Chơng i: giới thiệu chung về ắc qui và các phơng pháp nạp ắc qui I.1: ứng dụng của ác qui: ắc qui là một nguồn điện đợc trữ năng lợng điện dới dạng hoá, nó cung cấp điện cho các thiết bị điện phục vụ trong công nghiệp cũng nh trong đời sống hàng ngày: nh 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 lợng của ắc qui ngời ta tăng số lợng cặp bản cực dơng âm trong mỗi ắc qui đơn. Để tăng giá trị sức điện động của nguồn ngời ta ghép nối nhiều ắc qui đơn thành mộ bình ắc qui. + - 1 I.2. Cấu tạo của ắc qui: Cấu trúc của một ắc qui đơn giản gồm có phân khối bản cực dơng, 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 xơng và chất tác dụng trát lên nó. Khung xơng của bản cực âm và bản cực dơng có cấu tạo giống nhau, chúng đợc đúc từ chì và chúng đợc đúc từ chì và có pha thêm 5 ữ 8 % ăngtimoan ( Sb ) và tạo hình mắt lới. 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 hu cơ ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện đợc độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng đợc tăng thêm . Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dơng của mỗi ắc qui đơn đợc hàn với nhau tạo thành khối bản cực dơng, các bản cực âm đợc hàn với nhau thành khối bản cực âm. Số lợng các bản cực trong mỗi ắc qui thờng từ 5 đến 8 tấm, bề dầy tấm bản cực dơng của ắc qui thờng từ 1,3 đến 1,5 mm , bề dày tấm bản cực âm thờng mỏng hơn 0,2 đến 0,3 mm . Số bản cực âm trong ắc qui thờng nhiều hơn số bản cực dơng một bản nhằm 3. Cốt bản cực 2. Chất tác dụng 1. Vấu bản cực 2 3 2 tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực. Tấm ngăn đợc bố trí giữa các bản cực âm và dơng có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn đợc làm bằng vật liệu poly-vinyl-clo bề dầy 0,8 đến 1,2 mm và có dạng lợn sóng, trên bề mặt tấm ngăn có các lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua. I.3: Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui ắc qui là nguồn năng lợng có tính chất thuận nghịch : nó tích trữ năng lợng dới dạng hoá năng và giải phóng năng lợng dới dạng điện năng. Quá trình ắc qui cấp điện cho mạch ngoài đợc gọi là quá trình phóng điện, quá trình ắc qui dự trữ năng lợng đợc gọi là quá trình nạp điện. Phản ứng hoá học biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lợng. Thông thờng có 2 loại acquy đợc sử dụng phổ biến trong thực tế là acquy axit và acquy kiềm có bản cực đợc làm bằng các kim loại và hợp kim sau: Axít Kiềm Chì Niken-sắt Bạc- Kẽm Niken-Cađimi Anốt Pb Fe Zn Cd Catốt Pb,PbO2 C,NiOOH Ag,Ag2O2 C,NiOOH S.đ.đ{V} 2,0 1,36 1,6 1,3 I.3.1:Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui axit: Trong ắc qui axit có các bản cực dơng 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 ữ 1,3 % (- ) Pb H 2 SO 4 d = 1,1 ữ 1,3 PbO 2 (+ ) Phơng trình hoá học biểu diễn quá trình phóng nạp của ắc qui axit : PbO 2 + 2H 2 SO 4 + Pb 2PbSO 4 + 2H 2 O Thế điện động e = 2,1 V. 3 Phóng Nạp I.3.2: Quá trình biến đổi năng lợng trong ắc qui kiềm: Trong ắc qui kiềm có bản cực dơng 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 ( + ) Phơng 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.3.3: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. Ngời ta thờng sử dụng công thức kinh nghiệm Eo = 0,85 + ( V ) Trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của ắc qui ( V ). - Nồng độ dung dịch điện phân ở 15 C ( g/cm 3 ). +Trong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của ắc qui đợc tính theo công thức: 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) 4 Phóng Nạp r aq - Điện trở trong của ắc qui khi phóng điện ( ) +Trong quá trình nạp điện thì sức điện động En của ắc qui đợc 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 ( ) - Dung lợng phóng của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng cung cấp năng lợng điện của ắc qui cho phụ tải, và đợc tính theo công thức : Cp = Ip.tp Trong đó : Cp - Dung lng thu đợc 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 lợng nạp của ắc qui là đại lợng đánh giá khả năng tích trữ năng lợng của ắc qui và đợc tính theo công thức : Cn = In.tn Trong đó : Cn - dung lng thu đợc trong quá trình nạp ( Ah ) In - dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp tn ( A ) tn - thời gian nạp điện ( h ). -Nội trở Ro, đơn vị là Ôm () Nội trở là điện trở trong của acquy. Nội trở của acquy phụ thuộc vào tỷ trọng, bản cực lớn hay nhỏ, tính chất tấm cách điện, khoảng cách giữa hai bản cựcv.v 5 Dung lợng càng lớn, nội trở càng nhỏ. Nhiệt độ, tỷ trọng càng tăng nội trở càng nhỏ vì vậy nên khi nạp điện nội trở giảm theo tỷ trọng và nhiệt độ tăng. Khi phóng điện nội trở tăng vì tỷ trọng và nhiệt độ giảm. Mỗi ngăn acquy kiềm có Ro=0,05-1 Mỗi ngăn acquy axít có Ro=0,001-0,0015 khi nạp đầy và Ro=0,02 khi phóng điện đến điện áp ngừng phóng điện của acquy . Dới đây là nội trở của một số bình acquy axít có dung lợng khác nhau: Dung lợng(Ah) Nội trở Ro () 1-2 10 50 100 1000 5000 10000 15000 0,01-0,04 0,005-0,01 0,025-0,008 0,001-0,0065 0,0002-0,0007 0,00006-0,00002 0,000035-0,0008 0,000001-0,00003 - Hiệu suất :Acquy không thể phóng ra toàn bộ điện năng đã hấp thụ đ- ợc vì có những tổn thất dới đây: +Do tác dụng của điện phân ở thời kỳ cuối khi nạp điện, nớc biến thành ôxy và hiđrô sủi bọt, tổn hao một phần điện năng. +Tổn hao một phần điện năng vì dò điện và phóng điện nội bộ. +Khi nạp điện acquy có nội trở nên tiêu hao hết một phần năng lợng . Hiệu suất của acquy là tỷ số giữa toàn bộ điện năng phóng và toàn bộ điện năng nạp. Có 2 loại hiệu suất; +Hiệu suất dung lợng( hiệu suất Ampe-giờ) %100.%100. n p nn pp Ah C C tI tI == acquy axit có =75-80% acquy kiềm có =50-60% + Hiệu suất điện năng(hiệu suất oát) %100.%100. ntb ptb Ah ntbnn ptbpp w U U UtI UtI == Trong đó : p I - dòng điện phóng p t - thời gian phóng 6 ptb U - điện áp phóng trung bình n I - dòng điện nạp n t - thời gian nạp ntb U - điện áp nạp trung bình I.4. Đặc tính phóng nạp của ắc qui: I.4.1. 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 nh trên hình vẽ ta có nhận xét sau: +Trong khoảng thời gian phóng từ tp = 0 đến 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 tơng ứng với mỗi chế độ phóng điện của ắc qui ( dòng điện phóng ) của ắc qui. - Từ thời điểm 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 C P = I P .t P Vùng phóng điện cho phép 4 0 5 10 1,75 1,95 2,11 I (A) U (V) 20 12 8 8 t E U P Khoảng nghỉ E 7 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 của ắc qui, các giá trị Ep, Up, tại tgh đợc gọi là các giá trị giới hạn phóng điện của ắc qui. ắc qui không đợc phóng điện khi dung lợng 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 của 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.4.2. 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 điện nạp không thay đổi. 8 . - 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 tợng sôi ) lúc này hiệu điện thế giữa các bản cực của ắc qui đơn tăng đến 2,4 V . Nếu vẫn tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, nó có tác dụng cho phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực đợc biến đổi tuần hoàn, nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lợng phóng điện của ắc qui. +Trong sử dụng thời gian nạp no cho ắc qui kéo dài từ 2 ữ 3 h trong suốt thời gian đó hiệu điện thế trên các bản cực của ắc qui và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi . Nh vậy dung lợng thu đợc khi ắc qui phóng điện luôn nhỏ hơn dung lợng cần thiết để nạp no ắc qui. Khoảng nghỉ 1,95V C n = I n .t n Vùng nạp chính 5 10 0 10 1 t s 20 (2ữ3) h Vùng nạp no t I (A) U,E (V) 2,4V 2 2,7V Un Bắt đầu sôi 2,4V 2,1VEaq Eo 9 +Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc qui, 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. Dòng điện nạp định mức đối với ắc qui là In = 0,1C 20 . Những dấu hiệu cho thấy acquy đã đầy điện : - Hiện tợng sủi bọt rất mạnh xảy ra xung quanh cực âm và cực dơng. - Tỷ trọng đạt 1,12-1,22 đối với acquy cố định và 1,25-1,30 đối với acquy di động. - Hiệu điện thế đạt 2,7-2,8V và ổn định trong suốt 3 h - Dung lợng nạp vào gấp 1,2-1,3 lần dung lợng định mức. I.5.Các phơng pháp nạp ắc qui tự động. Có ba phơng pháp nạp ắc qui là: + Phơng pháp dòng điện. + Phơng pháp điện áp. + Phơng pháp dòng áp. 10 [...]... đồ không đối xứng là dùng ít van điều khiển, hệ số công suất lớn hơn, việc điều khiển các van bán dẫn đơn giản hơn Tuy nhiên nhợc điểm của các sơ đồ này là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lu phụ thuộc vào góc điều khiển Với góc ra nhỏ điện áp ra gần giống nh chỉnh lu cầu đối xứng, tuy nhiên khi góc tăng lên điện áp ra chỉ còn đập mạch 3 lần trong một chu kì II.5: mạch chỉnh lu bán điều khiển... chế độ ổn áp Chế độ ổn áp đợc giữ cho đến khi ắc qui đã thực sự no Khi điện áp trên các bản cực của ắc qui bằng với điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình nạp - Tu theo loại ắc qui mà ta nạp với các dòng điện nạp khác nhau + ắc qui axit : - Dòng nạp ổn định In = 0,1C20 - Dòng nạp cỡng bức In = ( 0,3 ữ 0,5 )C20 + ắc qui kiềm :- Dòng nạp ổn định In = 0,1C20 - Dòng... thành 5 dãy song song, mỗi dãy có 20 ắc qui nối tiếp với nhau Dòng điện nạp In=0,1x40x5=20A Điện áp nạp Un=16,2x20=324V Nhận xét: Nh vậy chúng nếu chúng ta dùng cách mắc 100 ắc qui nối tiếp với nhau thì dong điện nạp trong quá trình ổn dòng nhỏ In=2A còn điện áp nạp khi nạp ở chế độ ổn áp sẽ rất lớn Un=1620V.Phơng pháp này không thoả mãn yêu cầu của công nghệ vì điện áp nạp quá lớn Còn với cách mắc 100... phía anod, chúng ta cấp xung X1, đồng thời tại đó chúng ta cấp thêm xung X4 cho Tiristor T4 của pha B phía catod các thời điểm tiếp theo cũng tơng tự Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tu n thủ theo đúng thứ tự pha Khi chúng ta cấp đúng các xung điều khiển, dòng điện sẽ đợc chạy từ pha có điện áp dơng hơn về pha có điện áp âm hơn Ví dụ trong khoảng t1 ữ t2 pha A có điện áp dơng hơn,... nào đó chỉ có một van dẫn, nh vậy mỗi van dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục ( đờng cong I1,I1,I3 trên hình), còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông của các van nhỏ hơn Tuy nhiên trong cả hai trờng hợp dòng điện trung bình của các van đều bằng 1/3.Id Trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của van bằng dòng điện tải, trong khoảng van khoá dòng điện van bằng 0 Điện áp... khoá với pha có van đang dẫn Ví dụ trong khoảng t2 ữ t3 van T1 khoá còn T2 dẫn do đó van T1 phải chịu một điện áp dây U AB, đến khoảng t3 ữ t4 các van T1, T2 khoá, còn T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp dây UAC Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộc góc mở của các Tiristor Nếu góc mở Tiristor nhỏ hơn 300, các đờng cong Ud, Id liên tục, khi góc mở lớn hơn > 300 điện áp... nguồn nạp Hiệu điện thế của nguồn nạp U n A V không đổi và đợc tính bằng (2,3V ữ 2,5V) cho mỗi ngăn đơn Phơng pháp nạp với điện áp không đổi có thời gian nạp ngắn, dòng nạp tự động giảm theo thời gian Tuy nhiên dùng phơng pháp này ắc qui không đợc nạp no Vì vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phơng pháp nạp bổ Hình 1.6: Nạp với điện áp không đổi xung cho ắc qui trong quá trình sử dụng 12 I.5.3 Phơng... thờng xảy ra ngẫu nhiên nh khi cắt đóng tải một máy biến áp trên đờng dây, khi một cầu chì bảo vệ chảy, khi có sấm sét - Để bảo vệ mạch quá áp ngời ta thờng dùng mạch R C, ( xem hình bên dới) i C R t T UAC Hình2.10: Mạch bảo vệ quá áp t Hình2.11: Dạng điện dòng điện và điện áp Mạch R C đấu song song với Tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên Khi có sự chuyển mạch, . ngăn acquy kiềm có Ro=0,05-1 Mỗi ngăn acquy axít có Ro=0,001-0,0015 khi nạp đầy và Ro=0,02 khi phóng điện đến điện áp ngừng phóng điện của acquy . Dới đây là nội trở của một số bình acquy axít. biểu diễn quá trình chuyển hoá năng lợng. Thông thờng có 2 loại acquy đợc sử dụng phổ biến trong thực tế là acquy axit và acquy kiềm có bản cực đợc làm bằng các kim loại và hợp kim sau: Axít. thời gian nạp điện ( h ). -Nội trở Ro, đơn vị là Ôm () Nội trở là điện trở trong của acquy. Nội trở của acquy phụ thuộc vào tỷ trọng, bản cực lớn hay nhỏ, tính chất tấm cách điện, khoảng cách