Đồ án môn học điện tử công suất

Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn, làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện t

CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về ắc-quy

Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm

nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn, làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử.v.v…

Các tính năng cơ bản của ăc-quy:

.Sức điện động lớn ,ít thay đổi khi phóng nạp điện .Sự tự fóng điện bé nhất

.Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ăc-quy phóng ra

.Điện trở trong của ăc-quy nhỏ Nó bao gồm điện trở của các bản cực ,điện trở dung dịch điện fâncó xét đén sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực Thường trị số điện trở trong của quy khi đã nạp điện đầy là 0.001Ω đến 0.0015Ω và khi ăc-quy fóng điện hoàn toàn là 0.02Ω đến 0.025Ω

Có hai loại ăc-quy là: ăc-quy a-xit (hay ăc-quy chì) và ăc-quy kẽm (ăc-quy sắt kền hay ăc-quy cadimi-kền) Trong đó ăc-quy a-xit được dùng fổ biến và rộng rãi hơn

1.Cấu tạo của ăc-quy :

Các bộ fận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:

-Các lá cực dương làm bằng được ghép song song với nhau thành một bộ chùm

Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài răng lược ,sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương

-Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập mạch giữa các điện cực khác dấu

-vỏ bình điện ăc-quy thường làm bằng cao su cứng ( êbonit ) đúc thành hinh hộp ,chịu được khí nóng lạnh ,va chạm mạnh và chịu a-xit.Dưới đáy bình có

các đế cao để dắt các lá cực lên ,khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì

đọng dưới rãnh đế ,như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực do mùn gây ra.Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng ,nắp có các lỗ để đổ điện dịch vào bình và đầu cưc luồn qua Nút đậy để điện dịch khỏi đổ ra

-Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với cực dương của ngăn ăc-quy tiếp theo

1

2.Quá trình biến đổi năng lượng của ăc-quy :

Ăc-quy là nguồn có tính chất thuận nghịch ,nó tích trữ và giải fóng năng lượng dưới dạng điện năng Quá trình ăc-quy cung cấp điện năng cho mạch ngoài gọi là quá trình fóng điện ,quá trình ăc-quy được dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện Trên thị trường hiện nay dùng fổ biến là ăc-quy a-xit.Loại ăc-quy này có bản cực dương là đi-ô-xít chì ( ) ,các bản cực âm là chì (Pb), dung dịch điện fân là a-xit

a.Quá trình nạp điện cho ăc-quy :

Khi đổ dung dịch a-xit sunfuric vào các ngăn của bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra

một lớp mỏng chì sunfat PbSO4:

PbO + H2SO4 → PbSO4 + H2O

Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu của ăc-quy thì dòng một chiều sẽ được khép kín qua mạch ăc-quy và dòng đó đi theo chiều: cực dương nguồn một chiều →đầu cực 1 ăc-quy →chùm bản cực 1→qua dung dịch điện fân→bản cực 2→đầu cực 2 của ăc-quy →cực âm nguồn một chiều

Dòng điện sẽ làm cho dung dịch điện fân fân ly:

Kết quả là ở các chùm bản cực được nối với bản cực dương của nguồn điện có chì điô-xit , ở chùm bản cực kia có chì Pb Như vậy , hai loại chùm cực đã có sự khác nhau về cực tính

Khi nạp ăc-quy ,lúc đầu điện thế tăng dần từ 2V÷2,4V Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng lên 2,7V và giữ nguyên.Thời gian này gọi là thời gian nạp no ,nó có tác dụng làm cho fân tử các chất tác dụng ở sâu bên trong lòng bản cực

được biến đổi hoàn toàn ,nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng fóng điện của ăc-quy Trong sử dụng thời gian nạp no của ăc-quy

thường kéo dài khoảng 2h÷3h , trong khoảng thời gian này hiệu điện thế của ăc-quy và nồng độ dung dịch điện fân không thay dổi.Sau khi ngắt mạch nạp , điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm xuống và ổn định, dây gọi là thời gian nghỉ của ăc-quy sau khi nạp

Có thể nạp điện cho ăc-quy với dòng điện cố định hoặc nạp ở điện thế không đổi Nạp ở dòng điện cố định sẽ nhanh nhưng tốn năng lượng hơn chế độ nạp ở điện thế không đổi

b.Quá trình fóng điện ở ăc-quy :

Trong quá trình fóng điện của ăc-quy , xảy ra các fản ứng hoá học sau: Tại cực dương : H2SO4 + PbO2 + 2H+ + 2e → PbSO4 + 2H2O

Tại cực âm: Pb + SO2−4 → + 2e

Như vậy khi ăc-quy fóng điện , chì sunfat lại được hình thành ở hai chùm bản cực , làm cho các bản cực dần dần trở lại giống nhau còn dung dịch a-xit bị fân tích thành catiôn 2 và aniôn , đồng thời quá trình fóng điện cũng tạo ra nước trong dung dịch , do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăc-quy giảm dần

Quá trình fóng điện của ăc-quy cũng có thể chia làm hai giai đoạn :ở giai đoạn đầu điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm chậm,đây gọi là giai đoạn fóng ổn định hay thời gian fóng điện cho fép của ăc-quy Trong giai đoạn tiếp theo ,điện áp ăc-quy sẽ giảm rất nhanh

3 Các thông số cơ bản của ăc-quy :

a.Sức điện động của ăc-quy :

Sức điện động của ăc-quy chì fụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện fân Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm : Eo = 0.85 + δ (V)

Eo : sức điện động tĩnh của ăc-quy đơn

δ: nồng độ dung dịch điện fân ở 15 0c(g/cm3)

-Sức điện động trong quá trình fóng điện của ăc-quy : Ep = Up + Ip.Rp Up là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi fóng điện Rp là điện trở trong của ăc-quy

-Sức điện động trong quá trình nạp điện của ăc-quy : En = Un – In.Rn Un là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi nạp điện

3

Rn là điện trở trong của ăc-quy b.Dung lượng của ăc-quy ( C ):

Dung lượng fóng là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ăc-quy cho fụ tải : Cp = Ip.Tp

Tp là thời gian fóng điện

Dung lượng nạp là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ăc-quy :

CHƯƠNG 2

Thiết kế mạch chỉnh lưu

Bộ chỉnh lưu được thiết kế nhằm biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều Theo dạng nguồn cấp xoay chiều,chúng ta chia các bộ chỉnh lưu thành một pha , ba pha hay n pha Các bộ chỉnh lưu này có thể là chỉnh lưu không điều khiển nếu dùng van chỉnh lưu là diode , chỉnh lưu có điều khiển nếu dùng van chỉnh lưu là tiristo , và chỉnh lưu bán điều khiển nếu van chỉnh lưu dùng cả diode lẫn tiristo

Với các số liệu cho trước như sau:

Điện áp định mức của ăc-quy nằm trong khoảng 5V đến 50V Dòng nạp định mức ăc-quy là 50A

Dòng nạp min của ăc-quy là 10A

Công suất nguồn nạp nhỏ hơn 10kw nên chọn bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu một pha Ta có thể dùng các sơ đồ sau :

Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển đối xứng

Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng

A Các phương án thiết kế mạch chỉnh lưu :

1 Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển:

Trong sơ đồ này ,máy biến áp fải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau ,ở mỗi nửa chu kỳ khi có xung tới điều khiển mở tiristo có một van dẫn cho dòng điện chạy qua số điện áp xoay chiều Hình dáng các đường cong điện áp và dòng điện tải (Ud,Id ) cho trên hình vẽ

Điện áp trung bình trên tải thuần trở được tính theo công thức :

Ud=Udo(1+cosα)2

Với Udo là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Unmax=22 U 2

Mỗi van dãn thông trong một nửa chu kỳ , do vậy dòng điện mà van bán dẫn fải chịu tối đa là bằng 1/2 dòng điện tải

Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van

2I

* Nhận xét : trong sơ đồ này , dòng điện chạy qua van không quá lớn Khi van dẫn ,điện áp rơi trên van nhỏ.Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản Tuy vậy ,việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau , mà mỗi cuộn chỉ làm việc trong nửa chu kỳ ,làm cho việc chế tạo máy biến áp phức tạp hơn và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn , mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫn fải chịu có trị số rất lớn

2 Chỉnh lưu cầu một fa có điều khiển một fa đối xứng:

Trong nửa chu kỳ đầu , lúc U2 > E điện áp anod của tiristo T1 dương lúc đó catod của T2 âm , nếu có xung điều

khiển cả hai van T1 ,T2 đồng thời ,thì các van này sẽ được mở thông để đặt điện áp lưới lên tải , T1 , T2 sẽ dẫn đến khi U2 <

Trong nửa chu kỳ sau , khi U2 > E , điện áp anod của tiristo T3 dương

lúc đó catod của T4 âm , nếu có xung điều khiển cả hai van T3 ,T4

này sẽ được mở thông để đặt điện áp lưới lên tải

Điện áp trung bình đặt lên tải:

