›

Luận văn Thiết kế bộ nạp ắc qui tự động

pdf 76 trang yendo 5980
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Thiết kế bộ nạp ắc qui tự động", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_van_thiet_ke_bo_nap_ac_qui_tu_dong.pdf

Nội dung text: Luận văn Thiết kế bộ nạp ắc qui tự động

  1. Luận văn tốt nghiệp Đề tài Thiết kế bộ nạp ắc qui tự động
  2. LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI thiết kế bộ nạp ắc qui tự động
  3. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUI I.1 : Khái niệm Ắc qui là nguồn hòa hoạt động trên cơ sở hai điện cực có điện thế khác nhau, nó cung cấp dòng điện một chiều cho các thiết bị điện dùng trong công nghiệp cũng như trong dân dụng . Đặc điểm Khi ắc qui phóng hết điện ta phải tiến hành nạp điện cho ắc qui ,sau đó ắc qui lại có thể phóng điện lại được . Ắc qui có thể thực hiện nhiều chu kì phóng nạp nên ta có thể sử dụng lâu dài . Phân loại Trong thực tế kỹ thuật có nhiều loại acqui nhưng phổ biến và thường dùng nhất là : + ắc qui chì-axit + ắc qui kiềm. Tuy nhiên ắc qui chì-axit trong thực tế được sử dụng rông rãi hơn . I.2: Ứng dụng của ắc qui: Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá, nó cung cấp điện cho các thiết bị điện phục vụ trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như cung cấp điện cho động cơ điện, bóng đèn, là nguồn nuôi cho các thiết bị điện tử . Cấu tạo của ắc qui. Ắc qui là một nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân, với ắc qui chì axit sức điện động danh định của một ắc qui đơn là 2,1vôn. + Muốn tăng khả năng dự trữ năng lượng của ắc qui người ta tăng số lượng cặp bản cực dương âm trong mỗi ắc qui đơn. + Để tăng giá trị sức điện động của nguồn người ta ghép nối nhiều ắc qui đơn thành một bình ắc qui. Sinh viên:Dương Văn Phúc 1 TĐH2 – K49
  4. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động + - Hình 1.1: Cấu tạo của ắc qui. I.3: Cấu tạo của ắc qui: Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dương, phân khối bản cực âm, các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau. Cấu tạo của một bản cực trong ắc qui gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó. Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng được đúc từ chì và chúng được đúc từ chì và có pha thêm 5 ÷ 8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắt lưới. 2 3 Hình 1.2: Cấu tạo bản cự của ắc qui. 1. Vấu bản cực 2. Chất tác dụng 3. Cốt bản cực Sinh viên:Dương Văn Phúc 2 TĐH2 – K49
  5. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong thành phần chất tác dụng còn có thêm khoảng 3 % chất nở ( các muối hưu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện được độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm . Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc qui đơn được hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với nhau thành khối bản cực âm. Số lượng các bản cực trong mỗi ắc qui thường từ 5 đến 8 tấm, bề dầy tấm bản cực dương của ắc qui thường từ 1,3 đến 1,5 mm , bề dày tấm bản cực âm thường mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm . Số bản cực âm trong ắc qui thường nhiều hơn số bản cực dương một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực. Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn được làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm và có dạng lượn sóng, trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua. I.4: Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. + Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện. + quá trình ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện. +Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lượng. I.4.1:Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit: Trong ắc qui axit có các bản cực dương là đôixit chì ( PbO2 ), các bản âm là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H2SO4 ) nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 % (- ) Pb ⏐ H2SO4 d = 1,1 ÷ 1,3 ⏐ PbO2 (+ ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit : Phóng PbO2 + 2H2SO4 (H2 O) + Pb N ạ p PbSO4 + H2O + PbSO4 Cực d d điện phân cực cực d d điện phân cực dương âm dương âm Thế điện động e = 2,1 V. Sinh viên:Dương Văn Phúc 3 TĐH2 – K49
  6. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động - Khi nạp nhờ nguồn điện nạp mà ở mạch ngoài các điện tử “e” chuyển động từ các bản cực âm đến các bản cực dương. Đó là dòng điện nạp In. - Khi phóng điện dưới tác động của sức điện động riêng của ắc quy các điện tử sẽ chuyển động theo hướng ngược lại từ dương đến âm và tạo thành dòng điện phóng - Khi ắc quy đã nạp no, chất tác dụng ở các bản cực dương là PbO2 còn ở các bản cực âm là chì xốp Pb, khi phóng điện các chất tác dụng ở hai bản cực đều trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ. Trạng thái năng lượng của ắc quy quan hệ với quá trình biến đổi hoá học ở các bản cực và dung dịch điện phân được tóm tắt ở bảng sau: Trạng thái Bản cực dương Dung dịch điện Bản cực âm của phân ắc quy Đã được nạp PbO2 2H2SO4 Pb no (oxit chì ) (axit sufuric ) (Chì xốp nguyên chất ) Đã phóng hết PbSO4 H2O PbSO4 điện (Sunphat chì ( Nước ) (Sunfat chì tinh tinh thể nhỏ) thể nhỏ ) Nhận xét: Khi phóng điện axít sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat còn nước bị phân hoá ra, do đó nồng độ của dung dịch giảm đi. Khi nạp điện thì ngược lại nhờ hấp thụ nước và tái sinh ra axit sufuric nên nồng độ của dung dịch tăng lên. Sự thay đổi nồng độ của dung dịch điện phân khi phóng và nạp là một trong những dấu hiệu để xác định mức phóng điện của ắc quy trong khi sử dụng. Sinh viên:Dương Văn Phúc 4 TĐH2 – K49
  7. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động I.4.2: Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm: Trong ắc qui kiềm có bản cực dương là Ni(OH)3 , bản cực âm là Fe, dung dịch điện phân là: KOH nồng độ d = 20 % ( - ) Fe ⏐ KOH d = 20% ⏐ Ni(OH)3 ( + ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm : Phóng Fe + 2Ni(OH)3 N ạ p Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2 Thế điện động e = 1,4 V. Nhận xét: Trong các quá trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc qui nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui. I.4.3:Các thông số cơ bản của ắc qui: - Sức điện động của ắc qui kiềm và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm : Eo = 0,85 + γ ( V ) Trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V ). γ - Nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm3 ). Ngoài ra suất điện động còn phụ thuộc vào nhiệt độ trong dung dịch . Nhiệt độ (°C) 15 20 25 30 35 40 Dung dịch pha ban đầu γ 1,237 1,234 1,230 1,226 1,219 1,212 Dung dịch ngừng sử dụng 1,187 1,183 1,180 1,177 1,170 1,164 +Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui được tính theo công thức: Sinh viên:Dương Văn Phúc 5 TĐH2 – K49
  8. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Ep = Up + Ip. Trong đó : Ep - Sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V ) Ip - Dòng điện phóng ( A ) Up - Điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V) raq - Điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( Ω ) +Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui được tính theo công thức: En = Un - In.raq Trong đó : En - Sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V ) In - Dòng điện nạp ( A ) Un - Điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V ) raq - Điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( Ω ) - Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng điện của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức : Cp = Ip.tp Trong đó : Cp - Dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah ) Ip - Dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A ) tp - Thời gian phóng điện ( h ). - Dung lượng nạp của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắc qui và được tính theo công thức : Cn = In.tn Trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ). Sinh viên:Dương Văn Phúc 6 TĐH2 – K49
  9. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động I.5: Đặc tính phóng nạp của ắc qui: I.5.1. Đặc tính phóng của ắc qui. I (A) E U (V) 2,11 Khoảng 1,95 E nghỉ 10 UP 1,75 Vùng phóng điện cho phép 5 CP = IP.tP t 0 4 8 12 8 20 Hình 1.3: Đặc tính phóng của ắc qui. - Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi . - 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 hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui ( dòng điện phóng ) của ắc qui. - Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc qui 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 ắc qui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép Sinh viên:Dương Văn Phúc 7 TĐH2 – K49
  10. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động của ắc qui, các giá trị Ep, Up, ρ 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 ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc qui. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc qui (dòng điện phóng và thời gian phóng ). I.5.2: Đặc tính nạp của ắc qui: Đặc tính nạp của ắc qui 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. . I (A) U,E (V) Bắt đầu sôi 2,7V 2,4V 2,4V Khoản Un gnghỉ Eaq 2,1V 2 Eo 1,95V Vùng nạp Vùng nạp no chính 10 1 5 Cn = In.tn t (2÷3) h 0 10 ts 20 Hình 1.4: Đặc tính nạp của ắc qui. - Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau : +Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = ts thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. +Tới thời điểm tn = 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 ắc qui Sinh viên:Dương Văn Phúc 8 TĐH2 – K49
  11. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động 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 ắc qui. +Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ÷ 3 h trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi . Như vậy dung lượng thu được khi ắc qui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc qui. +Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp. +Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui. Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C20 . Trong đó C20 là dung lượng của ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là In = 0,1C20 thì sau 20 giờ ắc qui sẽ đầy. Ví dụ với ắc qui C = 200Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung lượng ( tức In = 20A ) thì sau 20 giờ ắc qui sẽ đầy. I.5.3 :So sánh ắc quy kiềm và ắc quy axit Sự khác nhau cơ bản của ắc quy kiềm và ắc quy axit được trình bày ở bảng sau: Ắc quy axit Ắc quy kiềm - Kh ả năng quá tải không cao, dòng - Khả năng quá tải rất lớn nạp lớn nhất đạt được khi quá tải dòng điện nạp lớn nhất khi là Inmax = 20%Q10 đó có thể đạt tới 50%Q10 - Hiện tượng tự phóng lớn, ắc quy - Hiện tượng tự phóng nhỏ nhanh hết điện ngay cả khi không sử dụng. - Sử dụng rộng rãi trong đời sống - Với những khả năng trên công nghiệp, ở những nơi có nhiệt thì ắc quy kiềm thường sử độ cao va đập lớn nhưng đòi hỏi những nơi yêu cầu công suất công suất và quá tải vừa phải. cao và quá tải thường xuyên - Dùng trong xe máy, ôtô, các động - Dùng trong công nghiệp cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ. hàng không, hàng hải và quốc phòng Sinh viên:Dương Văn Phúc 9 TĐH2 – K49 - Giá thành thấp. - Giá thành cao.
