Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tự động hóa các quá trình sản xuất ngày càng gia tăng. Trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại, các giải pháp kỹ thuật số sử dụng vi điều khiển đang dần thay thế các mạch tương tự truyền thống nhờ khả năng lập trình linh hoạt, dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số, luật điều khiển, tốc độ xử lý nhanh và độ chính xác cao. Xu hướng này mang lại sự chuẩn hóa cao cho các hệ thống truyền động điện và các thiết bị điều khiển tự động.

Nguồn điện một chiều từ ắc quy đóng vai trò thiết yếu trong công nghiệp cũng như các lĩnh vực giao thông, viễn thông và năng lượng dự phòng. Tuy nhiên, chất lượng vận hành, dung lượng hữu ích và tuổi thọ của ắc quy chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chế độ nạp điện. Việc nạp thủ công hoặc sử dụng các bộ sạc không kiểm soát được các thông số dòng - áp dẫn đến hiện tượng nạp thiếu dung lượng hoặc nạp quá mức làm sôi chất điện phân, gây cong vênh bản cực và làm hỏng ắc quy nhanh chóng. Do đó, yêu cầu nghiên cứu và chế tạo bộ nguồn nạp tự động có khả năng tự nhận biết trạng thái phóng/nạp, tự động đóng cắt và kiểm soát ổn định dòng nạp, áp nạp theo quy trình công nghệ chuẩn là một vấn đề kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn rõ rệt.

Đề tài đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ nạp, cấu tạo điện hóa, các đặc tính phóng - nạp và các phương pháp nạp ắc quy axit-chì thông dụng.
  2. Lựa chọn sơ đồ nguyên lý mạch công suất chỉnh lưu, tính toán và chọn lựa các phần tử bán dẫn công suất (Thyristor, Diode) và máy biến áp nguồn phù hợp với yêu cầu tải nạp 24V - 10A.
  3. Thiết kế cấu trúc phần cứng hệ thống điều khiển và giám sát dựa trên vi điều khiển AVR, bao gồm khối nguồn nuôi, khối đồng bộ phát hiện điểm không của điện áp lưới, khối tạo xung điều khiển kích mở van, khối đo lường dòng điện - điện áp và khối giao tiếp hiển thị.
  4. Xây dựng thuật toán, thiết kế lưu đồ và lập trình phần mềm nhúng cho vi điều khiển mạch điều khiển (áp dụng thuật toán điều khiển PID số) và mạch giám sát, bảo đảm quá trình nạp diễn ra hoàn toàn tự động theo quy luật nạp kết hợp dòng - áp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển và giám sát mạch nạp ắc quy tự động; công nghệ nạp ắc quy chì-axit; bộ chỉnh lưu điều khiển sử dụng Thyristor và vi điều khiển họ AVR (chip ATmega128L).
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế tính toán mạch động lực nạp cho bình ắc quy axit 24V với dòng nạp định mức 10A; xây dựng thuật toán điều khiển PID ổn định dòng và chuyển đổi chế độ nạp; nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, hoàn thành vào năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điện hóa học, lý thuyết điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển số:

