Thiết kế bộ nạp ắc quy tự động ổn dòng và ổn áp

Thiết kế bộ nạp ắc quy tự động ổn dòng và ổn áp

http://www.ebook.edu.vn Trang 1 Đề tài 8 thiết kế bộ nạp ác quy tự động ổn dòng và ổn áp Đề bài Thiết kế nguồn nạp ác quy . Bộ nguồn phải đảm bảo hai chế độ nạp: nạp ổn định dòng điện và nạp ổn điện áp . Khi ác quy đã đầy phải ngắt nguồn nạp : U đm = 16 -28 V I đm = 100 A I min = 10 A . http://www.ebook.edu.vn Trang 2 Lời nói đầu Tự động hóa đã phát triển và mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn cho sự phát triển tất cả các ngành kĩ thuật của thế giới.Tuy nhiên,ở nớc ta nó mới đợc ứng dụng và phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.Nó giúp nớc ta phát triển để tiến tới trở thành một nớc Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa. Bởi vậy tự động hóa đợc nghiên cứu ở tất cả các ngành kĩ thuật trong trờng nói chung và ngành tự động hóa nói riêng Ngày nay hầu nh tất cả các máy móc thiết bị trong công nghiệp cũng nh trong đời sống hàng đều phải sử dụng điện năng , phần lớn các thiết bị đều sử dụng điên lới ,Tuy nhiên thực tế có những lúc rất cần năng lợng điện mà ta không thể lấy năng lợng điện từ lới điện đợc. Do đó ta phải lấy các nguồn điện dự trữ nh ác quy,hơn nữa ác qui đợc sử dụng nhiều trong công nghệ ô tô,xe máy . Do vậy mà việc có một công nghệ nạp ác qui tối u là rất cần thiết và quan trọng .Trong đồ án này, em đợc giao thiết kế bộ nạp ác qui.Trong quá trình làm chúng em luôn đợc sự giúp đỡ ,chỉ bảo hết sức tận tình của thầy PHM QUC HI,nhờ có thầy chỉ dẫn mà em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.Tuy nhiên do có hạn chế về mặt kiến thức nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót Em xin cám ơn tất cả các thầy cô trong ngành tự động hóa đã cho chúng em đợc làm đồ án đầy bổ ích này ,đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PHM QUC HI ,ngời luôn tận tình giúp đỡ và hớng dẫn chúng em.Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2008 Sinh viên thực hiện Phạm văn Luyện http://www.ebook.edu.vn Trang 3 Chơng I Giới thiệu chung về ác qui I. Khái quát chung về cấu tạo và nguyên lý làm việc của ác qui c qui là nguồn điện hoá hoạt động trên cơ sở hai điện cực có điện thế khác nhau,dùng để tích trữ điện năng , cung cấp dòng một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng nh trong dân dụng. Có nhiều loại ác qui nhng phổ biến là hai loại acqui: ác qui axit (ác qui chì) và ác qui kiềm.Tuy nhiên ác qui axít đợc sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn vì so với ác qui kiềm thì ác qui axít có: + Sức điện động cao(2V),sụt áp trong quá trình phóng nhỏ + Điện trở trong nhỏ + Giá thành của ác qui axit rẻ hơn so với acqui kiềm. Trong đồ án này em ác qui axit để nghiên cứu công nghệ và thiết kế nguồn nạp acqui tự động. 1. Cấu tạo của ác qui axit Bình ác qui axit gồm vỏ bình, các bản cực, các tấm ngăn và dung dịch điện phân. 1.1. Vỏ bình Vỏ bình ác qui axit đợc chế tạo bằng nhựa êbônit hoặc anphantơpéc hay cao su nhựa cứng. Bên trong bình lót một lớp chịu axit là polyclovinyl để tăng tuổi thọ của bình Phía trong vỏ bình chia thành các ngăn riêng biệt. Mỗi ngăn đợc gọi là một ngăn ác qui đơn, trong đồ án này, nghiên cứu ác qui chì với điện áp danh định là 14V có bẩy ngăn ác qui đơn. http://www.ebook.edu.vn Trang 4 1.2. Bản cực Bản cực gồm cốt hình lới đợc đúc bằng hợp kim chì (Pb) - antimon (Sb) với tỷ lệ (87 ữ 95)% Pb - (5 ữ 13)% Sb và chất tác dụng. Phụ gia antimon thêm vào có tác dụng tăng độ cứng, giảm han gỉ và cải thiện tính đúc cho cốt. Cốt để giữa chất tác dụng để phân khối dòng điện khắp bề mặt bản cực ,có vấu để hàn nối các bản cực thành phần thành khối bản cực Bản cực âm chất tác dụng đợc chế tạo từ bột chì, axit sunfuric đặc và khoảng 3% các muối của axit hữu cơ ,các bản cực dơng chất tác dụng đợc chế tạo từ các ôxít chì Pb 3 O 4 , PbO và dung dịch axit sunfuric đặc. Phụ gia muối của axit hữu cơ trong bản cực âm có tác dụng tăng độ xốp, cải thiện đợc độ thấm sâu của dung dịch điện phân, gia tăng phản ứng hoá học trong bản cực Những bản cực cùng tên đợc hàn với nhau tạo thành các khối bản cực và đợc hàn nối ra tải tiêu thụ. Nếu muốn tăng dung lợng của ác qui thì phải tăng số tấm bản cực mắc song song ,muốn tăng điện áp danh định của ác qui thì tăng số tấm bản cực mắc nối tiếp. 1.3. tấm ngăn các bản cực âm và dơng đợc lắp xen kẽ và cách điện với nhau bởi các tấm ngăn Các tấm ngăn phải là chất cách điện tốt ,bền dẻo,xốp ,chụi axít để chống chập mạch giữa các bản cực âm và dơng, đồng thời đỡ các tấm bản cực khỏi bị bong rơi ra khi sử dụng acqui. 1.4. Dung dịch điện phân Dung dịch điện phân là dung dịch axit sunfuric (H 2 SO 4 ) đợc pha chế từ axit nguyên chất với nớc cất tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu và vật liệu làm tấm ngăn. Nồng độ dung dịch axit sunfuric http://www.ebook.edu.vn Trang 5 = (1,1 1,3) g/cm 3 và có ảnh hởng lớn đến sức điện động của ác qui. Nhiệt độ môi trờng có ảnh hởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân. Trong điều kiện khí hậu nớc ta thì mùa hè chọn nồng độ dung dịch từ(2,5-2,6) g/cm 3 , mùa đông chọn nồng độ khoảng 1,27 g/cm 3 . Vì nồng độ quá cao sẽ làm chóng hỏng tấm ngăn, bản cực dễ bị sunfat hoá. Nồng độ quá thấp làm điện dung và điện áp định mức của acqui giảm 1.5. Nắp và cầu nối Nắp làm bằng nhựa êbônit hoặc bằng bakêlit,trên nắp có lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân Cầu nối thờng làm bằng chì, dùng để nối các ngăn ác quy đơn với nhau 2. Quá trình biến đổi hoá học trong ác qui Trong ác qui thờng xảy ra hai quá trình hoá học thuận nghịch đặc trng cho quá trình nạp và phóng điện. Khi ác qui đã nạp no, chất tác dụng ở các bản cực dơng là PbO 2 còn ở bản cực âm là chì xốp Pb. Khi phóng điện, các chất tác dụng ở hai bản cực đều trở thành sunfat chì PbSO 4 có dạng tinh thể nhỏ. Khi nạp điện xảy ra phản ứng: - ở cực dơng: PbSO 4 2e + 2H 2 O = PbO 2 + H 2 SO 4 + 2H + ( 2.1) - ở cực âm: PbSO 4 + 2e + 2H + = Pb + H 2 SO 4 (2.2) -Toàn bộ quá trình xảy ra trong acqui khi nạp điện là: 2PbSO 4 + 2H 2 O = Pb + PbO 2 + 2 H 2 SO 4 (2.3) Kết quả là tạo thành một điện cực Pb và một điện cực PbO 2 . http://www.ebook.edu.vn Trang 6 Khi nối hai điện cực Pb và PbO 2 với tải, lúc này hoá năng đợc dự trữ trong acqui sẽ chuyển thành điện năng. ở các điện cực sẽ xảy ra các phản ứng ngợc của (2.1) và (2.2), nghĩa là trong ác qui sẽ xảy ra phản ứng ngợc của (2.3). Acqui sẽ cung cấp dòng điện cho đến khi cả hai điện cực lại trở thành PbSO 4 nh ban đầu 3. các thông số và đặc tính của ác qui 3.1. Sức điện động của ác qui * Sức điện động của ác qui axit phụ thuộc vào đặc tính lý hoá của vật liệu làm các bản cực , dung dịch điện phân và đợc xác định bằng công thức thực nghiệm E 0 = 0,85 + (V). Trong đó: E 0 : Sức điện động tĩnh của acqui đơn, tính bằng vol. : nồng độ dung dịch điện phân tính bằng vol quy về +15 0 C. *Sức điện động của ác qui khi phóng điện E p = U p + I p . r aq Trong đó: I p : Dòng điện phóng (A) U p : điện áp đo trên các cực của ác qui khi phóng điện (A) r aq : điện trở trong của ác qui, khi phóng điện hoàn toàn thì r aq = 0,02 . * sức điện động nạp E n của ác qui E n = U n I n .r aq (V). Trong đó: In : dòng điện nạp (A). Un: điện áp đo trên các cực của ác qui khi nạp điện (V). r aq : điện trở trong của ác qui khi nạp điện. Khi nạp no thì r aq = (0,0015 -0,001) . 3.2.Dung lợng của ác qui http://www.ebook.edu.vn Trang 7 I (A) U,E (V) Vùng phóng cho phép 1,27 t gh 10 5 1,11 2,11 1,95 Khoảng nghỉ 1,0 1,5 2,0 0,5 E aq E o U p E I p .r aq 1,75 C p =I p .t p t p (h) (g/cm 3 ) Dung lợng của ác qui là đại lợng đánh giá khả năng cung cấp hoặc tích trữ năng lợng của ác qui và đợc tính theo công thức : C i = I i .t i (Ah). Trong đó: C i dung lợng thu đợc trong quá trình phóng nạp (Ah). I i Dòng dịên phóng nạp ổn định (A) t p (h). 3.3. đặc tính phóng điện của ác qui - Đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi. Từ đồ thị ta có các nhận xét sau: - Trong khoảng thời gian phóng từ t p =0 tới t p = t gh , sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên độ dốc của các đồ thị là không lớn,đây là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép của ác qui - Từ thời điểm t gh trở đi,nếu tiếp tục phóng điện thì độ dốc sức điện động, điện áp của acqui giảm rất nhanh, mặt khác các tinh thể http://www.ebook.edu.vn Trang 8 10 0 Khoảng nghỉ Vùng nạp no (2ữ3)h E aq E o U n I n .r aq E 2,7V 2,11V I (A) U,E (V) Vùng nạp hiệu dụng 1,27 t s 5 1,11 1,95 1,0 1,5 2,0 0,5 C n =I n .t n t n (h) (g/cm 3 ) Bắt đầu sôi 2,4V sunfat chì (PbSO 4 ) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô, rắn, khó hoà tan (biến đổi hoá học) - Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân của ác qui lại tăng lên, đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ác qui thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ác qui 3.4. Đặc tính nạp của ác qui - Biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ăcqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi. Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét sau: - Trong khoảng thời gian nạp từ t n = 0 đến t n = t s , sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần lên. - Tới thời điểm t n = t s trên bề mặt các bản cực xuất hiện các bọt khí do dòng điện điện phân nớc thành ôxy và hyđrô (còn gọi là hiện tợng sôi ), lúc này điện thế giữa các cực của acqui đơn tăng tới giá trị 2,4 V, tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V http://www.ebook.edu.vn Trang 9 và giữ nguyên,thời gian nạp này gọi là thời gian nạp no và thờng kéo dài từ 2-3 h, làm tăng thêm dung lợng phóng điện của acqui. Trong quá trình đó sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân là không thay đổi - Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Đây là khoảng nghỉ của ác qui sau khi nạp. - Dòng điện nạp định mức đối với ác qui qui định bằng 0,5.C 20 (0,1.C 10 ). II. Các phơng pháp nạp điện cho acqui 1. Phơng pháp nạp với dòng nạp không đổi - Phơng pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp thích hợp , đảm bảo cho acqui đợc nạp no Các ác qui đợc mắc nối tiếp với nhau và phải thoả mãn U n 2,7 N aq . Trong đó: Un: Điện áp nạp (V). Naq: Số ngăn ác qui đơn mắc trong mạch nạp . - Khi nạp sức điện động của acqui tăng dần, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R với trị số In NaqUn R 0,2 = . - Nhợc điểm: thời gian nạp kéo dài - Để khắc phục : sử dụng phơng pháp nạp cỡng bức theo 2 nấc. Dòng địên nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3 - 0,5).C 10 , và khi ác qui bắt đầu sôi thì nạp nấc thứ hai bằng 0,1.C 10 . 2. Phơng pháp nạp với áp không đổi - Phơng pháp nạp áp, ác qui đợc mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế cho mỗi ngăn đơn đợc giữ ổn định và có giá trị từ 2,3 - 2,5 V với độ chính xác đến 3% http://www.ebook.edu.vn Trang 10 - Dòng nạp Raq EaqUn In = lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi E aq tăng dần lên thì I n giảm đi khá nhanh. - Ưu điểm: thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm dần theo thời gian. - Nhợc: ác qui không đợc nạp no, vì vậy phơng pháp nạp này chỉ dùng nạp bổ xung cho acqui trong quá trình sử dụng. Để khắc phục những nhợc điểm và tận dụng đợc hết những u điển của các phơng pháp nạp trên, ta kết hợp hai phơng pháp nạp lại thành phơng pháp dòng - áp. 3. Phơng pháp nạp dòng - áp - Ban đầu ta nạp với dòng nạp không đổi I n = 0,5.C 10 . Khi thấy ác qui "sôi" thì hiệu điện thế giữa các cực của của ăcqui đơn 2,4V, tiếp tục nạp thì giá trị này nhanh chóng tăng tới giá trị là 2,7 V. Sau đó chuyển sang chế độ nạp ổn áp với giá trị điện áp nạp không đổi cho 1 ngăn đơn là U n = 2,7Vvà thờng kéo dài từ 2 đến 3 giờ hoặc khi dòng nạp tiến tới không (I n = 0) thì kết thúc quá trình nạp. Kết luận: Qua phân tích ta chọn phơng pháp nạp dòng - áp để nạp cho ác qui và bộ nguồn nạp ác qui tự động phải đáp ứng những yêu cầu sau: - Ban đầu tự động nạp ổn dòng với dòng nạp đặt trớc I n = 0,5 .C 10 /1 ngăn ác qui đơn. - Khi phát hiện thấy hiệu điện thế trên các cực của ác qui đơn tăng tới 2,7 V thì tự động chuyển từ nạp ổn dòng sang chế độ nạp ổn áp với điện áp nạp đặt trớc Un = 2,7V/ 1 ngăn ác qui đơn. - Nạp ổn áp cho tới khi dòng điện nạp tiến về không. [...]... nguồn nuôi ổn áp dùng IC ổn áp 7812 ,IC7912: Nguồn ổn áp là nguồn luôn ổn định điện áp ra khi thay đổi điện áp vào hoặc thay đổi tải sơ đồ khối của bộ nguồn một chiều ổn áp U1 Hạ áp cách ly U2 Chỉnh lu Ud Mạch lọc UV Mạch ổn định điện áp Các phần tử thực hiện khối chức năng: - khối hạ áp và cách ly dùng máy biến áp - Khối chỉnh lu dùng chỉnh lu cầu - Mạch lọc dùng tụ điện có điện dung lớn - Mạch ổn định... ổn định điện áp dùng IC ổn áp 78xx với các cấp điện áp ra chuẩn và đợc thể hiện bằng hai số xx Dòng tải cho phép IC này là 1A( khi có tản nhiệt tốt) Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp http://www.ebook.edu.vn Trang 34 Ur Tính chọn các phần tử trên sơ đồ - IC 7812 có Điện áp đầu vào : 7 ữ35V Dòng điện đầu ra :0 ữ1A Điện áp ra E=12V IC 7912 có Điện áp đầu vào : 7 ữ35V Dòng điện đầu ra : 0 ữ1A Điện áp ra E=-12V... chỉnh lu I Nhận xét chung: Bộ chỉnh lu là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều * Đề bài : thiết kế bộ nguồn nạp ác quy có thể nạp cho ắc quy 16-28V và dòng nạp 10- 100A - Vì yêu cầu cần điều khiển dòng ,áp nên ta chọn phơng án chỉnh lu tiristor - Vì tải yêu cầu công suất nhỏ và chất lợng điện áp điều chỉnh không cần cao... điện áp đầu ra của OPAM Thông thờng thiết kế với R5iR4, để đơn giản bỏ qua iR4 nên iR5=iC Ura= UC =UC(0)+ 1 C 1 i dt = C i dt c c (vì UC(0)=0) - Điôt ổn áp không cho điện áp nạp trên tụ C quá Udz - Chọn loại điôt ổn áp là KC210B có điện áp ổn áp là : Udz=10 (V), dòng tối đa I =22(mA) Với tần số công nghiệp f=50Hz thì mỗi nửa chu kỳ T=10(ms), chọn R5 và C sao cho tụ đợc nạp đến điện áp. .. điện; Để ổn định điện áp ta phải phản hồi âm điện áp Trong quá trình nạp acqui tự động ,sự ổn dòng và ổn áp phải luôn đợc đảm bảo III.Xây dựng mạch điều khiển : 1 Khâu đồng pha : a) Sơ đồ và nguyên lý http://www.ebook.edu.vn Trang 26 D1 R1 Udf E ++ U2 U1 OA1 R0 N2 Udb -E N1 N3 Uo D2 U'2 R3 VR1 E - Điện áp đồng pha đợc so sánh với điện áp trên biến trở VR1 Tại thời điểm Udf=U0 thì đổi dấu của điện áp ra... đồ khối và chức năng: Dựa vào nguyên tắc điều khiển và yêu cầu của công nghệ ta thiết lập đợc sơ đồ khối của bộ điều khiển: Ung ĐF Utựa SS DX Uđk Uph BĐK Ud Trong đó: Ung: Điện áp nguồn Uđk: Điện áp điều khiển 1 Khâu đồng pha ( ĐF ): http://www.ebook.edu.vn Trang 25 KĐK Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp biến áp mạch lực Và cách ly giữa mạch lực điện áp cao với mạch điều khiển điện áp thấp 2... chọn máy biến áp * Chọn máy biến áp một pha có một cuốn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp - Điện áp sơ cấp 220v -Cuộn dây đồng pha :lấy điện áp đồng pha là U=14v -Cuộn thứ cấp biến áp cung cấp điện áp cho chỉnh lu của bộ tạo nguồn nuôi,điện áp thứ cấp là :U=40 v -Công suât máy biến áp bằng tổng công suất tiêu thụ ở khâu đồng pha,khâu máy biến áp xung,khâu tạo nguồn nuôI, 8 IC TL084 và 2 cổng AND http://www.ebook.edu.vn... http://www.ebook.edu.vn Trang 30 a) Sơ đồ và nguyên lý R9 -E C1 OA3 + + Udx E R8 R7 - Khâu tạo xung chùm là mạch dao động hoạt động ở chế độ tự dao động. Điện áp trên tụ C1 đợc so sánh với điện áp Vp Vp = U ra R7 E 1,5 = R7 R7 + R8 R7 + R8 - Tụ đợc nạp từ giá trị Vp-đến Vp+ và phóng từ giá trị Vp+ đến Vp- với hằng số phóng nạp =R9 C1 - Thời gian phóng tp và thời gian nạp tn bằng nhau,chu kì phóng nạp T=tp +tn ,nếu chọn... điện áp max khi các acqui đợc nạp no,mỗi ngăn acqui có điện áp là 2V.Để có acqui 28V cần 14 ngăn Để nạp no thì điện áp nạp cho mỗi ngăn phải là 2,7V Khi đó : U d =2,7.28/2 =37,8 (V) Mặt khác có :Ud=0,9U2 U2= 42,6 V Điện áp ngợc lớn nhất trên van : U ng max =2 2 U2=119 V Điện áp ngợc định mức van là Unđmv=1,1.kdt.119= 235 V Với 1,1 là do thực tế điện áp lới không ổn định và đợc phép dao động nên áp. .. Điện áp trên tụ C đợc nạp tăng tuyến tính đến trị số ngỡng của điôt ổn áp DZ và giữ điện áp ra ở trị số này - ở nửa chu kỳ sau, khi Udb>0 thì Đ3 khoá nên dòng qua Đ3 bằng 0,tụ phóng điện,điện áp trên tụ C (điện áp ra) giảm tuyến tính Khi điện áp giảm đến không rồi âm thì đĩôt DZ dẫn nh điôt bình thờng giữ cho điện áp ở giá trị 0 b) Tính toán * Khi Udp