Đồ án điện tử công suất thiết kế bộ nạp acquy 24v

Đồ án môn học :Điện tử công suất
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ
1.1 Gới thiệu về ắc quy
Ắc quy là nguồn hoá 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 trong công nghiệp cũng như
trong dân dụng.
Khi ắc quy phóng hết dung lượng ta tiến hành nạp điện cho nó và sau đó ắc quy
lại tiếp tục phóng điện được. Acquy có thể thực hiện nhiều chu kỳ phóng nạp nên
ta có thể sử dụng được lâu dài.
Trong thực tế kĩ thuật có nhiều loại ắc quy nhưng phổ biến và thường dùng nhất
là hai loại ắc quy: ắc quy axit (ắc quy chì ) và ắc quy kiềm. Tuy nhiên trong thực tế
thông dụng nhất từ trước tới nay vẫn là ắc quy axit vì so với ắc quy kiềm thì ắc
quy axit có một vài tính năng tốt hơn như:
+ Sức điện động cao (với ắc quy axit là 2V, ắc quy kiềm là 1,2V ).
+ Trong quá trình phóng, sự sụt áp của ắc quy axit nhỏ hơn so với ắc quy kiềm.
+ Giá thành của acqui axit rẻ hơn so với ắc quy kiềm.
+ Điện trở trong của acqui axit nhỏ hơn so với ắc quy kiềm.
Vì vậy trong đồ án này em chọn loại ắc quy axit để nghiện cứu công nghệ và
thiết kế nguồn nạp ắc quy tự động.
1.2 Phạm vi ứng dụng của ắc quy
Dùng trong xe máy,ô tô các động cơ công suất vừa và nhỏ
Dùng trong công nghiệp hàng không hàng hải
1.3 Cấu tạo của ắc quy:
Bình ắc quy axit thông thường gồm vỏ bình;các bản cực, các tấm ngăn và
dung dịch điện phân.
1. Vỏ bình:
Vỏ bình ắc quy axit hiện nay được chế tạo bằng nhựa êbônit hoặc
anphantơpéc hay cao su nhựa cứng. Để tăng độ bền và khả năng chịu axit cho
bình, khi chế tạo người ta ép vào bên trong bình một lớp lót chịu axit là
polyclovinyl lớp lót này dày khoảng 0,6 mm. Nhờ lớp lót này mà tuổi thọ của
bình ắc quy tăng lên từ 2 ÷ 3 lần

Phía trong vỏ bình tuỳ theo điện áp danh định của ắc quy mà chia thành các
ngăn riêng biệt và các vách ngăn này được ngăn cách bởi các ngăn kín và chắc.
Mỗi ngăn được gọi là một ngăn ắc quy đơn, trong đồ án này, nhiệm vụ nghiên
cứu là ắc quy chì với điện áp danh định là 24V nên ta có 12 ngăn ắc quy đơn.
Ở đáy các ngăn có các sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống giữa
đáy bình và mặt dưới của khối bản cực, nhờ đó mà tránh được hiện tượng chập
mạch giữa các bản cực do chất tác dụng bong ra rơi xuống đáy gây nên.
Bên ngoài vỏ bình được đúc hình dạng gân chịu lực để tăng độ bền cơ và
có thể được gắn các quai xách để việc di chuyển được dễ dàng hơn.

1
Đồ án môn học :Điện tử công suất
2. Bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực:
Phân khối bản cực gồm có: phân khối bản cực dương v à phân khối bản cực âm.
Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau. Cấu tạo của một bản
cực trong ắc qui gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó. Khung
xương của bản cực dương và âm có cấu tạo giống nhau, chúng được đúc từ chì có
pha thêm 5÷ 8% antimon (Sb) và tạo hình dạng mặt lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì
sẽ làm tăng thêm độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong thành phần của chất tác
dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hữu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền
của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp, dung dịch điện phân dễ thấm sâu vào
trong lòng bản cực, đồng thời điện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các
bản cực cũng được tăng thêm. Phần đầu mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương
của mỗi ắc qui đơn được hàn với nhau tạo thành phần khối bản cực dương, các bản
cực âm hàn với nhau tạo thành phân khối bản cực âm. Số lượng các cặp bản cực
trong mỗi ắc quy đơn thường từ 5 ÷ 8, bề dầy tấm bản cực dương của các ắc qui
trước đây khoảng 2mm ngày nay với các công nghệ tiên tiến đã giảm xuống còn từ
1,3÷ 1,5 mm, bản cực âm thường mỏng hơn 0,2÷ 0,3 mm. Số bản cực âm trong ắc
qui đơn nhiều hơn số bản cực dương một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham
gia phản ứng của các bản cực dương.

