HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CÁC BỘ CHỈNH LƯU pptx

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CÁC BỘ CHỈNH LƯU

Chương 1 Phân tích yêu cầu công nghệ

1.1. Ví dụ phân tích yêu cầu công 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:
01

02

03

04


01

02

03

04


u
c
R
M
K


u
u
R
I
K


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:
d u u
U R I E
 
u
(1.1)
R
u
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.
E
u
gọi là sức điện động mạch phần ứng động cơ.
;
.
2
u
E K
pN
K

a


 

(1.2)
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 toán với tốc độ động cơ là n vòng/phút, chỉ cần quy đổi
2
60 9,55
n n


  .
Thay (1.2) vào (1.1) và một chút biến đổi ta có phương trình đặc tính cơ điện như
sau:
d u
u
U R
I
K K

 
 
(1.3)
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:
u
M K I
 
, hay
u
M
I
K


,
phương trình đặc tính cơ điện (1.3) trở thành phương trình đặc tính cơ:
 
2
d u
U R
M
K
K

 


(1.4)
Động cơ điện một chiều thường làm việc với từ thông

không đổi. Trong chế độ
không tải lý tưởng I
u

= 0, mô men do động cơ sinh ra cũng bằng 0, động cơ quay với tốc
độ
0
d
U
K



, gọi là tốc độ không tải lý tưởng. Khi có tải, động cơ chạy ở tốc độ

ổn
định nào đó khi mô men do động cơ sinh ra M cân bằng với mô men cản M
c
. 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 U
d
.
2. Thay đổi từ thông động cơ

.
3. Thay đổi điện trở mạch phần ứng động cơ R
u
, 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, không gây thêm các tổn thất do mắc thêm các mạch bên ngoài.

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
U
d
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 yêu cầu đảo chiều quay động cơ. Trong công 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 không 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 không thể

đáp ứng được các yêu 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:
1 0 1 2 0 2
cos ; cos
d d d d
U U U U

 
 
 
. (1.5)
Để
1 2
d d
U U
 

, 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 L
cb
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, không 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 công 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
không 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 toàn cho thiết bị,
không để xảy ra ngắn mạch. Mạch điện tử điều khiển quá trình đảo chiều này gọi là mạch
lôgic đảo chiều.
Mạch lôgic 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 dòng về không (zero detector). Bộ
phận phát hiện dòng về không luôn theo dõi dòng điện I
d
và cho ra tín hiệu lôgic dòng
khác không hay bằng không, hoặc cho tín hiệu về chiều dòng điện, I
d
>0 và I
d
<0.
2. Bộ phận nhận biết tín hiệu yêu cầu đảo chiều. Thông 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 lôgic đảo chiều.
Trên sơ đồ hình 1.3, I
d
là tín hiệu dòng tải phía một chiều, do cảm biến dòng đưa
đến. I
r
là tín hiệu hiệu đặt dòng điện. Trong thực tế tín hiệu đặt dòng điện thường là đầu
ra của bộ điều chỉnh dòng điện. Trên sơ đồ I
r
giả định là được tạo ra từ một chiết áp đặt
giữa nguồn nuôi +U
n
và –U
n
. A1, A2, A3 là các bộ so sánh có vùng kém nhạy để tăng
khả năng chống nhiễu. A1, A2 dùng để phát hiện dòng về không (zero detector), mỗi bộ
cho một chiều dòng điện. A3 dùng để phát hiện dấu của tín hiệu đặt dòng điện, nghĩa là
yêu cầu đảo chiều. Đầu ra của các bộ so sánh này là các tín hiệu lôgic I
d
>0, I
d
<0, I
r
>0,
I
r
<0. Lưu ý rằng tín hiệu I

d
>0 được phát hiện khi so sánh dòng I
d
từ một mức nhỏ hơn 0,
tín hiệu I
d
<0 phát hiện từ một mức dòng I
d
lớn hơn 0. Các tín hiệu lôgic 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 lôgic BL1, BL2,
là tín hiệu cấm các bộ CL1, CL2 làm việc. Tất cả các tín hiệu lôgic 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 mô tả qua đồ thị trên hình
1.4, là kết quả thu được trên mô hình mô 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 quá 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 không hoàn toàn của tiristo, dòng I

