Thiết kế bộ chỉnh lưu

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CÁC BỘ CHỈNH LƯU

Chương 1 Phân tích u cầu cơng nghệ

1.1. Ví dụ phân tích u cầu cơng nghệ đối với hệ truyền động động cơ điện
một chiều

1.1.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp mạch phần ứng

Sơ đồ thay thế ĐCMC: Ru M c  Ru Iu
 K 01 K

01

02 02

03 03

04 04

Hình 1.1. (a) Mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều. (b) Đồ thị phương trình đặc tính cơ. (c)
Đồ thị phương trình đặc tính cơ điện.

Phương trình cân bằng điện áp:

Ud  Ru Iu  Eu (1.1)

Ru là điện trở tương đương mạch phần ứng động cơ, bao gồm điện trở thuần của

dây cuốn và điện trở phần tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp.

Eu gọi là sức điện động mạch phần ứng động cơ.

Eu  K;

K  pN . (1.2)
2 a

K : hệ số phụ thuộc cấu tạo động cơ;

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, dưới một mặt cực từ;

A : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng;

 : tốc độ góc trục động cơ (rad/s).

Khi tính tốn với tốc độ động cơ là n vòng/phút, chỉ cần quy đổi   2 n  n .
60 9,55

Thay (1.2) vào (1.1) và một chút biến đổi ta có phương trình đặc tính cơ điện như

sau:

  Ud  Ru Iu (1.3)
K K

Nếu biết rằng mô men do động cơ sinh ra tỷ lệ với dòng qua mạch phần ứng động

cơ, từ thông động cơ và hệ số cấu tạo động cơ K:

M  KIu , hay Iu  M ,

K

phương trình đặc tính cơ điện (1.3) trở thành phương trình đặc tính cơ:

  Ud  2 Ru M (1.4)
K K

Động cơ điện một chiều thường làm việc với từ thông  không đổi. Trong chế độ

không tải lý tưởng Iu = 0, mô men do động cơ sinh ra cũng bằng 0, động cơ quay với tốc

độ 0  Ud , gọi là tốc độ không tải lý tưởng. Khi có tải, động cơ chạy ở tốc độ  ổn
K

định nào đó khi mơ men do động cơ sinh ra M cân bằng với mô men cản Mc. Điều này
được biểu diễn trên đồ thị đặc tính cơ trên hình 1.a.

Phân tích phương trình đặc tính cơ (1.4) ta thấy rằng để thay đổi tốc độ động cơ,

có thể dùng một số biện pháp sau:

1. Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ud.
2. Thay đổi từ thông động cơ  .

3. Thay đổi điện trở mạch phần ứng động cơ Ru, ví dụ bằng cách nối tiếp với
phần ứng các điện trở phụ ngoài.

Phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ được sử dụng rộng rãi nhất

vì cho dải điều chỉnh rộng, khơng gây thêm các tổn thất do mắc thêm các mạch bên ngồi.

Đặc tính động cơ khi điều chỉnh điện áp đặt lên mạch phần ứng được minh họa trên đồ thị

hình 1.1.b. Khi điện áp thay đổi đồ thị đặc tính cơ là các đường song song với nhau, xuất

phát trên trục tốc độ tại các điểm, ứng với các tốc độ không tải lý tưởng khác nhau,

01,02 ,... Các bộ biến đổi bán dẫn công suất được sử dụng để tạo nên điện áp một chiều

Ud thay đổi theo yêu cầu. Nếu nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều ta có thể sử dụng các

bộ chỉnh lưu tiristo. Nếu nguồn cung cấp là một chiều, ví dụ từ acquy, ta có thể sử dụng

các bộ biến đổi xung áp một chiều.

1.1.2. Phân tích yêu cầu đảo chiều, Bộ biến đổi có đảo chiều

Một số phụ tải một chiều yêu cầu nguồn điện cung cấp có thể đảo được cực tính.
Ví dụ, trong hệ truyền động điện một chiều, điện áp đặt lên mạch phần ứng của động cơ
phải đảo cực tính khi có u cầu đảo chiều quay động cơ. Trong cơng nghệ mạ điện,
nguồn cung cấp cũng có thể phải đảo cực tính trong những khoảng thời gian ngắn, xen kẽ
với cực tính thuận, nhằm bóc đi một số điểm cục bộ bị bồi đắp cao hơn những điểm khác
trên bề mặt vật mạ. Bằng cách này có thể đạt được một lớp mạ đồng đều, có độ bám dính
và độ bóng cao hơn vì tránh được lớp mạ xốp.

Quá trình đảo cực tính điện áp một chiều cũng để nhằm mục đích trao đổi năng
lượng giữa phần một chiều và phần lưới xoay chiều. Như vậy, nói chung các bộ biến đổi
có đảo chiều cần làm việc được ở cả chế độ chỉnh lưu lẫn chế độ nghịch lưu phụ thuộc.

Nguồn một chiều có thể đảo cực tính bằng cách dùng cặp tiếp điểm của công-tắc-

tơ. Tuy nhiên vấn đề là ở chỗ các hệ thống yêu cầu quá trình đảo chiều diễn ra rất nhanh
và nhiều lần mà các phần tử có tiếp điểm khơng thể đáp ứng được. Ví dụ, trong hệ thống
truyền động một chiều, các chế độ động cơ hoặc hãm tái sinh có thể xảy ra liên tục khi
động cơ phải làm việc với phụ tải động, do đó nguồn một chiều cung cấp phải đảo chiều

liên tục. Trong nghệ mạ đảo dòng, thời gian “mạ ngược” chỉ chiếm khoảng vài trăm ms
trong cả chu kỳ “mạ thuận”, cỡ 1000 ms. Rõ ràng là các phần tử có tiếp điểm khơng thể
đáp ứng được các u cầu này.

Về nguyên tắc, bộ biến đổi có đảo chiều cấu tạo từ hai bộ chỉnh lưu CL1, CL2,
thuận và ngược, cùng được cung cấp bởi một nguồn xoay chiều, như được chỉ ra trên
hình 1.2.

Các bộ biến đổi có đảo chiều được điều khiển bằng một trong hai phương pháp,
điều khiển chung hoặc điều khiển riêng.

Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi có đảo chiều. (a) Điều khiển chung; (b) Điều khiển riêng.

Điều khiển chung

Theo phương pháp điều khiển chung hai bộ chỉnh lưu CL1, CL2 làm việc song

song đồng thời ở mọi thời điểm. Điều kiện để hai bộ biến đổi làm việc song song là giá trị

trung bình của điện áp trên đầu ra của chúng phải bằng nhau. Do hai bộ chỉnh lưu có cực

tính điện áp ra ngược nhau nên nếu CL1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển
1  90 thì bộ thứ hai phải làm việc trong chế độ nghịch lưu phụ thuộc, với góc điều

khiển 2  90 . Khi đó ta có:

Ud1  Ud 0 cos1; Ud 2  Ud 0 cos2 . (1.5)

Để Ud1  Ud 2 , mà 1  2 và hai bộ chỉnh lưu có cực tính điện áp ra ngược

nhau, suy ra 1  2   .

