Đồ án điện tử công suất

 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

Tài liệu tham khảo và các phần mềm đã dùng

Số liệu ban đầu:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ TẢI 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 ôxit… 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.

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

 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:

4OH – – 4e  2H2O + O2

2Cl – – 2e  Cl2

Quá trình Catot:

 Catot là điện cực nối với cực âm của nguồn điện 1 chiều, là nơi đặt vật

mạ hoặc thu kim loại tinh chế, do quá trình hoàn nguyên kim loại diễn ra trên bề mặt catot

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

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

4

 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

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỘN PHƯƠNG ÁN, THUYẾT

MINH HOẠT ĐỘNG

Để có thể lựa chọn được phương án tối ưu nhất cho mạch chỉnh lưu ta khảo sát tất cả các phương án có thể có, phân tích ưu nhược điểm từ đó đưa ra phương án tối ưu nhất

1 Chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính.

kì sóng điện áp tải trùng với địên áp cuộn dây có van dẫn Điện áp tải đập mạch trong cả hai nửa chu kì, với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện

 Có chất lượng điện áp tốt hơn chỉnh lưu một nửa chu kì

 Dòng chạy qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ

 Điều khiển các van bán dẫn tương đối đơn giản

-Nhược điểm:

 Việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau, mà mỗi cuộn chỉ làm việc có một nửa chu kì là hết sức phức tạp và hiệu suất sử dụng biến áp thấp

 Đện áp ngược của các van bán dẫn phải chịu có trị số lớn nhất, làm cho việc lựa chọn van bán dẫn khó

 Theo đề tài thiết kế là cho nguồn điện ba pha do đó nếu chọn sơ đồ này thì mạch sẽ rất cồng kềnh và phức tạp

2 Chỉnh lưu cầu một pha

a Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển đối xứng

 Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha

 Hoạt động:

Trong nửa chu kì điện áp của Tiristor T1 dương (catod T2 âm), nếu có xung điều khiển cho cả hai van T1, T2 đồng thời, thì các van này sẽ được dẫn để đặt điện áp lưới lên tải Điện áp tải một chiều còn trùng với xoay chiều chừng nào các Tiristor còn dẫn (khoảng dẫn của Tiristor phụ thuộc vào tính chất tải) Đến nửa chu kì sau, điện áp đổi dấu(UAB < 0), anod của Tiristor T3

dương catod của T4 âm, nếu có xung điều khiển cho cả 2 van T3, T4 đồng thời, thì các van này sẽ được dẫn, để đặt điện áp lưới lên tải, với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa chu kì trước

b Chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng:

 Sơ đồ nguyên lí:

Có thể thực hiện được bằng hai phương án khác nhau, mỗi sơ đồ có hai Diode và hai Tiristor

8

Hình 2.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển không đối xứng (1)

 Hoạt động:

- Theo hình 2.3: Khi điện áp anod T1 dương và catod D1 âm có dòng điện tải chạy qua T1, D1 đến khi điện áp đổi dấu ( với anod T2 dương) mà chưa có xung mở T2, năng lượng của cuộn dây tải L được xả ra qua D2,T1 Như vậy việc chuyển mạch của các van không điều khiển D1, D2 xảy ra khi điện áp bất ngờ đổi dấu Tiristor T1 sẽ bị khoá khi có xung mở T2 Kết quả là chuyển mạch các van có điều khiển được thực hiện bằng việc mở van kế tiếp Từ những giải thích trên thấy rằng các van dẫn được dẫn trong một nửa chu kì

Về trị số, dòng điện trung bình chạy qua van bằng itb = (1/2)Id, dòng điện hiệu dụng của van Ihd = 0,71.Id.

- Theo sơ đồ hình 2.4: Khi điện áp lưới đặt vào anod và catod của các

Tiristor thuận chiều và có xung điều khiển, thì việc dẫn của các van hoàn toàn giống như trưòng hợp hình 2.3 Khi điện áp đổi dấu năng lượng của L

xả qua D1, D2, các van này đóng vai trò của diode ngược Chính do đó mà các Tiristor sẽ tự động khóa khi điện áp đổi dấu Ở sơ đồ này dòng điện qua Tiristor nhỏ hơn dòng qua diode

c Ưu và nhược điểm:

- Ưu điểm:

 Chất lượng điện áp ra hoàn toàn giống trường hợp chỉnh lưư cả chu kì với biến áp có trung tính

 Điện áp ngược van phải chịu nhỏ hơn Unv = 2.U

 Biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn

- Nhược điểm:

 Việc điều khiển mở hai Tiristor cùng nhau khó thực hiện hơn trong

trường hợp mở một Tiristor của sơ đồ chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính

 Số van nhiều gấp hai lần phương pháp chỉnh lưu cả chu kì với biến áp có trung tính, làm giá thành cao hơn

