Nghiên cứu thiết kế mạch nạp ắc quy tiên tiến cho tàu điện mỏ

Nước ta là một nước đang phát triển và đang dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật hiện đại. Nhiều khu công nghiệp hiện đại, khu chế xuất, các nhà máy, công ty sản xuất ra đời phục vụ cho nhu cầu của con người. Đi cùng sự phát triển đó là những ngành điện, điện tử, kỹ thuật số … giúp cho ngành công nghiệp nước ta hiện đại hoá với việc tiếp cận và sử dụng đồng loạt các thiết bị tự động. Ngày nay các mạch điều khiển trong công nghiệp thường dùng kỹ thuật số với các chương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi được cấu trúc tham số hoặc các luật điều khiển. Nó làm tăng tốc độ tác động nhanh và có độ chính xác cao cho hệ thống, làm chuẩn hóa các hệ thống truyền động điện và các bộ điều khiển tự động hiện đại. Mạch nạp ắc quy tự động là một thiết bị điện có khả năng nạp điện cho ắc quy trong thời gian ngắn, tự động ngắt khi ắc quy đã no và có khả năng cảnh báo khi người sử dụng lắp ngược cực ắc quy khi sạc. Việc áp dụng mạch nạp ăc quy tự động là một nhu cầu cần thiết bởi việc sử dụng ắc quy trong đời sống rất rộng rãi. Ắc quy là nguồn cấp điện một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày, cung cấp nguồn điện một chiều cho các nơi chưa có nguồn điện lưới như chiếu sáng , tivi, thông tin liên lạc, điều khiển đo lường, cung cấp cho các thiết bị trên giàn khoan ngoài biển … Chính vì vậy việc nghiên cứu, chế tạo nguồn nạp cho ăc quy là hết sức cần thiết, nó ảnh hưởng rất lớn tới dung lượng và độ bền của ăc quy, đảm bảo được tính an toàn về cháy nổ.

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TÀU ĐIỆN MỎ 1.1 Đặc điểm của một số tàu điện mỏ

Các mỏ than hầm lò nước ta chủ yếu sử dụng tàu điện của Nga và Trung Quốc sản xuất để vận chuyển than từ nơi khai thác, vận chuyển đất đá

từ các lò chuẩn bị ra ngoài chân giếng, sau đó chuyển tiếp lên mặt mỏ bằng trục tải, băng tải, và vận chuyển vật liệu, máy móc từ ngoài vào các khu vực

sản xuất

Tàu điện sử dụng ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh có hai loại là: tàu điện cần vẹt và tàu điện ắc quy Các loại tàu này có đặc điểm khối lượng đầu tàu nhỏ và vừa; công suất từ 2,05 kW đến 90 kW; tỉ số truyền hộp giảm tốc lớn; tốc độ chuyển động của tàu thấp Bảng 1.1 và 1.2 dưới đây là một số thông số kỹ thuật của 02 loại tàu điện mỏ được sử dụng để vận chuyển trong mỏ hầm lò của Việt Nam

Theo quy hoạch phát triển ngành than của Việt Nam đến năm 2020, để đảm bảo sản lượng khai thác trong những năm tới, thì các mỏ than phải khai thác mở rộng xuống mức sâu hơn, điều này sẽ dẫn đến loạt các vấn đề an toàn cần phải giải quyết bao gồm: hàm lượng khí mê tan càng tăng cao, độ ẩm và nhiệt độ môi trường tăng Để đảm bảo an toàn chống cháy nổ trong khai thác than hầm lò, các mỏ bắt buộc phải chuyển sang sử dụng tàu điện ắc quy thay thế cho tàu điện cần vẹt để vận chuyển

Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của một số tàu điện cần vẹt:

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của tàu điện ắc quy CĐXT-8

Các thông số Đơn vị Loại tàu điện CĐXT-8

1.2 Giới thiệu một số tủ nạp ắc quy sử dụng tại các mỏ than ở Việt Nam

Hệ thống nạp ắc quy hiện có tại các mỏ than hầm lò hiện nay phần lớn

sử dụng tủ nạp đơn giản có biến áp và chỉnh lưu cầu có lọc điện với sơ đồ

nguyên lý như hình 1.1 dưới đây

+ _

+ _

+ _

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý chung các tủ nạp ắc quy cho tàu điện mỏ

1 – máy cắt dầu; 2 – máy biến áp;

3 – thiết bị phân phối; 4 – chỉnh lưu; 5 – ắc quy

Đa số trường hợp hiện nay ở mỏ sử dụng tàu điện ắc quy làm phương tiện vân tải, trạm nạp được lắp đặt trong sân giếng chính của mỏ

1.2.1 Tủ nạp ắc quy tại mỏ Khe Chàm và Vàng Danh

Mỏ than Vàng Danh và Khe Chàm sử dụng trạm nạp ắc quy tàu điện

mã hiệu ZYK – 75/120 do Trung Quốc sản xuất Đặc tính kỹ thuật của tủ nạp ZYK – 75/120 được thể hiện trên bảng 1.3

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của tủ nạp ZYK – 75/120

1 Công suất định mức 9 kW

Thiết bị điều khiển và cung cấp điện cho tủ: Khởi động từ có công suất tương đương

