Hướng dẫn thiết kế các bộ chỉnh lưu

hân mới xảy ra được. Giá trị điện áp cần thiết đặt trên mạch ngoài để quá trình điện phân có thể xảy ra gọi là thế phân hủy, ký hiệu là Uph. Về nguyên tắc, thế phân hủy chỉ cần lớn hơn thế phân cực một chút là đã xảy ra quá trình điện phân. Tuy nhiên, trong thực tế, thế phân hủy thường phải lớn hơn thế phân cực khá nhiều, gọi là quá thế: ph pcU U U   . Quá thế phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất của chất thoát ra ở điện cực, thông thường các chất khí có quá thế lớn, các sản phẩm rắn có quá thế bằng không. Quá thế phụ thuộc bản chất của điện cực, bề mặt điện cực, … Bản chất của hiện tượng quá thế rất phức tạp. Người ta cho rằng yếu tố tác động chính ở đây là hiện tượng bề mặt. Nói chung quá trình điện phân nào xảy ra với điện áp phân hủy thấp nhất sẽ là quá trình xảy ra dễ nhất và sẽ cho ra sản phẩm chính của quá trình điện phân. Quá trình điện phân muối bão hòa xảy ra theo bốn phương trình sau: 1. Tại catốt: Na+(aq) +1e-  Na(s) 0 2,71redE V  2. Anốt: 2Cl-(aq)  Cl2(g) + 2e- 0 1,36redE V 3. Catốt: 2H2O(l) + 2e+  H2(g) + 2OH- (aq) 0 0,83redE V  4. Anốt: 2H2O(l)  O2(g) + H+(aq) + 4e- 0 1,23redE V Ký hiệu trong các phản ứng: (aq) dung dịch tan trong nước, aqua; (s) chất rắn, solid; (g) chất khí, gas; (l) chất lỏng, liquid. Ví dụ trong phản ứng thứ nhất dung dịch Na+ tan trong nước nhận 1 electron để trở thành một phân tử Na dạng rắn. Phân tích từng đôi một quá trình như đã làm trên đây cho ta 4 trường hợp: A. Phản ứng 1 và 2 có thế phân hủy bằng E = 1,36 – (-2,71) = 4,07 V. B. Phản ứng 1 và 4 có thế phân hủy bằng E = 1,23 – (-2,71) = 3,94 V. C. Phản ứng 3 và 4 có thế phân hủy bằng E = 1,23 – (-0,83) = 2,06 V. D. Phản ứng 3 và 2 có thế phân hủy bằng E = 1,36 – (-0,83) = 2,19 V. Như vậy chỉ có hai quá trình C và D dễ xảy ra nhất và cho các sản phẩm chính của điện phân là khí hiđrô, khí clo và sút (hiđrôxit natri). Phản ứng 1 hầu như không xảy ra nên ion Na+ còn lại trong dung dịch hợp với ion OH- tạo thành sút (NaOH). Như vậy quá trình xảy ra theo các phản ứng sau: Anôt (ô-xy hóa): 2Cl-(aq)  Cl2(g) + 2e- Catôt (khử): 2H2O(l) + 2e+  H2(g) + 2OH- (aq) Phản ứng tổng thể: 2H2O + 2Cl-(aq)  H2(g) +Cl2(g) + 2OH-(aq) Định luật Faraday cho quá trình điện phân Ta thấy rằng khi có dòng điện trường đặt vào dung dịch điện phân thì các iôn chuyển dời về các điện cực, và sau khi đã thu thêm hoặc nhường êlectrôn cho các điện cực chúng biến thành cá nhiều iôn đến điện cực thì lượng chất bám vào cực càng nhiều. Năm 1834 nhà bác học Farađây người Anh đã nghiên cứu định lượng vấn đề này và phát biểu thành định luật Farađây. Định luật 1: Khối lượng m chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ thuận với điện lượng q đi qua dung dịch điện phân. Định luật 2: Số lượng các phần tử đọng lại trong quá trình điện phân với một lượng điện tích đi qua nào đó tỷ lệ với khối lượng hoá học tương đương của chúng (A/n). Hai định luật này có thể biểu diễn dưới dạng công thức: Am k q n  A là khối lượng mol; n là hóa trị của chất đó; k là hệ số tỉ lệ. Hệ số