Thiết kế bộ nạp acquy axit chì với khả năng điều chỉnh dòng nạp, tự động ngắt khi acquy đầy

Cùng với đó thì các thông số của quá trình nạp như điện áp, dòngđiện cũng được điều khiển tự động để đảm bảo an toàn cho quá trình nạp cũng như tăng độ bền cho acquy.. Cũng như những tín

PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Đất nước ta đang bước trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hóa

Là một nước đang phát triển và đang dần tiếp cận với khoa học kỹ thuậthiện đại thì nhu cầu tự động hóa trong quá trình sản xuất ngày một được đềcao Ngày nay trong công nghiệp, các mạch điều khiển được kỹ thuật sốvới các chương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi đượccấu trúc tham số hoặc các luật điều khiển Nó làm tăng tốc độ xử lý, tính tácđộng nhanh và có độ chính xác cao dẫn đến nâng cao độ chuẩn hoá các hệ thốngtruyền động điện và các bộ điều khiển tự động Trong xu thế đó thì việc áp dụngvào mạch nạp acquy tự động đang được sử dụng rộng rãi và có những đặc tínhrất ưu việt Như chúng ta đã biết thì acquy là thiết bị cấp nguồn một chiều được

sử dụng phổ biến trong công nghiệp cũng như các lĩnh vực khác Chính vì vậyviệc nghiên cứu, chế tạo acquy và nguồn nạp acquy là hết sức cần thiết, nóảnh hưởng rất lớn tới dung lượng và độ bền của acquy

2.Mục đích của đề tài

- Nghiên cứu công nghệ nạp acquy Lithium-ion

- Thiết kế bộ nạp acquy axit chì với khả năng điều chỉnh dòng nạp, tự động ngắt khi acquy đầy Cùng với đó thì các thông số của quá trình nạp như điện áp, dòngđiện cũng được điều khiển tự động để đảm bảo an toàn cho quá trình nạp cũng như tăng độ bền cho acquy

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1.Đối tượng nghiên cứu

Căn cứ vào mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu, đề tài xác định được đối

tượng nghiên cứu cụ thể đó là: (1) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động củabình Lithium-ion, các thiết bị hỗ trợ quá trình nạp acquy, (2) Vi điềukhiển ATmega 16L thuộc họ AVR phục vụ điều khiển cho quá trình nạp, (3)Một số khâu phụ trợ khác hỗ trợ quá trình điều khiển của mạch

3.2.Phạm vi nghiên cứu

Về mặt nội dung:

- Nạp acquy 310V,10A

- Điều khiển quá trình nạp

Về mặt thời gian: Toàn bộ thời gian nghiên cứu và chế tạo mạch được thực hiện trong khoảng thời gian 3 tháng từ khi nhận đề tài

4.Phương pháp nghiên cứu khoa học

- Khảo sát hoạt động phóng nạp của acquy axit

- Xây dựng quy trình nạp acquy

- Thiết kế mạch công suất nạp acquy

5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NẠP ACQUY

1.1 Cấu trúc chung của một bình Acquy

Acquy là nguồn cung điện một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệpcũng như trong đời sống hàng ngày Có nhiều loại acquy nhưng phổ biến vàthường gặp trong thực tế là acquy chì axít và Acquy Lithium-ion

Cấu trúc của một acquy đơn gồm có phân khối bản cực dương, phân khối bảncực âm, các tấm ngăn

Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau Cấu tạo củamột bản cực trong acquy 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 có pha thêm 5 ÷ - 8% ăngtimoang (Sb) và tạo hình mắtlưới 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 muốihưu cơ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng Nhờ tăng độ xốp mà cảithiện 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 cựccũng được tăng thêm

Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi acquy đơnđược hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn vớinhauthành khối bản cực âm Số lượng các bản cực trong mỗi acquy Số lượng

các bản cực trong mỗi acquy thường từ 5÷8, bề dầy tấm bản cực dương củaacquy thường từ 1,3÷1,5mm, bản cực âm thường mỏng hơn 0,2÷0,3mm Số bảncực âm trong acquy thường nhiều hơn số bản cực âm một bản nhằm tận dụngtriệt 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 vinylclo bề dày 0,8÷1,2 và có dạng lượn sóng, trên các bề mặt tấm ngăn có các

poly-lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua

Acquy là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch: nó tích trữ nănglượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng Quá trình acquy cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện,quá trình acquy dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện

1.2 Phân loại Acquy

Cho đến nay có rất nhiều loại acquy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vàonhững điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làmviệc Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của acquy có thể liệt kê một sốloại sau:

- Acquy chì (acquy axit)

- Ac quy kiềm

- Ac quy không lamen và acquy kiềm

- Ac quy kẽm-bạc

- Acquy lithium - ion

Tuy nhiên trên thực tế acquy Lithium ion và acquy kiềm được sử dụng với côngdụng tốt hơn thời gian sử dụng lâu hơn cường độ nạp chịu được tác dụng của dòng điện cao hơn,

+ Một số ưu điểm của Acquy Lithium-ion như sau

cực của Pin Lithium-Ion được làm bằng vật liệu nhẹ hơn là Lithium và Carbon Lithium cũng là nguyên tố phản ứng hoá học mạnh , có nghĩa là có nhiều nănglượng được lưu trữ trong trạng thái nguyên tử của nó Sự chuyển đổi của nómang lại mật độ năng lượng rất cao trong Pin Lithium-Ion

Đây là phép so sánh về mật độ năng lượng : Pin Lithium-Ion thông thường cóthể lưu trữ 150W-giờ / kg mặc dù đa số trong đó có thể chỉ đạt được 60-70 W-giờ Trong khi đó Pin dựa trên thành phần cơ bản là Acid chỉ đạt được 25W-giờ/kg Điều đó có nghĩa là dùng 6kg Pin dựa trên thành phần cơ bản là Acid cócùng năng lượng với 1kg Pin Lithium-Ion Đó là điều khác nhau lớn nhất

năng lượng / tháng , trong khi đó Pin NiMH mất 20% mức năng lượng/tháng

4

- Chúng không có “hiệu ứng nhớ” , điều đó có nghĩa là bạn không cần phảidùng hết Pin mới được sạc lại như một số Pin hoá học khác

Điều đó không có nghĩa rằng Pin Lithium – Ion không có điều không thuậntiện Chúng cũng có một vài điều bất hợp lí như :

thọ từ hai đến ba năm sau khi sản xuất mặc dù cho bạn có dùng hay không

sử dụng đến nó

Lithium-Ion thoái hoá

này cũng tương tự như Pin dựa trên NiCd

Mạch này cũng tăng giá thành thiết bị

ngọn lửa

1.3 Acquy Lithium-ion

1.3.1 Các đặc tính của Acquy Lithium-ion

Hình 1.2: Đặc tính nạp của acquy Li-ion

Ắc quy Li-ion là loại ắc quy được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị nhưđiện thoại di động, máy tính xách tay, xe điện, … Khác với ắc quy axit-chì, ắcquy Li-ion đắt tiền hơn nhưng bù lại, nó có tuổi thọ dài hơn, khối lượng nhẹhơn, thể tích nhỏ hơn và cho phép nạp với tốc độ nhanh hơn rất nhiều Do bản

chất hóa học đặc biệt nên ắc quy Li-ion có quy trình sạc riêng, không giống cácloại ắc quy khác.

Hình 1.2 mô tả 2 giai đoạn sạc ắc quy Lithium-ion tiêu chuẩn gồm: Sạc

ổn dòng, sạc ổn áp Trong quá trình sạc ổn dòng, dòng điện được giữ không đổi.Dòng điện sạc càng lớn, quá trình sạc ổn dòng càng ngắn nhưng quá trình sạc ổn

áp sẽ càng dài Tuy vậy, tổng thời gian sạc cả 2 giai đoạn thường không quá 3h.Đồng thời, dòng điện lớn sẽ làm tăng nhiệt độ acquy Trong quá trình sạc cầntheo dõi nhiệt độ sát sao vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể làm cho acquy bốc cháyhoặc phát nổ Thông thường, nhiệt độ không nên vượt quá 450C Một số ắc quyLi-ion sử dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độkhi sạc lên đến 600C Một số bộ sạc nhanh (quick charge) chỉ thực hiện bơmdòng ổn định vào acquy (sạc ổn dòng) do đó, giới hạn về nhiệt độ lớn hơn đồngnghĩa với việc dòng điện sạc lớn hơn hay thời gian sạc nhanh sẽ ngắn hơn

Trong quá trình sạc ổn dòng, điện áp trên 2 đầu cực ắc quy tăng dần Khiđiện áp đạt bằng sức điện động của ắc quy lúc đầy, bộ sạc kết thúc quá trình sạc

ổn dòng và chuyển sạc chế độ sạc ổn áp Toàn bộ thời gian sạc ổn dòng thườngkéo dài tối đa khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng còn lại ban đầu của ắc quy).Kết thúc quá trình sạc ổn dòng, dung lượng ắc quy đã phục hồi được khoảng70% Trong nhiều trường hợp (quick-charge) người ta có thể đem sử dụng ngay(phương pháp “charge-and-run”) Điều này mặc dù làm giảm bớt thời gian sạcđồng thời làm cho thiết kế của bộ sạc đơn giản hơn rất nhiều nhưng mặt khác sẽlàm giảm tuổi thọ acquy Để đảm bảo tuổi thọ của acquy theo đúng thông số nhàsản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành cả giai đoạn sạc ổn áp - thườngmất thời gian hơn rất nhiều so với giai đoạn sạc ổn dòng

Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng4,2V/cell Do dung lượng của ắc quy phục hồi dần, sức điện động của nó tănglên làm cho dòng điện giảm dần Khi dòng điện giảm về nhỏ hơn 3%C, chế độsạc ổn áp kết thúc Lúc này, dung lượng ắc quy đạt khoảng 99%

Khác với ắc quy acid-chì, ắc quy Li-ion không cần và không được phépduy trì áp sạc sau khi ắc quy đã đầy (dòng điện sạc giảm nhỏ hơn 3%C) vì tínhchất của ắc quy Li-ion không cho phép over-charge; nếu vẫn cố over-charge cóthể sẽ làm nóng ắc quy và gây ra nổ Ngoài ra, theo các chuyên gia, không nênsạc acquy Li-ion vượt quá 100% dung lượng vì như vậy sẽ làm giảm tuổi thọcủa ắc quy

Nếu acquy được sạc đầy, sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của ắc quy

sẽ giảm dần về mức ổn định khoảng 3,6 - 3,9V/cell Trái lại, nếu chỉ sạc nhanh(sạc ổn dòng) thì sau khi ngừng sạc, áp ắc quy sẽ giảm sâu hơn về khoảng 3,3 -3,5V

Do ắc quy Li-ion cũng có tính chất tự phóng điện khi không sử dụng

(self-discharge) nên trong một số trường hợp, để điền đầy ắc quy, ngoài việc sử dụng quá trình ổn dòng, ổn áp, người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn Chẳng hạn, khi áp ắc quy đạt 4,2V/cell, quá trình sạc sẽ dừng ngay Lúc này, điện áp pin sẽ giảm dần; khi điện áp ắc quy giảm còn 4,05V/cell hệ thống sạc lạitiếp tục đóng áp sạc 4,2V/cell vào để tiếp tục quá trình sạc áp Việc đóng cắt như

6

vậy sẽ được diễn ra liên tục Nhờ vậy, điện áp ắc quy được giữ ổn định trong khoảng 4,05 – 4,2V/cell, do đó, làm ắc quy được nạp sâu hơn, tránh được hiện tượng over-charging và kéo dài tuổi thọ ắc quy.

1.3.2 Trạng Thái làm việc của Acquy Lithium-ion

Có nhiều Pin Lithium-Ion bên trong Ắc quy và có nhiều các hình dạng và kíchthước , nhưng bên trong chúng thì như nhau

Những Pin Lithium-Ion có thể hình trụ nhìn tương tự như một Pin AA hoặcchúng như hình lăng trụ có nghĩa là chúng hình vuông hoặc hình chữ nhật Trong máy tính của chúng ta sẽ bao gồm các thành phần sau :

độ của Ắc quy

regulator circuit ) để duy trì mức độ an toàn của điện áp và dòng điện

và luồng thông tin vào và ra của Ắc quy

nhỏ bên trong Ắc quy

monitor ) , là một máy tính nhỏ để điều khiển tất cả quá trình nạp để chắc

chắn rằng Ắc quy được nạp nhanh chóng và đầu đủ nhất có thể được

Nếu Ắc quy quá nóng trong quá trình nạp hoặc đang sử dụng , máy tính sẽ giảmdòng điện để giảm nhiệt độ xuống Nếu bạn dùng máy tính trên xe ô tô mà đangnóng , máy tính này có thể ngăn bạn dùng máy tính cho tới khi nhiệt độ của nó

hạ xuống Nếu những Pin nhỏ hoàn toàn phóng hết điện , Ắc quy sẽ đóng lạinếu không thì những Pin nhỏ trong đó bị hỏng Nó sẽ gửi thông tin tới máy tínhyêu cầu phải nạp điện vào Pin Mạch điều khiển của Ắc quy cũng như là mộtmáy tính nhỏ và tiêu thụ mức năng lượng 5% / tháng khi Pin ở trạng thái nghỉ

CHƯƠNG 2 BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 2.1 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU

2.1.1 Khái quát về bộ xung áp một chiều

Bộ xung áp một chiều (bộ biến đổi áp một chiều) sử dụng các ngắt bán dẫn dùng

để biến đổi điện áp một chiều thành một chuỗi các xung áp, nhờ đó sẽ thay đổiđược trị số điện áp đầu ra

Hình 2.1 Bộ xung áp một chiều

Bộ xung áp một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưuđiểm là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng với hiệu suất của bộ biếnđổi cao và tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ

So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độđộng cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phátmột chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu cóđiều khiển thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể:điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệuquả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ

Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bándẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ,

độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ

8

Điện áp trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dùđiện áp đầu vào có thể là hằng số (acquy, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnhlưu), tải có thể thay đổi

2.1.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp ra

Điện áp trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dùđiện áp đầu vào có thể là hằng số (acquy, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnhlưu), tải có thể thay đổi

2.1.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp ra

a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T suy ra giá trịtrung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:

Trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ

Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0<)

b) Phương pháp thay đổi tần số xung

Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const Khi đó:

(2.2)

Vậy khi khi f=0

Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên Thực tế phương phápbiến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết

bị biến tần đi kèm

2.2 BỘ BĂM ÁP NỐI TIẾP

Bộ băm áp nối tiếp hay còn gọi là bộ biến đổi xung áp một chiều, là bộ biếnđổi mà trong đó, van chuyển mạch tạo ra các xung điện áp mắc nối tiếp với tải.Biên độ của các xung điện áp này chính bằng giá trị biên độ điện áp nguồn

Sơ đồ nguyên lý:

Việc điều khiển van chuyển mạch được thực hiện theo chu kỳ lặp lại vàđược gọi là chu kỳ đóng cắt, hay tần số đóng cắt Tùy vào khả năng đáp ứng củavan bán dẫn sử dụng mà tần số đóng cắt có thể từ vài kHz tới vài trăm kHz,thậm chí có thể lên tới cấp MHz

Hoạt động:

Bộ biến đổi xung hoạt động theo chu kỳ đóng cắt van chuyển mạch Khivan dẫn, tải được nối với nguồn và điện áp trên tải là UI Khi van ngắt, tải bị

ngắt khỏi nguồn, điện áp trên tải là 0 Đồ thị điện áp tải như Hình 2.3 Trong

một chu kỳ đóng cắt, thời gian van dẫn là t1, thời gian van ngắt là t2 Chu kỳđóng cắt van là: TCK = t1+ t2 Tần số đóng cắt van là:

Nếu gọi , thì điện áp ra của bộ biến đổi được xác định là: U0=D.UI Với tải cótính chất thuần trở thì đồ thị dòng và áp trùng pha Nếu tải có tính chất cảmkháng thị đồ thị dòng và áp có sự lệch pha nhau bởi tính chất duy trì dòng điệncủa cuộn cảm như trong (Hình 2.4) dưới đây Dòng điện sẽ dao động quanh mộtgiá trị trung bình và có thể không về 0 (liên tục)

Biên độ dao động của dòng điện (imax-imin) được xác định theo công thức:

Như vậy, sự dao động dòng điện tải phụ thuộc vào nguồn điện, độ rộng xungđiện áp, tần số chuyển mạch và cuộn cảm L Với UI, D và L là yếu tố bắt buộctheo yêu cầu thì để hạn chế sự dao động dòng điện tải ta phải nâng tần số chuyểnmạch lên Điều này giải thích tại sao tần số chuyển mạch của bộ băm áp nối tiếplại cao đến hàng kHz.

2.3 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU GIẢM ÁP [4]

Bộ biến đổi giảm áp là một cải tiến của bộ băm áp nối tiếp Gồm các thànhphần: một van chuyển mạch, một diode, một cuộn cảm và một tụ điện lọc đầura

Sơ đồ nguyên lý:

10

Hình 2.5 Bộ biến đổi xung áp giảm áp

(a) Sơ đồ nguyên lý mạch

(b) Sơ đồ tương đương khi chuyển mạch ON và diode OFF

(c) Sơ đồ tương được khi chuyển mạch OFF và diode ON

Van chuyển mạch thường được sử dụng là MOSFET công suất bởi khả năngđóng cắt ở tần số cao của nó Ngoài ra cũng có thể sử dụng các loại van

công suất khác như: BJT, IGBT,

Diode D1 được gọi là diode hãm (catch diode) Diode D1 và chuyển mạch S sẽ

luân phiên dẫn dòng trong bộ giảm áp.

Việc điều khiển đóng mở chuyển mạch S được thực hiện bởi bộ điều chếđộ rộngxung (PWM) với tần số đóng cắt là , D là chu kỳ nhiệm vụ được xác định là: Với tON là thời gian van S dẫn và tOFF là thời gian van S ngắt Do điện áp cựcgate của van không được so sánh với đất nên trong điều khiển van cần chú ý tớinguồn điều khiển Với các ứng dụng thông thường thì điện áp ra được yêu cầu

ổn định ở một giá trị Tuy nhiên, khi điện áp vào hoặc tải thay đổi thì sẽ làmthay đổi giá trị điện áp ra UO nên để giữ UO ổn định thì chu kỳ nhiệm vụ D sẽđược điều chỉnh tương ứng để giữ cho UO được ổn định Điện áp ra của bộ giảm

áp luôn nhỏ hơn điện áp vào nên còn có tên khác là bộ Step-down Converter

Hoạt động:

Bộ giảm áp có thể hoạt động trong chế độ cuộn cảm dẫn dòng liên tục(Continuous Conduction Mode, CCM) hoặc cuộn cảm dẫn dòng gián đoạn(Discontinuous Conduction Mode, DCM) Khi bộ biến đổi hoạt động ở biêngiữa hai chế độ CCM/DCM, được gọi là chế độ tới hạn (Critical mode) Nguyên

lý hoạt động của bộ biến đổi trong chế độ CCM được diễn tả bằng các đồ thịđiện áp và dòng điện theo thời gian như trong (Hình 2.6)

Hình 2.6 Đồ thị lý tưởng dòng điện và điện áp bộ giảm áp.