 Sụt áp trên va lớn gấp hai lần

 Nhiệm vụ thiết kế cho nguồn điện ba pha do đó nếu dùng sơ đồ này sẽ rất cồng kềnh, không phù hợp

 Tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu một pha đã dùng ở trên:

Nhìn chung các sơ đồ chỉnh lưu một pha cho điện áp với chất lượng chưa cao, biên độ đập mạch điện áp quá lớn, thành phần hài bậc cao lớn điều này không đáp ứng được cho nhiều loại tải Mặt khác đề tài của ta cho nguồn điện xoay chiều, thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho tải điện phân, đòi hỏi chất

10

lượng điện áp một chiều tốt và dòng điện tải ổn định Muốn có chất lượng điện áp tốt hơn phải sử dụng các sơ đồ có số pha nhiêu hơn

Dưới đây ta đi khảo sát các mạch chỉnh lưu có nhiều pha.

3 Chỉnh lưu tia ba pha

a Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.5 Chỉnh lưu tia 3 pha

b Hoạt động:

-Chỉnh lưu tia ba pha có cấu tạo từ một biến áp ba pha có trung tính, ba van bán dẫn nối cùng cực tính để nối tới tải, ba đầu còn lại của van bán dẫn nối với các pha biến áp Tải được nối giữa đầu nối chung của van dẫn với trung tính như hình vẽ ở trên

- Khi biến áp có ba pha đấu sao (Y) trên mỗi pha A, B, C nối một van, ba catod đấu chung cho điện áp dương của tải, còn trung tính biến áp sẽ là điện

áp âm Ba pha điện áp A, B, C dịch pha nhau một góc là 1200 theo các

đường cong điện áp pha, có điện áp của một pha dương hơn điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kì Từ đó thấy rằng tại mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương hơn hai pha kia

- Nguyên tắc điều khiển các Tristor là khi anod của pha nào dương hơn Tristor đó mới được kích mở Thời điểm điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các Tristor Các Tristor chỉ được mở với góc

mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên, như vậy trong chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ nhất α = 00 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 300

c Ưu và nhược điểm:

- Ưu điểm:

 Chất lượng điện áp một chiều tốt hơn chỉnh lưu một chiều, biên độ điện

áp đập mạch thấp hơn, thành phần song hài bậc cao bé hơn

 Điều khiển van bán dẫn trong trường hợp này tương đối đơn giản

12

- Nhược điểm:

 Dòng điện mỗi cuộn dây thứ cấp là dòng một chiều, do biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép biến áp là từ thong xoay chiều không đối xứng làm cho công suất biến áp phải lớn

4 Chỉnh lưu tia sáu pha:

a sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.6 Chỉnh lưu tia 6 pha

b Hoạt động:

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

c Ưu nhược điểm:

- Ưu điểm:

 Chất lượng điện áp tương đối tốt

 Dòn qua van nhỏ, chỉ cần van nhỏ có thể chế tạo bộ nguồn với dòng tải lớn

5 Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển:

a Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng:

 Sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.8 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng

16

 Hoạt động:

c

U d

t Ud

t

t

- Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồchỉnh lưu tia ba pha mắc ngược nhau nhóm anod(NA) gồm T1, T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tai ba pha cho điện áp dương, nhóm catod(NK) T2, T4,

T6 tạo thành một chỉnh lưu tia cho điện áp âm, hai chỉnh lưu này ghép lại thành cầu ba pha

- Theo hoạt động của chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điệnchạy qua tải là dòng chạy từ pha này đến pha kia, do đó mỗi thời điểm cần

mở Tiristor đòi hỏi cấp hai xung điều khiển đồng thời ví dụ tại thời điểm t1

cẩn mở Tiristor T1 của pha A phía NA cấp xung X1 đồng thời tại đó cấp thêm xung X4 →X1-4 cho Tiristor T4 của pha B phía NK Các thời điểm tiếp theo cũng tương tự Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ theo đúng thứ tự pha

- Khi cấp đúng các xung điều khiển , dòng điện sẽ được chạy từ pha có điện

áp dương hơn Ví dụ trong khoảng t1 ÷ t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B

có điện áp âm hơn, dòng điện được chạy từ A về B qua T1, T4.

- Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn, trong mỗi khoảng dẫn của một van của nhóm này( NA hay NK) thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhauĐiều này có thể thấy rõ trong khoảng t1-t3 T1 của nhóm NA dẫn, nhưng trong nhóm NK T4 dẫn trong khoảng t1 ÷ t2 còn T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 ÷ t3

- Điện áp ngược các van phải chịu ở chỉnh lưu cầu ba pha sẽ bằng không khi van dẫn và bằng điện áp dây khi van khóa Ta có thể lấy ví dụ cho van T1

trong khoảng t1 ÷ t3 van T1 dẫn điện áp bằng không, trong khoảng t3 ÷ t5 van

T3 dẫn lúc này T1 chịu điện áp ngược UBA, đến khoảng t5 ÷ t7 van T5 dẫn T1 sẽ chịu điện áp ngược UCA

- Khi góc mở các Tiristor lớn lên tới góc α > 600 và thành phần điện cảm của tải quá nhỏ, điện áp tải sẽ bị gián đoạn như các đường nét đậm trên hình d Trong các trường hợp này dòng điện chạy từ pha này sang pha kia là da các van bán dẫn có phân cực thuận theo điện áp dây đặt lên chúng, cho tới khi điện áp dây đổi dấu, các van bán dẫ sẽ có phân cực ngược nên chúng tự khoá

 Ưu nhựơc điểm:

- Ưu điểm:

 Số xung áp chỉnh lưa trong một chu kì lớn, vì vậy độ đập mạch của điện

áp chỉnh lưa thấp, chất lượng điện áp cao

 Không làm lệch pha lưới điện, Ud đối xứng thiết kế bộ lọc đơn giản

 Điện áp ngược các van có thể bằng không

- Nhược điểm:

18

 Sử dụng số van lớn, giá thành thiết bị cao.

 phải mở các van đồng thời theo đúng thứ tự pha nên khó khăn khi chế tạo, vận hành và sửa chữa

b Chỉnh lưa cầu 3 pha điều khiển không đối xứng:

 sơ đồ nguyên lí:

Hình 2.9 Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển ko đối xứng

 Hoạt động:

20

- Loại chỉnh lưu này được cấu tạo từ một nhóm có điều khiển và một nhóm không có điều khiển như hình vẽ trên.

- Các dạng song dòng điện, điện áp, đươc mô tả như hình vẽ Các Tiristor được dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp

Ví dụ T1 dẫn từ t1 tới t3 Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn Tiristor được dẫn từ thời điểm có xung mở cho đến khi điện áp đổi dấu Các diode tự động dẫn khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều Ví dụ D1 phân cực thuận trong khoảng từ t1 đến t6 và nó sẽ mở có dòng điện chạy từ pha B về pha A trong khoảng t4 ÷ t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 ÷ t6.

- Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở các tiristor nhở hơn 600, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn

- Theo dạng sóng điện áp tải, trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0 khi góc

mở đạt tới 1800 Người ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quả của tổng hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha

Utb = 3.3 3

2 π Ufmax(1 + cosα) =

3 2π Udaymax(1 + cosα)

- Điều khiển các tiristor trong chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng dễ dàng hơn, nhưng các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn hơn

 Ưu và nhựơc điểm:

chơng 3: tính toán biến áp và thông số mạch lực

 Điện ỏp tải Ud = 27,2V, dũng điện tải Id = 2000A.

 Điện áp nguồn cấp U1 = 220/380V, tần số nguồn cấp 50HZ

 Điều chỉnh dòng điện vô cấp trong dảI từ 0 đến Idmax

π .27,2 = 28,48 V.

Trong đó: Knv = 6 Ku=

π

6.3

Điện áp ngợc của tiristor cần chọn:

Unv = KdtU Un max =1,8 28,48 = 51,27 Lấy bằng 52 V

Trong đó:

KdtU - hệ số dự trữ điện áp, chọn KdtU =1,8

 Dòng làm việc của van đợc tính theo dòng hiệu dụng:

Iđm =Ki Ilv =1,6 1154,7 = 1847,5 A

(Ki là hệ số dự trữ dòng điện và chọn Ki =1,6)

 Từ các thông số Unv, Iđmv ta chọn:

 3 Thysistor loại C458S có các thông số sau:

 Điện áp ngợc cực đại của van: Un = 700 V

 Dòng điện định mức của van : Iđm =2000A

 Đỉnh xung dòng điện : Ipik =16000 A

22

 Dòng điện của xung điều khiển: Iđk =0,2 A

 Điện áp của xung điều khiển : Uđk =5,0 V

 Dòng điện rò : Ir =50 mA

 Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn là: ∆U = 2,6 V

 Tốc độ biến thiên điện áp :

dt

dU =400 V/às

 Thời gian chuyển mạch : tcm = 25 às

 Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép: Tmax=125 oC

 Dòng điện max : Imax = 2000A

•Điện áp ngợc van : Un = 100V

•Đỉnh xung dòng điện : Ipik = 25000A

•Tổn hao điện áp ở trạng thái mở của diode: ∆U = 1,1V

•Dòng điện thử cực đại : Ir =

•Nhiệt độ làm việc cho phép : Tcp = 1750C

2 Tớnh chọn mỏy biến ỏp chỉnh lưu.

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

tự nhiên

 Tính các thông số cơ bản:

1 Tính công suất biểu kiến của Máy biến áp: