Thiết kế bộ nạp ăc quy tự động

Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy nạp ắc quy tự động Lời nói đầu Lịch sử phát triển nghành công nghiệp nh trình công nghiệp hoá, đại hoá đất nớc luôn gắn với quy mô phát triển nghành công nghiệp nói chung đặc biệt công nghiệp Điện nói riêng Ngày không riêng nớc ta, mà tất nớc phát triển giới trọng tới phát triển nh vũ bÃo nghành Tự §éng Ho¸ Víi xu thÕ ph¸t triĨn cđa khoa häc ngày ứng dụng kỹ thuật điện tử, kỹ thuật tin học, khí xác để thực tự động hoá Tự động hoá đợc áp dụng cho máy, đến dây truyền công nghệ nhà máy tiến tới tự động hoá nghành sản xuất Với dây chuyền sản xuất có quy trình tự động hoá cao đóng vai trò quan trọng Nó giúp làm khối lợng sản phẩm lớn thời gian ngắn mà có tính xác cao , chất lợng sản phẩm tốt Từ giảm chi phí sản suất, giảm vốn đầu t, sở nâng cao đợc sức cạnh tranh cho sản phẩm làm áp dụng tự động hoá sản xuất Ngày để đáp ứng nhu cầu thị hiếu ngời tiêu dùng hầu hết nhà máy lớn áp dụng mô hình Tự Động Hoá nh : nhà máy xi măng, nhà máy thuỷ điện , nhà máy giấy, nhà máy dệt, nhà máy sợi Vì vậy, đợc phân công với đề tài: Thiết kế nạp ăc quy tự độngThiết kế nạp ăc quy tự động Thiết kế nạp ăc quy tự động thầy giáo hớng dẫn Đà giúp em nắm vững việc xây dựng thiết kế đợc mạch điều khiển hoàn chỉnh, nh việc lựa chọn thiết bị cách phù hợp Qua đà giúp em phần có tảng trớc trờng Vì kiến thức thời gian có hạn nên việc thực làm đồ án tốt nghiệp em tránh khỏi thiếu sót Em kính mong thầy cô bảo, góp ý để đồ án em đợc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình thầy Hà Tất Thắng, ngời đà trực tiếp hớng dẫn em, thầy cô môn Tự Động Hoá Khoa điện Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội đà giúp em hoàn thành đồ án Hà Nội ngày 20 tháng năm 2005 Sinh viên Lớp Tự Động Hoá K7 -1- Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy nạp ắc quy tự động Phần I Giới thiệu chung ắc quy Lớp Tự §éng Ho¸ K7 -2- §å ¸n tèt nghiƯp ThiÕt kÕ máy nạp ắc quy tự động Chơng I Giới thiệu chung ắc quY ắc quy nguồn cung cấp điện chiều cho thiết bị điện công nghiệp, nh đời sống hàng ngày.Có nhiều loại ắc quy nhng phổ biến thờng gặp thực tế ắc quy chì ắc quy axit I Cấu tạo - Cấu trúc ắc quy đơn gồm: phân khối cực dơng, phân khối cực âm ngăn Phân khối cực cực tên ghép lại với - Cấu tạo cực ắc quy gồm có phần khung xơng chất tác dụng trát lên - Khung xơng cực âm cực dơng có cấu tạo giống nhau,chúng đợc đúc từ chì ăngtimoan (Sb) tạo hình dạng mắt lới.Phụ gia Sb thêm vào chì làm tăng độ dẫn điện cải thiện tính đúc - Trong thành phần chất tác dụng có khoảng 3% chất nở (các muối hữu cơ) để tăng độ xốp ,độ bền lớp chất tác dụng Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện đợc độ thấm sâu chất dung dịch điện phân vào lòng cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia vào phản ứng hoá học đợc tăng lên - Phần đầu cực có vấu,các cực dơng ắc qui đơn đợc hàn với tạo thành khối cực dơng, cực âm đợc hàn với tạo thành khối cực âm - Số lợng cực ắc qui đơn thờng từ 58 tấm,bề dày cực dơng ắc quy thờng từ 1,3 1,5 mm, cực âm thờng mỏng từ 0,20,3 mm - Tấm ngăn đợc bố trí cực dơng âm có tác dụng ngăn cách tránh va đập cực Tấm ngăn đợc làm từ vật liệu pô ly vinyl dày 0,81,2 mm có dạng lợn sóng, bề mặt ngăn có lỗ cho phép dung dịch điện phân qua II Phân loại ắc quy Cho đến có nhiều loại ắc quy khác đợc sản xuất tuỳ thuộc vào điều kiện yêu cầu cụ thể loại máy móc,dụng cụ, điều kiện làm việc.Cũng nh tính kinh tế kỹ thuật ắc quy liệt kê số loại sau: + ắc quy chì (ắc quy axít) + ắc quy kiềm + ắc quy không lamen ắc quy kiềm Lớp Tự Động Hoá K7 -3- Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy nạp ắc quy tự động + ắc quy kẽm-bạc ắc quy cat mi-bạc Tuy nhiên thực tế ắc quy axít ắc quy kiềm đợc sử dụng nhiều Nhng thông dụng từ trớc đến ắc quy axít.Vì so với ắc quy kiềm có vài tính tốt nh :sức điện động Thiết kế nạp ăc quy tự độngcặp bảnThiết kế nạp ăc quy tự động cực cao hơn, có điện trở nhỏ đồ án ta chọn loại ắc quy axít để nghiên cứu thiết kế III Yêu cầu cho việc nạp ắc quy nguồn lợng có tính chất thuận nghịch: Nó tích trữ lợng dới dạng hoá giải phóng lợngdới dạng điện Quá trình ắc quy cấp điện cho mạch đợc gọi trình phóng điện, trình ắc quy dự trữ lợng đợc gọi trình nạp điện a, Quá trình biến đổi lợng ắc quy axít Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc quy axít có dung dịch điện phân axít H2SO4 Nồng độ dung dịch d =1,11,3% cực âm Pb cực dơng PbO2 có d¹ng: (-) Pb | H2SO4 d =1,1-1,3 | PbO2 (+) Phơng trình hoá học biểu diễn trình phóng nạp cđa ¾c qui axÝt: PbO2 +2 H2SO4 + Pb ThÕ ®iÖn ®éng e = 2,1 V phong nap PbSO4 + H2O b, Quá trình biến đổi lợng ắc quy kiềm - Kí hiệu hoá học biểu diễn ắc quy kiềm có dung dịch điện phân KOH nồng độ d = 20% cực âm Fe cực dơng (Ni OH)3 có dạng: (-) Fe | KOH d = 20% | Ni(OH)3 (+) - Phơng trình hoá học biểu diễn trình phóng nạp ắc qui kiềm: phong nap Fe + Ni(OH)3 Fe(OH)3 + Ni(OH)2 ThÕ ®iƯn ®éng e = 1,4 V - Nhận xét: Từ điều đà trình bày ta nhận thấy trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân thay đổi Khi ắc quy phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần.Khi ắc quy nạp điện nồng độ Lớp Tự Động Hoá K7 -4- Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy nạp ắc quy tự động dung dịch điện phân tăng dần Do ta vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện ắc quy Các đặc tính ắc quy - Sức điện động ắc quy chì ắc quy axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân Ngời ta thờng sư dơng c«ng thøc kinh nghiƯm Eo = 0,85 +  (V) Trong ®ã: Eo: søc ®iƯn ®éng tÜnh cđa ắc quy (V) : nồng độ dung dịch điện phân 15oC(g/cm3) - Trong trình phóng điện sức điện động ắc quy đợc tính theo công thức: E = U + I.rb Trong ®ã: E: søc ®iƯn ®éng cđa ¾c quy phãng ®iƯn (V) I : dòng điện phóng (A) U: điện áp đo cực ắc quy phóng điện (V) rb: điện trở ắc quy phóng điện () - Trong trình nạp sức điện động En ắc quy đợc tính theo công thức: En = Un In.rb Trong đó: En: sức điện động ắc quy nạp điện (V) In: dòng điện nạp (A) Un: điện áp đo cực ắc quy nạp điện (V) rb: điện trở ắc quy nạp điện () - Dung lợng phóng ắc quy đại lợng đánh giá khả cung cấp lợng ắc quy cho phụ tải đợc tÝnh theo c«ng thøc sau: C = I t Trong đó: C: dung dịch thu đợc trình phóng (Ah) I : dòng điện phóng ổn định thời gian phãng ®iƯn t (A) t : thêi gian phãng điện (h) - Dung lợng nạp ắc qui đại lợng đánh giá khả tích trữ lợng ắc qui đợc tính theo công thức : Cn = In tn Trong ®ã : Cn : dung dịch thu đợc trình nạp (Ah) Lớp Tự §éng Ho¸ K7 -5- §å ¸n tèt nghiƯp ThiÕt kÕ máy nạp ắc quy tự động In : dòng điện phóng ổn định thời gian nạp điện tn (A) tn : thời gian nạp điện (h) a, Đặc tính phóng ắc quy - Đặc tính phóng ắc quy đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp ắc quy nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóngkhi dòng điện phóng không thay đổi: - Trong khoảng thời gian phãng tõ t = ®Õn t = tgh , sức điện động điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần,tuy nhiên khoảng thời gian độ dốc đồ thị không lớn ta gọi giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tơng ứng với môĩ chế độ phóng điện ắc quy (dòng điện phóng) i e u 2,11 Kho¶ng nghØ E 10 U p 1,75 Vïng phãng ®iÖn cho phÐp Cp = Ip.tp 10 tt h t đặc tính - Từ thêi ®iĨm t gh trë ®i ,®é dèc cđaphãng ®å thị điện thay đổi đột ngột Nếu ta tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh sức điện động,điện áp ắc qui giảm nhanh.Mặt khác tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành phản ứng có dạng thô,rắn khó hoà tan(biến đổi hoá học) trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này.Thời điểm t gh gọi giới hạn phóng điện ắc qui ,các giá trị E,U , tgh đợc gọi giá trị giới hạn phóng điện ắc qui, ắc qui không đợc phóng điện dung dịch khoảng 80% Lớp Tự Động Hoá K7 -6- Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy nạp ắc quy tự động - Sau đà ngắt mạch phóng khoảng thời gian ,các giá trị sức điện động, điện áp ắc qui , nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi thời gian phục hồi hay khoảng thời gian nghỉ ắc qui Thời gian hồi phục phụ thuộc vào chế độ phóng điện ắc qui (dòng điện phóng thời gian phóng) b, Đặc tính nạp ắc qui - Đặc tính nạp ắc qui đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc sức điện động , điện áp nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp trị số dòng điện nạp không thay đổi I (A) U, E (V) 2,7 2,4 Vïng n¹p no Vïng n¹p chÝnh 10 Cn = In tn - Từ đặc xét6sau: tính nạp ta có nhận t3 10 t + Trong khoảng Đặc thời tính gian từ tn=0 đến tn=tgh sức điện động,điện áp nạp nồng độ dung dịch điện phân tăng dần + Tới thời điểm t s bề mặt cực âm xuất bọt khí (còn gọi tợng sôi) lúc hiệu điện cực ắc qui đơn tăng đến 2,4V Nếu tiếp tục nạp giá trị nhanh chóng tăng tới 2,7V giữ nguyên Thời gian gọi thời gian nạp no, có tác dụng cho phần chất tác dụng sâu lòng cực đợc biến đổi hoàn toàn nhờ làm tăng thêm dung lợng phóng điện ắc qui + Trong sử dụng, thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2-3 giờ,trong suất thời gian hiệu điện cực ắc qui nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Nh dung lợng thu đợc ắc qui phóng điện nhỏ dung lợng cần thiết để nạp no ắc qui Lớp Tự Động Hoá K7 -7- Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy nạp ắc quy tự động + Sau ngắt mạch nạp,điện áp,sức điện động ắc qui , nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống ổn định.Thời gian gọi khoảng nghỉ ắc qui sau nạp + Trị số dòng điện nạp ảnh hởng lớn đến chất lợng tuổi thọ ắc qui Dòng điện nạp định mức ắc qui In = 0,1 C10 - Trong C 10 dung lợng ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức C = 180 (Ah) ta nạp ổn dòng với dòng điện 10% dung lợng (tức In = 18 A) sau 10 ắc qui đầy Các phơng pháp nạp ắc qui tự động Có ba phơng pháp nạp ắc qui là: + Phơng pháp dòng điện + Phơng pháp điện áp + Phơng pháp dòng áp a, Phơng pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi Đây phơng pháp nạp cho phép chọn đợc dòng nạp thích hợp với loại ắc qui,bảo dảm cho ắc qui no.Đây phơng pháp sử dụng xởng bảo dỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui nạp sửa chữa cho ắc qui bị sunphát hoá.Với phơng pháp ắc qui đợc mắc nối tiếp phải thoả mÃn điều kiện : Un 2,7 Naq : Un : điện áp nạp Naq: số ngăn ắc qui đơn mắc mạch nạp Trong trình nạp, sức điện động ắc qui tăng dần lên, để trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí mạch nạp biến trở R Trị số giới hạn biến trở đợc xác định theo công thức : U n 2,0 N aq In R= Nhợc điểm phơng pháp nạp với dòng điện không đổi thời gian nạp kéo dài yêu cầu ắc qui đa vào nạp có dung lợng định mức Để khắc phục nhợc điểm thời gian nạp kéo dài, ngời ta sử dụng phơng pháp nạp với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc Trong trờng hợp nạp hai nấc ,dòng ®iƯn n¹p ë møc thø nhÊt chän b»ng (0,3-,6) C10 tức nạp cỡng kết thúc mức ắc qui bắt đầu sôi Dòng điện nạp nấc thứ hai 0,1 C10 Lớp Tự Động Hoá K7 -8- Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy nạp ắc quy tự động b, Phơng pháp nạp với điện áp không đổi Phơng pháp yêu cầu ắc qui đợc mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện nguồn nạp không đổi đợc tính (2,3-2,5) V cho môĩ ngăn đơn Phơng pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn,dòng nạp tự động giảm theo thời gian.Tuy nhiên dùng phơng pháp ắc qui không đợc nạp no.Vì nạp với điện áp không đổi phơng pháp nạp bổ xung cho ắc qui trình sử dụng c, Phơng pháp nạp dòng áp - Đây phơng pháp tổng hợp hai phơng pháp Nó tận dụng đợc u điểm môĩ phơng pháp - Đối với yêu cầu đề tài nạp ắc qui tự động tức trình nạp trình biến đổi chuyển hoá đợc tự động diễn theo trình tự đà đặt sẵn ta chọn phơng pháp nạp ắc qui phơng pháp dòng áp - Đối với ắc qui axit :Để đảm bảo cho thời gian nạp nh hiệu suất nạp khoảng thời gian tn =8 tơng ứng với 75- 80% dung lợng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi In = 0,1 C10 Vì theo đặc tính nạp ắc qui đoạn nạp dòng điện không đổi điện áp ,sức điện động tải thay đổi ,do bảo đảm tính đồng tải cho thiết bị nạp.Sau thời gian ắc qui bắt đầu sôi lúc ta chuyển sang nạp chế độ ổn áp Khi thời gian nạp đợc 10 ắc qui bắt đầu no,ta nạp bổ xung thêm 2-3 - Đối với ắc qui kiềm : Trình tự nạp giống nh ắc qui axit nhng khả tải ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta nạp với dòng nạp In =0,2 C10 nạp cỡng để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5 C10 - Các trình nạp ắc qui tự động kết thúc bị cắt nguồn nạp nạp ổn áp với điện áp điện áp cực ắc qui, lúc dòng nạp từ từ giảm không Kết luận: - Vì ắc quy tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động ắc quy đói mà ta nạp theo phơng pháp điện áp dòng điện ắc quy tự động dâng lên không kiểm soát đợc làm sôi ắc quy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng.Vì vùng nạp ta phải tìm cách ổn định dòng nạp ắc quy - Khi dung lợng ắc qui dâng lên đến 80% lúc ta tiếp tục giữ ổn định dòng nạp ắc qui sôi làm cạn nớc Do đến giai đoạn Lớp Tự Động Hoá K7 -9- Đồ án tốt nghiệp Thiết kế máy nạp ắc quy tự động ta lại phải chuyển chế độ nạp cho ắc qui sang chế độ ổn áp.Chế độ ổn áp đợc giữ ắc quy đà thực no.Khi điện áp cực ắc quy điện áp nạp lúc dòng nạp tự động giảm không,kết thúc trình nạp - Tuỳ theo loại ắc quy mà ta nạp với dòng điện nạp khác + ắc quy axit: dòng nạp In = 0,1 C10 Nạp cỡng với dòng điện nạp In = 0,2 C10 + ắc quy kiềm dòng nạp In = 0,2 C10 N¹p cìng bøc In = 0,5 C10 Phần II Lựa chọn biến đổi Lớp Tự §éng Ho¸ K7 - 10 -