Tại thời điểm t=0, van S được kích mở và bắt đầu dẫn dòng Điện áp đặtlên diode D1 là UD= -UI, làm cho diode bị phân cực ngược Điện áp đặt lêncuộn cảm L là UL= UI–UO và dòng điện chạy qua cuộn cảm tăng tuyến tính với

hệ số

(UI – UO)/L Do van S và cuộn L mắc nối tiếp với nhau nên iS= iL Trongsuốt thời gian mà van dẫn, năng lượng được truyền từ nguồn đầu vào tới cuộncảm, tụ điện và tải Khi t = DT, van S ngừng dẫn

Khi van ngừng dẫn, dòng điện chạy qua cuộn cảm vẫn khác 0 do cuộn cảm

có tính chất ổn định dòng điện theo thời gian.Vậy nên, dòng điện trong cuộncảm sẽ tiếp tục chạy theo hướng cũ sau khi van ngừng dẫn Lúc này, cuộn cảm Lhoạt động như một nguồn dòng và làm cho diode hoạt động dẫn dòng

Điện áp đặt lên van S là UI và điện áp đặt lên cuộn L là -UO Dòng điệnchạy qua cuộn cảm giảm tuyến tính theo hệ số -UO/L Trong khoảng thời giannày, nguồn điện UI sẽ bị ngắt kết nối với mạch và không truyền năng lượng chotải và mạch LC Cuộn cảm L và tụ điện C có cấu trúc như một nguồn nănglượng duy trì điện áp tải và dòng điện khi van S ngắt Tại thời điểm t = T, van Sđược kích mở trở lại, dòng điện trong cuộn cảm lại được tăng lên và năng lượngcũng vậy

Các van công suất S và diode D1 biến đổi điện áp vào một chiều thànhdạng xung vuông để làm đầu vào cho mạch L – C – RL Hay chính là điện ápvào UI đã bị băm xung bởi bộ chuyển mạch transistor - diode Còn mạch L-C-

RL hoạt động như một mạch thứ cấp với bộ lọc thông thấp và chuyển đổi điện

áp xung vuông thành điện áp ra một chiều có dao động nhỏ

Ở trạng thái ổn định, điện áp rơi trung bình trên cuộn cảm coi như bằng 0

Và điện áp ra trung bình UO là bằng điện áp trung bình của xung vuông Độrộng của xung điện áp chính là khoảng thời gian van S dẫn Và được điều khiểnbằng việc thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D của điện áp điều khiển van S

Giá trị trung bình của giá trị điện áp ra là UO= D.UI, giá trị này phụ thuộc vàochu kỳ nhiệm vụ D và gần như độc lập với tải trong chế độ CCM Về lý thuyết,chu kỳ nhiệm vụ thay đổi từ 0 tới 100% Có nghĩa là điện áp ra UO nằm trongdải từ 0 tới UI Trong thực tế, điện áp vào UI thay đổi trong một khoảng xácđịnh trong khi điện áp ra UO được yêu cầu giữ ở một giá trị cố định

Nếu điện áp vào UI tăng thì D phải giảm để sao cho tích số D.UI, cũng chính làđiện áp ra trung bình là hằng số Và ngược lại, khi UI giảm thì phải tăng 22

