Đồ án Thiết kế mạch chỉnh lưu bán điều khiển nạp accquy

Tuy nhiên ắc quy axit được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn vì so vớiắc quy kiềm thì ắc quy axit có: - Sức điện động cao 2V , sụt áp trong quá trình phóng nhỏ.. 1.1.3 Đặc tính phóng đi

Đề tài:

“Thiết kế Mạch chỉnh lưu điều khiển Tiristo cho nạp accqui.”

Số liệu ban đầu:

12 bình Accqui 12V-100Ah.

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 độnghóa 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 Nó giúp nước ta phát triển để tiến tới trở thànhmột 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 nóiriêng

Ngày nay hầu như tất cả các máy móc thiết bị trong công nghiệp cũng nhưtrong đời sống hàng đều phải sử dụng điện năng, phần lớn các thiết bị đều sửdụng điên lưới Tuy nhiên thực tế có những lúc rất cần năng lượng điện mà takhông thể lấy năng lượng điện từ lưới điện được Do đó ta phải lấy các nguồnđiện dự trữ như ác quy, hơn nữa ác qui được sử dụng nhiều trong công nghệ ô tô,

xe máy …v…v…

Do vậy mà việc có một công nghệ nạp ác qui tối ưu là rất cần thiết và quan

trọng Trong đồ án này, em được giao đề tài “Thiết kế Mạch chỉnh lưu điều khiển

Tiristo nạp accqui” Trong quá trình làm chúng em luôn được sự giúp đỡ, chỉ bảo

hết sức tận tình của Thầy Nguyễn Tiến Mạnh, nhờ có Thầy chỉ dẫn mà em hoànthành đồ án một cách tốt nhất Tuy nhiên do có hạn chế về mặt kiến thức nên emkhông thể tránh khỏi những thiếu sót

Em xin cám ơn tất cả các thầy cô trong ngành Điện đã cho em được làm đồ

án đầy bổ ích này, đặc biệt em xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Tiến Mạnh,người luôn tận tình giúp đỡ và hướng dẫn chúng em

Em xin chân thành cảm ơn

Có nhiều loại ắc quy nhưng phổ biến là hai loại: ắc quy axit ( ắc quy chì) và ắcchi kiềm Tuy nhiên ắc quy axit được sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn vì so với

ắc quy kiềm thì ắc quy axit có:

- Sức điện động cao ( 2V ) , sụt áp trong quá trình phóng nhỏ

- Điện trở trong nhỏ

- Giá thành của ắc quy axit rẻ hơn so với ắc quy kiềm

Trong đồ án này em dùng ắc quy axit để nghiên cứu công nghệ và thiết kế nguồn nạp ắc quy

1.1.1 Cấu tạo

- Bình ăc quy được chia thành nhiều ngăn, thông thường là 6 ngăn Mỗingăn ắc quy đơn cho điện áp đầu ra là 2V Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6ngăn ắc quy với nhau ta sẽ có bộ nguồn ắc quy 12V

- Vỏ bình ắc quy được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịunhiệt, do đó mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite Phía trong vỏ bình cócác vách ngăn để tạo thành các ngăn cách riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt được gọi

là một ắc quy đơn Dưới đáy có 2 yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực Mục đích là đểcác bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạch khi trong đáy bình có lắng đọng cáccặn bẩn

- Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắncác xương dọc và xương ngang để tăng độ cứng và tạo ra các ô cho chất hoạt tínhbám trên bản cực Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trênbản cực là dioxit chì Nếu bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng là chì xốp

1.1.2 Dung lượng của ắc quy

Dung lượng của ác qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp hoặc tíchtrữ năng lượng của ác qui và được tính theo công thức:

Ci = Ii.t (Ah)

Trong đó:

Ci: dung lượng thu được trong quá trình phóng nạp (Ah)

Ii: dòng dịên phóng nạp ổn định (A) tp(h)

