Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC

1. Nhiệm vụ thiết kế:
Thiết kế bộ chỉnh lưu nạp ác qui tự động có các thông số sau:
¾ Điện áp nguồn ( VAC ): 3×220 ( ±10% )
¾ Tần số điện áp ( Hz ): 50
¾ Thông số ác qui: 180 Ah, 4×12 VDC
2. Nội dung:
¾ Phân tích yêu cầu và giới thiệu chung về công nghệ.
¾ Đề suất các phương án tổng thể, phân tích ưu nhược điểm
từng phươ
ng án để đi đến chọn lựa một phương án thực thi thiết
kế mạch lực và mạch điều khiển.
¾ Phân tích kỹ nguyên lý hoạt động của phương án đã chọn.
Trên cơ sở đó, tìm các biểu thức có sự liên quan đến những đại
lượng đã biết và đại lượng cần tìm.
¾ Tính chọn, thiết kế các phần tử mạch công suất.
¾ Tính chọ
n mạch điều khiển.
¾ Kết luận.
¾ Tài liệu tham khảo.
3. Thuyết minh và bản vẽ:

như trong đời sống 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 ác qui.
Như vậy để có thể sử dụng được các nguồn ác qui ta phải nạp điện
cho ác qui. Bộ chỉnh lưu nạp ác qui 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 v
ận hành, dự trữ cho các máy móc thiết bị mà có thể không đáp ứng
được chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Cho nên một trong những yêu cầu của môn
học điện tử công suất là thiết kế được một bộ nạp ác qui tự động với các
thông số đầu vào cho trước.
Nội dung bản đồ án này là thiết kế một mạch chỉnh lưu.
Qua thời gian thực hiện bản đồ án này cùng vớ
i sự giúp đỡ tận của
thày giáo em đã hoàn thành đồ án này. Tuy nhiên lĩnh vực tương đối mới và
khó đối với em nên chắc chắn bản báo cáo này không tránh khỏi những thiếu
sót, em mong tiếp tục nhận được sự đóng góp của các thầy giáo để đồ án
hoàn thiện hơn.
Hà nội ngày 21 tháng 1 năm 2002

Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

3

ăngtimoan ( 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 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 được tăng thêm . Phần đầu của mỗi bản cực
có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc qui đơn được hàn với nhau tạo thành
2
3
1. VÊu b¶n cùc
2. ChÊt t¸c dông
3. Cèt b¶n cùc
Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

4
khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với nhau thành khối bản cực
âm. Số lượng các bản cực trong mỗi ắc qui thường từ 5 đến 8, bề dầy tấm
bản cực dương của ắc qui thường từ 1,3 đến 1,5 mm , bản cực âm thường
mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm . Số bản cực âm trong ắc qui thường nhiều hơn số
bản cực âm một b
ản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của
các bản cực. Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác
dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn được làm bằng
vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm và có dạng lượn sóng , trên bề
mặt tấm ngăn có các lỗ cho phéo dung dịch điện phân thông qua.
3. Quá trình biến đổi nă

4
+ Pb 2PbSO
4
+ 2H
2
O
nạp
Thế điện động e = 2,1 V.
3.2. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm:
Trong ắc qui kiềm có bản cực dương 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
( + )
Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm :
phóng
Fe + 2Ni(OH)
3
Fe(OH)
3
+ 2Ni(OH)
2

nạp
Thế điện động e = 1,4 V.
Nhận xét:
Từ những điễu đã trình bầy ở trên ta nhận thấy trong các
quá trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là thay đổi. Khi ắc qui

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 )
4.2. dung lượng của ắc qui:
_Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng
cung cấp năng lượng điện 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 )
Ip - dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A )
tp - thời gian phóng điện ( h ).
_Dung lượng nạp của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích
trữ năng lượng của ắc qui và được tính theo công thức :
Cn = In.tn
trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah )
ỏn mụn hc
in t cng sut

6
In - dũng in np n nh trong thi gian np tn ( A )
tn - thi gian np in ( h ).
5. c tớnh phúng np ca c qui:

5.1. c tớnh phúng ca c qui.

I (A) E,U (V)
10
6
48
t
E
U
P
Khoảng nghỉ
Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

7
¾Sau 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 thuộc vào chế độ phóng điện của ắc qui (dòng điện phóng và thời
gian phóng ).
5.2. Đặc tính nạp củ
a 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 thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau :
¾Trong khoảng thời gian từ tn = 0 đến tn = tgh thì sức điện
động, điện
áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần.
¾Tới 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

nghØ
Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

8
điện phân không thay đổi . Như vậy dung lượng thu được khi ắc qui phóng
điện luôn nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc qui.
¾Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, nồng độ
dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là
khoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp.
¾Trị số
dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của
ắc qui. Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C
10
.
Trong đó C
10
là dung lượng của ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện
định mức là In = 0,1C
10
thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy.
Ví dụ với ắc qui C = 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng
10% dung lượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ ắc qui sẽ đầy.
6. Sự khác nhau giữa ắc qui kiềm và ắc qui axit:

Cả hai loại ắc qui này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải
thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng còn có một số
đặc điểm khác biệt sau :

ắc qui axit ắc qui kiềm

công suất lớn quá tải thường xuyên,
được sử dụng với các thiết bị công
suất lớn.
_Dùng phổ biến trong công nghiệp
hàng không, hàng hải và những nơi
nhiệt độ môi trường thấp.
_Giá thành cao.
7.Các phương pháp nạp ắc qui tự động.
Có ba phương pháp nạp ắc qui là
+ Phương pháp dòng điện.
+ Phương pháp điện áp.
+ Phương pháp dòng áp.
7.1. Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi.
Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

9
Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp
với mỗi loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui được no. Đây là phương pháp sử
dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp
sử chữa cho các ắc qui bị Sunfat hoá. Với phương pháp này ắc qui được mắc
nối tiếp nhau và phải thoả mãn điều kiện :
Un ≥
2,7.Naq
Trong đó: Un - điện áp nạp
Naq - số ngăn ắc qui đơn mắc trong mạch
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 :


dụng được những ưu điểm của mỗi phương 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 được tự động diễ
n ra theo
một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương án nạp ắc qui là phương pháp
dòng áp.
¾Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp cũng như hiệu suất
nạp thì 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
Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

10
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 đến
3h.
¾Đối với ắc qui kiề
m : 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

¾Từ các phân tích ở trên ta rút ra các số liệu sau:
+ Dòng nạp lớn nhất Inmax = Idmax = 90 A
+ Điện áp Udmax = 64,8 V

Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

11 PHẦN II
PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN
PHƯƠNG ÁN
I. CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN ĐỐI XỨNG CẦU BA PHA
1. Sơ đồ nguyên lý:

_Sơ đồ gồm 6 Tiristor được chia làm hai nhóm:
¾Nhóm Katot chung : T1, T3, T5
¾Nhóm 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

T1
T4
T6
T2
Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

12
_Từ công thức trên ta có:
maxdd
UU
=
khi
1cos
=
α

Khi đó ta có:
63
U
U
maxd
2
π
=

Thay giá trị:
V8,64U
maxd
=

3
2
I =

Từ số liệu ban đầu thay
A90I
maxd
=
có
A5,73I
max2
=

Giá trị trung bình của dòng chạy qua 1 Tiristor là:

)A(30
3
I
I
maxd
maxTBV
==

Giá trị điện áp ngược mà Tiristor phải chịu:

)V(04,68U05,1U
3
U6U
maxdmaxd2maxng
==

Điện tử cộng suất

13 T3
Ud1
T2
T6
Id
ia
iT1
iT4
Id
Id
Ud
T1
ua
T2
T6
T4
Id
θ
θ
Id
θ
θ
Ud2
ub
T5

π
=
∫
∫
α−
π
α−
π
α−
π
α−
π
2
U63
dsinU2
2
3
U
cos
2
U63
dsinU2
2
3
U
2
6
11
6
7

U
2
d
α+
π
=

Ta nhận thấy:
ma
x
dd
UU =
khi
1cos
=
α

Khi đó ta có :
)V(68,27
63
U
U
maxd
2
=
π
=

Điện áp thứ cấp máy biến áp:



)A(04,68U05,1U
3
U6U
maxdmaxd2maxng
==
π
==

Công suất biến áp:

)kVA(1,610.90.8,64.
3
IU
3
S
3
maxdmaxdba
=
π
=
π
=
−

Nhận xét
:
Tuy điện áp chỉnh lưu chứa nhiều sóng hài nhưng chỉnh lưu cầu 3 pha
không đối xứng có quá trình điều chỉnh đơn giản , kích thước gọn nhẹ hơn.
2. Đường đặc tính biểu diễn:

T1
ua
T5
T1
ub
uc
θ
D2
ua
θ
Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

17
III. CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN CẦU MỘT PHA KHÔNG ĐỐI XỨNG
1. Sơ đồ nguyên lý
Trong sơ đồ này, góc dẫn dòng chảy của Tiristor và của điốt không bằng
nhau.
Góc dẫn của điốt là :
α
+
π
=
λ
D

Góc dẫn của Tiristor là :
α
−
π

V72
22
8,64.
22
U
U
maxd
2
=
π
=
π
=

Giá trị trung bình của dòng tải :

t
d
d
Z
U
I =

Dòng qua Tiristor:

π
α−π
=θ
π
=

π
=
2
IdI
2
1
I
ddD

Giá trị hiệu dụng của dòng chạy qua sơ cấp máy biến áp:π
α
−=θ
π
=
∫
π
α
1IdI
1
I
d
2
d2

Nhận xét:
Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 1 pha không đối xứng có cấu tạo đơn giản,
gọn nhẹ , dễ điều khiển , tiết kiệm van . Thích hợp cho các máy có công suất

Điện tử cộng suất

19
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:
¾Hiệu suấ
t sử dụng máy biến áp cao hơn một số sơ đồ như cầu 1
pha đối xứng.
¾Đơn 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.
¾Cùng 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 ắc qui tự động . Phương án
này vừa đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật vừa bảo đảm cho việc thiết kế.


TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Như đã phân tích ở trên: Ta chọn phương án thiết kế cho mạch nạp ắc
qui là sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng. Có sơ đồ nguyên lý mạch
lực như sau :
I.TÍNH CHỌN VAN MẠCH LỰC
1. Số liệu cho trước:
Điện áp nguồn 3 pha: 220/380 V; f = 50 Hz
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
maxng
thuc
maxng
U7,0U ≤

Trong đó : -
thuc
maxng
U
là điện áp ngược trên van khi làm việc ở chế độ
định mức.
-
van

)V(170
6,0
102
6,0
U
7,05,0
U
U
thuc
maxng
thuc
maxng
van
maxng
===
÷
=

Dòng điện trung bình qua van:

)A(45
2
90
2
I
I
maxd
thuc
maxTBV
===

)V(170U
maxTBV
van
maxng
≥
≥

Trong sơ đồ này chế độ làm việc của Tiristor và Điốt như nhau nên điều kiện
chọn van giống nhau.
¾Van điều khiển chọn loại TB – 200 có thông số van như sau:s/v1000dt/du
s/A200dt/di
V5U
A35,0I
s20t
V4,2U
A200I
kV8,005,0U
g
g
off
maxTBV
van
maxng
μ<
μ=
=
=

quá áp do tích tụ điện khi chuyển mạch gây nên.
Các thiết bị bán dẫn nói chung cũng như Tiristor rất nhạy cảm với
điện áp và tốc độ biến thiên điện áp (
dt
du
) đặt lên nó .
Các nguyên nhân gây nên quá áp thì chia thành hai loại :

¾Nguyên nhân bên ngoài : Do cắt đột ngột mạch điện cảm, do biến
đổi đột ngột cực tính của nguồn, khi cầu chảy bảo vệ đứt hoặc khi có sấm
sét.

¾Nguyên nhân bên trong ( nội tại ) : Khi van chuyển từ trạng thái mở
sang trạng thái khoá, do sự phân bố không đều điện áp trong các van mắc
nối tiếp.
Ở đây ta quan tâm đến việc bảo vệ quá điện áp do các nguyên nhân
bên trong gây ra.
i

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.
Đồ án môn học

= U
2
.I
2
= 72.100 = 7,2 (kVA)
- Chọn mạch từ 3 trụ , tiết diện trụ tính theo công thức:

f.C
S
KQ
2
=

Trong đó : - C : Số trụ mạch từ
- f : Tần số nguồn
- K = 5 ÷ 6

)cm(27
50.5
7200
5Q
2
==

¾Chọn lõi thép có tiết diện 30 cm
2
làm bằng vật liệu sắt từ dày 0,5
mm , lá thép dập hình chữ ∃ và chữ I ghép lại.
_Tính số vòng/vôn. Theo công thức kinh nghiệm có :


o22
=
=
=

Đồ án môn học
Điện tử cộng suất

24
- Dòng điện thứ cấp :

)A(7,32
220
100.72
U
IU
I
1
22
1
===

Chọn mật độ dòng điện J = 3 A/mm
2

Ta có tiết diện dây quấn
(
)
2
1

=
π
=Đường kính dây quấn sơ cấp
()
mm5,6
3,33.4
s4
d
2
2
=
π
=
π
=

Theo sách điện tử công suất ta có dây tiết diện tròn như sau:
d1 = 4,1 mm ; 117 gam/m
d2 = 7 mm ; 220 gam/m
III.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC:
Ta thấy điện áp ra phía
chỉnh là điện áp có độ đập
mạch lớn, do đó để làm giảm
tối thiều độ đập mạch của
điện áp ra , ta phải thiết kế bộ
lọc.
Lọc LC được dùng cho thiết bị chỉnh lưu công suất lớn bộ lọc này cho

I
cm
=
Ln
U2a
n
ω

Trong đó:a
n:
và n :Hệ số phụ thuộc với từng sơ đồ chỉnh lưu:,với
chỉnh lưu cầu không điều khiển ta có,a
n
=0,425,n=2.
Điện áp nhấp nhô:
∆U
c
=
LCn
U2a
Cn
I
22
n
cm
ω
=
ω

Tỷ số nhấp nhô:

10.47,7
01,0.)60.2.(2
425,0
−
=
π

Chọn: L=74,7mH
Suy ra ta chọn tụ điện có điện dung:C=1000μF,điện áp 400V
.
Uvl
Url
R1
R2
R
MOSFET
L
C