Đồ án Mạch nạp Acquy 80A-12V tự động

1 Mục lục: CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ ................................................... 3 1.1.Ứng dụng của ácquy.................................................................................... 3 1.2. Ácquy axít .................................................................................................. 3 1.2.1. Cấu tạo của bình ácquy axít ................................................................ 3 1.2.2.Quá trình hóa học trong ácquy axít ...................................................... 5 1.3.Acquy kiềm ................................................................................................. 6 1.3.1.Cấu tạo của ácquy kiềm........................................................................ 6 1.3.2.Quá trình hóa học trong ácquy kiềm .................................................... 6 1.4.Sự khác nhau giữa ácquy axít và ácquy kiềm ............................................. 7 1.5.Các thông số cơ bản của ácquy ................................................................... 8 1.5.1.Sức điện động của ácquy...................................................................... 8 1.5.2.Dung lượng của ácquy.......................................................................... 9 1.6.Đặc tính phóng nạp của ácquy .................................................................... 9 1.6.1.Đặc tính phóng của ácquy .................................................................... 9 1.6.2.Đặc tính nạp của ácquy ......................................................................10 1.7.Các phương pháp nạp ácquy tự động........................................................12 1.7.1.Phương pháp nạp dòng điện...............................................................12 1.7.2.Phương pháp nạp điện áp ...................................................................13 1.7.3.Phương pháp nạp dòng áp ..................................................................13 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT.........................15 2.1.Các mạch chỉnh lưu...................................................................................15 2.1.1.Mạch chỉnh lưu hình tia ba pha..........................................................15 2.1.2.Mạch chỉnh lưu có điều khiển cầu ba pha đối xứng ..........................16 2.1.4.Mạch chỉnh lưu điều khiển cầu một pha không đối xứng..................20 2.2.Chọn mạch chình lưu phù hợp ..................................................................21 2.3.Tính toán các thông số với mạch đã chọn.................................................21 2.4.Mạch bảo vệ Tiristor. ................................................................................23 2.5.Tính toán máy biến áp ...............................................................................24 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN ...............27 3.1.Yêu cầu và nguyên tắc điều khiển.............................................................27 3.1.1.Mục đích và yêu cầu...........................................................................27 3.1.2.Nguyên tắc điều khiển........................................................................28 3.2.Các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch. ...............................................30 3.3.Sơ đồ khối và chức năng ...........................................................................32 3.3.1.Khâu đồng pha....................................................................................32 3.3.2 Khối tạo xung đồng bộ. ......................................................................32 3.3.3.Khối tạo điện áp răng cưa...................................................................33 3.3.4.Khối phản hồi dòng điện. ...................................................................34 3.3.5.Khối phản hồi điện áp. .......................................................................35 3.3.6.Khối chuyển mạch nạp.......................................................................35 3.3.7.Khối tạo xung chùm. ..........................................................................36 3.3.8. Khối khuyếch đại xung và biến áp xung...........................................37 2 3.4. Mạch điều khiển .......................................................................................40 3.4.1.Dạng điện áp.......................................................................................41 3.4.2.Nguyên lý hoạt động của sơ đồ ..........................................................41 3.5.Khối nguồn nuôi mạch điều khiển ............................................................41 3 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ 1.1.Ứng dụng của ácquy Acquy là một nguồn điện dược tích trữ năng lượng điện dưới dạng hóa năng. Acquy là nguồn điện một chiều cung cấp cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong đời sống hằng ngày: như động cơ điện một chiều, bóng đèn, củ tích điện, các mạch điện tử,… Acquy là nguồn cung câp cho các động cơ khởi động. Trong thực tế có nhiều loại acquy nhưng thường gặp nhất là hai loại sau: acquy axit và acquy kiềm. 1.2. Ácquy axít 1.2.1. Cấu tạo của bình ácquy axít Bình acquy thông thường gồm vỏ bình, các bản cực, các tấm ngăn và dung dịch điện phân · Vỏ bình: Vỏ bình acquy axit hiện nay được chế tạo bằng nhựa êbônit hoặc anphantonec hay caosu nhựa cứng. Để tăng độ bền và khả năng chịu axit cho bình, khi chế tạo người ta ép vào bên trong bình một lớp lót chịu axit là polyclovinyl, lớp lót này dày khoảng 0,6mm. Nhờ lớp lót này tuổi thọ của acquy tăng lên từ 2-3 lần. Phía trong vỏ bình tùy theo điện áp danh định của acquy mà chia thành các ngăn riêng biệt và các vách ngăn này được ngăn cách bởi các ngăn kín và chắc. Mỗi ngăn được gọi là một ngăn acquy đơn. Ở đáy các ngăn có các sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống giữa đáy bình và mặt dưới của khối bản cực, nhờ đó mà tránh được hiện tượng chập mạch giữa các bản cực do chất tác dụng bong ra và rơi xuống đáy gây lên. Bên ngoài vỏ bình được đúc hình dạng gân chịu lực để tăng độ bền cơ và có thể được gắn các quai xách để việc di chuyển được đễ dàng hơn. · Bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực: Bản cực gồm cốt hình lưới và chất tác dụng. Cốt đúc bằng hợp kim chì(Pb)- antimion(Sb) với tỷ lệ (87 – 95)%Pb và (5 – 13)%Sb. Phụ gia antimon thêm vào có tác dụng tăng thêm độ cứng, giảm han gỉ và cải thiện tính đúc cho cốt. Cốt để giữ chất tác dụng và phân phối dòng điện khắp bề mặt cực. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với các bản cực dương vì điện trở của chất tác dụng (oxit chì) lớn hơn rất nhiều so với điện trở của chì nguyên chất, do đó càng tăng chiều dày của cốt thì điện trở trong của acquy càng nhỏ. Cốt đúc dạng khung bao quanh, có vấu để hàn nối các bản cực thành phân khối bản cực và có hai chân để tỳ các sống đỡ ở đáy bình acquy. Vì điện cốt của bản cực âm không phải là yếu tố quyết định và chúng cũng ít bị han gỉ nên người ta thường làm mỏng hơn bản cực dương. Đặc biệt là hai tấm bên của phân khối bản cực âm lại càng mỏng vì chúng chỉ làm việc có một phía với các bản cực dương. Chất tác dụng được chế tạo từ bột chì, axit sunfuric đặc và khoảng 3% các muối axit hửu cơ đối với bản cực âm, còn đối với bản cực dương thì chất tác dụng 4 được chế tạo từ các oxit chì Pb3O4, PbO và dung dịch axit sunfuric đặc. Phụ gia muối của axit hữu cơ trong bản cực âm có tác dụng tăng độ xốp, độ bền của chất tác dụng, nhờ đó mà cải thiện được độ thấm sâu của dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực đồng thời điện tích thực tế tham gia phản ứng hóa học cũng được tăng lên Các bản sau khi được chát đày chất tác dụng được ép lại, sấy khô và thực hiện quá trình tạo cực, tức là chúng được ngâm vào dung dịch axit sunfuric loãng và nạp với dòng điện một chiều trị số nhỏ. Sau quá trình như vậy, chất tác dụng ở các bản cực dương hoàn toàn trở thành PbO2 (màu gạch xẫm). Sau đó các bản cực dương được đem ra rửa, sấy khô và lắp ráp. Những phân khối bản cực cùng tên trong một acquy được hàn với nhau tạo thành các khối bản cực và được hàn nối ra các vấu cực làm bằng chì hình côn đẻ nối ra tài tiêu thụ. Với chú ý rằng, nếu ta muốn tăng dung lượng acquy thì ta phải tăng số bản cực mắc song song trong một acquy đơn. Thường người ta lấy từ 5 – 8 tấm. Còn muốn tăng điện áp danh định của acquy thì ta phải tăng số bản cực mắc nối tiếp. · Tấm ngăn: Các bản cực âm và dương được lắp xen kẽ với nhau và cách điện với nhau bởi các tấm ngăn và để đảm bảo cách điện tốt nhất các tấm ngăn được làm rộng hơn so với các bản cực. Các tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cực âm và dương, đồng thời đê đỡ các tấm bản cực khỏi bị bong rơi ra khi sử dụng acquy. Các tấm ngăn ở đây phải là chất cách điện tốt, bền, dẻo, chịu được axit và có độ xốp thích hợp để ngăn cản chất điện phân thấm đến các bản cực. Các tấm ngăn hiện nay được chế tạo từ vật liệu polyvinyl xốp, dày khoảng từ 0,8-1,2mm và có dạng mặt phẳng hướng về phía bản cực âm còn một mặt có dạng sóng hoặc gồ thì hướng về phía bản cực dương nhằm tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển hơn đến các bản cực dương và dung dịch lưu thông tốt hơn. · Dung dịch điện phân Dung dịch điện phân trong bình acquy là loại dung dịch axit sunfuric được pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ quy định tùy thuộc vào điều kiện khí hậu mùa và vật kiệu làm tấm ngăn. Nồng độ dung dịch axit sunfuric g = (1,1 ¸ 1.3)g/cm3 . Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của acquy. Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân. Với các nước ở trong vùng xích đạo nồng độ dung dịch điện phân quy định không quá 1,1 g/cm3 . Với các nước lạnh, nồng độ dung dịch điện phân cho phép tới 1,3 g/cm3 . Trong điều kiện khí hậu ở nước ta thì mùa hè nên chọn nồng độ dung dịch khoàng (1,25-1.26) g/cm3 , mùa đông nên chọn nồng độ khoảng 1,27g/cm3 . Cần nhớ rằng: nồng độ quá cao sẽ làm chóng hỏng tấm ngăn, chóng hỏng bản cực, dễ bị sunfat hóa trong các bản cực nên tuổi thọ của acquy cũng 5 giảm đi rất nhanh. Nồng độ quá thấp thì điện dung và điện áp định mức của acquy giảm và ở các nươc xứ lạnh thì dung dịch vào mùa đông dễ bị đóng băng. * Những chú ý khi pha chế dung dịch điện phân cho acquy : - Không được dùng axit có thành phần tạp chất cao như loại axit kĩ thuật thông thường và nươc không phải là nước cất vì dung dịch như vậy sẽ làm tăng cường độ quá trình tự phóng điện của acquy. - Các dụng cụ pha chế phải làm bằng thủy tinh, sứ hoặc chất dẻo chịu axit. Chúng phải sạch, không chứa các muối khoáng, dầu mỡ hoặc chất bẩn… - Để đảm bảo an toàn trong khi pha chế, tuyệt đối không được đổ nước vào axit đặc mà phải đổ axit vào nước và dùng đãu thủy tinh khuấy đều. · Nắp, nút và cầu nối: Nắp làm bằng nhựa ebonit hoặc bakenit. Nắp có hai loại: - Từng nắp riêng cho mỗi ngăn - Nắp chung cho cả bình – loại này cấu tạo phức tạp nhưng độ kín tốt. Trên nắp có lỗ để đổ dung dịch điện phân vào các tấm ngăn và để kiểm tra mức dung dịch điện phân, nhiệt độ và nồng độ dung dịch trong acquy. Lỗ đổ được đậy kín bằng nút có ren để giữ cho dung dịch điện phân trong bình khỏi bị bẩn và sánh ra ngoài. Ở nút có lỗ nhỏ để thông khí từ trong bình ra ngoài lúc nạp acquy. Nắp một số loại acquy có lỗ thông khí riêng nằm sát lỗ đổ, kết cấu như vậy rất thuận tiện cho việc