Đồ Án tự Động hóa 1 – Đtcs Đề tài thiết kế tủ nạp acqui

 Cấu tạo : bao gồm các bản cực bằng oxy hydrat - kiềm và các bản cực âm bằng sắt ngâm trong dung dịch hydroxit kali KOH  Phân loại: Acqui loại kiềm được chia làm 2 loại phổ biến gôm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

-o0o -ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA 1 – ĐTCS

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TỦ NẠP ACQUI

Giáo viên hướng dẫn: T.s Vũ Minh Quang Sinh viên thực hiện: Tạ Hồng Quân

Mã sinh viên : 2151214278

Lớp : 63TDH -ĐK2

Hà Nội : 2024

Phần 1: Hoàn thành thông số ( a =8 )

Điện áp nguồn dây ba pha ( Vac ): 220V

Tần số : 50 Hz

Dung lượng acquy : 46 (Ah) Loại kiềm

điện áp acqui : 12 ( VDC )

Số lượng acqui : 124 ( chiếc )

Chỉnh lưu : cầu 3 pha

Góc điều khiển tính toán : 200

Góc giới hạn điều khiển : max = ( α cho phép chỉnh lưu - 50 ) Điện áp răng cưa max : 9 V

Điện áp đồng pha max: 12 V

Sđđ mạch điều khiển : E = + 15 V

Chất lượng bộ biến đổi : i = 0,5 A; V = 0,5V

Chương 1: Tìm hiểu chung về các công nghệ, phụ

tải của ACQUI

1.1 Cấu trúc của một bình acqui

Ắc quy là nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân Với ắc quy chì axít sức điện động của một ắc quy đơn là 2,1V Muốn tăng khả năng dự trữ năng lượng của ắc quy người ta phải tăng số lượng các cặp bản cực dương và

âm trong mỗi ắc quy đơn Để tăng giá trị sức điện động của nguồn

người ta ghép nối nhiều ắc quy đơn thành một bình ắc quy

Bình ắc quy được làm từ số những tế bào (cell) đặt trong một vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng Những đơn vị cơ bản của mỗi tế bào là những bản cực dương và bản cực âm Những bản cực này có những vật liệu hoạt hoá nằm trong các tấm lưới phẳng

Bản cực âm là chì xốp sau khi nạp có mầu xám Bản cực dương sau khi nạp là PbO2 có màu nâu Cấu trúc của một ắc quy đơn gồm có:

 Phân khối bản cực dương

 Phân khối bản cực âm, các tấm ngăn

 Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau

Hình 1 Cấu trức bình acqui

1.2 Phân loại acqui

Trong thực tế có nhiều loại acqui khác nhau, trong đó hai loại acqui

được sử đụng phổ biến trong cuộc sống đó là: acqui axit-chì và acqui

kiềm.

1.2.1 Acqui loại axit: 12V – 6 ngăn

 Cấu tạo: Gồm hai bản cực chì và chì oxit (Pb và PbO₂) được ngâm trong dung dịch axit sulfuric (H₂SO₄)

 Đặc điểm: Điện áp danh định: 2V mỗi cell, giá thành thấp, dễ chế tạo, tuổi tho thấp hơn các loại acqui khac

 Ứng dụng: Chủ yếu dùng làm nguồn cung cấp năng lượng cho xe điện như là: ô tô, xe máy và dùng làm hệ thống lưu trữ điện dự phòng (UPS)

1.2.2 Acqui loại kiềm 12V – 10 ngăn

 Cấu tạo : bao gồm các bản cực bằng oxy hydrat - kiềm và các bản

cực âm bằng sắt ngâm trong dung dịch hydroxit kali ( KOH )

 Phân loại: Acqui loại kiềm được chia làm 2 loại phổ biến

gôm:Acqui kiềm Ni-Cd và acqui kiềm Ni-MH

o Ắc quy kiềm Ni-Cd (ắc quy Niken Cadimi): Là loại ắc quy

có chu kỳ nạp xả dài nhất (trên 1.500 chu kỳ) nhưng lại có mật độ năng lượng thấp Ngoài ra, dòng ắc quy này sử dụng cadimi nên cũng không được đánh giá cao về độ thân thiện với môi trường

o Ắc quy kiềm Ni-MH (ắc quy Niken Metal Hidrit): Đây là

dòng ắc quy sạc tương tự như ắc quy Ni-Cd nhưng nó sử dụng hỗn hợp hấp thụ hydride cho cực âm thay vì dùng

cadimi (vốn là một chất độc hại), vì thế nó ít gây hại cho môi trường hơn

 Đặc điểm:

o Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài

o Trong điều kiện máy khởi động, làm việc nặng nề hoặc cần

có yêu cầu về độ tin cậy cao thì nó có tính ƣu việt hơn hẳn acquy axit

o Quá trình nạp điện cho ắc quy kiềm không đòi hỏi nghiêm ngặt về dòng điện nạp Trị số dòng điện này có thể lớn gấp 3 lần dòng định mức cũng làm hỏng được acquy

o Ứng dụng: Sử dụng trong các thiết bị yêu cầu dòng điện lớn hoặc cần hiệu suất ổn định như xe điện, hệ thống công

nghiệp

1.3 Các đặc tính của acqui

1.3.1 Sức điện động của acqui

 Sức điện động của ắc quy chì axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân: E0 = 0,85 +γ (V)

 Trong đó:

 E0 là sức điện động tĩnh của ắc quy đơn, tính bằng V

 γ là nồng độ dung dịch điện phân ở nhiệt độ 150C tính bằng g/cm3

 Trong quá trình phóng điện, sức điện động của ắc quy được tính bằng công thức: EP = UP +IP.raq

 Trong đó :

 EP : là sức điện động của ắc quy phóng điện

 UP : là điện áp đo trên các cực của ắc quy khi phóng điện

 IP : là dòng điện phóng

 raq : là điện trở trong của ắc quy khi phóng điện

 Sức điện động En của ắc quy được tính như sau: En = Un –

In.raq

 Trong đó :

 En : sức điện động của ắc quy nạp điện

 In : dòng điện nạp

 Un : điện áp đo trên các cực của ắc quy khi nạp điện

 raq : điện trở trong của ắc quy khi nạp điện

1.4 Chế độ phóng, nạp của acqui

1.4.1 Chế độ nạp được chia làm 3 loại: Bình thường, hoàn

thiện và cân bằng.

 Chế độ nạp bình thường: có thể bắt đầu bất cứ lúc nào, với dòng điện áp nào, miễn không làm cho điện áp acquy vuotự quá điện

áp sinh hơi Chế độ nạp bình thường đem lại đến 80 – 90% dung lượng acquy

 Chế độ nạp hoàn thiện: bắt đầu khi acquy đã nạp gần đầy, phần lớn các chất tích cực trong acquy đã về với dạng ban đầu của

nó Khi đó cần tăng giá trị điện áp nạp và dòng điện sẽ suy giảm dần về 0

 Chế độ nạp cân bằng:được sử dụng theo chu kì, sau vài tuần đến

2 tháng với mục đích là làm cho các ngăn acquy có độ đồng điều Chế độ này yêu cầu điện áp nạp cao hơn so với nạp hoàn thiện và dòng điện phải giữ được ổn định trong vài giờ Thông thường sau khi acquy phóng kiệt cũng cần đến chế độ nạp này

1.4.2 Chế độ phóng điện của acqui

 Độ sâu phóng điện: thể hiện tỷ lệ phần trăm năng lượng điện đã cấp cho tải bên ngoài so với dung lượng acquy Độ sâu phóng điện, với 1 giá trị dòng phóng nào đó, bị hạn chế điện áp ngưỡng thấp nhất, thường chỉ cho phép đến 15 – 25% dung lượng acquy

 Mức độ tự phóng điện: Khi acquy ở chế độ hở mạch dung lượng acquy bị suy giảm chậm do dòng rò phía cực hoặc do cấu tạo của bản thân bên trong acquy Mức độ tự phóng của acquy tăng theo nhiệt độ, có thể đạt đến 10 -15%

1.5 Yêu cầu mạch nạp acqui

 Từ các phản tích về cấu tạo và đặc tính của acquy có thể đưa ra các yêu cầu đối với một thiết bị nạp acquy tự động Nạp acquy tự động được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, ví dụ trong các bộ nguồn một chiều dự phòng, trong các bộ nguồn cấp điện liên tục (UPS) Đặc điểm của các ứng dụng này là acquy có thể phóng điện ra tải bất cử lúc nào nhưng trong phần lớn thời gian acquy chỉ ở trong chế độ

dự phòng sẵn sàng Vì vậy nếu có điện lưới thì mạch nạp sẽ hoạt động để đảm bảo acquy luôn ở trong chế độ dung lượng đầy

 Như vậy mạch nạp tự động có các chức năng sau:

 Phát hiện các tình huống để đưa ra chế độ nạp phù hợp cho acquy

Đó là ba chế độ nạp cơ bản: chế độ nạp bình thường, chế độ nạp hoàn thiện hoặc chế độ nạp cân bằng

 Đảm bảo các chế độ nạp như trên theo đúng yêu cầu

 Ngoài ra thiết bị nạp tự động cũng phải đảm bảo ngắt tải ra khỏi acquy để tránh phóng diện sâu, phá hỏng khả năng phục hồi của

acquy Chế độ nạp cân bằng cũng phải được thực hiện định kỳ để làm tươi lại acquy và làm cho các ngăn có tính chất đồng đểu

 Các chế độ của bộ nguồn nặp gồm 3 chế độ sau đây :nạp với dòng không đổi, nạp với áp không đổi và nạp nổi

1) Nạp với dòng không đổi: Đây là chế độ nạp bình thường cảu

acquy, sẽ đưa dung lượng acquy lên đến 80 – 90% dung lương đầy Đối với acquy chì – axit dòng nạp thường lấy là C/10 chế độ này được duy trì nếu điện áp trong acquy ở trong khoảng 1,8V < Ub < 2,1V Đối với acquy kiềm thì dòng nạp thường lấy là C/5 và điện

áp trong acquy từ 0,8 V < Ub < 1,2 V

2) Nạp với điện áp không đổi: Khi điện áp ac quy đạt đến giá trị định mức 2,1V (đối với axit) và 1,2V (đối với kiềm) thì chuyển sang chế độ nạp với áp không đổi, là quá trình hoàn thiện nhằm đưa dung lượng acquy đêná 100% Điện áp nạp giữ ổn định ở mức cao

từ 2,4V – 2,45V (đối với axit) và 1,5V – 1,6V (đối với kiềm) Trong qua trình nay dòng điện sẽ giảm dần về 0

3) Nạp nổi: Thực chất là không nạp gì mà giữ điện áp ổn định ở mức 2,25V – 2,3V (đối với axit) và 1,4V – 1,45V (đối với kiềm), thấp hơn so với chế độ nạp với áp không đổi.Trong chế độ này acquy đã nạp no và không có tải, dòng vào acquy bằng 0, Điện áp của bộ nguồn chỉ có tác dụng bù lại phần nào dòng rò của acquy nếu chế

độ không tải này tồn tại lâu dài

1.6 Dung lượng nạp và phóng của acqui

a) Dung lượng nạp của acqui

Dung lượng phóng của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ắc quy cho phụ tải, được tính theo công thức:

CP = IP tP

Trong đó : CP : dung lượng thu được trong quá trình phóng điện, tính bằng Ah

IP : dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tP

b) Dung lượng phóng của acqui

Dung lượng nạp của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắc quy, được tính theo công thức:

Cn = In tn

Trong đó: Cn - dung lượng thu được trong quá trình nạp điện, tính bằng

Ah

In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp điện tn

1.7 Sơ đồ

a)Sơ đồ cho mạch nạp acqui với n x m acqui.

 Sơ đồ mạch nạp cho 1 ngăn acqui

 Sơ đồ mạch nạp cho 1 acqui

 Tính cho 124 acqui

 Ta sắp xếp 124 acqui thành 4 hàng song song với nhau, trong mỗi hàng t xếp nối tiếp 31 acqui với nhau

 Vì vậy, ta có điện áp tương ứng Ud sẽ nằm trong khoảng Umin-Umax:

o Với điện áp dành cho 1 ngăn của acqui:

0.8 < U < 1,2 (V) Với điện áp dành cho 1 acqui:

(0.8*10) < U <(1.2*10) Với điện áp dành cho 124 acqui:

(8*31) < U < (12*31)

 248 < U < 372 (V) (1)

 Tính dòng điện I(A):

 Vì ta sắp xếp 124 acqui thành 4 hàng song song và mỗi hàng có 31 acqui

 Mà I cần cho 1 acqui là C/10 = 46/10=4,6 (A)

o Vì vậy I(A) cần dùng để cung cấp cho 4 hàng và mỗi hàng 31 acqui là : I*4 (A)

 4,6*4 = 18,4(A)

 Imax=18,4 (A)

 Imin=0 (A)

 Sơ đồ dành cho 124 acqui, mắc 4 x 31

Chương 2: Tính toán thiết kế cho acqui

Hướng dẫn;

Lập luận->bài cho gì, cần thực hiện gì=> sơ bộ tìm cần sử dụng máy biến áp hay không?

U= ( Umax-Umin)

Vd (32-45) hàm

(206-264) nạp

220v-18v động cơ

380/220v => chỉnh lưu=>hàn

Cầu 1 pha Ud=U2(pha)*Kd*cos

Kd=0.9

Tia =1,17

Cầu 3 pha Kd = 2,34

U pha Có biến áp là U2

Không có biến áp = U pha nguồn cho

( xem cần b\áp hay không để cách ly )

Acqui, hình cầu 3 pha U=220v*2.34 > 206 => không cần biến áp

Thiết kế mạch lực=> dùng chỉnh lưu thyristor => bảo vệ quá áp,

Nếu có biến áp => vẽ Y-Sao

A Cấu trúc chung

B Sơ đồ mạch lực

C.Tính toán thiết kế bộ biến đổi

 Với yêu cầu của bài toán, chúng ta cần đặt ra vấn đề với số lượng acqui được sử dụng thì có xảy ra vấn đề nghiêm trọng khi nạp acqui hay không? Đó là vấn đề về có hay không phải sử dụng máy biến áp Để biết có cần sử dụng hay không chúng t phải thực hiện tìm Udtt( điện áp

1 chiều tính toán) và đem so sánh xem giá trị

Udtt có nằm trong khoảng Udmin -Udmax.

 Ta có công thức tính Udtt

Udtt= U2*Kchinh lưu *cos αtính toán

 Với U2 = Unguồn pha = 220/ √ 3 =127(V)

pha thyristor)

 Cosαtínhtoán=20˚

o Thay vào công thức ta được:

Udtt = 127*2.34*cos(20) =279.25 (V)

 So sánh kết quả Udtt ta thấy Udtt thuộc trong

khoảng giá trị Udmin – Udmax ( 248< 279,25<372 )

Vì vậy hệ



 thống nạp acqui không cần sử dụng đến máy biến áp.

1.Tính chọn van và mạch bảo vệ quá điện áp a.Tính chọn van

{V van ≥ K at .U ng

I van ≥ K at I tt

Với các giá trị:

Kat =2

Ung =127 (V)

Itt=18,4(A)

V van ≥ 2 x 127

I van ≥ 2 x 18 , 4

V van ≥ 254 V

I van ≥ 36 8 A

b Tính toán mạch bảo vệ quá điện áp:

 Hệ số quá điện áp:

 K= U imp

b Uℑ= √6 U ng

1 ,6.U ng = 1,5

U imp: điện áp đỉnh theo chu kỳ đặt lên van dẫn

b : hệ số dự trữ = 1,6

Uim : điện áp thực tế đặt lên van dẫn

 Sau khi có hệ số quá điện áp ta tra đồ thị sau:

Nhìn vào đường cong trên ta có

min = 1,5(µF) R*

max=1,5 (Ω) R*

min=0,75 (Ω)

Tính: d i

d t|max= √2U2

L C

2.Tính toán mạch lọc.

Rd ~ Ud / Id lúc ổn định => Rd = 297/18.4 =16.15 (Ω)

Ta có:

C ≥ m 1

đm w1R d K đmr => C ≥ 2.2 π 16.15 0 ,11 = 0,05 (F)

K đ mr: hệ số đập mạch ra yêu cầu thường chọn là 0,1

m đ m: hệ số đập mạch tra bảng ta có là 6

Ta có:

L ≥ Rd.Ksd/(mđm.w1) (1)

Ksd = Kđm / K đmrS

Với cầu 3 pha thì Kđm vào là 3,4

 Ksd = 3 , 4 0 ,1 = 34 Thay vào (1) ta có:

L≥16.15*34/(6.2π.50)

 L≥0,29(H)