Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn, làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện t
Trang 1CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về ắc-quy
Ăc-quy là loại bình điện hoá học dùng để tích trữ năng lượng điện và làm
nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện như động cơ điện, như bóng đèn,
làm nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử.v.v…
Các tính năng cơ bản của ăc-quy:
.Sức điện động lớn ,ít thay đổi khi phóng nạp điện
.Sự tự fóng điện bé nhất
.Năng lượng điện nạp vào bao giờ cũng bé hơn năng lượng điện mà ăc-quy
phóng ra
.Điện trở trong của ăc-quy nhỏ Nó bao gồm điện trở của các bản cực ,điện trở dung dịch điện fâncó xét đén sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các bản cực Thường trị
số điện trở trong của quy khi đã nạp điện đầy là 0.001Ω đến 0.0015Ω và khi ăc-quy fóng điện hoàn toàn là 0.02Ω đến 0.025Ω
Có hai loại ăc-quy là: ăc-quy a-xit (hay ăc-quy chì) và ăc-quy kẽm (ăc-quy sắt kền hay ăc-quy cadimi-kền) Trong đó ăc-quy a-xit được dùng fổ biến và rộng rãi hơn
1.Cấu tạo của ăc-quy :
Các bộ fận chủ yếu của ăc-quy a-xit gồm:
-Các lá cực dương làm bằng được ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực dương
2
PbO
-Các lá cực âm làm bằng Pbđược ghép song song với nhau thành một bộ chùm cực
âm
Bộ chùm cực âm và chùm cực dương đặt xen kẽ nhau theo kiểu cài răng
lược ,sao cho cứ lá cực âm rồi đến một lá cực dương
-Lá cách đặt giữa các lá cực âm và lá cực dương để tránh hiện tượng chập mạch giữa các điện cực khác dấu
-vỏ bình điện ăc-quy thường làm bằng cao su cứng ( êbonit ) đúc thành hinh hộp
,chịu được khí nóng lạnh ,va chạm mạnh và chịu a-xit.Dưới đáy bình có
các đế cao để dắt các lá cực lên ,khi mùn của chất hoạt động rụng xuống thì
đọng dưới rãnh đế ,như vậy tránh được hiện tượng chập mạch giữa các điện cực do mùn gây ra.Nắp đậy ăc-quy cũng làm vỏ cao su cứng ,nắp có các lỗ để đổ điện dịch vào bình và đầu cưc luồn qua Nút đậy để điện dịch khỏi đổ ra
-Cầu nối bằng chì để nối tiếp các đầu cực âm của ngăn ăc-quy này với cực
dương của ngăn ăc-quy tiếp theo
1
Trang 22.Quá trình biến đổi năng lượng của ăc-quy :
Ăc-quy là nguồn có tính chất thuận nghịch ,nó tích trữ và giải fóng năng lượng dưới dạng điện năng Quá trình ăc-quy cung cấp điện năng cho mạch ngoài gọi là quá trình fóng điện ,quá trình ăc-quy được dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện Trên thị trường hiện nay dùng fổ biến là ăc-quy a-xit.Loại ăc-quy này có bản cực dương là đi-ô-xít chì ( ) ,các bản cực âm là chì (Pb), dung dịch điện fân là a-xit sunfuaric ( )
2
PbO
4
2 SO H
Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lượng của ăc-quy :
PbO2 + Pb + 2H2SO4(H2O) ↔ 2PbSO4 + 4H2O
a.Quá trình nạp điện cho ăc-quy :
Khi đổ dung dịch a-xit sunfuric vào các ngăn của bình thì trên các bản cực sẽ sinh ra
một lớp mỏng chì sunfat PbSO4:
PbO + H2SO4 → PbSO4 + H2O
Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu của ăc-quy thì dòng một chiều sẽ được khép kín qua mạch ăc-quy và dòng đó đi theo chiều: cực dương nguồn một chiều
→đầu cực 1 ăc-quy →chùm bản cực 1→qua dung dịch điện fân→bản cực 2→đầu cực 2 của ăc-quy →cực âm nguồn một chiều
Dòng điện sẽ làm cho dung dịch điện fân fân ly:
H2SO4 → + H + SO2− 4
Catiôn H +theo dòng điện đi về fía chùm bản cực nối với âm nguồn điện
và tạo ra fản ứng tại đó:
2H + + PbSO4 → H2SO4 + Pb
Các aniôn chạy về fía chùm bản cực nối với cực điệnương của nguồn điện tạo
ra fản ứng tại đó :
4 2
SO −
PbSO4+ 2H2O + cc → 2H2SO4 + PbO2
Kết quả là ở các chùm bản cực được nối với bản cực dương của nguồn điện có chì điô-xit , ở chùm bản cực kia có chì Pb Như vậy , hai loại chùm cực đã có sự khác nhau về cực tính
2
PbO
Khi nạp ăc-quy ,lúc đầu điện thế tăng dần từ 2V÷2,4V Nếu vẫn tiếp tục nạp
giá trị này nhanh chóng tăng lên 2,7V và giữ nguyên.Thời gian này gọi là thời gian nạp no ,nó có tác dụng làm cho fân tử các chất tác dụng ở sâu bên trong lòng bản cực
Trang 3được biến đổi hoàn toàn ,nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng fóng điện của ăc-quy Trong sử dụng thời gian nạp no của ăc-quy
thường kéo dài khoảng 2h÷3h , trong khoảng thời gian này hiệu điện thế của ăc-quy
và nồng độ dung dịch điện fân không thay dổi.Sau khi ngắt mạch nạp , điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm xuống và ổn định, dây gọi là thời gian nghỉ của ăc-quy sau khi nạp
Có thể nạp điện cho ăc-quy với dòng điện cố định hoặc nạp ở điện thế không đổi Nạp ở dòng điện cố định sẽ nhanh nhưng tốn năng lượng hơn chế độ nạp ở điện thế không đổi
b.Quá trình fóng điện ở ăc-quy :
Trong quá trình fóng điện của ăc-quy , xảy ra các fản ứng hoá học sau:
Tại cực dương : H2SO4 + PbO2 + 2H + + 2e → PbSO4 + 2H2O
Tại cực âm: Pb + SO2− 4 → + 2e
4
PbSO Như vậy khi ăc-quy fóng điện , chì sunfat lại được hình thành ở hai chùm bản cực , làm cho các bản cực dần dần trở lại giống nhau còn dung dịch a-xit bị fân tích thành catiôn 2 và aniôn , đồng thời quá trình fóng điện cũng tạo ra nước trong dung dịch , do đó nồng độ của dung dịch giảm dần và sức điện động của ăc-quy giảm dần
+
Quá trình fóng điện của ăc-quy cũng có thể chia làm hai giai đoạn :ở giai đoạn đầu điện áp ,sức điện động , nồng độ dung dịch điện fân của ăc-quy giảm chậm,đây gọi là giai đoạn fóng ổn định hay thời gian fóng điện cho fép của ăc-quy Trong giai đoạn tiếp theo ,điện áp ăc-quy sẽ giảm rất nhanh
3 Các thông số cơ bản của ăc-quy :
a.Sức điện động của ăc-quy :
Sức điện động của ăc-quy chì fụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện fân Người ta
thường sử dụng công thức kinh nghiệm : Eo = 0.85 + δ (V)
Eo : sức điện động tĩnh của ăc-quy đơn
δ: nồng độ dung dịch điện fân ở 15 0 c ( g / cm3)
-Sức điện động trong quá trình fóng điện của ăc-quy : Ep = Up + Ip.Rp
Up là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi fóng điện
Rp là điện trở trong của ăc-quy
-Sức điện động trong quá trình nạp điện của ăc-quy : En = Un – In.Rn
Un là điện áp đo trên các cực của ăc-quy khi nạp điện
3
Trang 4Rn là điện trở trong của ăc-quy
b.Dung lượng của ăc-quy ( C ):
Dung lượng fóng là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ăc-quy
cho fụ tải : Cp = Ip.Tp
Tp là thời gian fóng điện
Dung lượng nạp là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ăc-quy :
Cn = In.Tn
Tn là thời gian fóng điện
Trang 5
CHƯƠNG 2
Thiết kế mạch chỉnh lưu
Bộ chỉnh lưu được thiết kế nhằm biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều Theo dạng nguồn cấp xoay chiều,chúng ta chia các bộ chỉnh lưu thành một pha , ba pha hay n pha Các bộ chỉnh lưu này có thể là chỉnh lưu
không điều khiển nếu dùng van chỉnh lưu là diode , chỉnh lưu có điều khiển nếu dùng van chỉnh lưu là tiristo , và chỉnh lưu bán điều khiển nếu van chỉnh lưu dùng cả diode lẫn tiristo
Với các số liệu cho trước như sau:
Điện áp định mức của ăc-quy nằm trong khoảng 5V đến 50V
Dòng nạp định mức ăc-quy là 50A
Dòng nạp min của ăc-quy là 10A
Công suất nguồn nạp nhỏ hơn 10kw nên chọn bộ biến đổi là bộ chỉnh lưu một pha
Ta có thể dùng các sơ đồ sau :
Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển
Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển đối xứng
Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng
A Các phương án thiết kế mạch chỉnh lưu :
1 Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển:
Trong sơ đồ này ,máy biến áp fải có hai
cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt
nhau ,ở mỗi nửa chu kỳ khi có xung tới
điều khiển mở tiristo có một van dẫn cho
dòng điện chạy qua
T1
T2
R E
Điện áp đập mạch trong cả hai nửa chu
kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần
số điện áp xoay chiều Hình dáng các
đường cong điện áp và dòng điện tải
(Ud,Id ) cho trên hình vẽ
Điện áp trung bình trên tải thuần trở
được tính theo công thức :
Ud = Udo ( 1 + cos α ) 2
Với Udo là điện áp chỉnh lưu khi
không điều khiển và bằng
5
t
E
Id Ud
α
Trang 6U
9
0
Ud = ,
α là góc mở của các tiristo
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Un max = 2 2 U 2
Mỗi van dãn thông trong một nửa chu kỳ , do vậy dòng điện mà van bán dẫn fải chịu tối đa là bằng 1/2 dòng điện tải
Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van
2
I
hd =
* Nhận xét : trong sơ đồ này , dòng điện chạy qua van không quá lớn Khi van dẫn ,điện áp rơi trên van nhỏ.Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây tương đối đơn giản Tuy vậy ,việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau , mà mỗi cuộn chỉ làm việc trong nửa chu kỳ ,làm cho việc chế tạo máy biến áp phức tạp hơn
và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn , mặt khác điện áp ngược của các van bán dẫn fải chịu có trị số rất lớn
2 Chỉnh lưu cầu một fa có điều khiển một fa đối xứng:
Trong nửa chu kỳ đầu , lúc U2 > E điện áp anod của tiristo T1 dương
lúc đó catod của T2 âm , nếu có xung điều
khiển cả hai van T1 ,T2 đồng thời ,thì các
van này sẽ được mở thông để đặt điện áp
lưới lên tải , T1 , T2 sẽ dẫn đến khi U2 <
E
R
E
T 2
T 3
T 1
T 4
U 2
Trong nửa chu kỳ sau , khi U2 > E , điện
áp anod của tiristo T3 dương
lúc đó catod của T4 âm , nếu có
xung điều khiển cả hai van T3 ,T4
đồng thời ,thì các van
t
E
Id Ud
α
này sẽ được mở thông để đặt điện áp
lưới lên tải
Điện áp trung bình đặt lên tải:
) cos
= Udo 1
với Udo = 0 , 9 U2
Dòng trung bình chạy qua tiristo : Itb = Id/2
Dòng hiệu dụng chạy qua van :
2
I
hd =
Trang 7Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van : Un max = U 2 2
* Nhận xét : So với sơ đồ trên ,ở sơ đồ này điện áp ngược lớn nhất đặt lên van chỉ bằng một nửa,biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn Tuy nhiên , sơ đồ này nhiều khi gặp khó khăn trong việc mở các van điều khiển , nhất là khi công suất xung không đủ lớn
3 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng :
Ở nửa chu kỳ đầu , khi > E , nếu có
xung tới mở tiristo T1 , xuất hiện dòng
chạy qua T1 , D1 Ở nửa chu kỳ sau , khi
> E , nếu có xung điều khiẻn mở tiristo
thì T2 và D2 thông, cho phép dòng qua tải
2
u
2
u
E
R T1
D1 T2
D2
U2 Điện áp trung bình đặt lên tải:
) cos
= Udo 1
với Udo = 0 , 9 U2
Với Udo là điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển
Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van
2 U
Un max = 2
t
E
Id Ud
α
Dòng hiệu dụng qua tiristo :
π
α
−
π
=
2
I
IT d
Dòng hiệu dụng qua diode :
π
α +
π
=
2
I
ID d
Dòng trung bình qua diode : tbD Id
2
I
π
α + π
= Dòng trung bình qua tiristo :
π
α
− π
= 2
ItbT Id
* Nhận xét : Ngoài những ưu điểm của sơ đồ cầu đối xứng thì ở sơ đồ cầu không đối xứng ,việc điều khiển mở các tiristo là đơn giản hơn Mặt khác , sơ đồ này sử dụng một nửa số van là diode và một nửa số van là tiristo nên giá thành của van giảm Vậy ta dùng sơ đồ chỉnh lưu cầu một fa có điều khiển không đối xứng để thiết kế nguồn nạp cho ăc-quy
7
Trang 8B Tính toán mạch chỉnh lưu :
1 Tính toán chọn van :
-Dòng hiệu dụng qua tiristo
E
R T1
D1 T2
D2
U2 π
α
−
π
=
2
I
IT d
-Dòng hiệu dụng qua diode
π
α +
π
=
2
I
ID d
Khi α =π6 :
) (A 108 6
1 1 100
) ( , A 3 91 6
1 1 100
- Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van
2 2 U
Un max =
- Điện áp chỉnh lưu trung bình khi không tải
) cos ( + α
π
=U 2 1
Mặt khác Udo = Ud + Δ Uv + Δ Uba
Trong đó : ΔUv là điện áp rơi trên van khi
van dẫn
Ud là điện áp trung bình trên tải
ΔUba = ΔUr + là sụt áp trên điện trở
và điện kháng máy biến áp
L
U Δ
-Tính sụt áp trên máy biến áp : Máy biến áp
công suất cữ chục KVA thuộc loại MBA
công suất nhỏ ,sụt áp trên điện trở khoảng 4%Ud , sụt áp trên cuộn kháng khoảng
1,5% Ud
E
Id Ud
α
Id
I T1
I T2
I D1
I D2
θ θ θ θ θ θ
Vậy ΔUba = 4%Ud + 1,5%Ud = 5,5%Ud
- Sụt áp trên van khi van dẫn : lấy sụt áp trên mỗi van khoảng 1,7V
Trang 9→ ΔUv = 1,7.2 = 3,4V
+ 5,5%Ud + 3,4V = 1,055 + 3,4
=
do
) ( , ,
) ( , )
cos (
) , ,
( ) cos (
.
U
V 84 66 2
1
4 3 U 055 1 2 1
U U
2 n
d do
2
=
=
=
= α
+
π +
= α +
π
=
* Chọn van : hệ số dự trữ về áp Ku = 1,6
Hệ số dự trữ về dòng Ki=1,8
Điện áp ngược của van có tính đến hệ số dự trữ :
UN = UNmax Ku = 94 , 53 1 , 6 = 151 , 25 ( V )
Dòng định mức qua diode :
IDm = ID 1 , 8 = 108 1 , 8 = 194 , 4 ( A )
Ta chọn loại diode 1N3976 có các thông số như sau :
Imax = 250A ; Un = 200 V ; ΔUv = 0,6V
.Dòng định mức qua tiristo : ImT =91,3.1,8=164,3A
Với điều kiện làm mát tự nhiên thì dòng làm việc của tiristo chỉ bằng một fần ba
dòng cho fép qua nó Do đó , dòng cho fép qua tiristo là : 164,3.3 = 492,9A
Ta chọn loại tiristo NLC510E có các thông số như sau :
Imax = 550A ; Un = 500V ; ΔUv = 1,5V ; Igmax = 150mA ; Ugmax = 6,5V
¾ Bảo vệ quá áp cho tiristo :
Trong quá trình hoạt động van có thể fải chịu các xung điện áp rất lớn so với điện áp
mà van có thể chịu được Các xung điện áp đó có thể là do các nguyên nhân sau :
- Xung điện áp do quá trình chuyển mạch van
- Xung điện áp từ fía lưới xoay chiều mà nguyên nhân thường gặp là do tải có điện cảm lớn trên đường dây
- Xung điện áp do cắt đột ngột máy biến áp non tải
T
Để bảo vệ van khỏi các xung điện áp ta dùng mạch RC
mắc song song với tiristo như hình bên Khi có xung điện
áp trên bề mặt tiếp giáp của van , mạch RC mắc song song
với van bán dẫn tạo mạch vòng fóng điện tích tránh sự quá
áp trên van
Theo kinh nghiệm người ta thường chọn các thông số RC có giá trị :
R = 10Ω ; C = 1μF
2 Tính toán MBA cho mạch chỉnh lưu :
* Tính công suất MBA :
Điện áp chỉnh lưu không tải :
9
H
h
e
a b
Trang 10Udo= Ud + Δ Uv + Δ Uba= 2,1 +1,055Ud
→ Udo = 2,1 + 1,055 50 = 54,95 (V)
→ = Pdo Udo = 54,95 100 = 5495 (W) Id
Công suất của MBA :
= Ks = 1,23 5,495 = 6,76 KVA
ba
Trong đó Ks là hệ số công suất MBA Lấy Ks= 1,23 ( Sách hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất )
* Tính thông số áp dòng của các cuộn dây:
- Điện áp cuộn thứ cấp :
) ( , )
cos (
) , ,
( ) cos (
2 1
2 2 U 055 1 2 1
U
α +
π +
= α +
π
=
- Điện áp cuộn sơ cấp : U1 =220 V
- Dòng chạy trong cuộn thứ cấp : I2 = IT = 91 , 3 A
-Dòng chạy trong cuộn sơ cấp : I 1 = Sba/ U 1 = 6 , 76 / 220 = 30 , 7 A
* Tính toán dây quấn :
-Số vòng cuộn sơ cấp :
B Qfe f 44 4
1 U 1
W
,
=
trong đó : Qfe là tiết diện trụ Qfe = 49 3 cm 2
50 2
6760 6
f m
Sba
.
với : m là số trụ MBA
Kq là hệ số fụ thuộc fương thức làm mát
Chọn loại tôn có B = 1,5 T
10 5 1 3 49 50 44 4
220 1
, ,
10 5 1 3 49 50 44 4
4 65 2
, , ,
-Tiết diện dây sơ cấp : chọn J = 2,75A/mm2
Scu 1 = I 1 / J = 30 , 7 / 2 , 75 = 11 , 2 mm 2
đường kính dây sơ cấp : 1 = 4 1 / π = 3 , 77 mm
-Tiết diện dây thứ cấp :
mm 5 6 2 S 4 2
mm 2 33 3 91 J 2 I 2
, /
, ,
/
= π
=
=
=
=
* Tính kích thước mạch từ :
mạch từ dùng tôn silic có trọng lượng riêng 7,5kg/dm3
- Chọn trụ hình chữ nhật :diện tích Q=a.b=49,3cm 2
Trang 11- Chọn các lá thép có độ dày là 0,4mm
- Theo các công thức kinh nghiệm như sau :
b/a = 1,5 ; c/a =2 ; h/a = 2,5 ; e/a = 0,5
(Sách hướng dẫn thiết kế thiết bị điện tử công suất )
→ a = 5,7cm ; b = 8,6cm ; c = 11,5cm ; h = 14,3 cm ; e = 2,87 cm
→ D = 2a + c =22,96 cm ; H = h + 2e = 20cm
* Tính kết cấu dây quấn :
-Số vòng dây của mỗi lớp :
với sơ cấp : Wl1 = h/d1 = 143/3,77 ≈ 38 vòng
với thứ cấp : Wl2 = h/d2 = 143/6,5 = 22 vòng
Vậy số lớp cuộn dây sơ cấp : N1 = W1/Wl1 =134/38 ≈ 4 lớp
Số lớp cuộn dây thứ cấp : N2 = W2/Wl2 = 40/22 = 2lớp
-Bề dày mỗi cuộn dây
Sơ cấp : B1 = d1.N1 + cd N1 = 3,77.4 +0,1.4 = 15,48mm
Thứ cấp : B2 = 6,5.2 + 0,1.2 = 13,2 mm
Trong đó cd là chiều dày lớp cách điện ( cd = 0,1mm )
- Tổng bề dày các cuộn dây :
B = B1 + B2 + cd + cd = 15,48 + 13,2 + 1 + 0,1 = 29,78mm Trong đó
cd là chiều dày cách điện trong ( cd = 1mm) cdn là chiều dày cách điện ngoài ( cdn=0,1mm)
* Tính khối lượng đồng và sắt :
Mfe = Vfe mfe ; Vfe = 2 h a b + 2 D a b = 3673 , 84 cm 3
Mfe 7 5 3673 84 10 3 27 5 kg
,
,
=
Mcu = Vcu mcu ; mcu = 8 , 9 kg / dm 3
Vcu = Scu 1 l 1 + Scu 2 l 2
l 1 = W 1 π Dtb ; Dtb=(Dt1 + Dn1)/2
Dt1 = a b cd 5 7 2 8 6 2 0 1 10 42 cm
t 2 2
, , ,
= + +
cm 5 4712 2
11 134 1 Dtb 1 W 1 l
cm 2 11 2 97 11 42 10 1 Dtb
cm 97 11 4 01 0 377 0 42 10 1 N cd 1 1 Dt 1 Dn
, ,
.
.
, /
) , ,
(
, ).
, ,
( , ).
(
= π
= π
=
= +
=
= +
+
= +
+
=
l1 là chiều dài dây quán sơ cấp
chiều dài dây quấn thứ cấp l2 được tính như sau:
cm 65 1391 08
11 40 2 Dtb 2 W 2 l
cm 08 11 2 74 11 42 10 2 Dtb
cm 74 11 2 N cd 2 Dt 2 Dn 42 10 2 Dt
, ,
.
.
, /
) , ,
(
, ).
(
; ,
= π
= π
=
= +
=
= +
+
=
=
trong đóDt,Dn là đường kính trong và ngoài của cuộn dây (sơ và thứ cấp )
Dtb là đường kính trung bình của cuộn dây (sơ và thứ cấp )
11