Dòng trung bình chạy qua tiristo : Itb = Id/2 Dòng hiệu dụng chạy qua van :

2I

hd=

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Unmax=U22

* Nhận xét : So với sơ đồ trên ,ở sơ đồ này điện áp ngược lớn nhất đặt lên van chỉ bằng một nửa,biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn Tuy nhiên , sơ đồ này nhiều khi gặp khó khăn trong việc mở các van điều khiển , nhất là khi công suất xung không đủ lớn

3 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng :

Ở nửa chu kỳ đầu , khi > E , nếu có xung tới mở tiristo T1 , xuất hiện dòng chạy qua T1 , D1 Ở nửa chu kỳ sau , khi

> E , nếu có xung điều khiẻn mở tiristo thì T2 và D2 thông, cho phép dòng qua tải

Với Udo là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van

* Nhận xét : Ngoài những ưu điểm của sơ đồ cầu đối xứng thì ở sơ đồ cầu không đối xứng ,việc điều khiển mở các tiristo là đơn giản hơn Mặt khác , sơ đồ này sử dụng một nửa số van là diode và một nửa số van là tiristo nên giá thành của van giảm Vậy ta dùng sơ đồ chỉnh lưu cầu một fa có điều khiển không đối xứng để thiết kế nguồn nạp cho ăc-quy

7

Ud là điện áp trung bình trên tải ΔUba = ΔUr + là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp

UΔ

-Tính sụt áp trên máy biến áp : Máy biến áp công suất cữ chục KVA thuộc loại MBA

công suất nhỏ ,sụt áp trên điện trở khoảng 4%Ud , sụt áp trên cuộn kháng khoảng

Vậy ΔUba = 4%Ud + 1,5%Ud = 5,5%Ud

- Sụt áp trên van khi van dẫn : lấy sụt áp trên mỗi van khoảng 1,7V

Ta chọn loại diode 1N3976 có các thông số như sau : Imax = 250A ; Un = 200 V ; ΔUv = 0,6V

.Dòng định mức qua tiristo : ImT =91,3.1,8=164,3A

Với điều kiện làm mát tự nhiên thì dòng làm việc của tiristo chỉ bằng một fần ba dòng cho fép qua nó Do đó , dòng cho fép qua tiristo là : 164,3.3 = 492,9A

Ta chọn loại tiristo NLC510E có các thông số như sau :

Imax = 550A ; Un = 500V ; ΔUv = 1,5V ; Igmax = 150mA ; Ugmax = 6,5V ¾ Bảo vệ quá áp cho tiristo :

Trong quá trình hoạt động van có thể fải chịu các xung điện áp rất lớn so với điện áp mà van có thể chịu được Các xung điện áp đó có thể là do các nguyên nhân sau :

- Xung điện áp do quá trình chuyển mạch van

- Xung điện áp từ fía lưới xoay chiều mà nguyên nhân thường gặp là do tải có điện cảm lớn trên đường dây

- Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải

Để bảo vệ van khỏi các xung điện áp ta dùng mạch RC mắc song song với tiristo như hình bên Khi có xung điện áp trên bề mặt tiếp giáp của van , mạch RC mắc song song với van bán dẫn tạo mạch vòng fóng điện tích tránh sự quá áp trên van

Theo kinh nghiệm người ta thường chọn các thông số RC có giá trị : R = 10Ω ; C = 1μF

2 Tính toán MBA cho mạch chỉnh lưu :

* Tính công suất MBA :

Điện áp chỉnh lưu không tải :

Trong đó Ks là hệ số công suất MBA Lấy Ks= 1,23 ( Sách hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất )

* Tính thông số áp dòng của các cuộn dây:

- Điện áp cuộn sơ cấp : U1 =220 V

- Dòng chạy trong cuộn thứ cấp : I2 =IT =91,3A

-Dòng chạy trong cuộn sơ cấp : I1=Sba/U1=6,76/220=30,7A * Tính toán dây quấn :

đường kính dây sơ cấp : 1=4.1/π=3,77mm -Tiết diện dây thứ cấp :

- Chọn các lá thép có độ dày là 0,4mm - Theo các công thức kinh nghiệm như sau :

b/a = 1,5 ; c/a =2 ; h/a = 2,5 ; e/a = 0,5 (Sách hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất )

→ a = 5,7cm ; b = 8,6cm ; c = 11,5cm ; h = 14,3 cm ; e = 2,87 cm → D = 2a + c =22,96 cm ; H = h + 2e = 20cm

* Tính kết cấu dây quấn : -Số vòng dây của mỗi lớp :

Trong đó cd là chiều dày lớp cách điện ( cd = 0,1mm ) - Tổng bề dày các cuộn dây :

Mcu=Vcu.mcu;mcu=8,9kg/dm3

Vcu=Scu1.l1+Scu2.l2

l1 là chiều dài dây quán sơ cấp

chiều dài dây quấn thứ cấp l2 được tính như sau:

trong đóDt,Dn là đường kính trong và ngoài của cuộn dây (sơ và thứ cấp ) Dtb là đường kính trung bình của cuộn dây (sơ và thứ cấp )

11

Vcu=Scu1.l1+Scu2.l2=11,2.47125 + 33,2.13916,5 = 0,99dm3

Vậy mcu = 0.99.8,9 = 8,9kg *Tính sụt áp bên trong MBA :

chọn dây sơ cấp có đường kính d1 = 4,1mm và điện trở trên một đơn vị chiều dài

CHƯƠNG 3

Thiết kế mạch điều khiển

A Giới thiệu chung về mạch điều khiển :

* Mạch điều khiển có các chức năng sau :

- Điều khiển được vị tri xung trong fạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặt lên anod và catod của tiristo

- Tạo được các xung đủ điều kiện mở được tiristo

( xung điều khiển thường có biiên độ từ 2V dến 10V ,độ rộng xung thường từ 20μs

là dòng duy trì của tiristo Idt

* Cấu trúc của một mạch điều khiển như sau :

- ĐF : khâu tạo điện áp đồng fa - Urc : điện áp răng cưa

- Uc : là điện áp điều khiển

- khâu 1 : khâu so sánh điện áp giữa Uc và Urc , khi Uc – Urc = 0 thì trigơ lật trạng thái

- khâu 2 : khâu tạo xung chùm - khâu 3 : là khâu khuyếch đại xung - khâu 4 : khâu biến áp xung

Bằng cách điều chỉnh Uc ta có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc α

13

B Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của mạch điều khiển :

Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển :

Điện áp hình sin sau khi qua MBA để tạo điện áp đồng fa , được đưa vào bộ chỉnh lưu cầu một fa và qua khâu so sánh A1 để tạo điện áp dạng xung hình chữ nhật UI Do có sự fóng nạp của tụ C1 , ở đầu ra của A2 có điện áp dạng răng cưa UII

UII sau đó được so sánh với điện áp điều khiển Uđk qua khâu A4 tạo điện áp xung chữ nhật Điện áp này qua diode D13 chỉ còn lại các xung dương UIV Thời điểm fát xung của A4 được điều chỉnh nhờ thay đổi điện áp Uđk Do đó góc điều khiển α có thể thay đổi khi điều chỉnh Uđk

Khâu A3 và diode D2 tạo xung chùm có điện áp dương UIII Độ rộng của các xung này tuỳ thuộc vào giá trị R4 và C2 được xác định dựa trên yêu cầu của tiristo cần điều khiển

Các điện áp UIV và UIII qua fần tử AND và được đưa vào khâu khuyếch đại xung và biến áp xung để tạo các xung có công suất đủ lớn để mở các tiristo Khối phản hồi dòng điện ( bao gồm các khâu A5 và A7 ) tự động điều chỉnh dòng điện ổn định khi nó thay đổi trong quá trình nạp ăc-quy và tạo giá trị dòng nạp ban đầu theo yêu cầu của ăc-quy

Khối phản hồi áp (khâu A10 ) tự động điều chỉnh điện áp khi điện áp thay đổi

Điện áp fản hồi được so sánh với điện áp đặt trên biến trở VR1

Khi điện áp fản hồi Uf nhỏ hơn điện áp đặt ( bằng 93%Uđm của ăc-quy ) thì ở đầu ra của A6 xuất hiện xung âm làm khoá K2 và mở K1 cho fép ăc-quy vẫn nạp theo dòng

Khi Uf lớn hơn điện áp đặt thì ở đầu ra của A6 xuất hiện xung dương làm K2 mở và K1 đóng , lúc này ăc-quy chuyển sang chế độ nạp theo áp

Trong lúc nạp theo áp , khi điện áp nạp đạt giá trị 113%Uđm thì quá trình nạp được ngắt nhờ khâu bảo vệ quá áp ( gồm khâu A9 , tranzito T4 và rơle RH ) Dạng điện áp của các khâu trong mạch điều khiển như sau :