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

Cấu trúc của một bình acquy Ắc quy là nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vàovật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân.. Acquy loại kiềm 12V – 10 ngăn Cấu tạo : bao gồm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢIKHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ -o0o -

ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA 1 – ĐTCS

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ TỦ NẠP ACQUY

Giáo viên hướng dẫn: T.s Vũ Minh Quang Sinh viên thực hiện: Trần Quang Toàn

Mã sinh viên : 2151210675

Lớp : 63TĐH -ĐK2

Hà Nội : 2024

- Số lượng acquy : 100( chiếc )

- chỉnh lưu : tia 3 pha

- Sđđ mạch điều khiển : E = + 15 V

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

- Góc điều khiển tính toán : 200

- Góc giới hạn điều khiển : max = (α cho phép chỉnh lưu -5%)

- Điện áp răng cưa max : 9.5 V

- Điện áp đồng pha max: 12 V

- Sdd mạnh điều khiển E = +15 V

- Chất lượng bộ biến đổi:Δⅈ=0.5A; ΔV=0.5V

- Nhóm acquy nạp: 10x10 (10 hàng acquy gồm 10 acquy nối tiếp, mắc song song với nhau)

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

của ACQUY

1.1 Cấu trúc của một bình acquy

Ắc quy là nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vàovật 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 vớinhau

Hình 1 Cấu trức bình acquy

1.2 Phân loại acquy

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 Acquy loại axit: 12V – 6 ngăn

 Cấu tạo: Gồm hai bản cực chì và chì oxit (Pb và PbO₂) được ngâmtrong 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 Acquy 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: Acquy 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 acquy

1.3.1 Sức điện động của acquy

 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 acquy

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 dòngđiện 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% dunglượng 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 giảmdần 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 acquy

 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 acquy

 Từ các phản tích về cấu tạo và đặc tính của acquy có thể đưa ra cácyêu cầu đối với một thiết bị nạp acquy tự động Nạp acquy tự độngđược 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 cửlúc 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 đãnạp 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. Sơ đồ (cho 100 acquy axit = 10(hàng)x10(cột) acquy)

a)Sơ đồ cho 1 ngăn acquy axit (1 acquy axit gồm 6 ngăn)

1) Giai đoạn nạp với dòng không đổi, chế độ bình thường2) Giai đoạn nạp với áp không đổi, chế độ hoàn thiện3) Giai đoạn nạp nổi, không tải

Sơ đồ cho 1 acquy axit với 6 ngăn mắc nối tiếp (ta sẽ nhân các giá trị U lên 6 lần vì 6 ngăn nối tiêp được 1 acquy axit)

Sơ đồ cho mạch mắc 10 x 10 acquy ( ta tiếp tục nhân các giá trị u ở 1 acquy axit cho 10 vì có 10 ác quy mắc nối tiếp)

Từ sơ đồ trên, ta có thể thấy được các số liệu điện áp lớn nhất, điện ápnhỏ nhất dòng điện nạp

- Điện áp nạp lớn nhất: Umax = 2,6*6*10 = 156 (V)

- Điện áp nạp nhỏ nhất: Umin = 1,8*6*10 = 108 (V)

- Dòng nạp ở chế độ nạp với dòng không đổi: Id = 40 (A)

b)Sơ đồ chuyển trạng thái logic quá trình nạp acquy tự động

- Nạp với dòng không đổi (1), chế độ bình thường, Ib = 4 (A), khi 1,8V < Ub < 2,1V

- Nạp với áp không đổi (2), chế độ hoàn thiện, Ub = 2,4 ÷ 2,45 V

- Nạp nổi (3), không tải, Ub = 2,25 ÷ 2,3 V

- Nạp cân bằng, dòng không đổi, Ib = 4 ÷ 8V

Sơ đồ chuyển trạng thái logic quá trình nạp acquy tự động

Chương 2: Tính toán thiết kế cho acquy

I Giới thiệu về mạch chỉnh lưu

- Chỉnh lưu là quá trình biến đổi dòng điện xoay (AC) chiều thành dòng điện một chiều (DC) Mạch chỉnh lưu được sử dụng vô cùng rộng rãi trong thực tế Vô số những thiết bị điện tử hiện nay sử dụng dòng điện một chiều, tuy nhiên sử dụng trực tiếp dòng một chiều vô cùng tốn kém

Do đó, mạch chỉnh lưu được sử dụng để chuyển đổi điện từ mạng lưới điện thành dòng điện một chiều cung cấp cho các thiết bị điện tử - Cấu trúc của một mạch chỉnh lưu bao gồm:

● Máy biến áp ( MBA): Máy biến áp được sử dụng chủ yếu là máy hạ

áp, được sử dụng nhằm mục đích hạ mức điện áp từ lưới xuống mức điện áp phù hợp cho mục đích sử dụng

● Chỉnh lưu: Là sơ đồ chỉnh lưu thực hiện chức năng biến đổi điện xoay chiều thành điện một chiều

● Mạch lọc: Gồm những phần tử như tụ điện, cuộn cảm có chức năng lọc nhiễu và làm san phẳng điện áp sau chỉnh lưu Giúp cho điện áp ổn định hơn

● Mạch phản hồi: Làm chức năng đo lường tín hiệu như dòng điện, điện

áp ở lối ra mạch chỉnh lưu đưa đến mạch điều khiển

● Mạch điều khiển: Có chức năng điều khiển các thyristor trong mạch chỉnh lưu có điều khiển

II Mạch chỉnh lưu tia 3 pha không điều khiển

ωt ∈[ π6, 5 π6 ] → Ua max→ (D1 on), (D2 ,D3 off )

ωt ∈[ 5 π6 , 9 π6 ] → Ub max→ (D2 on), (D1 ,D3 off )

ωt ∈[9 π6 , 13 π6 ] → Uc max→ (D3 on), (D1 ,D3 off )

Nhóm acquy

nạp n hàng m

cột

Bộ điều khiển Lưới điện 3

pha ~

- Xác định điện áp thứ cấp biến áp cung cấp cho đầu vào mạch chỉnhlưu:

U2xKchỉnh lưu x cosφ = Udmax

Giá trị điện áp ngược max:u ngmax= 2,45.u2 =2,45.141,9=347,655(v)

- Điện áp đặt vào van là điện áp sau MBA, trước chỉnh lưu:

Điện áp cực đại (Udm): 700V

Dòng điện cực đại (Idm): 26,6A

Điện áp ngưỡng (U_GT): 2V

Dòng điện ngưỡng (I_GT): 2-20mA

Dòng điện giữ (I_H): 60mA

Thời gian bật (T_on): 2,5µs

Thời gian tắt (T_off): 50µs

Nhiệt độ hoạt động tối đa (T_J): 125°C

Bảo vệ van

- Tính chọn bảo vệ quá áp

Hệ số quá điện áp:

k = Uim p b ∗Uim = 2 , 45.u 2 b ∗u 2 = 1,53125

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:

C*

min = 1,4(µF) R*

max=1,6 (Ω) R*

min=0,75 (Ω)Tính Lc=Lba

Dung công thức

Chỉnh lưu tia 3 pha nên ta có

Điện áp chỉnh lưu không tải

u d ,kt=ud + ΔUvan + ΔUy + ΔU dây nối

Ta có: ΔU dây nối= ¿Id.Rd mà Rd bằng 0 => ΔU dây nối=0

Ud=Udmax =156

ΔUvan=2(tia 3 pha)

Điện áp sơ cấp MBA: u1=380 v

Điện áp pha thứ cấp của MBA

Bản vẽ thiết kế trụ máy biến áp

- Tính toán dây quấn:

 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp:

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật cách điện cấp B

Chuẩn hóa tiết điẹn theo tiêu chuẩn S1=3,5 mm2 kích thước đây dẫn có kê cách điện

 Tiết diện dây thứ cấp:

S2 = J 2 I 2 = 2 ,7523.2 = 8,4(mm2)

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật cách điện cấp B

Chuẩn hóa tiết điẹn theo tiêu chuẩn S2=8,5mm2 kích thước đây dẫn

có kê cách điện

Kết cấu dây dẫn sơ cấp:

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục:

-tính sơ bộ số vòng dây trên 1 lớp

Hg :khoảng cách trụ gông đến cuộn dây SC=1,5

-Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp

n11=w1

w11=40344 =9,15=9 lớp

chiều cao thực thế của cuộn sơ cấp

Chọn bề dày giữa 2 lớp dây ở cuộn SC:cd11=0,1mm

Bề dày cuộn sơ cấp

Chọn bề dày cách điện giữa các lớp dây ở cuộn dây thứ cấp cd2=0,1mm

- Ksb = 1, 32 0 ,1 = 13,2Thay vào (1) ta có:

L≥13,14*13,2/(3.2π.50)

 L≥0.184 (H)

IV Thiết kế mạnh điều khiển

❖ Yêu cầu chung của mạch điều khiển

- Yêu cầu về độ rộng xung điều khiển đó là : phải thay đổi được độ rộng xung điều khiển

- Yêu cầu về độ dốc sườn trước của xung (càng cao thì việc mở càng tốt, thông thường ⅆi dk

t

ⅆ ≥0,1𝐴/𝜇𝑠

- Phát xung điều khiển đến các van lực theo đúng các pha và với góc điều khiển cần thiết - Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển 𝐷𝑚𝑖𝑛

đến 𝐷𝑚𝑎𝑥 tương ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra tải của mạch lực

- Cho phép động cơ làm việc với các chế độ đã tính toán nhứ chế độ : khởi động, hãm tái sinh, đảo chiều quay…

- Có độ đối xứng điều khiển tốt, tức là góc điều khiển với mọi van khôngvượt quá 10 đến 30 điện

- Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt : không được gây ra các nhiễu vô tuyến

- Độ tác động của mạch điều khiển nhanh

- Thực hiện các yêu cầu bảo vệ các van nếu cần như ngắt các xung điều khiển khi có sự cố, thông báo các hiện tượng không bình thường của lưới và bản thân mạch mạch điều khiển

- Có độ tin cậy cao

❖ Nguyên lý chung của mạch điều khiển

Nguyên tắc chung của mạch điều khiển là so sánh một điện áp một chiềuUĐK thay đổi được với một điện áp tam giác có tần số cao Điểm can bằng giữa Utg và UĐK là điểm phát xung điều khiển để mở các vna bán dẫn

Bằng cách thay đổi UĐk ta sẽ thay đổi được độ rộng xung điều khiển trong khi vẫn giữ tần số điều khiển không đổi

A) Nguyên lý mạch điều khiển:

1) Khâu đồng bộ và khâu tạo điện áp tựa:

Khâu đồng bộ: lấy tín hiệu Ulực tạo tín hiệu cùng pha với chân anode của thyristor để đưa vào điều khiển Khâu tạo điện áp tựa: lấy tín hiệu từkhâu đồng bộ để chuyển thành điện áp tựa Urc, thường có dạng răng cưatuyến tính Thông thường khâu đồng pha và khâu tạo điện áp tựa đi kèm với nhau Sơ đồ khâu đồng pha áp Do vậy, việc điều khiển điện áp từ 0 tới cực đại là hoàn toàn đáp ứng được

2) Khâu so sánh:

Có nhiệm vụ so sánh điện áp tựa với điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau Uđk = Urc Tại thời điểm này, phát xungđiện áp Uss ở đầu ra để đưa vào khâu tiếp theo

3)Khâu tạo dãy xung:

Đối với một số sơ đồ mạch, để giảm công suất cho tầng khuếch đại và tăng số lượng xung kích mở, nhằm đảm bảo thyristor mở một cách chắc chắn, người ta phát xung chùm cho các thyristor Nguyên tắc phát xung

chùm là trước khi vào tầng khuếch đại, ta đưa thêm một cổng logic ANDvới tín hiệu vào nhận từ tầng so sánh và từ bộ phát xung chùm.

B Tạo nguồn cho mạch điều khiển

Trong toàn bộ sơ đồ ta sử dụng IC555 và mạch drive M57915 khuếch đại

● Thông số: + Điện áp đầu vào: 2 - 18V (Tùy từng loại của 555:

LM555, NE555, NE7555…)

+ Dòng tiêu thụ: 6mA - 15mA

+ Điện áp logic ở mức cao: 0.5 - 15V

+ Điện áp logic ở mức thấp: 0.03 - 0.06V

+ Công suất tiêu thụ (max) 600mW

● Chức năng của 555

+ Tạo xung

+ Điều chế được độ rộng xung (PWM)

+ Điều chế vị trí xung (PPM) (Hay dùng trong thu phát hồng ngoại)…

● Mạch nạp