Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện

Với ý nghĩa đó em được giao đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện”, đây là một đề tài có qui mô và ứng dụng thực tế nhưng trong khuôn khổ của một đề

lêi nãi ®Çu

Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay Ngày nay, mạkim loại đã trở thành một nghành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết cácnước trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho các nghành khoa học kỹthuật, sản xuất và đời sống văn minh con người Chúng ta có thể dễ dàng bắtgặp các các ứng dụng của mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết may, kỹ thuậtđiện tử, cơ khí chính xác, công nghiệp đóng tàu … cho đến các dụng cụ sinhhoạt, trang trí bao bì Có được điều đó là do mạ kim loại ngoài mục đíchbảo vệ chống ăn mòn còn có nhiều tác dụng như là : tăng độ cứng, phảnquang, trang trí góp phần nâng cao chất lượng và tính thẩm mỹ của vật mạ

So với các nước trên thế giới thì công nghệ mạ điện ở nước ta cònnhiều hạn chế do vậy để đáp ứng được nhu cầu thực tế chúng ta phải khôngngừng nâng cao trình độ khoa học và công nghệ, cần thiết phải hình thànhcác trung tâm nghiên cứu mạ để qua đó nâng cao chất lượng lớp mạ, hạ giáthành sản phẩm và chống ô nhiễm môi trường

Với ý nghĩa đó em được giao đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế bộ nguồn

chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện”, đây là một đề tài có qui mô và

ứng dụng thực tế nhưng trong khuôn khổ của một đề tài thiết kế tốt nghiệp

em chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản, cốt lõi nhất được trình bày trong 5chương của đồ án :

CHƯƠNG I : Tổng quan của công nghệ mạ điện

CHƯƠNG II : Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu

CHƯƠNG III : Tính toán và thiết kế mạch động lực

CHƯƠNG IV : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển

CHƯƠNG V : Xây dựng hệ thống ổn định điện áp và bảo vệ ngắn mạch

Để hoàn thành bản thiết kế, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, khôngthể không nhắc đến sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong bộmôn Thiết bị điện - Điện tử, đặc biệt là TS NGUYỄN TRUNG SƠN

Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế, do kiến thức thực tế còn hạn chế nên bản

đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót Vì vậy em mong nhận được sự góp ý, giúp đỡcủa thầy cô và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn!

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS NGUYỄNTRUNG SƠN - thầy đã trực tiếp hướng đẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệpnày !

Hà Nội tháng 5 năm 2008

Sinh viên

Nguyễn Tùng Lâm

CHƯƠNG I tæNG QUAN VÒ C¤NG NGHÖ M¹ §IÖN 1.1 Sự hình thành lớp mạ điện

1.1.1 Khái niệm :

Mạ điện là một công nghệ điện phân, là quá trình kết tủa kim loại lên

bề mặt nền một lớp phủ có tính chất cơ , lý , hoá … đáp ứng được yêu cầu kỹthuật mong muốn

1.1.2 Sơ đồ điện phân :

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ vật liệu thìccông nghệ mạ điện cũng có những bước tiến dài Đối với vật liệu nền vềnguyên tắc là kim loại nhưng ngày nay nó có thể là phi kim đôi khi còn làchất dẻo, gốm sứ hoặc composit Lớp mạ cũng vậy ngoài kim loại ra còn cóthể là phi kim hoặc kim loại - gốm

Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độcông nghệ, vào tính chất cần có của lớp mạ và giá thành Chỉ có những côngnghệ nào ổn định trong một thời gian dài mới được ứng dụng vào trong sảnxuất nhưng nhìn chung các công nghệ đó đều sử dụng sơ đồ điện phân nhưsau:

Hình 1.1 : Sơ đồ tổng quát dùng trong mạ điện

a) Nguồn điện một chiều :

Có một vai trò rất quan trọng bởi vì nó cung cấp năng lượng cho quátrình mạ, đồng thời chất lượng của nguồn một chiều sẽ ảnh hưởng trực tiếpđến chất lượng mạ

b) Anot :

Là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều, anot dùngtrong mạ điện có hai loại : anot hoà tan và anot không hoà tan

› Anot hoà tan :

Trong quá trình điện phân trên bề mặt anốt xảy ra phản ứng oxi hoánhờ vậy mà anot có thể hoà tan vào trong dung dịch mạ tạo thành các cationkim loại , các cation này sẽ đến catot và kết tủa trên bề mặt catot hình thànhnên lớp mạ Anot hoà tan được dùng trong các trường hợp mạ Ni , Cu , Zn ,

Sn …

› Anot không hoà tan :

Trên bề mặt anot chỉ xảy ra quá trình oxi hoá H2O hoặc các gốc OH - ,

Dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường có hai phần :

› Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại mạ vàmột số hoá chất thiết yếu khác nếu thiếu hoá chất này thì dung dịch không

› Thành phần các chất phụ gia bao gồm :

 Chất làm bóng lớp mạ

 Chất đệm để giữ cho pH của dung dịch ổn định

 Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo lớp mạ không bong nứt

 Chất san bằng đảm bảo lớp mạ đồng đều hơn

 Chất làm tăng độ dẫn điện cho dung dịch

 Chất chống thụ động hoá anot nhằm ổn định mạ

e) Bể điện phân :

Làm từ vật liệu cách điện, bền hoá học, bền nhiệt Thành và mặt trongcủa bể thường được lót bằng chất dẻo, lớp chất dẻo này phải kín tuyệt đối,nước không thấm qua được Mặt ngoài sơn nhiều lớp chống gỉ Bể mạthường có hình chữ nhật điều này giúp cho lớp mạ được phân bố đều hơn bể

có hình dạng khác

Trong thực tế ta có thể gặp nhiều loại bể mạ như là : bể mạ tĩnh, thùng

mạ quay

1.1.3 Điều kiện để tạo thành lớp mạ :

Vì mạ điện là một quá trình điện phân nên quá trình điện hoá xảy ratrên các điện cực tông quát như sau :

a) Trên anot xảy ra quá trình hoà tan kim loại anot :

M ne M n

  (1)Trong một số trường hợp phải dùng anot không tan khi đó dung dich

sẽ đóng vai trò chất nhường điện tử vì vậy ion kim loại sẽ được định kỳ bổxung dưới dạng muối vào dung dịch, lúc đó phản ứng chính trên anot chỉ làquá trình oxi hoá -

b) Trên catot, các cation kim loại giải phóng điện tử tạo thành nguyên tử kimloại mạ :

M n ne M

  (2)Nếu ta khống chế các điều kiện điện phân như thế nào đó để cho hiệusuất của hai phản ứng (1) và (2) bằng nhau thì nồng độ ion M n

trong dungdịch sẽ luôn luôn không thay đổi điều này ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp

mạ

1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ

1.2.1 Vật liệu nền và sự thoát hiđro :

a) Trạng thái bề mặt kim loại nền :

Trong kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độsạch và độ nhẵn :

› Độ sạch :

Bề mặt nền được làm sạch tuyệt đối sẽ đảm bảo cho các nguyên tửkim loại mạ liên kết trực tiếp vào mạng tinh thể, kim loại nền đạt độ gắn bámcao nhất Nếu thông số mạng của chúng khác nhau không nhiều (từ 2,5 

12,5%) và bề mặt được làm sạch hoàn toàn thì kim loại mạ có thể tiếp tụcphát triển và lặp lại kiểu mạng của cấu trúc nền ( hiện tượng lai ghép mạngtinh thể ), khi đó độ gắn bám của lớp mạ đạt đến độ bền của kim loại Do vậytrước khi mạ bề mặt phải được gia công, xử lý bằng các phương pháp khácnhau sao cho không còn gỉ, không còn màng oxit mỏng mới hình thành ngaytrong quá trình gia công bề mặt tại xưởn, không còn dính dầu mỡ, mồ hôi tayhoặc các chất bẩn khác

› Độ nhẵn :

Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp

mạ Bề mặt nền nhám, xước làm cho phân bố điện thế và mật độ dòng điệnkhông đều :

 Chỗ lõm, rãnh sâu … điện thế và mật độ dòng điện cục bộ bé, tốc độ

mạ chậm thậm chí không mạ được

 Chỗ lồi cao, đỉnh nhọn điện thế và mật độ dòng điện sẽ cao hơn nêntốc độ mạ ở đó rất lớn có thể sinh ra gai, cháy … kết quả là độ nhámcủa nền được khuyếch đại lên sau khi mạ Do vậy người ta thườngdùng chất san bằng để làm cho bề mặt nền không quá nhám

Ví dụ : Mạ Zn lên Fe, thép từ dung dịch sunfat

› Nếu kim loại nền âm hơn kim loại mạ thì tác dụng và khả năng bảo vệ củalớp mạ phụ thuộc vào độ kín của nó còn độ dày chỉ là thứ yếu Vì nếu có lỗthủng vi pin ăn mòn sẽ xuất hiện trong kim loại nền đóng vai trò là anot và bịhoà tan Lớp mạ tuy vẫn sáng đẹp, dày nhưng dễ bong ra từng mảng lớn donền đã bị gỉ ở dưới lớp mạ Công nghệ điện kết tủa loại lớp mạ catot này kháphức tạp

Ví dụ : Mạ Cu từ dung dịch sunfat lên Fe, thép, Zn …

như: Fe, Ni, Co, Pt … thì hiđrô thoát ra rất dễ Việc thoát hiđrô trên bề mặtcatot trong quá trình mạ gây nhiều tác hại :

› Giảm hiệu suất dòng điện : Vì phải tiêu phí điện năng vào việc giải phónghiđrô vô ích, tốc độ mạ lại giảm đi

› Thay đổi pH của dung dịch : Do phản ứng phụ catot

2H 2e H2

mà nồng độ H+ giảm đi ( giảm trước tiên trong lớp sát catot) pH sẽ tăng đếngiá trị đủ để tạo hiđrôxit hoặc muối kiềm khi tan là nguyên nhân sinh gai,cây … cấu tạo lớp mạ bị xô lệch làm tăng ứng suất nội Để khắc phục hiệntượng này ta phải điện phân ở nhiệt độ cao hơn, khuấy mạnh dung dịch, tăngnồng độ ion kim loại và ion H+

› Gây ra hiên tượng “ giòn hiđrô” :

Hiđrô vừa thoát ra ở dạng nguyên tử rất dễ bị hấp thụ bởi kim loại nền,

mạ tạo thành hợp chất hiđrua hay hoà tan trong kim loại thành dung dịch rắnhoặc chui vào mạng tinh thể làm xô lệch tổ chức kim loại gây nên cứng vàgiòn hiđrô, lớp mạ có ứng suất lớn dễ bong hoặc phồng rộp

› Gây ra hiện tượng rỗ :

Hiđrô thoát ra còn có thể đóng lại thành bọt bám trên mặt catot lớndần rồi tách ra Trong suốt trời gian bám trên catot, bọt đã che chắn khôngcho quá trình mạ xảy ra tại chân bám của nó tạo nên các vết rỗ, lỗ thủng

1.2.2 Ảnh hưởng của thành phần dung dịch mạ

a) Muối và các hợp chất chứa ion của kim loại mạ :

Đây là thành phần thiết yếu của dung dịch mạ, tạo môi trường để diễn

ra các quá trình điện hoá ở catot, anot

Thành phần cation trong hợp chất này giúp giữ cho pH của dung dịch mạ xácđịnh ổn định

Thành phần anion ảnh hưởng khá mạnh tới khả năng hấp thụ lên catot

Các chất này không tham gia vào quá trình catot, anot mà chỉ đóng vaitrò chuyển điện trong dung dịch làm giảm điện thế bể mạ, giảm nhiệt Junthoát ra, nâng cao hiệu suất dòng điện

Ví dụ : Dùng H2SO4 trong bể mạ CuSO4 hoặc ZnSO4

Dùng Na2SO4 , MgSO4 trong bể mạ Ni

c) Chất đệm :

Nhiều dung dịch mạ chỉ làm việc trong một khoảng pH nhât định màthôi cho nên phải dùng chất đệm thích hợp để khống chế Chất đệm thườngdùng là các axít yếu như : bôric, axêtic, xitric … hoặc các muối như axêtat,

Al 2(SO4)3 ,phèn nhôm

d) Chất hoạt động bề mặt và chất keo :

Một số chất hữu cơ hoạt động bề mặt hoặc chất keo lẫn vào bể mạhoặc do ta chủ động đưa vào tuy nồng độ rất bé nhưng có ảnh hưởng rất lớnđến cấu trúc kết tủa catot Nếu chọn được chất hoạt động bề mặt thích hợpcho ta hiệu ứng tốt, làm cho kết tủa catot nhỏ mịn, sít chặt … ngược lại cóthể làm kết tủa rất giòn, dễ bong, sần sùi

e) Chất bóng :

Là một loại của chất hoạt động bề mặt có tính chất đặc biệt cho phépthu được lớp mạ bóng trực tiếp ngay từ bể mạ không cần đánh bóng hoặc tẩybóng thêm

f) Chất thấm ướt :

Có tác dụng thúc đẩy bọt (khí hiđrô ) mau tách khỏi bề mặt mạ tránhđược rỗ, châm kim Các chất thấm ướt thường dùng : Ankylsunfat, rượuêtylíc …

g) Chất chống thụ động anot :

Đa số các quá trình mạ đều dùng anot hoà tan để giữ cho nồng độ ionkim loại trong dung dịch không bị nghèo đi do chúng đã giải phóng ra trêncatot Trên thực tế một phần hoặc toàn bộ bề mặt anot bị phủ một lớp muối,

hiđrôxit hoặc lớp oxit khó tan làm cho diện tích hoạt động của anot bị thuhẹp phân cực anot tăng lên, dẫn đến thoát khí O2 trên anot, anot bị thụ độngtrầm trọng hơn

Để khắc phục hiện tượng này người ta phải đưa vào dung dịch mạ chấtchống thụ động anot như : Ion Cl trong mạ Ni ; ion CN CNS ,  trong mạđồng xianua với mục đích ngăn cản việc hình thành các chất khó tan trên bềmặt catot

h) Tạp chất :

Đây là thành phần không mong muốn nhưng khó tránh khỏi trong cácthành phần dung dịch kỹ thuật Chúng có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ,tan hay không tan, có thể phóng điện hay hấp phụ trên catot và lẫn vào lớp

mạ gây nên bong, rộp, giòn, gai Vì vậy làm sạch dung dịch mạ thườngxuyên và triệt để là một yêu cầu bắt buộc nhất là đối với các bể mạ bóng, mạtốc độ cao, mạ có khuấy dung dịch

Ta có thể loại bỏ chất hữu cơ bằng các chất oxihoá (H2O2 , oxi thoát ra từanot …) hoặc bằng cách hấp phụ trên than hoạt tính

Loại bỏ các cation dương hơn ion kim loại mạ bằng cách điện phân ởmật độ dòng điện bé và pH thích hợp hoặc bằng phản ứng đẩy bởi chính chấtbột kim loại mạ

Loại bỏ cation âm hơn ion kim loại mạ có gây hại bằng cách tăng pH

để kết tủa chúng dưới dạng hiđrôxit (nếu được)

Loại bỏ các chất không tan bằng cách lọc dung dịch tốt nhất là lọc liêntục, bao anot trong túi vải để giữ mùn cặn lại

1.2.3 Mật độ dòng điện :

Là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít chặt

và đồng đều, bởi vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại

thể Mặt khác mật độ dòng điện cao sẽ làm cho ion kim loại mạ bị nghèonhanh trong lớp dung dịch sát catot Do đó phân cực sẽ tăng lên tạo điều kiệnsinh ra lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn Nhưng nếu mật độ dòng điện quá cao(gần đến dòng giới hạn) cũng không được bởi vì lúc đố lớp mạ sẽ bị gai, câyhoặc cháy Khi mạ tại dòng giới hạn thì chỉ thu được bột kim loại ngoài racòn làm anot dễ bị thụ động hiđrô dễ thoát hơn và biến động mạnh pH ở lớpdung dịch sát catot.

Như vậy để tăng mật độ dòng điện mà chất lượng mạ vẫn tốt ta cần tăng mật

độ dòng điện giới hạn igh lên trước đã như là tăng nhiệt độ, tăng nồng độ ionchính hoặc tăng sự đối lưu trong dung dịch :

Hình 1.2 : Thay đổi dạng kết tủa theo mật độ dòng điện

1.2.4 : Nguồn điện một chiều

Có một vai trò rất quan trọng, là yếu tố quyết định đến chất lượng lớp

mạ thu được Vì vậy nếu chỉ quan tâm đến việc nâng cao, thay đổi chấtlượng của vật liệu nền, vật liệu mạ thì chưa hẳn đã thu được sản phẩm mạvới chất lượng mong muốn một khi chất lượng nguồn một chiều không đượcđảm bảo Do đó trong công nghệ mạ điện luôn đòi hỏi nguồn một chiều phải

có chất lượng tốt, không gián đoạn, hiệu suất cao, ổn định, làm việc lâu dài,

dễ dàng sửa chữa và thay thế

M n+ + ne = M

Bột mịn lẫn oxit và hiđroxit

Bột , sần , gai ,xốp Lớp mạ đa tinh

Xoắn , lớp , khối (cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh nhất )

Trong một số trường hợp đặc biệt do yêu cầu về công nghệ cũng nhưcủa sản phẩm mạ mà ta có thể thực hiện các phương pháp như là : Dùngdòng xung từ vài ba giây đến 30 giây đầu tiên với mật độ dòng điện cao gấp

từ 2 ÷ 3 lần bình thường hoặc là dòng đổi chiều không đối xứng, dòng khôngliên tục Tuy nhiên thông thường nhất người ta vẫn quan tâm đến việc làmsao để có thể tạo ra nguồn một chiều với chất lượng tốt nhất :

a) Sử dụng máy phát điện một chiều

› Sơ đồ:

®c

+

-R

380v

t

Hình 1.3 : Mô hình sử dụng máy phát điện một chiều

Để điều chỉnh được điện áp ra U ta cần thay đổi dòng điện kich từ It

bằng cách mắc thêm một biến trở vào mạch kích thích

› Nhận xét :

Nhìn chung máy phát điện một chiều cho dải điều chỉnh điện áp rộng,đáp ứng được yêu cầu về công suất cho tải mạ Song bên cạnh đó máy phátđiện một chiều vẫn còn tồn tại nhiều khuyết điểm như là : Thiết bị cồngkềnh, làm việc có tiếng ồn lớn, khó khăn trong việc bảo dưỡng và sửa chữa,chi phí ban đầu cao do máy phát điện một chiều cần phải đặt trong mộtphòng kín riêng biệt, dòng điện đưa tới các bể mạ qua hai thanh cái lớn nên

tốn đồng Chính vì vậy mà ngày nay trong công nghệ mạ điện máy phát điệnmột chiều không được sử dụng

b) Sử dụng bộ biến đổi

Hiện nay, trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụngrộng rãi, thêm vào đó công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng đượchoàn thiện đặc biệt là công nghệ sản xuất tiristo đã đạt được nhiều thành tựu.Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều đượcdùng phổ biến trong các nghành công nghiệp

› Bộ biến đổi sử dụng biến áp tự ngẫu

 Sơ đồ:

bÓ m¹

U1

› Bộ biến đổi sử dụng điều áp xoay chiều

 Sơ đồ:

v

+ - U2

U1

Hình 1.5 : Sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều

 Nhận xét :

Với sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều ta nhận thấy có nhược điểm :Nếu góc mở giữa hai van liên tiếp trong một chu kỳ không bằng nhau thì sẽxuất hiện một điện áp trung bình một chiều, chính điện áp này sẽ gây ra quádòng trong máy biến áp, có thể phá hỏng cách điện của máy biến áp cả vềnhiệt lẫn cơ

› Bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu có điều khiển

 Sơ đồ :

bÓ m¹

380v

+ U2

kỳ luôn bằng 0

+

-CHƯƠNG 2 LùA CHäN S¥ §å CHØNH L¦U

Do yêu cầu trong nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là thiết kế bộ nguồnchỉnh lưu với điện áp đưa vào chỉnh lưu là xoay chiều 3 pha nên dưới đây emchỉ đề cập đến các sơ đồ chỉnh lưu 3 pha

2.1 : Chỉnh lưu tia 3 pha

2f

d d

Hình 2.1 : Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha

b) GIải thích hoạt động của sơ đồ :

Chỉnh lưu tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấusao có trung tính Ba tiristo nối cùng cực tính để nối với tải, ba đầu còn lạicủa van bán dẫn nối tới các pha thứ cấp biến áp Tải được nối giữa đầu nốichung của van bán dẫn với trung tính

Tại thời điểm hai điện áp pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của

cá van bán dẫn Các tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thờiđiểm góc thông tự nhiên như vậy chỉnh lưu tia 3 pha góc mở nhỏ nhất là  =

0o dịch pha so với điện áp một góc 30o

Do ba van đấu chung catot nên tại một thời điểm chỉ có một van dẫn

đó là van đấu với pha có điện áp dương hơn hai pha còn lại và thời điểm cấpxung cho van trước đó thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn so vớitrung tính Vì vậy tuỳ thuộc vào giá trị góc mở  mà điện trên tải Ud có thểliên tục hoặc gián đoạn :

Khi   30o thì điện áp Ud liên tục

Khi  > 30o thì điện áp Ud gián đoạn

Xét trường hợp  = 30o : Tại thời điểm  = 1 = 30o cấp xung điềukhiển cho tiristo T1 , vì lúc này ua là dương nhất nên T1 dẫn bỏ qua điện áprơi trên tiristo thì điện áp trên tải bằng điện áp nguồn, đến thời điểm  =  2

= 1500 cấp xung điều khiển cho tiristo T2 lúc này ub > ua nên T2 dẫn thôngcho đến khi mở tiristo T3 tại thời điểm  3 đồng thời T1 bị khoá một cách tựnhiên Khi T2 dẫn, điện áp ngược đặt lên tiristo T1 là điện áp dây giữa pha a

và pha b có trị số là 6U2f Xét tương tự cho thời điểm tiristo T3 dẫn

c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha :

e) Nhận xét :

Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha thì việc điều khiển van tươngđối đơn giả , số lượng van ít nên kinh tế hơn Tuy nhiên chất lượng điện ápmột chiều không cao do tần số đập mạch nhỏ, hiệu suất sử dụng biến ápkém, số lượng van ít nên dòng qua van lớn gây sụt áp đáng kể đối với tải cóđiện áp nhỏ và dòng điện lớn

Do vậy chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi công suất tải khôngquá lớn so với biến áp nguồn cấp và khi tải có yêu cầu chất lượng điện ápmột chiều không quá cao

2.2 : Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng

A

T1

R T2

T6

T4

T3

T5

b) Giải thích hoạt động của sơ đồ :

Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ

đồ chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau :

› Nhóm T1 , T3 , T5 mắc theo kiểu catot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3pha cho điện áp dương

› Nhóm T4 , T6 , T2 mắc theo kiểu anot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3pha cho điện áp âm

Giả thiết tại thời điểm xét thì hai tiristo T5 , T6 đang đẫn :

› Khi 1

6



    cấp xung điều khiển mở tiristo T1, T1 mở được là do U  a 0,

T1 mở làm cho tiristo T5 bị khoá lại một cách tự nhiên (vì U a U c) Lúc này

T6 và T1 dẫn cho dòng chảy qua Khi đó điện áp trên tải sẽ là :

    cấp xung điều khiển mở tiristo T2 , T2 mở được vì lúc này

điện áp U c là âm nhất, T2 mở làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên Tương

tự ta cấp xung điều khiển cho các tiristo còn lại theo đúng thứ tự pha

Vì chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng được coi như là hai nhóm chỉnh lưutia 3 pha mắc ngược chiều nhau hợp thành vì vậy điện áp ngược trên mỗi van taxét tương tự như trong trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha

c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng :

› Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng U nv :

T3 I

I

T2

d I

Ud

I

T4

T5 I

t t t

t t t

t

c u

uba

u

1

e) Nhận xét :

Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng cho tachất lượng điện áp một chiều tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn,hiệu suất sử dụng máy biến áp cao tuy nhiên số lượng van sử dụng lớn nêngiá thành thiết bị cao, gặp khó khăn trong việc điều khiển van

Nhìn chung sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng dùng chotrường hợp tải có công suất lớn nhưng dòng tải nhỏ hoặc trường hợp tải cóyêu cầu hoàn trả năng lượng về lưới

2.3 : Chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng

a) Sơ đồ nguyên lý :

T3 T1

*

*

R

C B

U2f

I U

Sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm một máybiến áp động lực 3 pha , cuộn kháng cân bằng , 6 tiristo chia làm hai nhóm

T1 ,T3 , T5 và T4 , T6 , T2

› Máy biến áp có hai hệ thống dây quấn thứ cấp a ,b, c và a’,b’,c’ Các cuôndây trên mỗi pha a và a’ , b và b’, c và c’ có số vòng dây như nhau nhưng cựctính thì ngược nhau

› u u u a, ,b ccung cấp nguồn cho nhóm tiristo T1 , T3 , T5 tạo ra thành phần điện

› Nhờ có cuộn kháng cân bằng Lcb mà sáu tiristo được chia thành hai nhómvan đấu theo sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha làm việc độc lập, song song với nhauqua việc xét hoạt động từng nhóm van (tương tự như trong chỉnh lưu tia 3pha) cho ta các dạng sóng điện áp ud1 , ud2 Từ biểu thức () ta xác định được

d) Giản đồ đường cong trong trường hợp 0

30

  , tải điện trở :

T6 I

I

I

IT1I U

I T5

I

T1 U

T2

T3

T4 I

tt

1

 2 2 3 3 4 4 5  5  6 6  77

tttttttt

I T4

T3 T2

U T1

I

T5 I

d

U

I d

T1 I

I I

I T6

d1

U U d2

e) Nhận xét :

Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha cho ta chất lượng điện áp tốt do

tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn, dòng điện qua mỗi van chỉ bằng 1

6

dòng điện tải nên rất dễ dàng trong việc chọn van nhất là trong trường hợpdòng tải lớn tuy nhiên do phải sử dụng hai hệ thống dây quấn thứ cấp nênviệc chế tạo máy biến áp sẽ phức tạp hơn và phải làm thêm cuộn kháng cânbằng.

Nhìn chung chỉnh lưu tia sáu pha thường được chọn khi tải có dòngđiện quá lớn mà theo sơ đồ cầu 3 pha ta sẽ gặp khó khăn trong việc chọnvan

Qua phân tích, so sánh những ưu nhược điểm của 3 sơ đồ chỉnh lưuđồng thời liên hệ với số liệu trong đồ án tốt nghiệp cho tải mạ điện có Id =

1200 A và Ud = 16 V ta thấy việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tia có cuộn khángcân bằng là hợp lý

Chơng 3 Tính toán và thiết kế mạch động lực

C1

C1 R1 R1

T2 C2R2

› Aptomat Ap : Dùng để đống cắt nguồn, tự động bảo vệ khi quá tải, ngắnmạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp

› Công tắc tơ K : Dùng để đóng cắt thường xuyên mạch điện tải trong quátrình làm việc

› Máy biến áp chỉnh lưu : Dùng để biến đổi điện áp lưới thành điện áp thíchhợp cấp cho chỉnh lưu

› Bộ chỉnh lưu : Biến đổi điện áp xoay chiều từ thứ cấp máy biến áp chỉnhlưu thành điện áp một chiều cung cấp cho tải

› Cuộn kháng cân bằng Lcb : Dùng để hạn chế dòng cân bằng chạy qua hainhóm van đồng thời biến sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha thành hai nhóm chỉnh lưutia 3 pha lầm việc độc lập, song song với nhau

› Điện trở sun Rs : Dùng để đo dòng điện làm việc

› Mạch R1C1 : Dùng để bảo vệ quá điện áp do nguồn xoay chiều gây ra

› mạch R2C2 : Dùng để bảo vệ quá điện áp trong quá trình đống cắt tiristo

3.2 Tính chọn van động lực

Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản đó là : sơ

đồ động lực được lựa chọn, dòng điện tải, điện áp làm việc, điều kịên toảnhiệt

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

3.2.1 Điện áp ngược mà tiristo phải chịu trong quá trình làm việc :

U U k

› U d : điện áp trên tải

hd hd d

I k I

Với các van bán dẫn thì sụt áp trên các van thường là U   1 3 (V),

do đó với dòng điện I hdở trên thì tổn thất công suất P trên mỗi van là rất lớn Vì vậy để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ngoài quá trình thông gió tự nhiên ta phải lắp thêm cánh tản nhiệvớidiện tích đầy đủ để làm mát cho van Với điều kiện làm mát đã chọn ta lấy dòng điện làm việc của van bằng 35% dòng điện định mức của van :

3 3 490 1470

dmv lv

Từ các thông số U nv , I dmv đã tính ở trên ta chọn van động lực như sau:

Chọn 6 tiristo loại TF915 – 01Z với các thông số định mức:

› Điện áp ngược cực đại của van : Un = 100 (V)

› Dòng điện định mức của van : Iđm =1500 (A)

› Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 17000 (A)

› Dòng điện của xung điều khiển : Iđk = 200 (mA)

› Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 3,0 (V)

› Dòng điện rò: Ir = 60 (mA)

› Sụt áp lớn nhất của Tiristo ở trạng thái dẫn là : U = 1,7 (V)

› Tốc độ biến thiên điện áp : d u

dt = 300 (V/s)

› Tốc độ biến thiên của dòng điện : d i

dt=400 (A/s) › Thời gian chuyển mạch : tcm = 30 (s)

› Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 125 (oC)

3.3 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu

1 Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: điện áp sơ cấp máy biến áp bằng điện

áp của nguồn cấp: U1 = Ud =380 (V)

2 Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp :

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :

Udo cos min = Ud + Uv + Udn + Uba +Uck

Trong đó :

› min = 100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới

› Uv : Là sụt áp trên van bán dẫn tiristo

Uv = 1,7 (V) › Udn : Là sụt áp trên dây nối , lấy Udn=0 (V)

› Uba = Ur + Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến ápkhi có tải

Chọn sơ bộ :

› Uck : là sụt áp trên cuộn kháng

kS : là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực

Với mạch chỉnh lưu tia 6 pha thì kS = 1,26

8 Tiết diện sơ bộ trụ:

Tiết diện của trụ QFe của lõi thép máy biến áp được xác định theo côngsuất của máy biến áp :

 Sba : công suất máy biến áp (VA)

 kQ: là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát Với máy biến áp khô kQ = 5  6 Ta chọn kQ = 6

 m : là số trụ của máy biến áp

 f : là tần số nguồn điện xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz).Thay số ta được :

3 Fe

 W : số vòng dây của cuộn dây cần tính (vòng)

 U : điện áp của cuộn dây cần tính (V)

 BT : từ cảm trong trụ (T)

 QFe : tiết diện lõi thép (cm2)

13 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp

Với tiết diện như đã tính ta chọn dây dẫn sơ cấp máy biến áp là dây dẫn

có tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B , chọn mật độ dòng điện J1 = 3A/mm2

Chuẩn hoá tiết diện theo phụ lục VI.2 sách TKMĐ :

Lấy S1 = 5,085 (mm2)

14 Kích thước dây dẫn sơ cấp có kể cách điện:

a1 = 1,06 (mm); b1 = 5 (mm)

Ta chọn dây quấn sơ cấp quấn theo kiểu đồng tâm

15.Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

Vậy tổng tiết diện của hai dây dẫn là:

2 58,5 117   (mm2)

17 Kích thước của một dây dẫn có kể cách điện :

a2 = 5,3 (mm) ; b2 = 11,2 (mm)

18 Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp :

J2= 2 2

346 2,96 117

I

S   (A/mm2)Với dây quấn sơ cấp ta chọn kết cấu dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theochiều dọc trục

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

W      (vòng)

Chọn W11= 49 (vòng/lớp)

20 Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp :

1 1 11

113 2,31 49

W n W

   (lớp)Chọn số lớp n1 = 3 (lớp)

Như vậy có 113 vòng chia thành 3 lớp, 2 lớp có 49 vòng và 1 lớp có 15 vòng

21 Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp :

h1 = 11 49 0,5

26,63 0,92

0, 23 22

W n W

   (lớp) Vậy cuộn thứ cấp chỉ có một lớp dây quấn gồm 5 vòng dây

32 Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp :

h2 = 12

c

W b

k  = 5 1,12 6,09

0,92  (cm)33.Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp :

a12 = 1,0 (cm)

34 Đường kính trong của cuộn thứ cấp:

Dt2 = Dn1+ 2 * a12 = 14,7 + 2 * 1,0 = 16,7 (cm)35.Bề dầy cuộn sơ cấp :

Với đường kính trụ d = 12,5 cm, ta có số bậc là 6 trong nửa tiết diện trụ,

chiều dày và kích thước mỗi trụ tra từ phụ lục XVII.1 sách TKMĐ ta có:

Bậc 1 Bậc 2 Bậc 3 Bậc 4 Bậc 5 Bậc 6Chiều dày mỗi bậc (mm) 18 16 6 6 7 6Chiều rộng mỗi bậc (mm) 120 105 95 85 65 40

Số lá thép trên mỗ bậc 51 46 17 17 20 17

1 2 3

5 4

42 Tiết diện hiệu quả của trụ :

61 Khối lượng của đồng :

5,085

l R

2

2,63 0,0231 0,52 10

11,7

l R

70 Điện áp giữa hai cực của bể mạ khi góc mở min= 100 :

U= Ud0*Cosmin - UV - UBA – Uck

nm BA

U I

u u nm