  • Lý thuyết điện hóa của ắc quy axit-chì: Khảo sát quá trình biến đổi năng lượng thuận nghịch giữa hóa năng và điện năng dựa trên phản ứng tổng quát giữa bản cực dương ($PbO_2$), bản cực âm ($Pb$) và dung dịch điện phân axit sunfuric ($H_2SO_4$). Công thức xác định sức điện động tĩnh: $E_0 = 0{,}85 + \gamma$ (với $\gamma$ là khối lượng riêng/nồng độ dung dịch điện phân ở 15°C, tính bằng $g/cm^3$). Khảo sát phương trình sức điện động khi nạp $E_n = U_n - I_n \cdot r_{aq}$ và khi phóng $E_p = U_p + I_p \cdot r_{aq}$, trong đó $r_{aq}$ là điện trở trong của bình.
  • Lý thuyết điện tử công suất: Cơ sở tính toán mạch chỉnh lưu cầu có điều khiển sử dụng linh kiện bán dẫn Thyristor kết hợp Diode; các công thức xác định điện áp chỉnh lưu trung bình cực đại $U_{d0}$, điện áp ngược cực đại đặt lên van $U_{nmax}$, dòng điện hiệu dụng chảy qua van $I_{hd}$ và phương trình cân bằng điện áp khi có tải có xét đến sụt áp trên van ($\Delta U_v$) và trên dây quấn máy biến áp ($\Delta U_{ba}$).
  • Lý thuyết điều khiển tự động và thuật toán PID số: Sử dụng luật điều khiển vi tích phân tỷ lệ (Proportional - Integral - Derivative) dạng rời rạc nhằm triệt tiêu sai lệch giữa dòng nạp thực tế phản hồi từ cảm biến với giá trị dòng đặt ban đầu ($E = I_s - I_{thực}$), xuất tín hiệu điều chỉnh góc kích mở $\alpha$ của Thyristor.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Tổng hợp tài liệu chuyên ngành về đặc tính hóa học, các chế độ nạp ắc quy và cấu trúc các bộ biến đổi bán dẫn để lựa chọn phương án tối ưu.
  • Phương pháp tính toán giải tích kỹ thuật: Thiết lập các hệ số dự trữ điện áp ($K_{dtu} = 1{,}8$), hệ số dự trữ dòng điện ($K_i = 1{,}4$) để tính chọn chính xác mã hiệu linh kiện Thyristor, Diode và thông số cuộn sơ cấp, thứ cấp của máy biến áp cấp nguồn.
  • Phương pháp thực nghiệm - thiết kế kỹ thuật: Vẽ sơ đồ nguyên lý phần cứng, thiết kế mạch in (PCB), hàn lắp mạch thực tế và viết code phần mềm nhúng bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển AVR.
  • Nguồn dữ liệu nghiên cứu: Tài liệu kỹ thuật chuyên ngành truyền động điện, điện tử công suất, sổ tay tra cứu linh kiện bán dẫn (datasheet Thyristor 5P4M, Diode S6460P-G, vi điều khiển ATmega128L) và các thông số thực tế đo đạc trên mạch phần cứng.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc điều khiển vòng kín gồm hai mạch chính: Mạch điều khiển động lực và Mạch giám sát hiển thị/cài đặt.

Thiết kế phần cứng hệ thống

  1. Khối mạch lực và biến áp:
  • Điện áp lưới xoay chiều sơ cấp $U_1 = 220V$ được hạ áp qua máy biến áp xuống điện áp thứ cấp $U_2 = 30{,}71V$.
  • Bộ chỉnh lưu điều khiển sử dụng sơ đồ cầu kết hợp van điều khiển Thyristor và Diode công suất để cung cấp dòng một chiều có thể điều chỉnh điện áp ra tải ắc quy 24V.
Tên linh kiện / Thông số Ký hiệu / Mã hiệu Giá trị tính toán Giá trị chọn thực tế
Điện áp ngược cực đại van $U_{nv}$ $67{,}82\text{ V}$ $80\text{ V}$ (Thyristor 5P4M)
Dòng điện làm việc định mức $I_{đmv}$ $9{,}94\text{ A}$ $13\text{ A}$ (Thyristor 5P4M)
Dòng xung đỉnh cực đại $I_{pk}$ — $250\text{ A}$ (5P4M)
Sụt áp thuận trên van $\Delta u$ / $\Delta U$ $2{,}1\text{ V}$ $2{,}1\text{ V}$ (5P4M) / $1{,}2\text{ V}$ (S6460P-G)
Diode chỉnh lưu phụ trợ Mã hiệu — S6460P-G ($I_{max}=30\text{A}, U_{ng}=500\text{V}$)
Điện áp thứ cấp máy biến áp $U_2$ $30{,}71\text{ V}$ Thiết kế quấn biến áp tương ứng
  1. Các khối mạch chức năng phụ trợ:
  • Mạch nguồn cấp: Hạ áp, chỉnh lưu và sử dụng vi mạch ổn áp tạo nguồn $5V$ DC chuẩn cung cấp cho vi điều khiển và các vi mạch số.
  • Mạch phát hiện điểm không điện áp lưới ($\alpha = 0^\circ$): Nhận tín hiệu từ lưới xoay chiều để tạo xung ngắt đưa về chân ngắt ngoài INT5 của vi điều khiển AVR, cung cấp mốc chuẩn thời gian để tính góc mở trễ $\alpha$.
  • Mạch tạo xung điều khiển Thyristor: Nhận tín hiệu điều khiển góc mở từ vi điều khiển qua các cổng ra, khuếch đại xung để kích mở các van bán dẫn công suất theo đúng góc pha.
  • Mạch đo lường dòng điện và điện áp: Cảm biến điện áp và dòng nạp chuyển đổi tín hiệu analog đưa về các kênh chuyển đổi tương tự - số (ADC) của vi điều khiển để tính toán phản hồi.
  • Mạch trung tâm và hiển thị: Sử dụng vi điều khiển AVR kết nối với màn hình tinh thể lỏng LCD để hiển thị các thông số dòng, áp trong quá trình làm việc. Tác giả đã hoàn thiện thi công bo mạch thực tế trên cơ sở sơ đồ nguyên lý đã thiết kế.

Thiết kế phần mềm nhúng

Chương trình phần mềm được xây dựng cho vi điều khiển ATmega128L với tần số xung nhịp thạch anh $11{,}059200\text{ MHz}$, sử dụng bộ nhớ ngoài SRAM dung lượng $64\text{ KB}$ (chế độ bộ nhớ Small).

  1. Cấu trúc phần mềm mạch điều khiển:
  • Hàm khởi tạo: Thiết lập cấu hình bộ đếm (Counter), bộ định thời (Timer), giao tiếp I2C, bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC) với kiểu điện áp tham chiếu nội ADC_VREF_TYPE 0x00.
  • Luồng thuật toán chính (Hàm main):
    • Đo điện áp thực tế của ắc quy $U_a$ qua ADC và nội suy mức áp.
    • So sánh $U_a$ với ngưỡng ngắt nạp $V_h$: Nếu $U_a > V_h$, hệ thống nhận diện ắc quy đã đầy, lập tức dừng phát xung và dừng nạp.
    • Nếu $U_a \le V_h$, hệ thống đọc giá trị dòng đặt $I_s$ và dòng nạp thực tế $I_{thực}$, tính toán sai lệch $sai_lech = I_s - dong_thuc$.
    • Thực thi thuật toán điều khiển PID số rời rạc:
      • Thành phần tỷ lệ: $Ty_le = K_p \times sai_lech$
      • Thành phần tích phân: $Tich_phan += K_i \times (sai_lech + old_sai_lech)$
      • Thành phần vi phân: $Vi_phan = K_d \times (sai_lech - old_sai_lech)$
      • Tín hiệu điều khiển mới: $New_control += (Ty_le + Tich_phan + Vi_phan)$
    • Giới hạn tín hiệu điều khiển trong dải bão hòa từ PID_MIN ($0$) đến PID_MAX ($1020$). Giá trị điều khiển sau đó được nhân với 64 để xuất ra bus điều khiển ngoài thông qua các con trỏ địa chỉ bộ nhớ out_low (0x2001) và out_hig (0x2000).
    • Gán biến nhớ trạng thái: $old_sai_lech = sai_lech$.
  • Cơ chế truyền thông dữ liệu:
    • Hàm ngắt nhận dữ liệu: Nhận các chuỗi ký tự quy định tham số từ mạch giám sát qua cổng nối tiếp; kiểm tra cờ địa chỉ, ký tự nhận dạng bắt đầu ('S') và lưu dữ liệu vào mảng đệm.
    • Hàm truyền dữ liệu: Truyền các giá trị đo thực tế và trạng thái hoạt động sang mạch giám sát theo mảng dữ liệu có độ dài tối đa 50 ký tự.
  1. Cấu trúc phần mềm mạch giám sát:
  • Nhận dữ liệu đo lường và trạng thái hoạt động từ mạch điều khiển để hiển thị lên màn hình LCD.
  • Cung cấp giao diện tương tác với người dùng để cài đặt các ngưỡng điện áp cao ($V_h$), điện áp thấp ($V_l$), dòng nạp đặt ($I_s$) và các hệ số điều khiển PID ($K_p, K_i, K_d$), sau đó đóng gói gửi sang mạch điều khiển để thực thi.

