Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động Đề tài thiết kế nạp ắc quy tự động ổn dòng ổn áp Đề bài: Thiết kế nguồn náp ăc quy Bộ nguồn phải đảm bảo hai chế độ nạp: nạp ổn định dòng điện nạp ổn điện áp Khi ăc quy đà đầy phải ngắt nguồn nạp : Uđm = 24 -50 V I®m = 60 A Imin = 40 A SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động Lời nói đầu Nớc ta đờng Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa Bởi tự động hóa phát triển mạnh năm gần đây.Tự động hoá điều khiển trình sản xuất đà sâu vào ngõ ngách, vào tất trình tạo sản phẩm Ngày hầu nh tất máy móc thiết bị công nghiệp nh đời sống hàng phải sử dụng điện , dùng hoàn toàn nguồn lợng điện phần lợng điện kết hợp với lợng khác Trên thực tế có lúc cần lợng điện mà ta lấy lợng điện từ lới điện đợc Do ta phải lấy nguồn điện dự trữ nh Ăc quy Nh để sử dụng đợc nguồn ăcquy ta phải nạp điện cho ăcquy Bởi chỉnh lu nạp ăcquy tự động đợc sử dụng rộng rÃi nhiều trờng hợp cụ thể quan trọng , thiếu nguồn điện vận hành , dự trữ cho máy móc thiết bị mà không đáp ứng đợc tiêu kinh tế kỹ thuật SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động Chơng I Giới thiệu chung Acqui I Tổng quát chung cấu tạo nguyên lý làm việc acqui: Acqui nguồn hoá hoạt động sở hai điện cực có điện khác nhau, cung cấp dòng điện chiều cho thiết bị điện công nghiệp nh dân dụng Khi acqui phóng hết dung lợng ta tiến hành nạp điện cho sau acqui lại tiếp tục phóng điện đợc Acqui thực nhiều chu kỳ phóng nạp nên ta sử dụng đợc lâu dài Trong thực tế kĩ thuật có nhiều loại acqui nhng phổ biến thờng dùng hai loại acqui: acqui axit (acqui chì) acqui kiềm Tuy nhiên thực tế thông dụng từ trớc tới acqui axit so với acqui kiềm acqui axít có vài tính tốt nh: + Sức điện động cao (với ăcqui axit 2V, ăcqui kiềm 1,2V) + Trong trình phóng, sụt áp acqui axit nhỏ so với acqui kiềm + Giá thành acqui axit rẻ so với acqui kiềm + Điện trở acqui axit nhỏ so với ăcqui kiềm Vì đồ án chúng em chọn loại acqui axit để nghiên cứu công nghệ thiết kế nguồn nạp acqui tự động Cấu tạo bình acqui axit ( acqui chì ): Bình acqui axit thông thờng gồm vỏ bình cực, ngăn dung dịch điện phân 1.1 Vỏ bình: Vỏ bình acqui axit đợc chế tạo nhựa êbônit anphantơpéc hay cao su nhựa cứng Để tăng độ bền khả chịu axit cho bình, chế tạo ngời ta ép vào bên bình lớp lót chịu axit polyclovinyl lớp lót dày khoảng 0,6 mm Nhờ lớp lót mà tuổi thọ bình acqui tăng lên từ ữ lần Phía vỏ bình tuỳ theo điện áp danh định acqui mà chia thành ngăn riêng biệt vách ngăn đợc ngăn cách ngăn kín Mỗi ngăn đợc gọi ngăn acqui đơn, đồ án này, nhiệm vụ nghiên cứu acqui chì với điện áp danh định 12V nên ta có sáu ngăn acqui đơn SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động đáy ngăn có sống đỡ khối cực tạo thành khoảng trống đáy bình mặt dới khối cực, nhờ mà tránh đợc tợng chập mạch cực chất tác dụng bong rơi xuống đáy gây lên Bên vỏ bình đợc đúc hình dạng gân chịu lực để tăng độ bền đợc gắn quai xách để việc di chuyển đợc dễ dàng 1.2 Bản cực, phân khối cực khối cực: Bản cực gồm cốt hình lới chất tác dụng Cốt đúc hợp kim chì (Pb) antimon (Sb) với tỷ lệ (87 ÷ 95)% Pb - (5 ÷ 13)% Sb Phơ gia antimon thêm vào có tác dụng tăng độ cứng, giảm han gỉ cải thiện tính đúc cho cốt Cốt để chất tác dụng phân khối dòng điện khắp bề mặt cực Điều có ý nghĩa quan trọng cực dơng điện trở chất tác dụng (ôxit chì PbO2) lớn nhiều so với điện trở chì nguyên chất, tăng chiều dày cốt điện trở acqui nhỏ Cốt đúc dạng khung bao quanh, có vấu để hàn nối cực thành phân khối cực có hai chân để tỳ lên sống đỡ đáy bình acqui Vì điện cốt cực âm yếu tố định chúng bị han gỉ nên ngời ta thờng làm mỏng cực dơng Đặc biệt hai bên phân khối cực âm lại mỏng chúng làm việc có phía với cực dơng Chất tác dụng đợc chế tạo từ bột chì, axit sunfuric đặc khoảng 3% muối axit hữu cực âm, cực dơng chất tác dụng đợc chế tạo từ ôxit chì Pb 3O4, PbO dung dịch axit sunfuric đặc Phụ gia muối axit hữu cực âm có tác dụng tăng ®é xèp, ®é bỊn cđa chÊt t¸c dơng, nhê ®ã mà cải thiện đợc độ thấm sâu dung dịch điện phân vào lòng cực đồng thời điện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học đợc tăng lên Các sau đợc trát đầy chất tác dụng đợc ép lại, sấy khô thực trình tạo cực, tức chúng đợc ngâm vào dung dịch axit sunfuric loÃng nạp với dòng điện chiều với trị số nhỏ Sau trình nh chất tác dụng cc dơng hoàn toàn trở thành PbO2 (màu gạch sẫm) Sau cực dơng đợc đem rửa, sấy khô lắp ráp Những phân khối cực tên acqui đợc hàn với tạo thành khối cực đợc hàn nối vấu cực làm chì hình côn để nối tải tiêu thụ Với ý rằng, ta muốn tăng dung lợng ăcqui ta phải tăng số cực mắc song song acqui đơn thờng ngời ta lấy SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động từ ữ Còn muốn tăng điện áp danh định acqui ta phải tăng số cực mắc nối tiếp 1.3 ngăn: cực âm dơng đợc lắp xen kẽ với cách điện với ngăn để đảm bảo cách điện tốt ngăn đợc làm rộng so với cực Các ngăn có tác dụng chống chập mạch cực âm dơng, đồng thời để đỡ cực khỏi bị bong rơi sử dụng acqui ngăn phải chất cách điện tốt, bền, dẻo, chịu đợc axit có độ xốp thích hợp dể không ngăn cản chất điện phân thấm đến cực Các ngăn đợc chế tạo từ vật liệu polyvinyl xốp, mịn, dày khoảng từ 0,8 ữ 1,2 mm có dạng mặt phẳng hớng phía cực âm mặt có hình sóng gồ hớng phía cực dơng nhằm tạo điều kịên cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển đến cực dơng dung dịch lu thông tốt 1.4 Dung dịch điện phân: dung dịch điện phân bình acqui loại dung dịch axit sunfuric (H2SO4) đợc pha chế từ axit nguyên chất với nớc cất theo nồng độ qui định tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu mùa vật liệu làm ngăn Nồng độ dung dịch axit sunfuric = (1,1 ữ 1,3) g/cm3 Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hởng lớn đến sức điện động acqui Hình dới trình bày ảnh hởng dung dịch điện phân tới điện trở sức điện động acqui: SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động 2.5 Eaq 1.5 1.0 0.5 0.0 Điện trở dung dịch điện phân 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Nhiệt độ môi trờng có ảnh hởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân với nớc vùng xích đạo nồng độ dung dịch điện phân quy định không 1,1 g/cm3 Với nớc lạnh (vùng cực), nồng độ dung dịch ®iƯn ph©n cho phÐp tíi 1,3 g/cm3 Trong ®iỊu kiƯn khí hậu nớc ta mùa hè nên chọn nồng độ dung dịch khoảng (1,25 ữ 1,26) g/cm3, mùa đông ta nên chọn nồng độ khoảng 1,27 g/ cm3 Cần nhớ rằng: nồng độ cao làm chóng hỏng ngăn, chóng hỏng cực, dễ bị sunfat hoá cực nên tuổi thọ acqui giảm nhanh Nồng độ thấp điện dung điện áp định mức acqui giảm nớc xứ lạnh dung dịch vào mùa đông dễ bị đóng băng * Những ý pha chế dung dịch điện phân cho ăcqui: - Không đợc dùng axit có thành phần tạp chất cao nh loại axit kỹ thuật thông thờng nớc nớc cất dung dịch nh làm tăng cờng độ trình tự phóng địên acqui - Các dụng cụ pha chế phải làm thuỷ tinh, sứ chất dẻo chịu axit Chúng phải sạch, không chứa muối khoáng, dầu mỡ chất bẩn - Để đảm bảo an toàn pha chế, tuyệt đối không đợc đổ nớc vào axít đặc mà phải đổ từ từ axit vào nớc dùng que thuỷ tinh khuấy 1.5 Nắp, nút cầu nối: Nắp làm nhựa êbônit bakêlit Nắp có hai loại: SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động - Từng nắp riêng cho ngăn - Nắp chung cho bình - loại kết cấu phức tạp nhng độ kín tốt Trên nắp có lỗ đổ để đổ dung dịch điện phân vào ngăn để kiểm tra mức dung dich điện phân, nhiệt dộ nồng độ dung dịch acqui Lỗ đổ đợc đậy kín nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân bình khỏi bị bẩn sánh nút có lỗ nhỏ để thông khí từ bình lúc nạp acqui Nắp số loại acqui có lỗ thông khí riêng nằm sát lỗ đổ, kết cấu nh thuận tiện cho việc điều chỉnh mức dung dịch bình acqui Trong trờng hợp này, nút lỗ thông khí Cầu nối thờng làm chì, dùng để nối ngăn acquy đơn với Quá trình biến đổi hoá học acqui axit: Trong acqui thờng xảy hai trình hoá học thuận nghịch mà đặc trng trình nạp phóng điện Khi nạp điện, nhờ nguồn điện nạp mà mạch điện tử "e" chuyển động từ cực dơng đến cực âm - dòng điện nạp In Khi phóng điện, dới tác dụng suất điện động riêng cuả acqui, điện tử "e" chuyển động theo hớng ngợc lại tạo thành dòng điện phóng Ip Khi acqui đà nạp no, chất tác dụng cực dơng PbO2 cực âm chì xốp Pb Khi phóng điện, chất tác dụng hai cực trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ Khi nạp điện cho acqui xảy phản ứng: - cực dơng: PbSO4 2e + 2H2O = PbO2 + H2SO4 + 2H+ ( 2.1) - ë cùc ©m: PbSO4 + 2e + 2H+ = Pb + H2SO4 (2.2) -Toàn trình xảy acqui nạp điện là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + H2SO4 (2.3) KÕt qu¶ tạo thành điện cực Pb điện cực PbO2 Sự phóng điện acqui xảy nối hai điện cực Pb PbO vừa thu đợc với tải, lúc hoá đợc dự trữ acqui chuyển thành điện điện cực xảy phản ứng ngợc (2.1) (2.2), nghĩa acqui xảy phản ứng ngợc (2.3) Acqui cung cấp dòng điện hai điện cực lại trở thành PbSO4 nh ban đầu Sau đó, muốn dùng tiếp ngời ta lại nạp điện cho acqui trình tiếp diễn SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động đặc tính acqui axit : Mỗi ngăn bình acqui acqui đơn có đầy đủ tính chất đặc trng cho bình Sở dĩ ngời ta nối tiếp nhiều ngăn lại thành bình acqui để tăng điện áp định mức bình acqui Do ngiên cứu đặc tính bình acqui ta cần khảo sát bình acqui đơn đủ 3.1 Sức điện ®éng cđa acqui axit: * Søc ®iƯn ®éng cđa acqui axit phụ thuộc chủ yếu vào điện cực, tức phụ thuộc vào đặc tính lý hoá vật liệu làm cực dung dịch điện phân mà không phụ thuộc vào kích thớc cực Sức điện động phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân xác định đợc cách xác công thức thùc nghiÖm sau: E0 = 0,85 + γ (V) Trong ®ã: E0: Søc ®iƯn ®éng tÜnh cđa acqui ®¬n, tÝnh vol : nồng độ dung dịch điện phân không lấy theo đơn vị g/cm3 mà tính vol quy +150C Ngoài sức điện động phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch điện phân * Trong trình phóng điện, sức điện động acqui đợc tính theo công thức: Ep = Up + Ip raq Trong đó: Ip : Dòng điện phóng (A) Up: điện áp đo cực acqui phãng ®iƯn (A) raq: ®iƯn trë cđa acqui phóng điện phóng điện hoàn toàn raq = 0,02 * Trong trình nạp điện, sức điện động En acqui đợc tính theo công thức: En = Un – In.raq (V) Trong ®ã: In : dòng điện nạp (A) Un: điện áp đo cực ăcqui nạp điện (V) raq : điện trở acqui nạp điện Khi nạp no r aq = (0,0015 ữ 0,001) SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự ®éng 3.2.Dung lỵng cđa acqui: * Dung lỵng phãng cđa phóng acqui đại lợng đánh giá khả cung cấp lợng acqui cho phụ tải đợc tính theo công thức : Cp = Ip.tp (Ah) Trong đó: Cp: Là dung lợng thu đợc trình phóng điện (Ah) Ip: Dòng dịên phóng ổn định (A) thời gian phóng điện tp(h) * Dung lợng nạp acqui đại lợng đánh giá khả tích trữ lợng acqui đợc tính theo công thức: Cn = In.tn (Ah) Trong đó: Cn: dung lợng thu đợc trình phóng điện (Ah) In: dòng điện nạp ổn định trình nạp điện (A) 3.3 đặc tính phóng acqui axit: Đặc tính phóng acqui đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp acqui nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng dòng điện phóng không thay đổi I (A) 10 2,0 1,95 2,11 1,5 Kho¶ng nghØ U,E (V) 1,0 0,5 Eaq 1,27 1,75 Eo Up ΔE γ (g/cm3)g/cm3)) Ip.raq 1,11 Vïng phãng cho phÐp Cp=Ip.tp (h) Từ đồ thị ta có nhận xét sau: tgh Trong kho¶ng thêi gian phãng tõ =0 cho tíi thời điểm = tgh, sức điện động, điện áp nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, 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 chế độ phóng điện (dòng điện phóng) acqui SV thực : Đỗ Khoa Tuấn - TĐH1_K48 Trang Đồ án ĐTCS Thiết kế nạp ăc quy tự động Từ thời điểm tgh trở đi, độ dốc đồ thị thay đổi đột ngét nÕu ta tiÕp tơc cho acqui phãng ®iƯn sau tgh sức điện động, điện áp acqui giảm nhanh, mặt khác tinh thể sunfat chì (PbSO 4) tạo thành phản ứng có dạng thô, rắn, khó hoà tan (biến đổi hoá học) trình nạp điện trở lại cho acqui sau Thời điểm tgh gọi giới hạn phóng điện cho phép acqui, giá trị Ep, Up, tgh gọi giá trị giới hạn phóng điện cho phép acqui Sau đà ngắt mạch phóng khoảng thời gian, giá trị sức điện động, điện áp acqui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi thời gian håi phơc hay kho¶ng nghØ cđa acqui thêi gian phơc hồi phụ thuộc vào chế độ phóng điện ăcqui (dòng điện phóng thời gian phóng ) Để đánh giá khả cung cấp điện acqui có điện áp danh nghĩa, ngời ta quy định so sánh dung lợng phóng điện thu đợc acqui tiến hành thí nghiệm chế độ phóng điện cho phép 20h (10h) Dung lợng phóng trờng hợp đợc kí hiệu C20 (C10) 3.4 Đặc tính nạp acqui: Đặc tính nạp ăcqui đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp ăcqui nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp trị số dòng điện nạp không thay đổi U,E (V) I (A) Bắt đầu sôi 2,4V 2,7V 2,11V 2,0 1,95 Eaq Eo Un In.raq ΔE 1,5 10 1,0 0,5 1,11 γ (g/cm3)g/cm3)) 1,27 Vùng nạp hiệu dụng Vùng nạp no Khoảng nghỉ (2ữ3)h Cn=In.tn Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét sau: SV thực : Đỗ Khoa TuÊn - T§H1_K48 ts tn (h) Trang 10