Đồ án Mạch nạp Acquy 80A-12V tự động

iện một chiều, bóng đèn, củ tích điện, các mạch điện tử,… Acquy là nguồn cung câp cho các động cơ khởi động. Trong thực tế có nhiều loại acquy nhưng thường gặp nhất là hai loại sau: acquy axit và acquy kiềm. 1.2. Ácquy axít 1.2.1. Cấu tạo của bình ácquy axít Bình acquy thông thường gồm vỏ bình, các bản cực, các tấm ngăn và dung dịch điện phân · Vỏ bình: Vỏ bình acquy axit hiện nay được chế tạo bằng nhựa êbônit hoặc anphantonec hay caosu nhựa cứng. Để tăng độ bền và khả năng chịu axit cho bình, khi chế tạo người ta ép vào bên trong bình một lớp lót chịu axit là polyclovinyl, lớp lót này dày khoảng 0,6mm. Nhờ lớp lót này tuổi thọ của acquy tăng lên từ 2-3 lần. Phía trong vỏ bình tùy theo điện áp danh định của acquy mà chia thành các ngăn riêng biệt và các vách ngăn này được ngăn cách bởi các ngăn kín và chắc. Mỗi ngăn được gọi là một ngăn acquy đơn. Ở đáy các ngăn có các sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống giữa đáy bình và mặt dưới của khối bản cực, nhờ đó mà tránh được hiện tượng chập mạch giữa các bản cực do chất tác dụng bong ra và rơi xuống đáy gây lên. Bên ngoài vỏ bình được đúc hình dạng gân chịu lực để tăng độ bền cơ và có thể được gắn các quai xách để việc di chuyển được đễ dàng hơn. · Bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực: Bản cực gồm cốt hình lưới và chất tác dụng. Cốt đúc bằng hợp kim chì(Pb)- antimion(Sb) với tỷ lệ (87 – 95)%Pb và (5 – 13)%Sb. Phụ gia antimon thêm vào có tác dụng tăng thêm độ cứng, giảm han gỉ và cải thiện tính đúc cho cốt. Cốt để giữ chất tác dụng và phân phối dòng điện khắp bề mặt cực. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với các bản cực dương vì điện trở của chất tác dụng (oxit chì) lớn hơn rất nhiều so với điện trở của chì nguyên chất, do đó càng tăng chiều dày của cốt thì điện trở trong của acquy càng nhỏ. Cốt đúc dạng khung bao quanh, có vấu để hàn nối các bản cực thành phân khối bản cực và có hai chân để tỳ các sống đỡ ở đáy bình acquy. Vì điện cốt của bản cực âm không phải là yếu tố quyết định và chúng cũng ít bị han gỉ nên người ta thường làm mỏng hơn bản cực dương. Đặc biệt là hai tấm bên của phân khối bản cực âm lại càng mỏng vì chúng chỉ làm việc có một phía với các bản cực dương. Chất tác dụng được chế tạo từ bột chì, axit sunfuric đặc và khoảng 3% các muối axit hửu cơ đối với bản cực âm, còn đối với bản cực dương thì chất tác dụng 4 được chế tạo từ các oxit chì Pb3O4, PbO và dung dịch axit sunfuric đặc. Phụ gia muối của axit hữu cơ trong bản cực âm có tác dụng tăng độ xốp, độ bền của chất tác dụng, nhờ đó mà cải thiện được độ thấm sâu của dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực đồng thời điện tích thực tế tham gia phản ứng hóa học cũng được tăng lên Các bản sau khi được chát đày 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 với dòng điện một chiều trị số nhỏ. Sau quá trình như vậy, chất tác dụng ở các bản cực dương hoàn toàn trở thành PbO2 (màu gạch xẫm). Sau đó các bản cực dương được đem ra rửa, sấy khô và lắp ráp. Những phân khối bản cực cùng tên trong một acquy được hàn với nhau tạo thành các khối bản cực và được hàn nối ra các vấu cực làm bằng chì hình côn đẻ nối ra tài tiêu thụ. Với chú ý rằng, nếu ta muốn tăng dung lượng acquy thì ta phải tăng số bản cực mắc song song trong một acquy đơn. Thường người ta lấy từ 5 – 8 tấm. Còn muốn tăng điện áp danh định của acquy thì ta phải tăng số bản cực mắc nối tiếp. · Tấm ngăn: Các bản cực âm và dương được lắp xen kẽ với nhau và cách điện với nhau bởi các tấm ngăn và để đảm bảo cách điện tốt nhất các tấm ngăn được làm rộng hơn so với các bản cực. Các tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cực âm và dương, đồng thời đê đỡ các tấm bản cực khỏi bị bong rơi ra khi sử dụng acquy. Các tấm ngăn ở đây phải là chất cách điện tốt, bền, dẻo, chịu được axit và có độ xốp thích hợp để ngăn cản chất điện phân thấm đến các bản cực. Các tấm ngăn hiện nay được chế tạo từ vật liệu polyvinyl xốp, dày khoảng từ 0,8-1,2mm và có dạng mặt phẳng hướng về phía bản cực âm còn một mặt có dạng sóng hoặc gồ thì hướng về phía bản cực dương nhằm tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển hơn đến các bản cực dương và dung dịch lưu thông tốt hơn. · Dung dịch điện phân Dung dịch điện phân trong bình acquy là loại dung dịch axit sunfuric được pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ quy định tùy thuộc vào điều kiện khí hậu mùa và vật kiệu làm tấm ngăn. Nồng độ dung dịch axit sunfuric g = (1,1 ¸ 1.3)g/cm3 . Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của acquy. Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân. Với các nước ở trong vùng xích đạo nồng độ dung dịch điện phân quy định không quá 1,1 g/cm3 . Với các nước lạnh, nồng độ dung dịch điện phân cho phép tới 1,3 g/cm3 . Trong điều kiện khí hậu ở nước ta thì mùa hè nên chọn nồng độ dung dịch khoàng (1,25-1.26) g/cm3 , mùa đông nên chọn nồng độ khoảng 1,27g/cm3 . Cần nhớ rằng: nồng độ quá cao sẽ làm chóng hỏng tấm ngăn, chóng hỏng bản cực, dễ bị sunfat hóa trong các bản cực nên tuổi thọ của acquy cũng 5 giảm đi rất nhanh. Nồng độ quá thấp thì điện dung và điện áp định mức của acquy giảm và ở các nươc xứ lạnh thì dung dịch vào mùa đông dễ bị đóng băng. * Những chú ý khi pha chế dung dịch điện phân cho acquy : - Không được dùng axit có thành phần tạp chất cao như loại axit kĩ thuật thông thường và nươc không phải là nước cất vì dung dịch như vậy sẽ làm tăng cường độ quá trình tự phóng điện của acquy. - Các dụng cụ pha chế phải làm bằng thủy tinh, sứ hoặc chất dẻo chịu axit. Chúng phải sạch, không chứa các muối khoáng, dầu mỡ hoặc chất bẩn… - Để đảm bảo an toàn trong khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước vào axit đặc mà phải đổ axit vào nước và dùng đãu thủy tinh khuấy đều. · Nắp, nút và cầu nối: Nắp làm bằng nhựa ebonit hoặc bakenit. Nắp có hai loại: - Từng nắp riêng cho mỗi ngăn - Nắp chung cho cả bình – loại này cấu tạo phức tạp nhưng độ kín tốt. Trên nắp có lỗ để đổ dung dịch điện phân vào các tấm ngăn và để kiểm tra mức dung dịch điện phân, nhiệt độ và nồng độ dung dịch trong acquy. Lỗ đổ được đậy kín bằng nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân trong bình khỏi bị bẩn và sánh ra ngoài. Ở nút có lỗ nhỏ để thông khí từ trong bình ra ngoài lúc nạp acquy. Nắp một số loại acquy 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 acquy. Trong trường hợp này, ở nút không chó lỗ thông khí nữa. 1.2.2.Quá trình hóa học trong ácquy axít Trong acquy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch mà đặc trưng là là qua trình nạp và phóng điện. Khi nạp điện, nhờ nguồn điện nạp mà ở mạch ngoài các điện tử chuyển động từ các bản cực dương đến các bản cực âm – đó là dòng điện nạp In. Khi phóng điện, dưới tác dụng của suất điện động riêng của acquy, các điện tử sẽ chuyển động theo hướng ngược lại và tạo thành dòng điện phóng Ip. Khi acquy nạp đã no, chất tác dụng ở các bản cực dương là PbO2 còn tại 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 có dạng tinh thể nhỏ. Khi nạp điện cho acquy sẽ xảy ra phản ứng: - Ở cực dương: +++=+- HSOHPbOOHePbSO 222 42224 (1.1) - Ở cực âm: 424 22 SOHPbHePbSO +=++ + (1.2) - Toàn bộ quá trình xảy ra trong ác quy khi nạp điện là: 6 42224 222 SOHPbOPbOHPbSO ++=+ (1.3) Kết quả là tạo thành một điện cực Pb và một điện cực PbO2. Sự phóng điện của acquy sảy ra khi nối hai điện cực Pb và PbO2 vừa thu được với tải, lúc này hóa năng được dự trữ trong acquy sẽ chuyển thành điện năng. Ở đây các điện cực xảy ra các phản ứng ngược của (1.1) và (1.2), nghĩa là trong acquy sẽ xảy ra phản ứng ngược của (1.3). Acquy sẽ cung cấp dong điện cho đến khi cả hai điện cực trở lại thành PbSO4 nhu ban đầu. Sau đó nếu muốn dùng tiếp thì người ta lại nạp điện cho acquy và cứ thế tiếp diễn. 1.3.Acquy kiềm 1.3.1.Cấu tạo của ácquy kiềm Acquy kiềm là loại acquy mà dung dịch điện phân được dùng trong acquy là dung dịch kiềm KOH hoặc NaOH. Tùy theo cấu tạo của bản cực acquy kiềm được chia làm ba loại: -Loại acquy Sắt (Fe) – Niken (Ni) -Loại acquy Cadimi (Cd) – Niken (Ni) -Loại acquy Bạc Ag) – Kẽm (Zn) Trong ba loại trên thì loại thứ ba có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng lượng và một đơn vị thể tích là lớn hơn, nhưng giá thành của nó lại cao hơn vì phải sử dụng khối lượng bạc chiếm tới 30% khối lượng của chất tác dung, do đó loại này ít được dùng. Acquy kiềm có cấu tạo tương tự acquy axit, tức nó cũng gồm dung dịch điện phân, vỏ bình, các bản cực,… Bản cực của acquy kiềm được chế tạo thành dạng thỏi hoặc không thỏi. Giữa các bản cực được ngăn bởi các tấm ebonit. Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được hàn nối như chùm bản cực của acquy axit để đưa ra các vấu cực cho caquy. Các chùm bản cực được đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa vinhiplat. Loại acquy dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi thỏi là một hộp làm bằng thép lá trên bề mặt có khoan nhiều lỗ: mm3.02.0 ¸=f để cho dung dịch thấm qua. Nếu là acquy sắt – niken thì trong hộp bản cực âm chứa sắt đặc biệt thuần khiết, còn trong bản cực dương là hỗn hợp 75%NiO.OH và 25% bột than hoạt tính. Loại acquy kiềm dùng bản cực không phân thỏi, thì bản cực được chế tạo theo kiểu khung xương, rồi đem các chất tác dụng có cấu trúc xốp mịn để ép vào các lỗ nhỏ trên bản cực. 1.3.2.Quá trình hóa học trong ácquy kiềm Giống như trong acquy axit, quá trình hóa trong acquy kiềm cũng là quá trình thuận nghịch. Nếu bản cực trong acquy kiềm là sắt và niken thì phản ứng hóa học xẩy ra trong acquy như sau: Trên bản cực dương: KOHOHNiOHKOHOHNi +=++ - 32 )()( (1.4) Trên bản cực âm: 7 -++=+ OHKOHFeKOHOHFe 2)( 2 (1.5) Như vậy quá trình nạp điện, sắt hidroxit trên bản cực âm bị phân tích thành sắt nguyên tố và anion -OH . Còn ở bản cực dương, 2)(OHNi được chuyển hóa thành 3)(OHNi . Chất điện phân KOH có thể xem như nó không tham gia vào phản ứng hóa học mà chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, do đó sức điện động của acquy hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân. Sức điện động của acquy chỉ được xác định dựa trên trạng thái của các chất tác dụng ở các tấm cực. Thông thường acquy kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động đạt được khoảng 1,7 đến 1,85V. Khi acquy phóng điện hoàn toàn sức điện động của acquy là 1,2 đến 1,4V. Như vậy điện thế phóng điện của acquy kiềm thấp hơn acquy axit. Nếu ở acquy axit điện thế phóng điện bình quân là 2V thì ở acquy kiềm chỉ là 1,2V. Hiện nay các nhà thiết kế, chế tạo chưa dừng lại ở những kết quả đã đạt được, người ta đã chế tạo được những acquy kiềm mới khá nhỏ và nhẹ, nhưng vẫn có các thông số kĩ thuật của acquy axit. Những acquy đang hướng tới việc thay thế các bản cực bằng những hợp kim có khả năng chống han gỉ, giảm kích thước và tăng tính bền vững. những tạp chất mơi được trộn vào trong chất tác dụng sẽ cải thiện đạc tính phóng điện của acquy đáng kể . Nhiều acquy mới đã không có cầu nối trên nắp và kết cấu vỏ bình cũng thay bằng những vật liệu rất nhẹ nên giảm được chiều dày thành bình, acquy cũng ít phải chăm sóc hơn. 1.4.Sự khác nhau giữa ácquy axít và ácquy kiềm Cả hai loại acquy này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt sau : Acquy axit acquy kiềm - Khả năng quá tải không cao, dòng nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax = 20%C10 _Hiện tượng phòng lớn, do đó ắc qui nhanh hết điện ngay cả khi không sử dụng. _Sử dụng rộng rãi trong đời sống, _Khả năng quá tải rất lớn dòng điện nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới: Inmax = 50%C10 _Hiện tự phóng nhỏ. _Sử dụng ở những nơi có yêu cầu 8 công nghiệp đặc biệt ở những nơi có nhiệt độ cao va đập lớn nhưng công suất và quá tải vừa phải. _Dùng trong ôtô, xe máy và các động cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ. _Giá thành thấp công suất lớn quá tải thường xuyên, được sử dụng với các thiết bị công suất lớn. _Dùng phổ biến trong công nghiệp hàng không, hàng hải và những nơi nhiệt độ môi trường thấp. _Giá thành cao. 1.5.Các thông số cơ bản của ácquy 1.5.1.Sức điện động của ácquy Sức điện động của acquy kiềm và acquy axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm Eo = 0,85 + r ( V ) (1.6) Trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của acquy ( V ) r - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm3 ) ØTrong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của acquy được tính theo công thức: Ep = Up + Ip.rb (1.7) Trong đó : Ep - sức điện động của acquy khi phóng điện ( V ) Ip - dòng điện phóng ( A ) Up - điện áp đo trên các cực của acquy khi phóng điện (V) rb - điện trở trong của acquy khi phóng điện ( W ) ØTrong quá trình nạp điện thì sức điện động En của acquy được tính theo công thức: En = Un - In.rb (1.8) Trong đó : En - sức điện động của acquy khi nạp điện ( V ) In - dòng điện nạp ( A ) Un - điện áp đo trên các cực của acquy khi nạp điện ( V ) rb - điện trở trong của acquy khi nạp điện ( W ) 9 1.5.2.Dung lượng của ácquy -Dung lượng phóng của acquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng điện của acquy 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 acquy 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 ). 1.6.Đặc tính phóng nạp của ácquy 1.6.1.Đặc tính phóng của ácquy Đặc tính phóng của acquy là đồ thị biểu diễn 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 . Hình 1.1: Đặc tính phóng của acqui Từ đặc tính phóng của ắc qui như trên hình vẽ ta có nhận xét sau: Trong khoảng thời gian phóng từ 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 10 hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của acquy ( dòng điện phóng ). Từ thời gian 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 các tinh thể sun phát 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 acquy sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của acquy, các giá trị Ep, Up, r tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc qui. ắc qui không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%. Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức điện động, điện áp của acquy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của acquy. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của acquy (dòng điện phóng và thời gian phóng ). 1.6.2.Đặc tính nạp của ácquy Đặc tính nạp của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi . CP = IP.tP Vïng phãng ®iÖn cho phÐp 20 5 10 1,75 1,95 2,11 I (A) E,U (V) 1064 8 t E UP Kho¶ng nghØ 11 Hinhf1.2: Đặc tính nạp của acqui Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau : Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì 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 (còn gọi là hiện tượng" sôi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của acquy đơn tăng đến 2,4 V . Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của acquy. Trong sử dụng thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ 2 ¸ 3 h trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của acquy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi . Như vậy dung lượng thu được khi acquy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no acquy. Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của acquy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của acquy sau khi nạp. Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của acquy. Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C10 . Trong đó C10 là dung lượng của acquy mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In = 0,1C10 thì sau 10 giờ acquy sẽ đầy. Ví dụ với acquy C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung lượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ acquy sẽ đầy. 12 1.7.Các phương pháp nạp ácquy tự động 1.7.1.Phương pháp nạp dòng điện Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại acquy, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho acquy hoặc nạp sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá. Với phương pháp này acquy được mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện : Un ³ 2,7.Naq (1.9) Trong đó: Un - điện áp nạp Naq - số ngăn acquy đơn mắc trong mạch Trong quá trình nạp sức điện động của acquy 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 : n aqn I N0,2U R - = (1.10) Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các acquy 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 ¸ 0,6 )C10 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 0,1C10 _ Phương pháp nạp dòng điện A V _ + A . . . . . . . . A _ _ + + D D R R Un + 13 1.7.2.Phương pháp nạp điện áp Phương pháp này yêu cầu các acquy được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3V ¸ 2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên dùng phương pháp này acquy không được nạp no. Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho acquy trong quá trình sử dụng. 1.7.3.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. Phương pháp nạp dòng áp D VR Un A _ _ + _ + _ A ... + +... ... Un A V 14 Đối với yêu cầu của đề bài là nạp acquy 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 acquy là phương pháp dòng áp. Đối với acquy axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoản thời gian tn = 8h tương ứng với 75¸80 % dung lượng acquy ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1C10. Vì theo đặc tính nạp của acquy 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 8h acquy bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10h thì acquy bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 đến 3h. Đối với acquy kiềm : Trình tự nạp cũng giống như acquy axit nhưng do khả năng quá tải của acquy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In=0,2C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5C10 . Các quá trình nạp ắc qui 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 qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không. 15 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT 2.1.Các mạch chỉnh lưu 2.1.1.Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha t t t t UG a a a aG1 G2 G3 G1 U dU I T1 I T2 I T3 I d t0 1t 2t 3t 4t 0 P 2P 3P t t t Hình 2.1: Sơ đồ và dạng điện áp mạch chỉnh lưu hình tia ba pha a.Nguyên lý hoạt động: t0 ¸ t1 : T3 thông Ud = Uc , Id = IT3 . t1 ¸ t2 : T1 thông Ud = Ua , Id = IT1 . t2 ¸ t3 : T2 thông Ud = Ub , Id = IT2 . t3 ¸ t4 : T3 thông Ud = Uc , Id = IT3 . b.Các công thức cơ bản: - Điện áp trên tải Ud = p2 1 )( 2 0 )( td dtUò p = p2 3 )(2 6 5 6 )sin(..2 tdtUò + + a p p a = a p cos.3. 2 23 2U = a p cos 2 63 2U - Dòng điện trên tải: d d d R U I = - Dồng điện qua van: 3 d T II = 16 - Giá trị trung bình của điện áp chỉn lưu: 20 17,1 UU d = - Điện áp ngược trên van: 245,2 UU ng = - Dòng điện phía thứ cấp: I2 = 0,58Id - Dòng điện phía sơ cấp:I1 = 0,47Id.Kba - Công suất tải: Pd = Ud0.Id - Công suất máy biến áp: Sba = 1,35Pd Nhận xét: Mạch chỉnh lưu có điều khiển tia 3F có cấu tạo phức tạp, muốn mạch hoạt động được cần mắc biến áp để đưa điểm trung tính ra tải, mỗi van chỉ làm việc trong 1/3 chu kỳ vì vậy dòng điện trung bình chạy qua van nhỏ. Mạch dùng nguồn 3F nên công suất tăng lên rất nhiều, dòng điện tải đến vài trăm ampe. 2.1.2.Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu ba pha đối xứng 17 T 1 T 3 T 5 T1 T 6 T 2 T 4 T 6 T 2 IT1 T4I T1I T6IT3IT6I T2I T5I T2IIT5 t t t t t t t t t t t t GU U Ud I T2,T5 Ung T3,T6I T1,T4I I d t G1U UG2 UG3 UG4 UG5 UG6 Hình 2.2: Sơ đồ và dạng điện áp chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng a.Nguyên lý hoạt động. Mỗi Tiristor được phát 2 xung điều khiển. - Xung thứ nhất xác địnhgóc mở . - Xung thứ 2 đảm bảo thông mạch tải. b.Một số công thức cơ bản. -Điện áp trên tải: U d = U d0cosa = 2,34U 2cosa . -Dòng điện trên tải: I d = U d I d . -Dòng điện trung bình qua van: I T = I d 3 . -Điện áp ngược đặt lên van: U ng =2,45U 2 -Dòng điện phía thứ cấp: I 2 = 0,816I d . -Dòng điện phía sơ cấp: I 1 = 0,816I d.K ba . 18 -Công suất máy biến áp: S ba = 1,05P d . -Công suất tải: P d = U doI o . Nhận xét: Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3F thường được sử dụng rộng rãi trong thực tế, mạch cho ra chất lượng điện áp bằng phảng, dòng điện chạy qua tải liên tục trong suốt quá trình làm việc. Mạch chỉnh lưu này thường được áp dụng với những mạch có công suất lớn vì dòng điện chạy qua mỗi van chỉ chỉ chạy trong 1/3 chu kỳ. 2.1.3.Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu ba pha không đối xứng -Một số công thức cơ bản: -Điện áp trên tải: )cos1( 2 63 2 a p += UU d . -Dòng điện trên tải: I d = U d I d . -Dòng điện trung bình qua van: I T = I d 3 . -Điện áp ngược đặt lên van: U ng =2,45U 2 -Công suất máy biến áp: S ba = 1,05P d . -Công suất tải: P d = U doI o 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. 19 Hình 2.3: Sơ đồ và dạng điện áp chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng 20 2.1.4.Mạch chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng Hình 2.4: Sơ đồ và dạng điện áp chỉnh lưu cầu một 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 : a+p=l D Góc dẫn của Tiristor là : a-p=l T Giá trị trung bình của điện áp tải: ò p a a+ p =qq p = )cos1(U2dsinU21U 22d p = 2maxd U22U Do đó : V UU d 72 22 8,64. 22 max 2 === pp Giá trị trung bình của dòng tải : t d d Z UI = Dòng qua Tiristor: p a-p =q p = ò p a 2 IdI 2 1I ddT Dòng qua Điốt: 21 ò a+p a p a+p =q p = 2 IdI 2 1I ddD Giá trị hiệu dụng của dòng chạy qua sơ cấp máy biến áp: p a -=q p = ò p a 1IdI 1I d 2 d2 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. 2.2.Chọn mạch chình lưu phù hợp - Cả hai phương án dùng sơ đồ chỉnh lưu đối xứng cầu ba pha và chỉnh lưu không đối xứng cầu ba pha 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: ØHiệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ như cầu 1 pha đối xứng. ØĐơn 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. ØCùng một dải điều chỉnh điện áp một chiều thì cầu không đối xứng điều khiển chính xác hơn. 2.3.Tính toán các thông số với mạch đã chọn Qua phân tích trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng dùng cho mạch lực mạch nạp ắc qui tự động . Phương án này vừa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật vừa bảo đảm cho việc thiết kế. Như đã phân tích ở trên: Ta chọn phương án thiết kế cho mạch nạp ắc qui là sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng. Có sơ đồ nguyên lý mạch lực như sau : Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch lực 22 v Số liệu cho trước: Điện áp nguồn 3 pha : 220/380V ; f = 50 Hz Yêu cầu đầu ra (Nguồn một chiều tự động nạp acquy ): U dmax = 16.2V I dmax = 80A v Số liệu tính toán và chọn lựa van. Từ yêu cầu của đề bài ta có: - Điện áp thứ cấp của biến áp: Từ công thức: U d = 2U 2 p .