tỉ lệ k có cùng một giá trị đối với tất cả các chất. Người ta thường kí hiệu 1 F k  , trong đó F cũng là một hằng số đối với mọi chất và gọi là số Farađây. F = 9,65.104 C/mol. Định luật có thể biểu diễn thông qua dòng điện: 1( ) ( )A Am g k q m g It n F n    , với q (C) là điện lượng đi qua bình điện phân, t (s) là thời gian dòng điện chạy qua, I (A) là cường độ dòng điện không đổi. Ví dụ về quá trình điện phân muối ăn Ngăn điện hoá dùng màng trao đổi iôn trong điện phân muối ăn cho trên hình 1.13. Trên hình có thể thấy dung dịch muối ăn bão hoà đi vào bên điện cực anôt. Hơi clo được tạo ra bên phần anôt. Màng ngăn cách iôn cho phép các iôn Na+ đi qua sang bên catôt, tại đây chúng hợp với các iôn OH- của nước tạo thành sút NaOH, còn khí hiđrô H2 bay lên. Hình 1.13. Sản xuất sút và clo trong ngăn điện phân có màng trao đổi iôn. Các thông số của quá trình điện phân cho trong bảng dưới đây: Membrane Mật độ dòng điện kA/m2 3 - 5 Điện áp ngăn (V) 3.0 – 3,6 Độ mạnh của NaOH (wt%) 33 - 35 Năng lượng tiêu thụ (kWh/1000kg Cl2) tại mật độ dòng điện (kA/m2). 2650 (5) Hơi tiêu thụ (kWh/1000kg Cl2) cho mật độ 50% NaOH. 180 1.3.3. Yêu cầu đối với các bộ nguồn cho điện phân Các bộ nguồn cho quá trình điện phân đều có đặc tính yêu cầu điện áp thay đổi trong dải rộng, trong khi dòng điện phải ổn định với độ chính xác cao. Điện áp một chiều thường yêu cầu những giá trị sau: 75, 150, 300, 450, 600, 850 V. Dòng điện thường yêu cầu những giá trị sau: 6,25, 12,5, 25, 50, 75, 100, 150 kA. Điện áp thường yêu cầu thay đổi trong phạm vi 0,6 đến 1,0 Uđm để đảm bảo ổn định dòng điện trong phạm vi +/- 2% Iđm. Điện áp cần điều chỉnh xuống thấp trong quá trình khởi động, lúc mới đóng điện vào bể điện phân, hoặc khi cần ngắn mạch bỏ qua một vài ngăn trong quá trình làm việc do trục trặc gì đó. Với những công suất yêu cầu lớn như vậy biến áp chỉnh lưu thường được cấp nguồn từ cao áp, 6 hoặc 10 kV. Đặc tính của nguồn điện phân có dạng như trên hình 1.14. 2%d dI I   Hình 1.14.Đặc tính yêu cầu của nguồn điện phân. Do dòng điện yêu cầu rất lớn và điện áp tương đối cao, các bộ nguồn điện phân thường được xây dựng từ các sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng hoặc chỉnh lưu cầu ba pha với mỗi nhánh van gồm nhiều van mắc song song. Khi điện áp yêu cầu nhỏ hơn 150 V nên dùng sơ đồ 6 pha. Với điện áp lớn hơn 150 V nên sử dụng sơ đồ cầu vì khi đó công suất máy biến áp giảm được hơn 20 % so với sơ đồ 6 pha, bù lại được những tổn thất trên hai van dẫn nối tiếp trong sơ đồ cầu. Với công suất lớn, trên 300 kW, cần sử dụng những sơ đồ cầu mắc song song với nguồn cấp xoay chiều từ máy biến áp ba cuộn dây, sơ cấp đấu sao hoặc tam giác, thứ cấp một tổ đấu sao, một tổ đấu tam giác, Y/ Y hoặc /Y. Khi đó điện áp chỉnh lưu đập mạch 12 lần một chu kỳ điện áp lưới. Không những thế chất lượng dòng điện phía sơ cấp được cải thiện đáng kể do loại bỏ được nhiều thành phần sóng hài bậc cao. Với công suất lớn trên 1MW cần phải sử dụng các sơ đồ 24, 36, 48 pha. Ví dụ về hệ thống nguồn cung cấp cho một dây chuyền điện phân: - Số