Thiết kế nguồn mạ một chiều không đảo chiều dòng mạ (tt)

1.1.1 Các thành phần chính trong mạ điện phân Mạ điện phân gồm các thành phần chính dưới đây:  Bộ nguồn điện một chiều: Nguồn điện được sửa dụng cho quá trình mạ điện là nguồn một chiều

Báo cáo môn học đồ án 2

1 Phụ lục

1 Chương I: Công nghệ mạ điện và các yêu cầu công nghệ 3

1.1 Tìm hiểu chung về công nghệ mạ 3

1.1.1 Các thành phần chính trong mạ điện phân 4

1.2 Yêu cầu kỹ thuật 5

2 Chương II: Phương án tổng thể 7

2.1 Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế 7

2.2 Chọn sơ bộ phương án 8

2.2.1 Đề xuất sơ đồ đấu van 8

2.2.2 Phân tích lựa chọn mạch van 9

2.2.3 Mạch điều khiển 9

3 Chương III: Tính toán cho mạch lực và mạch phát xung 11

3.1 Tính thông số cho mạch lực 11

3.1.1 Chọn van thyristor 12

3.1.2 Các tham số máy biến áp lực 12

3.1.3 Chọn mạch bảo vệ 13

3.2 Mạch phát xung 14

3.2.1 Khâu tạo xung đơn 15

3.2.2 Khâu tạo điện áp tựa 16

3.2.3 Các phần tử khác 18

3.3 Tính khâu khuyếch đại xung dung biến áp 19

4 Chương IV: KẾT LUẬN 20

Chương I: Co ng nghệ mạ điệ n vạ cạ c yệ u

cạ u co ng nghệ

1.1 Tìm hiểu chung về công nghệ mạ

Bằng sự phát triển về công nghệ, công nghệ mạ đang được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực từ công nghiệp, điện tử đến sản xuất trang sức Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi là còn có thể là chất liệu gốm, sứ hay composit Lớp mạ cũng đa dạng, ngoài kim loại hoặc hợp kim, còn có thể là composit của kim loại- chất dẻo, hay kim loại- gốm….Tuy nhiên, việc lựa chọn chất liệu mạ, chất lượng sản phẩm sau khi mạ được căn cứ vào yêu cẩu giá thành của sản phẩm hoàn thiện

Ngày này, mô hình tổng quát về quá trình mạ điện được xây dựng theo sơ đồ hình 1.1

Hình I.1: Sơ đồ nguyên lý quá trình mạ điện phân

1.1.1 Các thành phần chính trong mạ điện phân

Mạ điện phân gồm các thành phần chính dưới đây:

 Bộ nguồn điện một chiều:

Nguồn điện được sửa dụng cho quá trình mạ điện là nguồn một chiều DC Các bộ nguồn một chiều có thể cung cấp cho quá trình có thể là ắc-quy, pin, máy phát điện một chiều và các đầu ra các bộ biến đổi thành nguồn một chiều Hiện nay, các bộ biến đổi được sử dụng rộng rãi bởi những ưu điểm vượt trội về tính gọn nhẹ, tiện lợi, tự động hóa và dễ dàng điều khiển cùng độ ổn định cao Điện áp đầu ra của bộ biến đổi thấp: 3V, 6V, 12V, 24V,… tùy yêu cầu sử dụng

 Catot (Chi tiết cần mạ):

Là điện cực được nối với cực âm của nguồn điện một chiều Tại bề mặt của catot, diễn ra quá trình khử được thể hiện qua phương trình hóa học:

Mn+ + n*e = M Khi đó, các nguyên tử kim loại sẽ bám chặt vào bề mặt chi tiết cần mạ

1.2 Yêu cầu kỹ thuật

Để đảm bảo chất lượng tốt nhất của lớp mạ, các chi tiết khi cần mạ trước hết phải đạt một số yêu cầu:

 Độ sạch của bề mặt chi tiết cần mạ càng cao thì chất lượng lớp mạ sẽ càng bám và đều

 Độ nhẵn của bề mặt chi tiết ảnh hưởng đến sự phân bố lớp mạ, có thể khiến lớp mạ không được đều và giảm tính thẩm mĩ, giá thành sản phẩm

Như vậy, catot cần được gia công nhẵn bóng, laoị bỏ lớp gỉ, bụi bẩn,… trước khi đưa vào mạ để sản phẩm có chất lượng tốt nhất

Ngoài ra, catot khi được đưa vào bình điện phân phải được nhúng ngập nhưng không được chạm đáy bể

Tại các điểm tiếp xúc giữa các điện cực với nguồn một chiều cần được đảm bảo tiếp xúc tốt, không gây hiện tượng phóng điện trong quá trình điện phân

