THIẾT kế NGUỒN mạ một CHIỀU có đảo CHIỀU DÒNG điện

Mạ điện được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn,phục hồi kích thước,làm đồ tranh sức,chống ăn mòn,tăng đj cứng ,dẫn điện ,dẫn nhiệt,phản quang,dễ hàn…Về

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ NGUỒN MẠ MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU

DÒNG ĐIỆN MAX : 50(A).

THỜI GIAN THUẬN : 50- 600 (S).

THỜI GIAN NGƯỢC : 5- 60 (S).

CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ VÀ YÊU CẦU KỸ THUẬT

1.1.Tìm hiểu về công nghệ mạ.

Mạ điện được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp khác nhau để chống ăn

mòn,phục hồi kích thước,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 hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ ,sẵn có còn vật liệu mạ đắt,quí hiếm hơn nhưng chỉ là lơp mỏng bên ngoài.

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

Ngày nay thường sử dụng quá trình mạ điện bằng điện phân theo sơ đồ như hình 1

Hình 1 sơ đồ nguyên lý mạ điện phân

1.2.các thành phần chính

a.Điện cực anốt:

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:

M - ne

+

→M n

Trong trường hợp dùng anốt trơ nhơ :Platin,cacbon…thì quá trình chính trên anốt là:

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

*Yêu cầu kỹ thuật: để đảm bảo chất lượng mạ thì trước khi điện phân thì anot cần phải được đánh sạch dầu mỡ, bụi, lớp rỉ,…

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

Cation hyđrat hoá M

+

n mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catốt Catốt mất vỏ hyđrat hoá (mH

2

O) 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 trước đó Mầm phát triển thành.Tinh thể kết thành lớp mạ.

*Yêu cầu kỹ thuật:

Để đảm bảo chất lượng của lớp mạ thì trước khi thực hiện quá trình mạ điện cần phải quan tâm tới độ sạch và độ bóng của bề mặt chi tiết cần mạ.

-Độ sạch của bề mặt chi tiết cần mạ càng cao thì các nguyên tử kim loại mạ càng có khả năng liên kết trực tiếp với mạng tinh thể kim loại của chi tiết để đạt được độ gắn bám cao nhất giữa lớp mạ và chi tiết cần mạ.

-Độ nhẵn của bề mặt chi tiết cần mạ ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ Nếu bề mặt nền nhám, xước quá thì phân bố điện thế và mật độ dòng điện sẽ không đều Bề mặt chi tiết sau mạ có thể có chỗ lõm, chỗ lồi, hoặc xuất hiện rãnh sâu

Vậy để lớp mạ bám chặt vào bề mặt chi tiết và lớp mạ đều hơn, bóng hơn, chất lượng lớp

mạ cao,…thì catôt cần phải được gia công bề mặt nhẵn bóng, sạch lớp bụi, lớp rỉ…trước khi đưa vào mạ.

Catôt sau khi được đánh bóng, sạch cần phải nhúng gập trong dung dịch điện phân, không sát đáy bể điện phân.

Chỗ nối catốt với nguồn một chiều phải đảm bảo tiếp xúc tốt, không gây hiện tượng phóng điện trong quá trình điện phân Tuyệt đối không được để chạm trực tiếp giữa catôt và anot khi đã nối mạch điện.

c Dung dịch điện phân:

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 như mong muốn.

+ Dung dịch muối đơn: Còn gọi là dung dịch axit, cấu tạo chính là các muối của các axit

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

+ Dung dịch muối phức: Ion phức tạo thành ngay khi pha chế dung dịch Ion kim loại

mạ là ion trung tâm trong nội cầu phức Dung dịch phức thường dùng trong trường hợp cần

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

+ Các phụ gia:

- Chất dẫn điện : Đóng vai trò dẫn dòng điện trong dung dịch

- Chất bóng: Chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn (vài gam/lit)

và có 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.

- Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng (vĩ 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 ưu tiên hấp phụ lên các điểm lệch là chỗ có năng lượng 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

- Chất thấm ướt: Trên Catot thường có phản ứng phụ sinh khí Hydro Chất này thúc đẩy bọt khí mau tách khỏi bể mạ, làm cho quá trình mạ nhanh hơn.

*Yêu cầu kỹ thuật:

-Dung dich mạ phải có độ dẫn điện cao để giảm tổn thất điện trong quá trình mạ đồng thời làm cho lớp mạ đòng đều hơn.

-Trong dung dịch mạ thì mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực Trong quá trình mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng đến chất lượng của lớp mạ Mật độ dòng điện cao làm cho quá trình phân cực nhanh làm cho lớp mạ mịn, sít chặt và đồng đều vì khi đó các nguyên tử kim loại mạ được sinh ra rất nhanh.

Nhưng nếu mật độ dòng điện quá cao thì có thể lớp mạ sẽ bị cháy Ngược lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô, không đều làm lớp mạ kém chất lượng.

Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lượng mạ cao trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định Tuỳ theo yêu cầu và đặc thù của các chi tiết cần mạ mà chọn dung dịch

e bể điện phân

Bể điện phân làm bằng vật liệu cách điện, bền về hoá học, nhiệt độ, và không thấm nước.

1.3.Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ

a Gia công cơ học

Gia công cơ học là quá trình giúp cho bề mặt vật mạ có độ đồng đều và độ nhẵn cao, giúp cho lớp mạ bám chắc và đẹp có thể thực hiện gia công cơ học bằng nhiều cách: mài, đánh bóng (là quá trình mài tinh), quay xóc đối với các vật nhỏ, chải, phun tia cát hoặc tia nước dưới áp suấtcao Quá trình gia công cơ học làm lớp kim loại bề mặt sản phẩm bị biến dạng, làm giảm độ gắn bám của lớp mạ sau này Vì vậy trước khi mạ cần phải hoạt hóa bề mặt trong axit loãng rồi đem

mạ ngay

b.Tẩy dầu mỡ

Bề mặt kim loại sau nhiều công đoạn sản xuất cơ khí, thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ để làm cho bề mặt trở nên kị nước, không tiếp xúc được với dung dịch tẩy, dung dịch mạ… Có thể tiến hành tẩy dầu mỡ bằng các cách sau: Tẩy trong dung môi hữu cơ như

tricloetylen C2HCl3, tetracloetylen C2Cl4, cacbontetraclorua CCl4… chúng có đặc điểm là hòa tan tốt nhiều loại chất béo, không ăn mòn kim loại, không bắt lửa Tuy nhiên, sau khi dung môi bay hơi, trên bề mặt kim loại vẫn còn dính lại lớp màng dầu mỡ rất mỏng => không sạch, cẩn phải tẩy tiếp trong dung dịch kiềm Tẩy trong dung dịch kiềm nóng NaOH có bổ sung thêm một

số chất nhũ tương hóa như Na2SiO3, Na3PO4… Với các chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật sẽ tham gia phản ứng xà phòng hóa với NaOH và bị tách ra khỏi bề mặt Với những loại dầu

mỡ khoáng vật thì sẽ bị tách ra dưới tác dụng nhũ tương hóa của Na2SiO3 Tẩy trong dung dịch kiềm bằng phương pháp điện hóa, dưới tác dụng của dòng điện, oxy và hidro thoát ra có tác dụngcuốn theo các hạt mỡ bám vào bề mặt tấy bằng phương pháp này dung dịch kiềm chỉ cần pha loãng hơn so với tẩy hóa học đã đạt hiệu quả Tẩy dầu mỡ siêu âm là dùng sóng siêu âm với tần số

dao động lớn tác dụng lên bề mặt kim loại, những rung động mạnh sẽ giúp lớp dầu mỡ tách ra

dễ dàng hơn

c.Tẩy gỉ

Bề mặt kim loại nền thường phủ một lớp oxit dày, gọi là gỉ tẩy gỉ hóa học cho kim loại đen thường dùng axit loãng H2SO4 hay HCl hoặc hỗn hợp của chúng Khi tẩy thường diễn ra đồng thời 2 quá trình: hòa tan oxit và kim loại nền Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ hóa học đồng thời có sự tham gia của dòng điện Có thể tiến hành tẩy gỉ catot hoặc tẩy gỉ anot Tẩy gỉ anot lớp bề mặt sẽ rất sạch và hơi nhám nên lớp mạ sẽ gắn bám rất tốt Tẩy gỉ catot sẽ sinh ra H mới sinh, có tác dụng khử một phần oxit Hidro sinh ra còn góp phần làm tơi cơ học màng oxit và nó sẽ bị bong

ra Tẩy gỉ bằng catot chỉ áp dụng cho vật mạ bằng thép cacbon, còn với vật mạ Ni, Cr thì không hiệu quả lắm

d.Tẩy bóng điện hóa và hóa học

Tẩy bóng điện hóa cho độ bóng cao hơn gia công cơ học.lớp mạ trên nó gắn bám tốt, tinh thể nhỏ, ít lỗ thủng và tạo ra tính chất quang học đặc biệt Khi tẩy bóng điện hóa thường mắc vật tẩy với anot đặt trong một dung dịch đặc biệt Do tốc độ hòa tan của phần lồi lớn hơn của phần lõm nên bề mặt được san bằng và trở nên nhẵn bóng Cơ chế tẩy bóng hóa học cũng giống tẩy bóng điện hóa Khi tẩy bóng hóa học cũng xuất hiện lớp màng mỏng cản trở hoặc kìm hãm tác dụng xâm thực của dung dịch với kim loại tại chỗ lõm

e.Tẩy nhẹ

Tẩy nhẹ hay còn gọi là hoạt hóa bề mặt, nhằm lấy đi lớp oxit rất mỏng, không nhìn thấy được, được hình thành trong quá trình gia công ngay trước khi mạ khitẩy nhẹ xong, cấu trúc tinhthể của nền bị lộ ra, độ gắn bám sẽ tăng lên

1.4 chỉ tiêu dánh giá chất lượng mạ

Chất lượng mạ một chiều được qui định bởi các yếu tố sau: độ bám chặt, độ bóng, độ dày lớp mạ Chế độ dòng điện cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng lớp mạ

Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm như: cần độ bền cơ học cao hay thấp, mức độ chống 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

a.Độ bám của lớp mạ

Đây 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 xấu, dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến hỏng… không đáp ứng được yêu cầu chất lượng của lớp mạ

1.5 mạ có đảo chiều dòng mạ

Do yêu cầu công nghệ mạ mà bắt buộc phải có bộ nguồn một chiều Thông thường để thực hiện mạ ta dùng dòng điện không đảo chiều cấp vào anôt và catôt.Nhưng trong một số trường hợp mạ đặc biệt ,mạ đồ trang sức bằng các kim loại quí như:vàng ,bạch kim…hay các sản phẩm yêu cầu chất lượng cao,nền mạ khó bám…thì người ta dùng dòng mạ có đảo chiều Nguyên tắc mạ đảo chiều như sau:

Hình 2 Đồ thị thời gian thuận – ngược

Trong thời gian t c vật mạ chịu phân cực catôt nên được mạ vào với cường độ dòng thuận I c , sau đó dòng điện đổi chiều và trong thời gian t a 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= t c + t a Nếu I c t c

> I a t a thì vật vẫn được mạ Khi lớp mạ bị hòa tan bởi điện lượng I a t a , thì chính những đỉnh nhọn, gai, khuyết tật là những chỗ hoạt động anôt nhất nên tan mạnh nhất, kết quả là thu được lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ lệ t c : t a thường từ ( 5:1 đến 10:1) và T thường 5 − 10s.Với yêu cầu cụ thể ở đây thì tỉ số t c : t a luôn không đổi là 10 lần Phương pháp này có thể dùng được mật độ dòng điện lớn hơn khi dùng dòng điện một chiều thông thường.Mạ đảo chiều làm tăng cường quá trình mạ mà vẫn thu được lớp mạ tốt.

CHƯƠNG 2 : CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ

2.1.Lựa chọn phương án điều khiển

Để thay đổi và đảo chiều dòng điện để cấp vào bể mạ chúng ta buộc phải thiết kế các bộ chỉnh lưu đảo chiều với sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 3 sơ đồ nguyên lý

Gồm hai bộ chỉnh lưu , mỗi bộ cấp một chiều dòng điện ra tải Vấn đề cơ bản nhất là quá trình đảo chiều.

a.Phương pháp điều khiển riêng

Là phương pháp mà mỗi một chiều dòng điện ra tải ,chỉ có một bộ phát xung ra tải , còn

bộ kia được nghỉ không có xung điều khiển

Phương pháp này phải đảm bảo bộ chỉnh lưu I nghỉ rồi mới phát xung chỉnh lưu II , nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn

Để đảm bảo nghỉ:

- Dòng qua van về đến “0”

- Có một khoảng thời gian khoá chắc chắn Sau khi bộ chỉnh lưu I nghỉ , phải phát bộ kia ở chế độ nghịch lưu rồi mới chuyển dần về chế độ nhỉnh lưu , trong đó luôn khống chế I đ không vượt quá giá trị cho phép

Trong phương pháp điều khiển riêng cần có một mạch logic đảo chiều, điều này làm cho

bộ đảo chiều làm việc không nhanh vì nó có thời gian chết khi đảo chiều.

Hình 4 sơ đồ cấu trúc điều khiển riêng

b.Phương pháp điều khiển chung.

Là phương pháp mà cả hai bộ đều phát xung điều khiển cùng hoạt động ,xong hoạt động ở chế độ trái nhau ,một bộ ở chế độ chỉnh lưu ,một bộ ở chế độ nghịch l ưu , lúc đó bộ đảo chiều không cần bộ logic do đó cho phép đảo chiều nhanh.

Để tránh dòng điện xuyên giữa hai bộ chỉnh lưu , buộc phải đưa vào các cuộn kháng cân bằng , và cuộn kháng này phải tồn tại cả hai đầu cực của tải

Như vậy phương pháp này sẽ đòi hỏi tăng kích thước và giá thành thiết bị, nhưng

bù lại cho phép đảo chiều nhanh, không có thời gian chết.

Hình 5 phương pháp điều khiển riêng

Nhận xét:

Theo yêu cầu của công nghệ , dòng cấp cho bể mạ phải đảm bảo dòng điện chất lượng tốt ,và phải được cấp điện liên tục ,tức là không có thời gian chết.Trong trường hợp này, công suất ra tải nhỏ,vì vậy ta chọn bộ đảo chiều theo phương pháp điều khiển riêng

Với tải là nguồng mạ có các thông số :

U max =36 (V); I tmax =50(A) ; P t =48 50 = 2400(W) =2,4(KW)

Vậy ở đây ta chọn sơ đồ chỉnh lưu một pha

a Chỉnh lưu một nửa chu kỳ

Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ chất lượng điện

- Chất lượng điện áp xấu

- Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp

b Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính

T2 U1

Hình 6 chỉnh lưu 1 nửa chu kỳ

U d

Dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngược trên van T 1 trong trường hợp tải điện cảm lớn.

Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lượng tốt

- Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua

- Khi θ = α cho phát xung mở T 1 , T 1 dẫn do điện áp đầu anot dương và có xung mở Khi

θ = π , điện áp trên anot = 0 nhưng do có cuộn cảm L nên vẫn còn dòng điện I d nên T 1 chưa khoá , T 1 tiếp tục dẫn cho đến khi θ = π + α , phát xung mở T 2 thì T 1 bị khoá và T 2 dẫn T 1 khoá không phải dòng đã về 0 mà là do T 2 dẫn

T 2 lại dẫn cho đến khi θ = 2π+ α , T 1 được phát xung mở , T 1 dẫn và T 2 bị khoá lại Quá trình cứ như vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2 lần tần số điện áp xoay chiều

Với α : là góc điều khiển mở

+ Điện áp trung bình trên tải

U d =2π

2 π+α∫

α

.2

U 2 sinαdα = π

22

.U 2 cosα = U do cosα

U do = π

22

.U 2 = 0,9.U 2 : Điện áp chỉnh lưu không điều khiển khi tải là thuần trở

+ Điện áp ngược trên van là lớn

U nv = 2 2U 2

Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục i d = I d

Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ

+ Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp).

Hình 8 dạng dòng áp trên van

0

2

.2

1

d

I d = 2

Id

= 0,71.I d + Hệ số đập mạch K đm = 0,67.

+ Công suất máy biến áp S ba = 1,48.U d I d

Nhận xét :

+ Ưu điểm :

- So với chỉnh lưu một nửa chu kỳ thì chỉnh lưu hình tia có điện

áp với chất lượng tốt hơn

- Dòng qua van không quá lớn

- Điều khiển van đơn giản

+ Nhược điểm

- Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm việc 1nửa chu kỳ

- Chế tạo biến áp phức tạp

- Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn

- Điện áp ngược trên van là lớn

c.Chỉnh lưu cầu một pha

Hình 9 sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha

Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngược trên van trong trường hợp tải RL , R đủ lớn để đảm bảo dòng qua tải là liên tục được biểu diễn trên hình vẽ

Hình 10 dòng qua van của chỉnh lưu 1 pha

+ Giá trị trung bình của tải

U d =

∫

+α π α

θθ

π 2.U sin .d2

2

2

=

αcos.2

22

2

U

= U do cosα.

U do : điện áp trung bình tải trong chỉnh lưu cầu không điều khiển

+ Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở)

+ Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp

I 2 =

∫

+ α π α

θπ

θπ

Id

= 0.71 I d + Hệ số đập mạch k đm = 0,67

+ Công suất biến áp S ba = 1,23P d

Nhận xét :

Chất lượng điện áp của chỉnh lưu cầu một pha giống như chỉnh lưu hình tia Hình dạng đường cong điện áp , dòng tải , dòng qua van bán dẫn , hệ số đập mạch như trong chỉnh lưu hình tia

+ Ưu điểm :

- Điện áp ngược trên van nhỏ hơn một nửa so với chỉnh lưu hình tia U nv = 2U 2

- Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao hơn so với chỉnh lưu hình tia

+ Nhược điểm :

- Số van nhiều hơn

- Điều khiển van T 1 ,T 2 và nhóm T 3 , T 4 phải đồng thời nên khó khăn hơn.

Nhận xét chung

Dựa vào các phân tích ở trên , hơn nữa đây là chỉnh lưu cấp cho bể mạ có đảo chiều , ta chọn mạch chỉnh lưu tia một pha hai nửa chu kỳ, vì nó được sử dụng nhiều trong dải công suất nhỏ đến vài KW.Sơ đồ này thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp vì nó sụt áp trên đường

ra tải chỉ qua một van.

Sơ đồ khối mạch lực

Hình 11 sơ đồ mạch lực

Mạch lực có 2 bộ chỉnh lưu : bộ bên trái là bộ thuận ( chạy trong thời gian thuận ) , bộ bên phải là bộ nghịch ( chạy trong thời gian nghịch ) Hai bộ này sẽ thay nhau chạy kế tiếp và xen giữa là thời gian nghỉ bằng một chu kì mạ

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MẠCH LỰC

3.1 Tính chọn van lực

Việc tính chọn van cho mạch lực dựa vào các thông số: điện áp làm việc, dòng điện tải, dòng trung bình qua van hay dòng điện làm việc cực đại của van trong sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt.

-Loại van nào có sụt áp ∆U nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn.

-Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn.

-Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn.

-Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điều khiển thấp hơn.

-Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn Tuy nhiên, trong đa số các van bán dẫn thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn hao công suất

_ Điện áp ngược đặt lên van:

U ng =k nv U 2 = k nv u

dk

U

= π.36= 113,1(V) Trong đó : U d ,U 2 , U ng là điện áp tải ,nguồn xoay chiều ,điện áp ngược của van ;

k nv ,k u các hệ số điện áp ngược và điện áp tải; k nv =2 2

; k u = π

2 2

U nv =k dtU U ng

Trong đó hệ số dự trữ điện áp: k dtU =1,6÷2 Chọn k dtU =2;

Unv =2 113,1 = 226,2 (V)

-Dòng trung bình qua Thyristor: Itb =

)(252

50

2 = =

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đủ diện tích tản nhiệt ,không quạt đối lưu không khí

Khi đó chọn hệ số dự trữ dòng làm việc : kdtI = 1,8

Dòng điện làm việc cực đại của Thyristor: Ilvmax = 1,8.35,36=63,65(A)

Từ các thông số trên ta chọn Thyristor (theo dòng điện làm việc cực đại): 151RC có:

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

Dòng điện định mức của van : Ilvmax= 150(A)

Dòng điện đỉnh cực đại : Ipic max = 4000(A)

Dòng điện của xung điều khiển : Ig max =150mA

Điện áp của xung điều khiển : Ug max = 2,5(V)

Dòng điện rò : Ir= 22mA

Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn: ∆U = 1,7(V)

Tốc độ biến thiên điện áp :

) s / V ( 200 dt

du

=

Tốc độ biến thiên dòng điện :

s μ 100A/

dt

di

=

Thời gian chuyển mạch : tcm = 60µs

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : tcp =1250C

3.2.Tính toán máy biến áp

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :

Udo 90% = Ud + ∆Uv + ∆Udn + ∆Uba

Trong đó:90% là độ suy giảm điện áp lưới

Chọn sơ bộ

Từ phương trình cân băng điện áp tải ta có:

)(2,499

,0

16,207

,

1

36

%90

V U

U U

U U

U

do

ba dn

v d

do

=+++

=

∆+

∆+

2,49

22

- Công suất MBA khi không tải: Pdo =Id.Ud0 = 50.17,39 = 869,5(V)

- Công suất biểu kiến của MBA khi không tải: S0 =ks.Pd0 =1,48.869,5=1286,86 1287 (VA)

- Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: I2 =

)(36,352

39,17 2

S ba

Trong đó: kQ: là hệ số phụ thược phương thức làm mát

kQ =4 ÷ 5

với MBA dầu

Hình 12Lõi từ máy biến áp chỉnh lưu

1287 = cm2

Do Sba =1287VA<10kVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật với chiều rộng trụ là a(cm) chiều dày trụ là b(cm)→

QFe =a.b =30,44(cm2)Tiết diện của trụ: QFe=a.b(cm2)

Theo kinh nghiệm thì tỉ lệ b/a=(0,5 ÷

44,30

220

44,

U W

Fe

(vòng) Chọn W 1 = 296(vòng)

- Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA:

39,23296.220

39,17 1

(vòng) Chọn W 2 = 23(vòng)

Với các cuộn dây bằng đồng, MBA khô, chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA : J 1 = J 2 = 2,75(A/mm 2 )

-Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA:

)(02,175,2

8,

4 1

mm S

=

=

ππ

Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S 1 = 1,0568(mm 2 ).

-Kích thước dây có kể cách điện : S cđ1 =

21,124,1.4

.4

2 2

=

=π

π

cd d

(mm 2 ).

Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp:

)/(65,20568,1

8,

36,

-Kích thước dây có kể cách điện: S cđ2 = a 2 b 2 = 2,3.5,55=12,77(mm 2 ).

Tính lại mật độ độ dòng điện cuộn thứ cấp:

)/(84,243,12

36,

*Kết cấu dây quấn sơ cấp :

Thực hiện dây quấn theo kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trụ

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

3159,3095,0.295,0

5,1.25,12

.2

1

k b

h h w

(vòng)

h : chiều cao trụ

hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp

- Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp:

54,931

w n

295,0.31 1

11

k

b w h

+ Đường kính của đường dây trong cùng :

7 +

= 10,92 (cm) + Chiều dài của dây quấn sơ cấp :

*Kết cấu dây quấn thứ cấp :

Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp

h1 = h2 = 10( cm)Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp :

42,0.19 2

12

e k

b w

h

cm

Chọn ống quấn làm bằng vật liệu cách điện lót giữa trụ và dây quấn có bề dày :

+ Đường kính của cuộn dây trong cùng :

14 +

= 14,89 (cm)+ Chiều dài dây quấn thứ cấp :

Kiểm tra các điều kiện của cửa sổ:

Chiều dày của dây quấn sơ cấp và thứ cấp khi quấn lên trụ :

=

02,0

67,0

= 33,5

d I U

Ta có :

L =

1

2 1

−

sb dm

d k m

R

ω

=

15,33.50 2.2

72,

−π

10.26,41[

/

0

I U mt

d

−

∆++

=2,7(V)

Vậy r20 =

)]

206040(10.26,41[

50/7,2

cC

Hình 13Lõi từ cuộn kháng lọc

*Số vòng dây của cuộn cảm :

w = 414

dq

CS l

S

r 20

= 414

62,67

4,194.04,0

I w.

.100

50.141.100

= 8159,72 (A/m)

*Tính cường độ từ cảm Chỉnh lưu tia hai pha có 2 đập mạch trong một chu

S f w

U

44.4

10 4

~

∆

=

5,121.100.141.44,4

10.7,

S w

.100

2

µ

5,121.141.10.55,

4,194.62,67

Vậy tiết diện dây : d=

s

13,1

= 6,69(mm) Chọn d = 6(mm)

*Xác định khe hở tối ưu :

*Tính kích thước cuộn dây :

Chọn lõi cuộn dây có độ dày 5mm , nên độ cao sử dụng để quấn dây :

w’ = d

sd h h

= 8,29 Vậy quấn được 9 lớp

cd là 1mm thì độ dày của cả cuộn dây :

∆

d là độ dày dây quấn

cd nhỏ hơn kích thước 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 =

)20.(

10.26,41

02,1

∆

−

=

)2040.(

10.26,41

50.7,2.02,1

3.4.Tính chọn các thiết bị bảo vệ

a.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 được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép T cp nào

đó nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả

m k

P

S = ∆

∆p : tổn hao công suất (W)

T:độ chênh lệch so với môi trường

T mt = 40 0 C

Nhiệt độ làm việc cho phép T cp =125 0 C

Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt

T lv =80 0 C T=T lv -T mt =80 – 40 = 40 0 C

K m :Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn K m =8 (w/m 2 0 C)

Vậy:

)(187,040.8

112,

m

Chọn loại cánh toả nhiệt có 10 cánh

Kích thước mỗi cánh a.b=10.10(cm 2 )

Tổng diện tích toả nhiệt của cánh

S=10.2.10.10=2000(cm 2 )

b.Bảo vệ quá dòng của van :

Để bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor thì thường sử dụng thiết bị Áptômát dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắnmạch Thyristor, ngắn mạch đầu

ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu.

Dòng điện làm việc chạy qua Aptômát:

)(96,1380.3

1287380

-Dòng quá tải I qt =1,5 I lv = 1,5.1,96=2,94(A)

Từ đó chọn áptomat BW32AAG MCCB-Aptomat Fuji 2P, có: I đm =3 or 5A.