Nghiên cứu thiết kế mạch nạp ắc quy tiên tiến cho tàu điện mỏ

1



Chương 1. TỔNG QUAN VỀ TÀU ĐIỆN MỎ
1.1. Đặc điểm của một số tàu điện mỏ
Các mỏ than hầm lò nước ta chủ yếu sử dụng tàu điện của Nga và
Trung Quốc sản xuất để vận chuyển than từ nơi khai thác, vận chuyển đất đá
từ các lò chuẩn bị ra ngoài chân giếng, sau đó chuyển tiếp lên mặt mỏ bằng
trục tải, băng tải, và vận chuyển vật liệu, máy móc từ ngoài vào các khu vực
sản xuất.
Tàu điện sử dụng ở các mỏ than hầm lò vùng Quảng Ninh có hai loại
là: tàu điện cần vẹt và tàu điện ắc quy. Các loại tàu này có đặc điểm khối
lượng đầu tàu nhỏ và vừa; công suất từ 2,05 kW đến 90 kW; tỉ số truyền hộp
giảm tốc lớn; tốc độ chuyển động của tàu thấp. Bảng 1.1 và 1.2 dưới đây là
một số thông số kỹ thuật của 02 loại tàu điện mỏ được sử dụng để vận chuyển
trong mỏ hầm lò của Việt Nam.
Theo quy hoạch phát triển ngành than của Việt Nam đến năm 2020, để
đảm bảo sản lượng khai thác trong những năm tới, thì các mỏ than phải khai
thác mở rộng xuống mức sâu hơn, điều này sẽ dẫn đến loạt các vấn đề an toàn
cần phải giải quyết bao gồm: hàm lượng khí mê tan càng tăng cao, độ ẩm và
nhiệt độ môi trường tăng. Để đảm bảo an toàn chống cháy nổ trong khai thác
than hầm lò, các mỏ bắt buộc phải chuyển sang sử dụng tàu điện ắc quy thay
thế cho tàu điện cần vẹt để vận chuyển.
2



Bảng 1.1. Đặc tính kỹ thuật của một số tàu điện cần vẹt:
Các thông số
Đơn vị

Loại tàu điện
7KP-1Y
10KP-2
14KP
K-14
Trọng lượng đầu tàu
kN
70
100
140
140
Cỡ đường
mm
600-900
750-900
750-900
750-900
Lực kéo
N
16500
16500
24000
24000
Vận tốc chế độ giờ
km/h
10,5
10,5
12,6
12,6
Đường kính bánh xe

theo vòng tiếp xúc
mm
680
680
760
760
Tỷ số truyền hộp
giảm tốc

10,97
10,97
14,83
14,83
Động cơ kéo

϶P-22
϶P-255
K-809A
϶ T-46
Số lượng động cơ

2
2
2
2
Công suất tổng
kW
50
50
90

90
Tốc độ động cơ
vòng/phút
900
900
1320
1320
Kích thước cơ bản:
Dài
Rộng
Cao
mm

4500
1050
1500

4500
1050
1500

5200
1350
1650

5200
1350
1650

3

Bảng 1.2. Đặc tính kỹ thuật của tàu điện ắc quy CĐXT-8
Các thông số
Đơn vị
Loại tàu điện CĐXT-8
Trọng lượng đầu tàu
kN
80
Lực kéo
N
13000
Cỡ đường
mm
600/900
Cương cự
mm
1150
Kích thước cơ bản
Dài
Rộng
Cao
mm

4400
1350
1600
Đường kính bánh tàu
mm

610
Động cơ điện
Loại
DZQ-15dl
Tốc độ tàu
km/h
7,8
Số lượng động cơ

2
Tỉ số truyền hộp giảm tốc

11,59
Tốc độ động cơ
vòng/phút
1080
Công suất động cơ
kW
15
Điện áp
V
132
Ắc quy
Loại
DG-400KT
1.2. Giới thiệu một số tủ nạp ắc quy sử dụng tại các mỏ than ở Việt Nam
Hệ thống nạp ắc quy hiện có tại các mỏ than hầm lò hiện nay phần lớn
sử dụng tủ nạp đơn giản có biến áp và chỉnh lưu cầu có lọc điện với sơ đồ
nguyên lý như hình 1.1 dưới đây.
4

+
_
+
_
+
_
1
2
3
4
5

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý chung các tủ nạp ắc quy cho tàu điện mỏ
1 – máy cắt dầu; 2 – máy biến áp;
3 – thiết bị phân phối; 4 – chỉnh lưu; 5 – ắc quy.
Đa số trường hợp hiện nay ở mỏ sử dụng tàu điện ắc quy làm phương
tiện vân tải, trạm nạp được lắp đặt trong sân giếng chính của mỏ.
1.2.1 Tủ nạp ắc quy tại mỏ Khe Chàm và Vàng Danh
Mỏ than Vàng Danh và Khe Chàm sử dụng trạm nạp ắc quy tàu điện
mã hiệu ZYK – 75/120 do Trung Quốc sản xuất. Đặc tính kỹ thuật của tủ nạp
ZYK – 75/120 được thể hiện trên bảng 1.3.
5