 Dung dịch điện phân:

Dung dịch mạ giữ vai trò trong việc quyết định về chất lượng, tốc độ mạ, độ dày và vật liệu chi tiết cần mạ Dung dịch mạ thường là hỗn hợp các ion kim loại, chất điện ly và các chất phụ gia nhằm đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu mong muốn Một số chất phụ gia thường được sử dụng:

 Chất dẫn điện: Đóng vai trò tăng khả năng dẫn điện cho dung dịch

 Chất bóng: Giúp chi tiết sau mạ có độ bóng mịn, tang tính thẩm mỹ

 Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn phẳng

 Chất thấm ướt: Trên catot thường có phản ứng phụ sinh ra các bọt khí hidro, chất này sẽ giúp các bọt khí nhanh chóng thoát khỏi điện cực, thúc đẩy quá trình điện phân

 Yêu cầu kỹ thuật cho dung dịch mạ

Dung dịch mạ cần có độ dẫn điện cao để tránh tổn thất điện áp trong quá trình mạ

Cần đảm báo mật độ dòng điện được duy trì trong dung dịch mạ ở mức ổn định để có được lớp mạ mịn và bám tốt

Ngoài ra, cũng cần lưu ý đến độ pH và nhiệt độ của dung dịch mạ trong quá trình thực hiện

Một sản phẩm mạ được đánh giá cao khi đảm bảo về độ bám và bóng mịn của lớp mạ Đồng thời, các dáp ứng về độ bền cơ học, chống oxi hóa cũng được quan tâm đến nếu sản phẩm có yêu cầu

Chương II: Phương ạ n to ng thệ

1.3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế

Hầu hết các thiết bị điện tử đều hoạt động ở điện áp một chiều nên để lấy năng lượng từ lướt điện xoay chiều, cần thông qua bộ biến đổi từ xoay chiều sang một chiều gọi là mạch chỉnh lưu Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bao gồm các khâu:

Sơ đồ cấu trúc bộ thiết kế chỉnh lưu Trong đó:

 BAL: Biến áp lực có chức năng chuyên cấp điện áp và số pha chuẩn của lưới điện sang giá trị điện áp và số pha thích hợp với mạch chỉnh lưu – tải Nếu

cả điện áp và số pha nguồn đã phù hợp với tải có thể không cần dung biến áp lực khi sử dụng sơ đồ đấu van kiểu cầu; trường hợp dung sơ đồ đấu van hình tia luôn bắt buộc phải có biến áp

 MV: Mạch van, các van bán dẫn được đấu theo một kiểu sơ đồ nào đó, ở đây trực tiếp thực hiện quá trình biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều

 MDK: Mạch điều khiển Khi MV sử dụng van bán đẫn điều khiển được: thyristor,…sẽ có mạch này để thực hiện việc cho van dẫn dòng vào các thời điểm cần thiết nhằm khống chế năng lượng đưa ra tải Khi dung van diode sẽ không có mạch này

 LSB: Mạch lọc san bằng Khâu này nhằm đảm bảo điện áp ra dòng điện bằng phẳng theo mong muốn của tải Nếu điện áp sau MV đã đạt yêu cầu, có thể bỏ khâu LSB

 KHT: Khối hỗ trợ, gồm các mạch giúp theo dõi và đảm bảo BCL hoạt động bình thường

1.4 Chọn sơ bộ phương án

Thông số yêu cầu nguồn cấp sau bộ chỉnh lưu:

Điện áp ra (V) : 20-48

Dòng điện max (A) : 600

Công suất bộ mạ điện: Pd=Uddm*Iddm=36*600=21600(W)= 21.6(KW)

Do Pd> 5(KW) nên sử dụng chỉnh lưu ba pha

Đồng thời, sử dụng biến áp ba pha với đầu vào sơ cấp là 380V, đầu ra thứ cấp có điện áp đáp ứng trong dải 30(V)<Uddm<48(V) nên chọn sơ đồ mạch van đấu kiểu cầu

Do điện áp nguồn mạ có thể thay đổi được nên khi chọn van điều khiển cho mạch lực, ta có thể lựa chọn chỉnh lưu điều khiển thyristor

1.4.1 Đề xuất sơ đồ đấu van

 CHỈNH LƯU CẦU BA PHA ĐIỀU KHIỂN

 CHỈNH LƯU TIA BA PHA

1.4.2 Phân tích lựa chọn mạch van

Sử dụng mạch chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển Mạch có số van lớn, sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp cho phạm vi điện áp làm việc thấp Trong phạm

vi của đồ án, mạch van sử dụng sơ đồ này không đáp ứng được hết

Sử dụng mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển Mạch với ưu điểm cấp điện áp ra từ 10V trở lên, dòng tải lên đến hàng trăm ampe Thông qua tính toán sơ

bộ, t chọn được sơ đồ đấu nối mạch van

1.4.3 Mạch điều khiển

Có 02 hệ điều khiển cơ bản là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ

 Hệ đồng bộ: Trong hệ này, góc mở α luôn được xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp mạch lực Vì đó, trong mạch điều khiển cần có một khâu gọi là khâu đồng bộ hay đồng pha để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lọc

 Hệ không đồng bộ: Trong hệ này góc α không xác định theo điện áp lực mà được tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh lưu và vào góc điều khiển của lần phát xung mở van ngay trước đó Do đó, mạch điều khiển này không cần khâu đồng pha, nhưng cần quy chế điều khiển theo nguyên tắc vòng kín

Ta lựa chọn hệ điều khiển đồng bộ để điều khiển mạch van

 Hệ đồng bộ

Gồm 02 nguyên tắc điều khiển:

 Nguyên tắc điều khiển ngang:

Khâu đồng bộ ĐB thường được tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện áp lực Khâu dịch pha DF có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện

áp ra dưới tác động của điện áp điều khiển UĐK Xung điều khiển được tạo thành ở khâu tạo xung vào thời điểm khi điện áp dịch pha UDF qua điểm 0 Xung này nhờ khâu khuyếch đại xung KĐX được tăng đủ công suất, được gửi đến cực điều khiển của van Như vậy, góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi được nhờ sự tác động của UĐK làm điện áp UDF di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian

Hình 4 Nguyên tắc điều khiển ngang

Hình 5 Nguyên tắc điều khiển dọc

 Nguyên tắc điều khiển dọc:

Khâu Utựa tạo ra điện áp tựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi có dạng sin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của UDB Khâu so sánh SS xác định điểm cân bằng của hai điện áp Utựa và UĐK để phát động khâu tạo xung TX Như vậy, trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi

do sự thay đổi trị số của UĐK, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ

Chương III: Tí nh toạ n cho mạ ch lư c vạ

mạ ch phạ t xung

Với số liệu cho trước:

Điện áp ra (V) : 20-48

Dòng điện max (A) : 600

Nguồn xoay chiều đầu vào sơ cấp biến áp lực là U1=380 (V), và tần số f=50 (Hz)

1.5 Tính thông số cho mạch lực

Trị số hiệu dụng điện áp pha nguồn thứ cấp biến áp nguồn:

U2=Uddm2.34 =

362.34 =15.38

I2=0.816*Iddm=0.816*600=489.6 (A)

Hệ số máy biến áp nguồn:

Do tải có dòng điện lớn kèm theo sự phát nhiệt mạnh trên van, thường giảm dòng qua nó nên hệ số dự trữ K1v=1.5~2 Ta chọn K1v=1.7 Khi đó, giá trị dòng trung bình qua van: Itbv<IIv

1v =2001.7 =117.64 (A)

Hệ số dự trữ điện áp cho van KUv thường được lấy trong khoảng từ 1.7 đến 2.2 do thực tế lưới điện không ổn định, ta chọn KUv=2.2 Khi đó, trị số điện áp đặt lên van: Uv>KUv*Ungcmax=2.2*88.2=194.04 (V)

Căn cứ vào giá trị của Uv và Itbv, ta chọn được thyristor T14-125 với các thông số:

Tên Itb(A) Iđỉnh(A) Umax(V) Irò(A) Tph(us) (V) UĐK(V) IĐK(A) T14-125 125 2500 200 25 200 1.75 3.5 0.2

1.5.2 Các tham số máy biến áp lực

Hệ số máy biến áp: Kba = 24.7

Công suất máy biến áp lực:

Sba=1.05*Pd=1.05*21600=22680 (VA)

Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn thứ cấp biến áp nguồn:

I2=0.816*Iddm=0.816*600=489.6 (A) Trị số hiệu dụng dòng điện cuộn sơ cấp biến áp nguồn:

I1= I2

Kba =489.624.7 = 19.82

(A)

1.5.3 Chọn mạch bảo vệ

Trong bộ chỉnh lưu, phần tử kém khả năng chịu được các biến động mạnh về điện áp và dòng điện chính là các van bán dẫn Quá áp trên van bán dẫn có thể được gây ra từ điện lưới khi có sét đánh, do đóng ngắt các phụ tải chung với nguồn chỉnh lưu (thực tế, lưới điện 220V-380V có thế xuất hiện các quá áp gấp 4-5 lần điện áp hoạt động của bộ chỉnh lưu) Quá áp còn có thể được gây ra do đóng cắt các khối chức năng của bộ chỉnh lưu: đóng biến áp lực có thể gây quá áp 30%-40% điện áp lưới,…

