Thiết kế nguồn mạ một chiều

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại I.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Mạ điện đơn giản có thể là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có tính chất cơ lý hóa…đáp

MỤC LỤC

Lời nói đầu 2

Chương I: Giới thiệu về công nghệ mạ điện 1. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại .3

2. Các thành phần cấu thành , các đặc tính của mạ điện 4

3. Các phương án lựa chọn 5

Chương II: Tính toán mạch động lực 1. Cấu tạo diode 13

2. Cấu tạo Thyristor 15

3. Chỉnh lưu không điều khiển 17

4. Chỉnh lưu có điều khiển 31

5. Tính toán mạch động lực 43

Chương III: Tính toán mạch điều khiển 1. Sơ đồ khối mạch điều khiển 52

2. Khâu đồng pha và tạo điện áp tựa 52

3. Khâu so sánh 56

4. Khối khuếch đại 60

5. Mạch điều khiển 1 xung tiêu biểu 62

6. Tính toán mạch điều khiển 62

7. Mạch điều khiển chỉnh lưu 69

Tài liệu tham khảo 70

KẾT LUẬN 71

LỜI NÓI ĐẦU

Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay.Ngày nay mạ kim loại đã trởthành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước trên thế giới, phục vụmột cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh conngười

Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phương tiện sảnxuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chất,thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, cơkhí 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 mặtnền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuậtmong muốn

Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụntrang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụmh cụ máy móc và đồ trang sức Ngày nay không riêng gì ở nước phát triển mà ngay trong nước ta kỹ thuật mạ đã

có nhưng bước phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất cungnhư 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 tincậy cao Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng mạ và hạ giá thành sản phẩm, chống ônhiễm môi trường

Để có một lớp mạ tốt ngoài những yếu tố khác thì nguồn điện dùng để mạ là rấtquan trọng

Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn rất quantrọng Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã tưng bước tiếpcận môn học Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ áp dụng vào thực tế, ở học kỳ này emđược các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều Đây

là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế

Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các rhầy cô giáo trong bộmôn và đặc biệt là thầy Nguyễn Đoàn Phong đã giúp em hoàn thành đồ án này

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

Hải phòng, ngày 6 tháng 5 năm 2016

Chương 1: Giới Thiệu Chung

I. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại

I.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Mạ điện đơn giản có thể là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ

có tính chất cơ lý hóa…đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Tuy nhiên chỉ những công nghệ ổn định,bền trong thời gian dài mới được sử dụng trong sản xuất Mạ điện thực chất là quá trình điện phân(phản ứng phân tích hóa học xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một chiều) quá trình điện phân tổng quát trên diode xảy ra quá trình hòa tan kim loại điện cực dilde.

Trên catot,các cation nhận điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ

Trong mạ điện bao gồm rất nhiều giai đoạn và các bước nối tiếp nhau

Cation di chuyển từ dung dịch vào trong bề mặt catot Cation mất vỏ Hyđrat

mH 2O tiếp xúc trực tiếp với bề mặt Điện tử từ catot điền vào vách điện tử hóa trị của cation biến nó thành nguyên tử kin loại trung hòa ở dạng hấp thu Các nguyên tử kim loại sẽ tạo thành mầm tinh thể mới từ đó các tinh thể kết hợp thành lớp mạ.

6-2

I.2 Phân loại

bảo vệ kim loại nền có hai lớp mạ bảo vệ:

trên bề mặt vật cần mạ, độ bóng tạo ra bằng cách đánh bóng cơ khí hoá học điện hoá

c Lớp mạ trang trí bảo vệ

bền cao nên đóng vai trò là lớp bảo vệ

1.2CÁC THÀNH PHẦN CẤU THÀNH , CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MẠ ĐIỆN

1.2.1 Nguồn điện một chiều như: 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.

Là điện cực nối với cực dương của nguồn điện 1 chiều Trước khi điện phân anốt cần phải đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ…

Anốt dùng trong mạ điện có hai loại :

Trong mạ điện thường dùng điện cực anốt tan bằng kim loại làm lớp mạ.Trong quá trình anốt bị tan để cung cấp ion kim loại cho dung dịch,đảm bảo nồng độ ion trong dung dịch là không đổi.Phản ứng trên anốt lúc này là:

Thực ra quá trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp:

Điện tử (e) từ catốt điền vào vàn điện tử hoá trị của cation biến nó thành phân tử trung hoà.

Các nguyên tử kim loại hoặc sẽ tham gia vào thành mầm tinh thể mới hoặc tham gia nuôI lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó Mầm phát triển thành.Tinh thể kết thành lớp mạ.

1.2.4 DUNG DỊCH MẠ

Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ ,chiều dày tối đa ,mặt hàng mạ…)và chất lượng mạ Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại mạ ,chất điện ly (dẫn điện) và các chất phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp

mạ có chất lượng và tính chất mong muốn.

Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha

+ Chỉnh lưu cầu một pha

+ Chỉnh lưu cầu ba pha

+ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

Phương án 1:Chỉnh lưu cầu một pha

- Hoạt động của sơ đồ:

Cứ như vậy các xung điều khiển lệch nhau π/3 lần lượt được đưa đến các cực điều

Trong mỗi nhóm đấu chung K (hoặc A), khi 1 van mở thì nó sẽ khóa ngay van trước đó theo thứ tự như bảng sau

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

Sơ đồ này dùng cho tải công suất lớn, dùng tải nhỏ,chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng

Phương án 2 :

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

a, Sơ đồ

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

+ 6 Thyristor chia làm 2 nhóm T 1 ,T 3 ,T 5 và T 2 ,T 4 ,T 6

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 dây như nhau nhưng có cực tính ngược nhau.

nhau qua cuộn kháng cân bằng.

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

Hình 1.3 Dạng sóng cơ bản

b) Ưu nhược điểm của sơ đồ:

- Dòng điện - điện áp ra có độ bằng phẳng cao, độ đập mạch 5,7%

- 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 kế đơn giản, trọng lượng cũng như kích thước nhỏ.

Sơ đồ cầu chỉnh lưu ba pha gồm 6 Tiristor chia làm hai nhóm:

Nhóm Catốt chung gồm ba Tiristor T1,T3, T5 tạo thành một chỉnh lưu tia

ba pha cho điện áp dương.

Nhóm Anốt chung gồm ba Tiristor T2,T4, T6 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp âm.

Hoạt động của sơ đồ :

Theo nguyên tắc hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu cầu; Tại mỗi thời điểm cần phải mở van bán dẫn cho dòng chạy qua tải, chúng ta phải cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm Anốt, một xung ở nhóm Catốt) Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ đúng theo thứ tự pha.

+ Khi θ = θ2 =3#/6 điều khiển mở T2 Tiristor này mở vì T6 dẫn

các tiristor theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,… Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó

sẽ khoá ngay tiristor trước nó, như trong bảng sau:

b.Ưu nhược điểm của sơ đồ : + ưu điểm :

thấp, chất lượng điện áp cao

+ Nhược điểm

Chương 2: Tính Toán Mạch Động Lực

2.1 Cấu tạo Diode.

2.1.1 Tiếp giáp P - N và Cấu tạo của Diode bán dẫn.

Khi đã có được hai chất bán dẫn là P và N , nếu ghép hai chất bán dẫn theo một tiếpgiáp P - N ta được một Diode, tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp xúc, các điện

tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống =>tạo thành một lớp Ion trung hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa haichất bán dẫn

Mối tiếp xúc P - N => Cấu tạo của Diode

* Ở hình trên là mối tiếp xúc P - N và cũng chính là cấu tạo của Diode bán dẫn

Ký hiệu và hình dáng của Diode bán dẫn.

2.1.2Phân cực thuận cho Diode.

Khi ta cấp điện áp dương (+) vào Anôt ( vùng bán dẫn P ) và điện áp âm (-) vào Katôt( vùng bán dẫn N ) , khi đó dưới tác dụng tương tác của điện áp, miền cách điện thu hẹplại, khi điện áp chênh lệch giữ hai cực đạt 0,6V ( với Diode loại Si ) hoặc 0,2V ( với Diode

Diode (Si) phân cực thuận.

Đường đặc tuyến của điện áp thuận qua Diode

* Kết luận : Khi Diode (loại Si) được phân cực thuận, nếu điện áp phân cực thuận

<0,6V thì chưa có dòng đi qua Diode, Nếu áp phân cực thuận đạt = 0,6V thì có dòng điqua Diode sau đó dòng điện qua Diode tăng nhanh nhưng sụt áp thuận vẫn giữ ở giá trị0,6V

2.1.3 - Phân cực ngược cho Diode.

Khi phân cực ngược cho Diode tức là cấp nguồn (+) vào Katôt (bán dẫn N), nguồn (-)vào Anôt (bán dẫn P), dưới sự tương tác của điện áp ngược, miền cách điện càng rộng ra

và ngăn cản dòng điện đi qua mối tiếp giáp, Diode có thể chiu được điện áp ngược rất lớnkhoảng 1000V thì diode mới bị đánh thủng

Diode chỉ bị cháy khi áp phân cực ngựơc tăng > = 1000V

2.1.4- Phương pháp đo kiểm tra Diode

Đo kiểm tra Diode

kim không lên là => Diode tốt

2.2 Cấu tạo Thyristor.

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thyristor:

Cấu tạo Thyristor Ký hiệu của Thyristor Sơ đồ tương tương

Thyristor có cấu tạo gồm 4 lớp bán dẫn ghép lại tạo thành hai Transistor mắc nối tiếp,một Transistor thuận và một Transistor ngược ( như sơ đồ tương đương ở trên ) Thyristor có 3 cực là Anot, Katot và Gate gọi là A-K-G, Thyristor là Diode có điềukhiển , bình thường khi được phân cực thuận, Thyristor chưa dẫn điện, khi có một điện ápkích vào chân G => Thyristor dẫn cho đến khi điện áp đảo chiều hoặc cắt điện áp nguồnThyristor mới ngưng dẫn

Thí nghiệm sau đây minh hoạ sự hoạt động của Thyristor:

Thí nghiêm minh hoạ sự hoạt động của Thyristor

Ban đầu công tắc K2 đóng, Thyristor mặc dù được phân cực thuận nhưng vẫn không

có dòng điện chạy qua, đèn không sáng

Khi công tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm đèn Q2 dẫn => kéo theo đènQ1 dẫn => dòng điện từ nguồn U2 đi qua Thyristor làm đèn sáng

Tiếp theo ta thấy công tắc K1 ngắt nhưng đèn vẫn sáng, vì khi Q1 dẫn, điện áp chân

B đèn Q2 tăng làm Q2 dẫn, khi Q2 dẫn làm áp chân B đèn Q1 giảm làm đèn Q1 dẫn , nhưvậy hai đèn định thiên cho nhau và duy trì trang thái dẫn điện

Đèn sáng duy trì cho đến khi K2 ngắt => Thyristor không được cấp điện và ngưngtrang thái hoạt động.

Khi Thyristor đã ngưng dẫn, ta đóng K2 nhưng đèn vẫn không sáng như trường hợpban đầu

Hình dáng Thyristor

2 Cách đo kiểm tra Thyristor:

Đo kiểm tra Thyristor

Đặt động hồ thang x1W , đặt que đen vào Anot, que đỏ vào Katot ban đầu kim không lên ,dùng Tua-vit chập chân A vào chân G => thấy đồng hồ lên kim , sau đó bỏ Tua-vit ra =>đồng hồ vẫn lên kim => như vậy là Thyristor tốt

50 Hz

V1 -24/24V 10TO1aT1

D1 BAR74 R11k

L1 0.01uH T1

10TO1a

D1 BAS16

50 Hz

V1

Do có tích lũy và xả năng lượng của cuộn dây, do đó dòng điện và điện áp có dạngnhư hình dưới

* Các thông số sơ đồ:

+ V2 0.5v

Do có nguồn E nên điện áp trên tải không về không

L1 0.01uH

+ V2 0.5V

T1 10TO1a

D1 BAS16

D2 BAS16

D1 BAS16

50 Hz

V1 -220/220V

R1 5

A

T1 10to1CTa

D2 BAS16

D1 BAS16

50 Hz

V1

-220/220V

R1 5

T1 10to1CTa

D2 BAS16

D1 BAS16

50 Hz

V1

-220/220V

R1 5 A

D2 8AF4NPP

D1 88HF40

L1 0.1H

T1 1to1CTa

50 Hz

V1

-220/220V

R1 1k A

B D

cuộn cảm trả năng lượng về nguồn

cảm tiêu tán trên điện trở tải

nhiêu

2.3.3 Chỉnh lưu cầu 1 pha.

Ta có phương trình:

π θ

θ π

θ

2 0

2 2 sin

2

1 2

d U

d u

Dòng tải trung bình

R

U R

=

=Dòng trung bình qua một diode

2

sin 2 2

d U

8AF4NPP

D2 8AF4NPP

50 Hz

V1

R1 100 B

50 Hz

V2

-220/220V

D4 8AF4NPP D3

8AF4NPP

D2 8AF4NPP

+ V3 50V

50 Hz

V2

-220/220V

D4 8AF4NPP D3

8AF4NPP

D2 8AF4NPP

+ V3 75V

50 Hz

V2

-220/220V

D4 8AF4NPP D3

8AF4NPP

D2 8AF4NPP

50 Hz

V1

100

2.3.4 Chỉnh lưu tia 3 pha.

Chỉnh lưu dùng MBA 3 pha nối sao Nguyên tắc van nào dương nhất thì van đó dẫn chỉnhlưu điện áp ba pha Chất lượng điện áp tốt hơn chỉnh lưu 1 pha

Thông số của sơ đồ

Điện áp, dòng điện chỉnh lưu và ngắt điện

L3 1H

L2 1H

L1 1H

D3 8AF4NPP

D2 8AF4NPP

A B

L2 1H

L1 1H

D3 8AF4NPP

D2 8AF4NPP

L4 1uH

L3 1H

L2 1H

L1 1H

D3 8AF4NPP

D2 8AF4NPP

A B

Mạch van gồm 2 nhóm, các diode D 1 , D 3 , D 5 đấu kiểu catôt chung (hình), nên hoạt động

5

Thông số của sơ đồ

L1 0.1H

L3 0.1H

L2 0.1H

L1 0.1H

D6 88HF40

D5 88HF40

D4 88HF40

D2 88HF40

D1 88HF40

R1 150k

C B

+ V4 100V

L4 1H

L3 0.1H

L2 0.1H

L1 0.1H

D6 88HF40

D5 88HF40

D4 88HF40

D2 88HF40

D1 88HF40

R1 100k A

Bảng 2.1

1

d

m U U

hài cơ bản của điện áp chỉnh lưu theo khai triển Fourier

2.4 Chỉnh lưu có điều khiển.

2.4.1 Chỉnh lưu 1 pha nửa chu kỳ.

Điện áp u d chỉ là một phần của u 2 với độ lớn tuỳ thuộc góc α Ta có:

c

U α =U + α =U f α

(2.29)

nhất (bằng 0).

L1 0.1h

SCR1 SCR

V2 -220/220V

+V V1 12V R1 100k 60%

+VV16

D8 1N4007

Q6 PZTA96 C4 0.1uF

+ U3B TL084

+V -12VV15

+V V14

+ U3A TL084 +V V13 12V

+V -12VV12

C3 0.01uF

D7 1N4007

Q5 PZTA42 Q4 PZTA42

D6 1N4007

T3 10TO1a +V

V11

D5 1N4007

R2 R14

100k

R12 100k

R11 R10 100k

R9 100k

SCR1 SCR

R1 100k 60%

V17 -12V

+VV1612V

D8 1N4007

Q6 PZTA96 C4 0.1uF

+

U3B TL084

+V -12VV15

+V V14

+

U3A TL084 +V V13

+V -12VV12

C3 0.01uF

D7 1N4007

Q5 PZTA42

Q4 PZTA42

D6 1N4007

T3 10TO1a +V

V11

D5 1N4007

R2 R14

R12 100k

R11

R10 100k

R9 100k

• Tải R, E

Do có E nên khi van dẫn thì dòng diện biến thiên đột ngột

V3 100V

SCR1 SCR

V2 -220/220V

+V

V1 12V R1 100k 60%

+VV1612V

D8 1N4007

Q6 PZTA96 C4 0.1uF + U3B TL084 +V -12VV15

+V V14

+ U3A TL084 +V

V13 12V

+V -12VV12

C3 0.01uF

D7 1N4007

Q5 PZTA42 Q4 PZTA42

D6 1N4007

T3 10TO1a +V

V11

D5 1N4007

R2 R14

100k 100kR13

R12 100k

R11 R10 100k

R9 100k

SCR1 SCR

V2 -220/220V

V1 12V

V17 -12V

+VV16

D8 1N4007

Q6 PZTA96 C4 0.1uF + U3B TL084 +V -12VV15

+V V14

+ U3A TL084 +V V13

+V -12VV12

C3 0.01uF

D7 1N4007

Q5 PZTA42 Q4 PZTA42

D6 1N4007

T3 10TO1a +V

V11

D5 1N4007

R2 R14

100k R13

100k

R12 100k

R11 R10 100k

R9 100k

2.4.2 Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ.

(dùng MBA có điểm giữa)

• Tải thuần trở ( L=0 )

giá bằng độ mất đối xứng Mạch điều khiển có nhiệm vụ đảm bảo độ mất đối xứng

10TO1CT

T1

10TO1CT

D4 1N4007 +V

V20

T2 10TO1a D3 1N4007

Q3 PZTA42

Q2 PZTA42

D2 1N4007

C2 0.01uF

+V -12VV19

+V V10

+ U1B TL084

+V V9 12V

+V -12VV8

+ U1A TL084

C1 0.1uF

Q1 PZTA96

D1 1N4007

+V12V

+V V6 -12V

+

U3D TL084

R3 100k 60%

+V V4 12V

SCR2 SCR

SCR1 SCR

+VV16

D8 1N4007

Q6 PZTA96 C4 0.1uF

+ U3B TL084

+V -12VV15

+V V14 12V

+ U3A TL084 +V V13

+V -12VV12

C3 0.01uF

D7 1N4007

Q5 PZTA42 Q4 PZTA42

D6 1N4007

T3 10TO1a +V V11

D5 1N4007

R16 100k R15

100k

R8 90k

R7 100k

R6 100k R5

100k

R2 R14

R12 100k

R11 R10 100k

R9 100k

A

10.00ms 20.00ms 30.00ms 40.00ms 50.00ms 60.00ms 70.00ms 80.00ms 90.00ms 100.00ms

-2.500 V

điện gián đoạn

os R

Khi dòng điện qua một van vừa giảm tới 0 thì van tiếp theo cũng đồng thời được phát

giới hạn này:

d d

X arcta

R

gh

α = = ϕ

(2.38)Vậy:

L1 0.8H

50 Hz V1 -220/220V T4

10TO1CT

T1

10TO1CT

D4 1N4007 +V

V20

T2 10TO1a D3 1N4007

Q3 PZTA42

Q2 PZTA42

D2 1N4007

C2 0.01uF

+V -12VV19

+V V10

+ U1B TL084

+V V9 12V

+V -12VV8

+ U1A TL084

C1 0.1uF Q1 PZTA96

D1 1N4007

+V12V

+V V6 -12V

+

U3D TL084

R3 100k 60%

+V V4 12V

SCR2 SCR

SCR1 SCR

+VV16

D8 1N4007

Q6 PZTA96 C4 0.1uF

+ U3B TL084

+V -12VV15

+V V14 12V

+ U3A TL084 +V V13

+V -12VV12

C3 0.01uF

D7 1N4007

Q5 PZTA42 Q4 PZTA42

D6 1N4007

T3 10TO1a

+V

D5 1N4007

R16 100k R15

100k

R8 90k

R7 100k

R6 100k R5

100k

R2 0.1k R14

100k

R12 100k

R11 R10 100k

R9 100k

Nếu α>30 0, tải thuần trở, điện áp ud sẽ có đoạn bằng 0, dòng điện tải id sẽ gián đoạn

Nếu α < 30 0, điện áp ud luôn lớn hơn 0 Như vậy với tải thuần trở, dòng điện tải id liên tục,