Thiet ke bo nap ac qui tu dong 107998

Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Chơng I : giới thiệu chung ắc qui I.1 : Khái niệm ắc qui nguồn hòa hoạt động sở hai điện cực có điện khác nhau, cung cấp dòng điện chiều cho thiết bị điện dùng công nghiệp nh dân dụng Đặc điểm Khi ắc qui phóng hết điện ta phải tiến hành nạp điện cho ắc qui ,sau ắc qui lại phóng điện lại đợc ắc qui thực nhiều chu kì phóng nạp nên ta sử dụng lâu dài Phân loại Trong thực tế kỹ thuật có nhiều loại acqui nhng phổ biến thờng dùng : + ắc qui chì-axit + ắc qui kiềm Tuy nhiên ắc qui chì-axit thực tế đợc sử dụng rông rÃi I.2: ứng dụng ắc qui: ắc qui nguồn điện đợc trữ lợng điện dới dạng hoá, cung cấp điện cho thiết bị điện phục vụ công nghiệp nh đời sống hàng ngày: nh cung cấp điện cho động điện, bóng đèn, nguồn nuôi cho thiết bị điện tử Cấu tạo ắc qui ắc qui nguồn điện hoá, sức điện động ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo cực chất điện phân, với ắc qui chì axit sức điện động danh định ắc qui đơn 2,1vôn + Muốn tăng khả dự trữ lợng ắc qui ngời ta tăng số lợng cặp cực dơng âm ắc qui đơn + Để tăng giá trị sức điện ®éng cđa ngn ngêi ta ghÐp nèi nhiỊu ¾c qui đơn thành bình ắc qui Sinh viên:Dơng Văn Phúc TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động - + Hình 1.1: Cấu tạo ắc qui I.3: Cấu tạo ắc qui: Cấu trúc ắc qui đơn giản gồm có phân khối cực dơng, phân khối cực âm, ngăn Phân khối cực cực tên ghép lại với Cấu tạo cực ắc qui 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 chúng đợc đúc từ chì có pha thêm % ăngtimoan ( Sb ) tạo hình mắt lới Hình 1.2: Cấu tạo cự ắc qui Vấu cực Chất tác dụng Cốt cực Sinh viên:Dơng Văn Phúc TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Phụ gia Sb thêm vào chì làm tăng độ dẫn điện cải thiện tính đúc 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 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 Số lợng cực ắc qui thờng từ đến tấm, bề dầy cực dơng ắc qui thờng từ 1,3 đến 1,5 mm , bề dày cực âm thờng mỏng 0,2 đến 0,3 mm Số cực âm ắc qui thờng nhiều số cực dơng nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng cực 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 bề dầy 0,8 đến 1,2 mm có dạng lợn sóng, bề mặt ngăn có lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua I.4: Quá trình biến đổi lợng ắc qui ắc qui nguồn lợng có tính chất thuận nghịch : tích trữ lợng dới dạng hoá giải phóng lợng dới dạng điện + Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch đợc gọi trình phóng điện + trình ắc qui dự trữ lợng đợc gọi trình nạp điện +Phản ứng hoá học biểu diễn trình chuyển hoá lợng I.4.1:Quá trình biến đổi lợng ắc qui axit: Trong ắc qui axit có cực dơng đôixit chì ( PbO2 ), âm chì ( Pb ), dung dich điện phân axit sunfuaric ( H2SO4 ) nång ®é d  1,1  1,3 % (- ) Pb  H2SO4 d  1,1 1,3 PbO2 (+ ) Phơng trình hoá học biểu diễn trình phóng nạp ắc qui axit : PbO2 + 2H2SO4 (H2 O) + Pb Cùc d d điện phân cực dơng âm Thế điện động e  2,1 V Phãng N¹p PbSO4 + H2O + PbSO4 cực d d điện phân cực dơng âm - Khi nạp nhờ nguồn điện nạp mà mạch điện tử e chuyển động từ cực âm đến cực dơng Đó dòng điện nạp In - Khi phóng điện dới tác động sức điện động riêng ắc quy điện tử chuyển động theo hớng ngợc lại từ dơng đến âm tạo thành dòng điện phóng - Khi ắc quy đà nạp no, chất tác dụng cực dơng PbO2 cực âm chì xốp Pb, phóng điện chất tác dụng hai cực trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ Trạng thái lợng ắc quy quan hệ với trình biến đổi hoá học cực dung dịch điện phân đợc tóm tắt bảng sau: Sinh viên:Dơng Văn Phúc TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Trạng thái ắc quy Bản cực dơng Dung dịch điện phân Bản cực âm Đà đợc nạp no PbO2 (oxit chì ) 2H2SO4 (axit sufuric ) Pb (Chì xốp nguyên chất ) Đà phóng hết điện PbSO4 (Sunphat chì tinh thể nhá) H2O ( Níc ) PbSO4 (Sunfat ch× tinh thĨ nhỏ ) Nhận xét: Khi phóng điện axít sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat nớc bị phân hoá ra, nồng độ dung dịch giảm Khi nạp điện ngợc lại nhờ hấp thụ nớc 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 I.4.2: Quá trình biến đổi lợng ắc qui kiềm: Trong ắc qui kiềm có cực dơng Ni(OH)3 , cực âm Fe, dung dịch điện phân là: KOH nång ®é d  20 % ( - ) Fe  KOH d  20%  Ni(OH)3 ( + ) Phơng trình hoá học biểu diễn trình phóng nạp ắc qui kiềm : Fe + 2Ni(OH)3 Phóng Nạp Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2 Thế điện động e 1,4 V Nhận xét: Trong trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân thay đổi Khi ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần Khi ắc qui 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 qui I.4.3:Các thông số ắc qui: Sinh viên:Dơng Văn Phúc TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động - Sức điện động ắc qui kiềm ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân Ngời ta thêng sư dơng c«ng thøc kinh nghiƯm : Eo  0,85 + γ (V) Trong ®ã: Eo - søc ®iƯn ®éng tÜnh cđa ¾c qui ( V ) γ - Nồng độ dung dịch điện phân 15 C ( g/cm3 ) Ngoài suất điện động phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch Nhiệt độ (C) 15 1,237 Dung dịch pha ban đầu Dung dÞch ngõng sư dơng 1,187 20 1,234 25 1,230 30 1,226 35 1,219 1,183 1,180 1,177 1,170 40 1,21 1,16 +Trong trình phóng điện sức điện động Ep ắc qui đợc tính theo công thức: Ep  Up + Ip Trong ®ã : Ep - Sức điện động ắc qui phóng điện ( V ) Ip - Dòng điện phóng ( A ) Up - Điện áp đo cực ắc qui phóng điện (V) raq - Điện trở ắc qui phóng điện ( ) +Trong trình nạp điện sức điện động En ắc qui đợc tính theo công thức: En Un - In.raq Trong ®ã : En - Søc ®iƯn ®éng ắc qui nạp điện ( V ) In - Dòng điện nạp ( A ) Un - Điện áp đo cực ắc qui nạp ®iƯn ( V ) raq - §iƯn trë cđa ắc qui nạp điện ( ) - Dung lợng phóng ắc qui đại lợng đánh giá khả cung cấp lợng điện ắc qui cho phụ tải, đợc tính theo công thức : Cp Ip.tp Trong : Cp - Dung dịch thu đợc trình phóng ( Ah ) Ip - Dòng điện phóng ổn định thời gian phóng ®iÖn ( A ) - 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 : Sinh viên:Dơng Văn Phúc TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ¾c qui tù ®éng Cn  In.tn Trong ®ã : Cn - dung dịch thu đợc trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định thêi gian n¹p tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ) I.5: Đặc tính phóng nạp ắc qui: I.5.1 Đặc tính phóng ¾c qui I (A) E U (V) Kho¶ng nghØ 2,11 1,95 E 10 U P 1,75 Vïng phãng ®iƯn cho phÐp CP = IP.tP 12 t 20 Hình 1.3: Đặc tính phóng ắc qui - Đặc tính phóng ắc qui đồ thị biĨu diƠn quan hƯ phơ thc cđa søc ®iƯn ®éng, điện áp ắc qui nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng dòng điện phóng không thay đổi - Từ đặc tính phóng ắc qui nh hình vẽ ta có nhận xét sau: +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 Sinh viên:Dơng Văn Phúc TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động 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 ắc qui ( dòng điện phóng ) ắc qui - Từ thời điểm tgh trở độ 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 (PbSO 4) 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 ắc qui không đợc phóng điện dung lợng khoảng 80% - Sau đà ngắt mạch phóng khoảng thời gian nào, 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 ¾c qui Thêi gian håi phơc nµy phơ thc vµo chế độ phóng điện ắc qui (dòng điện phóng thời gian phóng ) I.5.2: 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) Bắt đầu sôi 2,4V 2,7V 2,4V Un Khoảng nghỉ Eaq 2,1V Eo 1,95V Vïng n¹p no Vïng n¹p chÝnh 10 Cn = In.tn (23) h 10 t s 20 Hình 1.4: Đặc tính nạp ắc qui - Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xÐt sau : +Trong