Thiết kế nguồn mạ một chiều với các thông số udmax=12(v),idmax=1500(a)

Lớp mạ điện có rất nhiều ứng dụng trong thực tế và kỹ thuật nó có thể bảo vệ tốt cho kim loại khỏi bị ăn mòn hoá học hay điên hoá trong môi trường sử dụng.Xuất phát từ khả năng của nó gư

Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Trần Văn Huy.Các số liệu và kết quả để trong đề tài là hoàn toàn trung thực.

Để hoàn thành bản đồ án này,em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được ghi trong bảng các tài liệu tham khảo,không sử dụng tài liệu nào khác mà không liệt kê ở phần tài liệu tham khảo

Hà Nội, ngày 14 tháng 6 năm 2013 Sinh viên

Hồ Mạnh Hùng

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI NÓI ĐẦU 1

4.9 Khâu dạng xung 37

4.11 Khâu phản hồi 40

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 các nước trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh con người Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phương tiện 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 được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn

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 cung như trong kinh doanh

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 tưng bước tiếp cận môn học Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ áp dụng vào thực tế, ở học kỳ này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : ‘‘Thiết kế nguồn mạ một chiều với các thông số

Udmax=12(V),Idmax=1500(A)’’ 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 thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là thầy Trần Văn Huy 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 tránh khỏi những sai sót mong các thầy giúp đỡ Cuối cùng em xin chân thành

cảm ơn !

Hà nội, ngày 20 tháng 6 năm 2013 Sinh viên

Hồ Mạnh Hùng

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN

1.1 Lịch sử công nghệ và ngành mạ điện

Ngành mạ điện được nhà hóa học ý Luigi V Brugnatelli khai sinh vào năm 1805 Ông

đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp Alessandro Volta, pin Volta để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên Phát minhcủa ông không có ứng dụng trong công nghiệp trong suốt 30 năm và chỉ được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm Năm 1839, hai nhà hóa học Anh và Nga khác độc lập nghiên cứu quá trình mạ kim loạiđồng cho những nút bản

in Ngay sau đó, John Wright, Birmingham, Anh sử dụng KaliXyanua cho dung

dịch mạ vàng, bạc

Vào thời kì này, đó là dung dịch duy nhất có khả năng cho lớp mạ kim loại quý rất đẹp Tiếp bước Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sáng chế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840 Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện tại Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới Cùng với sự phát triển của khoa học điện hóa, cơ chế điện kết tủa lên bề mặt kim loại ngày càng được nghiên cứu và sáng

tỏ Kĩ thuật mạ điện phi trang trí cũng được phát triển Lớp

mạ kền, đồng, kẽm, thiếc thương mại chất lượng tốt đã trở nên phổ biến từ những năm

1850 Kể từ khi máy phát điện được phát minh từ cuối thế kỉ 19, ngành công nghiệp mạ điện đã bước sang một kỉ nguyên mới Mật độ dòng điện tăng lên, năng suất lao động tăng, quá trình mạ được tự động hóa từ một phần đến hoàn toàn Những dung dịch cùng với các phụ gia mới làm cho lớp mạ đạt chất lượng tốt hơn Các lớp mạ được nghiên cứu phát triển để thỏa mãn cả yêu cầu chống ăn mòn lẫn trang trí, làm đẹp Kể từ sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta còn nghiên cứu thành công kĩ thuật mạ cromcứng, mạ đa lớp, mạ đồng hợp kim mạ kền sunfamat

Nhà vật lí Mỹ Richard Feynman đã nghiên cứu thành công công nghệ mạ lên

nền nhựa Hiện nay công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi Kĩ thuật mạ hiện là một trong ba quá trình trong chu trình LIGA - được sử dụng trong sản xuất robot điện tử siêu nhỏ (MEMS)

1.2 Mục đích sử dụng lớp mạ.

Lớp mạ điện có rất nhiều ứng dụng trong thực tế và kỹ thuật nó có thể bảo vệ tốt cho kim loại khỏi bị ăn mòn hoá học hay điên hoá trong môi trường sử dụng.Xuất phát từ khả năng của nó gười ta đã ứng dụng để tạo ra các lớp mạ cần thiết bảo vệ bề mặt cho các loại náy móc trong công nghiệp và các nghành khoa học …

- Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy, dụng cụ sinh hoạt …đã giúp bảo vệ các dụng cụ và các chi tiết đó khỏi các tác động của môi trường ngoài

- Lớp mạ có tác dụng trang trí bên ngoài sản phẩm làm tăng vẻ đẹp sản phẩm và sức thu hút của mọi dụng cụ máy móc , đồ dùng cá nhân ,trang sức…

- Có một số chi tiết máy do nhu cầu thực tế là giá thành hạ và không cần dùng kim loại hay hợp kim đắt tiền để chế tạo người ta sử dụng các kim loại hay hợp kim rẻ tiền rồi mạ các lớp mạ lên nó tạo điều kiện cho việc tiêu thụ sản phẩm tốt…

- Ngoài các lớp mạ thông thường còn có lớp mạ kỹ thuật đó là lớp mạ có các tính chất lý hoá đặc biệt mà các lớp kim loại nền không có…

- Lớp mạ ca tốt: lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế dương hơn điện thế kim loại nền

- Lớp mạ Anốt: lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế âm hơn điện thế kim loại nền

1.3.2 Lớp mạ trang trí

Lớp mạ này có độ bang sáng màu hấp dãn giữ được lâu ví dụ như :mạ vàng mạ bạc…Thường dùng mạ ca tốt

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

Người ta tạo lớp mạ trang trí bằng cách tạo một lớp mỏng kim loại trên bề mặt vật cần

mạ, độ bóng tạo ra bằng cách đánh bóng cơ khí hoá học điện hoá 1.3.3 Lớp mạ trang trí bảo vệ

Là loại lớp mạ vừa trang trí vừa bảo vệ kim loại nền

Ví dụ:dùng lớp mạ ca tốt như niken-crôm,đồng -crôm….do niken có độ bền cao nên đóng vai trò là lớp bảo vệ

1.4 SƠ ĐỒ ĐIỆN PHÂN

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, trước hết ta cần phải nắm rõ một số khái niệm cũng như các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân Ta dựa vào sơ đồ điện phân như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ điện phân

Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ như phòng thí nghiệm đồng thời cũng dùng trong qui mô sản xuất lớn Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân :

1.4.1 Nguồn điện một chiều

Cung cấp dòng điện một chiều cho bể mạ.Có thể là pin, ắc qui, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi,thậm chí nguồn điện hóa học… Ngày nay được dùng phổ biến nhất là

bộ biến đổi vì công suất lớn,dễ sản xuất Một bể mạ yêu cầu giá trị dòng điện và điện áp riêng 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 thường dùng điện áp 6V hay 12V Để mạ Crôm dùng 12V

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

Anốt không hòa tan dùng trong trường hợp mạ Crôm

Khi điện phân ở bề mặt anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa

Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là O2 hay Cl2

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

Khí H2 thoát ra trên bề mặt ca tốt có khả năng thấm sâu vào mạng tinh thể kim loại mạ

và các kim loại nền, làm giảm độ bền cơ học của kim loại (khí H2 khi gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại) Người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng “ giòn kim loại “

Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loạ nền đồng thời cho lớp mạ đồng đều, bóng sáng hấp dẫn, trước 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, thường ngập dưới mặt nước 8 – 15cm

và cách đáy bể khonảg 15cm Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiên tượng phóng điện trong chất điện phân Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt

và catốt khi đã nối mạch điện

1.4.4 Dung dịch chất điện phân.

Dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường 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 được

- 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 được tổn thất điện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn

- Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng 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 lượng cao trong một khoảng nhiệt độ nhất

định .VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là .C

70

55 → , mạ vàng .C

70

60 → Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt 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 thường cho lớp mạ có chất lượng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu được từ nuối đơn VD lớp mạ thu được từ dung dịch

Bể mạ thường có dạng hình chữ nhật, điều này giúp cho lớp mạ được phân bố

đều hơn bể có hình dạng khác Có nhiều bể mạ như 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 trước khi mạ

Yêu cầu bề mặt trước khi mạ :

- Trước khi mạ vật cần mạ được tiến hành gia công cơ khí để có bề mặt bằng phẳng, đồng thời tẩy xóa các lopứ gỉ, đánh bóng bề mặt theo yêu cầu sử dụng

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

mạ

Tóm lại trước 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 như vậy lớp mạ thu được mới có độ bóng tốt, không sước, không sần sùi, bóng đều toàn lớp mạ đồng nhất như ý

Phương pháp gia công bề mặt kim loại trước khi mạ :

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

- Phương 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 phương pháp gia công cho hiệu qủa tốt nhất lại có giá thành rẻ, đòi hỏi người 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 lượng và hình thức lớp mạ Chất lượng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bản vào phương pháp được 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 mạ

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

1.5 GIA CÔNG BỀ MẶT KIM LOẠI TRƯỚC KHI MẠ

Gia công chuẩn bị bề mặt kim loại trước khi mạ là công việc vất vả,tốn kém, nhưng không thể bỏ qua hoặc giảm bớt,vì nó quyết định chất lượng sản phẩm mạ.Nhiệm vụ quan trọng nhất của gia công bề mặt là làm sạch hết các lớp gỉ của màng axit,màng dầu mỡ,tạp chất trên bề mặt kim loại để tạo điều kiện cho lớp mạ gắn chặt với nền, tùy đặc điểm của sản phẩm mạ mà nhiệm vụ gia công bề mặt có những yêu cầu riêng Có các phương pháp gia công bề mặt:

Gia công cơ học: gồm mài, đánh bóng, quay xóc, chải phun

- Tẩy dầu mỡ: bằng các cách tẩy trong dung môi hữu cơ,tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm nóng,tẩy dầu mỡ điện hóa siêu âm

- Tẩy rỉ: Tẩy kim loại đen,tẩy rỉ hóa học,tẩy rỉ điện hóa,tẩy rỉ kim loại màu

- Tẩy nhẹ:

- Rửa

- Tẩy bóng điện hóa và hóa học

Gia công bề mặt trước khi mạ phải trải qua nhiều bước tùy vào đặc điểm của phôi,yêu cầu của sản phẩm….mà chọn số bước và thứ tự trong các phương pháp trên để cho hợp lý nhất về kinh tế lẫn kỹ thuật

1.6.CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ MẠ

Giai đoạn chuẩn bị: Xét đến bản chất vật cần mạ(nền),mức độ nhiễm bẩn và độ nhám

bề mặt của chúng.Độ nhấp nhô δ của bề mặt bảo vệ không được vượt quá 40 μm ,mạ trang sức bảo vệ δ < 2,5 μm,mạ tăng độ cứng và mạ cách điện δ < 1,25 μm.Chọn dung dịch mạ căn cứ vào đặc tính vật cần mạ

Giai đoạn mạ: tiến hành mạ trong khoảng thời gian tính toán trước giữ dòng điện không đổi trong quá trình mạ

Giai đoạn hoàn thiện: Thường là các bước trung hòa,tẩy sáng,lấp đầy lỗ Sau khi chọn xong các bước cần lập quy trình công nghệ thành bảng,tiếp đó trình bày cách pha chế dung dịch

Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể tính dực theo định luật Farađây

M = S.DC.t.H.C (g)

Trong đó S : Diện tích mạ (dm)

Dc: Mật độ dòng điện Catốt (A/dm2)

H : Hiệu suất dòng điện

t : Thời gian mạ (h)

C : Đương lượng điện hóa của ion kim loại mạ (g/Δh)

Chiều dày lớp mạ được tính như sau:

δ = 1000.Dc.t.C (μm)

Trong đó δ : Chiều dày trung bình lớp mạ (μm)

γ : Trọng lượng riêng kim loại mạ (g/cm2)

t : Thời gian mạ (h)

C : Đương lượng điện hóa kim loại mạ (g/Δh)

H : Hiệu suất dòng điện (%)

1.6.1 Các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm mạ

a Độ bóng

Thể hiện tính thẩm mỹ của sản phẩm mạ,đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng lớp mạ.Muốn có được lớp mạ có độ bóng cao thì phải giữ mật độ dòng điện hợp lí khi mạ mỗi vật liệu nhằm tạo ra các tinh thể nhỏ mịn

b Độ bám

Cũng là một trong những tính chất quan trọng.Vì lớp mạ và nền khác bản chất nên lớp

mạ rất dễ bị bong ra do lực cơ học tác dụng,do biến dạng.Độ bám cực đại,có thể đạt tới chính là độ bền liên kết hoàn chỉnh giữa kim loại mạ và nền.Độ bám sẽ giảm nếu giữa kim loại mạ và nền hình thành lớp khuếch đại có độ dòn cao.Phương pháp ủ nhiệt có thể làm tăng độ bám tuy nhiên cũng có thể làm giảm độ bám nếu sử dụng không hợp lí

c Độ dày lớp mạ

Để đảm bảo lớp mạ dày đều cần chọn thành phần dung dịch và chế độ thích hợp.Tuy nhiên trong trường hợp cần mạ thật dày ta còn phải dung đến các biện pháp hỗ trợ khác như:Catốt phụ,vật chắn điện,…và giữ thời gian mạ hợp lí

Ngoài ra phải kể đến độ xốp : quyết định khả năng bảo vệ và phạm vi ứng dụng của lớp mạ: lỗ to,lỗ nhỏ,rãnh….Để giảm độ xốp lớp mạ ngoài việc chuẩn bị tốt nền,chọn điều kiện mạ thích hợp,tăng chiều dày lớp mạ chồng lên nhau làm cho các lỗ xốp lệch nhau

1.7 Các yếu tố ảnh hưởng tới mạ một chiều

Để xét tới ảnh hưởng của các yếu tố điện đến quá trình mạ cũng như đến chất lượng sản phẩm mạ trước hết ta xét đến tính chất tải của bể mạ:

Tải bể mạ thuộc loại tải R_E_C.Tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ,hằng số thời gian nạp xả tụ rất nhỏ do đó có thể coi ảnh hưởng của tụ là nhỏ không đáng kể.Sức điện động E của bể mạ nhỏ nên có thể bỏ qua.Từ đó có thể coi tải của bể mạ là thuần trở nên muốn có dòng điện qua bể mạ có độ bằng phẳng cao thì điện áp nguồn cũng phải thật

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

phẳng.Đây là một trong những yêu cầu của nguồn mạ.Trong quá trình mạ tải có biến động là bởi vì: Trở kháng tải của nguồn mạ phụ thuộc vào các dung dịch trong bể mạ hay phụ thuộc vào mật độ ion của bể mạ

Trong quá trình mạ các ion kim loại được kết tủa trên bề mặt vật mạ,làm cho mật độ ion thay đổi và dẫn đến trở kháng tải cũng thay đổi theo.Nếu trong trường hợp điện áp giữ cố định thì dòng điện cũng thay đổi làm cho mật độ ion kết tủa trên vật sẽ không đều.Chính vì vậy người ta thường bổ sung định kì hàm lượng kim loại mạ vào trong bể mạ

Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong quá trình mạ,với mỗi vật cần mạ cần giữ dòng mạ ở một giá trị nhất định

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

I = DC.y (A)

Trong đó Dc: Mật độ dòng catốt (A/dm2)

y : Phụ tải của bể mạ (dm2)

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ,mịn siết chặt và đồng đều,bởi

vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại các điểm lợi thế mà cả trên các mặt phẳng (ít lợi thế) của tinh thể.Mặt khác khi mật độ dòng điện cao làm cho ion kim loại

mạ nghèo đi nhanh chóng trong lớp dung dịch sát catốt,do đó phân cực sẽ tăng lên tạo điều kiện sinh ra lớp mạ có tinh thể mịn

Nếu mật độ dòng quá cao (gần đến dòng giới hạn) cũng không được vì lúc đó lớp mạ sẽ

bị gai,cày hoặc cháy.Ngoài ra nếu dùng anôt tan thì nó sẽ bị thụ động hơn và dung dịch

sẽ nghèo dần ion kim loại mạ

Ngược 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 phép lớp mạ có chất lượng mạ tốt trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định

Điện trở dung dịch được tính theo công thức :

R = l(100.x.y) (Ω)

Trong đó : l : khoảng cách giữa các điện cực (cm)

x : độ dẫn điện riêng của dung dịch ( Ω-1 cm-1)

y : phụ tải của bể mạ (dm2)

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG 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 lượng lớp mạ thu được 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 phương án nào :

2.1 Ắc quy

Trong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ Do hạn chế về lượng điện tích lên ắc quy chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy được Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng được Vì vậy mà trong công nghệ mạ người ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn mạ

2.2 Máy phát điện một chiều

Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện mộtchiều khắc phục được các nhược điểm của ắc quy Máy phát điện một chiều trong thực tế có thể được sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn Nhưng giá thành đầu tư cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển hoạt động khá phức tạp Máy phát điện một chiều với nhiều nhược điểm : cổ góp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn Máy phát điện một chiều cần thường xuyên bảo trì sửa chữa Chính vì các lý do trên lên trong công nghiệp người ta không dùng máy phát điện một chiều

2.3 Bộ biến đổi

Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được 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 Thyristor đã đạt được nhiều thành tựu Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều ngày càng được sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ biến đổi được dùng rộng rãi nhất Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp như : 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50v Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện

Chương 2: Lựa chọn phương án

thế cho phù hợp.Bộ biến đổi với các ưu điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh; dễ tự động hóa; dễ điều khiển và ổn định dòng

Chi phí đầu tư 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 được hơn cả

về mặt kinh tế cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật

Vậy quyết định phương án là dùng bộ biến đổi

Với mạch chỉnh lưu có rất nhiều : chỉnh lưu một pha, chỉnh lưu ba pha, chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển… Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn

mạ điện áp thấp và dòng khá lớn Trước hết ta xét trường hợp chỉnh lưu có điều khiển, sau đó ta có thể xét trường hợp chỉnh lưu điốt không điều khiển với góc điều khiển α

=0

Các phương án khả thi :

+ Chỉnh lưu cầu một pha

+ Chỉnh lưu cầu ba pha

+ Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

2.3.1.Phương án 1: Chỉnh lưu cầu một pha

a Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha

Hình 2.1 Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha

b Nguyên lý hoạt động

- Khi L đủ lớn thì dòng điện id sẽ là dòng liên tục

c Phưương trình mạch tải

θθ

θ

d

d X Ri d

+ Π +

Π

d

I d

i

R d U

θ.sin

2

1

2

cos 2

d Ưu nhược điểm của sơ đồ.

- Ưu điểm : Sơ đồ này phù hợp với mach có dòng điện nhỏ ổn định và điều chỉnh công suất phía một chiều do có hai điôt nên giá thành rẻ điện áp ngược đặt lên mỗi van trong

sơ đồ nhỏ

- Nhược điểm : Dòng tải vẫn còn nhấp nhô,không thích hợp với tải có dòng lớnTrong quá trình thay đổi góc điều khiển α thì dòng và áp thay đổi nhưng không giữ tính đối xứng nên quá trình tính toán phức tạp.Không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tượng công suất bị lệch pha Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy qua hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưu cao và dòng tải nhỏ

2.3.2 Phương án 2 : Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

a.Sơ đồ nguyên lý :

Chương 2: Lựa chọn phương án

F T5

T6 T4

u2c

u2a

L T1

T2 T3

Hình 2.3.Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha

Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 thyristor, chia làm hai nhóm :

- nhóm catốt chung T1, T3, T5

- nhóm anốt chung T2, T4, T6

b.Nguyên lý hoạt động

. Hoạt động của sơ đồ :

Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua V F =V c,V G =V b

2 cho xung điều khiển mở T2 Tiristor này mởvì T6 dẫn dòng,

nó đặt U b lên catốt T2 mà U b >U c Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự

T5 T6 T1 T2 T3 T4

00000

θ θ

θ θ

θ θ θ

Chương 2: Lựa chọn phương án

Đường bao phía trên biểu diễn điện thế điểm F

Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế điểm G

2 sin(

U b

) 3

4 sin(

θ

α

α

cos63.sin22

+ Π

U d

U

Giá trị điện áp ngợc lớn nhất trên mỗi van : U ngmax = 6U2 =2,45U2

Dòng điện trung bình chạy qua van

3

d T

- Sử dung số van lớn, giá thành thiết bị cao

- Sơ đồ này chỉ dung cho tải công suất lớn, dung tải nhỏ và điện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng

Do dòng tải dùng trong mạ điện có trị số lớn, nên không áp dụng được phương pháp này,

vì các van không chịu được dòng tải lớn

2.3.3.Phương án 3 : Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng

a.Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.5.Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia 6 pha co cuộn kháng cân bằng

Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, được biểu diễn như trên sơ

đồ, bao gồm máy biến áp động lực, có cuộn kháng cân bằng Ccb , 6 thyristor chia làm hai nhóm T1,T3,T5 và T2,T4,T6

Máy biến áp có hai hệ thống thứ cấp a,b,c và a’,b’,c’ Các cuộn dây trên mỗi pha a và a’; bvà b’;c và c’ có số vòng như nhau nhưng có cực tính ngược nhau

Hệ thống dây cuốn thứ cấp máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt P và Q P, Q được nối với nhau qua cuộn kháng cân bằng

b.Nguyên lý hoạt động

Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng thực chất là hai mạch chỉnh lưu ba pha hình tia đấu song song với nhau,nhờ có cuộn kháng mà chúng hoạt động độc lập không bị ảnh hưởng lẫn nhau

c.Công thức

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 bình cộng của điện áp đầu ra của hai

chỉnh lưu tia 3 pha, nghĩa là :

Chương 2: Lựa chọn phương án

Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng có thể coi dòng tải là phẳng hoàn toàn Như vậy trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp :

Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng

d.Ưu nhược điểm của sơ đồ :

- ưu điểm :

Do chỉnh lưu 6 pha nên dòng qua van nhỏ,tiện lợi cho việc bảo vệ van hầu như không có sóng hài vì Ud gồm 6 chỏm hình sin,dễ điều khiển Phạm vi điều khiển α từ 300 trở đi(phạm vi rộng chất lượng Ud tốt) Chịu được id lớn và Ud nhỏ

+ Dòng điện áp ra có độ bằng phẳng cao, có độ đập mạch lớn

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

- Nhược điểm :

+ Số van sử dụng lớn giá thành cao

+ Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều

2.4 Kết Luận

Qua phân tíchvà đánh giá đầy đủ cả ba phương án ta thấy dòng điện mạ lớn, dòng qua van nhỏ trung bình bằng 1/6 dòng qua tải,đẻ đảm bảo yêu cầu đề bài ta chọn bộ biến đổi dùng làm nguồn mạ là chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng

- 6 điốt không điều khiển

hình dáng và giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải ở trên mỗi pha phụ thuộc vào góc mở α tại mỗi thời điểm ở sơ cấp luôn có 2 Tiristor dẫn dòng

b.Nhận xét:

Chương 2: Lựa chọn phương án

+ ưu điểm : do dòng bên sơ cấp nhỏ nên việc chọn các van thuận lợi

+.nhược điểm: điều khiển sơ cấp là điều khiển gián tiếp vì lúc đó dòng phải qua cảm ứng

từ sang thứ cấp rồi mới cấp cho tải.Do đó Ura của tải sẽ bị hụt đi nên độ chính xác không cao

3.2.Tính toán máy biến áp lực

Từ sơ đồ mạch lực với các thông số ta tính toán máy biến áp lực :

3.2.1.Các thông số cơ bản của MBA

Id=1500A

Udmax=12V

Công suất một chiều trên tải : P d =U do.I d

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực

Với U do =U d +∑∆U d

van ck

3.2.2.Các công thức máy biến áp.

Công suất hiệu dụng của máy biến áp :

)(1,281500.15.26,126

,1

26

,

Vậy chọn máy biến áp có công suất 28 (KVA)

Từ công thức chỉnh lu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có :

α

cos 2

40 cos 6 3

15 2 cos

6 3

2

* Giá trị hiệu dụng dòng chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp :

) ( 435 1500 29 , 0 29 ,

1500 4 , 0

S k Q

.

b

a

b a Q

Q là tiết diện trụ