d
vẫn còn được duy trì theo chiều cũ
nhưng giảm dần về 0. Khi bộ phát hiện dòng về 0 khẳng định dòng I
d
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 hoàn toàn tính chất khoá của mình. Sau
khoảng thời gian trễ mạch phát tín hiệu cho bộ biến đổi thứ hai vào làm việc.
Thông thường tín hiệu cho phép hoặc cấm một bộ biến đổi nào đó làm việc không
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 còn phải thực hiện các chức năng khác như
đảo chiều của lượng đặt, ví dụ khi bộ phận cảm biến dòng 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 yêu cầu công 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 không nóng chảy (ví dụ như
Carbon, Tungsten) thì sẽ gọi là hồ quang carbon hoặc tungsten tương ứng. Quá 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 (CO
2
, hỗn hợp khí Ar CO
2
/O
2
). Các nhóm hàn hồ
quang thông dụng là hàn hồ quang bằng que có thuốc bọc (SMAW), hàn hồ quang kim
lọai trong môi 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 quá trình hàn tốt, các chi tiết gắn kết sẽ trở thành
như một vật thể duy nhất. Quá trình hàn dược mô 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, còn gọi là
sắt non, bao phủ bên ngoài 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 dòng 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 ngoài que hàn khi bị hơi nóng đốt cháy, tạo nên một lớp khí, có tác dụng
ngăn cách vũng kim loại nóng chảy với không khí bên ngoài, ngăn được tương tác giữa
vũng kim loại nóng chảy nhiệt độ cao với ô-xy và nitơ ngoài không khí. Nhờ đó mối hàn
không 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 dòng không đổi, hoặc nguồn có đặc tính dốc;
- Nguồn áp không 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 dòng điện, hay còn gọi là đặc tính vôn-ampe. Đặc tính vôn-ampe cho biết dòng 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 dòng điện cần thiết cho một quá trình hàn nhất định.

Hình 1.7. Các đặc tính của nguồn hàn.


Hình 1.8. Đặc tính dốc của nguồn hàn với dòng không đổi.

Mỗi loại máy hàn yêu cầu nguồn hàn có đặc tính khác nhau. Ví dụ:
- SMAW, GTAW yêu cầu đặc tính nguồn hàn dòng không 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 dòng 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,
dòng 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.
dU
hq
dI
hq
dI
d
dU
d
I
d
U
d
0
d
U

1
d

U

2
d
U

3
d
U

Đặc tính hồ
quang yêu cầu

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:
0
cos
2
i a d
d d
k X I
U U



 
(1.6)
trong đó k
i
là hệ số phụ thuộc sơ đồ, đối với chỉnh lưu tia một pha k

i
= 1, cầu một pha k
i

= 2, tia ba pha k
i
= 3, cầu ba pha k
i
= 6.
Trên hình 1.9 đặc tính ngoài thể hiện là các đường song song, với độ nghiêng xác
định bởi k
i
X
a
I
d
/2

, xuất phát từ các giá trị U
d

khác nhau khi I
d
= 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 U
d


tỷ lệ với điện áp điều khiển U
đk
như (1.7).
U
d

= U
d0
U
đk
. (1.7)
trong đó
U
đk
= K
r
(I
dr
– I
dp
), (1.8)
K
r
là hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dòng 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 dòng 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:
1
2
cl

i a
t
K
k X
R



, (1.9)
trong đó
R
t
: điện trở tương đương của hồ quang, tính tại một điểm làm việc trên đặc
tính vôn-ampe của hồ quang;
I
dr
: lượng đặt dòng điện;
I
dp
: giá trị dòng trung bình đưa về phản hồi;
K
r
: hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dòng điện;
K
đ
: hệ số của khâu đo lường dòng điện;
I
d
: dòng trung bình trên tải.
2

i a
k X

d
I

d
U
1
t
R

Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện.
d
I

d
U

Hình 1.11. Sơ đồ cấu trúc biến đổi.
Từ sơ đồ cấu trúc hình 1.11 ta có các mối quan hệ sau:
0
0
1
dp r d cl
d
dr dp r d cl
K K U K
I
I K K U K



(1.10)
0
1
1
d
dr dp r d cl
I
I K K U K



(1.11)
Từ (1.10), (1.11) có thể xác định được hệ số khuếch đại K
r
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 toán một nguồn hàn một chiều theo cấu trúc biến áp - chỉnh lưu
tiristo đảm bảo các yêu cầu: Điện áp không tải U
d0
= 80 V; Dòng hàn trung bình I
d
= 300
A theo đặc tính nguồn dòng, độ chính xác ổn định dòng điện hàn

I
d
= 10 % I
d

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 công suất tính toán 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. Công suất tính toán sơ bộ của
máy biến áp theo sơ đồ cầu ba pha là:
S
ba
= 1,05P
d
= 1,05.9120 = 9576 (KVA).
Trong dải công suất này, chọn sụt áp do điện kháng là e
X
= 8%.
Chọn thiết bị đo dòng một chiều dùng shunt dòng 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:
3
7,5
15.10
500
dp
K

 

Để đảm bảo điện áp chỉnh lưu không tải U
d0
= 80 V, điện áp thứ cấp máy biến áp
bằng:

U
2
= U
d0
/ 2,34 = 80 /2,34 = 34,2 V.
2 2
3
2
34,2
0,08 9,77.10 ( )
9576
a X
ba
U
X e
S