kho¶ng thêi gian tõ tn  đến tn ts sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần Sinh viên:Dơng Văn Phúc TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động +Tới thời điểm tn = ts bề mặt cực âm xuất bọt khí (còn gọi tợng sôi ) lúc hiệu điện cực ắc qui đơn tăng đến 2,4 V Nếu tiếp tục nạp giá trị nhanh chóng tăng tới 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 ắc qui +Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ h st thêi gian ®ã hiƯu ®iƯn thÕ 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 +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 0,1C20 Trong C20 dung lợng ắc qui mà với chế độ nạp với dòng điện định mức In 0,1C20 sau 20 ắc qui đầy Ví dụ với ắc qui C 200Ah ta nạp ổn dòng với dòng điện 10% dung lợng ( tức In 20A ) sau 20 ắc qui đầy I.5.3 :So sánh ắc quy kiềm ắc quy axit Sự khác ắc quy kiềm ắc quy axit đợc trình bày bảng sau: ắc quy axit ắc quy kiềm - Khả tải không cao, dòng - Khả tải lớn nạp lớn đạt đợc tải dòng điện nạp lớn Inmax 20%Q đạt tới 50%Q - Hiện tợng tự phóng lớn, ắc quy - Hiện tợng tự phóng nhỏ nhanh hết điện kh«ng sư dơng - Sư dơng réng r·i đời sống - Với khả công nghiệp, nơi có nhiệt ắc quy kiềm thờng sử độ cao va đập lớn nhng đòi hỏi nơi yêu cầu công suất công suất tải vừa phải cao tải thờng xuyên - Dùng xe máy, ôtô, động - Dùng công nghiệp máy nổ công suất vừa nhỏ hàng không, hàng hải quốc phòng - Giá thành thấp - Giá thành cao I.6:Các phơng pháp nạp ắc qui tự động Có ba phơng pháp nạp ắc qui là: + Phơng pháp dòng điện 10 Sinh viên:Dơng Văn Phúc 10 TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động I.6: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 I.6.1: Phơng pháp nạp ắc qui với dòng điện không ®æi _ A _ + V Un D DD + R A _ R A _ + + Hình 1.5: Nạp với dòng điện không đổi Đây phơng pháp nạp cho phép chọn đợc dòng nạp thích hợp với loại ắc qui, bảo đảm cho ắc qui đợc no Đây phơng pháp sử dụng xởng bảo dỡng sửa chữa để nạp điện cho ắc qui nạp sử chữa cho ắc qui bị Sunfat hoá Với phơng pháp ắc qui đợc mắc nối tiếp phải thoả mÃn điều kiện : Un 2,7.Naq Trong đó: Un - điện áp nạp Naq - số ngăn ắc qui đơn mắc mạch Sinh viên:Dơng Văn Phúc TĐH2 K49 K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động 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 R= In 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 hai nấc, dòng ®iƯn n¹p ë nÊc thø nhÊt chän b»ng ( 0,3 0,5 )C20 tức nạp cỡng kết thúc nấc ắc qui bắt đầu sôi Dòng điện nạp nấc thứ hai 0,05C20 I.6.2: Phơng pháp nạp với điện áp không đổi Phơng pháp yêu cầu ắc qui đợc mắc song song với nguồn Un A V nạp Hiệu điện nguồn nạp không đổi đợc tính (2,3V 2,5V) cho 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 Hình 1.6: Nạp với điện áp không đổi I.6.3: Phơng pháp nạp dòng áp Đây phơng pháp tổng hợp hai phơng pháp Nó tận dụng đợc u điểm phơng pháp Đối với yêu cầu đề 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 án nạp ắc qui phơng pháp dòng áp - Đối với ắc qui axit: Để bảo đảm thời gian nạp nh hiệu suất nạp khoản thời gian tn  16h t¬ng øng víi 75  80 % dung lợng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi In 0,1C20 Vì theo đặc tính nạp ắc qui đoạn nạp dòng điện không đổi điện áp, sức điện động tải thay đổi, bảo đảm tính đồng tải cho thiết bị nạp Sau thời gian 16h ắc qui bắt đầu sôi lúc ta chuyển sang nạp chế độ ổn áp Khi thời gian nạp đợc 20h ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm 3h - 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 0,1C20 nạp cỡng để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In 0,25C20 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 qui tải có tính chất dung kháng kèm theo sức phản điện động ắc qui đói mà ta nạp theo phơng pháp điện áp dòng điện ắc qui Sinh viên:Dơng Văn Phúc 10 T§H2 – K49 K49