bình điện phân nối tiếp: 52 bình. - Điện áp trên mỗi bình: 3 V. - Mật độ dòng điện: 5 kA/m2. - Mức tiêu hao năng lượng điện: 2130 kWh/NaOH – MT. - Chỉnh lưu cầu 3 pha, điện áp nguồn xoay chiều 10 kV, công suất biến áp 3000 KVA, điện áp một chiều 150 – 190 VDC, dòng một chiều 17000 A. 1.3.4. Quá trình mạ điện Mạ điện cũng là một quá trình điện hoá. Mạ là tạo ra một lớp bám, thường là từ kim loại, trên bề mặt của vật dưới tác dụng của dòng điện. Để tạo được lớp bám kim loại, vật được cho tích điện âm và cho chìm trong dung dịch muối kim loại (như vậy vật cần mạ là catôt của một ngăn điện hoá). Các iôn dương kim loại sẽ bám lên bề mặt catôt, catốt trao cho các iôn này electron, tạo nên lớp mạ kim loại. Đặc điểm của các bộ nguồn cung cấp cho quá trình mạ Các bộ nguồn cho mạ thường có điện áp thấp, 6, 12, 24 V. Dòng điện yêu cầu thường từ vài trăm ampe đến 3000 A. Độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu có ảnh hưởng mạnh đến chất lượng lớp mạ. Các nghiên cứu cho thấy độ đập mạch kp => 20% làm cho lớp mạ không bóng và độ bền cũng kém. Lớp mạ crom đặc biệt chịu ảnh hưởng của độ đập mạch. Vì vậy nói chung các bộ nguồn mạ dùng chỉnh lưu thường yêu cầu có bộ lọc trên đầu ra. Bộ lọc thường dùng là mạch L hoặc LC đơn giản, đảm bảo độ đập mạch kp < 20% (hình 1.15). Hình 1.15. Sơ đồ mạch lọc thông dụng dùng cho nguồn mạ. (a) Mạch lọc L; (b) Mạch lọc LC. Bộ nguồn mạ thường yêu cầu một trong ba chế độ điều chỉnh sau: 1. Ổn định điện áp; 2. Ổn định dòng điện; 3. Ổn định mật độ dòng điện. Độ chính xác điều chỉnh yêu cầu thường là +/- 10% so với lượng đặt. Ngoài các chế độ tự động ổn định các tham số như trên, nguồn mạ cũng yêu cầu điện áp ra có thể điều chỉnh bằng tay từ 0 đến giá trị định mức Ud,đm phục vụ cho việc hiệu chỉnh dung dịch mạ và thử nghiệm với các chi tiết khác nhau. Ngoài ra các bộ chỉnh lưu phải có hệ thống bảo vệ chống quá tải và ngắn mạch. Do nguồn mạ yêu cầu dòng lớn với điện áp tương đối thấp, các sơ đồ hình tia là các phương án phù hợp hơn cả. Trong các sơ đồ hình tia dòng điện chỉ đi qua một bán bán dẫn nên tổn thất về điện áp cũng như công suất ít hơn so với các sơ đồ cầu. Với công suất yêu cầu lớn, dòng điện hơn 1000 A nên sử dụng sơ đồ 6 pha, có cuộn kháng cân bằng. Quá trình mạ cũng thường dùng phương pháp đảo chiều dòng mạ để tăng hiệu quả bám dính của lớp mạ, tăng độ bóng, qua đó tăng được năng suất. Chu trình mạ T thường thay đổi trong phạm vi 2 – 50 s, trong đó tỷ lệ giữa thời gian mạ thuận Tt trên thời gian mạ ngược Tn, Tt / Tn, cỡ 2 – 20 lần. Các bộ nguồn mạ đảo dòng dùng các bộ chỉnh lưu có đảo chiều, thường dùng phương pháp điều khiển riêng vì dòng mạ lớn. Trong mạ đảo dòng có thể dùng mật độ dòng điện cao hơn nên điện áp cũng được thiết kế cao hơn, đến 18 – 36 V. Đặc tính yêu cầu của quá trình đảo chiều dòng điện cho trên hình 1.16. Trên hình vẽ cũng chỉ ra thời gian trễ an toàn bắt buộc cho quá trình đảo chiều,  = 10 – 100 ms. 10 100ms   Hình 1.16. Đặc tính yêu cầu của nguồn mạ đảo dòng. 1.4. Phân tích yêu cầu công nghệ đối với mạch nạp acquy tự động 1.4.1. Cấu tạo của acquy Acquy cũng là một thiết bị điện hoá. Cấu tạo của acquy bao gồm hai điện cực khác nhau, đặt trong dung dịch điện phân, có màng ngăn cách (hình 1.17). Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu nối với mạch ngoài có thể sinh ra dòng điện. Acquy được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho các loại thiết bị khác nhau. Có hai loại acquy thông dụng là acquy chì – axit và acquy kiềm. Hình 1.17. Cấu tạo của acquy. 1. Acquy chì – axit Acquy chì – axit có cấu tạo điện cực dương là điôxit chì PbO2, điện cực âm là chì xốp Pb, dung dịch dùng axit sulfuric H2SO4. Khi nối cực acquy với mạch tải dung dịch sẽ biến đổi thành sulfat chì PbSO4. Các phản ứng hoá học xảy tại các điện cực như sau (trong quá trình phóng điện các phản ứng thực hiện theo chiều từ trái sang phải, trong quá trình nạp điện các phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, từ phải sang trái): - Tại cực dương: PbO2 + 4H+ + 2e- = Pb2+ + 2H2O Pb+2 + SO42- = PbSO4 - Tại cực âm: Pb = Pb2+ + 2e- Pb2+ + SO22- = PbSO4 - Phản ứng tổng thể: PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O. Như vậy khi acquy phóng hết điện các chất tích cực trên điện cực dương PbO2 và trên điện cực âm Pb biến thành PbSO4, còn axit sulfuric biến hết thành nước. Điện áp định mức của một ngăn acquy chì là khoảng 2,1 V. Như vậy để tạo thành bình acquy 12 V cần mắc nối tiếp 6 ngăn. Trong quá trình sản xuất, ban đầu các điện cực ở dưới dạng ôxit chì PbO. Sau lần nạp định dạng đầu tiên, thường do nhà sản xuất tiến hành, ôxit chì biến thành điôxit chì (PbO2) ở cực dương và chì (Pb) ở cực âm. Sau lần nạp định dạng này bắt đầu quá trình nạp để acquy có được dung lượng cần thiết. Trong một acquy được nạp đến đầy dung lượng, thông thường dung dịch chứa 36% tỷ trọng axit, hay là 25% thể tích, còn lại là nước. Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch so với mật độ nước gọi là tỷ trọng đặc trưng, là một trong những thông số quan trọng của acquy, xác định điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch khi acquy phóng hết. Điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch lại xác định khả năng làm việc của acquy tại các môi trường nhiệt độ khác nhau. Ở môi trường nhiệt độ càng thấp càng yêu cầu tỷ trọng đặc trưng của acquy phải cao. Tỷ trọng đặc trưng, khi acquy nạp đầy, thường trong phạm vi 1,250 đến 1,280 ở nhiệt độ 27C, nghĩa là mật độ dung dịch lớn hơn nước sạch 1,25 đến 1,28 lần. Khi acquy phóng điện, tỷ trọng đặc trưng sẽ giảm dần, về đến 1. 2. Acquy kiềm Acquy kiềm, ví dụ loại nikel-cadmium, sử dụng dung dịch là hyđrôxit kali (KOH), điện cực dương là hyđrôxit nickel (NiO(OH)) và cực âm là cadmium (Cd). Khi phóng điện hyđrôxit nickel chuyển thành Ni(OH)2 và cadmium thành Cd(OH)2. Mật độ chất điện ly không thay đổi, vì vậy điểm hoá rắn rất thấp. Tuy nhiên giá thành acquy cao hơn. Acquy kiềm có nhiều ưu điểm so với acquy chì – axit như tuổi thọ cao hơn, hầu như không cần bảo dưỡng, chịu được mức độ phóng sâu và không yêu cầu ổn định điện áp khắt khe trong quá trình nạp, chịu được nhiệt độ môi trường rất thấp. Các phản ứng hoá học xảy ra tại các điện cực (trong quá trình phóng điện các phản ứng thực hiện theo chiều từ trái sang phải, trong quá trình nạp điện các phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, từ phải sang trái): - Tại điện cực dương 2Ni(OH) + 2H2O + 2e- = 2Ni(OH)2 + 2OH- - Tại điện cực âm Cd + 2OH- = Cd(OH)2 + 2e- - Phản ứng chung Cd + 2NiO(OH) + 2H2O = Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2. Điện áp định mức của một ngăn acquy kiềm là 1,2 V. Như vậy để tạo ra bình acquy có điện áp 12 V cần nối 10 ngăn nối tiếp. Điện áp trên các ngăn acquy kiềm được giữ ổn định cho đến khi ngăn phóng điện gần hết, khi đó điện áp trên ngăn sẽ giảm đột ngột. Acquy nickel-cadmium có thể chấp nhận dòng nạp lớn đến mức C/1 và có thể được nạp tiếp tục lâu dài với dòng nạp đến C/15. C là dung lượng acquy, được định nghĩa sau đây. 1.4.2. Các đặc tính của acquy Dung lượng: thường được đo bằng ampe-giờ (Ah), xác định năng lượng điện mà acquy phóng ra với một giá trị dòng điện nhất định trong một khoảng thời gian nhất định. Khoảng thời gian thường dùng để xác định dung lượng là 5 h, 10 h, 20 h. Tương ứng có ký hiệu dung lượng là C5, C10, C20. Giá trị dòng điện đo được khi xác định dung lượng thường bằng 10% hoặc 20% C. Ví dụ acquy có dung lượng C = 100 Ah, sẽ cung cấp cho tải 10 A trong 10 h hoặc 20 A trong 5 h. Điện áp ngưỡng thấp nhất: là giá trị điện áp thấp nhất cho phép trong quá trình vận hành acquy, xác định dung lượng bằng không (acquy đã phóng hết điện) tại giá trị dòng phóng nào đó. Nếu dòng phóng lớn hơn thì điện áp acquy sẽ giảm đến mức thấp hơn. Đây là giá trị do nhà sản xuất cung cấp. Ví dụ: Acquy của hãng PowerSonic có điện áp ngưỡng thấp nhất là 1,75 V/ngăn với dòng phóng đến 0,2C, xuống đến giá trị thấp hơn là 1,5 V/ngăn nếu dòng phóng là 1C. Điện áp hở mạch: Điện áp giữa hai cực của acquy khi không trong quá trình phóng cũng như quá trình nạp. Điện áp hở mạch của acquy chì – axit phụ thuộc nhiệt độ, tỷ trọng đặc trưng, thường có giá trị khoảng 2,1 V. Lưu ý rằng tỷ trọng đặc trưng của acquy phụ thuộc dung lượng mà acquy đang có. Khi acquy phóng điện, dung lượng giảm đi nên điện áp khi hở mạch acquy cũng giảm theo. Ví dụ: acquy PowerSonic có điện áp hở mạch 2,15 V/ngăn khi nạp đầy và còn 1,94 V/ngăn khi dung lượng bằng không. Nạp acquy Có nhiều chế độ nạp acquy khác nhau: chế độ nạp bình thường, chế độ nạp hoàn thiện và chế độ nạp cân bằng. Chế độ nạp bình thường có thể bất đầu bất cứ lúc nào, với dòng nạp nào, miễn là không làm cho điện áp acquy vượt quá mức điện áp sinh hơi. Chế độ nạp bình thường đem lại 80 đến 90% dung lượng acquy. Chế độ nạp hoàn thiện bắt đầu khi acquy đã nạp gần đầy, phần lớn các chất tích cực trong acquy đã trở về dạng ban đầu của nó. Khi đó sẽ cần phải tăng giá trị điện áp nạp và dòng điện sẽ suy giảm dần về đến không. Chế độ nạp cân bằng được sử dụng theo chu kỳ, sau vài tuần đến 2 tháng, với mục đích là làm cho các ngăn acquy có độ đồng đều. Chế độ này yêu cầu điện áp nạp cao hơn so với nạp