8 Số van trong sơ đồ 6 cái

9 Phương pháp làm mát Thông gió tự nhiên

ấn khởi động, đồng hồ đo dòng nạp, vôn kế đo điện áp nạp Trọn bộ tủ nạp ắc quy ZYK-75/120 có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha thành

nguồn điện 1 chiều phự hợp để nạp điện cho tổ hợp ắc quy tàu điện Sơ đồ nguyờn lý tủ nạp ZYK-75/120 được mụ tả trờn hỡnh 1.2

2H (201)

Đến khởi động từ

Z Y X

B1

H

B2 OYT

a1 b1 c1

y x

TP

z

B

-10 -10

A

-10

C

+10 +10 +10

Vào tổ hợp ắc quy

Hỡnh 1.2 Sơ đồ nguyờn lý tủ nạp ZYK-75/120

1.2.2.Tủ nạp YZA-200/230 cho tàu điện mỏ than hầm lũ Mạo Khờ

Trạm nạp ắc qui tàu điện mỏ Mạo Khờ sử dụng tủ nạp loại 200/230 Sơ đồ nguyờn lý của tủ nạp YZA-200/230 được trỡnh bày trờn hỡnh 1.3 Tương tự như tủ nạp ZYK-75/120, tủ nạp YZA-200/230 cú cấu tạo đơn giản gồm 01 mỏy biến ỏp chỉnh lưu loại 3 pha khụng điều chỉnh điện ỏp vào,

YZA-nối sao/tam giác Khác với tủ ZYK-75/120 khối chỉnh lưu ở đây sử dụng loại

có điều khiển gồm 03 Diode và 03 Thyristor mắc theo sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng Để bảo vệ và tạo dòng cân bằng qua các Diode chỉnh lưu, người ta mắc nối tiếp với mỗi Diode một cuộn kháng Đặc tính kỹ thuật

tủ nạp loại YZA-200/230 trên bảng 1.4

Bảng 1.4 Đặc tính kỹ thuật tủ nạp loại YZA-200/230

1 Công suất định mức 46 kW

Thiết bị điều khiển và cung cấp điện cho tủ: Khởi động từ

125 A hoặc loại tương đương

7 Sơ đồ nắn Cầu 3 pha có điều khiển

8 Số Thyristor trong sơ đồ 3 cái- T143-630

9 Số Diode trong sơ đồ 3 cái - D143-630

10 Phương pháp làm mát Thông gió tự nhiên

11 Chế độ làm việc Dài hạn

12 Giới hạn điều chỉnh

dòng và áp chỉnh lưu

Từ 50 -:- 100 % định mức

14 Kích thước (DxRxC) 800 x1000 x1620 mm

X Y Z

Sơ đồ cung cấp điện

+ Biến ỏp TV1 là loại biến ỏp 3 pha 3 trụ khụ, nguồn điện vào 3 pha tần

số 50Hz Phớa sơ cấp: Điện ỏp 380/660V ( đấu dõy ∆/Y ) Phớa thứ cấp: Đấu (Y) và cú cỏc cọc đấu để tăng giảm điện ỏp như sau:

Đấu ở cọc a1, b1, c1 điện ỏp ra là 230V

Đấu ở cọc a2, b2, c2 điện ỏp ra là 200V

Đấu ở cọc a3, b3, c3 điện ỏp ra là 135V

+ Biến ỏp điều khiển TV2 là loại khụ 3 pha 3 trụ:

Phía sơ cấp: Điện áp 380/660V (đấu dây ∆/Y )

Phía thứ cấp: Đấu (Y) điện áp 50 V cấp điện điều khiển cho 3 Thyristor (VD2, VD3, VD4) Ngoài ra, còn có 2 cuộn riêng điện áp ra 16V cấp điện điều khiển mạch ổn định dòng điện nạp

+ Biến áp TV3: là biến áp khô 1 pha

Phía sơ cấp: Điện áp 36V lấy từ KĐT vào

Phía thứ cấp: điện áp ra 12V cấp cho mạch điều khiển chung của

+ Khối TA: Gồm các máy biến dòng TA1, TA2, TA3 Áp và dòng của

3 máy biến dòng này được đưa tới bộ chỉnh lưu 3 pha (gồm các van VD9, VD11, VD13, VD10, VD2) và thông qua Diode VD14 dẫn đến mạch điều khiển của 3 Thyristor nhằm ổn định dòng điện nạp Ngoài ra bộ này còn có tác dụng như một khuếch đại từ tự bão hoà hồi tiếp âm dòng điện

+ Khối CY: là các Bloc lắp các thiết bị bán dẫn để điều khiển quá trình làm việc của tủ tăng giảm dòng và áp chỉnh lưu v.v

+ Khối FP: là các Bloc lắp các thiết bị bán dẫn để chỉnh định thời gian nạp và bảo vệ rò điện v.v

+ A : Đồng hồ am pe 1 chiều có thang đo từ 0-:-300A để kiểm tra dòng điện chỉnh lưu (dòng điện nạp)

+ V : Đồng hồ vôn có thang đo từ 0-:-300V để kiểm tra điện áp chỉnh lưu (điện áp nạp)

+ PS : Đồng hồ đo điện trở cách điện có thang đo từ 0-:-40 kΩ

+ RS : Điện trở sun

1.2.3 Tủ nạp ắc quy tại mỏ Quang Hanh

Mỏ than hầm lò Quang Hanh cũng sử dụng tủ nạp do Trung Quốc sản xuất mã hiệu GWZCA – 140/210 Về cấu tạo và nguyên lý làm việc, tủ nạp

ắc quy GWZCA – 140/210 gần giống như tủ nạp ắc quy ZYK-75/120 nhưng

có điện áp ra lớn hơn Trong thiết kế của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210 không có khuếch đại từ, vì thế để điều chỉnh dòng nạp cho tổ hợp ắc quy, người ta điều chỉnh điện áp vào của máy biến áp ba pha trong tủ chỉnh lưu Đặc tính kỹ thuật của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210 được giới thiệu trên bảng 1.5

Bảng 1.5 Đặc tính kỹ thuật của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210

Thiết bị điều khiển và cung cấp điện cho tủ: Khởi động

từ loại tương đương

7 Sơ đồ nắn Cầu 3 pha không điều

khiển

9 Phương pháp làm mát Thông gió tự nhiên

Hỡnh 1.4 Sơ đồ nguyờn lý mạch điện của tủ

nạp ắc quy GWZCA – 140/210 Nguyờn lý làm việc của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210 và vai trũ của cỏc phần tử chức năng trong sơ đồ mạch được trỡnh bày ngắn gọn như sau:

+ Ở chế độ làm việc bỡnh thường

Ấn nỳt khởi động QA cuộn dõy cụng tắc tơ C kớn mạch, cụng tắc tơ làm việc đúng điện vào biến ỏp lực B Mạch ra cú điện ỏp chỉnh lưu và cú dũng chỉnh lưu khi đó đúng phớch nạp vào tổ hợp Lỳc này tiếp điểm duy trỡ C (3-5) cựng đúng và đốn HD sỏng bỏo tủ đó làm việc (cú điện chỉnh lưu)

+ Cỏc chế độ bảo vệ:

Bảo vệ quỏ tải sử dụng rơ le nhiệt RJ tỏc động mở tiếp điểm thường đúng RJ(4-2), cụng tắc tơ C mất điện mở ra cắt điện vào tủ

sơ đồ nguyên lý tủ nạp gwzca 140/210 (tq)

a

2dk

x13

x14 z1

3 1

ta

4rd

qa 7 c

5

x3

v

z6 z4

r c0

z5 z3

a r c0

yj 107 2r

1r 105 103

yj sj 6

hd

0

101

rj 24

5rd C

FL RKD

Bảo vệ quá áp một chiều sử dụng rơ le điện áp YJ tác động đóng tiếp điểm thường mở YJ cho cuộn dây rơ le trung gian SJ, cuộn dây này có điện làm mở tiếp điểm SJ(5-7) ngắt mạch cuộn dây công tác tơ C làm ngừng cấp điện cho tủ, đèn báo nguồn HD tắt

1.2.4 Tủ nạp tại mỏ than Hà Lầm

T1 D1

T2 D2

NA NK

NA

V

SC LJ

A B C

0 +15 -15

24 0

IC ®iÒu khiÓn

Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý mạch điện của tủ nạp ắc quy

190

280 / 90 10

ZBC

Mỏ than Hà Lầm sử dụng tủ nạp ắc quy do Trung Quốc sản xuất thế hệ

mới hơn có mã hiệu

190

280 / 90 10

ZBC Đây là loại tủ nạp ắc quy sử dụng giải

pháp chỉnh lưu có điều khiển dùng Thyristor mắc theo sơ đồ chỉnh lưu cầu không đối xứng Để điều khiển góc mở cho Thyristor, sử dụng mạch vi điều khiển kết hợp với khối đồng bộ pha Sơ đồ nguyên lý mạch điện của tủ nạp ắc

quy

190

280 / 90 10

ZBC được trình bày trên hình vẽ 1.5 Với thiết kế mạch nạp

có hệ thống điều khiển sử dụng loại IC được đúc kín, nên khó khăn cho việc thay thế sửa chữa khi gặp sự cố hỏng hóc

PU R10

H4 H3 H2

H1 F3 F2

220V

X2 X1

Q

F1 F2 K2.2

G

T2

S

C¸c vÞ trÝ gi¸ n¹p

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện của tủ nạp ắc quy YCK 2,5

do Liên Xô (cũ) sản xuất

Bộ phận chính ổn định điện áp trong sơ đồ là cuộn cảm bão hòa L có hồi tiếp dương Nó được đấu nối tiếp với cuộn sơ cấp của máy biến áp lực T2

Cuộn cảm bão hòa thực hiện chức năng tự động điều khiển nhờ các cuộn (WOCT, WOKH, WOC và WOB) trong đó:

+ Cuộn WOCT là cuộn ổn định dòng điện khi phụ tải phía thứ cấp thay đổi, điện áp một chiều thay đổi dẫn đến phía sơ cấp máy biến áp T2 điện áp cũng thay đổi, làm cho tín hiệu trong cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng thay đổi, dẫn đến dòng điện qua cuộn WOCT cũng thay đổi Đặc biệt từ thông của cuộn WOCT cùng chiều với từ thông của cuộn WOC và cuộn W’P, W”P

sẽ cộng hưởng từ thông giữ cho điện áp phía sơ cấp của máy biến áp lực T2 được ổn định

+ Nguồn cấp cho cuộn WOCT từ cuộn thứ cấp của biến dòng T1 qua cầu chỉnh lưu V2-V5 Để thay đổi trị số dòng điều khiển của cuộn WOCT bằng cách điều chỉnh biến trở R2