  12. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động I.6:Các phương pháp nạp ắc qui tự động. Có ba phương pháp nạp ắc qui là: + Phương pháp dòng điện. I.6:Các phương pháp nạp ắc qui tự động. Có ba phương pháp nạp ắc qui là: + Phương pháp dòng điện. + Phương pháp điện áp. + Phương pháp dòng áp. I.6.1: Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi. _ A _ V Un DD + + R R A A _ _ ++ . . Hình 1.5: Nạp với dòng điện không đổi. Sinh viên:Dương Văn Phúc 10 TĐH2 – K49
  13. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mọi loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá. Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện : Un ≥ 2,7.Naq Trong đó: Un - điện áp nạp Naq - số ngăn ắc qui đơn mắc trong mạch Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui 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 : U n − 2,0N aq R = In Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc qui đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ÷ 0,5 )C20 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,05C20. I.6.2: Phương pháp nạp với điện áp không đổi. Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với Un A V 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 ắc qui không được nạp no. Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng. Hình 1.6: Nạp với điện áp không đổi. I.6.3: 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. Sinh viên:Dương Văn Phúc 11 TĐH2 – K49
  14. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Đối với yêu cầu của đề bài là nạp ắc qui tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp ắc qui là phương pháp dòng áp. - Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoản thời gian tn = 16h tương ứng với 75 ÷ 80 % dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1C20. Vì theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 16h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 20h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 ÷ 3h. - Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do khả năng quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,1C20 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,25C20 . Các quá trình nạp ắc 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. Kết luận: - Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho nên khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong ắc qui sẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn định dòng nạp cho ắc qui. - Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp. - Tuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau + ắc qui axit : - Dòng nạp ổn định In = 0,1C20 - Dòng nạp cưỡng bức In = ( 0,3 ÷ 0,5 )C20. + ắc qui kiềm :- Dòng nạp ổn định In = 0,1C20 - Dòng nạp cưỡng bức In = 0,25C20 . * Từ các phân tích ở trên ta tính toán dòng nạp và điện áp nạp theo yêu cầu đầu bài chúng ta tiến hành nạp ắc qui với dòng điện không đổi. + Dòng điện nạp In = 0,1x40 = 4A Sinh viên:Dương Văn Phúc 12 TĐH2 – K49
  15. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Từ yêu cầu của đề tài chúng ta có: số lượng ắc qui là 100 chiếc. Do vậy chúng ta có thể có 3 cách mắc để nạp điện cho ắc qui. + Mắc 100 ắc qui nối tiếp với nhau. Dòng điện nạp nhỏ In=0,1x40=4A Điện áp nạp lại rất lớn Un=100x16,2=1620A + Mắc 100 ắc qui song song với nhau: Dòng điện nạp nhỏ In=0,1x40x100=400A Điện áp nạp nhỏ Un=16,2V + Mắc hỗn hợp 100 ắc qui thành 4 dãy song song, mỗi dãy có 25 ắc qui nối tiếp với nhau Dòng điện nạp In=0,1x40x4=16A Điện áp nạp Un=16,2x25=405V Nhận xét: Như vậy chúng nếu chúng ta dùng cách mắc 100 ắc qui nối tiếp với nhau thì dòng điện nạp trong quá trình ổn dòng nhỏ In=4A còn điện áp nạp khi nạp ở chế độ ổn áp sẽ rất lớn Un=1620V.Phương pháp này không thoả mãn yêu cầu của công nghệ vì điện áp nạp quá lớn. Còn với cách mắc 100 ắc qui thành 100 chiếc song song với nhau thì dòng điện nạp rất lớn (In=400A) còn điện áp nạp nhỏ( Un=16,2V). Phương pháp này thoả mãn yêu cầu của công nghệ nhưng do dòng điện quá lớn nên chúng ta phải chọn van chịu được công sất lớn, do vậy sẽ không đạt được về vấn đề kinh tế.Từ đó chúng ta thấy : Phương pháp tối ưu nhất vừa đáp ứng được yêu cầu của công nghệ vừa đạt được hiệu quả kinh tế là phương pháp mắc hỗn hợp. ` Sinh viên:Dương Văn Phúc 13 TĐH2 – K49
  16. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động _ A Un D + A VR _ + _ + _ + Hình 1.7: Phương pháp đấu nối ắc qui để nạp điện CHƯƠNG II: Sinh viên:Dương Văn Phúc 14 TĐH2 – K49
  17. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động CÁC PHƯƠNG ÁN LỰA CHỌN MẠCH LỰC Giới thiệu chung Khái niêm: Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều thành năng lượng dòng điện một chiều . Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi trong thực tế .Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu như trên hình 2.0 . P~ P~ P= P= BA MV LỌC U1~ U2~ Ud ,Id Ud ,Id Kđ mv Kđmra Hình 2.0- Sơ đồ cấu trúc mạch chỉnh lưu BA: Biến áp, làm hai nhiệm vụ : Chuyển từ điện áp quy chuẩn của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải . Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. MV: Mạch van, là các van bán dẫn được mắch với nhau theo kiểu nào đó. lọc: Mạch lọc, nhằm đảm bảo cho điện áp hoặc dòng điện cấp cho tải là bằng phẳng đúng theo yêu cầu . Phân loại: Theo số pha cấp cho mạch van :Một pha, hai pha, sáu pha. Theo van bán dẫn: CL không điều khiển, có điều khiển và bán điều khiển. Theo sơ đồ mác các van với nhau:Sơ đồ hình tia và sơ đồ hình cầu. II.1: MẠCH CHỈNH LƯU TRISTOR 2 NỬA CHU KỲ. Sinh viên:Dương Văn Phúc 15 TĐH2 – K49
  18. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.1.1. Sơ đồ: T1 U21 Rd Ld U1 U22 T2 Hình 2.1: mạch chỉnh lưu Tristor 2 nửa chu kỳ. II.1.2. Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 16 TĐH2 – K49
  19. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động UG α G1 ααG2 G1 t U 02Π3ΠΠ t Ud U21 U22 U21 t id IT1 t t IT2 t i1 t Ung t II.1.3: Nguyên lý động. Sinh viên:Dương Văn Phúc 17 TĐH2 – K49
  20. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động α ÷ Л : T1 thông Ut = U21, It = IT1. Л + α ÷ 2Л : T2 thông Ut = U22, It = IT2. 2Л + α ÷ 3Л : T1 thông Ut = U21, It = IT1. II.1.4: Các công thức cơ bản: - Điện áp trên tải: 1 2π 1 π +α 2 2 1+ cosα 2.U .sinθ.dθ 2.U .sinθ.dθ U Ud = ∫ 2 = ∫ 2 = 2 2π 0 π α π 2 U - Dòng điện trên tải: Id = d Rd Id - Dòng điện qua van: IT = 2 - Điện áp ngược trên van: Ung = 2,83U2 - Dòng điện phía thứ cấp: I2 = 0,58Id - Dòng điện phía sơ cấp: I1 = 1,11Id.Kba - Công suất tải: Pd = Ud.Id - Công suất máy biến áp: Sba = 1,48Pd Nhận xét: Mạch chỉnh lưu có điều khiển 1F 2 nửa chu kỳ có điểm trung tính có cấu tạo đơn giản, dễ dàng đấu nối, ít kênh điều khiển, điện áp và dòng điện liên tục trong suốt quá trình làm việc. Mạch thường được sử dụng trong những mạch có công suất nhỏ và vừa. Sinh viên:Dương Văn Phúc 18 TĐH2 – K49
  21. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.2: MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN CẦU 1PHA II.2.1: Sơ đồ. U1 U2 T4 T1 T3 T2 Rd Ld Hình 2.3: Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu 1F. II.2.2:Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 19 TĐH2 – K49
  22. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động UG α G1 α G2 α G1 t U 0 Π 2Π 3Π t Ud t id t IT1 t IT2 t i1 t Ung t II.2.3: Nguyên lý: Sinh viên:Dương Văn Phúc 20 TĐH2 – K49
  23. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động α ÷ Л : T1, T3 thông Ud = U21, Id = IT1 = IT3. Л + α ÷ 2Л : T2, T4 thông Ud = U22, Iđ = IT2 = IT4. 2Л +α ÷ 3Л : T1, T3 thông Ud = U21, Id = IT1 = IT3. II.2.4: Các công thức cơ bản: - Điện áp trên tải 1 2π 1 π +α 2 2 2.U .sinθ.dθ 2.U .sinθ.dθ U cosα − cos π + α Ut = ∫ 2 = ∫ 2 = 2 []() 2π 0 π α π U d - Dòng điện trên tải: Id = Rd Id - Dồng điện qua van: IT = 2 - Điện áp ngược trên van: Ung = 1,41U2 - Dòng điện phía thứ cấp: I2 = 0,58Id - Dòng điện phía sơ cấp:I1 = 1,11Id.Kba - Công suất tải: Pd = Ud.Id - Công suất máy biến áp: Sba = 1,23Pd Nhận xét: Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu 1F 2 có cấu tạo phức tạp hơn mạch chỉnh lưu có điều khiển 1F có điểm trung tính. Mạch sử dụng nhiều kênh điều khiển hơn, điện áp và dòng điện liên tục trong suốt quá trình làm việc. Mạch thường được sử dụng trong những mạch có công suất nhỏ và vừa. Sinh viên:Dương Văn Phúc 21 TĐH2 – K49
  24. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.3: MẠCH CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN ĐỐI XỨNG CẦU 3PHA II.3.1: Sơ đô: Uc U B UA Uc U b Ua T4 T1 T6 T3 T2 T5 Rd Hình 2.5: Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3F. II.3.2: Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 22 TĐH2 – K49
  25. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động UG UG1 t UG2 t UG3 t UG4 t UG5 t UG6 U T 1 T 3 T 5 T1 t t T 6 T 2 T 4 T 6 T 2 Ud I d t I T1,T4 t IT1I T4 IT1 I T3,T6 t IT6 IT3 IT6 I T2,T5 t IT5 IT2 IT5 IT2 Ung t t II.3.3: Nguyên lý hoạt động. Sinh viên:Dương Văn Phúc 23 TĐH2 – K49
  26. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Mỗi Tiristor được phát 2 xung điều khiển. - Xung thứ nhất xác địnhgóc mở α . - Xung thứ 2 đảm bảo thông mạch tải. II.3.4: Một số công thức cơ bản. - Dòng điện áp trên tải: Ud = Udocosα = 2,34U2cosα . U d - Dòng điện trên tải: Id = . Rd I d - Dòng điện trung bình qua van: IT = . 3 - Điện áp ngược đặt lên van: Ung = 2,45U2. - Dòng điện phía thức cấp: I2 = 0,816Id. - Dòng điện phía sơ cấp: I1 = 0,816Id.Kba. - Công suất máy biến áp: Sba =1,05Pd. - Công suất tải: Pd = UdoId. Nhận xét. Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3F thường được sử dụng rộng dãi 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. Sinh viên:Dương Văn Phúc 24 TĐH2 – K49
  27. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.4: MẠCH CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN HÌNH TIA 3PHA II.4.1: Sơ đồ. ` A T1 a B T b 2 C T c 3 Rd Ld Hình2.6:Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng tia 3F Sinh viên:Dương Văn Phúc 25 TĐH2 – K49
  28. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.4.2: Dạng điện áp. UG ααG1 G2α G3α G1 t U 0Π 2Π3Πt Ud I T1 t01t t2 t3 t4 t I T2 t I T3 t I d t t Sinh viên:Dương Văn Phúc 26 TĐH2 – K49
  29. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.4.3: 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 . II.4.4: Các công thức cơ bản: - Điện áp trên tải 5π +α 1 2π 3 6 U (t)d 2.U .sin(t)d Ud = ∫ d (t) = ∫ 2 (t) 2π 0 2π π α + 6 3 2U 3 6 = 2 . 3.cosα = U cosα 2π 2π 2 U d - Dòng điện trên tải: I d = Rd I - Dồng điện qua van: I = d T 3 - Giá trị trung bình của điện áp chỉn lưu: U d 0 = 1,17U 2 - Điện áp ngược trên van: U ng = 2,45U 2 - 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 cầu 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. Sinh viên:Dương Văn Phúc 27 TĐH2 – K49
  30. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.5: MẠCH CHỈNH LƯU BÁN ĐIỀU KHIỂN CẦU 1PHA II.5.1: Sơ đồ. U1 U2 T2 T1 D2 D1 Rd Hình 2.7: Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu 1F. II.5.2: Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 28 TĐH2 – K49
  31. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động UG α G1 α G2 α G1 t U 0Π 2Π3Πt Ud t id t IT1 t IT3 t ID1 t ID2 Ung t Sinh viên:Dương Văn Phúc 29 TĐH2 – K49
  32. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.5.3: Nguyên lý hoạt động: Sơ đồ cầu cho phép sử dụng một nửa số van là Tiristor, nửa còn lại là Diôt, do đó làm giảm được giá thành thiết bị biến đổi vì Diôt rẻ hơn Tiristor. Sơ đồ điều khiển cũng trở nên đơn giản hơn. Khi t = α phát xung điều khiển mở van T1. Trong khoảng thời gian t = α á π tiristor T1 và diôt D2 cho dòng điện chạy qua. Khi điện áp U2 bắt đầu đổi dấu diôt D1 mở ngay, T1 bị khóa lại , dòng id = Id chuyển từ T1 sang D1. Lúc này diôt D1 và D2 cùng cho dòng điện chạy qua, Ud = 0. Khi t =π + α phát xung mở T2 dòng tải id = Id chạy qua diôt D1 và tiristor T2. Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng của tiristor và diôt không bằng nhau - Góc dẫn dòng của diôt λ D = π + α . - Góc dẫn dòng của tiristor λ T = π - α . II.5.4: Các công thức cơ bản: - Giá trị trung bình của điện áp tải. 1 π 2U 2U sinφ.dφ 2 (1+ cosα) Ud = ∫ 2 = . π α π - Dòng điện tải: U d I d = . Rd - Dòng điện chạy qua Tiristor: 1 π π −α I = I .dφ = I . T ∫ d d . 2π α 2π - Dòng điện chạy qua Diôt: 1 π +α π + α I = I .dφ = I . D ∫ d d . 2π α 2π - Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua cuộn thứ cấp của máy biến áp: 1 π α I = . I 2 .dφ = I 1− 2 ∫ d d π α π - Điện áp ngược trên Tiristor và Diôt U ng = 2U 2 Sinh viên:Dương Văn Phúc 30 TĐH2 – K49
  33. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Nhận xét: Sơ đồ cầu một pha không đối xứng đơn giản, dễ dàng đấu nối. Do sử dụng 2 điôt thay cho 2 tiristor nên giá thành mạch rẻ. Mạch thường được sử dụng trong những mạch có công suất nhỏ và vừa. Do sử dụng 2 tiristor kết hợp với 2 diôt nên mạch sử dụng ít kênh điều khiển, chính vì vậy việc thiết kế mạch điều khiển trở nên dễ dàng hơn. Kết luận: - Trong các sơ đồ chỉnh lưu chúng ta thấy dùng sơ đồ chỉnh lưu đối xứng và chỉnh lưu không đối xứng cầu ba pha cho chúng ta chất lượng điện áp và dòng điện tốt nhưng mạch sử dụng nhiều kênh điều khiển do vậy việc thiết kế mạch phức tạp, mạch sử dụng nhiều Tiristor nên giá thành cao không kinh tế. - Do yêu cầu của công nghệ, mạch nạp có công suất nhỏ In = 16A, Un = 405V, nên chúng ta chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng. Mạch có những ưu điểm sau: + Hiệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ như cầu 1 pha đối xứng. + Đơn giản hơn vì số lượng Tiristor giảm xuống chỉ còn 2 nên mạch điều khiển có ít kênh điều khiển hơn, bảo đảm kinh tế hơn. + Cùng một dải điều chỉnh điện áp một chiều thì cầu không đối xứng điều khiển chính xác hơn. CHƯƠNG III: Sinh viên:Dương Văn Phúc 31 TĐH2 – K49
  34. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC Việc lựa chọn, thiết kế và tính toán mạch động lực quyết định đến chất lượng của nguồn cấp khi nạp cho acqui, vì thế , nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của acqui. Việc lựa chọn, thiết kế và tính toán mạch động lực hết sức quan trọng trọng ,vừa phải đảm bảo về mặt kỹ thuật ,vừa phải đảm bảo tính kinh tế . Từ những phân tích ở trên: Ta chọn mạch nạp ắc qui là sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng. III.1: Các cách bố trí mắc ắc qui vào nguồn nạp: III.1.1: Mắc song song các bình ắc qui vào nguồn nạp. U1 U2 T2 T1 D2 D1 Un _ + _ + _ + Hình 2.1: Mắc song song ắc qui vào nguồn Các ắc qui cần nạp điện được mắc song song với nhau và nối vào nguồn nạp. Khi nạp đầy điện áp trong mỗi ngăn ắc qui đơn là 2,7V, do vậy điện áp ở nỗi ắc qui là 16,2V. Do điện áp một chiều nạp cho ắc qui nhỏ nên chúng ta không thể lấy trực tiếp từ lưới điện thông qua việc điều chỉnh góc mở α trên dải Sinh viên:Dương Văn Phúc 32 TĐH2 – K49
  35. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động điện áp nguồn. Phương án này cần có 1 biến áp lực để hạ điện áp xuống điện áp cần sử dụng trước khi đưa vào mạch chỉnh lưu. Cách mắc này cho phép chúng ta sử dụng một nguồn điện nhỏ song lại cần một dòng điện rất lớn. Ví dụ ắc qui 12V - 40Ah dòng nạp là In = 0,05C20 = 0,05.40 = 2A, dòng nạp cần cung cấp cho 100 ắc qui là In = 2.100 = 200A. III.1.2: Mắc nối tiếp các bình ắc qui vào nguồn nạp. ` U1 U2 T2 T1 D2 D1 Un _ _ _ _ + + + + Hình 2.8: Mắc nối tiếp ắc qui vào nguồn nạp Khi mắc các ắc qui nối tiếp với nhau, điện áp nạp bằng tổng điện áp của các ắc qui đơn Un = Ud = n.16,2 = 100.16,2 =1620V, do vậy điện áp sẽ rất lớn. Dòng điện nạp bằng dòng điện cho mỗi ắc qui đơn: In = Id = 0,05.C20 = 0,05.40 = 2A. III.1.3: Mắc hỗn hợp các bình ắc qui vào nguồn nạp. Sinh viên:Dương Văn Phúc 33 TĐH2 – K49
  36. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động U1 U2 T2 T1 D2 D1 RS A Rf + + Hình 2.9: Mắc hỗn hợp các ắc qui vào nguồn nạp Các ắc qui được mắc nối tiếp với nhau thành từng nhóm rồi mắc song song với nhau sau đó đưa vào nguồn nạp. Phương pháp này tận dụng được ưu điểm của 2 phương pháp trên, dòng điện nạp và điện áp giảm. Sinh viên:Dương Văn Phúc 34 TĐH2 – K49
  37. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động - Điện áp nạp: Un = n.Uaq Trong đó Un: điện áp cho mỗi nhánh của ắc qui n: số lượng ắc qui trong nhánh Uaq: điện áp lớn nhất nạp cho ắc qui - Dòng điện áp nạp: In = N.Iaq. Trong đó In: tổng dòng điện các nhánh. N: số nhánh ắc qui mắc nối tiếp. Iaq: dòng điện nạp cho ắc qui. Nhận xét: Trong 3 phương pháp mắc ắc qui sử dụng trong mạch nạp chúng ta thấy cách thứ 3 là phương pháp tối ưu, nó tận dụng được ưu điển của 2 phương pháp trên. Dòng điện và điện áp vừa phải do vậy dễ dàng cho việc lựa chọn thiết bị biến đổi. III.2: Tính chọn van mạch lực III.2.1. Số liệu cho trước: - Điện áp nguồn một pha: U1 = 220 V; f = 50 Hz. - Điện áp nạp cho ắc qui:Un = Ud = 405V. - Dung lượng của ắc qui: C = 40A/h. - Số lượng ắc qui: n = 100. - Góc điều khiển: α = 30˚=0.523 rad III.2.2: Số liệu tính toán và chọn lựa van. Từ yêu cầu của đề tài chúng ta có. - Điện áp thứ cấp của máy biến áp: Từ công thức: 2U U = 2 (1+ cosα) . d π Điện áp Ud đạt max khi góc α = 0. U d .π 405.3,14 ⇒ U 2 = = = 449,6V 2 2 2 2 - Dòng điện nạp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 35 TĐH2 – K49
  38. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động I n = I d = 4.4 = 16A . - Điện áp nạp: U n = 16,2.25 = 405V . - Điện trở nạp: U − 2,0.N 405 − 2.150 R = n aq = = 6,6Ω . I n 16 - Dòng điện chạy qua Tiristor: 1 π π −α 3,14 − 0,523 I = I .dφ = I . = 16. = 6,67A T ∫ d d . 2π α 2π 2.3,14 - Dòng điện chạy qua Diôt: 1 π +α π + α 3,14 + 0,523 I = I .dφ = I . = 16. = 9,33A D ∫ d d . 2π α 2π 2.3,14 - Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua cuộn thứ cấp của máy biến áp: 1 π α 0,523 I = . I 2 .dφ = I 1− = 16. 1− = 14,61A 2 ∫ d d π α π 3,14 - Điện áp ngược đặt nên diôt và tiristor. U ng = 2U 2 = 2.449,6 = 635,83V Chọn van Để đảm bảo cho các van hoạt động tốt chúng ta chọn van phải nhân thêm hệ số dự trữ hệ số dự trữ về điện áp: ku = 1,6, hệ số dự trữ về dòng điện: ki= 1,2. Do vậy : - Chúng ta chọn van chịu được điện áp ngược U ng = 635,83.1,6 = 1017,33 (V). - Dòng điện trung bình chạy Điôt là: I D =1,2.9,33 =11,2 (A). - Dòng điện trung bình chạy Tiristor là: IT =1,2.6,67 = 8 (A). Sinh viên:Dương Văn Phúc 36 TĐH2 – K49
  39. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Với các thông số về dòng điện và điện áp trên chúng ta tiến hành tra sổ tay chọn được các van sau: - Chọn 2 Tiristor 25RIA120M (tra bảng p.2 thông số Tiristor_sách: Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất_Trần Văn Thịnh) có các thông số như sau: + Dòng trung bình qua van: Itb =25 (A). + Điện áp ngược cực đại đặt nên van:Ung = 1.2 (kV). + Tổn thất điện áp: ΔU = 1,8 (V). + Thời gian chuyển mạch tcm = 110 (µs). d + Tốc độ tăng điện áp: u = 300V / μs . dt 0 + Nhiệt độ làm việc tối đa của van: tmax= 125 C. + Dòng điện điều khiển: Ig= 0,6 (A). + Điện áp điều khiển: Ug= 3 (V). - Chọn 2 Diôt B25 (trong bản tra các phần tử bán dẫn và linh kiện điện_Phạm Quốc Hải_Bộ môn tự động hoá) có các thông số như sau: + Dòng trung bình qua van: Itb =25 (A). + Dòng hiệu dụng chảy trên van: Ihd = 39 (A). + Điện áp ngược cực đại đặt nên van: Ung = 100÷1200 (V). + Điện áp ngưỡng mở: U0 = 1.0 (V). + Điện áp điện khiển: Uv = 0.6 (V). III.2.3. Tính toán mạch bảo vệ quá điện áp. 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 Sinh viên:Dương Văn Phúc 37 TĐH2 – K49
  40. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Để bảo vệ mạch quá áp người ta thường dùng mạch L – C, ( xem hình bên dưới) i R C t U T AC Hình2.10: Mạch bảo vệ quá t á Hình2.11: Dạng điện dòng điện và điện áp 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 Các bước tính toán: - Xác định hệ số quá điện áp U k = im. p b.U im + k - hệ số quá điện áp. + U imp - giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt nên Diôt hoặc Tiristor một cách chu kỳ. + b – hệ số dự trữ về điện áp, b =1÷2, lấy b = 1,6. + U im giá trị cực đại điện áp thực tế đặt nên Diôt hoặc Tiristor U im = 2.449.6= 635,4 (V). Sinh viên:Dương Văn Phúc 38 TĐH2 – K49
  41. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Như vậy ta có. U 1200 k = im. p = = 1,18 b.U im 1,6.635,4 * * * - Xác định các thông số trung gian, C min(k), R max(k), R min(k). Sử dụng * * các đường cong trong sổ tay tra cứu ta có C min(k) = 0,77, R max(k) = * 1,7, R min(k) = 0,8. d - Xác định i khi xảy ra trùng dẫn ta có phương trình: d t max di 2U 2 sin(ω.t + α) = LC dt di 2U 2 ⇒ = (với LC = 2mH). d L t max C d 2U 2.449,6 ⇒ i = 2 = .103 = 3179152A/ s ≈ 3,2A/ μs d L 0,2 t max C d - Xác định Q, sử dụng các đường cong Q = f( I, i ) dt di - Với Id = 16A, = 3.2A/ μs (tra trong đồ thị hình X.10 trang 263 sách dt Điện Tử Công Suất – Nguyễn Bính). - Ta có Q = 65A μ s. - Xác định R,C: 2.Q * 2.65.0,77 Cmin = .Cmin = = 0,16μF U im 635,4 L.U L.U R* im ≤ R ≤ R* im min 2Q max 2Q 0,2.10−3.635,4 0,2.10−3.635,4 ⇒ 0,8 ≤ R ≤ 1,7 2.65.10−6 2.65.10−6 ⇒ 25,01 ≤ R ≤ 53,15 Ta chọn theo giá trị chuẩn: R = 33 Ω , C = 0,4 μF Tính toán cánh tản nhiệt : ΔP Stn = K.τ Sinh viên:Dương Văn Phúc 39 TĐH2 – K49
  42. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Với Stn là diện tích bề mặt toả nhiệt . ΔP là tổn hao công suất trên tiristor τ là chênh lệch nhiệt độ so với môi trường K = (6-10).10-4 W cm 2 .0 C π + α Ta có : Ilv = ki.Id = Id. = 12,22( A) 2π Tổn thất công suất trên Tiristor là ΔP = ΔU .Ilv=1,8.12,22=22(W) Chọn nhiệt độ môi trường là 40oC, nhiệt độ làm việc là 80 oC thì τ =40 W Chọn K=8.10-4 cm 2 .0 C 2 Ö diện tích bề mặt toả nhiệt là Stn = 0,069 m . III.3. TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP LỰC Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp. U2 = 449.6V. Giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp máy biến áp. I2 =14.61A. - Công suất biểu kiến MBA : S2 = U2.I2 = 449,6.14,61= 6568,6 (VA) = 6,568 (KVA) - Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện trụ tính theo công thức: S Q = K 2 C . f Trong đó : - C = 1 : Số trụ mạch từ. - S2 = 6568,6 VA : Công suất MBA. - f =50 : Tần số nguồn. - K = 5 ÷ 6. 6568,6 Q = 5 = 57,3(cm 2 ) . 1.50 - Đường kính trụ 4Q 4.57.3 - d = = = 8,5(cm) π 3,14 - Chuẩn hoá đường kính trụ theo tiêu chuẩn ( bảng 4.2a-Phụ lục sách thiết kế máy biến áp - Phan Tử Thụ) : d = 8 cm. - Chọn loại thép , các lá thép có độ dày 0.5 mm. - Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ B T = 1,1(T). Sinh viên:Dương Văn Phúc 40 TĐH2 – K49
  43. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động h - Chọn tỉ số m = =2,3 ⇒ h = m.d = 2,3.8,5 = 19,5(cm). d - Chọn chiều cao trụ h = 19 cm. Tính toán dây quấn: - Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp: U1 220 W1 = = −4 = 157,22 (vòng) 4,44. f .QFe .BT 4,44.50.57,3.10 .1,1 - Số vòng dây mỗi pha thứ cấp của máy biến áp: U 2 449,6 W2 = .W1 . = .157.22 = 322 (vòng) U1 220 2 - Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp: J1 = J 2 = 2.75(A/ mm ) - Dòng điện sơ cấp của máy biến áp là: U 2 .I 2 449,6.14,61 I1 = = = 29,86A U1 220 - Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp. I1 29,86 2 S1 = = = 10,86(mm ) J1 2,75 - Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp. I2 14.61 2 S2 = = = 5,31(mm ) J2 2,75 Chọn dây dẫn có tiết diện tròn (trong bản tra các phần tử bán dẫn và linh 2 kiện điện_Phạm Quốc Hải_Bộ môn tự động hoá). Tiết diện S1 =13,2(mm ), đường kính d1 =4,1(mm), trọng lượng 117gam/m, trở suất 0,00123 ohm/m. 2 S2=6,29(mm ), đường kính d2 =2,83(mm), trọng lượng 55,9gam/m, trở suất 0,00278 ohm/m. CHƯƠNG IV: Sinh viên:Dương Văn Phúc 41 TĐH2 – K49
  44. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN IV.1: Mục đích và yêu cầu: - Muốn đổi Tiristor mở cho dòng điện chạy qua thì phải có điện áp dương đặt trên anôt và có xung áp dương đặt vào cực điều khiển. Sau khi Tiristor mở thì xung điều khiển không cò tác dụng, lúc này dòng điện chạy qua Tiristor do thông số mạch động lực quyết định. Chức năng của mạch điều khiển: - Điều chỉnh được vị trí xung điều khiển trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên anôt-catôt của Tiristor. Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở được Tiristor, xung điều khiển thường có biên độ từ 2 đến 10V, độ rộng xung tx = 20 ÷ 100µs đối với thiết bị chỉnh lưu, tx ≤ 10µs đối với thiết bị biến đổi tần số cao. Độ rộng xung xác định theo biểu thức I dt t x = di dt Trong đó I dt : dòng duy trì của tiristor. d i : tốc độ tăng trưởng của dòng tải. dt Mối quan hệ giữa điện áp chỉnh lưu với việc thay đổi góc mở α U cl = U 0 cosα Trong đó - U0: điện áp chỉnh lưu lớn nhất khi góc mở α = 0 - Ucl: điện áp sau chỉnh lưu Các yêu cầu với xung điều khiển: - Phát xung điều khiển chính xác, đúng thời điểm do người thiết kế tính toán. - Các xung điều khiển 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. Sinh viên:Dương Văn Phúc 42 TĐH2 – K49