hoàn thiện và dòng điện nạp phải được giữ ổn định, trong vài giờ. Thông thường, sau khi acquy phóng kiệt cũng cần đến chế độ nạp này. Acquy phóng điện Độ sâu phóng điện thể hiện bởi tỷ lệ phần trăm năng lượng điện đã cấp cho tải bên ngoài so với dung lượng acquy. Độ sâu phóng điện, với một giá trị dòng phóng nào đó, bị hạn chế bởi điện áp ngưỡng thấp nhất, thường chỉ cho phép đến 15 – 25% dung lượng acquy. Mức độ tự phóng điện: khi acquy ở chế độ hở mạch dung lượng acquy bị suy giảm chậm do dòng rò phía cực hoặc do cấu tạo của bản thân trong acquy. Mức đọ tự phóng của acquy tăng theo nhiệt độ, có thể đạt đến 10 – 15%. 1.4.3. Yêu cầu của mạch nạp acquy tự động Từ các phân tích về cấu tạo và đặc tính của acquy có thể đưa ra các yêu cầu đối với một thiết bị nạp acquy tự động. Nạp acquy tự động được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ trong các bộ nguồn một chiều dự phòng, trong các bộ nguồn cấp điện liên tục (UPS). Đặc điểm của các ứng dụng này là acquy có thể phóng điện ra tải bất cứ lúc nào nhưng trong phần lớn thời gian acquy chỉ ở trong chế độ dự phòng sẵn sàng. Vì vậy nếu có điện lưới thì mạch nạp sẽ hoạt động để đảm bảo acquy luôn ở trong chế độ dung lượng đầy. Như vậy mạch nạp tự động có các chức năng sau: - Phát hiện các tình huống để đưa ra chế độ nạp phù hợp cho acquy. Đó là ba chế độ nạp cơ bản: chế độ nạp bình thường, chế độ nạp hoàn thiện hoặc chế độ nạp cân bằng. - Đảm bảo các chế độ nạp như trên theo đúng yêu cầu. - Ngoài ra thiết bị nạp tự động cũng phải đảm bảo ngắt tải ra khỏi acquy để tránh phóng điện sâu, phá hỏng khả năng phục hồi của acquy. Chế độ nạp cân bằng cũng phải được thực hiện định kỳ để làm tươi lại acquy và làm cho các ngăn có tính chất đồng đều. Việc phát hiện các tình huống để đưa ra chế độ nạp phù hợp có thể được thực hiện bằng cách theo dõi điện áp và dòng điện trên acquy, như minh hoạ trong đồ thị trên hình 1.17. Hình 1.18. Các chế độ nạp acquy. Các chế độ của bộ nguồn nạp gồm 3 chế độ sau đây: nạp với dòng không đổi, nạp với áp không đổi và nạp nổi. - Nạp với dòng không đổi. Đây là chế độ nạp bình thường của acquy, sẽ đưa dung lượng acquy lên đến 80 – 90% dung lượng đầy. Với acquy chì – axit dòng nạp thường lấy là C/10. Ví dụ acquy có dung lượng C = 100 Ah, dòng nạp sẽ là 10 A. Chế độ này được duy trì nếu điện áp acquy ở trong khoảng 1,8 V < Ub <2,1 V (khoảng 1, 7 trên hình 1.17). Chế độ dòng không đổi cũng được áp dụng trong chế độ nạp cân bằng, khi điện áp trên ngăn nhỏ hơn 1,8 – 1,95 V. Chế độ nạp cân bằng thực hiện với dòng lớn hơn, thường là C/5. Sau chế độ nạp cân bằng thường chuyển sang chế độ nạp bình thường với dòng C/10 (khoảng 6 trên đồ thị hình 1.17). Khi điện áp acquy đạt đến 2,1 V chuyển sang chế độ nạp với áp không đổi. - Nạp với áp không đổi. Khi điện áp acquy đạt đến giá trị định mức 2,1 V chuyển sang chế độ nạp với áp không đổi, là quá trình nạp hoàn thiện nhằm đưa dung lượng của acquy đến 100%. Điện áp nạp giữ ổn định ở mức cao, từ 2,4 đến 2,45 V. Trong quá trình này dòng nạp sẽ giảm về đến 0 (khoảng 2 trên hình 1.17). Khi dòng nạp rất gần 0 chuyển sang chế độ nạp nổi. - Nạp nổi. Nạp nổi thực ra là không nạp gì mà giữ điện áp điện áp ổn định ở mức 2,25 – 2,3 V, thấp hơn so với chế độ nạp với áp không đổi. Trong chế độ này acquy đã nạp no và không có tải, dòng vào acquy bằng 0. Điện áp của bộ nguồn chỉ có tác dụng bù lại phần nào dòng dò của acquy nếu chế độ không tải này tồn tại lâu dài. Khi acquy mang tải, ở khoảng 4 trên đồ thị hình 1.17, nếu cuối giai đoạn này acquy phóng gần hết, chỉ còn 5 – 10% dung lượng, thể hiện ở điện áp trên ngăn xuống dưới mức 1,8 – 1,95 V, phải ngắt tải ra khỏi acquy và sau đó thực hiện nạp cân bằng với dòng lớn C/5. Đối với acquy kiềm, quá trình xảy ra cũng tương tự, nhưng với các mốc điện áp và dòng điện khác tương ứng như sau: - Nạp với dòng không đổi, chế độ bình thường, Ib = C/5, khi 0,8 V < Ub < 1,2 V. - Nạp với áp không đổi, chế độ hoàn thiện, Ub = 1,5 – 1,6 V. - Nạp nổi, không tải, Ub = 1,4 – 1,45 V. - Nạp cân bằng, dòng không đổi, Ib = C/2 – C/1,5. Ib1=const Ub1=const Ub2=const Ib2=const Ub> 2,1V Ib~0A Ib<0 U b>1,8V U b<1,8V I b ~0 A Ib1=C/10 Ib2=C/5 Ub1=2,6V Ub2=2,4V Hình 1.19. Sơ đồ chuyển trạng thái lôgic quá trình nạp acquy tự động. Trên hình 1.18 mô tả các trạng thái lôgic của quá trình nạp tự động. Thiệt bị nạp tự động sẽ có 4 trạng thái lôgic, hai trạng thái điều chỉnh dòng không đổi và hai trạng thái điều chỉnh điện áp không đổi. Các tín hiệu đo dòng acquy Ib và điện áp acquy Ub sẽ cho phép chuyển từ trạng thái nọ sang trạng thái kia, như trên hình 1.17. Nếu acquy đang ở trạng thái hở mạch, Ub2 = 2,3 V, mà mang tải, thể hiện bởi dòng acquy Ib < 0, thì thiết bị sẽ ở nguyên trạng thái đó cho đến khi dòng gần bằng 0, Ib ~ 0A, thì sẽ chuyển sang chế độ nạp bình thường với Ib1 = C/10 rồi từ đó mới chuyển sang chế độ nạp áp không đổi Ub1 = 2,4  2,45 V hoặc sang chế độ nạp cân bằng nếu Ub < 1,8 V. Đồ thị hình 1.18 cho thấy lôgic điều khiển bộ nạp tự động là lôgic trạng thái, hay gọi là lôgic có nhớ, chứ không đơn giản chỉ là lôgic tổ hợp. Mạch lôgic này có thể thiết kế nhờ một mạch lôgic lập trình được đơn giản (Programmable Logic Device – PLD) hoặc bằng các IC lôgic thông thường. Lưu ý rằng các ngưỡng điện áp đưa ra trên đây phải có thể điều chỉnh được, phù hợp với đặc tính do nhà sản xuất cung cấp cho từng loại acquy. 1.4.4. Tính toán mạch nguồn cho bộ nạp acquy Việc tính toán mạch nguồn cho bộ nạp phải xuất phát từ các đặc tính cơ bản của acquy, đó là dung lượng acquy C (Ah), điện áp acquy Ub (V), điện áp nguồn xoay chiều cung cấp U1 (V). Điện áp acquy được xác định từ điện áp trên một ngăn, với acquy chì – axit là 2,1 V, với acquy kiềm là 1,2 V. Hệ thống acquy có thể gồm nhiều ngăn mắc nối tiếp để tạo ra giá trị điện áp cần thiết. Thông thường acquy được chế tạo thành các bình với điện áp chuẩn 6 hoặc 12 V. Với các hệ thống acquy công suất lớn mỗi bình thuờng là một ngăn riêng rẽ. Để tăng thêm dung lượng acquy có thể cần mắc song song nhiều dây acquy mắc nối tiếp. Đối với các thiết bị UPS có thể cần phải xác định cả dung lượng và điện áp cần thiết của bộ acquy. Một bài toán thiết kế UPS có thể đặt ra như sau: - Điện áp lưới đầu vào 220 V +/- 10%, 50 Hz. - Điện áp đầu ra 220 V, +/- 2,5%, 50 Hz. - Công suất tải đầu ra: 5 KW. - Thời gian lưu điện: 30 phút. Tính toán hệ thống acquy cho ví dụ này. Trong ví dụ này ta vừa phải xác định điện áp acquy và dung lượng của acquy. Giả sử ta xây dựng bộ UPS theo cấu trúc AC-DC-AC, trong đó sử dụng chỉnh lưu tiristo để tạo nên điện áp cho khâu trung gian một chiều, nghịch lưu biến điệu bề rộng xung PWM để biến điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều trên đầu ra. Do những tổn thất về điện áp nên để tạo ra điện áp xoay chiều 220 V trên đầu ra với lưới điện 220 V đầu vào, việc dùng máy biến áp để phối hợp là không thể tránh khỏi. Để ví dụ tính toán cho mạch chỉnh lưu tiristo có máy biến áp ở đầu vào, ta có thể tùy ý xác định mức điện áp cần thiết ở khâu trung gian một chiều. Điện áp ở khâu trung gian một chiều được xác định là: 2 m d VU U U   , Trong đó 2 22 mU U là biên độ của điện áp xoay chiều đầu ra; VU sụt áp trên van nghịch lưu. Nếu dùng IGBT sụt áp trên van là khoảng 3 V. Trong nghịch lưu cầu sụt áp trên bằng sụt áp trên hai van nối tiếp, vậy chọn 2.3 6( )VU V   . Tính sơ bộ 2.220 6 317,13( )dU V   . Nếu dùng các bình acquy 12 V, khi acquy phóng đến ngưỡng điện áp thấp nhất 1,8 V/ngăn, điện áp của bình sẽ còn 6.1,8 = 10,8 V. Như vậy số bình acquy cần thiết tối thiểu là 317,13/10,8 = 30 bình. Điện áp một chiều tối thiểu sẽ là 10,8.30 = 324 V. Trong chế độ định mức điện áp một chiều sẽ là 12.30 = 360 V. Giả sử bỏ qua tổn thất trên bộ biến đổi, công suất tải đầu ra sẽ bằng công suất phía một chiều. Từ đây suy ra: rP 5000 13,98( ) 360 d d d d PI A U U     . Đó chính là dòng điện acquy phải phóng ra trong vòng 30 phút. Vậy dung lượng tối thiểu của acquy phải là: C = 13,98.30/60 =6,99 (Ah). Như vậy có thể chọn loại acquy phổ biến trên thị trường với dung lượng 7,5 Ah. Tính toán các thông số của chỉnh lưu đầu vào Chỉnh lưu đầu vào phải đảm bảo điện áp nạp khi điện áp của một ngăn cao nhất là Ub2 = 2,7 V, dòng nạp lớn nhất cho chế độ nạp cân bằng là C/5. Trong ví dụ trên đây ta có các thông số phía một chiều mà chỉnh lưu phải đảm bảo là: Ud = 2,7.(30.6) = 486 (V). Id,max = C/5 = 7,5 / 5 = 1,5 (A). Có thể thấy rằng để đảm bảo các chế độ nạp acquy thì công suất của nguồn nạp không phải là quá lớn, Pd,nạp max = 486.1,5 = 729 W, tuy nhiên nguồn một chiều cũng phải đảm bảo cung cấp công suất toàn phần cho UPS, nghĩa là ít nhất cũng phải đảm bảo là 5 KW. Ngoài ra điện áp đảm bảo cho toàn bộ quá trình nạp lại thay đổi trong một phạm vi quá rộng, từ 324 V đến 486 V. Điều này nghĩa là nên thiết kế phần mạch nạp riêng cho acquy thông qua một bộ biến đổi xung áp từ điện áp một chiều đầu ra của chỉnh lưu. Như vậy có thể dùng chỉnh lưu toàn điôt, nâng cao hiệu quả của toàn bộ sơ đồ. Đối với các bộ nguồn chỉ yêu cầu đầu ra một chiều với acquy là bộ đệm, tích trữ năng lượng, thì việc dùng chỉnh lưu tiristo là hoàn toàn phù hợp. 1.5. Phân tích yêu cầu công nghệ đối với mạch cấp kích từ cho máy điện