300667

Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
MỤC LỤC
Lời nói đầu 0
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG SẠC ACQUI
TRONG ĐIỆN LỰC 1
I. Giới thiệu về nguồn thao tác 1
II. Nguồn thao tác một chiều 1
1. Acqui, công dụng và phân loại 1
2. Acqui axit 2
3. Acqui kiềm 6
III. Các chế độ nạp điện 8
1. Giới thiệu các chế độ nạp 8
2. Các chế độ nạp: 8
2.1 Nạp điện đầu 8
2.2 Nạp điện thường 11
2.3 Nạp điện cân bằng 11
2.4 Chế độ phụ nạp 12
Chương 2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ TỦ NẠP ĐẶC TRƯNG 14
I. Giới thiệu chung 14
II. Tủ nạp CDN-HPT 50 220 XE (truyền tải huế) 14
1. Sơ đồ nguyên lý 14
2. Nguyên tắc hoạt động 16
III. Tủ nạp 3PH DC 110 50 của Hyundai-Vinashin 21
1. Sơ đồ nguyên lý 21
2. Đặc tính chung 24
3. Đặc tính kỹ thuật 25
IV. Tủ nạp CHLORIDE 3CBC 220 50 (công ty Việt Á) 27
1. Sơ đồ nguyên lý 27
2. Các thông số bộ nạp 27
3. Chức năng của bộ nạp 28
4. Nguyên tắc chung 28
5. Mô tả tóm tắt về bộ nạp 28
6. Đặc tính kỹ thuật chung 29
7. Các chế độ hoạt động 30
8. Mô tả tóm tắt mạch điều khiển 3CBC-4 30
Chương 3 THIẾT KẾ BỘ NẠP 33
I. Giới thiệu công nghệ 33
II. Phần thiết kế 34
Phần 1:Thiết kế phần chỉnh lưu 34
1. Tính toán bộ nguồn và mạch chỉnh lưu 34
SVTH: Trần đức việt Trang 5
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
2. Tính toán các thông số và chọn các linh kiện của mạch điều khiển 40
Phần 2: Thiết kế mạch vi điều khiển 44
1. Giới thiệu về họ vi điều khiển 44
2. Cấu trúc phần cứng của 8051 47
3. Giới thiệu các chế độ địa chỉ của 8051 58
4. Hoạt động của bộ định thời timer 59
5. Hoạt động của cổng nối tiếp 61
6. Hệ thống ngắt 65
Phần 3: Giới thiệu các bộ biến đổi DAC, ADC 69
1. Bộ biến đổi tương tự DAC 69
1.1 Giới thiệu chung 69
1.2 Ghép nối DAC0808 (MC1408) với 8051 71
2. Bộ biến đổi tương tự số ADC 72
2.1 Giới thiệu chung 72
2.2 Ghép nối ADC0804 với 8051 72
Phần 4: Chương trình 77
1. Sơ đồ mạch ghép nối giữa AT89C51 với các bộ DAC, ADC 77
2. Viết chương trình 78
Tài liêu tham khảo 81
SVTH: Trần đức việt Trang 6
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật trên đà phát triển. Đặc trưng là kỹ
thuật máy tính, công nghệ thông tin và tự động hoá. Điều đó đã mang lại lợi ích to
lớn về nhiều mặt như đảm bảo và nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nguyên
vật liệu, nâng cao năng suất và hiệu quả sản xuất
Cùng trong xu thế đó, năm 1972 hãng Intel đã đưa ra giới thiệu bộ vi điều
khiển (microcontroller), một chip tương tự như bộ vi xử lý là một trong những bộ
đã và đang có những ứng dụng ngày càng rộng rãi và thâm nhập ngày càng nhiều
trong các lĩnh vực kỹ thuật và đời sống xã hội. Hầu hết các thiết bị kỹ thuật từ
phức tạp đến đơn giản như thiết bị điều khiển tự động, thiết bị văn phòng cho đến
các thiết bị trong gia đình đều có dung các bộ vi điều khiển.
Dựa trên những kiến thức đã học, em sử dụng bộ vi điều khiển 8051 để thiết kế
bộ sạc acqui điện lực. Đây là dịp để chúng em cũng cố lại kiến thức đã học, từng
bước nắm bắt kiến thức thực tế khi ra trường hoà nhập vào trong xã hội.
Đề tài của em gồm có 3 chương cơ bản:
Chương1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG SẠC ACQUI
TRONG ĐIỆN LỰC
Nội dung của chương này là giới thiệu tổng quan về hệ thống tự động sạc acqui
điện lực, nguồn thao tác một chiều, các nguồn thao tác một chiều và các chế độ
nạp của acqui.
Chương2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ TỦ NẠP ĐẶC TRƯNG
Nội dung cơ bản của chương này là đưa ra một số tủ nạp điện lực đặc trưng ứng
dụng vi diều khiển gồm các tủ nạp: Tủ nạp CDN-HPT 220 50 XE (của truyền tải
huế), tủ nạp 3PH DC 110 50 (của công ty TNHH Hyundai_Vinashin), và tủ nạp
CHLORIDE 3CBC 220 50 (của công ty Việt Á)
Chương 3 THIẾT KẾ BỘ NẠP
Nội dung của chương này là phần thiết kế chính. Giới thiệu công nghệ chính.
Phần chỉnh lưu, tính toán phần chỉnh lưu. Phần điều khiển, tính toán mạch điều
khiển. Phần vi điều khiển, phần ghép nối với thiết bị tương tự DAC ADC. Sơ đồ
thuật toán và viết chương trình.
Với điều kiện thời gian cũng như kiến thức có hạn nên chắc chắn đồ án không
thể tránh khỏi các thiếu sót. Do vậy em rất mong được sự chỉ bảo của các Thầy
Cô.
SVTH: Trần đức việt Trang 7
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy Đoàn Quang Vinh-
Giáo viên hướng dẫn, cùng với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trong khoa Điện,
đặc biệt là quí thầy cô trong bộ môn Tự động - Đo lường đã tạo mọi điều kiện để
em có thể hoàn thành tốt đồ án của mình.
Đà Nẵng, Ngày 28 tháng 5 năm 2006
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN VĂN DANH
TRẦN ĐỨC VIỆT
NGUYỄN VĂN THIỆN
SVTH: Trần đức việt Trang 8
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG SẠC ACQUI
TRONG ĐIỆN LỰC
I. Giới thiệu về nguồn thao tác :
Trong nhà máy điện và trạm biến áp, nguồn điện thao tác làm nhiệm vụ cung
cấp điện cho các thiết bị bảo vệ, tự động hóa, điều khiển, tín hiệu, chiếu sáng sự
cố, các cơ cấu tự dùng quan trọng…Nguồn điện thao tác cần có độ tin cậy cao,
độc lập với lưới điện chính hay sự cố, có công suất đủ lớn để đảm bảo sự làm việc
chắc của các thiết bị trong chế độ nặng nề nhất, điện áp trên thanh góp cần có độ
tin cậy cao. Muốn vậy các nguồn thao tác và lưới phân phối cần có độ dự trữ lớn,
đảm bảo an toàn, dể sử dụng và một yêu cầu chung nửa là kinh tế.
Nguồn thao tác có thể là một chiều hoặc xoay chiều. Song để có độ tin cậy
cung cấp điện cao và cấu tạo của các thiết bị đơn giản, gọn nhẹ, trong các nhà máy
điện và các trạm biến áp lớn người ta thường dung nguồn thao tác một chiều, mặc
dù giá thành của chúng đắt và vận hành khá phức tạp. Nguồn thao tác một chiều
thường là acqui và các thiết bị chỉnh lưu có công suất lớn, nhưng trong một số
trường hợp người ta dung bộ nghịch lưu tạo “điện áp xoay chiều an toàn” để cung
cấp điện cho các máy tính và các phương tiện bảo vệ điện tử trong các nhà máy
điện và trạm biến áp có hệ thống thứ cấp hiện đại.
Điện áp của nguồn thao tác một chiều thường là 220KV và 110KV đối với
các lưới cung cấp cho rơle và thiết bị điều khiển; 60V, 48V và 24V đối với các
mạch tín hiệu, thông tin…
Nguồn thao tác xoay chiều do có nhiều nhược điểm quan trọng, nên chỉ được
dùng trong các trạm biến áp nhỏ.
II.Nguồn thao tác một chiều:
Acqui được xem là nguồn thao tác một chiều tin cậy nhất vì sự làm việc của
chúng không phụ thuộc vào lưới điện xoay chiều và đảm bảo cho các thiết bị thứ
cấp làm việc tốt ngay cả khi mất toàn bộ nguồn điện chính của nhà máy hoặc của
trạm. Một ưu điểm không nhỏ của acqui là khả năng cho phép quá tải ngắn hạn
SVTH: Trần đức việt Trang 9
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
khá lớn, điều này đặc biệt cần thiết khi dung điện một chiều để đóng cắt trực tiếp
các máy cắt công suất lớn vì khi đó sẻ có sự nhảy vọt về dòng điện.
1. Acqui, công dụng và phân loại:
Acqui là nguồn điện hóa học, cung cấp dòng điện một chiều cho tải, có đặc
tính cơ bản là có thể làm việc ở chế độ phóng (nguồn điện) và chế độ nạp (phụ
tải). Khi làm việc ở chế độ nạp, acqui tiếp nhận năng lượng của nguồn nạp, tích
lũy lại dưới dạng hóa năng. Khi làm việc ở chế độ phóng, hóa năng được biến
thành điện năng cung cấp cho tải. Do đó, có thể coi acqui là một bình tích trữ điện
năng để dùng khi cần thiết, và acqui có thể xem là bình điện.
Do tính chất cơ bản là tích lũy được điện năng, nên acqui chủ yếu được dùng
làm nguồn làm nguồn điện dự trữ, để đảm bảo sẳn sàng cung cấp điện liên tục
trong các trường hợp cần thiết. Ở các nhà máy điện và trạm biến áp, acqui được
dùng làm nguồn dự trữ cơ bản của hệ thống điện một chiều, cấp cho các mạch
điều khiển, tín hiệu, bảo vệ rơle, tự động, và nguồn chiếu sáng sự cố khi mất
nguồn điện xoay chiều. Acqui còn được dùng trên ôtô, tàu thủy, máy bay làm
nguồn điện mở máy động cơ, làm nguồn điện của các thiết bị thông tin, liên lạc và
nhiều mục đích khác.
Acqui dùng làm nguồn điện thao tác có ưu điểm cơ bản là đảm bảo chắc chắn
độ tin cậy cao, ít phụ thuộc vào nguồn xoay chiều. Ngoài ra, acquy có dung lượng
lớn, điện áp ít biến thiên, có khả năng cấp dòng điện lớn khi đóng máy cắt, ít làm
ảnh hưởng đến sự làm việc của bảo vệ Rơle, hệ thống điều khiển, tín hiệu và tự
động của nhà máy điện và trạm biến áp. Chính vì thế nguồn thao thác bằng điện
một chiều có hệ thống acqui hiện nay được dùng ở hầu hết các nhà máy điện và
trạm biến áp công suất trung bình trở lên.
Tuy nhiên, acqui làm phức tạp hóa sơ đồ tự dùng của các nhà máy, quy trình
vận hành và bảo quản phiền phức, tăng giá thành xây dựng, nên ở những trạm
không lớn lắm, người ta có xu hướng dung nguồn điện thao thác xoay chiều thay
cho acqui .
Căn cứ theo cấu tạo, acqui có hai loại phổ biến là acqui axit (hay acqui chì) và
acqui kiềm. Acqui kiềm có 3 kiểu cấu tạo bản cực là acqui cadmi-kền acqui sắt
-kền và acqui bạc-kẽm .
SVTH: Trần đức việt Trang 10
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
Căn cứ theo điều kiện sử dụng, người ta chia acqui tĩnh tại, là acqui đặt cố định
trong các phòng riêng (phòng acqui) và acqui di động trên ôtô, tàu thủy, tàu hỏa,
máy bay…
2. Acqui axit:
2.1 Cấu tạo của acqui axit:
Acqui axit tĩnh tại gồm có vỏ và các tấm cực chì. Võ làm bằng gỗ trong đó có
lót lá chì. Nói chung hiện nay acqui đặt ở các nhà máy điện hoặc trạm biến áp đều
có vỏ bằng thủy tinh hoặc nhựa tổng hợp. Tấm cực là khung làm bằng hợp kim
chì antimoan, có nhét đầy chất hoạt tính là bột chì và chì ôxit hoặc hổn hợp chì
ôxit và antimoan. Sau khi đã nạp đầy, các tấm cực sẽ được phân cực. Chất hoạt
tính ở cực dương sẽ là chì điôxit còn ở cực âm là chì xốp màu ánh thép.
Các tấm cực cùng cực tính được nối với nhau thành các tấm cực và có một đầu
ra chung. Như vậy các tấm cực sẽ nối song song với nhau. Các tấm cực dương và
âm được đặt xen kẻ với nhau, sao cho chúng ở gần với nhau (song song với nhau),
nhưng không được chạm nhau. Để tránh chất hoạt tính bong ra, gây chạm chập,
người ta lót giữa các tấm cách. Tấm cách làm bằng gỗ dán hoặc các tấm lưới mắt
nhỏ bằng ebonite. Giữa các tấm cưc, còn có đũa ngăn cách bằng gổ hoặc thủy
tinh, để tránh bản cực bị cong sẽ chụp vào nhau.
Acqui axit di động (acqui ôtô, tàu thủy ….). Khối tấm cực của acqui gồm có
khối dương và khối âm, giữa chúng có tấm ngăn cách. Các tấm cực dương có mấu
để đưa vào gờ đở tấm cực, còn tấm cực âm thì tựa vào đế cách điện. Các tấm cực
đặt trong vỏ bằng nhựa tổng hợp, trên là nắp có ba lỗ, lỗ giữa để bổ sung dung
dịch còn hai lổ bên để thông khí. Lổ bổ sung dung dịch có nút nhằm thoát khí từ
trong acqui ra, đồng thời ngăn dung dịch chảy ra ngoài khi acqui bị song sánh
trong quá trình di chuyển acqui.
Các tấm cực của acqui axit được đặt trong dung dịch điện phân là axit
sunfuric. Tỷ trọng
dung dịch khi mới
đổ vào acqui là
1,18 và sau khi nạp
đầy là 1.20-1,21.
SVTH: Trần đức việt Trang 11
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
Hình 1-1. Cấu trúc của acqui axit

2.2 Nguyên lý hoạt động của acqui axit :
Sau khi lắp acqui, cần tiến hành nạp để phân cực tính acqui. Khi chưa nạp, ở
cả cực âm và cực dương đều có chất hoạt tính là chì ôxit PbO. Khi ngập trong
dung dịch, chì ôxit tác dụng với axit để biến thành chì sunfat :
PbO + H
2
SO
4
= PbSO
4
+ H
2
O
Như vậy cả hai cực đều có cùng cực tính là PbSO
4
, nên acqui chưa phân cực và
chưa thể phóng điện được


(a) (b)
Hình 1-2. Sơ đồ nạp (a) và phóng (b) của acqui axit.
Muốn nạp điện, ta nối cực dương của acqui vào cực dương nguồn nạp, cực âm
acqui vào cực âm nguồn nạp (hình a). Trong dung dịch, dòng điện sẽ đi từ cực
dương về cực âm. Do đó, các ion dương H
+
đi về cực âm và các ion âm SO

đi về
cực dương.
Tại cực dương, anion SO
4
—
sẽ ôxi hóa thì sunfat theo phản ứng:
SO
4


+ PbSO
4
+ 2H
2
O

= PbO
2
+ 2H
2
SO
4
SVTH: Trần đức việt Trang 12
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
I
n
A
I
n
H
+
SO
4

PbSO
4
PbSO
4
Tải
I
f
A
I
f
H
+
SO
4

PbO
2
Pb
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
Còn ở cực âm, cation H
+
sẽ khử, chỉ sunfat theo phản ứng:
2H
+
+ PbSO
4
= Pb + H
2
SO
4
Kết hợp cả hai phản ứng ở cực dương và âm, ta có phương trình phản ứng tổng
hợp khi nạp điện:
PbSO
4
+ 2H
2
O + PbSO
4
= PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb
(+) (-) (+) (-)
Qua phương trình này, ta có các nhận xét sau:
Trong quá trình nạp điện :
+Chất hoạt tính ở cực dương biến dần thành chì điôxit PbO
2
, còn chất họat tính
ở cực âm biến dần thành chì xốp. Kết quả là acqui được phân cực;
+Axit sunfuric được giải phóng, còn nước bị phân tích, do đó, nồng độ nhiệt
tăng lên, sức điện động của acqui tăng theo, điện trở trong giảm xuống .
Qúa trình nạp coi như kết thúc, khi tất cả chất hoạt tính đã biến hóa hết và do đó,
nồng độ dung dịch không tăng nữa. Sức điện động của acqui khi nạp đầy khoảng
2,05V .
Khi acqui phóng điện (như hinh vẽ) dòng điện qua dung dich đi từ cực âm về
cực dương. Do đó, cation H
+
đi theo chiều dòng điện sẽ về cực dương còn anion
SO
4
—
đi về cực âm.
Tại cực dương, cation H
+
sẽ khử chì điôxit để giải phóng chì sunfat :
2H + H
2
SO
4
+ PbO
2
= PbSO
4
+ 2H
2
O
Còn ở cực âm anion SO
4

sẽ ôxi hóa chì, biến thành chì – Sunfat :
SO
4
+ Pb = PbSO
4
Phương trình phản ứng khi phóng điện là :
PbO
2
+ 2H
2
SO
4
+ Pb = PbSO
4
+ 2H
2
O + PbSO
4
(+) (-) (+) (-)
Qua phương trình này ta có nhận xét sau:
Trong quá trình phóng điện:
+ Chất hoạt tính ở cực dương (PbO
2
) và cực âm (Pb) bị tiêu hao dần, biến
thành chì sunfat (PbSO
4
) và do đó, sự phân cực của acqui giảm dần;
SVTH: Trần đức việt Trang 13
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh
Thiết kế bộ nạp acqui, ứng dụng vi điều khiển
+ Axit sunfuric bị phân tích, nước được tạo thêm, nên nồng độ giảm dần. Kết
quả là sức điện động của acqui giảm dần, còn điện trở trong tăng lên.
Về lý thuyết, có thể cho acqui phóng hết hoàn toàn dung lượng, tức là tất cả
các chất hoạt tính đã biến thành chì sunfat, sức điện động của acqui bằng không.
Thực ra, khi phóng gần hết dung lượng, điện trở trong tăng lên nhanh chóng, điện
áp trên cực acqui giảm nhanh và khi sức điện động đã giảm nhiều, acqui rất khó
phục hồi dung lượng. Vì thế, người ta qui định là chỉ được phóng đến điện áp 1,7-
1,8V thì phải ngừng phóng và tiến hành nạp lại acqui.
2.3. Các thông số của acqui:
Sức điện động: Sức điện động của acqui là điện áp không tải trên cực acqui.
Sức điện động của acqui chỉ chủ yếu phụ thuộc vào nồng độ nhiệt và có thể xác
định gần đúng theo công thức thực nghiệm sau:
E
0
= 0,84 +
γ
Ở đây,
γ
là tỷ trọng dung dịch.
Theo công thức này, sức điện của acqui khi nạp đầy (
γ
=1,21) sẽ là: E
0
=
0,84 + 1,21= 2,05V còn khi phóng hết (
γ
= 1,15), E
0
= 1,99V. Vì thế, có thể coi
sức điện động của acqui axit là 2V .
Dòng điện phóng : I
F
và dòng điện nạp I
n
là các đại lượng ảnh hưởng rất lớn
làm việc của acqui. Nếu phóng với dòng điện lớn, phản ứng xảy ra mạnh, chất
hoạt tính bị biến đổi nhanh, sẽ tạo thành một lớp chì sunfat bao bộc bên ngoài và
do đó, sẽ cản trở lớp hoạt tính bên trong tiếp xúc với dung dịch. Kết quả là một số
chất hoạt tính không tham gia phóng điện và do đó, dung lượng phóng của acqui
sẽ giảm đi. Ngược lại, nếu phóng với dòng điện nhỏ, phản ứng xảy ra từ từ, làm
cho chất hoạt tính có thể tham gia toàn bộ vào quá trình phóng điện và dung lượng
phóng sẽ tăng lên .
Gọi thời gian phóng từ lúc bắt đầu phóng đến lúc phóng hết là t
f
tương ứng
dòng điện phóng I
f
, ta có dung lượng phóng tương ứng là Q
f
:
Q
f
= I
f
. t
f

Người ta lấy dung lượng phóng tương ứng với chế độ 10h là dung lượng định
mức của acqui -Q
dm
. Đó là dung lượng lớn nhất của acqui khi phóng với dòng
điện lớn hơn dòng điện phóng 10h, dung lượng phóng sẽ nhỏ hơn Q
đm
.
Điện áp ngưỡng phóng: U
nf
là điện áp ở cực khi acqui đã phóng hết dung
lượng quy định. Đối với acqui axit, U
nf
=1,7-1,8 V.
SVTH: Trần đức việt Trang 14
Nguyễn văn thiện
Nguyễn văn danh

Xem chi tiết: 300667