Các bản sau khi được trát đày chất tác dụng được ép lại, sấy khô và thực hiện
quá trình tạo cực, tức là chúng được ngâm vào dung dịch axit sunfuric loãng và
nạp với dòng điện một chiều với trị số nhỏ. Sau quá trình như vậy chất tác dụng ở
các bản cực dương hoàn toàn trở thành PbO
2
( màu gạch sẫm). Sau đó các bản cực
dương được đem rửa, sấy khô và lắp ráp.
Những phân khối bản cực cùng tên trong một ắc quy được hàn với nhau tạo
thành các khối bản cực và được hàn nối ra các vấu cực làm bằng chì hình côn để
nối ra tải tiêu thụ.
Với chú ý rằng, nếu ta muốn tăng dung lượng của ắc quy thì ta phải tăng số tấm
bản cực mắc song song trong một ắc quy đơn.Thường người ta lấy từ 5 ÷8 tấm.
Còn muốn tăng điện áp danh định của ắc quy thì ta phải tăng số tấm bản cực mắc
nối tiếp.
3. Tấm ngăn:
Các bản cực âm và dương được lắp xen kẽ với nhau và cách điện nhau bởi các
tấm ngăn và để đảm bảo cách điện tốt nhất các tấm ngăn được làm rộng hơn so với
các bản cực.
Các tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cựa bản âm và dương,
đồng thời để đỡ các tấm bản cực khỏi bị bong rơi ra khi sử dụng ắc quy . Các tấm
ngăn ở đây phải là chất cách điện tốt, bền, dẻo, chịu được axit và có độ xốp thích
hợp để không ngăn cản chất điện phân thấm đến các bản cực.
Các tấm ngăn hiện nay được chế tạo từ vật liệu polyvinyl xốp, mịn, dày khoảng
từ 0,8÷1,2 mm và có dạng mặt phẳng hướng về phía bản cực âm còn một mặt có
hình sóng hoặc gồ hướng về phía bản cực dương nhằm tạo điều kiện cho dung dịch
điện phân dễ luân chuyển hơn đến các bản cực dương và dung dịch lưu thông tốt
hơn.
2
Điện trở dung dịch
điện phân

E
aq
Đồ án môn học :Điện tử công suất
4. Dung dịch điện phân:
Dung dịch điện phân trong bình ắc quy là loại dung dịch axit sunfric (H
2
SO
4
) được
pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ qui định tuỳ thuộc vào điều
kiện khí hậu mùa và vật liệu làm tấm ngăn. Nồng độ dụng dịch axit sunfric γ = (1,1
÷ 1,3) g/ cm
3
. Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động
của ắc quy
V/ngăn Ω/cm3
2.5 5 -
2.0 4 -
1.5 3 -
1.0 2 -
0.5 1 -

0.0 0
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân với các
nước ở trong vùng xích đạo nồng độ dung dịch điện phân quy định không quá
1,1g/cm
3
. Với các nước lạnh (vùng cực), nồng độ dung dịch điện phân cho phép
tới 1,3g/cm

3
. Trong điều kiện khí hậu nước ta thì mùa hè nên chọn nồng độ dung
dịch khoảng (1,25 ÷ 1,26) g/cm
3
, mùa đông ta nên chọn nồng độ khoảng
1,27g/cm
3
Cần nhớ rằng : nồng độ quá cao sẽ làm chóng hỏng tấm ngăn, chóng
hỏng bản cực, dễ bị sunfat hoá trong các bản cực nên tuổi thọ của ắc quy cũng
giảm đi rất nhanh. Nồng độ quá thấp thì điện dung và điện áp định mức của ắc quy
giảm và ở các nước xứ lạnh thì dung dịch vào mùa đông dễ bị đóng băng.
Những chú ý khi pha chế dung dịch điện phân cho ắc quy
- Không được dùng axit có thành phần tạp chất cao như loại kỹ thuật thông
thường và nước không phải là nước cất vì dung dịch như vậy sẽ làm tăng cường độ
quá trình tự phóng điện của ắc quy
- Các dụng cụ pha chế phải làm bằng thuỷ tinh, chất dẻo chịu axit. Chúng phải
sạch, không chứa các muối khoáng, dầu mỡ hoặc chất bẩn . . .
- Để đảm bảo an toàn trong khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước vào axit
đặc mà phải đổ từ từ axit vào nước và dùng que thuỷ tinh khuấy đều.
5.Nắp và nút cầu nối:
Nắp được làm bằng nhựa êbônit hoặc bằng bakelit. Nắp có hai loại:
+ Từng nắp riêng cho mỗi ngăn.
+ Nắp chung cho cả bình - loại này kết cấu phức tạp nhưng độ kín tốt.
3
Đồ án môn học :Điện tử công suất
Trên nắp có lỗ để đổ dung dịch điện phân vào các ngăn và kiểm tra mức dung
dịch điện phân, nhiệt độ và nồng độ dung dịch trong ắc quy .
Lỗ đổ được đậy kín bằng nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân không bị
bẩn và sánh ra ngoài. Ở nút có lỗ nhỏ để thông khí từ trong bình ra ngoài lúc nạp
ắc quy .

Nắp một số loại ắc quy có lỗ thông khí riêng nằm sát lỗ đổ, kết cấu như vậy rất
thuận tịên cho việc điều chỉnh mức dung dịch trong bình ắc quy . Trong trường
hợp này, ở nút không có lỗ thông khí nữa.
Cấu nối thường làm bằng chì, dùng để nối các ngăn ắc quy đơn với nhau.
1.4 Các thông số cơ bản của ắc quy:
Sức điện động của ắc quy chì và ắc quy axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện
phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm
Eo = 0,85 + ρ ( V )
trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc quy ( V )
ρ - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm
3
)
Trong quá trình phóng điện sức điện động của ắc quy được tính theo công thức :
Ep = Up + Ip.r
b

trong đó : Ep - sức điện động của ắc quy khi phóng điện ( V )
Ip - dòng điện phóng ( A )
Up - điện áp đo trên các cực của ắc quy khi phóng điện (V)
r
b
- điện trở trong của ắc quy khi phóng điện ( Ω )
Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc quy được tính theo công thức :
En = Un - In.r
b
trong đó : En - sức điện động của ắc quy khi nạp điện ( V )
In - dòng điện nạp ( A )
Un - điện áp đo trên các cực của ắc quy khi nạp điện
( V )
r

b
- điện trở trong của ắc quy khi nạp điện ( Ω )
Dung lượng phóng của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng
của ắc quy cho phụ tải, và được tính theo công thức :
Cp = Ip.tp
trong đó : Cp - dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah )
Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện
tp ( A )
tp - thời gian phóng điện ( h ).
Dung lượng nạp của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của
ắc quy và được tính theo công thức :
Cn = In.tn
trong đó :
Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah )
In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A )
tn - thời gian nạp điện ( h ).
4
Đồ án môn học :Điện tử công suất
1.5 Quá trình phóng nạp của ăc quy :
1.Đặc tính phóng của ắc quy
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 .
Từ đặc tính phóng của ắc quy như trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
- Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, sức điện động
điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian
này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời
gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc quy ( dòng
điện phóng ).
- Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta 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 sun phát chì (PbSO
4
) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng
thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc
quy sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc quy, các
giá trị Ep, Up, ρ tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc quy, ắc
quy không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%.
5
Đồ án môn học :Điện tử công suất
- Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, 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 hồi phục này phụ thuộc vào
chế độ phóng điện của ắc quy ( dòng điện phóng và thời gian phóng ).
2. Đặc tính nạp của ắc quy.
Đặc tính nạp của ắc quy 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
n
= 0 đến tn = t
gh
thì 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 bản cực của ắc quy đơn tăng đến
2,4 V . Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V và giữ nguyên.
Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các chất tác dụng ở
sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung

lượng phóng điện của ắc quy.
- Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc quy kéo dài từ 2 ÷ 3 h trong suốt thời gian
đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân
6
Đồ án môn học :Điện tử công suất
không thay đổi . Như vậy dung lượng thu được khi ắc quy phóng điện luôn nhỏ
hơn dung lượng cần thiết để nạp no 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 qui là In = 0,1C
10
.
Trong đó C10 là dung lượng của ắc quy mà với chế độ nạp với dòng điện định mức
là In = 0,1C
10
thì sau 10 giờ ắc quy sẽ đầy.
Ví dụ với ắc quy C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung
lượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ ắc quy sẽ đầy.
1.6 Các phương pháp nạp ắc quy
1.phương pháp nạp ắc quy với dòng không đổi
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại
ắc quy, bảo đảm cho ắc quy được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các
xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc quy hoặc nạp sửa chữa cho các ắc
quy bị Sunfat hoá. Với phương pháp này ắc quy được mắc nối tiếp nhau và phải
thoả mãn điều kiện :
U
n
≥ 2,7.N

aq

Trong đó: U
n
- điện áp nạp
N
aq
- số ngăn ắc quy đơn mắc trong mạch
Trong quá trình nạp sức điện động của ắc quy tăng dần lên, để duy trì dòng điện
nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới hạn của biến trở
được xác định theo công thức :

n
aqn
I
NU
R
0,2
−
=
Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo
dài và yêu cầu các ắc quy đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc
phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với
dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp
ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ÷ 0,6 )C
10
tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc
một khi ắc quy bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C
10
2. phương pháp nạp với áp không đổi

