BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
ISO 9001:2008
THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT MẠCH NẠP ACQUY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG
VI ĐIỀU KHIỂN AVR, ĐI SÂU THIẾT KẾ PHẦN MỀM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
HẢI PHÒNG – 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
ISO 9001:2008
THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ
GIÁM SÁT MẠCH NẠP ACQUY TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG
VI ĐIỀU KHIỂN AVR, ĐI SÂU THIẾT KẾ PHẦN MỀM
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN CÔNG NGHIỆP
Sinh viên:
Nguyễn Mạnh Hùng
Người hướng dẫn: T.S Nguyễn Trọng Thắng
HẢI PHÒNG – 2016
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
—————-o0o—————–
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên: Nguyễn Mạnh Hùng
Mã sv: 1513102014
Lớp:
ĐCL901
Ngành Điện Tự động công nghiệp
Tên đề tài: Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mạch nạp acquy
tự động sử dụng vi điều khiển AVR, đi sâu thiết kế phần mềm.
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp
( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp:
……………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………………………………………
CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Người hướng dẫn thứ nhất:
Họ và tên :
Nguyễn Trọng Thắng
Học hàm, học vị :
Tiến Sỹ
Cơ quan công tác :
Trường Đại học dân lập Hải Phòng
Nội dung hướng dẫn :
Toàn bộ đồ án
Người hướng dẫn thứ hai:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hướng dẫn :
Đề tài tốt nghiệp được giao ngày ……… tháng ………. năm 2016.
Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày
…………… tháng
………..
năm 2016
Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N
Sinh viên
Nguyễn Mạnh Hùng
Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N
Cán bộ hướng dẫn Đ.T.T.N
T.S Nguyễn Trọng Thắng
Hải Phòng, ngày……..tháng……..năm 2016
HIỆU TRƯỞNG
GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1. Tinh thần, thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
2. Đánh giá chất lượng của Đ.T.T.N. (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong
nhiệm vụ Đ.T.T.N trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng, chất
lượng các bản vẽ …)
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………
3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn:
(Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày …. tháng …… năm 2016
Cán bộ hướng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1.
Đánh giá chất lượng của đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích
số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng
thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
…………………………
2. Cho điểm cán bộ chấm phản biện
(Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày ….. tháng ….. năm 2016
Người chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ………………………………………………………………………………………… 1
CHƢƠNG 1.GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ẮC QUY
………………….. 2
1.1. CẤU TRÖC CỦA MỘT BÌNH ẮC QUY
…………………………………………… 2
1.2. QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG…………………………………………. 4
1.3. PHÂN LOẠI ẮC QUY
……………………………………………………………………… 6
1.4. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ẮC QUY ……………………………………….. 7
1.4.1. Sức điện động của ắc quy
…………………………………………………………………. 7
1.4.2. Dung lượng phóng của ắc quy ………………………………………………………….. 7
1.4.3. Dung lượng nạp của ắc quy
………………………………………………………………. 7
1.4.4 Đặc tính phóng của ắc quy. ……………………………………………………………….. 8
1.4.5. Đặc tính nạp của ắc quy …………………………………………………………………… 9
1.5. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ẮC QUY
…………………………………….. 10
1.5.1. Dung lượng.
………………………………………………………………………………….. 10
1.5.2. Điện áp. ……………………………………………………………………………………….. 10
1.5.3. Điện trở trong. ………………………………………………………………………………. 10
1.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP NẠP ẮC QUY. …………………………………………… 11
1.6.1. Nạp với dòng điện không đổi
………………………………………………………….. 11
1.6.2. Nạp với điện áp không đổi ……………………………………………………………… 11
1.6.3. Phương pháp nạp dòng áp ………………………………………………………………. 12
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT
……………….. 14
2.1. CẤU TRÖC MẠCH NẠP ẮC QUY ………………………………………………… 14
2.2. CHỌN MẠCH CHỈNH LƢU
………………………………………………………….. 14
2.2.1. Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng dùng thyristor
…………………………………… 14
2.2.2 Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha dùng diot
…………………………………………………. 18
2.3 TÍNH CHỌN TIRISTOR ………………………………………………………………… 20
2.4 TÍNH TOÁN MÁY BIẾN ÁP ………………………………………………………….. 21
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
……………….. 24
3.1 VI ĐIỀU KHIỂN AVR ……………………………………………………………………. 24
3.2 PHẦN CỨNG HỆ THỐNG
……………………………………………………………… 25
3.3 PHẦN MỀM HỆ THỐNG
……………………………………………………………….. 30
3.3.1 PHẦM MỀM MẠCH ĐIỀU KHIỂN
………………………………………………… 30
3.3.2. PHẦM MỀM MẠCH GIÁM SÁT ………………………………………………….. 41
KẾT LUẬN ………………………………………………………………………………………….. 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO …………………………………………………………………….. 60
1
LỜI MỞ ĐẦU
Đất nước ta đang bước trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hóa.
Là một nước đang phát triển và đang dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật hiện đại
thì nhu cầu tự động hóa trong quá trình sản xuất ngày một được đề cao. Ngày
nay trong công nghiệp, các mạch điều khiểnđược kỹ thuật số với các chương
trình phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi được cấu trúc tham số
hoặc các luật điều khiển. Nó làm tăng tốc độ xử lý, tính tác động nhanh và có độ
chính xác cao dẫn đến nâng cao độ chuẩn hoá các hệ thống truyền động điện và
các bộ điều khiển tự động. Trong xu thế đó thì việc áp dụng vào mạch nạp ắc
quy tự động đang được sử dụng rộng rãi và có những đặc tính rất ưu việt. Như
chúng ta đã biết thì ắc quy là thiết bị cấp nguồn một chiều được sử dụng phổ
biến trong công nghiệp cũng như các lĩnh vực khác. Chính vì vậy việc nghiên
cứu, chế tạo ắc quy và nguồn nạp ắc quy là hết sức cần thiết, nó ảnh hưởng rất
lớn tới dung lượng và độ bền của ắc quy.
Từ yêu cầu về tính cấp thiết của đề tài hướng tới mục đích là thiết kế bộ
nạp ắc quy tự động. Theo đó người sử dụng có thể hoàn toàn tự động hóa quá
trình nạp ắc quy, cụ thể hơn là ắc quy sẽ có thể tự động được nạp khi điện áp
thấp hơn so với yêu cầu hay có thể tự động ngắt mạch nạp khi đã đủ điện. Cùng
với đó thì các thông số của quá trình nạp như điện áp, dòng điện cũng được điều
khiển tự động để đảm bảo an toàn cho quá trình nạp cũng như tăng độ bền cho
ắc quy.
Vì lý do đó, em đã chọn đề tài tốt nghiệp :“Thiết kế xây dựng hệ thống điều
khiển và giám sát mạch nạp acquy tự động sử dụng vi điều khiển AVR, đi sâu
thiết kế phần mềm ” do thầy giáo TS Nguyễn Trọng Thắng hướng dẫn.
Đồ án gồm 4 chương:
Chương 1.Giới thiệu về công nghệ nạp Ắc quy
Chương 2. Tính toán thiết kế mạch công suất
Chương 3: Xây dựng và thiết kế bộ điều khiển
2
CHƢƠNG 1.GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ NẠP ẮC QUY
1.1. CẤU TRÖC CỦA MỘT BÌNH ẮC QUY
Ắc quy là nguồn điện hoá, sức điện động của ắc quy phụ thuộc vào vật
liệu cấu tạo bản cực và chất điện phân. Với ắc quy chì axít sức điện động của
một ắc quy đơn là 2,1V. Muốn tăng khả năng dự trữ năng lượng của ắc quy
người ta phải tăng số lượng các cặp bản cực dương và âm trong mỗi ắc quy đơn.
Để tăng giá trị sức điện động của nguồn người ta ghép nối nhiều ắc quy đơn
thành một bình ắc quy. Bình ắc quy được làm từ số những tế bào (cell) đặt trong
một vỏ bọc bằng cao su cứng hay nhựa cứng. Những đơn vị cơ bản của mỗi tế
bào là những bản cực dương và bản cực âm. Những bản cực này có những vật
liệu hoạt hoá nằm trong các tấm lưới phẳng. Bản cực âm là chì xốp sau khi nạp
có mầu xám. Bản cực dương sau khi nạp là PbO2 có màu nâu.
Cấu trúc của một ắc quy đơn 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 quy gồm có phần khung xương
và chất tác dụng trát lên nó. Khung xương của bản cực dương và âm có cấu tạo
giống nhau. Chúng được đúc từ chì có pha thêm (5 ÷ 8% ) Sb và tạo hình dạng
mặt lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng thêm độ dẫn điện và cải thiện tính
đúc. Trong thành phần của chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các
muối hữu cơ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp,
dung dịch điện phân dễ thấm sâu vào trong lòng bản cực, đồng thời diện tích
thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực cũng được tăng thêm.
Phần đầu mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi ắc quy đơn
được hàn với nhau tạo thành phân khối bản cực dương. Các bản cực âm hànvới
nhau tạo thành phân khối bản cực âm. Số lượng các cặp bản cực trong mỗi ắc
quy đơn thường từ 5 đến 8 cặp. Bề dầy tấm bản cực dương của các ắc quy trước
đây thường khoảng 2mm. Ngày nay với các công nghệ tiên tiến đã giảm xuống
còn ( 1,3 ÷ 1,5 ) mm. Bản cực âm thường mỏng hơn ( 0,2 ÷ 0,3 ) mm. Số bản
cực âm trong ắc quy đơn nhiều hơn số bản cực dương một bản nhằm tận dụng
3
triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực dương, do đó bản cực âm
nằm ra bên ngoài nhóm bản cực. Tấm ngăn được bố trí giữa bản cực âm và bản
cực dương là một tấm ngăn xốp có tác dụng ngăn cách và tránh va đập giữa các
bản cực. Những tấm ngăn xốp cho phép dung dịch chất điện phân đi quanh các
bản cực vì trên bề mặt của nó có lỗ. Tấm ngăn làm bằng vật liệu pôliclovinyl có
bề dầy ( 0,8 ÷ 1,2 ) mm và có dạng lượn sóng. Một bộ những sắp xếp như vậy
gọi là một phần tử. Sau khi đã sắp xếp một bộ phận như trên, nó được đặt vào
một ngăn trong vỏ bình ắc quy. Ở bình ắc quy có nắp đậy mềm, các nắp đậy tế
bào được đặt lên sau đó những phiến nối được hàn vào để nối các cực liên tiếp
của tế bào. Trong cách nối này các tế bào được nối liên tiếp. Cuối cùng nắp đậy
bình ắc quy được hàn vào. Bình ắc quy có nắp đậy cứng , có một nắp đậy chung
làm giảm được sự ăn mòn trên vỏ bình. Những bình ắc quy này có bản nối cực
đi xuyên qua tấm ngăn cách từng tế bào. Tấm ngăn cách không cho dung dịch
điện phân qua lại các tế bào. Điều này làm bình ắc quy vận hành tốt hơn vì bàn
nối ngắn và được đậy kín. Đầu nối chính của ắc quy là cọc dương và cọc âm.
Cọc dương lớn hơn cọc âm để tránh nhầm điện cực. Người ta thường nối dây
mầu đỏ với cực dương và dây màu đen với cực âm. Dây cực âm được nối với
lốc máy hay bộ phận kim loại. Dây cực dương được nối với bộ phận khởi động.
Nắp thông hơi được đặt trên nắp mỗi tế bào. Những nắp này có hai mục đích:
Để đậy kín tế bào ắc quy, khi cần kiểm tra nước hay cho thêm nước thì ta
sẽ mở nắp đậy này.
Khi nạp bình người ta cũng mở nắp đậy để chất khí hình thành có lối
thoát ra. Mỗi tế bào ắc quy có điện thế khoảng 2 vôn. Ắc quy 6V có 3 tế bào
mắc nối tiếp. Ắc quy 12V có 6 tế bào mắc nối tiếp. Muốn có điện thế cao hơn
người ta mắcnối tiếp các bình ắc quy với nhau. Hai ắc quy 12V mắc nối tiếp sẽ
tạo ra một hệ thống 24V.
Nồng độ dung dịch điện phân H2SO4 là γ = 1,1÷ 1,3 g/cm3. Nồng độ dung
dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của ắc quy.
4
Hình 1.1. Cấu trúc bình ắc quy
Hình 1.2. Bình ắc quy trong thực tế
1.2. QUÁ TRÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG
Bình ắc quy là bình chứa năng lượng cho hệ thống điện. Khi cần bình ắc
quy sẽ tạo ra dòng điện một chiều đi qua các thiết bị nối với các cực của nó.
Dòng điện trong bình ắcquy tạo ra do phản ứng hoá học hoặc giữa những vật
liệu trên bản cực và axit H2SO4 trong bình hay còn gọi là chất điện giải. Sau một
thời gian sử dụng bình ắc quy bị hết điện. Tuy nhiên nó có thể được nạp lại bằng
cách cho một dòng điện bên ngoài đi qua nó theo chiều ngược với chiều phát
điện của bình.
5
Trong điều kiện bình thường ắc quy được nạp do dòng điện từ máyphát
điện. Để hoạt động tốt bình phải làm ba việc:
Cung cấp dòng điện khởi động động cơ.
Cung cấp điện khi hệ thống cần có mức điện lớn hơn hệ thống sạc có thể
cung cấp.
Ổn định điện thế trong khi máy đang hoạt động. Ắc quy là nguồn năng
lượng có tính thuận nghịch. Nó tích trữ năng lượng dưới dạng hoá năng và giải
phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Quá trình ắc quy cung cấp điện cho
mạch ngoài gọi là quá trình phóng điện. Quá trình ắc quy đuợc dự trữ năng
lượng gọi là quá trình nạp điện.
Bảng 1.1. Quá trình biến đổi trên các điện cực
Trạng thái ắc quy
Bản cực dương
Dung dịch điện phân
Bản cực âm
Nạp đầy
↓↑
phóng điện hết
PbO2
↓↑
PbSO4
H2SO4
↓↑
H2O
Pb
↓↑
PbSO4
Trong quá trình phóng nạp, nồng độ dung dịch điện phân của ắc quy thay
đổi. Khi ắc quy phóng điện, nồng độ dung dịch điện phân giảm dần. Khi được
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 quy.
Bảng 1.2. Tỷ trọng chất điện phân của bình ắc quy
Loại bình ắc quy
Tỷ trọng chất điện phân
Bình ắc quy làm việc ở chế độ tải nặng ví dụ các xe
tải điện công nghiệp lớn.
1.275
Bình ắc quy dùng cho xe ôtô, phi cơ.
1.260
Bình ắc quy dùng cho tải không nặng lắm: ví dụ chiếu
sáng tàu điện, khởi động các động cơ…
1.245
Bình ắc quy tĩnh, hoặc dùng cho các ứng dụng dự
phòng.
1.215
6
1.3. PHÂN LOẠI ẮC QUY
Cho đến nay có rất nhiều loại ắc quy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc
vào những điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện
làm việc. Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của ắc quy có thể liệt kê
một số loại sau:
– Ắc quy chì (ắc quy axit)
– Ắc quy kiềm
– Ắc quy không lamen và ắc quy kiềm
– Ắc quy kẽm-bạc
Tuy nhiên trên thực tế ắc quy axít và ắc quy kiềm được sử dụng nhiều hơn.
Bảng 1.3. So sánh ắc quy kiềm và ắc quy axit
Ắc quy axit
Ắc quy kiềm
– Khả năng quá tải không cao, dòng nạp
lớn nhất đạt được khi quá tải là Inmax =
20%Q10
– Hiện tượng tự phóng lớn,ắc quy nhanh
hết điện ngay cả khi không sử dụng.
– Sự dụng rộng rãi trong đời sống công
nghiệp,ở những nơi có nhiệt độ cao va
đập lớn nhưng đòi hỏi công suất và quá
tải vừa phải.
– Dùng trong xe máy, ôtô, các động cơ
máy nổ công suất vừa và nhỏ.
– Giá thành thấp.
– Tuổi thọ thấp.
– Khả năng quá tải rất lớn, dòng điện
áp nạp lớn nhất khi đó có thể đạt tới
50%Q10
– Hiện tượng tự phóng nhỏ
– Với khả năng trên thì ắc quy kiềm
thường được sử dụng ở những nơi
yêu cầu công suất cao và quá tải
thường xuyên.
– Dùng trong công nghiệp hàng
không, hàng hải và quốc phòng.
– Giá thành cao.
– Tuổi thọ cao.
Nhưng thông dụng nhất từ trước đến nay vẫn là ắc quy axít. Vì so với ắc
quy kiềm nó có một vài tính năng tốt hơn như: sức điện động của mỗi bản ”cặp
bản” cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ.Vì vậy, trong đồ án này ta chọn loại ắc
quy axít để nghiên cứu và thiết kế.
7
1.4. CÁC ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA ẮC QUY
1.4.1. Sức điện động của ắc quy
Sức điện động của ắc quy chì axit phụ thuộc vào nồng độ dung dịch điện
phân:
E0 = 0,85 +γ (V)
Trong đó: E0 là sức điện động tĩnh của ắc quy đơn, tính bằng V, γ là nồng độ
dung dịch điện phân ở nhiệt độ 150oC tính bằng g/cm3.
Trong quá trình phóng điện, sức điện động của ắc quy được tính bằng
công thức:
EP = UP +IP.raq
Trong đó: EP : là sức điện động của ắc quy phóng điện, UP : là điện áp đo trên
các cực của ắc quy khi phóng điện,IP : là dòng điện phóng, raq : là điện trở trong
của ắc quy khi phóng điện. Sức điện động En của ắc quy được tính như sau:
En = Un – In. raq
Trong đó: En: sức điện động của ắc quy nạp điện, In: dòng điện nạp, Un: điện áp
đo trên các cực của ắc quy khi nạp điện, raq: điện trở trong của ắc quy khi nạp
điện.
1.4.2. Dung lƣợng phóng của ắc quy
Dung lượng phóng của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng cung cấp
năng lượng của ắc quy cho phụ tải, được tính theo công thức:
CP = IP. tP
Trong đó : CP : dung lượng thu được trong quá trình phóng điện, tính bằng Ah,
IP : dòng điện phóng ổn định trong thời gian phóng điện tP
1.4.3. Dung lƣợng nạp của ắc quy
Dung lượng nạp của ắc quy là đại lượng đánh giá khả năng tích trữ năng
lượng của ắc quy, được tính theo công thức:
Cn = In. tn
Trong đó: Cn – dung lượng thu được trong quá trình nạp điện, tính bằng Ah In –
dòng điện nạp ổn định trong thời gian nạp điện tn
8
1.4.4 Đặc tính phóng của ắc quy.
Hình 1.3. Đặc tính phóng của ắc quy
Đặc tính phóng của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức
điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng
khi dòng điện phóng không thay đổi.
Từ đồ thị ta có nhận xét: 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 cho phép tương ứng với mỗi chế độ phóng
điện (dòng điện) của ắc quy.
Từ thời điểm tgh trở đi độ dốc các đồ thị thay đổi đột ngột. Nếu tiếp tục
cho ắc quy phóng điện sau tgh thì sức điện động, điện áp của ắc quy sẽ giảm rất
nhanh. Mặt khác các tinh thể Sunfat 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
cho ắc quy sau này. Thời điểm tgh gọi là giới hạn phóng điện cho phép của ắc
quy, các giá trị EP, UP,γ tại tgh gọi là các giá trị giới hạn phóng điện cho ắc quy.
9
Sau khi đã ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện
động, điện áp của ắc quy, nồng độ dung dịch điện phân lại tăng lên, ta gọi đây là
thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ắc quy. Thời gian phục hồi này phụ
thuộc vào chế độ phóng điện của ắc quy. Để đánh giá khả năng cung cấp điện
của ắc quy có cùng điện áp danh nghĩa, người ta quy định so sánh dung lượng
phóng điện thu được của các ắc quy khi tiến hành thí nghiệm ở chế độ phóng
điện cho phép là 20h. Dung lượng phóng trong trường hợp này được kí hiệu là
C20.
Thời gian phóng điện cho phép, các giá trị giới hạn phóng điện của ắc quy
phụ thuộc vào dòng điện phóng. Sự phụ thuộc của dung lượng phóng vào dòng
điện phóng của ắc quy có dung lượng phóng định mức C20 (dung lượng phóng
thu được ở chế độ 20h) là 60Ah.
1.4.5. Đặc tính nạp của ắc quy
Hình 1.4.Sơ đồ đặc tính nạp
Đặc tính nạp của ắc quy là đồ thị biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức
điện động, điện áp ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi
trị số dòng điện nạp không thay đổi.Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét: Trong
khoảng thời gian nạp từ 0 đến t = ts , sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch
điện phân tăng dần. Tới thời điểm ts trên bề mặt các bản cực âm xuất hiện các
10
bọt khí (còn gọi là hiện tượng sôi) lúc này hiệu điện thế giữa các cực của ắc quy
đơn tăng tới giá trị 2,4V. Nếu vẫn tiếp tục nạp, giá trị này nhanh chóng tăng tới
2,7V và giữ nguyên. Thời gian này gọi là thời gian nạp no, có tác dụng làm cho
phần các chất tác dụng ở sâu trong lòng các bản cực được biến đổi hoàn toàn,
nhờ đó sẽ làm tăng thêm dung lượng phóng điện của ắc quy. Trong sử dụng thời
gian nạp no cho ắc quy kéo dài từ ( 2 ÷ 3 ) h, trong suốt thời gian đó hiệu điện
thế trên các cực của ắc quy và nồng độ dung dịch điện phân không thay đổi.
Như vậy dung lượng thu được khi ắc quy phóng điện luôn nhỏ hơn dung lượng
cần thiết để nạp no ắc quy. Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động của ắc
quy, nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Thời gian này
cũnggọi là khoảng nghỉ của ắc quy sau khi nạp. Trị số ng điện nạp ảnh hưởng
rất lớn đến chất lượng và tuổi thọ của ắc quy.
Dòng điện nạp định mức đối với ắc quy qui định bằng 0,05C20.
1.5. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA ẮC QUY
1.5.1. Dung lƣợng.
Là điện lượng của ắc quy đã được nạp đầy, rồi đem cho phóng điện liên
tục với dòng điện phóng 1A tới khi điện áp của ắc quy giảm xuống đến trị số
giới hạn quy định ở nhiệt độ quy định. Dung lượng của ắc quy được tính bằng
ampe-giờ (Ah).
1.5.2. Điện áp.
Tuỳ thuộc vào nồng độ chất điện phân và nguồn nạp cho ắc quy mà điện
áp ở mỗi ngăn của ắc quy khi nó được nạp đầy sẽ đạt 2,6V đến 2,7V (để hở
mạch), và khi ắc quy đã phóng điện hoàn toàn là 1,7V đến 1,8V.
Điện áp của ắc quy không phụ thuộc vào số lượng bản cực của ắcquy
nhiều hay ít.
1.5.3. Điện trở trong.
Là trị số điện trở bên trong của ắc quy, bao gồm điện trở các bản cực,
điện trở dung dịch điện phân có xét đến sự ngăn cách của các tấm ngăn giữa các
11
bản cực. Thường thì trị số điện trở trong của ắcquy khi đã nạp đầy điện là
(0,001-0,0015)Ω và khi ắc quy đã phóng điện hoàn toàn là (0,02-0,025)Ω .
1.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP NẠP ẮC QUY.
1.6.1. Nạp với dòng điện không đổi
Hình 1.5. Sơ đồ đặc tính nạp với dòng điện không đổi
Nhược điểm của phương pháp nạp với dòng không đổi là thời gian nạp
kéo dài và yêu cầu các ắc quy đưa vào nạp có cùng cỡ dung lượng định mức. Để
khắc phục nhược điểm thời gian nạp kéo dài người ta sử dụng phương pháp nạp
với dòng điện nạp thay đổi hai hay nhiều nấc. Trong trường hợp nạp hai nấc,
dòng điện nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3 ÷ 0,5) C20 và kết thúc nạp ở nấc
một khi ắc quy bắt đầu sôi. Dòng điện nạp ở nấc thứ hai bằng 0,05 C20.
1.6.2. Nạp với điện áp không đổi
Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các ắc quy được mắc
song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế của nguồn nạp không đổi và được tính
bằng ( 2,3 ÷2,5 )V cho một ngăn ắc quy đơn. Đây là phương pháp nạp điện cho
ắc quy lắp trên ôtô. Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi có thời gian nạp
ngắn, dòng điện nạp tự động giảm theo thời gian. Tuy nhiên dùng phương pháp
này ắc quy không được nạp no, vậy nạp với điện áp không đổi chỉ là phương
pháp nạp bổ sung cho ắc quy trong quá trình sử dụng.
12
Hình 1.6. Sơ đồ đặc tính nạp với điện áp nạp không đổi
1.6.3. Phƣơng pháp nạp dòng áp
Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên. Nó tận dụng
được những ưu điểm của mỗi phương pháp. Đối với yêu cầu của đề tài là nạp ắc
qui tự động tức là trong quá trình nạp mọi quá trình biến đổi và chuyển hoá được
tự động diễn ra theo một trình tự đã đặt sẵn thì ta chọn phương pháp nạp ắc qui
là phương pháp dòng áp. Đối với ắc qui axit : Để đảm bảo cho thời gian nạp
cũng như hiệu suất nạp thì trong khoảng thời gian tn =8 giờ tương ứng với (75 ÷
80 )% dung lượng ắc qui ta nạp với dòng điện không đổi là In = 0,1 C10 .Vì
theo đặc tính nạp của ắc qui trong đoạn nạp chính 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 bị nạp.Sau thời gian 8 giờ ắc qui bắt đầu sôi lúc đó ta chuyển sang nạp ở
chế độ ổn áp. Khi thời gian nạp được 10 giờ thì ắc qui bắt đầu no,ta nạp bổ sung
thêm 2-3 giờ.
Đối với ắc qui kiềm: Trình tự nạp cũng giống như ắc qui axit nhưng do
khả năng quá tải của ắc qui kiềm lớn nên lúc ổn dòng ta có thể nạp vớidòng nạp
13
In = 0,2 C10 hoặc nạp cưỡng bức để tiết kiệm thời gian với dòng nạp In = 0,5
C10
Các quá trình nạp ắc qui tự động kết thúc khi bị cắt nguồn nạp hoặc khi
nạp ổn áp với điện áp bằng điện áp trên 2 cực của ắc qui, lúc đó dòng nạp sẽ từ
từ giảm về không. Kết luận: Vì ắc quy là tải có tính chất dung kháng kèm theo
sức phản điện động cho nên khi ắc quy đói mà ta nạp theo phương pháp điện áp
thì dòng điện trong ắc quy sẽ tự động dâng lên không kiểm soát được sẽ làm sôi
ắc quy dẫn đến hỏng hóc nhanh chóng. Vì vậy trong vùng nạp chính ta phải tìm
cách ổn định dòng nạp trong ắc quy.
Khi dung lượng của ắc qui dâng lên đến 80% lúc đó nếu ta cứ tiếp tục giữ
ổn định dòng nạp thì ắc qui sẽ sôi và làm cạn nước. Do đó đến giai đoạn này ta
lại phải chuyển chế độ nạp cho ắc qui sang chế độ ổn áp. Chế độ ổn ápđược giữ
cho đến khi ắc quy đã thực sự no. Khi điện áp trên các bản cực của ắc quy bằng
điện áp nạp thì lúc đó dòng nạp sẽ tự động giảm về không, kết thúc quá trình
nạp.Tuỳ theo loại ắc quy mà ta nạp với dòng điện nạp khác nhau :
Ắc quy axit: dòng nạp In = 0,1 C10. Nạp cưỡng bức với dòng điện nạp In
= 0,2 C10.
* Ắc quy kiềm dòng nạp In = 0,2 C10.Nạp cưỡng bức In = 0,5 C10.
14
CHƢƠNG 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT
2.1. CẤU TRÖC MẠCH NẠP ẮC QUY
Hình 2.1: Cấu trúc mạch nạp ắc quy
Cấu trúc mạch nạp ắc quy được thực hiện theo một mạch vòng khép kín
như sau: bộ điều khiển cùng lúc nhận được hai tín hiệu đó là tín hiệu đặt (do
người thiết kế yêu cầu) cùng với tín hiệu phản hồi về các trạng thái ắc quy( tín
hiệu dòng, điện áp nạp), hai tín hiệu này sẽ được so sánh và tùy thuộc vào kết
quả bộ điều khiển sẽ xử lý và phát tín hiệu điều khiển tới mạch điều khiển chỉnh
lưu để trực tiếp điều khiển các van công suất. Qua đó điện áp và dòng nạp vào
ắc quy được điều khiển hoàn toàn tự động. Quá trình lặp đi lặp lại như vậy cho
tới khi bộ nạp ngừng hoạt động.
2.2. CHỌN MẠCH CHỈNH LƢU
2.2.1. Chỉnh lƣu cầu ba pha đối xứng dùng thyristor
Hình 2.2: Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng
Bộ điều khiển
Mạch điều
khiển CL
Mạch chỉnh
lƣu
Ắc quy
Tín hiệu
đặt
Tín hiệu phản hồi
Un
N
15
a) Sơ đồ nguyên lý
– Mạch chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng dùng thyristor có thể làm việc ở 2 chế độ
+ Chế độ chỉnh lưu: Khi góc mở chậm của Thyristor
+Chế độ nghịch lưu: Khi góc mở chậm của Thyristor
và phụ
tải chứa sức điện động E’ cùng chiều với dòng điện phụ tải
– Trong một chu kì của điện áp xoay chiều ,điện áp Ud sẽ hình thành từ 6
đoạn điện áp dây của nguồn xoay chiều.Điện áp trung bình nhận được
trên tải,điện áp ngược lớn nhất trên van và dòng trung bình chảy qua các
van
– Ƣu điểm :
+ Số xung áp chỉnh lưu trong một chu kì lớn
+ Giá trị trung bình của dòng điện chạy qua mỗi van trong một chu kì
thấp,chỉ bằng 1/3 dòng chỉnh lưu.
+ Do sơ đồ là đối xứng nên không làm việc lệch pha lưới điện
+ Sơ đồ có thể làm việc chế độ nghịch lưu
– Nhƣợc điểm:
+ Giá thành thiết bị cao,sử dụng số van lớn
+ Điều khiển phức tạp đối với các cơ cấu trong mạch điều khiển
b) Nguyên lý hoạt động
– Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng thyristo ứng
với α=600,Tải điện cảm được thể hiện như hình 2.3:
16
Hình 2.3:Nguyên lý hoạt động và dạng điện áp trên tải khi α=600
– Nguyên lý hoạt động của mạch chỉnh lưu cầu ba pha dùng thyristo ứng
với α=450,tải điện cảm được thể hiện như hình 2.4:
