Với nhiệm vụ thiết kế mạch nạp ắc qui tự động.
Chơng i: giới thiệu chung về ắc qui và các phơng
pháp nạp ắc qui
I.1: ứng dụng của ác qui:
I.2. Cấu tạo của ắc qui
I.3: Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui
I.4. Đặc tính phóng nạp của ắc qui
I.5.Các phơng pháp nạp ắc qui tự động
Chơng II: các phơng án lựa chọn mạch lực
II.1: mạch chỉnh lu điều khiển đối xứng cầu 3pha
I.2: mạch chỉnh lu điều khiển hình tia 3pha
II.3: Chỉnh lu cầu 3 pha bán điều khiển
II.5: mạch chỉnh lu bán điều khiển cầu 1pha
Chơng iii: tính toán thiết kế mạch lực
III.1: Sơ đồ mạch lực:
III.2: Tính chọn các phần tử trong sơ đồ mạch lực
III.3: Tính toán máy biến áp lực
Chơng 4:Thiết kế và tính toán mạch điều khiển
IV.1. Mục đích và yêu cầu:
IV.2. Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển
IV.3. Nguyên tắc điều khiển.
IV.4. Các khối trong mạch điều khiển.
IV.4. 1: Khối tạo điện áp đồng pha.
IV.4.2: Khối tạo xung đồng bộ.
IV.4.3. Khối tạo điện áp răng ca.
IV.4.4. Khối so sánh giữa điện áp răng ca với điện áp điều khiển
1
IV.4.5. Khối phản hồi dòng điện.
IV.4.6. Khối phản hồi điện áp.
IV.4.7. Khối chuyển mạch nạp.
IV.4.8. Khối cắt nguồn cấp khi điện áp vợt quá 324 V

I.2. Cấu tạo của ắc qui:
Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dơng, phân
khối bản cực âm, các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên
ghép lại với nhau. Cấu tạo của một bản cực trong ắc qui gồm có phần khung
xơng và chất tác dụng trát lên nó. Khung xơng của bản cực âm và bản cực d-
ơng có cấu tạo giống nhau, chúng đợc đúc từ chì và chúng đợc đúc từ chì và
có pha thêm 5 ữ 8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắt lới.
Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc.
Trong thành phần chất tác dụng còn có thêm khoảng 3 % chất nở ( các muối
hu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải
thiện đợc độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực,
đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng đ-
ợc tăng thêm . Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dơng của mỗi
ắc qui đơn đợc hàn với nhau tạo thành khối bản cực dơng, các bản cực âm đợc
hàn với nhau thành khối bản cực âm. Số lợng các bản cực trong mỗi ắc qui th-
ờng từ 5 đến 8 tấm, bề dầy tấm bản cực dơng của ắc qui thờng từ 1,3 đến 1,5
mm , bề dày tấm bản cực âm thờng mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm . Số bản cực âm
trong ắc qui thờng nhiều hơn số bản cực dơng một bản nhằm tận dụng triệt để
3. Cốt bản cực
2. Chất tác dụng
1. Vấu bản cực
2
3
Hình 1.2: Cấu tạo bản cự của ắc qui.
4
diện tích tham gia phản ứng của các bản cực. Tấm ngăn đợc bố trí giữa các
bản cực âm và dơng có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực.
Tấm ngăn đợc làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm và có
dạng lợn sóng, trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho phép dung dịch điện phân
thông qua.

Phơng trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :

PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb 2PbSO
4
+ 2H
2
O

Thế điện động e = 2,1 V.
5
Phóng
Nạp
I.3.2: Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui kiềm:
Trong ắc qui kiềm có bản cực dơng là Ni(OH)
3
, bản cực âm là Fe, dung
dịch điện phân là: KOH nồng độ d = 20 %
( - ) Fe KOH d = 20% Ni(OH)
3
( + )
Phơng trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm :

Fe + 2Ni(OH)
3

Ip - Dòng điện phóng ( A )
Up - Điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V)
6
Phóng
Nạp
r
aq
- Điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( )
+Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui đợc tính theo
công thức:
En = Un - In.r
aq
Trong đó :
En - Sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V )
In - Dòng điện nạp ( A )
Un - Điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V )
r
aq
- Điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( )
- Dung lợng phóng của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng cung cấp
năng lợng điện của ắc qui cho phụ tải, và đợc tính theo công thức :
Cp = Ip.tp
Trong đó :
Cp - Dung dịch thu đợc trong quá trình phóng ( Ah )
Ip - Dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp
( A )
tp - Thời gian phóng điện ( h ).
- Dung lợng nạp của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng tích trữ năng l-
ợng của ắc qui và đợc tính theo công thức :
Cn = In.tn

0,0002-0,0007
0,00006-0,00002
0,000035-0,0008
0,000001-0,00003
- Hiệu suất :Acquy không thể phóng ra toàn bộ điện năng đã hấp thụ đợc
vì có những tổn thất dới đây:
+Do tác dụng của điện phân ở thời kỳ cuối khi nạp điện, nớc biến thành ôxy
và hiđrô sủi bọt, tổn hao một phần điện năng.
+Tổn hao một phần điện năng vì dò điện và phóng điện nội bộ.
+Khi nạp điện acquy có nội trở nên tiêu hao hết một phần năng lợng .
Hiệu suất của acquy là tỷ số giữa toàn bộ điện năng phóng và toàn bộ điện
năng nạp. Có 2 loại hiệu suất;
+Hiệu suất dung lợng( hiệu suất Ampe-giờ)
%100.%100.
n
p
nn
pp
Ah
C
C
tI
tI
==

acquy axit có =75-80%
acquy kiềm có =50-60%
+ Hiệu suất điện năng(hiệu suất oát)
%100.%100.
ntb

- điện áp nạp trung bình
I.4. Đặc tính phóng nạp của ắc qui:
I.4.1. 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 .
- Từ đặc tính phóng của ắc qui nh trên hình vẽ ta có nhận xét sau:
+Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến tp = tgh, 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 đó là giai đoạn phóng ổn định
hay thời gian phóng điện cho phép tơng ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc
qui ( dòng điện phóng ) của ắc qui.
- Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp
tục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc qui sẽ
giảm rất nhanh. Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO
4
) tạo thành trong
Hình 1.3: Đặc tính phóng của ắc qui.
C
P
= I
P
.t
P
Vùng phóng điện cho phép
4
0
5
10
1,75

nghỉ
1,95V
C
n
= I
n
.t
n
Vùng nạp chính
5
10
0 10
1
t
s
20
(2ữ3) h
Vùng
nạp no
t
I (A) U,E (V)
2,4V
2
2,7V
Un
Bắt đầu sôi
2,4V
2,1VEaq
Eo
Hình 1.4: Đặc tính nạp của ắc qui.

.
Những dấu hiệu cho thấy acquy đã đầy điện :
- Hiện tợng sủi bọt rất mạnh xảy ra xung quanh cực âm và cực dơng.
- Tỷ trọng đạt 1,12-1,22 đối với acquy cố định và 1,25-1,30 đối với acquy di
động.
- Hiệu điện thế đạt 2,7-2,8V và ổn định trong suốt 3 h
- Dung lợng nạp vào gấp 1,2-1,3 lần dung lợng định mức.
I.5.Các phơng pháp nạp ắc qui tự động.
Có ba phơng pháp nạp ắc qui là:
+ Phơng pháp dòng điện.
+ Phơng pháp điện áp.
+ Phơng pháp dòng áp.
11
I.5.1. Ph¬ng ph¸p n¹p ¾c qui víi dßng ®iÖn kh«ng ®æi.
_
H×nh 1.5: N¹p víi dßng ®iÖn kh«ng ®æi.
A
V
_
+
A
.
...
.
...
A
_
_
+ +
D D

tức là nạp cỡng bức và kết
thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,05C
20
.
I.5.2. Phơng pháp nạp với điện áp không đổi.
Phơng pháp này yêu cầu các ắc
qui đợc mắc song song với nguồn
nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp
không đổi và đợc tính bằng (2,3V ữ
2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Phơng
pháp nạp với điện áp không đổi có
thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động
giảm theo thời gian. Tuy nhiên dùng
phơng pháp này ắc qui không đợc
nạp no. Vì vậy nạp với điện áp
không đổi chỉ là phơng pháp nạp bổ
xung cho ắc qui trong quá trình sử
dụng.
13
U
n
A V
Hình 1.6: Nạp với điện áp không đổi.
I.5.3. Phơng pháp nạp dòng áp.
Đây là phơng pháp tổng hợp của hai phơng pháp trên. Nó tận dụng đợc
những u điểm của mỗi phơng pháp.
Đối với yêu cầu của đề bài là nạp ắc qui tự động tức là trong quá trình nạp
mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá đợc tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt
sẵn thì ta chọn phơng án nạp ắc qui là phơng pháp dòng áp.
- Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng nh hiệu suất nạp thì