Phương pháp này yêu cầu các ắc quy được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu
điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng ( 2,3 ÷ 2,5 ) V cho mỗi ngăn
đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự
động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc quy không được nạp
no. Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc quy
trong quá trình sử dụng.
3. phương pháp nạp dòng áp
7
Đồ án môn học :Điện tử công suất
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được
những ưu điểm của mỗi phương pháp.
Đối với yêu cầu của đề bài là nạp ắc quy tự động tức là trong quá trình nạp mọi
quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn
thì ta chọn phương án nạp ắc quy là phương pháp dòng áp.
- Đối với ắc quy axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong
khoản thời gian t
n
= 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng ắc quy ta nạp với dòng
điện không đổi là In = 0,1C
10
. Vì theo đặc tính nạp của ắc quy trong đoạn nạp
chính thì khi dòng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, do đó
bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời gian 8 h ắc quy bắt đầu sôi
lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10 h thì ắc quy
bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 ÷ 3 h.
- Đối với ắc quy kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc quy axit nhưng do khả
năng quá tải của ắc quy kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In =
0,2C
10
hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5C

10
.
Các quá trình nạp ắc quy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn
áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc quy, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về
không.

8
Đồ án môn học :Điện tử công suất
CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH
CÔNG SUẤT
2.1 Nhận xét chung
Bộ chỉnh lưu là thiết bị dựng để biến đổi nguồn điện xoay chiều
thành
nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một
chiều.
Trong kĩ thuật có nhiều phương án chỉnh lưu như: chỉnh lưu không điều
khiển (chỉnh
lưu
điôt); chỉnh lưu điều khiển (chỉnh lưu thyristor); chỉnh lưu
một pha; ba pha; sáu
pha.
Tuỳ thuộc vào yêu cầu cụ thể mà ta lựa chọn phương án chỉnh lưu thích
hợp nhất nhằm
đáp
ứng được các chỉ tiêu về mặt
kĩ
thuật và kinh
tế
.
2.2 Các phương án thiết kế mạch chỉnh lưu

1.Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha đối xứng
1.1 Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm:
- Nhóm Katot chung : T1, T3, T5
- Nhóm Anot chung : T2, T4, T6
9
Đồ án môn học :Điện tử công suất
+Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin
+Giá trị trung bình của điện áp trên tải

α
π
θθ
π
α
π
α
π
cos
63
sin2
2
6
2
6
5
6
2
U
dUU

d
==
∫
+
+
+Từ công thức trên ta thấy
maxdd
UU
=
khi
1cos
=
α
+Khi đó ta có
63
max
2
d
U
U
π
=
+Thay giá trị
VU
d
8,64
max
=
ta có
68,27

2
=
U
V
+Điên áp các pha thứ cấp của máy biến áp là:

)
3
2
sin(39
)
3
2
sin(39
sin39
π
θ
π
θ
θ
+=
−=
=
c
b
a
U
U
U
+Giá trị trung bình của dòng thứ cấp máy biến áp.

maxmax2
3
2
d
II
=
+Từ số liệu ban đầu thay
AI
d
90
max
=
có
AI 5,73
max2
=
+Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là:

A
I
I
d
TBV
30
3
max
max
==

+Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu

VUUUU
ddng
04,6805,1
3
6
maxmax2max
====
π

+Công suất biến áp

kVAIUS
ddba
1,610.90.8,64.
33
3
maxmax
===
−
ππ
*Nhận xét : Với sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển thì điện áp ra U
d
ít đập
mạch ( trong một chu kì đập mạch 6 lần ) do đó vấn đề lọc rất đơn giản, điện áp
ngược lên mỗi van nhỏ, công suất biến áp nhỏ nhưng mạch phức tạp nhiều kênh
điều khiển.
10
Đồ án môn học :Điện tử công suất

1.2 Đường đặc tính
2. Chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha không đối xứng
2.1 Sơ đồ nguyên lý
11
Đồ án môn học :Điện tử công suất
*Trong sơ đồ này sử dụng 3 Tiristor ở nhóm Katot chung và 3 Diot ở nhóm
Anot chung.
+Giá trị trung bình của điện áp trên tải

21 ddd
UUU
−=
Trong đó : U
d1
là thành phần điện áp do nhóm Katot chung tạo
nên
U
d2
là thành phần điện áp do nhóm Anot chung tạo
nên

π
θθ
π
α
π
θθ
π
α
π

α
π
α
π
α
π
2
63
sin2
2
3
cos
2
63
sin2
2
3
2
6
11
6
7
22
2
6
11
6
7
21
U

dUU
U
dUU
d
d
==
==
∫
∫
−
−
−
−
12
Đồ án môn học :Điện tử công suất
Vậy
)cos1(
2
63
2
α
π
+=
U
U
d
+Ta nhận thấy
maxdd
UU
=

khi
1cos
=
α
+Khi đó ta có
V
U
U
d
68,27
63
max
2
==
π
+Điện áp thứ cấp máy biến áp

)
3
2
sin(39
)
3
2
sin(39
sin39
π
θ
π
θ

θ
+=
−=
=
c
b
a
U
U
U
+Giá trị trung bình của dòng chảy trong Tiristor và Diot

A
I
II
d
diotTBV
30
3
max
maxmax
===
+Giá trị dòng điện ngược lớn nhất

AUUUU
ddng
04,6805,1
3
6
maxmax2max

====
π
+Công suất biến áp

kVAIUS
ddba
1,610.90.8,64.
33
3
maxmax
===
−
ππ
*Nhận xét :Tuy điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu 3 pha
không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản , kích thước gọn nhẹ hơn.
13
Đồ án môn học :Điện tử công suất
2.2 Đường đặc tính
14
Đồ án môn học :Điện tử công suất
3. Chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng
3.1 Sơ đồ nguyên lý
+Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng chảy của Tiristor và của điốt không bằng nhau.
+Góc dẫn của điốt là :
απλ
+=
D
+Góc dẫn của Tiristor là :
απλ
−=

T
+Giá trị trung bình của điện áp tải

∫
+==
π
α
α
π
θθ
π
)cos1(
2
sin2
1
2
2
U
dUU
d

π
2
max
22 U
U
d
=
Do đó
V

U
U
d
72
22
8,64.
22
max
2
===
π
π
+Giá trị trung bình của dòng tải

t
d
d
Z
U
I
=
+Dòng qua Tiristor

π
απ
θ
π
π
α
22

1
−
==
∫
ddT
IdII
15
Đồ án môn học :Điện tử công suất
+Dòng qua Điốt

∫
+
+
==
απ
α
π
απ
θ
π
22
1
ddD
IdII
+ Giá trị hiệu dụng của dòng chạy qua sơ cấp máy biến áp

π
α
θ
π

π
α
−==
∫
1
1
2
2 dd
IdII
*Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng có cấu tạo đơn
giản, gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van . Thích hợp cho các máy có công suất
nhỏ và vừa.
3.2 Đường đặc tính
16
Đồ án môn học :Điện tử công suất
4.Chọn phương án thiết kế phù hợp
Cả hai phương án dùng sơ đồ chỉnh lưu đối xứng cầu ba pha và chỉnh lưu không
đối xứng cầu ba pha đều có nhiều kênh điều khiển, nhiều thyristor nên giá thành
cao không kinh tế.
Do yêu cầu của đầu bài, sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng
chúng có một số ưu điểm:
- Hiệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ như cầu 1 pha đối xứng.
- Đơn giản hơn vì số lượng thyristor giảm xuống chỉ còn 2 nên mạch điều khiển
có ít kênh điều khiển hơn, bảo đảm kinh tế hơn.
- Cùng một dải điều chỉnh điện áp một chiều thì cầu không đối xứng điều khiển
chính xác hơn
Qua phân tích trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối xứng
dùng cho mạch lực mạch nạp ắc quy tự động . Phương án này vừa đáp ứng được
yêu cầu kỹ thuật vừa bảo đảm cho việc thiết kế
2.3 Tính toán mạch công suất

2.3.1 Sơ đồ mạch lực.
17
Đồ án môn học :Điện tử công suất
2.3.2 Các phần tử trên mạch công suất và tính toán mạch công suất
1. Van công suất .
- Chỉ tiêu điện áp
+ Van phải chịu điện áp nặng nề khi các ắc quy được nạp no. Mỗi ngăn ắc
quy có điện áp là 2V . Để có ắc quy 24V ta cần = 12 ngăn.
Để nạp no thì cần điện áp nạp cho mỗi ngăn là 2,7V.
Khi đó : U =2,7. = 32,4 V
Điện áp lớn nhất trên van: U = U
Với : U
2
=

cho sơ đồ cầu 1 pha K
sđ
= 0,9 thay vào ta có :
U = . = 51 V
Do thực tế điện áp lưới không ổn định và được phép dao động , mặt khác có nhiều
yếu tố ảnh hưởng ngẫu nhiên trên mạng điện nên van được chọn với 1 hệ số dự trữ
điện áp nhất định .
U ≥ K .U
Với K
U
là hệ số dự trữ cho van . Ta chọn K
U
= 1,7 .
U = 1,7.51 = 86,7 V
- Chỉ tiêu dòng điện :

+ Tính dòng điện trung bình qua van.
Dòng điện trung bình thực tế qua van :
I = = = 40 A
Thực tế ta chọn van chịu được hệ số quá dòng K
I
= 1,2 .
I = K .I = 1,2.40 = 48 A
- Vì tải có công suất nhỏ nên ta chọn điều kiện làm mát cho van là làm mát
tự nhiên , dùng cách tản nhiêt chuẩn với đối lưu không khí
- Lựa chọn van
+DIODE Loại CR50-010
.Dòng điện chỉnh lưu cực đại: Idmax = 80 A
.Điện áp ngược của D: Un= 100 V
.Đỉnh xung dòng điện : Ipik= 1500 A
.Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của DIODE : ∆U = 1,2 V
.Dòng thử cực đại : Ith= 100 A
.Dòng rò ở nhiệt độ 25
0
C : Ir = 100 µA
.Nhiệt độ cho phép : Tcp =200
0
C
+THYRISTOR S1050J
.Điện áp ngược cưc đại : Unmax = 100 V
.Dòng điện làm việc cực đại : Idmax = 50 A
.Dòng điện xung điều khiển : Ig = 40 mA.
.Điện áp xung điều khiển : Ug = 1,5 v
.Dòng duy trì : Ih = 50 mA
18
Đồ án môn học :Điện tử công suất

.Dòng rò : Ir = 1 mA
.Độ sụt áp trên thyirstior ở trạng thái dẫn : ∆U = 1,8 V
.Đạo hàm điện áp : du/dt = 425 v/s
.Thời gian chuyển mạch : t
cm
= 35 µs
.Dòng điện đỉnh cực đại : Ipikmax = 650 A
.Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125
0
C
2.Các thiết bị bảo vệ
a,Bảo vệ ngắn mạch quá tải
Sử dụng aptomat để đóng cắt mạch lực,bảo vệ khi quá tải hoặc ngắn mạch
thyristor,ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi,ngắn mạch thứ cấp của máy biến áp
b,Bảo vệ quá áp,độ tăng điện áp cho van
Bảo vệ quá điện áp do quá trinh đóng vắt cac thyristor được thực hiện bằng cách
mắc song song R-C với thyristor.khi có sự chuyển mạch các điện tích tụ trong lớp
bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn.Sự biến
thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn
trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anot và katot của thyristor.khi có
mạch R-C mắc song song voi thyristor nó tạo ra vòng phóng điện trong quá trình
chuyển mạch nên bảo vệ dược thyristor không bị quá điện áp .
Nếu tốc độ biến thiên điện áp vượt quá du/dt cho phép của van thì van sẽ dẫn mà
không cần dòng điều khiển.Do đó ta phải mắc R-C song song với thyristor nó sẽ
làm giảm tốc độ tăng điện áp trên thyristor.Ta phải bố trí sao cho thyristor nằm sát
C.Điện trở R có tác dụng hạn chế dòng phóng của tụ khi van dẫn
c,Hạn chế tốc độ tăng dòng
Vì với tải là ắc quy không có tính chất cảm nên tốc độ tăng dòng có thể rất lớn
gây hiện tượng đốt nóng cục bộ trong van vì vậy ta phải có biện pháp hạn chế
nó.Biện pháp đơn giản nhất la mắc nối tiếp với tải một cuộn cảm. Tuy nhiên vì ta

sử dụng nguồn biến áp cho chỉnh lưu nên điện cảm trong cuộn dây máy biến áp
cũng đủ để đảm bảo điều kiện trên.
3.Các thiết bị chỉ thị
Ampe kế đo dòng nạp chọn loại Ampe kế 100 A
Vôn kế đo điện áp nạp chọn loại Vôn kế 100 V
4.Điện trở lấy tín hiệu
Rs: lấy tín hiệu phản hồi dòng về mạch điều khiển
Tín hiệu phẩn hồi áp ta nối trực tiếp với hai đầu của ắc quy
.5. Tính toán máy biến áp.
a. Các thông số cơ bản.
- Điện áp chỉnh lưu không tải.
U
d0
= U
d
+ ∆U
v
+ U
ba
+

∆U
dn


Trong đó:
U
d
= 32,4 V - Điện áp chỉnh lưu.
19

Đồ án môn học :Điện tử công suất
∆U
v
= 1,2 + 1,8 = 3 V - Sụt áp trên các van.
U
ba
= 10% U
d
= 3,24 V - Sụt áp bên trong máy biến áp khi có tải.
∆U
dn
≈ 0 - Sụt áp trên dây dẫn ( coi rất nhỏ ).
Vậy U
do
= 32,4 + 3 + 3,24 = 38,64 V
- Công suất tải tối đa.
P = U .I = 38,64.80 = 3091,2 W
- Công suất máy biến áp.
S = K .P = 1,23.3091,2 = 3802 W
Với sơ đồ cầu 1 pha : K
p
= 1,23
b. Tính sơ bộ mạch từ.
- Tiết diện tụ : chọn mạch từ 3 tụ .
Q=K.
Trong đó : C = 1 - Số trụ từ .
S
ba
= 3802 W - Công suất máy biến áp .
f = 50 Hz - tần số nguồn .

K = 5 ÷ 6 - chọn K = 5 .
(Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát )
⇒ Q=5. = 43,6 cm
2
c. Tính toán dây quấn
- Điện áp cuộn dây sơ cấp : U
1
= 220 V
- Điện áp cuộn dây thứ cấp : : U = = = 42,93 V
Với sơ đồ cầu 1 pha : K
U
= 0,9
Hệ số máy biến áp :
K = = = 5,12
- Số vòng dây mỗi pha máy biến áp :
Ta có công thức :
W=
Trong đó :
W - Số vòng dây của cuộn dây cần tính .
U - Điện áp của cuộn dây cần tính .
B - Từ cảm ( thường chọn trong khoảng từ 1÷ 1,8 )
Q
Fe
- Tiết diện lõi thép (m
2
)
Ta chọn thép làm MBA là loại có mã hiệu ∃330 dày 0,5 mm , từ đó ta có
B=1,1
Số vòng dây cuộn sơ cấp là :
W

1
= 207 vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp là :
W
2
= 40 vòng .
- Dòng điện trong các cuộn dây :
20
Đồ án môn học :Điện tử công suất
+ Dòng thứ cấp : I
2
= K
2
. I
d
= 1,11 . 80 = 88,8 (A)
+ Dòng cuộn sơ cấp : I = =17,3 A
- Tiết diện dây dẫn :
Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp . Với máy biến áp dầu và dây
dẫn bằng đồng , chọn J
1
= J
2
= 3 (A / mm
2
)
Tiết diện dây cuốn sơ cấp máy biến áp :
S = = =5,77 mm
Tiết diện dây cuốn thứ cấp máy biến áp :
S = = = 29,6 mm

- Đường kính dây dẫn :
Do dây dẫn có tiến diện nhỏ nên ta dùng dây dẫn tròn.
Đường kính dây dẫn thứ cấp là :
d = = = 6,1 mm
Đường kính của dây dẫn sơ cấp :

d = = = 2,7 mm
21
Đồ án môn học :Điện tử công suất
CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU
KHIỂN
3.1 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU.
- Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi thyristor , nó có vai
trò quyết định đến chất lượng, độ tin cậy của bộ biến đổi. Mạch điều khiển rất đa
dạng nhưng với hệ thống mạch lực cụ thể của mạch nạp cần có một hệ điều khiển
thích ứng. Với mạch này, hệ điều khiển sẽ phát xung mở hai thyristor T1, T2.
Các thyristor sẽ mở khi thoả mãn đồng thời hai điều kiện:
- Một điện áp dương đủ lớn đặt lên hai cực của thyristor theo hướng từ anôt
đến katôt.
- Xung điện áp dương đưa vào cực điều khiển đủ lớn về biên độ, độ rộng.
Để làm thay đổi điện áp ra tải chỉ cần thay đổi thời điểm phát xung điều khiển,
tức là thay đổi góc mở α cuả các van. Ưu điểm của thyristor là chỉ cần dòng và áp
điều khiển nhỏ nhưng có thể chịu được áp và dòng rất lớn chảy qua.
- Hệ thống mạch điều khiển phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
+ Phát xung điều khiển chính xác vào đúng thời điểm mà người thiết kế đã
tính toán sẵn.
+ Các xung điều khiển phát ra phải đủ lớn về biên độ và độ rộng đề mở các
van.
+ Xung điều khiển phải có độ đối xứng cao và đảm bảo được phạm vi điều
chỉnh góc mở α.

+ Dạng xung được điều chỉnh thích hợp và tác động nhanh.
+ Đảm bảo hoạt động tốt, độ tin cậy cao khi điện áp nguồn thay đổi giá trị biên
độ.
Ngoài ra hệ thống điều khiển phải có nhiệm vụ ổn định dòng điện ra tải và bảo
vệ hệ thống khi xảy ra sự cố quá dòng hay ngắn mạch tải.
3.2. SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN
3.2.1 SƠ ĐỒ KHỐI
Dựa vào nguyên tắc điều khiển và yêu cầu của công nghệ ta thiết lập được sơ
đồ khối của bộ điều khiển:
23
Đồ án môn học :Điện tử công suất
Trong đó:
Ung: Điện áp nguồn
Uđk: Điện áp điều khiển
3.2.2.NGUYÊN TẮC ĐIỀU KHIỂN
Để điều chỉnh góc mở của các thyristor trong nửa chu kì điện áp dương ta
thường dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng
arccos.
1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:

Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp:
- Điện áp đồng bộ (u
r
), đồng bộ với điện áp dặt trên cực A – K của thyristor
thường đặt vào đầu đảo của khâu so sánh.
- Điện áp điều khiển (u
c
) - điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên độ,
thường đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh.
Bấy giờ hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là:

u
d
= u
c
- u
r
Mỗi khi u
c
= u
r
thì khâu so sánh lật trạng thái, ta nhận được “ sườn xuống” của
điện áp đầu ra của khâu so sánh. “Sườn xuống” này thông qua đa hài một trạng
thái ổn định tạo ra một xung điều khiển.
Như vậy, bằng cách làm biến đổi u
c
người ta có thể điều chỉnh được thời điểm
xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh được góc mở α của thyristor
Giữa α và u
c
có quan hệ:
24
ur m
ur
0
α α
π 2π
uc
t
ĐF Utựa KĐX
BĐC

Ud
Up
h
Uđ
k
Un
g
BĐK
BAX
Đồ án môn học :Điện tử công suất

mr
c
U
u
.
πα
=
Người ta lấy U
c max
= U
r m
2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”:
Theo nguyên tắc này người ta dùng hai điện áp:
- Điện áp đồng bộ (ur), vượt trước uAK=Um.sin
ω
t của tiristor một góc là
2
π
:

u
s
=Um.cos
t
ω
- Điện áp điều khiển (u
c
) - điện áp một chiều có thể điều chỉnh được biên
độ(theo hai chiều dương và âm).
Nếu đặt u
2
vào cổng đảo và u
c
vào cổng không đảo của khâu so sánh thì khi
u
r
=u
c
ta sẽ nhận được một xung rất mảnh ở đầu ra của khâu so sánh khi khâu này
lật trạng thái:
Um.cosα =u
c
.
Do đó:
α=arccos









m
c
U
u
.
Khi u
c
= Um thì α=0.
Khi u
c
=0 thì α=
2
π
.
Khi u
c
= -Um thì α=
π
.
25
t
uc
(ur + uc)
ur
ur
Uc
0

α
Hình 4.3 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos
Đồ án môn học :Điện tử công suất
Như vậy, khi điều chỉnh uc từ giá trị u
c
= +Um đến giá trị u
c
= -Um, ta có thể
điều chỉnh được góc mở α từ 0 đến π.
Nguyên tắc điều khiển này được sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu đòi hỏi
chất lượng cao.
3.3 TÍNH TOÁN CÁC KHÂU ĐIỀU KHIỂN
1. Khâu đồng pha (ĐF):
Có nhiệm vụ tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp biến áp mạch lực. Khâu
này có chức năng xác định điểm gốc để tính góc điều khiển α. Vì vậy nó có góc
pha liên hệ chặt chẽ với điện áp mạch lực. Thông thường khâu đồng pha còn làm
nghiệm vụ cách ly giữa mạch lực điện áp cao với mạch điều khiển điện áp thấp.
D2
R2
D3
U
ng
1
Hình 3.1: Sơ đồ khối đồng pha.
Tín hiệu đồng bộ có thể lấy từ biến áp lực cũng có thể lấy từ một biến áp khác.
Do trong mạch điều khiển có nhiều khâu sử dụng nguồn điện áp thấp nên chúng
ta dùng một biến áp có quấn nhiều cuộn dây thứ cấp, mỗi cuộn có một chức năng
riêng biệt, trong đó sử dụng cuộn có điện áp 0V-12V-24V dùng cho khâu đồng
bộ. Mạch tạo xung đồng bộ được lấy từ điện áp lưới U = 220V, f=50Hz, trùng
pha với điện áp đặt nên cuộn sơ cấp của biến áp động lực. Hai điôt D3 và D4 làm

nhiệm vụ chỉnh lưu tạo ra tín hiệu U
1
làm ngưỡng để so sánh với tín hiệu một
chiều.
Giá trị điện áp một chiều sau chỉnh lưu là:
VUUdUU 8,1012.9,0.9,0
22
sin2
2
1
22
0
21
=====
∫
π
θθ
π
π
Ta chọn 2 Diot D3 và D4 là diot 1N4007.
26
R0
D4
D3