Bảng 1.3. Thông số kỹ thuật của tủ nạp ZYK – 75/120
STT

Thông số
Giá trị
Ghi chú
1
Công suất định mức
9 kW

Thiết bị điều
khiển và cung
cấp điện cho tủ:
Khởi động từ có
công suất tương
đương
2
Điện áp chỉnh lưu
120 VDC
3
Dòng điện chỉnh lưu
75 A
4
Điện áp nguồn
Xoay chiều 3 pha -
380/660 V
5
Hiệu suất
86%
6
Sơ đồ nắn
Cầu 3 pha
7

Van điện
BK2-200-3A
8
Số van trong sơ đồ
6 cái
9
Phương pháp làm mát
Thông gió tự nhiên
10
Chế độ làm việc
Dài hạn
11
Kích thước tủ
(dài x rộng x cao) 620
x684 x1130(mm)
12
Trọng lượng
235 Kg
Tủ nạp ZYK-75/120 được sử dụng có cấu tạo đơn giản gồm 01 máy
biến áp chỉnh lưu loại 3 pha có điều chỉnh điện áp vào, nối sao/tam giác và
khối chỉnh lưu không điều khiển có 6 Diode mắc theo sơ đồ chỉnh lưu cầu ba
pha. Để bảo vệ và tạo dòng cân bằng qua các Diode chỉnh lưu, người ta mắc
nối tiếp với mỗi Diode một cuộn kháng. Để lọc thành phần sóng hài tần số
cao, phía sau mạch chỉnh lưu có cuộn lọc điện cảm дc. Để điều khiển dòng
nạp ắc quy, trên sơ đồ có thiết kế bộ khuếch đại từ YM-3/7 -25. Ngoài ra, để
thuận tiện cho việc vận hành tủ chỉnh lưu, mạch điều khiển tủ nạp có các nút
ấn khởi động, đồng hồ đo dòng nạp, vôn kế đo điện áp nạp. Trọn bộ tủ nạp ắc
quy ZYK-75/120 có nhiệm vụ biến đổi nguồn điện xoay chiều 3 pha thành
6

nguồn điện 1 chiều phù hợp để nạp điện cho tổ hợp ắc quy tàu điện. Sơ đồ
nguyên lý tủ nạp ZYK-75/120 được mô tả trên hình 1.2.
2H
(201)
§Õn khëi ®éng tõ
Z
Y
X
B1
H
B2
OYT
a
c
b
OYH
R3
R1
C3
R2
C1
C2
a1
b1
c1
y
x
TP

z
B
-10
-10
A
-10
C
+10
+10
+10
III
B3
B5
B4
B6
V
A
_
KhuÕch §¹I Tõ YM-3/7-25
C
C P
KYB-11
+
Tñ n¹p zyk - 75 / 120
PHÝCH N¹P
Nót c¾t
Nót K§
Vµo tæ hîp ¾c quy
+
_

297

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý tủ nạp ZYK-75/120
1.2.2.Tủ nạp YZA-200/230 cho tàu điện mỏ than hầm lò Mạo Khê
Trạm nạp ắc qui tàu điện mỏ Mạo Khê sử dụng tủ nạp loại YZA-
200/230. Sơ đồ nguyên lý của tủ nạp YZA-200/230 được trình bày trên hình
1.3. Tương tự như tủ nạp ZYK-75/120, tủ nạp YZA-200/230 có cấu tạo đơn
giản gồm 01 máy biến áp chỉnh lưu loại 3 pha không điều chỉnh điện áp vào,
7



nối sao/tam giác. Khác với tủ ZYK-75/120 khối chỉnh lưu ở đây sử dụng loại
có điều khiển gồm 03 Diode và 03 Thyristor mắc theo sơ đồ chỉnh lưu cầu ba
pha không đối xứng. Để bảo vệ và tạo dòng cân bằng qua các Diode chỉnh
lưu, người ta mắc nối tiếp với mỗi Diode một cuộn kháng. Đặc tính kỹ thuật
tủ nạp loại YZA-200/230 trên bảng 1.4.
Bảng 1.4. Đặc tính kỹ thuật tủ nạp loại YZA-200/230
STT
Thông số
Giá trị
Ghi chú
1
Công suất định mức
46 kW

Thiết bị điều
khiển và cung
cấp điện cho tủ:
Khởi động từ

125 A hoặc loại
tương đương.

2
Điện áp chỉnh lưu
230 V DC
3
Dòng điện chỉnh lưu
200 A
4
Điện áp nguồn
380 / 660 V AC
5
Tổ đấu dây
∆/Y
6
Hệ số cosφ
0,7
7
Sơ đồ nắn
Cầu 3 pha có điều khiển
8
Số Thyristor trong sơ đồ
3 cái- T143-630
9
Số Diode trong sơ đồ
3 cái - D143-630
10
Phương pháp làm mát
Thông gió tự nhiên

11
Chế độ làm việc
Dài hạn
12
Giới hạn điều chỉnh
dòng và áp chỉnh lưu
Từ 50 -:- 100 % định
mức.
13
Trọng lượng
965 kg
14
Kích thước (DxRxC)
800 x1000 x1620 mm
8



TV3
TV1
TV2
CY
FP
A
V
A
B
C
a3
a2 a1

b3 b2 b1
c
3
c
2
c
1
VD5 VD6 VD7
VD2 VD3 VD4
XP1 XP2
L
TA
RS
Tõ K§T
vµo tñ
Tõ K§T
®Õn
SB3
Nót thö
rß
X
Y
Z
K§T
PhÝch n¹p
§iÖn ¸p nguån 380V
UP 3x50+1x10
UP 4x4 (®iÒu khiÓn)
UP 2x70
Ra

phÝch
n¹p
S¬ ®å cung cÊp ®iÖn
S¬ ®å m¹ch lùc tñ
36V
1
2
Tñ n¹p YZA - 200/230

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý tủ nạp YZA-200/230
Một số bộ phận chính của tủ và nguyên lý làm việc như sau:
+ Biến áp TV1 là loại biến áp 3 pha 3 trụ khô, nguồn điện vào 3 pha tần
số 50Hz. Phía sơ cấp: Điện áp 380/660V ( đấu dây ∆/Y ). Phía thứ cấp: Đấu
(Y) và có các cọc đấu để tăng giảm điện áp như sau:
Đấu ở cọc a1, b1, c1 điện áp ra là 230V.
Đấu ở cọc a2, b2, c2 điện áp ra là 200V.
Đấu ở cọc a3, b3, c3 điện áp ra là 135V.
+ Biến áp điều khiển TV2 là loại khô 3 pha 3 trụ:
9



Phía sơ cấp: Điện áp 380/660V (đấu dây ∆/Y ).
Phía thứ cấp: Đấu (Y) điện áp 50 V cấp điện điều khiển cho 3
Thyristor (VD2, VD3, VD4). Ngoài ra, còn có 2 cuộn riêng điện áp ra 16V
cấp điện điều khiển mạch ổn định dòng điện nạp.
+ Biến áp TV3: là biến áp khô 1 pha .
Phía sơ cấp: Điện áp 36V lấy từ KĐT vào.
Phía thứ cấp: điện áp ra 12V cấp cho mạch điều khiển chung của
tủ, 6V cấp cho các đèn tín hiệu từ HL1 -:- HL6.

+ Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha gồm: 3 Diode (VD5, VD6, VD7) và 3
Thyristor (VD2, VD3, VD4).
+ L : 2 cuộn lọc (cuộn san) có nhiệm vụ chặn các sóng hài bậc cao còn
xuất hiện sau khi chỉnh lưu.
+ Khối TA: Gồm các máy biến dòng TA1, TA2, TA3. Áp và dòng của
3 máy biến dòng này được đưa tới bộ chỉnh lưu 3 pha (gồm các van VD9,
VD11, VD13, VD10, VD2) và thông qua Diode VD14 dẫn đến mạch điều
khiển của 3 Thyristor nhằm ổn định dòng điện nạp. Ngoài ra bộ này còn có
tác dụng như một khuếch đại từ tự bão hoà hồi tiếp âm dòng điện.
+ Khối CY: là các Bloc lắp các thiết bị bán dẫn để điều khiển quá trình
làm việc của tủ tăng giảm dòng và áp chỉnh lưu v.v
+ Khối FP: là các Bloc lắp các thiết bị bán dẫn để chỉnh định thời gian
nạp và bảo vệ rò điện v.v
+ A : Đồng hồ am pe 1 chiều có thang đo từ 0-:-300A để kiểm tra dòng
điện chỉnh lưu (dòng điện nạp).
+ V : Đồng hồ vôn có thang đo từ 0-:-300V để kiểm tra điện áp chỉnh
lưu (điện áp nạp).
+ PS : Đồng hồ đo điện trở cách điện có thang đo từ 0-:-40 kΩ.
+ RS : Điện trở sun.
10



1.2.3. Tủ nạp ắc quy tại mỏ Quang Hanh
Mỏ than hầm lò Quang Hanh cũng sử dụng tủ nạp do Trung Quốc sản
xuất mã hiệu GWZCA – 140/210. Về cấu tạo và nguyên lý làm việc, tủ nạp
ắc quy GWZCA – 140/210 gần giống như tủ nạp ắc quy ZYK-75/120 nhưng
có điện áp ra lớn hơn. Trong thiết kế của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210
không có khuếch đại từ, vì thế để điều chỉnh dòng nạp cho tổ hợp ắc quy,
người ta điều chỉnh điện áp vào của máy biến áp ba pha trong tủ chỉnh lưu.

Đặc tính kỹ thuật của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210 được giới thiệu trên
bảng 1.5.
Bảng 1.5. Đặc tính kỹ thuật của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210
STT
Thông số
Giá trị
Ghi chú
1
Công suất định mức
29 kW
Thiết bị điều
khiển và cung
cấp điện cho
tủ: Khởi động
từ loại tương
đương.


2
Điện áp chỉnh lưu
210 VDC
3
Dòng điện chỉnh lưu
140 A
4
Điện áp nguồn
380 VAC
5
Tổ đấu dây
Y/∆

6
Hệ số công suất
0,7
7
Sơ đồ nắn
Cầu 3 pha không điều
khiển
8
Số Diode trong sơ đồ
6 cái
9
Phương pháp làm mát
Thông gió tự nhiên
10
Chế độ làm việc
Dài hạn
11
Trọng lượng
600 kg
12
Kích thước (DxRxC)
700 x600 x1200 mm
Sơ đồ nguyên lý của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210 được giới thiệu
trên hình 1.4.
11



Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý mạch điện của tủ
nạp ắc quy GWZCA – 140/210

Nguyên lý làm việc của tủ nạp ắc quy GWZCA – 140/210 và vai trò
của các phần tử chức năng trong sơ đồ mạch được trình bày ngắn gọn như
sau:
+ Ở chế độ làm việc bình thường
Ấn nút khởi động QA cuộn dây công tắc tơ C kín mạch, công tắc tơ
làm việc đóng điện vào biến áp lực B. Mạch ra có điện áp chỉnh lưu và có
dòng chỉnh lưu khi đã đóng phích nạp vào tổ hợp. Lúc này tiếp điểm duy trì C
(3-5) cùng đóng và đèn HD sáng báo tủ đã làm việc (có điện chỉnh lưu).
+ Các chế độ bảo vệ:
Bảo vệ quá tải sử dụng rơ le nhiệt RJ tác động mở tiếp điểm thường
đóng RJ(4-2), công tắc tơ C mất điện mở ra cắt điện vào tủ.
s¬ ®å nguyªn lý tñ n¹p
gwzca 140/210 (tq)
380v
rj
x31
3RD
x3
x32
s¬ ®å m¹ch lùc
x1
s¬ ®å m¹ch ®iÒu khiÓn
400v
400v
x22
x12
400v
420v
2RD
x2

420v
c
c
rj
x21
x1
1RD
420v
rj
x11
c
b
1dk
340v
360v
380v
380v
360v
340v
0
380v
360v
340v
x24
b
x23
c
x33
3dk
x34

z2
a
2dk
x13
x14
z1
c 9
3
1
ta
4rd
qa
7
c
5
x3
v
z6
z4
r
c0
z5
z3
a
r
c0
yj
107
2r
1r

105
103
yj
sj
6
hd
0
101
rj
2
4
5rd
C
FL
RKD
12



Bảo vệ quá áp một chiều sử dụng rơ le điện áp YJ tác động đóng tiếp
điểm thường mở YJ cho cuộn dây rơ le trung gian SJ, cuộn dây này có điện
làm mở tiếp điểm SJ(5-7) ngắt mạch cuộn dây công tác tơ C làm ngừng cấp
điện cho tủ, đèn báo nguồn HD tắt.
1.2.4. Tủ nạp tại mỏ than Hà Lầm
a
b c
T1
D1
T2
D2

D3
T3
NA
NK
NA
V
SC
LJ
A B
C
0
+15
-15
24
0
IC ®iÒu
khiÓn

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý mạch điện của tủ nạp ắc quy
190
280
/9010ZBC

Mỏ than Hà Lầm sử dụng tủ nạp ắc quy do Trung Quốc sản xuất thế hệ
mới hơn có mã hiệu
190
280
/9010ZBC
. Đây là loại tủ nạp ắc quy sử dụng giải
13

pháp chỉnh lưu có điều khiển dùng Thyristor mắc theo sơ đồ chỉnh lưu cầu
không đối xứng. Để điều khiển góc mở cho Thyristor, sử dụng mạch vi điều
khiển kết hợp với khối đồng bộ pha. Sơ đồ nguyên lý mạch điện của tủ nạp ắc
quy
190
280
/9010ZBC
được trình bày trên hình vẽ 1.5. Với thiết kế mạch nạp
có hệ thống điều khiển sử dụng loại IC được đúc kín, nên khó khăn cho việc
thay thế sửa chữa khi gặp sự cố hỏng hóc.
1.2.5. Tủ nạp YCK 2,5
Tủ nạp của YCK 2,5 do Liên Xô (cũ) sản xuất. Sơ đồ nguyên lý của tủ
nạp ắc quy này được trình bày trên hình 1.6.
K2.1
K1
w’pw’’p
woct
wokh
woc
wob
V1
V1-V5
T1
R2 R3
V14
E
PM

PA1 PA3 PA
R6 R7
R8 R9
K3
V6-V9
V10-V13 R4
C
R1
K3.1
K2.3
K2.4
H
R5
K2.5
K1.1
K3.2
K2.6
K2
PU
R10
H4
H3H2H1
F3
F2
220V
X2
X1
Q
F1
F2

K2.2
G
T2
S
C¸c vÞ trÝ gi¸ n¹p

Hình 1.6. Sơ đồ nguyên lý mạch điện của tủ nạp ắc quy YCK 2,5
do Liên Xô (cũ) sản xuất
Bộ phận chính ổn định điện áp trong sơ đồ là cuộn cảm bão hòa L có
hồi tiếp dương. Nó được đấu nối tiếp với cuộn sơ cấp của máy biến áp lực T2.
14



Cuộn cảm bão hòa thực hiện chức năng tự động điều khiển nhờ các cuộn
(WOCT, WOKH, WOC và WOB) trong đó:
+ Cuộn WOCT là cuộn ổn định dòng điện khi phụ tải phía thứ cấp thay
đổi, điện áp một chiều thay đổi dẫn đến phía sơ cấp máy biến áp T2 điện áp
cũng thay đổi, làm cho tín hiệu trong cuộn dây thứ cấp của máy biến dòng
thay đổi, dẫn đến dòng điện qua cuộn WOCT cũng thay đổi. Đặc biệt từ thông
của cuộn WOCT cùng chiều với từ thông của cuộn WOC và cuộn W’P, W”P
sẽ cộng hưởng từ thông giữ cho điện áp phía sơ cấp của máy biến áp lực T2
được ổn định.
+ Nguồn cấp cho cuộn WOCT từ cuộn thứ cấp của biến dòng T1 qua
cầu chỉnh lưu V2-V5. Để thay đổi trị số dòng điều khiển của cuộn WOCT
bằng cách điều chỉnh biến trở R2.
+ Cuộn WOKH là cuộn ổn định điện áp ra khi có sự cố dao động điện
áp lưới được cấp bởi bộ cầu chỉnh lưu V6 – V9 lấy từ bộ ổn áp G. Chiều từ
thông của cuộn WOKH ngược với chiều của cuộn W’P, W”P, cuộn WOCT
và WOC nên khi có sự thay đổi điện áp lưới làm cho từ thông trong cuộn

WOKH thay đổi. Sự thay đổi này dẫn đến từ thông tổng trong mạch khuếch
đại cũng thay đổi vì vậy tín hiệu vào cuộn dây sơ cấp của máy biến áp lực T2
thay đổi làm cho tín hiệu ra cuộn thứ cấp của biến áp lực T2 ổn định.
+ Để điều chỉnh trị số dòng của cuộn WOKH cho phù hợp người ta
điều chỉnh bằng biến trở R3.
+ Cuộn WOC là cuộn tăng điện áp nguồn cung cấp lấy từ bộ ổn áp G
qua cầu chỉnh lưu V10 – V13. Cuộn WOC dùng để điều chỉnh tạo ra từ thông
tăng cùng chiều với cuộn ghép đảo pha W’P và W’’P. Trị số dòng biến thiên
được điều chỉnh nhờ các biến trở R4 và R10.
+ Cuộn WOB là cuộn phản hồi điện áp ra có chức năng tăng độ chuẩn
xác ổn định điện áp ra cung cấp cho phụ tải kể cả khi điện áp lưới thay đổi
15



cũng như thay đổi dòng phụ tải. Tín hiệu được lấy từ đầu dương và đầu âm
của bộ chỉnh lưu mạch lực V 1. Chiều cuốn dây của cuộn WOB ngược với
các cuộn W’P và W’’P, cuộn WOC và WOCT.
Khi phụ tải thay đổi làm cho điện áp thứ cấp của biến áp lực T2 thay
đổi, dẫn đến điện áp cuộn sơ cấp T2 thay đổi làm cho tín hiệu trong cuộn thứ
cấp T1 thay đổi và từ thông do cuộn WOCT cũng thay đổi theo. Khi đó, từ
thông tổng trong mạch khuếch đại từ thay đổi làm cho điện áp của cuộn sơ
cấp máy biến áp lực cũng thay đổi theo, dẫn đến điện áp ra phía thứ cấp T2
cũng thay đổi để giữ cho điện áp ra ổn định trong giới hạn quy định.
Nhận xét chung: Các tủ để nạp ắc quy cho tàu điện đang được sử dụng
tại các mỏ than của Việt Nam hiện nay thuộc loại công nghệ cũ, quá trình vận
hành bảo dưỡng phức tạp, thường gây ra sóng hài lớn cho hệ thống cung cấp
điện cho mỏ. Mặt khác, hầu hết các tủ nạp điện cho ắc quy loại này có hệ số
công suất cos thấp. Các tủ nạp do Trung Quốc sản xuất thường khó sửa chữa
khi hỏng. Vì vậy việc nghiên cứu thiết kế tủ nạp ắc quy vừa khắc phục được

các nhược điểm trên lại có thể nâng cao hệ số công suất là cần thiết.
1.3. Đặc điểm và phân loại ắc quy
1.3.1. Đặc điểm của một số loại ắc quy
Ắc quy là nguồn điện hoá, dùng để tích trữ điện năng, cung cấp dòng
một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp và dân dụng. Sức điện động
của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu chế tạo bản cực và chất điện phân. Có rất
nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vào những điều kiện yêu
cầu cụ thể cho các ứng dụng khác nhau. Có thể liệt kê một số loại sau:
+ Ắc quy axit chì;
+ Ắc quy sắt kiềm;
+ Ắc quy kẽm-bạc;
+ Ắc quy cat đi mi-bạc.
16



Tuy nhiên, ắc quy axit chì và ắc quy kiềm được sử dụng nhiều hơn cả
trong các lĩnh vực như điều khiển đo lường, chạy động cơ điện một chiều, …
Trong ngành công nghiệp mỏ trước đây, người ta chủ yếu sử dụng ắc
quy sắt kiềm do độ bền của loại ắc quy này cao hơn nhiều lần ắc quy axit.
Hơn nữa trước đây ngành công nghiệp chế tạo ắc quy chưa phát triển, giá
thành cho tổ hợp ắc quy dùng cho tàu điện cao nên bài toán ưu tiên về kinh tế
vẫn được đặt lên hàng đầu. Ngày nay, công nghiệp sản xuất ắc quy rất phát
triển, công nghệ chế tạo và vật liệu sử dụng để chế tạo ắc quy đã tiến đến mức
độ hoàn hảo do vậy ắc quy axit đã có được tuổi thọ sử dụng ngang tầm với ắc
quy sắt kiềm (đến trên 10 năm), dung lượng ắc quy axit chì cao hơn, giá thành
ắc quy axit cũng rẻ hơn do vậy ngày nay người ta đang chuyển dần sử dụng ắc
quy axit chì thay cho ắc quy sắt kiềm trong các tàu điện chạy ắc quy trong
mỏ.
1.3.2. Phân loại ắc quy

1.3.2.1. Ắc quy sắt kiềm
Về cấu tạo, ắc quy sắt kiềm có cấu tạo gồm cực âm là Ni – Fe, cực
dương là Hydroxit Ni(OH)
3
. Dung dịch điện phân trong ắc quy sắt kiềm là
dung dịch Hydro Kali (KOH). Ở ắc quy sắt kiềm, sức điện động của nó ít phụ
thuộc vào nồng độ của dung dịch điện phân. Mỗi một ắc quy kiềm đơn sau
khi được nạp đầy có giá trị điện áp khoảng 1,25 V.
Các phương trình phản ứng phóng và nạp như sau:
Với ắc quy sắt kiềm:
2Ni(OH)
3
+ KOH + Fe = 2Ni(OH)
2
+ KOH + Fe(OH)
2

Nồng độ dung dịch điện phân hầu như không thay đổi trong quá trình
phóng nạp ắc quy, do đó chỉ cần ít dung dịch điện phân nên ắc quy kiềm có
trọng lượng thấp hơn nhiều so với loại ắc quy axit cùng kích thước.

17



I.3.2.2. Ắc quy axit chì
Vỏ bình ắc quy axit được chế tạo bằng nhựa Êbônit hoặc Anphantơbéc
hay cao su nhựa cứng, bên trong lót một lớp nhựa chịu axit để tăng tuổi thọ
bình. Phía trong vỏ bình chia thành các ngăn riêng biệt. Cấu tạo của mỗi bản
cực trong ắc quy gồm có phần khung xương và chất tác dụng phủ lên nó.

Khung xương của bản cực được đúc từ chì có pha thêm 5% vật liệt tạo hình
dạng mặt lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng khả năng dẫn điện và cải
thiện tính độc.
Tấm ngăn được làm từ chất liệu xốp và được đặt giữa bản cực âm và
bản cực dương, có tác dụng ngăn cách giữa các bản cực. Dung dịch điện phân
là dung dịch axit sunfuric (H
2
SO
4
) loãng, nồng độ γ = (1,1- 1,3) g/cm
3
.
Đối với ắc quy axit, nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ
dung dịch điện phân. Trong điều kiện khí hậu nước ta thì mùa hè chọn nồng
độ dung dịch từ (2,5- 2,6) g/cm
3
,
mùa đông chọn nồng độ khoảng
1,27 g/cm
3
. Nếu nồng độ quá cao
sẽ làm nhanh hỏng tấm ngăn, bản
cực dễ bị sunfat hoá. Nồng độ quá
thấp sẽ làm điện dung và điện áp
định mức của ắc quy giảm.
Ắc quy là kho chứa năng
lượng cấp cho hệ thống điện. Khi
sử dụng, ắc quy sẽ tạo ra dòng điện một chiều đi qua các thiết bị là phụ tải của
nó. Dòng điện trong bình ắc quy tạo ra do phản ứng hoá học giữa những vật
liệu P

b
O trên bản cực và dung dịch axit H
2
SO
4
. Sau một thời gian sử dụng, ắc
quy bị hết điện và nó có thể được nạp lại bằng cách cho một dòng điện bên
ngoài vào ắc quy theo chiều ngược với chiều phóng điện.
Hình 1.7. Cấu tạo ắc quy axit chì
18



Phản ứng hóa học diễn ra trong quá trình chuyển hoá năng lượng của ắc
quy như sau:
Khi nạp điện, ở cực dương xảy ra phản ứng:
PbSO
4
– 2e + 2H
2
O = PbO
2
+ H
2
SO
4
+ 2H
+
(1.1)
Ở cực âm xảy ra phản ứng:

PbSO
4
+ 2e + 2 H
+
= Pb + H
2
SO
4
(1.2)
Toàn bộ phản ứng xảy ra trong quá trình ắc quy nạp điện:
2PbSO
4
+ 2H
2
O = PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb (1.3)
Năng lượng tích lũy của ắc quy quan hệ với quá trình biến đổi hoá học
của các bản cực và dung dịch điện phân được mô tả trong bảng sau:
Bảng 1.6. Quá trình biến đổi hoá học của các bản cực của ắc quy axit
Trạng thái ắc quy
Bản cực dương
Dung dịch điện phân
Bản cực âm
Nạp đầy
↓↑

Phóng điện hết
PbO
2

↓↑
PbSO
4

H
2
SO
4

↓↑
H
2
O
Pb
↓↑
PbSO
4

Trong quá trình phóng nạp, nồng độ dung dịch điện phân của ắc quy
thay đổi. Khi ắc quy phóng điện, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi
được nạp điện, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ
vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy.
Sức điện động của ắc quy chì - axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch
điện phân theo biểu thức:
E
0

= 1,70. ,
trong đó:
E
0
- sức điện động tĩnh của ắc quy đơn, tính bằng vôn
- nồng độ dung dịch điện phân ở nhiệt độ 15
0
C tính bằng g/cm
3


19



Trong quá trình phóng điện, điện áp trên cực của ắc quy xác định được:
E
P
= U
P
+I
P
.r
aq
,
trong đó :
E
P
- Sức điện động của ắc quy phóng điện;
U

P
- Điện áp đo trên cực của ắc quy khi phóng điện;
I
P
- Dòng điện phóng;
r
aq
- Điện trở trong của ắc quy khi phóng điện.
Trong quá trình nạp điện, sức điện động E
n
của ắc quy được tính như sau:
E
n
= U
n
– I
n
. r
aq ,

trong đó : E
n
- Sức điện động của ắc quy nạp điện;
I
n
- Dòng điện nạp;
U
n
- Điện áp đo trên cực của ắc quy khi nạp điện;
r

aq
- Điện trở trong của ắc quy khi nạp điện.
Dung lượng phóng của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp
năng lượng của ắc quy cho phụ tải, được tính theo công thức:
C
P
= I
P
. t
P

trong đó:
C
P
- Dung lượng quá trình phóng điện, tính bằng Ah.
I
P
- Dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện t
P
.
Dung lượng nạp của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ
năng lượng của ắc quy, được tính theo công thức:
C
n
= I
n
. t
n

trong đó:

C
n
- Dung lượng nạp điện, tính bằng Ah.
I
n
- Dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp điện t
n
.
20



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 (hình 1.8).
I (A)
U,E (V)
2,5
2
1,5
1
0,5
10
15
2 4 6 8 10
1,27
1,11
1,75
1,95
2,11

γ (g/cm )
3
Vùng phóng cho phép
t (h)
p
Hình 1.8. Đồ thị phóng của ắc quy axit - chì
Từ đồ thị ta có nhận xét sau:
Trong khoảng thời gian phóng từ t
P
= 0 đến t
P
= t
gh
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 là giai đoạn phóng ổn định hay
thời gian cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc quy.
Từ thời điểm t
gh
trở đi độ dốc các đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu tiếp tục
cho ắc quy phóng điện sau t
gh
thì sức điện động, điện áp của ắc quy sẽ giảm
rất nhanh. Mặt khác các tinh thể Sunfat chì (PbSO
4
) tạo thành trong phản ứng
sẽ có dạng thô, rắn rất khó hoà tan nên ngăn cản quá trình nạp điện trở lại cho
ắc quy sau này (hiện tượng sun phát hoá bản cực của ắc quy). Thời điểm t
gh

gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc quy, các giá trị E
P
, U
P
tại t , t
gh
gọi
là các giá trị giới hạn phóng điện cho ắc quy.
Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện
động, điện áp của ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây
21



là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc quy. Thời gian phục hồi này phụ
thuộc vào chế độ phóng điện của ắc quy.
Để đánh giá khả năng cung cấp điện của ắc quy theo điện áp danh định,
người ta quy định so sánh dung lượng phóng điện thu được của các ắc quy khi
tiến hành thí nghiệm ở chế độ phóng điện cho phép là 20h. Dung lượng phóng
trong trường hợp này được kí hiệu là C
20
.
Thời gian phóng điện cho phép, các giá trị giới hạn phóng điện của ắc
quy phụ thuộc vào dòng phóng điện. Sự phụ thuộc của dung lượng phóng vào
dòng điện phóng của ắc quy có dung lượng phóng định mức C
20
(dung lượng
phóng thu được ở chế độ 20h) là 60Ah.
Đặc tính nạp 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 nạp

khi trị số dòng điện nạp không thay đổi.
I (A)
U,E (V)
t (h)
n
2 4 6 8
10
γ (g/cm )
3
2,5
0,5
1
1,5
2
2,4 V
2,88
2,11
1,27
1,11
5
10
15
Vùng nạp hiệu dụng
Cn = In.tn
1,95
Vùng no
Khoảng nghỉ
V

Hình 1.9. Đồ thị đặc tính nạp của ắc quy axit chì

Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét:
Trong khoảng thời gian nạp từ 0 đến t = t
s
, sức điện động, điện áp,
nồng độ dung dịch điện phân tăng dần.
22



