Thiết kế bộ nguồn nạp ắc quy tự động

Đểquá trình nạp có thể ổn định dợc cả về dòng và áp ta phải có bộ nguồn thích hợpđiều chỉnh đợc các tham số trên Phần II : Phân loại ắc qui các phuơng pháp nạp Trong thực tế có nhiều loạ

Lời nói đầu

Trong thế kỷ XX, đầu thế kỷ XXI là thời kỳ của các cuộc cách mạng công nghệ,khoa học kỹ thuật và điều này đã đem lại những thành tựu to lớn làm nền tảng cho

sự phát triển của nhiều ngành khoa học và đặc biệt là những bớc tiến mới về côngnghệ Bắt đầu từ các đèn nút giao thông, các nhà máy, bu điện,các đờng bay trongnớc và quốc tế cho đến các con tầu vũ trụ ngoài hành tinh đều có sự điều khiển củacông nghệ thông tin truyền và lu trữ số liệu Nhng nhìn nhận sâu hơn trong lĩnh vựccông nghệ thì phải thừa nhận rằng các loại máy móc với công nghệ hiện đại đã làmnên bộ mặt cho thế kỷ XXI này Điều đáng quan tâm là dù đó là hệ thống, côngnghệ hiện đại thế nào thì trong từng bộ phận đều cần phải có các bộ nguồn mộtchiều (DC) để cung cấp năng lợng cho các thiết bị hoạt động Các bộ nguồn đợcthiết kế ở nhiều dạng khác nhau nh: bộ nguồn UPS (Uninterruptedable powersupply) để đảm bảo nguồn cung cấp cho các thiết bị truyền, phát thông tin không bịgián đoạn Nguồn ắc quy trên các phơng tiện giao thông cho đến bộ nguồn dựphòng của các hệ thống điều khiển tự động, báo cháy, chữa cháy tự động… Côngnghệ phát triển càng cao thì giải quyết vấn đề làm thế nào để có đợc bộ nguồn ổn

định lại càng trở nên cần thiết hơn Khoa học công nghệ phát triển càng cao thì một

bộ nguồn có các đặc tính đặc biệt nh có thể di chuyển đợc, Có khả năng tự nạp,phóng điện ngày càng chứng tỏ đợc vị trí quan trong không thể thiếu của mình.Vì thế ngày càng có nhiều công trình nghiên cứu, chế tạo ra các bộ nắn dòngAC/DC để nạp tự động cho ắc quy có tính ổn định cao

Với lợng kiến thức đã đợc học cùng việc tham khảo các tài liệu có liên quan,tôi cũng xin đợc trình bày một thiết kế cho bộ chỉnh lu nạp ắc quy tự động có nguồnvào 3 pha 220V AC; 50 Hz cho 04 ắc quy 12V DC - 180 Ah (+/-10%)

Thiết kế này có thể còn nhiều thiếu sót, nhợc điểm rất mong đợc các thầy cô chỉbảo và các bạn góp ý để tôi bổ xung, chỉnh lý nhằm hoàn thiện hơn thiết kế này

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn khoa tại chức trờng đại học Bách khoa HàNội Đặc biệt cảm ơn thầy Dơng Văn Nghi đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo chúng tôitrong quá trình thực hiện đồ án

Đề bài:

Thiết kế bộ nguồn nạp ắc quy tự động có các thông số sau:

- Nguồn vào 3 pha 220/380 VAC +/- 10%, 50 Hz

- ắc quy gồm 4 chiếc 12V DC dung lợng 180 Ah

Yêu cầu nội dung và mục lục

- Phần 1: Giơi thiệu chung

- Phần 2: Phân loại ắc qui , các phơng pháp nạp ắc qui

- Phần 3: Phân tích yêu càu công nghệ , chọn phơng án tối u

- Phần 4: Thiết kế tính chọn các phần tử động lực

- Phần 5: Thiết kế tính toán phần điều khiển

Phần 1: Giới thiệu chung

Trong nền kinh tế hiện nay nguồn điện ắc quy đợc sử dụng nhiều trong cácngành công nghiệp, nông nghiệp và đặc biệt là trong ngành giao thông vận tải ắcquy là bộ phận rất quan trọng trong các hệ thống điện, hệ thống điều khiển tự

động… nên các máy có sử dụng đến động cơ nổ thì việc khởi động động cơ phụthuộc phần lớn vào nguồn ắc quy Ngoài ra ắc quy còn cung cấp điện cho các hệthống khác trong các dây truyền công nghệ

ắc qui là nguồn diện một chiều , nhiều máy móc thiết bị hoạt động đợc là nhờ

có bộ nguồn ắc qui Để có một bộ nguồn ắc qui phù hợp - tuỳ theo nhu cầu tínhchất sử dụng ngời ta có những loại ắc qui khác nhau

Những ắc qui thông dụng có điện áp nh : 6v , 12v , 24v , 48v

Ngoài ra cần có điện áp khác nhau hay công suất phù hợp ngời ta có thể đấughép , sản xuất là có đợc một bộ ắc qui nh ý muốn

ắc qui hoạt động dợc là nhờ có quá trình điện hoá - sẽ có hiện tợng tích điện(khi nạp ) phóng điện khi sử dụng (có tải )

Khi bắt đầu nạp dòng nạp sẽ lớn hơn 10% I dm (với ắc qui dung lợng nhỏ ) Còn với ắc qui dung lợng lớn lúc đầu In= 10% Idm Trong vòng vài giờ sau đó nâng

dòng nạp lên dòng Idm Khi ắc qui đầy Insẽ nhỏ dần và Unsẽ tăng dần tới Umax Đểquá trình nạp có thể ổn định dợc cả về dòng và áp ta phải có bộ nguồn thích hợp

điều chỉnh đợc các tham số trên

Phần II : Phân loại ắc qui các phuơng pháp nạp

Trong thực tế có nhiều loại ắc qui nhng phổ biến nhất là loại ắc qui kiềm và axit

I Cấu tạo va đặc điểm của các loại ắc qui

- Cấu trúc của ắc qui đơn giản gồn có phân khối bản cực dơng phân khối bản cực

âm , các tấm ngăn Phân khối bản cực do các cực cùng tên ghép nối lại với nhau

- Cấu tạo của một bản cực trong ắc qui gồm có phần khung xơng và chất tác dụngtrát lên nó Khung xơng của bản cực dơng có cấu tạo giống nhau và chúng đợc đúc

từ chì có pha thêm 5- 8% ăngtimoan (Sb) và tạo thành hình mắt lới Phụ gia Sbthêm vào chì sẽ làm tăng thêm độ dẫn điện và cải thiện tính đúc Trong thành phầntác dụng còn có thêm khpảng 3% chất nở (các muối hữu cơ ) để tăng độ xốp và cảithiện đợc độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực đồngthời điện tích thuực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng đợc tănglên , phần đầu của mỗi bản cực có vấu , các bản cực dơng của mỗi ắc qui đơn đợchàn với nhau tạo thành khối bản cực dơng và các bản cuực âm cũng đợc hàn vớinhau tạo thành khối bản cực âm Số lợng các bản cực trong mỗi ắc qui thờng từ 5

8 Bề dày cực dơng từ 1,31,5 mm, bản cực âm mỏng hơn 0,20,3 mm

- Số bản cực dơng trong ắc qui thơng nhiều hơn số bản cực âm nhằm triệt để tậndụng diện tích tham gia phản ứng của các bản cực Tấm ngăn đợc bố trí giữa cácbản cực âm và dơng có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực Cáctấm ngăn này đợc làm bằng vật liệu poly-vinyl có dạng lợn sóng , trên các bề mặttấm ngăn có các lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua

II Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui

ắc qui là nguồn năng lợng có tính thuận nghịchnó tích trữ năng lợng dới dạng hoá

mạch ngoài đợc gọi là quá trình phóng điện , quá trình ắc qui dự trữ năng lợng đợcgọi là quá trình nạp điện

1 Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui axit

-Trong ắc qui axit có các bản cực dơng là oxit chì (PbO2) Các bản cực âm là (Pb)dung dịch điện phân là H2SO4nồng độ d = 1,11,3%

()Pb  H2SO4 d = 1,11,3% | PbO2(+)

→PbO2 +2H2SO4 +Pb ←phong ,nap→ 2PbSO4 +2H2O

thế điện động e= 2,1v

2 Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui kiềm

– Trong ắc qui kiềm có bản cực dơng là Ni(OH)3bản cực âm là Fe dung dịch

1 Sức điện động của ắc qui

– Sức điện động của ắc qui axit và kiềm phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điệnphân

E0 = 0,85 + P (v)

E0: sức điện động tĩnh của ắc qui (v)

P : Nồng độ dung dịch điện phân ở 15 C (g/cm )° ³

– Quá trình phóng điện thics điện động Epcủa ắc qui là : Ep= Up+IpRp

Trong đó : Ep: Sức điện động của ắc qui khi phóng (v)

Ip : Dòng điện phóng (A)

Up: Điện áp đo trên các bản cực của ắc qui khi phóng điện

Rp: Điện trở trong của ắc qui khi phóng điện (Ω)

– Quá trình nạp điện thì sức điện động Enlà : En= Un- InRn

En: Sức điện động của ắc qui khi nạp điẹn (v)

In : Dòng điện nạp (A)

Un: Điện áp đo trên các bản cực của ắc qui khi nạp

Rn: Điện trở trong của ắc qui khi nạp

2 Dung lợng của ắc qui

– Dung lợng phóng của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng cung cấp năng ợng điẹn của ắc qui cho phụ tải Cp= Ip.tp

Cp: Dung dịch thu đợc trong quá trình phóng (Ah)

Ip : Dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng (A)

tp : Thời gian phóng điện (h)

– Dung lợng nạp của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng tích trữ năng lợngcủa ắc qui Cn= In.tn

Cn: Dung dịch thu đợc trong quá trình nạp (Ah)

In : Dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp (A)

vẽ sơ đồ vào dây

– Từ đặc tính phóng nạp của ắc qui nh trên hình vẽ ta có nhận xét sau :

+ Trong khoảng thời gian phóng từ t p= tgh sđđ , U , nồng độ dung dịch điện phângiảm dần , trong khoảng thời gian này độ dốc của đồ thị không lớn ta gọi là giai

đoạn phóng ổn định

+ Từ thời gian tghtrở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột Nếu ta tiếp tục cho ắcqui phóng điện sau tghthì sđđ , U của ắc qui sẽ giảm rất nhanh Mặt khác các tinhthể sunfatchif (PbSO4) tạo thành ở phản ứng sẽ có dạng thô rắn hoà tan trong quátrình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này ắcqui không cho phép đợc phóng điện khidung lợng còn khoảng 80%

Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào đó các giá trị sđđ , điện

áp , nồng độ dung dịch điện phân của ắc qui lại tăng lên Ta gọi đây là thời gianphục hồi hay khoảng nghỉ của ắc qui Thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độphóng điện của ắc qui

2 Đặc tính nạp của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc giữa sđđ ,

điện áp , nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian khi trị số dòng điện khôngthay đổi

vẽ đò thị vào đây

Từ đồ thị đặc tính trên ta có nhận xét sau :

+ Trong khoảng thời gian từ tn= 0 đến tn= tghthì sđđ , điện áp , nồng độ dung dịch

điện phân tăng dần Tới thời điểm tstrên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọtkhí ( còn gọi là hiện tợng sôi ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui đãtăng đến 2,4v Nếu tiếp tục nạp thì giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7v và giữnguyên →Thời gian này gọi là thời gian nạp no Nó có tác dụng cho phần cao nhấttác dụng ở sâu trong lòng các bản cực đợc biến đổi tuần hoàn Nhờ đó sẽ làm tăngthêm dung lợng phóng điện của ắc qui

+ Sau khi ngắt mạch nạp , sđđ , điện áp nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống

và ổn định Thời gian này cũng gọi là khoảng nghỉ của ắc qui sau khi nạp

+ Trị số dòng điện nạp ảnh hởng rất lớn đến chất lợng và tuổi thọ của ắc qui

In.đdmlà In= 0,1C10

C10: là dung lợng của ắc qui với chế độ nạp dòng điện định mức là

In= 0,1 C10thì sau 10h ắc qui sẽ đầy

VD : Với ắc qui C= 180 Ah thì nếu ta nạp ổn dòng với dòng điện bằng 10% dunglợng tức In= 18A thì sau 10h ắc qui sẽ đầy

V Sự khác nhau giữa ắc qui kiềm và ắc qui axit

– Cả hai loại ắc qui này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộcloại dung kháng và sức phản điện động Nhng chúng có một số đặc điểm khácnhau

ắc qui axit ắc qui kiềm

– Khả năng quá tải không cao – Khả năng quá tải rất lớn dòng

Dòng nạp lớn nhất đạt khi quá tải nạp lớn nhất có thể đạt Imax= 50%C10

– Dùng trong ôtô , xe máy, các động – Dùng phổ biến ở trong công

cơ có công suất vừa và nhỏ nghiệp hàng không , hàng hải , ở

– Giá thành thấp những nơi nhiệt độ môi trờng thấp

1 Phơng pháp nạp ắc qui với dòng điện không đổi

Đây là phơng pháp nạp cho phép chọn đợc dòng nạp thích hợp với mỗi loại ắcqui đảm bảo cho ắc qui đợc no Phơng pháp này sử dụng trong các xởng bảo dỡngsửa chữa Với phơng pháp này ắc qui đợc mắc nối tiếp nhau và thoả mãn điều kiện

2 Phơng pháp nạp với điện áp không đổi

– Phơng pháp này yêu cầu các ắc qui đợc mắc song song với nguồn nạp , hiệu

điện thế của nguồn nạp không thay đổi (2,3v  2,5v ) Thời gian nạp ngắn tuy nhiêndùng phơng pháp này ắc qui không đợc nạp no Vì vậy nạp với dòng điện không

đổi chỉ là phơng pháp bổ xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng

– Đối với ắc qui axit để đảm bảo thời gian nạp cũng nh hiệu suất nạp thì trongkhoảng thời gian tn= 8h ứng với 75 80% dung lợng ắc qui ta nạp với dòng điệnkhông đổi là In= 0,1 C10theo đặc tính nạp của ắc qui trong giai đoạn chính thì khidòng điện không dổi thì điện áp ,sđđ tải ít thay đổi , để đảm bảo tính đồng đều vềtải cho thiết bị nạp thì sau thời gian 8h ắc qui bắt đầu sôi Lúc đó ta chuyển sangnạp ở chế độ ổn áp Ki thời gian nạp đợc 10h thì ắc qui bắt đầu no , ta nạp bổ xungthêm 23h

– Đối với ắc qui kiềm trình tự nạp cũng giống ắc qui axit Nhng do khả năngquá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp với

In= 0,2 C10 hoặc nạp cỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp

sự no Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng với diện áp nạp thì lúc đó dòngnạp sẽ tự động giảm về 0 va kết thúc quá trình nạp

– Tuỳ theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện khác nau

đích nữa là để các bình hay các ngăn Việc giữ cho điện áp không đổi còn giúp choviệc trộn đều dung dịch trong các bình

Với ý nghĩa công nghệ nạp điện cho ắc qui ta sẽ thiết kế một bộ nguồn nạp điện cho

ắc qui theo thoong số kỹ thuật đã cho Giúp cho việc sử dụng ắc qui bền và tiện lợinâng cao tuổi thọ ổn định đợc dòng điện và điện áp , độ gợn sóng (nhấp nhô) ít lợiích kinh tế cao

II Chọn phơng pháp

Có nhiều phơng pháp để xây dựng một bộ chỉnh lu cho bộ nguồn nạp ắc qui Ta sẽxem xét cụ thể từng bài toán

góc mở là cố định do vậy không điều chỉnh đợc điện áp và dòng điện

không điều chỉnh đợc góc mở của van do đó dòng chỉ đạt cực đại trong thời gian rấtngắn Vì vậy dẫn tới dễ hỏng bản cực ắc qui, tuổi thọ của ắc qui giảm

∗ Ưu điểm : Dòng điẹn nạp là liên tục, điều chỉnh đợc góc mở , dòng tải phẳng hơn

∗ Nhợc điểm : tăng thêm một số vật t trong giá thành kinh tế

Kết luận : Trong hai phơng pháp vừa nêu để đảm bảo độ bền tuổi thọ ắc qui , phùhợp với yêu cầu công nghệ ổn điịnh đợc dòng điện (liên tục) và ổn định đợc điện áptheo ý muốn ta thấy thấy phơng án dùng chỉnh lu cầu 3 pha dùng 06 trirstor đểchỉnh lu từ áp xoay chiều thứ cấp máy biến áp 3 pha thành nguồn 1 chiều mongmuốn là hoàn toàn thích hợp

Nhìn chung sơ đồ tơng đối đơn giản Mạch nguồn hoạt động ổn định, điện áp ít thay

đổi phụ thuộc vào nguồn vào

Nh vậy mạch này chỉ cần kết hợp với một mạch điều khiển có phản hồi dòng điện

và điện áp nữa là ta sẽ đảm bảo đợc yêu cầu đặt ra

Phần IV Thiết kế tính chon các phần tử phần động lực.

- 01 mạch điều khiển để tạo xung mở điều khiển tiristor.

- Để đảm bảo cho chất lợng đầu ra ta dùng mạch phản hồi dòng điện và điện áp

1- Phần điện áp

Máy biến áp công suất vài chục KVA thuộc loại công suất nhỏ nên có sụt áp trên

điện trở tơng đối lớn 4% sụt áp trên điện kháng lại ít hơn khoảng 1,5% và sụt áptrên các van nối tiếp khoảng 2,4V

UV

V

1

2 1

,0

103,0

b

It v

=

Nh vËy ta chän 6 tiristir Liªn X« lo¹i TL-200 cã c¸c thhong sè kü thuËt sau:

Itb=200A; Ungtb=300v; AU = 0,7; Toff = 150 sµ ; Ig =0,4A; Vg =8V;

sA20

Q = k cm2

f

cP

Trong đó : k = 4-5 nếu là máy biến áp dầu

k= 5-6 nếu là máy biến áp khô

P= công suất máy biến áp

C= số trụF= tần số nguồn xoay chiều

25,52

= Tesla

Nh vậy mạch từ có dạng nh hình vẽ 3

b Dây quấn

+ Dây quấn sơ cấp:

760 vòng dây chia thành 4 lớp

Giữa các lớp đặt một tờ giấy cách điện 0,1 mm

Bề dầy của cuộn dây quấn sơ cấp

E1 =4 x 1,5 = 6 mm

Bán kính trung bình của cuộn dây sơ cấp là 60 mm

Chiều dài của cuộn dây sơ cấp

2π x 63,15 x 10-3 x 760 = 301 m

Điện trở của cuộn dây ở 75 0C là:

rl = 0,00993 x 301(1+0,04x75)= 11,9 Ω

+ Dây quấn thứ cấp

Giữa dây quấn sơ cấp và thứ cấp để một khoảng cách khoảng 8 mm 16 vòng dâycuốn thành 1 lớp bề dầy cuộn thứ cấp e2=5,2

- Bán kính trung bình của dây là

12 + 7 + 8 + 2,5 = 29,5 mm

- Chiều dài cuộn dây thứ cấp là:

2π x 29,5.10-3x20 = 3,7 m

- Điện trở ở 75 0

150.005,0.3

=

- §iªn ¸p r¬i trªn ®iÖn trë

V53,2150282

2037,101,0ld1

2n1r2r

V

2 2

=

∆

- §iÖn ¸p chØnh lu d©y t¶i

T 1

VUdomax

- Dòng điện ngắn mạch

017,0

8,6Z

V

2

Hình 4

Phần V: Thiết kế sơ đồ điều khiển chỉnh lu cầu 3 pha.

- 01 máy biến áp 3 pha tạo điện áp đồng bộ với nguồn

Khối 1

Khối 2

Khối 3

Khối 4

- Khối 1 là khối tao ra điện áp (xung) răng ca phù hợp đồng bộ với nguồn

- Khối 2 là khối đa hài xung chữ nhật với f = 8KHz

- Khối 3 là khối so sánh 2 tín hiệu điện áp điều khiển UĐK và điện áp răng ca dokhối 1 tạo ra và đầu ra cho điện áp xung chữ nhật f 100Hz

- Khối 4 là khối khuyếch đại xung và biến áp xung

- Khối 5 là khối phản hồi dòng điện áp

- Rơle thời gian đóng ngắt các tiếp điểm

Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển nạp ắc quy tự đông đợc mô tả nh hình vẽ sau: