đồ án Điện tử công suất Thiết kế bộ sac ác qui

Lời nói đầu
Tự động hóa đã phát triển và mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn cho sự phát
triển tất cả các ngành kĩ thuật của thế giới. Tuy nhiên, ở nước ta nó mới được ứng dụng và
phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây. Nó giúp nước ta phát triển để tiến tới trở thành
một nước công nghiệp hóa – hiện đại hóa. Bởi vậy tự động hóa được nghiên cứu ở tất cả các
ngành kĩ thuật trong trường nói chung và ngành tự động hóa nói riêng.
Ngày nay, hầu như tất cả các máy móc thiết bị trong công nghiệp cũng như trong đời
sống hàng ngày đều phải sử dụng điện năng, phần lớn các thiết bị đều sử dụng điện lưới. Tuy
nhiên thực tế có những lúc rất cần năng lượng điện mà ta không thể lấy từ lưới được. Do đó
ta phải lấy các nguồn điện dự trữ như ắc qui, hơn nữa ắc qui được sử dụng nhiều trong công
nghệ ô tô,xe máy…
Do vậy mà việc có một công nghệ nạp ắc qui tối ưu là rất cần thiết và quan trọng.
Trong đồ án này, chúng em được giao đề tài “ Thiết kế bộ nạp ắc qui….”. Trong quá trình
làm chúng em được sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy để chúng em hoàn thành đồ án một cách tốt
nhất.
Em xin chân thành cảm ơn.
Đồ án được trình bày có các nội dung chính sau:


Chương 1: Giới thiệu khái quát về ắc qui
Hiện nay chúng ta có nhiều loại ắc qui, trong đó có hai loại cơ bản là ắc qui axit và ắc
qui kiềm. Chúng ta xét từng loại sau:
I – Cấu tạo và nguyên lí làm việc của ắc qui axit
1.Cấu tạo
- Bình ắc qui được chia thành nhiều ngăn, thống thường là 6 ngăn. Mỗi ngăn ắn qui
đơn cho điện áp đầu ra là 2V. Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộ
nguồn ắc qui là 12V.
- Vỏ bình ắc qui được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó
mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite. Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạo
thành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một ắc qui đơn. Dưới đáy bình ta làm
hai yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực. Mục đích là để các bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạch

khi trong đáy bình có lắng đọng các cặn bẩn.
- Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xương
dọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bản
cực.
Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trên bản cực là dioxit chì.
Nếu bản cực dùng làm bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng làm chì xốp.
Khi ắc qui hoat động chất hoạt tính tham gia đồng thời vào các phản ứng hóa học
càng nhiều càng tốt, do đó để tăng bề mặt tiếp xúc của các chất hoạt tính với dung dịch điện
phân, người ta chế tạo chất hoạt tính có độ xốp, đồng thời đem ghép những tấm cực cùng tên
song song với nhau thành một chùm cực ở trong mỗi ngăn của ắc qui đơn.
Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng giữa hai bản
cực khác tên lại được đặt thêm một tấm cách, tấm cách được làm từ chất cách điện để cách
điện giữa hai bản cực như nhựa xốp, thủy tinh hay gỗ.
- Phần nắp của ắc qui để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và các
chất từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bị
tràn ra ngoài. Trên nắp bình có các lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân, các lỗ này được
nút kín bằng các nút có lỗ thông hơi nhỏ. Ở một số loại ắc qui lỗ thông hơi có thể được chế
tạo riêng biệt.


Để đảm bảo về độ kín của bình ắc qui, xung quanh mép của ắc qui và xung quanh các
lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa chuyên dụng. Dung dịch điện phân dùng trong ắc qui
thường là hỗn hợp axit sunfuric H2SO4 được pha chế theo tỉ lệ nhất định với nước cất.

2.Nguyên lí làm việc
a, Quá trình nạp
Khi ắc qui đã được lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn bình thì
trên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO 4). Vì chì tác dụng với axit theo phản
ứng:
PbO + H 2 SO4 → PbSO4 + H 2O

Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của ắc qui thì dòng điện một chiều
được khép kín qua mạch ắc qui và dòng điện đi theo chiều: Cực dương của nguồn điện một
→
→
→
chiều Dung dịch điện phân đầu cực 2 của ắc qui cực âm của nguồn một chiều.
Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân li:
H 2 SO4 → 2 H + + SO42−

Cation H+ theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo thành phản
ứng tại đó:
2H + + PbSO4 → H 2 SO4 + Pb

SO42−

Các anion
thành phản ứng tại đó:

chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn điện và cũng tạo
PbSO4 + H 2O + SO42− → PbO2 + 2 H 2 SO4

Kết quả là ở bản cực nối với dương nguồn điện có PbO 2 (chì dioxit) và ở chùm bản
cực kia có chì Pb, như vậy ở chùm bản cực đã có sự khác nhau về cực tính.
Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng axit sunfuric
bổ sung vào dung dịch điện phân, đồng thời trong quá trình nạp điện dòng điện còn phân tích
ra trong dung dịch điện phân khí hydro (H2) và oxi (O2), lượng khí này sủi lên như bọt nước
và bay đi, do đó nồng độ của dung dịch điện phân trong quá trình nạp điện được tăng lên.


Ắc qui được coi là đã nạp đầy khi quan sát thấy dung dịch sủi bọt đều (gọi đó là hiện

tượng sôi). Lúc đó ta có thể ngắt nguồn nạp và xem như quá trình nạp điện cho ắc qui đã
hoàn thành.
b, Quá trình phóng điện của ắc qui:
Nối hai bản cực của ắc qui đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một bóng đèn
thì năng lượng tích trữ trong ắc qui sẽ phóng qua tải, làm cho bóng đèn sáng. Dòng điện của
→
ắc qui sẽ đi theo chiều: Cực dương của ắc qui (đầu cực đã nối với cực dương nguồn nạp)
→
→
→
tải (bóng đèn) cực âm của ắc qui dung dịch điện phân cực dương của ắc qui.
Quá trình phóng điện của ắc qui, phản ứng hóa học xảy ra trong ắc qui như sau
Tại cực dương:
PbO2 + 2 H + + H 2 SO4 + 2e → PbSO4 + 2 H 2O

Tại cực âm:
Pb + SO42− → PbSO4 + 2e

Như vậy khi ắc qui phóng điện, chì sunfat lại được hình thành ở hai bản cực, làm cho
các bản cực dần trở lại giống nhau, còn dung dịch axit bị phân thành cation 2H + và anion
SO42−

, đồng thời quá trình cũng tạo ra nước trong dung dịch, do đó nồng độ của dung dịch
giảm dần và sức điện động của ắc qui cũng giảm dần.
II - Ắc qui kiềm
1.Nguyên lí làm việc
Ắc qui kiềm là loại ắc qui mà dung dịch điện phân được dùng trong ắc qui là dung
dịch kiềm KOH và NaOH. Tùy thuộc vào cấu tạo của bản cực, ắc qui kiềm được chia thành 3
loại:
-

Loại ắc qui sắt – niken, là loại ắc qui có bản cực chế tạo bằng sắt (Fe) và Niken (Ni).
Loại ắc qui cadimi – niken, là loại có bản cực chế tạo bằng cadimi (Cd) và Niken
(Ni).
Loại ắc qui bạc – kém, là laoij ắc qui có bản cực chế tạo bằng bạc (Ag) và kẽm (Zn).

Trong 3 loại trên thì loại thứ 3 có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng lượng và một
đơn vị thể tích là lớn hơn, nhưng giá thành của nó lại cao hơn vì phải sử dụng khối lượng bạc
tới 30% khối lượng của chất tác dụng, do đó loại này ít dùng.


So với ắc qui axit, ắc qui kiềm có nhược điểm là gí thành cao hơn, điện trở trong lớn
hơn, nhưng nó lại có các ưu điểm sau:
-

Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài.
Trong điều kiện máy khởi động, làm việc nặng nề hoặc cần có yêu cầu về độ tin cậy
cao thì nó có tính ưu việt hơn hẳn ắc qui axit.
Quá trình nạp điện cho ắc qui kiềm không đòi hỏi nghiêm ngặt về dòng điện nạp. Trị
số dòng điện này có thể lớn gấp 3 lần dòng định mức cũng chưa làm hỏng được ắc
qui.

Ắc qui kiềm có cấu tạo tương tự như ắc qui axit, tức là nó cũng gồm dung dịch điện
phân, vỏ bình ắc qui, các bản cực…
Bản cực của ắc qui kiềm được chế tạo thành dạng thỏi hoặc không thỏi. Giữa các bản
cực được ngăn cách bởi các tấm ebonit. Chùm bản cực dương và bản cực âm được hàn nối
như chùm bản cực của ắc qui axit để đưa ra các vấu cực cho ắc qui. Các chùm bản cực được
đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa vinhiplat.
Loại ắc qui dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi thỏi là một hộp làm bằng thép lá trên bề
mặt có khoan nhiều lỗ Φ = 0,2-0,3 mm để cho dung dịch thấm qua. Nếu là ắc qui kiềm sắt –

niken thì trong hộp các bản cực âm chứa sắt đặc biệt thuần khiết, còn trong bản cực dương là
hỗn hợp 75%NiO.OH và 25% bột than hoạt tính.
Loại ắc qui kiềm dùng bản cực không phân thỏi, thì bản cực được chế tạo theo kiểu
khung xương, rồi đem các chất tác dụng có cấu trúc xốp mịn để ép vào các lỗ nhỏ trên bản
cực.
2. Quá trình hóa học trong ắc qui kiềm
Giống như trong ắc qui axit, quá trình hóa học trong ắc qui kiềm cũng là quá trình
thuận nghịch. Nếu bản cực của ắc qui kiềm là sắt – niken thì phản ứng hóa học xảy ra trong
ắc qui như sau:
Trên bản cưc dương:
Ni (OH ) 2 + KOH + OH − → Ni (OH )3 + KOH