  45. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động - 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 nhiện vụ ổn định dòng điện tải và bảo vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá tải hay ngắn mạch. IV.2: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển 12 3 4 Uc T SS >1 Ur Hình4.1: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển uc là điện áp điều khiển, điện áp một chiều. ur là điện áp đồng bộ, điện áp xoay chiều hoặc biến thể của nó, đồng bộ với điện áp anôt – catôt của tiristor. Hiệu điện áp uc – ur được đưa vào khâu so sánh 1, làm việc như một trigơ. Khi uc – ur = 0 thì trigơ lật trạng thái, ở đầu ra của nó nhận được một chuỗi xung dạng “sinus chữ nhật”. Khâu 2 là khâu đa hài một trạng thái ổn định. Khâu 3 là khâu khuyếch đại xung. Khâu 4 là khâu biến áp xung. Bằng cách tác động vào uc, có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển, cũng tức là điều chỉnh được góc nở α. IV.3: Nguyên tắc điều khiển. Người ta thường dùng 2 nguyên tắc điều khiển để thay đổi góc mở α của các tiristor nguyên tắc điều chỉnh thẳng đứng tuyến tính và nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos. IV.3.1: Nguyên tắc điều chỉnh 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 điện áp đặt trên anôt – catôt của tiristor. - Điện áp điều khiển, kí hiệu là Uc, là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được biên độ. Sinh viên:Dương Văn Phúc 43 TĐH2 – K49
  46. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Ur Uc Ur t 0 п 2п 3п Uc Uc+Ur α α α Hình 4.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Tổng đại số của Ur + Uc được đưa đến đầu vào của một khâu so sánh. Bằng cách làm biến đổi Uc ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức, là thời điểm điều chỉnh góc α . Khi Uc = 0 ta có α = 0 Uc 0 Quan hệ giữa α và Uc được biểu diễn qua công thức sau : U c α = π U r max Người ta thường lấy Ur max = Uc max IV.3.2: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “ARCCOS” 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 hai hướng ( dương và âm ). - Điện áp đồng bộ Ur vượt trước điện áp anôt – catôt của tiristor một góc bằng π (nếu u = Asinωt thì u Bcosωt ). 2 AK r Sinh viên:Dương Văn Phúc 44 TĐH2 – K49
  47. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Ur Uc Ur 0 t Uc α (Ur + Uc) Hình 4.3: Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “ARCCOS” Trên hình vẽ đường nét đứt là điện áp anôt – catô của tirstor. Tử điện áp này người ta tạo ra ur. Tổng đại số ur + uc được đưa đến đầu vào của khâu so sánh. Khi ur + uc = 0 ta nhận được một xung đầu r acủa khâu so sánh. uc + Bcosα = 0 u Do α = arccos(− c ) B Người ta lấy B = UCmax Khi uc = 0 thì α = π/2 Khi uc = UCmax , α = π Khi uc = - UCmax , α = 0 Như vậy khi uc biến thiên từ - UCmax đến +UCmax thì α biến thiên từ 0 đến π. Nguyên tắc điều khiển thắng đứng “arccos” được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi chất lượng cao. IV.4: Các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch. - Toàn bộ mạch điện phải dùng 4 cổng AND nên ta chọn hai IC 4081 họ CMOS. Mỗi IC 4081 có 4 cổng AND. Sinh viên:Dương Văn Phúc 45 TĐH2 – K49
  48. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Vdd 14 8 && & & 1 7 Hình4.4: Sơ đồchân IC4081. * Các thông số: Nguồn nuôi IC : Vcc = 3÷9 (V), ta chọn: Vcc = 12 (V). o o Nhiệt độ làm việc : - 40 C ÷ 80 C Điện áp ứng với mức logic “1”: 2÷4,5 (V). Dòng điện nhỏ hơn 1mA Công suất tiêu thụ P=2,5 (nW/1 cổng). - Mạch sử dụng 11 khuyếch đại thuật toán (OA1÷OA11) do vậy chúng ta cần 4 con IC TL084. mỗi con có sơ đồ bố trí chân như hình bên dưới: -Vcc 14 1312 11 10 9 8 _ _ + + + + __ 1 2 3 4 5 6 7 +Vcc Hình4.5: 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) 6 Tổng trở đầu vào : Rin= 10 ( MΩ) Dòng điện đầu ra : Ira = 30 ( pA). Tốc độ biến thiên điện áp cho phép : du/dt = 13 (V/μs). Sinh viên:Dương Văn Phúc 46 TĐH2 – K49
  49. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động - Mạch sử dụng một phần tử đảo lấy từ IC7404 có sơ đồ bố trí chân như hình vẽ: Vcc 14 8 1 7 Hình4.6: Sơ đồchân 7404. IV.5: Các khối trong mạch điều khiển. IV.5. 1: Khối tạo điện áp đồng pha. D2 1 R2 Ung D3 Hình 4.7: 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. Giá trị điện áp một chiều sau chỉnh lưu là: 1 π 2 2 U = 2U sinθdθ = U = 0,9.U = 0,9.12 = 10,8V 1 ∫ 2 2 2 2π 0 π Ta chọn 2 điôt D1 và D2 là điôt IN4007. Sinh viên:Dương Văn Phúc 47 TĐH2 – K49
  50. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động IV.5.2: Khối tạo xung đồng bộ. +E U Uo t R3 Urss 1 _ OA2 R5 2 t U0 + D11 R4 U2 t Hình4.8: Khối tạo xung đồng bộ. 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 0 0 lựa chọn αmax = 175 thì U0 = 2U 2 sin 5 (4.1) 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. 0 Từ phương trình 4.1 ta có U 0 = 2.12.sin 5 = 2.12.0,087 = 1,48V . U E Ta có 0 = R4 R3 + R4 ⇒ 1,48(R3 + R4 ) = 12R4 ⇒ 1,48R3 = 10,52R4 R ⇒ 3 = 7,1 R4 Để tổn thất trên điện trở nhỏ chúng ta chọn R4 = 4,7KΩ, R3 = 33KΩ, R5= 2,2KΩ. Sinh viên:Dương Văn Phúc 48 TĐH2 – K49
  51. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động IV.5.3. Khối tạo điện áp răng cưa. 2 T1 U2 C1 R7 3 t R6 _ U3 -E + OA3 t Hình4.9: Khối tạo xung răng cưa Nguyên lý cơ bản của khâu này là dùng mạch tích phân và khóa điện tử T1, T1 là tranristor ngược C828. Khi U2 = 0, T1 khóa tụ C1 được nạp điện bởi dòng điện E I = = I = const R R C −1 t −1 t E − E U = U = I dt = dt = t R C ∫ C ∫ C 0 C 0 R RC 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 = (0→1) tranristorT1 thông,tụ C1 bắt đầu phóng điện cho tới khi điện áp U2 = (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. IV.5.4. Khối phản hồi dòng điện. R10 R15 OA6 R3 RS R11 _ R12 4 R14 4066 _ OA7 5 8 + + R13 VR1 -E Hình4.10: Khối phản hồi dòng điện. Sinh viên:Dương Văn Phúc 49 TĐH2 – K49
  52. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Điện áp phản hồi được lấy trên điện trở RS trên mạch lực. Tín hiệu này qua khuyếch đại thuật toán OA6 được lật lại tạng thái sau đó được cộng với tín hiệu chủ đạo lấy trên triết áp VR1 U4 = UfhI + Ucđ1 (Ucđ1 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 tăng lên, do nội trở của ắc qui nhỏ nên dòng điện sẽ tăng lên rất lớn sẽ làm giảm tuổi thọ của ắc qui. Để hạn chế tốc độ tăng trưởng dòng điện chúng ta sử dụng khâu phản hồi dòng điện để giữ 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 tăn lên. Điện áp U4 tăng, qua khuyếch đại thuật toán OA7 tín hiệu được lật lại trạng thái, điện áp U5 tăng, Uđk 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 ắc qui. Ngược lại khi dòng điện trong mạch lực giảm xuống, làm cho điện áp điều khiển giảm, góc mở α tăng lên, điện áp trên mạch lực tăng dẫn đến dòng điện tăng tới giá trị đặt. IV.5.5. Khối phản hồi điện áp. R20 R16 R18 4066 OA9 OA8 R19 +E R21 Hình4.11:Khối phản hồi điện áp. Tín hiệu phản hồi điện áp được lầy trên điện trở phản hội Rf. Khuyếch đại thuật toán OA8 đóng vai trò là khâu lặp tín hiệu, với hệ số khuyếch đại là R17 k = = 1. Mạch phản hồi điện áp làm nhiệm vụ ổn định điện áp khi dung R16 lượng của ắc qui đã đạt được 80% định mức. Biến trở VR2 là biến trở lấy điện áp chủ đạo, Ucđ nạp lớn nhất khi mỗi ngăn ắc qui đạt tới 2,7V. UđkU = U7 = UphU - Ucđ Ucđ: điện áp chủ đạo lấy trên biến trở VR2. UphU: điện áp tại đầu ra của khuyếch đại thuật toán OA8 (U6). Khi điện áp nạp tăng lên lớn hơn giá trị điện áp đặt cho mỗi ngăn ắc qui đơn là 2,7V làm cho Uf tăng, UfhU tăng, làm cho UđkU tăng lên. Điện áp điều khiển tăng làm cho góc mở α tăng, do vậy Tiristor bớt mở, điện áp nạp ắc qui giảm xuống bằng giá trị đặt. Do vậy điện áp luôn được giữ ổn định xung quang giá trị đặt. Sinh viên:Dương Văn Phúc 50 TĐH2 – K49
