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: ¾ Một quyển thuyết minh đồ án theo yêu cầu của phần trên, được giáo viên hướng dẫn thông qua. ¾ Toàn bộ sơ đồ nguyên lý, bao gồm cả mạch lực và điều khiển vẽ trêb khổ giấy A1. Trình bày theo bản vẽ kỹ thuật. Đồ án môn học Điện tử cộng suất 2 MỞ ĐẦU Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại háo đất nước, có thể nói một trong những chỉ tiêu để đánh gia sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động hoá trong mỗi quá trình sản xuất mà trước hết đó là năng suất sản xuất và chất lượng của từng sản phẩm làm ra. Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử, công nghệ thông tin và những thành t ựu của lý thuyết điều khiển tự động làm cơ sở cho sự phát triển và hỗ trợ tương xứng của lĩnh vực tự động hoá. ở nước ta mặc dầu là một nước chậm phát triển, nhưng những năm gần đây cùng với đòi hỏi của sản suất cũng như hội nhập nền kinh tế thế giới thì vi ệc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là tự động hoá các quá trình sản xuất đã có bước phát triển tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế trí thức. Do đó tự động hoá điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vào từng ngõ ngách, vào trong tất cả các quá trình tạo ra sản phẩm. Ngày nay hầu như tất cả các máy móc thiết b ị trong công nghiệp cũng 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 PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUI I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUI 1. Ứng dụng của ác qui: Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá. Ắc qui là một nguồn điện một chiều cung cấp điện cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như động cơ điện, bóng đèn điện, là nguồn nuôi của các linh kiện điện tử Ắc qui là nguồn cung cấ p điện cho các động cơ khởi động. Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhưng phổ biến nhất là hai loại ắc qui chì và ắc qui axit. 2. Cấu tao và đặc điểm của các loại ắc qui: Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản 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 giống nhau, chúng được đúc từ chì và chúng được đúc từ chì và có pha thêm 5 ÷ 8 % 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 ng lượng trong ắc qui Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện. 3.1. Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit: Trong ắc qui axit có các bản cực d ương là đôixit chì ( PbO 2 ), các bản âm là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H 2 SO 4 ) nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 % (- ) 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. 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 phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc qui nạp điện Đồ án môn học Điện tử cộng suất 5 nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui. 4. Các thông số cơ bản của ắc qui: 4.1. Sức điện động của ắc qui: Sức điện động của ắc qui kiềm và ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm Eo = 0,85 + ρ ( V ) trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V ) ρ - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm 3 ) ¾Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep 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 ) ¾Trong quá trình nạp điện thì 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 ) 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. c tớnh phúng ca c qui l th biu din quan h ph thuc ca sc in ng, in ỏp c qui v nng dung dch in phõn theo thi gian phúng khi dũng in phúng khụng thay i . T c tớnh phúng ca c qui nh trờn hỡnh v ta cú nhn xột sau: ắTrong khong thi gian phúng t tp = 0 n tp = tgh, sc in ng in ỏp, nng dung dch in phõn gim dn, tuy nhiờn trong khong thi gian ny dc ca cỏc th khụng ln, ta gi ú l giai on phúng n nh hay thi gian phúng in cho phộp tng ng vi mi ch phúng in ca c qui ( dũng in phúng ). ắT thi gian tgh tr i dc ca th thay i t ng t .Nu ta tip tc cho c qui phúng in sau tgh thỡ sc in ng ,in ỏp ca c qui s gim rt nhanh .Mt khỏc cỏc tinh th sun phỏt chỡ (PbSO 4 ) to thnh trong phn ng s cú dng thụ rn rt khú ho tan ( bin i hoỏ hc) trong quỏ trỡnh np in tr li cho c qui sau ny. Thi im tgh gi l gii hn phúng in cho phộp ca c qui, cỏc giỏ tr Ep, Up, ti tgh c gi l cỏc giỏ tr gii hn phúng in ca c qui. c qui khụng c phúng in khi dung lng cũn khong 80%. CP = IP.tP Vùng phóng điện cho phép 2 0 5 10 1,75 1,95 2,11 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 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian n ạp 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. ¾Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ÷ 3 h trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch 1,95 Cn = In.tn Vïng n¹p chÝnh 5 10 024 10%C 10 1 6 8 ts 10 12 Vïng n¹p n 0 t I (A) U,E (V) 2,4 2 2,7 U T E Kho¶ng 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 - Khả năng quá tải không cao, dòng nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là I nmax = 20%C 10 _Hiện tượng phòng lớn, do đó ắc qui nhanh hết điện ngay cả khi không sử dụng. _Sử dụng rộng rãi trong đời sống, công nghiệp đặc biệt ở những nơi có nhiệt độ cao va đập lớn nhưng công suất và quá tải vừa phải. _Dùng trong ôtô, xe máy và các động cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ. _Giá thành thấp _Khả năng quá tải rất lớn dòng điệ n nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới: I nmax = 50%C 10 _Hiện tự phóng nhỏ. _Sử dụng ở những nơi có yêu cầu 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 : n aqn I N0,2U R − = Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng điện không đổi là thời gian nạp kéo dài và yêu cầu các ắc qui đưa vào nạp có cùng dung lượng định mức. Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng ( 0,3 ÷ 0,6 )C 10 tức là nạp cưỡng bức và kết thúc ở nấc một khi ắc qui bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai là 0,1C 10 7.2. Phương pháp nạp với điện áp không đổi. Phương pháp này yêu cầu các ắc qui được mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3V ÷ 2,5V) cho mỗi ngăn đơn. Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phương pháp này ắc qui không được nạp no. Vì vậy nạ p với điện áp không đổi chỉ là phương pháp nạp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng. 7.3. Phương pháp nạp dòng áp. Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận 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 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: ¾Vì 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 sẽ 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. ¾Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ ổn định dòng n ạp 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 độ ổn áp được giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp. ¾ Tuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau + ắc qui axit : dòng nạp In = 0,1C 10 ; nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In = 0,2C 10 . + ắc qui kiềm : dòng nạp In = 0,2C 10 ; nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In = 0,5C 10 . 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 . ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc qui nạp điện Đồ án môn học Điện tử cộng suất 5 nồng độ dung dịch điện phân tăng. - 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