thiết KẾ NGUỒN mạ một CHIỀU có đảo CHIỀU DÒNG điện

+Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong suốt quá trình mạ.Để lớp mạ đợc phủ đều lên bề mặt thì dòng điện phải giữ không đổi .Cờng độ dòng điện I tính toán xuấ

DòNG ĐIệN MAX : 100 (A).

ThờI GIAN THUậN : 10- 100 (s)

Thời gian ngợc : 1- 10 (s)

Chơng1:công nhgệ mạ một chiều 1.tìm hiểu về công nhgệ mạ

mạ điện đợc dùng nhiều trong các nghành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn,phục hồi kích thớc,làm đồ tranh sức,chống ăn mòn,tăng đj cứng ,dẫn điện ,dẫn nhiệt,phản quang,dễ hàn…Về nguyên tắc,vật liệu nền có thể là kim loại ,hợp kim,đôi khi còn là chất dẻo gốm sứ hoặc composit Lớp mạ cũng vậy ,ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là composit của kim loại -chất dẻo hoặc kim loại –gốm…Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ và năng lực công nghệ ,vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành Xu hớng chung là dùng vật liệu nền

rẻ ,sẵn có còn vật liệu mạ đắt,quí hiếm hơn nhng chỉ là lơp mỏng bên ngoài.

Nh vậy :

Mạ điện là một quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ,lý ,hoá đáp ứng đợc nhu cầu mong muốn.

2.điều kiện tạo thành lớp mạ

Mạ điện là quá trình điện phân Quá trình điện phân xảy ra trên hai cực nh sau:

1

-Trên anốt xảy ra quá trình hoà tan kim loại

a.Điện cực anốt:

Trong mạ điện thờng 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:

M - ne +

→M n Trong trờng hợp dùng anốt trơ nhơ :Platin,cacbon…thì quá trình chính trên anốt là:

4OH− - 4e → 2H2O + O2 (môI trờng kiềm) 2H2O - 4e → 4H+ +O2

Để giữ cho nồng độ các ion kim loại không đổi thì phảI bổ sung thêm hó chất thích hợp.

b.Điện cực catôt:

2

Điện cực catốt là vật cần mạ ,đợc nối với cực âm của nguồn điện một chiều.Trên catôt xảy ra quá trình:

Mn+ + ne → M Thực ra quá trình này xảy ra theo nhiều bớc liên tiếp:

-cation hyđrat hoá Mn+.mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catốt

-catốt mất vỏ hyđrat hoá (mH2O) vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catốt

-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 trớc đó Mầm phát triển thành.Tinh thể kết thành lớp mạ.

c.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 lợng mạ.Dung dịch mạ thờng 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 đ-

ợc lớp mạ có chất lợng và tính chất mong muốn.

vô cơ hoà tan nhiều trong nớc phân ly hoàn toàn thành các ion tự do.Dung dịch đơn ờng dùng để mạ với tốc độ mạ cao cho các vật có hình thù đơn giản.

mạ là ion trung tâm trong nội cầu phức.Dung dịch phức thờng dùng trong trờng hợpcần

có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp.

d.Chất phụ gia.

thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều Chúng cho lớp mạ nhẵn mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm,làm tăng ứng suất nội và độ dòn.

mô) Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc

độ ở đó xuống Vậy là các phụ gia này đã u tiên hấp phụ lên các điểm lệch là chỗ có năng lợng tự do lớn hơn và lên các đỉnh lồi là chỗ có tốc độ khuếch tán lớn các phụ gia

đến đó Các phụ gia hấp phụ này sẽ làm giảm tốc độ chuyển dịch điện tử Trong thực

tế, nhiều phụ gia có cả tác dụng của chất bóng và chất san bằng

đẩy bọt khớ mau tỏch khỏi bể mạ, làm cho quỏ trỡnh mạ nhanh hơn.

phúng điện hoặc hấp thụ trờn Catot và lẫn vào lớp mạ gõy nhiều tỏc hại như : bong, dộp, dũn, gai…

e.Nguồn điện một chiều.

Có thể là các nguồn khác nhau nh:pin,ăc quy,máy phátđiện một chiều,có thể dùng

nguồn điện hoá học…để cung cấp dòng điện một chiều cho bể mạ,bể điện phân…Các nguồn điện trên có công suất nhỏ,khó tạo ra ,lại không kinh tế Do đó chỉnh lu đợc sử dụng rộng rãi trong các xởng mạ bởi vì nó đạt công suất lớn,dễ sản suất…

3.Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ.

Quy trình công nghệ mạ bao gồm rất nhiều bớc nhng có thể chia thành ba giai đoạn

sau:

a.Giai đoạn chuẩn bị.

3

Xột đến bản chất vật liệu hàng mạ (nền),mức độ nhiễm bẩn và độ nhỏm bề mặt của chỳng Độ nhấp nhụ H của bề mặt mạ bảo vệ khụng được vượt quỏ 40 à m, mạ trang sức _ bảo vệ H < 2,5 à m, mạ tăng độ cứng và mạ cỏch điện H < 1,25 à m Chọn dung dịch mạ căn cứ vào đặc tớnh vật cần mạ.

b.Giai đoạn mạ.

Đợc tiến hành trong thời gian đã xác định trớc.Giai đoạn này cần giữ cho dòng mạ

không đổi.

c.Giai đoạn hoàn thiện.

Là giai đoạn gia công ,làm đẹp ,làm hoàn thiện sản phẩm.Thờng là các bớc trung

hoà ,tẩy sáng,lấp đầy lỗ…

Khối lợng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể dựa váo định luật Faraday:

-H : hiệu suất dòng điện

-C : đơng lợng điện hoá của kim loại mạ (g/ ∆ h)

4.Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng mạ.

-Chất lợng mạ một chiều đợc qui định bởi các yếu tố sau: độ bóng lớp mạ ,độ dày lớp

mạ ,độ bám chặt Chế độ dòng điện cũng ảnh hởng rất lớn đến chất lợng mạ.

+Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm :cần độ bền cơ học cao hay thấp,tránh bị ôxi hoá mà

độ dày lớp mạ có thể dày hay mỏng.Để dạt độ dày cần thiết cần phảI có thời gian mạ hợp lý.

+Độ bám là một chỉ tiêu rất quan trọng ,nó quyết định độ bền của sản phẩm ,nếu lớp mạ sau khi mạ lại có độ bám kém thì nó rất dễ bị bung ra khi đó bề mặt vật cần mạ bị

lộ ra rất dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến hỏng,vật mạ xấu …không đáp ứng đợc yêu cầu của mạ.

+Độ bóng của bề mặt lớp mạ cũng là một thông số quan trọng,nó tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm đặc biệt là đồ trang sức ,độ bóng cao cũng tạo cho sản phẩm tăng độ bền cơ học hơn.Để tăng độ bóng thì ta dùng mạ đảo chiều vì khi mạ thì lớp mạ phủ trên bề mặt không đều có chỗ dày có chỗ mỏng nên cần phảI có đảo chiều để cào bớt những chỗ dày hơn đi.

- Kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ sạch và độ nhẵn:

+ Độ sạch của nền đảm bảo cho các nguyên tử kim loại mạ liên kết trực tiếp vào mạng tinh thể kim loại nền, đạt đợc độ gắn bám cao nhất.

+ Độ nhẵn của nền ảnh hởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ Nếu bề mặt nền nhám, xớc quá thì phân bố điện thế và mật độ dòng điện sẽ không đều, chỗ lom, rãnh sâu

-Bản chất của kim loại nền cũng ảnh hởng đến chất lợng mạ.

-Thành phần dung dịch mạ.

-ảnh hởng của các yếu tố điện: Mật độ dòng điện là đại lợng gây ra sự phân cực điện cực Lúc đang mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hởng đến chất l- ợng sản phẩm mạ.

+Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong suốt quá trình mạ.Để lớp mạ đợc phủ đều lên bề mặt thì dòng điện phải giữ không đổi Cờng độ dòng

điện I tính toán xuất phát từ mật độ dòng điện D0 và phụ tải y trong bể:

I = D0.y (A) Trong đó:

D0 : mật độ dòngcatôt

4

y : phụ tải của bể mạ

Mật độ dũng điện cao sẽ thu được lớp mạ cú tinh thể nhỏ, mịn, sớt chặt và đồng đều, bởi vỡ lỳc đú mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt khụng chỉ tại cỏc điểm lồi (điểm cú lợi thế) mà cả trờn cỏc mặt phẳng (ớt lợi thế) của tinh thể Mặt khỏc khi mật độ dũng điện cao làm cho ion kim loại mạ nghốo đi nhanh chúng trong lớp dung dịch sỏt catot, do đú phõn cực sẽ tăng lờn tạo điều kiện sinh ra lớp mạ cú tinh thể nhỏ mịn

Nếu mật độ dũng điện quỏ cao (gần đến dũng giới hạn) cũng khụng được vỡ lỳc đú lớp mạ sẽ bị gai, cõy hoặc chỏy Ngoài ra nếu dựng anot tan thỡ nú dễ bị thụ động hơn

và dung dịch sẽ nghốo dần ion kim loại mạ Ngợc lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô ,không đều.Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lợng mạ cao trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định.

Trong quá trình mạ thì điện trở của bể mạ là luôn thay đổi do có các iôn kim loại bám vào vật mạ nên nồng độ dung dịch thay đổi.

Công thức tính điện trở dung dịch nh sau:

R = l.(100 χ y) ( Ω )

l : khoảng cỏch giữa cỏc điện cực (cm)

χ : độ dẫn điện riờng của dung dịch ( Ω-1.cm-1)

y : phụ tải của bể mạ (dm2)

Do đó muốn cho dòng điện không đổi thì ta phải điều chỉnh điện áp sao cho tỉ số

giữa điện áp và điện trở dung dịch là không thay đổi

5.Mạ có đảo chiều dòng mạ.

Do yêu cầu công nghệ mạ mà bắt buộc phải có bộ nguồn một chiều Thông thờng

để thực hiện mạ ta dùng dòng điện không đảo chiều cấp vào anôt và catôt.Nhng trong một số trờng hợp mạ đặc biệt ,mạ đồ trang sức bằng các kim loại quí nh:vàng ,bạch kim…hay các sản phẩm yêu cầu chất lợng cao,nền mạ khó bám…thì ngời ta dùng dòng mạ có đảo chiều

Nguyên tắc mạ đảo chiều nh sau:

Trong thời gian tc vật mạ chịu phân cực catôt nên đợc mạ vào với cờng độ dòng thuận

Ic, sau đó dòng điện đổi chiều và trong thời gian ta vật mạ chịu phân cực anôt nên sẽ tan

ra một phần.Sau đó lại bắt đầu một chu kì mới Thời gian mỗi chu kỳ bằng T= tc + ta

5

.Nếu Ic .tc > Ia .ta thì vật vẫn đợc mạ Khi lớp mạ bị hòa tan bởi điện lợng Ia ta , thì chính những đỉnh nhọn, gai, khuyết tật là những chỗ hoạt động anôt nhất nên tan mạnh nhất, kết quả là thu đợc lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn Tuỳ từng dung dịch mà chọn

tỷ lệ tc : ta thường từ ( 5:1 đến 10:1) và T thường 5 − 10s.Với yêu cầu cụ thể ở đây thì tỉ

số tc : ta luôn không đổi là 10 lần

Phơng pháp này có thể dùng đợc mật độ dòng điện lớn hơn khi dùng dòng điện một chiều thông thờng.Mạ đảo chiều làm tăng cường quỏ trỡnh mạ mà vẫn thu được lớp mạ tốt.

CHƯƠNG HAI Lựa chọn sơ đồ chỉnh lu Để mạ điện thì ta dùng nguồn điện một chiều.Nguồn một chiều có

nhiều phơng pháp để tạo ra :có thể dùng máy phát điện một chiều , dùng

các sơ đồ chỉnh lu từ các nguồn điện ba pha và nguồn điện một pha ,dùng

pin ,ăcquy

1.Dùng máy phát điện một chiều và động cơ điện không đồng bộ.

Động cơ điện không đồng bộ biến điện năng của lới điện xoay chiều ba

pha thành dạng cơ năng của roto,cơ năng này đợc truyền sang trục của

máy phát điện một chiều Máy phát điện một chiều có nhiệm vụ biến đổi

cơ năng thành điện năng ở dạng một chiều cung cấp cho bể mạ

∗ Ưu điểm:

Thay đổi nguồn mạ trong dãy rộng ,rất linh hoạt nhờ biến trở kích từ

,thao tác nhẹ nhàng ,sai số nhỏ ,độ tinh điều chỉnh cao.

∗Nhợc điểm:

Hệ thống cồng kềnh ,năng lợng truyền nối tiếp từ lới điện đến tải qua

máy động cơ,máy phát nên công suất toàn hệ lớn hơn công suất tải yêu

cầu rất nhiều Đặc biệt là với máy phát một chiều do có bộ phận cổ góp

,chổi than nên dễ gây ra tia lửa điện rất nguy hiểm cho hệ thống và ngời

điều hành.

2.Dùng các phơng pháp chỉnh lu.

Theo dạng nguồn cung cấp có thể chia chỉnh lu thành một pha hay ba

pha.Nguồn điện một pha đợc dùng phổ biến trong thực tế Theo sơ đồ

mạch van chia thành chỉnh lu hình tia và chỉnh lu cầu.Với chỉnh lu hình tia

có số van bằng số pha còn đối với chỉnh lu cầu thì số van gấp đôI số

pha.Tuy nhiên ngày nay ngời ta không dùng sơ đồ hình tia nữa mà thờng

dùng sơ đồ chỉnh lu cầu vì những lý do sau đây:sơ đồ cầu không nhất thiết

phải có biến áp nguồn ,có thể đấu thẳng vào lới điện ,độ đập mạch nhỏ

,công suất lớn…Chỉnh lu có thể là chỉnh lu có điều khiển dùng tiristor

hoặc không điều khiển dùng điôt và bán điều khiển dùng cả điôt và tiristor

.Các bộ chỉnh lu dùng tiristor có hiệu suất cao ,thời gian sử dụng lâu,chịu

đợc nhiệt độ cao,điều chỉnh dễ dàng…Chính vì vậy mà ngày nay các bộ

chỉnh lu dùng tiristor đợc dùng rộng rãi có khuynh hớng thay thế toàn bộ

máy phát điện một chiều và chỉnh lu điôt.

a.Chỉnh lu cầu một pha

6

Chỉnh lu cầu một pha có hai loại sơ đồ là :sơ đồ điều khiển đối xứng và

sơ đồ điều khiển không đối xứng.

Chỉnh lu cầu một pha điều khiển đối

xứng bao gồm 4 tiristor mắc theo sơ đồ sau:

Hình 2.1a.

Có hai tiristor đấu anốt chung và hai tiristor đấu catốt chung Nguồn

điện đa vào có dạng hình sin :

u = 2.U.sinθ Trong nửa chu kì đầu u > 0 điện áp anôt của tiristor T1 dơng , nếu có xung

điều khiển cho cả hai van T1,T2 đồng thời, thì các van này sẽ đợc dẫn để

đặt điện áp lới lên tải Đến nửa chu kì sau điện áp đổi dấu u < 0 ,tuỳ thuộc

vào tính chất tải mà khoảng dẫn của tiristor thay đổi,anốt của T3 dơng còn

catốt của T4 âm nếu có xung điều khiển cho cả hai van đồng thời thì các

van này sẽ đợc dẫn để đặt điện áp lới lên tải

Việc điều khiển các tiristor ở mạch chỉnh lu đối xứng đôi khi gặp khó

khăn vì phảI điều khiển đồng thời hai tiristor cùng lúc Sơ đồ điều khiển

không đối xứng có thể tránh đợc việc phải điều khiển một lúc hai tiristor

mà chất lợng điện áp ra vẫn đảm bảo.Có hai dạng sơ đồ điều khiển không

đối xứng sau:

Hình 2.1b Hình 2.1c.

Mỗi sơ đồ gồm hai tiristor và hai điốt ,mỗi lần cung cấp xung điều

khiển chỉ cần cấp một xung.Hai sơ đồ này có trị số điện áp giống nhau

,đ-ờng cong điện áp tải chỉ có phần điện áp dơng, nên sơ đồ không làm việc

với tải có nghịch lu trả năng lợng về lới Sự khác nhau giữa hai sơ đồ trên

đợc thể hiện rõ rệt khi làm việc với tải điện cảm lớn, lúc này dòng điện

chạy qua các van điều khiển và không điều khiển sẽ khác nhau.

Trên sơ đồ a khi điện áp anốt T1 dơng và catốt D1 âm sẽ có dòng điện tải

chạy qua T1 và D1 ,ở nửa chu kì sau điện áp đổi dấu ,nếu cha có xung điều

khiển mở T2 ,năng lợng của cuộn cảm L đợc phóng qua T1 và D2 Việc

chuyển mạch của các van không điều khiển D1, D2 xảy ra khi điện áp bắt

đầu đổi dấu Tiristor T1 sẽ bị khoá khi có xung mở T2 Kết quả là chuyển

mạch các van có điều khiển đợc thực hiện bằng việc mở van kế tiếp.

Trên sơ đồ b khi điện áp lới đặt vào anốt và catốt của các tiristor thuận

chiều và có xung điều khiển, thì việc dẫn của các van hoàn toàn giống nh

7

T3L

T2R

ABF

sơ đồ a Khi điện áp đổi dấu, năng lợng của cuộn dây L đợc phóng ra qua các điốt D1, D2, các van này đóng vai trò của điốt ngợc.Vì vậy các Tiristor

sẽ tự động khoá khi điện áp đổi dấu.

Dạng dòng điện ,điện áp của các phần tử trên hai sơ đồ trên:

Hình 2.1d .Cho sơ đồ hình 2.1b ; Hình 2.1e.Cho sơ đồ hình 2.1c

Đặc điểm của các sơ đồ không đối xứng là điện áp trên tải không có phần âm do tác dụng của các điốt Vì vậy điện áp chỉnh lu sẽ đợc biểu diễn bởi công thức:

2 U ≈ 0.9 U2

Cả hai dạng sơ đồ trên đều tơng đơng nhau về mặt điện áp chỉnh lu và các vấn đề năng lợng nhng sơ đồ a có u điểm hơn vì các van có phụ tải nh nhau Ngoài ra hai tiristor mắc catốt chung sẽ tạo khả năng điều khiển trực tiếp mà không cần biến áp xung.

Với điện áp yêu cầu thì Ud0 = 9 (V) ,điên áp Udα = 6→9 (V) ,khi đó góc điều khiển nằm trong dải từ αmax = 710 đến αmin = 00

+Đối với tải thuần trở:

8

Dòng trung bình qua các điốt :

m

I = I d

22

Sba = U2.I2 =

22

Π U

d.

22

+Đối với tải trở cảm:

Dòng trung bình qua các điốt :

1

θ

d

I d = Id Dòng sơ cấp cũng có dạng xung chữ nhật đối xứng ,do đó :

1

Đối với máy biến áp :

Sba = U2.I2 = U d I d

22

d

P

.22

tế ,nhất là với cấp điện áp ra từ 10 V trở lên.Dòng tải co thể lên tới một

9

L T6

T4 T2

trăm ampe Nó không nhất thiết phải có biến áp nguồn :khi điện áp ra tải

phù hợp với cấp điện áp nguồn xoay chiều ta có thể mắc trực tiếp mạch

chỉnh lu vào lới điện Nhng do số lợng van lớn gấp đôi sơ đồ hình tia nên

sụt áp trong mạch van cũng lớn gấp đôi,giá thành tăng ,vì vậy không thích

Cũng giống nh chỉnh lu cầu một pha ,chỉnh lu cầu ba pha cũng có hai

dạng sơ đồ :điều khiển đối xứng và điều khiển không đối xứng.

Sơ đồ cầu ba pha đợc coi nh hai sơ đồ chỉnh lu tia ba pha mắc ngợc

chiều nhau.Ba T1,T3,T5 tạo thành một chỉnh lu tia ba pha cho điện áp dơng

tạo thành nhóm anốt ,còn T2,T4,T6 là một chỉnh lu tia ba pha chop điện áp

âm tạo thành nhóm catốt ,hai chỉnh lu này ghép lại thành cầu ba pha.

Theo hoạt động của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng, dòng điện

chạy qua tải là dòng điện chạy từ pha này về pha kia, do đó tại mỗi thời

điểm cần mở tiristor đòi hỏi cấp hai xung điều khiển đồng thời(một xung

ở nhóm anốt ,một xung ở nhóm catốt).

Sơ đồ cầu ba pha điều khiển đối xứng:

A B C

Hình 2.2a.

Ví dụ trong khoảng từ t1 đến t2 pha A có điện áp dơng hơn ,pha B có điện

áp âm hơn nên mở thông T1,T4 dòng điện đợc chạy từ A về B.

Khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn ,trong mỗi khoảng dẫn của một

van của nhóm này thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau Điều

này có thể thấy rõ trong khoảng t1 →t3 nh trên hình vẽ T1 dẫn còn T4 dẫn

trong khoảng t1 →t2 sau đó T6 dẫn tiếp trong khoảng t2 →t3

Khi điện áp tải liên tục ,trị số điện áp tải đợc tính theo công thức sau:

Udα = Ud0.cosα .

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.Trong trờng hợp này dòng điện

chạy từ pha này về pha kia ,là do các van bán dẫn có phân cực thiận theo

điện áp dây đặt lên chúng cho tới khi điện áp dây đổi dấu ,các van bán dẫn

sẽ có phân cực ngợc nên chúng tự khoá.

Chỉnh lu ba pha điều khiển đối xứng đòi hỏi phải mở đồng thời hai

tiristor theo đúng thứ tự pha do đó gây không ít khó khăn cho việc điều

khiển ,vận hành ,sửa chữa Để đơn giản ngời ta thờng dùng chỉnh lu cầu ba

pha điều khiển không đối xứng

10

Hình 2.2c.

+Với tải thuần trở :

Dạng dòng điện trên tải lặp lại giống nh điện áp ud Vì vậy với góc điều khiển α ≤300 dòng tải là liên tục Ta có :

0≤α ≤300 Udα = Ud0.cosα

Với α ≥300 dòng id sẽ bằng 0 ở góc Πđối với đờng điện áp dây khi điện

áp này bắt đầu đổi cực tính.Khi đó dòng sẽ gián đoạn :

Udα =

263

U

Π+

Chỉnh l u cầu ba pha điều khiển đối xứng

2.2a- sơ đồ động lực, 2.2b- giản đồ các đ ờng cong cơ bản,

2.2c, 2.2d - điện áp tải khi góc mở α= 600

.Ud

t

Chỉnh l u cầu ba pha điều khiển không đối xứng2.3a- sơ đồ động lực, 2.3b- giản đồ các đ ờng cong

Khi góc mở α= 600

1

LR

+Với tải trở cảm :

Do dòng tải đợc coi là phẳng hoàn toàn nên trớc khi một tiristor nhận

đ-ợc tín hiệu điều

khiển để mở ra thì dòng vẫn chạy qua tiristor đang dẫn trớc đó Vì vậy có

thể xuất hiện phần điện áp âm trên đờng cong điện áp chỉnh lu ud

Với dòng tải là liên tục ta luôn có :

Udα = Ud0 cosα Vậy với tải trở cảm thì phạm vi điều chỉnh của góc α là từ 00 đến 900

Với yêu cầu điện áp ra tải từ 6 – 9 (V) thì góc điều khiển từ 00 đến 710

Giá trị hiệu dụng dòng điện thứ cấp biến áp nguồn là ;

12

Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện

áp tải liên tục khi góc mở các tiristor nhỏ hơn 600 ,khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ ,dòng áp sẽ gián đoạn

Sơ đồ này gồm một nhóm điều khiển và một nhóm không điều khiển nh hình vẽ:

Ưu thế của chỉnh lu không đối xứng là dùng ít van có điều khiển,hệ số công suất cao hơn Tuy nhiên nhợc điểm của các sơ đồ này là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lu phụ thuộc vào góc điều khiển α Với góc α nhỏ dạng điện áp ra gần giống nh ở chỉnh lu cầu đối xứng tuy nhiên khi góc α tăng lên điên áp ra chỉ còn đập 3 lần trong một chu kì

Tóm lại:Chỉnh lu cầu ba pha hiện nay đợc sử dụng rộng rãi nhất ,nó cho chất lợng điện áp tốt nhất ,độ đập mạch rất nhỏ (5%),hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất Nhợc điểm của nó là sụt áp trong mạch van gấp

đôi sơ đồ hình tia nên cũng không phù hợp với cấp điện áp ra tải dới 10

V

3.Chỉnh lu đảo chiều :

Nhiều loại tải có yêu cầu đảo chiều dòng điện:nh mạ điện đảo chiều ,động cơ điện một chiều …Có nhiều cách để đảo chiều dòng điện nhng ở

đây ta dùng bộ chỉnh lu đảo chiều.Hệ thống gồm hai bộ chỉnh lu CL1 và

CL2 ,thuận và ngợc ,cùng đợc cung cấp bởi một nguồn xoay chiều nh hình vẽ:

2.4a.điều khiển chung ; 2.4b.điều khiển riêng.

Phơng pháp điều khiển bộ biến đổi có đảo chiều gồm phơng pháp điều khiển chung và phơng pháp điều khiển riêng.

a.Điều khiển chung.

Trong cấu trúc điều khiển chung CL1 và CL2 làm việc song song ở mọi thời điểm Do có sự chênh lệch về giá trị tức thời trên đầu ra của mỗi bộ chỉnh lu nên cần có cuộn kháng cân bằng Lcb để hạn chế dòng điện quẩn giữa hai bộ biến đổi Về nguyên tắc để dòng điện quẩn có giá trị nhỏ ,giá trị trung bình của điện áp ở đầu ra của hai bộ biến đổi phải bằng nhau Điều này dẫn đến khi một bộ đang làm việc ở chế độ chỉnh lu thì bộ kia phải làm việc ở chế độ nghịch lu phụ thuộc

Nếu α1,α2là góc điều khiển của CL1 ,CL2 thì điều kiện trên sẽ đợc thực hiện khi :

13

α +α2= Π Cấu trúc điều khiển chung có u điểm là tố độ tác động nhanh rất tốt ,không hề có độ trễ khi đảo cực tính điện áp ra tải.Tuy nhiên nhợc điểm của cấu trúc này là yêu cầu có cuộn kháng cân bằng làm tăng công suất lắp đặt của hệ thống Cuộn kháng cân bằng cũng làm chậm quá trình điện

từ diễn ra trên mạch tải ,điều này làm giảm tác động nhanh của hệ thống trong một số trờng hợp

b.Điều khiển riêng.

Trong thực tế các bộ biến đổi có đảo chiều hiện đại đợc thực hiện theo cấu trúc điều khiển riêng Theo cấu trúc này các bộ đợc điều khiển riêng biệt,ở mỗi một thời điểm chỉ có một bộ biến đổi làm việc ,nhờ đó sẽ

không cần đến cuộn kháng cân bằng Nh vậy công suất lắp đặt đợc giảm

đến mức tối thiểu ,gọn nhẹ ,hiệ suất cao.

Vấn đề chính trong thực hiện cấu trúc điều khiển riêng là điều khiển quá trình đảo chiều sao cho thời gian trễ là ngắn nhất mà vẫn đảm bảo an toàn cho thiết bị ,không để xảy ra ngắn mạch Vì vậy cần phải có bộ logic đảo chiều thật chặt chẽ ,chính xác.

Nói chung cấu trúc điều khiển riêng yêu cầu mạch điều khiển phức tạp hơn nhng với công nghệ tiên tiến hiện nay thì có thể thực hiện đợc

Kết luận:

Về vấn đề chỉnh lu thì với yêu cầu của đề bài công suất ra max là Pd max

= 900 (w) ,đây là công suất nhỏ nên sơ đồ chỉnh lu cầu một pha là phù hợp hơn cả nhng dòng mạ yêu cầu cần phải có độ ổn định cao nên sơ đồ cầu ba pha là thích hợp hơn cả vì cầu ba pha chỉ có độ đập mạch 5,7% trong đó cầu một pha là 67% Khi dùng bộ lọc thì bộ lọc dùng cho cầu ba pha gọn nhẹ hơn so với cầu một pha ,do vậy kinh tế hơn.Nếu dùng cầu một pha thì yêu cầu bộ lọc rất lớn ,cồng kềnh.ở đây ta quan tâm đến chất lợng dòng

điện mạ và vấn đề kinh tế do vậy ta chọn sơ đồ cầu ba pha

Về bộ biến đổi đảo chiều ta dùng cấu trúc điều khiển riêng.

14

tính chọn van mạch lực.

Van động lực đợc chọn dựa vào các yếu tố cơ bản : dòng tải , sơ đồ đã chọn ,điều kiện tản nhiệt ,điện áp làm việc Các thông số cơ bản của van động lực đợc xác định nh sau:

a.Điện áp ngợc của van :

U1v = knv.U2 Với U2 = Ud /ku

knv ,ku các hệ số điện áp ngợc và điện áp tải Với knv = 6 ,ku = 2,34

⇒ U1v = 2,45.

34,2

9 = 9,423 (V)

Dòng điện làm việc của van :

I1v = Ihd =khd.Id Với khd = 1/3.Ta có :

Unv = kdtU U1v = 2.9,423 = 18,846 (V) (chọn kdtU = 2)

Iđmv = ki.I1v = 4.33,33 = 133,32 (A)

ở đây ta chọn I1v = 25%.Iđmv

Từ các thông số trên ta chọn tiristor loại 2N2503 có các thông số định mức :

Dòng điện định mức của van Iđmv = 150 (V)

Điện áp ngợc cực đại của van Unv = 50 (A)

Độ sụt áp trên van ∆U = 1,4 (V)

Dòng điện rò Ir = 10 mA

Điện áp điều khiển Uđk = 3 V

Dòng điện điều khiển Iđk = 150 mA

tính toán thiết kế bộ lọc

15

§èi víi nguån cung cÊp cho bÓ m¹ th× yªu cÇu hÖ sè ®Ëp m¹ch ph¶i nhá ,ë ®©y ta chän cìk®mr = 0,006.

V× hÖ sè ®Ëp m¹ch cña chØnh lu cÇu ba pha lµ k®mv = 0,057 nªn m¹ch läc ph¶i cã hÖ

9 = 0,09 Ω

Víi gi¸ trÞ t¶i nµy vµ hÖ sè san b»ng k«ng lín ta chän bé läc ®iÖn c¶m

Ta cã :

2 1

−

sb dm

I U

mt

d

−

∆++

∆

Ta lấy

Tmt = 400C , ∆T = 600C , ∆U= = 1,2 (V) , ∆U~ = 6 (V);Thay số ta đợc :

4,194.10.95,

.100

U

44.4

10 4

~

∆

=

5,121.300.70.44,4

10

.100

2

à

=

4,86.100

5,121.70.10.9,

= 7,78.10-3 H = 7,78 mH

Trị số này lớn hơn 5% giá trị yêu cầu nên chấp nhận đợc

*Tiết diện dây quấn :

4,194.62,67

− = 87,26 mm2

Ta lấy loại có kích thớc (kể cả lớp cách điện ) 15ì8 = 120 mm2

17

70 = 4,1 Vậy quấn đợc 5 lớp Nếu lấy khoảng cách giữa hai lớp dây quấn (giành cho lớp cách điện ) ∆cd là 4mm thì

độ dày của cả cuộn dây :

∆cd = n(d + ∆cd) = 5.(0,8 + 0,4) = 6 cm

d là độ dày dây quấn

*Độ dày cuộn dây ∆cd nhỏ hơn kích thớc cửa sổ c = 7,2 cm nên cuộn dây lọt cửa sổ

*Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ (xác định nhiệt độ tối đa của cuộn dây)

Tổn thất trong dây quấn đồng :

Pcu = 1 4,261,.0210.3.(T. 200C)

I

U d

−+

∆

− = 1+4,126,02.10.1,−23.(.10040−20) = 112,8 W

Tổng diện tích bề mặt của cuộn dây :

Scu = 2.hsd.(a + b + π.∆cd ) + 1,4 ∆cd(π.∆cd + 2.a) = 2.26.(9 + 13,5 + 6 π) + 1,4 6.( π 6 + 2.9) = 2460 (cm2)

− = 58,6 0C

Nh vậy độ chênh lệch này có thể chấp nhận đợc Tuy nhiên ta cũng nên làm mát cuộn dây điện cảm bằng nớc ,dây quấn có dạng ống tuýp bằng đồng ,bên trong cho nớc làm mát chảy qua

18

tính chọn các thiết bị bảo vệ

1 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn

Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp , do đó có tốn hao công suất ∆p,tốn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn

Mặt khác van bán dẫn chỉ đợc phép làm việc dới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó nếu quánhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để cho van bán dẫn làm việc antoàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý

Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp=1250C

Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt

2 Bảo vệ quá dòng của van :

Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạchTiristo, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độnghịch lu