báo cáo thiết kế nguồn mạ một chiều

Điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu - Sơ đồ nguyên lý: - Nguyên lý làm việc: Dùng một máy biến áp tự ngẫu để thay đổi điện áp lưới xoay chiều từ trị số cao về trị số thấp hơn, rồi

Lời nói đầu

Mạ điện là một trong những phương pháp rất có hiệu quả để bảo vệ kimloại khỏi bị ăn mòn trong môi trường khí quyển

Nhờ mạ điện tạo ra các sản phẩm có độ bền cao,nâng cao tính thẩm mỹcủa sản phẩm để vụ cho các ngành công nghiệp cũng như ứng dụng thực tế trongcuộc sống hàng ngày…

Các vật mạ điện có giá trị trang trí cao,bền và rẻ,ngoài ra còn có độcứng,độ dẫn điện cao được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất công cụthiết bị điện năng,ôtô,môtô,xe đạp,dụng cụ y tế… Ở các nước công nghiệp,ngành

mạ điện phát triển rất mạnh Ở nước ta ngành mạ điện luôn được hoàn thiện để đápứng nhu cầu ngày càng phát triển của công nghiệp Nhưng nói chung về mặt kỹthuật chưa được chú ý,chất lượng mạ chưa tốt Mấy năm gần đây,những kỹ thuậtmới,công nghệ mới về mạ đặc biệt là mạ trang sức,mạ vàng giả,mạ phi kim loại,mạphức hợp,mạ điện…có nhiều thành quả nghiêm cứu và ứng dụng phong phú

Để nắm vững lý thuyết cũng như từng bước tiếp cận công nghệ mới về mạđiện em được giao tìm hiểu về đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều Đây là một đềtài có quy mô và ứng dụng thực tế cao Trong quá trình làm và hoàn thành đồ ánmôn học,em đã nhận được sự giúp đỡ,chỉ bảo tận tình của thầy Đoàn Văn Tuân,đây

là lần đầu tiên làm đồ án môn học với đề tài mới mẻ có liên quan nhiều đến mônhọc khác Mặc dù em đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi hết khuyếtđiểm Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy,cô để đồ án của emđược hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cám ơn !

Hải Phòng, ngày 10 tháng 10 năm 2012

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN

1.1 Tổng quan về công nghệ mạ điện.

1.1.1 Sơ lược về kỹ thuật mạ điện

Mạ điện đơn giản có thể là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớpphủ có tính chất cơ lý hóa…đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Tuy nhiên chỉ những côngnghệ ổn định,bền trong thời gian dài mới được sử dụng trong sản xuất Mạ điệnthực chất là quá trình điện phân(phản ứng phân tích hóa học xảy ra dưới tác dụngcủa dòng điện một chiều) quá trình điện phân tổng quát trên diode xảy ra quá trìnhhòa tan kim loại điện cực dilde

+ di chuyển từ dung dịch vào trong bề mặt catot Cation mất

vỏ Hyđrat mH2O tiếp xúc trực tiếp với bề mặt điện tử từ catot điền vào vách điện

tử hóa trị của cation biến nó thành nguyên tử kin loại trung hòa ở dạng hấp thu Cácnguyên tử kim loại sẽ tạo thành mầm tinh thể mới từ đó các tinh thể kết hợp thànhlớp mạ

Hình 1.1: Mô hình mạ điện phân với nguồn một chiều.

Các phần tử trong sơ đồ:

1- Bình ổn nhiệt 2- Bình điện phân 3- catôt 4 và 5- anôt, 6- dụng cụ đođiện lượng 7- Ampe kế 8- nguồn điện một chiều

1.1.2 Sự phát triển của công nghệ mạ điện

Kỹ thuật mạ điện hiện nay đã có những bước tiến triển nhảy vọt,thỏa mãnđược yêu cầu kỹ thuật quan trọng trong sản xuất và đời sống Các nhà khoa họcluôn tập trung mọi lỗ lực nhằm tìm ra những chất phụ gia mới,phát minh nhữngchất điện giải mới,phương pháp điện phân mới với những mục đích nâng cao khôngnhững chất lượng lớp mạ không chỉ trên bề mặt kim loại mà ngay trên bề mặt chấtdẻo hay các phi kim loại khác

Kỹ thuật mạ điện luôn đòi hỏi lớp mạ có cấu trúc tinh thể mịn,dẻo nhưng rấtcứng,độ bám tốt,không xốp,không bong tróc ngay khi thay đổi nhiệt độ hay vachạm mạnh cũng như bền trong môi trường sử dụng Vì vậy phải không ngừngnghiên cứu,cải tiến các thiết bị,máy móc chuyên dùng,thiết kế các dây chuyền sảnxuất đồng bộ,tự động hóa với độ tin cậy cao Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượnglớp mạ một cách vững chắc,hạ giá thành sản phẩm,chống ô nhiễm môi trường

1.1.3 Mục đích và ý nghĩa của công nghệ

- Lớp mạ có nhiệm vụ bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn hóa học hay điện hóatrong môi trường sử dụng.

- Lớp mạ có nhiệm vụt trang trí bên ngoài sản phẩm chế tạo kim loại hoặchợp kim rẻ tiền,nó đồng thời là lớp mạ bảo vệ các chi tiết máy móc khỏi bị ăn mòn

- Người ta còn tạo được lớp mạ kim loại hoặc hợp kim có tính chất hóa lý đặcbiệt như:

- Gia công đúng kỹ thuật cho catot

- Chọn đúng vật liệu cho anot,thành phần dung dịch mạ,mật độ dòng điện vàcác điều kiện điện phân khác,sự ổn định dòng điện trong quá trình mạ có rất nhiềuyếu tố ảnh hưởng đến sự thành công cũng như chất lượng mạ điện Nhưng đồ án làthiết kế nguồn mạ nên ta chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của nguồn cung cấp cho quátrình mạ có vai trò rất quan trọng đến sự thành công cũng như chất lượng và độ bềncủa lớp mạ

Do yêu cầu công nghệ bắt buộc phải có nguồn điện một chiều nên ta dùngdòng điện một chiều không đảo chiều dòng điện một chiều không đảo chiều ổnđịnh trong suốt quá trinh mạ sẽ cho ra những sản phẩm có lớp mạ đều và bóng.Điện áp một chiều phải tương đối bằng phẳng Dòng điện một chiều phải đi vào 2cực kim loại nhưng vào dung dịch thì điện thế catot(cực âm) trở lên âm hơn,điện

thế anot (cực dương) trở lên dương hơn Sự thay đổi điện thế như vậy gọi là sựphân cực sự phân cực có quan hệ mật thiết với mạ và quyết định được lớp mạ kếttinh mịn.

Khả năng phân bố tốt,lớp mạ phân bố đồng đều Làm Hyđrô thoát ramạnh,làm giảm hiệu suất dòng điện và độ bám lớp mạ

Phân cực anot làm anot hòa tan không bình thường,ảnh hưởng sự phân cựcđến lớp mạ có mặt lợi,mặt hại trong quá trình mạ phải lợi dụng mặt lợi,khống chếtmặt hại đa số trường hợp muốn lớp mạ mịn,khả năng phân bố tốt phải nâng cao sựphân cực (trong phạm vi cho phép), tránh làm giảm hiệu suất dòng điện,độ bám lớp

mạ không tốt

Để tạo nguồn một chiều cho mạ điện có thể dùng máy phát điện mộtchiều hay máy chỉnh lưu.Hiện nay,máy chỉnh lưu được dùng rộng rãi để thay thếmáy phát điện một chiều Dùng máy chỉnh lưu có lợi là hiệu suất cao,thời gian sửsụng lâu,tiếng ồn nhỏ, dễ điều khiển, có thể lắp trực tiếp cạnh bể mạ

1.3 Phạm vi ứng dụng và một số sản phẩm thực tế.

Các sản phẩm của công nghệ mạ điện có mặt ở nhiều ngành trong nền kinh

tế, giữ vai trò quan trọng trong một số ngành công nghiệp khác nhau

- Trong lĩnh vực xây dựng: mạ ống nước, đường sắt, các thiết bị ngoài trời,

mạ các thiết bị chịu lực, mạ kẽm cho tôn…

- Trong sản xuất dân dụng: làm đồ trang sức, lư đồng, huy chương, bát đĩa,vòi nước…

- Trong ngành kĩ thuật cao: sản xuất robot, tên lửa…

- Trong công nghiệp đóng tàu: thường mạ một lớp kẽm lên bề mặt vỏ tàu

- Trong các công trình thủy (ở Tôkiô): các trụ cầu của cầu dẫn qua cảng

- Trong lĩnh vực khác: mạ vàng điện thoại, xe hơi, laptop…

Sản phẩm mạ của công nghệ mạ điện có giá trị ngày càng cao trong nền kinh

tế quốc dân nhất là trong lĩnh vực công nghệ cao hiện nay

Chương 2: Tính chọn mạch công suất

2.1 Giới thiệu mạch công suất và phân tích ưu nhược điểm

Nhiệm vụ đặt ra đối với thiết kế là thiết kế nguồn mạ một chiều có điện áp

thấp và dòng rất lớn Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ trongquá trình nạp Mạch có khâu bảo vệ chống chạm điện cực

Trong công nghệ mạ điện thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nóquyết định nhiều đến chất lượng lớp mạ thu được Nguồn điện một chiều có thể là

ắc quy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi… Chúng ta phân tích từng loại nguồn

để quyết định lựa chọn phương án nào :

2.1.1 Ắc quy.

Trong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm haysản xuất ở quy mô nhỏ Do hạn chế về lượng điện tích lên ắc quy chỉ dùng để mạcác chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy được Đặc biệt khidòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng được Vì vậy mà trong côngnghệ mạ người ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn mạ.

2.1.2 Máy phát điện một chiều.

Đối với máy phát điện một chiều ta có:

+ Máy phát điện một chiều tự kích thíc

+ Máy phát điện một chiều kích thích độc lập

Hầu hết các quá trình mạ đều dùng nguồn điện một chiều có công suất khácnhau nhưng điện thế chỉ từ 6 -12 V hay 24 V, 30 V Để cấp điện cho tải một chiềungười ta dùng máy phát điện một chiều:

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy phát cung cấp điện cho bể mạ:

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý máy phát điện một chiều cung cấp

iktKT

+ A

K

Chuyển dịch ion

Bể mạ

Dung dịch mạ

Lớp

U1c

- MF: là máy phát điện một chiều kích từ độc lập cung cấp điện áp cho quátrình mạ Sức điện động của máy phát được thay đổi bằng cách thay đổi dòng điệnkích từ ikt

- ĐCK: Là động cơ không đồng bộ (động cơ sơ cấp) để quay máy phát MF vàmáy phát kích từ FK

- FK: Là máy phát điện một chiều tự kích có công suất bé, nó cung cấp dòngkích từ ikt cho máy phát MF

Hoạt động của sơ đồ:

+ Khi đóng cầu dao CD xuống, lúc này ta đã cung cấp điện áp xoay chiều chođộng cơ sơ cấp (ĐCK) Khi động cơ sơ cấp (ĐCK) làm việc nó cung cấp nănglượng làm quay phần ứng của máy phát điện một chiều kích từ độc lập (MF) vàmáy phát điện tự kích (FK) Lúc này máy phát điện tự kích thích hoạt động sinh radòng điện một chiều cung cấp dòng điện kích từ cho máy phát điện kích từ độc lập,kết quả là máy phát điện kích từ độc lập hoạt động, sinh ra điện áp một chiều cungcấp nguồn điện cho quá trình mạ

Qua việc phân tích sơ đồ nguyên lý hệ thống máy phát điện một chiều cungcấp cho bể mạ, ta thấy hệ thống máy phát có một số ưu, nhược điểm sau:

+ Ưu điểm:

- Có thể đảo chiều dòng điện bằng cách đổi chiều dòng điện kích từ ikt

- Tạo ra dòng điện và điện áp liên tục, lý tưởng hơn so với chỉnh lưu Vìtrong thành phần dòng, áp không chứa sóng hài bậc cao

- Điều chỉnh điện áp trong một phạm vi tải nhất định

- Do sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi than sinh ra tia lửa điện nên rất nguyhiểm khi vận hành.

- Hiệu suất thấp, tổn thất lớn

- Giá thành đầu tư lớn

- Tốn diện tích đặt máy, dễ bị ăn mòn (bị ôxy hoá) do dung dịch mạ, hơi

muối, chất phụ gia, chất xúc tác

- Khó điều chỉnh điện áp cho từng bể mạ vì loại động cơ máy phát thườngdùng cho nhiều bể mạ có điện thế và cường độ dòng điện gần giống nhau do đó cầntrang bị mỗi bể một bảng điện trở để điều chỉnh dòng và thế cho phù hợp với yêucầu của bể đó

- Đường dây tải điện từ máy phát tới các bể mạ dài, tiết diện lớn, dẫn đếntổn hao trên đường dây lớn, không kinh tế

Chính vì các lý do trên lên trong công nghiệp người ta không dùng máy phátđiện một chiều

2.1.3 Bộ biến đổi.

1 Điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu

- Sơ đồ nguyên lý:

- Nguyên lý làm việc: Dùng một máy biến áp tự ngẫu để thay đổi điện áp lưới xoay

chiều từ trị số cao về trị số thấp hơn, rồi mới qua máy biến áp chỉnh lưu cấp điện ápcho bộ chỉnh lưu Do đó việc điều chỉnh điện áp ra trên tải được thực hiện thông

.

.

.

.

.

MBA

tự ngẫu chỉnh lưuMBA chỉnh lưuDiode

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu

Hình 2.3 Điều chỉnh điện áp bằng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều.

qua máy biến áp tự ngẫu bằng cách dùng động cơ kéo con trượt trượt trên dây quấnthứ cấp máy biến áp

- Ưu, nhược điểm của sơ đồ:

Qua phân tích nguyên lý hoạt động, ta thấy cần phải có hai biến áp (một biến áp

tự ngẫu, một biến áp chỉnh lưu) nên giá thành đắt và cồng kềnh

Điều chỉnh điện áp bằng máy biến áp tự ngẫu có hệ số công suất cao, nhưng taphải dùng hệ thống chổi than - con trượt để lấy điện áp ra, do đó có tính trễ, khókhăn khi muốn điều chỉnh tĩnh, bộ chỉnh lưu diode dùng ít thuận tiện

2 Điều khiển bằng điều áp xoay chiều:

- Sơ đồ nguyên lý:

Dùng một bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (bộ điều áp xoay chiều) để điều chỉnhđiện áp phía sơ cấp biến áp, phía thứ cấp được đưa vào một bộ chỉnh lưu điện ápdùng Diode Ưu điểm của sơ đồ này là phía sơ cấp điện áp lớn, dòng nhỏ, việc chọncác van Tiristor dễ dàng, nhưng lại dùng quá nhiều van bán dẫn, thành phần hài bậccao lớn, điều khiển các Tiritor khó khăn, chất lượng điện áp một chiều không cao

Do đó sơ đồ này không được sử dụng phổ biến

3 Điều khiển bằng Tiristor:

Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lưu:

Bộ điều áp xoay chiều chỉnh lưuMBA chỉnh lưuDiode

Hình 2.4 Điều chỉnh điện áp bằng bộ chỉnh lưu có điều

khhkhkjkkhiển

Các van bán dẫn thường được dùng trong các mạch chỉnh lưu là: Diôt vàTiristor

+ Diôt chỉ cho dòng chạy qua khi thế ở Anốt lớn hơn thế ở Catốt

+ Tiristor cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện:

- Thế ở Anốt lớn hơn thế ở Catốt

- Đồng thời phải có tín hiệu điều khiển

Hoạt động của sơ đồ: Khi đặt điện áp xoay chiều u1 vào máy biến áp (MBA) thì

ở đầu ra của MBA ta thu được một điện áp xoay chiều u2, điện áp này qua bộ chỉnhlưu sẽ cho ta điện áp một chiều cung cấp cho bể mạ

- Một số ưu điểm của bộ chỉnh lưu:

+ Dễ tự động hoá

+ Dễ điều chỉnh và ổn định dòng, áp

+ Có thể thay đổi điện áp sau chỉnh lưu

+ Bộ chỉnh lưu có thể đặt ngay sát bể mạ: không tốn không gian đặt thiếtbị; tổn thất trên đường dây ít

+ Dễ bảo quản, không bị ăn mòn trong môi trường mạ

+ Thiết bị gọn nhẹ: ví dụ để tạo ra 1kw điện năng một chiều, nếu dùngmáy phát điện một chiều thì phải mất từ 10kg ÷ 15kg thiết bị, nhưng nếu dùng vanbán dẫn thì chỉ cần 1kg ÷ 2kg thiết bị

Zt

A B

.

MBA chỉnh lưu

chỉnh lưu Diode

+ Cho dòng điện và điện áp gián đoạn, không lý tưởng bằng máy phátđiện một chiều.

+ Điện áp sau chỉnh lưu còn chứa thành phần sóng hài bậc cao, nên điện

áp chỉnh lưu có sự nhấp nhô, không bằng phẳng Điều này làm nhiễu; ảnh hưởngtới chất lượng làm việc của nhiều loại máy móc, thiết bị và các hộ dùng điện mộtchiều

Kết luận:

Như vậy chỉnh lưu có điều khiển với các ưu điểm: Thiết bị gọn nhẹ, tác độngnhanh, tự động hoá, dễ điều chỉnh và ổn định dòng áp, … Chi phí đầu tư cho bộbiến đổi cũng rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định So với dùng nguồn mạ là ắcquy hoặc máy phát điện một chiều thì bộ biến đổi đáp ứng được hơn cả về mặt kinh

tế cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật Vậy quyết định phương án là dùng bộ biến đổiđiều khiển bằng tiristor

2.2 Giới thiệu và phân tích ưu nhược điểm của mạch công suất.

Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụng rộngrãi Công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng hoàn thiện, các thiết bị hoạtđộng với độ tin cậy cao Đặc biệt công nghệ sản xuất Tiristor đã đạt được nhiềuthành tựu Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng mộtchiều ngày càng được sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp Ngày naytrong công nghệ mạ điện thì bộ biến đổi được dùng rộng rãi nhất Các bộ biến đổidùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp như : 3V, 6V, 12V, 24V,30V, 50V Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp cho phù hợp

Với bộ biến đổi (mạch chỉnh lưu) có rất nhiều : chỉnh lưu một pha, chỉnh lưu

ba pha, chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển…

Ngày nay, thường ít dùng chỉnh lưu nửa chu kì và chỉnh lưu cả chu kì với biến

áp có trung tính, mặc dù hai loại này có sơ đồ nguyên lí mạch đơn giản nhưng chấtlượng điện áp một chiều quá xấu, hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp, công suấtchỉnh lưu nhỏ chỉ dùng nạp ác quy, do đó không được dùng trong những mạch cầncông suất lớn như mạ điện Ta không xét đến trong thiết kế này

Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp và dòng khá lớnnên có thể đưa ra một số phương án như sau:

+ Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển

+ Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng+ Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng+ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

2.2.1 Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển.

1 Sơ đồ nguyên lý

LR

4

A

B

u2

Hình 2.5 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đối xứng

2.Hoạt động của sơ đồ:

- Trong nửa chu kỳ đầu thế tại điểm A mang dấu “+”, còn thế ở điểm B mang

hai van mở cho dòng chạy qua (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chấtđiện cảm) Còn đối với tải có chứa sức điện động E thì phải đồng thời có hai điềukiện trên và phải có thế tại A có giá trị lớn hơn sức điện động E thì hai van bán dẫn

T1 và T3 mới cho dòng qua

Đến nửa chu kỳ sau, điện áp tại A và B đổi dấu, thế tại A có dấu “ - ”, còn thế tại B

có dấu “ + ” Nếu có xung điều khiển cho cả hai van T2 và T4 thì các van này sẽ mở(đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm) Nếu trong tải có thành phần sức điện động E thì phải có thêm điều kiện UB ≥ E thì hai van bán dẫn T2 và

T4 mới cho dòng đi qua, để đặt điện áp lưới lên tải Với điện áp một chiều trên tải

có chiều trùng với nửa bán kỳ trước

a.Khi tải thuần trở R :

Với u2 = 2U2 sinθ

- Khi θ=α: cho xung điều khiển mở T1, T2 và Ud= - U2, hai tiristor sẽ khoá tự nhiên khi u2 =0

- Khi θ π α= + , cho xung điều khiển mở T3, T4 và Ud=U2

+ Dòng qua tải là dòng gián đoạn

+ Giá tri trung bình của điện áp tải :

2 2

sin

d d T

U I U

π α

θ θπ

= ∫ = = (2.3)

+ Dạng sóng cơ bản :

Hình 2.6 Dạng điện áp và dòng điện khi tải thuần trở

θ

d

d X Ri d

d +

= sin

2 2 (2.4)

+ Dạng sóng cơ bản :

Hình 2.7 Dạng dòng điện và điện áp khi tải là L và R

4 Ưu nhược điểm của sơ đồ :

+ Ưu điểm : Chỉnh lưu cầu một pha cho chất lượng điện áp tương đối tốt, dòngđiện qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ Điện áp ngược đặtlên mỗi van trong sơ đồ nhỏ

+ Nhược điểm : Không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây rahiện tượng công suất bị lệch pha Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy quahai van nối tiếp, vì vậy tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn Thành phần đahài bậc cao lớn Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưu cao

và dòng tải nhỏ

2.2.2 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng:

1 Sơ đồ nguyên lý.

Hình 2.8 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha đối xứng.

Sơ đồ cầu chỉnh lưu ba pha gồm 6 Tiristor chia làm hai nhóm:

- Nhóm Catốt chung gồm ba Tiristor T1,T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba phacho điện áp dương

- Nhóm Anốt chung gồm ba Tiristor T2,T4, T6 tạo thành một chỉnh lưu tia ba phacho điện áp âm

- Góc dẫn dòng của mỗi tiristor là: λ = 2π/3

- Giá trị cực đại của ud1 và ud2 lệch nhau góc π/3

Như vậy sơ đồ cầu ba pha có thể coi như là hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắcngược nhau

Điện áp các pha thứ cấp của máy biến áp là ua, ub, uc; góc mở α được tính từ lúcgiao điểm của các nửa hình sin

2 Hoạt động của sơ đồ:

- Theo nguyên tắc hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu cầu; Tại mỗi thời điểm cần phải

mở van bán dẫn cho dòng chạy qua tải, chúng ta phải cấp hai xung điều khiển đồngthời (một xung ở nhóm Anốt, một xung ở nhóm Catốt) Cần chú ý rằng thứ tự cấpxung điều khiển cũng cần tuân thủ đúng theo thứ tự pha

- Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua U F =U U2c, G =U2b

+ Khi θ = θ =Π + α

6

2 cho xung điều khiển mơ T1 Tiristor này mở vì U2a >0

Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U2a >U2c Lúc này T6 và

T1 cho dòng đi qua Điện áp ra trên tải : U d =U ab =U2a −U2b

+ Khi θ = θ = Π+ α

6

3

2 cho xung điều khiển mở T2 Tiristor này mở vì T6 dẫn

dòng, nó đặt U 2b lên catốt T2 mà U2b >U2c Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại mộtcách tự nhiên vì U2b >U2c

- Các xung điều khiển lệch nhau

3

Π được lần lượt đưa đến các cực điều khiểncủa các tiristor theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,… Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mởthì nó sẽ khoá ngay tiristor trước nó, như trong bảng sau :

T5T6T1 T2T3T4

Bảng 2.1 Thời điểm đóng mở của các tiristor.

+ Dạng sóng cơ bản

Hình 2.9 Dạng của dòng điện và điện áp

α α

cos 6

3

sin 2

+ Π

U d

- sử dung số van lớn, giá thành thiết bị cao

- sơ đồ này chỉ dùng cho tải công suất lớn, dùng tải nhỏ và điện ápchỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng

Do dòng tải dùng trong mạ điện có hệ số lớn, nên không áp dụng được phươngpháp này, vì các van không chịu được dòng tải lớn

2.2.3 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng.

1 Sơ đồ nguyên lý

Đặc điểm của sơ đồ là: Một nhóm sử dụng ba Tiristor còn nhóm kia sử dụng bađiốt Có thể coi sơ đồ đang xét tương đương với hai sơ đồ ba pha hình tia nối tiếpnhau, làm việc độc lập trên cùng một phụ tải

B C

Hình 2.10 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha không đối xứng

2 Hoạt động của sơ đồ

Khi làm việc, các điôt chuyển mạch tự nhiên, còn các tiristor chuyển mạch tạicác góc điều khiển α Khi α < 60 o, điện áp u d luôn lớn hơn 0 Nhưng khi α > 60 o sẽxuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời

Trong khoảng 0÷θ1 : T5 và D6 cho dòng tải i d = Id chảy qua D6 đặt điện thế u b

lên anot D2

Khi θ θ≥ 1 điện thế catot D2 là uc bắt đầu nhỏ hơn u b , điôt D2 mở, dòng tải

i d = Id chảy qua D2 và T5 , u d = 0

Khi θ = θ2 cho xung điều khiển mở T1

Trong khoảng θ θ2 ÷ 3 : T1 và D2 cho dòng tải Id chảy qua D2 đặt điện thế uc lênanot D4

Khi θ θ≥ 3 điện thế catot D4 là u a bắt đầu nhỏ hơn u c , điôt D4 mở Dòng tải Id

u là thành phần điện áp tải do nhóm catot chung tạo ra, còn d1 u là thành phần d2

điện áp tải do nhóm anot chung tạo ra

Giá trị tức thời của điện áp tải : u d =u d1 −u d2

Giá trị trung bình của điện áp tải : U d =U d1 −U d2

2 2

6 11 6

2 2

7 6

- Nếu tải thuần trở sẽ luôn cho dòng liên tục

- Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng cho chất lượng điện áp tốt nhất, hiệusuất sử dụng máy biến áp tốt Sba = 1,047Pd

+ Nhược điểm :

- Hai van cùng mở lên tổn hao công suất lớn

- Nhưng điện áp chỉnh lưu chứa nhiều thành phần sóng hài, các điều hoàbậc cao của tải và của nguồn lớn, cần phải lọc điện áp trước khi đưa tới tải

2.2.4 Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

1 Sơ đồ nguyên lý

T 1 T3 T5

L R

T 4 T6 T2

A B C

O

O a

a

b b

u a u b u c u a ' u b ' u c '

Hình 2.12 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha dung cuộn kháng cân bằng

Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, được biểu diễn như trên sơ đồ,

bao gồm máy biến áp động lực, có cuộn kháng cân bằng L a

Trên mỗi trục của lõi sắt máy biến áp đặt ba cuộn dây, 1 cuộn sơ cấp và 2 cuộnthứ cấp Các cuộn dây thứ cấp tạo ra hai hệ thống điện áp 3 pha lệch pha 1800 điện Máy biến áp có hai hệ thống thứ cấp a ,b ,c và a’ ,b’ ,c’ Các cuộn dây trênmỗi pha a và a’; b và b’;c và c’ có số vòng như nhau nhưng có cực tính ngượcnhau Hệ thống dây cuốn thứ cấp máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt P và Q

P, Q được nối với nhau qua cuộn kháng cân bằng Cuộn kháng cân bằng có cấu tạonhư máy biến áp tự ngẫu

+ Hệ thống thứ nhất cấp nguồn cho các tiristor T1, T3, T5

+ Hệ thống thứ hai cấp nguồn cho các tiristor T2, T4, T6

Việc phân phối xung điều khiển mở các tiristor cần phải tuân thủ thứ tự sau

Các tiristor chia làm 2 nhóm catot chung, làm việc độc lập.

+ Nhóm thứ nhất gồm T1, T3, T5 tạo ra thành phần điện áp tải

1

d

u + Nhóm thứ hai gồm T2, T6, T4 tạo ra thành phần điện áp tải ud2

Do cuộn kháng cân bằng có tác dụng hấp thu hiệu điện áp của ud1 và

+ Góc dẫn dòng của mỗi tiristor là: 2

2

d

u làkhác 0

2 6

+ Do có điện cảm L trong mạch tải nên thực tế id = Id

+ Giá trị trung bình của dòng điện qua các van là :

2 3 0

= ∫ = (2.14) + Giá trị hiệu dụng của dòng chảy trong mỗi cuộn dây thứ cấp MBA:

2 2

+ Công suất cuộn kháng cân bằng là : SLa = 0,057P d

+ Giá trị trung bình của dòng điện trong cuộn kháng :

2

d La

I

I =

Hình 2.13 Dạng điện áp chỉnh lưu U d và điện áp trên cuộn kháng cân bằng

3 Ưu nhược điểm của sơ đồ :

+ Ưu điểm :

- Dòng điện áp ra có độ bằng phẳng cao, có độ đập mạch lớn

- Dòng trung bình qua van nhỏ bằng 1/6 dòng qua tải, ta thấy chất lượngđiện áp chỉnh lưu coi như là tốt nhất, dòng bằng phẳng hơn, có ý nghĩa với tải cảmlớn Trong trường hợp đó ta có thể dùng van mhỏ nhưng vẫn có thể tạo ra bộ nguồn

+ Nhược điểm :

- Số van sử dụng lớn giá thành cao

- Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều, việc chế tạo máy biến ápvới sáu pha thứ cấp ngược nhau 1800 là hết sức khó khăn, cộng thêm việc chế tạocuộn kháng cân bằng lên càng tăng thêm tính phức tạp cho công việc chế tạo vàbảo quản

2.2.5 Chọn mạch công suất phù hợp

Điều quan trọng nhất trong công nghệ mạ là chất lượng sản phẩm mạ, chất

lượng lớp mạ còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố Điều khiển chất lượng mạ phải khốngchế đồng thời cả dung dịch mạ lẫn cách thức mạ, nhưng quan trọng nhất vẫn là dảimật độ dòng điện thích hợp vì nó tạo điều kiện điện phân có phân cực lớn, do đómàu tinh thể mới được sinh ra dễ dàng hơn Lớp mạ là do vô vàn các tinh thể hợplại, tinh thể càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít chặt đồngđều Vậy để nâng cao chất lượng mạ đòi hỏi chất lượng dòng điện một chiều vớimật độ cao, độ ổn định lớn và chất lượng điện áp tốt

Nếu chọn chỉnh lưu cầu một pha, tuy chất lượng điện áp tương đối tốtnhưng mật độ không cao, biên độ đập mạch lớn, thành phần đa hoà bậc cao lớn,hiệu suất sử dụng máy biến áp xấu và công suất chỉnh lưu nhỏ nên không đáp ứngyêu cầu của mạ vậy không chọn sơ đồ này

Chỉnh lưu tia sáu pha cũng không chọn vì việc chế tạo máy biến áp với sáupha thứ cấp có hai cuộn lệch nhau 1800 và cuộn kháng cân bằng là hết sức khókhăn

Nên chọn chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng, sơ đồ này cho điện áp chỉnhlưu có chất lượng cao, nhưng điều phức tạp ở chỗ là điều khiển đồng thời cả haivan bán dẫn nên gây không ít khó khăn khi vận hành điều khiển và sửa chữa

Vì thế mà em chọn sơ đồ cầu điều khiển không đối xứng là phù hợp nhất, sơ

đồ này cho chất lượng điện áp tốt nhất, việc điều khiển đơn giản, sử dụng công suấtcủa máy biến áp tốt, đáp ứng yêu cầu đòi hỏi của công nghệ mạ Với máy biến ápnguồn là máy biến áp ba pha, phía sơ cấp đấu tam giác, còn phía thứ cấp đấu sao

2.3 Tính chọn van động lực

Hai thông số cần quan tâm nhất khi chọn van bán dẫn cho chỉnh lưu là điện áp vàdòng điện Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng tải,

sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc

Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau:

2.3.1 Điện áp ngược của van:

1 Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu

4

CD Ap

c b

C R

C C

C R

Hình 2.14 Sơ đồ mạch động lực

- Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, thì điện áp ngược của van cần chọnphải lớn hơn điện áp làm việc, qua một hệ số dự trữ điện áp kdtU.

k dtU thường được chọn trong khoảng(1,6÷2) Chọn k dtU = 1,8

2.3.2 Dòng điện làm việc của van:

Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van

Ilv = Ihd Theo công thức

1

I I k I

d hd hd

lv = = = = =Trong đó:

I hd , I d - Dòng điện hiệu dụng của van và dòng điện tải;

π

α

π2

- Dòng điện định mức của van: Iđmv = 400 (A)

- Điện áp ngược của van: Unv = 400 (V)

- Đỉnh xung dòng điện lớn nhất: Ipik = 7800 (A)

- Dòng điện rò: Ir = 15 (mA)

- Sụt áp trên van: ∆ =U 1,62(V)

- Nhiệt độ cho phép: Tcp = 2000C

Theo Bảng p.2 Thông số Tiristor công suất (sách tính toán thiết kế thiết bị điện

tử công suất của Trần Văn Thịnh) ta chọn 3 Tiristor loại T727012524DN có:

- Dòng điện định mức của van: Iđmv = 400(A)

- Điện áp ngược của van: Unv = 100 V)

- Đỉnh xung dòg điện lớn nhất: Ipik = 6000 (A)

- Dòng điều khiển: Ig = 150 (mA)

2.4 Tính toán máy biến áp

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây ∆/Y làm mát bằng không khí tựnhiên

2.4.1 Các thông số cơ bản của máy biến áp

Máy biến áp dùng cho mạch chỉnh lưu thường có độ dự trữ công suất lớn vìdòng thứ cấp rất lớn, cách điện phải đạt yêu cầu, nhất là phải chú ý đến các vấn đềcách điện vì dòng thứ cấp rất lớn phát sinh ra nhiệt nhiều

Đồng thời máy biến áp ta sử dụng trong việc mạ điện phải kín Vì trong khi mạhơi của các muối dùng để mạ, hay các chất phụ gia và chất xúc tác… có tính ôxyhoá cao do đó ta phải có vỏ để bảo vệ máy biến áp bằng cách thiết kế thùng dầu đểcho máy biến áp vào

1 Điện áp sơ cấp máy biến áp

U1 = 380 (V)

2 Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

ba dn

v d

U =∆ +∆

∆ : Sụt áp trên điện trở và điện kháng của máy biến

áp và ta chọn ∆U ba = 5% ÷ 10% Ud

10 5 0000172 ,

⇒ ∆Udn = 0,0008.250 = 0,2 (V)

) ( 8 , 35 10

cos

5 1 2 , 0 52 , 3 30

min

V U

U U

U

do= +∆ +∆ +∆ = + + + =

α

Điện áp thứ cấp của máy biến áp:

) ( 3 , 15 34 , 2

8 , 35

k

U U

u

do = =

=Trong đó:

Udo - Điện áp không tải máy biến áp [V]

ku - Hệ số điện áp chỉnh lưu, ku = 2,34

3 Dòng điện thứ cấp của máy biến áp

) ( 1 , 204 250 3

2

I2 - Dòng điện thứ cấp của máy biến áp

Id - Dòng điện định mức của tải

4 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp:

204 , 1 8 , 2 ( )

380

3 , 15

Trong đó:

I1 - Dòng điện sơ cấp của máy biến áp

kba - Hệ số của máy biến áp kba = U2/U1

U1, U2 - Điện áp sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp

5 Công suất tối đa của máy biến áp:

Pdmax = Ud0 Id = 35,8 250 = 8950(w)

Trong đó:

Pdmax - Công suất tối đa của tải (W)

Udo - Điện áp không tải máy biến áp (V)

Id - Dòng điện tải (A)

6 Công suất biểu kiến của máy biến áp:

5 , 9397 5

f m

S k

Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn d=8 (cm)

3.Chọn loại thép

Chọn loại thép∃330 có độ dày 0,5 mm; Chọn mật độ từ cảm trong trụ: B = 1,2 (T)

m- Hệ số, để trụ thiết kế đạt yêu cầu thường chọn m = 2,5.

h- Chiều cao của trụ

2.4.3 Tính toán dây quấn.

1 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp của máy biến áp:

2 , 360 2 , 1 6 , 39 50 44 , 4

10 380

44

U W

Fe

(vòng)Lấy tròn W1 = 360 (Vòng)

Trong đó

W1 - Số vòng dây của cuộn dây cuộn sơ cấp cần tính

U1 - Điện áp của cuộn dây cần tính (V);

B - Mật độ từ cảm chọn B = 1,2 T

QFe - Tiết diện lõi thép [cm2]

2.Số vòng dây mỗi pha thứ cấp của máy biến áp:

5 , 14 360 380

3 , 15 11

3.Chọn sơ bộ mật độ dòng điện của máy biến áp:

Với dây dẫn bằng đồng, máy biến áp dầu nên chọn J1 = J2 = 2,65 (A/mm2)

4.Tiết diện dây dẫn sơ cấp của máy biến áp:

3 , 1 ( )

65 , 2

2 ,

4 2 ,

2 1

1 ,

Kích thước dây dẫn kể cả cách điện: S2 = 3 3,8 7,1(mm2)

7.Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn dây thứ cấp:

2 , 52 ( / )

1 , 7 , 8 , 3 3

1 ,

+ Kết cấu dây dẫn sơ cấp

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục

8.Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp:

2

2 2 200

2 1

11 = − g k c = − =

d

h h

Chọn W11 = 93 (vòng).

9.Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp:

87 , 3 93

360 11

2 93 1

11

k

d W h

C

=

=

=

12.Chọn ống dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy: S01 = 0,1 cm

13.Khoảng cách cách điện của cuộn sơ cấp với trụ: a01 = 1 cm

14.Đường kính trong của ống cách điện:

Dt = dfe + 2.a01 - 2.S01 = 8 + 2.1 - 2.0,1 = 10,2 (cm)

15.Đường kính trong của cuộn sơ cấp:

Dt1 = Dt + 2.S01 = 10,2 + 2.0,1 = 10,4 (cm)

16.Chọn giấy cách điện giữa 2 lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1 cm

17.Bề dầy cuộn sơ cấp

8 , 12 4 , 10 2

1 1