Thiet ke bo nguon nap acquy tu dong cho benh vien 80102

Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động Lời tựa Điện loại hình lợng phổ biến hoạt động đời sống công nghiệp ngày Có nhiều dạng nguồn điện khác nh: - Lới điện xoay chiều - Máy phát điện xoay chiều - Máy phát điện chiều - Nguồn điện chiều chỉnh lu tõ ngn xoay chiỊu - Ngn ®iƯn mét chiỊu từ acquy Các nguồn điện thay bổ xung cho Tuy nhiên số trờng hợp bắt buộc phải dùng nguồn điện trực tiÕp hay thay thÕ tõ acquy nh: Trong bÖnh viÖn việc cung cấp điện cho nhiều công việc khám chữa bệnh phải đảm bảo liên tục , không đợc phép điện dù vài giây nh chiÕu s¸ng phÉu thuËt, c¸c m¸y thë , chËy thËn, lọc máu nhân tạo.v.v Ngoài ra, nguồn điện từ acquy tối u để cấp điện cho nơi nối với nguồn điện lới nh giàn khoan biển , loại tàu biển, đèn tín hiệu khơi Trên phơng tiện vận tải nh ôtô, máy bay ,xe máy acquy nguồn dự trữ điện cho điều khiển , chiếu sáng Trong hệ thống thông tin liên lạc xa lới điện, hệ thống đòi hỏi phải có độ tin cậy cao số trờng hợp định Cấp nguồn điện điều khiển cho trạm điện , nhà máy điện để đảm bảo nguồn điện điều khiển liên tục, không phụ thuộc vào điện lới Chính việc nghiên cứu chế tạo acquy nguồn nạp cho acquy cần thiết Nó ảnh hởng lớn tới dung lợng độ bền acquy, nh độ an toàn nguồn cung cấp đặc biệt công việc quan trọng liên quan trực tiếp tới sức khoẻ tính mạng ngời Dới em xin trình bày toàn nội dung của đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn nạp acquy tự động cho bệnh viện Bạch Mai thầy giáo TS Trần Văn Thịnh híng dÉn MỈc dï thêi gian qua em đà cố gắng tìm hiểu thực tế , nghiên cứu tài liệu để thực đồ án Nhng tránh khỏi sai sót, em mong tiếp tục nhận đợc đóng góp bảo thầy Em xin bày tỏ lòng biết ơn tới giúp đỡ nhiệt tình thầy Trần Văn Thịnh , ngời đà trực tiếp hớng dẫn em toàn thầy môn Thiết bị Điện- Điện Tử đà bảo dạy dỗ em nhiều năm qua Hà Nội,Ngày 17 tháng năm 2004 Hoàng văn Hiển Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động CHơng I Giới thiệu acquy cách nạp acquy I.1 Mục ®Ých sư dơng cđa ¾c qui I.1.1 Mơc ®Ých sư dụng chung Ac qui nguồn cung điện chiều cho thiết bị điện công nghiệp nh đời sống hàng ngày - Cung cấp nguồn điện (một chiều) cho nơi cha có nguồn điện lới nh cho chiếu sáng, cho tivi, cho thiết bị thông tin liên lạc, điều khiển, đo lờng - Cung cấp lợng cho thiết bị giàn khoan biển, đèn dẫn đờng cảnh báo sông biển, tín hiệu đèn đờng ray xa lới điện - Cấp nguồn điện điều khiển cho trạm điện, nhà máy phát điện - Cấp điện cho thiết bị giao thông mà trực tiếp nhận lợng từ lới điện nh dụng cụ cầm tay, máy móc thờng xuyên phải thay đổi vị trí nh xe đạp điện, nguồn điện khởi động, chiếu sáng xe máy, ôtô, tàu v.v - Làm nguồn dự trữ lợng (một chiều) để cung cấp điện nguồn điện lới không ổn định I.1.2 Mục đích sử dụng ắc qui bệnh viện Bạch Mai Việc cung cấp điện y tế quan trọng liên quan đến sức khoẻ tính mạng ngời Trong việc khám chữa bệnh nhiều không đợc phép xảy điện dù vài giây, để đảm bảo điều ngời ta phải cấp điện từ nguồn điện ác qui cho công việc sau: Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động - CiÕu s¸ng cho phÉu thuËt - Cung cÊp cho máy hỗ trợ phẫu thuật - Cung cấp cho số loại máy chiếu chụp - Máy chạy thận nhân tạo, thở máy, lọc máu I.2 Các chủng loại acquy I.2.1 Các loại acquy Có loại acquy sau: -Acquy kiềm (kẽm bạc) -Acquy axít gọi acquy chì có dung dịch điện phân dung dịch axít sunfuaric H SO phân thành loại: +Acquy sắt kền +Acquy cađimi kền - Và số loại acquy khác, nhiên thực tế sống Acquy kiềm acquy axít đợc sử dụng nhiều I.2.2 Kiểu acquy Trong loại acquy ,căn vào ứng dụng dung lợng khác ta chia thành kiểu sau a/ Kiểu cố định Acquy cố định đợc lắp đặt nhà thờng có dung lợng lớn, sử dụng đợc lâu b/ Kiểu di động Đợc dùng để thắp sáng khởi động động xe hơi, máy bay, xe tăng, tàu thuỷ, tổ máy phát điện di động.v.v phải đáp ứng đợc yêu cầu sau: Thể tích, trọng lợng nhỏ, dòng điện phóng thời lớn dung dịch không bị đông đặc c/ Kiểu mang xách Đợc dùng cho đài vô tuyến điện di động, điện thoại, điện báo nhỏ.v.v phải có trọng lợng nhỏ , cấu tạo chắn acquy lu động thờng acquy cađimi-kền d/ Acquy cao áp Đợc ghép từ nhiều ngăn acquy loại theo lối ghép nối tiếp để tạo nên acquy có hiệu điện cao Acquy cao áp thờng acquy chì hay acquy kiềm loại kẽm hay cađimi-kền ghép lại I.3 Các tham số kỹ thuật acquy I.3.1 Sức điện động E, đơn vị Vôn Sức điện động phụ thuộc vào chất cực dung dịch điện phân Tỷ trọng dung dịch điện phân lớn sức điện động acquy lớn ( nhiên tỷ trọng dung dịch không đợc cao quy định) Mỗi ngăn acquy kiềm có sức điện động trung bình 1,25V Mỗi ngăn acquy axít có sức điện động trung bình 2V Với acquy axít sức điện động đợc tính b»ng biÓu thøc: E  0,85 +  (V) ®ã: E - søc ®iƯn ®éng tÜnh cđa ¾c qui ( V ) - nồng độ dung dịch điện phân 15 C ( g/cm3 ) Ngoài có số thông số liên quan tới sức điện động, điện áp Điện áp acquy hiệu điện cực dơng cực âm trạng thái kín mạch acquy có tải Sức điện động acquy phụ thuộc vào tỷ trọng nhiệt độ dung dịch điện phân, điện áp acquy phụ thuộc vào sức điện động , cờng độ dòng điện phóng nạp phụ thuộc vào điện trở tải Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động Trong trình phóng điện , điện áp acquy nhỏ sức điện động đại lợng độ sụt áp nội trở acquy Io*Ro Trong trình nạp điện , điện áp acquy lớn sức điện động đại lợng độ sụt áp nội trở acquy Io*Ro I.3.2 Nội trở Ro, đơn vị Ôm ( ) Nội trở điện trở cđa acquy Néi trë cđa acquy phơ thc vµo tû träng, b¶n cùc lín hay nhá, tÝnh chÊt tÊm cách điện, khoảng cách hai cựcv.vv.v Dung lợng lớn, nội trở nhỏ Nhiệt độ, tỷ trọng tăng nội trở nhỏ nên nạp điện nội trở giảm theo tỷ trọng nhiệt độ tăng Khi phóng điện nội trở tăng tỷ trọng nhiệt độ giảm Mỗi ngăn acquy kiềm có Ro=0,05-1 Mỗi ngăn acquy axít có Ro=0,001-0,0015 nạp đầy Ro=0,02 phóng điện đến điện áp ngừng phóng điện acquy Dới nội trở số bình acquy axít có dung lợng khác nhau: Dung lợng(Ah) Nội trở Ro () 1-2 0,01-0,04 10 0,005-0,01 50 0,025-0,008 100 0,001-0,0065 1000 0,0002-0,0007 5000 0,00006-0,00002 10000 0,000035-0,0008 15000 0,000001-0,00003 I.3.3 Dung lợng Dung lợng khả tích luỹ lợng acquy , ký hiệu Q đơn vị đo Ah Có hai loại dung lợng: - Dung lợng lý thuyết là lợng điện mà acquy phóng điện điện áp không; - Dung lợng sử dụng lợng điện mà acquy phóng điện điện áp ngừng phóng điện quy định Dung lợng sử dụng gọi dung lợng định mức acquy Khi acquy phóng với dòng điện cố định dung lợng tích số dòng điện phóng thời gian phãng Q=I f t f ( Ah) ®ã: I f dòng điện phóng: A tf thời gian phóng :h Nếu dòng điện phóng không cố định dung lợng tính theo công thức: t Q= I f dt f Dung lỵng cđa acquy dphơ thc chủ yếu vào chất, kích thớc số lợng chất tác dụng cực acquy I.3.4 Hiệu suất Acquy phóng toàn điện đà hấp thụ đợc có tổn thất dới đây: Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động - Do tác dụng điện phân thời kỳ cuối nạp điện, nớc biến thành ôxy hiđrô sủi bọt, tổn hao phần điện - Tổn hao phần điện dò điện phóng điện nội - Khi nạp điện acquy có nội trở nên tiêu hao hết phần lợng Hiệu suất acquy tỷ số toàn điện phóng toàn điện nạp Có loại hiệu suất; - Hiệu suất dung lợng( hiệu suất Ampe-giê) I tf Q η Ah = f 100 %= f 100 % I ntn Qn acquy axit cã  =75-80% acquy kiỊm cã  =50-60% - HiƯu st điện năng(hiệu suất oát) I t f U ftb U ηw = f 100 %=η Ah ftb 100 % I n t n U ntb U ntb Trong ®ã : I f - dßng ®iƯn phãng t f - thời gian phóng U ftb - điện áp phóng trung bình I n - dòng điện nạp t n - thời gian nạp U ntb - điện áp nạp trung bình I.4 loại acquy Thông thờng có loại acquy đợc sử dụng phổ biến thực tế acquy axit acquy kiềm có cực đợc làm kim loại hợp kim sau: Anốt Catốt S.đ.đ{V} Axít Chì Pb Pb,PbO2 2,0 Niken-sắt Fe C,NiOOH 1,36 Kiềm Bạc- Kẽm Zn Ag,Ag2O2 1,6 Niken-Cađimi Cd C,NiOOH 1,3 I.4.1 Đặc điểm cấu tạo acquy axít Cấu trúc ắc qui đơn gồm có phân cực dơng, phân khối cực âm, ngăn Phân khối cực cực tên ghép lại với A/ Vỏ Vỏ acquy làm vật liệu cách điện, chịu đợc axit nh cao su luyện, ebônít, gỗ bọc trì, thuỷ tinh loại nhựa hoá học khác Trên ngăn acquy thờng có lỗ đổ dung dịch, trụ cực, cầu nối, bình gồm từ đến nhiều ngăn Điện áp ngăn acquy axit 2,0-2,2 V B/ Bản cực Cấu tạo cực ắc qui gồm có phần khung xơng chất tác dụng trát lên C/ Khung xơng : Khung xơng cực âm cực dơng có cấu tạo giống nhau, chúng đợc đúc từ chì có pha thêm % ăng ti moang ( Sb ) tạo Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động hình mắt lới Phụ gia Sb thêm vào chì làm tăng độ dẫn điện cải thiện tính đúc 90-92% chì nguyên chất 8-5% ăng ti moan để tăng độ cứng Vấu cực D/ Chất tác dụng Chất tác dụng cực dơng trát PbO2 cóChất màutácnâu sẫm dụng Chất tác dụng cực dơng trát Pb có3.màu nâu xám Cốt cực Trong thành phần chất tác dụng có thêm khoảng % chất nở ( muối hu ) 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 phản ứng hoá học cực đợc tăng thêm Diện tích tiếp xúc cực dung dịch điện phân lớn tốt, lớn dung lợng acquy cao E/ Nhóm cực: Số lợng cực ắc qui phụ thuộc vào điện áp định mức chất liệu làm cực, bề dầy cực dơng ắc qui thờng từ 1,2 đến 1,5 mm , cực âm thờng mỏng 0,2 0,3 mm Đối với ác qui