Tài liệu Đồ án tốt nghiệp - thiết kế và chế tạo bộ nguồn nạp acquy docx

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ NGUỒN NẠP ẮC QUY TỰ ĐỘNG CHO 10 ẮC QUY 12V DUNG LƯỢNG 60Ah GVHD : LƯU ĐỨC DŨNG MỤC LỤC ĐỀ TÀI LỜI GIỚI THIỆU Chương I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUY Cấu tạo ắc quy chì-axit……………………………………………………………3 Yêu cầu cho việc nạp ắc quy…………………………………………………… 2.1 Ắc quy………………………………………………………………………… 2.2 Qúa trình biến đổi lượng ắc quy axit……………………………… 2.3 Các đặc tính ắc quy……………………………………………………… Các phương pháp nạp ắc quy tự động………………………………………… 12 3.1 Nạp điện dịng điện khơng đổi…………………………………… … 12 3.2Nạp điện áp khơng đổi……………………………………………………13 3.3Nạp dịng áp………………………………………………………….… 13 Chương II : PHƯƠNG ÁN CHỈNH LƯU……………………………………….… 16 Lựa chọn biến đổi ………………………………………………………… 16 Phân tích sơ đồ chỉnh lưu……………………………………………… 17 2.1Chỉnh lưu có điều khiển cầu pha đối xứng………… …………………… 17 2.1Chỉnh lưu có điều khiển cầu pha không đối xứng…………………… … 20 Chương III : TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC………………… ……………24 I Chọn sơ đồ thiết kế…………………………………………27 II Tớnh toỏn chọn van lực………………………………… 29 III Tớnh toỏn bảo vệ quỏ ỏp……………………………… .29 Chương IV : Tính tốn thiết kế mạch điều khiển I/ Nguyên tắc điều khiển hệ đồng bộ……………………….31 Nguyên tắc điều khiển ngang…………………….………… 31 Nguyờn tắc điều khiển dọc…………………….….……… 32 Khâu đồng bộ…………………………………………… ….32 Khâu tạo điện áp tựa …………………………………… ….33 Điện áp tựa dạng cưa…………………………… … 38 Khõu so sỏnh……………………………………………… 40 Khõu dạng xung ……………………………….…… …… 42 Khâu khếch đại xung (KĐX)…………… ………… ….……43 II/ Bộ điều khiển ( BĐK )………………… ……………… … … 43 CHƯƠNG V THIẾT KẾ SẢN PHẨM…………………………….49 I Thiết kế mạch động lực mạch điều khiển…………………… 49 1.Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển……………………… 52 Tớnh toỏn mỏy biến ỏp nguồn……………………………… 53 II Tính tốn khối điều khiển…………………………… ….…… 56 Khâu đồng bộ………………………………………… 57 Khối tạo điện áp cưa………………………… .57 Khối so sỏnh………………………………………….….58 Khối tạo dạng xung……………………………….…… 58 Khối khuếch đại xung ……………………………….….59 III Lắp rỏp sản phẩm…………………………………………… 62 LỜI GIỚI THIỆU Hiện với tiến khoa học kĩ thuật đổi phần tử, mạch điều khiển áp dụng rộng rãi vào công nghiệp đời sống.Với xu phát triển khoa học ứng dụng khoa học kĩ thuật điện tử,kĩ thuật tin học,cơ khí xác… để thực tự động hố áp dụng cho máy,tổ hợp máy cho dây truyền công nghệ,các nhà máy tiến tới tự động hoá ngành sản xuất Tự động hoá làm giảm nhẹ sức lao động chân tay người làm cho tự động trở thành đặc trưng sản xuất cơng nghiệp đại Trong cơng nghiệp ngồi mạch điều khiển người ta thường dùng kĩ thuật số với phần mềm đơn giản,linh hoạt dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số luật điều khiển.Nó làm tăng tốc độ tác động nhanh có độ xác cao cho hệ thống.Như làm chuẩn hoá hệ thống truyền động điện điều khiển tự động đại có đặc tính làm việc khác nhau.Trong ứng dụng việc áp dụng vào mạch map ắc quy tự động sử dụng rộng rãi có đặc tính ưu việt.Bởi ắc quy nguồn cấp điện chiều cho thiết bị công nghiệp đời sống hàng ngày cung cấp điện cho nơi chưa có nguồn điện lưới để phục vụ cho chiếu sáng,ti vi,thông tin liên lạc…điều khiển đo lường ,cung cấp cho thiết bị giàn khoan biển.Chính việc nghiên cứu chế tạo mạch nạp ắc quy cần thiết,nó ảnh hưởng lớn tới dung lượng độ bền ắc quy Dưới em xin trình bày tồn nội dung đồ án tốt nghiệp.Thiết kế chế tạo nguồn nạp ắc quy tự động thầy giáo Lưu Đức Dũng giảng viên trường Đại Học Bách Khoa hướng dẫn.Mặc dù thời gian qua em cố gắng tìm hiểu thực tế,nghiên cứu tài liệu để thực đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót , em mong tiếp tục nhận đóng góp bảo quý thầy cô Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo Lưu Đức Dũng người trực tiếp hướng dẫn toàn thầy mơn Tự động hố xí nghiệp cơng nghiệp Khoa Điện trường Đại học Bách Khoa Hà Nội , giúp đỡ dạy bảo em năm qua CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUY Ắc quy nguồn cung cấp lượng điện chiều cho thiết bị cơng nghiệp dân dụng Có nhiều loại ắcquy như: + ắc quy Axit (Acquy chỡ) + ắc quy Kiềm ( Acquy Sắt- Niken, , acquy bạc- kẽm ) Tuy nhiên, thực tế thông dụng từ trước đến acquy axit, so với ắcquy kiềm, ắcquy axit có nhiều tính tốt như: SĐĐ cặp cực lớn, có điện trở nhỏ, dung lượng bình ắc quy lớn 1/ Cấu tạo bình ắc quy chì - axit: Bình ắc quy axit gồm vỏ bình có ngăn riêng (hay 12V), ngăn có đặt khối cực dương, khối cực âm Chúng ngăn cách ngăn, ngăn coi acquy đơn, acquy đơn nối tiếp với tạo thành bình ắc quy Ngăn đầu ngăn cuối có đầu tự tạo thành đầu cực dương (+), cực âm (-) ắc quy, dung dịch điện phân (dung dịch axit sunfuric) đổ vào ngăn - + Cấu tạo bình ắc quy Vấu cực cực duơng Cực âm Tấm ngăn Chất tác dụng Bản cực âm Khung xuơng cực Bản cực duơng a ) phân khối cực ngăn Vấu cực b) Cấu tạo cực nút nắpp Vỏ bình c) kết cấu bình ắc quy Ngăn ắc quy đơn - Vỏ bình: Vỏ bình làm loại nhựa như: ebônit, axphađơpec, cao su cứng…chúng có khả chịu axit, có độ bền vững cao - Bản cực: - Cấu tạo cực ắcquy gồm có phần khung xương chất tác dụng chát nên + Khung xương cực dương âm có cấu tạo giống Chúng đúc hợp kim chì Stibi (Sb) tạo hình dạng mặt lưới + Chất tác dụng chế tạo từ bột chì, dung dịch axit sunfuric khoảng 3% chất nở muối axit hữu cực âm; cịn dương chất tác dụng chế tạo từ oxit chì Pb 3O4, PbO dung dịch axit sunfuric, chất nở cực âm có tác dụng tăng độ xốp, giảm khả cị tượng chóng hồ cứng cho cực, làm tăng điện dung cho acquy Các cực sau trát đầy chất tác dụng ép lại, sấy khơ thực q trình tạo cực, tức chúng ngâm vào dung dịch axit sunfuric loãng nạp dịng điện nhỏ Sau q trình vậy, chất tác dụng cực dương trở thành PbO2, cực âm thành Pb Sau chúng lắp ráp vào bình acquy tạo thành khối cực, khối cực âm dương lắp xen kẽ cách điện ngăn - Tấm ngăn: Tấm ngăn chất cách điện, có độ xốp thích hợp để khơng ngăn cản dung dịch điện phân thấm đến cực Tấm ngăn làm từ polyclovinyl, thuỷ tinh ghép với miplat… có tác dụng chống chập mạch cực dương âm -Dung dịch điện phân: Dung dịch điện phân ắc quy axit sunfuric (H 2SO4) pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ định 2/ Yêu cầu cho việc nạp ắc quy: 2.1/ ắcquy nguồn lượng có tính thuận nghịch: tích trữ lượng dạng hố giải phóng lượng dạng điện năng, Quá trình ắcquy cung cấp điện cho phụ tải gọi q trình phóng điện; q trình ắc quy tích trữ lượng từ nguồn điện m ột chiều gọi trình nạp điện 2.2/ Quá trình biến đổi lượng acquy axit: a/ Quá trình nạp: Khi nạp, nhờ nguồn điện nạp mà mạch điện tử “e” chuyển động từ cực âm đến cực dương, dịng điện nạp I n Khi phóng điện, tác dụng sức điện động riêng ắcquy điện tử chuyển động theo hướng ngược lại (từ dương đến âm) tạo thành dòng điện phòng Ip Khi ắcquy nạp no chất tác dụng cực dương PbO 2, cực âm chì xốp Pb Khi phóng điện, chất tác dụng hai cực trở thành sunfat chì PbSO4 - Q trình hố học xảy acquy axit viết sau: + Trên cực dương: PbO2 + 3H + (HSO4)- + 2e  PbSO4 + 2H2O + Trên cực âm: Pb + H2SO4  PbSO4 + 2e + 2H b/ Q trình phóng: Khi phóng, điện axit sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfurat, cịn nước bị phân hố Do đó, nồng độ dung dịch giảm Khi nạp điện ngược lại, nhờ hấp thụ nước tái sinh axit sunfuric nên nồng độ dung dịch tăng lên 2.3/ Các đặc tính Acquy axit: a/ Sức điện động Acquy axit (SĐĐ) SĐĐ acquy phụ thuộc chủ yếu vào điện cực phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân xác định theo công thức: E0 = 0,85 + P (v) Trong đó: E0 : Sức điện động tĩnh acquy (v) P : Nồng độ dung dịch điện phân 150C (g/cm3) Thông thường, acquy axit có nồng độ thay đổi khoảng 1,12 - 1,29 g/cm Do đó, SĐĐ acquy đơn thay đổi từ 1,19 ÷ 2,14v, có nghĩa nồng độ dung dịch điện phân tăng SĐĐ acquy tăng b/ Các đặc tính phóng nạp acquy: * Trong q trình phóng điện acquy sức điện động tính theo cơng thức: EP Trong đó: = UP + IP.raq Ep : sức điện động acquy phóng điện (v) IP : dịng điện phóng (A) Up : điện áp đo cực acquy phóng điện (v) E raq : điện trở acquy phóng điện (v) - Dung lượng phóng acquy đại lượng đánh giá khả cung cấp lượng acquy cho phụ tải, tính theo cơng thức: CP Trong đó: = IP.tP CP: dung lượng thu q trình phóng điện (A.h) IP: dịng điện phóng ổn định thời gian phóng điện tP -Đặc tính phóng acquy đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp acquy nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng dịng điện phóng khơng thay đổi Trong- khoảng thời gian phóng tP = đến tP = tgh, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần Tuy nhiên, khoảng thời gian này, độ dốc đồ thị khơng lớn, ta gọi giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với chế độ phóng điện acquy (dịng điện phóng) -Từ thời điểm tgh trở đi, độ dốc đồ thị thay đổi đột ngột Nếu ta tiếp tục cho acquy phóng điện sau tgh sức điện động, điện áp acquy giảm nhanh; mặt khác Khoảng nghỉ tinh thể sunfat chì (PbSO4) tạo thành phản ứng có dạng thơ, rắn khó hồ tan (Biến đổi hố học q trình nạp điện trở lại cho ắcquy Đặc tính phóng ắc quy sau này, thời điểm tgh gọi giới hạn phóng điện cho phép ắcquy, giá trị E P, UP, P tgh gọi giá trị tới hạn phóng điện cho acquy -Nếu ngắt mạch vào thời điểm tgh hiệu điện UP tăng vọt lên sức điện động acquy Cịn sau đó, nhờ khuyếch tán mà nồng độ dung dịch cân dần, sức điện động ắcquy tăng dần tới E 1,96 v ắcquy coi phóng hết điện Đoạn cuối đường cong E aq ứng với khoảng nghi ắcquy hay thời gian phục hồi ắcquy, thời gian phục hồi phụ thuộc vào chế độ phóng điện acquy ( dịng điện phóng thời gian phóng.) ∗ Trong trình nạp điện ắcquy SĐĐ tính theo cơng thức: En : dịng điện nạp (A) Un raq Un In Trong đó: = - In.raq : điện áp đo cực acquy nạp : điện trở acquy nạp điện - Dung lượng nạp ắcquy đại lượng đánh giá khả tích trữ lượng acquy tính theo cơng thức: Cn Trong = In.tn Cn : dung lượng thu trình nạp điện(Ah) In : dòng điện nạp ổn định thời gian nạp điện tn - Đặc tính nạp ắcquy đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp trị số dòng nạp điện không thay đổi (In = const) 10 VR đú thay đổi thời điểm xuất sườn xuống.Lấy sườn xuống xung để biến thành xung mở tiristo Qua phõn tớch trờn ta định chọn phương ỏn thiết kế mạch động lực mạch điều kiển sơ đồ h3.14.Cỏc mạch chỉnh lưu ba pha chỉnh lưu cầu khụng đối xứng gồm Tiristo thuộc pha vỡ mạch điều khiển gồm kờnh kờnh điều khiển cho van pha Hay núi cỏch khỏc mạch điều khiển chỉnh lưu cầu ba pha khụng đối xứng gồm mạch điều khiển pha ghộp lại , sơ đồ nguyờn lý đõy vẽ cho pha ,hai pha cũn lại tương tự Đồ thị song đầu h 3.15 T T T 10 A Y B C D D D X Rs §Z R1 pha A R1 +E1 R 15 C2 R3 Oa1 C Oa2 B Đ1 T r.t B A đ f +E R4 BAX §2 F R8 G nd E Oa5 D R6 R 13 T r1 +U ®k R 19 K G U X ph R 16 R9 +U ®k R 18 Oa6 R 17 §2 Oa4 R 12 R 14 And H C3 R 21 U đặt R 22 +E R 11 * §3 R7 Oa3 R2 C1 * R5 R 10 Gnd 46 T r2 H3.14Sơ đồ toàn nguyờn lý mạch toàn mạch điều khiển 47 U A U B 30 U O C + U bh -U bh U D + U U bh ®k U E + U bh -U bh α U α α α F + U bh U H + U bh -U bh U + U G bh U U K gk 48 49 H3.15 Đồ thị dạng điện ỏp mạch động lực mạch điều khiển 50 CHƯƠNG V THIẾT KẾ SẢN PHẨM I/ THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN T T Rx U2 RL D D Rs X §Z +E1 A R3 §4 * B pha Oa2 §1 R0 +E R4 R5 Oa3 §2 E R8 R 13 T r1 +U ®k R 19 G F U ph R 16 R9 +U đk R 18 Oa6 R 17 Đ2 Oa4 Đ5 D Oa5 C R6 * §3 R7 T r.t B A ® f X R15 C2 R 12 R 14 BAX T r2 RL And H C3 R 21 U ®Ỉt R 22 +E Gnd R 11 R 10 §8 R 24 R 25 R 23 C4 C5 R 26 R 27 R 28 R 30 T r5 R 29 Qua phân tích ta định chọn phương án thiết kế mạch động lực mạch điều kiển sơ đồ h4.1 51 T r3 T r4 H5.1 Sơ đồ mạch động lực mạch điều khiển 52 U a a ’ U U R4 U U U đ k U U U H + U bh -U bh + U bh U U G U U gk gk 53 H 5.2 Biểu đồ dạng xung điểm mạch điều khiển NGUỒN CUNG CẤP CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN: Sơ đồ khối nguồn chiều ổn áp 54 Các phần tử thực khối chức năng: - Khối hạ ỏp cỏch ly dựng mỏy biến ỏp - Khối chỉnh lưu dùng chỉnh lưu cầu - Mạch lọc dùng tụ điện có điện dung lớn - Mạch ổn định điện áp dùng IC ổn áp 78xx với cấp điện áp chuẩn thể hai số xx Dũng tải cho phộp IC 1A(khi cú tản nhiệt tốt) Khối hạ ỏp cỏch ly dựng mỏy biến ỏp Nguồn nuôi ổn áp dùng IC ổn áp 7812 ,IC7912:Nguồn ổn áp nguồn ổn định Điện áp thay đổi điện áp vào thay đổi tải Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp 78xx,79xx H5.3 Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp Tính chọn phần tử sơ đồ - IC 7812 có Điện áp đầu vào : 17 ÷35V - Dũng điện đầu :0 ÷1A -Điện áp E=12V 55 -IC 7912 có Điện áp đầu vào : 17 ÷35V -Dũng điện đầu : ÷1A -Điện áp E=-12V - Chọn tụ lọc phẳng C1=C2=1000ỡF, C3=C4=100 ỡF -Chọn tụ lọc nhiễu C5=C6=0,1ỡF - Chọn cầu chỉnh lưu có I=1A; U=24V(khơng có tản nhiệt) 2/ TÍNH TỐN MÁY BIẾN ÁP NGUỒN - Khối nguồn 24V cấp cho biến ỏp xung, dũng I = 420 mA # P21 = U21 I21 = 240,42 = 10 W - Khối nguồn tạo điện áp đồng pha 0V- 6V – 12V, dong I = 500 mA #P22 = U22 I22 = 12 0,5 = W - Khối nguồn ±12 cấp cho khuyếch đại thuật toán ,dũng I = 500 mA # P23 = U23 I23 = 24 0,5 = 12 W - Khối nguồn 10V cấp cho cỏch ly quang ,dũng I = 1A # P24 = U24 I24 = 10 = 10W # Cụng suất mỏy biến ỏp nguồn P = P21 + P22 + P23 + P24 = 2.10 + + 5.12 + 2.10 =106 W # Dũng sơ cấp biến áp nguồn -Tiết diện lừi thộp mạch từ -Ta chọn lừi thộp cú tiết diện 25 cm2 , làm lỏ thộp kĩ thuật điện dày 0,35 mm , gồm hỡnh chữ E chữ I ghộp lại với + Theo cụng thức kinh nghiệm ta cú no số vũng/vụn: , với K hệ số mỏy biến ỏp { 40 ữ60 } Ta chọn K = 50 , no = 50/ 20,6 = 2,4 vũng/v - Số vũng dõy cuộn sơ cấp : W1 = no U1 = 2,4 220 = 528 vũng Số vũng dõy cỏc cuộn thứ cấp : + Cuộn 24V : W21 = no U21 = 2,4 24 = 58 vũng + Cuộn 18V : W22 = no U22 = 2,4 18 = 43 vũng 56 + Cuộn 6V : W23 = no U23 = 2,4 = 14,5 vũng + Cuộn 10V : W24 = no U24 =2,4 10 = 24 vũng -Chọn mật độ dũng điện J = A/mm2 -Tiết diện dây sơ cấp : -Đường kính dây sơ cấp: - Dũng điện cuộn thứ cấp + Cuộn 24V: + Cuộn 18V: + Cuộn 6V: + Cuộn 10V: -Tiết diện dõy thứ cấp : + Cuộn 24V: + Cuộn 18V: + Cuộn 6V: + Cuộn 10V: -Đường kính dây thứ cấp + Cuộn 24V: + Cuộn 18V: +Cuộn 6V : + Cuộn 10V: -Tra sổ tay “ Thụng số tiểt diện dõy trũn ” sỏch điện tử cơng suất –Nguyễn Bính ta chọn dây : + dây sơ cấp d1 = 0,35 mm; S = 0,096mm2 ; 0,855 gam/m ; 0,187 ohm/m + dõy thứ cấp : d21 =1,04 mm; S21 = 0,874 mm2 ; 7,55 gam/m ; 0,0202 ohm/m d22 = 1,22 mm; S22 = 1,178 mm2 ; 9,4gam/m ; 0,0163ohm/m d23 = 2,1 mm ; S23 = 3,494 mm2 ; 30,8 gam/m ; 0,00506 ohm/m d24 =1,64 mm ; S24 2,112 mm2 ; 18,3 gam/m ; 0,00850 ohm/m II/ TÍNH TỐN KHỐI ĐIỀU KHIỂN 57 R3 A B Oa2 R4 G nd 1/ Khõu đồng Ta sử dụng khuếch đại thuật toán mắc theo sơ đồ so sánh ( hỡnh 4.4 ) Chọn điện trở R3, R4 15 kΩ, chọn khuếch đại thuật toán OA loại TL 081 Hỡnh 5.4 sơ đồ nguyên lý khâu tạo xung đồng 2/ Khối tạo điện áp cưa Khối tạo điện áp cưa tuyến tính nửa chu kỳ hỡnh 4.5.Điện áp tụ C điện áp đầu 0A3 Uc2 = UD , điên áp điện trở R5 Uc bỏ qua sụt áp Đ1 Trong sơ đồ không khống chế thời gian nạp cho tụ nên ta chọn R5