( 1 + cosa ) Điện áp U d đạt max khi góc a = 0. Þ U 2 = U d.p 2 2 = 16,2.p 2 2 ≈ 18V - Dòng điện trung bình chảy qua van: I v = I dmax 2 = 80 2 = 40A - Điện áp ngược đặt lên van là: U ng = 2.U 2 = 2.18 ≈ 25.5V Chọn van Để đảm bảo cho các van hoạt động tốt chúng ta chọn van phải có hệ số dự trữ về điện áp: k u = 1,6 , hệ số dự trữ về dòng điện: k i = 1,2. Do vậy: - Chúng ta chọn van chịu được điện áp ngược U ng = 25,5.1,6 = 40,8V - Dòng điện trung bình chảy qua van là: I v = 40.1,2 = 48A v Với các thông số về dòng điện, điện áp như trên ta tiến hành tra sổ tay chọn được các van như sau: - Chọn Tiristor loại : TЧ-50 – Do Liên Xô (cũ) chế tạo: Sách “Điện tử công suất” của Nguyễn Bính, Bảng 1.3, tr 28 có các thông số như sau: 23 + Dòng điện trung bình qua van: I tb=50A. + Điện áp ngược cực đại đặt nên van: U ng=0,1¸1kV. + Tổn thất điện áp: DU = 1,3V. + Thời gian khóa: t off = 10,5ms. + Tốc độ tăng điện áp: d u d t = 100V/ms + Tốc độ tăng dòng điện: d i d t = 100A/ms + Dòng điện điều khiển: I g = 0,9A. + Điện áp điều khiển: U g = 3V - Chọn Diot loại: B-50 – Do Liên Xô (cũ) chế tạo: Sách “Điện tử công suất” của Nguyễn Bính, Bảng 1.1, tr 8 có các thông số như sau: + Dòng điện trung bình qua van: I tb=50A. + Điện áp ngược cực đại đặt nên van: U ng=0,1¸1kV. + Tổn thất điện áp: DU = 0,7V. 2.4.Mạch bảo vệ Tiristor. Tiristor và Diôt cũng rất nhậy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp, vì vậy cần mắc thêm mạch bảo vệ quá điện áp. Người ta chia ra 2 loại nguyên nhân gây nên quá điện áp: -Nguyên nhân nội tại: đấy là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khoá Tiristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược hành trình, tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm, luôn luôn có, của đường dây nguồn dẫn đến các Tiristor. Vì vậy giữa các anôt và catôt của Tiristor xuất hiện quá điện áp. -Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi cắt đóng tải một máy biến áp trên đường dây, khi một cầu chì bảo vệ chảy, khi có sấm sét… Để bảo vệ mạch quá áp người ta thường dùng mạch L – C, (xem hình bên dưới): 24 Hình 2.6: Mạch bảo vệ Tiristor Mạch R – C đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên Mạch R – C đấu giữa các pha thứ cấp của máy biến áp là bảo vệ quá điện áp do đóng cắt tải ( dòng điện từ hóa ) máy biến áp gây nên. Thông số của R – C phụ thuộc ào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng điện chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện từ hoá máy biến áp .v.v… v Theo kinh nghiệm đã có ta chọn: C = 0.22 mF R = 50 W 2.5.Tính toán máy biến áp - Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp: U 2 = 1,11.U dmax ≈ 18V I 2 = 1,11I dmax ≈ 89A - Công suất biểu kiến máy biến áp: S 2 = U 2.I 2 = 18.89 = 1602VA. -Chọn mạch từ 3 trụ , tiết diện tính theo công thức: 25 Q = K S 2 Cf . Trong đó : C - Số trụ mạch từ. f - Tần số nguồn. K = 5 ¸ 6 Q = 5. 16025.50 ≈ 13cm 2 . Đường kính trụ : d = 4Q p = 4.13 p ≈ 4cm. Chọn lõi thép có tiết diện 13 cm2 làm bằng vật liệu sắt từ dày 0,2mm, lá thép dập hình chũ E và chữ I ghép lại. Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B T = 1,1T Chọn chỉ số m = hd = 2,3 Þ h = m.d = 2,3.4 = 9,2cm. Chọn chiều cao trụ h = 9cm. Tính toán dây quấn: Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp: W 1 = U 1 4,44.f.Q.B T = 2204,44.50.13.10-4 .1,1 = 693 vòng Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp: W 2 = U 2 U 1 W 1 = 18 220693 = 57 vòng. Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp: J 1 = J 2 = 2,75 A/mm2 Dòng điện sơ cấp của máy biến áp là: I 1 = U 2I 2 U 1 = 18.89220 =7.28A Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp: S 1 = I 1 J 1 = 7,282,75 = 2.65mm 2 Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp: 26 S 2 = I 2 J 2 = 892,75 = 32,36mm 2 . Đường kính dây quấn sơ cấp: d 1 = 4S 1 p = 4.2,65 p = 1,84mm Đường kính dây quấn thứ cấp: d 2 = 4S 2 p = 4.32,36 p = 6,42mm Theo sách điện tử công suất ta chọn dây tiết diện tròn như sau: d 1 = 1,81 mm ; 22,9 gam/m d 2 = 7 mm ; 220gam/m 27 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1.Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển 3.1.1.Mục đích và yêu cầu -Muốn Tiristor mở cho dòng chạy qua thì phải có điện áp dương đặt trên anot và phải có xung áp dương đặt nên cực điều khiển. Sau khi Tiristir mở yhif xung điều khiển không còn tác dụng, lúc này dòng điện chạy qua Tiristor do thông số mạch động lực quyết định. Chức năng của mạch điều khiển: -Điều khiển được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt nên anot-catot của Tiristor. -Tạo được các xung có đủ điều kiện mở được Tiristor, xung điều khiển thường có biên độ từ 2V đến 10V, độ rộng xung tx=20÷100µs đối với thiết bị chỉnh lưu. Độ rộng xung xác định theo biều thức: tx= Trong đó: Idt : Dòng duy trì của Tiristor. : Tốc độ tăng trưởng của dòng tải. Mối quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu với việc thay đổi góc mở α Uc l=Uocosα Trong đó: -Uc l : Điện áp sau chỉnh lưu. -Uo : Điện áp chỉnh lưu lớn nhất khi góc mở α=0 Các yêu cầu đối với xung điều khiển : -Phát xung điều khiển chính xác đúng thời điểm do người thiết kế tính toán. -Các xung điều khiền phải đủ lớn về biên độ và độ rộng để có thể mở được các van -Các xung điều khiển phải có tính đối xứng cao, đảm bảo được phạm vi điều chỉnh góc mở. -Có khả năng chống nhiễu, tác động nhanh. -Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện dao động cả về biên độ và tần số. Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện tải và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá tải hay ngắn mạch. 28 3.1.2.Nguyên tắc điều khiển Người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển để thay đổi góc mở α của các Tiristor là: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. a.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính. Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp: -Điện áp đồng bộ, kí hiệu là Ur có dạng răng cưa, đồng bộ với diện áp đặt yteen anot-catot của Tiristor. -Điện áp điều khiển, kí hiệu là Uc , là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ. Hình 3.1: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Tổng đại số 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 chình góc mở α. Khi: Uc = 0 ta có α = 0 Uc 0 Quan hệ giữa α và Uc được biểu diễn qua công thức sau: α=p Người ta thường lấy Urmax = Ucmax . b.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. 29 Theo nguyên tắc này người ta cũng dùng hai điện áp: -Điện áp điều khiển Uc là điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ theo cả hai hướng ( âm và dương). -Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp anot-catot của Tiristor một gó bằng p/2 (nếu uAK=Asinωt thì ur=Bsinωt). Hình 3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anot-catot của Tiristor. Từ điện áp này người ta tạo ra ur . Tổng đại số ur+uc được đưa tới đầu vào của khâu so sánh. Khi ur+uc=0 thì ta nhận được được một xung đầu ra của khâu so sánh. uc+Bcosα=0 Do α=arccos Người ta lấy B = Ucmax Khi uc = 0 thì α = p/2 Khi uc = UCmax thì α = p Khi uc = -UCmax thì α = 0 Như vậy khi α biến thiên từ -UCmax đến +UCmax thì α biến thiên từ 0 đến p. 30 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos” được sử dụng trong các thiết bị biến đổi đòi hỏi chất lượng cao. 3.2.Các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch. - Toàn bộ mạch điện phải dùng 2 cổng AND nên ta chọn một con IC 7415. Mỗi con IC7415 có 3 cổng AND. Hình 3.3: Sơ đồ chân IC7415. -Ta dùng một con HCF4066 phục vụ cho việc chuyển mạch nạp: Hinh 3.4: Sơ đồ chân IC HCF4066 *Thông số của HCF4066: Điện áp nguồn nuôi : VDD = -0,5÷18 (V) chọn VDD = +12 (V) Điện áp đầu vào: VIN = -0,5÷VDD+0,5(V) Nhiệt độ làm việc : T = -40¸ 850 C Công suất tiêu thụ: P = 200 (mW) = 0,2 (W) -Ta sử dụng một con IC 7404 có sơ đồ chân như sau: Vcc Gnd 31 Hình 3.5: Sơ đồ chân IC7404 - Mạch sử dụng 11 khuyếch đại thuật toán (OA1→OA11) do vậy chúng ta cần 3 con IC TL084. mỗi con có sơ đồ bố trí chân như hình bên dưới: Hình 3.6: Sơ đồchân ICTL084. *Thông số của TL084 : Điện áp nguồn nuôi : Vcc = ± 18 (V) chọn Vcc = ± 12 (V) Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: ± 30 (V) Nhiệt độ làm việc : T = -25¸ 850 C Công suất tiêu thụ: P = 680 (mW) = 0,68 (W) Tổng trở đầu vào : Rin= 106 ( MW) Dòng điện đầu ra : Ira = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/ms). 32 3.3.Sơ đồ khối và chức năng 3.3.1.Khâu đồng pha. D2 R2 D3 Ung 1 Hình 3.7: Sơ đồ khối đồng pha. Tín hiệu đồng bộ có thể lấy từ biến áp lực cũng có thể lấy từ một biến áp khác. Do trong mạch điều khiển có nhiều khâu sử dụng nguồn điện áp thấp nên chúng ta dùng một biến áp có quấn nhiều cuộn dây thứ cấp, mỗi cuộn có một chức năng riêng biệt, trong đó sử dụng cuộn có điện áp 0V-12V-24V dùng cho khâu đồng bộ. Mạch tạo xung đồng bộ được lấy từ điện áp lưới U = 220V, f=50Hz, trùng pha với điện áp đặt nên cuộn sơ cấp của biến áp động lực. Hai điôt D2 và D3 làm nhiệm vụ chỉnh lưu tạo ra tín hiệu U1 làm ngưỡng để so sánh với tín hiệu một chiều. Ta chọn 2 điôt D1 và D2 là điôt IN4004. 3.3.2 Khối tạo xung đồng bộ. OA2 R4 R3 R5 +E _ + D11 2 U0 1 Hình3.8: Khối tạo xung đồng bộ. U2 t t Urss Uo U t 33 Điện áp U1 được so sánh với điện áp U0 để tạo ra các tín hiệu tương ứng với thời điểm điện áp nguồn đi qua điểm không. U0 càng nhỏ thì xung U2 càng hẹp và phạm vi điều chỉnh càng lớn lựa chọn αmax = 1750 thì U0 = 02 5sin2U (4.1) Từ phương trình 4.1 ta có 0U = V48,1087,0.12.25sin.12.2 0 == . Ta có 434 0 RR E R U + = 443 12)(48,1 RRR =+Þ 43 52,1048,1 RR =Þ 1,7 4 3 =Þ R R Để tổn thất trên điện trở nhỏ chúng ta chọn R4 = 4,7KΩ, R3 = 33KΩ,R5= 2,2KΩ 3.3.3.Khối tạo điện áp răng cưa. Hình 3.9: Khối tạo xung răng cưa. Nguyên lý cơ bản của khâu này là dùng mạch tích phân và khóa điện tử T1, T1 là transitor ngược C828 (có thông số:30V 0,05A 0,25W). Khi U2=0,T1 khóa, tụ C1 được nạp bởi dòng điện: -Tại thời điểm điện áp U2 chuyển từ 1→0 tụ C1 phóng hết điện (UC1=0) và bắt đầu được nạp điện. Khi U2 chuyển từ 0→1 transitor T1 thông, C1 bắt đầu phóng điện cho tới khi điện áp U2 chuyển từ 1→0. Tụ C1 phóng điện trong suốt độ rộng của xung. Khi U2 chuyển trạng thái từ 0→1 tụ C1 được nạp điện trở lại. 434 1248,1 RRR + =Þ 34 -Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1, 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 = R6. C1 = 0,005 (s) Chọn tụ C1 = 0,1 (mF) th́ điện trở R6 36 1 10.50 10.1,0 005,0 === -C Tr Ω Vậy: R3 = 50 kW . R7=10 kΩ. 3.3.4.Khối phản hồi dòng điện. Hinh 3.10: Khối phản hồi dòng điện. Điện áp phản hồi được lấy trên điện trở Rs của mạch lực. Tín hiệu qua khuếch đại thuật toán OA6 được lật trạng thái, sau đó được cộng với tín hiệu chủ đạo lấy trên chiết áp VR1 U4 = Ufh1 + Ucd1 (Ucd1 lấy trên triết áp VR1). Ban đầu khi chưa nối tải vào mạch, điện áp của bộ chỉnh lưu là Ud=U0, dòng điện Id=0. Khi nối tải vào mạch, dòng điện sẽ tăng lên, do nội trở của acqui nhỏ nên dòng điện sẽ tăng lên rất lớn làm giảm tuổi thọ của acqui. Để hạn trế tốc độ tăng của dòng điện chúng ta sử dụng khâu phản hồi dòng điện luôn luôn ổn định ở giá trị đặt. Khi bắt đầu nạp dòng điện trong mạch tăng lên, làm cho điện áp lấy trên điện trở RS tăng lên, điện áp U4 tăng, qua khuếch đại thuật toán OA7 tín hiệu được lật trạng thái, điện áp U5 tăng, Udk tăng. Điện áp điều khiển tăng, làm tăng góc mở α. Do đó điện áp trên mạch lực giảm xuống, điện áp giảm làm cho dòng điện giảm xuống bằng giá trị đặt chính là dòng điện nạp cho acqui. Ngược lại khi dòng điện trong mạch lực giảm xuống, thì sẽ làm cho điện áp điều khiển giảm, góc mở α tăng lên, điện áp trên mạch lực tăng lên dẫn đến dòng điện nạp tăng tới giá trị đặt. 35 3.3.5.Khối phản hồi điện áp. Hình 3.11: Khối phản hồi điện áp. Tín hiệu phản hồi điện áp được lấy trên điện trở phản hồi Rf . Khuếch đại thuật toán OA8 đóng vai trò là khâu lặp tín hiệu, với hệ số khuếch đại là . Mạch phản hồi điện áp làm nhiệm vụ ổn định điện áp khi dung lượng acqui đã đạt tới 80% định mức. Biến trở VR2 là biến trở lấy điện áp chủ đạo, Ucd nạp lớn nhất khi mỗi ngăn acqui đạt tới 2,7V. UdkU = U7 = UphU - Ucd Ucd : Điện áp chủ đạo lấy trên biến trở VR2. UphU : Điện áp tại đầu ra của khuếch đại thuật toán OA8 (U6). Khi điện áp nạp tăng lên lớn hơn giá trị điện áp đặt cho mỗi ngăn acqui đơn là 2,7V làm cho Uf tăng, UfhU tăng, làm cho UdkU tăng lên. Điên áp điều khiển tăng làm cho góc mở α tăng, do vậy điện áp acqui giảm xuống bằng giá trị đặt. 3.3.6.Khối chuyển mạch nạp. Hình 3.12: Khối chuyển mạch nạp. 36 Khi dung lượng của acqui đạt tới 80% giá trị định mức mạch sẽ tự động chuyển từ chế độ nạp dòng điện sang chế độ nạp bằng điện áp. Biến trở VR3 là biến trở đặt giá trị chủ đạo, tương ứng với điện áp trên mỗi ngăn acqui là 2,4V. Khi điện áp cho mỗi ngăn acqui dưới 2,4V, điện áp U6 nhỏ hơn điện áp chủ đạo lấy trên biến trở VR3, điện áp tại đầu ra của khuếch đại thuật toán OA10 (U8) âm. Tín hiệu này khóa chế độ nạp áp và cho chế độ nạp dòng hoạt động. Khi điện áp trên mỗi ngăn acqui đạt tới giá trị 2,7V , thì điện áp U6 lớn hơn điện áp lấy trên biến trở VR3, điện áp tại đầu ra của khuếch đại thuật toán OA10 chuyển trạng thái (0→1). Tín hiệu này làm mở chế độ nạp bằng điện áp đồng thời qua phần tử đảo khóa chế độ nạp bằng dòng điện. 3.3.7.Khối tạo xung chùm. Hình 3.13: Khối tạo xung chùm. Bộ OA11 là một đa hài dao động tạo ra các xung vuông có tần số cao lặp đi lặp lại theo chu kỳ, với mục đích làm giảm kích thước của máy biến áp xung. Tụ điện C2 và biến trở VR tạo thành mạch tích phân. Mạch R28 và R29 là mạch phản hồi. Nguyên lý làm việc của mạch như sau: giả sử tại thời điểm 0 điện áp điện áp ra của khuếch đại thuật toán đạt giá trị cực đại Ur ≈ +E. thông qua mạch phản hồi R28, R29 đầu vào “+” của khuếch đại thuật toán sẽ có tín hiệu phản hồi duy trì khuếch đại thuật toán nằm ở chế đọ bão hòa dương. Lúc này tụ C2 được nạp thông qua điện trở R2. Khi t=tt , điện áp UC đạt giá trị U0 , khuếch đại thuật toán lật trạng thái và Ur = -Urmax ≈ -E. Điện áp trên tụ C2 không thể thay đổi giá trị đột ngột và lúc này tụ C2 lại phóng điện qua R1. 37 Ở thời điểm t = t2, khi 28 2928 0 RRR EUU C + -=-= , khuyếch đại thuật toán lật trạng thái Ur = Urmax ≈ +E và sau đó quá trình lại được lặp lại. Thời gian nạp của tụ C2 là: Tnap = 1,1C2R2 . Thời gian phóng của tụ là: Tphong = 1,1C2R1 . Nếu chọn thời gian phóng bằng thời gian nạp thì R1=R2 = VR/2 Mạch tạo chùm xung có tần số f= 1/2fx = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T= 1/f = Tnap+Tphong = 333 (ms) Chọn R1= R2 = VR/2 thì T= 1,1 VR.C2 = 333 (ms) vậy : VR. C2 = 302,73 (ms) Chọn tụ C2 = 0,1mF có điện áp U = 16 (V) ; VR= 3027,3 (W). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn VR là biến trở 3 KW. 3.3.8. Khối khuyếch đại xung và biến áp xung. Hình3.14: Khối khuyếch đại xung và biến áp xung. Tính BAX Theo phần tính toán ở mạch lực ta chọn van Tiristor loại 25RIA102M. Van có các thông số: Ug = 3 V Ig = 0,9A Giá trị này là giá trị dòng và áp ở thứ cấp máy biến áp. Chọn vật liệu sắt từ í 330, lõi sắt từ có dạng hình chữ ỉ làm trên một phần tử của đặc tính từ hoá ΔB = 0,7 Tesla, ΔH = 50 A/m, có khe hở. + Chọn tỷ số của máy biến áp: m = 3. + Điện áp cuộn thứ cấp BAX U2 = Uđk = 3V + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp BAX : U1 = m.U2 = 3.3 = 9V + Dòng điện thứ cấp BAX: 38 I2 = Iđk = 0,9 A + Dòng điện sơ cấp BAX: 2 1 0.9 0.3 3 II m = = = + Độ từ thẩm của lõi sắt từ: mtb = H B D D 0m = 50.10 7,0 6- = 14.10 3 mF + Vì mạch có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình. Sơ bộ chọn: chiều dài trung bình của đường sức l = 0,1mm, khe hở lkh = 10-5m. 3 3 5 10.8,5 10.14 1,010 1,0 1 = + = + = - m m kh tb l l Thể tích lõi sắt từ: 2 11x0 ...S.t. B IUV tb D = mm Trong đó : - mtb : độ từ thẩm trung bình của lõi sắt - m0 : độ từ thẩm của không khí - tx : chiều dài xung truyền qua BAX có giá trị từ 10 ¸ 600 ms, ở đây chọn tx = 100 ms - Sx : độ sụt biên độ xung lấy Sx = 0,15 - U1 : điện áp sơ cấp - I1 : dòng điện sơ cấp Thay số vào ta được : 3 6 6 6 3 2 5,8.10 .10 .100.10 .0,15.9.0,3 0.479.10 0,7 V m - - -= = - Chọn mạch từ có thể tính V = 1,4 cm3 với thể tích đó ta có các kích thước mạch từ: a = 4,5 mm b = 6 mm d = 12 mm D = 21 mm Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 Chiều dài trung bình mạch từ : l = 5,2 cm Số vòng quấn dây sơ cấp BAX: - Theo luật cảm ứng điện từ : w1 = kQB tU x .. .1 D (với k = 0,76 là hệ số chất đầy). 6 1 6 9.100.10W 63 0,7.27.10 .0,76 - -= = - Số vòng dây thứ cấp : 39 2 2 W 63W 21 3 3 = = = - Tiết diện dây quấn thứ cấp 1 1 1 IS J = - Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm2 2 1 0,3 0,05 6 S mm= = Đường kính dây quấn sơ cấp : 1 1 4 4.0,05 0,25Sd mm p p = = = Chọn dây dẫn có tiết diện tròn ( Bảng II.3 - ĐTCS - Nguyễn Bính). Tiết diện S1 =0,04909(mm 2 ), đường kính d1 = 0,25(mm), trọng lượng 0,439gam/m, trở suất 0,366 ohm/m. Tiết diện dây quấn thứ cấp: 22 2 2 0,9 0,18 5 IS mm J = = = Chọn mật độ dòng điện J2 = 5 A/mm2 - Đường kính dây quấn thứ cấp: 2 2 4 4.0,18 0, 4787Sd mm p p = = Chọn dây dẫn có tiết diện tròn ( Bảng II.3 - ĐTCS – Nguyễn Bính). Tiết diện S2 = 0,1886 (mm 2 ), đường kính d2 =0,49(mm), trọng lượng 1,68gam/m, trở suất 0,0914 ohm/m. - Kiểm tra hệ số lấp đầy: 2 2 2 2 1 1 2 2 1 1 2 2 d 2 2 2 w w w w 0,25 .63 0,49 .21 0,06 12 4 l S S d dk d dp + + + = = = = klđ =0,06 < 1:như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. Tính toán khâu KĐ cuối cùng T1, T2: chọn transistor công suất loại 2SC911 làm việc ở chế độ xung có các thông số: + Transistor loại npn, vật liệu bán dẫn là Si + Điện áp giữa collector và bazơ là khi hở mạch Emito : UCB0 = 40 V + Điện áp giữa Emito và Bazơ khi hở mạch Colecto : UEB0 = 4 V + Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng được : ICmax = 500 mA + Công suất tiêu tán ở Colecto : PC = 1,7 W + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 =1750 C. + Hệ số khuyếch đại b = 50. + Dòng điện làm việc của colecto IC=I1=50 mA. 40 +Dòng điện làm việc của Bazo IB = )mA( IC 1 50 503 == b Ta thấy rằng loại thyristor đã chọn có : + điện áp điều khiển Uđk=3V + dòng điều khiển Iđk= 0.9A. Ta có: 1 0,3cI I A= = Vậy thì: 30.3 6.10 ( ) 6( ) 50 C B II A mA b -= = = = Ta chọn: 132 34 1 12 9R R 10 0.3 E U I + - - = = = = W 31 33 3 5 694.44 . 1,2.6.10 v B UR R k I - = = = = W Trong đó : k: Là hệ số dự trữ, chọn k=1,2 Uv : Là điện áp ra của 7415 chọn là 5V Vậy để thuận tiện cho việc mua linh kiện ta chon R31 và R33 là 700Ω Tất cả các điôt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có các tham số: - Dòng điện định mức : Iđm = 10 (mA) - Điện áp ngược lớn nhất : Ung = 25 (V) - Điện áp để cho Diot mở thông : Um =1(V) 3.4. Mạch điều khiển -Xem hình đính kèm- 41 3.4.1.Dạng điện áp U12 U11 U10 U9 U14 U13 U®k 0 2P P 2P 3P t U Uo Urss t t U2 U3 t t t t t t t Hình 3.15: Dạng điện áp ra của mạc điều khiển. 3.4.2.Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Tín hiệu xoay chiều được chỉnh lưu bởi 2 diôt D11, D12, sẽ được so sánh với điện áp U0 để tạo ra tín hiệu đồng bộ U2 trùng với thời điểm điện áp lưới đi qua điểm 0. Tín hiệu đồng bộ này sẽ mở khoá điện tử bóng thường Q1 để giảm điện áp trên tụ về 0, tụ C1 được nạp điện theo công thức UC = E.t/R7 và ở đầu ra của khuyếch đại thuật toán OA2 sẽ có tín hiệu răng cưa. Sau đó tín hiệu này được so sánh với tín hiệu điều khiển nhờ bộ so sánh bằng khuyếch đại thuật toán OA3. Bộ OA11 là một đa hài dao động xung có tần số cao U9 với mục đích giảm kích thước của máy biến áp xung. Tín hiệu cao tần trộn lẫn với tín hiệu điều khiển U12 cùng các tín hiệu phân phối U10, U11 thành tín hiệu U14, U13. Những tín hiệu này được khuyếch đại thông qua máy biến áp xung đưa trực tiếp cực điều khiển của Tiristo. 3.5.Khối nguồn nuôi mạch điều khiển Biến áp nguồn nuôi và biến áp đồng pha dùng chung cuộn sơ cấp. Do đó ta sử dụng một máy biến áp với một cuộn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp, mỗi cuộn thực hiện một chức năng riêng. Cuộn 0V-12V-24V sử 42 dụng làm cuộm đồng pha với tín hiệu nguồn, cuộn 0V-18V-36V sử dụng làm nguồn nuôi mạch điều khiển. D1 7812 7912 D1 D1 D1 C2 C1 C3 C4 +12V -12V Hình 3.16: Khối nguồn nuôi mạch điều khiển. - Các linh kiện sử dụng trong mạch: + Chỉnh lưu cầu 5A. + Tụ lọc nguồn trước và sau ổn áp C1 = C2 = C3 = C4 =220µF/50V. + Vi mạch ổn áp 78L12, 79L12 là loại vi mạch ổn áp có công suất nhỏ. Dòng điện tải không vượt quá 100mA. Chúng được bao gói dưới 2 dạng: vỏ sắt lý hiệu bằng chữ H, vỏ bằng chất dẻo ký hiệu bằng chữ Z. Tính toán máy biến áp nguồn: 78L V CC R 79L V CC R Hình 3.17:Sơ đồ bố trí chân. 43 Ung U22 U21 U23 U24 0V 12V 24V 0V 18V 36V - Khối nguồn ±12 cấp cho khuyếch đại thuật toán, I1 = 500mA. Þ Công suất của nguồn nuôi là: P1 =U1.I1 = 36.0,5 = 18W - Khối nguồn đồng pha 0V – 12V – 24V, I2 = 500mA. Þ Công suất của nguồn đồng pha là: P2 =U2.I2 = 24.0,5 = 12W - Công suất của máy biến áp là: P = P1 + P2 =18 +12 = 30W - Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: A U PI 136,0 220 30 1 1 === - Tiết diện lõi thép mạch từ: 222,0 30 2,1 cm P kS === Ta chọn lõi thép có tiết diện S = 0,92cm2, làm bằng thép kỹ thuật điện dày 0,2mm, gồm các lá thép hình chữ ỉ và chữ I ghép lại với nhau: Theo công thức kinh nghiêm chúng ta tính số vòng/vôn: S kn =0 (với k = 40÷60 là hệ số của máy biến áp, lấy k = 50) 54 92,0 50 0 ==Þ n vòng/vôn. - Số vòng dây cuộn sơ cấp là: W1 = n0.U1 = 54.220 = 11880 vòng. - Số vòng dây cuộn thứ cấp là: Cuộn 12V: W21 = W22 = n0.U = 54.12 = 648 vòng. Cuộn 18V: W23 = W24 = n0.U = 54.18 = 972 vòng. - Dòng điện trong các cuộn thứ cấp: AI W WI W WII 5,2136,0. 648 11880.. 1 22 1 1 21 1 2221 ===== AI W WI W WII 66,1136,0. 972 11880.. 1 24 1 1 23 1 2423 ===== - Tiết diện dây quấn: 44 + Cuộn sơ cấp: 211 272,05 36,1 mm J IS === (chọn J = 5A/mm2) + Cuộn 12V: 222212221 5,05 5,2 mm J I J ISS ===== (chọn J = 5A/mm2) + Cuộn 18V: 224232423 33,05 66,1 m J I J ISS ===== (chọn J = 5A/mm2) - Đường kính dây thứ cấp là: + Cuộn sơ cấp: mmSd 59,0272,0.4.4 11 === pp + Cuộn 12V: mmSSdd 8,05,0.4.4.4 22212221 ===== ppp . + Cuộn 18V: mmSSdd 65,033,0.4.4.4 24232423 ===== ppp . - Tra sổ tay“|Thông số dây dẫn tiết diện tròn” (sách “Điện tử công suất” – NXB Khoa học kỹ thuật – 1996, Nguyễn Bính), ta chọn được dây: + Dây sơ cấp: d1 = 0,59mm, S1 = 0,2734mm2, R=0,21 Ω/m. + Dây sơ cấp: d21 = d22 = 0,8mm, S1 = 0,5027mm2, R= 0,0342 Ω/m. + Dây sơ cấp: d23 = d24 = 0,67mm, S1 = 0,3526mm2, R=0,0488 Ω/m. Tóm tắt thông số trên mạch điều khiển: Tụ: C3 , C4 = 0,1µF C1 , C2 = 0,22µF Điện trở: Các điện trở mạch điều khiển sao cho phù hợp với dòng vào của các IC, nhưng do các thông số này rất khó tra nên ta thường chọn R =10÷50kΩ Riêng : R1 , R2 = 50Ω R7 = 50kΩ R4 = 4,7kΩ, R5 = 33kΩ Chọn các biến trở VR1 ÷ VR4 = 2kΩ, VR5 = 3kΩ , Rs =Rf=Rf1=3kΩ Transitor loại: 2SC911 Điốt: D11 ,D12 chọn loại 1N4004 Các điôt còn lại chọn loại 1N4009