Đồ án tốt nghiệp thiết kế bộ nạp acquy tự động

Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUI I.1 : Khái niệm Ắc qui nguồn hịa hoạt động sở hai điện cực có điện khác nhau, cung cấp dịng điện chiều cho thiết bị điện dùng công nghiệp dân dụng Đặc điểm Khi ắc qui phóng hết điện ta phải tiến hành nạp điện cho ắc qui ,sau ắc qui lại phóng điện lại Ắc qui thực nhiều chu kì phóng nạp nên ta sử dụng lâu dài Phân loại Trong thực tế kỹ thuật có nhiều loại acqui phổ biến thường dùng : + ắc qui chì-axit + ắc qui kiềm Tuy nhiên ắc qui chì-axit thực tế sử dụng rông rãi I.2: Ứng dụng ắc qui: Ắc qui nguồn điện trữ lượng điện dạng hố, cung cấp điện cho thiết bị điện phục vụ công nghiệp đời sống hàng ngày: cung cấp điện cho động điện, bóng đèn, nguồn nuôi cho thiết bị điện tử… Cấu tạo ắc qui Ắc qui nguồn điện hoá, sức điện động ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo cực chất điện phân, với ắc qui chì axit sức điện động danh định ắc qui đơn 2,1vôn + Muốn tăng khả dự trữ lượng ắc qui người ta tăng số lượng cặp cực dương âm ắc qui đơn + Để tăng giá trị sức điện động nguồn người ta ghép nối nhiều ắc qui đơn thành bình ắc qui Sinh viên:Dương Văn Phúc TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động - + Hình 1.1: Cấu tạo ắc qui I.3: Cấu tạo ắc qui: Cấu trúc ắc qui đơn giản gồm có phân khối cực dương, phân khối cực âm, ngăn Phân khối cực cực tên ghép lại với Cấu tạo cực ắc qui gồm có phần khung xương chất tác dụng trát lên Khung xương cực âm cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng đúc từ chì chúng đúc từ chì có pha thêm ÷ % ăngtimoan ( Sb ) tạo hình mắt lưới Hình 1.2: Cấu tạo cự ắc qui Vấu cực Chất tác dụng Cốt cực Sinh viên:Dương Văn Phúc TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Phụ gia Sb thêm vào chì làm tăng độ dẫn điện cải thiện tính đúc Trong thành phần chất tác dụng cịn có thêm khoảng % chất nở ( muối hưu ) để tăng độ xốp, độ bền lớp chất tác dụng Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện độ thấm sâu chất dung dịch điện phân vào lòng cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hố học cực tăng thêm Phần đầu cực có vấu, cực dương ắc qui đơn hàn với tạo thành khối cực dương, cực âm hàn với thành khối cực âm Số lượng cực ắc qui thường từ đến tấm, bề dầy cực dương ắc qui thường từ 1,3 đến 1,5 mm , bề dày cực âm thường mỏng 0,2 đến 0,3 mm Số cực âm ắc qui thường nhiều số cực dương nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng cực Tấm ngăn bố trí cực âm dương có tác dụng ngăn cách tránh va đập cực Tấm ngăn làm vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm có dạng lượn sóng, bề mặt ngăn có lỗ cho phép dung dịch điện phân thơng qua I.4: Q trình biến đổi lượng ắc qui Ắc qui nguồn lượng có tính chất thuận nghịch : tích trữ lượng dạng hố giải phóng lượng dạng điện + Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngồi gọi q trình phóng điện + trình ắc qui dự trữ lượng gọi q trình nạp điện +Phản ứng hố học biểu diễn q trình chuyển hố lượng I.4.1:Q trình biến đổi lượng ắc qui axit: Trong ắc qui axit có cực dương đơixit chì ( PbO2 ), âm chì ( Pb ), dung dich điện phân axit sunfuaric ( H2SO4 ) nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 % (- ) Pb ⏐ H2SO4 d = 1,1 ÷ 1,3 ⏐ PbO2 (+ ) Phương trình hố học biểu diễn q trình phóng nạp ắc qui axit : PbO2 + 2H2SO4 (H2 O) + Pb Cực d d điện phân dương Phóng Nạp PbSO4 + H2O + cực cực âm dương PbSO4 d d điện phân cực âm Thế điện động e = 2,1 V Sinh viên:Dương Văn Phúc TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động - Khi nạp nhờ nguồn điện nạp mà mạch điện tử “e” chuyển động từ cực âm đến cực dương Đó dịng điện nạp In - Khi phóng điện tác động sức điện động riêng ắc quy điện tử chuyển động theo hướng ngược lại từ dương đến âm tạo thành dịng điện phóng - Khi ắc quy nạp no, chất tác dụng cực dương PbO2 cịn cực âm chì xốp Pb, phóng điện chất tác dụng hai cực trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ Trạng thái lượng ắc quy quan hệ với q trình biến đổi hố học cực dung dịch điện phân tóm tắt bảng sau: Trạng thái ắc quy Bản cực dương Dung dịch điện phân Bản cực âm Đã nạp no PbO2 (oxit chì ) 2H2SO4 (axit sufuric ) Pb (Chì xốp ngun chất ) Đã phóng hết điện PbSO4 (Sunphat chì tinh thể nhỏ) H2O ( Nước ) PbSO4 (Sunfat chì tinh thể nhỏ ) Nhận xét: Khi phóng điện axít sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat cịn nước bị phân hố ra, nồng độ dung dịch giảm Khi nạp điện ngược lại nhờ hấp thụ nước tái sinh axit sufuric nên nồng độ dung dịch tăng lên Sự thay đổi nồng độ dung dịch điện phân phóng nạp dấu hiệu để xác định mức phóng điện ắc quy sử dụng Sinh viên:Dương Văn Phúc TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động I.4.2: Quá trình biến đổi lượng ắc qui kiềm: Trong ắc qui kiềm có cực dương Ni(OH)3 , cực âm Fe, dung dịch điện phân là: KOH nồng độ d = 20 % ( - ) Fe ⏐ KOH d = 20% ⏐ Ni(OH)3 ( + ) Phương trình hố học biểu diễn q trình phóng nạp ắc qui kiềm : Fe + 2Ni(OH)3 Phóng Nạp Fe(OH)3 + 2Ni(OH)2 Thế điện động e = 1,4 V Nhận xét: Trong q trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân thay đổi Khi ắc qui phóng điện nồng độ dung dịch điện phân giảm dần Khi ắc qui nạp điện nồng độ dung dịch điện phân tăng dần Do ta vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện ắc qui I.4.3:Các thơng số ắc qui: - Sức điện động ắc qui kiềm ắc qui axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm : Eo = 0,85 + γ ( V ) Trong đó: Eo - sức điện động tĩnh ắc qui ( V ) γ - Nồng độ dung dịch điện phân 15 °C ( g/cm ) Ngồi suất điện động cịn phụ thuộc vào nhiệt độ dung dịch Nhiệt độ (°C) 15 1,237 Dung dịch pha ban đầu γ Dung dịch ngừng sử dụng 1,187 20 1,234 25 1,230 30 1,226 35 1,219 40 1,212 1,183 1,180 1,177 1,170 1,164 +Trong q trình phóng điện sức điện động Ep ắc qui tính theo cơng thức: Sinh viên:Dương Văn Phúc TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Ep = Up + Ip Trong : Ep - Sức điện động ắc qui phóng điện ( V ) Ip - Dịng điện phóng ( A ) Up - Điện áp đo cực ắc qui phóng điện (V) raq - Điện trở ắc qui phóng điện ( Ω ) +Trong q trình nạp điện sức điện động En ắc qui tính theo cơng thức: En = Un - In.raq Trong : En - Sức điện động ắc qui nạp điện ( V ) In - Dòng điện nạp ( A ) Un - Điện áp đo cực ắc qui nạp điện ( V ) raq - Điện trở ắc qui nạp điện ( Ω ) - Dung lượng phóng ắc qui đại lượng đánh giá khả cung cấp lượng điện ắc qui cho phụ tải, tính theo cơng thức : Cp = Ip.tp Trong : Cp - Dung dịch thu q trình phóng ( Ah ) Ip - Dịng điện phóng ổn định thời gian phóng điện ( A ) - Thời gian phóng điện ( h ) - Dung lượng nạp ắc qui đại lượng đánh giá khả tích trữ lượng ắc qui tính theo cơng thức : Cn = In.tn Trong : Cn - dung dịch thu trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ) Sinh viên:Dương Văn Phúc TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động I.5: Đặc tính phóng nạp ắc qui: I.5.1 Đặc tính phóng ắc qui I (A) E U (V) 2,11 1,95 Khoảng nghỉ E 10 U P 1,75 Vùng phóng điện cho phép CP = IP.tP t 12 20 Hình 1.3: Đặc tính phóng ắc qui - Đặc tính phóng ắc qui đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp ắc qui nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng dịng điện phóng khơng thay đổi - Từ đặc tính phóng ắc qui hình vẽ ta có nhận xét sau: +Trong khoảng thời gian phóng từ = đến = tgh, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, nhiên khoảng thời gian độ dốc đồ thị không lớn, ta gọi giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với chế độ phóng điện ắc qui ( dịng điện phóng ) ắc qui - Từ thời điểm tgh trở độ dốc đồ thị thay đổi đột ngột Nếu ta tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh sức điện động, điện áp ắc qui giảm nhanh Mặt khác tinh thể sun phát chì (PbSO4) tạo thành phản ứng có dạng thơ rắn khó hồ tan ( biến đổi hố học) trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau Thời điểm tgh gọi giới hạn phóng điện cho phép Sinh viên:Dương Văn Phúc TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động ắc qui, giá trị Ep, Up, ρ tgh gọi giá trị giới hạn phóng điện ắc qui ắc qui khơng phóng điện dung lượng cịn khoảng 80% - Sau ngắt mạch phóng khoảng thời gian nào, giá trị sức điện động, điện áp ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ ắc qui Thời gian hồi phục phụ thuộc vào chế độ phóng điện ắc qui (dịng điện phóng thời gian phóng ) I.5.2: Đặc tính nạp ắc qui: Đặc tính nạp ắc qui đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc sức điện động, điện áp nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp trị số dịng điện nạp khơng thay đổi I (A) U,E (V) 2,7V Bắt đầu sôi 2,4V Khoản gnghỉ 2,4V Un Eaq 2,1V Eo 1,95V Vùng nạp no Vùng nạp 10 Cn = In.tn (2÷3) h 10 ts t 20 Hình 1.4: Đặc tính nạp ắc qui - Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét sau : +Trong khoảng thời gian từ tn = đến tn = ts sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần +Tới thời điểm tn = ts bề mặt cực âm xuất bọt khí (cịn gọi tượng sơi ) lúc hiệu điện cực ắc qui Sinh viên:Dương Văn Phúc TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động đơn tăng đến 2,4 V Nếu tiếp tục nạp giá trị nhanh chóng tăng tới 2,7 V giữ nguyên Thời gian gọi thời gian nạp no, có tác dụng cho phần chất tác dụng sâu lòng cực biến đổi tuần hồn, nhờ làm tăng thêm dung lượng phóng điện ắc qui +Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ ÷ h suốt thời gian hiệu điện cực ắc qui nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi Như dung lượng thu ắc qui phóng điện ln nhỏ dung lượng cần thiết để nạp no ắc qui +Sau ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống ổn định Thời gian gọi khoảng nghỉ ắc qui sau nạp +Trị số dòng điện nạp ảnh hưởng lớn đến chất lượng tuổi thọ ắc qui Dòng điện nạp định mức ắc qui In = 0,1C20 Trong C20 dung lượng ắc qui mà với chế độ nạp với dịng điện định mức In = 0,1C20 sau 20 ắc qui đầy Ví dụ với ắc qui C = 200Ah ta nạp ổn dịng với dòng điện 10% dung lượng ( tức In = 20A ) sau 20 ắc qui đầy I.5.3 :So sánh ắc quy kiềm ắc quy axit Sự khác ắc quy kiềm ắc quy axit trình bày bảng sau: Ắc quy axit Ắc quy kiềm - Khả tải khơng cao, dịng - Khả q tải lớn nạp lớn đạt tải dòng điện nạp lớn Inmax = 20%Q đạt tới 50%Q 10 - Hiện tượng tự phóng lớn, ắc quy 10 - Hiện tượng tự phóng nhỏ nhanh hết điện không sử dụng - Sử dụng rộng rãi đời sống - Với khả cơng nghiệp, nơi có nhiệt ắc quy kiềm thường sử độ cao va đập lớn địi hỏi nơi u cầu cơng suất công suất tải vừa phải cao tải thường xuyên - Dùng xe máy, ôtô, động máy nổ công suất vừa nhỏ Sinh viên:Dương Văn Phúc - Giá thành thấp - Dùng công nghiệp hàng không, hàng hải quốc phòng TĐH2 – K49 - Giá thành cao Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động I.6:Các phương pháp nạp ắc qui tự động Có ba phương pháp nạp ắc qui là: + Phương pháp dòng điện I.6:Các phương pháp nạp ắc qui tự động Có ba phương pháp nạp ắc qui là: + Phương pháp dòng điện + Phương pháp điện áp + Phương pháp dòng áp I.6.1: Phương pháp nạp ắc qui với dịng điện khơng đổi _ A _ + V Un D D + R A _ R A _ + + Hình 1.5: Nạp với dịng điện không đổi Sinh viên:Dương Văn Phúc 10 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động 79L 78L CC V V CC R R Hình4.16:Sơ đồ bố trí chân Tính tốn máy biến áp nguồn: 0V U21 12V U22 24V 0V Ung U23 18V U24 36V - Khối nguồn ±12 cấp cho khuyếch đại thuật tốn, I1 = 500mA ⇒ Cơng suất nguồn nuôi là: P1 =U1.I1 = 36.0,5 = 18W - Khối nguồn đồng pha 0V – 12V – 24V, I2 = 500mA ⇒ Công suất nguồn đồng pha là: P2 =U2.I2 = 24.0,5 = 12W - Công suất máy biến áp là: P = P1 + P2 =18 +12 = 30W Sinh viên:Dương Văn Phúc 60 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động - Dòng điện sơ cấp máy biến áp là: I1 = P 30 = = 0,136 A U 220 - Tiết diện lõi thép mạch từ: k S= P 1,2 = 30 = 0,22cm Ta chọn lõi thép có tiết diện S = 0,92cm2, làm thép kỹ thuật điện dày 0,2mm, gồm thép hình chữ Ш chữ I ghép lại với nhau: Theo cơng thức kinh nghiêm tính số vịng/vơn: n0 = k = 40÷60 hệ số máy biến áp, lấy k = 50) ⇒ n0 = k (với S 50 = 54 vịng/vơn 0,92 - Số vòng dây cuộn sơ cấp là: W1 = n0.U1 = 54.220 = 11880 vòng - Số vòng dây cuộn thứ cấp là: Cuộn 12V: W21 = W22 = n0.U = 54.12 = 648 vòng Cuộn 18V: W23 = W24 = n0.U = 54.18 = 972 vòng - Dòng điện cuộn thứ cấp: I 21 = I 22 = W1 W 11880 I = I = 0,136 = 2,5 A 648 W21 W22 I 23 = I 24 = W1 W 11880 I = I = 0,136 = 1,66 A W23 W24 972 - Tiết diện dây quấn: + Cuộn sơ cấp: S1 = I 1,36 = = 0,272mm (chọn J = 5A/mm ) J + Cuộn 12V: S 21 = S 22 = I 21 I 22 2,5 = = = 0,5mm (chọn J = 5A/mm ) J J + Cuộn 18V: S 23 = S 24 = I 23 I 24 1,66 = = = 0,33m (chọn J = 5A/mm ) J J - Đường kính dây thứ cấp là: + Cuộn sơ cấp: d1 = Sinh viên:Dương Văn Phúc 4.S1 π = 4.0,272 π 61 = 0,59mm TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động 4.S 21 + Cuộn 12V: d 21 = d 22 = π + Cuộn 18V: d 23 = d 24 = 4.S 23 π 4.S 22 = π = 4.S 24 π 4.0,5 = π = = 0,8mm 4.0,33 π = 0,65mm - Tra sổ tay “thơng số dây dẫn tiết diện trịn” (sách “điện tử công suất ” – NXB Khoa học kỹ thuật – 1996, Nguyễn Bính), ta chọn dây: + Dây sơ cấp: d1 = 0,59mm, S1 = 0,2734mm2, R=0,21ohm/m + Dây sơ cấp: d21 = d22 = 0,8mm, S1 = 0,5027mm2, R= 0,0342ohm/m + Dây sơ cấp: d23 = d24 = 0,67mm, S1 = 0,3526mm2, R=0,0488ohm/m PHỤ LỤC Sinh viên:Dương Văn Phúc 62 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động MƠ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH Sử dụng phần mềm ELECTRONIC WORKBENCH MULTISIM V8 mô hoạt động sơ đồ: Sơ đồ: Để dạng điện áp điểm sử dụng Oscilloscope ảo phần mền để kiểm tra dạng điện áp khâu: Điện áp sau chỉnh lưu điểm 1: Sinh viên:Dương Văn Phúc 63 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Điện áp so sánh điện áp sau chỉnh lưu với điện áp đặt U0: Sinh viên:Dương Văn Phúc 64 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 65 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Điện đồng với điện áp nguồn thời điểm di qua điểm 0: Điện áp cưa điện áp điều khiển: Sinh viên:Dương Văn Phúc 66 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Điện áp khâu so sáng điểm 12: Sinh viên:Dương Văn Phúc 67 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Điện áp điểm 10: Sinh viên:Dương Văn Phúc 68 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Điện áp điểm 11: Sinh viên:Dương Văn Phúc 69 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Xung chùm điểm 9: Sinh viên:Dương Văn Phúc 70 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Điện áp điều khiển điểm 13: Sinh viên:Dương Văn Phúc 71 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Điện áp điều khiển điểm 14: Sinh viên:Dương Văn Phúc 72 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động KẾT LUẬN Sinh viên:Dương Văn Phúc 73 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động Qua mười tuần làm việc em hoàn thành đồ án tốt nghiệp với nhiệm vụ: “Thiết kế nạp ắc qui tự động ” Trong trình làm đồ án giúp em nắm vững phần lý thuyết học có hiểu biết thực tế Mặc dù cố gắng kiến thức yếu, thời gian làm lại ngắn nên đồ án chắn có nhiều thiếu sót Em mong nhận thơng cảm góp ý thầy, Trong trình làm đồ án em nhận hướng dẫn, bảo tận tình thầy, cô môn đặc biệt thầy giáo hướng dấn nhóm em, thầy PGS.TS.Võ Minh Chính Thầy giúp đỡ bảo em nhiều để em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn thầy cô! Hà nội ngày tháng năm 2007 Sinh viên Dương Văn Phúc Sinh viên:Dương Văn Phúc 74 TĐH2 – K49 ... K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động UG α G1 α G2 α G1 t U Π 2Π 3Π t Ud t id t IT1 t IT3 t ID1 t ID2 Ung t Sinh viên:Dương Văn Phúc 29 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp. .. K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động - Khi nạp nhờ nguồn điện nạp mà mạch điện tử “e” chuyển động từ cực âm đến cực dương Đó dịng điện nạp In - Khi phóng điện tác động sức điện động. .. Văn Phúc 31 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế nạp ắc qui tự động TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH LỰC Việc lựa chọn, thiết kế tính tốn mạch động lực định đến chất lượng nguồn cấp nạp cho acqui, , ảnh