Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu có điều khiển cho tải nạp ác quy

Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

ĐỒ ÁN THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN
* ) Đề tài thiết kế : Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu có điều khiển cho tải nạp ác quy
*) Các số liệu ban đầu :
Điện áp ác quy Ud = 24V, dòng dung lượng ác quy 250A/h. Điện áp nguồn cấp
U1= 220v, điều chỉnh dòng điện vào cấp trong dải từ 0 đến Idmax.

Đồ Án thiết bị điều khiển

1


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

LỜI NÓI ĐẦU
Nước ta hiện nay đang trên con đường Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa. Bởi vậy tự
động hóa đang phát triển mạnh trong những năm gần đây.Tự động hoá điều khiển
các quá trình sản xuất đã đi sâu vào từng ngõ ngách, vào trong tất cả các quá trình tạo
ra sản phẩm.
Ngày nay hầu như tất cả các máy móc thiết bị trong công nghiệp cũng như trong đời
sống hàng đều phải sử dụng điện năng , có thể là dùng hoàn toàn nguồn năng
lượng điện năng hoặc một phần năng lượng điện năng kết hợp với năng lượng khác.

Trên thực tế có những lúc rất cần năng lượng điện mà ta không thể lấy năng
lượng điện từ lưới điện được. Do đó ta phải lấy các nguồn điện dự trữ như Ăc quy.
Như vậy để có thể sử dụng được các nguồn ăcquy ta phải nạp điện cho ăcquy. Bởi
đó bộ chỉnh lưu nạp ăcquy tự động được sử dụng rộng rãi trong nhiều trường hợp
cụ thể là rất quan trọng , nếu thiếu nó sẽ không có nguồn điện vận hành , dự trữ cho
các máy móc thiết bị mà có thể không đáp ứng được chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật.

Đồ Án thiết bị điều khiển

2


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Mục lục
Chương I: Giới thiệu khái quát về Ăc quy
I. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của ăc quy…………………………..
……5
1. Cấu tạo…………………………………………………………….…..5
2. Nguyên lý làm việc……………………………………………………
6
II, Ắcquy
kiềm...............................................................................................
.7
1, Nguyên lý làm
việc................................................................................7

2, Quá trình hóa học trong ăc quy
kiềm....................................................8
III, Các thông số cơ bản của ăc
quy................................................................9
1, Dung
lượng............................................................................................
9
2, Điện
áp..................................................................................................
9
3, Điện trở
trong........................................................................................9
IV, Đặc tính phóng của
ăcquy........................................................................10
V, Các phương pháp nạp ăcquy tự
động.......................................................11
1. Phương pháp nạp ăcquy với dòng điện không
đổi...............................11
2. Phương pháp nạp với điện áp không
đổi..............................................12
3. Phương pháp nạp dòng
áp....................................................................12

Chương II : Chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu ………………………….13
I . Đối với chỉnh lưu 3 pha ……………………………………………………13
Đồ Án thiết bị điều khiển

3

Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

1. Chỉnh lưu cầu 3 pha ………………………………………………..……13
2.Chỉnh lưu tia 3 pha………………………………………………………..15
II. Đối với chỉnh lưu 1 pha………………………………………………….…16
1, Chỉnh lưu một nửa chu kỳ ………………………………………………..16
2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính…………………………..16
3 . Chỉnh lưu cầu một pha …………………………………………………..18
III . Chọn sơ đồ chỉnh lưu ………………………………………………….19

Chương 3 : Thuyết minh hoạt động cảu sơ đồ động lực
, vẽ các đường cong dòng điện và điện áp
của tải và các van dẫn
( Ud , Id , Uv , Iv ) …………………………….19
I . Tính toán và chọn van động lực ……………………………………….. 20

II./ Tính toán máy biến áp …………………………………………...22
1. Điện áp chỉnh lưu không tải…………………………………………….. 22
2. Công suất tối đa của tải………………………………………..………...23
3. Công suất nguồn cấp……………………………………….…..……….. 23
4, Tính toán sơ bộ mạch từ ……………………………………………….23
5, Tính toán dây quấn biến áp ………………………………………….23
6. Tính kích thước mạch từ ……………………………………………25
7 . kết cấu dây quấn …………………………………………………….26
8 ) Tính khối lượng sắt ………………………………………………...29
9 ) Khối lượng đồng …………………………………………………...29

10 ) Sụt áp trên MBA …………………………………………………..30
11 ) điện trở ngắn mạch MBA ………………………………………….31
12 ) Tổng trở ngắn mạch của MBA …………………………………….31
13 ) Điện áp ngắn mạch MBA ………………………………………….31
14 ) Điện áp ngắn mạch phần trăm của MBA ………………………….31

Chương 4 : Tính chọn các thiết bị bảo vệ……………...…32
I ) Bảo vệ quá dòng điện……………………………...…………………32
II ) bảo vệ quá điện áp cho thiết bị bán dẫn ……………………….…….34
Chương 5 : Tính toán cuộn kháng lọc dòng điện……...35
I ) Tính toán các cuộn kháng lọc - CKL dòng điện đập mạch……..……….35
1 ) điện áp rơi trên cuộn kháng …………………………………………….36
2) tính công suất trên cuộn kháng lọc …………………………………...36
3 ) tính toán lõi thép cuộn kháng lọc …………………………………….36
4 ) tính toán dây quán cuộn kháng ………………………………….…..36

Chương VI : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển …39
Đồ Án thiết bị điều khiển

4


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

A . Các bước thiết ……………………………………………………….39
1 / tìm hiểu về mạch điều khiển < nguyên tắc điều khiển >……………. 39

2 / sơ đồ khối mạch điều khiển …………………………………………..39
B ) tính toán các thông số của mạch điều khiển ………………………… 41
I/ Tính toán máy biến áp xung …………………………………………………41
II / Tính toán các khâu ………………………………………………………43
1 ) khâu đồng pha ……………………………………………………….….43
2 ) khâu tạo điện áp răng cưa ……………………………………………….44
3 ) khâu so sánh …………………………………………………………. 46
4 ) khâu khếch đaị xung cuối cùng……………………………………… 47
5 ) tạo nguồn nuôi …………………………………………….……………48
*/ Tính toán máy biến áp nguồn nuôi và đồng pha………………………..49

Chương I: Giới thiệu khái quát về Ắcquy
Hiện nay chúng ta có nhiều loại ắc quy, trong đó hai loại cơ bản là ắc quy axit và ắc
quy kiềm. Chúng ta xét từng loại sau:
I, Cấu tạo và nguyên lý làm việc của Ăc quy axit:
1. Cấu tạo :
- Bình ăc quy được chia thành nhiều ngăn, thong thường là 6 ngăn. Mỗi ngăn ăc
quy 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 ăc quy là 12V.
- Vỏ bình ăc quy 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 ăc quy
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
Đồ Án thiết bị điều khiển

5

Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

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 dung làm bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng là chì
xốp.
Khi ăc quy hoạt động chất hoạt tính tham gia đồng thời vào các phản ứng hoá
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 chum cực ở trong mỗi ngăn
của ăc quy đơn.
Chùm bản cực dương và chum bản cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng
giữa hai bản cực khác tên lại được đặt them một tấm cách, tấm cách được
làm từ chất cách điện để cách điện giữa hai bản cực như nhựa xốp, thuỷ tinh
hay gỗ.
- Phần nắp của ăc quy để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa
bụi và các vật khác 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
thong hơi nhỏ. Ở một số loại ắcquy lỗ thong hơi có thể được chế tạo riêng
biệt.
Để đảm bảo về độ kín của bình ăc quy, xung quanh mép của nắp ăc quy và
xung quanh các lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa chuyên dụng. Dung
dịch điện phân dung trong ăc quy thường là hỗn hợp axit sunfuric H 2SO4 được
pha chế theo tỷ lệ nhất định với nước cất.

2. Nguyên lý làm việc :
a, Quá trình nạp:
Khi ăc quy 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 + H2SO4 = PbSO4 + H2O
Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của ăc quy thì dòng điện một chiều
được khép kín qua mạch ăcquy và dòng điện đi theo chiều: Cực dương của nguồn
một chiều → Dung dịch điện phân → Đầu cực 2 của ăcquy → Cực âm của nguồn
một chiều.
Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân ly:

Đồ Án thiết bị điều khiển

6


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

H2SO4 → 2H+ + SO42Cation H+ theo dòng điện đi về phía bản cực nối với âm nguồn điện và tạo thành
phản ứng tại đó:
2H+ + PbSO4 → H2SO4 + Pb
chạy về phía chùm bản cực nối với dương nguồn

Các anion SO42điện và
cũng tạo thành phản ứng tại đó:

PbSO4 + H2O + SO42- → PbO2 + 2H2SO4

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 hai 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
oxy (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.
Ăc quy 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
ăc quy đã hoàn thành.
b, Quá trình phóng điện của ăc quy:
Nối hai bản cực của ăc quy đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một bong
đèn thì năng lượng tích trữ trong ăc quy sẽ phóng qua tải, làm cho bóng đèn
sáng. Dòng điện của ăcquy sẽ đi theo chiều: Cực dương của ăcquy (đầu cực đã nối
với cực dương nguồn nạp) → Tải (bóng đèn) → Cực âm của ăcquy → Dung dịch
điện phân → Cực dương của ăcquy.
Quá trình phóng điện của ăcquy, phản ứng hoá học xảy ra trong ăcquy như
sau:
Tại cực dương:
PbO2 + 2H+ + H2SO4 +2e → PbSO4 + 2H2O
Tại cực âm :
Pb + SO42- → PbSO4 + 2e
Như vậy khi ăcquy 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
Đồ Án thiết bị điều khiển

7

Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăcquy cũng giảm dần .
II, Ắcquy kiềm:
1. Nguyên lý làm việc :
Ăcquy kiềm là loại ăcquy mà dung dịch điện phân được dùng trong ăcquy là dung
dịch kiềm KOH và NaOH. Tuỳ thuộc vào cấu tạo của bản cực, ăcquy kiềm được
chia thành 3 loại:
- Loại ăcquy sắt - niken, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng sắt (Fe)
và niken (Ni).
- Loại ăcquy cadimi - niken, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng
cadimi (Cd) và niken (Ni).
- Loại ăcquy bạc - kẽm, là loại ăcquy có bản cực chế tạo bằng bạc (Ag)
và kẽm (Zn).
Trong ba loại trên thì loại thứ ba 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 ăc quy axit, ăc quy kiềm có nhược điểm là giá 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 ăc quy axit.
- Quá trình nạp điện cho ăc quy 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 ăc quy.
Ăc quy kiềm có cấu tạo tương tự như ăc quy axit, tức là nó cũng gồm dung dịch
điện phân, vỏ bình ăc quy, các bản cực,...
Bản cực của ăc quy 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 chùm bản
cực âm được hàn nối như chùm bản cực của ăc quy axit để đưa ra các vấu cực cho
ăc quy. Các chùm bản cực được đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ
bình bằng lớp nhựa vinhiplat.
Loại ăc quy 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 ăc quy kiềm sắt - niken thì trong hộp 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.
Đồ Án thiết bị điều khiển

8


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Loại ăc quy 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 ác quy kiềm :
Giống như trong ăc quy axit, quá trình hoá học trong ăcquy kiềm cũng là quá
trình thuận nghịch

Nếu bản cực của ăc quy kiềm là sắt-niken thì phản ứng hoá học xẩy ra trong ăcquy
như sau:
Trên bản cực dương:
Ni(OH)2 + KOH + OHNi(OH)3 + KOH Trên
bản cực âm:
Fe(OH)2 + KOH Fe + KOH + 2OHNhư 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
hoá thành Ni(OH)3. Chất điện phân KOH có thể xem như nó không tham gia
vào phản ứng hoá học mà chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, do đó sức điện
động của ăcquy hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân. Sức
điện động của ăc quy chỉ đựoc xác định dựa trên trạng thái của các chất tác
dụng ở các tấm cực.
Thông thường ăc quy kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động sẽ đạt được
khoảng 1,7 đến 1,85V. Khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn, sức điện động của
ăcquy là 1,2 đến 1,4V.
Như vậy điện thế phóng điện của ăc quy kiềm thấp hơn ăc quy axit. Nếu ở
ăc quy axit điện thế phóng điện bình quân là 2V thì ở ăc quy kiềm chỉ là
1,2V.
Hiện nay các nhà thiết kế, chế tạo ăc quy chưa dừng lại ở những kết quả đã đạt
được, người ta đã chế tạo được những ăc quy kiềm mới khá nhỏ và nhẹ, nhưng vẫn
có các thông số kỹ thuật của ăc quy axit.
Những ăc quy 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 bền
vững. Những tạp chất mới được trộn vào trong chất tác dụng sẽ cải thiện đặc
tính phóng điện của ăcquy một cách đáng kể. Nhiều ăc quy mới đã không có
cầu nối trên nắp và kết cầu vỏ bình cũng thay bằng những vật liệu rất nhẹ
nên giảm được chiều dày thành bình, ăc quy cũng ít phải chăm sóc hơn.

Đồ Án thiết bị điều khiển

9


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

III, Các thông số cơ bản của ăc quy:
1. Dung lượng : Là điện lượng của ăc quy đã được nạp đầy, rồi đem cho phóng
điện liên tục với dòng điện phóng 1A tới khi điện áp của ăcquy giảm xuống
đến trị số giới hạn quy định ở nhiệt độ quy định. Dung lượng của ăc quy được
tính bằng ampe-giờ (Ah).
2. Điệp áp : Tuỳ thuộc vào nồng độ chất điện phân và nguồn nạp cho ăc quy
mà điện áp ở mỗi ngăn của ăc quy khi nó được nạp đầy sẽ đạt 2,6V đến 2,7V
(để hở mạch), và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là 1,7V đến 1,8V.
Điện áp của ăc quy không phụ thuộc vào số lượng bản cực của ăcquy nhiều
hay ít.
3. Điện trở trong : là trị số điện trở bên trong của ăc quy, bao gồm điện trở
các bản cực, điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các
tấm ngăn giữa các bản cực. Thường thì trị số điện trở trong của ăcquy khi đã
nạp đầy điện là (0,001-0,0015) Ω và khi ăc quy đã phóng điện hoàn toàn là
(0,02-0,025)Ω .

IV, Đặc tính phóng của ăcquy:
Đặc tính phóng của ăc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện
động, điện áp ăcquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi
dòng điện phóng không thay đổi.
Từ đặc tính phóng của ăc quy 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 đoạn này độ dốc của đường đặc tính không lớn, ta gọi đó là giai
đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với
mỗi chế độ phóng điện của ăc quy (dòng điện phóng).

Đồ Án thiết bị điều khiển

10


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Hình 1: Đặc tính phóng nạp của ăc quy

- Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta tiếp
tục cho ăcquy phóng điện sau thời gian tgh thì sức điện động, điện áp
- của ăcquy giảm rất nhanh. Mặt khác các tinh thể sunfat chì (PbO2) tạo
- thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan (bị biến đổi
hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ăc quy sau này. Thời
điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ăc quy, các giá trị EP,
UP, ρ tại tgh được gọi là các giá trị phóng điện của ăc quy, ăc quy
không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%.
Thời gian này được gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng làm cho
phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng bản cực được biến đổi tuần
hoàn, nhờ đó làm tăng dung lượng phóng điện của ăcquy.

- Thời gian nạp no cho ăcquy kéo dài từ 2-3h, trong suốt thời gian đó
hiệu điện thế trên các bản cực ăc quy và nồng độ dung dịch điện phân
không thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi ăc quy phóng điện
luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ăc quy.
- Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ăc quy giảm xuống
và ổn định. Thời gian này cũng gọi là thời gian nghỉ của ăc quy sau
khi nạp.

Đồ Án thiết bị điều khiển

11


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

- Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của
ăcquy. Dòng điện nạp định mức với ăc quy là: In = 10%C10. Trong đó
C10 là dung lượng của ăc quy mà với chế độ nạp với dòng điện định
mức là In=0,1C10 thì sau 10h ăc quy sẽ đầy.
V, Các phương pháp nạp ăcquy tự động:
Có ba phương pháp nạp ăcquy là:
- Phương pháp dòng điện
- Phương pháp điện áp
- Phương pháp dòng áp
1. Phương pháp nạp ăcquy với dòng điện không đổi :
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại

ăcquy, bảo đảm cho ăcquy được no. Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng
bảo dưỡng sữa chữa để nạp điện cho ăcquy hoặc nạp sửa chữa cho các ăcquy bị
sunfat hoá. Với phương pháp này ăcquy được mắc nối tiếp với nhau và phải thoả
mãn điều kiện:
UN ≥ 2,7.N aq
Trong đó: UN - Điện áp nạp
Naq - Số ngăn ăcquy đơn trong mạch.
Trong quá trình nạp điện sức điện động của ăcquy tăng dần lên, để duy trì dòng
điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch biến trở R. Trị số gián hạn của biến trở
được xác định theo công thức:
R=

U N − 2.N aq
In

Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng không đổi là thời gian nạp kéo
dài và yêu cầu các ăcquy 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 ăc quy 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 ăc quy mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện
thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3-2,5)V cho mỗi ngăn
đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng
nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên với phương pháp này ăcquy
không được nạp no, do đó nó chỉ dùng bổ sung nạp cho ăcquy trong quá
trình sử dụng.

Đồ Án thiết bị điều khiển

12


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

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 của đề tài là nạp ăcquy tự động tức là trong quá trình nạp
mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được tự động diễn ra theo một trình tự
đã đặt sẵn thì ta chọn phương pháp nạp ăc quy là phương pháp dòng áp.
- Đối với ăcquy axit:
Để đảm bảo thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng
thời gian tn = 8h tương ứng với 75%-80% dung lượng ăcquy ta nạp với
dòng không đổi là In = 0,1C10. Vì theo đặc tính nạp của ăcquy trong đoạn
nạp chính thì khi dìng điện không đổi thì điện áp, sức điện động tải ít
thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bị nạp. Sau thời
gian 8h ăcquy bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi
thời gian nạp được 10h thì ăcquy bắt đầu no, ta nạp bổ sung thêm 2-3h.
- Đối với ăcquy kiềm:
Trình tự nạp cũng giống như ăcquy axit nhưng do khả năng quá tải của ăcquy
kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2.C10 hoặc nạp cưỡng
bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5.C10.
Các quá trình nạp ăcquy tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn

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

Chương II : Chọn sơ đồ mạch chỉnh lưu
Hiện nay có nhiều phương pháp để nạp ác quy nhưng thường sử dụng nhất là dùng
Đồ Án thiết bị điều khiển

13


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

nguồn điện xoay chiều có bộ chỉnh lưu .

Nguồn điện xoay chiều lại có nhiều loại trong đó có 2 loại là : 1 pha và 3 phổ biến
nhất . Ứng với mỗi loại lại có các phương pháp chỉnh lưu khác nhau. Sau đây ta đi
nghiên cứu các loại cơ bản sau :
I . Đối với chỉnh lưu 3 pha :
1, Chỉnh lưu cầu 3 pha :

Hình 2: CL cầu 3 pha đối xứng

Đồ Án thiết bị điều khiển

14


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Hình 3: sơ đồ động lực , giản đồ đường cong cơ bản, điện áp tải khi goác mở α
=600
Đồ thị Ud, Id như hình vẽ
Ta thấy khi α ≤ 600 thì dòng điện liên tục và
U dα = U d 0 .cosα = 2,34.U 2 .cosα
Khi α > 600 thì dòng điện gián đoạn và :
1+ cos(α + 60)
U =
.U
d
do

2

Với chỉnh lưu cầu 3 pha tạo ra điện áp dây lớn , nhưng sự phức tạp của chỉnh lưu
của chỉnh lưu loại này cần phải mở đồng thời 2 van theo đúng thứ tự pha, gây khó
khăn khi vận hành sửa chữa nên loại này ta không dùng làm chỉnh lưu tải nạp
acquy
Đồ Án thiết bị điều khiển

15


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

2. Chỉnh lưu tia 3 pha :

Hình vẽ chỉnh lưu tia 3 pha
Chỉnh lưu loại náy có :
Nếu α > 300 thì :
U =
d

1+ cos(α + 30)
.U
do
3

Đồ Án thiết bị điều khiển

16


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Nếu α ≤ 300 thì :

U = cosα .U
d
do

Sơ với chỉnh lưu 1 pha thì chỉnh lưu 3 pha có chất lượng điện áp tốt hơn , biên dộ
điện áp đập mạch tốt hơn ,… nhưng điện 3 pha không thông dụng với các hộ gia
đình sử dụng nhỏ . Mà yêu cầu của việc thiết kế nguồn chỉnh lưu có điêu khiển cho
tải nạp acquy phải được sử dụng rộng rãi tại mọi nơi nên chỉnh lưu dùng nguồn điện
xoay chiều 3 pha ít được sử dụng mà người ta chọn nguồn điện xoay chiền 1 pha
II. Đối với chỉnh lưu 1 pha :
1, Chỉnh lưu một nửa chu kỳ:

Hình : CL một nửa CK

Hình 3: Đồ thị U,I

Ở sơ đồ chỉnh lưu này, điện áp ra bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ, khi điện áp

anod 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 lý mạch đơn giản.
Tuy nhiên, các chất lượng kỹ 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 dung trong thực tế.
2. Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính:

Đồ Án thiết bị điều khiển

17


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính là hai sơ đồ
chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ hoạt động dịch pha nhau 180 0. Ở mỗi chu kỳ có một
van dẫn cho dòng điện qua, cho nên ở hai nửa chu kỳ 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 kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần
số nguồn cấp (fđm = 2.f1).

Điện áp trung bình trên tải, khi điện áp gián đoạn như trên sơ đồ các đường cong
chỉnh lưu:
U =
d

Đồ Án thiết bị điều khiển

(1+ cosα )
.U
do
2

18


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Trong đó:
Ud0 = 0,9.U2: Là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển.
α - Góc mở của các Trisistor
Mỗi van chỉ dẫn trong ½ chu kỳ, 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:
U

nv

= 2. 2.U

~

*, Ưu điểm:
So với chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ, sơ đồ này cho chất lượn điện áp tốt hơn. Dòng
điện chạy 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 kỳ làm việc chế tạo biến áp 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 1 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 6: 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 kỳ,
biến áp thứ cấp có trung tính.
Đồ Án thiết bị điều khiển

19

Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

*, Hoạt động:
- Ở ½ chu kỳ đầu (dương); điện áp dương đặt vào anode T1, điện áp âm đặt
vào cathode T2, khi có xung mở T1, T2 thì T1, T2 dẫn, có dòng điện qua tải.
- Ở ½ chu kỳ sau (âm); anode T4 dương, cathode 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 điện một chiều.
*, Ưu điểm:
- Cho dạng điện áp, dòng điện ra giống như các dạng đường cong của chỉnh lưu cả
chu kỳ với biến áp có trung tính.
- Điện áp ngược của van phải chịu là:
U

nv

= 2.U

~

*, 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.

III . Chọn sơ đồ chỉnh lưu :

Ta có điện áp của ăc quy là Ud = 24V
Theo phần phân tích tải, mỗi ngăn ăc quy đơn có điện áp 2V, do đó có thể thấy ăc
quy gồm 12 ăc quy đơn. Theo phần “ Nạp ăc quy bằng phương pháp áp” thì khi nạp
cần giữ điện áp trên mỗi ngăn ăc quy đơn là (2,3-2,5)V. Vậy điện áp sau chỉnh lưu
lớn nhất là: U2 = 2,5.12 = 30V.
Do đó nếu ta dùng sơ đồ chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính thì điện áp
ngược van phải chịu là:
Unv = 2. 2.U2 = 2. 2.30 = 85V
Với Unv = 85V thì việc chọn van bán dẫn công suất không có gì là khó khăn.
Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha thì số lượng van sẽ tăng gấp đôi.
Do đó:
Ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cho mạch nạp ăc quy tự động là sơ đồ chỉnh lưu cả chu
kỳ với biến áp bên thứ cấp có trung tính.

Chương 3 :
Thuyết minh hoạt động cảu sơ đồ động lực , vẽ các đường
cong dòng điện và điện áp của tải và các van dẫn
( Ud , Id , Uv , Iv )
Đồ Án thiết bị điều khiển

20


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

I . Tính toán và chọn van động lực :

Ta có sơ đồ mạch động lực :

Đồ Án thiết bị điều khiển

21


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Hình vẽ Các đường cong chỉnh lưu
*) Thuyết minh hoạt động :
*, Hoạt động:
Sơ đồ chỉnh lưu bao gồm bộ nguồn chỉnh lưu hai nửa chu kỳ với
biến áp có
trung tính, tải ăc quy 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 (ăc quy) là dòng ổn định.
Đường cong dòng điện và điện áp của tải (ăc quy) Ud, Id được
biểu diễn như
hình vẽ. Ta thấy khi có them cuộn kháng lọc thì dòng điện ra
không bị gián
đoạn mà là dòng 1 chiều liên tục.
*) Tính toán van động lực :

Đồ Án thiết bị điều khiển

22


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

Theo yêu cầu thiết kế, mạch nạp cho ăc quy bao gồm 12 ngăn ăc quy đơn, mà điện
áp chỉnh lưu:
Ud ≥ 2,7.Naq
Trong đó: Naq = 12 - Số ngăn ăc quy đơn
Ta có : Ud =2,7.12 = 32,4 V, có thể lấy Ud = 33 V
Id = 10%.C10 = 0,1.250 = 25 A
Với chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính tra bảng các hệ số cơ bản của các sơ đồ
chỉnh lưu ta có :
K

nv

= 2 2 = 2,82

K hd =

1
=0,71
2

2 2
K =
= 0,9
u
∏

Từ đó ta có điện áp và dòng điện làm việc :
33
= 103, 4
0,9
25
I = K .I =
= 17, 75
lv
hd d
2

U

lv

= 2,82.

V
A

Vậy ta có thông số cần có của van động lực là :

= U .K

= 103, 4.2 = 206,8 V
lv dtU
I = K .I = 4.17, 75 = 71
A
nv
i lv

U

nv

Tra bảng thông số van ta chọn được loại van phù hợp với
U = 206,8 V, I = 71 A là C48C300
nv
nv
với các thông số như sau :
U = 300
V
nv
I

nv

= 80

=4
R
U =3
dk
I = 75

dk
∆U = 3,1
v
t = 80
cm
I

τ

max

A
mA
V
mA
V
us

= 1250 C

II./ Tính toán máy biến áp :

Đồ Án thiết bị điều khiển

23


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

Lớp TBĐ 1- K52

1, Điện áp chỉnh lưu không tải:
Ud0= Ud + ΔUV + ΔUba + ΔUdn
Với
Ud = 33V
ΔUV = 0,8V - Điện áp rơi trên Thysistor.
ΔUba = ΔUR + ΔUX - Là sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến
áp.
ΔUdn ≈ 0V - Sụt áp trên dây nối.
Vậy: Ud0. = 33 + 3,1 + 2 + 0 = 38,1 V
2, Công suất tối đa của tải:
Pdmax = Ud0.Id
→ Pdmax = 38,1.25 = 925,5 (W).
3, Công suất nguồn cấp:
Sba = ks.Pdmax
Trong đó:
- Sba - Công suất biểu kiến của máy biến áp [VA].
- ks - Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực.
Theo bảng 1.2, ta có ks đối với chỉnh lưu 2 nửa chu kỳ với biến áp có trung tính là:
ks = 1,48.
→ Sba = 1,48. 925,5 = 1409,7 [VA]
4, Tính toán sơ bộ mạch từ :
S
Q = K . ba
Fe
Q m. f

Trong đó :

QFe - Tiết diện trụ của lõi thép biến áp, cm2
kQ - Hệ số phụ thuộc vào điều kiện làm mát chọn kQ = 5
m - Số pha của máy biến áp (MBA), m = 1
f - Tần số nguồn điện xoay chiều f = 50Hz

=>

Q = 5.
Fe

1409,7
= 26,55 cm2
1.50

5, Tính toán dây quấn biến áp :
Đồ Án thiết bị điều khiển

24


Nguyễn Văn Hùng

MSSV : 20071415

U .104
W=
4,44. f .QFe .B

Lớp TBĐ 1- K52

Vòng

Trong đó
- w - Số vòng dây quấn
- U - Điện áp của cuộn dây cần tính
- B - Từ cảm, B = (1,0-1,8) Tesla, chọn B = 1,0 Tesla
- QFe - Tiết diện lõi thép
* ) Bên sơ cấp : U1 = 220 v
U1.104
220.104
=
= 373
W1 =
4,44. f .QFe .B
4,44.50.26.55.1

( Vòng )

* ) Bên thứ cấp : ( có 2 cuộn thứ cấp như nhau )
U
38,1
U = d0 =
= 42,33 V
2 K
0.9
u

Số vòng dây:
U 2 .104

42,33.104
=
= 72
W2 =
4,44. f .QFe .B
4,44.50.26.55.1

( Vòng )

*) Tính dòng điện trong các cuộn dây MBA :
+) Bên thứ cấp :
I2

K2 = I
( K2 tra bảng 8.2 ta được K2 = 0,71 )
d
=> I2 = K2. Id = 0,71 . 25 = 17,75 ( A)
+) Bên sơ cấp :
I1
K1 = Id .K
ba

Và

( K1 tra bảng 8.2 ta được K1 = 1,0 )

U
Kba = 2

U1

=> I2 = K1. Id .

U2
U1

Đồ Án thiết bị điều khiển

= 1. 17,75.

42,33
= 3,415
220

A

25