TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài THIẾT KẾ BỘ NGUỒN ĐỂ NẠP ACQUY TỰ ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG GVHD ThS DƯƠNG TẤN QUỐC SVTH NGUYỄN THÀNH HẠNH LỚP K21EDT1 MSSV.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài: THIẾT KẾ BỘ NGUỒN ĐỂ NẠP ACQUY TỰ ĐỘNG CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG GVHD: ThS DƯƠNG TẤN QUỐC SVTH: NGUYỄN THÀNH HẠNH LỚP: K21EDT1 MSSV: 2121159180 NIÊN KHÓA: 2018-2019 MỤC LỤC [Type text] LỜI MỞ ĐẦU Đất nước ta bước đường cơng nghiệp hố đại hóa đất nước Nước ta nước phát triển dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật đại Ngày công nghiệp, mạch điều khiển người ta thường dùng kỹ thuật số với chương trình 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 hố hệ thống truyền động điện điều khiển tự động đại có đặc tính làm việc khác Trong ứng dụng việc áp dụng vào mạch nạp ắc quy tự động sử dụng rộng rãi có đặc tính ưu việt Chính việc nghiên cứu, chế tạo ắc quy nguồn nạp ắc quy cần thiết, ảnh hưởng lớn tới dung lượng độ bền ắc quy Với lý đề Thiết kế nạp ắc quy tự động” DƯƠNG TẤN QUỐC hướng dẫn thực Đồ án gồm nội dung : Chương : Giới thiệu công nghệ nạp ắc quy Chương : Các phương pháp nạp ắc quy Chương : Thiết kế nạp ắc quy tự động Em xin chân thành cảm ơn thầy cô môn, bạn lớp giáo viên môn thầy DƯƠNG TẤN QUỐC hướng dẫn nhiều trình làm đồ án ! [Type text] CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ẮC QUY 1.1 Ắc quy nguồn điện hoá, sức điện động ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo cực chất điện phân Với ắc quy chì axít sức điện động ắc quy đơn 2,1V Muốn tăng khả dự trữ lượng ắc quy người ta phải tăng số lượng cặp cực dương âm ắc quy đơn Để tăng giá trị sức điện động nguồn người ta ghép nối nhiều ắc quy đơn thành bình ắc quy Bình ắc quy làm từ số tế bào (cell) đặt vỏ bọc cao su cứng hay nhựa cứng Những đơn vị tế bào cực dương cực âm Những cực có vật liệu hoạt hoá nằm lƣới phẳng Bản cực âm chì xốp sau nạp có mầu xám Bản cực dương sau nạp PbO2 có màu nâu Cấu trúc ắc quy đơn gồm có: phân khối cực dương, phân khối cực âm, ngăn Phân khối cực cực tên ghép lại với Cấu tạo cực ắc quy gồm có phần khung xương chất tác dụng trát lên Khung xương cực dương âm có cấu tạo giống Chúng đúc từ chì có pha thêm ( ÷ 8% ) Sb tạo hình dạng mặt lưới Phụ gia Sb thêm vào chì làm tăng thêm độ dẫn điện cải thiện tính đúc Trong thành phần chất tác dụng cịn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hữu cơ) để tăng độ xốp, độ bền lớp chất tác dụng Nhờ tăng độ xốp, dung dịch điện phân dễ thấm sâu vào lịng cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học cực tăng thêm Phần đầu cực có vấu, cực dương ắc quy đơn hàn với tạo thành phân khối cực dương Các cực âm hàn [Type text] với tạo thành phân khối cực âm Số lượng cặp cực ắc quy đơn thường từ đến cặp Bề dầy cực dương ắc quy trước thường khoảng 2mm Ngày với công nghệ tiên tiến giảm xuống cịn ( 1,3 ÷ 1,5 ) am Bản cực âm thường mỏng ( 0,2 ÷ 0,3 ) mm Số cực âm ắc quy đơn nhiều số cực dương nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng cực dương, cực âm nằm bên ngồi nhóm cực Tấm ngăn bố trí cực âm cực dương ngăn xốp có tác dụng ngăn cách tránh va đập cực Những ngăn xốp cho phép dung dịch chất điện phân quanh cực bề mặt có lỗ Tấm ngăn làm vật liệu pơliclovinyl có bề dầy ( 0,8 ÷ 1,2 ) mm có dạng lượn sóng Một xếp gọi phần tử Sau xếp phận trên, đặt vào ngăn vỏ bình ắc quy Ở bình ắc quy có nắp đậy mềm, nắp đậy tế bào đặt lên sau phiến nối hàn vào để nối cực liên tiếp tế bào Trong cách nối tế bào nối liên tiếp Cuối nắp đậy bình ắc quy đƣợc hàn vào Bình ắc quy có nắp đậy cứng , có nắp đậy chung làm giảm ăn mòn vỏ bình Những bình ắc quy có nối cực xuyên qua ngăn cách tế bào Tấm ngăn cách không cho dung dịch điện phân qua lại tế bào Điều làm bình ắc quy vận hành tốt bàn nối ngắn đậy kín Đầu nối ắc quy cọc dương cọc âm Cọc dương lớn cọc âm để tránh nhầm điện cực Người ta thường nối dây mầu đỏ với cực dương dây màu đen với cực âm Dây cực âm đƣợc nối với lốc máy hay phận kim loại Dây cực dương nối với phận khởi động Nắp thông đặt nắp tế bào Những nắp có hai mục đích: [Type text] Để đậy kín tế bào ắc quy, cần kiểm tra nước hay cho thêm nước ta mở * nắp đậy * Khi nạp bình người ta mở nắp đậy để chất khí hình thành có lối Mỗi tế bào ắc quy có điện khoảng vơn Ắc quy 6V có tế bào mắc nối tiếp Ắc quy 12V có tế bào mắc nối tiếp Muốn có điện cao người ta mắc nối tiếp bình ắc quy với Hai ắc quy 12V mắc nối tiếp tạo hệ thống 24V Nồng độ dung dịch điện phân H2SO4 γ = 1,1÷ 1,3 g/cm3 Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động ắc quy Hình 1.1 Cấu trúc bình ắc quy [Type text] Hình 1.2 Một số loại ắc quy 1.2 QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG Bình ắc quy bình chứa lượng cho hệ thống điện Khi cần bình ắc quy tạo dòng điện chiều qua thiết bị nối với cực Dịng điện bình ắcquy tạo phản ứng hố học vật liệu cực axit H2SO4 bình hay cịn gọi chất điện giải Sau thời gian sử dụng bình ắc quy bị hết điện Tuy nhiên nạp lại cách cho dịng điện bên ngồi qua theo chiều ngược với chiều phát điện bình Trong điều kiện bình thường ắc quy nạp dòng điện từ máy [Type text] phát điện Để hoạt động tốt bình phải làm ba việc: * Cung cấp dòng điện khởi động động Cung cấp điện hệ thống cần có mức điện lớn hệ thống xạc cung * cấp * Ổn định điện máy hoạt động Ắc quy nguồn lượng có tính thuận nghịch Nó tích trữ lượng dạng hố giải phóng lượng dạng điện Quá trình ắc quy cung cấp điện cho mạch ngồi gọi q trình phóng điện Q trình ắc quy dự trữ lượng gọi trình nạp điện Năng lượng ắc quy quan hệ với q trình biến đổi hố học cực dung dịch điện phân trình bày bảng sau: Bảng 1.1 Quá trình biến đổi lượng ắc quy Trạng thái ắc Bản cực dương Dung dịch điện phân Bản cực âm Nạp no PbO2 H2SO4 Pb ↓↑ ↓↑ ↓↑ ↓↑ Phóng điện hết PbSO4 H2O PbSO4 quy Trong q trình phóng nạp, nồng độ dung dịch điện phân ắc quy thay đổi Khi ắc quy phóng điện, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần Khi nạp điện, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần Do ta vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện ắc quy 1.3 PHÂN LOẠI ẮC QUY Cho đến có nhiều loại ắc quy khác sản xuất tuỳ thuộc vào điều kiện yêu cầu cụ thể loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm việc Cũng tính kinh tế kỹ thuật ắc quy có [Type text] thể liệt kê số loại sau: ắc quy chì (ắc quy axit) ắc quy kiềm ắc quy không lamen ắc quy kiềm ắc quy kẽm-bạc Tuy nhiên thực tế ắc quy axít ắc quy kiềm sử dụng nhiều 1.3.1 Ắc quy axit Gồm cực chì oxit chì ngâm dung dịch axit sulfuaric Các cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới , làm hợp kim chì antimon, có nhồi hạt hóa chất tích cực Các hóa chất nạp đầy dioxit chì cực dương chì nguyên chất cực âm Các cực nối với chì phía trên, cực dương nối với cực dương, cực âm nối với cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dày số lượng cực xác định dung lượng bình ắc quy Thơng thường, cực âm đặt phía bên ngồi, số lượng cực âm nhiều cực dương Các cực âm ngồi thường mỏng hơn, chúng sử dụng diện tích tiếp xúc Chất lỏng dùng bình ắc quy dung dich axit sulfuaric Nồng độ dung dịch biểu trưng tỷ trọng đo được, tùy thuộc vào loại ắc quy tình trạng phóng nạp bình Trị số tỷ trọng bình ắc quy nạp đầy quy 25 ο C cho bảng sau : [Type text] Bảng 1.2 Tỷ trọng chất điện phân bình ắc quy Tỷ trọng chất Loại bình ắc quy điện phân Bình ắc quy làm việc chế độ tải nặng : ví dụ 1.275 xe tải điện cơng nghiệp lớn Bình ắc quy dùng cho xe ơtơ, phi 1.260 Bình ắc quy dùng cho tải khơng nặng lắm: ví dụ 1.245 chiếu sáng tàu điện, khởi động động Bình ắc quy tĩnh, dùng cho ứng dụng dự 1.215 phịng Dung lượng bình ắc quy thường tính ampe (AH) AH đơn giản tích số dịng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện dịng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng dung dịch, điện cuối sau phóng Các biến đổi thơng số bình ắc quy cho biểu đồ sau: Thời gian (giờ) Hình 1.3 Đặc tính điện tỷ trọng phóng nạp với dịng khơng đổi [Type text] Hình 3.9 Mạch ổn áp dùng IC LM 317 - Ưu điểm: nhỏ gọn, bền dễ sử dụng - Nhược điểm: giá thành cao Bộ điều chỉnh tự động đóng ngắt mạch sạc pin (khối 5) Khối có chức đóng mạch ắc quy sạc chưa đầy ngắt mạch ắc quy sạc đầy mạch sử dụng IC LM 317 transistor A 564 để điều chỉnh q trình đóng ngắt sạc Ngồi ta sử dụng IC so sánh khác nhƣ: LM 211 , U 741 ,… để điều khiển transitor đóng mở mạch sạc 3.5 GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỰA CHỌN CÁC LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TRONG MẠCH 3.5.1 Điện trở Điện trở linh kiện thụ động thiếu mạch điện điện tử, chúng có tác dụng cản trở dịng điện , tạo sụt áp để thực chức theo ý muốn Điện trở dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu , tiết diện độ dài dây dẫn tính theo cơng thức: R= Trong đó: R điện trở Đơn vị Ω π điện trở suất 38 [Type text] l chiều dài dây dẫn S tiết diện dây Điện trở thực tế mạch điện tử * Hình dáng ký hiệu: Trong thực tế điện trở loại linh kiện điện tử không phân cực, linh kiện quan trọng mạch điện tử, chúng làm từ hợp chất cacbon kim loại pha theo tỷ lệ mà tạo điện trở có trị số khác Hình 3.10 Hình dạng điện trở Hình dạng điện trở sơ đồ mạch điện tử Đơn vị đo Ω, KΩ, MΩ 1MΩ = 1000 KΩ = 1000000Ω 3.5.2 Biến trở Biến trở dạng đặc biệt điện trở có cơng dụng tương tự điện trở thong thường Nhưng thay đổi gía trị điện trở, qua thay đổi điện áp dịng điện biến trở Hình 3.11 Biến trở 39 [Type text] VR Hình 3.12 Ký hiệu biến trở Hình 3.13 Cấu tạo hình dạng biến trở Biến trở gọi triết áp cấu tạo gồm điện trở màng than hay dây quấn có dạng hình cung góc quay 270 độ Có trục xoay nối với trượt làm than cho biến trở dây quấn (hay làm kim loại cho biến trở than) Con trượt ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở quay trục Hình 3.14 Biến trở 3.5.3 Tụ điện Tụ điện linh kiện thụ động sử dụng rộng rãi mạch điện tử, sử dụng mạch lọc nguồn, lọc nhiễu mạch truyền phát tín hiệu, mạch dao động… 40 [Type text] Tụ điện linh kiện dùng để cản trở dịng điện xoay chiều ngăn khơng cho dịng điện chiều qua , tụ điện cịn có khả phóng nạp cần thiết * Các đại lượng đặc trưng: Điện dung đại lượng nói lên khả tích điện hai cực tụ điện ,điện dung tụ điện phụ thuộc vào diện tích cực, vật liệu làm chất điện mơi khoảng cách giữ hai cực theo công thức C=ξ.S/d Trong đó: ξ C : điện dung tụ điện , đơn vị Fara (F) : Là số điện môi lớp cách điện d : chiều dày lớp cách điện S : diện tích cực tụ điện Dung kháng đại lượng đặc trưng cho khả cản trở dòng điện xoay chiều , đơn vị Ω Xc Tụ không phân cực tụ có hai cực giá trị thường nhỏ (pF) Tụ phân cực tụ có hai cực tính âm dương khơng thể dũng lẫn lộn Có giá trị lớn so với tụ không phân cực Cấu tạo tụ điện: gồm hai cực song song, có lớp cách điện gọi điện mơi tụ hóa, tụ gốm, tụ giấy… Tụ Tụ xoay Hình 3.15 Hình dạng tụ thực tế 41 [Type text] Để cho tụ làm việc ổn định em lưu chọn tụ có điện áp lớn điện áp điện áp đầu vào tụ 3.5.4 Diode Được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn tiếp xúc Diode có hai cực Anot (A) Katot (K) Nó cho dịng chiều từ A sang K coi van chiều mạch điện ứng dụng rộng rãi máy thu thu hình, mạch chỉnh lƣu, ổn định điện áp Hình 3.16 Cấu tạo diode Hình 3.17 Hình dạng diode thực tế Hình 3.18 Kí hiệu diode mạch ngun lý 42 [Type text] Phân cực cho diode : Phân cực thuận cho diode: Anode(A) lối vào cực dương Katot (K) nối vào cực âm nguồn (UAK>0) diode cho dịng điện chạy qua Hình 3.19 Phân cực thuận cho Diode Phân cực ngược: UAK VB>VC Trong trường hợp hai vùng bán dẫn P-N cực E B giống điode đƣợc phân cực thuận nên dẫn điện,lỗ trống từ vùng bán dẫn P cực E sang vùng bán dẫn N cực B để tái hợp với eletron Khi vùng bán dẫn N cực B có thêm lỗ trống nên có điện tích dương Cực B lối vào điện áp âm nguồn nên hút số lỗ trống vùng bán dẫn N xuống tạo thành dòng điện I B Cực C nối vào điện áp âm cao nên hút hầu hết lỗ trống vùng bán dẫn N sang vùng bán dẫn P cực C tạo thành dòng điện I C Cực E nối vào điện áp dương nên vùng bán dẫn P bị lỗ trống hút lỗ trống từ nguồn dương lên chỗ tạo thành dòng điện IE Số lượng lỗ trống bị hút từ cực E chạy qua cực B cực C nên dòng điện IB IC từ cực E chạy qua: Ta có: IE =IB +IC Cịn transistor NPN ngược ta làm ngược lại phải đổi cực tính 45 bb Hình 3.23 Transistor 3.5.7 IC LM 317 Hình 3.24 IC LM 358 Hình 3.25 Cấu tạo IC LM317 Trong : Adjust chân điều khiển Output điện áp đầu Input điện áp đầu vào Thông số : Điện áp đầu vào Vi = 40V Nhiệt độ vận hành t = – 125ο Công suất tiêu thụ lớn 20 W Dòng điện đầu lớn Imax = 1.5 A Đảm bảo thông số Vi – Vo >= 3V 46 3.6 SƠ ĐỒ VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA MẠCH Hình 3.26 Sơ đồ mạch cấp nguồn chiều 12V cho ắc quy Nguyên lý làm việc mạch : Mạch gồm khâu Biến áp 220V – 12V biến điện áp xoay chiều xuống dải điện áp phù hợp cho ắc quy Khối chỉnh lưu gồm Diode tạo thành cầu biến điện áp xoay chiều thành chiều Điện áp sử dụng làm điện áp nạp ắc quy Transistor cơng suất T3 transistor chịu dịng nạp qua ắc quy Khi T dẫn, ắc quy nạp Khi T3 khóa, ắc quy ngắt điện khỏi mạch.T3 đƣợc mắc để lấy tín hiệu chân E, tín hiệu điều khiển lấy từ đầu LM 317 Khi điện áp T điện áp chuẩn LM 317 trừ điện áp rơi mặt tiếp giáp BE T ( = U 317 – 0.7 V ) Điện áp tiếp giáp BE tăng transistor chịu dòng lớn LM 317 IC tạo điện áp chuẩn làm điện áp nạp cho ắc quy Điện áp LM 317 xác định dựa R1,VR1,T1 Khi T1 khóa, điện áp 47 [Type text] LM 317 phụ thuộc vào R VR1 Trong trình hoạt động, ắc quy yếu T1 đƣợc mở dẫn đến làm giảm điện áp phản hồi LM 317, làm giảm điện áp nạp ắc quy để đảm bảo dịng nạp khơng vƣợt giá trị cho phép Khối điều chỉnh dòng áp Bình thường điện áp đầu ắc quy đủ D khóa làm A564 khóa dẫn đến T3 khóa Trong trường hợp điện áp ắc quy thấp D5 dẫn làm A564 dẫn, cấp điện vào T (chân B) khiến T1 mở dẫn đến điện áp phản hồi LM 317 giảm làm giảm điện áp nạp ắc quy để đảm bảo dịng nạp khơng vượt q giá trị cho phép Phần hiển thị : Đầu điện áp nạp ắc quy lấy qua T 4, T5 Khi đƣợc nạp đèn đỏ sáng Hình 3.27 Đồ dùng linh kiện trƣớc làm mạch 48 [Type text] Hình 3.28 Mạch chạy thử Hình 3.29 Mạch hoàn thiện 49 [Type text] 50 [Type text] KẾT LUẬN Sau khoảng thời gian nghiên cứu , tìm hiểu thiết kế, với hƣớng dẫn thầy giáo – thạc sĩ DƯƠNG TẤN QUỐC, đến đồ án em đƣợc hoàn thành Nội dung đồ án nêu lên đƣợc nhƣng vấn đề sau: * Giới thiệu chung công nghệ nạp ắc quy * Các phương pháp nạp ắc quy * Thiết kế mạch nạp ắc quy tự động Mặc dù thân em cố gắng, trình độ kiến thức hạn chế, khoảng thời gian làm đồ án ngắn nên q trình thiết kế khơng thể tránh khỏi sai sót Vì em xin tiếp thu ý kiến đóng góp bảo thầy để đồ án hồn thiện Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn cô Đỗ Thị Hồng Lý, ngƣời trực tiếp hướng dẫn tốt nghiệp, thầy cô môn bạn giúp đỡ em trình làm đồ án Em xin chân thành cảm ơn ! ĐÀ NẴNG, ngày tháng năm Sinh viên thực NN NGUYỄN THÀNH HẠNH 51 [Type text] TÀI LIỆU THAM KHẢO GS.TSKH Thân Ngọc Hồn, (2003), Điện tử cơng suất, Nhà xuất Xây dựng Nguyễn Bính, (2001), Điện tử công suất, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật Trần Văn Thịnh, (2008), Tính tốn thiết kế thiết bị điện tử công suất, Nhà xuất Giáo dục Phạm Minh Hà, (2008), Kĩ thuật mạch điện tử, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật Lê Văn Doanh (Chủ biên), Nguyễn Thế Công, Trần Văn Thịnh, (2004), Điện tử công suất : Lý thuyết – Thiết kế - Ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật : http://www.google.com.vn 52 ... En : sức điện động ắc quy nạp điện In : dòng điện nạp Un : điện áp đo cực ắc quy nạp điện raq : điện trở ắc quy nạp điện 1.4.2 Dung lượng phóng ắc quy Dung lượng phóng ắc quy đại lượng đánh giá... ắc qui tự động kết thúc bị cắt nguồn nạp nạp ổn áp với điện áp điện áp cực ắc qui, lúc dịng nạp từ từ giảm khơng Kết luận: Vì ắc quy tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động ắc... điện có điện áp tổng điện áp thành phần Hình 3.1 Cách mắc nguồn điện nối tiếp Ghép song song nguồn điện (có điện áp) cho ta nguồn điện có điện áp điện áp thành phần Hình 3.2 Cách mắc nguồn điện