điều chỉnh mức dung dịch trong bình acquy. Trong trường hợp này, ở nút không chó lỗ thông khí nữa. 1.2.2.Quá trình hóa học trong ácquy axít Trong acquy thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch mà đặc trưng là là qua trình nạp và phóng điện. Khi nạp điện, nhờ nguồn điện nạp mà ở mạch ngoài các điện tử chuyển động từ các bản cực dương đến các bản cực âm – đó là dòng điện nạp In. Khi phóng điện, dưới tác dụng của suất điện động riêng của acquy, các điện tử sẽ chuyển động theo hướng ngược lại và tạo thành dòng điện phóng Ip. Khi acquy nạp đã no, chất tác dụng ở các bản cực dương là PbO2 còn tại các bản cực âm là chì xốp Pb. Khi phóng điện, các chất tác dụng ở cả hai bản cực đều trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ. Khi nạp điện cho acquy sẽ xảy ra phản ứng: - Ở cực dương: +++=+- HSOHPbOOHePbSO 222 42224 (1.1) - Ở cực âm: 424 22 SOHPbHePbSO +=++ + (1.2) - Toàn bộ quá trình xảy ra trong ác quy khi nạp điện là: 6 42224 222 SOHPbOPbOHPbSO ++=+ (1.3) Kết quả là tạo thành một điện cực Pb và một điện cực PbO2. Sự phóng điện của acquy sảy ra khi nối hai điện cực Pb và PbO2 vừa thu được với tải, lúc này hóa năng được dự trữ trong acquy sẽ chuyển thành điện năng. Ở đây các điện cực xảy ra các phản ứng ngược của (1.1) và (1.2), nghĩa là trong acquy sẽ xảy ra phản ứng ngược của (1.3). Acquy sẽ cung cấp dong điện cho đến khi cả hai điện cực trở lại thành PbSO4 nhu ban đầu. Sau đó nếu muốn dùng tiếp thì người ta lại nạp điện cho acquy và cứ thế tiếp diễn. 1.3.Acquy kiềm 1.3.1.Cấu tạo của ácquy kiềm Acquy kiềm là loại acquy mà dung dịch điện phân được dùng trong acquy là dung dịch kiềm KOH hoặc NaOH. Tùy theo cấu tạo của bản cực acquy kiềm được chia làm ba loại: -Loại acquy Sắt (Fe) – Niken (Ni) -Loại acquy Cadimi (Cd) – Niken (Ni) -Loại acquy Bạc Ag) – Kẽm (Zn) Trong ba loại trên thì loại thứ ba có hệ số hiệu dụng trên một đơn vị trọng lượng và một đơn vị thể tích là lớn hơn, nhưng giá thành của nó lại cao hơn vì phải sử dụng khối lượng bạc chiếm tới 30% khối lượng của chất tác dung, do đó loại này ít được dùng. Acquy kiềm có cấu tạo tương tự acquy axit, tức nó cũng gồm dung dịch điện phân, vỏ bình, các bản cực,… Bản cực của acquy kiềm được chế tạo thành dạng thỏi hoặc không thỏi. Giữa các bản cực được ngăn bởi các tấm ebonit. Chùm bản cực dương và chùm bản cực âm được hàn nối như chùm bản cực của acquy axit để đưa ra các vấu cực cho caquy. Các chùm bản cực được đặt trong bình điện phân và được ngăn cách với vỏ bình bằng lớp nhựa vinhiplat. Loại acquy dùng bản cực dạng thỏi thì mỗi thỏi là một hộp làm bằng thép lá trên bề mặt có khoan nhiều lỗ: mm3.02.0 ¸=f để cho dung dịch thấm qua. Nếu là acquy sắt – niken thì trong hộp bản cực âm chứa sắt đặc biệt thuần khiết, còn trong bản cực dương là hỗn hợp 75%NiO.OH và 25% bột than hoạt tính. Loại acquy kiềm dùng bản cực không phân thỏi, thì bản cực được chế tạo theo kiểu khung xương, rồi đem các chất tác dụng có cấu trúc xốp mịn để ép vào các lỗ nhỏ trên bản cực. 1.3.2.Quá trình hóa học trong ácquy kiềm Giống như trong acquy axit, quá trình hóa trong acquy kiềm cũng là quá trình thuận nghịch. Nếu bản cực trong acquy kiềm là sắt và niken thì phản ứng hóa học xẩy ra trong acquy như sau: Trên bản cực dương: KOHOHNiOHKOHOHNi +=++ - 32 )()( (1.4) Trên bản cực âm: 7 -++=+ OHKOHFeKOHOHFe 2)( 2 (1.5) Như vậy quá trình nạp điện, sắt hidroxit trên bản cực âm bị phân tích thành sắt nguyên tố và anion -OH . Còn ở bản cực dương, 2)(OHNi được chuyển hóa thành 3)(OHNi . Chất điện phân KOH có thể xem như nó không tham gia vào phản ứng hóa học mà chỉ đóng vai trò chất dẫn điện, do đó sức điện động của acquy hầu như không phụ thuộc vào nồng độ chất điện phân. Sức điện động của acquy chỉ được xác định dựa trên trạng thái của các chất tác dụng ở các tấm cực. Thông thường acquy kiềm được nạp điện hoàn toàn sức điện động đạt được khoảng 1,7 đến 1,85V. Khi acquy phóng điện hoàn toàn sức điện động của acquy là 1,2 đến 1,4V. Như vậy điện thế phóng điện của acquy kiềm thấp hơn acquy axit. Nếu ở acquy axit điện thế phóng điện bình quân là 2V thì ở acquy kiềm chỉ là 1,2V. Hiện nay các nhà thiết kế, chế tạo chưa dừng lại ở những kết quả đã đạt được, người ta đã chế tạo được những acquy kiềm mới khá nhỏ và nhẹ, nhưng vẫn có các thông số kĩ thuật của acquy axit. Những acquy đang hướng tới việc thay thế các bản cực bằng những hợp kim có khả năng chống han gỉ, giảm kích thước và tăng tính bền vững. những tạp chất mơi được trộn vào trong chất tác dụng sẽ cải thiện đạc tính phóng điện của acquy đáng kể . Nhiều acquy mới đã không có cầu nối trên nắp và kết cấu vỏ bình cũng thay bằng những vật liệu rất nhẹ nên giảm được chiều dày thành bình, acquy cũng ít phải chăm sóc hơn. 1.4.Sự khác nhau giữa ácquy axít và ácquy kiềm Cả hai loại acquy này đều có một đặc điểm chung đó là tính chất tải thuộc loại dung kháng và sức phản điện động. Nhưng chúng còn có một số đặc điểm khác biệt sau : Acquy axit acquy kiềm - Khả năng quá tải không cao, dòng nạp lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax = 20%C10 _Hiện tượng phòng lớn, do đó ắc qui nhanh hết điện ngay cả khi không sử dụng. _Sử dụng rộng rãi trong đời sống, _Khả năng quá tải rất lớn dòng điện nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới: Inmax = 50%C10 _Hiện tự phóng nhỏ. _Sử dụng ở những nơi có yêu cầu 8 công nghiệp đặc biệt ở những nơi có nhiệt độ cao va đập lớn nhưng công suất và quá tải vừa phải. _Dùng trong ôtô, xe máy và các động cơ máy nổ công suất vừa và nhỏ. _Giá thành thấp công suất lớn quá tải thường xuyên, được sử dụng với các thiết bị công suất lớn. _Dùng phổ biến trong công nghiệp hàng không, hàng hải và những nơi nhiệt độ môi trường thấp. _Giá thành cao. 1.5.Các thông số cơ bản của ácquy 1.5.1.Sức điện động của ácquy Sức điện động của acquy kiềm và acquy axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện phân. Người ta thường sử dụng công thức kinh nghiệm Eo = 0,85 + r ( V ) (1.6) Trong đó: Eo - sức điện động tĩnh của acquy ( V ) r - nồng độ dung dịch điện phân ở 15 °C ( g/cm3 ) ØTrong quá trình phóng điện thì sức điện động Ep của acquy được tính theo công thức: Ep = Up + Ip.rb (1.7) Trong đó : Ep - sức điện động của acquy khi phóng điện ( V ) Ip - dòng điện phóng ( A ) Up - điện áp đo trên các cực của acquy khi phóng điện (V) rb - điện trở trong của acquy khi phóng điện ( W ) ØTrong quá trình nạp điện thì sức điện động En của acquy được tính theo công thức: En = Un - In.rb (1.8) Trong đó : En - sức điện động của acquy khi nạp điện ( V ) In - dòng điện nạp ( A ) Un - điện áp đo trên các cực của acquy khi nạp điện ( V ) rb - điện trở trong của acquy khi nạp điện ( W ) 9 1.5.2.Dung lượng của ácquy -Dung lượng phóng của acquy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp năng lượng điện của acquy 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 nạp của acquy 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 ). 1.6.Đặc tính phóng nạp của ácquy 1.6.1.Đặc tính phóng của ácquy Đặc tính phóng của acquy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acquy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi . Hình 1.1: Đặc tính phóng của acqui Từ đặc tính phóng của ắc qui như 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 10 hay thời gian phóng điện cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng điện của acquy ( dòng điện phóng ). Từ thời gian tgh trở đi độ dốc của đồ thị thay đổi đột ngột .Nếu ta tiếp tục cho acquy phóng điện sau tgh thì sức điện động ,điện áp của acquy sẽ giảm rất nhanh .Mặt khác các tinh thể sun phát chì (PbSO4) 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