Các bộ biến đổi xoay chiều – một chiều (ac – dc)

CHƢƠNG 1: ẮC QUY VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NẠP ẮC QUY 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUY 1.1.1 Ắc quy Ắc qui nguồn điện trữ lượng điện dạng hoá Ắc qui nguồn điện chiều cung cấp điện cho thiết bị điện công nghiệp đời sống hàng ngày: động điện, bóng đèn điện, nguồn nuôi linh kiện điện tử Ắc qui nguồn cung cấp điện cho động khởi động Trong thực tế có nhiều loại ắc qui phổ biến hai loại ắc qui chì ắc qui axit Hình 1.1: Ắc quy axit Đồng Nai 1.1.2 Cấu tạo đặc điểm Hình 1.2: Sơ đồ bình ac quy Cấu trúc ắc qui đơn giản gồm có phân khối cực dương, phân khối cực âm, ngăn Phân khối cực cực tên ghép lại với VÊu b¶n cùc Chất tác dụng Cốt cực Hỡnh 1.3: Cu tạo cực ắc quy Cấu tạo cực ắc qui gồm có phần khung xương chất tác dụng trát lên Khung xương cực âm cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng đúc từ chì chúng đúc từ chì có pha thêm % ăngtimoan ( Sb ) tạo hình mắt lưới Phụ gia Sb thêm vào chì làm tăng độ dẫn điện cải thiện tính đúc Trong thành phần chất tác dụng cịn có thêm khoảng % chất nở ( muối hưu ) để tăng độ xốp, độ bền lớp chất tác dụng Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện độ thấm sâu chất dung dịch điện phân vào lòng cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học cực tăng thêm Phần đầu cực có vấu, cực dương ắc qui đơn hàn với tạo thành khối cực dương, cực âm hàn với thành khối cực âm Số lượng cực ắc qui thường từ đến 8, bề dầy cực dương ắc qui thường từ 1,3 đến 1,5 mm , cực âm thường mỏng 0,2 đến 0,3 mm Số cực âm ắc qui thường nhiều số cực âm nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng cực Tấm ngăn bố trí cực âm dương có tác dụng ngăn cách tránh va đập cực Tấm ngăn làm vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm có dạng lượn sóng , bề mặt ngăn có lỗ cho phéo dung dịch điện phân thơng qua *Vỏ bình Vỏ bình ắc quy chế tạo loại nhựa êbơnít axphantôpéc cao su nhựa cứng So với nhựa axphantơpéc êbơnit có độ bền khả chịu axít tốt nhiều Để tăng độ bền vững khả chịu axit cho bình nhựa axphantơpéc , chế taọ người ta ép vào bên bình lớp lót chịu axit dày 0,6 mm pôluclovinlim Nhờ lớp mà tuổi thọ vỏ bình tăng lên 2-3 lần Đặc điểm vỏ bình phía chia thành vách ngăn riêng biệt vách ngăn kín đáy ngăn có sống đỡ khối cực tạo thành khoảng trống đáy bình mặt dưói khối cực Nhờ mà tránh tượng chập mạch cực chất kết tủa rơi xuống đáy bình gây nên số bình ắc quy cỡ lớn ngưịi ta lắp thêm quai sắt vào vỏ bình để di chuyển dễ dàng *Bản cực, phân khối cực khối cực Bản cực gồm cốt hình mắt cáo , trát đầy chất tác dụng Cốt đúc hợp kim chì -Stibi ( Sh ) (87-95% +5-13% Sb) Stibi hợp kim có tác dụng tăng độ cứng vững giảm han gỉ cho cốt Hợp kim naỳ so với chì Pb ngun chất có hệ số nổ dài nhỏ , nhiệt độ nóng chảy thấp đặc tính đúc tốt Cốt để chất tác dụng phân phối dòng điện khắp bề mặt cực Điều có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cực dương điện trở chất tác dụng ( oxit chì PbO2 ) lớn gấp 10.000 lần điện trở chì ngun chất Do tăng chiều dầy cột điện trở ắc quy nhỏ Cốt có khung bao quanh , có vấu để hàn nối cực thành phần phân khối cực có hai chân để tỳ lên sống đỡ đáy bình ắc quy Chân cực dương âm phải phân bố cho phân khối cực dương tỳ lên đơi sống đỡ so le cịn phân khối phân cực âm tỳ lên đôi sống đỡ so le Sự phân bố tránh tượng chập mạch qua phần sống đỡ Vì điện cốt cực âm yếu tố định chúng bị han gỉ nên người ta thường làm mỏng cực dương Đặc biệt hai bên phân khối cực âm lại mỏng chúng làm việc có phía giáp với cực dương Chất tác dụng chế tạo từ bột chì , dung dịch axit sunfuric khoảng 3% chất nổ muối axit hữu chất hữu tổng hợp v.v cực âm , cịn cực dương chất tác dụng chế tạo từ ơxit chì Pb3O4 , PbO dung dịch axit sunfủic Chất nổ cực âm có tác dụng tăng độ xốp , giảm khả co tượng chống hoà cứa cực Các cần có độ xốp độ bền cao điện dung ắc quy lớn tuổi thọ đảm bảo Các sau trát đầy chất tác dụng ép lại sấy khơ thực q trình tạo cực , tức chúng ngâm vào dung dịch axit sunfuric lỗng nạp vào dịng điện nhỏ Sau qúa trình chất tác dụng cực dương hoàn toàn trở thành PbO2 ( màu gạch sẫm ) Còn cực âm Pb ( chì xốp màu ghi đá ) Sau cực đem rửa , sấy khô lắp ráp Những cực loại ( dương âm ) hàn vào vấu cực theo dấu theo số lượng quy định tạo thành khối cực , khoảng cách khối cực phân phối phải đủ để chứa cực khác loại cách điện – ngăn Các khối cực ngăn lắp lại thành khối cực cho cực âm dương xen kẽ cách điện cới ngăn có đội xốp cao Trong khối cực số cực âm , nhiều số cực dương với mục đích để sử dụng cực dương triệt để giảm bớt cong vênh cho cực dương hai bên dòng điện phóng nạp lớn *Tấm ngăn Tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch cực dương âm đồng thời để đỡ chất tác dụng cực bớt bị bong rơi sử dụng ắc quy Các ngăn phải chất cách điện , có độ xốp thích hợp để không ngăn cản dung dịch điện phân thấm đến cực Chúng phải bền vững có độ dẻo , chịu axit không chứa tạp chất có haị , sắt Các ngăn thường chế tạo mipo( êbônit xốp mịn), miplát( pôliclounnhin xốp mịn ) , platchipo ( pêclovinhin xốp mịn ) , pôrôvinhin , pênôphát thuỷ tinh ghép với miplat gỗ v.v Cấu tạo ngăn có dạng hình chữ nhật Các ngăn mipo , miplát , pênôplát thường dấy 1,5 2,4 mm có mặt phẳng hướng phía cực âm cịn mặt có hình sóng có gồ hướng phía cực dương , tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển đến cực dương dung dịch lưu thông tốt Để đảm bảo cách điện tốt , ngăn làm rộng so với cực đặc biệt chiều cao Đối với ngăn kết hợp lớp bơng thuỷ tinh thường dày 0,4 0,8 mm ghép với ngăn miplát tạo thành ngăn hai lớp hay thường gọi ngăn kép Loại tăng tuổi thọ ắc quy đặc tính sử dụng lại khoảng 10% Trong vài trường hợp người ta sử dụng ngăn kép gỗ lưới nhựa *Nắp, nút cầu nối Nắp làm nhựa êbơnit (đối với bình làm êbơnit ) bakêlit ( bình nhựa axphantơpéc ) Nắp có hai loại : Từng nắp riêng cho ngăn ( nắp ngăn ) Nắp chung cho bình ( nắp bình ) Loại kết cấu phức tạp độ kín tốt Kết cấu loại nắp ngăn thông dụng Các lỗ bên để luồn vấu cực khối cực Lỗ có ren ổ gọi lỗ đổ , để dung dịch điện phân vào ngăn để kiểm tra mức dung dịch điện phân , nhiệt độ nồng độ dung dịch ắc quy Để đảm bảo kín tốt , chế tạo người ta ép lỗ bên nắp ống chì Khi hàn nối ắc quy đơn với đầu vấu cực chảy gắn liền với ống chì cầu nối thành khối bảo đảm hồn tồn kín chỗ lắp ráp Lỗ đổ đậy kín nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân bình khỏi bị bẩn bị sánh ngồi, nút có lỗ nhỏ để thơng khí từ bình ngồi trời lúc nạp ắc quy Nắp số loại ắc quy có lỗ thơng khí riêng , nằm sát lỗ đổ Kết cấu thuận tiện cho việc điều chỉnh mức dung dịch bình ắc quy Trong trường hợp ổ nút khơng có lỗ khí *Dung dịch điện phân Dung dịch điện phân bình ắc quy dung dịch axit sunfuric ( H2SO4 ) pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ quy định tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu mùa vật liệu làm ngăn Nồng độ ắc quy từ 1,21g/cm3 đến 1,31g/cm3 Cần nhớ : nồng độ cao chóng hỏng ngăn , chóng hỏng cực , dễ bị sunfat hoá cực nên tuổi thọ điện dung ắc quy giảm dần nhanh Nồng 10 độ thấp điện dung định mức hiệu ắc quy giảm nước xứ lạnh vào mùa đông dung dịch dễ bị đóng băng Nồng độ dung dịch điện phân ln thay đổi theo mức phóng mức nạp ắc quy Ngồi cịn phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch Người ta thường lấy nhiệt độ +15oC làm mốc để tiêu chuẩn hoá nồng độ dung dịch điện phân Để xác định nồng độ người ta dùng tỷ trọng kế Mỗi độ chênh lệch so với mốc +15oC cho sai số 0,0007g/cm3 Do thấy nhiệt độ dung dịch cao +15oC phải cộng thêm sai số vào kết đọc theo tỷ trọng kế thấy nhiệt độ dung dịch thấp +15 oC phải trừ *Những ý pha chế dung dịch điện phân cho ắc quy axit : Khơng dùng axit có thành phần tạp chất cao loại axit kỹ thuật thông thường nước khơng phải nước cất dùng vâỵ làm tăng cường độ q trình tự phóng điện ắc quy Các dụng cụ pha chế phải làm thuỷ tinh , sứ chất dẻo chịu axit Chúng phải khơng chứa muối khống , dầu mỡ tạp chất v.v Để đảm bảo an tồn pha chế tuyệt đối khơng để nước vào axit đặc mà phải đổ từ từ axit vào nước dùng que thuỷ tinh khuấy 1.1.3 Quá trình biến đổi lƣợng ắc quy Ác quy nguồn lượng có tính chất thuận nghịch : tích trữ lượng dạng hố giải phóng lượng dạng điện Q trình ắc quy cấp điện cho mạch ngồi gọi q trình phóng điện, q trình ắc quy dự trữ lượng gọi trình nạp điện 11 - Khi nạp nhờ nguồn điện nạp mà mạch điện tử “e” chuyển động từ cực âm đến cực dương - Khi phóng điên tác động sức điện động riêng ắc quy điện tử chuyển động theo hướng ngược lại ( từ dương đến âm tạo thành dịng điện phóng Ip - Khi ắc quy nạp no , chất tác dụng cực dương PbO2 cực âm chì xốp Pb, phóng điện chất tác dụng hai cực trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ Các q trình hố học xảy ắc quy viết cách vắn tắt sau Trên cực dương : phóng PbO2 + 3H+ + HSO4- +2e PbSO4 + 2H2O nạp Trên cực âm : phóng Pb + HSO4 PbSO4 + 2e + 2H nạp Ở dạng tổng quát, biểu diễn đặc trưng qúa trình cách lập bảng : 12 Trạng thái ắc quy Bản cực dương Đã nạp no PbO2 (oxit chì ) Dung Bản cực âm dịch điện phân 2H2SO4 Pb (axit sufuric ) (Chì xốp nguyên chất ) PbSO4 2H2SO4 ( Nước ) (Sunphat Đã hết điện phóng chì tinh thể PbSO4 (Sunfat chì nhỏ) tinh thể nhỏ ) Như phóng điện axít sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat nước bị phân hố , nồng độ dung dịch giảm Khi nạp điện ngược lại , nhờ hấp thụ nước tái sinh axit sufuric nên nồng độ dung dịch tăng lên Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân phóng nạp dấu hiệu để xác định mức phóng điện ắc quy sử dụng 13 *Ứng dụng: Phần mềm PSIM ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật thuộc ngành điện như: Chuyển đổi AC – DC, Hệ số công suất Kiểm sát chuyển đổi kỹ thuật số điện tử Mơ hình hóa mơ Điện áp / nguồn biến tầng, chuyển đổi ma trận Điều khiển động cảm ứng Không gian vũ trụ quốc phòng Năng lượng tái tạo: quang điện pin nhiên liệu Năng lượng tái tạo: lượng gió Ta có giao diện PSIM khởi động chương trình: Hình 3.8:Giao diện PSIM windows 90 Nhìn qua giao diện ta thấy thành phần PSIM : Phần chuẩn (Standard) gồm File, Edit, View, Subcircuit, Element, Simulate, Option,Window, Help Mọi thao tác PSIM thực từ chuẩn Thanh bao gồm công cụ hay dùng New, Save, Open,… lệnh thường dùng Wire( nối dây), Zoom, Run, Simulation( chạy mô phỏng)… Bằng việc vẽ mạch điện thay đổi thơng số ta có đặc tính đầu hệ thống cần nghiên cứu 3.3.2 Mô hệ thống PSIM Hệ thống nửa cầu ngắt mạch song song nối tiếp (Hình 3.1) bao gồm nguồn VS, tụ C1,C2,CS,CP,CO, hai công tắc hai chiều S1,S2, bốn diode D1,D2,D3,D4 cuộn cảm LS, LO ac quy thứ cấp VO với điện áp nạp 40 V Khi phân tích ta giả thiết cầu chỉnh lưu pha nối với dòng điện AC hình sin dịng điện cấp nguồn VS Các thông số mô Tầng số công tắc hai chiều fs = 85 kHz Tầng số cộng hưởng : f0 = 80 kHz Dòng điện nạp: Io = 10 A Định mức điện áp tụ điện cuộn cảm :100 V Định mức dòng điện tụ điện cuộn cảm :10 A Điện áp ngược cực đại điode : 100 V 91 *Mơ PSIM Hình 3.9: Sơ đồ biến đổi nối tiếp song song biểu diễn PSIM Ta có đặc tính điện áp chưa qua lọc LO Hình 3.10 : Biểu diễn điện áp trước qua cuộn cảm LO Điện áp trước đưa vào ac quy Hình 3.11 : Điện áp đưa vào nạp ắc quy 92 Hệ thống nửa cầu ngắt mạch song song nối tiếp để nạp ac quy có lượng lớn lượng nhiễu tầng số Do gây tượng xuất dao đơng dịng điện áp đầu ra( thể hình 3.4) Hiện tượng gây tổn hao lượng nguồn cấp 3.4 KẾT QUẢ KIỂM NGHIỆM TRONG THỰC TẾ Một mẫu thử nạp ắc quy có cấu trúc liên kết HBSPRC nhóm D tạo phịng thí nghiệm nhằm xác minh chức hoạt động Mạch nạp mà phát triển ứng dụng cho ắc quy axít chì 12-V 48-Ah Các điều kiện thử nghiệm sau: tần số chuyển mạch fs= 85kHz, tần số cộng hưởng fo=80kHz, dịng điện nạp trung bình Io=6,9A, điện áp ngắt mạch nạp VBA=15,5V, điện áp mạch hở ắc quy Voc=10,5V Dưới điều kiện vận hành bình thường, thơng số mạch HBSPRC nhóm D dành cho nạp ắc quy nêu bảng II Quy cách điện van điện tích cực điốt nêu Bảng III IV, tương ứng Định mức điện áp dòng điện tụ điện cuộn cảm tương ứng 100V 10A Các điện tích cực điều khiển tần số chuyển mạch không đổi 85kHz để sinh điện áp sóng vng Va Các dạng sóng đo đạc cách sử dụng đồng hồ vạn kĩ thuật số Hình 3.12 sơ đồ dạng sóng tín hiệu khởi động VGS1 VGS2 Hình 3.12: Tín hiệu kích hoạt giá trị chuyển mạch cơng tắc 93 Hình 3.13: Dạng sóng điện áp dịng cơng tắc S1 Hình 3.14: Dạng sóng điện áp dòng điện thiết bị cuối đầu vào mạch cộng hưởng 94 Hình 3.15: Dạng sóng điện áp dịng tụ điện Cs Hình 3.16: So sánh giá trị điện áp tụ Cs Cp 95 Hình 3.17:Giá trị điện áp đầu vào đầu mạch cộng hưởng Hình 3.18: Điện áp đầu mạch nạp dòng điện đầu vào chỉnh lưu cầu 96 Hình 3.19: Điện áp dịng điện diode Hình 3.20: Điện áp dịng điện diode 97 Hình 3.21: Điện áp dịng điện nạp ac quy Hình 3.22: Điện áp cực ac quy khoảng nạp 98 Hình 3.23: Dịng điện ắc quy khoảng nạp Hình 3.24: Hiệu suất ắc quy khoảng nạp Hình 3.13 hiển thị dạng sóng điện áp dịng điện cơng tắc điện hoạt tính S1 Một ưu điểm biến đổi điện điện áp thấp qua van điện tích cực, với điện áp đầu vào Trường hợp làm cho biến đổi điện thích hợp với ứng dụng điện áp cao, ví dụ, điện áp dịng chỉnh lưu 220 277 V sử dụng để cung cấp HBSPRC nhóm D Hình 3.14 mơ dạng sóng điện áp dòng điện đầu nối vào mạch cộng hưởng Hình 3.15 phác hoạ dạng sóng 99 điện áp dòng điện tụ điện cộng hưởng VCS Hình 3.16chỉ dạng sóng điện áp tụ điện cộng hưởng CS Cp Hình 3.17 điện áp đầu vào điện áp đầu đầu nối mạch cộng hưởng Theo lý thuyết, vcp vb Tuy nhiên, cảm kháng phân tán dây điện dài điện dung lớp chuyển tiếp điốt cầu dẫn tới dao động hình 3.18 Hình 3.19 mơ dạng sóng điện áp đầu đầu nối mạch cộng hưởng dạng sóng dịng điện đầu vào chỉnh lưu cầu Hình 3.20 hiển thị dạng sóng điện áp dịng điện điốt chỉnh lưu cầu DR1 DR2 Hình 3.21 dạng sóng điện áp dịng điện điốt chỉnh lưu cầu DR3 DR4 Hình 3.22 dạng sóng điện áp dịng điện nạp đầu nối ắc quy Trong hình này, thấy đầu điện áp dòng điện DC đều, mạch lý tưởng dành cho nạp ắc quy Hình 3.23 mơ đường cong biến thiên điện áp ắc quy Điện áp đầu nối ắc quy tắc từ 10,5 V lên 15,5V 375 phút Hình 3.24 hình 3.25 tương ứng sơ đồ dòng điện nạp hiệu suất nạp Dòng điện nạp 375 phút để trì khoảng A Hiệu suất tối đa tối thiểu mạch nạp ắc qui khoảng 85,14% 93,98%, hiệu suất nạp trung bình HBSPRC nhóm D 90,02% *NHẬN XÉT Đồ án trình bày ứng dụng HBSPRC nhóm D dành cho nạp ắc quy Hoạt động tầng số cộng hưởng, mạch nạp đem lại lợi chuyển mạch điện áp zero, giảm tổn hao chuyển mạch tăng hiệu suất nạp Dịng điện nạp xác định từ trở kháng đặc trưng mạch cộng hưởng tần số chuyển mạch điều chỉnh biến đổi, HBSPRC nhóm D sử dụng cho nạp thứ cấp để tạo điều kiện nạp phù hợp 100 Hiệu suất nạp tối đa HBSPRC nhóm D dành cho nạp ắc quy cao 93,98% Qua trình mơ PSIM “bộ biến đổi cộng hưởng song song nối tiếp để nạp ac quy” ta thấy HBSPRC có ưu điểm hẳn nạp ac quy thông thường khác Mạch nạp ac quy có hiệu suất cao 90% Loại bỏ dịng điện gợn sóng cao nạp ac quy, kéo dài tuổi thọ ac quy Cấu tạo mạch nạp đơn giản trọng lượng nhẹ, kích cỡ tương đối nhỏ gọn, dễ sử dụng, sửa chữa, bảo dưỡng 101 KẾT LUẬN Qua thời gian thực đồ án tốt nghiệp: ”Phân tích mơ PSIM nửa cầu ngắt mạch song song nối tiếp để nạp ac quy” giúp em nắm vững thực tế chuyên môn, nhằm củng cố thêm kiến thức học nhà trường Đồ án tốt nghiệp thực số vấn đề sau Tìm hiểu ac quy phương pháp nạp ac quy Tìm hiểu biến đổi dịng chiều Phân tích, thực mô phỏng, xây dựng nguồn nạp ac quy với hiệu suất cao Do thời gian có hạn lực hạn chế nên đồ án em cịn nhiều thiếu sót, mong thầy bạn đóng góp ý kiến để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Bính (2000), Điện tử công suất, Nhà xuất khoa học kỹ thuật T S Mundra and A Kumar , ( Aug 2007), An innovative battery charger for safe charging of NiMH/NiCd batteries, IEEE Trans Consum Electron., vol 53, no 3, pp 1044–1052 B P McGrath, D G Holmes, P J McGoldrick, and A D McIver, (Jul 2007) , Design of a soft-switched 6-kW battery charger for traction applications, IEEE Trans Power Electron., vol 22, no 4, pp 1136–1144 F Boico, B Lehman, and K Shujaee, ( Sep 2007) , Solar battery chargers for NiMH batteries, IEEE Trans Power Electron., vol 22, no 5, pp 1600– 1609 X Liu and S Y Hui, ( Jan 2008), Optimal design of a hybrid winding structure for planar contactless battery charging platform, IEEE Trans Power Electron., vol 23, no 1, pp 455–463 L Schuch, C Rech, H L Hey, H A Gründling, H Pinheiro, andJ R Pinheiro, (Sep./Oct 2006) Analysis and design of a new high-efficiency bidirectional integrated ZVT PWM converter for DC-bus and battery-bank interface, IEEE Trans Ind Appl., vol 42, no 5, pp 1321–1332 C G Kim, D H Seo, J S You, J H Park, and B H Cho, (Dec 2001), Design of a contactless battery charger for cellular phone, IEEE Trans Ind Electron, vol 48, no 6, pp 1238–1247 103 104