Tuy bằng nhau về giá trị trung bình nhưng điện áp hai đầu ra chỉnh lưu sẽ khác

nhau về giá trị tức thời. Do đó cần có cuộn kháng cân bằng Lcb mắc giữa hai đầu ra của

các bộ biến đổi để hạn chế dòng cân bằng. Khái niệm về hai bộ biến đổi làm việc song

song và vai trò của cuộn kháng cân bằng đã được đề cập đến ở chương 2 [Tài liệu tham

khảo ], trong sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng.

Cấu trúc điều khiển chung có ưu điểm là độ tác động nhanh cao, khơng hề có trễ

khi cần đảo cực tính điện áp ra tải. Tuy nhiên nhược điểm của cấu trúc này là cuộn kháng

cân bằng có kích thước lớn, làm tăng cơng suất lắp đặt của bộ biến đổi. Cuộn kháng cũng

làm chậm lại quá trình điện từ diễn ra trong mạch tải, điều này lại dẫn đến giảm độ tác

động nhanh của hệ thống nói chung.

Điều khiển riêng

Trong cấu trúc điều khiển riêng các bộ biến đổi sẽ làm việc độc lập. Tại mỗi một

thời điểm, chỉ có một bộ biến đổi làm việc, đảm bảo một cực tính điện áp ra tải. Nhờ đó

khơng cần đến cuộn kháng cân bằng, công suất lắp đặt giảm đến mức tối thiểu, gọn nhẹ,

hiệu suất cao. Đây là cấu trúc được áp dụng cho phần lớn các bộ biển đổi có đảo chiều

hiện đại.

Vấn đề chính trong thực hiện phương pháp điều khiển riêng là đảm bảo quá trình
đảo chiều diễn ra sao cho thời gian trễ là ngắn nhất mà vẫn đảm bảo an tồn cho thiết bị,
khơng để xảy ra ngắn mạch. Mạch điện tử điều khiển quá trình đảo chiều này gọi là mạch
lôgic đảo chiều.

Mạch lơgic đảo chiều, có sơ đồ cấu trúc cho trên hình 1.3, bao gồm các bộ phận
chính sau đây:

1. Bộ cảm biến đo dòng điện và xác định dịng về khơng (zero detector). Bộ
phận phát hiện dịng về khơng ln theo dõi dịng điện Id và cho ra tín hiệu lơgic dịng
khác khơng hay bằng khơng, hoặc cho tín hiệu về chiều dịng điện, Id>0 và Id<0.

2. Bộ phận nhận biết tín hiệu u cầu đảo chiều. Thơng thường tín hiệu yêu
cầu đảo chiều đến từ sự thay đổi dấu của lượng đặt, ví dụ (+) ứng với chiều thuận, (-) ứng
với chiều nghịch.

3. Bộ phận tạo trễ. Thời gian trễ thường có thể điều chỉnh được trong khoảng
  10 100 ms .

Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc mạch lơgic đảo chiều.

Trên sơ đồ hình 1.3, Id là tín hiệu dịng tải phía một chiều, do cảm biến dịng đưa
đến. Ir là tín hiệu hiệu đặt dịng điện. Trong thực tế tín hiệu đặt dòng điện thường là đầu
ra của bộ điều chỉnh dòng điện. Trên sơ đồ Ir giả định là được tạo ra từ một chiết áp đặt
giữa nguồn nuôi +Un và –Un. A1, A2, A3 là các bộ so sánh có vùng kém nhạy để tăng
khả năng chống nhiễu. A1, A2 dùng để phát hiện dịng về khơng (zero detector), mỗi bộ
cho một chiều dòng điện. A3 dùng để phát hiện dấu của tín hiệu đặt dịng điện, nghĩa là
u cầu đảo chiều. Đầu ra của các bộ so sánh này là các tín hiệu lơgic Id>0, Id<0, Ir>0,
Ir<0. Lưu ý rằng tín hiệu Id>0 được phát hiện khi so sánh dịng Id từ một mức nhỏ hơn 0,
tín hiệu Id<0 phát hiện từ một mức dòng Id lớn hơn 0. Các tín hiệu lơgic tổng hợp với
nhau qua cổng AND và đưa đến đầu vào của một R-S trigơ. Đầu ra Q và Q của trigơ đưa
qua bộ tạo thời gian trễ   10 100 ms , sau đó đảo lại để tạo nên tín hiệu lơgic BL1, BL2,
là tín hiệu cấm các bộ CL1, CL2 làm việc. Tất cả các tín hiệu lơgic đều có mức tích cực
là mức cao. CL1 cho ra dòng điện dương, CL2 cho ra dòng điện âm.

Hình 1.4. Đồ thị các tín hiệu của mạch lôgic đảo chiều.

Sự hoạt động của mạch lôgic đảo chiều trên đây được mơ tả qua đồ thị trên hình
1.4, là kết quả thu được trên mơ hình mơ phỏng chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều, trên
MATLAB-SIMULINK. Trên đồ thị này tín hiệu đảo chiều xuất hiện ở 0,1 s và đảo chiều
ngược lại ở 0,2 s, thời gian trễ đặt là 10 ms.

Có thể tóm tắt q trình điều khiển diễn ra như sau:
Khi nhận được tín hiệu yêu cầu đảo chiều điện áp ra, mạch lôgic điều khiển sẽ cắt
xung điều khiển đưa đến bộ biến đổi đang làm việc. Do tính chất của tải trở cảm và do
tính điều khiển khơng hồn tồn của tiristo, dịng Id vẫn cịn được duy trì theo chiều cũ
nhưng giảm dần về 0. Khi bộ phát hiện dòng về 0 khẳng định dòng Id đã về đến bằng 0,
bộ phận tạo trễ thực hiện trễ một khoảng thời gian  10 100 ms . Thời gian trễ cần thiết

để các van trong bộ biến đổi trước đó phục hồi hồn tồn tính chất khố của mình. Sau
khoảng thời gian trễ mạch phát tín hiệu cho bộ biến đổi thứ hai vào làm việc.

Thơng thường tín hiệu cho phép hoặc cấm một bộ biến đổi nào đó làm việc khơng
chỉ đưa đến khống chế góc điều khiển  mà đưa đến tận phần cấp nguồn cho tầng
khuyếch đại xung của các tiristo.

Mạch lôgic đảo chiều trên thực hiện chức năng đảo chiều cơ bản nhất của bộ biến
đổi. Trong các ứng dụng cụ thể mạch có thể cịn phải thực hiện các chức năng khác như

đảo chiều của lượng đặt, ví dụ khi bộ phận cảm biến dịng tải chỉ đưa ra tín hiệu một cực
tính thì lượng đặt cũng phải có một cực tính đối với cả hai chiều của điện áp ra tải.
1.2. Phân tích u cầu cơng nghệ đối với nguồn hàn hồ quang một chiều

Hàn hồ quang là tên gọi chung các phương pháp hàn sử dụng nguồn nhiệt là hồ
quang điện. Hàn hồ quang có nguồn nhiệt năng lượng cao và tập trung hơn các phương
pháp hàn khí. Đối với hàn khí, nhiệt được phân bố trên một bề mặt rộng nên chúng làm
nóng và biến dạng chi tiết. Nguồn nhiệt tập trung là đặc điểm của các phương pháp hàn
hồ quang. Do tập trung nên vũng chảy hàn sâu hơn, có nghĩa là mối hàn có độ ngấu sâu
hơn, thích hợp khi hàn các chi tiết dày. Các phương pháp hàn hồ quang được nghiên cứu
trên các đặc điểm chung như: nguồn nhiệt, kim lọai đắp, và quá trình bảo vệ. Nguồn nhiệt
vẫn là hồ quang điện, song nếu điện cực là kim lọai đồng thời đảm nhiệm vai trò của kim
lọai đắp sẽ được gọi là hồ quang kim lọai. Nếu điện cực là khơng nóng chảy (ví dụ như
Carbon, Tungsten) thì sẽ gọi là hồ quang carbon hoặc tungsten tương ứng. Q trình bảo
vệ có thể được thực hiện bằng thuốc hàn (flux) còn gọi là chất trợ dung, hoặc bằng khí trơ
(Argon, helium) hoặc khí họat hóa (CO2, hỗn hợp khí Ar CO2/O2). Các nhóm hàn hồ
quang thơng dụng là hàn hồ quang bằng que có thuốc bọc (SMAW), hàn hồ quang kim
lọai trong mơi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn hồ quang tungsten trong khí trơ (GTAW),
hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW), hàn hồ quang bằng dây có lõi thuốc (FCAW), hàn
hồ quang plasma (PAW).

Dưới đây chỉ khảo sát phương pháp hàn hồ quang thông dụng nhất là hàn hồ quang

bằng que có thuốc bọc (SMAW). Với q trình hàn tốt, các chi tiết gắn kết sẽ trở thành
như một vật thể duy nhất. Q trình hàn dược mơ tả trên hình 1.5.

Hình 1.5. Quá trình hàn hồ quang (SMAW).

Như mô tả trên hình 1.5, que hàn gồm phần lõi bằng thép carbon thấp, cịn gọi là
sắt non, bao phủ bên ngồi bởi một lớp phủ. Dưới tác dụng của hồ quang với nhiệt độ cao,

từ 3000 đến 6000C, phần lõi chảy xuống, tạo nên dịng kim loại nóng chảy, hợp với
phần kim loại nóng chảy của chi tiết kim loại bên dưới, tạo nên vũng kim loại nóng chảy.
Phần vỏ phủ bên ngồi que hàn khi bị hơi nóng đốt cháy, tạo nên một lớp khí, có tác dụng
ngăn cách vũng kim loại nóng chảy với khơng khí bên ngồi, ngăn được tương tác giữa
vũng kim loại nóng chảy nhiệt độ cao với ơ-xy và nitơ ngồi khơng khí. Nhờ đó mối hàn
khơng bị nổ, không tạo nên rỗ bên trong mối hàn. Khi que hàn di chuyển đi, kim loại sẽ
đông cứng, tạo nên mối liên kết vững chắc. Bên trên mối hàn tạo thành một lớp xỉ dòn, dễ
dàng gõ bỏ đi.

Các phần cơ bản của thiết bị hàn được mô tả trên hình 1.6. Thiết bị chính bao gồm
nguồn điện, có thể là xoay chiều AC hoặc một chiều DC, cáp dẫn điện, một đầu nối với
chi tiết, một đầu nối với kìm hàn. Kìm hàn là bộ phận dùng để dẫn điện vào một đầu của
que hàn, đầu kia của que hàn tạo với chi tiết dòng điện hồ quang, khép kín mạch điện.

Hình 1.6. Các bộ phận cơ bản của thiết bị hàn hồ quang.

Nguồn hàn phải đảm bảo dòng hồ quang cả ở chế độ mồi và chế độ hồ quang ổn
định. Hồ quang có thể phát sinh dưới điện áp thấp, cỡ 45 đến 100 V. Điện áp trên hồ
quang thấp hơn nhiều, cỡ 18 V đối với hồ quang ngắn đến 36 V với hồ quang dài. Có thể
tạo ra nguồn hàn từ các thiết bị sau đây:

- Dùng máy biến áp hàn, đầu ra AC.

- Máy biến áp và chỉnh lưu bán dẫn, đầu ra DC.
- Máy phát DC hoặc AC.
- Các bộ biến đổi bán dẫn tần số cao, đầu ra có thể là AC hoặc DC hoặc cả hai.
Dù là loại nào thì đặc tính của nguồn hàn vẫn chỉ là một trong hai loại:
- Nguồn dịng khơng đổi, hoặc nguồn có đặc tính dốc;
- Nguồn áp khơng đổi, hoặc nguồn có đặc tính phẳng,
như biểu diễn trên hình 1.7. Đặc tính của nguồn hàn là mối quan hệ giữa điện áp đầu ra
với dịng điện, hay cịn gọi là đặc tính vơn-ampe. Đặc tính vơn-ampe cho biết dịng hàn
thay đổi thế nào khi điện áp trên hồ quang thay đổi. Trên cơ sở đặc tính này, máy hàn sẽ
điều khiển được:
- Lượng nhiệt phát ra và đảm bảo hồ quang ổn định,
- Giá trị dịng điện cần thiết cho một q trình hàn nhất định.

Hình 1.7. Các đặc tính của nguồn hàn.
Hình 1.8. Đặc tính dốc của nguồn hàn với dịng khơng đổi.

Mỗi loại máy hàn u cầu nguồn hàn có đặc tính khác nhau. Ví dụ:
- SMAW, GTAW yêu cầu đặc tính nguồn hàn dịng khơng đổi,
- GMAW, FCAW yêu cầu nguồn hàn điện áp không đổi.
Nguồn hàn có đặc tính dốc, cho trên hình 1.8, được sử dụng rộng rãi nhất, cho cả
máy hàn bằng tay lẫn máy hàn tự động. Với đặc tính càng dốc thì dịng điện thay đổi
càng ít khi tải thay đổi. Máy hàn loại này cho phép người dùng điều chỉnh dòng hàn
trong một phạm vi nhất định bằng cách thay đổi chiều dài hồ quang. Ví dụ trên hình 1.8,
dịng hàn thay đổi trong phạm vi 15 A đối với công việc A và 40 A đối với công việc B,
tuỳ theo độ dài của hồ quang.
Đặc tính nguồn hàn như trên hình 1.8 có thể được tạo ra dễ dàng bởi các chỉnh lưu
tiristo với mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Trên hình 1.9 thể hiện khả năng phối hợp đặc
tính ra của một chỉnh lưu tiristo với đặc tính của một nguồn hàn hồ quang.

Ud 0 Ud

Ud1 dUd

Ud 2 dUhq
U d 3

Đặc tính hồ
quang yêu cầu

Id

dId dIhq

Hình 1.9. Phối hợp đặc tính ra của chỉnh lưu và đặc tính nguồn hàn hồ quang.

Đặc tính ra của các chỉnh lưu viết dưới dạng phương trình (1.6) sau:

U d  U d 0 cos  ki X a Id (1.6)
2

trong đó ki là hệ số phụ thuộc sơ đồ, đối với chỉnh lưu tia một pha ki = 1, cầu một pha ki

= 2, tia ba pha ki = 3, cầu ba pha ki = 6.

Trên hình 1.9 đặc tính ngồi thể hiện là các đường song song, với độ nghiêng xác

định bởi kiXaId/2, xuất phát từ các giá trị Ud khác nhau khi Id = 0.

Dưới đây trình bày phương pháp tạo nên nguồn dòng cho máy hàn sử dụng chỉnh

lưu tiristo.

Để đơn giản, giả thiết rằng hệ thống điều khiển chỉnh lưu sử dụng điện áp tựa

dạng cosin, nghĩa là điện áp chỉnh lưu Ud tỷ lệ với điện áp điều khiển Uđk như (1.7).

Ud = Ud0Uđk. (1.7)

trong đó

Uđk = Kr(Idr – Idp), (1.8)

Kr là hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dịng điện.

Từ (1.6), (1.7), (1.8) có thể xây dựng được sơ đồ cấu trúc của mạch vòng điều

chỉnh dòng điện, thể hiện đối với các giá trị trung bình của dịng điện, điện áp, như trên

hình 1.10. Sơ đồ 1.10 lại được biến đổi thành sơ đồ trên hình 1.11 với lưu ý ký hiệu sau:

Kcl  1 , (1.9)
Rt  ki X a
2

trong đó

Rt : điện trở tương đương của hồ quang, tính tại một điểm làm việc trên đặc

tính vơn-ampe của hồ quang;

Idr : lượng đặt dịng điện;

Idp : giá trị dịng trung bình đưa về phản hồi;

Kr : hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dòng điện;

Kđ : hệ số của khâu đo lường dòng điện;

Id : dịng trung bình trên tải.

Id Ud 1

R t

ki X a
2

Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện.

Id U d

Hình 1.11. Sơ đồ cấu trúc biến đổi.

Từ sơ đồ cấu trúc hình 1.11 ta có các mối quan hệ sau:

Id  Kdp KrUd 0 Kcl (1.10)
Idr 1 Kdp KrU d 0 Kcl

Id  1 (1.11)
Idr 1 Kdp KrU d 0 Kcl

Từ (1.10), (1.11) có thể xác định được hệ số khuếch đại Kr của bộ điều chỉnh dòng
điện để đảm bảo đặc tính ra của nguồn hàn có dạng dốc như biểu diễn bởi hình 1.8, 1.9.

Ví dụ: Tính tốn một nguồn hàn một chiều theo cấu trúc biến áp - chỉnh lưu

tiristo đảm bảo các yêu cầu: Điện áp không tải Ud0 = 80 V; Dịng hàn trung bình Id = 300

A theo đặc tính nguồn dịng, độ chính xác ổn định dòng điện hàn Id = 10 % Id khi điện
áp hồ quang dao động trong phạm vi 22 – 32 V.

Đặc tính yêu cầu này được thể hiện trên đồ thị hình 1.12. Trên đồ thị cũng thể

hiện cơng suất tính tốn sơ bộ tại các điểm đã biết. Công suất lớn nhất yêu cầu là 9120 W.

Với công suất lớn trên 5 kW nên sử dụng sơ đồ cầu ba pha. Cơng suất tính tốn sơ bộ của

máy biến áp theo sơ đồ cầu ba pha là:

Sba = 1,05Pd = 1,05.9120 = 9576 (KVA).

Trong dải công suất này, chọn sụt áp do điện kháng là eX = 8%.

Chọn thiết bị đo dòng một chiều dùng shunt dịng 500 (A) / 75 (mV), sau đó

khuếch đại 100 lần, lên đến điện áp 7,5 V, để phù hợp với các thiết bị điều khiển, ta có hệ

số của khâu đo bằng:

Kdp  7, 5  15.103
500

Để đảm bảo điện áp chỉnh lưu không tải Ud0 = 80 V, điện áp thứ cấp máy biến áp

bằng:

U2 = Ud0 / 2,34 = 80 /2,34 = 34,2 V.

U 22 34, 2 3 2
X a  eX  0, 08  9, 77.10 ()
Sba 9576

Điện trở tải hồ quang, tính tại điểm dịng 300 A, điện áp 27 V, bằng:

Rt = 27 / 300 = 0,09 ().

Kcl  1  1
3  10, 07
Rt  ki X a 0, 09  6.9, 77.10
2 2

(Trong sơ đồ cầu ki = 6).

V Ud

Ud0

80

32 9120 W
8100 W

27
22 6930 W

Id

0 285 300 315 A

Hình 1.12. Đặc tính nguồn hàn trong ví dụ yêu cầu.

Từ (1.11), để đảm bảo dòng điện thay đổi trong phạm vi 10 % của dịng hàn 300 A,

ta phải có:

Id  0,1 1 Kdp KrUd0Kcl  10  Kr  3 9  0, 75
I dr 15.10 .80.10, 07

Lưu ý rằng, để phù hợp với khâu đo lường thì lượng đặt cho dòng điện sẽ là 7,5 V
ứng với dòng điện đặt Idr = 500 A.

1.3. Phân tích u cầu cơng nghệ đối với nguồn cho thiết bị điện phân, thiết bị
mạ

1.3.1. Các quá trình điện hóa

Quá trình điện phân, quá trình mạ hay acquy đều là các dạng khác nhau của q
trình điện hố nói chung. Q trình điện hố là các phản ứng hoá học xảy ra giữa một vật
dẫn điện bằng điện tử (gọi là điện cực, thường là kim loại hoặc chất bán dẫn, kể cả grafit)
với một môi trường dẫn điện bằng iơn (dung dịch điện phân), trong đó có sự trao đổi điện
tử giữa điện cực và chất điện phân.

Một phản ứng hoá học xảy ra dưới tác dụng của một nguồn điện áp bên ngồi,
như q trình điện phân, hoặc là một điện áp được tạo ra bởi phản ứng hố học, như trong
acquy, thì gọi là các phản ứng điện hố. Phản ứng hố học, trong đó các điện tử trao đổi
giữa các nguyên tử, gọi là phản ứng ơ-xy hố hay phản ứng khử. Nói chung, trong các
q trình điện hố, các phản ứng ơ-xy hố và phản ứng khử xảy ra trong không gian riêng
biệt, nối với nhau bởi một mạch điện bên ngoài.

Sự mất đi các điện tử từ một nguyên tử hay một phân tử gọi là sự ơ-xy hố, cịn
sự nhận được các điện tử gọi là sự khử. Q trình ơ-xy hố và khử ln song hành với
nhau, một chất ơ-xy hố thì một chất khác bị khử.

Nguyên tử hay phân tử bị mất đi electron gọi là tác nhân khử và chất nhận được
electron gọi là tác nhân ơ-xy hố. Một tác nhân ơ-xy hố thì ln ln bị khử trong một
phản ứng, ngược lại tác nhân khử sẽ ln bị ơ-xy hố. Ơ-xy là một chất ơ-xy hố nhưng
phản ứng ơ-xy hố khử khơng nhất thiết chỉ có sự tham gia của ô-xy.

Ngăn điện hoá
Một ngăn điện hố gọi là một thiết bị có khả năng sinh ra dòng điện do năng
lượng sinh ra bởi một phản ứng tự ơ-xy hố khử.
Xét một điện cực riêng biệt, ví dụ là kim loại kẽm Zn, nhúng trong một dung dịch
muối kẽm ZnSO4. Các electron hóa trị của kẽm khá tự do và do đó nguyên tử kẽm dễ mất
đi các electron này để trở thành các ion dương:
Zn – 2e  Zn2+
Khi nhúng trong dung dịch quá trình này xảy ra đối với các nguyên tử kẽm nằm
trên bề mặt. Các ion Zn2+ được tạo thành khuếch tán vào trong dung dịch, cịn các
electron thì nằm lại trên thanh kim loại. Kết quả là dung dịch có nhiều điện tích dương,
cịn thanh kẽm thì chứa nhiều điện tích âm. Nói một cách khác là xuất hiện một chênh
lệch điện thế giữa điện cực và dung dịch, gọi là điện thế điện cực. Đây là điện thế giữa
một cặp oxy hóa/khử, có giá trị nhất định trong những điều kiện nhất định và được cho

trong bảng trong các tài liệu về hóa học.
Ví dụ, điện thế của cặp Zn2+/Zn có giá trị E = - 0,76 V.
Nếu nhúng một thanh đồng vào dung dịch muối sunphat đồng CuSO4 cũng xảy ra
quá trình tương tự. Điện thế của cặp Cu2+/Cu có giá trị E = 0,34 V.
Nếu có hai điện cực với chênh lệch điện thế khác nhau, nối với nhau bằng dây dẫn
ở mạch ngồi sẽ xảy ra q trình cân bằng điện thế giữa hai điện cực, và do đó làm xuất
hiện dòng điện trong mạch. Hiện tượng này là cơ sở để tạo nên nguồn điện có bản chất
hóa học như pin hay acquy.

Pin Volta sử dụng hai điện cực kim loại khác nhau, nhúng trong dung dịch chất

điện ly, trong đó các cation (iơn dương) chính là các phân tử bị ơ-xy hoá của điện cực

kim loại tạo ra. Xu hướng của các điện cực kim loại bị ơ-xy hố hay bị khử, trong một

môi trường điện ly nhất định, được xác định bởi điện thế điện cực trong sự phụ thuộc vào

nhiệt độ, áp suất và thành phần cũng như nồng độ chất điện phân. Trong một ngăn điện

hoá, một điện cực bị ơ-xy hố và điện cực kia bị khử, phụ thuộc vào chênh lệch điện thế

giữa hai điện cực. Điện áp xuất hiện giữa hai điện cực của ngăn điện hoá cũng gọi là sức

điện động của ngăn, s.đ.đ (electromotive force – emf).

Trong pin Volta điện cực là kim loại nên cũng là vật để dẫn điện. Trong các quá

trình điện phân thì điện cực được tạo ra bởi một cặp ơ xy hóa – khử mà cả chất ô xy hóa

lẫn chất khử đều là các ion trong dung dịch hay một trong các dạng đó ở thể khí hay thể

lỏng (ví dụ: H+/H2, Cl2/Cl-, …) người ta phải dùng một kim loại trơ làm vật dẫn điện.

Kim loại thường được dùng là platin Pt. Có thể dùng graphit cho mục địch này.

Điện thế chuẩn của điện cực

Điện thế chuẩn của điện cực cho trong bảng điện thế chuẩn. Đó là mức điện thế so

với điện thế của điện cực chuẩn hiđrô H2 (Standard Hidrogen Electrode - SHE), xuất hiện

trong phản ứng:
2H+(aq) + 2e- -> H2,

là một phản ứng khử. Tuy nhiên điện cực hiđrơ có thể là anơt cũng như là catôt, phụ

thuộc vào điện thế tương đối trong tổ hợp điện cực/chất điện ly. Điện cực chuẩn hiđrô là

một thanh platin Pt phủ bột muội Pt, nhúng trong một dung dịch axit H+ bằng 1 ([H+] =

1mol/lit), được làm bão hịa bởi khí hiđro ở áp suất 1 atm và nhiệt độ 298K.

Với thế khử tiêu chuẩn E  0  0, 0V .

H /H 2

Điện thế chuẩn của điện cực được xác định tương đối so với điện cực chuẩn hiđrô.

Nếu điện thế của điện cực dương hơn điện cực hiđrô nghĩa là điện cực có tính khử mạnh

(có xu hướng lấy vào các điện tử), làm cho hiđrô trở thành anôt. Nếu điện thế là âm thì

điện cực có tính ơ-xy hố mạnh hơn hiđrơ (có xu hướng cho đi các điện tử), làm cho

hiđrơ trở thành catơt.

Điện thế của một ngăn điện hố được tính bằng tổng giữa điện thế khử của catơt

và điện thế ơ-xy hố của anơt.

Engăn = Ekhử(catơt) - Ekhử(anơt) = Ekhử(catơt) + -xy hố(anơt)

1.3.2. Điện phân dung dịch muối ăn (NaCl)

Q trình điện phân địi hỏi phải có nguồn điện từ bên ngồi để tạo nên các phản
ứng hố học. Các quá trình xảy ra cũng tương tự như ở trong ngăn điện hố, nghĩa là các
phản ứng ơ-xy hố và khử xảy ra song hành nhau.

Điện phân muối ăn được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp để sản xuất sút
(NaOH) và clo (Cl2). Muối ăn được làm từ nước biển hoặc khai thác tại các mỏ muối
trong tự nhiên. Trong dung dịch muối ngoài các ion do Na2+ và Cl- cịn có các ion H+ và
OH- do nước phân li ra. Khi điện phân các ion Na2+ và H+ chạy về catot, còn Cl- và OH-
chạy về anot. Tuy nhiên tại các điện cực quá trình nào xảy ra còn phụ thuộc vào thế phân
cực, quá thế và thế phân hủy của tất cả các q trình có thể xảy ra.

Ví dụ: - Ở cực âm Na2+ + 2e = Na;
- Ở cực dương Cl- -e = 0,5 Cl2.

Như vậy điện cực âm trở thành một tấm Na nhúng trong dung dịch Na2+, nghĩa là
tạo thành điện cực Na/Na2+. Cực dương trở thành một tấm bão hòa hơi clo nhúng trong

dung dịch chứa Cl-, tạo thành điện cực Cl2/Cl-. Chênh điện thế giữa hai cực trở thành:

E  ECl /Cl  ENa2 / Na  1, 36  (2, 71)  4, 07 (V ) .
2

Chênh điện thế này gọi là thế phân cực, ký hiệu là Upc. Do có thế phân cực, điện
áp đặt bên ngoài phải lớn hơn thế phân cực thì quá trình điện phân mới xảy ra được. Giá

trị điện áp cần thiết đặt trên mạch ngồi để q trình điện phân có thể xảy ra gọi là thế

phân hủy, ký hiệu là Uph. Về nguyên tắc, thế phân hủy chỉ cần lớn hơn thế phân cực một

chút là đã xảy ra quá trình điện phân. Tuy nhiên, trong thực tế, thế phân hủy thường phải

lớn hơn thế phân cực khá nhiều, gọi là quá thế:

U  U ph  U pc .

Quá thế phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất của chất thoát ra ở điện cực,

thơng thường các chất khí có q thế lớn, các sản phẩm rắn có quá thế bằng không. Quá

thế phụ thuộc bản chất của điện cực, bề mặt điện cực, … Bản chất của hiện tượng quá thế

rất phức tạp. Người ta cho rằng yếu tố tác động chính ở đây là hiện tượng bề mặt.

Nói chung quá trình điện phân nào xảy ra với điện áp phân hủy thấp nhất sẽ là quá

trình xảy ra dễ nhất và sẽ cho ra sản phẩm chính của quá trình điện phân.

Q trình điện phân muối bão hịa xảy ra theo bốn phương trình sau:

1. Tại catốt: Na+(aq) +1e-  Na(s) Ered 0  2, 71V

2. Anốt: 2Cl-(aq)  Cl2(g) + 2e- Ered 0  1, 36V

3. Catốt: 2H2O(l) + 2e+  H2(g) + 2OH- (aq) Ered 0  0,83V

4. Anốt: 2H2O(l)  O2(g) + H+(aq) + 4e- Ered 0  1, 23V

Ký hiệu trong các phản ứng: (aq) dung dịch tan trong nước, aqua; (s) chất rắn,
solid; (g) chất khí, gas; (l) chất lỏng, liquid. Ví dụ trong phản ứng thứ nhất dung dịch Na+

tan trong nước nhận 1 electron để trở thành một phân tử Na dạng rắn.

Phân tích từng đơi một quá trình như đã làm trên đây cho ta 4 trường hợp:

A. Phản ứng 1 và 2 có thế phân hủy bằng E = 1,36 – (-2,71) = 4,07 V.

B. Phản ứng 1 và 4 có thế phân hủy bằng E = 1,23 – (-2,71) = 3,94 V.

C. Phản ứng 3 và 4 có thế phân hủy bằng E = 1,23 – (-0,83) = 2,06 V.

D. Phản ứng 3 và 2 có thế phân hủy bằng E = 1,36 – (-0,83) = 2,19 V.

Như vậy chỉ có hai quá trình C và D dễ xảy ra nhất và cho các sản phẩm chính

của điện phân là khí hiđrơ, khí clo và sút (hiđrôxit natri). Phản ứng 1 hầu như khơng xảy
ra nên ion Na+ cịn lại trong dung dịch hợp với ion OH- tạo thành sút (NaOH).

Như vậy quá trình xảy ra theo các phản ứng sau:

Anơt (ơ-xy hóa): 2Cl-(aq)  Cl2(g) + 2e-
Catôt (khử): 2H2O(l) + 2e+  H2(g) + 2OH- (aq)
Phản ứng tổng thể: 2H2O + 2Cl-(aq)  H2(g) +Cl2(g) + 2OH-(aq)

Định luật Faraday cho quá trình điện phân

Ta thấy rằng khi có dịng điện trường đặt vào dung dịch điện phân thì các iơn

chuyển dời về các điện cực, và sau khi đã thu thêm hoặc nhường êlectrôn cho các điện

cực chúng biến thành cá nhiều iơn đến điện cực thì lượng chất bám vào cực càng nhiều.

Năm 1834 nhà bác học Farađây người Anh đã nghiên cứu định lượng vấn đề này và phát

biểu thành định luật Farađây.

Định luật 1: Khối lượng m chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ thuận với điện

lượng q đi qua dung dịch điện phân.

Định luật 2: Số lượng các phần tử đọng lại trong quá trình điện phân với một

lượng điện tích đi qua nào đó tỷ lệ với khối lượng hoá học tương đương của chúng (A/n).

Hai định luật này có thể biểu diễn dưới dạng cơng thức:

mk Aq
n

A là khối lượng mol;

n là hóa trị của chất đó;

k là hệ số tỉ lệ. Hệ số tỉ lệ k có cùng một giá trị đối với tất cả các chất. Người ta

thường kí hiệu 1  F , trong đó F cũng là một hằng số đối với mọi chất và gọi là số
k

Farađây. F = 9,65.104 C/mol.

Định luật có thể biểu diễn thơng qua dịng điện:

m(g)  k A q  m(g)  1 A It ,
n Fn

với q (C) là điện lượng đi qua bình điện phân, t (s) là thời gian dịng điện chạy qua, I (A)

là cường độ dịng điện khơng đổi.

Ví dụ về q trình điện phân muối ăn

Ngăn điện hố dùng màng trao đổi iơn trong điện phân muối ăn cho trên hình 1.13.

Trên hình có thể thấy dung dịch muối ăn bão hoà đi vào bên điện cực anôt. Hơi clo được

tạo ra bên phần anôt. Màng ngăn cách iôn cho phép các iôn Na+ đi qua sang bên catôt, tại

đây chúng hợp với các iôn OH- của nước tạo thành sút NaOH, cịn khí hiđrơ H2 bay lên.

Hình 1.13. Sản xuất sút và clo trong ngăn điện phân có màng trao đổi iơn.

Các thơng số của q trình điện phân cho trong bảng dưới đây:

Mật độ dòng điện kA/m2 Membrane
Điện áp ngăn (V) 3 - 5
Độ mạnh của NaOH (wt%) 3.0 – 3,6
Năng lượng tiêu thụ (kWh/1000kg Cl2) 33 - 35
tại mật độ dòng điện (kA/m2). 2650 (5)
Hơi tiêu thụ (kWh/1000kg Cl2) cho mật
độ 50% NaOH. 180

1.3.3. Yêu cầu đối với các bộ nguồn cho điện phân

Các bộ nguồn cho quá trình điện phân đều có đặc tính u cầu điện áp thay đổi
trong dải rộng, trong khi dòng điện phải ổn định với độ chính xác cao. Điện áp một chiều
thường yêu cầu những giá trị sau: 75, 150, 300, 450, 600, 850 V. Dòng điện thường yêu
cầu những giá trị sau: 6,25, 12,5, 25, 50, 75, 100, 150 kA. Điện áp thường yêu cầu thay
đổi trong phạm vi 0,6 đến 1,0 Uđm để đảm bảo ổn định dòng điện trong phạm vi +/- 2%
Iđm. Điện áp cần điều chỉnh xuống thấp trong quá trình khởi động, lúc mới đóng điện vào
bể điện phân, hoặc khi cần ngắn mạch bỏ qua một vài ngăn trong q trình làm việc do
trục trặc gì đó. Với những công suất yêu cầu lớn như vậy biến áp chỉnh lưu thường được
cấp nguồn từ cao áp, 6 hoặc 10 kV. Đặc tính của nguồn điện phân có dạng như trên hình
1.14.

Id  2%Id

Hình 1.14.Đặc tính yêu cầu của nguồn điện phân.

Do dòng điện yêu cầu rất lớn và điện áp tương đối cao, các bộ nguồn điện phân
thường được xây dựng từ các sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng hoặc chỉnh
lưu cầu ba pha với mỗi nhánh van gồm nhiều van mắc song song. Khi điện áp yêu cầu
nhỏ hơn 150 V nên dùng sơ đồ 6 pha. Với điện áp lớn hơn 150 V nên sử dụng sơ đồ cầu
vì khi đó cơng suất máy biến áp giảm được hơn 20 % so với sơ đồ 6 pha, bù lại được
những tổn thất trên hai van dẫn nối tiếp trong sơ đồ cầu. Với công suất lớn, trên 300 kW,
cần sử dụng những sơ đồ cầu mắc song song với nguồn cấp xoay chiều từ máy biến áp ba
cuộn dây, sơ cấp đấu sao hoặc tam giác, thứ cấp một tổ đấu sao, một tổ đấu tam giác, Y/
Y hoặc /Y. Khi đó điện áp chỉnh lưu đập mạch 12 lần một chu kỳ điện áp lưới.
Không những thế chất lượng dịng điện phía sơ cấp được cải thiện đáng kể do loại bỏ

được nhiều thành phần sóng hài bậc cao. Với cơng suất lớn trên 1MW cần phải sử dụng
các sơ đồ 24, 36, 48 pha.

Ví dụ về hệ thống nguồn cung cấp cho một dây chuyền điện phân:
- Số bình điện phân nối tiếp: 52 bình.
- Điện áp trên mỗi bình: 3 V.
- Mật độ dòng điện: 5 kA/m2.
- Mức tiêu hao năng lượng điện: 2130 kWh/NaOH – MT.
- Chỉnh lưu cầu 3 pha, điện áp nguồn xoay chiều 10 kV, công suất biến áp 3000

KVA, điện áp một chiều 150 – 190 VDC, dịng một chiều 17000 A.

1.3.4. Q trình mạ điện
Mạ điện cũng là một q trình điện hố. Mạ là tạo ra một lớp bám, thường là từ

kim loại, trên bề mặt của vật dưới tác dụng của dòng điện. Để tạo được lớp bám kim loại,
vật được cho tích điện âm và cho chìm trong dung dịch muối kim loại (như vậy vật cần
mạ là catôt của một ngăn điện hố). Các iơn dương kim loại sẽ bám lên bề mặt catôt,
catốt trao cho các iôn này electron, tạo nên lớp mạ kim loại.

Đặc điểm của các bộ nguồn cung cấp cho quá trình mạ

Các bộ nguồn cho mạ thường có điện áp thấp, 6, 12, 24 V. Dòng điện yêu cầu
thường từ vài trăm ampe đến 3000 A. Độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu có ảnh hưởng
mạnh đến chất lượng lớp mạ. Các nghiên cứu cho thấy độ đập mạch kp => 20% làm cho
lớp mạ khơng bóng và độ bền cũng kém. Lớp mạ crom đặc biệt chịu ảnh hưởng của độ
đập mạch. Vì vậy nói chung các bộ nguồn mạ dùng chỉnh lưu thường yêu cầu có bộ lọc
trên đầu ra. Bộ lọc thường dùng là mạch L hoặc LC đơn giản, đảm bảo độ đập mạch kp <
20% (hình 1.15).

Hình 1.15. Sơ đồ mạch lọc thơng dụng dùng cho nguồn mạ. (a) Mạch lọc L; (b) Mạch lọc LC.

Bộ nguồn mạ thường yêu cầu một trong ba chế độ điều chỉnh sau: 1. Ổn định điện
áp; 2. Ổn định dòng điện; 3. Ổn định mật độ dòng điện. Độ chính xác điều chỉnh yêu cầu
thường là +/- 10% so với lượng đặt. Ngoài các chế độ tự động ổn định các tham số như
trên, nguồn mạ cũng yêu cầu điện áp ra có thể điều chỉnh bằng tay từ 0 đến giá trị định
mức Ud,đm phục vụ cho việc hiệu chỉnh dung dịch mạ và thử nghiệm với các chi tiết khác
nhau. Ngoài ra các bộ chỉnh lưu phải có hệ thống bảo vệ chống quá tải và ngắn mạch. Do
nguồn mạ yêu cầu dòng lớn với điện áp tương đối thấp, các sơ đồ hình tia là các phương
án phù hợp hơn cả. Trong các sơ đồ hình tia dòng điện chỉ đi qua một bán bán dẫn nên
tổn thất về điện áp cũng như cơng suất ít hơn so với các sơ đồ cầu. Với công suất yêu cầu
lớn, dòng điện hơn 1000 A nên sử dụng sơ đồ 6 pha, có cuộn kháng cân bằng.

Quá trình mạ cũng thường dùng phương pháp đảo chiều dịng mạ để tăng hiệu quả
bám dính của lớp mạ, tăng độ bóng, qua đó tăng được năng suất. Chu trình mạ T thường
thay đổi trong phạm vi 2 – 50 s, trong đó tỷ lệ giữa thời gian mạ thuận Tt trên thời gian
mạ ngược Tn, Tt / Tn, cỡ 2 – 20 lần. Các bộ nguồn mạ đảo dòng dùng các bộ chỉnh lưu có
đảo chiều, thường dùng phương pháp điều khiển riêng vì dịng mạ lớn. Trong mạ đảo
dịng có thể dùng mật độ dịng điện cao hơn nên điện áp cũng được thiết kế cao hơn, đến

18 – 36 V. Đặc tính u cầu của q trình đảo chiều dịng điện cho trên hình 1.16. Trên
hình vẽ cũng chỉ ra thời gian trễ an toàn bắt buộc cho quá trình đảo chiều,  = 10 – 100
ms.

  10 100 ms

Hình 1.16. Đặc tính u cầu của nguồn mạ đảo dịng.

1.4. Phân tích u cầu cơng nghệ đối với mạch nạp acquy tự động
1.4.1. Cấu tạo của acquy

Acquy cũng là một thiết bị điện hoá. Cấu tạo của acquy bao gồm hai điện cực khác
nhau, đặt trong dung dịch điện phân, có màng ngăn cách (hình 1.17). Do điện thế của mỗi
điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu nối với
mạch ngồi có thể sinh ra dòng điện.

Acquy được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, ngày càng
đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho các loại thiết bị khác
nhau. Có hai loại acquy thơng dụng là acquy chì – axit và acquy kiềm.

Hình 1.17. Cấu tạo của acquy.

1. Acquy chì – axit
Acquy chì – axit có cấu tạo điện cực dương là điơxit chì PbO2, điện cực âm là chì
xốp Pb, dung dịch dùng axit sulfuric H2SO4. Khi nối cực acquy với mạch tải dung dịch sẽ
biến đổi thành sulfat chì PbSO4.
Các phản ứng hoá học xảy tại các điện cực như sau (trong quá trình phóng điện các
phản ứng thực hiện theo chiều từ trái sang phải, trong quá trình nạp điện các phản ứng
xảy ra theo chiều ngược lại, từ phải sang trái):
- Tại cực dương:

PbO2 + 4H+ + 2e- = Pb2+ + 2H2O
Pb+2 + SO42- = PbSO4
- Tại cực âm:
Pb = Pb2+ + 2e-
Pb2+ + SO22- = PbSO4
- Phản ứng tổng thể:
PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O.
Như vậy khi acquy phóng hết điện các chất tích cực trên điện cực dương PbO2 và
trên điện cực âm Pb biến thành PbSO4, còn axit sulfuric biến hết thành nước.
Điện áp định mức của một ngăn acquy chì là khoảng 2,1 V. Như vậy để tạo thành
bình acquy 12 V cần mắc nối tiếp 6 ngăn.
Trong quá trình sản xuất, ban đầu các điện cực ở dưới dạng ơxit chì PbO. Sau lần
nạp định dạng đầu tiên, thường do nhà sản xuất tiến hành, ơxit chì biến thành điơxit chì
(PbO2) ở cực dương và chì (Pb) ở cực âm. Sau lần nạp định dạng này bắt đầu q trình
nạp để acquy có được dung lượng cần thiết.
Trong một acquy được nạp đến đầy dung lượng, thông thường dung dịch chứa 36%
tỷ trọng axit, hay là 25% thể tích, cịn lại là nước. Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch
so với mật độ nước gọi là tỷ trọng đặc trưng, là một trong những thông số quan trọng
của acquy, xác định điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch khi acquy phóng hết. Điểm

nhiệt độ hoá rắn của dung dịch lại xác định khả năng làm việc của acquy tại các môi
trường nhiệt độ khác nhau. Ở môi trường nhiệt độ càng thấp càng yêu cầu tỷ trọng đặc
trưng của acquy phải cao. Tỷ trọng đặc trưng, khi acquy nạp đầy, thường trong phạm vi
1,250 đến 1,280 ở nhiệt độ 27C, nghĩa là mật độ dung dịch lớn hơn nước sạch 1,25 đến
1,28 lần. Khi acquy phóng điện, tỷ trọng đặc trưng sẽ giảm dần, về đến 1.

2. Acquy kiềm
Acquy kiềm, ví dụ loại nikel-cadmium, sử dụng dung dịch là hyđrôxit kali (KOH),
điện cực dương là hyđrôxit nickel (NiO(OH)) và cực âm là cadmium (Cd). Khi phóng

điện hyđrơxit nickel chuyển thành Ni(OH)2 và cadmium thành Cd(OH)2. Mật độ chất
điện ly khơng thay đổi, vì vậy điểm hố rắn rất thấp. Tuy nhiên giá thành acquy cao hơn.
Acquy kiềm có nhiều ưu điểm so với acquy chì – axit như tuổi thọ cao hơn, hầu
như không cần bảo dưỡng, chịu được mức độ phóng sâu và khơng u cầu ổn định điện
áp khắt khe trong q trình nạp, chịu được nhiệt độ mơi trường rất thấp.
Các phản ứng hoá học xảy ra tại các điện cực (trong q trình phóng điện các phản
ứng thực hiện theo chiều từ trái sang phải, trong quá trình nạp điện các phản ứng xảy ra
theo chiều ngược lại, từ phải sang trái):
- Tại điện cực dương

2Ni(OH) + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH-
- Tại điện cực âm

Cd + 2OH- = Cd(OH)2 + 2e-
- Phản ứng chung

Cd + 2NiO(OH) + 2H2O = Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2.
Điện áp định mức của một ngăn acquy kiềm là 1,2 V. Như vậy để tạo ra bình
acquy có điện áp 12 V cần nối 10 ngăn nối tiếp. Điện áp trên các ngăn acquy kiềm được
giữ ổn định cho đến khi ngăn phóng điện gần hết, khi đó điện áp trên ngăn sẽ giảm đột
ngột. Acquy nickel-cadmium có thể chấp nhận dịng nạp lớn đến mức C/1 và có thể được
nạp tiếp tục lâu dài với dòng nạp đến C/15. C là dung lượng acquy, được định nghĩa sau
đây.

1.4.2. Các đặc tính của acquy

Dung lượng: thường được đo bằng ampe-giờ (Ah), xác định năng lượng điện mà
acquy phóng ra với một giá trị dòng điện nhất định trong một khoảng thời gian nhất định.
Khoảng thời gian thường dùng để xác định dung lượng là 5 h, 10 h, 20 h. Tương ứng có
ký hiệu dung lượng là C5, C10, C20. Giá trị dòng điện đo được khi xác định dung lượng

thường bằng 10% hoặc 20% C.

Ví dụ acquy có dung lượng C = 100 Ah, sẽ cung cấp cho tải 10 A trong 10 h hoặc
20 A trong 5 h.

Điện áp ngưỡng thấp nhất: là giá trị điện áp thấp nhất cho phép trong quá trình
vận hành acquy, xác định dung lượng bằng khơng (acquy đã phóng hết điện) tại giá trị
dịng phóng nào đó. Nếu dịng phóng lớn hơn thì điện áp acquy sẽ giảm đến mức thấp
hơn. Đây là giá trị do nhà sản xuất cung cấp.

Ví dụ: Acquy của hãng PowerSonic có điện áp ngưỡng thấp nhất là 1,75 V/ngăn
với dịng phóng đến 0,2C, xuống đến giá trị thấp hơn là 1,5 V/ngăn nếu dòng phóng là 1C.

Điện áp hở mạch: Điện áp giữa hai cực của acquy khi khơng trong q trình phóng
cũng như q trình nạp. Điện áp hở mạch của acquy chì – axit phụ thuộc nhiệt độ, tỷ
trọng đặc trưng, thường có giá trị khoảng 2,1 V. Lưu ý rằng tỷ trọng đặc trưng của acquy