+ ắc qui axit : - Dòng nạp ổn định In = 0,1C
20

- Dòng nạp cỡng bức In = ( 0,3 ữ 0,5 )C
20
.
+ ắc qui kiềm :- Dòng nạp ổn định In = 0,1C
20

- Dòng nạp cỡng bức In = 0,25C
20
.
* Từ các phân tích ở trên ta tính toán dòng nạp và điện áp nạp theo yêu cầu
đầu bài chúng ta tiến hành nạp ắc qui với dòng điện không đổi.
+ Dòng điện nạp In = 0,1x40 = 4A
Số lợng ắc qui là 100 chiếc, chúng ta có thể có 3 cách mắc để nạp điện
cho ắc qui.
+ Mắc 100 ắc qui nối tiếp với nhau.
Dòng điện nạp nhỏ In=0,1x40=4A
Điện áp nạp lại rất lớn Un=100x16,2=1620A
+ Mắc 100 ắc qui song song với nhau:
Dòng điện nạp nhỏ In=0,1x40x100=400A
Điện áp nạp nhỏ Un=16,2V
+ Mắc hỗn hợp 100 ắc qui thành 5 dãy song song, mỗi dãy có 20 ắc qui
nối tiếp với nhau
Dòng điện nạp In=0,1x40x5=20A
Điện áp nạp Un=16,2x20=324V
Nhận xét:
Nh vậy chúng nếu chúng ta dùng cách mắc 100 ắc qui nối tiếp với nhau
thì dong điện nạp trong quá trình ổn dòng nhỏ In=2A còn điện áp nạp khi nạp ở

đích giảm công suất vô công, ngời ta thờng mắc song song ngợc với tải một
chiều một diod (loại sơ đồ này đợc gọi là sơ đồ có diod ngợc). Trong các sơ đồ
chỉnh lu có diod ngợc, khi có và không có điều khiển, năng lợng đợc truyền từ
phía lới xoay chiều sang một chiều, nghĩa là các loại chỉnh lu đó chỉ có thể làm
việc ở chế độ chỉnh lu. Các bộ chỉnh lu có điều khiển, không diod ngợc có thể
trao đổi năng lợng theo cả hai chiều. Khi năng lợng truyền từ lới xoay chiều sang
tải một chiều, bộ nguồn làm việc ở chế độ chỉnh lu, khi năng lợng truyền theo
chiều ngợc lại (nghĩa là từ phía tải một chiều về lới xoay chiều) thì bộ nguồn làm
việc ở chế độ nghịch lu trả năng lợng về lới.
Theo dạng nguồn cấp xoay chiều, chúng ta có thể chia chỉnh lu thành một
hay ba pha. Các thông số quan trọng của sơ đồ chỉnh lu là: dòng điện và điện áp
tải; dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp; số lần đập mạch trong một
chu kỳ. Dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp biến áp có thể là một chiều, hay
xoay chiều, có thể phân loại thành sơ đồ có dòng điện biến áp một chiều hay,
xoay chiều. Số lần đập mạch trong một chu kỳ là quan hệ của tần số sóng hài
thấp nhất của điện áp chỉnh lu với tần số điện áp xoay chiều.
Theo hình dạng các sơ đồ chỉnh lu, với chuyển mạch tự nhiên chúng ta có thể
phân loại chỉnh lu thành các loại sơ đồ sau.
II.1: mạch chỉnh lu điều khiển đối xứng cầu 3pha
II.1.1: Sơ đồ:
II.1.2: D¹ng ®iÖn ¸p:
U
c
T
1
H×nh 2.5: M¹ch chØnh l­u ®iÒu khiÓn ®èi xøng cÇu 3F.
T
4
T
3

T
4
T
6
T
2
I
T1 T4
I
T1
I
T6
I
T3
I
T6
I
T2
I
T5
I
T2
II
T5
t
t
t
t
t
t

U
G5
U
G6
II.1.3: Nguyªn lý ho¹t ®éng.
Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng hình 1.11a có thể coi nh hai sơ
đồ chỉnh lu tia ba pha mắc ngợc chiều nhau, ba Tiristor T1,T3,T5 tạo thành một
chỉnh lu tia ba pha cho điện áp (+) tạo thành nhóm anod, còn T2,T4,T6 là một
chỉnh lu tia cho ta điện áp âm tạo thành nhóm catod, hai chỉnh lu này ghép lại
thành cầu ba pha.
Theo hoạt động của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện chạy
qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời điểm cần mở
Tiristor chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm anod
(+), một xung ở nhóm catod (-)). Ví dụ tại thời điểm t1 trên hình 1.11b cần mở
Tiristor T1 của pha A phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta
cấp thêm xung X4 cho Tiristor T4 của pha B phía catod các thời điểm tiếp theo
cũng tơng tự. Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo
đúng thứ tự pha.
Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đợc chạy từ pha có
điện áp dơng hơn về pha có điện áp âm hơn. Ví dụ trong khoảng t1 ữ t2 pha A có
điện áp dơng hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện
dợc chạy từ A về B.
Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van
của nhóm này (anod hay catod) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau.
Điều này có thể thấy rõ trong khoảng t1 ữ t3 nh trên hình 1.11b Tiristor T1 nhóm
anod dẫn, nhng trong nhóm catod T4 dẫn trong khoảng t1 ữ t2 còn T6 dẫn tiếp
trong khoảng t2 ữ t3.
Điện áp ngợc các van phải chịu ở chỉnh lu cầu ba pha sẽ bằng 0 khi van dẫn
và bằng điện áp dây khi van khoá. Ta có thể lấy ví dụ cho van T1 (đờng cong
cuối cùng của hình 1.11b) trong khoảng t1 ữ t3 van T1 dẫn điện áp bằng 0, trong

.
- Dòng điện trên tải: I
d
=
d
d
R
U
.
- Dòng điện trung bình qua van: I
T
=
3
d
I
.
- Điện áp ngợc đặt lên van: Ung = 2,45U
2
.
- Dòng điện phía thức cấp: I
2
= 0,816I
d
.
- Dòng điện phía sơ cấp: I
1
= 0,816I
d
.K
ba

B
C
a
b
c
R
d
L
d
H×nh2.6:M¹ch chØnh l­u ®iÒu khiÓn ®èi xøng tia 3F
t
t
t
t
U
G

G1 G2 G3 G1
U
d
U
I
T1
I
T2
I
T3
I
d
t

0
).
Theo hình tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, nh vậy mỗi van dẫn
thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục ( đờng cong I1,I1,I3 trên hình),
còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông của các van nhỏ hơn. Tuy
nhiên trong cả hai trờng hợp dòng điện trung bình của các van đều bằng 1/3.Id.
Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của van bằng dòng điện tải, trong
khoảng van khoá dòng điện van bằng 0. Điện áp của van phải chịu bằng điện dây
giữa pha có van khoá với pha có van đang dẫn. Ví dụ trong khoảng t2 ữ t3 van T1
khoá còn T2 dẫn do đó van T1 phải chịu một điện áp dây U
AB
, đến khoảng t3 ữ t4
các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp dây U
AC
.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc
góc mở của các Tiristor. Nếu góc mở Tiristor nhỏ hơn 30
0
, các đờng cong
Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn > 30
0
điện áp và dòng điện tải gián đoạn .
Khi tải điện cảm (nhất là điện cảm lớn) dòng điện, điện áp tải là các đờng
cong liên tục, nhờ năng lợng dự trữ trong cuộn dây đủ lớn để duy trì dòng điện
khi điện áp đổi dấu.
II.2.4: Các công thức cơ bản:
- Điện áp trên tải
U
d
=



cos.3.
2
23
2
U
=


cos
2
63
2
U
- Dòng điện trên tải:
d
d
d
R
U
I
=
- Dồng điện qua van:
3
d
T
I
I
=

Nhận xét:
Mạch chỉnh lu có điều khiển tia 3F có cấu tạo phức tạp, muốn mạch hoạt
động đợc cần mắc biến áp để đa điểm trung tính ra tải, mỗi van chỉ làm việc
trong 1/3 chu kỳ vì vậy dòng điện trung bình chạy qua van nhỏ. Mạch dùng
nguồn 3F nên công suất tăng lên rất nhiều, dòng điện tải đến vài trăm ampe.
So với chỉnh lu một pha, thì chỉnh lu tia ba pha có chất lợng điện một chiều
tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn,
việc điều khiển các van bán dẫn trong trờng hợp này cũng tơng đối đơn giản. Với
việc dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một chiều, nhờ có biến áp ba pha
ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thông xoay chiều không đối xứng làm
cho công suất biến áp phải lớn (xem hệ số công suất bảng 2), nếu ở đây biến áp
đợc chế tạo từ ba biến áp một pha thì công suất các biến áp còn lớn hơn nhiều.
Khi chế tạo biến áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải đợc đấu với dây trung
tính phải lớn hơn dây pha vì theo sơ đồ thì dây trung tính chịu dòng điện tải.
II.3: Chỉnh lu cầu 3 pha bán điều khiển
II.3.1: Sơ đồ nguyên lí :