cần thiết kế có điện áp định mức 110 V số lợng cực cần là: 50 với ác qui dùng Pb 90 với ác qui dùng NiCd Để tăng dung lợng giảm nội trở bình acquy thờng có nhiều cực dơng âm xen kẽ với Phần đầu cực có vấu, cực dơng ắc qui đơn đợc hàn với tạo thành khối cực dơng, cực âm đợc hàn với thành khối cực âm Trong phản ứng hoá học bên cực dơng tham cực mau bị hỏng, cực dơng đợc đặt cực âm số cực âm ắc qui thờng nhiều số cực âm G/ Tấm ngăn: Tấm ngăn đợc bố trí cực âm dơng có tác dụng ngăn cách tránh va đập cực Tấm ngăn đợc làm vật liệu poly-vinyl-clo ,gỗ cao su bề dầy 0,8 1,2 có dạng lợn sóng , bề mặt ngăn có lỗ cho phéo dung dịch điện phân thông qua H/ Dung dịch điện phân Nhiệt độ Dung dịch pha ban đầu 15C 1,237 Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 20C 1,234 25C 30C 1,230 1,226 35C 1,219 40C 1,212 Đồ án điện tử công suất Dung dịch ngừng sử dụng Nguồn nạp ác qui tự động 1,187 1,183 1,180 1,177 1,170 1,164 I.5 Quá trình biến đổi lợng ắc qui axit Acquy nguồn lợng có tính chất thuận nghịch : tích trữ lợng dới dạng hoá giải phóng lợng dới dạng điện Quá trình acquy cấp điện cho mạch đợc gọi trình phóng điện, trình acquy dự trữ lợng đợc gọi trình nạp điện Kí hiệu hoá học biểu diễn acquy axit có dung dịch điện phân axit H2SO4 nồng độ d 1,1 1,3 % cực âm Pb cực dơng PbO2 có dạng : (- ) Pb Pb SO4 H2SO4 (d  30%) Pb SO4  PbO2  Pb ( + ) Phơng trình hoá học biểu diễn trình phóng nạp ắc qui axit : Tại cực dơng diễn trình ôxi hoá: phong + 2PbO 2+2SO 2− +4 H +4 e 2PbSO +H O n ap Tại cực âm diễn trình khử : phong 2Pb+2 SO2 + nap PbSO +4 e ⃗ phãng PbO2 + 2H2SO4 + Pb N¹p 2PbSO4 + 2H2O ThÕ điện động e 2V Nhợc điểm ắc qui chì dung lợng điện qui đơn vị khối lợng nhỏ, thời gian sử dụng không dài sunfát hoá dần điện cực (sự chuyển hoá không hoàn toàn PbSO4 thành Pb PbO2 trình tích điện) Ngoài phản ứng trình phóng điện tích điện có phản ứng phụ tự phóng điện ắc qui gây Tại cực dơng diễn trình ôxi hoá: + PbO + SO +2 H =PbSO + H O+ O 2 Tại cực âm diễn trình khö : 2− + Pb+SO +2 H =PbSO + H I.5.1 Các đặc tính ắc qui Sức điện động ắc qui chì ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân Ngời ta thờng sử dụng công thức kinh nghiƯm Eo  0,85 +  (V) ®ã: Eo - sức điện động tĩnh ắc qui ( V ) - nồng độ dung dịch điện phân 15 C ( g/cm3 ) Trong trình phóng điện sức điện động ắc qui đợc tính theo công thức: Ep Up + Ip.rb : Ep - sức điện động ắc qui phóng ®iƯn ( V ) Ip - dßng ®iƯn phãng ( A ) Up - điện áp đo cực ắc qui phóng điện (V) rb - điện trở ắc qui phóng điện ( ) Trong trình nạp sức điện động En ắc qui đợc tính theo công thức : Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động En Un - In.rb : En - sức điện động ắc qui nạp điện ( V ) In - dòng điện nạp ( A ) Un - điện áp đo cực ắc qui nạp điện ( V ) rb - điện trở ắc qui nạp điện ( ) Dung lợng phóng ắc qui đại lợng đánh giá khả cung cấp lợng ắc qui cho phụ tải, đợc tính theo công thức : Qp Ip.tp : Qp - dung lợng thu đợc trình phóng ( Ah ) Ip - dòng điện phóng ổn định thời gian phóng điện ( A ) - thêi gian phãng ®iƯn ( h ) Dung lợng nạp ắc qui đại lợng đánh giá khả tích trữ lợng ắc qui đợc tính theo công thức : Qn In.tn : Qn - dung lợng thu đợc trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ) A/ Đặc tính phóng ắc qui Đặc tính phóng acquy đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp acquy nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng dòng điện phóng không thay đổi Từ đặc tính phóng acquy nh hình vẽ ta có nhận xét sau: Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động - Trong khoảng thời gian phóng từ đến 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 acquy ( dòng điện phãng ) - Tõ thêi gian tgh trë ®i ®é dốc đồ thị 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 Thời điểm tgh gọi giới hạn phóng điện cho phép ắc qui, giá trị Ep, Up, tgh đợc gọi giá trị giới hạn phóng điện ắc qui acquy không đợc phóng điện dung lợng khoảng 80% - Sau đà ngắt mạch phóng khoảng thời gian đó, giá trị sức điện động, điện áp ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ ắc qui Thời gian hồi phục phụ thuộc vào chế độ phóng điện acquy ( dòng điện phóng thời gian phóng ) I.5.2 Nạp acquy axit A/ Nạp thông thờng Nạp điện thờng cho acquy axit trờng hợp sau : - Khi điện áp acquy 1,7-1,8 V - Khi acquy để dự trữ kho tháng - Khi acquy phóng điện liên tục tuần Cách nạp : Muốn nạp đợc phải có dòng điện chạy qua acquy cách điều chỉnh điện áp nguồn cao điện áp nhóm acquy từ 1-2V không đảm bảo điều kiện đóng cầu dao nạp , nguồn nạp trở thành phụ tải acquy gây cháy máy - Dòng điện nạp tiêu chuẩn 0,25 C10 - Thời gian nạp từ 12-13 Đặc tính nạp acquy axit : 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 Đoàn Khánh Toàn TBĐ_ĐT3-K49TBĐ_ĐT3-K49 Đồ án điện tử công suất Nguồn nạp ác qui tự động Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét sau : - Trong khoảng thời gian đầu , sức điện động, điện áp , nồng độ dung dịch điện phân tăng nhanh từ 1,8 lên 2V Từ 2V tăng chậm tới 2,4 V giải thích tợng nh sau : Khi nạp thời kỳ điện áp tăng nhanh cực khôi phục lại thành chì ô xít PbO2 Pb lỗ nhỏ , axit không kịp khuyếch tán nên điện áp tăng cao đồng thời sụt áp nội trở acquy lớn nên điện áp tăng nhanh - Đến thời kỳ nồng độ axit lỗ nhỏ cực có tăng nhng khuyếch tán nên điện áp tăng - Tới thời điểm ts bề mặt cực âm xuất bọt khí (còn gọi tợng" sôi " ) phần nớc dung dịch điện phân đà biến thành hiđro ô xy, cực âm lúc bọt khí thoát nhiều không kịp tụ thành bọt lên mặt nớc bao bọc xung quanh cực âm Hiđrô chất dẫn điện nên nội trở tăng , đồng thời cực dơng bị ôxy bao bọc , cực bị ôxi hoá mức nên điện áp thời kỳ tăng nhanh lên 2,7 V giữ nguyên Thời gian gọi thời gian nạp no, có tác dụng cho phần chất tác dụng sâu lòng cực đợc biến đổi tuần hoàn, nhờ làm tăng thêm dung lợng phóng điện acquy - Trong sử dụng thời gian nạp no cho acquy kéo dài từ h st thêi gian ®ã hiƯu ®iƯn thÕ cực acquy nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Nh dung lợng thu đợc acquy phóngđiện nhỏ dung lợng cần thiết để nạp no acquy Đoàn Khánh Toàn –TB§_§T3-K49TB§_§T3-K49