D để giá trị điện áp ra trung bình vẫn là hằng số Như vậy, toàn bộ năng lượng

từ nguồn vào UI tới tải có thể được điều khiển bằng việc thay đổi thời gian van

S dẫn hay thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D Nếu điện áp ra UO và dòng tải IO làhằng sốthì công suất phát ra cũng là hằng số Khi điện áp vào UI tăng thì thờigian van S dẫn phải giảm để năng lượng truyền đi được như cũ Thực tế thì Dthường thay đổi trong dải từ 5% tới 95% toàn chu kỳ

Chu kỳ nhiệm vụ D được điều chỉnh bởi mạch điều khiển Dòng điện chạy trongcuộn cảm L bao gồm một thành phần dòng xoay chiều Thành phần này là độclập với dòng điện tải IO Với dòng ra IO một chiều chạy trong cuộn cảm L thìlõi ferrit của cuộn cảm chỉ hoạt động ở một nửa của đường từ trễ Do vậy, cuộncảm L nên được thiết kế để lõi không bị bão hòa Để lõi tránh bão hòa, lõi quấnnên có một khe khí đủ độ rộng

14

CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG NẠP ACQUY 330V – 10A

3.1 Giới thiệu chung về phần mềm PSIM

3.1.1 Khái niệm chung về PSIM

Để mô phỏng các mạch điện công suất hiện nay chúng ta có thể sử dụng rấtnhiều phần mềm khác nhau như MATLAB, TINA, PSPICE ,,, Mỗi phần mềm

có những ưu điểm khác nhau và cũng có những nhược điểm nhất định Để môphỏng cho mạch acquy 310v – 10A thì phần mềm tối ưu nhất có thể lựa chọn đó

là phần mềm PSIM theo nhiều kỹ sư đã sử dụng và đánh giá thì phần mềmPSIM có dung lượng nhẹ dễ sử dụng thích hợp cao đối với mạch điện công suất

3.1.2 Cấu tạo các chương trình trong PSIM

PSIM bao gồm 3 chương trình chính sau

PSIM Schmatic

PSIM simulator

SIMVIEW Hình 3.1 các quá trình mô phỏng trên PSIM

PSIM Schmatic : Chương trình thiết kế mạch

PSIM simulator : Chương trình mô phỏng mạch

SIMVIEW : Chương trình hiển thị đồ thị sau khi mô phỏng

Để biểu diễn mạch điện trên PSIM gồm các khối sau

Power circuit

Hình 3.2 các bước biểu diễn một mạch điện trên PSIM

Power circuit : mạch động lực

Sensors : cảm biến

Switch controllers : bộ điều khiển chuyển mạch

Control circuit : mạch điều khiển

Mạch động lực gồm các van bán dẫn công suất , các phần tử RLC , máybiến áp lực và cuộn cảm biến san bằng

Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối , bao gồm các phần

tử trong miền S , miền Z, các phần tử logic ( các cổng logic, flip-flop ) và cácphần tử phi tuyến ( bộ chia )

Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp , dòng điện trong mạch độnglực để đưa về mạch điều khiển , sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu điềukhiển đến bộ điều khiển để điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn trongmạch lực

3.1.3 Khởi động chương trình PSIM

Khi khởi động chương trình PSIM thì Psim schematic sẽ khởi động đầu tiên , vào file New chương trình sẽ suất hiện như sau :

16

Control circuit

Sensors Switch

Controllers

3.2.Mạch công suất nạp Acquy

3.2.1 Chọn diode chỉnh lưu

Dòng điện hiệu dụng qua diode đạt cực đại khi điện áp đầu vào cực tiểu, ứng với hệ số điều tần cực tiểu Fx = Fx,min = 0,65 Thay vào :

- Điện áp ngược tối đa đặt lên các diode:

 Chọn 04 diode kép STTH60L06CW của hãng ST có các thông số cơ bản được mô tả trong bảng 3.3

Công suất biểu kiến trao đổi qua cuộn kháng gần như không phụ thuộc vào hệ sốđiều tần: