Thiết kế nguồn mạ điện một chiều từ nguồn điện áp xoay chiều 220/380V, mạch có khâu bảo vệ ngắn mạch và có các tham số sau: điện áp ra 6-12 V, dòng tải 1500 A

Khi điện phân ở bề mặt anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa H2O, OH -, là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều.. Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện

Đề tài 1: Thiết kế nguồn mạ điện một chiều từ nguồn điện áp xoay chiều 220/380V, mạch có khâu bảo vệ ngắn mạch và có các tham số sau: điện áp ra 6-12 V, dòng tải 1500 A.

LỜI NểI ĐẦU

Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay.Ngày nay mạ kim loại đã trở thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết cácnớc trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học

kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh con ngời

Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phơngtiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chất,thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, cơ khí chính xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì Vậy mạ điện là gì ?

Một cách đơn giản nhất có thể hiểu mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng đợc các yêu cầu kỹ thuật mong muốn.Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụmh cụ máy móc và đồ trang sức Ngày nay không riêng gì ở nớc phát triển mà ngay trong nớc ta kỹ thuật mạ đã có nhng bớc phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất cung nh trong kinh doanh

Kỹ thuật mạ đòi hỏi phải không ngừng phát triển nghiên cứu cải tiến

kỹ thuật ,máy móc chuyên dùng thiết bị dây chuyền sản xuất đồng bộ

tự động hoá với độ tin cậy cao Điều này sẽ giúp nâng cao chất lợng mạ và hạ giá thành sản phẩm, chống ô nhiễm môi trờng

Để có một lớp mạ tốt ngoàI những yếu tố khác thì nguồn điện dùng

để mạ là rất quan trọng

Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn rất quan trọng Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa

em đã tng bớc tiếp cận môn học Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ áp

dụng vào thực tế, ở học kỳ này em đợc các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều Đây là một đề tài có quymô và ứng dụng thực tế.

Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các rhầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là thầy Nguyễn Duy Minh đã giúp em hoàn

thành đồ án này

Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm cha có lên em không tránh khỏi những sai sót mong các thầy giúp đỡ Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn !

Hà nội, ngày tháng năm 2014

Sinh viên :

Chơng I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

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

Để thấy rõ giá trị của đề tàI, trớc hết ta cần phải nắm rõ một số khái niệm cũng nh các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân

Ta dựa vào sơ đồ điện phân nh sau:

Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ nh phòng thí 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 nh :

pin, ắc qui, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi Ngày nay đợc 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 áp cần thiết cho một số qui trình

VD : Mạ niken thờng dùng điện áp 6V hay 12V Để mạ Crôm dùng 12V

Để đánh bóng điện hóa nhôm thờng dùng điện áp 12 – 24V

mạ kẽm, mạ thiếc Trong quá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phản ứng ở điện cực :

Ni -2e =Ni2+

Cu -2e =Cu2+

Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đI đến catốt Phản ứng điện hóa ở anốt là phản ứng oxi hóa

Anốt không hòa tan dùng trong trờng hợp mạ Crôm Khi điện phân ở

bề mặt anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa H2O, OH -,

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 dụ nh :

“.Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loạ nền đồng thời cho lớp mạ đồngđều, bóng sáng hấp dẫn, trớc khi mạ ta cần phải gia công cho

bề mặt chi tiết bằng phẳng, bóng và sạch các chất dầu mỡ màng oxít Catốt vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thờng ngập dới mặt nớc 8 – 15cm và cách đáy bể khonảg 15cm Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiên tợng phóng điện trong chất

điện phân Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đãnối mạch điện

4 Dung dich chất điện phân :

dung dịch chất điện phân dùng để mạ thờng có hai phần :

_ Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa iôn của kim loại mạ và một số hoá chất thiết yếu khác, nếu thiếu hóa chất này thì dung dich không

thể dùng để mạ đợc

_ 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 không bong 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 điện của dung dịch không những chỉ giảm đợc tổn thấtđiện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn.

_ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng trong một khoảng pH nhất

định

Ví dụ mạ Niken pH=4,5 đến 5,5 Mạ kẽm trong dung dịch

amôniclorua pH= 4,5 đến 5,5 Mạ kẽm trong dung dịch axít pH= 3,5

đến 4,0

_ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng cao trong một khoảng nhiệt

độ nhất định VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là 55 70 0C , mạ vàng 60 700C Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vợt qua nhiệt độ sôi của dung dịch

_ Mỗi dung dịch có một khoang mật độ dòng catốt thích hợp

_ Dung dịch chứa muối phức của kim loại thờng cho lớp mạ có chất ợng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu đợc từ nuối đơn VD lớp mạ thu đợc từ dung dịch Zn(CN)2 -hoặc Zn(CN)2-

bể mạ nh bể mạ tĩnh,thùng mạ quay

Trên dây là toàn bộ sơ đồ tổng quát của quá trình mạ bằng điện phân.Trong công nghệ mạ còn có một số yêu cầu về gia công bề mặt trớc khi mạ.Yêu cầu bề mặt trớc khi mạ :

- Trớc khi mạ vật cần mạ đợc tiến hành gia công cơ khí để có bề mặt bằng phẳng, đồng thời tẩy xóa các lopứ gỉ, đánh bóng bề mặt theo yêucầu sử dụng.

- Tẩy sạch dầu mỡ các hợp chất hóa học khác có thể có trên bề mặt vật mạ

Tóm lại trớc lúc chi tiết vào bể điện phân, bề mặt cần phải thật bằng phằng, sắc nét bóng tuyệt đối sạch dầu mỡ, các màng oxit có thể có Trong điều kiện nh vậy lớp mạ thu đợc mới có độ bóng tốt, không sớc,không sần sùi, bóng đều toàn lớp mạ đồng nhất nh ý

Phơng pháp gia công bề mặt kim loại trớc khi mạ :

- Phơng pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh bóngquay bóng hay sóc bóng trong thùng quay

- Phơng pháp gia công hóa học hay điện hóa họcbao gồm : tẩy dầu

mỡ, tẩy gỉ, tẩy lại làm bóng bề mặt, rửa sạch

Sự lựa chọn phơng pháp gia công cho hiệu qủa tốt nhất lại có giá

thành rẻ, đòi hỏi ngời kỹ thuật viên phải có hiểu biết đầy đủ và nhất là phải có kinh nghiệm sản xuất Bất kỳ thiếu sót nào dù nhỏ hoặc đánh giá không đúng công việc chuẩn bị bề mặt đều dẫn đến giảm sút chất lợng và hình thức lớp mạ Chất lợng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bản vào phơng pháp đợc lựa chọn, kỹ thuật và điều kiện tiến hành chuẩn bị bề mặt lớp mạ Không bao giờ chúng ta coi nhẹ việc chuẩn bị

bề mặt vật

Chơng II : Lựa chọn phơng án

Nhiệm vụ đặt ra đối với đồ án 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 trong quá 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, nó quyết định nhiều đến chất lợng lớp mạ thu đợc 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 phơng án nào :

Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng

đ-ợc Vì vậy mà trong công nghệ mạ ngời ta ít sử dụng ắc quy làm

nguồn mạ

2. Máy phát điện một chiều :

Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện một

chiều khắc phục đợc các nhợc điểm của ắc quy Máy phát điện một chiều trong thực tế có thể đợc sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn Nhng giá thành đầu t cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu

điều khiển hoạt động khá phức tạp Máy phát điện một chiều với nhiềunhợc điểm : cổ góp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng

ồn lớn Máy phát điện một chiều cần thờng xuyên bảo trì sửa chữa Chính vì các lý do trên lên trong công nghiệp ngời ta không dùng máyphát điện một chiều

3 Bộ biến đổi :

Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều đợc sử dụng rộng rãi Công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng hoàn thiện,

các thiết bị hoạt động với độ tin cậy cao Đặc biệt công nghệ sản xuất Tiristor đã đạt đợc nhiều thành tựu Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng

điện xoay chiều thành dòng một chiều ngày càng đợc sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì

bộ bién đổi đợc dùng rộng rãi nhất Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp nh : 3V, 6V, 12V, 24V,30V, 50v Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện thế cho phù hợp.Bộ biến

đổi với các u điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh; dễ tự động hóa;

dễ điều khiển và ổn định dòng Chi phí đầu t cho bộ biến đổi cũng rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định So với dùng nguồn mạ là ắc quy hoặc máy phát điện một chiều thì bộ biến đổi đáp ứng đợc hơn cả về mặt kinh tế cũng nh các tiêu chuẩn kỹ thuật.Vậy quyết định phơng án

là dùng bộ biến đổi

Với mạch chỉnh lu(không dùng mạch chỉnh lu ) có rất nhiều : chỉnh lumột pha, chỉnh lu ba pha, chỉnh lu không điều khiển, chỉnh lu có điều khiển

Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp và dòng khá lớn Trớc hết ta xét trờng hợp chỉnh lu có điều khiển, sau đó ta có thể xét trờng hợp chỉnh lu điốt không điều khiển với góc điều khiển

Phơng án 1 : Chỉnh lu cầu một pha

Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu một pha

a.Khi tải thuần trở R :

Với U2= sinθ

_ Khi θ = α : cho xung ®iÒu khiÓn më T1, T2 vµ Ud =-U2 , hai tiristor

sÏkho¸ khi U2 = 0

_khi θ = +α , cho xung ®iÒu khiÓn më T3, T4 vµ Ud =U2

Dßng qua t¶i lµ dßng gi¸n ®o¹n

Gi¸ trÞ trung b×nh dßng t¶i :

2 2

2 1

U I R

=

Giá trị trung bình dòng qua tiristor:

2

2 1

θ θ π

D¹ng sãng c¬ b¶n :

c Ưu nhợc điểm của sơ đồ :

• Ưu điểm : điện áp ngợc đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ

• Nhợc điểm : không dùng đợc cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tợng công suất bij lệch pha Sơ đồ chỉnh lu cầu một pha dòng tảI chảy qua hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất diện pá và

công suất trên van sẽ lớn Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lu cao và dòng tải nhỏ.

Phơng án 2 : Chỉnh lu cầu ba pha đối xứng

Tải cú cuộn cảm L đảm bảo san bằng dũng 1 chiều đạt yờu cầu

+Bộ biến đổi: sơ đồ cầu 3 pha

- Nhúm T1,T3,T5 đấu Catot chung:

•T1,T3,T5 đấu Catot chung , khi Anụt của van nào bắt đầu cú thếdương hơn so với Anụt của cỏc van cũn lại thỡ mới được phộp phỏt

xung điều khiển để mở van đó Điểm đó được coi là điểm gốc để tínhgóc mở chậm cho thyristor ấy.

•

T1,T3,T5 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Catotchung, có nguồn cung cấp là U a,U b,U cvà mạch tải là 2 điểm K và O

Ud2 = UKO

-Nhóm T2,T4,T6 đấu Anot chung:

•T2,T4,T6 đấu Anôt chung,khi nào thế Catot của van nào bắt đầu cóthế âm hơn so với thế Catôt của các van còn lại thì mới được phépphát xung điều khiển vào để mở van đó Điểm đó được coi là điểmgốc để tính góc mở chậm cho Thyristor đó

•T2,T4,T6 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Anot chung,

có nguồn cung cấp U a,U b,U cvà mạch tải là 2 điểm A và O

Ud2 = UAO

→

KL:Chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha thực chất là 2 chỉnhlưu điều khiển đối xứng tia 3 pha,1 đấu Catôt chung ,1 đấu Anôtchung, được đấu nối tiếp nhau có cùng nguồn cung cấp Còn mạch tảinối tiếp nhau nên:

d

U

=U KA=U 1+U 2=U KO+U AO

b ) Hoạt động của sơ đồ:

Giả thiết T5 và T6 đang thông ta có :

- UC thông qua T5 đặt lên K

- Ub thông qua T6 đặt lên A  Ud = UKA = UCB

+ Đến thời điểm θ = O1 + α = π/6 + α , Phát xung điều khiển mở T1.Khi đó : Anot T1 mang thế Ua

0 0 0 0 0

θ θ

θ θ

θ θ θ

| 6

Phương án 3: chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân

bằng

a.sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm:

+ Máy biến áp động lực có cuộn kháng cân bằng Ccb

+ 6 Thyristor chia làm 2 nhóm T1,T3,T5 và T2,T4,T6

Máy biến áp có 2 hệ thống thứ cấp (a,b,c) và (a’,b’,c’)

Các cuộn dây trên mỗi pha (a & a’);(b &b’);(c & c’) có số vòng dâynhư nhau nhưng có cực tính ngược nhau

Hệ thống dây cuốn máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt O1, O2

được nói với nhau qua cuộn kháng cân bằng

Cuộn kháng cân bằng có cấu tạo như máy biến áp tự ngẫu

Điện áp chỉnh lưu trung bình trong sơ đồ có giá trị như trung bìnhcộng của điện áp đầu ra của 2 chỉnh lưu hình tia 3 pha :

Điện áp ngược đặt lên van:

Ungmax =

ax

.

3 U dmπ

Dạng sóng cơ bản

b) Ưu nhược điểm của sơ đồ:

- Dòng điện - điện áp ra có độ bằng phẳng cao, độ đập mạch5,7%

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

- Do tính đối xứng (ngay cả khi α thay đổi) nên bộ lọc thiết kếđơn giản, trọng lượng cũng như kích thước nhỏ

- Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chỉnh lưu loại này là giá thànhcao do sử dụng nhiều van công suất, và thiết kế máy biến áp cũng nhưcuộn kháng cân bằng rất phức tạp Đây chính là nhược điểm cũngnhư hạn chế khả năng ứng dụng của sơ đồ trong quy mô sản xuất vừa

và nhỏ

• Kết luận:

Như vậy, theo yêu cầu của đề tài thiết kế:

Nguồn áp : 220/380 V Điện áp ra 6-12 V

Dòng tải : 1500 A

Cùng với những phân tích ở trên, em đi đến lựa chọn phươngán: Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng có điều khiển là hợp lýnhất, có thể thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế của đề tài

I.Tính chọn Van bán dẫn công suất.

Chọn chế độ làm việc định mức của van là chế độ công suất cực đại Tức là góc mở chậm α = 0 o

+) Điện áp đầu ra của chỉnh lưu được tính :

U ngmax = 6.U2= 6.94 =230,3 V Chọn hệ số dự trữ điện áp: K u = 2

 Van phải chịu được: U ngmax thực = 2 230,3 = 460,6(V)

+) Dòng điện trung bình qua van:

( A ) Vậy các thông số để chọn van là :

U ng v = 460 và Itb max thực = 833,3 A

Van công suất được chọn là: T568N

Các thông số từ nhà Sản xuất:

+) Điện áp ngược cực đại :Ungmax = 600 V

+) Dòng điện làm việc cực đại :Idmmax = 568 A

+) Dòng điện xung điều khiển :Ig

ax

m

= 150 mA+) Điện áp xung điều khiển :Ugmax = 1,4 V

+) Sụt áp trên thyristor ở trạng thái bán dẫn :∆Umax = 1,76 V

+) Tốc độ biến thiên điện áp :du/dt = 1000 V/ μs+) Nhiệt độ làm việc cực đại :Tmax=140

0

C

I 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 đ iện áp khi có tải:

Ud0 = Ud + Ud.10% + 2.∆UV + ∆Udn + ∆UBA

Với:

Ud.10% : là lượng dự trữ khi có sụt giảm điện áp lưới

UV = 1.06 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 = 0.06×220 = 13,3 V

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

→Ud0 = Ud + Ud.10% + 2.∆UV + ∆Udn +∆UBA

= 220 + 220.10% + 2.1,76 + 0 + 13,3 = 258,82 (V)

 Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:

I

= 1224,7 A

II.2 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch lực

Trong bộ chỉnh lưu phần tử kém có khả năng chịu được cácbiến động về điện áp và dòng điện và điện áp chính là các van bándẫn Vì vậy bảo vệ mạch lực cũng chính là bảo vệ các van bán dẫnkhỏi các trạng thái : quá nhiệt,quá dòng và quá áp.Sơ đồ mạch độnglực 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 = ∆U × Ilv sinh ra nhiệt đốt nóng van

Mặt khác, các thiết bị bán dẫn rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ,

và chỉ cho phép làm việc ở nhiệt độ t < tcp

2.Bảo vệ quá dòng cho van

a) sử dụng aptomat để đóng cắt mạch động lực,tự động cắt mạch khiquá tải và ngắn mạch Thyristor,ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi,ngắnmạch thứ cấp máy biến áp

Chọn Áptomat có: Idm = 1.1×I1 dây = 1.1 3.60,39 = 115,06 (A)

b) Chọn các cầu chì bảo vệ ngắn mạch : Các cầu chì cần phải có

dây chảy tác động nhanh

_ Nhóm cầu chì 1CC : dòng điện định mức dây chảy là