Giới thiệu chung về công nghệ điện phân

Một số đặc điểm của dung dịch điện phân : - Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất và làm cho quá trình diễn ra đồng đều.. Trường hợp Anot không tan Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi

Tính toán mạch điều khiển 17Chương 5

Lập bảng trị số các phần tử và linh kiện 33Chuương 6

Chạy mô phỏng bằng máy tính PC 34Chương 7

Kết luận 35Chương 8

Tài liệu tham khảo 44

Các số liệu cho trước :

Điện áp tải : Ud = 400 V

Dòng điện tải : Id = 10000 A

Thời gian tăng áp: 2 giờ

( từ 20% điện áp định mức tới điện áp định mức )

Chương 1 Giới thiệu chung về công nghệ điện phân

1 Vai trò của ngành điện phân.

Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điện phân chiếm 1 vai trò hết sức quan trọng Tuyệt đại đa số các kim loại khi luyện hoăc tinh luyện đều cần thiết dùng phương pháp điện phân

Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương pháp điện phân, vì các kim loại này có hoạt tính lớn nên khó hoàn nguyên bằng con đường hỏa luyện Trong thiên nhiên chúng tồn tại ở dạng muối như NaCl, KCl,… hoặc qua sơ chế thành NaOH, KOH…, chúng đều là các chất điện ly nên có thể điện phân trực tiếp

Luyện kim bằng phương pháp điện phân có ưu điểm chính:

+ Có thể luyện được những kim loại mà phương pháp hỏa luyện không thể luyện được

+ Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng Õit… đem lại hiệu quả kinh

tế cao hơn phương pháp khác

+ Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn trong quặng

+ Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao.

2.Lý thuyết quá trình điện phân.

a) Hệ thống điện hóa :

b)Dung dịch điện ly.

Phân loại dung dịch điện ly: có 2 loại chính là:

+ Dung dịch nước+ Dung dịch muối nóng chảy

Dựa vào đó cũng có các công nghệ điện phân khác nhau như:

+ Điện phân trong dung dịch nước: luyện kẽm, tinh luyện Cu,Ni,Pb…

+ Điện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất Nhôm, Magie, các kim loại đắt, hiếm…

c Một số đặc điểm của dung dịch điện phân :

- Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất và làm cho quá trình diễn ra đồng đều

- Độ pH phù thuộc chất điện phân

- Nhiệt độ dung dịch không vượt quá nhiệt độ sôi

+Quá trình Anot tan

+Quá trình Anot không tan

Bản chất của các quá trình xảy ra trên Anot là quá trình Oxi hóa.

a Trường hợp Anot tan.

Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trong dung dịch điện phân

Ví dụ: Cu – 2e  Cu2+

Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện hoàn nguyên trên bề mặt catot

Cơ chế của quá trình Anot tan gồm 3 giai đoạn chính:

- Tách ion ra khỏi mạng tinh thể và chuyển điện tử vào mạng điện

- Hidrat hóa các Cation

- Khuếch tán các Cation vào trong dung dịch.

b Trường hợp Anot không tan

Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi hóa các Anion trong dung dịch:

Bản chất của các quá trình catot chính là sự khử các Cation thành kim loại:

MZ+ + z.e  MHoặc hoàn nguyên Hydro:

Quá trình kết tinh điện hóa 1 kim loại được xác định bởi quá trình tạo mầm

và quá trình phát triển tinh thể

Kết tủa mịn hay thô, từ đó tạo ra mặt Catot nhẵn hay gồ ghề phụ thuộc vào tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể Để lấy được kết tủa chất lượng cao cần điều khiển được tốc độ đó bằng cách khống chế các nhân tố ảnh hưởng sau:

- Mật độ dòng điện và phân cực

- Thành phần và nhiệt độ dung dịch

- Chất hoạt tính bề mặt

- Chủng loại các Catot mẫu

- Sự tuần hoàn dung dịch

a) Xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch:

Đây là yếu tố ảnh hưởng phức tạp vì có ảnh hưởng nhiều tới tính chất dung dịch Tăng nhiệt độ sẽ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn điễn của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot

Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân với mật độ dòng cao hơn

b) Xem xét sự ảnh hưởng của tuần hoàn dung dịch

Trong quá trình điện phân, nồng độ ion kim loại sát Catot bị nghèo đi, gây phân cực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi xảy ra như: không dùng được mật

độ dòng cao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ …

c) Sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện:

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, chắc sít và đồng đều, do khi tăng mật độ dòng điện sẽ làm tăng khả năng tạo mầm,ngược lại, mật độ dòng thấp cho kết tủa to, thô

Tuy nhiên, mật độ dòng cao quá lại không tốt vì lớp kim loại dễ bị gai, bị cháy

Khi diện phân tại mật độ dòng giới hạn chỉ tạo thành bột kim loại, do đó, muốn nâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạn bằng cách tăng nhiệt độ, tăng nồng độ và đối lưu dung dịch

5 Nguồn điện phân

Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân ở trên, ta thấy mật độ dòng là yếu tố quyết định Để có được độ mịn, độ gắn bám tốt thì nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân phải có chất lượng thật tốt, cho dòng bằng phẳng và có thể điều chỉnh liên tục trong 1 giới hạn rộng, cấp được một mật độ dòng đủ lớn

Tính chất tải điện phân:

Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ, do đó, hằng số thời gian phóng, nạp của tụ là rất nhỏ cho nên coi ảnh hưởng của tụ là không đáng kể Sức điện động E trong bể mạ thường nhỏ nên chúng ta có thể bỏ qua

Từ đó có thể coi tải điện phân gần như thuần trở, nên muốn có một mật độ dòng lớn, có độ bằng phẳng cao theo yêu cầu thì điện áp nguồn 1 chiều cũng phải thật bằng phẳng

Đây chính là yêu cầu thiết kế nguồn điện phân

Chương 2 Phân tích-lựa chọn phương án

Nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân được yêu cầu có điện áp cao và dòng rất lớn, tới hàng chục ngàn Ampe

Sự ổn định, chất lượng dòng điện cấp cho bể là yếu tố quan trọng nhất, quyết định tới chất lượng sản phẩm điện phân

Nguồn điện 1 chiều nói chung có thể được cung cấp từ Ắcquy Máy phát điện 1 chiều hay các bộ biến đổi…

Phân tích các phương án chỉnh lưu có điều khiển.

3.4.1 Chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha

a) Sơ đồ nguyên lý :

b) Nguyên lý hoạt động

Hình vẽ dưới đây mô tả hoạt động của sơ đồ ứng với thời điểm phát xung ứng với góc α = 300, góc chuyển mạch =00 Tại các thời điểm đều có 2 van thông, một van ứng với nhóm Anot chung, một van ứng với nhóm Catot chung

Đường đậm dưới là UKO, đường đậm ở giữa là UAO, đường đậm trên cùng là

Ud

Hình vẽ trên là đồ thị dòng điện qua van T1, T4

Dưới cùng là dạng dòng điện thứ cấp máy biến áp ia

3.4.2 Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu 3 pha

a) Sơ đồ nguyên lý:

b) Nguyên lí làm việc của sơ đồ

Các hình vẽ dưới đây mô tả hoạt động của sơ đồ ứng với thời điểm phát xung ứng với góc α = 900, góc chuyển mạch =00 Với các diode thì góc mở luôn =00

Đường đậm dưới là UKO, đường đậm giữa là UAO, đường đậm trên cùng là Ud

Hình vẽ trên là đồ thị dòng điện qua van T1, D1

Dưới cùng là dạng dòng điện thứ cấp máy biến áp ia

Qua đồ thị ia ( đây là hàm không sin, không đối xứng) theo phân tích Furie thì ta tìm được ia và góc lệch pha giữa ua và ia là φba=α/2

3.4.3 Chỉnh lưu điều khiển 6 pha có cuộn kháng cân bằng

a) Sơ đồ nguyên lý

b) Nguyên lý hoạt động của sơ đồ

Với góc mở chậm α = 600, góc chuyển mạch =00

3.5 So sánh các phương án và chọn phương án

Vì đồ án là thực hiện bộ chỉnh lưu cho nguồn điện phân nên chất lượng điện áp đóng vai trò quyết định tới chất lượng sản phẩm Do đó yếu tố về chất lượng điện áp được đặt lên hàng đầu Mà trong số các sơ đồ chỉnh lưu thì

CLDK đối xứng cầu 3 pha cho ta chất lượng điện áp tốt nhất, do đó ta chọn

phương án CLDK đối xứng cầu 3 pha cho việc thực hiện bộ nguồn chỉnh lưu cho nguồn điện phân

Nội

dung

CLDK đối xứng cầu 3 pha

CLDK không đối xứng cầu 3 pha

CLDK 6 pha có CKCB

Ud, ia không đối xứng, nên thành phần sóng điều hòa thay đổi nên bộ lọc phức tạp

Thiết kế cuộn kháng cân bằng rất phức tạp

Số van

sử dụng 6 thyristor

3 thyristor+3diodenên rẻ nhất, dễ điều khiển nhất

Bằng 1/3 dòng điện tải

Bằng 1/6 dòng điện tải

Chương 3 Tính toán thiết kế mạch lực

Yêu cầu thiết kế :

Điện áp tải : Ud = 400 V

Dòng điện tải : Id = 10000A

I Tính chọn van bán dẫn công suất

Chọn chế độ làm việc định mức của van là chế độ công suất cực đại

3 6

π 400 = 171 V < 220 V

⇒ Cần phải sử dụng máy biến áp

Ung max =

3

π Ud max =

3

π 400 = 418,88 ( V )Điện áp ngược của Thyristor cần chọn :

Ung v = KdtU ×Ung max =1,8×418.88 = 754 V

Trong đó KdtU là hệ số dự trữ điện áp,chọn bằng 1,8

+ Dòng điện làm việc của van tính theo dòng hiệu dụng :

Itbv = S BA

3 380 × =

d

I 3

⇒ Itbv max = I d max

3 = 10000

3 = 3333,3 AChọn điều kiện làm việc của van là làm mát cưỡng bức bằng nước,ta có ở điều kiện van + đĩa van chuẩn + tốc độ nước = 8 m/s thì :

Itb max = ( 0,6 ÷ 0,7 ) Itb max thực

⇒ Itb max thực = I tb max

0,6 = 3333,30,6 = 5555,56 ( A )Vậy các thông số để chọn van là :

Ung v = 754 V

và Itb max thực = 5555,56 A

⇒ Chọn thyristor công suất DCR5980A18 do hãng Dynex Semiconductor chế tạo với các thông số do nhà sản xuất đưa ra như sau :

+) Điện áp ngược cực đại : Ung max = 1800 V+) Dòng điện làm việc cực đại : Idmmax = 5985 A+) Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik max = 8400 A+) Dòng điện xung điều khiển : Ig max = 500 mA+) Điện áp xung điều khiển : Ug max = 3,5 V+) Dòng điện rò : Irmax = 200 mA+) Sụt áp trên thyristor ở trạng thái bán dẫn : ∆Umax = 0,77 V+) Tốc độ biến thiên điện áp : du/dt = 1000 V/ μs+) Tốc độ biến thiên dòng điện : di/dt = 250 A/ μs+) Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 1250C

II Tính toán máy biến áp lực.

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, sơ đồ đấu dây ∆ ϒ /

II.1 Tính sơ bộ máy biến áp.

1 Công suất biểu kiến máy biến áp:

3 Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

Ud0.cos αmin = Ud +2.∆UV + ∆Udn +∆UBA

Với:

- αmin = 100 là góc dự trữ khi có sụt giảm điện áp lưới

- ∆UV = 0,77 V: sụt áp trên van công suất

- ∆Udn ≈ 0: sụt áp trên dây nối.

- ∆U BA = ∆U r + ∆U x: sụt áp trên điện trở và điện kháng của MBA.

Chọn sơ bộ:

∆UBA = ∆UR + ∆UX ≈ 6%.Ud0 = 0,06×400 = 24 V

Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải, ta có:

Ud0 =

min

2 os

c α + ∆ + ∆ + ∆

400 2.0, 77 0 24 cos10

+ + +

= 428,98 VĐiện áp pha thứ cấp của máy biến áp :

4 Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp :

S K

( )

1433

287 mm

5 =_ Thứ cấp : I2 = 8165 A

⇒ tiết diện dây thứ cấp : S2 = 2 ( 2)

2

I 8165

2969 mm

J = 2, 75 =Chọn tiết diện dây hình chữ nhật,chiều dày 5mm,chiều rộng bản :

2969

594 mm

5 =

III Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực

Trong bộ chỉnh lưu phần tử kém có khả năng chịu được các biến động về điện áp và dòng điện và điện áp chính là các van bán dẫn Vì vậy bảo vệ mạch lực cũng chính là bảo vệ các van bán dẫn khỏi các trạng thái : quá nhiệt,quá dòng và quá áp.Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ như sau :

1 Bảo vệ quá nhiệt cho van :

Khi làm việc,trên van bán dẫn có sụt áp,do đó có tổn hao công suất ∆P sinh

ra nhiệt đốt nóng van

Để van có thể hoạt động tốt, với dòng điện qua van rất lớn tới 5,56KA, ta cần phải làm mát cho van bằng hệ thống nước khử ion

2 Bảo vệ quá xung điện áp cho van :

Mạch bảo vệ quá xung áp dùng mạch RC mắc song song với van

Ungtt = Uvan = 754 V ; Ungcp = 1800

⇒ k= 1800 = 2,387

C R

Tra bảng với k = 2,387 ta được thông số : C* = 0,12 ; R*

−

= 0,15µF Chọn thông số kinh nghiệm Cmin = 0,2µF

Chọn R theo kinh nghiệm R = 50 Ω

Nói chung các thông số mạch bảo vệ RC đều được chọn theo thông số kinh nghiệm : R = 20 ÷ 100Ω

αα

Udn max là biên độ sóng hài của điện áp chỉnh lưu

Thay vào công thức tính điện cảm của cuộn kháng lọc thành phần dòng điện đập mạch ta được:

max

* 1

.100

2 %.

330,33.100 2.1.6.314.10%.10000

dn L

dm

L

L

U L

Chương 4 TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN

Việc tính toán mạch điều khiển xuất phát từ yêu cầu về xung mở cho Thyristor :

Điện áp điều khiển : Uđk = 3.5 V

Dòng điện điều khiển : Iđk = 500 mA

Độ rộng xung điều khiển : tx = 4tm = 6 μs

Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : UN = 12 V

1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển :

b) Khối tạo điện áp tựa :

Tạo ra điện áp răng cưa từ điện áp đồng pha để đưa vào khâu so sánh

c) Khối so sánh :

So sánh giữa tín hiệu Utựa và Uđk để xác định thời điểm phát xung điều khiển vào van công suất ( xác định góc α ).Khi thay đổi giá trị của Uđk ta có thể thay đổi giá trị của góc α mong muốn

d) Khâu khuếch đại và sửa xung :

_ Tạo ra dạng xung chuẩn ( xung đơn,xung kép hoặc xung chùm )

_ Đảm bảo đủ công suất để mở ( khóa ) van một cách chắc chắn trong mọi chế độ làm việc của van

Sơ đồ toàn bộ mạch điều khiển như sau :

SX

BBĐ

PH Tạo điện

áp tựa

+ + OP2

-C1 R2 R3

PNP

R4 R5

T1 T2 R

DCR5980A18 D7

D5

D6

THRES CONT TRIG RESET OUT

DISC

NE555 Rx2

Rx1

C2

1 3

AND -

+ + OP4 D3

Ucc Udk

I Khâu đồng pha :

Sơ đồ của khâu đồng pha như sau :

Từ sơ đồ này ta thấy điện áp đồng pha được lấy ra từ điện áp lưới thông qua MBA Phần sơ cấp của MBA đồng pha được đấu tam giác còn phần thứ cấp đấu hình sao để điện áp đồng pha được dịch đi 30o điện so với điện áp lưới.điều này giúp ta xác định được thời điểm bắt đầu tính góc α chính là thời điểm điện áp đồng pha đi qua 0

Đồ thị minh họa :

Khâu đồng pha có 2 mục tiêu quan trọng là:

* Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với mạch điều khiển thường là điện áp thấp

* Cách ly hoàn toàn về điện giữa MĐK với mạch lực Điều này đảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như cho các linh kiện điều khiển

II Khâu tạo điện áp tựa :

Khâu tạo điện áp tựa chính là khâu tạo điện áp răng cưa.Sơ đồ như sau :

R1

+ + OP2

-C1

R3

IRF9540

R4 R5

D2

-+ -+ OP3 Udf

+ Khi điện áp trên cửa 2 nhỏ hơn -0,7V thì Đ2 thông và cũng giữ mức điện áp min trên cửa 2 là -0,7V

Như vậy với các điôt Đ1, Đ2 làm cho mức điện áp giữa 2 cửa OA1 luôn nằm trong khoảng từ -0,7V→ 0,7V

Ta có thể chọn 2 điôt này là 2 con 1N4150 thoả mãn yêu cầu bài toán

* Chọn nguồn nuôi cho OA là E = + 15V , điện áp đồng pha

Chu kì điện áp xoay chiều đồng pha : T = 1/50 = 0,02 (s)

Chọn C1 = 1μF.Hằng số thời gian phóng nạp của tụ :

τ = R3 x C

Để tụ nạp đầy điện trong khoảng thời gian T/2 thì phải có :

τ = T/2 = 0,01 ⇒ R3 = 0,01 / 1.10-6 = 10 kΩ

Vì Uop2 nằm dưới trục hoành nên khi Uđk tăng thì Ud giảm (điều khiển ngược), muốn quá trình là điều khiển thuận ta cho Uop2 qua một mạch cộng đầu vào không đảo để kéo đường điện áp răng cưa lên trên trục hoành

⇒ Urc = Uop2 + 12 V

Ta chọn R4 = R5 = R6 = R7 = 10 kΩ

III Khâu so sánh :

+ + OP4 Udk

-Urc

Uss

Đây là sơ đồ so sánh điện áp trên 2 cửa vào của op-amp.Khi Urc > Uđk thì

Uss = -E < 0.khi Urc < Uđk thì mạch lật trạng thái, Uss = + E > 0.Ta có dạng đồ thị điện áp như sau :

Khâu so sánh ta cũng dùng LM339 để tạo được sườn xung thẳng đứng

R8 và R9 có tác dụng hạn chế dòng vào các cửa của op-amp

⇒ Chọn R8=R9=10 kΩ

IV Khối khuếch đại và sửa xung :

1 Khâu tạo dao động :

Sử dụng vi mạch 555 :

THRES CONT TRIG

Rx1

C2

out Ucc

⇒ Chu kì dao động của xung ra là : T = tn + tp = 9 μs

Tần số dao động của xung ra là :

2 Khâu trộn xung : Sử dụng IC SN74HC08 gồm 4 cổng AND 2 đầu vào thuộc họ CMOS tốc độ cao để trộn tín hiệu Ux và điện áp ra của Timer 555

Diod D3 chọn là loại 1N4150, có tác dụng cắt xung âm đi vào cổng ANDChọn R13 = 10 kΩ

3 Tính toán biến áp xung :

Biến áp xung là loại biến áp đặc biệt,trong đó điện áp đặt lên phía sơ cấp

có dạng xung chữ nhật mà không phải là điện áp hình sin.Điều này dẫn đến chế độ làm việc và phương pháp tính toán BAX rất khác so với các biến áp thường

_ Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến, làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: ∆B = 0,3 T, ∆H = 30 A/m, không có khe hở không khí

+ Tỷ số biến áp xung: chọn m = 3

+ Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk =3,5 V

+ Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung:

U1 = m U2 = 3.3,5 = 10,5 V

+ Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Idk =500 mA

+ Dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 /m =0,5/3=0,167 A

+ Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: µtb =∆B/µ0.∆H = 7,162.103

Trong đó: µ0=4π.10-7 (H/ m) là độ từ thẩm của không khí

Udd Uss

Ux