thiết kế mạch điều khiển trirystor cho mạch nạp ắc quy

điều khiển trirystor, mạch nạp ắc quy, Nước ta hiện nay đang trên con đường Công nghiệp hóa Hiện đại hóa. Bởi vậy tự động hóa đang phát triển mạnh trong những năm gần đây. Tự động hóa đã phát triển và mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn cho sự phát triển tất cả các ngành kĩ thuật của thế giới. Nó giúp nước ta phát triển để tiến tới trở thành một nước Công nghiệp hóa Hiện đại hóa. Bởi vậy tự động hóa được nghiên cứu ở tất cả các ngành kĩ thuật trong trường nói chung và ngành tự động hóa nói riêng.Ngày nay hầu như tất cả các máy móc thiết bị trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng đều phải sử dụng điện năng, phần lớn các thiết bị đều sử dụng điên lưới. Tuy nhiên thực tế có những lúc rất cần năng lượng điện mà ta không thể lấy năng lượng điện từ lưới điện được. Do đó ta phải lấy các nguồn điện dự trữ như ác quy, hơn nữa ác qui được sử dụng nhiều trong công nghệ ô tô, xe máy …v…v…

ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN

“Thiết kế Mạch chỉnh lưu điều khiển Tiristor cho nạp accqui.”

Số liệu ban đầu:

12 bình Accqui 12V-100Ah

Giáo viên hướng dẫn

Ký và ghi rõ họ tên

LỜI NÓI ĐẦU

Nước ta hiện nay đang trên con đường Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa Bởi vậy tự động hóa đang phát triển mạnh trong những năm gần đây Tự động hóa đã phát triển và mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn cho sự phát triển tất

cả các ngành kĩ thuật của thế giới Nó giúp nước ta phát triển để tiến tới trở thành một nước Công nghiệp hóa- Hiện đại hóa Bởi vậy tự động hóa được nghiên cứu

ở tất cả các ngành kĩ thuật trong trường nói chung và ngành tự động hóa nói riêng

Ngày nay hầu như tất cả các máy móc thiết bị trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng đều phải sử dụng điện năng, phần lớn các thiết bị đều sử dụng điên lưới Tuy nhiên thực tế có những lúc rất cần năng lượng điện mà ta không thể lấy năng lượng điện từ lưới điện được Do đó ta phải lấy các nguồn điện dự trữ như ác quy, hơn nữa ác qui được sử dụng nhiều trong công nghệ ô tô,

xe máy …v…v…

Do vậy mà việc có một công nghệ nạp ác qui tối ưu là rất cần thiết và quan trọng Trong đồ án này, em được giao đề tài “Thiết kế Mạch chỉnh lưu điều khiển Tiristo nạp accqui” Trong quá trình làm chúng em luôn được sự giúp đỡ, chỉ bảo hết sức tận tình của Thầy Nguyễn Mạnh Tiến, nhờ có Thầy chỉ dẫn mà

em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất Tuy nhiên do có hạn chế về mặt kiến thức nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót

Em xin cám ơn tất cả các thầy cô trong ngành Điện đã cho em được làm đồ án đầy bổ ích này, đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Mạnh Tiến, người luôn tận tình giúp đỡ và hướng dẫn chúng em

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT ACCQUI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NẠP ĐIỆN 1.1 Cấu tạo chung của ắc quy

Ắc quy là nguồn điện hóa hoạt động trên cơ sở hai điện cực có điện thế khác nhau dùng để tích trữ điện năng, cung cấp dòng một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong dân dụng

Có nhiều loại ắc quy nhưng phổ biến là hai loại: ắc quy axit ( ắc quy chì) và

ắc chi kiềm Tuy nhiên ắc quy axit được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn vì so với ắc quy kiềm thì ắc quy axit có:

- Sức điện động cao ( 2V ) , sụt áp trong quá trình phóng nhỏ

- Điện trở trong nhỏ

- Giá thành của ắc quy axit rẻ hơn so với ắc quy kiềm

Trong đồ án này em dùng ắc quy axit để nghiên cứu công nghệ và thiết kế nguồn nạp ắc quy

1.1.1 Cấu tạo

- Bình ăc quy được chia thành nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn Mỗi ngăn

ắc quy đơn cho điện áp đầu ra là 2V Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn ắc quy với nhau ta sẽ có bộ nguồn ắc quy 12V

- Vỏ bình ắc quy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạo thành các ngăn cách riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt được gọi là một ắc quy đơn Dưới đáy có 2 yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực Mục đích là

để các bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi trong đáy bình có lắng đọng các cặn bẩn

- Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản cực Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trên bản cực là dioxit chì Nếu bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng là chì xốp

1.1.1 Dung lượng của ắc qui

Dung lượng của ác qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp hoặc tích trữ năng lượng của ác qui và được tính theo công thức:

Ci = Ii.t (Ah)

Trong đó:

Ci: dung lượng thu được trong quá trình phóng nạp (Ah)

Ii: dòng dịên phóng nạp ổn định (A) tp(h)

1.1.2 Đặc tính phóng điện của ắc quy

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi

Hình 1-1.1 Đặc tính phóng điện

Từ đồ thị ta có các nhận xét sau:

-Trong khoảng thời gian phóng từ tp =0 tới tp = tgh, sức điện động, điện áp

và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên độ dốc của các đồ thị là không lớn, đây là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép của

ác quy

-Từ thời điểm tgh trở đi, nếu tiếp tục phóng điện thì độ dốc sức điện động, điện áp của acqui giảm rất nhanh, mặt khác các tinh thể sunfat chì ( PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô, rắn, khó hoà tan (biến đổi hoá học)

-Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân của ác qui lại tăng lên, đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ác qui thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế

độ phóng điện của ắc qui

1.1.3 Đặc tinh nạp của ắc quy

Biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ăcqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi

Hình 1-2 Đặc tính nạp của ắc quy

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

-Trong khoảng thời gian nạp từ tn = 0 đến tn = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần lên

-Tới thời điểm tn = ts trên bề mặt các bản cực xuất hiện các bọt khí do dòng điện điện phân nước thành ôxy và hyđrô (còn gọi là hiện tượng sôi), lúc này điện thế giữa các cực của acqui đơn tăng tới giá trị 2,4 V, tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V và giữ nguyên, thời gian nạp này gọi là thời gian nạp

no và thường kéo dài từ 2-3h, làm tăng thêm dung lượng phóng điện của acqui Trong quá trình đó sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân là không thay đổi:

-Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định Đây là khoảng nghỉ của ác quy sau khi nạp

-Dòng điện nạp định mức đối với ác quy qui định bằng 0,5.C20 (0,1.C10)

1.2 Các phương pháp nạp ắc quy

1.2.1 Phương pháp nạp ổn áp U=const

- Phương pháp nạp áp, ắc quy được mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện thế cho mỗi ngăn đơn được giữ ổn định và có giá trị từ 2,3 - 2,5 V với độ chính xác lên đến 3%

- Dòng nạp: In = lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi Eaq tăng dần lên thì In giảm đi khá nhanh

- Ưu điểm: thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm dần theo thời gian Nhược điểm: ắc quy không được nạp no, vì vậy phương pháp này chỉ dùng nạp

bổ xung cho ắc quy trong quá trình sử dụng

1.2.2 Phương pháp nạp ổn dòng I = const

- Phương pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp thích hợp, đảm bảo cho ắc quy được ạp no

- Các ắc quy được mắc nối tiếp nhau thỏa mãn: Un >= 2,7 Naq

Trong đó Un: điện áp nạp (V)

Naq: số ngăn ắc quy đơn trong mạch nạp

- Khi nạp sức điện động của ắc quy tăng dần, để duy trì dòng điện nạp không đổi

ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R với trị số:

R =

- Nhược điểm: thời gian nạp kéo dài

- Để khắc phục: sử dụng phương pháp nạp cưỡng bức theo 2 nấc Dòng địên nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3 - 0,5).C10, và khi ác qui bắt đầu sôi thì nạp nấc thứ hai bằng 0,1.C10

=> Để khắc phục những nhược điểm và tận dụng được hết những ưu điển

của các phương pháp nạp trên, ta kết hợp hai phương pháp nạp lại thành phương pháp dòng áp

