Tính toán thiết kế nạp ắc quy

Lời nói đầu Mục lục Chương I: Giới thiệu khái quát về Ăc quy I. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ăc quy…………………………..……4 1. Cấu tạo…………………………………………………………….…..4 2. Nguyên lý làm việc……………………………………………………5 II, Ắcquy kiềm................................................................................................6 1, Nguyên lý làm việc................................................................................6 2, Quá trình hóa học trong ăc quy kiềm.....................................................7 III, Các thông số cơ bản của ăc quy................................................................8 1, Dung lượng............................................................................................8 2, Điện áp..................................................................................................8 3, Điện trở trong.........................................................................................9 IV, Đặc tính phóng của ăcquy.........................................................................9 V, Các phương pháp nạp ăcquy tự động.......................................................10 1. Phương pháp nạp ăcquy với dòng điện không đổi...............................10 2. Phương pháp nạp với điện áp không đổi..............................................11 3. Phương pháp nạp dòng áp....................................................................11 Chương II: Phân tích, tính toán và lựa chọn sơ đồ..................................13 I, Chọn sơ đồ thiết kế………………………………………………………13 1, Chỉnh lưu một nửa chu kỳ……………………………………………13 2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính……………………….13 3, Chỉnh lưu cầu một pha……………………………………………….15 4, Chọn sơ đồ chỉnh lưu………………………………………………...16 II, Thuyết minh hoạt động của sơ đồ động lực………………….………….17 III, Tính toán biến áp và thông số các thiết bị mạch động lực……………..18 IV, Tính toán các cuộn kháng lọc – CKL dòng điện đập mạch…………...26 V, Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực…………………………...31 1. Tính toán cánh tản nhiệt cho van………………………………………...33 2. Bảo vệ quá dòng cho van bán dẫn……………………………………….33 VI, Tính toán các thông số của mạch điều khiển…………………………..34 1, Nguyên lý điều khiển………………………………………………...34 2, Sơ đồ khối mạch điều khiển………………………………………….35 3. Tính toán thông số mạch điều khiển…………………………………39 a. Tính biến áp xung…………………………………………………39 b. Tính tầng khuếch đại cuối cùng…………………………………..41 c. Tính chọn tụ C2 và điện trở R7…………………………………....41 d. Tính chọn tầng so sánh………………………………………...….42 e. Tính chọn khâu đồng pha………………………………………....42 f. Tạo nguồn nuôi……………………………………………………43 4. Tính toán điện trở Sun hồi tiếp dòng điện……………………………46 TÓM TẮT THÔNG SỐ ...............................................................................47 Chương I: Giới thiệu khái quát về Ắcquy Hiện nay chúng ta có nhiều loại ắc quy, trong đó hai loại cơ bản là ắc quy axit và ắc quy kiềm. Chúng ta xét từng loại sau: I, Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Ăc quy axit: 1. Cấu tạo: - Bình ăc quy được chia thành nhiều ngăn, thong thường là 6 ngăn. Mỗi ngăn ăc quy đơn cho điện áp đầu ra là 2V. Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộ nguồn ăc quy là 12V. - Vỏ bình ăc quy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite. Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạo thành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một ăc quy đơn. Dưới đáy bình ta làm hai yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực. Mục đích là để các bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi trong đáy bình có lắng đọng các cặn bẩn. - Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản cực. Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trên bản cực là dioxit chì. Nếu bản cực dung làm bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng là chì xốp. Khi ăc quy hoạt động chất hoạt tính tham gia đồng thời vào các phản ứng hoá học càng nhiều càng tốt, do đó để tăng bề mặt tiếp xúc của các chất hoạt tính với dung dịch điện phân, người ta chế tạo chất hoạt tính có độ xốp, đồng thời đem ghép những tấm cực cùng tên song song với nhau thành một chum cực ở trong mỗi ngăn của ăc quy đơn. Chùm bản cực dương và chum bản cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng giữa hai bản cực khác tên lại được đặt them một tấm cách, tấm cách được làm từ chất cách điện để cách điện giữa hai bản cực như nhựa xốp, thuỷ tinh hay gỗ. - Phần nắp của ăc quy để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và các vật khác từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bị tràn ra ngoài. Trên nắp bình có các lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân, các lỗ này được nút kín bằng các nút có lỗ thong hơi nhỏ. Ở một số loại ắcquy lỗ thong hơi có thể được chế tạo riêng biệt. Để đảm bảo về độ kín của bình ăc quy, xung quanh mép của nắp ăc quy và xung quanh các lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa chuyên dụng. Dung dịch điện phân dung trong ăc quy thường là hỗn hợp axit sunfuric H2SO4 được pha chế theo tỷ lệ nhất định với nước cất. 2. Nguyên lý làm việc: a, Quá trình nạp: Khi ăc quy đã được lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO4). Vì chì tác dụng với axit theo phản ứng: PbO + H2SO4 = PbSO4 + H2O Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của ăc quy thì dòng điện một chiều được khép kín qua mạch ăcquy và dòng điện đi theo chiều: Cực dương của nguồn một chiều → Dung dịch điện phân → Đầu cực 2 của ăcquy → Cực âm của nguồn một chiều. Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân ly: H2SO4 → 2H+ + Cation H+ theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo thành phản ứng tại đó: 2H+ + PbSO4 → H2SO4 + Pb Các anion chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn điện và cũng tạo thành phản ứng tại đó: PbSO4 + H2O + → PbO2 + 2H2SO4 Kết quả là ở bản cực nối với dương nguồn điện có PbO2 (chì dioxit) và ở chùm bản cực kia có chì Pb, như vậy ở hai chùm bản cực đã có sự khác nhau về cực tính. Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng axit sunfuric bổ sung vào dung dịch điện phân, đồng thời trong quá trình nạp điện dòng điện còn phân tích ra trong dung dịch điện phân khí hydro (H2) và oxy (O2), lượng khí này sủi lên như bọt nước và bay đi, do đó nồng độ của dung dịch điện phân trong quá trình nạp điện được tăng lên. Ăc quy được coi là đã nạp đầy khi quan sát thấy dung dịch sủi bọt đều (gọi đó là hiện tượng sôi). Lúc đó ta có thể ngắt nguồn nạp và xem như quá trình nạp điện cho ăc quy đã hoàn thành. b, Quá trình phóng điện của ăc quy: Nối hai bản cực của ăc quy đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một bong đèn thì năng lượng tích trữ trong ăc quy sẽ phóng qua tải, làm cho bóng đèn sáng. Dòng điện của ăcquy sẽ đi theo chiều: Cực dương của ăcquy (đầu cực đã nối với cực dương nguồn nạp) → Tải (bóng đèn) → Cực âm của ăcquy → Dung dịch điện phân → Cực dương của ăcquy. Quá trình phóng điện của ăcquy, phản ứng hoá học xảy ra trong ăcquy như sau: Tại cực dương: PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O Tại cực âm: Pb + → PbSO4 + 2e Như vậy khi ăcquy phóng điện, chì sunfat lại được hình thành ở hai bản cực, làm cho các bản cực dần trở lại giống nhau, còn dung dịch axit bị phân thành cation 2H+ và anion , đồng thời quá trình cũng tạo ra nước trong dung dịch, do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăcquy cũng giảm dần. II, Ắcquy kiềm: 1, Nguyên lý làm việc: Ăcquy kiềm là loại ăcquy mà dung dịch điện phân được dùng trong ăcquy là dung dịch kiềm KOH và NaOH. Tuỳ thuộc vào cấu tạo của bản cực, ăcquy kiềm được chia thành 3 loại: Loại ăcquy sắt – niken, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng sắt (Fe) và niken (Ni). Loại ăcquy cadimi – niken, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng cadimi (Cd) và niken (Ni). Loại ăcquy bạc – kẽm, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng bạc (Ag) và kẽm (Zn). Trong ba loại trên thì loại thứ ba có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng lượng và một đơn vị thể tích là lớn hơn, nhưng giá thành của nó lại cao hơn vì phải sử dụng khối lượng bạc tới 30% khối lượng của chất tác dụng, do đó loại này ít dùng. So với ăc quy axit, ăc quy kiềm có nhược điểm là giá thành cao hơn, điện trở trong lớn hơn, nhưng nó lại có các ưu điểm sau: Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài Trong điều kiện máy khởi động, làm việc nặng nề hoặc cần có yêu cầu về độ tin cậy cao thì nó có tính ưu việt hơn hẳn ăc quy axit. Quá trình nạp điện cho ăc quy kiềm không đòi hỏi nghiêm ngặt về dòng điện nạp. Trị số dòng điện này có thể lớn gấp 3 lần dòng định mức cũng chưa làm hỏng được ăc quy. Ăc quy kiềm có cấu tạo tương tự như ăc quy axit, tức là nó cũng gồm dung dịch điện phân, vỏ bình ăc quy, các bản cực,... Bản cực của ăc quy kiềm được chế tạo thành dạng thỏi hoặc không thỏi. Giữa các bản cực được ngăn cách bởi các tấm ebonit. Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được hàn nối như chùm bản cực của ăc quy axit để đưa ra các vấu cực cho ăc quy. Các chùm bản cực được đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa vinhiplat. Loại ăc quy dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi thỏi là một hộp làm bằng thép lá trên bề mặt có khoan nhiều lỗ: = 0,2-0,3 mm để cho dung dịch thấm qua. Nếu là ăc quy kiềm sắt – niken thì trong hộp bản cực âm chứa sắt đặc biệt thuần khiết, còn trong bản cực dương là hỗn hợp 75%NiO.OH và 25% bột than hoạt tính. Loại ăc quy kiềm dùng bản cực không phân thỏi, thì bản cực được chế tạo theo kiểu khung xương, rồi đem các chất tác dụng có cấu trúc xốp mịn để ép vào các lỗ nhỏ trên bản cực. 2, Quá trình hóa học trong ăc quy kiềm: Giống như trong ăc quy axit, quá trình hoá học trong ăcquy kiềm cũng là quá trình thuận nghịch Nếu bản cực của ăc quy kiềm là sắt-niken thì phản ứng hoá học xẩy ra trong ăcquy như sau: Trên bản cực dương: Ni(OH)2 + KOH + OH- Ni(OH)3 + KOH Trên bản cực âm: Fe(OH)2 + KOH Fe + KOH + 2OH- Như vậy quá trình nạp điện, sắt hidroxit trên bản cực âm bị phân tích thành sắt nguyên tố và anion OH-. Còn ở bản cực dương, Ni(OH)2 được chuyển hoá thành Ni(OH)3. Chất điện phân KOH có thể xem như nó không tham gia vào phản ứng hoá học mà chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, do đó sức điện động của ăcquy hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân. Sức điện động của ăc quy chỉ đựoc xác định dựa trên trạng thái của các chất tác dụng ở các tấm cực. Thông thường ăc quy kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động sẽ đạt được khoảng 1,7 đến 1,85V. Khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn, sức điện động của ăcquy là 1,2 đến 1,4V. Như vậy điện thế phóng điện của ăc quy kiềm thấp hơn ăc quy axit. Nếu ở ăc quy axit điện thế phóng điện bình quân là 2V thì ở ăc quy kiềm chỉ là 1,2V. Hiện nay các nhà thiết kế, chế tạo ăc quy chưa dừng lại ở những kết quả đã đạt được, người ta đã chế tạo được những ăc quy kiềm mới khá nhỏ và nhẹ, nhưng vẫn có các thông số kỹ thuật của ăc quy axit. Những ăc quy mới đang hướng tới việc thay thế các bản cực bằng những hợp kim mới có khả năng chống han gỉ, giảm kích thước và tăng tính bền vững. Những tạp chất mới được trộn vào trong chất tác dụng sẽ cải thiện đặc tính phóng điện của ăcquy một cách đáng kể. Nhiều ăc quy mới đã không có cầu nối trên nắp và kết cầu vỏ bình cũng thay bằng những vật liệu rất nhẹ nên giảm được chiều dày thành bình, ăc quy cũng ít phải chăm sóc hơn. III, Các thông số cơ bản của ăc quy: 1. Dung lượng: Là điện lượng của ăc quy đã được nạp đầy, rồi đem cho phóng điện liên tục với dòng điện phóng 1A tới khi điện áp của ăcquy giảm xuống đến trị số giới hạn quy định ở nhiệt độ quy định. Dung lượng của ăc quy được tính bằng ampe-giờ (Ah). 2. Điện áp: Tuỳ thuộc vào nồng độ chất điện phân và nguồn nạp cho ăc quy mà điện áp ở mỗi ngăn của ăc quy khi nó được nạp đầy sẽ đạt 2,6V đến 2,7V (để hở mạch), và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là 1,7V đến 1,8V. Điện áp của ăc quy không phụ thuộc vào số lượng bản cực của ăcquy nhiều hay ít. 3. Điện trở trong, là trị số điện trở bên trong của ăc quy, bao gồm điện trở các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực. Thường thì trị số điện trở trong của ăcquy khi đã nạp đầy điện là (0,001-0,0015) và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là (0,02-0,025). IV, Đặc tính phóng của ăcquy: Đặc tính phóng của ăc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ăcquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi. Từ đặc tính phóng của ăc quy ta có nhận xét: Trong khoảng thời gian phóng từ t = 0 đến t = tgh (10h), sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong đoạn này độ dốc của đường đặc tính không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ăc quy (dòng điện phóng). Hình 1: Đặc tính phóng nạp của ăc quy Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta tiếp tục cho ăcquy phóng điện sau thời gian tgh thì sức điện động, điện áp của ăcquy giảm rất nhanh. Mặt khác các tinh thể sunfat chì (PbO2) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan (bị biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ăc quy sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ăc quy, các giá trị EP, UP, tại tgh được gọi là các giá trị phóng điện của ăc quy, ăc quy không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%. Thời gian này được gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng làm cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng bản cực được biến đổi tuần hoàn, nhờ đó làm tăng dung lượng phóng điện của ăcquy. Thời gian nạp no cho ăcquy kéo dài từ 2-3h, trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực ăc quy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi ăc quy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ăc quy. Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ăc quy giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là thời gian nghỉ của ăc quy sau khi nạp. Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ăcquy. Dòng điện nạp định mức với ăc quy là: In = 10%C10. Trong đó C10 là dung lượng của ăc quy mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In=0,1C10 thì sau 10h ăc quy sẽ đầy. V, Các phương pháp nạp ăcquy tự động: Có ba phương pháp nạp ăcquy là: Phương pháp dòng điện Phương pháp điện áp Phương pháp dòng áp 1. Phương pháp nạp ăcquy với dòng điện không đổi: Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại ăcquy, bảo đảm cho ăcquy được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sữa chữa để nạp điện cho ăcquy hoặc nạp sửa chữa cho các ăcquy bị sunfat hoá. Với phương pháp này ăcquy được mắc nối tiếp với nhau và phải thoả mãn điều kiện: Trong đó: UN - Điện áp nạp Naq - Số ngăn ăcquy đơn trong mạch. Trong quá trình nạp điện sức điện động của ăcquy tăng dần lên, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch biến trở R. Trị số gián hạn của biến trở được xác định theo công thức: Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ăcquy đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3-0,6)C10 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ăc quy đã bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C10. 2. Phương pháp nạp với điện áp không đổi: Phương pháp này yêu cầu ăc quy mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3-2,5)V cho mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên với phương pháp này ăcquy không được nạp no, do đó nó chỉ dùng bổ sung nạp cho ăcquy trong quá trình sử dụng. 3. Phương pháp nạp dòng áp: Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp. Đối với yêu cầu của đề tài là nạp ăcquy tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương pháp nạp ăc quy là phương pháp dòng áp. Đối với ăcquy axit: Để đảm bảo thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn = 8h tương ứng với 75%-80% dung lượng ăcquy ta nạp với dòng không đổi là In = 0,1C10. Vì theo đặc tính nạp của ăcquy trong đoạn nạp chính thì khi dìng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 8h ăcquy bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10h thì ăcquy bắt đầu no, ta nạp bổ sung thêm 2-3h. Đối với ăcquy kiềm: Trình tự nạp cũng giống như ăcquy axit nhưng do khả năng quá tải của ăcquy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2.C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5.C10. Các quá trình nạp ăcquy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên hai cực của ăcquy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không. Kết luận: Từ các phân tích về tải ăcquy trên ta thấy: Tải ăcquy là tải dung kháng, với đặc điểm là sức điện động của ăcquy tăng dần trong quá trình nạp, tức là nếu ta giữ điện áp không thay đổi thì dòng điện nạp sẽ giảm dần, làm quá trình nạp điện cho ăcquy kéo dài, do đó ta cần kiểm soát được dòng điện nạp cho ăcquy. Thông thường ta nạp với 10% dòng dung lượng của ăcquy và giữ ổn định dòng trong quá trình nạp. Tuy nhiên khi dung lượng của ăcquy đã đạt đến 80%, lúc đó ta tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ăcquy sẽ sôi và làm cạn dung dịch điện phân. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ăcquy sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ăcquy đã thực sự đầy. Khi điện áp trên các bản cực của ăcquy bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về 0, kết thúc quá trình nạp. Chương II: Phân tích, tính toán và lựa chọn sơ đồ I, Chọn sơ đồ thiết kế (Phân tích hoạt động, đánh giá ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, chọn sơ đồ hợp lý) Theo yêu cầu của đề tài thiết kế: Điện áp nguồn cấp U1 = 220V, tần số nguồn cấp f = 50Hz Điều chỉnh dòng điện vô cấp trong dải từ 0 đến Idmax Như vậy, nguồn cấp để nạp cho ăc quy là nguồn điện xoay chiều một pha, tần số 50Hz. Xét các phương pháp chỉnh lưu 1 pha: 1, Chỉnh lưu một nửa chu kỳ: Hình 2: CL một nửa CK Hình 3: Đồ thị U,I Ở sơ đồ chỉnh lưu này, điện áp ra bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ, khi điện áp anod của van bán dẫn âm. Do vậy, điện áp có chất lượng không tốt, và trị số trung bình lớn nhất khi không có điều khiển là: Udo = 0,45.U2 Đây là loại chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản. Tuy nhiên, các chất lượng kỹ thuật như: chất lượng điện áp một chiều, hiệu suất sử dụng biến áp xấu. Với hệ số sử dụng biến áp: SBA = 3,09.Ud .Id Do đó mà loại chỉnh lưu này ít được dung trong thực tế. 2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính: Sơ đồ chỉnh lưu: Hình 4: CL cả chu kỳ với BA trung tính Các đường cong chỉnh lưu Hình 5: Các đường cong CL cả chu kỳ với BA trung tính Có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính là hai sơ đồ chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ hoạt động dịch pha nhau 1800. Ở mỗi chu kỳ có một van dẫn cho dòng điện qua, cho nên ở hai nửa chu kỳ sóng điện áp tải trùng pha với sóng điện áp của cuộn dây có van dẫn. Đặc điểm của loại chỉnh lưu này là phải có biến áp thứ cấp có hai cuộn dây với các thông số giống hệt nhau. Điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần số nguồn cấp (fđm = 2.f1). Điện áp trung bình trên tải, khi điện áp gián đoạn như trên sơ đồ các đường cong chỉnh lưu: Trong đó: Ud0 = 0,9.U2: Là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển. - Góc mở của các Trisistor Mỗi van chỉ dẫn trong ½ chu kỳ, do đó dòng điện trung bình qua van tối đa bằng ½ dòng điện tải. Trong các loại sơ đồ chỉnh lưu, thì loại tải này có điện áp ngược của van phải chịu là lớn nhất: *, Ưu điểm: So với chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ, sơ đồ này cho chất lượn điện áp tốt hơn. Dòng điện chạy qua van không lớn, điện áp tổng rơi trên van nhỏ và việc điều khiển van tương đối đơn giản. *, Nhược điểm: - Việc chế tạo biến áp với hai cuộn thứ cấp giống hệt nhau và mỗi cuộn chỉ làm việc trong ½ chu kỳ làm việc chế tạo biến áp phức tạp và hiệu suất sử dụng biến áp xấu. - Điện áp ngược của van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất làm cho việc chọn van bán dẫn khó khăn hơn. 3, Chỉnh lưu cầu một pha: Chỉnh lưu cầu 1 pha có thể dùng sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điều khiển, trong sơ đồ có điều khiển lại có sơ đồ điều khiển đối xứng và điều khiển không đối xứng. Ta xét sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng: Hình 6: Chỉnh lưu cầu một pha Sơ đồ chỉnh lưu này cho điện áp ra trên tải tương tự như sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ, biến áp thứ cấp có trung tính. *, Hoạt động: - Ở ½ chu kỳ đầu (dương); điện áp dương đặt vào anode T1, điện áp âm đặt vào cathode T2, khi có xung mở T1, T2 thì T1, T2 dẫn, có dòng điện qua tải. - Ở ½ chu kỳ sau (âm); anode T4 dương, cathode T3 âm, khi có xung mở T3, T4 thì T3, T4 mở cho dòng điện qua tải theo chiều như khi T1, T2 dẫn. Tức là dòng điện qua tải là dòng điện một chiều. *, Ưu điểm: - Cho dạng điện áp, dòng điện ra giống như các dạng đường cong của chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính. - Điện áp ngược của van phải chịu là: *, Nhược điểm: - Phải sử dụng nhiều van bán dẫn hơn, do đó tổng điện áp rơi trên van lớn hơn. - Việc điều khiển đồng thời các van khó khăn hơn. 4, Chọn sơ đồ chỉnh lưu: Ta có điện áp của ăc quy là Ud = 24V Theo phần phân tích tải, mỗi ngăn ăc quy đơn có điện áp 2V, do đó có thể thấy ăc quy gồm 12 ăc quy đơn. Theo phần “ Nạp ăc quy bằng phương pháp áp” thì khi nạp cần giữ điện áp trên mỗi ngăn ăc quy đơn là (2,3-2,5)V. Vậy điện áp sau chỉnh lưu lớn nhất là: U2 = 2,5.12 = 30V. Do đó nếu ta dùng sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính thì điện áp ngược van phải chịu là: Với Unv = 85V thì việc chọn van bán dẫn công suất không có gì là khó khăn. Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha thì số lượng van sẽ tăng gấp đôi. Do đó: Ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cho mạch nạp ăc quy tự động là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp bên thứ cấp có trung tính. II, Thuyết minh hoạt động của sơ đồ động lực: Hình 7: Sơ đồ mạch động lực Hình 8: Các đường cong chỉnh lưu *, Hoạt động: Sơ đồ chỉnh lưu bao gồm bộ nguồn chỉnh lưu hai nửa chu kỳ với biến áp có trung tính, tải ăc quy được mắc nối tiếp với một cuộn kháng lọc để khắc phục sự gián đoạn của dòng điện ứng với góc mở nào đó để cho dòng điện qua tải (ăc quy) là dòng ổn định. Đường cong dòng điện và điện áp của tải (ăc quy) Ud, Id được biểu diễn như hình vẽ. Ta thấy khi có them cuộn kháng lọc thì dòng điện ra không bị gián đoạn mà là dòng 1 chiều liên tục. III, Tính toán biến áp và thông số các thiết bị mạch động lực: Theo yêu cầu thiết kế, mạch nạp cho ăc quy bao gồm 12 ngăn ăc quy đơn, mà điện áp chỉnh lưu: Ud ≥ 2,7.Naq Trong đó: Naq = 12 – Số ngăn ăc quy đơn Ta chọn: Ud =2,7.12 = 32,4 V, có thể lấy Ud = 33 V. Id = 10%.C10 = 0,1.150 = 15A 1, Điện áp chỉnh lưu không tải: Ud0.cosαmin = Ud + UV + Uba + Udn Ud = 33V UV = 0,8V – Điện áp rơi trên Thysistor. Udn ≈ 0V – Sụt áp trên dây nối. Uba = UR + UX – Là sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến áp. Uba = 6%.Ud = 0,06.33 ≈ 2V. Vậy: Ud0. = (33 + 0,8 + 2)/cos100 = 36,4V. 2, Công suất tối đa của tải: Pdmax = Ud0.Id → Pdmax = 36,4.15 = 546 (W). 3, Công suất nguồn cấp: Sba = ks.Pdmax Trong đó: Sba – Công suất biểu kiến của máy biến áp [VA]. ks – Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực. Theo bảng 1.2, ta có ks đối với chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ với biến áp có trung tính là: ks = 1,48. → Sba = 1,48. 546 = 808 [VA] 4, Tính toán sơ bộ mạch từ: QFe - Tiết diện trụ của lõi thép biến áp, cm2 kQ - Hệ số phụ thuộc vào điều kiện làm mát, kQ = 6. m - Số pha của máy biến áp (MBA), m = 1 f - Tần số nguồn điện xoay chiều f = 50Hz = 24 (cm2) 5. Tính toán dây quấn biến áp: Theo công thức (1.17) - Thiết kế thiết bị điện tử công suất Trong đó: w - Số vòng dây quấn U - Điện áp của cuộn dây cần tính B - Từ cảm, B = (1,0-1,8) Tesla, chọn B = 1,0 Tesla QFe - Tiết diện lõi thép *, Bên thứ cấp: điện áp thứ cấp Ud0 = 36,4 V ku = 0,9 – Tra theo bảng (1-1), Tài liệu thiết kế Và ta có: U1 = 220V Như vậy: (vòng) (vòng) *, Tính dòng điện trong các cuộn dây của máy biến áp: - Bên thứ cấp: k2 = I2/Id Theo bảng 1.2 – Tài liệu thiết kế, ta có: k2 = =0,71 → I2 = 0,71.15 = 10,65 (A) - Bên sơ cấp: k1 = I1/(kba.Id) = 1 → I1 = kba.Id = .Id → I1 = *, Tính tiết diện dây dẫn: Chọn mật độ dòng điện trong máy biến áp: Với dây dẫn đồng Cu, MBA khô chọn: J1 = J2 = 2,75 A/mm2 Vậy: mm2 mm2 - Ta chọn dây dẫn trong có đường kính d, d được tính theo: → d1 = = 1,12 mm → d2 = = 2,22 mm Quy chuẩn các đường kính dây: d1 = 1,12 mm d2 = 2,26 mm *, Khi đó tính lại mật độ dòng điện ở cuộn dây thứ cấp: Khi đó quy chuẩn tiết diện dây theo bảng P.5 là: SCu1 = 0,9852 mm2 SCu2 = 4,012 mm2 6.Tính kích thước mạch từ: Sba = 808VA là biến áp có công suất nhỏ nên ta chọn mạch từ có trụ chữ nhật, có sơ đồ như sau: Hình 9: Cửa sổ mạch từ máy biến áp Theo tính toán ở trên: QFe = a.b = 24 cm2 Chọn lá thép dày 0,5 mm Diện tích của sổ cần có: QCS = QCS1 + QCS2 QCS – Diện tích của sổ, mm2 +, QCS1 = kld.W1.SCu1 kld – Hệ số lấp đầy, thường chọn 2,0 – 3,0, lấy kld = 3,0 QCS1 = 3.413.0,9852 = 1220,66 mm2 QCS2 = 3.76.4,012 = 914,7 mm2 Vậy: QCS = 1220,66 + 914,7 = 2123,36 mm2 Ta đã có: QFe = a.b = 24 cm2 QCS = c.h = 2123,36 mm2 = 21,23 cm2 Theo tài liệu thiết kế, các tỷ lệ trên là tối ưu trong khoảng: - 4 Từ các tỷ lệ ta chọn sơ bộ được các kích thước như sau: a = 4 cm b = 6 cm h = 9 cm c = 2,36 cm → Chiều rộng toàn bộ mạch từ: C = 2.c + 2.a = 2.2,36 + 2.4 = 12,72 cm → Chiều cao toàn mạch: H = h +a = 9 + 4 = 13 cm 7. Kết cấu dây quấn: - Số vòng trên mỗi lớp: Trong đó: W’ – Số vòng trên mỗi lớp dây h – Chiều cao cửa sổ dn – Đường kính dây quấn kể cả cách điện hg - Khoảng cách cách điện với gông, chọn hg = dn Theo bảng P.5 ta có: Khi đó: (vòng) w'1 ≈ 71 (vòng). (vòng) - Số lớp dây: (lớp) (lớp) Vậy: = 71 vòng, nld1 = 6 lớp = 36 vòng, nld2 = 2 lớp Tính bề dày mỗi cuộn dây: Bdct = dn.nld + cd.nld = (dn + cd).nld Ta chọn chiều dày bìa cách điện cd = 0,1 mm → Bdct1 = (d1n + cd).nld1 = (1,22+0,1).6 = 7,92 mm → Bdct2 = (d2n + cd).nld2 = (2,36+0,1).2 = 4,92 mm Hình 10: Dây quấn máy biến áp Bề dày các cuộn dây: Bd = Bd1 + Bd2 + cdn + cdt +cd12 Chọn cdn = cdt = cd12 = 1 mm Bd = 7,92 + 4,92 + 1 + 1 + 1 = 15,84 mm Ta có: ΔC = C – Bd = 23,7 – 15,84 = 7,86 mm → ΔC ≈ 0,8 cm Như vậy: Các kích thước a, b, h, c đã chọn là hợp lý cho cách điện và làm mát a = 4 cm b = 6 cm h = 9 cm c = 2,37 cm C = 12,72 cm - Khối lượng sắt Theo công thức (1.31) Tài liệu thiết kế MFe = VFe.mFe (Kg) VFe - Thể tích khối sắt (dm3)mFe - Khối lượng riêng của sắt (7,85 Kg/dm3) Do biến áp có công suất không lớn, chọn trụ và gông có tiết diện bằng nhau. VFe = a.b.(2h+2c) = 0,4.0,6.(2.0,9 + 2.1,27) = 1,0416 dm3 Vậy: MFe = 1,0416.7,85 = 8,176 (Kg) 9. Khối lượng đồng Cu: - Với cuộn dây sơ cấp w1: MCu1 = VCu1.mCu (Kg) – Công thức (1.31) Tài liệu thiết kế VCu1 = SCu1.l1 Trong đó: VCu - Thể tích khối đông của các cuộn dây, dm3 Khi coi cả dây quấn sơ cấp và thứ cấp là khối trụ tròn l1 = w1..Dtb1 Dt = a + 2.cdt = 4 + 2.1 = 6 mm Dn = Dt + 2.(d + cd).nld = 6 + 2.(1,22 + 1).6 = 32,64 mm → Dtb1 = (6+32,64)/2 = 19,3 mm → Dtb1 = 0,193 dm Vậy: l1 = 413..0,193 = 250,413 dm VCu1 = l1.SCu1 = 250,413.0,8952.10-4 = 0,0247 dm3 - Với cuộn dây thứ cấp w2: Dt = 32,64 mm Dn = 32,64 + 2.(2,26+1).2 = 45,68 mm → → Dtb2 = 0,3916 dm. Vậy: l2 = 75..0,3916 = 92,27 dm VCu2 = l2.SCu2 = 92,27.4,012.10-4 = 0,037 dm3 → Tổng khối lượng đồng: MCu = (VCu1 + VCu2).mCu = (0,0247 + 0,037).8,9 = 0,55 Kg. 10. Tính tổng sụt áp trong biến trở: Theo công thức (1.34): Trong đó: - Điện áp rơi trên điện kháng: Rbk = a/2 + cd = 4/2 + 1 = 3 mm: Bán kính trong của cuộn thứ cấp h = 9 mm Tổng áp rơi trên biến áp: ΔU = ΔUr + ΔUx = 0,816 + 0,117 = 0,933 (V) 11. Điện trở ngắn mạch của máy biến áp: 12. Tổng trở ngắn mạch của máy biến áp: 13. Điện áp ngắn mạch % của máy biến áp: 14. Dòng điện ngắn mạch máy biến áp: IV, Tính toán các cuộn kháng lọc – CKL dòng điện đập mạch: *, Xác định góc mở van cực đại αmax và góc mở van cực tiểu αmin: - Chọn góc mở αmin = 100 là dự trữ có thể bù được sự giảm điện áp lưới. - αmax là góc mở van bán dẫn lớn nhất để điện áp nguồn cấp vẫn có khả năng nạp cho ăc quy, tức ta phải đảm bảo điện áp đặt vào ắc quy lớn hơn sức điện động của bản thân ăc quy (1,8V) → U ≥ 1,8V. Ăc quy có 12 ngăn ắc quy đơn: Udmin = 1,8.12 =21,6 V Ta coi ăc quy là thuần trở: Theo công thức (1-3) Tài liệu thiết kế: → → αmax = 78,10 *, Tính điện cảm của cuộn kháng lọc dòng điện đập mạch: Vì tải thuần trở nên theo (1-44) ta có: Trong đó Udnmax được xác định theo: Trong đó: - m: là số lần đập mạch một chu kỳ, m=2 - Iddm = 15 (A) - ω = 314 (Rad/s) - I*1% = 10% - K =1 là bội số sóng hài Thay số vào công thức trên ta có: Udmax = 47,23V Vậy: *, Tính điện cảm cần thiết để lọc dòng điện gián đoạn: Theo công thức (1-58) Tài liệu thiết kế Trong đó: - ω’ = 2πf.m = 200π - Ud0 = 36 V - Idgh = 0,05.Idm = 0,05.15 = 0,75 A - kgh – Hệ số phụ thuộc vào góc mở van bán dẫn Hệ số kgh được tính như sau: → = 0,987 - xBA = 0,0246 (Ώ) Vậy: So sánh giữa 2 giá trị LL = 0,0355 (H) và Lgd = 0,0747 (H) ta có Lgd > LL nên ta thiết kế cuộn kháng lọc dòng điện gián đoạn, với điện cảm cần thiết L =0,0747H và điện cảm này đã đủ để bù cho dòng điện đập mạch. Thiết kế cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn và đập mạch *, Thông số cần thiết: - Điện cảm của cuộn kháng LCK = 0,0747 (H) - Dòng điện định mức qua cuộn kháng Idm = 15 (A) - Giá trị dòng điện gián đoạn Igh = 0,1.Idm = 1,5 (A) *, Tổng trở của cuộn kháng: Do dòng qua cuộn kháng là dòng qua tải và có giá trị lớn, và điện trở của cuộn kháng nhỏ hơn nhiều so với điện kháng, nên ta có thể bỏ qua điện trở cuộn kháng RCK: ZCK = 2π.f’.LCK f' = f.m Vậy: ZCK = 2π.50.2.0,0747 = 47 (Ώ) *, Công suất của cuộn kháng: ΔUCK = ZCK.Igh = 47.1,5 = 70,5 V PCK = ΔUCK.Igh = 70,5.1,5 =105,75 W *, Tiết diện lõi thép cuộn kháng: kQ = 5-6 là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, khi làm mát bằng không khí tự nhiên, chọn kQ = 5. *, Tính số vòng dây cần thiết: Dòng điện gián đoạn có dạng là các xung dòng điện, do đó khi chạy trong cuộn kháng làm xuất hiện sức điện động tự cảm Egd được tính theo (1-65): Egd = 4,44.kdq.w.f’.B.QFe Từ đó ta có: Trong đó: B = 1 Tesla: Là mật độ từ cảm trong trụ kdq = 1 vòng Nhận xét: Do tiết diện lõi sắt QFe = 5,1417 cm2 so với 309 vòng dây, thì tiết diện dây này quá nhỏ để có thể quấn hết số vòng dây trên, do đó ta có thể chọn lại tiết diện lõi sắt để giảm số vòng dây của cuộn kháng và để việc quấn dây dễ dàng hơn: Chọn QFe = 15 cm2 Khi đó: vòng *, Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: *, Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng: J = 2,5 A/mm2Tiết diện dây dẫn: Chọn dây dẫn tròn: Theo bảng P.5 Thông số của dây đồng tiêu chuẩn Chọn được dây đồng: SCu = 6,29 mm2 d = 2,83 mm Khi đó mật độ dòng điện: Ta có: QFe = 16 cm2 Do đó chọn tiết diện trụ từ là: (Hình) a = b = 40 mm *, Chọn hệ số lấp đầy: *, Diện tích cửa sổ: *, Tính kích thước mạch từ: QCS = c.h a = 30 mm b = 50 mm Hình 11: Mạch từ cuộn kháng lọc Chọn Suy ra h = 2.a = 2.30 = 60 mm *, Chiều cao mạch từ: H = h+a = 60 + 30 = 90 mm *, Chiều dài mạch từ: C = 2.c + 2.a = 2.22 + 2.30 = 104 mm *, Chọn khoảng cách từ gông tới cuộn dây: hg = 2 mm *, Tính số vòng trên một lớp: vòng *, Tính số lớp dây quấn: lớp *, Chọn khoảng cách cách điện giữa dây quấn với trụ: a01 = 3 mm Cách điện giữa các lớp: cd1 = 0,1 mm *, Bề dầy cuộn dây: Bd = (d + cd1).n1 = (2,83 + 0,1).6 = 17,6 mm *, Tổng bề dầy cuộn dây: BdΣ = Bd + a01 = 17,6 + 3 = 20,6 mm *, Chiều dài của vòng dây trong cùng: l1 = 2(a+b) + 2π.a01 = 2.(30+50) + 2π.3 = 178,85 mm *, Chiều dài của vòng dây ngoài cùng: l1 = 2(a+b) + 2π.(a01+Bd) = 2.(30+50) + 2π.(3+17,6) = 289,4 mm *, Chiều dài trung bình của một vòng dây: ltb = (l1 + l2)/2 = (178,85+289,4)/2 = 234,1 mm *, Thông thường dây quấn được quy định cấp cách điện B, có nhiệt độ làm việc tối đa là 750C. Với dây Cu, ρ75 = 0,02133 (Ώ.mm2/m) Điện trở của dây quấn ở 750C là: Ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng. *, Thể tích sắt: VFe = 2.a.b.h + 2.(a/2).b.C = ab(2h+C) = 30.50.(2.60 + 104) = 336000 mm3 = 0,336 dm3 → Khối lượng sắt: MFe = VFe.mFe = 0,336.7,85 = 2,6375 Kg *, Khối lượng đồng: MCu = S.ltb.w.mCu = 6,29.234,1.106.8,9.10-6 = 1,39 KgTrong đó: mFe = 7,85 Kg/dm3 MCu = 8,90 Kg/dm3 V, Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực: Hai thông số quan trọng nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp và dòng điện, các thông số còn lại là những thông số tham khảo khi lựa chọn. *, Tính điện áp ngược của van: Ta có: Ud = 33 V Điện áp làm việc của van: Theo công thức (1-7) Ulv = knv.U2 Với U2 =Ud/ku thay vào trên ta có: Theo (1-9) ta có công thức tính điện áp ngược Unv van phải chịu: Unv = kdtU.Ulv = kdtU ≥ 1,6 – Chọn kdtU = 1,8 Theo bảng 1.1 ta có: knv = 2. kU = 0,9 Vậy: *, Dòng làm việc của van: Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tỏa nhiệt và đầy đủ diện tích tỏa nhiệt, dòng điện làm việc cho phép của van tới 40% dòng điện định mức của van. Id = 15A Vậy: Idmv ≥ Theo bảng P.2 Bảng thông số các Thysistor công suất, ta chọn được van loại 40RIF40W15 với các thông số sau: Điện áp ngược van: Unv = 400V Dòng điện định mức: Idm = 40A Dòng điện đỉnh xung lớn nhất: Ipik max = 733A Dòng điện xung điều khiển: Idk = 150 mA Điện áp xung điều khiển: Udk = 2,5 V Dòng điện tự giữ: Ih = 200 mA Dòng điện rò: Ir = 15 mA Sụt áp trên van: ΔU = 2,4 V Tốc độ biến thiên điện áp: Thời gian chuyển mạch: tcm = 15μs Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax = 1250C *, Bảo vệ van bán dẫn khi chuyển mạch van bán dẫn: Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng mạch R-C mắc song song với van bán dẫn như hình. Khi có sự chuyển mạch, do phóng điện từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên tiếp xúc P-N. Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điện tích quá độ trong quá trình chuyển mạch van. Theo Tài liệu thiết kế ta có thể chọn các giá trị đó như sau: R = (5-30) Ώ → R = 15 Ώ C = (0,5-4) μF→ C=2 μF 1.Tính toán cánh tản nhiệt cho van: Thông số cần có: + Tổn thất công suất trên 1 Tiristor Δp = ΔU.I = 2,4.15 = 36W + Diện tích bề mặt tỏa nhiệt: km = 8 là hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ. τ – Độ tăng nhiệt so với môi trường τ = Tlv – Tmt = 80 – 40 = 400C Tlv = 800C là nhiệt độ làm việc của van Tmt = 400C là nhiệt độ môi trường Vậy: STN = 0,1125m2 Chọn loại cánh tỏa nhiệt có 12 cánh, kích thước mỗi cánh là: 10x6=60cm2 Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh: STN = 12x60x2 = 1440 cm2 = 0,144 m2 Kết luận: Tổng diện tích tỏa nhiệt của cánh tản nhiệt được chọn lớn hơn diện tích tỏa nhiệt cần thiết để đưa tổn hao nhiệt trên van ra ngoài môi trường, giữ ổn định nhiệt cho van bán dẫn. 2.Bảo vệ quá dòng cho van bán dẫn: Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động cắt mạch khi có quá tải hay xảy ra ngắn mạch Tiristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Chọn Aptomat có các thông số yêu cầu sau: + Dòng điện làm việc chạy qua Aptomat: Ilv = I1 = 2,7 A Dòng điện Aptomat cần chọn: Idm = 1,1.Ilv = 1,1.2,7 = 2,97 A Udm = 220 V Chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2,5.Ilv = 2,5.2,7 = 6,75 A Dòng quá tải: Iqt = 1,5.Ilv = 1,5.2,7 = 4,05 A Chọn cầu dao có dòng điện định mức: Icd = 1,1.Ilv = 1,1.2,7 = 2,97 A Cầu dao để tạo khoảng cách an toàn khi sửa chữa hệ thống, và cắt bộ nguồn chỉnh lưu khỏi nguồn cấp khi cần thiết. Dùng cầu chì tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch + Nhóm cầu chì 1cc: I1cc = 1,1.I2 =1,1.10,65 = 11,72 A + Nhóm cầu chì 2cc: I2cc = 1,1.Ilv-van = 1,1.15 = 16,5 A + Nhóm cầu chì 3cc: I3cc = 1,1.Id = 1,1.15 = 16,5 A Do mạch chỉnh lưu ta dùng biến áp có trung tính, tức là nguồn cấp cho van bán dẫn được lấy từ biến áp chứ không từ lưới, mà biến áp là một khâu trễ, tức là nó lọc được các xung điện áp không biến đổi sang bên thứ cấp, cho nên mạch bảo vệ xung điện áp từ lưới là không cần thiết. VI, Tính toán các thông số của mạch điều khiển: 1, Nguyên lý điều khiển: Điều khiển Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau, thường gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính. Nguyên lý điều khiển này có thể được mô tả trên hình…: Hình 12: Các đường cong điện áp quá trình điều khiển van Ta có điện áp hình sin Udf đặt vào Anod của Tiristor, để có thể điều khiển được góc mở van α của Triristor ta cần tạo một điện áp tựa dạng răng cưa URC như trên sơ đồ hình trên, điện áp răng cưa này được so sánh với điện áp điều khiển Udk. Khi nào điện áp tựa bằng với điện áp điều khiển (URC = Udk) thì ta phát xung mở Triristor Xdk, Triristor sẽ được mở từ khi có xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ, hoặc cho tới khi nào dòng điện I =0. 2, Sơ đồ khối mạch điều khiển: Để có thể điều khiển được van bán dẫn đóng mở theo nguyên lý đã nêu ở trên, ta cần mạch điều khiển với 3 sơ đồ khối được nêu ở hình…: Hình 13: Sơ đồ khối mạch điều khiển Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo điện áp tựa dạng răng cưa URC, thông thường là điện áp tựa răng cưa dạng tuyến tính, trùng pha với điện áp anod của Triristor. Khâu so sánh nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, thực hiện công việc so sánh giữa 2 điện áp, và tại thời điểm hai điện áp bằng nhau (URC = Udk) thì phát xung điều khiển Triristor gửi sang tầng khuếch đại (khâu tạo xung). Khâu tạo xung có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở Tiristor, với yêu cầu của xung mở Tiristor là có sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo xung loại này là xung kim hoặc xung chữ nhật, đủ độ rộng và công suất để mở được van, và đảm bảo là cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực. Hình 14: Dạng xung điều khiển van Mạch điều khiển chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính gồm 2 kênh điều khiển. Mỗi kênh sẽ tạo xung tương ứng cho từng van T1 và T2 khi đến nửa chu kỳ dương của điện áp hay nửa chu kỳ âm của nó. Ta có sơ đồ dạng điện áp qua bộ điều khiển xét cho kênh điều khiển van T1 như hình … *, Theo sơ đồ điều khiển hình trên: - Khâu đồng pha: Điện áp từ biến áp được đưa qua trở R1 và qua khuếch đại thuật toán A1 ta sẽ có điện áp ở B có dạng xung vuông, khi điện áp UB >0, Tr1 đóng, mạch tích phân R3 và C1 hoạt động, cho điện áp đầu ra có dạng răng cưa (), khi điện áp UB<0 Tr1 mở thông sẽ ngắn mạch A2 và cho điện áp đầu ra là 0. - Khâu so sánh: Khâu so sánh nhận điện áp từ khâu đồng pha đưa sang qua R4, tuy nhiên điện áp này là âm, tức là đồ thị nằm dưới trục hoành, để kéo đồ thị điện áp tựa này lên trên trục hoành, ta đưa vào cổng cộng 1 điện áp dương qua R5. Điện áp điều khiển được đưa vào so sánh qua trở R6. Và khi nào điện áp Udk = URC thì đầu ra của A3 sẽ phát xung để đưa sang khâu tạo xung. - Khâu tạo xung: Khâu tạo xung nhận xung điều khiển từ A3 qua C2 và R7 để tạo thời gian trễ đủ thời gian để mở van tx đưa qua biến áp xung là khâu khuếch đại để phát xung điều khiển mở các van T1 và T2. Hình 15: Sơ đồ dạng điện áp của một kênh điều khiển của mạch điều khiển 3. Tính toán thông số mạch điều khiển: Các thông số cần thiết: Điện áp điều khiển Tiristor: Udk = 2,5 V Dòng điện điều khiển Tiristor: Idk = 150 mA =0,15 A Thời gian mở Tiristor: tm = 15μs Độ rộng xung điều khiển: tx = 3.tm = 45 μs Tần số xung điều khiển: fx = 11 kHz Độ mất đối xứng cho phép: Δα = 40- Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = 12V Mức sụt biên độ xung: sx = 0,15 a. Tính biến áp xung: - Chọn vật liệu làm lõi sắt là sắt Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần đặc tính từ hóa có: ΔB = 0,3T; ΔH = 30 A/m. - Tỷ số biến áp xung: thường m = (2-3), chọn m =3. - Điện áp cuộn thứ cấp biến áp xung: U2 = Udk = 2,5 V. - Điện áp sơ cấp biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.2,5 = 7,5 V. - Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk = 0,15 A - Dòng điện sơ cấp biến áp xung: - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: Với μ0 = 1,25.10-6 (H/m) là độ từ thẩm của không khí - Thể tích lõi sắt cần có: Theo bảng 1.5 – Tài liệu thiết kế, Bảng thông số các loại lõi thép hình xuyến tròn. Ta chọn được mạch từ OA-16/20-3 có thể tích V = Q.l = 0,06.5,56 = 0,3336 cm3 Trong đó: Q- Tiết diện của lõi thép hình xuyến. l- Chiều dài trung bình của lõi thép. Với các kích thước của mạch từ như sau: a = 2 mm b = 3 mm d = 16 mm D = 20 mm Q = 0,06 cm2 l = 5,56 cm Qcs = 2 cm2 Hình 16: Lõi thép hình xuyến - Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung: Theo định luật cảm ứng điện từ: → w2 = w1/m = 188/3 ≈ 63 vòng - Chọn mật độ dòng điện: Do biến áp xung làm việc ở chế độ ngắn hạn lập lại, nên ta chọn J1 = J2 = 4 A/mm2 Khi đó: - Tiết diện dây quấn sơ cấp: - Tiết diện dây quấn thứ cấp: - Theo bảng P.5 – Tài liệu thiết kế, Thông số của dây đồng tiêu chuẩn Ta chọn được loại dây: + Sơ cấp: S1 = 0,01327 mm2 → d1 = 0,13 mm + Thứ cấp: S2 = 0,04155 mm2 → d2 = 0,23 mm - Kiểm tra lại hệ số lấp đầy: Vậy hệ số lấp đầy cho ta thấy lõi thép đã chọn đủ không gian để quấn dây. b. Tính tầng khuếch đại cuối cùng: Chọn Tranzitor công suất Tr2 loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số: Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si Điện áp giữa cực C và cực B khi hở mạch Emittơ: UCBO = 40 V Điện áp giữa cực E và cực B khi hở mạch Colecto: UEBO = 4 V Dòng điện lớn nhất ở Collecto có thể chịu đựng: ICmax = 500 mA Công suất tiêu tán ở Collecto: PC = 1,7 W Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp: T = 1750C Hệ số khuếch đại: β = 50 Dòng điện làm việc của Colecto: IC = I1 = 50 mA Dòng điện làm việc của Bazo: IB = Ta thấy dòng làm việc của Colecto và Bazo đều rất nhỏ, nên ta chỉ cần 1 Tranzitor Tr2 là đủ công suất khuếch đại cho biến áp xung, do đó không cần phải mắc mạch khuếch đại theo sơ đồ Darlington. Chọn nguồn cấp cho biến áp xung: E = +12V ta phải mắc thêm điện trở R0 nối tiếp với cực E của Tr2: Tất cả các điốt trong mạch điều khiển dùng loại 1N4009 có tham số: Dòng điện định mức: Idm = 10 A Điện áp ngược lớn nhất: UN = 25 V Điện áp để mở thông điốt: Um = 1 V c. Tính chọn tụ C2 và điện trở R7: - Điện trở R7 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào Bazo của Tranzitor Tr2, chọn R7 thõa mãn điều kiện: Trong đó: UV – Điện áp đưa vào từ tầng so sánh Ib – Dòng điện Bazo của Tranzitor khuếch đại Do UEBO = 4 V, nên ta có lấy UV = 4,5 V Khi đó: R7 > 4,5/(1.10-3) = 4,5 kΩ Chọn: R7 = 5 kΩ Chọn: C2.R7 = tx = 45μs → d. Tính chọn tầng so sánh: Khuếch đại thuật toán chọn loại TL 084 Trong đó nếu nguồn nuôi Vcc = ± 12V thì điện áp vào A3 là Uv ≈ 12V. Dòng điện vào được hạn chế để Ilv < 1mA Do đó chọn R4 = R5 = R6 > Nếu ta chọn R4 = R5 = R6 = 15 kΩ thì khi đó dòng vào A3: e. Tính chọn khâu đồng pha: - Điện áp tụ được hình thành do sự nạp của tụ C1, và để đảm bảo điện áp tụ có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian tụ được nạp: T = R3.C1 = 0,005s Chọn tụ C1 = 0,1 μF thì điện trở R3 = Để thuận tiện trong việc điều chỉnh khi lắp đặt thì thường chọn biến trở R3 lớn hơn 50 kΩ - Tr1 chọn loại A564 có các thông số sau: + Tranzito loại pnp làm bằng Si + Điện áp giữa Colecto và Bazo khi hở mạch Emito: UCBO = 25 V + Điện áp giữa Emito và Bazo khi hở mạch Colecto: UEBO = 7 V + Dòng điện lớn nhất ở Colecto có thể chịu đựng : ICmax = 100 mA + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp : Tcp = 1500C + Hệ số khuếch đại : β = 250 + Dòng cực đại của Bazo: IB - Điện trở R2 đề hạn chế dòng điện đi vào bazo của Tranzito Tr1 được chọn sao cho thỏa mãn điều kiện: R2 R2 = 30 kΩ - Chọn điện áp xoay chiều đồng pha: Udf = 9V Điện trở R1 được chọn để hạn chế dòng đi vào khuếch đại thuật toán A1. Như trên đã trình bày cả 3 khuếch đại thuật toán A1, A2, A3 đều chọn loại TL 084, do đó với nguồn nuôi ±12 V thì dòng vào hạn chế lớn nhất là 1mA. Tức chọn: Chọn R1 = 10 kΩ f. Tạo nguồn nuôi: Hình 17: Mạch tạo nguồn Thiết kế máy biến áp dùng cho cả việc tạo điện áp đồng pha và tạo nguồn nuôi, chọn kiểu máy biến áp 1 pha, trên trụ thép có 5 cuộn dây như hình trên, với một cuộn sơ cấp và 4 cuộn thứ cấp: Cuộn thứ 1 và thứ 2 là các cuộn dây đồng pha, các cuộn dây này cần lấy trung thực điện áp hình sin của lưới. Cuộn thứ 3: Cần tạo ra điện áp ±12V (có ổn áp) để cấp nguồn nuôi cho các IC, mà cụ thể là A1, A2, A3. Để ổn định điện áp đầu ra của nguồn nuôi ta dùng 2 vi mạch ổn áp 7812 và 7912, với các thông số của vi mạch như sau: + Điện áp đầu vào: UV = 7 – 35 V + Điện áp đầu ra: Với 7812 Ura = +12V Với 7912 Ura = - 12V + Dòng điện đầu ra: Ira = 0 – 1 A + Các tụ điện C để lọc thành phần sóng hài bậc cao: Chọn C = 470 μF, U = 35 V - Cuộn thứ 4: Cuộn này có nhiệm vụ tạo nguồn nuôi cho biến áp xung, cấp xung điều khiển cho các Tisistor. Mỗi khi phát xung điều khiển công suất xung đáng kể, nên nguồn cấp cho biến áp xung cần phải độc lập với nguồn cấp cho các khuếch đại thuật toán để tránh bị sụt áp nguồn. * Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha: Điện áp lấy ra ở thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi IC: U23 = 14 V. Công suất tiêu thụ ở 6 IC TL 084 sử dụng làm khuếch đại thuật toán ta chọn 2 IC TL 084 khi đó sẽ có 8 khuếch đại thuật toán, ta sử dụng 6 khuếch đại thuật toán cho 2 kênh điều khiển và 1 cho mạch trừ để lấy đường hồi tiếp dòng điện (tính toán ở phần sau): PIC = 7.pIC = 7.0,68 = 4,76 W Công suất biến áp xung cấp cho cực điều khiển Tiristor: PX = 6.Udk.Idk = 6.2,5.0,15 = 2,25 W Điện áp pha thứ cấp cuộn dây nguồn nuôi biến áp xung: U24 = Điện áp lấy ra ở cuộn đồng pha U21 = U22 = Udf = 9 V Dòng điện chạy qua cuộn dây chọn 10 mA. Công suất các cuộn dây đồng pha: Pdf = 2.Udf.IX = 2.9.0,01 = 0,18 W Công suất sử dụng cho việc tạo nguồn nuôi: PN = Pdf + PX + PIC = 0,18 + 2,25 + 4,76 = 7,19 W. Công suất của máy biến áp có kể đến 5% tổn hao trong máy: S = 1,05.PN = 1,05.7,19 = 7,55 W 10. Dòng điện sơ cấp biến áp: 11. Tiết diện trụ được tính theo công thức: kQ = 5 là hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát. m = 1 là số pha f = 50 là tần số lưới điện 12 Chọn mật độ từ cảm B = 1T ở trong tụ ta có số vòng dây quấn sơ cấp: vòng Chọn mật độ dòng điện J1 = J2 = 2,75 A/mm2 Tiết diện dây quấn sơ cấp: Theo bảng P5- Thông số của dây đồng tiêu chuẩn Chọn dây có S1 = 0,01327 mm2 d1 = 0,13 mm Với đường kính ngoài kể cả cách điện: Dn = 0,15 mm Số vòng dây quấn thứ cấp w21: w21 = w1. vòng Số vòng dây quấn thứ cấp w23: w23 = w1. vòng Số vòng dây quấn thứ cấp w24: w24 = w1. vòng Đường kính các dây quấn cuộn thứ cấp vì kích thước nhỏ không đáng kể nên chọn 0,26 mm Tính chọn diod cho các bộ chỉnh lưu nguồn nuôi: Với cuộn dây 3: Xét trường hợp chỉ cuộn 3 làm việc thì khi đó: I3 = Dòng điện qua mỗi van: ID = ½ I3 = 0,27 A → Dòng điện định mức van: Idm = 10.ID =10.0,27 = 2,7 A Điện áp ngược van: Unmax = Điện áp ngược của van cần chọn: Unv = kdtU.Unmax = 1,8.19,8 = 35,64 V Với kdtU = 1,8 là hệ số dự trữ điện áp Với cuộn dây 4: Xét trường hợp chỉ cuộn 4 làm việc thì khi đó: I4 = Dòng điện qua mỗi van: ID = ½ I4 = 0,443 A → Dòng điện định mức van: Idm = 10.ID =10.0,443 = 4,43 A Điện áp ngược van: Unmax = Điện áp ngược của van cần chọn: Unv = kdtU.Unmax = 1,8.12,03 = 21,66 V Để đơn giản ta chọn cùng 1 loại diod đáp ứng được cả yêu cầu của 2 dãy diod trên. Theo bảng P1- Thông số diod công suất, chọn được loại MR2000 với các thông số: + Dòng điện chỉnh lưu cực đại: Imax = 20 A + Điện áp ngược của diod : Unv = 50 V 4. Tính toán điện trở Sun hồi tiếp dòng điện: - Ta sử dụng 3 điện trở sun có dòng điện định mức: Iđm = 6 (A) mắc nối tiếp với tải ắc quy, đều có giá trị điện trở sun là 10 Ω, như sơ đồ hình vẽ: Rs1 = Rs2 = Rs3 = 10 Ω Khi đó giá trị U0 là điện áp rơi trên các điện trở sun được tính theo: → U0 = Khi giá trị dòng điện ổn định là 15 A, ta có: U0 = = 50V Hình 18: Điện trở sun - Điện áp của khâu đồng pha tạo điện áp răng cửa luôn luôn là 12V, với góc mở αmin = 100 và αmax = 78,10 ta xác định được dải điều chỉnh của điện áp Udk: + Với αmin = 100 → Udk = 11,33 V + Với αmax = 78,10 → Udk = 6,79 V Vậy Udk = (6,8 – 11,3)V Khi bắt đầu làm việc thì giả sử sức điện động của ăc quy sụt giảm đến mức thấp nhất cho phép, khi đó góc mở van sẽ là cực đại α = αmax = 78,10 Trong quá trình nạp sức điện động của ắc quy tăng dần, tức là dòng điện nạp giảm dần, để giữ cho dòng điện nạp ổn định thì phải tăng dần điện áp điều khiển. Khi đó tín hiệu phản hồi được đưa qua mạch trừ như sau: Hình 19: Mạch trừ lấy hồi tiếp Ta có biểu thức điện áp đầu ra Udk: Khi đó ta chọn được các giá trị điện trở như sau: R8 = R9 = 10 kΩ R10 = R11 = 1 kΩ Thì giá trị ban đầu Udk = 7V. TÓM TẮT CÁC THÔNG SỐ: Van động lực Tiristor: Loại 40RIF40W15 Lõi thép hình xuyến : Loại OA-16/20-3 Tr1: Loại A564 Tr2: Loại 2SC9111 A1,A2,A3,A4: TL 084 C1 = 0,1 μF C2 = 0,009 μF R1 = 10 kΩ R2 = 30 kΩ R3 = 50 kΩ R4 = R5 = R6 = 15 kΩ R7 = 5 kΩ R8 = R9 = 10 kΩ R10 = R11 = 1 kΩ Udk = (6,8 – 11,3)V Diod mạch tạo nguồn: Loại MR2000 Diod mạch điều khiển: 1N4009.