PHẦN I
PHÂN TÍCH YÊU CẦU VÀ GIỚI THIỆU CHUNG
VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ẮC QUI TỰ ĐỘNG

I. Giới thiệu chung về ắc qui.
ắc qui là nguồn cung điện một chiều cho các thiết bị điện trong công
nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày. Có nhiều loại ắc qui nhưng phổ
biến và thường gặp trong thực tế là ắc qui chì và ắc qui axit.
1. Đặc điểm cấ
u tạo của ắc qui.
Cấu trúc của một ắc qui đơn gồm có phân cực dương, 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 xương và
chất tác dụng trát lên nó .
Khung xương của bản
cực âm và bản cực dương
có cấu tạo giố
ng nhau,
chúng được đúc từ chì và
có pha thêm 5 ÷ 8 %
ăng ti moang ( Sb ) và tạo
hình mắt lưới . 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 hưu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ
xốp mà cải thiện được độ thấm sâu củ

PbO2 có dạng :

(- ) Pb ⏐ H
2
SO
4
d = 1,1 ÷ 1,3 ⏐ PbO
2
( + )

Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit :
phóng
PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb 2PbSO
4
+ 2H
2
O
nạp
Thế điện động e = 2,1 V.

2.2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm.
Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc qui kiềm có dung dich điện phân là KOH
nồng độ d = 20 % bản cực âm là Fe và bản cực dương là
Ni(OH)

trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V )
ρ - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm
3
)
Trong quá trình phóng điện sức điện động của ắc qui được tính theo công
thức :
Ep = Up + Ip.r
b

trong đó : Ep - sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V )
Ip - dòng điện phóng ( A )
Up - điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V)
r
b
- điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( Ω )
Trong quá trình nạp sức điện động En của ắc qui được tính theo công thức :
En = Un - In.r
b

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
b
- điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( Ω )
Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng
lượng của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức :
Cp = Ip.tp
trong đó : Cp - dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah )

) tạo thành
trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong
quá trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn
phóng điện cho phép của ắc qui, các giá trị Ep, Up, ρ tại tgh được gọi là các
giá trị giới hạn phóng điện của ắc qui. ắc qui không được phóng điện khi
dung lượng còn khoảng 80%.
- Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức
điện động, điện áp của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta
gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc qui. Thời gian hồi phục
này phụ thu
ộc vào chế độ phóng điện của ắc qui
( dòng điện phóng và thời gian phóng ).

3.2. Đặc tính nạp của ắc qui.
Đặc tính nạp của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức
điện động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị
số dòng điện nạp không thay đổi . Từ đồ th
ị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
- Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện động, điện áp ,
nồng độ dung dịch điện phân tăng dần.
- Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi
là hiện tượng" sôi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui đơn
tăng đến 2,4 V . Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V
và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho
phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến
đổi tuần
hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc qui.


10

- Hiện tượng tự phóng lớn, ắc qui - Hiện tượng tự phóng nhỏ
nhanh hết điện ngay cả khi không
sử dụng.
- Sử dụng rộng rãi trong đời sống - Với những khả năng trên
công nghiệp, ở những nơi có nhiệt thì ắc qui kiềm thường sử
độ cao va đập lớn nhưng đòi hỏi những nơi yêu cầu công
công suất và quá tải vừa phải. cao quá t
ải thường xuyên và
sử dụng với các thiết bị công
suất lớn.
- Dùng trong xe máy , ôtô, các động - Dùng trong công nghiệp
cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ. hàng không, hàng hải và
những nơi nhiệt độ hoạt động
môi trường là thấp.
- Giá thành thấp. - Giá thành cao. Trong quá trình nạp sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng
điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R. Trị số giới hạn
của biến trở được xác định theo công thức :

n
aqn
I
NU
R
0,2−
=

trong khoản thời gian tn = 8h tương ứng với 75÷80 % dung lượng ắc qui ta
nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1C
10
. Vì theo đặc tính nạp của ắc qui
trong đoạn nạp chính 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 bị nạp. Sau thời
gian 8 h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp. Khi
thời gian nạp được 10 h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 2 ÷ 3 h.
- Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do
khả năng quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng
nạp In = 0,2C
10
hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In =
0,5C
10
.
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 2 cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ
từ giảm về không.

Kết luận :
- Vì ắc qui là tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động cho
nên khi ắc qui đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp thì dòng điện trong
ắc qui s
ẽ tự động dâng nên không kiểm soát được sẽ làm sôi ắc qui dẫn đến
hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm cách ổn
định dòng nạp cho ắc qui.
Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ
ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này
ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế

PHẦN II
PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN SƠ ĐỒ

I. Chỉnh lưu điều khiển đối xứng sơ đồ cầu 3 pha
1. Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm:
- Nhóm Katot chung : T1, T3, T5
- Nhóm Anot chung : T2, T4, T6
Góc mở α được tính từ giao điểm của các nửa hình sin
Giá trị trung bình của điện áp trên tải

α
π
θθ
π
α
π
α
π
cos
63
sin2
2
6

=

Thay giá trị
VU
d
8,64
max
=
ta có
68,27
2
=
U
V
Điên áp các pha thứ cấp của máy biến áp là:

)
3
2
sin(39
)
3
2
sin(39
sin39
π
θ
π
θ
θ


A
I
I
d
TBV
30
3
max
max
==

Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu

VUUUU
ddng
04,6805,1
3
6
maxmax2max
====
π

Công suất biến áp

kVAIUS
ddba
1,610.90.8,64.
33
3

nhóm Anot chung.
Giá trị trung bình của điện áp trên tải

21 ddd
UUU
−
=

Trong đó : Ud1 là thành phần điện áp do nhóm Katot chung tạo
nên
Ud2 là thành phần điện áp do nhóm Anot chung tạo
nên