1.2.3 Phương pháp nạp dòng – áp

- Ban đầu ta nạp với dòng nạp không đổi In= 0,5.C10 Khi thấy ác qui "sôi" thì hiệu điện thế giữa các cực của của ăcqui đơn 2,4V, tiếp tục nạp thì giá trị này nhanh chóng tăng tới giá trị là 2,7 V

- Sau đó chuyển sang chế độ nạp ổn áp với giá trị điện áp nạp không đổi cho 1 ngăn đơn là Un = 2, 7Vvà thường kéo dài từ 2 đến 3 giờ hoặc khi dòng nạp tiến tới không (In = 0) thì kết thúc quá trình nạp

Kết luận: Qua phân tích ta chọn phương pháp nạp dòng -áp để nạp cho ác qui và bộ nguồn nạp ác qui tự động phải đáp ứng những yêu cầu sau:

- Ban đầu tự động nạp ổn dòng với dòng nạp đặt trước In = 0,5 C10/1 ngăn

ác qui đơn

- Khi phát hiện thấy hiệu điện thế trên các cực của ác qui đơn tăng tới 2,7 V thì tự động chuyển từ nạp ổn dòng sang chế độ nạp ổn áp với điện áp nạp đặt trước Un = 2,7V/ 1 ngăn ác qui đơn

- Nạp ổn áp cho tới khi dòng điện nạp tiến về 0

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN SƠ ĐỒ MẠCH LỰC VÀ TÍNH TOÁN MẠCH

LỰC BỘ CHỈNH LƯU TIRISTOR 2.1 Mạch lực

Với công suất tải = = 12.12.0,1.100 = 1440W và Uddm=12.12 =144V và Iddm = 0,1.100 = 10A  chọn mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng

Trong đó:

AT: Áp tô mát làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn có bảo vệ quá tải và ngắn mạch

MBA: Máy biến áp làm nhiệm vụ biến đổi điện áp nguồn sao cho phù hợp với điện áp ra của tải

AQ: ắc quy

Rf: là điện trở phụ để lấy tín hiệu phản hồi áp, cho mạch ổn định điện áp CK: Cuộn kháng dùng để hạn chế sự tăng trưởng tốc độ của dòng điện T1, T3, T5: Là bộ chỉnh lưu, dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều D2, D4, D6: thành điện áp một chiều

Mô tả hoạt động:

- Trong sơ đồ trên ta sử dụng 3 thyristor và 3 diot Các thyristor được điều khiển bằng các xung dòng điện điều khiển iG1, iG2, iG3 Mỗi thyristor chỉ mở khi có tín hiệu iG và điện áp trên cuộn dây thứ cấp nối với nó là lớn nhất

trong ba điện áp u1, u2, u3 Mỗi thyristor sẽ mở cho đến khi một thyristor khác mở

- Mỗi diot trong nhóm diot sẽ mở trong thời gian mà điện áp trên cuộn thứ cấp có trị số bé nhất (âm nhất) trong số u1, u2, u3

- Khi góc mở α < π/3 có đồ thị biến thiên của điện áp và dòng chỉnh lưu Khi

α > π/3 xuất hiện những khoảng mở đồng thời thyristor và diot được nối với nhau cùng một cuộn dây thứ cấp Ta có giản đồ chỉnh lưu áp và dòng:

Hình 2-3 Giản đồ chỉnh lưu áp và dòng

Từ các thông số đã cho: 12 bình 12V – 100Ah

- 72 bình ắc quy đơn mắc nối tiếp, mỗi bình 2V

- Điện áp nguồn 3 pha 380V, f = 50 Hz

- Ắc quy có dung lượng C = 100 Ah

Điện áp danh định của mỗi ắc quy đơn là 2V Nhưng khi nạp ắc quy, để nạp no thì điện áp danh định của mỗi ắc quy đơn lên tới 2,7V

Ud = 2,7.72 = 194,4 V

Khi nạp ắc quy ta nạp dòng điện bằng 10% dung lượng định mức  nên sẽ sư dụng bộ nguồn có dòng điện bằng 20% dung lượng định mức

Id = 20.100/100 = 20 A

2.2 Tính toán máy biến áp

Máy biến áp công suất lớn cỡ chục KVA là loại máy biến áp công suất nhỏ, sụt

áp trên biến áp khoảng 4%; sụt áp trên cuộn kháng 1,5%; điện áp sụt trên hai van nối tiếp nhau là 2V

Khi đó ta có điện áp chỉnh lưu không tải

Uddm = Ud + ∑∆Ud mà ∑∆Ud = ∆UBA + ∆UCK + ∆UV

= 0.04Ud + 0.015Ud + 4V

 Uddm = Ud + 0.055Ud + 4 = 194.4 + 0.055*194.4 + 4 = 210 V

 Giá trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp máy biến áp:

Chọn đầu vào α = 10 => Ud0 = = 212 V

Cho sụt áp lưới điện = 0 => = 2.34 => U2 = 210/2.34 = 90.6 V

Hệ số máy biến áp: kba = = 380/90.6 = 4.19

 Công suất máy biến áp: Sba = 1.05Pd = 1.05*20*210 = 4410 VA

 Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp: I2 = 0.816*Id = 0.816*20 = 16.32A

Dòng điện cuộn sơ cấp: I1 = 0.816Id/kba = 3.89 A

2.3 Tính toán chọn van

Máy biến áp: U2 = 90.6 V; I2 = 16.32 A ; Id = 20 A

 Dòng trung bình chảy trên mỗi van: Itbv = Id/3 = 20/3 = 6.67 A

 Điện áp ngược lớn nhất mỗi van phải chịu:

Ungmax = 2,45U2Ku trong đó Ku: hệ số dự trữ điện áp

chọn Ku = 1.6 Ungmax = 2.45*90.6*1.6 = 356 V

Mạch có công suất nhỏ nên sử dụng phương pháp làm mát tự nhiên, cách tản nhiệt gắn vào van kết hợp với đới lưu không khí Chọn hiệu suất làm mát bằng 25%

Dòng điện van cần có là: Iv = Itbv.Ki.η

Trong đó:

η: hiệu suất làm mát

Ki = 1,2: hệ số dự trữ dòng điện

 Iv = = 32 V

Chọn van:

- Chọn van điốt loại ΠBKЛ – 50:

• Dòng điện trung bình qua van: Itb = 50 A

• Điện áp ngược cực đại: Ungmax = 1000 V

• Tổn thất điện áp: ∆U = 0.6 V

- Chọn van thyristo loại T10 – 40:

• Dòng điện qua van: Itb = 40 A

• Điện áp qua van: Vdm = 800 V

• Tổn thất điện áp: ∆U = 1.75 V

• Udk = 4V

• Idk = 150 mA

• di/dt = 200 A/µs

• du/dt = 200 V/µs

2.4 Tính toán cuộn kháng

- cosαmax

Udmin = 1/10Uddm = 1/10.212 = 21.2 V

Udmin = Ud0 => cosαmax = 2Udmin/Ud0 -1 = -0.8

Kdm = K*dm 1/cosαmax = 0.1 * 1/0.8 = 0.125

Ksb = Kdm/K*dm = 0.125/0.1 = 1.25

- L

L = Ksb = *1.25 = 0.042 H

2.5 Tính toán mạch bảo vệ

Ta có =

Ungmax = U2 = * 90.6 = 222 V

Có ≤ 200V/µs trong đó: � = RC

 � ≥ µs

 � ≥ 222/200 = 1.11 µs

 RC ≥ 1.11 µs

Chọn R = 10(Ω), C = 0.1 (µF)

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TIRISTOR

3.1 Sơ đồ chức năng

Dựa vào nguyên tắc điều khiển và yêu cầu của công nghệ ta thiết lập được sơ đồ khối của bộ điều kiển:

Trong đó:

Ung: Điện áp nguồn

Uđk: Điện áp điều khiển

a Khâu đồng pha (ĐF)

- Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp biến áp mạch lực Và cách ly giữa mạch lực điện áp cao với mạch điều khiển điện áp thấp

b Khâu tạo điện áp tựa (Utựa):

- Tạo điện áp có dạng răng cưa có chu kỳ làm việc theo nhịp của điện áp đồng pha

c Khâu so sánh (SS)

- So sánh giữa điện áp tựa Utựa và điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau (Uđk= Utựa) để phát xung điều khiển tức là xác định góc mở α

d Khâu dạng xung (DX)

- Nhằm tạo ra các xung có dạng phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu

3.2 Xây dựng mạch điều khiển

3.2.1 Khâu đồng pha

a Sơ đồ nguyên lý

Hình 3-4 khâu đồng pha

- Điện áp đồng pha được so sánh với điện áp trên biến trở RV1 Điện áp chỉnh lưu được đưa đến cửa âm của opamp so sánh với Ung lấy từ biến trở RV1 Điện áp đồng bộ sẽ tuân theo quan hệ:

- Ucl > Ung thì Udb âm sẽ bằng Ubh của opamp: Udb = -Ubh

- Ucl < Ung thì Udb dương và Udb = Ubh

Ta Thu được kết quả:

Hình 3-5 Kết quả mô phỏng khâu đồng pha

b Tính toán chọn phần tử

- Điện áp đồng pha qua điốt D1, D2 được dạng điện áp một chiều nửa hình sin

- Chọn E = 12V

- Chọn diot loại 1N4002 (phụ lục 5 sách giáo trình hướng dẫn thiết kế điện

tử công suất)

- Chọn opamp loại TL084 (điện trở R2 nhằm hạn chế dòng vào opamp)

- Chọn R1= 10 (KΩ)

- Chọn R2=15(KΩ)

- Chọn dòng qua phân áp ( RV1+R3) là 1mA Tồng trở của RV1 +R3 là: R=12/0.001=12 (KΩ)

- Chọn RV1= 2k; chọn R3=10k

3.2.2 Khâu tạo điện áp răng cưa

a Sơ đồ nguyên lý

Hình 3-6 Khâu tạo điện áp răng cưa

- Khi Udb = Ubh sẽ làm transistor loại n-p-n dẫn nối ngắn mạch tụ C nên điện áp trên tụ ( cũng là điện áp ra của opamp bằng 0) Như vậy transistor làm nhiệm vụ phóng điện cho tụ điện C

- Khi Udb = -Ubh sẽ làm cho transistor khoá, lúc này tụ C được nạp nhờ chính điện áp ra của opamp trong khâu tạo điện áp đồng bộ

b Tinh toán chọn phần tử

Chọn transistor loại BC107 tp = 9.44ms; tn=0.56ms

Chọn tụ C=220nF

R4= *Ubh = = 57 kΩ

Điện trở R5 sấp sỉ R4, chọn R5 = 35 kΩ, R6 = 10 kΩ

3.2.3 Khâu so sánh

a Sơ đồ nguyên lý

Hình 3-7 Khâu so sánh

- Cộng Udc vào Urc để Urc < 0 , Udc = - Urcmax

- So sánh điện áp tựa và điện áp điều khiển, điểm cân bằng của hai điện áp này là thời điểm mở thyristor:

- Khi Udk > Urc thì điện áp ra của khâu so sánh là Ura = +Ubh =E -1.5V = 10.5V

- Khi Udk < Urc thì điện áp ra của khâu so sánh là Ura = -Ubh =-E +1.5V = -10.5V

Kết quả của khâu so sánh:

Hình 3-8 điện áp khâu răng cưa và điện áp khâu so sánh

b Tính toán chọn phần tử

Chọn R7 = R8 = R9 = 10 kΩ nhằm hạn chế dòng điện chạy qua opamp Chọn Opamp loại TL082, nguồn nuôi E = ±12V

3.2.4 Khâu tạo xung đơn

a Sơ đồ nguyên lý

Hình 3-9 Khâu tạo xung đơn

- Tạo xung đơn bằng mạch vi phân RC là mạch đơn giản, chỉ gồm 1 tụ điện

và một điện trở mắc như hình trên

- khi Uss = -Ubh thì tụ C được nạp bằng nguồn âm theo đường 0  R  C

OA(ss)  (-E)  0 đến trị số bằng Ubh

- Uss = -Ubh : ban đầu trên điện trở R xuất hiện một xung điện áp có giá trị bằng tổng điện áp có sẵn trên tụ (đang bằng Ubh) cộng với điện áp đầu ra của khâu so sánh (cũng bằng Ubh) do chúng mắc nối tiếp nhau nên sẽ bằng +2Ubh sau đó tụ C bắt đầu quá trình nạp đảo để cuối cùng lại đến trị số Ubh nhưng ngược dấu ban đầu

Kết quả ta thu được