1.1.3 Đặc tính phóng điện của ắc quy

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acqui

và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng khôngthay đổi

Hình 1.1: Đặc tính phóng điện

Từ đồ thị ta có các nhận xét sau:

- Trong khoảng thời gian phóng từ tp =0 tới tp = tgh, sức điện động, điện áp

và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên độ dốc của các đồ thị

là không lớn, đây là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện chophép của ác quy

- Từ thời điểm tgh trở đi, nếu tiếp tục phóng điện thì độ dốc sức điện động,điện áp của acqui giảm rất nhanh, mặt khác các tinh thể sunfat chì ( PbSO4)tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô, rắn, khó hoà tan (biến đổi hoáhọc)

- 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 ác qui lại tăng lên, đây là thờigian hồi phục hay khoảng nghỉ của ác qui thời gian phục hồi này phụ thuộcvào chế độ phóng điện của ắc qui.

là thời gian nạp no và thường kéo dài từ 2-3h, làm tăng thêm dung lượngphóng điện của acqui

Trong quá trình đó sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân là khôngthay đổi:

- Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động và nồng độ dung dịch điệnphân giảm xuống và ổn định Đây là khoảng nghỉ của ác qui sau khi nạp.

- Dòng điện nạp định mức đối với ác qui qui định bằng 0,5.C20 (0,1.C10)

1.2 Các phương pháp nạp ắc quy

1.2.1 Phương pháp nạp ổn áp U=const

- Phương pháp nạp áp, ắc quy được mắc song song với nguồn nạp Hiệu điệnthế cho mỗi ngăn đơn được giữ ổn định và có giá trị từ 2,3 - 2,5 V với độchính xác lên đến 3%

- Dòng nạp: In = Un−Eaq Raq lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi Eaq tăng dần lên thì In

giảm đi khá nhanh

- Ưu điểm: thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm dần theo thờigian

- Nhược điểm: ắc quy không được nạp no, vì vậy phương pháp này chỉ dùngnạp bổ xung cho ắc quy trong quá trình sử dụng

Naq: số ngăn ắc quy đơn trong mạch nạp

- Khi nạp sức điện động của ắc quy tăng dần, để duy trì dòng điện nạp khôngđổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R với trị số:

¿

- Nhược điểm: thời gian nạp kéo dài

- Để khắc phục: sử dụng phương pháp nạp cưỡng bức theo 2 nấc Dòng địênnạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3 - 0,5).C10, và khi ác qui bắt đầu sôi thìnạp nấc thứ hai bằng 0,1.C10

Để khắc phục những nhược điểm và tận dụng được hết những ưu điển của cácphương pháp nạp trên, ta kết hợp hai phương pháp nạp lại thành phương phápdòng áp

1.2.3 Phương pháp nạp dòng - áp

- Ban đầu ta nạp với dòng nạp không đổi In = 0,5.C10 Khi thấy ác qui "sôi"thì hiệu điện thế giữa các cực của của ăcqui đơn 2,4V, tiếp tục nạp thì giátrị này nhanh chóng tăng tới giá trị là 2,7 V.

- Sau đó chuyển sang chế độ nạp ổn áp với giá trị điện áp nạp không đổi cho

1 ngăn đơn là Un = 2, 7Vvà thường kéo dài từ 2 đến 3 giờ hoặc khi dòngnạp tiến tới không (In = 0) thì kết thúc quá trình nạp

Kết luận: Qua phân tích ta chọn phương pháp nạp dòng -áp để nạp cho ác qui

và bộ nguồn nạp ác qui tự động phải đáp ứng những yêu cầu sau:

- Ban đầu tự động nạp ổn dòng với dòng nạp đặt trước In= 0,5 C10/1 ngăn ácqui đơn

- Khi phát hiện thấy hiệu điện thế trên các cực của ác qui đơn tăng tới 2,7 Vthì tự động chuyển từ nạp ổn dòng sang chế độ nạp ổn áp với điện áp nạpđặt trước Un = 2,7V/ 1 ngăn ác qui đơn

- Nạp ổn áp cho tới khi dòng điện nạp tiến về 0

Chương 2:

Lựa chọn sơ đồ mạch lực và tính toán mạnh lực bộ chỉnh lưu Tiristo 2.1 Mạch lực

Với công suất tải Pd = Uddm.Iddm = 12.12.0,1.100 = 1440W và Uddm=12.12 =144V

và Iddm = 0,1.100 = 10A  chọn mạch chỉnh lưu cầu 3 pha không đối xứng

AQ: ắc quy.

Rf: là điện trở phụ để lấy tín hiệu phản hồi áp, cho mạch ổn định điện áp CK: Cuộn kháng dùng để hạn chế sự tăng trưởng tốc độ của dòng điện T1, T3, T5: Là bộ chỉnh lưu, dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều

D2, D4, D6: thành điện áp một chiều

Mô tả hoạt động:

- Trong sơ đồ trên ta sử dụng 3 thyristor và 3 diot Các thyristor được điềukhiển bằng các xung dòng điện điều khiển iG1, iG2, iG3 Mỗi thyristor chỉ mởkhi có tín hiệu iG và điện áp trên cuộn dây thứ cấp nối với nó là lớn nhấttrong ba điện áp u1, u2, u3 Mỗi thyristor sẽ mở cho đến khi một thyristorkhác mở

- Mỗi diot trong nhóm diot sẽ mở trong thời gian mà điện áp trên cuộn thứcấp có trị số bé nhất ( âm nhất) trong số u1, u2, u3

- Khi góc mở α < π/3 có đồ thị biến thiên của điện áp và dòng chỉnh lưu Khi

α > π/3 xuất hiện những khoảng mở đồng thời thyristor và diot được nốivới nhau cùng một cuộn dây thứ cấp Ta có giản đồ chỉnh lưu áp và dòng:

Từ các thông số đã cho: 12 bình 12V – 100Ah

- 72 bình ắc quy đơn mắc nối tiếp, mỗi bình 2V

- Điện áp nguồn 3 pha 380V, f = 50 Hz

- Ắc quy có dung lượng C = 100 Ah

Điện áp danh định của mỗi ắc quy đơn là 2V Nhưng khi nạp ắc quy, để nạp nothì điện áp danh định của mỗi ắc quy đơn lên tới 2,7V

Máy biến áp công suất lớn cỡ chục KVA là loại máy biến áp công suất nhỏ,sụt áp trên biến áp khoảng 4%; sụt áp trên cuộn kháng 1,5%; điện áp sụt trên haivan nối tiếp nhau là 2V.

Khi đó ta có điện áp chỉnh lưu không tải

Uddm = Ud + ∑∆Ud mà ∑∆Ud = ∆UBA + ∆UCK + ∆UV

= 0.04Ud + 0.015Ud + 4V

 Uddm = Ud + 0.055Ud + 4 = 194.4 + 0.055*194.4 + 4 = 210 V

 Giá trị hiệu dụng của điện áp pha thứ cấp máy biến áp:

Chọn đầu vào α = 10 => Ud0 = 1+ cosα 2 Uddm = 212 V

Cho sụt áp lưới điện = 0 => Ud 0 U 2 = 2.34 => U2 = 210/2.34 = 90.6 V

Hệ số máy biến áp: kba = U 1 U 2 = 220/90.6 = 2.43

 Công suất máy biến áp: Sba = 1.05Pd = 1.05*20*210 = 4410 VA

 Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp : I2 = 0.816*Id = 0.816*20 =16.32A