Nội dung chính theo từng chương

Lời mở đầu

Tác giả trình bày bối cảnh chung về xu thế tự động hóa trong sản xuất công nghiệp và ưu thế của các mạch điều khiển kỹ thuật số linh hoạt so với các hệ thống analog cũ. Khẳng định vai trò quan trọng của nguồn điện một chiều ắc quy trong công nghiệp và nêu rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu bộ nạp ắc quy tự động có khả năng tự bật/ngắt theo ngưỡng điện áp và ổn định các thông số dòng - áp nhằm tăng độ bền ắc quy. Giới thiệu tổng quan đề tài gồm 3 chương chính cùng cán bộ hướng dẫn là TS. Nguyễn Trọng Thắng.

Chương 1: Giới thiệu về công nghệ nạp Ắc quy

Chương này tập trung trình bày bản chất vật lý, hóa học và đặc tính công nghệ của ắc quy:

  • Cấu trúc bình ắc quy: Cấu tạo phân khối bản cực dương ($PbO_2$), bản cực âm ($Pb$), phụ gia Sb ($5 \div 8%$), chất nở ($3%$ muối hữu cơ), tấm ngăn polyclovinyl ($0{,}8 \div 1{,}2\text{ mm}$), vỏ bình cao su/nhựa cứng và nồng độ dung dịch điện phân axit sunfuric $\gamma = 1{,}1 \div 1{,}3\text{ g/cm}^3$. Một bình ắc quy $6\text{V}$ gồm 3 tế bào, loại $12\text{V}$ gồm 6 tế bào mắc nối tiếp (mỗi cell có điện thế chuẩn $2\text{V}$, sức điện động đơn $2{,}1\text{V}$).
  • Quá trình biến đổi năng lượng: Phản ứng thuận nghịch giữa hai trạng thái nạp no và phóng hết; bảng tỷ trọng dung dịch điện phân theo chế độ tải thực tế:
Loại bình ắc quy theo chế độ làm việc Tỷ trọng dung dịch điện phân ($g/cm^3$)
Bình làm việc ở chế độ tải nặng (xe tải điện công nghiệp lớn) $1{,}275$
Bình dùng cho xe ô tô, phi cơ $1{,}260$
Bình dùng cho tải không nặng lắm (chiếu sáng tàu điện, khởi động) $1{,}245$
Bình ắc quy tĩnh, ứng dụng dự phòng $1{,}200 \div 1{,}220$
  • Phân loại ắc quy: So sánh toàn diện giữa ắc quy chì-axit và ắc quy kiềm:
Tiêu chí so sánh Ắc quy axit (chì) Ắc quy kiềm
Khả năng quá tải Không cao, dòng cực đại $I_{nmax} = 20% Q_{10}$ Rất lớn, dòng áp nạp cực đại đạt tới $50% Q_{10}$
Hiện tượng tự phóng điện Lớn, nhanh hết điện kể cả khi không dùng Nhỏ
Phạm vi ứng dụng Rộng rãi trong xe máy, ô tô, máy nổ vừa và nhỏ Nơi nhiệt độ cao, va đập lớn, công nghiệp hàng hải, hàng không, quốc phòng
Giá thành và tuổi thọ Giá thành thấp; tuổi thọ thấp hơn Giá thành cao; tuổi thọ cao
Đặc tính điện áp & trở trong Sức điện động mỗi cặp bản cực cao hơn; điện trở trong nhỏ Sức điện động mỗi cặp bản cực thấp hơn; điện trở trong lớn hơn
  • Các đặc tính và thông số cơ bản: Phân tích đường đặc tính phóng điện (giới hạn phóng $t_{gh}$ để tránh sunfat hóa tạo $PbSO_4$ thô cứng khó tan; dung lượng phóng tiêu chuẩn $C_{20}$ ở chế độ $20\text{h}$ là $60\text{Ah}$); đường đặc tính nạp (hiện tượng sôi tạo bọt khí tại $2{,}4\text{V}$ trên tế bào âm, thời gian nạp no từ $2 \div 3\text{h}$ ở $2{,}7\text{V}$ với dòng nạp định mức $0{,}05 C_{20}$). Điện áp khi xả hoàn toàn là $1{,}7 \div 1{,}8\text{V}$, khi nạp đầy hở mạch là $2{,}6 \div 2{,}7\text{V}$. Điện trở trong khi nạp đầy là $0{,}001 \div 0{,}0015,\Omega$, khi phóng hết là $0{,}02 \div 0{,}025,\Omega$.
  • Các phương pháp nạp: Phân tích phương pháp nạp dòng không đổi (thời gian dài, phải chia nấc: nấc 1 nạp $(0{,}3 \div 0{,}5) C_{20}$, nấc 2 nạp $0{,}05 C_{20}$), phương pháp nạp áp không đổi ($2{,}3 \div 2{,}5\text{V}$/cell, không nạp no được), và lựa chọn phương pháp nạp kết hợp dòng - áp:
    • Giai đoạn nạp chính: Ổn định dòng nạp $I_n = 0{,}1 C_{10}$ trong thời gian $t_n = 8\text{ giờ}$ đầu để đạt $75 \div 80%$ dung lượng bình mà không gây quá nhiệt hay sôi nước.
    • Giai đoạn ổn áp: Khi bình bắt đầu sôi, chuyển sang chế độ ổn định điện áp đến mốc $10\text{ giờ}$ khi bình bắt đầu no, tiếp tục nạp bổ sung duy trì trong $2 \div 3\text{ giờ}$ cho đến khi dòng nạp tự giảm về 0.

Chương 2: Tính toán thiết kế mạch công suất

Chương này đi sâu vào tính toán cấu trúc mạch lực:

  • Phân tích cấu trúc mạch nạp vòng kín khép kín giữa tín hiệu đặt, tín hiệu phản hồi từ ắc quy, bộ điều khiển và mạch chỉnh lưu.
  • So sánh các phương án chỉnh lưu cầu 3 pha dùng Diode và cầu 3 pha dùng Thyristor; lựa chọn cấu hình chỉnh lưu điều khiển dùng Thyristor do tính đối xứng, số lượng xung áp lớn trong một chu kỳ, dòng trung bình qua mỗi van nhỏ (bằng 1/3 dòng chỉnh lưu) và khả năng kiểm soát góc mở mềm dẻo.
  • Tính chọn thiết bị bán dẫn cho hệ nạp ắc quy 24V - 10A:
    • Điện áp ngược cực đại: $U_{nmax} = \frac{\pi \times 24}{2} = 37{,}68\text{ V}$.
    • Chọn hệ số dự trữ $K_{dtu} = 1{,}8 \rightarrow U_{nv} = 1{,}8 \times 37{,}68 = 67{,}82\text{ V}$.
    • Dòng hiệu dụng qua van: $I_h = 0{,}71 \times 10 = 7{,}1\text{ A}$.
    • Chọn hệ số dự trữ $K_i = 1{,}4 \rightarrow I_{đmv} = 1{,}4 \times 7{,}1 = 9{,}94\text{ A}$.
    • Quyết định chọn 2 Thyristor mã hiệu 5P4M ($U_n = 80\text{V}, I_{dm} = 13\text{A}, I_{pk} = 250\text{A}, I_{dk} = 0{,}04\text{A}, U_{gmax} = 3\text{V}, I_r = 0{,}01\text{A}, \Delta u = 2{,}1\text{V}, T_{max} = 125^\circ\text{C}$) và 2 Diode mã hiệu S6460P-G ($I_{max} = 30\text{A}, U_{ng} = 500\text{V}, \Delta U = 1{,}2\text{V}$).
  • Tính toán máy biến áp: Với điện áp sơ cấp $U_1 = 220\text{V}$, điện áp tải $U_d = 24\text{V}$, sụt áp trên van $\Delta U_v = 2{,}1\text{V}$, sụt áp máy biến áp $\Delta U_{ba} = 6% = 1{,}44\text{V}$. Tính được điện áp lý tưởng $U_{d0} = 27{,}65\text{V}$ và điện áp pha thứ cấp $U_2 = \frac{\pi \times 27{,}65}{2\sqrt{2}} = 30{,}71\text{V}$.

Chương 3: Xây dựng và thiết kế bộ điều khiển

Chương này trình bày toàn bộ kiến trúc phần cứng và phần mềm của bộ điều khiển:

  • Giới thiệu tổng quan vi điều khiển họ AVR: kiến trúc RISC 8-bit, khả năng chạy xung nhịp nội 8MHz hoặc xung ngoại 16MHz, tích hợp bộ nhớ Flash, SRAM, EEPROM, các bộ Timer/Counter tích hợp PWM, bộ chuyển đổi ADC 10-bit đa kênh, các giao tiếp nối tiếp USART, SPI, I2C.
  • Thiết kế phần cứng: Trình bày sơ đồ nguyên lý của các khối mạch chỉnh lưu cấp nguồn, mạch nguồn ổn áp 5V, mạch phát hiện thời điểm chuyển dấu điện áp lưới ($\alpha = 0^\circ$) đưa về ngắt INT5, mạch tạo xung điều khiển kích mở Thyristor, mạch cảm biến đo dòng - áp và khối vi điều khiển trung tâm kết hợp màn hình hiển thị LCD; giới thiệu hình ảnh thi công mạch thực tế.
  • Thiết kế phần mềm hệ thống:
    • Trình bày lưu đồ thuật toán hàm main điều khiển chính, hàm ngắt nhận dữ liệu và hàm truyền dữ liệu truyền thông nối tiếp.
    • Công bố chi tiết toàn bộ mã nguồn chương trình viết cho vi điều khiển ATmega128L (tần số $11{,}059200\text{ MHz}$), cấu hình thuật toán PID số tính toán góc kích mở van, xử lý bảo vệ quá dòng (OV_Curent), chuyển trạng thái nạp tự động theo ngưỡng điện áp $V_h$ và $V_l$.
    • Mô tả nguyên lý hoạt động của phần mềm mạch giám sát: thu nhận dữ liệu đo để hiển thị lên LCD và hỗ trợ giao diện phím bấm cài đặt các tham số nạp để truyền sang mạch điều khiển.

Kết quả và đóng góp

Văn bản đồ án công bố các kết quả tính toán định lượng và đóng góp kỹ thuật cụ thể:

  • Hoàn thiện tính toán đầy đủ các thông số mạch động lực chỉnh lưu nạp cho hệ ắc quy 24V - 10A: xác định chính xác điện áp ngược van $U_{nv} = 67{,}82\text{V}$, dòng định mức van $I_{đmv} = 9{,}94\text{A}$ và điện áp thứ cấp máy biến áp $U_2 = 30{,}71\text{V}$.
  • Lựa chọn thành công cấu hình linh kiện bán dẫn thực tế đáp ứng các thông số tính toán, bao gồm Thyristor 5P4M chịu dòng định mức $13\text{A}$, điện áp ngược $80\text{V}$ và Diode S6460P-G chịu dòng $30\text{A}$, điện áp ngược $500\text{V}$.
  • Thiết kế, thi công hoàn chỉnh phần cứng bao gồm mạch nguồn, mạch phát hiện điểm không tạo ngắt INT5 phục vụ đồng bộ lưới, mạch đo lường dòng - áp đưa vào bộ biến đổi ADC và mạch kích mở Thyristor.
  • Xây dựng thành công giải thuật và mã nguồn chương trình nhúng trên chip vi điều khiển ATmega128L (thạch anh $11{,}0592\text{ MHz}$), tích hợp bộ điều khiển PID số khống chế tín hiệu trong dải bão hòa từ 0 đến 1020 và cơ chế truyền thông gói tin 50 ký tự giữa mạch điều khiển và mạch giám sát.
  • Đóng góp kỹ thuật: Hiện thực hóa quy trình công nghệ nạp tự động kết hợp dòng - áp tối ưu cho ắc quy axit-chì (ổn dòng $0{,}1 C_{10}$ trong giai đoạn đầu đến khi đạt $75 \div 80%$ dung lượng, tự động chuyển sang ổn áp khi có hiện tượng sôi và tự động ngắt nguồn khi ắc quy đã no dựa trên so sánh điện áp thực tế với ngưỡng $V_h$), khắc phục triệt để các nhược điểm của phương pháp nạp dòng không đổi hoặc áp không đổi đơn thuần.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi nghiên cứu và nội dung được trình bày trong thuyết minh:

  • Thuyết minh đồ án tập trung tính toán thiết kế cho một dải phụ tải cố định là bình ắc quy axit 24V với dòng nạp định mức 10A, chưa mở rộng giải thuật tự động nhận dạng nhiều cấp điện áp ắc quy khác nhau (như hệ 12V, 48V).
  • Phần mềm mạch giám sát trong nội dung đồ án chỉ dừng lại ở mức mô tả chức năng nhiệm vụ và nguyên lý giao tiếp, chưa cung cấp chi tiết mã nguồn lập trình đầy đủ như đối với vi điều khiển của mạch điều khiển động lực.
  • Văn bản chưa trình bày các biểu đồ đo đạc dạng sóng thực nghiệm góc kích mở $\alpha$, sóng điện áp và dòng điện thực tế trên van và trên tải trong các giai đoạn chuyển đổi giữa chế độ ổn dòng và ổn áp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên các ngành Điện tự động công nghiệp, Điện công nghiệp và Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến điện tử công suất và hệ thống điều khiển nhúng.
  • Các kỹ sư, kỹ thuật viên thiết kế nguồn nạp ắc quy công nghiệp cần tài liệu tham khảo về phương pháp tính chọn van Thyristor, Diode, tính toán thông số dây quấn máy biến áp chỉnh lưu và sơ đồ mạch đồng pha phát hiện điểm không của lưới điện xoay chiều.
  • Phần nội dung đặc biệt đáng tham khảo: Quy trình tính toán máy biến áp và van bán dẫn tại Chương 2; sơ đồ nguyên lý mạch phát hiện điểm không ($\alpha = 0^\circ$) tại Chương 3; cấu trúc thuật toán và toàn bộ đoạn mã nguồn thực thi thuật toán PID số trên vi điều khiển ATmega128L bằng ngôn ngữ C.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tác giả lựa chọn phương pháp nạp kết hợp dòng - áp cho ắc quy axit-chì? Trả lời: Vì ắc quy là loại tải có tính chất dung kháng kèm sức phản điện động. Nếu nạp ổn áp ngay từ đầu khi bình đói, dòng nạp sẽ dâng lên rất cao không kiểm soát được, làm sôi và hỏng bình nhanh chóng. Ngược lại, nếu chỉ nạp ổn dòng liên tục sau khi đạt 80% dung lượng, bình sẽ sôi mạnh và cạn dung dịch điện phân. Phương pháp kết hợp nạp ổn dòng $0{,}1 C_{10}$ trong 8 giờ đầu (đạt 75-80% dung lượng), sau đó chuyển sang nạp ổn áp sẽ vừa rút ngắn thời gian nạp, vừa đảm bảo ắc quy được nạp no hoàn toàn mà không bị chai hỏng.

  2. Căn cứ vào các thông số nào để tác giả chọn linh kiện Thyristor 5P4M và Diode S6460P-G? Trả lời: Căn cứ vào yêu cầu nạp cho ắc quy 24V - dòng 10A, tác giả tính được điện áp ngược cực đại là $37{,}68\text{V}$, với hệ số dự trữ điện áp $K_{dtu} = 1{,}8$ suy ra điện áp van cần chọn là $67{,}82\text{V}$. Dòng hiệu dụng qua van là $7{,}1\text{A}$, với hệ số dự trữ dòng $K_i = 1{,}4$ suy ra dòng định mức cần chọn là $9{,}94\text{A}$. Do đó, linh kiện Thyristor 5P4M ($U_n = 80\text{V} > 67{,}82\text{V}$, $I_{dm} = 13\text{A} > 9{,}94\text{A}$) và Diode S6460P-G ($I_{max} = 30\text{A}, U_{ng} = 500\text{V}$) hoàn toàn đáp ứng các điều kiện làm việc an toàn.

  3. Tín hiệu đồng bộ lưới điện để điều khiển góc mở Thyristor được tạo ra như thế nào? Trả lời: Tín hiệu đồng bộ được trích xuất từ mạch phát hiện thời điểm chuyển dấu điện áp lưới xoay chiều ($\alpha = 0^\circ$). Mạch này phát hiện điểm cắt không của sóng điện áp lưới và tạo ra một xung ngắt đưa trực tiếp về chân ngắt ngoài INT5 của vi điều khiển AVR. Đây là mốc thời gian chuẩn để chương trình bắt đầu đếm thời gian trễ phục vụ việc xuất xung kích mở Thyristor theo đúng góc pha yêu cầu.

  4. Thuật toán PID số trên vi điều khiển ATmega128L xử lý tín hiệu điều khiển ra sao? Trả lời: Chương trình tính sai lệch giữa dòng đặt và dòng nạp thực tế ($sai_lech = I_s - dong_thuc$). Sau đó tính các thành phần tỷ lệ ($K_p \times sai_lech$), tích phân ($K_i \times [sai_lech + old_sai_lech]$) và vi phân ($K_d \times [sai_lech - old_sai_lech]$) để cộng dồn vào biến New_control. Giá trị này được giới hạn an toàn trong khoảng từ PID_MIN ($0$) đến PID_MAX ($1020$), sau đó nhân với 64 để tách thành hai byte xuất ra các địa chỉ ô nhớ ngoại 0x2000 và 0x2001 nhằm điều chỉnh độ mở xung kích van.

  5. Mạch giám sát thực hiện những nhiệm vụ gì trong hệ thống? Trả lời: Mạch giám sát có nhiệm vụ nhận các giá trị đo thực tế và trạng thái hoạt động từ mạch điều khiển thông qua giao tiếp nối tiếp để hiển thị lên màn hình LCD. Đồng thời, mạch giám sát đóng vai trò giao tiếp với người dùng, cho phép cài đặt các thông số như ngưỡng điện áp cao ($V_h$), điện áp thấp ($V_l$), dòng đặt ($I_s$) cùng các hệ số $K_p, K_i, K_d$ rồi đóng gói truyền sang mạch điều khiển để vận hành hệ thống.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Mạnh Hùng đã hoàn thành đầy đủ nhiệm vụ thiết kế một hệ thống điều khiển và giám sát mạch nạp ắc quy tự động 24V - 10A sử dụng vi điều khiển AVR ATmega128L. Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa việc tính toán giải tích mạch động lực chỉnh lưu Thyristor, thiết kế mạch phần cứng đồng bộ lưới và xây dựng phần mềm nhúng thực thi thuật toán điều khiển PID số. Kết quả đề tài đáp ứng tốt quy chuẩn công nghệ nạp dòng - áp tự động, góp phần nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của ắc quy trong các ứng dụng thực tế.