thiết kế bộ nguồn một chiều cấp cho bể mạ.điện áp vào 220380v, f=50hz, dòng đầu ra 200a

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂNTHIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 6 Thiết kế bộ nguồn một chiều cấp cho bể mạ Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN

THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ BÀI: Đề số 6

Thiết kế bộ nguồn một chiều cấp cho bể mạ

Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế

Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển Điện áp vào 220/380V, f=50Hz,

dòng đầu ra 200A,điện áp mạ có thể điều chỉnh trong khoảng 6 – 30V

Giáo viên hướng dẫn: ĐOÀN VĂN TUÂN

Sinh viên: PHẠM TIẾN ANH

Hải Phòng, năm 2012

ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ điện

1.1.Giới thiệu công nghệ

- Sơ đồ điện phân

Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân:

+ Nguồn điện một chiều

+ Anốt

+ Catốt

+ Dung dich chất điện phân

+ Bể điện phân

1.2.Yêu cầu của công nghệ

- Yêu cầu bề mặt trước khi mạ

- Phương pháp gia công bề mặt kim loại trước khi mạ1.3.Các ứng dụng

+ Chỉnh lưu cầu một pha

+ Chỉnh lưu cầu ba pha

+ Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

3.1 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển

3.2 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển

3.3 Giới thiệu các phân tử cơ bản được dùng trong mạch điều khiển

3.4 Tính toán các khâu của mạch điều khiển

- Tính toán khối đồng pha

- Tính toán khâu tao điện áp răng cưa

- Khâu so sánh

- Khâu phát xung chùm

- Khuếch đại xung và biến áp xung

- Tính toán khối nguồn

- Khâu tạo điện áp điều khiển

- Khâu bảo vệ ngắn mạch

K ết luận…

Tài liệu tham khảo :

1 Giáo trình điện tử công suất - Trần Trọng Minh - Nhà xuất bản giáo dục - 2003

2 Điện tử công suất - Nguyễn Bính - Nhà xuất bản khoa học

kỹ thuật – 2008

3 Mạ điện - Nguyễn Khương - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật - 2006

4 Bài giảng điện tử công suất của thầy Đoàn Văn Tuân

5 Thiết kế máy biến áp - Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh - Nhàxuất bản khoa học kỹ thuật – 2006

Giáo viên hướng dẫn Sinh viên

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ điện

1.1.Giới thiệu công nghệ

Từ nhiều năm nay công nghệ mạ điện đã ra đời và pháttriển mạnh mẽ Ngày nay hầu hết các nước trên thế giớicông nghệ mạ điện đã phát triển một cách vượt bậc có ứngdụng rộng rãi trong thực tế, đời sống phục vụ đắc lực cho cácnghành khoa học kỹ thuật như mạ trên các vật liệu các chitiết máy, các ứng dụng đời thường, các vật trang trí …

Cho đến nay kỹ thuật mạ đã có những bước tiến nhảy vọt

và thoả mãn được các yêu cầu kỹ thuật như tạo lớp mạ dày,

có cấu trúc tốt độ cứng cao chịu ma sát tốt, chịu áp lực ngay

ỏ nhiệt độ cao như pít tông , xi lanh…

Mặc dù mạ đã có những bước phát triển đáng kể xongtrên thé giới các nhà khoa học đã và đang không ngừngnghiên cứu tìm tòi và sáng tạo ra các phương pháp mạ tốtnhất Họ tập trung tìm tòi các chất phụ gia mới ,phương phápđiện phân mới de tạo ra các lớp mạ tốt có cấu trúc tinh thểmịn, dẻo, độ cứng cao không bong xước ở điều kiện thay đổinhiệt dộ va chạm mạnh

Đối với đất nước chúng ta do điều kiện phát triển trình độ

mạ còn thấp do vậy để đáp ứng nhu cầu thực tế chúng taphải không ngừng nâng cao trình độ và có nhữmg bước đivững chắc cần hình thành các trung tâm nghiên cứu kỹ thuật

mạ để tạo ra được lớp mạ có chất lượng cao và giá thành rẻ

Đề tài thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tài có giátrị thực tế lớn, bởi vì trong công nghệ mạ nguồn điện mộtchiều là một yếu tố quan trọng

Để thấy rõ giá trị của đề tài, trước hết ta cần phải nắm rõmột số khái niệm cũng như các thiết bị có liên quan đến quátrình mạ bằng điện phân

Ta dựa vào sơ đồ điện phân như sau:

Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ như phòngthí nghiệm đồng thời cũng dùng trong qui mô sản xuất lớn.Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân :

1 Nguồn điện một chiều như : pin, ắc qui, máy phát

điện một chiều, bộ

biến đổi Ngày nay được dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi

Bộ biến đổi cho quá trình điện phân có điện áp ra thấp : 3V,6V, 12V, 24V… Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp

ra cho phù hợp Một bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện ápcần thiết cho một số qui trình

VD : Mạ niken thường dùng điện áp 6V hay 12V Để mạCrôm dùng 12V Để đánh bóng điện hóa nhôm thường dùngđiện áp 12 – 24V

2 Anốt : Là điện cực nối vơí cực dương của nguồn điện

một chiều Trước khi điện phân anốt cần phải đánh sạch dầu

mỡ, lớp gỉ…

Anốt dùng trong mạ điện có hai loại : anốt hòa tan vàanốt không hoà tan Anốt hoà tan được dùng trong cáctrường hợp mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, mạ thiếc… Trongquá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phảnứng ở điện cực :

Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là

O 2 hay Cl 2

3 Catốt : là điện cực nối với cực âm của nguồn điện

một chiều Trong mạ điện catốt là vật mạ Trên bề mặt vật

mạ luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ Ví dụnhư :

kim loại mạ và các kim loại nền, làm giảm độ bền cơ học của

kim loại (khí H 2 khi gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự

rạn nứt, giòn kim loại) Người ta gọi hiện tượng này là hiệntượng “ giòn kim loại “

Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loại nền đồngthời cho lớp mạ đồng đều, bóng sáng hấp dẫn, trước khi mạ

ta cần phải gia công cho bề mặt chi tiết bằng phẳng, bóng

4 Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện

phân dùng để mạ thường có hai phần:

_ Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa iôncủa kim loại mạ và một số hoá chất thiết yếu khác, nếu thiếuhóa chất này thì dung dich không thể dùng để mạ được.

_ Thành phần thứ hai : bao gồm các chất phụ gia

+ Chất làm bóng lớp mạ

+ Chất đệm giữ cho pH của dung dịch ổn định

+ Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo lớp mạ khôngbong nứt

+ Chất san bằng đảm bảo cho lớp mạ đồng đều hơn + Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng đều hơn + Chất chống thụ động hóa anốt nhằm ổn định mạ

Một số đặc điểm dung dịch mạ :

_ Dung dịch mạ cần phải có độ đẫn điện cao Độ đẫn điệncủa dung dịch

không những chỉ giảm được tổn thất điện trong quá trình mạ

mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn

_ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng trong mộtkhoảng pH nhất định Ví dụ mạ Niken pH=4,5 đến 5,5 Mạkẽm trong dung dịch amôniclorua pH= 4,5 đến 5,5 Mạ kẽmtrong dung dịch axít pH= 3,5 đến 4,0

_ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng cao trong mộtkhoảng nhiệt độ nhất định VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là

55 → 70oC, mạ vàng 50 → 70oC Nhìn chung, khi điện phânnhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôi của dungdịch

_ Mỗi dung dịch có một khoang mật độ dòng catốt thíchhợp

_ Dung dịch chứa muối phức của kim loại thường cho lớp

mạ có chất lượng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu được

từ nuối đơn VD lớp mạ thu được từ dung dịch Zn(CN) 4 2- hoặc

Zn(CN) 3 2- tốt hơn lớp mạ thu được từ dung dịch muối CuSO4

5 Bể điện phân : Làm từ vật liệu cách điện, bền hóa

học, bền nhiệt Thành và mặt trong của bể thường được lótbằng chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt Lớp chất dẻo lótphải kín tuyệt đối, nước không thấm qua được Mặt ngoài sơnnhiều lớp chống gỉ Bể mạ thường có dạng hình chữ nhật,điều này giúp cho lớp mạ được phân bố đều hơn bể có hìnhdạng khác Có nhiều bể mạ như bể mạ tĩnh, thùng mạ quay,

…

Trên dây là toàn bộ sơ đồ tổng quát của quá trình mạbằng điện phân.

1.2.Yêu cầu của công nghệ

_ Yêu cầu bề mặt trước khi mạ:

+ Trước khi mạ vật cần mạ được tiến hành gia công cơkhí để có bề mặt

bằng phẳng, đồng thời tẩy xóa các lớp ứ gỉ, đánh bóng bềmặt theo yêu cầu sử dụng

+ Tẩy sạch dầu mỡ các hợp chất hóa học khác có thể cótrên bề mặt vật

mạ

Tóm lại trước lúc chi tiết vào bể điện phân, bề mặt cầnphải thật bằng phằng, sắc nét bóng tuyệt đối sạch dầu mỡ,các màng oxit có thể có Trong điều kiện như vậy lớp mạ thuđược mới có độ bóng tốt, không sước, không sần sùi, bóngđều toàn lớp mạ đồng nhất như ý

_ Phương pháp gia công bề mặt kim loại trước khi mạ: + Phương pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô, màitinh, đánh bóng

quay bóng hay sóc bóng trong thùng quay

+ Phương pháp gia công hóa học hay điện hóa học baogồm : tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, tẩy lại làm bóng bề mặt, rửa sạch

Sự lựa chọn phương pháp gia công cho hiệu qủa tốt nhấtlại có giá thành rẻ, đòi hỏi người kỹ thuật viên phải có hiểubiết đầy đủ và nhất là phải có kinh nghiệm sản xuất Bất kỳthiếu sót nào dù nhỏ hoặc đánh giá không đúng công việcchuẩn bị bề mặt đều dẫn đến giảm sút chất lượng và hìnhthức lớp mạ Chất lượng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bảnvào phương pháp được lựa chọn, kỹ thuật và điều kiện tiếnhành chuẩn bị bề mặt lớp mạ Không bao giờ chúng ta coinhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ

1.3.Các ứng dụng

Lớp mạ điện có rất nhiều ứng dụng trong thực tế và kỹthuật nó có thể bảo vệ tốt cho kim loại khỏi bị ăn mòn hoáhọc hay điện hoá trong môi trường sử dụng Xuất phát từ khảnăng của nó gười ta đã ứng dụng để tạo ra các lớp mạ cần

thiết bảo vệ bề mặt cho các loại máy móc trong công nghiệp

và các nghành khoa học …

_ Lớp mạ bảo vệ:

+Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy, dụng cụ sinh hoạt …đã giúp bảo vệ các dụng cụ và các chi tiết đó khỏi các tác động của môi trường

nó tạo điều kiện cho việc tiêu thụ sản phẩm tốt…

+ Là loại lớp mạ vừa trang trí vừa bảo vệ kim loại nền + Ví dụ: dùng lớp mạ ca tốt như niken - crôm, đồng -crôm… do niken có độ bền cao nên đóng vai trò là lớp bảovệ

_ Lớp mạ kỹ thuật:

+ Ngoài các lớp mạ thông thường còn có lớp mạ kỹthuật đó là lớp mạ có các tính chất lý hoá đặc biệt mà cáclớp kim loại nền không có…

Chương 2: Tính chọn mạch công suất

2.1 Các mạch công suất

+ Chỉnh lưu cầu một pha

+ Chỉnh lưu cầu ba pha

+ Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

d d X di i

R d U

Dạng sóng cơ bản :

b Ưu, nhược điểm :

_ Ưu điểm :+ điện áp ngược đặt lên mỗi van nhỏ

+ phù hợp với mach có dòng điện nhỏ

_ Nhược điểm : Trong quá trình thay đổi góc điều khiển α thìdòng và áp thay đổi nhưng không giữ tính đối xứng nên quátrình tính toán phức tạp.Không dùng được cho tải có côngsuất lớn, nếu dùng gây ra hiện tượng công suất bị lệch pha

Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy qua hai van nốitiếp, vì vậy tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn Sơ

đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưucao và dòng tải nhỏ.

2.2.2. Chỉnh lưu cầu ba pha

a Sơ đồ nguyên lý

Khi kích mở một thyristor bất kì, phải đệm xung thyristortrước đó

Sơ đồ cầu = sơ đồ hình tia T1 T3 T5(Vo1) + sơ đồ hinh tia T2 T4

Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : Ungmax= 6U2

Dòng điện trung bình chạy qua van : Itbv=

chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao

+ không làm lệch pha lưới điện

_ Nhược điểm :

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

+ sơ đồ này chỉ dung cho tải công suất lớn, dung tải nhỏ

và điện áp chỉnh

lưu đòi hỏi độ bằng phẳng

Do dòng tải dùng trong mạ điện có trị số lớn, nên không

áp dụng được

phương pháp này, vì các van không chịu được dòng tải lớn

2.2.3 Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

a Sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, đượcbiểu diễn như trên sơ đồ, bao gồm máy biến áp động lực, cócuộn kháng cân bằng Lcb , 6 thyristor chia làm hai nhóm T1,

T3, T5 và T2, T4, T6

Máy biến áp có hai hệ thống thứ cấp a, b, c và a’, b’, c’.Các cuộn dây trên mỗi pha a và a’; b và b’; c và c’ có sốvòng như nhau nhưng có cực tính ngược nhau Hệ thống dâycuốn 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 tạo như máy biến áp tựngẫu Điện áp chỉnh lưu trung bình trong sơ đồ có giá trị nhưtrung bình cộng của điện áp đầu ra của hai chỉnh lưu tia 3pha, nghĩa là :

Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng có thể coi dòngtảI là phẳng hoàn

toàn Như vậy trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp :

+ Dòng trung bình qua van nhỏ bằng 1/6 dòng qua tải

_ Nhược điểm :

+ Số van sử dụng lớn giá thành cao

+ Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều.

Kết Luận: Qua phân tích và đánh giá đầy đủ cả ba phương

án ta thấy ở phương án này dòng qua van nhỏ trung bình bằng 1/6 dòng qua tải, đẻ đảm bảo yêu cầu đề bài ta chọn

bộ biến đổi dùng làm nguồn mạ là chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng

2.3 Tính toán, lựa chọn van bán dẫn

Chế độ làm việc của các van rất khắc nghiệt, rất nhạycảm với nhiệt độ

Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây

ra Khi nhiệt độ của van cao hơn nhiệt độ môi trường xungquanh nhiệt lượng được truyền vào môi trường Nếu nhiệt độcủa van vượt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậylàm mát cho van là một vấn đề rất quan trọng Thông thườngvan được gắn lên một cánh tản nhiệt với thông số phù hợp

Có các biện pháp làm mát thường gặp :

+ Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lưu không khí xungquanh van,

hiệu suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25%

+ Làm mát bằng gió cưỡng bức : tạo luồng không khí với tốc

Với: hệ số dự trữ dòng điện ki

_Bảo vệ van

Thyristor rất nhảy cảm với điện áp quá cao so với điện ápđịnh mức, ta gọi là quá điện áp

Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm hai loại :

+ Nguyên nhân nội tại : Khi khoá thyristor bằng điện ápngược các điện tích đổi ngược hành trình tạo ra dòng điệnngược trong khoảng thời gian rất ngắn Sự biến thiên nhanhchóng của dòng điện gây ra một suất điện động cảm ứngtrong các điện cảm luôn luôn có của đường dây nguồn dẫnđến các thyristor Vì vậy giữa anốt và katốt xuất hiện quáđiện áp

+ Nguyên nhân bên ngoài : Những nguyên nhân này thườngxảy ra ngẫu nhiên như khi có sét đánh, khi đóng cắt máybiến áp nguồn Cắt máy biến áp

nguồn tức là cắt dòng điện từ hóa máy biến áp, bấy giờ năglượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ chuyển thành nănglượng điện chứa trong các tụ kí sinh, rất nhỏ giữ các dâycuốn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp Điện áp này có thể lớngấp 5 lần điện áp làm việc

Để bảo vệ qúa áp người ta thường dùng mạch L-C:

_Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp máy biến áp là để báo vệ quá điện áp._Mạch RC đấu song song với tiristor nhằm bảo vệ quá áp do điện tích tích tụkhi chuyển mạch gây nên

_Thông số của RC phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra ,tốc độbiến thiên của dòng chuyển mạch, điện cảm trên đường dây, dòng điện từhoá …

f : tần số nguồn điện xoay chiều (f = 50Hz)

2.4.3 Tính toán dây cuốn

Số vòng dây sơ cấp : W 1 = 4 , 44 10 4

380



Q B f

Số vòng dây thứ cấp : W2= 4

2

10 44 ,

Tiết diện dây dẫn thứ cấp : s2 = 2

2

J I

2.4.4 Tính toán kích thước mạch từ

Dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I và xếp như hình vẽ

Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển

3.1 Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển

a Đảm bảo phát xung với đầy đủ các yêu cầu để mở van :

c Đảm bảo tính đối xứng của các kênh

d Đảm bảo đúng quy luật về pha điều khiển Đây là yêu cầu

g Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng và báo hiệu khi có

+ Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển

để phát xung ở đầu ra đưa đến bộ khuếch đại

+ Khâu khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở trisistor Yêu cầu :tạo xung có sườn dốc thẳng đứng , đủ độ rộng với độ rộng lớn hơn thời gian

mở của trisistor , đủ công suất , cách li giữa mạch lực và mạch điều khiển

3.3 Giới thiệu các phân tử cơ bản được dùng trong mạch điều khiển

3.3.1 Khuyếch đại thuật toán

1 Kí hiệu khuyếch đại thuật toán: