Luận văn tốt nghiệp Đề tài Thiết kế bộ nạp ắc qui tự động LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 1 TĐH2 – K49 CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ẮC QUI I.1 : Khái niệm Ắc qui là nguồn hòa hoạt động trên cơ sở hai điện cực có điện thế khác nhau, nó cung cấp dòng điện một chiều cho các thiết bị điện dùng trong công nghiệp cũng như trong dân dụng . Đặc điểm Khi ắc qui phóng hết điện ta phải tiến hành nạp điện cho ắc qui ,sau đó ắc qui lại có thể phóng điện lại được . Ắc qui có thể thực hiện nhiều chu kì phóng nạp nên ta có thể sử dụng lâu dài . Phân loại Trong thực tế kỹ thuật có nhiều loại acqui nhưng phổ biến và thường dùng nhất là : + ắc qui chì-axit + ắc qui kiềm. Tuy nhiên ắc qui chì-axit trong thực tế được sử dụng rông rãi hơn . I.2: Ứng dụng của ắc qui: Ắc qui là một nguồn điện được trữ năng lượng điện dưới dạng hoá, nó cung cấp điện cho các thiết bị điện ph ục vụ trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày: như cung cấp điện cho động cơ điện, bóng đèn, là nguồn nuôi cho các thiết bị điện tử…. Cấu tạo của ắc qui. Ắc qui là một nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân, với ắc qui chì axit sức điện động danh định của một ắc qui đơn là 2,1vôn. + Muốn tăng khả năng dự trữ năng lượng của ắc qui người ta tăng số lượng cặp bản cực dương âm trong mỗi ắc qui đơn. + Để tăng giá trị sức điện động của nguồn người ta ghép nối nhiều ắc qui đơn thành một bình ắc qui. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 2 TĐH2 – K49 I.3: Cấu tạo của ắc qui: Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dương, phân khối bản cực âm, 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 qui gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó. Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu t ạo giống nhau, chúng được đúc từ chì và chúng được đúc từ chì và có pha thêm 5 ÷ 8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắt lưới. 3. Cốt bản cực 2. Chất tác dụng 1. Vấu bản cực 2 3 Hình 1.2: Cấu tạo bản cự của ắc qui. + - Hình 1.1: Cấu tạo của ắc qui. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 3 TĐH2 – K49 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 chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thự c tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm . Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc qui 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 qui thường từ 5 đến 8 tấm, bề d ầy tấm bản cực dương của ắc qui thường từ 1,3 đến 1,5 mm , bề dày tấm bản cực âm thường mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm . Số bản cực âm trong ắc qui thường nhiều hơn số bản cực dương 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 cự c 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 đến 1,2 mm và có dạng lượn sóng, trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua. I.4: Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui Ắc qui là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới d ạng điện năng. + Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện. + quá trình ắc qui dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện. +Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lượng. I.4.1:Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui axit: Trong ắc qui axit có các bản cực dương là đôixit chì ( PbO 2 ), các bản âm là chì ( Pb ), dung dich điện phân là axit sunfuaric ( H 2 SO 4 ) nồng độ d = 1,1 ÷ 1,3 % (- ) Pb ⏐ H 2 SO 4 d = 1,1 ÷ 1,3 ⏐ PbO 2 (+ ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit : PbO 2 + 2H 2 SO 4 (H 2 O) + Pb PbSO 4 + H 2 O + PbSO 4 Cực d d điện phân cực cực d d điện phân cực dương âm dương âm Thế điện động e = 2,1 V. Phóng Nạp Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 4 TĐH2 – K49 - Khi nạp nhờ nguồn điện nạp mà ở mạch ngoài các điện tử “e” chuyển động từ các bản cực âm đến các bản cực dương. Đó là dòng điện nạp I n. - Khi phóng điện dưới tác động của sức điện động riêng của ắc quy các điện tử sẽ chuyển động theo hướng ngược lại từ dương đến âm và tạo thành dòng điện phóng - Khi ắc quy đã nạp no, chất tác dụng ở các bản cực dương là PbO 2 còn ở các 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. Trạng thái năng lượng của ắc quy quan hệ với quá trình biến đổi hoá học ở các bản cực và dung dịch điện phân được tóm tắt ở bảng sau: Trạng thái của ắc quy Bản cực dương Dung dịch điện phân Bản cực âm Đã được nạp no Đã phóng hết điện PbO 2 (oxit chì ) PbSO4 (Sunphat chì tinh thể nhỏ) 2H 2 SO 4 (axit sufuric ) H 2 O ( Nước ) Pb (Chì xốp nguyên chất ) PbSO4 (Sunfat chì tinh thể nhỏ ) Nhận xét: Khi phóng điện axít sunfuric bị hấp thụ để tạo thành sunfat còn nước bị phân hoá ra, do đó nồng độ của dung dịch giảm đi. Khi nạp điện thì ngược lại nhờ hấp thụ nước và tái sinh ra axit sufuric nên nồng độ của dung dịch tăng lên. Sự thay đổi nồng độ của dung dịch điện phân khi phóng và nạp là một trong những dấu hiệu để xác định mức phóng điện của ắc quy trong khi sử dụng. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 5 TĐH2 – K49 I.4.2: Quá trình biến đổi năng lượng trong ắc qui kiềm: Trong ắc qui kiềm có bản cực dương là Ni(OH) 3 , bản cực âm là Fe, dung dịch điện phân là: KOH nồng độ d = 20 % ( - ) Fe ⏐ KOH d = 20% ⏐ Ni(OH) 3 ( + ) Phương trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui kiềm : Fe + 2Ni(OH) 3 Fe(OH) 3 + 2Ni(OH) 2 Thế điện động e = 1,4 V. Nhận xét: Trong các quá trình phóng nạp nồng độ dung dịch điện phân là 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 đó ta có thể căn cứ vào nồng độ dung dịch điện phân để đánh giá trạng thái tích điện của ắc qui. I.4.3:Các thông số cơ bản của ắc qui: - Sức điện động của ắc qui kiềm và 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 của ắc qui ( V ). γ - Nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm 3 ). Ngoài ra suất điện động còn phụ thuộc vào nhiệt độ trong dung dịch . Nhiệt độ (°C) 15 20 25 30 35 40 Dung dịch pha ban đầu γ 1,237 1,234 1,230 1,226 1,219 1,212 Dung dịch ngừng sử dụng 1,187 1,183 1,180 1,177 1,170 1,164 +Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui được tính theo công thức: Phóng Nạp Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 6 TĐH2 – K49 Ep = Up + Ip. Trong đó : Ep - Sức điện động của ắc qui khi phóng điện ( V ) Ip - Dòng điện phóng ( A ) Up - Điện áp đo trên các cực của ắc qui khi phóng điện (V) r aq - Điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( Ω ) +Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui được tính theo công thức: En = Un - In.r aq Trong đó : En - Sức điện động của ắc qui khi nạp điện ( V ) In - Dòng điện nạp ( A ) Un - Điện áp đo trên các cực của ắc qui khi nạp điện ( V ) r aq - Điện trở trong của ắc qui khi nạp điện ( Ω ) - Dung lượng phóng của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng điện của ắc qui cho phụ tải, và được tính theo công thức : Cp = Ip.tp Trong đó : Cp - Dung dịch thu được trong quá trình phóng ( Ah ) Ip - Dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tp ( A ) tp - Thời gian phóng điện ( h ). - Dung lượng nạ p của ắc qui là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng lượng của ắc qui và được tính theo công thức : Cn = In.tn Trong đó : Cn - dung dịch thu được trong quá trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ). Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 7 TĐH2 – K49 I.5: Đặc tính phóng nạp của ắc qui: I.5.1. Đặc tính phóng của ắc qui. - Đặc tính phóng của ắc qui là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi . - Từ đặc tính phóng của ắc qui như trên hình vẽ ta có nhận xét sau: +Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đế n tp = tgh, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên trong khoảng thời gian này độ dốc của các đồ thị không lớn, ta gọi đó là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui ( dòng điện phóng ) của ắc qui. - Từ thời đ iểm tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp tục cho ắc qui phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc qui sẽ giảm rất nhanh. Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO 4 ) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô rắn rất khó hoà tan ( biến đổi hoá học) trong quá trình nạp điện trở lại cho ắc qui sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép Hình 1.3: Đặc tính phóng của ắc qui. C P = I P .t P Vùng phóng điện cho p hé p 4 0 5 10 1,75 1,95 2,11 I (A) U (V) 2012 8 8 t E U P Khoảng n g hỉ E Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 8 TĐH2 – K49 của ắc qui, các giá trị Ep, Up, ρ tại tgh được gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc qui. ắc qui không được phóng điện khi dung lượng còn khoảng 80%. - Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian nào, các giá trị sức điện động, điện áp của ắc qui, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ c ủa ắc qui. Thời gian hồi phục này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ắc qui (dòng điện phóng và thời gian phóng ). I.5.2: Đặc tính nạp của ắc qui: Đặc tính nạp của ắc qui 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 điệ n nạp không thay đổi. . - Từ đồ thị đặc tính nạp ta có các nhận xét sau : +Trong khoảng thời gian từ t n = 0 đến t n = t s thì sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần. +Tới thời điểm t n = t s trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các bọt khí (còn gọi là hiện tượng sôi ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui Khoản g nghỉ 1,95V C n = I n .t n Vùng nạp ch í nh 5 10 0 10 1 t s 20 (2 ÷ 3) h Vùng nạp no t I (A) U,E (V) 2,4V 2 2,7V Un Bắt đầu sôi 2 , 4V 2,1VEaq Eo Hình 1.4: Đặc tính nạp của ắc qui. [...]... ôtô, các động cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ Sinh viên:Dương Văn Phúc - Giá thành thấp - Dùng trong công nghiệp 9 hàng không, hàng hải và quốc phòng TĐH2 – K49 - Giá thành cao Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động I.6:Các phương pháp nạp ắc qui tự động Có ba phương pháp nạp ắc qui l : + Phương pháp dòng điện I.6:Các phương pháp nạp ắc qui tự động Có ba phương pháp nạp ắc qui l : + Phương... viên:Dương Văn Phúc 27 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II. 5: MẠCH CHỈNH LƯU BÁN ĐIỀU KHIỂN CẦU 1PHA II.5. 1: Sơ đồ U1 U2 T2 T1 D2 D1 Rd Hình 2. 7: Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu 1F II.5. 2: Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 28 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động UG α G1 α G2 α G1 t U 0 Π 2Π 3Π t Ud t id t IT1 t IT3 t ID1 t ID2 Ung t Sinh viên:Dương... Sinh viên:Dương Văn Phúc 18 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II. 2: MẠCH CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN CẦU 1PHA II.2. 1: Sơ đồ U1 U2 T4 T1 T3 T2 Ld Rd Hình 2. 3: Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu 1F II.2.2:Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 19 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động UG α G1 α α G2 G1 t U 0 Π 2Π 3Π t Ud t id t IT1 t IT2 t i1 t Ung t II.2. 3: Nguyên... ta thấy : Phương pháp tối ưu nhất vừa đáp ứng được yêu cầu của công nghệ vừa đạt được hiệu quả kinh tế là phương pháp mắc hỗn hợp ` Sinh viên:Dương Văn Phúc 13 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động _ A Un D + A VR _ _ _ + + + Hình 1. 7: Phương pháp đấu nối ắc qui để nạp điện CHƯƠNG II: Sinh viên:Dương Văn Phúc 14 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động CÁC... công suất nhỏ và vừa Sinh viên:Dương Văn Phúc 21 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II. 3: MẠCH CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN ĐỐI XỨNG CẦU 3PHA II.3. 1: Sơ đ : Uc UB UA Uc Ub Ua T4 T1 T6 T3 T2 T5 Rd Hình 2. 5: Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3F II.3. 2: Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 22 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động UG U G1 U G2 t U G3 t U G4... van chỉ chỉ chạy trong 1/3 chu kỳ Sinh viên:Dương Văn Phúc 24 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II. 4: MẠCH CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN HÌNH TIA 3PHA II.4. 1: Sơ đồ ` A T1 a b C T2 c B T3 Rd Ld Hình2.6:Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng tia 3F Sinh viên:Dương Văn Phúc 25 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.4. 2: Dạng điện áp UG α G1 α G2 α α G3 G1 t U 0... – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động UG α G1 α α G2 G1 t U 0 Ud Π U21 2Π U22 3Π t U21 t id t IT1 t IT2 t i1 t Ung t II.1. 3: Nguyên lý động Sinh viên:Dương Văn Phúc 17 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động α ÷ Л : T1 thông Ut = U21, It = IT1 Л + α ÷ 2Л : T2 thông Ut = U22, It = IT2 2Л + α ÷ 3Л : T1 thông Ut = U21, It = IT1 II.1. 4: Các công thức cơ bản: - Điện... điện nạp bằng dòng điện cho mỗi ắc qui đơn: In = Id = 0,05.C20 = 0,05.40 = 2A III.1. 3: Mắc hỗn hợp các bình ắc qui vào nguồn nạp Sinh viên:Dương Văn Phúc 33 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động U1 U2 T2 T1 D2 D1 A RS Rf + + Hình 2. 9: Mắc hỗn hợp các ắc qui vào nguồn nạp Các ắc qui được mắc nối tiếp với nhau thành từng nhóm rồi mắc song song với nhau sau đó đưa vào nguồn nạp. .. trên: Ta chọn mạch nạp ắc qui là sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha không đối xứng III. 1: Các cách bố trí mắc ắc qui vào nguồn nạp: III.1. 1: Mắc song song các bình ắc qui vào nguồn nạp U1 U2 T2 T1 D1 D2 Un _ + _ + _ + Hình 2. 1: Mắc song song ắc qui vào nguồn Các ắc qui cần nạp điện được mắc song song với nhau và nối vào nguồn nạp Khi nạp đầy điện áp trong mỗi ngăn ắc qui đơn là 2,7V, do vậy điện áp ở nỗi ắc qui. .. bán dẫn: CL không điều khiển, có điều khiển và bán điều khiển Theo sơ đồ mác các van với nhau:Sơ đồ hình tia và sơ đồ hình cầu II. 1: MẠCH CHỈNH LƯU TRISTOR 2 NỬA CHU KỲ Sinh viên:Dương Văn Phúc 15 TĐH2 – K49 Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động II.1.1 Sơ đ : T1 U21 Ld Rd U1 U22 T2 Hình 2. 1: mạch chỉnh lưu Tristor 2 nửa chu kỳ II.1.2 Dạng điện áp: Sinh viên:Dương Văn Phúc 16 TĐH2 – K49 Đồ . văn tốt nghiệp Đề tài Thiết kế bộ nạp ắc qui tự động LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui. dụng 1. Vấu bản cực 2 3 Hình 1. 2: Cấu tạo bản cự của ắc qui. + - Hình 1. 1: Cấu tạo của ắc qui. Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 3 TĐH2 – K49 Phụ. sức điện động Ep của ắc qui được tính theo công thức: Phóng Nạp Đồ án tốt nghiệp : thiết kế bộ nạp ắc qui tự động Sinh viên:Dương Văn Phúc 6 TĐH2 – K49 Ep = Up + Ip. Trong đó : Ep