LỜI NĨI ĐẦU Tự động hóa phát triển mang lại ứng dụng vô to lớn cho phát triển tất ngành kĩ thuật giới Tuy nhiên, nước ta ứng dụng phát triển mạnh mẽ năm gần Nó giúp nước ta phát triển để tiến tới trở thành nước Cơng nghiệp hóa - Hiện đại hóa Bởi tự động hóa nghiên cứu tất ngành kĩ thuật trường nói chung ngành tự động hóa nói riêng Ngày tất máy móc thiết bị công nghiệp đời sống hàng phải sử dụng điện năng, phần lớn thiết bị sử dụng điên lưới Tuy nhiên thực tế có lúc cần lượng điện mà ta lấy lượng điện từ lưới điện Do ta phải lấy nguồn điện dự trữ ác quy, ác qui sử dụng nhiều công nghệ ô tô, xe máy … Do mà việc có cơng nghệ nạp ác qui tối ưu cần thiết quan trọng Trong đồ án này, em giao đề tài “Thiết kế nạp ác qui tự động ổn dòng ổn áp cho ắc quy có Udm=12V, dung lượng 50Ah” Trong q trình làm chúng em giúp đỡ, bảo tận tình thầy Nguyễn Đồng Khang, nhờ có thầy dẫn mà em hồn thành đồ án cách tốt Tuy nhiên có hạn chế mặt kiến thức nên em tránh khỏi thiếu sót Em xin cám ơn tất thầy cô ngành Điện công nghiệp cho em làm đồ án đầy bổ ích này, đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đồng Khang, người ln tận tình giúp đỡ hướng dẫn chúng em Em xin chân thành cảm ơn Đồ án trình bày có nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu chung ắc qui Chương 2: Các chỉnh lưu Chương 3: Tính tốn thiết kế nạp ắc qui Chương 4: Xây dựng nạp ắc qui Hải Phòng, ngày 10 tháng 07 năm 2010 Sinh viên Quang Thnh CHƯƠNG GIớI THIệU CHUNG Về ắC QUI 1.1 CấU TạO CHUNG Và NGUYÊN Lý LàM VIƯC CđA ¸C QUY Ắc quy nguồn điện hóa hoạt động sở hai điện cực có điện khác dùng để tích trữ điện năng, cung cấp dòng chiều cho thiết bị điện cơng nghiệp dân dụng Có nhiều loại ắc quy phổ biến hai loại: ắc quy axit ( ắc quy chì) ắc chi kiềm Tuy nhiên ắc quy axit sử dụng rộng rãi phổ biến so với ắc quy kiềm ắc quy axit có: + Sức điện động cao ( 2V ) , sụt áp q trình phóng nhỏ + Điện trở nhỏ + Giá thành ắc quy axit rẻ so với ắc quy kiềm Trong đồ án em dùng ắc quy axit để nghiên cứu công nghệ thiết kế nguồn nạp ắc quy tự động 1.1.1.Vỏ bình Vỏ bình ắc quy axit chế tạo nhựa êbônit anphantơbéc hay cao su nhựa cứng Bên bình lót lớp nhựa cịu axit polyclovinyl để tăng tuổi thọ bình Phía vỏ bình chia thành ngăn riêng biệt Mỗi ngăn gọi ngăn ắc quy đơn, đồ án nghiên cứu ắn quy chì với điện áp định mức 12V, có ngăn ắc quy đơn 1.1.2.Bản cực Bản cực gồm cốt hình lưới đúc hợp kim Pb- Antimon với tỷ lệ ~90%-17% chất phụ gia Phụ gia thêm vào có tác dụng tăng độ cứng, giảm han rỉ cải thiện tính đúc cho cốt Cốt để chất tác dụng để phân khối dòng điện khắp bề mặt cực, có vấu để hàn nối cực thành phần thành khối cực Bản cực âm chất tác dụng chế tạo từ bột chì, axit H2So4 đặc 3% muối axit hữu Bản cực dương chất tác dụng chế tạo từ Oxit chì Pb3o4, Pbo dung dịch điện phân, gia tăng phản ứng hóa học cực Những cực tên hàn với tạo thành khối cực hàn nối tải tiêu thụ Nếu muốn tăng dung lượng ác qui phải tăng số cực mắc song song, muốn tăng điện áp danh định ác qui tăng số cực mắc nối tiếp 1.1.3 Tấm ngăn Các cực âm dương lắp xen kẽ cách điện với ngăn Các ngăn phải chất cách điện tốt, bền dẻo, xốp , chịu axít để chống chập mạch cực âm dương, đồng thời đỡ cực khỏi bị bong rơi sử dụng acqui 1.1.4 Dung dịch điện phân - Dung dịch điện phân dung dịch axit sunfuric (H2SO4) pha chế từ axit nguyên chất với nước cất tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu vật liệu làm ngăn Nồng độ dung dịch axit sunfuric γ = (1,1- 1,3) g/cm3 có ảnh hưởng lớn đến sức điện động ác qui - Nhiệt độ mơi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân Trong điều kiện khí hậu n ước ta mùa hè chọn nồng độ dung dịch từ (2,52,6) g/cm3, mùa đông chọn nồng độ khoảng 1,27 g/cm3 Vì nồng độ q cao làm chóng hỏng ngăn, cực dễ bị sunfat hoá Nồng độ thấp làm điện dung điện áp định mức acqui giảm 1.1.5 Nắp cầu nối - Nắp làm nhựa êbônit bakêlit, nắp có lỗ để đổ kiểm tra dung dịch điện phân - Cầu nối thường làm chì, dùng để nối ngăn ác quy đơn với 1.1.6 Q trình biến đổi hố học ác qui - Trong ác qui thường xảy hai q trình hố học thuận nghịch đặc tr ưng cho trình nạp phóng điện.Khi ác qui nạp no, chất tác dụng cực dương PbO2 cực âm chì xốp Pb Khi phóng điện, chất tác dụng hai cực trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ Khi nạp điện xảy phản ứng: - Ở cực dương: PbSO4 – 2e + 2H2O = PbO2 + H2SO4 + 2H+ ( 2.1) - Ở cực âm: PbSO4 + 2e + 2H+ = Pb + H2SO4 (2.2) - Toàn trình xảy acqui nạp điện là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + H2 SO4 (2.3) Kết tạo thành điện cực Pb điện cực PbO2 Khi nối hai điện cực Pb PbO2 với tải, lúc hoá dự trữ acqui chuyển thành điện điện cực xảy phản ứng ngược (2.1) (2.2), nghĩa ác qui xảy phản ứng ngược (2.3) Acqui cung cấp dòng điện hai điện cực lại trở thành PbSO4 ban đầu 1.2 Các thơng số đặc tính ác qui 1.2.1 Sức điện động ác qui - Sức điện động ác qui axit phụ thuộc vào đặc tính lý hố vật liệu làm cực, dung dịch điện phân xác định công thức thực nghiệm E0 = 0,85 + γ (V) Trong đó: E0: Sức điện động tĩnh acqui đơn, tính vol γ: nồng độ dung dịch điện phân tính vol quy +15 0C Sức điện động ác qui phóng điện Ep= Up + Ip raq Trong đó: Ip: Dịng điện phóng (A) Up: điện áp đo cực ác qui phóng điện (A) raq: điện trở ác qui, phóng điện hồn tồn raq= 0,02 Ω Sức điện động nạp En ác qui En = Un – In.raq (V) Trong đó: In : dịng điện nạp (A) Un: điện áp đo cực ác qui nạp điện (V) raq: điện trở ác qui nạp điện Khi nạp no raq= (0,0015 0,001) Ω 1.2.2 Dung lượng ác qui Dung lượng ác qui đại lượng đánh giá khả cung cấp tích trữ lượng ác qui tính theo cơng thức: Ci = Ii.ti (Ah) Trong đó: Ci dung lượng thu q trình phóng nạp (Ah) Ii Dịng dịên phóng nạp ổn định (A) tp(h) 1.2.3 Đặc tính phóng điện ác qui - Đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp acqui nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng dịng điện phóng khơng thay đổi Hình 1.1: Đặc tính phóng điện Từ đồ thị ta có nhận xét sau: - Trong khoảng thời gian phóng từ =0 tới t p = tgh, sức điện động, điện áp nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, nhiên độ dốc đồ thị không lớn, giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép ác qui - Từ thời điểm tgh trở đi, tiếp tục phóng điện độ dốc sức điện động, điện áp acqui giảm nhanh, mặt khác tinh thể sunfat chì ( PbSO4) tạo thành phản ứng có dạng thơ, rắn, khó hồ tan (biến đổi hố học) - Sau ngắt mạch phóng khoảng thời gian, giá trị sức điện động, điện áp nồng độ dung dịch điện phân ác qui lại tăng lên, thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ ác qui thời gian phục hồi phụ thuộc vào chế độ phóng điện ác qui 1.2.4 Đặc tính nạp ác qui - Biểu diễn quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp ăcqui nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp trị số dòng điện nạp khơng thay đổi Hình 1.2: Đặc tính nạp ắc qui Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét sau: - Trong khoảng thời gian nạp từ tn = đến tn = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần lên - Tới thời điểm tn = ts bề mặt cực xuất bọt khí dịng điện điện phân nước thành ơxy hyđrơ (cịn gọi tượng sơi), lúc điện cực acqui đơn tăng tới giá trị 2,4 V, tiếp tục nạp giá trị nhanh chóng tăng tới 2,7 V giữ nguyên, thời gian nạp gọi thời gian nạp no thường kéo dài từ 2-3h, làm tăng thêm dung lượng phóng điện acqui Trong q trình sức điện động nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi - Sau ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống ổn định Đây khoảng nghỉ ác qui sau nạp - Dòng điện nạp định mức ác qui qui định 0,5.C20 (0,1.C10) 1.3 Các phương pháp nạp ắc qui 1.3.1 Phương pháp nạp ổn áp U=const - Phương pháp nạp áp, ác qui mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện cho ngăn đơn giữ ổn định có giá trị từ 2,3 - 2, V với độ xác đến 3% - Dịng nạp : I n Un E aq Raq lúc đầu lớn sau Eaq tăng dần lên In giảm nhanh - Ưu điểm: thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm dần theo thời gian - Nhược: ác qui khơng nạp no, phương pháp nạp dùng nạp bổ xung cho acqui trình sử dụng 1.3.2 Phương pháp nạp ổn dòng I= const - Phương pháp nạp điện với dịng nạp khơng đổi cho phép chọn dịng điện nạp thích hợp, đảm bảo cho ắc qui nạp no Các ác qui mắc nối tiếp với phải thoả mãn Un≥ 2,7 Naq Trong đó: Un: Điện áp nạp (V) Naq: Số ngăn ác qui đơn mắc mạch nạp - Khi nạp sức điện động ắc qui tăng dần, để trì dịng điện nạp khơng đổi ta phải bố trí mạch nạp biến trở R với trị số: R Un N aq In - Nhược điểm: thời gian nạp kéo dài - Để khắc phục: sử dụng phương pháp nạp cưỡng theo nấc Dòng địên nạp nấc thứ chọn (0,3 - 0,5).C10, ác qui bắt đầu sơi nạp nấc thứ hai 0,1.C10 Để khắc phục nhược điểm tận dụng hết ưu điển phương pháp nạp trên, ta kết hợp hai phương pháp nạp lại thành phương pháp dòng - áp 1.3.3 Phương pháp nạp dòng - áp - Ban đầu ta nạp với dòng nạp không đổi In = 0,5.C10 Khi thấy ác qui "sôi" hiệu điện cực của ăcqui đơn 2,4V, tiếp tục nạp giá trị nhanh chóng tăng tới giá trị 2,7 V Sau chuyển sang chế độ nạp ổn áp với giá trị điện áp nạp không đổi cho ngăn đơn Un = 2, 7Vvà thường kéo dài từ đến dịng nạp tiến tới khơng (In = 0) kết thúc trình nạp Kết luận: Qua phân tích ta chọn phương pháp nạp dịng -áp để nạp cho ác qui nguồn nạp ác qui tự động phải đáp ứng yêu cầu sau: - Ban đầu tự động nạp ổn dòng với dòng nạp đặt trước In= 0,5 C10/1 ngăn ác qui đơn - Khi phát thấy hiệu điện cực ác qui đơn tăng tới 2,7 V tự động chuyển từ nạp ổn dòng sang chế độ nạp ổn áp với điện áp nạp đặt trước Un = 2,7V/ ngăn ác qui đơn - Nạp ổn áp dòng điện nạp tiến CHƯƠNG CáC Bộ CHỉNH LƯU 2.1 NHậN XéT CHUNG Trong kỹ thuật điện nhiều trường hợp yêu cầu phải biến đổi nguồn điện áp xoay chiều thành điện áp chiều điều chỉnh giá trị điện áp chiều đầu ra.Để thực việc người ta có nhiều cách khác nhau, ví dụ dùng tổ hợp động -máy phát, dùng biến đổi phần ứng, dùng chỉnh lưu,.v.v Nhưng phổ biến có hiệu suất cao sử dụng sơ đồ chỉnh lưu dụng cụ bán dẫn.Các sơ đồ chỉnh lưu (các biến đổi xoay chiều -một chiều) biến đổi ứng dụng tính chất dẫn dịng chiều dụng cụ điện tử bán dẫn để biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp chiều cách trực tiếp Hiện dụng cụ điện tử khơng cịn sử dụng sơ đồ chỉnh lưu kích thước lớn, hiệu suất thấp Dụng cụ sử dụng chủ yếu sơ đồ chỉnh lưu tiristor -ốt bán dẫn Các sơ đồ chỉnh lưu có nhiều dạng khác ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau, ví dụ dùng để điều chỉnh tốc độ động chiều; cung cấp điện áp chiều cho thiết bị mạ điện, điện phân; cung cấp điện áp chiều cho thiết bị điều khiển, đèn phát trung tần cao tần, v.v Các sơ đồ chỉnh lưu sử dụng từ công suất nhỏ đến công suất lớn Chỉnh lưu: biến đổi dòng xoay chiều thành dòng chiều Điện áp chỉnh lưu tải không lý tưởng hố điện áp ắc quy mà chứa thành phần chiều xoay chiều Có thể chia phần tử chỉnh lưu làm ba loại: + Chỉnh lưu khơng có điều khiển dùng tồn diot + Chỉnh lưu có điều khiển dùng tồn tiristisstor + Chỉnh lưu dùng diot tiristor 10 ... nghiệp dân dụng Có nhiều loại ắc quy phổ biến hai loại: ắc quy axit ( ắc quy chì) ắc chi kiềm Tuy nhiên ắc quy axit sử dụng rộng rãi phổ biến so với ắc quy kiềm ắc quy axit có: + Sức điện động... Điện trở nhỏ + Giá thành ắc quy axit rẻ so với ắc quy kiềm Trong đồ án em dùng ắc quy axit để nghiên cứu công nghệ thiết kế nguồn nạp ắc quy tự động 1.1.1.Vỏ bình Vỏ bình ắc quy axit chế tạo nhựa... Phương pháp nạp điện với dịng nạp khơng đổi cho phép chọn dịng điện nạp thích hợp, đảm bảo cho ắc qui nạp no Các ác qui mắc nối tiếp với phải thoả mãn Un≥ 2,7 Naq Trong đó: Un: Điện áp nạp (V) Naq: