người ta phải tiếp tục nạp từ 2h đến 3h nữa, khi thấy rằng trong suốt thời gian đó hiệu điện thế và nồng độ dung dịch của ắcquy không thay đổi thì mới tin chắc acquy đã được nạp no. + Sau khi ngắt dòng điện nạp thì điện áp, sức điện động của ắcquy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định, khi đó: E0 = 2,11¸2,12v ứng với acquy đã được nạp no. + Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắcquy. Dòng điện nạp định mức đối với ắcquy là In = 0,01 C10, trong đó C10 là điện dung định mức ứng với chế độ 10 giờ phóng. 3/ Các phuơng pháp nạp ắc quy tự động: Các phương pháp nạp ắc quy tự động. Có ba phương pháp nạp ắc quy là: + Phương pháp dòng điện. + Phương pháp điện áp. + Phương pháp dòng áp. 3.1 / Phương pháp nạp ắc quy với dòng điện không đổi. A V _ + A . . . . . . . . A _ _ + + D DD R R UN + Nạp ắc quy với dòng điện không đổi Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mọi loại ắc quy, bảo đảm cho ắc quy được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc quy hoặc nạp sử chữa cho các ắc quy bị Sunfat hoá. Với phương pháp này ắc quy được mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện : Un ³ 2,7.Naq Trong đó: Un - điện áp nạp Naq - số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch Trong quá trình nạp sức điện động của ắc quy tăng dần lên, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới hạn của biến trở được xác định theo công thức : Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc quy đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ¸ 0,5 )C20 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,05C20 3.2/ Phương pháp nạp ắc quy với điện áp không đổi Phương pháp nạp ắc quy với điện áp không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc song song với nguồn nạp . Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng 2,3 -> 2,5 V cho 1 ngăn ắc quy đơn. Hiệu điện thế của nguồn nạp phải được giữ ổn định với độ chính xác đến 3% và được theo dõi bằng vol kế. Dòng nạp lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi tăng lên thì giảm đi khá nhanh. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian ngắn dòng điện nạp tự động giảm dần theo thời gian .Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc quy không được nạp no, vì vậy phương pháp nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc quy trong quá trình sử dụng. - Để khắc phục những nhược điểm và tận dụng được hầu hết các ưu điểm của các phương pháp nạp trên ta kết hợp 2 phương pháp nạp lại thành phương pháp nạp dòng - áp. 3.3/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 bài là nạp ắc quy tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp ắc qui là phương pháp dòng áp. Đối với ắc quy axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoản thời gian tn = 16h tương ứng với 75 ¸ 80 % dung lượng ắc quy ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1C20. Vì theo đặc tính nạp của ắc quy trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 16h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 20h thì ắc quy bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 ¸ 3h. Đối với ắc quy kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc quy axit nhưng do khả năng quá tải của ắc quy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,1C20 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,25C20 . Các quá trình nạp ắc quy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc quy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không. Kết luận: -Vì ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi ắc quy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc quy sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc quy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho ắc quy. - Khi dung lượng của ắc quy dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc quy sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc quy sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc quy đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc quy bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp. - Tuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau + ắc quy axit : - Dòng nạp ổn định In = 0,1C20 - Dòng nạp cưỡng bức In = ( 0,3 ¸ 0,5 )C20. + ắc quy kiềm :- Dòng nạp ổn định In = 0,1C20 - Dòng nạp cưỡng bức In = 0,25C20 . * Từ các phân tích ở trên ta tính toán dòng nạp và điện áp nạp theo yêu cầu đầu bài chúng ta tiến hành nạp ắc quy với dòng điện không đổi. + Dòng điện nạp In = 0,1x60 = 6A Từ yêu cầu của đề tài chúng ta có: số lượng ắc quy là 10 chiếc. Do vậy chúng ta có thể có 3 cách mắc để nạp điện cho ắc quy: + Mắc 10 ắc quy nối tiếp với nhau. Dòng điện nạp nhỏ In=0,1x60=6 A Điện áp nạp lại rất lớn Un=10x16,2=162 V + Mắc 10 ắc quy song song với nhau: Dòng điện nạp nhỏ In=0,1x60x10=60 A Điện áp nạp nhỏ Un=16,2 V + Mắc hỗn hợp 10 ắc quy thành 2 dãy song song, mỗi dãy có 5 ắc qui nối tiếp với nhau Dòng điện nạp In=0,1x60x2=12 A Điện áp nạp Un=16,2x5=81 V Nhận xét: Như vậy chúng nếu chúng ta dùng cách mắc 10 ắc qui nối tiếp với nhau thì dòng điện nạp trong quá trình ổn dòng nhỏ In=6A còn điện áp nạp khi nạp ở chế độ ổn áp sẽ rất lớn Un=162 V.Phương pháp này không thoả mãn yêu cầu của công nghệ vì điện áp nạp lớn. Còn với cách mắc 10 ắc quy thành 10 chiếc song song với nhau thì dòng điện nạp rất lớn (In= 60A) còn điện áp nạp nhỏ( Un=16,2V). Phương pháp này thoả mãn yêu cầu của công nghệ nhưng do dòng điện quá lớn nên chúng ta phải chọn van chịu được công sất lớn, do vậy sẽ không đạt được về vấn đề kinh tế.Từ đó chúng ta thấy : Phương pháp tối ưu nhất vừa đáp ứng được yêu cầu của công nghệ vừa đạt được hiệu quả kinh tế là phương pháp mắc hỗn hợp. CHƯƠNG II Các Phương án chỉnh lưa 1 : Lựa chọn bộ biến đổi : Vì nguồn điện lưới là nguồn điện xoay chiều nên muốn nạp được dòng điện cho acquy thì ta phải dùng bộ chỉnh lưu biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện 1 chiều để cung cấp cho tải một chiều (ở đây là nguồn nạp điện cho acquy). - Thường sử dụng 2 loại chỉnh lưu dòng điện là chỉnh lưu 3 Pha và chỉnh lưu 1 Pha. 1.1/ Đối với chỉnh lưu 3 Pha Gồm có chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng,chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng và chỉnh lưu 3 pha hình tia. Người ta thường dùng chỉnh lưu 3 pha khi tải công suất lớn và có yêu cầu kỹ thuật cao như độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao.Sử dụng chỉnh lưu 3 pha thì không làm lệch pha nguồn điện lưới. 1.2/ Đối với chỉnh lưu 1 pha -Gồm sơ đồ : +cầu 1 pha đối xứng +cầu 1 pha không đối xứng. Người ta thường sử dụng sơ đồ cầu 1 pha khi tải cần cung cấp có công suất nhỏ, nên nó không ảnh hưởng đến nguồn điện cung cấp. - Trong đồ án này, em thiết kế khối nguồn chỉnh lưu với yêu cầu cung cấp cho tải một điện áp từ 12v " 165v, dòng điện 1 chiều từ 8"60A. Khi đó dòng điện nạp Inap = IC10 = 0,1 . 60 = 6A Ta chọn bình acquy loại 12v, với 6 ngăn, điện áp mỗi ngăn vào khoảng từ 2"2,4v (khi đã được nạp no). Khi đó điện áp nguồn nạp cho 1 bình acquy phải thoã mãn: Un ³ 2,7 Naq " Unap ³ 2,7 . 6 = 16,2 v Un : điện áp nạp. Naq : số ngăn acquy đơn. _ Ta có 2 cách nạp cho acquy: Cách 1: Mắc liền 10 bình acquy nối tiếp nhau. "Ud = 16,2 . 10 = 162 v " điện áp quá lớn. Id = 6A " dòng điện quá nhỏ. Cách này không khả thi do dòng nạp quá thấp mà điện áp nạp quá lớn. Cách 2: ta mắc hỗn hợp nối tiếp và song song các bình acquy với nhau, chia làm 2 cặp mắc song song với nhau, mỗi cặp gồm 5 bình mắc nối tiếp nhau. Cách mắc hỗn hợp các bình ắc quy Do đó Udmax = 16,2 .5 =81 V Idmax = 6 .2 =12A ® công suất của mạch : P = U .I = 81 . 12 =972 (w) = 0.972 (Kw) Vì theo đầu bài là thiết kế mạch nguồn nạp ắc quy tự động ,tức là khi ắc quy đói thì phải tự động nạp đầy cho ắc quy, còn khi ắc quy no thì sẽ tự động ngắt.Tất cả điều này đều phải tự động nên ta chọn mạch chỉnh lưu có điều khiển. Như ta đã tính ở trên P =0.972 Kw < 5Kw nên ta chon phuơng án mạch chỉnh lưu cầu một pha, có hai phương án chỉnh lưu : + chỉnh lưu có điều khiển cầu một pha đối xứng + chỉnh lưu có điều khiển cầu một pha không đối xứng 2 : Phân tích sơ đồ chỉnh lưu : 2.1: Chỉnh lưu có điều khiển cầu 1 pha đối xứng Sơ đồ nguyên lý U T2 U 2 R L E d d i i i i i T3 T4 T1 Trong sơ đồ cầu 1 pha đối xứng có tiristor : + T1 ,T2 là nhóm đấu katot chung + T3 ,T4 là nhóm đấu anôt chung Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Trong nửa chu kỳ đầu ,khi U2 >E điện áp anot của tiristo T1 dương,lúc đó catot của T2 âm,nếu có xung điều khiển cả 2 van T1 , T2 đồng thời thì các van này sẽ được mở thông để đặt điện áp lưới lên tải T1 , T2 sẽ dẫn đến khi U2 <E. Trong nửa chu kỳ sau,khi U2 <E điện áp anot của tiristo T3 dương,lúc đó catot của T4 âm nếu có xung điều khiển cả hai van T3 ,T4 đồng thời thì các van này sẽ mở thong để đặt điện áp lưới lên tải. Giá trị trung bình của điện áp tải : cos ỏ=0.9 Dòng trung bình qua tiristo : - Dòng hiệu dụng qua van - Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van n max c. Dạng điện áp * Khi xảy ra hiện tượng trùng dẫn -Hiện tượng trùng dẫn là hiện tượng có 2 hay nhiều van trong cùng một nhóm dẫn điện - Hiện tượng trùng dẫn xảy ra do ảnh hưởng của điện kháng anot Xa. + xét tại thời điềm t1=t2 thì T1 và T2 dẫn cho dòng chảy qua , iT2=Id ,điện áp chỉnh lưu Ud=U2. Trong khoảng 0t3, do Ld= dòng vẫn duy chì qua T1 và T2 do năng lượng tích trữ trong điện cảm Ld , khi đó Ud=U2 < 0 . + Tại thời điểm t = t3 , đưa xung điều khiển mở T3,T4 , do sự có mặt của điện kháng anôt Xa nên dòng iT1,iT2 khônng thể giảm từ Id xuống 0 mà dòng iT3 và iT4 cũng không thể đột ngột tăng từ 0 lên Id được. Lúc này cả 4 tiristor đều mở cho dòng chảy qua ,gây ngắn mạch tải , nguồn U2 cũng bị ngắn mạch. KL: vậy hiện tượng trùng dẫn đã làm méo điện áp chỉnh lưu , trong khoảng trùng dẫn năng lượng tích trữ được trả về lưới. + Khi không trùng dẫn : cosỏ= +Khi có trùng dẫn : trong đó : ÄUd = 2.2: Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng Sơ đồ nguyên lý Trong sơ đồ gồm 2 tirisitor, 2 điôt chia thành hai nhóm : + nhóm katot chung T1,Đ1 + nhóm anôt chung T2, Đ2 Nguyên lý hoạt động ở nửa chu kỳ đầu, khi U2 > E nếu có xung tới mở tiristo T1 xuất hiện dòng chạy qua T1 ,D1. ở nửa chu kỳ sau, khi U2 >E nếu có xung điều khiển mở tiristo T2 thì T2 ,D2 thông cho phép dòng qua tải. Điện áp trung bình đặt lên tải : Với c.Dạng điện áp: d.Nhận xét ưu nhược điểm của sơ đồ chỉnh lưu 1 pha -Với việc thiết kế chế tạo bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển tiristor cho mạch nguồn nạp ắc quy tự động . Qua việc phân tích các sơ đồ chỉnh lưu ta thấy sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha không đối xứng có những ưu điểm sau: +tiết kiệm năng lượng hơn(hệ số cos cao hơn chỉnh lưa điều khiển) +số van điều khiển ít hơn một nửa so với sơ đồ cầu đối xứng nên giảm được giá thành thiết bị biến đổi, sơ đồ điều khiển cũng đơn giản hơn, số kênh điều khiển van giảm .Và cũng giảm các phần tử bảo vệ cho tiristor do dùng một nửa số van là điot + Sơ đồ cầu đối xứng và sơ đồ cầu không đối xứng có chất lượng điện áp và dải điều chỉnh là như nhau . +Thứ cấp máybiến áp chỉ có một cuộn dây so với 2 cuộn dây trong sơ đồ có điểm trung tính nên việc thiết kế chế tạo biến áp nguồn trở nên đơn giản hơn . KL: Với những ưu điểm của các mạch chỉnh lưu và các nhận xét trên ta đi đến chọn phương án chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng .Sơ đồ này đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật về điện áp chỉnh lưu , bên cạnh đó chi phí giá thành cho việc lựa chọn thiết bị lại rẻ hơn. Hệ số cosỏ của sơ đồ không đối xứng cao hơn sơ đồ đối xứng. CHƯƠNG III tính toán và Thiết kế mạch lực Chọn dòng nạp là In=10%=6A(trong 10h) Chọn phương án mắc 10 bình thành 2 nhánh song song nhau mỗi nhánh gồm 5 bình nối tiếp nhau vậy: điện áp nạp: Uđm = 2,7*6*5=81 V (1bình 12v gồm 6 ngăn) dòng điện nạp: Iđm =10%60.2= 12 A Để lựa chọn mạch chỉnh lưu chi tiết cần biết khá nhiều yêu cầu kĩ thuật và các chi tiết cụ thể.Tuy nhiên những yêu cầu này thường khó nắm bắt được đầy đủ,vì vậy khi thiết kế chỉ cần dựa vào một số yêu cầu tốt thiểu để đưa ra một vài phương án mạch lực đủ cho thiết kế sơ bộ ban đầu.sau đó tiến hành thiết kế các chi tiết khác. Vậy ta chọn phương án chỉnh lưu cầu 1 pha bán điều khiển. Các yêu cầu tối thiểu: Điện áp ra tải định mức :Udđm=81 V Dòng điện định mức : Iđm =12A Nhiệt độ môi trường làm việc: tmt =300 1/ Chọn sơ đồ thiết kế : Từ yêu cầu của đề tài và những phân tích ở trên thì ta chọn mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều khiển dùng tiristo.sơ đồ mạch lực như H 3.1 Từ sơ đồ trên ta có Ud = 2.34U2() Giả sử với góc ỏ là nhỏ nhất ỏ = 300 Ud = 2,34.220() = 480.3V Vậy với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều như trên la phù hợp. Đồ thị của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều ứng với các góc mở có dạng như sau : Sơ đồ nguyên lý mạch nạp và đồ thị của mạch chỉnh lưu cầu 3 pha bán điều ứng với các góc mở ỏ 2. Bảo vệ thiết bị tuyệt đối : -Các phần tử bán dẫn công xuất được sử dụng rộng dãi với những ưu điểm như gọn nhẹ , làm việc tin cậy ,tác động nhanh hiệu xuất cao ,dễ thực hiện tự động hoá .. Việc sử dụng các phần tử này phải chú ý đến nhưng chỉ số giới hạn sử dụng do nhà sản xuất quy định: + Giá trị điện áp ngược lớn nhất + giá trị trung bình cho phép với dòng điện + Nhiệt độ lớn nhất của mặt ghép + Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của dòng điện di / dt + Tốc độ tăng trưởng lớn nhất của điện áp du/ dt + Thời gian khoá tof 2.1 : Bảo vệ khỏi tốc độ tăng trưởng của dòng điện quá lớn Tiristor làm việc trong mạch không có cảm kháng hay mạch xung thì thường chiu độ tăng trưởng dòng điện đặt vào anot của tiristor IA tăng quá nhanh ( tốc độ tăng dòng anot di/ dt )vượt quá một giá trị giơi hạn thì tiristor xẽ bị phá hỏng ( các lớp bán dẫn bị dánh thủng do hiệu ứng kênh) .Vì vậy cần hạn chế tốc độ tăng dòng thường dùng cuộn dây lõi không khí ( cuộn kháng xoay chiều )mắc nối tiếp với tiristor như hình vẽ: 2.2 : Bảo vệ quá điện áp nguyên nhân gây quá điện áp +nguyên nhân nội tại do sự tích tụ điện trong các lớp bán dẫn khi khoa tiristor bằng điện áp ngược , các điện tích biến đổi ngược lại hành trình tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn gây ra một sức điện độngcảm ứng rất lớn,làm cho lớp tiếp giáp Anot- Katot xuất hiện quá điện áp .Làm cho tiristor xẽ tự mở không cần tín hiệu điều khiển . + Nguyên nhân bên ngoài : như cắt không tải mọt máy biến áp trên đường dây ,khi cầu chì bảo vệ chảy , sấm sét... Vậy để hạn chế tốc độ tăng áp ,tnường dùng cặp điện trở R và tụ điện C mắc nối tiếp với nhau và nối song song với hai cực anot,katot của tiristor như hình vẽ: 3/ Tính toán chọn van lực A/ Chọn cấp điện áp cho van. - Để chọn van ta phải dựa vào chế độ làm việc nặng nề nhất Mà van phải chịu. - Van phải chịu điện áp max khi các ắcquy được nạp no,mỗi ngăn ắcquy có điện áp là 2V.Để có acqui 12V cần 6 ngăn. Để nạp no thì điện áp nạp cho mỗi ngăn phải là 2,7V Điện áp nạp : U = 2,7.6.10 = 162V Dòng điện nạp : In = 10%Iđm = 10.16 = 160A Theo bảng 1.1 biên độ điện áp ngược lớn nhất đặt lên van khi làm việc bằng: U2(max) =2,45U2=2,45.220=539V chọn hệ số dự trữ về áp cho van là 1,7 thì điện áp cần cho van tương ứng sẽ là : U2=1,7Ungmax=1,7.539=916.3V Vậy chọn loại van ?????? được chế tạo với phạm vi cấp điện áp (???????)vì vậy ta chọn van cấp điện áp là ???? tương ứng với điện áp thực là ??????? V IV/ TÍNH TOÁN BẢO VỆ QUÁ ÁP ỏ=0 thỡ dũng qua van là lớn nhất lỳc đú gúc dẫn qua mỗi van trong sơ đồ cầu là ở=ð vậy ta cú Kdd hệ số dũng điện qua van,là tỉ số giữa giỏ trị hiệu dụngvà giỏ trị trung bỡnh của dũng điện đi qua van Tra cẩm nang về T-250 cú cỏc số liệu :U0=1,44V,Rđ=112.10-5 Rt=0,220C/W với V=6m/s,t0pn=1250C U0 điện ỏp ngưỡng của van [V] Rđ điện trở động của van [Ω] RT nhiệt trở của van cú kốm theo tản nhiệt [0C/W] Tpn nhiệt độ cho phộp quỏ độ bỏn dẫn p-n [0C] Kdd hệ số dũng diện qua van,là tỉ số giữa giỏ trị hiệu dụngvà giỏ trị trung bỡnh của dũng điện đi qua van Vậy qua phõn tớch và tớnh toỏn ở trờn ta quyết định chọn mạch điều khiển và mạch động lực như h3.14 h3.14 mạch điều khiển và mạch động lực CHƯƠNG IV TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Nguyờn lý chung mạch điều khiển Trong các hệ chỉnh lưu thỡ cú 2 hệ điều kiển cơ bản là hệ đồng bộ và hệ khụng đồng bộ do hệ đồng bộ cú nhược điểm là độ nhậy với nhiễu lưới điện cao vỡ cú khõu đồng bộ liờn quan độn điện ỏp lực , nhưng cú ưu điểm hoạt động ổn định và dễ dàng thực hiện. Ngược lại hệ khụng đồng bộ chống nhiễu lưới điện tốt hơn nhưng kộm ổn định . hiện nay Đa số cỏc mạch điều kiển chỉnh lưu thực hiện theo hệ đồng bộ I / CÁC NGUYấN TẮC ĐIỀU KHIỂN TRONG HỆ ĐỒNG BỘ Cú hai nguyờn tỏc điều khiển. 1/ nguyờn tắc điều khiển ngang H3.1 là sơ đồ cấu trỳc và đồ thị minh hoạ của nguyờn tắc điều khiển ngang H3.1a là sơ đồ cấu trỳc điều khiển ngang ĐB : Khõu đồng bộ tạo ra điện ỏp hỡnh sin cú gúc lệch pha cố định so với điện ỏp lực DF : khõu dịch pha cú nhiệm vụ thay đổi gúc pha của điện ỏp ra dưới tac động của điện ỏp điều khiển Uđk. TX : Xung điều khiển tạo thành ở khõu tạo xung vào thời điểm khi điện ỏp dịch pha Udf qua điểm 0. DX: Nhằm tạo ra cỏc xung cú dạng phự hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, thường được sử dụng xung chựm. KĐX: khuếch đại xung để khuếch đại tớn hiệu gửi tới cực điều khiển của van H3.1b đồ thị minh hoạ của nguyờn tắc điều khiển ngang 2/ Nguyờn tắc điều khiển dọc. H3.2 là sơ đồ cấu trỳc và đồ thị minh hoạ của nguyờn tắc điều khiển ngang H3.2a là sơ đồ cấu trỳc điều khiển dọc Utựa : Tạo ra điện ỏp tựa cú dạng cố định (thường dạng răng cưa) SS : Khõu so sỏnh xỏc định điểm cõn bằng của U tựa và Uđk H3.2b Đồ thị minh điều khiển dọc 3/ Khõu đồng bộ Theo sơ đồ cấu trỳc mạch này cú 2 chức năng: Đảm bảo quan hệ gúc pha cố định với điện ỏp của van lực nhằm xỏc định điểm gốc để tớnh gúc điều khiển ỏ ,mạch cú tờn gọi là gúc điều khiển ỏ Hỡnh thành điện ỏp cú dạng phự hợp làm xung nhịp cho hoạt động của khõu điện ỏp tựa phỏi sau nú a/ Đồng pha bằng mỏy biến ỏp H3.3 biến ỏp đồng pha cho chỉnh lưu 3 pha H3.4 Đồ thị biến ỏp đồng pha cho chỉnh lưu 3 pha Khi cuận sơ cấp đấu Ä cuận thứ cấp đấu Y (kiểu Ä/Y) ta sẽ đạt phạm vi điều chỉnh ỏ=0ữ1800 b/ 11 Đồng pha bằng phần tử quang Sử dụng phần tử quang dưới dạng IC chuyờn dụng cho phộp thực hiện chức năng đồng pha mà vẫn đảm bảo cỏch ly tốt về điện với mạch lực đồng thời trỏnh chế tạo biến ỏp đồng pha,do đú làm giảm kớch thước mạch . Sơ đồ hỡnh 3.4 H3.4 Sơ đồ và đồ thị đồng pha bằng phần tử quang Khi điện ỏp lực dương thỡ dũng sẽ qua điụt phỏt quang LED, nú phỏt sỏng làm mở tranzitor quang , con nửa chu kỡ õm búng này tương ướng sẽ khoỏ.vậy điện ỏp ra sẽ cú xung chữ nhật một nửa chu kỡ õm búng này tương ứng sẽ khoỏ.R1 để hạn chế dũng cho LED. c/ Đồng pha kết hợp với khuếch đại thuật toỏn Mạch chỉnh ưu hai nửa chu kỡ cú điểm giữa(tia hai pha) dựng điụt D1 và D2. điện ỏp chỉnh lưu được đưa tới cửa (+) của khuếch đại thuật toỏn OA để so sỏnh với điện ỏp ngưỡng Ung lấy từ biến trở P1,điện ỏp đồng bộ sẽ tuõn theo quan hệ sau Udb = A0(U+-U-) = A0(Ucl - Ung) Do đú nếu Ucl > Ung thỡ Udb dương thỡ Udb = +Ubh nếu Ucl < Ung thi Udb õm và Udb = - Ung Vậy điện ỏp đồng bộ cú dạng như hỡnh3.5 H3.5 Sơ đồ và đồ thị đồng bộ và OA 4/ Khõu tạo điện ỏp tựa (Utựa): Tạo điện ỏp cú dạng răng cưa cú chu kỳ làm việc theo nhịp của điện ỏp đồng pha. 4.1/ Điện ỏp tựa dạng răng cưa Đa số cỏc điện ỏp tựa trong mạch điều khiển chỉnh lưu hiện thời đều dựng dạng răng cưa vỡ nú khắc phục được nhược điểm của dạng hỡnh sin cú nghĩa là nú ớt bị ảnh hưởng điện ỏp và tần số nguồn xoay chiều. Tuy nhiờn nhược điểm của nú là khụng đạt được quan hệ tuyến tớnh giữa điện ỏp điờu khiển và điện ỏp chỉnh lưu nờn khú khăn khi tiến hànhquỏ trỡnh tự động điều chỉnh và ổn định cỏc thụng số của mạch.Cú thể chia làm 2 loại răng cưa chinh Răng cưa phi tuyến Răng cưa tuyến tớnh a/ Tạo răng cưa phi tuyến Dạng răng cưa phi tuyến được tạo bằng tranzitor và tụ H3.6 Sơ đồ và đồ thị tạo điện ỏp răng cưa phi tuyến hai nửa chu kỡ Trong mạch nay tranzitor hoạt động như một cụng tắc đúng ngắt theo nhịp của điện ỏp đồng pha.Ở thời điểm Ө1ữӨ2 điện ỏp đồng pha õm điện ỏp này lại đặt vào bazơ-ờmite búng tranzitor T làm nú đúng cỏc cực colectơ và ờmite khụng thụng với nhau tương đương như một cụng tắc mở vỡ vậy tụ sẽ nạp.từ nguồn 1 chiều E theo quy luật: Uc(t) = E(1- e-1/RC) Trong khoảng Ө2ữӨ3 thỡ tranzitor T mở đương như một cụng tắc đúng.Vỡ vậy tụ sẽ phúng Tạo răng cưa tuyến tớnh Nhận xột: Nhược điểm chung của cỏc sơ đồ tạo điện ỏp răng cưa dựng tranzitor là sự phụ thuộc khỏ rừ vào thời điểm mở và khoỏ cỏc búng và điện ỏp đồng pha ,do vậy điện ỏp răng cưa cũng ớt nhiều bị biến động theo điện ỏp lưới điện xoay chiều . điều này làm ảnh hưởng tới gúc mở ỏ cũng như phạm vi điều chỉnh . mặt khỏc độ tuyến tớnh của răng cưa cũng khụng cao. H3.7a Sơ đồ tạo răng cưa tuyến tớnh H3.7b Đồ thị tạo răng cưa tuyến tớnh b/ Mạch dựng khuếch đại thuật toỏn(OA) Hiện nay cỏc mạch tạo răng cưa sử dụng OA ngày càng ưng dụng nhiều hơn do khắc phục được cỏc nhược điểm trờn ,và do giỏ thành của OA tương đối rẻ.Sơ đồ và đồ thị như h3.7a,b H3.7a Sơ đồ mạch khuếch đại dựng thuậ toỏn OA H3.7b Đồ thị mạch khuếch đại dựng thuậ toỏn OA Răng cưa tuyến tớnh 1 nửa chu kỡ .h3.7b là sơ đồ tạo răng cưa cú dạng đi xuống dựng hai OA . khuếch đại thuật toỏn OA1 đấu theo sơ đồ so sỏnh cú nhiệm vụ xỏc định điểm di qua điểm O của điện ỏp đồng pha với sai số chỉ vài phần nghỡn vụn và gọi là điện ỏp đồng bộ Udb. điện ỏp đầu ra của OA1 cú dạng xung chữ nhật chỉ cú hai tri số õm và dương băng giỏ trị bóo hoà ±Ubh.Tầng OA2 cú nhiệm vụ tạo điện ỏp răng cưa .nguyờn lý hoạt động như sau: Ở nửa chu kỡ khi điện ỏp Udb < 0 (A1 bóo hoà õm Udb = -Ubh ) điụt Đ3 dẫn .Sử dụng đặc điểm của OA là điện thế giữa hai cửa (+) và (-) của nú bằng nhau , ta cú điện thế điểm (-) của OA2 bằng 0 do điểm (+) nối với 0v . lỳc đú Uc = Urc. Ở nửa chu kỡ điện ỏp Udb > 0 (A1 bóo hoà õm Udb = +Ubh ) điụt Đ3 khoỏ.Nờn dũng qua R2 = 0 .Lỳc này dũng qua tụ bằng dũng qua điện trở R3 dũng điện ngược chiều với dũng qua tụ C .Cú nghĩa là tụ C phúng điện. 5/ Khõu so sỏnh So sỏnh giữa điện ỏp tựa Utựa và điện ỏp điều khiển Uđk, tỡm thời điểm hai điện ỏp này bằng nhau ( Uđk = Utựa) để phỏt xung điều khiển tức là xỏc định gúc mở ỏ. a) so sỏnh dựng tranzitor: sơ đồ h3.7 là sơ đồ dựng tranzitor H3.7 sơ đồ Khõu so sỏnh dựng tranzitor Nguyờn lý hoạt động như sau : khi Urc < Uđk thỡ tranzitor khoỏ vỡ cú UBE = Urc – Uđk <0 .Do đú điện ỏp ra bằng nguồn điều khiển Ura = UE. khi Urc 0 .Do đú điện ỏp ra Ura = 0. b/ so sỏnh dựng khuếch đại thuật toỏn Trong kiểu này hai điện ỏp cấn so sỏnh được đưa tới hai cực khỏc nhau của OA .Điện ỏp ra sẽ tuõn theo quy luật : Ura = K0ÄU = K0(U+ - U-), K0 là hệ số khuếch đai của OA Tuỳ thuộc vào điện ỏp tựa và điện ỏp điều khiển đưa vào cửa nào mà điện ỏp ra xuất hiện sườn xung õm hoặc xung dương . Ở thời điểm cõn bằng giữa chỳng nếu điện ỏp điều khiển đưa vào cửa (+) cũn điện ỏp tựa đưa vào cửa (-) cú nghĩa là U+≡Utựa như hỡnh 3.8a thỡ điện ỏp ra là: Ura = K0(U+ - U-) = K0(Uđk - Utựa) H3.8 So sanh 2 cửa dựng khuếch đại thuật toan OA nhận xột :khuếch đại thuật toỏn OA là phần tử so sỏnh lý tưởng vỡ: Tổng trở vào OA rất lớn nờn khụng gõy ảnh hưởng đến cỏc điện ỏp đưa vào so sỏnh nú cú thể tỏch biệt hoàn toàn khụng để chỳng ảnh hưởng lẫn nhau. Tầng vào OA cũng là khuếch đại vi sai , mặt khỏc tần số nhiều nờn hệ số khuếch đại rất lớn vỡ thế độ so sỏnh rất cao. Sườn xung dốc đứng nếu so với tần số 50Hz 6./ Khõu dạng xung ( DX) Nhằm tạo ra cỏc xung cú dạng phự hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu, thường được sử dụng xung chựm.. Tạo xung đơn bằng vi mạch RC :là vi mạch đơn giản gồm 1 tụ và một điện trở mắc như h4.9.khi điện ỏp đưa từ khõu so sỏnh Uss ở mức thấp –Ubh thỡ tụ C được nạp bằng nguồn õm theo đường 0→R→C→OAss→(-E)→0 đến trị số bằng Ubh với dấu điện ỏp ở hỡnh 3.9 .Khi Uss chuyển lờn mức cao dương Ubh ở thời điểm ban đầu trờn điện trở R xuất hiện 1 xung điện ỏp cú trị số bằng tụng điện ỏp cú sẵn trờn tụ cộng thờm điện ỏp của khõu so sỏnh do chung mắc nối tiếp nhau nờn chỳng là +2Ubh sau tụ C lại nạp đảo để cuối cựng lại đến trị số Ubh nhưng ngược dấu ban đầu. H3.9 tạo xung đơn bằng mạch vi phõn RC 7/ Khõu khếch đại xung (KĐX): Tiến hành khếch đại xung từ mạch dạng xung đưa đảm bảo mở chắc chắn tiristo. Khõu này cũng thường làm nhiệm vụ cỏch ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. khuếch đại xung ghộp trực tiếp :kiểu ghộp trực tiếp cho phộp đưaới van dạng xung điều khiển tối ưu(như h3.10 )nhưng cú nhược điểm là khụng cỏch ly mạch lực và mạch điều khiển do đú chỉ ứng dụng với những mạch chỉnh lưu điện tải dưới 40v. H3.10 Khuếch đại xung tực tiếp Khuếch đại xung ghộp qua phần tử quang :cỏc phần tử quang mà ta cú thể sử dụng ghộp nối giữa Khuếch đại xung và van lực như h3.11a H3.11a cỏc phần tử quang H3.11b Sơ đồ ghộp nối khuếch đại bằng ghộp phần tử quang Chỳng cú ưu điểm nổi bật : Đảm bảo độ cỏch ly giữa điều khiển và lực và truyền được cỏc xung cú độ rộng tuỳ ý. hiện nay cụng nghiệp chế tạo được cỏc phần tử opto dạng IC rất thuận tiện cho mạch điều khiển .Tuy nhiờn do dũng điện tải mà nú chịu được chỉ vài chục mAnờn khụng đủ cụng suất để mở van lực ,vỡ vậy vị trớ của nú trong mạch điều khiển phải ở trược tầng khuếch đại .Lỳc đú tầng khuếch đại cuối đấu trực tiếp như h3.11b Khuếch đại xung ghộp bằng biến ỏp xung: Là phương phỏp ghộp thụng dụng nhất hiện nay vỡ dễ dàng cỏch ly mạch điều khiển và mạch lực.Tuy nhiờn do tớnh chất vi phõn của biến ỏp nờn khụng cho phộp truyền cỏc xung rộng vài ms .chớnh vỡ vậy người ta phải truyền xung rộng dưới dạng xung chựm để biến ỏp xung hoạt động bỡnh thường.Để đơn giản mạch đồng thời vẫn đảm bảo hệ số khuếch đại dũng cần thiết ,tầng khuếch đại hay đấu theo kiểu Dalintơn a/ Xung điều khiển dạng xung đơn và xung kộp H3.12 là sơ đồ tốt giản cho loại này .Cả hai búng T1,T2đều chọn theo điều kiện điện ỏp như nhaulà chịu được trị số nguồn E H3.12a khuếch đại xung ghộp biến ỏp xung dạng đơn và kộp b/ xung điều khiển dạng xung chựm H3.12b khuếch đại xung ghộp biến ỏp xung dạng xung chựm 9/ Bộ điều khiển ( BĐK ): Khõu này cú nhiệm vụ nhận cỏc tớn hiệu từ cụng nghệ đưa tới và cỏc tớn hiệu phản hồi lấy từ tải về để xử lý theo những qui luật điều khiển nhất định để đưa ra Uđk tỏc động đến gúc điều khiển khống chế nguồn năng lượng ra tải cho phự hợp nhất.Để ổn định dũng điện ta phải phản hồi õm dũng điện. Để ổn định điện ỏp ta phải phản hồi õm điện ỏp.Trong quỏ trỡnh nạp acquy tự động ,sự ổn dũng và ổn ỏp phảiluụn được đảm bảo.để điều chỉnh gúc mở tiristo ta cú những phương phỏp sau: a/ Điều chỉnh gúc mở tiristo theo phương phỏp thẳng đứng tuyến tớnh dựng tranzitor sơ đồ như h3.13 H3.13a Điều chỉnh gúc mở tiristo theo nguyờn tắc thẳng đứng tuyến tớnh Nguyờn lý hoạt động như sau: Giả sử ở nửa chu kỡ đầu a õm khi đú Đ1 dẫn.Nửa chu kỡ sau a’ õm lỳc đú Đ2 dẫn.Điện ỏp tại A (UA) cú dạng như (h3.14b.) Khi UR2 –UA >0 → Tr1 dẫn →Uc = 0 → Tr2 khoỏ lỳc này tụ C1 nạp điện → điện ỏp UD cú dạng như (h4.13b). Khi UR2 –UA <0 → Tr1 khoỏ →Uc = +E → Tr2 dẫn lỳc này tụ C1 phúng điện → điện ỏp UD cú dạng như (h4.13b). Khi Udk < UD thỡ đầu ra chủa KĐTT1 cú điện ỏp =-Ubh do UD được nối vào cổng (-)của KĐTT1.Udk được nối vào cổng (+)của KĐT. Đ3 cú nhiệm vụ chỉ lấy phầm dương của KĐTT1 nờn điện ỏp tại E (UE=0) Khi Udk > UD thỡ đầu ra của KĐTT1 cú điện ỏp =+Ubh do UD được nối vào cổng (-)của KĐTT1. Udk được nối vào cổng (+)của KĐT. Đ3 cú nhiệm vụ chỉ lấy phầm dương của KĐTT1 nờn điện ỏp tại E (UE=+Ubh)→khi đú UF,Ug1,Ug2 cú dạng nhu trờn đồ thị 4.13b H3.13b Dạng điện ỏp của điều chỉnh gúc mở tiristo theo nguyờn tắc thẳng đứng tuyến tớnh b/ Điều chỉnh gúc mở tiristo bằmg vi mạch 555 H3.13 nguyờn tắc điều chỉnh gúc mở ỏ bằng vi mạch 555 Nguyờn tắc hoạt động như sau: khối đồng pha sẽ biến đổi điện ỏp đồng pha Uđf (đú là điện ỏp hỡnh sin cựng tần số với điện ỏp cần chỉnh lưu )thành một dóy xung hep lõn cận điểm 0 của điện ỏp đồng pha ()gọi là dóy xung nhịp) .Đưa dóy xung vào chõn 2 của vi mạch 555 mắc theo sơ đồ h4.13 thỡ ở cửa ra chõn 3 sẽ xuất hiện 1 dóy xung tương ứng.Thời gian tồn tại ụ của xung này ụ = VR■.C2 và thay đổi được nhờ biến trở VR do đú thay đổi được thời điểm xuất hiện sườn xuống.Lấy sườn xuống của xung này để biến thành xung mở của tiristo. Qua những phõn tớch ở trờn ta quyết định chọn phương ỏn thiết kế mạch động lực và mạch điều kiển như sơ đồ h3.14.Cỏc mạch chỉnh lưu ba pha chỉnh lưu cầu khụng đối xứng gồm 3 Tiristo thuộc 3 pha vỡ vậy mạch điều khiển gồm 3 kờnh mỗi kờnh điều khiển cho một van của một pha. Hay núi cỏch khỏc mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha khụng đối xứng gồm 3 mạch điều khiển một pha ghộp lại , sơ đồ nguyờn lý dưới đõy vẽ cho một pha ,hai pha cũn lại tương tự. Đồ thị song đầu ra như h 3.15 H3.14Sơ đồ toàn nguyờn lý mạch toàn bộ mạch điều khiển H3.15 Đồ thị dạng điện ỏp của mạch động lực và mạch điều khiển CHƯƠNG V THIẾT KẾ SẢN PHẨM I/ THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN Qua những phân tích ở trên ta quyết định chọn phương án thiết kế mạch động lực và mạch điều kiển như sơ đồ h4.1 H5.1 Sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển. H 5.2 Biểu đồ dạng xung tại các điểm trên mạch điều khiển 1 .NGUỒN CUNG CẤP CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN: Sơ đồ khối của bộ nguồn một chiều ổn áp Các phần tử thực hiện khối chức năng: - Khối hạ ỏp và cỏch ly dựng mỏy biến ỏp - Khối chỉnh lưu dùng chỉnh lưu cầu - Mạch lọc dùng tụ điện có điện dung lớn. - Mạch ổn định điện áp dùng IC ổn áp 78xx với các cấp điện áp ra chuẩn và được thể hiện bằng hai số xx. Dũng tải cho phộp IC này là 1A(khi cú tản nhiệt tốt). Khối hạ ỏp và cỏch ly dựng mỏy biến ỏp Nguồn nuôi ổn áp dùng IC ổn áp 7812 ,IC7912:Nguồn ổn áp là nguồn luôn ổn định Điện áp ra khi thay đổi điện áp vào hoặc thay đổi tải . Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp 78xx,79xx H5.3 Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp Tính chọn các phần tử trên sơ đồ - IC 7812 có Điện áp đầu vào : 17 ÷35V - Dũng điện đầu ra :0 ÷1A -Điện áp ra E=12V -IC 7912 có Điện áp đầu vào : 17 ÷35V -Dũng điện đầu ra : 0 ÷1A -Điện áp ra E=-12V - Chọn tụ lọc phẳng C1=C2=1000ỡF, C3=C4=100 ỡF -Chọn tụ lọc nhiễu C5=C6=0,1ỡF . - Chọn các cầu chỉnh lưu có I=1A; U=24V(không có tản nhiệt) 2/ TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP NGUỒN - Khối nguồn 24V cấp cho biến ỏp xung, dũng I = 420 mA # P21 = U21 . I21 = 240,42 = 10 W - Khối nguồn tạo điện áp đồng pha 0V- 6V – 12V, dong I = 500 mA #P22 = U22 . I22 = 12 .0,5 = 6 W - Khối nguồn ±12 cấp cho khuyếch đại thuật toán ,dũng I = 500 mA # P23 = U23 . I23 = 24. 0,5 = 12 W - Khối nguồn 10V cấp cho cỏch ly quang ,dũng I = 1A # P24 = U24 . I24 = 10 . 1 = 10W # Cụng suất mỏy biến ỏp nguồn là P = 2 .P21 + P22 + 5 .P23 + P24 = 2.10 + 6 + 5.12 + 2.10 =106 W # Dũng sơ cấp biến áp nguồn -Tiết diện lừi thộp mạch từ -Ta chọn lừi thộp cú tiết diện 25 cm2 , làm bằng lỏ thộp kĩ thuật điện dày 0,35 mm , gồm các lá hỡnh chữ E và chữ I ghộp lại với nhau . + Theo cụng thức kinh nghiệm ta cú no là số vũng/vụn: , với K là hệ số mỏy biến ỏp { 40 ữ60 } Ta chọn K = 50 , no = 50/ 20,6 = 2,4 vũng/v - Số vũng dõy cuộn sơ cấp là : W1 = no . U1 = 2,4 . 220 = 528 vũng Số vũng dõy cỏc cuộn thứ cấp là : + Cuộn 24V : W21 = no . U21 = 2,4 .24 = 58 vũng + Cuộn 18V : W22 = no . U22 = 2,4 . 18 = 43 vũng + Cuộn 6V : W23 = no . U23 = 2,4 . 6 = 14,5 vũng + Cuộn 10V : W24 = no . U24 =2,4 .10 = 24 vũng -Chọn mật độ dũng điện J = 5 A/mm2 -Tiết diện dây sơ cấp : -Đường kính dây sơ cấp: - Dũng điện trong các cuộn thứ cấp + Cuộn 24V: + Cuộn 18V: + Cuộn 6V: + Cuộn 10V: -Tiết diện dõy thứ cấp : + Cuộn 24V: + Cuộn 18V: + Cuộn 6V: + Cuộn 10V: -Đường kính dây thứ cấp là + Cuộn 24V: + Cuộn 18V: +Cuộn 6V : + Cuộn 10V: -Tra sổ tay “ Thụng số tiểt diện dõy trũn ” sỏch điện tử công suất –Nguyễn Bính ta chọn được dây : + dây sơ cấp d1 = 0,35 mm; S = 0,096mm2 ; 0,855 gam/m ; 0,187 ohm/m + dõy thứ cấp : d21 =1,04 mm; S21 = 0,874 mm2 ; 7,55 gam/m ; 0,0202 ohm/m d22 = 1,22 mm; S22 = 1,178 mm2 ; 9,4gam/m ; 0,0163ohm/m d23 = 2,1 mm ; S23 = 3,494 mm2 ; 30,8 gam/m ; 0,00506 ohm/m d24 =1,64 mm ; S24 2,112 mm2 ; 18,3 gam/m ; 0,00850 ohm/m II/ TÍNH TOÁN KHỐI ĐIỀU KHIỂN 1/ Khõu đồng bộ Ta sử dụng khuếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ so sánh ( hỡnh 4.4 ) Chọn điện trở R3, R4 bằng 15 kΩ, chọn khuếch đại thuật toán OA loại TL 081 Hỡnh 5.4 sơ đồ nguyên lý khâu tạo xung đồng bộ 2/ Khối tạo điện áp răng cưa Khối tạo điện áp răng cưa tuyến tính một nửa chu kỳ hỡnh 4.5.Điện áp trên tụ C bằng điện áp ở đầu ra của 0A3 Uc2 = UD , điên áp trên điện trở R5 bằng Uc bỏ qua sụt áp trên Đ1. Trong sơ đồ này không khống chế thời gian nạp cho tụ nên ta chọn R5 << R6 dẫn đến iR6 << iR5 để đơn giản khi phân tích , tính toán có thể bỏ qua iR6. Như vậy dũng điện qua tụ iC2 = iR5 vỡ dũng vào cửa ( - ) của OA khụng đáng kể(tổng trở vào của OA vô cùng lớn ) . Kết hợp những điều kiện trên ta cú : uc = iC2 dt = Hỡnh 5.5 sơ đồ nguyên lý khối tạo điện áp răng cưa Theo biểu thức trên điện áp trên tụ C2 cũng như đầu ra tăng trưởng tuyến tính . Khi điện áp ra bằng trị số ngưỡng của ĐZ thỡ nú thụng và giữ điện áp ra bằng trị số ổn áp. ở nửa chu kỳ điện áp tại điểm C dương điốt Đ1 khóa nên dũng qua R5 bằng 0 . Lỳc này dũng điện quatụ C2 bằng dũng điện đi qua R6 , dũng điện này ngược chiều với dũng đi qua tụ trong nửa chu kỳ trước nghĩa là tụ C2 phóng điện : UD = uc2 = UĐZ - iR6 dt = UĐZ - = UĐZ -tp Chọn OA loại TL 081 , chọn ĐZ loại BZX79 có UĐZ = 9,1V để có biên độ điện áp răng cưa là 9,1V Tính điện trở R6. Chọn C2 = 0,22ỡF Theo biểu thức 3.1 điều kiện sau nửa chu kỳ điện áp lưới xoay chiều điện áp trên tụ C2 giảm từ giá trị UĐZ xuống đến không tức là thời gian phúng tp = T/ 2 ta cú uC2 ( ) = UĐZ - = 0 rút ra R6 = = = 59,94.10-3 kW Chọn điện trở này gồm biến trở 50 kΩ mắc nối tiếp với điện trở 15 kΩ Tính điện trở R5: Trong thời gian tụ điện C2 nạp tn điện áp trên nó phải vượt giá trị điện áp ổn áp ,ta có lấy sụt áp trên điốt Đ1 = 0,7V , chọn thời gian tn = 1ms , điện áp bóo hũa của OA là: Ubh = E – 1,5 = 12 – 1,5 = 10,5V .Vậy: chọn R5 = 3,9 kW 3/ Khối so sỏnh Chọn OA loại TL 081, điện trở R7,R8 = 15 kΩ Hỡnh 5.6 sơ đồ nguyên lý khối so sỏnh 4/ Khối tạo dạng xung Hỡnh 5.7 sơ đồ nguyên lý khối tạo dạng xung Xung thích hợp để mở tiristor thường là xung kim đơn hoặc xung chùm , xung chùm là dạng xung thông dụng nhất vỡ cho phộp mở tốt van lực trong mọi trường hợp , mọi dạng tải và nhiều sơ đồ chỉnh lưu khác . Nguyên tắc tạo xung chùm ở đây coi tín hiệu do khối so sánh tạo ra như một tín hiệu cho phép hay cấm khối khuếch đại xung phía sau nhận được xung tần số cao phát ra từ khâu tạo dao động đưa tới . Để thực hiện nguyên tắc tạo xung chùm như trên ta sử dụng một mạch lôgíc " và " (lôgíc AND) và một khâu tạo dao động Chọn mạch AND loại 4081 gồm có 4 phần tử " và " trong một vỏ điện áp nguồn nuôi 12V. Vỡ phần tử " và " chỉ làm việc với nguồn một cực tớnh mà xung sau khõu tạo dao động là xung hai cực tính nờn ta phải chặn tớn hiệu õm đưa tới IC nhờ điốt Đ2 và R12 . Chọn điốt Đ2 loại 1N4002 có tham số Itb = 1A Ungmax= 100V, chọn R12 = 10 kΩ. Khâu tạo xung chùm: Xung chùm để mở cho van thường có tần số lớn hơn nhiều lần so với tần số của lưới điện ( fxc = 6 ÷ 12kHz ) ta chọn fxc = 8 kHz Chọn OA4 loại ỡA741 , chọn R10 = 2R11 với giỏ trị cụ thể R10 = 5, R11 = 10 kΩ, chọn C3 = 10nF . Ta cú : T =125ms T = 2.R9.C3.ln 2 = 1,4 R9.C3 nờn R9 = 9,1 kW 5/ Khối khuếch đại xung Xung sau khối tạo dạng xung chưa đủ công suất để mở van vỡ dũng điện đầu ra của IC nhỏ ( 3mA ),điện áp mạch lực và mạch điều khiển rất chênhlệch nên ngoài việc khuếch đại công suất xung điều khiển cũn phải đảm bảo cách li giữa mạch động lực và mạch điều khiển . Nên khối này ta chọn là khối khuếch đại xung ghép bằng biến áp xung như sơ đồ hỡnh 4.8 Hỡnh 5.8 sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại xung ghép bằng biến áp xung Chọn biến áp xung có tỉ số k = 2, điện áp sơ cấp biến áp xung U1 = k.U’2, U1 = k.U’’2 (U’2 U’;2điện áp điều khiển tiristor)như đó chọn loại tiristor ở chương 2 U1 = 2. 4 = 8V, I1 = Ig1 / k U1 = 2. 4 = 8V, I2 = Ig2 / k ( I1 I2 dũng điện sơ cấp biến áp xung , Ig1 Ig2dũng điện điều khiển tiristor ) như đó chọn loại tiristor ở chương 2 I1 = 0,15 / 2 = 0,075A. Chọn nguồn E1 > U1 để bù sụt áp trên điện trở R15 vỡ vậy chọn E1 = 18V . Từ hai giỏ trị E1 , I1 chọn được Tr2 loại BD 135 cú tham số Uce = 45V , Icmax= 1,5A, tra bảng cú õmin = 40 . Để Tr2 làm việc lõu dài mà khụng bị phỏ hỏng thỡ I1 E1 / Icmax = 12/ 1,5 = 8Ω chọn R15 = 10Ω , chọn công suất của điện trở R15 bằng 5W . Kiểm tra độ sụt áp trên điện trở R15 khi Tr1 dẫn dũng : UR15 = I1 . R15 = 0,075 . 10 = 0,75 V vậy điện áp U1 = E1 - UR15 = 12 – 0, 75 = 11,25 V lớn hơn 8 V nên đạt yêu cầu . Bóng Tr1 chọn loại BC107 cú Uce = 45V , Icmax=0,1A, tra bảng cú õmin = 110 . Vậy trị số điện trở R14 ≤ kW Chọn R14 = 20 kΩ, chọn điốt Đ3, Đ4, Đ5,Đ6,Đ7 loại 1N4001 cú tham số Itb = 1A Ungmax= 400V) Khõu phản hồi H5.9 Sơ đồ nguyên lý phản hồi dũng điện Uđk = K1 ( Uđặt – Uph ) chọn R18 = 10 kΩ suy ra R19 = 500 kΩ.Chọn R16 = 5kΩ , R17 = 10kΩ, R20 = R21 = 10 kΩ, OA6 loại ỡA741 III/ LẮP RÁP SẢM PHẨM 1 Thiết kế mặt ngoài của tủ Sơ đồ H5.10 là sơ đồ bố trí mặt ngoài tủ gồm: 1 đồng hồ ampe,3 đèm báo một đèn báo trong quá trỡnh nạp hiệu dụng một đèn báo khi đó nạp no một cầu trỡ CC một cụng tắc CT và đèn báo nguồn(ĐB nguồn). H5.10 Sơ đồ bố trớ mặt ngoài tủ H5.11 Sơ đồ đấu nối 2 /Thiết kế mạch điều khiển Sau khi chọn được phương án thiết kế mạch điều khiển như h5.11ta tiến hành thiêt kế mạch in.Các bước làm như sau Lấy tấm phit đồng cắt thành hỡnh chữ nhật cú kớch thứơc 15x17 cm Sau đó in mạch in lờn tấm phớt Đem ngâm vào dung dich FeCl3.Sau 1 thời gian ta được mạch in như h5.12 H5.12 Sơ đồ mạch in Lấy linh kiện lắp lờn mạch in theo như h5.13 H 5.13 Sơ đồ bố trí linh kiện TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Giỏo trỡnh Trang bị điện ôtô Tác giả : Nguyễn Văn Chất 2. Tài liệu hướng dẫn sử dụng ắc quy axit Người biên soạn : Pham Hoàng Kiên 3. Tài liệu hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất Tác giả : Trần Văn Thịnh 4. Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất Tỏc giả : Phạm Quốc Hải 5. Sổ tay linh kiện điện tử Tác giả : Kỹ sư Đoàn Thanh Huệ 6. Khí cụ điện – kết cấu sử dụng và sửa chữa Tác giả : Nguyễn Xuân Phú – Tô Đằng 7. Điện tử công suất – lý thuyết – thiết kế ứng dụng Lê Văn Doanh (chủ biên) Nguyễn Thế Cụng Trần Văn Thịnh 8. Giỏo trỡnh Điện tử công nghiệp Tỏc giả : Vũ Quang Hồi 9. Kỹ thuật điện tử Tác giả : Đỗ Xuân Thụ