π
θθ
π
α
π
θθ
π
α
π
α
π
α
π
α
π
2
63

∫
−
−
−
−

Vậy
)cos1(
2
63
2
α
π
+=
U
U
d

Ta nhận thấy
maxdd
UU =
khi
1cos
=
α

khi đó ta có
V
U
U

U
U
UGiá trị trung bình của dòng chảy trong Tiristor và Diot

A
I
II
d
diotTBV
30
3
max
maxmax
===

Giá trị dòng điện ngược lớn nhất

AUUUU
ddng
04,6805,1
3
6
maxmax2max
====
π

Công suất biến áp

D

Góc dẫn của Tiristor là :
α
π
λ
−
=
T

Giá trị trung bình của điện áp tải

∫
+==
π
α
α
π
θθ
π
)cos1(
2
sin2
1
2
2
U
dUU
d


U
I =

Dòng qua Tiristor

π
απ
θ
π
π
α
22
1 −
==
∫
ddT
IdII Dòng qua Điốt
∫
+
+
==

2. Đường đặc tính biểu diễn Kết luận :
Cả hai phương án dùng sơ đồ chỉnh lưu đối xứng cầu ba pha và chỉnh lưu
không đối xứng cầu ba pha đều có nhiều kênh điều khiển, nhiều Tiristor nên
giá thành cao không kinh tế.
Do yêu cầu của đầu bài, vì số kênh điều khiển ít nên ta chọn sơ đồ chỉnh
lưu điều khiển cầu 1 pha đông đối xứng. Chúng có một số ưu điểm:
- Hi
ệu suất sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ như cầu 1 pha đối
xứng.
- Đơn giản hơn vì số lượng Tiristor giảm xuống chỉ còn 2 nên mạch điều
khiển có ít kênh điều khiển hơn, bảo đảm kinh tế hơn.
- Cùng một dải điều chỉnh điện áp một chiều thì cầu không đối xứng điều
khi
ển chính xác hơn
Qua phân tích trên ta chọn sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha không đối
xứng dùng cho mạch lực mạch nạp ắcqui tự động . Phương án này vừa đáp
ứng được yêu cầu kỹ thuật vừa bảo đảm cho việc thiết kế.

T1 D 64,8 V

~ 220 V Rf T2 D Rs
I.
Tính chọn van mạch lực.
1.
Số liệu cho trước
Điện áp nguồn 3 pha : 220/380 V ; f = 50 Hz
2.
Yêu cầu đầu ra : Nguồn một chiều tự động nạp ắcqui
U
dmax
= 64,8 V
I
dmax
= 90 A
Để bảo đảm cho van làm việc tin cậy , an toàn ở mọi điều kiện ta chọn :

van
ng
thuc
ng

π
π

Do đó điện áp ngược trên van khi khoá là:

V
UU
U
thuc
ng
thuc
ng
van
ng
170
6,0
102
6,07,05,0
maxmax
max
===
÷
=Dòng điện trung bình qua van

A
I
I

180
25,0
45
25,0)3,02,0(
maxmax
max
===
÷
=

Vậy điều kiện để chọn van là:

AI
VU
TBV
van
ng
180
170
max
max
≥
≥

Trong sơ đồ này chế độ làm việc của Tiristor và Điốt như nhau nên điều kiện
chọn van giống nhau.
-
Van điều khiển TB – 200
Thông số van như sau :


=
=
=Δ
=
÷=

-
Điốt :
Chọn loại B – 200
Thông số như sau :

VU
VU
AI
im
tb
7,0
1000100
200
=Δ
÷=
= II.
Mạch bảo vệ Tiristor :
T


Nguyên nhân quá điện áp trên van là do sự suất hiện dòng điện ngược chảy
qua mỗi van khi nó chuyênr từ trạng thái mở sang trạng thái khoá. Dòng
điện ngược này suy giảm rất nhanh do vậy sẽ suất hiện sự quá điện áp
dt
di
LU
qda
=

Để khắc phục hiện tượng quá điện áp này ta dùng mạch R-L-C nhưng do
mạch đã có tính chất điện cảm nên ta chỉ cần dùng mạch R-C đấu song song
như hình vẽ.
Khi van khóa dòng điện ngược sẽ chuyển từ van sang mạch bảo vệ.

III. Tính toán máy biến áp lực
- Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp máy biến áp : Theo sách thiết kế máy
biến áp ; tra với sơ đồ cầ
u ta có :
U
2
= 1,11U
dmax
= 1,11.64,8 = 72 V
I
2
= 1,11I
dmax
= 1,11.90 = 100 A
- Công suất biểu kiến MBA :

thép dập hình chữ ψ và chữ I ghép lại
Tính số vòng/vôn. Theo công thức kinh nghiệm có :

5,1
30
45
===
Q
K
W
o
vòng/vôn
-
Số vòng cuộn sơ cấp :

3305,1.220.
11
=
=
=
o
WUW
vòng
-
Số vòng dây cuộn thứ cấp :

10
8
5,1.72
22

J
I
s
mm
23,33
3
100
2
2
===
J
I
s
mm
2

Đường kính dây quấn sơ cấp
7,3
9,10.4
4
1
1
===
ππ
s
d
mm

PHẦN IV
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I.
Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển
1.
Mục đích và yêu cầu
- Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi Tiristor có vai
trò quyết định đến chất lượng, độ tin cậy của bộ biến đổi. Mạch điều khiển