đồ án tốt nghiệp_ nạp accquy tự động

ỏn tt nghip Thit k b np cqui t ng Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dới sự hớng dẫn của TS .Võ Minh Chính. Các số liệu và kết quả trong đề tài là hoàn toàn trung thực. Để hoàn thành bản đồ án này, em sử dụng những tài liệu tham khảo đã đợc ghi ở cuối đồ án, không sử dụng tài liệu nào khác mà không đợc liệt kê ở phần tài liệu tham khảo cuối đồ án. N TT NGHIP Nhim v thit k: Thit k b np ỏc quy t ng vi cỏc thụng s sau: + in ỏp ngun (VAC): 3 x 220 ( 10%). + Tn s in ỏp : 50 Hz + Dung lng np : 40 Ah + S lng acqui : 100 Sinh viờn: Nguyn Vn Bỡnh 1 Lp: TH2_CK49 Sinh viờn Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động LỜI MỞ ĐẦU Trong đà phát triển của khoa học kỹ thuật, nhiều thành tựu mới đã được áp dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp, đáp ứng đầy đủ mọi nhu cầu sử dụng của con người. Cùng với sự phát triển đó Điện_ Tự động hoá đóng một vai trò hết sức quan trọng. Đặc biệt với Điện tử công suất là một chuyên ngành của kỹ thuật điện tử nghiên cứu và ứng dụng các phần tử bán dẫn công suất trong các sơ đồ biến đổi và khống chế nguồn năng lượng điện với các tham số không thay đổi được thành nguồn năng lượng điện với các tham số có thể thay đổi được cung cấp cho phụ tải điện. Bộ chỉnh lưu nạp acquy 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 vận hành, dự trữ cho các máy móc thiết bị mà các nguồn năng lượng điện khác không thể cung cấp đựơc đồng thời không thể đáp ứng được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Đồ án điện tử công suất không chỉ là một bài tập tổng hợp bắt buộc của mỗi sinh viên Tự động hoá mà còn là một cơ hội giúp sinh viên có cơ hội tìm tòi ứng dụng cũng như thể hiện ý tưởng sáng tạo của bản thân khi thiết kế mạch điện tử, hơn nữa đây còn là cơ hội tự kiểm tra củng cố kiến thức làm quen và nâng cao khả năng độc lập thiết kế sáng tạo những sản phẩm có giá trị thực tế. Do đó khi thực hiện đồ án chúng em đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới nhất, những công nghệ mới trong lĩnh vực điều khiển các phần tử bán dẫn công suất. Với yêu cầu thiết kế bộ nạp acquy tự động, chúng em đã cố gắng tìm hiểu kĩ về các phương án công nghệ sao cho bản thiết kế vừa đảm bảo yêu cầu kĩ thuật, yêu cầu kinh tế. Với hy vọng đồ án là một bản thiết kế kĩ thuật có thể áp dụng được trong thực tế nên chúng em đã cố gắng mô tả cụ thể, tỉ mỉ như việc lắp đặt bố trí thiết bị Mặc dù chúng em đã rất nỗ lực và cố gắng tuy nhiên đây là lần đầu tiên chúng em làm đồ án, trình độ hiểu biết còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai sót, chúng em mong nhận được sự đóng góp của các thầy để giúp chúng em hiểu rõ hơn các vấn đề cũng như để đồ án được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Minh Chính đã tận tình hướng dẫn giúp chúng em hoàn thành bản đồ án. Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 2 Lớp: TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Ngày 27 tháng 6 năm 2007 Sinh viên Nguyễn Văn Bình MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACQUI I.Giới thiệu chung về acqui…………………. ……………………………… 6 I.1. Cấu tạo của bình acqui axit…………………………………………. …… 6 I.1.1. Vỏ bình…………………………………………. ……………………….6 I.1.2. Bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực…………………………… 7 I.1.3.Tấm ngăn…………………………………………….………. ………… 8 I.1.4. Dung dịch điện phân………………………… ……………………… 8 I.1.5. Nắp, nút và cầu nối… 9 I.2. Quá trình biến đổi hoá học trong acqui axit.……………………………… 9 I.3. Các đặc tính của acqui axit……………………….………………… ….10 I.3.1. Sức điện động của acqui axit…………………………………… …… 10 I.3.2. Dung lượng của acqui axit………………………………………… … 11 I.3.3. Đặc tính phóng của acqui axit…………………………… ………… 11 I.3.4. Đặc tính nạp của acqui axit………….……………………… ……….12 II. Các phương pháp nạp điện cho acqui…………………………………. ….14 Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 3 Lớp: TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động II.1. Phương pháp nạp cho acqui với dòng nạp không đổi………………… 14 II.2. Phương pháp nạp cho acqui với điện áp nạp không đổi……………… 15 II.3. Phương pháp nạp dòng áp……………………………………….……… 16 II.4. Kết luận………………………….……………………………………… 16 CHƯƠNG II PHƯƠNG ÁN CHỈNH LƯU I. Vấn đề chung……………………. ……………………………………… 18 II. Một số sơ đồ chỉnh lưu điều khiển Tiristor…………… ………… …….18 II.1. Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha đối xứng……………………………18 II.1.1. Sơ đồ nguyên lí……………………………………………………… 18 II.1.2. Dạng điện áp………………………………………………………… 19 II.1.3. Nguyên lí hoạt động…………. ……………………………………… 20 II.1.4. Nhận xét……………………………………………………………….20 II.2. Chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng…. ………………….21 II.2.1. Sơ đồ nguyên lý và Dạng điện áp……………………… ………… 21 II.2.2. Nguyên lí hoạt động……………. …………………………………… 22 II.2.3. Nhận xét……………………………………………………………….22 II.3. Chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha không đối xứng……………………… 23 II.3.1. Sơ đồ nguyên lí……………………………………………………… 23 II.3.2. Dạng điện áp……………………….…… ………………………… 24 II.3.3. Nguyên lí hoạt động…………………. ……………………………… 25 II.3.4. Nhận xét……………………………………………………………….26 II.4. Kết luận…………………………….…………………………………… 26 Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 4 Lớp: TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC I. Sơ đồ mạch lực……………………. ……………………………………….27 II. Tính toán mạch lực…………. …………………………………………… 28 II.1. Tính chọn van…………………………. ……………………………… 28 II.2. Tính toán mạch bảo vệ quá điện áp…………………………………… 30 II.3. Tính toán máy biến áp………………………………………………… 31 CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I. Mục đích và yêu cầu……………………………………………………….34 II. Sơ đồ khối và chức năng………………………………. ………………….35 II.1. Nguyên tắc điều khiển…………………………………. ……………… 35 II.1.1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính……………………… 35 II.1.2. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng “arccos”…………. ……………….36 II.2. Khâu đồng pha………………………………………………………… 37 II.3. Khâu tạo xung đồng bộ……………………………………….………… 38 II.4. Khâu tạo điện áp tựa…………………………………………………….39 II.5. Bộ điều chế…………………………………………………………… 40 II.6. Khâu phản hồi………………………………………………………… 41 II.6.1. Khâu phản hồi dòng điện…………………………………………… 41 II.6.2. Khâu phản hồi điện áp……………………………………………… 42 Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 5 Lớp: TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động II.6.3. Khâu chuyển mạch nạp……………. ……………………………… 43 II.7. Bộ điều khiển…………………………………………………………… 43 II.8. Khâu tạo xung chùm…………………………………………………….44 II.9. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung………………………………… 45 II.10. Khâu nguồn nuôi mạch điều khiển…………… …………………… 49 II.11. Các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch…………………………… 52 II.12. Mạch điều khiển…………………….…… ………………………….54 II.12.1. Sơ đồ mạch điều khiển………………….…………………………… 54 II.12.2. Dạng điện áp………………………………………………………… 55 II.12.3. Nguyên lí hoạt động………….……………………………………… 55 PHỤ LỤC MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH………….………………………………57 KẾT LUẬN…………………………………………………… ………… 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………70 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACQUI I. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ACQUI. Acqui là nguồn hoá hoạt động trên cơ sở hai điện cực có điện thế khác nhau, nó cung cấp dòng điện một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong dân dụng. Khi acqui phóng hết dung lượng ta tiến hành nạp điện cho nó và sau đó acqui lại tiếp tục phóng điện được. Acqui có thể hiện nhiều chu kỳ phóng nạp nên ta có thể sử dụng được lâu dài. Trong thực tế kĩ thuật có nhiều loại acqui nhưng phổ biến và thường dùng nhất là hai loại acqui : acqui axit (acqui chì ) và acqui kiềm. Tuy nhiên trong thực tế thông dụng nhất từ trước tới nay vẫn là acqui axit vì so với acqui kiềm thì acqui axit có một vài tính năng tốt hơn như: + Sức điện động cao (với acqui ăxit là 2V, ăcqui kiềm là 1,2V ). + Trong quá trình phóng, sự sụt áp của acqui axit nhỏ hơn so với acqui kiềm. + Giá thành của acqui axit rẻ hơn so với acqui kiềm. Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 6 Lớp: TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động + Điện trở trong của acqui axit nhỏ hơn so với ăcqui kiềm. Vì vậy trong đồ án này em chọn loại acqui axit để nghiện cứu công nghệ và thiết kế nguồn nạp acqui tự động. I.1. Cấu tạo của bình acqui axit (acqui chì). Bình acqui thông thường gồm vỏ bình các bản cực, các tấm ngăn và dung dịch điện phân. I.1.1. Vỏ bình: Vỏ bình acqui axit hiện nay được chế tạo bằng nhựa êbônit hoặc anphantơpéc hay cao su nhựa cứng chịu a-xít và có khả năng cứng vững, chống va đập. Phía trong vỏ bình tuỳ theo điện áp danh định của acqui mà chia thành các ngăn riêng biệt và các vách ngăn này được ngăn cách bởi các ngăn kín và chắc. Mỗi ngăn được gọi là một ngăn acqui đơn. Trên mỗi ngăn ắc qui có các nắp làm kín, có nút để kiểm tra và bổ xung dung dịch điện phân. Trên nút có lỗ thông hơi, tránh cho áp suất trong ngăn ắc qui bị tăng quá cao trong quá trình thực hiện phản ứng hoá học. Cầu nối bằng chì để nối tiếp các ngăn của bình ắc qui. Đáy vỏ bình có làm các gân, một mặt làm tăng độ cứng cho vỏ, mặt khác để đỡ các phân khối bản cực tránh hiện tượng chập mạch bên trong ắc qui do các chất tác dụng rơi xuống đáy bình trong quá trình sử dụng. Bên ngoài vỏ bình được đúc hình dạng gân chịu lực để tăng độ bền cơ và có thể được gắn các quai xách để việc di chuyển được dễ dàng hơn. I.1.2. Bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực: Phân khối bản cực gồm có: phân khối bản cực dương v à phân khối bản cực âm. 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 dương và âm có cấu tạo giống nhau, chúng được đúc từ chì có pha thêm 5÷ 8% antimon (Sb) và tạo hình dạng mặt lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng thêm độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong thành phần của chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hữu cơ ) để Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 7 Lớp: TĐH2_CĐK49 1 2 3 1.Vấu bản cực; 2.Chất tác dụng; 3.Cốt bản cực Hình I.1. Cấu tạo của bản cực Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp, dung dịch điện phân dễ thấm sâu vào trong lòng bản cực, đồng thời điện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm. Phần đầu mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc qui đơn được hàn với nhau tạo thành phần khối bản cực dương, các bản cực âm hàn với nhau tạo thành phân khối bản cực âm. Số lượng các cặp bản cực trong mỗi ắc qui đơn thường từ 5 ÷ 8, bề dầy tấm bản cực dương của các ắc qui trước đây khoảng 2mm ngày nay với các công nghệ tiên tiến đã giảm xuống còn từ 1,3÷ 1,5 mm, bản cực âm thường mỏng hơn 0,2÷ 0,3 mm. Số bản cực âm trong ắc qui đơn nhiều hơn số bản cực dương một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực dương. Các bản sau khi được trát đày chất tác dụng được ép lại, sấy khô và thực hiện quá trình tạo cực, tức là chúng được ngâm vào dung dịch axit sunfuric loãng và nạp với dòng điện một chiều với trị số nhỏ. Sau quá trình như vậy chất tác dụng ở các bản cực dương hoàn toàn trở thành PbO2 ( màu gạch sẫm). Sau đó các bản cực dương được đem rửa, sấy khô và lắp ráp. Những phân khối bản cực cùng tên trong một acqui được hàn với nhau tạo thành các khối bản cực và được hàn nối ra các vấu cực làm bằng chì hình côn để nối ra tải tiêu thụ. Với chú ý rằng, nếu ta muốn tăng dung lượng của ăcqui thì ta phải tăng số tấm bản cực mắc song song trong một acqui đơn. Thường người ta lấy từ 5 ÷8 tấm. Còn muốn tăng điện áp danh định của acqui thì ta phải tăng số tấm bản cực mắc nối tiếp. I.1.3.Tấm ngăn: Các bản cực âm và dương được lắp xen kẽ với nhau và cách điện nhau bởi các tấm ngăn và để đảm bảo cách điện tốt nhất các tấm ngăn được làm rộng hơn so với các bản cực. Các tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cựa bản âm và dương, đồng thời để đỡ các tấm bản cực khỏi bị bong rơi ra khi sử dụng acqui. Các tấm ngăn ở đây phải là chất cách điện tốt, bền, dẻo, chịu được axit và có độ xốp thích hợp để không ngăn cản chất điện phân thấm đến các bản cực. Các tấm ngăn hiện nay được chế tạo từ vật liệu polyvinyl xốp, mịn, dày khoảng từ 0,8÷1,2 mm và có dạng mặt phẳng hướng về phía bản cực âm còn một mặt có hình sóng hoặc gồ hướng về phía bản cực dương nhằm tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển hơn đến các bản cực dương và dung dịch lưu thông tốt hơn. I.1.4. Dung dịch điện phân: Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 8 Lớp: TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động Dung dịch điện phân trong bình acqui là loại dung dịch axit sunfric (H 2 SO 4 ) được pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ qui định tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu mùa và vật liệu làm tấm ngăn. Nồng độ dụng dịch axit sunfric γ = (1,1 ÷ 1,3) g/ cm3 . Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của acqui. Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân với các nước ở trong vùng xích đạo nồng độ dung dịch điện phân quy định không quá 1,1g/cm3 . Với các nước lạnh (vùng cực), nồng độ dung dịch điện phân cho phép tới 1,3g/cm3. Trong điều kiện khí hậu nước ta thì mùa hè nên chọn nồng độ dung dịch khoảng (1,25 ÷ 1,26) g/cm3, mùa đông ta nên chọn nồng độ khoảng 1,27g/cm3 Cần nhớ rằng : nồng độ quá cao sẽ làm chóng hỏng tấm ngăn, chóng hỏng bản cực, dễ bị sunfat hoá trong các bản cực nên tuổi thọ của acqui cũng giảm đi rất nhanh. Nồng độ quá thấp thì điện dung và điện áp định mức của acqui giảm và ở các nước xứ lạnh thì dung dịch vào mùa đông dễ bị đóng băng.  Những chú ý khi pha chế dung dịch điện phân cho acqui: - Không được dùng axit có thành phần tạp chất cao như loại kỹ thuật thông thường và nước không phải là nước cất vì dung dịch như vậy sẽ làm tăng cường độ quá trình tự phóng điện của acqui. - Các dụng cụ pha chế phải làm bằng thuỷ tinh, chất dẻo chịu axit. Chúng phải sạch, không chứa các muối khoáng, dầu mỡ hoặc chất bẩn . . . - Để đảm bảo an toàn trong khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước vào axit đặc mà phải đổ từ từ axit vào nước và dùng que thuỷ tinh khuấy đều. I.1.5. Nắp, nút và cầu nối: Nắp được làm bằng nhựa êbônit hoặc bằng bakelit. Nắp có hai loại: + Từng nắp riêng cho mỗi ngăn. + Nắp chung cho cả bình - loại này kết cấu phức tạp nhưng độ kín tốt. Trên lắp có lỗ để đổ dung dịch điện phân vào các ngăn và kiểm tra mức dung dịch điện phân, nhiệt độ và nồng độ dung dịch trong acquy. Lỗ đổ được đậy kín bằng nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân không bị bẩn và sánh ra ngoài. Ở nút có lỗ nhỏ để thông khí từ trong bình ra ngoài lúc nạp ác quy. Nắp một số loại ácquy có lỗ thông khí riêng nằm sát lỗ đổ, kết cấu như vậy rất thuận tịên cho việc điều chỉnh mức dung dịch trong bình acquy. Trong trường hợp này, ở nút không có lỗ thông khí nữa. Cấu nối thường làm bằng chì, dùng để nối các ngăn acquy đơn với nhau. I.2. Quá trình biến đổi hoá học trong acquy axit. Acqui là nguồn năng lượng có tính thuận nghịch: nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.Quá trình ắc-qui Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 9 Lớp: TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động cung cấp điện cho mạch ngoài gọi là quá trình nạp điện.Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lượng của ắc qui có dạng: PbO 2 +2SO 4 H 2 (H 2 O) + Pb SO 4 Pb + 4H 2 O + SO 4 Pb B/cực dương D/d điện phân B/cực âm B/cực dương D/d điện phân B/cực âm Trạng thái ắcqui Bản cực dương Dương dịch điện phân Bản cực âm Nạp no Phóng điện kết PBO2 PbSO4 H2SO4 H2O Pb PbSO4 Bảng I.1: Trình bày trạng thái năng lượng của ắc qui quan hệ với quá trình biến đổi hoá học của các bản cực và dung dịch điện phân. Từ bảng I.1. Ta có nhận xét: Trong quá trình phóng, nạp, nồng độ dung dịch điện phân của ắc qui thay đổi. Khi ắc qui phóng điện, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần; khi ắcqui được nạp điện, 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 ắcqui. I.3. Các đặc tính của acqui axit: Mỗi ngăn của bình acqui là một acqui đơn có đầy đủ các tính chất đặc trưng cho cả bình. Sở dĩ người ta nối tiếp nhiều ngăn lại thành bình acqui là để tăng điện áp định mức của bình acqui. Do đó khi nghiên cứu đặc tính của bình acqui ta chỉ cần khảo sát một bình acqui đơn là đủ. I.3.1. Sức điện động của acqui axit: * Sức điện động của acqui axit phụ thuộc chủ yếu vào điện thế trên các cực, tức là phụ thuộc vào đặc tính lý hoá của vật liệu làm các bản cực và dung dịch điện phân mà không phụ thuộc vào kích thước của các bản cực. Sức điện động của ắc qui chì –axít phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm: Sinh viên: Nguyễn Văn Bình 10 Lớp: TĐH2_CĐK49 Phóng điện Nạp điện [...]... quan h ph thuc ca sc in ng, in ỏp acqui v nng dung dch in phõn theo thi gian np khi tr s dũng in np khụng thay i I (A) U,E (V) Bắt đầu sôi 2,4V 2,7V Un 2,4V Eaq 2,1V Eo 2 Khoảng nghỉ 1,95V Vùng nạp no Vùng nạp chính 10 1 5 Cn= In tn t,h (2ữ3) h 0 ts 10 Hỡnh I.3 S mch np v ng c tớnh np T th c tớnh np ta cú nhn xột sau: - Trong khong thi gian np t t n = 0 n tn= ts, sc in ng, in ỏp, nng dung dch in... dt = 2U 2 (với L = 0,2mH) C LC = 2U 2 = LC max max 2 179,9 3 10 = 1265,72.10 3 A / s 1,27 A / às 0,2 + Xác định Q, sử dụng các đờng cong Q = f( I , Với I d = 40 A; di ) dt di = 1,27 A / às (tra trong đồ thị hình X.10 trang 263 sách Điện Tử dt Công Suất Nguyễn Bính) Ta có Q = 30A à s + Xác định R, C C min = Sinh viờn: Nguyn Vn Bỡnh 2.Q * 2.30.6 C min = = 1,41àF U im 254,42 32 Lp: TH2_CK49 ỏn tt nghip . TĐH2_CĐK49 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động CHƯƠNG III TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC I. Sơ đồ mạch lực……………………. ……………………………………….27 II. Tính toán. tốt nghiệp Thiết kế bộ nạp ăcqui tự động II.1. Phương pháp nạp cho acqui với dòng nạp không đổi………………… 14 II.2. Phương pháp nạp cho acqui với điện áp nạp