đồ án Điện tử công suất Thiết kế bộ sac ác qui

Vì chì tác dụng với axit theo phảnứng: Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của ắc qui thì dòng điện một chiềuđược khép kín qua mạch ắc qui và dòng điện đi theo chiều: Cực dương

Lời nói đầu

Tự động hóa đã phát triển và mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn cho sự pháttriển tất cả các ngành kĩ thuật của thế giới Tuy nhiên, ở nước ta nó mới được ứng dụng vàphát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây Nó giúp nước ta phát triển để tiến tới trở thànhmột nước công nghiệp hóa – hiện đại hóa Bởi vậy tự động hóa được nghiên cứu ở tất cả cácngành kĩ thuật trong trường nói chung và ngành tự động hóa nói riêng

Ngày nay, hầu như tất cả các máy móc thiết bị trong công nghiệp cũng như trong đờisống hàng ngày đều phải sử dụng điện năng, phần lớn các thiết bị đều sử dụng điện lưới Tuynhiên thực tế có những lúc rất cần năng lượng điện mà ta không thể lấy từ lưới được Do đó

ta phải lấy các nguồn điện dự trữ như ắc qui, hơn nữa ắc qui được sử dụng nhiều trong côngnghệ ô tô,xe máy…

Do vậy mà việc có một công nghệ nạp ắc qui tối ưu là rất cần thiết và quan trọng.Trong đồ án này, chúng em được giao đề tài “ Thiết kế bộ nạp ắc qui….” Trong quá trìnhlàm chúng em được sự giúp đỡ, chỉ bảo của thầy để chúng em hoàn thành đồ án một cách tốtnhất

Em xin chân thành cảm ơn

Đồ án được trình bày có các nội dung chính sau:

Chương 1: Giới thiệu khái quát về ắc qui

Hiện nay chúng ta có nhiều loại ắc qui, trong đó có hai loại cơ bản là ắc qui axit và ắcqui kiềm Chúng ta xét từng loại sau:

I – Cấu tạo và nguyên lí làm việc của ắc qui axit

1.Cấu tạo

- Bình ắc qui được chia thành nhiều ngăn, thống thường là 6 ngăn Mỗi ngăn ắn quiđơn cho điện áp đầu ra là 2V Như vậy, nếu đem đấu nối tiếp cả 6 ngăn với nhau ta sẽ có bộnguồn ắc qui là 12V

- Vỏ bình ắc qui được chế tạo bằng vật liệu cứng có tính chịu axit, chịu nhiệt, do đó

mà người ta đúc bằng nhựa cứng hoặc ebonite Phía trong vỏ bình có các vách ngăn để tạothành các ngăn riêng biệt, mỗi ngăn riêng biệt gọi là một ắc qui đơn Dưới đáy bình ta làmhai yên đỡ gọi là yên đỡ bản cực Mục đích là để các bản cực tỳ lên đó, tránh bị ngắn mạchkhi trong đáy bình có lắng đọng các cặn bẩn

- Bản cực được làm từ hợp kim chì và antimon, trên mặt bản cực có gắn các xươngdọc và xương ngang để tăng độ cứng vững và tạo ra các ô cho chất hoạt tính bám trên bảncực

Nếu bản cực dương thì chất hoạt tính để phủ vào khung ô trên bản cực là dioxit chì.Nếu bản cực dùng làm bản cực âm thì chất hoạt tính được sử dụng làm chì xốp

Khi ắc qui hoat động chất hoạt tính tham gia đồng thời vào các phản ứng hóa họccàng nhiều càng tốt, do đó để tăng bề mặt tiếp xúc của các chất hoạt tính với dung dịch điệnphân, người ta chế tạo chất hoạt tính có độ xốp, đồng thời đem ghép những tấm cực cùng tênsong song với nhau thành một chùm cực ở trong mỗi ngăn của ắc qui đơn

Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được lồng xen kẽ nhau nhưng giữa hai bảncực khác tên lại được đặt thêm một tấm cách, tấm cách được làm từ chất cách điện để cáchđiện giữa hai bản cực như nhựa xốp, thủy tinh hay gỗ

- Phần nắp của ắc qui để che kín những bộ phận bên trong bình, ngăn ngừa bụi và cácchất từ bên ngoài rơi vào bên trong bình, đồng thời giữ cho dung dịch điện phân không bịtràn ra ngoài Trên nắp bình có các lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân, các lỗ này đượcnút kín bằng các nút có lỗ thông hơi nhỏ Ở một số loại ắc qui lỗ thông hơi có thể được chếtạo riêng biệt

Để đảm bảo về độ kín của bình ắc qui, xung quanh mép của ắc qui và xung quanh các

lỗ cực đầu ra, người ta thường trát nhựa chuyên dụng Dung dịch điện phân dùng trong ắc quithường là hỗn hợp axit sunfuric H2SO4 được pha chế theo tỉ lệ nhất định với nước cất

2.Nguyên lí làm việc

a, Quá trình nạp

Khi ắc qui đã được lắp ráp xong, ta đổ dung dịch axit sunfuric vào các ngăn bình thìtrên các bản cực sẽ sinh ra lớp mỏng chì sunfat (PbSO4) Vì chì tác dụng với axit theo phảnứng:

Đem nối nguồn điện một chiều vào hai đầu cực của ắc qui thì dòng điện một chiềuđược khép kín qua mạch ắc qui và dòng điện đi theo chiều: Cực dương của nguồn điện mộtchiều→

Dung dịch điện phân→

đầu cực 2 của ắc qui→

cực âm của nguồn một chiều

Dòng điện một chiều sẽ làm cho dung dịch điện phân phân li:

Từ các phản ứng hóa học trên ta thấy quá trình nạp điện đã tạo ra lượng axit sunfuric

bổ sung vào dung dịch điện phân, đồng thời trong quá trình nạp điện dòng điện còn phân tích

ra trong dung dịch điện phân khí hydro (H2) và oxi (O2), lượng khí này sủi lên như bọt nước

và bay đi, do đó nồng độ của dung dịch điện phân trong quá trình nạp điện được tăng lên

Ắc qui được coi là đã nạp đầy khi quan sát thấy dung dịch sủi bọt đều (gọi đó là hiệntượng sôi) Lúc đó ta có thể ngắt nguồn nạp và xem như quá trình nạp điện cho ắc qui đãhoàn thành.

b, Quá trình phóng điện của ắc qui:

Nối hai bản cực của ắc qui đã được nạp điện với một phụ tải, ví dụ như một bóng đènthì năng lượng tích trữ trong ắc qui sẽ phóng qua tải, làm cho bóng đèn sáng Dòng điện của

ắc qui sẽ đi theo chiều: Cực dương của ắc qui (đầu cực đã nối với cực dương nguồn nạp)→tải (bóng đèn)→

cực âm của ắc qui→

dung dịch điện phân→

cực dương của ắc qui

Quá trình phóng điện của ắc qui, phản ứng hóa học xảy ra trong ắc qui như sau

- Loại ắc qui sắt – niken, là loại ắc qui có bản cực chế tạo bằng sắt (Fe) và Niken (Ni)

- Loại ắc qui cadimi – niken, là loại có bản cực chế tạo bằng cadimi (Cd) và Niken(Ni)

- Loại ắc qui bạc – kém, là laoij ắc qui có bản cực chế tạo bằng bạc (Ag) và kẽm (Zn).Trong 3 loại trên thì loại thứ 3 có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng lượng và mộtđơn vị thể tích là lớn hơn, nhưng giá thành của nó lại cao hơn vì phải sử dụng khối lượng bạctới 30% khối lượng của chất tác dụng, do đó loại này ít dùng

So với ắc qui axit, ắc qui kiềm có nhược điểm là gí thành cao hơn, điện trở trong lớnhơn, nhưng nó lại có các ưu điểm sau:

- Có độ bền lớn và thời gian sử dụng dài

- Trong điều kiện máy khởi động, làm việc nặng nề hoặc cần có yêu cầu về độ tin cậycao thì nó có tính ưu việt hơn hẳn ắc qui axit

- Quá trình nạp điện cho ắc qui 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 chưa làm hỏng được ắcqui

Ắc qui kiềm có cấu tạo tương tự như ắc qui axit, tức là nó cũng gồm dung dịch điệnphân, vỏ bình ắc qui, các bản cực…

Bản cực của ắc qui kiềm được chế tạo thành dạng thỏi hoặc không thỏi Giữa các bảncực được ngăn cách bởi các tấm ebonit Chùm bản cực dương và bản cực âm được hàn nốinhư chùm bản cực của ắc qui axit để đưa ra các vấu cực cho ắc qui Các chùm bản cực đượcđặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa vinhiplat

Loại ắc qui dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi thỏi là một hộp làm bằng thép lá trên bềmặt có khoan nhiều lỗ Φ = 0,2-0,3 mm để cho dung dịch thấm qua Nếu là ắc qui kiềm sắt –niken thì trong hộp các bản cực âm chứa sắt đặc biệt thuần khiết, còn trong bản cực dương làhỗn hợp 75%NiO.OH và 25% bột than hoạt tính

Loại ắc qui kiềm dùng bản cực không phân thỏi, thì bản cực được chế tạo theo kiểukhung xương, rồi đem các chất tác dụng có cấu trúc xốp mịn để ép vào các lỗ nhỏ trên bảncực

2 Quá trình hóa học trong ắc qui kiềm

Giống như trong ắc qui axit, quá trình hóa học trong ắc qui kiềm cũng là quá trìnhthuận nghịch Nếu bản cực của ắc qui kiềm là sắt – niken thì phản ứng hóa học xảy ra trong

ắc qui như sau:

Trên bản cưc dương:

trò chất dẫn điện, do đó sức điện động của ắc qui hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chấtđiện phân Sức điện động của ắc qui chỉ được xác định dựa trên trạng thái của các chất tácdụng ở các tấm cực.

Thông thường ắc qui kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động sẽ đạt đượckhoảng 1,7 – 1,85V Khi ắc qui đã phóng điện hoàn toàn, sức điện động của ắc qui là 1,2 –1,4 V

Như vậy điện thế phóng điện bình quân là 2V thì ở ắc qui kiềm chỉ là 1,2V

Hiện nay các nhà thiết kế chế tạo ắc qui chưa dừng lại ở những kết quả đã đạt được,người ta đã chê tạo được những ắc qui kiềm mới khá nhỏ và nhẹ, những vân có các thông số

kĩ thuật của ắc qui axit

Những ắc qui mới đang hướng tới việc thay thế các bản cực bằng những hợp kim mới

có khả năng chống han gỉ, giảm kích thước và tăng tính bên vững Những tạp chất mới đượctrộn vào trong chất tác dụng sẽ cải thiện dặ tính phóng điện của ắc qui một cách đáng kể.Nhiều ắc qui mới đã không có cầu nối trên nắp và kết cấu vỏ bình cũng thay bằng những vậtliệu rất nhẹ nên giảm được chiều dày thành bình, ắc qui cũng ít phải bảo dưỡng hơn

III – Các thông số cơ bản của ắc qui

1 Sức điện động của ắc qui

Sức điện động của ắc qui axit phụ thuộc vào đặc tính lí hóa của vật liệu làm các bảncực, dung dịch điện phân và được xác định bằng công thức thực nghiệm:

E0 = 0,85 +

γ (V)Trong đó :

- E0 : Sức điện động tĩnh của ắc qui đơn, tính bằng Vol

-γ

: nồng độ dung dịch điện phân tính bằng vol qui về +150C

Sức điện động của ắc qui khi phóng điện:

Ep = Up + Ip.raqTrong đó:

- Ip : dòng điện phóng (A)

- Up : điện áp đo trên các bản cực của ắc qui khi phóng điện (V)

- raq : điện trở trong của ắc qui, khi phóng điện hoàn toàn thì raq = 0,02Ω

.Sức điện động nạp En của ắc qui:

En = Un – In.raq (V)Trong đó:

- In : dòng điện nạp (A)

- Un : điện áp đo trên các bản cực của ắc qui khi nạp điện (V)

- Raq : điện trở trong của ắc qui khi nạp điện Khi nạp no thì raq = (0,001 – 0,0015)Ω

2 Dung lượng của ắc qui

Dung lượng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp hoặc tích trữ nănglượng của ắc qui và được tính theo công thức:

Ci = Ii.ti (Ah)Trong đó:

- Ci : dung lượng thu được trong quá trình phóng nạp (Ah)

Hình 1 Đặc tính phóng của ắc qui

Từ đặc tính phóng của ắc qui ta có nhận xét:

- Trong khoảng thời gian phóng từ t = 0 đến t = tgh (10h), sức điện động, điện áp vànồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong giai đoạn này độ dốc củađường đặc tính không lớn, ta gọi đó là gian đoạn phóng ổn định hay thời gian phóngđiện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui (dòng điện phóng)

- Từ thời điểm tgh trở đi, nếu tiếp tục phóng điện thì độ dốc sức điện động, điện áp của

ắc qui giảm rất nhanh, mặt khác các tinh thể sunfat chì (PbSO4) tạo thành trong phảnứng sẽ có dạng thô, rắn, khó hòa tan (biến đổi hóa học)

- Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp vànồng độ dung dịch điện phân của ắc qui lại tăng lên, đây là thời gian phục hồi haykhoảng nghỉ của các ắc qui Thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độ phóng điệncủa ắc qui

- Trong khoảng thời gian nạp từ tn = 0 đến tn = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ dungdịch điện phân tăng dần lên.

- Tới thời điểm tn = ts trên bề mặt các bản cực xuất hiện các bọt khí do dòng điện điệnphân nước thành oxi và hydro (còn gọi là hiện tượng sôi), lúc này điện thế giữa cácbản cực của ắc qui đơn tăng tới giá trị 2,4V, tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăngtới 2,7V và giữ nguyên, thời gian nạp này gọi là thời gian nạp no và thường kéo dài từ2-3h, làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc qui

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 giảmxuống và ổn định Đây là khoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp

- Trị số dòng nạp ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc qui Dòng điệnnạp định mức với ắc qui là In = 10%C10 Trong đó C10 là dung lượng của ắc qui màvới chế độ nạp với dòng điện đinh mức là In = 0,1C10 thì sau 10h ắc qui sẽ đầy

1 Phương pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi

Đây là phương pháp nạp cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mỗi loại ắc qui,bảo đam cho ắc qui được no Đây là phương pháp sử dụng trong các xưởng bảo dưỡng sửachữa để nạp điện cho ắc qui hoặc nạp sửa chữa cho các ắc qui bị sunfat hóa

Với phương pháp này ắc qui được mắc nối tiếp với nhau và phải thỏa mãn điều kiện:

- Naq : số ngăn ắc qui đơn trong mạch

Trong quá trình nạp điện sức điện động của ắc qui tăng dần lên, để duy trì dòng điệnnạp không đổi ta phải bố trí trong mạch biến trở R Trị số giới hạn của biến trở được xác địnhtheo công thức:

N aq n

2 Phương pháp nạp với điện áp không đổi

Phương pháp này yêu cầu ắc qui mắc song song với nguồn nạp Hiệu điện thế củanguồn nạp không đổi và được tính bằng (2,3-2,5)V cho mỗi ngăn đơn

Phương pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dóng nạp tự độnggiảm theo thời gian Tuy nhiên với phương pháp này ắc qui không được nạp no, do đó nó chỉdùng bổ sung nạp cho ắc qui trong quá trình sử dụng

3 Phương pháp nạp dòng áp

Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên Nó tận dụng được những ưuđiểm của mỗi phương pháp

Đối với yêu cầu đề bài thì ta chọn phương pháp nạp ắc qui là phương pháp dòng áp

- Đối với ắc qui axit:

Để đảm bảo thời gian nạp cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn = 8htương ứng với 75% - 80% dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi In = 0,1C10 Vìtheo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chinh thì khi dòng điện không đổi thì điện áp,sức điện động tải ít thay đổi, do đó bảo đảm tính đồng đều về tải cho thiết bi nạp Sau thờigian 8h ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở chế độ ổn áp Khi thời gian nạp được10h thì ắc qui bắt đầu no, ta nạp bổ sung thêm 2-3h

- Đối với ắc qui kiềm:

Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do khả năng quá tải của ắc qui kiểmlớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với dòng nạp In = 0,2C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệmthời gian với dòng nạp In = 0,5C10

Các quá trình nạp ắc qui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi nạp ổn áp vớiđiện áp bằng điện áp trên hai cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ từ giảm về không

 Kết luận:

Từ các phân tích về tải ắc qui ta thấy: tải ắc qui là tải dung kháng, với đặc điểm là sứcđiện động của ắc qui tăng dần trong quá trình nạp, tức là nếu ra giữ điện áp không thay đổithì dòng nạp sẽ giảm dần, làm quá trình nạp điện cho ắc qui kéo dài, do đó ta cần kiểm soátđược dòng nạp cho ắc qui Thông thường ta nạp với 10% dòng dung lượng của ắc qui và giữ

ổn định dòng trong quá trình nạp Tuy nhiên khi dung lượng cuar ắc qui đã đạt đến 80%, lúc

đó ta tiếp tục giữ ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn dung dich điện phân Do đóđến giai đoạn này ta lại phải chuyển chế độ nạp ắc qui sang chế độ ổn áp Chế độ ổn áp đượcgiữ cho đến khi ắc qui đã thực sự đầy Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng điện ápnạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về 0, kết thúc quá trình nạp

Chương 2: Phân tích, tính toán và lựa chọn sơ đồ

I – Chọn sơ đồ thiết kế

( Phân tích hoạt động, đánh giá ưu nhược điểm của các sơ đồ chỉnh lưu, chọn sơ đồ hợp lí)

Theo yêu cầu của đề bài thiết kế:

Hình 2.1 CL một nửa chu kì Hình 2.2 Đồ thị U,I

Ở sơ đồ chỉnh lưu này, điện áp ra bị gián đoạn trong một nửa chu kì, điện áp anot củavan bán dẫn âm Do vậy, điện áp có chất lượng không tốt, và trị số trung bình lớn nhất khikhông có điều khiển là:

Udo = 0,45.U2

Đây là loại chỉnh lưu cơ bản, sơ đồ nguyên lí mạch đơn giản Tuy nhiên, các chấtlượng kĩ thuật như: chất lượng điện áp một chiều, hiệu suất sử dụng biến áp xấu.

Với hệ số sử dụng biến áp:

SBA = 3,09.Ud.Id

Do đó mà loại chỉnh lưu này ít được sử dụng trong thực tế

2 Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính:

Sơ đồ chỉnh lưu

Hình 2.3 CL cả chu kì với biến áp trung tính

Các đường cong chỉnh lưu:

Hình 2.4 Các đường cong chỉnh lưu cả chu kì với biến áp trung tính

Có thể coi sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính là hai sơ đồ chỉnh lưu 1 nửa chu kì hoạt động dịch pha nhau 1800 Ở mỗi chu kì có một van dẫn cho dòng điện qua, cho nên ở hai nửa chu kì sóng điện áp tải trùng pha với sóng điện áp của cuộn dây có van dẫn Đặc điểm của loại chỉnh lưu này là phải có biến áp thứ cấp có hai cuộn dây với các thông số giống hệt nhau

Điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kì với tần số đập mạch bằng hai lần tần số nguồn cấp (fđm = 2f1)

Điện áp trung bình trên tải, khi điện áp gián đoạn như trên sơ đồ các đường cong chỉnh lưu:

0

(1 cos )2

Mỗi van chỉ dẫn trong ½ chu kì, do đó dòng điện trung bình qua van tối đa bằng ½ dòng điện tải Trong các loại sơ đồ chỉnh lưu, thì loại tải này có điện áp ngược của van phải chịu là lớn nhất:

Unv = 2 2U

- Ưu điểm: so cới chỉnh lưu 1 nửa chu kì sơ đồ này cho chất lượng điện áp tốt hơn Dòng điện chay qua van không lớn, điện áp tổng rơi trên van nhỏ và việc điều khiển van tương đối đơn giản

3 Chỉnh lưu cầu một pha:

Chỉnh lưu cầu một pha có thể dùng sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điềukhiển, trong sơ đồ có điều khiển lại có sơ đồ điều khiển đối xứng và điều khiển không đốixứng

Ta xét sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng:

Hình 2.5 Chỉnh lưu cầu một pha

Sơ đồ chỉnh lưu này cho điện áp ra trên tải tương tự như sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì,biến áp thứ cấp có trung tính

Hoạt động:

- Ở ½ chu kì đầu (dương): điện áp dương đặt vào anot T1, điện áp âm đặt vào catot T2,khi có xung mở T1, T2 thì T1, T2 dẫn, có dòng điện qua tải

- Ở ½ chu kì sau (âm): anot T4 dương, catot T3 âm, khi có xung mở T3, T4 thì T3, T4

mở cho dòng điện qua tải theo chiều như khi T1, T2 dẫn Tức là dòng điện qua tải làdòng một chiều

Ưu điểm:

- Cho dạng điện áp, dòng điện ra giống như các dạng đường cong của chỉnh lưu cả chu

kì với biến áp có trung tính

- Điện áp ngược của van phải chịu là:

22

nv

Nhược điểm:

- Phải sử dụng nhiều van bán dẫn hơn, do đó tổng điện áp rơi trên van lớn hơn

- Việc điều khiển đồng thời các van khó khăn hơn

áp trên mỗi ngăn acquy đơn là (2,3 – 2,5)V Vậy điện áp sau chỉnh lưu lớn nhất là :

Do đó : ta sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cho mạch nap acquy tự động là sơ đồ chỉnh lưu cả chu

ký với biến áp bên thứ cấp có trung tính

3.2 THUYẾT MINH HOẠT ĐỘNG CỦA SƠ ĐỒ MẠCH ĐỘNG LỰC

nào đó để cho dòng điện qua tải (acquy) là dòng ổn định.

Đường cong điện và điện áp của tải (acquy) d

U , d

I được biểu diễn như hình vẽ Ta thấykhi có thêm cuộn kháng lọc thì dòng điện ra không bị gián đoạn mà là dòng liên tục

3.3 TÍNH TOÁN BIẾN ÁP VÀ THÔNG SỐ CÁC THIẾT BỊ MẠCH ĐỘNG LỰC 3.3.1 Chọn van