Trên bản cực âm:
Fe(OH ) 2 + KOH → Fe + KOH + 2OH −

Như vậy quá trình nạp điện, sắt hidroxit trên bản cực âm bị phân tích thành sắt
nguyên tố và anion OH- . Còn ở bản cực dương, Ni(OH)2 được chuyển hóa thành Ni(OH)3.
Chất điện phân KOH có thể xem như không tham gia vào phản ứng hóa học mà chỉ đóng vai


trò chất dẫn điện, do đó sức điện động của ắc qui hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chất
điện phân. Sức điện động của ắc qui chỉ được xác định dựa trên trạng thái của các chất tác
dụng ở các tấm cực.
Thông thường ắc qui kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động sẽ đạt được
khoảng 1,7 – 1,85V. Khi ắc qui đã phóng điện hoàn toàn, sức điện động của ắc qui là 1,2 –
1,4 V.
Như vậy điện thế phóng điện bình quân là 2V thì ở ắc qui kiềm chỉ là 1,2V.
Hiện nay các nhà thiết kế chế tạo ắc qui chưa dừng lại ở những kết quả đã đạt được,
người ta đã chê tạo được những ắc qui kiềm mới khá nhỏ và nhẹ, những vân có các thông số
kĩ thuật của ắc qui axit.

Những ắc qui mới đang hướng tới việc thay thế các bản cực bằng những hợp kim mới
có khả năng chống han gỉ, giảm kích thước và tăng tính bên vững. Những tạp chất mới được
trộn vào trong chất tác dụng sẽ cải thiện dặ tính phóng điện của ắc qui một cách đáng kể.
Nhiều ắc qui mới đã không có cầu nối trên nắp và kết cấu vỏ bình cũng thay bằng những vật
liệu rất nhẹ nên giảm được chiều dày thành bình, ắc qui cũng ít phải bảo dưỡng hơn.
III – Các thông số cơ bản của ắc qui
1. Sức điện động của ắc qui
Sức điện động của ắc qui axit phụ thuộc vào đặc tính lí hóa của vật liệu làm các bản
cực, dung dịch điện phân và được xác định bằng công thức thực nghiệm:

γ
E0 = 0,85 +

(V)

Trong đó :
-

E0 : Sức điện động tĩnh của ắc qui đơn, tính bằng Vol.
γ
: nồng độ dung dịch điện phân tính bằng vol qui về +150C.
Sức điện động của ắc qui khi phóng điện:
Ep = Up + Ip.raq
Trong đó:

-

Ip : dòng điện phóng (A)
Up : điện áp đo trên các bản cực của ắc qui khi phóng điện (V)

-

raq : điện trở trong của ắc qui, khi phóng điện hoàn toàn thì raq = 0,02
Sức điện động nạp En của ắc qui:

Ω

.


En = Un – In.raq (V)
Trong đó:
-

In : dòng điện nạp (A)
Un : điện áp đo trên các bản cực của ắc qui khi nạp điện (V).

-

Raq : điện trở trong của ắc qui khi nạp điện. Khi nạp no thì raq = (0,001 – 0,0015)

Ω

2. Dung lượng của ắc qui
Dung lượng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp hoặc tích trữ năng
lượng của ắc qui và được tính theo công thức:
Ci = Ii.ti (Ah)
Trong đó:
-

Ci : dung lượng thu được trong quá trình phóng nạp (Ah).
Ii : dòng điện phóng nạp ổn định (A)

IV – Đặc tính phóng nạp của ắc qui
1. Đặc tính phóng của ắc qui
- Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động,
điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện
phóng không thay đổi.

Hình 1. Đặc tính phóng của ắc qui


Từ đặc tính phóng của ắc qui ta có nhận xét:
-

-

-

Trong khoảng thời gian phóng từ t = 0 đến t = t gh (10h), sức điện động, điện áp và
nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong giai đoạn này độ dốc của
đường đặc tính không lớn, ta gọi đó là gian đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng
điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui (dòng điện phóng).
Từ thời điểm tgh trở đi, nếu tiếp tục phóng điện thì độ dốc sức điện động, điện áp của
ắc qui giảm rất nhanh, mặt khác các tinh thể sunfat chì (PbSO 4) tạo thành trong phản
ứng sẽ có dạng thô, rắn, khó hòa tan (biến đổi hóa học).
Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp và
nồng độ dung dịch điện phân của ắc qui lại tăng lên, đây là thời gian phục hồi hay
khoảng nghỉ của các ắc qui. Thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độ phóng điện
của ắc qui.

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

Hình 1.2. Đặc tính nạp của ắc qui
Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét sau:


-

Trong khoảng thời gian nạp từ t n = 0 đến tn = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ dung
dịch điện phân tăng dần lên.
Tới thời điểm tn = ts trên bề mặt các bản cực xuất hiện các bọt khí do dòng điện điện
phân nước thành oxi và hydro (còn gọi là hiện tượng sôi), lúc này điện thế giữa các
bản cực của ắc qui đơn tăng tới giá trị 2,4V, tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng
tới 2,7V và giữ nguyên, thời gian nạp này gọi là thời gian nạp no và thường kéo dài từ
2-3h, làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc qui.
Trong quá trình đó sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân là không thay đổi..

-

Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân giảm
xuống và ổn định. Đây là khoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp.
Trị số dòng nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui. Dòng điện
nạp định mức với ắc qui là In = 10%C10. Trong đó C10 là dung lượng của ắc qui mà
với chế độ nạp với dòng điện đinh mức là In = 0,1C10 thì sau 10h ắc qui sẽ đầy.

V – Các phương pháp nạp ắc qui tự động
Có ba phương pháp nạp ắc qui là :

-

Phương pháp dòng điện
Phương pháp điện áp
Phương pháp dòng áp

1. Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại ắc qui,
bảo đam cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa
chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sửa chữa cho các ắc qui bị sunfat hóa.
Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp với nhau và phải thỏa mãn điều kiện:
U N ≥ 2, 7.N aq

Trong đó :
-

UN : điện áp nạp
Naq : số ngăn ắc qui đơn trong mạch.

Trong quá trình nạp điện sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng điện
nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch biến trở R. Trị số giới hạn của biến trở được xác định
theo công thức:


R=

U N − 2 N aq
In

Nhược điểm của phương pháp này là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc qui đưa

vào nạp có cùng dung lượng định mức.
Để khắc phục thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện
nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn
bằng (0,3-0,6)C10 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui đã bắt đầu sôi. Dòng
điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C10.
2. Phương pháp nạp với điện áp không đổi
Phương pháp này yêu cầu ắc qui mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của
nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3-2,5)V cho mỗi ngăn đơn.
Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dóng nạp tự động
giảm theo thời gian. Tuy nhiên với phương pháp này ắc qui không được nạp no, do đó nó chỉ
dùng bổ sung nạp cho ắc qui trong quá trình sử dụng.
3. Phương pháp nạp dòng áp
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng được những ưu
điểm của mỗi phương pháp.
Đối với yêu cầu đề bài thì ta chọn phương pháp nạp ắc qui là phương pháp dòng áp.
-

Đối với ắc qui axit:

Để đảm bảo thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian t n = 8h
tương ứng với 75% - 80% dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi I n = 0,1C10. Vì
theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chinh thì khi dòng điện không đổi thì điện áp,
sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bi nạp. Sau thời
gian 8h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được
10h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ sung thêm 2-3h.
-

Đối với ắc qui kiềm:

Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do khả năng quá tải của ắc qui kiểm

lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp I n = 0,2C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm
thời gian với dòng nạp In = 0,5C10.
Các quá trình nạp ắc qui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp với
điện áp bằng điện áp trên hai cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không.
 Kết luận:


Từ các phân tích về tải ắc qui ta thấy: tải ắc qui là tải dung kháng, với đặc điểm là sức
điện động của ắc qui tăng dần trong quá trình nạp, tức là nếu ra giữ điện áp không thay đổi
thì dòng nạp sẽ giảm dần, làm quá trình nạp điện cho ắc qui kéo dài, do đó ta cần kiểm soát
được dòng nạp cho ắc qui. Thông thường ta nạp với 10% dòng dung lượng của ắc qui và giữ
ổn định dòng trong quá trình nạp. Tuy nhiên khi dung lượng cuar ắc qui đã đạt đến 80%, lúc
đó ta tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn dung dich điện phân. Do đó
đến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn áp được
giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự đầy. Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng điện áp
nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về 0, kết thúc quá trình nạp.

Chương 2: Phân tích, tính toán và lựa chọn sơ đồ
I – Chọn sơ đồ thiết kế
( Phân tích hoạt động, đánh giá ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, chọn sơ đồ hợp lí)
Theo yêu cầu của đề bài thiết kế:
………………….
Như vậy, nguồn cấp để nạp cho ắc qui là nguồn điện xoay chiều một pha. Xét các
phương pháp chỉnh lưu 1 pha:
1. Chỉnh lưu một nửa chu kì:

Hình 2.1. CL một nửa chu kì

Hình 2.2. Đồ thị U,I

Ở sơ đồ chỉnh lưu này, điện áp ra bị gián đoạn trong một nửa chu kì, điện áp anot của
van bán dẫn âm. Do vậy, điện áp có chất lượng không tốt, và trị số trung bình lớn nhất khi
không có điều khiển là:
Udo = 0,45.U2


Đây là loại chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lí mạch đơn giản. Tuy nhiên, các chất
lượng kĩ thuật như: chất lượng điện áp một chiều, hiệu suất sử dụng biến áp xấu.
Với hệ số sử dụng biến áp:
SBA = 3,09.Ud.Id
Do đó mà loại chỉnh lưu này ít được sử dụng trong thực tế.

2. Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính:
Sơ đồ chỉnh lưu

Hình 2.3. CL cả chu kì với biến áp trung tính
Các đường cong chỉnh lưu:


Hình 2.4. Các đường cong chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính
Có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính là hai sơ đồ chỉnh lưu 1
nửa chu kì hoạt động dịch pha nhau 1800. Ở mỗi chu kì có một van dẫn cho dòng điện qua,
cho nên ở hai nửa chu kì sóng điện áp tải trùng pha với sóng điện áp của cuộn dây có van
dẫn. Đặc điểm của loại chỉnh lưu này là phải có biến áp thứ cấp có hai cuộn dây với các
thông số giống hệt nhau.
Điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kì với tần số đập mạch bằng hai lần tần số
nguồn cấp (fđm = 2f1).
Điện áp trung bình trên tải, khi điện áp gián đoạn như trên sơ đồ các đường cong
chỉnh lưu:
Ud =

(1 + cos α )
U d0
2

Trong đó:
U d0
-

α

= 0,9U2 : điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển.
: góc mở của các tiristor


Mỗi van chỉ dẫn trong ½ chu kì, do đó dòng điện trung bình qua van tối đa bằng ½
dòng điện tải. Trong các loại sơ đồ chỉnh lưu, thì loại tải này có điện áp ngược của van phải
chịu là lớn nhất:
Unv = 2
-

•
•

2

U

Ưu điểm: so cới chỉnh lưu 1 nửa chu kì sơ đồ này cho chất lượng điện áp tốt hơn.
Dòng điện chay qua van không lớn, điện áp tổng rơi trên van nhỏ và việc điều khiển

van tương đối đơn giản.
Nhược điểm:
Việc chế tạo biến áp với hai cuộn thứ cấp giống hệt nhau và mỗi cuộn chỉ làm việc
trong ½ chu kì làm việc phức tạp và hiệu suất sử dụng biến áp xấu.
Điện áp ngược của van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất làm cho việc chọn van
bán dẫn khó khăn hơn.

3. Chỉnh lưu cầu một pha:
Chỉnh lưu cầu một pha có thể dùng sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điều
khiển, trong sơ đồ có điều khiển lại có sơ đồ điều khiển đối xứng và điều khiển không đối
xứng.
Ta xét sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng:

Hình 2.5. Chỉnh lưu cầu một pha
Sơ đồ chỉnh lưu này cho điện áp ra trên tải tương tự như sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì,
biến áp thứ cấp có trung tính.
Hoạt động:
-

Ở ½ chu kì đầu (dương): điện áp dương đặt vào anot T1, điện áp âm đặt vào catot T2,
khi có xung mở T1, T2 thì T1, T2 dẫn, có dòng điện qua tải.
Ở ½ chu kì sau (âm): anot T4 dương, catot T3 âm, khi có xung mở T3, T4 thì T3, T4
mở cho dòng điện qua tải theo chiều như khi T1, T2 dẫn. Tức là dòng điện qua tải là
dòng một chiều.


Ưu điểm:
-

Cho dạng điện áp, dòng điện ra giống như các dạng đường cong của chỉnh lưu cả chu

kì với biến áp có trung tính.
Điện áp ngược của van phải chịu là:

U nv = 2U 2
Nhược điểm:
-

Phải sử dụng nhiều van bán dẫn hơn, do đó tổng điện áp rơi trên van lớn hơn.
Việc điều khiển đồng thời các van khó khăn hơn.

4. Chọn sơ đồ chỉnh lưu

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ NẠP ACQUY
3.1. LỰA TRỌN BỘ CHỈNH LƯU

Ud
Ta có điện áp của acquy
= 12 (V) .
Theo phần phân tích tải, mỗi ngăn acquy đơn có điên áp 2V, do đó có thể thấy acquy gồm 6
ngăn acquy đơn. Theo phần “ nạp acquy bằng phương pháp ổn áp ” thì khi nạp cần giữ điện
áp trên mỗi ngăn acquy đơn là (2,3 – 2,5)V. Vậy điện áp sau chỉnh lưu lớn nhất là :

U 2 = 2,5.6 = 15(V)
Do đó, nếu ta dùng chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính, thì điện áp ngược van
phải chịu là :

U nv = 2 2U 2 = 2 2.15 = 42, 43(V)
U nv = 42, 43(V)
Với
thì việc chọn van bán dẫn công suất không có gì khó khăn. Nếu sử

dụng chỉnh lưu cầu một pha thì số lượng van sẽ tang gấp đôi.
Do đó : ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cho mạch nap acquy tự động là sơ đồ chỉnh lưu cả chu
ký với biến áp bên thứ cấp có trung tính.
3.2. THUYẾT MINH HOẠT ĐỘNG CỦA SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC


Hình 3.1: Sơ đồ mạch động lực

Hình 3.2: Các đường cong hỉnh lưu
• Hoạt động:

Sơ đồ chỉnh lưu gồm bộ nguồn chỉnh lưu hai nửa chu kỳ với biến áp có trung tính, tải
acquy được mắc nối tiếp với một cuộn kháng lọc để khắc phục sự gián đoạn của dòng điện
ứng với góc mở

α

nào đó để cho dòng điện qua tải (acquy) là dòng ổn định.

U d Id
Đường cong điện và điện áp của tải (acquy)
,
được biểu diễn như hình vẽ. Ta thấy
khi có thêm cuộn kháng lọc thì dòng điện ra không bị gián đoạn mà là dòng liên tục.
3.3. TÍNH TOÁN BIẾN ÁP VÀ THÔNG SỐ CÁC THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC
3.3.1. Chọn van


Hình 3.3: Sơ đồ mạch lực
Để chọn van ta phải dựa vào chế độ làm việc nặng nề nhất mà van phải chịu.

• Chỉ tiêu điện áp
Theo yêu cầu thiết kế, mạch nạp cho acquy bao gôm 6 ngăn acquy đơn, mà điện áp chỉnh

U d ≥ 2, 7.N aq
lưu :

N aq = 6
Trong đó :

- Số ngăn acquy đơn

⇒ U d = 2,7.6 = 16, 2(V)
U d = 0,9U 2 ⇒ U 2 = 18(V)
Mặt khác :
Điện áp ngược lớn nhất trên van :

U ng max = 2. 2.U 2 = 51(V)

⇒

Điện áp ngược định mức van :

U ndmv = 1,1.k dt .51 = 101(V)
Với 1,1 là do thực tế điện áp lưới không ổn đinh và được phép dao động nên áp
lưới có thể tăng lên 10%

k dt = 1,8

k dt
•

- là hệ số dự trữ cho van, chọn
Chỉ tiêu dòng điện:

I tbv =

Id 0,1.6
=
= 0,3(A)
2
2

Dòng điện trung bình qua van:
Do công suất tải thấp, chọn chế độ làm mát cho van tự nhiên dùng cánh tản nhiệt chuẩn
-

I tbv = (0, 2 − 0,3) I dmv ⇒ Idmv = 1(A)


U v > 101V I v = 1A
Vậy điều kiện chọn van là:
Theo bảng B3.1 Bảng thông số của các tiristor, ta chọn được van loại 2N6507 với các
thông số sau:

U nv = 350
-

Điện áp ngược van:

-

Dòng điện định mức:

-

Dòng điện xung điều khiển:

-

Điện áp xung điều khiển:

-

Thời gian chuyển mạch:

Idm = 25

V
A

Idk = 45
mA

U dk = 1,5

V

t cm = 40 µs

Tmax = 125ο C

Nhiệt độ làm việc cực đại:
Bảo vệ van bán dẫn khi chuyển mạch van bán dẫn:
Bảo vệ xung điện áp do quá trình đóng cắt các van được dùng mạch R–C mắc song song
với van bán dẫn như hình.
Khi có sự chuyển mạch, do phong ddienj từ van ra ngoài tạo nên xung điện áp trên tiếp xúc
P-N. Mạch R-C mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng phóng điến tích quá độ trong
quá trình chuyển mạch van.
Theo tài liệu thiết kế, ta có thể chọn các giá trị đó như sau:
•

R = (5 − 30)Ω → R = 15Ω
C = (0,5 − 4)µF → C = 2µF
Hình 3.4: Mạch bảo vệ van
3.3.2. Tính toán máy biến áp
Tính các thông số cơ bản
- Điện áp chỉnh lưu không tải:

U d0 = U d + ∆U V + ∆U ba + ∆U dn
U d = 16, 2V
Trong đó: -

- Điện áp chỉnh lưu

∆U V = 0,9V
-

- Điện áp sụt trên các van

∆U ba = 8%U d = 1,3V
-

- Sụt áp bên trong máy biến áp khi có tải


∆U dn ≈ 0
-

- Sụt áp trên dây dẫn (coi rất nhỏ).

U d0 = 16, 2 + 0,9 + 1,3 = 18, 4(V)
Vậy:
- Công suất tải tối đa:

Pd max = U d0 .Id = 18, 4.0,6 = 11,04(W)
- Công suất máy biến áp:

Sba = k s .Pd max = 1, 48.11,04 = 16,34(VA)
Với công suất máy biến áp nhỏ nên không cần quá cầu kỳ về tính toán biến áp, vì thế chúng
ta sẽ chọn biến áp có trung tính 220V/19V dòng (0,6 – 1) A.
3.4. Thiết kế mạch điều khiển
3.4.1. Nguyên lý điều khiển:
Điều khiển tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau, thường
gặp là điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính.
Nguyên tắc ngày được mô tả như hình:

Hình 3.5: Các đường cong điện áp quá trình điều khiển van


Q df
Ta có ddienj áp hình sin

van

α

đặt vào Anod của tiristor, để có thể điều khiển được góc mở

U RC
của tiristor ta cần tạo một điện áp tựa dạng răng cưa

như trên sơ đồ hình trên,

(U RC = U dk )

X dk

điện áp tàu bằng với điện áp điều khiển
thì ta phát xung mở tiristor
,
tiristor sẽ được mở từ khi có xung điều khiển cho tới cuối bán kỳ, hoặc cho tới khi nào dòng
điện I = 0.
3.4.2. Sơ đồ khối mạch điều khiển:
Để có thế điều khiển được van bán dẫn mở theo nguyên lý đã nêu ở trên, ta cần mạch điều
khiển với 3 sơ đồ khối được nêu ở hình:

Hình 3.6: Sơ đồ khối mạch điều khiển

U RC
Khâu đồng pha: có nhiệm vụ tạo điện áp tựa răng cưa
, thông thường là điện áp tựa
răng cưa dạng tuyến tính, trùng pha với điện áp anod của tiristor.

Khâu so sánh: nhận tín hiệu điện áp răng cưa và điện áp điều khiển, thực hiện công việc so

(U RC = U dk )
sánh giữa 2 điện áp, và tại thời điểm hai điện áp bằng nhau
thì phát xung điều
khiển tiristor gửi sang tầng khuếch đại (khâu tạo xung).
Khâu tạo xung: có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở tiristor, với yêu cầu cảu xung mở
tiristor là có sườn trước dốc thẳng đứng, để đảm bảo xung loại này là xung kim hoặc xung
chữ nhật, đủ độ rộng và công suất để mở được van và addamr bảo là cách ly giữa mạch điều
khiển và mạch động lực.

Hình 3.7: Dạng xung điều khiển van


Mạch điều khiển chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính gồm 2 kênh điều khiển. Mỗi

T1
kênh sẽ tạo xung tương ứng cho từng van
hay nửa chu kỳ âm của nó.

T2
cà

khi đến nửa chu kỳ dương của điện áp

T1
Ta có sơ đồ dạng điện áp qua bộ điều khiển xét cho kênh điều khiển van
- Khâu đồng pha:

như hình:

Hình 3.8: Sơ đồ khâu đồng pha

R1
Điện áp từ biến áp được đưa qua trở

A1
và qua khuếch đại thuật toán

U B > 0 Tr1
B có dạng xung vuông, khi điện áp

,

R3
đóng, mạch tích phân

(U Ra = − ∫

U v .dt
)
R 3 .C1

cho điện áp đầu ra có dạng răng cưa

, khi điện áp

sẽ ngắn mạch
và cho điện áp đầu ra là 0.
- Khâu so sánh:

Khâu so sánh nhận điện áp từ khâu đồng pha đưa sang

R4
qua
, tuy nhiện điện áp này là âm, tức là đồ thị nằm
dưới trục hoành, để kéo đồ thị điện áp tựa vào cổng cộng

R5
. Điện áp điều khiển được đưa

U dk = U RC

R6
vào so sánh qua trở

. Và khi nào điện áp

A3
thì đầu ra của
xung.

sẽ phát xung để đưa sang khâu tạo

C1
và

hoạt động,

U B < 0 Tr1

A2

1 điện áp dương qua

ta sẽ có điện áp ở

mở thông


Hình 3.9: Sơ đồ khâu so sánh
- Khâu tạo xung:

A3
Khâu tạo xung nhạn điều khiển từ

R7

C2
qua

tx

và
để tạo thời gian để mở van
đưa qua
biến áp xung là khâu khuếch đại để phát xung

T1
điều khiển mở các van

T2
và

.

Hình 3.10: Sơ đồ khâu tạo xung

Hình 3.11: Sơ đồ điện áp của một kênh điều khiển của mạch điều khiển
3.4.3. Tính toán thông số mạch điêu khiển:


Các thông số cần thiết:

U dk = 1,5
-

Điện áp điều khiển tiristor:

V

-

Dòng điện điều khiển tiristor:

-

Thời gian mở tiristor:

-

Độ rộng xung điều khiển:

-

Tần số xung điều khiển:

Idk = 150

mA

t m = 40µs

t x = 3.t m = 120 µs
f x = 11
kHz

∆α = 4ο

-

Độ mất đối xứng cho phép:

-

Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển:

U = ±12

s x = 0,15

V

Mức sụt biên độ xung:
a, Tính biến áp xung
- Chọn vật liệu làm lõi sắt là Ferit HM. Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một đăcj
-

∆B = 0,3T ∆H = 30

-

tính từ hóa có:
;
A/m.
Tỷ số biến áp xung: thường m = (2-3), chọn m=3.

-

Điện áp cuộn thứ cấp biến áp xung:

-

Điện áp sơ cấp biến áp xung:

-

Dòng điện thứ cấp biến áp xung:

-

U 2 = U dk = 1,5
V.

U1 = m.U 2 = 3.1,5 = 4,5

Dòng điện sơ cấp biến áp xung:

V.

I 2 = Idk = 45
mA

I
45
I1 = 2 =
= 15
m 3

µ tb =
-

mA

∆B
0,3
=
= 8.103
−6
µ 0 .∆H 1, 25.10 .30

Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt:

µ 0 = 1,25.10 −6
Với

(H/m) là độ từ thẩm của không khí

V = Q.l =
-

Thể tích lõi sắt cần có:

µ tb .µ0 .t x .s x .U1.I1
∆B2


V=

8.103.1, 25.10−6.120.10−6.0,15.4,5.0,015
= 0, 28.10−6
0,32
m3

(
)
Theo bảng 1.5 – Tài liệu thiết kế, Bảng thông số các loại lõi thép hình xuyến tròn. Ta
chọn được mạch từ OA-16/20-3 có thể tích:
V = Q.l = 0,06.5,56 = 0,3336
Trong đó: Q – Tiết diện của lõi thép hình xuyến.
l – Chiều dài trung bình của lõi thép.

Với các kích thước mạch như sau:
a = 2 mm
b = 3 mm
d = 16 mm
D = 20 mm

cm3

cm 2

Q = 0,06
l = 5,56 cm

Qcs = 2
Hình 3.12: lõi thép hình xuyến
- Số vòng dây quấn sơ cấp biến áp xung:
Theo định luật cảm ứng điện từ:

U1 = w1.Q.

dB
∆B
= w1.Q.
dt
tx

U1.t x
7,5.45.10−6
w1 =
=

≈ 188
Q.∆B 0,3.0,006,10−4
→

→

w2 =

w1
= 188 / 3 ≈ 63
m

- Chọn mật độ dòng điện:
Do biến áp xung làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại, nên ta chọn
- Tiết diện dây quấn sơ cấp:

J1 = J 2 = 4 A / mm 2


S1 =

I1 0,015
=
= 3,75.10−3
J1
4
mm 2

S2 =

I 2 0,045
=
= 0,01125
J2
4
mm 2

- Tiết diện dây quấn thứ cấp:

- Theo tài liệu thiết kế, thông số của dây đồng tiêu chuẩn ta chọn được loại dây:

S1
+ Sơ cấp:

= 0,005

mm 2 → d1 = 0,04

mm

S2 = 0,01327 mm 2 → d 2 = 0,13

+ Thứ cấp:
- Kiểm tra lại hệ số lấp đầy:

K ld =

=

mm

w1.S1 + w 2 .S2
QCS
188.0,004 + 63.0, 23
= 0,076
200

Vậy hệ số lấp đầy cho ta thấy lõi thép đã chọn đủ không gian để quấn dây.
b, Tính tầng khuếch đại cuối cùng:

Tr2
Chọn tranzitor công suất
loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông số:
- Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si

U CBO = 40

-

Điện áp giữa cực C và cực B khi hở mạch Emitter:

-

Điện áp giữa cực E và cực B khi hở mạch Colector:

V

-

Dòng điện lớn nhất ở Colleccto có thể chịu đựng:

mA

-

Công suất tiêu tán ở Collecto:

U EBO = 4

I C max = 500

PC = 1,7

-

Nhiệt độ lớn nhất ở mặt tiếp giáp:

-

Hệ số khuếch đại:

-

Dòng điện làm việc của Colecto:

W

T = 175ο C

β = 50

I C = I1 = 15mA

V