   

Điện trở tải hồ quang, tính tại điểm dòng 300 A, điện áp 27 V, bằng:
R
t
= 27 / 300 = 0,09 (

).
3
1 1
10,07
6.9,77.10
0,09

2
2
cl
i a
t
K
k X
R



  



(Trong sơ đồ cầu k
i
= 6).
I
d
U
d
0
d
U
22
32
27
300285 315 A
V

80
0
9120 W
8100 W
6930 W

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 dòng hàn 300 A,
ta phải có:

0
3
9
0,1 1 10 0,75
15.10 .80.10,07
d
dp r d cl r
dr
I
K K U K K
I


      

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 I
dr
= 500 A.
1.3. Phân tích yêu cầu công 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 quá
trình điện hoá nói chung. Quá trình điện hoá 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 iôn (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 ngoài,
như quá trình điện phân, hoặc là một điện áp được tạo ra bởi phản ứng hoá học, như trong
acquy, thì gọi là các phản ứng điện hoá. Phản ứng hoá học, trong đó các điện tử trao đổi
giữa các nguyên tử, gọi là phản ứng ô-xy hoá hay phản ứng khử. Nói chung, trong các
quá trình điện hoá, các phản ứng ô-xy hoá 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 ô-xy hoá, còn
sự nhận được các điện tử gọi là sự khử. Quá trình ô-xy hoá và khử luôn song hành với
nhau, một chất ô-xy hoá 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 ô-xy hoá. Một tác nhân ô-xy hoá thì luôn luôn bị khử trong một
phản ứng, ngược lại tác nhân khử sẽ luôn bị ô-xy hoá. Ô-xy là một chất ô-xy hoá nhưng
phản ứng ô-xy hoá khử không nhất thiết chỉ có sự tham gia của ô-xy.
Ngăn điện hoá
Một ngăn điện hoá gọi là một thiết bị có khả năng sinh ra dòng điện do năng
lượng sinh ra bởi một phản ứng tự ô-xy hoá khử.
Xét một điện cực riêng biệt, ví dụ là kim loại kẽm Zn, nhúng trong một dung dịch
muối kẽm ZnSO
4
. 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  Zn
2+

Khi nhúng trong dung dịch quá trình này xảy ra đối với các nguyên tử kẽm nằm
trên bề mặt. Các ion Zn
2+
được tạo thành khuếch tán vào trong dung dịch, còn các
electron thì nằm lại trên thanh kim loại. Kết quả là dung dịch có nhiều điện tích dương,
còn 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 Zn
2+
/Zn có giá trị E = - 0,76 V.
Nếu nhúng một thanh đồng vào dung dịch muối sunphat đồng CuSO
4
cũng xảy ra
quá trình tương tự. Điện thế của cặp Cu
2+
/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 ngoài sẽ xảy ra quá 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 (iôn dương) chính là các phân tử bị ô-xy hoá của điện cực
kim loại tạo ra. Xu hướng của các điện cực kim loại bị ô-xy hoá 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 ô-xy hoá 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 ô 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
+
/H
2
, Cl
2
/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 H
2
(Standard Hidrogen Electrode - SHE), xuất hiện
trong phản ứng:
2H
+
(aq) + 2e
-
-> H
2
,
là một phản ứng khử. Tuy nhiên điện cực hiđrô có thể là anôt 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 hòa bởi khí hiđro ở áp suất 1 atm và nhiệt độ 298K.
Với thế khử tiêu chuẩn
2
0
/
0,0
H H
E V


.
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 ô-xy hoá mạnh hơn hiđrô (có xu hướng cho đi các điện tử), làm cho
hiđrô trở thành catôt.
Điện thế của một ngăn điện hoá được tính bằng tổng giữa điện thế khử của catôt
và điện thế ô-xy hoá của anôt.
E
ngăn
= E
khử
(catôt) - E
khử
(anôt) = E
khử
(catôt) + E
ô-xy hoá
(anôt)
1.3.2. Điện phân dung dịch muối ăn (NaCl)

Quá trình điện phân đòi hỏi phải có nguồn điện từ bên ngoài để tạo nên các phản
ứng hoá học. Các quá trình xảy ra cũng tương tự như ở trong ngăn điện hoá, nghĩa là các
phản ứng ô-xy hoá 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 (Cl
2
). 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 Na
2+
và Cl
-
còn có các ion H
+
và
OH
-
do nước phân li ra. Khi điện phân các ion Na
2+
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 quá trình có thể xảy ra.
Ví dụ: - Ở cực âm Na
2+
+ 2e = Na;

- Ở cực dương Cl
-
-e = 0,5 Cl
2
.
Như vậy điện cực âm trở thành một tấm Na nhúng trong dung dịch Na
2+
, nghĩa là
tạo thành điện cực Na/Na
2+
. Cực dương trở thành một tấm bão hòa hơi clo nhúng trong
dung dịch chứa Cl
-
, tạo thành điện cực Cl
2
/Cl
-
. Chênh điện thế giữa hai cực trở thành:
2
2
/ /
1,36 ( 2,71) 4,07( )
Cl Cl Na Na
E E E V
 
     
.
Chênh điện thế này gọi là thế phân cực, ký hiệu là U
pc
. 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 ngoài để quá trình điện phân có thể xảy ra gọi là thế
phân hủy, ký hiệu là U
ph
. 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:
ph pc
U U U
   .
Quá thế phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất của chất thoát ra ở điện cực,
thông thường các chất khí có quá 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.
Quá trình điện phân muối bão hòa xảy ra theo bốn phương trình sau:
1. Tại catốt: Na
+
(aq) +1e
-
 Na(s)
0
2,71
red
E V
 
2. Anốt: 2Cl
-
(aq)  Cl

2
(g) + 2e
-

0
1,36
red
E V


3. Catốt: 2H
2
O(l) + 2e
+
 H
2
(g) + 2OH
-
(aq)
0
0,83
red
E V
 

4. Anốt: 2H
2
O(l)  O
2
(g) + H

+
(aq) + 4e
-

0
1,23
red
E V


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 đôi 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 hiđrô, khí clo và sút (hiđrôxit natri). Phản ứng 1 hầu như không xảy
ra nên ion Na
+
còn lại trong dung dịch hợp với ion OH
-
tạo thành sút (NaOH).
Như vậy quá trình xảy ra theo các phản ứng sau:
Anôt (ô-xy hóa): 2Cl
-

(aq)  Cl
2
(g) + 2e
-

Catôt (khử): 2H
2
O(l) + 2e
+
 H
2
(g) + 2OH
-
(aq)
Phản ứng tổng thể: 2H
2
O + 2Cl
-
(aq)  H
2
(g) +Cl
2
(g) + 2OH
-
(aq)
Định luật Faraday cho quá trình điện phân
Ta thấy rằng khi có dòng điện trường đặt vào dung dịch điện phân thì các iôn
chuyển dời về các điện cực, và sau khi đã thu thêm hoặc nhường êlectrôn cho các điện
cực chúng biến thành cá nhiều iôn 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 công thức:

A
m k q
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
k

, trong đó F cũng là một hằng số đối với mọi chất và gọi là số
Farađây. F = 9,65.10
4
C/mol.
Định luật có thể biểu diễn thông qua dòng điện:

1
( ) ( )
A A
m g k q m g It

n F n
   ,
với q (C) là điện lượng đi qua bình điện phân, t (s) là thời gian dòng điện chạy qua, I (A)
là cường độ dòng điện không đổi.
Ví dụ về quá trình điện phân muối ăn
Ngăn điện hoá dùng màng trao đổi iôn 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, còn khí hiđrô H
2
bay lên.


Hình 1.13. Sản xuất sút và clo trong ngăn điện phân có màng trao đổi iôn.
Các thông số của quá trình điện phân cho trong bảng dưới đây:


Membrane

M
ật

đ
ộ

d
òng

đ
i

ện

kA/m
2

3
-

5

Đ
i
ện

áp

ng
ă
n (V)

3.0
–

3,6

Đ
ộ

m
ạn

h

c
ủa

NaOH (
w
t%)

33
-

35

N
ă
ng l
ư
ợng

ti
ê
u th
ụ

(k
W
h/1000kg Cl
2
)

tại mật độ dòng điện (kA/m
2
).
2650 (5)

H
ơ
i ti
ê
u th
ụ

(k
W
h/1000kg Cl
2
) cho m
ật

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 yêu 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 U
đm
để đảm bảo ổn định dòng điện trong phạm vi +/- 2%

I
đm
. 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 quá 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.
2%
d d
I I
  

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 công 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 dòng điện phía sơ cấp được cải thiện đáng kể do loại bỏ
được nhiều thành phần sóng hài bậc cao. Với công 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/m
2

.
- 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, dòng một chiều 17000 A.
1.3.4. Quá trình mạ điện
Mạ điện cũng là một quá trình điện hoá. 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 hoá). Các iôn 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 k
p
=> 20% làm cho
lớp mạ không 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 k
p
<
20% (hình 1.15).

Hình 1.15. Sơ đồ mạch lọc thông 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 U
d,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 công 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 dòng 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 T
t
trên thời gian
mạ ngược T
n
, T
t
/ T
n
, 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 dòng mạ lớn. Trong mạ đảo
dòng có thể dùng mật độ dòng điện cao hơn nên điện áp cũng được thiết kế cao hơn, đến
18 – 36 V. Đặc tính yêu cầu của quá trình đảo chiều dòng 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 yêu cầu của nguồn mạ đảo dòng.
1.4. Phân tích yêu cầu công 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 ngoài có thể sinh ra dòng điện.
Acquy được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, ngày càng
đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho các loại thiết bị khác
nhau. Có hai loại acquy thông 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 điôxit chì PbO
2
, điện cực âm là chì
xốp Pb, dung dịch dùng axit sulfuric H
2
SO
4
. Khi nối cực acquy với mạch tải dung dịch sẽ
biến đổi thành sulfat chì PbSO
4
.
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:
PbO
2
+ 4H

+
+ 2e
-
= Pb
2+
+ 2H
2
O
Pb
+2
+ SO
4
2-
= PbSO
4
- Tại cực âm:
Pb = Pb
2+
+ 2e
-

Pb
2+
+ SO
2
2-
= PbSO
4

- Phản ứng tổng thể:

PbO
2
+ Pb + 2H
2
SO
4
= 2PbSO
4
+ 2H
2
O.
Như vậy khi acquy phóng hết điện các chất tích cực trên điện cực dương PbO
2
và
trên điện cực âm Pb biến thành PbSO
4
, 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 ôxit chì PbO. Sau lần
nạp định dạng đầu tiên, thường do nhà sản xuất tiến hành, ôxit chì biến thành điôxit chì
(PbO
2
) ở cực dương và chì (Pb) ở cực âm. Sau lần nạp định dạng này bắt đầu quá 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, còn 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 hyđrôxit nickel chuyển thành Ni(OH)
2
và cadmium thành Cd(OH)
2
. Mật độ chất
điện ly không thay đổi, vì vậy điểm hoá 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 không yêu cầu ổn định điện
áp khắt khe trong quá trình nạp, chịu được nhiệt độ môi trường rất thấp.
Các phản ứng hoá học xảy ra tại các điện cực (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 điện cực dương
2Ni(OH) + 2H
2
O + 2e
-
= 2Ni(OH)
2
+ 2OH
-

- Tại điện cực âm

Cd + 2OH
-
= Cd(OH)
2
+ 2e
-

- Phản ứng chung
Cd + 2NiO(OH) + 2H
2
O = 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 dòng 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 không (acquy đã phóng hết điện) tại giá trị
dòng phóng nào đó. Nếu dòng 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 dòng 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 không trong quá trình phóng
cũng như quá 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
phụ thuộc dung lượng mà acquy đang có. Khi acquy phóng điện, dung lượng giảm đi nên
điện áp khi hở mạch acquy cũng giảm theo.
Ví dụ: acquy PowerSonic có điện áp hở mạch 2,15 V/ngăn khi nạp đầy và còn 1,94
V/ngăn khi dung lượng bằng không.
Nạp acquy
Có nhiều chế độ nạp acquy khác nhau: chế độ nạp bình thường, chế độ nạp hoàn
thiện và chế độ nạp cân bằng.
Chế độ nạp bình thường có thể bất đầu bất cứ lúc nào, với dòng nạp nào, miễn là
không làm cho điện áp acquy vượt quá mức điện áp sinh hơi. Chế độ nạp bình thường
đem lại 80 đến 90% dung lượng acquy.
Chế độ nạp hoàn thiện bắt đầu khi acquy đã nạp gần đầy, phần lớn các chất tích cực
trong acquy đã trở về dạng ban đầu của nó. Khi đó sẽ cần phải tăng giá trị điện áp nạp và
dòng điện sẽ suy giảm dần về đến không.
Chế độ nạp cân bằng được sử dụng theo chu kỳ, sau vài tuần đến 2 tháng, với mục
đích là làm cho các ngăn acquy có độ đồng đều. Chế độ này yêu cầu điện áp nạp cao hơn
so với nạp hoàn thiện và dòng điện nạp phải được giữ ổn định, trong vài giờ. Thông
thường, sau khi acquy phóng kiệt cũng cần đến chế độ nạp này.
Acquy phóng điện
Độ sâu phóng điện thể hiện bởi tỷ lệ phần trăm năng lượng điện đã cấp cho tải bên
ngoài so với dung lượng acquy. Độ sâu phóng điện, với một giá trị dòng phóng nào đó, bị
hạn chế bởi điện áp ngưỡng thấp nhất, thường chỉ cho phép đến 15 – 25% dung lượng
acquy.

Mức độ tự phóng điện: khi acquy ở chế độ hở mạch dung lượng acquy bị suy
giảm chậm do dòng rò phía cực hoặc do cấu tạo của bản thân trong acquy. Mức đọ tự
phóng của acquy tăng theo nhiệt độ, có thể đạt đến 10 – 15%.
1.4.3. Yêu cầu của mạch nạp acquy tự động
Từ các phân tích về cấu tạo và đặc tính của acquy có thể đưa ra các yêu cầu đối với
một thiết bị nạp acquy tự động. Nạp acquy tự động được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực,
ví dụ trong các bộ nguồn một chiều dự phòng, trong các bộ nguồn cấp điện liên tục
(UPS). Đặc điểm của các ứng dụng này là acquy có thể phóng điện ra tải bất cứ lúc nào
nhưng trong phần lớn thời gian acquy chỉ ở trong chế độ dự phòng sẵn sàng. Vì vậy nếu
có điện lưới thì mạch nạp sẽ hoạt động để đảm bảo acquy luôn ở trong chế độ dung lượng
đầy.
Như vậy mạch nạp tự động có các chức năng sau:
- Phát hiện các tình huống để đưa ra chế độ nạp phù hợp cho acquy. Đó là ba
chế độ nạp cơ bản: chế độ nạp bình thường, chế độ nạp hoàn thiện hoặc chế độ
nạp cân bằng.
- Đảm bảo các chế độ nạp như trên theo đúng yêu cầu.
- Ngoài ra thiết bị nạp tự động cũng phải đảm bảo ngắt tải ra khỏi acquy để
tránh phóng điện sâu, phá hỏng khả năng phục hồi của acquy. Chế độ nạp cân
bằng cũng phải được thực hiện định kỳ để làm tươi lại acquy và làm cho các
ngăn có tính chất đồng đều.
Việc phát hiện các tình huống để đưa ra chế độ nạp phù hợp có thể được thực hiện
bằng cách theo dõi điện áp và dòng điện trên acquy, như minh hoạ trong đồ thị trên hình
1.17.


Hình 1.18. Các chế độ nạp acquy.
Các chế độ của bộ nguồn nạp gồm 3 chế độ sau đây: nạp với dòng không đổi, nạp
với áp không đổi và nạp nổi.
- Nạp với dòng không đổi. Đây là chế độ nạp bình thường của acquy, sẽ đưa dung
lượng acquy lên đến 80 – 90% dung lượng đầy. Với acquy chì – axit dòng nạp thường lấy

là C/10. Ví dụ acquy có dung lượng C = 100 Ah, dòng nạp sẽ là 10 A. Chế độ này được
duy trì nếu điện áp acquy ở trong khoảng 1,8 V < U
b
<2,1 V (khoảng 1, 7 trên hình 1.17).
Chế độ dòng không đổi cũng được áp dụng trong chế độ nạp cân bằng, khi điện
áp trên ngăn nhỏ hơn 1,8 – 1,95 V. Chế độ nạp cân bằng thực hiện với dòng lớn hơn,
thường là C/5. Sau chế độ nạp cân bằng thường chuyển sang chế độ nạp bình thường với
dòng C/10 (khoảng 6 trên đồ thị hình 1.17).
Khi điện áp acquy đạt đến 2,1 V chuyển sang chế độ nạp với áp không đổi.
- Nạp với áp không đổi. Khi điện áp acquy đạt đến giá trị định mức 2,1 V chuyển
sang chế độ nạp với áp không đổi, là quá trình nạp hoàn thiện nhằm đưa dung lượng của
acquy đến 100%. Điện áp nạp giữ ổn định ở mức cao, từ 2,4 đến 2,45 V. Trong quá trình
này dòng nạp sẽ giảm về đến 0 (khoảng 2 trên hình 1.17). Khi dòng nạp rất gần 0 chuyển
sang chế độ nạp nổi.
- Nạp nổi. Nạp nổi thực ra là không nạp gì mà giữ điện áp điện áp ổn định ở mức
2,25 – 2,3 V, thấp hơn so với chế độ nạp với áp không đổi. Trong chế độ này acquy đã
nạp no và không có tải, dòng vào acquy bằng 0. Điện áp của bộ nguồn chỉ có tác dụng bù
lại phần nào dòng dò của acquy nếu chế độ không tải này tồn tại lâu dài.
Khi acquy mang tải, ở khoảng 4 trên đồ thị hình 1.17, nếu cuối giai đoạn này acquy
phóng gần hết, chỉ còn 5 – 10% dung lượng, thể hiện ở điện áp trên ngăn xuống dưới
mức 1,8 – 1,95 V, phải ngắt tải ra khỏi acquy và sau đó thực hiện nạp cân bằng với dòng
lớn C/5.
Đối với acquy kiềm, quá trình xảy ra cũng tương tự, nhưng với các mốc điện áp và
dòng điện khác tương ứng như sau:
- Nạp với dòng không đổi, chế độ bình thường, I
b
= C/5, khi 0,8 V < U
b
< 1,2 V.
- Nạp với áp không đổi, chế độ hoàn thiện, U

b
= 1,5 – 1,6 V.
- Nạp nổi, không tải, U
b
= 1,4 – 1,45 V.
- Nạp cân bằng, dòng không đổi, I
b
= C/2 – C/1,5.
I
b1
=const
U
b1
=const
U
b2
=const
I
b2
=const
U
b
>
2
,
1
V
I
b
~

0
A
I
b
<0
U
b
>
1
,
8
V
U
b
<
1
,
8
V
I
b
~0A
I
b1
=C/10
I
b2
=C/5
U
b1

=2,6V
U
b2
=2,4V

Hình 1.19. Sơ đồ chuyển trạng thái lôgic quá trình nạp acquy tự động.
Trên hình 1.18 mô tả các trạng thái lôgic của quá trình nạp tự động. Thiệt bị nạp tự
động sẽ có 4 trạng thái lôgic, hai trạng thái điều chỉnh dòng không đổi và hai trạng thái
điều chỉnh điện áp không đổi. Các tín hiệu đo dòng acquy I
b
và điện áp acquy U
b
sẽ cho
phép chuyển từ trạng thái nọ sang trạng thái kia, như trên hình 1.17. Nếu acquy đang ở
trạng thái hở mạch, U
b2
= 2,3 V, mà mang tải, thể hiện bởi dòng acquy I
b
< 0, thì thiết bị
sẽ ở nguyên trạng thái đó cho đến khi dòng gần bằng 0, I
b
~ 0A, thì sẽ chuyển sang chế
độ nạp bình thường với I
b1
= C/10 rồi từ đó mới chuyển sang chế độ nạp áp không đổi
U
b1
= 2,4  2,45 V hoặc sang chế độ nạp cân bằng nếu U
b
< 1,8 V.

Đồ thị hình 1.18 cho thấy lôgic điều khiển bộ nạp tự động là lôgic trạng thái, hay
gọi là lôgic có nhớ, chứ không đơn giản chỉ là lôgic tổ hợp. Mạch lôgic này có thể thiết
kế nhờ một mạch lôgic lập trình được đơn giản (Programmable Logic Device – PLD)
hoặc bằng các IC lôgic thông thường. Lưu ý rằng các ngưỡng điện áp đưa ra trên đây
phải có thể điều chỉnh được, phù hợp với đặc tính do nhà sản xuất cung cấp cho từng loại
acquy.
1.4.4. Tính toán mạch nguồn cho bộ nạp acquy
Việc tính toán mạch nguồn cho bộ nạp phải xuất phát từ các đặc tính cơ bản của
acquy, đó là dung lượng acquy C (Ah), điện áp acquy U
b
(V), điện áp nguồn xoay chiều
cung cấp U
1
(V). Điện áp acquy được xác định từ điện áp trên một ngăn, với acquy chì –
axit là 2,1 V, với acquy kiềm là 1,2 V. Hệ thống acquy có thể gồm nhiều ngăn mắc nối
tiếp để tạo ra giá trị điện áp cần thiết. Thông thường acquy được chế tạo thành các bình
với điện áp chuẩn 6 hoặc 12 V. Với các hệ thống acquy công suất lớn mỗi bình thuờng là
một ngăn riêng rẽ. Để tăng thêm dung lượng acquy có thể cần mắc song song nhiều dây
acquy mắc nối tiếp.
Đối với các thiết bị UPS có thể cần phải xác định cả dung lượng và điện áp cần
thiết của bộ acquy. Một bài toán thiết kế UPS có thể đặt ra như sau:
- Điện áp lưới đầu vào 220 V +/- 10%, 50 Hz.
- Điện áp đầu ra 220 V, +/- 2,5%, 50 Hz.
- Công suất tải đầu ra: 5 KW.
- Thời gian lưu điện: 30 phút.
Tính toán hệ thống acquy cho ví dụ này.
Trong ví dụ này ta vừa phải xác định điện áp acquy và dung lượng của acquy. Giả
sử ta xây dựng bộ UPS theo cấu trúc AC-DC-AC, trong đó sử dụng chỉnh lưu tiristo để
tạo nên điện áp cho khâu trung gian một chiều, nghịch lưu biến điệu bề rộng xung PWM
để biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều trên đầu ra.

Do những tổn thất về điện áp nên để tạo ra điện áp xoay chiều 220 V trên đầu ra
với lưới điện 220 V đầu vào, việc dùng máy biến áp để phối hợp là không thể tránh khỏi.
Để ví dụ tính toán cho mạch chỉnh lưu tiristo có máy biến áp ở đầu vào, ta có thể tùy ý
xác định mức điện áp cần thiết ở khâu trung gian một chiều.
Điện áp ở khâu trung gian một chiều được xác định là:
2
m
d V
U U U
  
,
Trong đó
2 2
2
m
U U

là biên độ của điện áp xoay chiều đầu ra;
V
U

sụt áp trên van
nghịch lưu. Nếu dùng IGBT sụt áp trên van là khoảng 3 V. Trong nghịch lưu cầu sụt áp
trên bằng sụt áp trên hai van nối tiếp, vậy chọn
2.3 6( )
V
U V
  
.
Tính sơ bộ

2.220 6 317,13( )
d
U V
  
.
Nếu dùng các bình acquy 12 V, khi acquy phóng đến ngưỡng điện áp thấp nhất 1,8
V/ngăn, điện áp của bình sẽ còn 6.1,8 = 10,8 V.
Như vậy số bình acquy cần thiết tối thiểu là 317,13/10,8 = 30 bình. Điện áp một
chiều tối thiểu sẽ là 10,8.30 = 324 V.
Trong chế độ định mức điện áp một chiều sẽ là 12.30 = 360 V.
Giả sử bỏ qua tổn thất trên bộ biến đổi, công suất tải đầu ra sẽ bằng công suất phía
một chiều. Từ đây suy ra:
r
P
5000
13,98( )
360
d
d
d d
P
I A
U U
   
.
Đó chính là dòng điện acquy phải phóng ra trong vòng 30 phút. Vậy dung lượng tối
thiểu của acquy phải là:
C = 13,98.30/60 =6,99 (Ah).
Như vậy có thể chọn loại acquy phổ biến trên thị trường với dung lượng 7,5 Ah.
Tính toán các thông số của chỉnh lưu đầu vào

Chỉnh lưu đầu vào phải đảm bảo điện áp nạp khi điện áp của một ngăn cao nhất là
U
b2
= 2,7 V, dòng nạp lớn nhất cho chế độ nạp cân bằng là C/5. Trong ví dụ trên đây ta
có các thông số phía một chiều mà chỉnh lưu phải đảm bảo là:
U
d
= 2,7.(30.6) = 486 (V).
I
d,max
= C/5 = 7,5 / 5 = 1,5 (A).
Có thể thấy rằng để đảm bảo các chế độ nạp acquy thì công suất của nguồn nạp
không phải là quá lớn, P
d,nạp max
= 486.1,5 = 729 W, tuy nhiên nguồn một chiều cũng phải
đảm bảo cung cấp công suất toàn phần cho UPS, nghĩa là ít nhất cũng phải đảm bảo là 5
KW. Ngoài ra điện áp đảm bảo cho toàn bộ quá trình nạp lại thay đổi trong một phạm vi
quá rộng, từ 324 V đến 486 V. Điều này nghĩa là nên thiết kế phần mạch nạp riêng cho
acquy thông qua một bộ biến đổi xung áp từ điện áp một chiều đầu ra của chỉnh lưu. Như
vậy có thể dùng chỉnh lưu toàn điôt, nâng cao hiệu quả của toàn bộ sơ đồ.
Đối với các bộ nguồn chỉ yêu cầu đầu ra một chiều với acquy là bộ đệm, tích trữ
năng lượng, thì việc dùng chỉnh lưu tiristo là hoàn toàn phù hợp.
1.5. Phân tích yêu cầu công nghệ đối với mạch cấp kích từ cho máy điện đồng
bộ

Hình 1.20.Máy phát đồng bộ trong nhà máy điện.
SYNCHRONOUS GENERATOR: máy phát đồng bộ;
TURBINE: tuabin;
START POINT CUBICLE: tủ nối điểm trung tính sao của đầu cực máy phát;
EXCITATION TRANSFORMER: biến áp kích từ;

EXCITATION SYSTEM: bộ điều khiển kích từ;
SYNCHRONIZING: Rơle đồng bộ;
GENERATOR: máy cắt đầu cực máy phát;
GOVENOR: bộ điều tốc;
PT&CT: biến điện áp và biến dòng;
AUX. TRANSF: biến áp phụ (tự dùng);
PROTECTION: rơle bảo vệ;
CONTROL SYSTEMS: các thiết bị điều khiển;
HV-BREAKER: máy cắt cao áp;
STEP UP TRANSFORMER: máy biến áp tăng áp;
LV SWITCHGEAR: tủ máy cắt hạ thế;
AC&DC AUXILIARY SYSTEMS: các thiết bị một chiều, xoay chiều;
CONTROL ROOM: phòng điều khiển.
Trên hình 1.19 mô tả các thiết bị trong một nhà máy phát điện, trong đó phần
trung tâm là máy phát điện đồng bộ. Mô hình của một máy phát điện đồng bộ cho trên
hình 1.20. Máy phát điện đồng bộ gồm hai phần: rôtor và stator. Phần rôtor, hay gọi là
phần kích từ, gồm các cuộn dây có dòng một chiều chạy qua, tạo nên nam châm điện với