Tới thời điểm t
s
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 cực của ắc quy tăng tới
giá trị 2,4V. Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này tăng nhanh chóng tới 2,8V và
giữ ổn định. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, có tác dụng làm cho phần
các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi hoàn toàn, nhờ
đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của 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
quy qui định bằng 0,05C
20
.
Nhận xét:
Ắc quy axit chì được sử dụng một cách phổ biến bởi nó có nhiều ưu
việt:
- Điện áp lớn;
- Hiệu suất cao;
- Dung lượng lớn, ít phụ thuộc vào nhiệt độ;

- Giá thành hạ.
Hiện nay, các mỏ than hầm lò ở Việt Nam đang chuyển dần sang sử
dụng ắc quy axit chì cho tàu điện để phục vụ công việc vận tải. Vì vậy, việc
nghiên cứu thiết kế tủ nạp ắc quy cho các mỏ than hầm lò hiện nay là rất cần
thiết.
23



Chương 2. CÁC KIỂU MẠCH NẠP ẮC QUY VÀ PHƢƠNG PHÁP
NẠP ĐIỆN CHO ẮC QUY
2.1. Các nguồn chỉnh lƣu
2.1.1. Chỉnh lưu một pha
Là phương pháp đơn giản nhất biến đổi dòng điện áp xoay chiều một
pha thành dòng điện một chiều cung cấp cho tải. Có ba dạng chỉnh lưu một
pha được sử dụng tuỳ theo yêu cầu chất lượng nguồn một chiều cần cung cấp
cho phụ tải:
1. Chỉnh lưu 1 pha không điều khiển;
2. Chỉnh lưu một pha có điều khiển;
3. Chỉnh lưu bội áp.
Thông thường khi thiết kế nguồn chỉnh lưu tạo điện áp một chiều cấp
cho phụ tải, người ta chỉ sử dụng hai sơ đồ là chỉnh lưu nửa chu kỳ và chỉnh
lưu cả chu kỳ (có điều khiển hoặc không điều khiển). Chỉnh lưu bội áp chỉ áp
dụng cho trường hợp cần điện áp một chiều cao với dòng tải rất nhỏ.
1) Chỉnh lưu nửa chu kỳ
Xét sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ (hình 2.1).

Hình 2.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ
a) không điều khiển; b) có điều khiển
a)
D
C
U
1

U
1

Th
C
+
0
0
+
b)
24



Xét các trường hợp tải cho mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ:
- Với tải thuần trở R, ở nửa chu kỳ dương Diode phân cực thuận, cho
dòng qua tải, còn ở nửa chu kỳ âm, Diode phân cực ngược, nó sẽ ở trạng thái
khóa không cho dòng qua tải, I
t
=0. Về lý thuyết, với mạch chỉnh lưu nửa chu
kỳ không điều khiển góc mở, điện áp chỉnh lưu trung bình U

tb
= 0,45 U
2
, với
U
2
là trị hiệu dụng của điện áp thứ cấp biến áp chỉnh lưu.

Hình 2.2. Đồ thị sóng dòng và áp sau chỉnh lưu với tải thuần trở
Với trường hợp tải điện có tính điện trở và điện cảm, trong phần tử điện
cảm L sẽ sinh ra sức điện động tự cảm e = -L.di/dt làm dịch pha giữa dòng và
áp trong mạch chỉnh lưu. Trên đồ thị dạng sóng chỉnh lưu với tải R-L (hình
2.3) thấy rằng, trong khoảng 0<θ< θ
1
dòng i
d
tăng từ từ và cuộn cảm L tích
lũy năng lượng. Trong khoảng θ
1
< θ < θ
2
dòng vào giảm dần, sức điện động
tự cảm e sinh một dòng điện cùng chiều với dòng vào vì vậy dù U
i
đã đổi
chiều nhưng vẫn có dòng qua tải. Trong thực tế đối với mạch tải R+L người ta
dùng một Diode D
r
mắc song song với tải để dẫn dòng tự cảm hoàn trả năng
lượng, vừa để duy trì dòng điện tải trong nửa chu kỳ âm của điện áp nguồn

vừa bảo vệ Diode. Dòng điện i đạt giá trị cực đại tại θ
1
.
U(t)
t

2
3
u
i
U
m

I
m

0
25




Hình 2.3. Đồ thị sóng dòng và áp sau chỉnh lưu
với tải thuần trở điện cảm
2) Mạch chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ
Xét sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu hai nửa chu kỳ (hình 2.4). Hình
2.4 –a là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ có biến áp chỉnh lưu, hình 2.4 –c là sơ đồ
chỉnh lưu cầu cả chu kỳ, hình 2.4 –b là sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ có biến áp
chỉnh lưu có điều khiển góc mở .

Hình 2.4 Chỉnh lưu cả chu kỳ
a) không điều khiển; b) có điều khiển; c) chỉnh lưu cầu
0

2
3
U(t)
u
i
t
D
1

C
U
1

U
1

Th
1

C
+
0
0
+
b)
D
2

Th
2

a)
C
U
1

0
+
4D
c)