+ Cuộn WOKH là cuộn ổn định điện áp ra khi có sự cố dao động điện

áp lưới được cấp bởi bộ cầu chỉnh lưu V6 – V9 lấy từ bộ ổn áp G Chiều từ thông của cuộn WOKH ngược với chiều của cuộn W’P, W”P, cuộn WOCT

và WOC nên khi có sự thay đổi điện áp lưới làm cho từ thông trong cuộn WOKH thay đổi Sự thay đổi này dẫn đến từ thông tổng trong mạch khuếch đại cũng thay đổi vì vậy tín hiệu vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp lực T2 thay đổi làm cho tín hiệu ra cuộn thứ cấp của biến áp lực T2 ổn định

+ Để điều chỉnh trị số dòng của cuộn WOKH cho phù hợp người ta điều chỉnh bằng biến trở R3

+ Cuộn WOC là cuộn tăng điện áp nguồn cung cấp lấy từ bộ ổn áp G qua cầu chỉnh lưu V10 – V13 Cuộn WOC dùng để điều chỉnh tạo ra từ thông tăng cùng chiều với cuộn ghép đảo pha W’P và W’’P Trị số dòng biến thiên được điều chỉnh nhờ các biến trở R4 và R10

+ Cuộn WOB là cuộn phản hồi điện áp ra có chức năng tăng độ chuẩn xác ổn định điện áp ra cung cấp cho phụ tải kể cả khi điện áp lưới thay đổi

cũng như thay đổi dòng phụ tải Tín hiệu được lấy từ đầu dương và đầu âm của bộ chỉnh lưu mạch lực V 1 Chiều cuốn dây của cuộn WOB ngược với các cuộn W’P và W’’P, cuộn WOC và WOCT

Khi phụ tải thay đổi làm cho điện áp thứ cấp của biến áp lực T2 thay đổi, dẫn đến điện áp cuộn sơ cấp T2 thay đổi làm cho tín hiệu trong cuộn thứ cấp T1 thay đổi và từ thông do cuộn WOCT cũng thay đổi theo Khi đó, từ thông tổng trong mạch khuếch đại từ thay đổi làm cho điện áp của cuộn sơ cấp máy biến áp lực cũng thay đổi theo, dẫn đến điện áp ra phía thứ cấp T2 cũng thay đổi để giữ cho điện áp ra ổn định trong giới hạn quy định

Nhận xét chung: Các tủ để nạp ắc quy cho tàu điện đang được sử dụng

tại các mỏ than của Việt Nam hiện nay thuộc loại công nghệ cũ, quá trình vận hành bảo dưỡng phức tạp, thường gây ra sóng hài lớn cho hệ thống cung cấp điện cho mỏ Mặt khác, hầu hết các tủ nạp điện cho ắc quy loại này có hệ số công suất cos thấp Các tủ nạp do Trung Quốc sản xuất thường khó sửa chữa khi hỏng Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế tủ nạp ắc quy vừa khắc phục được các nhược điểm trên lại có thể nâng cao hệ số công suất là cần thiết

1.3 Đặc điểm và phân loại ắc quy

1.3.1 Đặc điểm của một số loại ắc quy

Ắc quy là nguồn điện hoá, dùng để tích trữ điện năng, cung cấp dòng một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp và dân dụng Sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu chế tạo bản cực và chất điện phân Có rất nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vào những điều kiện yêu

cầu cụ thể cho các ứng dụng khác nhau Có thể liệt kê một số loại sau:

Tuy nhiên, ắc quy axit chì và ắc quy kiềm được sử dụng nhiều hơn cả trong các lĩnh vực như điều khiển đo lường, chạy động cơ điện một chiều, …

Trong ngành công nghiệp mỏ trước đây, người ta chủ yếu sử dụng ắc quy sắt kiềm do độ bền của loại ắc quy này cao hơn nhiều lần ắc quy axit Hơn nữa trước đây ngành công nghiệp chế tạo ắc quy chưa phát triển, giá thành cho tổ hợp ắc quy dùng cho tàu điện cao nên bài toán ưu tiên về kinh tế vẫn được đặt lên hàng đầu Ngày nay, công nghiệp sản xuất ắc quy rất phát triển, công nghệ chế tạo và vật liệu sử dụng để chế tạo ắc quy đã tiến đến mức

độ hoàn hảo do vậy ắc quy axit đã có được tuổi thọ sử dụng ngang tầm với ắc quy sắt kiềm (đến trên 10 năm), dung lượng ắc quy axit chì cao hơn, giá thành

ắc quy axit cũng rẻ hơn do vậy ngày nay người ta đang chuyển dần sử dụng ắc quy axit chì thay cho ắc quy sắt kiềm trong các tàu điện chạy ắc quy trong

Các phương trình phản ứng phóng và nạp như sau:

Với ắc quy sắt kiềm:

2Ni(OH)3 + KOH + Fe = 2Ni(OH)2 + KOH + Fe(OH)2

Nồng độ dung dịch điện phân hầu như không thay đổi trong quá trình phóng nạp ắc quy, do đó chỉ cần ít dung dịch điện phân nên ắc quy kiềm có trọng lượng thấp hơn nhiều so với loại ắc quy axit cùng kích thước

I.3.2.2 Ắc quy axit chì

Vỏ bình ắc quy axit được chế tạo bằng nhựa Êbônit hoặc Anphantơbéc hay cao su nhựa cứng, bên trong lót một lớp nhựa chịu axit để tăng tuổi thọ

bình Phía trong vỏ bình chia thành các ngăn riêng biệt Cấu tạo của mỗi bản

cực trong ắc quy gồm có phần khung xương và chất tác dụng phủ lên nó Khung xương của bản cực được đúc từ chì có pha thêm 5% vật liệt tạo hình dạng mặt lưới Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng khả năng dẫn điện và cải

thiện tính độc

Tấm ngăn được làm từ chất liệu xốp và được đặt giữa bản cực âm và bản cực dương, có tác dụng ngăn cách giữa các bản cực Dung dịch điện phân

là dung dịch axit sunfuric (H2SO4) loãng, nồng độ γ = (1,1- 1,3) g/cm3

Đối với ắc quy axit, nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân Trong điều kiện khí hậu nước ta thì mùa hè chọn nồng

độ dung dịch từ (2,5- 2,6) g/cm3

, mùa đông chọn nồng độ khoảng 1,27 g/cm3 Nếu nồng độ quá cao

sẽ làm nhanh hỏng tấm ngăn, bản cực dễ bị sunfat hoá Nồng độ quá thấp sẽ làm điện dung và điện áp định mức của ắc quy giảm

Ắc quy là kho chứa năng lượng cấp cho hệ thống điện Khi

sử dụng, ắc quy sẽ tạo ra dòng điện một chiều đi qua các thiết bị là phụ tải của

nó Dòng điện trong bình ắc quy tạo ra do phản ứng hoá học giữa những vật liệu PbO trên bản cực và dung dịch axit H2SO4 Sau một thời gian sử dụng, ắc quy bị hết điện và nó có thể được nạp lại bằng cách cho một dòng điện bên

ngoài vào ắc quy theo chiều ngược với chiều phóng điện

Hình 1.7 Cấu tạo ắc quy axit chì

Phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình chuyển hoá năng lượng của ắc

quy như sau:

Khi nạp điện, ở cực dương xảy ra phản ứng:

vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy

Sức điện động của ắc quy chì - axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch

điện phân theo biểu thức:

E0 = 1,70 , trong đó:

E0 - sức điện động tĩnh của ắc quy đơn, tính bằng vôn

- nồng độ dung dịch điện phân ở nhiệt độ 150C tính bằng g/cm3

Trong quá trình phóng điện, điện áp trên cực của ắc quy xác định được:

EP = UP +IP.raq , trong đó :

EP - Sức điện động của ắc quy phóng điện;

UP - Điện áp đo trên cực của ắc quy khi phóng điện;

IP - Dòng điện phóng;

raq - Điện trở trong của ắc quy khi phóng điện

Trong quá trình nạp điện, sức điện động En của ắc quy được tính như sau:

En = Un – In raq ,trong đó : En - Sức điện động của ắc quy nạp điện;

In - Dòng điện nạp;

Un - Điện áp đo trên cực của ắc quy khi nạp điện;

raq - Điện trở trong của ắc quy khi nạp điện

Dung lượng phóng của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp

năng lượng của ắc quy cho phụ tải, được tính theo công thức:

CP = IP tP

trong đó:

CP - Dung lượng quá trình phóng điện, tính bằng Ah

IP - Dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tP

Dung lượng nạp của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ

năng lượng của ắc quy, được tính theo công thức:

Cn = In tntrong đó:

Cn - Dung lượng nạp điện, tính bằng Ah

In - Dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp điện tn

Đặc tính phóng của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi (hình 1.8)

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 là giai đoạn phóng ổn định hay

thời gian cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc quy

Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc các đồ thị thay đổi đột ngột Nếu tiếp tục cho ắc quy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc quy sẽ giảm rất nhanh Mặt khác các tinh thể Sunfat chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng

sẽ có dạng thô, rắn rất khó hoà tan nên ngăn cản quá trình nạp điện trở lại cho

ắc quy sau này (hiện tượng sun phát hoá bản cực của ắc quy) Thời điểm tgh

gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc quy, các giá trị EP, UP tại t , tgh gọi

là các giá trị giới hạn phóng điện cho ắc quy

Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp của ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây

là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc quy Thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc quy

Để đánh giá khả năng cung cấp điện của ắc quy theo điện áp danh định, người ta quy định so sánh dung lượng phóng điện thu được của các ắc quy khi tiến hành thí nghiệm ở chế độ phóng điện cho phép là 20h Dung lượng phóng trong trường hợp này được kí hiệu là C20

Thời gian phóng điện cho phép, các giá trị giới hạn phóng điện của ắc quy phụ thuộc vào dòng phóng điện Sự phụ thuộc của dung lượng phóng vào dòng điện phóng của ắc quy có dung lượng phóng định mức C20 (dung lượng phóng thu được ở chế độ 20h) là 60Ah

Đặc tính nạp của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp

khi trị số dòng điện nạp không thay đổi

Hình 1.9 Đồ thị đặc tính nạp của ắc quy axit chì

Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét:

Trong khoảng thời gian nạp từ 0 đến t = ts , sức điện động, điện áp,

nồng độ dung dịch điện phân tăng dần

Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tượng sôi) lúc này, hiệu điện thế giữa các cực của ắc quy tăng tới giá trị 2,4V Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này tăng nhanh chóng tới 2,8V và giữ ổn định Thời gian này gọi là thời gian nạp no, có tác dụng làm cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi hoàn toàn, nhờ

đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc quy

Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc quy sau khi nạp Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc quy Dòng điện nạp định mức đối với ắc quy qui định bằng 0,05C20

Nhận xét:

Ắc quy axit chì được sử dụng một cách phổ biến bởi nó có nhiều ưu việt:

- Điện áp lớn;

- Hiệu suất cao;

- Dung lượng lớn, ít phụ thuộc vào nhiệt độ;

- Giá thành hạ

Hiện nay, các mỏ than hầm lò ở Việt Nam đang chuyển dần sang sử dụng ắc quy axit chì cho tàu điện để phục vụ công việc vận tải Vì vậy, việc nghiên cứu thiết kế tủ nạp ắc quy cho các mỏ than hầm lò hiện nay là rất cần thiết

Chương 2 CÁC KIỂU MẠCH NẠP ẮC QUY VÀ PHƯƠNG PHÁP

NẠP ĐIỆN CHO ẮC QUY 2.1 Các nguồn chỉnh lưu

2.1.1 Chỉnh lưu một pha

Là phương pháp đơn giản nhất biến đổi dòng điện áp xoay chiều một pha thành dòng điện một chiều cung cấp cho tải Có ba dạng chỉnh lưu một pha được sử dụng tuỳ theo yêu cầu chất lượng nguồn một chiều cần cung cấp cho phụ tải:

1 Chỉnh lưu 1 pha không điều khiển;

2 Chỉnh lưu một pha có điều khiển;

3 Chỉnh lưu bội áp

Thông thường khi thiết kế nguồn chỉnh lưu tạo điện áp một chiều cấp cho phụ tải, người ta chỉ sử dụng hai sơ đồ là chỉnh lưu nửa chu kỳ và chỉnh lưu cả chu kỳ (có điều khiển hoặc không điều khiển) Chỉnh lưu bội áp chỉ áp dụng cho trường hợp cần điện áp một chiều cao với dòng tải rất nhỏ

1) Chỉnh lưu nửa chu kỳ

Xét sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ (hình 2.1)

Hình 2.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ a) không điều khiển; b) có điều khiển a)

0

0 +

b)

Xét các trường hợp tải cho mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ:

- Với tải thuần trở R, ở nửa chu kỳ dương Diode phân cực thuận, cho dòng qua tải, còn ở nửa chu kỳ âm, Diode phân cực ngược, nó sẽ ở trạng thái khóa không cho dòng qua tải, It =0 Về lý thuyết, với mạch chỉnh lưu nửa chu

kỳ không điều khiển góc mở, điện áp chỉnh lưu trung bình Utb= 0,45 U2, với

U2 là trị hiệu dụng của điện áp thứ cấp biến áp chỉnh lưu

Hình 2.2 Đồ thị sóng dòng và áp sau chỉnh lưu với tải thuần trở

Với trường hợp tải điện có tính điện trở và điện cảm, trong phần tử điện cảm L sẽ sinh ra sức điện động tự cảm e = -L.di/dt làm dịch pha giữa dòng và

áp trong mạch chỉnh lưu Trên đồ thị dạng sóng chỉnh lưu với tải R-L (hình 2.3) thấy rằng, trong khoảng 0<θ< θ1 dòng id tăng từ từ và cuộn cảm L tích lũy năng lượng Trong khoảng θ1< θ < θ2 dòng vào giảm dần, sức điện động

tự cảm e sinh một dòng điện cùng chiều với dòng vào vì vậy dù Ui đã đổi chiều nhưng vẫn có dòng qua tải Trong thực tế đối với mạch tải R+L người ta dùng một Diode Dr mắc song song với tải để dẫn dòng tự cảm hoàn trả năng lượng, vừa để duy trì dòng điện tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn vừa bảo vệ Diode Dòng điện i đạt giá trị cực đại tại θ1

Hình 2.3 Đồ thị sóng dòng và áp sau chỉnh lưu

với tải thuần trở điện cảm

2) Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ

Xét sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (hình 2.4) Hình 2.4 –a là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ có biến áp chỉnh lưu, hình 2.4 –c là sơ đồ chỉnh lưu cầu cả chu kỳ, hình 2.4 –b là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ có biến áp chỉnh lưu có điều khiển góc mở

Hình 2.4 Chỉnh lưu cả chu kỳ a) không điều khiển; b) có điều khiển; c) chỉnh lưu cầu

Với mạch chỉnh lưu hình tia, điện áp ra trung bình Utb= 0,9U2 Dòng trung bình qua tải được xác định:

It = Utb / Rt = 0,9 U 2 / Rt

Sơ đồ hình tia có nhược điểm là cần máy biến áp chỉnh lưu phức tạp phía thứ cấp cần có 02 cuộn dây, điện áp ngược đặt lên Diode lớn gấp đôi

Hình 2.5 Đồ thị sóng dòng và áp sau chỉnh lưu cả chu

kỳ không điều khiển với tải thuần trở Mạch chỉnh lưu hình cầu (hình 2.4 –c), sử dụng 4 Diode làm nhiệm vụ chỉnh lưu, trong đó mỗi một cặp Diode dẫn điện trong các nửa chu kỳ tương ứng với chế độ phân cực thuận

3) Chỉnh lưu 1 pha có điều khiển

Để điều khiển được điện áp ra của mạch chỉnh lưu, sử dụng Thyristor thay cho Diode trong mạch chỉnh lưu Thyristor sẽ mở khi được phân cực thuận và có xung điều khiển đi vào vào cực G Thyristor ngưng dẫn khi được phân cực ngược Với chỉnh lưu có điều khiển, điện áp trung bình với tải thuần trở xác định:

2

cos 1

9 ,

Hỉnh 2.6 Đồ thị sóng điện áp chỉnh lưu 1 pha cả chu kỳ có điều khiển

với tải thuần trở Khi tải có tính điện cảm R+L, đường cong dòng điện id kéo dài ra khỏi

π khi mà điện áp Ui đã chuyển sang nửa chu kỳ âm

Hỉnh 2.7 Đồ thị sóng điện áp chỉnh lưu 1 pha cả chu kỳ có điều khiển

với tải điện trở- điện cảm

2.1.2 Chỉnh lưu 3 pha

Là phương pháp biến đổi dòng điện xoay chiều một pha thành dòng điện một chiều cung cấp cho tải Có nhiều giải pháp khác nhau để chỉnh lưu nguồn điện xoay chiều ba pha cấp nguồn một chiều cho phụ tải:

- Chỉnh lưu 3 pha hình tia không và có điều khiển

- Chỉnh lưu 3 pha cầu không và có điều khiển

- Chỉnh lưu 3 pha có hiệu chỉnh hệ số công suất sos đầu vào

- Chỉnh lưu ba pha hình tia không điều khiển

Sơ đồ nguyên lý các mạch ba pha không điều khiển hình tia được trình bày trên hình 2.8

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu ba pha hình tia

không điều khiển

Sơ đồ chỉnh lưu gồm máy biến áp ba pha nối sao có dây trung tính phía thứ cấp Có ba Diode được nối với các cực của cuộn thứ cấp và chung a nốt Tải được nối với điểm trung tính và điểm chung của ba Diode Ở thời điểm bất kỳ chỉ có một Diode dẫn ứng với chế độ phân cực thuận Với sơ đồ này xét trường hợp tải thuần trở có:

Điện áp trung bình đặt lên tải:

3 /

0

2 max

2

63sin

3

U d

trong đó U2 - điện áp pha phía thứ cấp máy biến áp

Để điều khiển điện áp ra của chỉnh lưu ba pha hình tia, người ta sử dụng các Thyristor thay cho các Diode

- Chỉnh lưu ba pha hình tia có điều khiển

Sơ đồ nguyên lý các mạch ba pha có điều khiển hình tia được trình bày trên hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu ba pha hình tia

có điều khiển Điện áp trung bình đặt lên tải:

cos2

63sin

2

6 /

trong đó U2 - điện áp pha phía thứ cấp máy biến áp

- Chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển

Sơ đồ nguyên lý các mạch ba pha không điều khiển hình tia được trình bày trên hình 2.10

Mạch chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển được thiết kế với 6 Diode (hình 2.10) So với sơ đồ chỉnh lưu hình tia, điện áp ra sau chỉnh lưu cầu ba pha bằng phẳng hơn, điện áp ra trung bình sau chỉnh lưu lớn hơn (bằng 2 lần chỉnh lưu hình tia)

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha

không điều khiển Điện áp trung bình đặt lên tải:

3 /

0

2 max

63

- Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

Nếu thay các Diode trong sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không điều khiển bằng các Thyristor ta có được sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển đối xứng (sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng nếu sử dụng 3 Diode và 3 Thyristor) Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển được trình bày trên hình vẽ 2.11

Điện áp trung bình đặt lên tải:

cos6

3

sin2

32

6 / 5

6 /

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha

có điều khiển

2.2 Chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất cos đầu vào

Để nâng cao hệ số công suất cos , giải pháp thực hiện sao cho dòng điện và điện áp vào của mạch chỉnh lưu tiến tới đồng pha ( 0) Các giải pháp đưa hệ số công suất đầu vào của thiết bị gần bằng 1 cho các bộ nguồn biến đổi nguồn có thể thực hiện theo sơ đồ nguyên lý chung (hình 2.12) Có thể thấy áp dụng công nghệ chỉnh lưu tiên tiến nâng cao hệ số công suất cao xấp xỉ 1 (PFC- Power Factor Correction) đang được ứng dụng rộng rãi

Nguyên lý cơ bản của mạch chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất cos (PFC) là: chỉnh lưu giảm áp (buck-converters), chỉnh lưu tăng áp (boot converter), hoặc hỗn hợp (buck-boost converter), hay sử dụng biến áp xung tại đầu ra Mấu chốt của vấn đề chỉnh lưu hệ hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC)

là khâu biến đổi điện áp một chiều được khống chế sao cho dòng và áp đầu vào luôn trùng pha, không phụ thuộc tính chất của phụ tải Điều này thực hiện được nhờ quy luật điều khiển chuyển mạch công suất hoạt động trong sơ đồ biến đổi mô tả như hình 2.13

Để có được khái niệm chính xác hơn về chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất cos xét sơ đồ khối chức năng của mạch chỉnh lưu 1 pha như sau:

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu

có hiệu chỉnh hệ số công suất PFC

Ý tưởng chủ đạo của mạch chỉnh lưu có hiệu chỉnh hệ số công suất vào PFC được thể hiện như sau Thay cho bộ lọc tần số thấp ở sau cầu chỉnh lưu thông thường (lọc điện dung) là mạch băm xung tần số cao có ổn định điện áp

để cấp cho tải Điện áp nhấp nhô sau chỉnh lưu cầu qua mạch phân áp bằng điện trở được lấy làm tín hiệu điều khiển khối tạo xung Tại thời điểm có xung mở đưa đến khoá điện tử VT, trong cuộn điện cảm L có dòng điện chạy qua, dòng điện cảm có dạng tuyến tính phụ thuộc thời gian Sự tăng dòng điện này được ghi nhận bởi cảm biến đo dòng trong mạch Trong sơ đồ này giá trị điện cảm L cần phải lựa chọn sao cho tốc độ tăng dòng lớn hơn nhiều lần tốc

độ tăng điện áp của dạng sóng sau chỉnh lưu cầu Khi tín hiệu dòng điện cảm

Cầu

CL

Mạch Điều khiển

được đo trên cảm biến dòng (dạng điện áp) bằng với tín hiệu điện áp sau khối

đo điện áp vào, khối điều khiển ngắt xung khiến khoá điện tử VT chuyển sang trạng thái ngắt Dòng điện trên cuộn điện cảm L giảm dần tuyến tính về 0 Tại thời điểm dòng điện cảm về giá trị 0, bộ điều khiển lại tiếp tục phát xung tín hiệu để mở tiếp khoá điện tử VT cho chu kỳ hoạt động thiếp theo Từ nguyên

lý hoạt động như vậy, rõ ràng thấy rằng đường cong đi qua đỉnh các xung dòng điện trên cuộn điện cảm L có dạng sin đồng pha với điện áp vào mạch tức là điện áp sau chỉnh lưu Kết quả nhận được dòng điện tải sau chỉnh lưu

có dạng tương tự như điện áp và trùng pha với điện áp vào hoàn toàn tương tự như với mạch điện sin thuần điện trở R

Để minh hoạ cụ thể hơn nguyên lý làm việc của mạch chỉnh lưu hiệu chỉnh hệ số công suất PFC, quan sát đồ thị sóng điện áp chỉnh lưu và xung dòng điện qua điện cảm được khống chế bởi khoá điện tử VT

Hình 2.13 Đồ thị dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch chỉnh lưu

có hiệu chỉnh hệ số công suất PFC

Có thể phát triển nguyên lý này cho các chỉnh lưu 3 pha đáp ứng nhu cầu cho tải công suất lớn Các sơ đồ chỉnh lưu 3 pha cơ bản thường gặp có dạng như hình 2.14

2.3 Bộ chuyển đổi điện áp một chiều DC/DC

2.3.1 Nguyên lý chuyển đổi điện áp DC/DC giảm áp (buck - converter)

Đây là kiểu biến đổi nguồn cho điện áp DC đầu ra nhỏ hơn so với điện

áp đầu vào tức là Vin> Vout Xét một mạch nguyên lý sau :

Hình 2.15 Nguyên lý chuyển đổi DC-DC giảm áp

Bộ chuyển đổi điện áp DC/DC giảm áp (buck) hoạt động theo nguyên tắc như sau: khi khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch giữa cửa vào và cửa ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Diode phân cực thuận Điện áp đặt vào điện cảm lúc

này ngược dấu với lúc khóa (van) đóng, và có độ lớn bằng điện áp cửa ra cộng với điện áp rơi trên Diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện cửa ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại cửa ra nằm trong giới hạn cho phép

Hình 2.16 Biểu đồ mô tả nguyên lý làm việc của bộ chuyển đổi DC-DC giảm áp

Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0 Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và T2 là thời gian ngắt khóa (van) Như vậy, T = T1 + T2 Giả sử điện

áp rơi trên Diode, và dao động điện áp cửa ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp cửa vào và cửa ra Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là (T1/T)×(Vin − Vout), còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là −(T2/T)×Vout

Điều kiện điện áp trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là: (T1/T)×(Vin − Vout) − (T2/T)×Vout = 0

Hay (T1/T)×Vin − ((T1 + T2)/T)×Vout = Vout

Giá trị D = T1/T thường được gọi là độ rộng xung (duty cycle) Như vậy, Vout = Vin×D D thay đổi từ 0 đến 1 (không bao gồm các giá trị 0 và 1),

do đó 0 < Vout < Vin

Với các bộ biến đổi buck, vấn đề cần quan tâm là: phạm vi thay đổi của điện áp cửa vào Vin, giá trị điện áp cửa ra Vout, độ dao động điện áp cửa ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần

số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp cửa ra

Phạm vi thay đổi của điện áp cửa vào và giá trị điện áp cửa ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D: Dmin = Vout/Vin,max, và Dmax =

Vout/Vin,min

Thông thường, với các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu Điện cảm phải đủ lớn

để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = Dmin (vì thời gian giảm dòng điện là T2, với điện áp rơi không thay đổi là Vout) Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:

(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min

Hai thông số quan trọng được lựa chọn ở đây là Lmin và T Nếu chúng

ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũng cần phải lớn