Đồ án môn học đề tài thiết kế, chế tạo mạch nạp acquy tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Đề tài: “Thiết kế, chế tạo mạch nạp acquy tự động” Giáo viên hướng dẫn : Trần Ngọc Thái Sinh viên thực : Vũ Xuân Cương Vũ Văn Chính Lớp : 112162.2 MỤC LỤC NHẬN XÉ T CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1 Ứng dụng ac quy 1.2 Acquy axit 1.2.1 Cấu tạo bình ac quy axít 1.2.2 Q trình hóa học ac quy axít 10 1.3 Ac quy kiềm 11 1.3.1 Cấu tạo acquy kiềm 11 1.3.2 Q trình hóa học ac quy kiềm 12 1.4 Sự khác ac quy axít ácquy kiềm 13 1.5 Các thông số ac quy 15 1.5.1 Sức điện động ac quy 15 1.5.2 Dung lượng ac quy 15 1.6 Đặc tính phóng nạp acquy 16 1.6.1 Đặc tính phóng ac quy 16 1.6.2 Đặc tính nạp acquy 18 1.7 Các phương pháp nạp ac quy tự động 19 1.7.1 Phương pháp nạp dòng điện 20 1.7.2 Phương pháp nạp điện áp 21 1.7.3 Phương pháp nạp dòng áp 22 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI 24 2.1 Sơ đồ khối 24 2.2 Chức sơ đồ khối 24 2.2.1 Khối nguồn 24 2.2.2 Khối acquy 25 2.2.3 Khối điều khiển tự động ngắt 25 2.3 Nguyên lý hoạt động sơ đồ 26 2.4 Nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu nửa chu kì khơng điều khiển 26 2.4.1.Cơng thức tính tốn chọn van diode 27 2.4.2 Thông số kỹ thuật 28 2.5 Tính tốn máy biến áp 29 2.6 Sơ đồ nguyên lý sơ đồ board 31 2.6.1 Sơ đồ nguyên lý 3131 2.6.2 Sơ đồ board 332 2.6.3 Nguyên lý làm viêc mạch điện: 33 CHƯƠNG 3: HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ LỜI KẾT 34 3.1 Ưu điểm: 34 3.2 Nhược điểm: 34 3.3 Hướng phát triển 34 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………… Hưng Yên ngày….tháng….năm 2018 Giáo viên hướng dẫn LỜI NĨI ĐẦU Trước mơ ̣t nề n khoa ho ̣c kỹ thuật ngày càng phát triể n hiêṇ với nhiều linh kiện sự sáng tạo mới đã giúp ích rấ t nhiề u cho người như: Máy tính, xe đạp điện, ô tô-xe máy,…Nhưng chúng ta ít biế t rằng không phải là chúng ta cắ m điêṇ 220v vào máy tiń h thì máy có thể cha ̣y hay điêṇ có xe là dòng điê ̣n cấp trực tiế p từ lưới điêṇ 220V Mà thực chấ t thì dòng điêṇ 220V đó đã đươ ̣c biến đổi thành da ̣ng khác và da ̣ng khác đươ ̣c nói ở chính là dòng điện mô ̣t chiề u và nó đã đươ ̣c tích trữ các loại ắ c quy, pin, tu ̣ điện… Tuy phận cấp nguồn chiều là phần rấ t nhỏ của toàn bô ̣ khối làm viêc̣ chung mạch Nhưng nó la ̣i giữ vai trò rấ t quan tro ̣ng và nế u thiế u nó thì cả khố i đó sẽ khó có thể làm viêc có hiêụ quả đươ ̣c Cho nên nhóm chúng em đã quyế t đinh ̣ cho ̣n nghiên cứu, lắp ráp ma ̣ch cấ p nguồ n mô ̣t chiề u ứng dụng thực tế dùng để sạc ắc quy Qua thời gian nghiên cứu với hướng dẫn tâ ̣n tình của thầy Trần Ngọc Thái, chúng em hoàn thành mạch cấp nguồn chiều sạc cho loại ăc quy 12V Đây là đồ án với kết hợp điện tử công suất – truyền động điện mà chúng em thực vẫn mắ c phải nhiề u thiếu sót, chúng em rấ t mong đươ ̣c thầ y cô hướng dẫn chỉ bảo thêm để chúng em có thể hoàn thiê ̣n tốt đồ án này và những đồ án sau Chúng em xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1 Ứng dụng ac quy Acquy nguồn điện dược tích trữ lượng điện dạng hóa Acquy nguồn điện chiều cung cấp cho thiết bị điện công nghiệp đời sống hằng ngày: động điện chiều, bóng đèn, củ tích điện, mạch điện tử,… Acquy nguồn cung câp cho động khởi động Trong thực tế có nhiều loại acquy thường gặp hai loại sau: acquy axit acquy kiềm 1.2 Acquy axit 1.2.1 Cấu tạo bình ac quy axít Bình acquy thơng thường gồm vỏ bình, cực, ngăn dung dịch điện phân • Vỏ bình: Vỏ bình acquy axit chế tạo bằng nhựa êbônit anphantonec hay cao su nhựa cứng Để tăng độ bền khả chịu axit cho bình, chế tạo người ta ép vào bên bình lớp lót chịu axit polyclovinyl, lớp lót dày khoảng 0,6mm Nhờ lớp lót t̉i thọ acquy tăng lên từ 2-3 lần Phía vỏ bình tùy theo điện áp danh định acquy mà chia thành ngăn riêng biệt vách ngăn ngăn cách ngăn kín Mỗi ngăn gọi ngăn acquy đơn Ở đáy ngăn có sống đỡ khối cực tạo thành khoảng trống đáy bình mặt khối cực, nhờ đó mà tránh tượng chập mạch cực chất tác dụng bong rơi xuống đáy gây lên Bên ngồi vỏ bình đúc hình dạng gân chịu lực để tăng độ bền có thể gắn quai xách để việc di chuyển đễ dàng • Bản cực, phân khối cực khối cực: • Bản cực gồm cốt hình lưới chất tác dụng Cốt đúc bằng hợp kim chì(Pb)antimion(Sb) với tỷ lệ (87 – 95)%Pb (5 – 13)%Sb Phụ gia antimon thêm vào có tác dụng tăng thêm độ cứng, giảm han gỉ cải thiện tính đúc cho cốt Cốt để giữ chất tác dụng phân phối dòng điện khắp bề mặt cực Điều có ý nghĩa quan trọng cực dương điện trở chất tác dụng (oxit chì) lớn nhiều so với điện trở chì nguyên chất, đó tăng chiều dày cốt điện trở acquy nhỏ Cốt đúc dạng khung bao quanh, có vấu để hàn nối cực thành phân khối cực có hai chân để tỳ sống đỡ đáy bình acquy Vì điện cốt cực âm yếu tố định chúng ít 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 với cực dương Chất tác dụng chế tạo từ bột chì, axit sunfuric đặc khoảng 3% muối axit hửu cực âm, cịn cực dương chất tác dụng chế tạo từ oxit chì Pb3O4, PbO dung dịch axit sunfuric đặc Phụ gia muối axit hữu cực âm có tác dụng tăng độ xốp, độ bền chất tác dụng, nhờ đó mà cải thiện độ thấm sâu dung dịch điện phân vào lòng cực đồng thời điện tích thực tế tham gia phản ứng hóa học tăng lên Các sau chát đày chất tác dụng ép lại, sấy khô thực trình tạo cực, tức chúng ngâm vào dung dịch axit sunfuric lỗng nạp với dịng điện chiều trị số nhỏ Sau trình vậy, chất tác dụng cực dương hoàn toàn trở thành PbO2 (màu gạch xẫm) Sau đó cực dương đem rửa, sấy khô lắp ráp Những phân khối cực tên acquy hàn với tạo thành khối cực hàn nối vấu cực làm bằng chì hình đẻ nối tài tiêu thụ Với ý rằng, ta muốn tăng dung lượng acquy ta phải tăng số cực mắc song song acquy đơn Thường người ta lấy từ – Còn muốn tăng điện áp danh định acquy ta phải tăng số cực mắc nối tiếp • Tấm ngăn: Các cực âm dương lắp xen kẽ với cách điện với ngăn để đảm bảo cách điện tốt ngăn làm rộng so với cực Các ngăn có tác dụng chống chập mạch cực âm dương, đồng thời đê đỡ cực khỏi bị bong rơi sử dụng acquy Các ngăn phải chất cách điện tốt, bền, dẻo, chịu axit có độ xốp thích hợp để ngăn cản chất điện phân thấm đến cực Các ngăn chế tạo từ vật liệu polyvinyl xốp, dày khoảng từ 0,8-1,2mm có dạng mặt phẳng hướng phía cực âm cịn mặt có dạng sóng gồ hướng phía cực dương nhằm tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển đến cực dương dung dịch lưu thơng tốt • Dung dịch điện phân: Dung dịch điện phân bình acquy loại dung dịch axit sunfuric pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ quy định tùy thuộc vào điều kiện khí hậu mùa vật kiệu làm ngăn Nồng độ dung dịch axit sunfuric:  = (1,1  1.3) g/cm3 Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động acquy Nhiệt độ mơi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân Với nước vùng xích đạo nồng độ dung dịch điện phân quy định không 1,1 g/cm3 Với nước lạnh, nồng độ dung dịch điện phân cho phép tới 1,3 g/cm3 Trong điều kiện khí hậu nước ta mùa hè nên chọn nồng độ dung dịch khoàng (1,25-1,26) g/cm3, mùa đông nên chọn nồng độ khoảng 1,27g/cm3 Cần nhớ rằng: nồng độ cao làm chóng hỏng ngăn, chóng hỏng cực, dễ bị sunfat hóa cực nên tuổi thọ acquy giảm nhanh Nồng độ thấp điện dung điện áp định mức acquy giảm nươc xứ lạnh dung dịch vào mùa đơng dễ bị đóng băng * Những ý pha chế dung dịch điện phân cho acquy: - Không dùng axit có thành phần tạp chất cao loại axit kĩ thuật thông thường nước nước cất dung dịch làm tăng cường độ trình tự phóng điện acquy - Các dụng cụ pha chế phải làm bằng thủy 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 đổ nước vào axit đặc mà phải đổ axit vào nước dùng đãu thủy tinh khuấy • Nắp, nút cầu nối: Nắp làm bằng nhựa ebonit bakenit Nắp có hai loại: - Từng nắp riêng cho ngăn - Nắp chung cho bình – loại cấu tạo phức tạp độ kín tốt Trên nắp có lỗ để đở dung dịch điện phân vào ngăn để kiểm tra mức dung dịch điện phân, nhiệt độ nồng độ dung dịch acquy Lỗ đở đậy kín bằng nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân bình khỏi bị bẩn sánh ngồi Ở nút có lỗ nhỏ để thơng khí từ bình lúc nạp acquy Nắp số loại acquy có lỗ thơng khí riêng nằm sát lỗ đở, kết cấu thuận tiện cho việc điều chỉnh mức dung dịch bình acquy Trong trường hợp này, nút khơng cho lỗ thơng khí 1.2.2 Q trình hóa học ac quy axít Trong acquy thường xảy hai trình hóa học thuận nghịch mà đặc trưng là qua trình nạp phóng điện Khi nạp điện, nhờ nguồn điện nạp mà mạch điện tử chuyển động từ cực dương đến cực âm – đó dòng điện nạp In Khi phóng điện, tác dụng suất điện động riêng acquy, điện tử chuyển động theo hướng ngược lại tạo thành dòng điện phóng Ip Khi acquy nạp no, chất tác dụng cực dương 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 acquy xảy phản ứng: - Ở cực dương: PbSO4 – 2e + 2H2O = PbO2 +H2SO4 +2H- (1.1) - Ở cực âm: PbSO4 + 2e + 2H+ = Pb +H2SO4 (1.2) - Tồn q trình xảy acquy nạp điện là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 +2H2SO4 (1.3) Sự phóng điện acquy sảy nối hai điện cực Pb PbO vừa thu với tải, lúc hóa dự trữ acquy chuyển thành điện Ở điện cực xảy phản ứng ngược (1.1) (1.2), nghĩa 10 R Un  2,0N aq (1.10) In Nhược điểm phương pháp nạp với dòng điện không đổi thời gian nạp kéo dài yêu cầu acquy đưa vào nạp có dung lượng định mức Để khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài, người ta sử dụng phương pháp nạp với dịng điện nạp thay đởi hai hay nhiều nấc Trong trường hợp hai nấc, dòng điện nạp nấc thứ chọn bằng (0,3  0,6)C10 tức nạp cưỡng kết thúc nấc ắc qui bắt đầu sơi Dịng điện nạp nấc thứ hai 0,1C10 1.7.2 Phương pháp nạp điện áp Un A Phương pháp yêu cầu acquy mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện V nguồn nạp không đổi tính bằng (2,3V 2,5V) cho ngăn đơn Phương pháp nạp với điện áp không đởi có thời gian nạp ngắn, dịng nạp tự động giảm theo thời gian Tuy nhiên dùng phương pháp acquy khơng nạp no Vì nạp với điện áp không đổi phương pháp nạp bổ xung cho acquy trình sử dụng 21 1.7.3 Phương pháp nạp dòng áp _ A Un D + A VR _ _ _ + + + Phương pháp nạp dịng áp Đây phương pháp tởng hợp hai phương pháp Nó tận dụng ưu điểm phương pháp Đối với yêu cầu đề nạp acquy tự động tức q trình nạp q trình biến đởi chuyển hoá tự động diễn theo trình tự đặt sẵn ta chọn phương án nạp acquy phương pháp dòng áp Đối với acquy axit: Để bảo đảm thời gian nạp hiệu suất nạp khoản thời gian tn  8h tương ứng với 7580 % dung lượng acquy ta nạp với dịng điện khơng đởi In 0,1C10 Vì theo đặc tính nạp acquy đoạn nạp chính dịng điện khơng đởi điện áp, sức điện động tải ít thay đổi, đó bảo đảm tính đồng tải cho thiết bị nạp Sau thời gian 8h acquy bắt đầu sôi lúc đó ta 22 chuyển sang nạp chế độ ổn áp Khi thời gian nạp 10h acquy bắt đầu no, ta nạp bổ xung thêm đến 3h Đối với acquy kiềm: Trình tự nạp giống acquy axit khả tải acquy kiềm lớn nên lúc ởn dịng ta có thể nạp với dịng nạp In0,2C10 nạp cưỡng để tiết kiệm thời gian với dịng nạp I n  0,5C10 Các q trình nạp ắc qui tự động kết thúc bị cắt nguồn nạp nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp cực ắc qui, lúc đó dịng nạp từ từ giảm khơng 23 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ CHỨC NĂNG TỪNG KHỐI 2.1 Sơ đồ khối KHỐI NGUỒN BỘ ĐIỀU KHIỂN ACQUY Hình 2.1: Sơ đồ khối 2.2 Chức sơ đồ khối 2.2.1 Khối nguồn Hình 2.2: Sơ đồ khối nguồn Tín hiệu đồng có thể lấy từ biến áp lực có thể lấy từ biến áp khác 24 Do mạch điều khiển có khâu sử dụng nguồn điện áp thấp nên chúng ta dùng biến áp có quấn cuộn dây thứ cấp, đó sử dụng cuộn có điện áp 0V-17V dùng cho khâu đồng Diode D làm nhiệm vụ chỉnh lưu tạo tín hiệu U1 làm ngưỡng để so sánh với tín hiệu chiều Ta chọn diode MIC IOAQIQ 2.2.2 Khối acquy Dùng để cấp nguồn cho điều chỉnh tự động ngắt mạch chưa có nguồn đầu vào tác động Đồng thời acquy nạp có tín hiệu điều khiển từ điều khiển 2.2.3 Khối điều khiển tự động ngắt Hình 2.3: Khối điều khiển Điện áp Ur6 so sánh với điện áp Ud2 để tạo tín hiệu tương ứng với thời điểm điện áp acquy nạp hay không 25 2.3 Nguyên lý hoạt động sơ đồ Tín hiệu xoay chiều chỉnh lưu diôt D11, D12, so sánh với điện áp U0 để tạo tín hiệu đồng U2 trùng với thời điểm điện áp lưới qua điểm Tín hiệu đồng mở khoá điện tử bóng thường Q1 để giảm điện áp tụ 0, tụ C1 nạp điện theo công thức UC = E.t/R7 đầu khuyếch đại thuật toán OA2 có tín hiệu cưa Sau đó tín hiệu so sánh với tín hiệu điều khiển nhờ so sánh bằng khuyếch đại thuật toán OA3 Bộ OA11 đa hài dao động xung có tần số cao U9 với mục đích giảm kích thước máy biến áp xung Tín hiệu cao tần trộn lẫn với tín hiệu điều khiển U 12 tín hiệu phân phối U10, U11 thành tín hiệu U14, U13 Những tín hiệu khuyếch đại thông qua máy biến áp xung đưa trực tiếp cực điều khiển Tiristo 2.4 Nguyên lý hoạt động mạch chỉnh lưu nửa chu kì khơng điều khiển - Diode D cho dịng điện qua u2>E dòng id tồn khoảng 𝜃1 ÷ 𝜃2 góc 𝜃1 nghiệm phương trình sau: u2=√2 U2sin 𝜃1=E diode D dẫn dịng biểu thức dịng điện qua tải: id=(√2 U2sin 𝜃1)/R 26 Xét điều kiện lý tưởng diode cho dịng chảy qua điện áp đặt đầu diode UD=0V Còn lúc diode bị khóa ta có phươn trình: u2= E + UD UD= u2-E=√2 U2sin 𝜃 –E Về nguyên lý làm việc mạch mơ tả sau: Giả sử mạch làm việc chế độ xác lập lý tưởng với 0