 Dòng điện cuộn sơ cấp: I1 = 0.816Id/kba = 6.72 A

2.3 Tính toán chọn van

Máy biến áp: U2 = 90.6 V ; I2 = 16.32 A ; Id = 20 A

 Dòng trung bình chảy trên mỗi van : Itbv = Id/3 = 20/3 = 6.67 A

 Điện áp ngược lớn nhất mỗi van phải chịu:

chọn Ku = 1.6

Mạch có công suất nhỏ nên sử dụng phương pháp làm mát tự nhiên, cách tảnnhiệt gắn vào van kết hợp với đới lưu không khí Chọn hiệu suất làm mát bằng25%

• Dòng điện trung bình qua van: Itb = 50 A

• Điện áp ngược cực đại: Ungmax = 1000 V

• Tổn thất điện áp: ∆U = 0.6 V

- Chọn van thyristo loại T10 – 40 :

• Dòng điện qua van: Itb = 40 A

• Điện áp qua van: Vdm = 800 V

TRAN-2P3S

3 2

- Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp biến áp mạch lực Và cách ly

giữa mạch lực điện áp cao với mạch điều khiển điện áp thấp

b Khâu tạo điện áp tựa (Utựa):

- Tạo điện áp có dạng răng cưa có chu kỳ làm việc theo nhịp của điện áp

đồng pha

c Khâu so sánh ( SS )

- So sánh giữa điện áp tựa USựa và điện áp điều khiển U đk, tìm thời điểm

hai điện áp này bằng nhau ( Uđk= Utựa) để phát xung điều khiển tức là xácđịnh góc mở α

d Khâu dạng xung (DX)

- Nhằm tạo ra các xung có dạng phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh lưu.

3.2 Xây dựng mạch điều khiển

3.2.1 Khâu đồng pha

a Sơ đồ nguyên lý

- Điện áp đồng pha được so sánh với điện áp trên biến trở VR7 Điện áp chỉnhlưu được đưa đến cửa âm của opamp so sánh với Ung lấy từ biến trở VR.Điện áp đồng bộ sẽ tuân theo quan hệ :

- Ucl > Ung thì Udb âm sẽ bằng Ubh của opamp: Udb = -Ubh

- Ucl < Ung thì Udb dương và Udb = Ubh

Ta Thu được kết quả:

- Chọn opamp loại TL084 (điện trở R1 nhằm hạn chế dòng vào opamp).

Sơ đồ và nguyên lý khâu tạo điện áp tựa dạng răng cưa

- Khi Udb = Ubh sẽ làm transistor loại n-p-n dẫn nối ngắn mạch tụ C nênđiện áp trên tụ ( cũng là điện áp ra của opamp bằng 0) Như vậy transistorlàm nhiệm vụ phóng điện cho tụ điện C

- Khi Udb = -Ubh sẽ làm cho transistor khoá, lúc này tụ C được nạp nhờchính điện áp ra của opamp trong khâu tạo điện áp đồng bộ

b Tính toán chọn phần tử

Chọn transistor loại BC107 tp = 9.44ms; tn=0.56ms

3 2

b Tính toán chọn phần tử

Chọn R9 = R10 = 10kΩ) nhằm hạn chế dòng điện chạy qua opamp

Chọn Opamp loại TL082, nguồn nuôi E = ±12V

3.2.4 Khâu tạo xung chùm

a Sơ đồ nguyên lý

Đây là mạch tạo xung chùm được sử dụng phổ biến, opamp được sử dụngnhư bộ so sánh hai cửa Tụ điện C liên tục được phóng nạp cho opamp đảo trạngthái mỗi lần điện áp trên tụ đạt trị số của bội chia điện áp R12 và R13

Chu kì dao động: T = 2R11*C*ln(1+2*R1/R2)

3 2

Q2

Q3 R15

D7

2 R17

D8

D11 C3

- Khuếch đại xung có nhiệm vụ tang công sất xung do khâu tạo dạng xung

- Diot D7 bảo vện transistor nếu điện áp vào khuếch đại xung có phần âm

- Điện trở R15 nhằm hạn chế dòng đi vào transistor Q1

- Điot D8 nhằm chống quá áp gây hỏng các transistor khi chúng chuyển từdẫn sang khoá do ảnh hường bởi súc điện động tự cảm trên cuộn dây sơcấp của biến áp xung

- Điện trở R16 tạo một sụt áp, điều khiển Q2 lúc dòng ra đủ lớn và chuyểntừmở sang khóa nhanh hơn

- Chọn nguồn Esc = 18V ( phải có giá trị lớn hơn U1)

- Chọn Q1 là transistor loại BD135 có tham số Ucc = 45V; Ic = 1.5V; β1=40

- Do áp, dòng ra tải (dòng, áp nạp) là liên tục nên ta có

Ud = 2.34*U2*(1 + cosα )/2

do vậy thực hiện ổn định dòng và áp theo nguyên tắc sau:

b Tính toán chọn phần tử

 Khâu ổn dòng

- Dòng điện phản hồi được lấy từ mạch lực, chuyển dòng phản hồi thành ápphản hồi lấy trên điện trở Rsun rồi đặt vào OA5

o Chọn Rsun loại 100A/60mV

o Điện áp trên Rsun khi dòng điện cực đại là: UphI = 60mV

- Có 72 ngăn, mỗi ngăn đơn có sức điện động ban đầu là 2V, điện trở là0.015Ω) nên điện áp ban đầu nạp cho ác qui khi dòng điện ban đầu là 20Alà:

Ud = 20*0.015*72 + 72*2 = 165.6V

Ud = 2.34*U2*(1 + cosα)/2

α = 55.78Udk = Urcmax*(180 – α)/180 Udk = 6.51V

- OA1 là bộ khuếch đại không đảo, chọn hệ số khuếch đại là:

K = 1 + R3/R1 = 100Chọn R3 = 99kΩ)., chọn R1 = 1kΩ)

- OA2 là mạch cộng đảo chọn R4 = R5 = R6 = 10kΩ)

Udk = -(Ud + Uph)

Ud = (6.51 + 20*0.0006*100) = 7.71V

Ud = E1*R8/(R8 + R9) = 12*R8/(R8 + R9) = 7.71VSuy ra: R8 = 1.8R9

Uphu = Uph * R19/(R19 + R20)Uphu = 194.4*R19/(R19 + R20) = 3.645VSuy ra: R20 = 52.3R19

Chọn R20 = 52.3kΩ)., chọn R19 = 1kΩ)

Ta có:

Ud = E*R17/(R17 + R15) = 12*R17/(R17 + R15) = 11.325VSuy ra: R17 = 16.7R15

Chọn R17 = 16.7kΩ)., chọn R15 = 1kΩ)

 Khâu chuyển mạch

- Ban đầu ác quy được mắc vào mạch nạp thì dòng nạp tăng và điện áp ácquy tăng dần lên, tức là dòng phản hồi và áp phản hồi tăng dần lên Lúcnày do áp phản hồi nhỏ hơn UR16 ( điện áp đặt trên R16) nên áp đầu ra OA3

ở mức thấp do đó chuyển mạch CM2 ngắt các đường phản hồi áp ra khỏimạch Đồng thời do có cổng NOT nên chuyển mạch CM1 đóng đườngphản hồi dòng với mạch để thực hiện quá trình ổn định dòng

- Khi áp phản hồi Uphu bằng UR16 thì điện áp đầu ra OA3 ở mức cao do đóCM2 đóng còn CM1 ngắt nên mạch thực hiện quá trình ổn áp

Đặt UR16 = Uphu = 3.645V

UR16 = E*R16/(R16+R18) = 3.645VSuy ra: R18 = 2.3R16

Chọn R18 = 2.3kΩ)., R16 = 1kΩ)

1 R6 2 57k

3 1

U5:A

1 2

U11

AND_3

1 2

Uxc

Sơ đồ hoạt động của mạch điều khiển

Sơ đồ tổng thể mạch điều khiển phát xung thyristo

SVTH: NGUYỄN VĂN CÔNG MSSV: 20150445