Thiết kế nguồn nạp cho ắc quy

Thiết kế nguồn nạp cho ắc quy

1 U CẦU THIẾT KẾ Thiết kế nguồn nạp cho ắc qui với các số liệu cho trước như sau: Điện áp định mức : U đm =(60 ÷120 )V Dòng nạp định mức: I đm = 80A Dòng nạp min : I min =20A NỘI DUNG ĐỒ ÁN Trang Phần I: Giới thiệu chung về ắc quy và cơng nghệ nạp ắc quy 2 PhầnII: Lực chọn phương án thiết kế mạch lực 12 Phần III: Tính tốn thiết kế mạch lực 21 Phần IV: Xây dựng mạch điều khiển 26 Phần V: Tính tốn thiết kế mạch điều khiển 36 THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 2 PHẦN I GIỚI THIỆU CHUNG ẮC QUY VÀ CƠNG NGHỆ NẠP ẮC QUY TỰ ĐỘNG I.1. GIỚI THIỆU VỀ Ắ C QUY Bình ắc quy giúp cho ta có một nguồn điện năng tự chủ. Đó là các bình chứa hay tích trữ điện năng. Nhiệm vụ của nó là : khi cần thiết, năng lượng tích trữ này sẽ được giải phóng và sau đó có thể tích lũy năng lượng trở lại (q trình phóng – nạp điện của ắc quy). Bình ắc quy được sửa phổ biến trong nhiều thiết bị điện trong cơng nghiệp và đời sống hàng ngày. I.1.1. Khái niệm về ắc quy Ắ c quy là thiết bị điện. Nó được dùng làm nguồn cung điện một chiều cho các thiết bị điện. Ắ c quy có khả năng tích trữ điện năng dưới dạng điện điện hóa học và phục hồi năng lượng này dưới một nguồn điện nạp hợp lý. Ắ c quy được chế tạo ra theo nhiều loại khác nhau nhưng phổ biến và thường gặp trong thực tế là ắc quy chì (hay ắc quy axit.) và ắc quy nickel (hay ắc quy kiềm). I.1.2. CÁC LOẠI BÌNH ẮC QUY I.1.2.1. ắc quy chì (hay ắc quy axít) Hai điện cực cơ bản là chì được nhúng vào trong bình cách điện có chứa chất điện phân. (nước + a xít sunfuric). Khi nạp điện và ắc quy (tích lũy điện năng cho ắc quy) thì dòng điện trong bình ở trong bình chạy từ cực dương sang âm; khi phóng thì dòng điện chạy ngược lại. I.1.2.2. ắc quy nickel (hay ắc quy kiềm) Nó gồm một bản cực dương dựa trên vật liệu cơ bản là kiềm (nickel) và một bản cực âm dựa trên vật liệu cơ bản là sắt và cát-đi-mi. Chất điện phân là dung dịch cácbơnát-kali (KOH). THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 3 I.1.3. Cấu tạo của ắc quy ( ắc quy chì) Cấu trúc của bình ắc quy gồm hai điện cực cơ bản là chì được nhúng vào trong bình cách điện có chứa chất điện phân. (nước + a xít sunfuric). Về cơ bản bình ắc quy được cấu thành bằng cách ghép nối nhiều ắc quy đơn lại với nhau. Cấu trúc của một ắc quy đơn gồm có phân khối cực dương, phân khối bản cực âm và các tấm ngăn. Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau. Cấu tạo của một bản cực trong ắc quy gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó. Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng được đúc từ chì và có pha thêm (5 ÷ 8)% ăng ti moang (Sb) và tạo hình mắt lưới . Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc. Trong thành phần chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hưu cơ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện được độ thấm sâu của dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hố học của các bản cực cũng được tăng thêm. Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc quy đơn được hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với nhau thành khối bản cực âm. Số lượng các bản cực trong mỗi ắc quy thường từ 5 ÷ 8, bề dầy tấm bản cực dương của ắc quy THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 4 thường từ 1,3 đến 1,5 mm, bản cực âm thường mỏng hơn 0,2 ÷ 0,3 mm. Số bản cực dương trong ắc quy thường nhiều hơn số bản cực âm một bản nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực. Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn được làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 ÷ 1,2 và có dạng lượn sóng, trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho phép dung dịch điện phân đi qua. I.1.4. Q trình biến đổi năng lượng trong ắc quy Ắ c quy là nguồn năng lượng một chiều có tính chất thuận nghịch: nó tich trữ năng lượng dưới dạng hố năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Q trình ắc quy cấp điện cho mạch ngồi được gọi là q trình phóng điện, q trình ắc quy dự trữ năng lượng được gọi là q trình nạp điện. I.1.4.1. Q trình biến đổi năng lượng trong ắc quy chì (ắc quy axít) Kí hiệu hố học biểu diễn ắc quy chì (ắc quy axít) có dung dich điện phân là axít sunfuric (H 2 SO 4 ) nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3% bản cực âm là Pb và bản cực dương là PbO 2 có dạng: (- ) Pb  H 2 SO 4 d = 1,1 ÷ 1,3  PbO 2 ( + ) Phương trình hóa học biểu diễn q trình phóng nạp của ắc quy axít: phóng PbO 2 + 2H 2 SO 4 + Pb 2PbSO 4 + 2H 2 O nạp Thế điện động e = 2,1 V. I.1.4.2. Q trình biến đổi năng lượng trong ắc quy nickel (ắc quy kiềm) THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 5 Kí hiệu hố học biểu diễn ắc quy nickel (ắc quy kiềm) có dung dich điện phân là KOH nồng độ d = 20 % bản cực âm là Fe và bản cực dương là Ni(OH) 3 có dạng : ( - ) Fe  KOH d = 20%  Ni(OH) 3 ( + ) Phương trình hóa học biểu diễn q trình phóng nạp của ắc quy kiềm : phóng Fe + 2NI(OH) 3 Fe(OH) 3 + 2Ni(OH) 2 nạp Thế điện động e = 1,4 V. Nhận xét: Từ phương trình hóa học q trình phóng nạp của ắc quy, ta thấy trong q trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân thay đổi. Khi ắc quy phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi ắc quy nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. Do đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc quy. I.1.5. Các đặc tính cơ bản của ắc quy . Sức điện động của ắc quy chì (ắc quy axít) và ắc quy nickel (ắc quy kiềm) phụ thuộc vào nồng độ dung dịch chất điện phân. Do đó để tính sức điện động của ắc quy, người ta thường sử dụng cơng thức kinh nghiệm : E o = 0,85 + ρ ( V ) Trong đó: E o : Sức điện động tĩnh của ắc quy (V). ρ: Đại lượng có giá trị bằng nồng độ dung dịch chất điện phân ở 15 °C (V). THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 6 Trong q trình phóng điện sức điện động (E p ) của ắc quy được tính theo cơng thức: E p = U p + I p .r b Trong đó: E p : Sức điện động của ắc quy khi phóng điện (V). I p : Dòng điện phóng (A). U p : Điện áp đo trên các cực của ắc quy khi ắc quy phóng điện (V). r b : Điện trở trong của ắc quy khi phóng điện (Ω). Trong q trình nạp sức điện động (E n ) của ắc quy được tính theo cơng thức: E n = U n - I n .r b Trong đó: E n : Sức điện động của ắc quy khi nạp điện (V). I n : Dòng điện nạp (A). U n : Điện áp đo trên các cực của ắc quy khi ắc quy nạp điện (V). r b : Điện trở trong của ắc quy khi nạp điện ( Ω ) Dung lượng phóng của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng của ắc quy cho phụ tải, và được tính theo cơng thức: C p = I p .t p Trong đó: C p : Dung lượng ắc quy trong thời gian phóng t p (Ah). I p : Dòng điện phóng ổn định của ắc quy trong thời gian ắc quy phóng điện t p (A). t p : Thời gian ắc quy phóng điện (h). THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 7 Dung lượng nạp của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắc quy và được tính theo cơng thức: C n = I n .t n Trong đó: C n : Dung lượng ắc quy trong thời gian nạp t n (Ah). I n : Dòng điện nạp ổn định của ắc quy trong thời gian ắc quy nạp điện t n (A). t n : Thời gian ắc quy nạp điện (h). I.1.5.1. Đặc tính phóng điện của ắc quy H.I.1.5.1. Đặc tính phóng của ắc quy Đặc tính phóng của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng khơng thay đổi. THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 8 Từ đặc tính phóng của ắc quy như trên hình vẽ (H.I.1.5.1.) ta có nhận xét sau: - Trong khoảng thời gian phóng từ t p = 0 đến t p = t gh sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian này độ dốc của đồ thị khơng lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép, tương ứng với chế độ phóng điện này của ắc quy ta có dòng điện ổn định chạy trong mạch phóng điện của ắc quy (dòng điện phóng). - Từ thời gian t gh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu ta tiếp tục cho ắc quy phóng điện sau t gh thì sức điện động, điện áp của ắc quy sẽ giảm rất nhanh. Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO 4 ) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thơ rắn (do q trình biến đổi hố học) rất khó hồ tan trong q trình nạp điện trở lại cho ắc quy sau này. Thời điểm t gh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc quy, các giá trị E p , U p , ρ tại t gh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc quy. Ắ c quy khơng được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80% dung lượng định mức của nó. - Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc quy. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc quy (dòng điện phóng và thời gian phóng). THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 9 I.1.5.2. Đặc tính nạp của ắc quy H.I.1.5.2. Đặc tính nạp của ắc quy Đặc tính nạp của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sức điện động , điện áp và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp khơng thay đổi . Từ đồ thị đặc tính nạp như hình vẽ (H.I.1.5.2.) ta có các nhận xét sau : - Trong khoảng thời gian từ t n = 0 đến t n = t gh thì sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch chất điện phân tăng dần. - Tới thời điểm t s trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tượng" sơi " ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc quy đơn tăng đến 2,4 V. Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V và giữ ngun. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN 10 dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi tuần hồn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc quy. - Thời gian nạp no cho ắc quy kéo dài từ 2 ÷ 3 h, trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân khơng thay đổi. Như vậy dung lượng thu được khi ắc quy phóng điện ln nhỏ hơn dung lượng cần thiết để nạp no ắc quy. - Sau khi ngắt mạch nạp điện áp, sức điện động của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc quy sau khi nạp. - Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc quy. Dòng điện nạp định mức đối với ắc quy là I n = 0,1.C 10 .Trong đó C 10 là dung lượng của ắc quy mà với chế độ nạp với dòng điện định mức là I n = 0,1C 10 thì sau 10 giờ ắc quy sẽ đầy. Ví dụ: Nếu một ắc quy có dung lượng C = 180 Ah thì ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dung lượng ( tức In = 18 A ) thì sau 10 giờ ắc quy sẽ đầy. I.1.6. So sánh sự khác nhau giữa ắc quy chì (ắc quy axít) và ắc quy nickel(ắc quy kiềm) Cả hai loại ắc quy này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Những đặc điểm khác nhau giữa ắc quy axít và ắc quy kiềm: ắc quy axít ắc quy kiềm - Khả năng q tải khơng cao, dòng nạp lớn nhất đạt được khi q tải có thể đạt tới I nmax = 20%C 10 . - Hiện tượng tự phóng lớn, ắc quy - Khả năng q tải rất lớn, dòng điện nạp lớn nhất khi q tải có thể đạt tới I nmax = 50%C 10 . - Hiện tượng tự phóng nhỏ. THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN [...]... cách n nh dòng n p cho c quy - Khi dung lư ng c a c quy dâng lên t c gi n n 80% lúc ó n u ta c ti p nh dòng n p thì c quy s sơi và làm c n nư c Do ó o n này ta l i ph i chuy n ch áp ư c gi cho n p c quy sang ch n giai n áp Ch n n khi c quy ã th c s no Khi i n áp trên các b n c c c a c quy b ng v i i n áp n p thì lúc ó dòng n p s t ng gi m v khơng, k t thúc q trình n p - Tuỳ theo lo i c quy mà ta n p v... n p i n cho c quy ho c n p s a ch a cho các c quy b Sunfat hố V i phương pháp này c quy ư c m c n i ti p nhau và ph i tho mãn i u ki n ( c quy chì): Un ≥ 2,7.Naq Trong ó: Un: i n áp n p 11 THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN Naq: S ngăn c quy ơn m c trong m ch Trong q trình n p s c i n dòng i n n p khơng R= duy trì i ta ph i b trí trong m ch n p bi n tr R Tr s gi i ư c xác h n c a bi n tr ng c a c quy tăng... theo m t t s n thì ta ch n phương án n p c quy là phương pháp dòng áp u tiên c quy ư c n p theo phương pháp dòng khơng khi c quy i cho t i t t i tr ng thái no thì chuy n sang q trình n p c quy theo phương pháp i n áp khơng i i v i c quy axit: a, b o m th i gian n p cũng như hi u su t n p thì trong kho ng th i gian tn = 8h tương ng v i 75÷80 % dung lư ng c quy ta n p v i dòng i là In = 0,1.C10 Vì theo... thì khi dòng i n khơng i, do ó b o quy b t m tính i thì i n áp, s c i n ng t i ít thay u v t i cho thi t b n p Sau th i gian 8 h c u sơi lúc ó ta chuy n sang n p ư c 10 h thì c quy b t b, ng c tính n p c a c quy trong o n ch n áp Khi th i gian n p u no, ta n p b xung thêm 2 ÷ 3 h i v i c quy ki m: Trình t n p cũng gi ng như c quy axit nhưng do kh năng q t i c a c quy ki m l n nên lúc n dòng ta có th... Các q trình n p c quy t ng k t thúc khi b c t ngu n n p ho c khi n p n áp v i i n áp b ng i n áp trên 2 c c c a c quy, lúc ó dòng n p s t t gi m v khơng K t lu n : - Vì c quy là t i có tính ch t dung kháng kèm theo s c ph n i n ng cho nên khi c quy ói mà ta n p theo phương pháp i n áp thì dòng 13 THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN ng dâng nên khơng ki m sốt ư c s làm sơi c i n trong c quy s t quy d n n h ng... PHƯƠNG PHÁP N P C QUY T D a vào ng mơi trư ng là th p NG c tính n p c a c quy ta có th ưa ra ba phương án n p c quy là - Phương pháp dòng i n (dòng i n khơng - Phương pháp i n áp ( i n áp khơng i) i) - Phương pháp dòng áp (k t h p hai phương pháp trên) I.2.1 Phương pháp n p c quy v i dòng i n khơng i ây là phương pháp n p cho phép ch n ư c dòng n p thích h p v i m i lo i c quy, b o m n p c quy ư c no trong... ho t ng hi u qu M ch i u khi n là khâu r t quan tr ng trong b n p i n cho c quy, nó có vai trò quy t nh n ch t lư ng, tin c y c a b n p M ch i u khi n r t a d ng, nhưng v i h th ng m ch l c c th c a m ch n p c quy u c u có m t h m 2 tiristor t Do ó i u khi n thích ng i u khi n th i i m phát xung ó i u khi n i n áp và dòng n p cho c quy i u khi n m 2 tirristor T1 và T2 c a m ch l c, M ch i u khi n ph... Vì v y i ch là phương pháp n p b xung cho c quy trong q trình s d ng Phương pháp n p c quy v i i n áp khơng no c quy I.2.3 Phương pháp n p dòng áp 12 i thích h p v i vi c n p THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN ây là phương pháp t ng h p c a hai phương pháp trên Nó t n d ng ư c nh ng ưu i m c a m i phương pháp i v i u c u c a n p m i q trình bi n trình t ã bài là n p c quy t i và chuy n hố ư c t ng t c là trong... m v khơng, k t thúc q trình n p - Tuỳ theo lo i c quy mà ta n p v i các dòng i n n p khác nhau c quy axít: Dòng n p: In = 0,1C10 Dòng i n n p cư ng b c: In = 0,2C10 c quy ki m: Dòng n p: In = 0,2C10 Dòng i n n p cư ng b c: In = 0,5C10 - T các phân tích trên, n u ta thi t k n p i n cho c quy chì ( c quy axít) thì có các s li u sau: Dòng n p l n nh t: Inmax = I Trong ó I m (A) = 80 A Inmax = I m =... pha khơng i x ng dùng cho m ch l c m ch n p c quy t áp ng ư c u c u k thu t v a b o 27 ng Phương án này v a m cho vi c thi t k THƯ VIỆN ĐIỆN TỬ TRỰC TUYẾN PH N III TÍNH TỐN THI T K M CH L C Ta ch n phương án thi t k cho m ch n p cqui là sơ i x ng Sơ 1 pha khơng ch nh lưu c u ngun lý m ch l c như sau : H.III.1 Sơ ngun lý m ch l c III.1 Tính ch n van m ch l c III.1.1 L a ch n van cho m ch l c i n áp ngu . thái tích điện của ắc quy. I.1.5. Các đặc tính cơ bản của ắc quy . Sức điện động của ắc quy chì (ắc quy axít) và ắc quy nickel (ắc quy kiềm) phụ thuộc. chì (hay ắc quy axit.) và ắc quy nickel (hay ắc quy kiềm). I.1.2. CÁC LOẠI BÌNH ẮC QUY I.1.2.1. ắc quy chì (hay ắc quy axít) Hai điện cực cơ