Thiết kế mạch nạp ắc qui tự động

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 .

Với nhiệm vụ thiết kế mạch nạp ắc qui tự động.

Chơng i: giới thiệu chung về ắc qui và các phơng pháp nạp ắc qui

I.1: ứng dụng của ác qui:

I.2 Cấu tạo của ắc qui

I.3: Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui

I.4 Đặc tính phóng nạp của ắc qui

I.5.Các phơng pháp nạp ắc qui tự động

Chơng II: các phơng án lựa chọn mạch lực

II.1: mạch chỉnh lu điều khiển đối xứng cầu 3pha I.2: mạch chỉnh lu điều khiển hình tia 3pha

II.3: Chỉnh lu cầu 3 pha bán điều khiển

II.5: mạch chỉnh lu bán điều khiển cầu 1pha

Chơng iii: tính toán thiết kế mạch lực

III.1: Sơ đồ mạch lực:

III.2: Tính chọn các phần tử trong sơ đồ mạch lực

III.3: Tính toán máy biến áp lực

Chơng 4:Thiết kế và tính toán mạch điều khiển IV.1 Mục đích và yêu cầu:

IV.2 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển

IV.3 Nguyên tắc điều khiển.

IV.4 Các khối trong mạch điều khiển.

IV.4 1: Khối tạo điện áp đồng pha.

IV.4.2: Khối tạo xung đồng bộ.

IV.4.3 Khối tạo điện áp răng ca.

IV.4.4 Khối so sánh giữa điện áp răng ca với điện áp điều khiển IV.4.5 Khối phản hồi dòng điện.

IV.4.6 Khối phản hồi điện áp.

IV.4.7 Khối chuyển mạch nạp.

IV.4.8 Khối cắt nguồn cấp khi điện áp vợt quá 324 V

IV.4.9 Khối tạo xung chùm.

IV.4.10 Khối khuyếch đại xung và biến áp xung.

IV.5 Mạch điều khiển.

IV.5.2: Dạng điện áp:

IV.5.3: Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:

IV.6 Khối nguồn nuôi mạch điều khiển

mô phỏng trên máy tính

Sử dụng phần mềm ELECTRONIC WORKBENCH

MULTISIM V8 TRIAL mô phỏng hoạt động của sơ đồ:

` Chơng i: giới thiệu chung về ắc qui và các phơng pháp nạp ắc qui

I.1: ứng dụng của ác qui:

ắc qui là một nguồn điện đợc trữ năng lợng điện dới dạng hoá, nócung cấp điện cho các thiết bị điện phục vụ trong công nghiệp cũng nh trong

đời sống hàng ngày: nh cung cấp điện cho động cơ điện, bóng đèn, là nguồnnuôi 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 thuộcvào 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 trữnăng lợng của ắc qui ngời ta tăng số lợng cặp bản cực dơng âm trong mỗi ắcqui đơn Để tăng giá trị sức điện động của nguồn ngời ta ghép nối nhiều ắcqui đơn thành mộ bình ắc qui

I.2 Cấu tạo của ắc qui:

Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dơng,phân khối bản cực âm, các tấm ngăn Phân khối bản cực do các bản cực cùngtên ghép lại với nhau Cấu tạo của một bản cực trong ắc qui gồm có phầnkhung xơng và chất tác dụng trát lên nó Khung xơng của bản cực âm và bảncực dơng có cấu tạo giống nhau, chúng đợc đúc từ chì và chúng đợc đúc từchì và có pha thêm 5  8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắt lới

-Hình 1.1: Cấu tạo của ắc qui.

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

hu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng Nhờ tăng độ xốp màcải thiện đợc độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bảncực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cựccũng đợc tăng thêm Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dơngcủa mỗi ắc qui đơn đợc hàn với nhau tạo thành khối bản cực dơng, các bảncực âm đợc hàn với nhau thành khối bản cực âm Số lợng các bản cực trongmỗi ắc qui thờng từ 5 đến 8 tấm, bề dầy tấm bản cực dơng của ắc qui thờng

từ 1,3 đến 1,5 mm , bề dày tấm bản cực âm thờng mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm Số bản cực âm trong ắc qui thờng nhiều hơn số bản cực dơng một bản nhằmtận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực Tấm ngăn đợc

bố trí giữa các bản cực âm và dơng có tác dụng ngăn cách và tránh va đậpgiữa các bản cực Tấm ngăn đợc làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8

đến 1,2 mm và có dạng lợn sóng, trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho phépdung dịch điện phân thông qua

I.3: Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui

ắc qui là nguồn năng lợng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ nănglợng dới dạng hoá năng và giải phóng năng lợng dới dạng điện năng Quátrình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài đợc gọi là quá trình phóng điện, quátrình ắc qui dự trữ năng lợng đợc gọi là quá trình nạp điện Phản ứng hoá họcbiểu diễn quá trình chuyển hoá năng lợng

Thông thờng có 2 loại acquy đợc sử dụng phổ biến trong thực tế là acquyaxit và acquy kiềm có bản cực đợc làm bằng các kim loại và hợp kim sau:

I.3.1:Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui axit:

Trong ắc qui axit có các bản cực dơng là đôixit chì ( PbO2 ), các bản âm

là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H2SO4 ) nồng độ d  1,1

I.3.2: Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui kiềm:

Trong ắc qui kiềm có bản cực dơng là Ni(OH)3 , bản cực âm là Fe, dungdịch điện phân là: KOH nồng độ d  20 %

I.3.3:Các thông số cơ bản của ắc qui:

PhóngNạpPhóngNạp

- Sức điện động của ắc qui kiềm và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độdung dịch điện phân Ngời ta thờng sử dụng công thức kinh nghiệm

Eo  0,85 +  ( V )

Trong đó:

Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V )

 - Nồng độ dung dịch điện phân ở 15 C ( g/cm3 ) +Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui đợc tínhtheo công thức:

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 (  )

+Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui đợc tính theocông 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 (  )

- Dung lợng phóng của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng cung cấpnăng lợng điện của ắc qui cho phụ tải, và đợc tính theo công thức :

Cp  Ip.tp

Trong đó :

Cp - Dung dịch thu đợc 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 lợng nạp của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng tích trữ nănglợng của ắc qui và đợc tính theo công thức :

Cn  In.tn

Trong đó :

Cn - dung dịch thu đợc trong quá trình nạp ( Ah )

In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A )

tn - thời gian nạp điện ( h )

-Nội trở Ro, đơn vị là Ôm ( )

Nội trở là điện trở trong của acquy Nội trở của acquy phụ thuộc vào tỷ trọng, bản cực lớn hay nhỏ, tính chất tấm cách điện, khoảng cách giữa hai bản cực…v.v

Dung lợng càng lớn, nội trở càng nhỏ Nhiệt độ, tỷ trọng càng tăng nội trở càng nhỏ vì vậy nên khi nạp điện nội trở giảm theo tỷ trọng và nhiệt độ tăng Khi phóng điện nội trở tăng vì tỷ trọng và nhiệt độ giảm

Mỗi ngăn acquy kiềm có Ro=0,05-1

Mỗi ngăn acquy axít có Ro=0,001-0,0015  khi nạp đầy và Ro=0,02  khi phóng điện đến điện áp ngừng phóng điện của acquy

Dới đây là nội trở của một số bình acquy axít có dung lợng khác nhau:

- Hiệu suất :Acquy không thể phóng ra toàn bộ điện năng đã hấp thụ

đ-ợc vì có những tổn thất dới đây:

+Do tác dụng của điện phân ở thời kỳ cuối khi nạp điện, nớc biến thành

ôxy và hiđrô sủi bọt, tổn hao một phần điện năng

+Tổn hao một phần điện năng vì dò điện và phóng điện nội bộ

+Khi nạp điện acquy có nội trở nên tiêu hao hết một phần năng lợng Hiệu suất của acquy là tỷ số giữa toàn bộ điện năng phóng và toàn bộ điệnnăng nạp Có 2 loại hiệu suất;

+Hiệu suất dung lợng( hiệu suất Ampe-giờ)

% 100

% 100

n

p n

% 100

ntb

ptb Ah ntb

n

n

ptb p

p

w

U

U U

I.4 Đặc tính phóng nạp của ắc qui:

I.4.1 Đặc tính phóng của ắc qui

- Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc củasức điện động, điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gianphóng khi dòng điện phóng không thay đổi

- Từ đặc tính phóng của ắc qui nh 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 thờigian 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 tơng ứng với mỗi chế độ phóng điệncủa 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 tiếptục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc qui sẽgiảm rất nhanh Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành trongphản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá

Hình 1.3: Đặc tính phóng của ắc qui.

CP = IP.tP Vùng phóng điện cho phép

I (A) U (V)

20 12

trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng

điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up,  tại tgh đợc gọi là các giá trịgiới hạn phóng điện của ắc qui ắc qui không đợc phóng điện khi dung lợngcòn 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, tagọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc qui Thời gian hồi phụcnày phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc qui (dòng điện phóng và thờigian phóng )

I.4.2 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

- Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :

+Trong khoảng thời gian từ t  0 đến t  t thì sức điện động, điện

Khoảng nghỉ

2,1V Eaq

Eo

Hình 1.4: Đặc tính nạp của ắc qui.

+Tới thời điểm tn = ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí(còn gọi là hiện tợng sôi ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui

đơn tăng đến 2,4 V Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới2,7 V và giữ nguyên Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụngcho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực đợc biến đổi tuầnhoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lợng phóng điện của ắc qui

+Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2  3 h trongsuốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dungdịch điện phân không thay đổi Nh vậy dung lợng thu đợc khi ắc qui phóng

điện luôn nhỏ hơn dung lợng cần thiết để nạp no ắc qui

+Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độdung dịch điện phân giảm xuống và ổn định Thời gian này cũng gọi làkhoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp

+Trị số dòng điện nạp ảnh hởng rất lớn đến chất lợng và tuổi thọ của ắcqui Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In  0,1C20

Những dấu hiệu cho thấy acquy đã đầy điện :

- Hiện tợng sủi bọt rất mạnh xảy ra xung quanh cực âm và cực dơng

- Tỷ trọng đạt 1,12-1,22 đối với acquy cố định và 1,25-1,30 đối với acquy

di động

- Hiệu điện thế đạt 2,7-2,8V và ổn định trong suốt 3 h

- Dung lợng nạp vào gấp 1,2-1,3 lần dung lợng định mức

I.5.1 Phơng pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi.

Đây là phơng pháp nạp cho phép chọn đợc dòng nạp thích hợp vớimọi loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui đợc no Đây là phơng pháp sử dụngtrong các xởng bảo dỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sử chữacho các ắc qui bị Sunfat hoá Với phơng pháp này ắc qui đợc mắc nối tiếpnhau 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 trìdòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R Trị số giới

_

Hình 1.5: Nạp với dòng điện không đổi.

AV

Un

+

aq n

I

N 0 , 2 U

và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là0,05C20

I.5.2 Phơng pháp nạp với điện áp không đổi

U

n A V

Hình 1.6: Nạp với điện áp không đổi.

đoạn nạp chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ítthay 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

đợc 20h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2  3h

- Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống nh ắc qui axit nhng do khảnăng quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In

 0,1C20 hoặc nạp cỡng 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 khinạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ

- Khi dung lợng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tụcgiữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nớc Do đó đến giai đoạn này

ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp đợc giữcho đến khi ắc qui đã thực sự no Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằngvới điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quátrình 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 cỡng bức In  ( 0,3  0,5 )C20

+ ắc qui kiềm :- Dòng nạp ổn định In  0,1C20

- Dòng nạp cỡng 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

đổi này có thể là chỉnh lu không điều khiển và chỉnh lu có điêu khiển Với mục

đích giảm công suất vô công, ngời ta thờng mắc song song ngợc với tải mộtchiều một diod (loại sơ đồ này đợc gọi là sơ đồ có diod ngợc) Trong các sơ đồchỉnh lu có diod ngợc, khi có và không có điều khiển, năng lợng đợc truyền từphía lới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lu đó chỉ có thể làmviệc ở chế độ chỉnh lu Các bộ chỉnh lu có điều khiển, không diod ngợc có thểtrao đổi năng lợng theo cả hai chiều Khi năng lợng truyền từ lới xoay chiềusang tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lu, khi năng lợng truyền

Hình 1.7: Ph ơng pháp đấu nối ắc qui để nạp điện

theo chiều ngợc lại (nghĩa là từ phía tải một chiều về lới xoay chiều) thì bộnguồn làm việc ở chế độ nghịch lu trả năng lợng về lới

Theo dạng nguồn cấp xoay chiều, chúng ta có thể chia chỉnh lu thành mộthay ba pha Các thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lu là: dòng điện và điện áptải; dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp; số lần đập mạch trong mộtchu kỳ Dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp có thể là một chiều, hayxoay chiều, có thể phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp một chiều hay,xoay chiều Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của tần số sóng hàithấp nhất của điện áp chỉnh lu với tần số điện áp xoay chiều

Theo hình dạng các sơ đồ chỉnh lu, với chuyển mạch tự nhiên chúng ta cóthể phân loại chỉnh lu thành các loại sơ đồ sau

II.1: mạch chỉnh lu điều khiển đối xứng cầu 3pha

II.1.1: Sơ đồ:

t t t

Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 1.11a có thể coi nh haisơ đồ chỉnh lu tia ba pha mắc ngợc chiều nhau, ba Tiristor T1,T3,T5 tạo thànhmột chỉnh lu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2,T4,T6 làmột chỉnh lu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lu này ghéplại thành cầu ba pha.

Theo hoạt động của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điệnchạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểmcần mở Tiristor chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ởnhóm anod (+), một xung ở nhóm catod (-)) Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình1.11b cần mở Tiristor T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồngthời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristor T4 của pha B phía catod cácthời điểm tiếp theo cũng tơng tự Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiểncũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha

Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đợc chạy từ pha

có điện áp dơng hơn về pha có điện áp âm hơn Ví dụ trong khoảng t1  t2 pha

A có điện áp dơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4dòng điện dợc chạy từ A về B

Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một vancủa nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ chonhau Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1  t3 nh trên hình 1.11b TiristorT1 nhóm anod dẫn, nhng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1  t2 cònT6 dẫn tiếp trong khoảng t2  t3

Điện áp ngợc các van phải chịu ở chỉnh lu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi vandẫn và bằng điện áp dây khi van khoá Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đờngcong cuối cùng của hình 1.11b) trong khoảng t1  t3 van T1 dẫn điện áp bằng

0, trong khoảng t3  t5 van T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngợc UBA, đếnkhoảng t5  t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngợc UCA

Khi điện áp tải liên tục, nh đờng cong Ud trên hình 1.11b trị số điện áp tải

đợc tính theo công thức II.1.4

Khi góc mở các Tiristor lớn lên tới góc   600 và thành phần điện cảm củatải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn nh các đờng nét đậm trên hình 1.11d(khi góc mở các Tiristor  =900 với tải thuần trở) Trong các trờng hợp nàydòng điện chạy từ pha này về pha kia, là do các van bán dẫn có phân cực thuậntheo điện áp dây đặt lên chúng (các đờng nét mảnh trên giản đồ Ud của cáchình vẽ 1.11b, c, d), cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫn sẽ cóphân cực ngợc nên chúng tự khoá

II.1.4: Một số công thức cơ bản.

- Dòng điện áp trên tải: Ud = Udocos = 2,34U2cos .

- Điện áp ngợc 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 lu điều khiển đối xứng cầu 3F thờng đợc sử dụng rộng dãitrong thực tế, mạch cho ra chất lợng điện áp bằng phẳng, dòng điện chạy quatải liên tục trong suốt quá trình làm việc Mạch chỉnh lu này thờng đợc áp dụngvới những mạch có công suất lớn vì dòng điện chạy qua mỗi van chỉ chạytrong 1/3 chu kỳ

I.2: mạch chỉnh lu điều khiển hình tia 3pha

II.2.1: Sơ đồ.

II.2.3: Nguyên lý hoạt động.

Khi biến áp có ba pha đấu sao (  ) trên mỗi pha A,B,C ta nối một van nhhình, ba catod đấu chung cho ta điện áp dơng của tải, còn trung tính biến áp sẽ

là điện áp âm Ba pha điện áp A,B,C dịch pha nhau một góc là 1200 theo các ờng cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của một pha dơng hơn điện áp củahai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ ( 1200 ) Từ đó thấy rằng, tại mỗithời điểm chỉ có điện áp của một pha dơng hơn hai pha kia

đ-Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi anod của van nàodơng hơn van đó mới đợc kích mở Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau

thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (nh vậy trong chỉnh

lu ba pha, góc mở nhỏ nhất  = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là

300)

Theo hình tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, nh vậy mỗi van dẫnthông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục ( đờng cong I1,I1,I3 trên hình),còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông của các van nhỏ hơn Tuynhiên trong cả hai trờng hợp dòng điện trung bình của các van đều bằng 1/3.Id.Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của van bằng dòng điện tải, trongkhoảng van khoá dòng điện van bằng 0 Điện áp của van phải chịu bằng điệndây giữa pha có van khoá với pha có van đang dẫn Ví dụ trong khoảng t2  t3van T1 khoá còn T2 dẫn do đó van T1 phải chịu một điện áp dây UAB, đếnkhoảng t3  t4 các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp dây

0

) ( t

d t d U

6 5

6

) sin(

.

2



 cos 2

6 3

I

I 

- Giá trị trung bình của điện áp chỉnh lu: U d0  1 , 17U2

- Điện áp ngợc trên van: U ng  2 , 45U2

- 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 lu có điều khiển tia 3F có cấu tạo phức tạp, muốn mạch hoạt

động đợc cần mắc biến áp để đa điểm trung tính ra tải, mỗi van chỉ làm việctrong 1/3 chu kỳ vì vậy dòng điện trung bình chạy qua van nhỏ Mạch dùngnguồn 3F nên công suất tăng lên rất nhiều, dòng điện tải đến vài trăm ampe

So với chỉnh lu một pha, thì chỉnh lu tia ba pha có chất lợng điện mộtchiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao

bé hơn, việc điều khiển các van bán dẫn trong trờng hợp này cũng tơng đối đơngiản Với việc dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một chiều, nhờ có biến

áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đốixứng làm cho công suất biến áp phải lớn (xem hệ số công suất bảng 2), nếu ở

đây biến áp đợc chế tạo từ ba biến áp một pha thì công suất các biến áp còn lớnhơn nhiều Khi chế tạo biến áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải đợc đấu với dây trung tính phải lớn hơn dây pha vì theo sơ đồ thì dây trung tính chịudòng điện tải

II.3: Chỉnh lu cầu 3 pha bán điều khiển II.3.1: Sơ đồ nguyên lí :

II.3.2: D¹ng ®iÖn ¸p:

II.3.3: Nguyên lí hoạt động:

Loại chỉnh lu này đợc cấu tạo từ một nhóm (anod hoặc catod chung) điềukhiển và một nhóm không điều khiển nh mô tả trên hình vẽ Trên hình mô tảgiản đồ nguyên lý tạo điện áp chỉnh lu (đờng cong trên cùng), sóng điện áp tải

Ud (đờng cong nét đậm thứ hai trên hình), khoảng dẫn các van bán dẫnT1,T3,T5,D2,D4,D6 Các Tiristor đợc dẫn thông từ thời điểm có xung mở cho

đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp Ví dụ T1 mở thông từ t1 (thời điểm phátxung mở T1) tới t3 (thời điểm phát xung mở T3) Trong trờng hợp điện áp tảigián đoạn Tiristor đợc dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp dây đổidấu Các diode tự động dẫn thông khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều Ví dụD4 phân cực thuận trong khoảng t4  t6 và nó sẽ mở cho dòng điện chạy từpha B về pha A trong khoảng t4  t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 t6

Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tảiliên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 600, khi góc mở tăng lên và thànhphần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn

Theo dạng sóng điện áp tải ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0khi góc mở đạt tới 1800 Ngời ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quảcủa tổng hai điện áp chỉnh lu tia ba pha

II.3.4: Các công thức cơ bản:

Trong sơ đồ sử dụng 3 tiristor ở nhóm catot chung và 3 diode ở nhóm anotchung Giá trị trung bình của điện áp trên tải :

Ud = Ud1 - Ud2

Trong đó Ud1 là điện áp do nhóm catot chung tạo nên

Ud2 là điện áp do nhóm anot chung tạo nên

2 2

3

cos 2

6 3 sin

2 2

3

2 6

11

6 7

2 2

2 6

11

6 7

2 1

U d

U U

U d

U U

max diot d TBV

I I

Điện áp ngợc lớn nhất :

max max

2 max 1 , 05

P  Công suất biến áp:

max max

3 d d

Nhận xét: Ưu điểm cơ bản của các sơ đồ không đối xứng là dùng ít van

điều khiển, hệ số công suất lớn hơn, việc điều khiển các van bán dẫn đơn giảnhơn Tuy nhiên nhợc điểm của các sơ đồ này là số lần đập mạch của điện ápchỉnh lu phụ thuộc vào góc điều khiển  Với góc ra nhỏ điện áp ra gần giống

nh chỉnh lu cầu đối xứng, tuy nhiên khi góc  tăng lên điện áp ra chỉ còn đậpmạch 3 lần trong một chu kì

II.5: mạch chỉnh lu bán điều khiển cầu 1pha

II.5.1: Sơ đồ.

ID2

I.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 đợc giá thành thiết bị biến đổi vì Diôt rẻ hơn Tiristor Sơ đồ

điều khiển cũng trở nên đơn giản hơn

Khi t =  phát xung điều khiển mở van T1 Trong khoảng thời gian

t =    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 = +  phát xung mở T2 dòng tải id = Id chạy qua diôt D1 và tiristor

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 thờng đợc sửdụng 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 điềukhiển, chính vì vậy việc thiết kế mạch điều khiển trở nên dễ dàng hơn

Kết luận:

- Trong các sơ đồ chỉnh lu chúng ta thấy dùng sơ đồ chỉnh lu đối xứng vàchỉnh lu không đối xứng cầu ba pha cho chúng ta chất lợng điện áp vàdòng điện tốt nhng mạch sử dụng nhiều kênh điều khiển do vậy việcthiết kế mạch phức tạp, mạch sử dụng nhiều Tiristor nên giá thành caokhông kinh tế.

- Do yêu cầu của công nghệ, mạch nạp có công suất nhỏ In =20A, Un =324V, nên chúng ta chọn sơ đồ mạch chỉnh lu điều khiển 1 pha không

đối xứng Mạch có những u điểm sau:

+ Hiệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ nh cầu 1 pha đốixứng

+ Đơn giản hơn vì số lợng Tiristor giảm xuống chỉ còn 2 nên mạch điềukhiển 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 điềukhiển chính xác hơn

Chơng iii: tính toán thiết kế mạch

lực

III.1: Sơ đồ mạch lực:

III.2: Tính chọn các phần tử trong sơ đồ mạch lực

) cos 1 (

Hình 2.9: Mắc hỗn hợp các ắc qui vào nguồn nạp

Ilv = ki.Id = Id.





 2

 = 15,3A

Unv = 1,6.Unmax = 941 V

Idmv = 4.Ilv=61,2A nếu chọn làm mát bằng cánh tản nhiệt

->Chọn các phần tử trong sơ đồ

Diode chọn loại SKKE81/16 có thông số:

Imax = 80A ; Un=1600V ; Ith = 200A ; Ipik = 2000A ; U =1,55V ;

Tcp =1250C

Tiristor chọn loại T80F10BEM có các thông số :

Un = 1000V ; Idm = 80A ; Ih = 250mA ; Ir = 30mA ; U =2,4V ;

tính toán mạch bảo vệ quá điện áp

Tiristor và Diôt cũng rất nhậy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp địnhmức, ta gọi là quá điện áp, vì vậy cần mắc thêm mạch bảo vệ quá điện áp

Ngời 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 ngợc, các điện tích nói trên đổi ngợchành trình, tạo ra dòng điện ngợc trong khoảng thời gian rất ngắn Sựbiến thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc gây ra sức điện động cảmứng rất lớn trong các điện cảm, luôn luôn có, của đờng dây nguồn dẫn

đến các Tiristor Vì vậy giữa các anôt và catôt của Tiristor xuất hiệnquá điện áp

- Nguyên nhân bên ngoài: những nguyên nhân này thờng xảy ra ngẫu

nhiên nh khi cắt đóng tải một máy biến áp trên đờng dây, khi một cầuchì bảo vệ chảy, khi có sấm sét

- Để bảo vệ mạch quá áp ngời ta thờng dùng mạch R – C, ( xem hìnhbên dới)