  53. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động IV.5.6. Khối chuyển mạch nạp. OA10 R22 R23 D14 +E VR3 Hình4.12: Khối chuyển mạch nạp. Khi dung lượng của ắc qui đạt tơi 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 của ắc qui là 2,4V. Khi điện áp nạp cho mỗi ngăn của ắc qui dưới 2,4V, điện áp U6 nhỏ hơn điện áp chu đạo lấy trên biến trở VR3, điện áp tai đầu ra của khuyếch đại thuật toán OA10 (U8) âm. Tín hiệu này khoá chế độ nạp ổn áp và cho chế độ ổn dòng hoạt động. Khi điện áp trên mỗi ngăn của ắc qui đạt tới 2,4V, điện áp U6 lớn hơn điện áp lấy trên biến trở VR3, điện áp tại đầu ra của khuyếch 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 khoá chế độ nạp dòng điện. IV.5.7. Khối tạo xung chùm. R27 Uc 0 t1 t2 t3 t _ R30 9 Ur + OA11 R29 0 t D6 C2 U9 R28 0 t Hình4.13: Khối tạo xung chùm. Sinh viên:Dương Văn Phúc 51 TĐH2 – K49
  54. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Bộ OA11 là một da hài dao động tạo o ra các xung vuông có tần số cao lặp di lặp lại theo chu kỳ, với mục đích làm giảm kích thước của máy biến áp xung. Tụ điện C2 và điện trở R27 tạo thành mạch tích phân. Mạch R28 R29 là mạch phản hồi. Nguyên lý làm việc của mạch như sau: giả sử tại thời điểm 0 điện áp ra của khuyếch đại thuật toán đạt giá trị cực đại Ur = Urmax ≈ +E. Thông qua mạch phản hồi R28, R29 đầu vào “+” của khuyếch đại thuật toán E sẽ có tín hiệu phản hồi +U 0 = .R28 duy trì khuyếch đại thuật toán nằm ở R28 + R29 chế độ bão hoà dương. Lúc này tụ C2 được nạp thông qua điện trở R27 . Khi t=t1, điện áp UC đạt giá tị U0, khuyếch đại thuật toán lật trạng thái và Ur = -Urmax ≈ -E. Điện áp trên tụ C2 không thể thay đổi đột ngột và lúc này tụ E C2 lại phóng điện qua R1. Ở thời điểm t = t2, khi U C = −U 0 = − R28 , R28 + R29 khuyếch đại thuật toán lật trạng thái Ur = Urmax ≈ +E và sau đó quá trình lại được lặp lại. Thời gian phóng của tụ C2 là: U r max +U 0 2R28 t x = R27 .C.ln( ) = R27 .C.ln(1+ ) U r max −U 0 R29 Mạch tạo chùm xung có tần số f= 1/2fx = 3 ( kHz) hay chu kỳ của xung chùm T= 1/f = 333 (μs) ta có : T= 2. R27. C2. ln(1+2. R28/ R29) Chọn R28= R29= 33kΩ . thì T= 2,2 R27. C2 = 333 (μs) vậy : R27. C2 = 151,36 (μs) Chọn tụ C2 = 0,1μs có điện áp U = 16 (V) ; R27= 15136 (Ω). Để thuận tiện cho việc điều chỉnh khi lắp mạch thì ta chọn R27 là biến trở 2 KΩ. IV.5.8. Khối khuyếch đại xung và biến áp xung. Sinh viên:Dương Văn Phúc 52 TĐH2 – K49
  55. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động +E +E D8 D10 BAX BAX D9 D7 R32 R35 7400 7400 R31 R34 T2 T4 T3 T5 R36 R33 Hình4.14: 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 = 2 V Ig = 0,6A Giá trị này là giá trị dòng và áp ở thứ cấp máy biến áp. Chọn vật liệu sắt từ Э 330, lõi sắt từ có dạng hình chữ Ш làm trên một phần tử của đặt 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 = 2V + Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp BAX : U1 = m.U2 = 3.2 = 6V + Dòng điện thứ cấp BAX: I2 = Iđk = 0,6 A + Dòng điện sơ cấp BAX: I 0,6 I = 2 = = 0,2A 1 m 3 + Độ từ thẩm của lõi sắt từ: ΔB 0,7 3 μtb = = −6 = 14.10 μF μ0ΔH 10 .50 + Vì mạch có khe hở nên phải tính từ thẩm trung bình. Sơ bộ chọn: chiều -5 dài trung bình của đường sức l = 0,1mm, khe hở lkh = 10 m. l 0,1 μ = = = 5,8.103 tb 1 0,1 l + 10−5 + kh μ 14.103 Thể tích lõi sắt từ: Sinh viên:Dương Văn Phúc 53 TĐH2 – K49
  56. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động μtb .μ0 .t x .S.U1.I1 V = ΔB 2 Trong đó : - μtb : độ từ thẩm trung bình của lõi sắt - μ0 : độ từ thẩm của không khí - tx : chiều dài xung truyền qua BAX có giá trị từ 10 ÷ 600 μs, ở đây chọn tx = 100 μs - 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 : 5,8.103.10−6.100.10−6.0,15.6.0,2 V = = 0,213.10−6 m3 (0,7) 2 - 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 : U1.t x w1 = (với k = 0,76 là hệ số chất đầy). ΔB.Q.k 6.100.10−6 ⇒ W = = 42 vòng 1 0,7.27.10−6.0,76 - Số vòng dây thứ cấp : w1 42 w2 = = = 14 vòng m 3 - Tiết diện dây quấn thứ cấp I1 S1 = J1 2 - Chọn mật độ dòng điện J1 = 6 A/mm 0,2 ⇒ S = = 0,03mm 2 1 6 Đường kính dây quấn sơ cấp : 4S1 4.0,03 d1 = = = 0,2mm π 3,14 Sinh viên:Dương Văn Phúc 54 TĐH2 – K49
  57. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Chọn dây dẫn có tiết diện tròn ( Bảng II.3 - ĐTCS - Nguyễn Bính). Tiết 2 diện S1 =0,04155(mm ), đường kính d1 = 0,23(mm), trọng lượng 0,369gam/m, trở suất 0,433 ohm/m. Tiết diện dây quấn thứ cấp: I 2 0,6 2 S2 = = = 0,15 mm J 2 4 2 Chọn mật độ dđ J2 = 4 A/mm - Đường kính dây quấn thứ cấp: 4S2 4.0,15 d2 = = = 0,43 mm π 3,14 Chọn dây dẫn có tiết diện tròn ( Bảng II.3 - ĐTCS – Nguyễn Bính). Tiết 2 diện S1 =0,1886(mm ), đường kính d1 =0,49(mm), trọng lượng 1,68gam/m, trở suất 0,0914 ohm/m. - Kiểm tra hệ số lấp đầy: 2 2 2 2 S1w1 + S2 w 2 d1 w1 + d 2 w 2 0,2 .42 + 0,43 .14 klđ = = = = 0,03 d 2 d 2 122 (π. ) 4 klđ =0,03 < 1:như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết. Tính toán khâu KĐ cuối cùng T2, T3, T4, T5: 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 0 + Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp T1 =175 C. + Hệ số khuyếch đại β = 50. + Dòng điện làm việc của colecto IC=I1=50 mA. I C3 50 +Dòng điện làm việc của Bazo IB = = = 1(mA) β 50 Ta thấy rằng loại thyristor đã chọn có : + điện áp điều khiển Uđk=2V + dòng điều khiển Iđk= 0.6A. do vậy dòng colecto-bazơ của tranzito TR3 khá bé, trong trường hợp này không cần thiết có TR2 mà vẫn đủ công suất điều khiển Tr3. Người ta thường chọn bóng T3, T5 có công suất lớn thoả mãn với công suất của xung ra, còn bóng T2, T4 làm nhiệm vụ khuyếch đại dòng. Điện trở R31, R34 được chọn để thoả mãn điều kiện các bóng ở trạng thái bão hoà khi mở: UV R31 = R34 = K.I B Sinh viên:Dương Văn Phúc 55 TĐH2 – K49
  58. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Trong đó UV: điện áp ở đầu ra của IC7400. K: thường chọn trong khoảng 1,1÷1,2. 12 ⇒ R = R = ≈ 10000Ω 31 34 1,2.10−3 Chọn R31, R34 =10kΩ Chọn nguồn cấp cho biến áp xung E= ± 12V. Với nguồn E=12(V) ta phải mắc thêm điện trở R32, R35 nối tiếp với các cực emito của Tranzisto. E −U 12 − 6 R= 1 = = 120(Ω) I1 0.05 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) IV.6: Mạch điều khiển. Từ yêu cầu của công nghệ chúng ta xây dựng được mạch điều khiển có sơ đồ sau: IV.6.1: Sơ đồ: +E OA1 D R D8 +E R R AND D7 R32 T2 R5 D R3 T3 T1 R3 R2 D1 OA C1 R7 R8 +E D10 R6 D3 D4 -E OA4 OA3 AND D9 R3 Ud T4 D5 R9 R3 T5 OA5 R36 R10 R15 Rs R1 4066 R12 R2 R11 OA R1 OA7 +E R3 R17 7404 R20 Sinh viên:DươVR1ng Văn Phúc 56 TĐH2C – K49 R16 R18 4066 D R2 R2 OA9
  59. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động IV.6.2: Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 57 TĐH2 – K49
  60. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động U Uo 0 Urss Π 2Π 3Π t 2Π t U2 t U3 U®k t U12 t U11 t U10 t U9 t U14 t U13 t IV.6.3: Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Sinh viên:Dương Văn Phúc 58 TĐH2 – K49
  61. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Tín hiệu xoay chiều được chỉnh lưu bởi 2diôt D2, D3, 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 T1để giảm điện áp trên tụ về 0, tụ C1 được nạp điện theo công thức UC = E.t/R6 và ở đầu ra của khuyếch đại thuật toán OA3 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 OA4. 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. IV.7. 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 dụng làm cuộm đồng pha với tín hiệu nguồn, cuộn 0V-18V-36V sử dụng làm nguồn nuôi mạch điều khiển. 7812 +12V C1 C3 D1 D1 D1 D1 C2 C4 -12V 7912 Hình4.15: 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. Sinh viên:Dương Văn Phúc 59 TĐH2 – K49
  62. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động 78L 79L V CC R CC V R Hình4.16:Sơ đồ bố trí chân. Tính toán máy biến áp nguồn: 0V U21 12V U22 24V Ung 0V U23 18V U24 36V - Khối nguồn ±12 cấp cho khuyếch đại thuật toán, I1 = 500mA. ⇒Công suất của nguồn nuôi là: P1 =U1.I1 = 36.0,5 = 18W - Khối nguồn đồng pha 0V – 12V – 24V, I2 = 500mA. ⇒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 Sinh viên:Dương Văn Phúc 60 TĐH2 – K49
  63. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động - Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: P 30 I1 = = = 0,136A U1 220 - Tiết diện lõi thép mạch từ: k 1,2 S = = = 0,22cm2 P 30 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 Ш và chữ I ghép lại với nhau: k Theo công thức kinh nghiêm chúng ta tính số vòng/vôn: n = (với 0 S 50 k = 40÷60 là hệ số của máy biến áp, lấy k = 50) ⇒ n = = 54 vòng/vôn. 0 0,92 - 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: W1 W1 11880 I 21 = I 22 = .I1 = .I1 = .0,136 = 2,5A W21 W22 648 W1 W1 11880 I 23 = I 24 = .I1 = .I1 = .0,136 = 1,66A W23 W24 972 - Tiết diện dây quấn: I 1,36 + Cuộn sơ cấp: S = 1 = = 0,272mm2 (chọn J = 5A/mm2) 1 J 5 I I 2,5 + Cuộn 12V: S = S = 21 = 22 = = 0,5mm2 (chọn J = 5A/mm2) 21 22 J J 5 I I 1,66 + Cuộn 18V: S = S = 23 = 24 = = 0,33m 2 (chọn J = 5A/mm2) 23 24 J J 5 - Đường kính dây thứ cấp là: 4.S 4.0,272 + Cuộn sơ cấp: d = 1 = = 0,59mm 1 π π Sinh viên:Dương Văn Phúc 61 TĐH2 – K49
  64. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động 4.S 4.S 4.0,5 + Cuộn 12V: d = d = 21 = 22 = = 0,8mm. 21 22 π π π 4.S 4.S 4.0,33 + Cuộn 18V: d = d = 23 = 24 = = 0,65mm . 23 24 π π π - 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: 2 + Dây sơ cấp: d1 = 0,59mm, S1 = 0,2734mm , R=0,21ohm/m. 2 + Dây sơ cấp: d21 = d22 = 0,8mm, S1 = 0,5027mm , R= 0,0342ohm/m. 2 + Dây sơ cấp: d23 = d24 = 0,67mm, S1 = 0,3526mm , R=0,0488ohm/m. PHỤ LỤC Sinh viên:Dương Văn Phúc 62 TĐH2 – K49
  65. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH Sử dụng phần mềm ELECTRONIC WORKBENCH MULTISIM V8 mô phỏng hoạt động của sơ đồ: Sơ đồ: Để do dạng điện áp tại các điểm chúng ta sử dụng Oscilloscope ảo trong phần mền để kiểm tra dạng điện áp tại các khâu: Điện áp tại sau chỉnh lưu tại điểm 1: Sinh viên:Dương Văn Phúc 63 TĐH2 – K49
  66. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Điện áp so sánh điện áp sau chỉnh lưu với điện áp đặt U0: Sinh viên:Dương Văn Phúc 64 TĐH2 – K49
  67. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 65 TĐH2 – K49
  68. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Điện đồng bộ với điện áp nguồn tại thời điểm di qua điểm 0: Điện áp răng cưa và điện áp điều khiển: Sinh viên:Dương Văn Phúc 66 TĐH2 – K49
  69. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Điện áp ra của khâu so sáng tại điểm 12: Sinh viên:Dương Văn Phúc 67 TĐH2 – K49
  70. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Điện áp tại điểm 10: Sinh viên:Dương Văn Phúc 68 TĐH2 – K49
  71. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Điện áp tại điểm 11: Sinh viên:Dương Văn Phúc 69 TĐH2 – K49
  72. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Xung chùm tại điểm 9: Sinh viên:Dương Văn Phúc 70 TĐH2 – K49
  73. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Điện áp điều khiển tại điểm 13: Sinh viên:Dương Văn Phúc 71 TĐH2 – K49
  74. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Điện áp điều khiển tại điểm 14: Sinh viên:Dương Văn Phúc 72 TĐH2 – K49
  75. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động KẾT LUẬN Sinh viên:Dương Văn Phúc 73 TĐH2 – K49
  76. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Qua mười tuần làm việc em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với nhiệm vụ: “Thiết kế bộ nạp ắc qui tự động ”. Trong quá trình làm đồ án đã giúp em nắm vững hơn phần lý thuyết đã học và có sự hiểu biết hơn về thực tế. Mặc dù rất cố gắng nhưng do kiến thức còn yếu, thời gian làm lại ngắn nên bản đồ án chắc chắn còn có nhiều thiếu sót. Em rất mong nhận được sự thông cảm và góp ý của các thầy, cô. Trong quá trình làm đồ án em đã nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô trong bộ môn đặc biệt là thầy giáo hướng dấn nhóm em, thầy PGS.TS.Võ Minh Chính. Thầy đã giúp đỡ chỉ bảo em rất nhiều để em có thể hoàn thành tốt bản đồ án tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy các cô! Hà nội ngày 6 tháng 6 năm 2007. Sinh viên Dương Văn Phúc Sinh viên:Dương Văn Phúc 74 TĐH2 – K49