Hệ số quá áp của van:

k=UUcp

tt =200*1.188.2 =2.49 Với Ucp là điện áp lớn nhất cho phép đặt lên van ở chế độ phi chu kỳ, lấy chênh 10% so với giá trị cho phép ở chế độ chu kỳ

Dựa vào k=2.49, ta chọn được C*=0.11(F), R*max=4.1(Ôm) , R*min=2(Ôm) Biên độ dòng thứ cấp:

U2m=1.41*U2=1.41*15.38=21.69 (V) Biên độ dòng từ hóa:

Iumax=0.04*I2=0.04*489.6=19.59 (A) Năng lượng từ trường tích lũy trong biến áp:

Wu= Sba*Iumax2.83*I2*w =

22680*19.592.83*489.6*2*3.14*50 =1.02

Sơ đồ sử dụng mạch tạo xung rang cưa tuyến tính đi xuống, vì vậy cần đưa điện áp

răng cưa Urc đến cổng đảo của mạch so sánh Đầu ra khâu dung khuyếch đại xung dừng biến áp nhằm cách ly mạch điều khiển và mạch lực

1.6.1 Khâu tạo xung đơn

Ta chọn tx=100 (us), khâu so sánh sử dụng OA với nguồn E= +(-)12 (V), và transistor đầu vào của khuyếch đại xung cần dòng điều mở bão hòa không dưới 1(mA)

Rtđ =

(A)

Ta rút ra, với Ubh=E–1.5 (V)= 10.5 (V)

Rtđ=2Ubhi(tx) = 2*1.05

0.001 =3.47 (Ôm) Điện trở R8 phải nhỏ hơn nhiều so với điện trở R9 để đảm bảo dòng chủ yếu chảy vào cực bazơ T4, vì vậy chọn R8 gần bằng giát trị Rtđ, R9=3.9 (Ôm), nên:

1.6.2 Khâu tạo điện áp tựa

Ta chọn E= (V) và điện áp răng cưa Urcmax=10 (V) Khi đó,

 Chọn diode ổn áp KC2210B:

Tên Uổn áp (V) Pmax (mW) Rđ (Ôm) Imax (mA)

Với điện áp E= 12V Chọn T2 loại BC478(pnp) có tham số:

Tên ICmax (A) PCmax (W) UCEOmax (V)

Các transistor T1, T3 đều chọn loại BC108

Tên ICmax (A) PCmax (W) UCEOmax (V)

1.7 Tính khâu khuyếch đại xung dùng biến áp

Có tx=100(us) nên fxc=10(kHz) và chu kỳ lặp lại là 20ms Biết Thyristor đòi hỏi điện áp điều khiển 3.5V và dòng điều khiển là 200 mA

Chọn biến áp xung có tỷ số k=2, tham số điện áp và dòng điện cuộn sơ cấp là:

⁄ =0.002 (A) Chọn T4 dựa vào điện áp ECS và dòng vào nhỏ hơn so với T5 50

lần Transistor T4 luôn nhỏ hơn T5 nên có thể chọn luôn cho T4 giống như T5

Chương IV: KẾ T LUẬ N

Sau 1 thời gian làm việc tích cực, khẩn trương, tới nay em đã hoàn thành bản

đồ án của mình với đề tài “ Thiết kế nguồn mạ điện một chiều không đảo”

Đề tài đã cho thấy ý nghĩa hết sức quan trọng mang tính chiến lược của ngành Tự động hoá Công nghiệp trong đời sống sinh hoạt, sản xuất công nghiệp và

sự tồn tại của mỗi quốc gia

Đề tài cho em thấy được ý nghĩa rất quan trọng vì thông qua quán trình thiết

kế đã giúp em tính toán cũng như được đọc và hiểu thêm các tài liệu tham khảo Đồng thời, đây là bước tập dượt quan trọng giúp em tính toán cũng như đọc và hiệu thêm các tài liệu tham khao đó để áp dụng tốt những kiến thức của nhà trường

Tuy nhiên do mới làm quen với cách tính toán và thiết kế 1 nguồn mạ điện một chiều không đảo nên trong cách lựa chọn công thức và cách thức tính toán đã làm cho kết quả có phần khác biệt nhỏ so với các thiết kế có sẵn trong thực tế cũng như các thiết kế chuẩn trong tài liệu khác

Trong quá trình làm và hoàn thành đồ án, em đã nhận được sự giúp đỡ hướng dẫn của các thầy cô giáo trong bộ môn, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn: Nguyễn Mạnh Cường Mặc dù đã cố gắng nhưng em, không thể tránh khỏi những khiếm khuyết Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ

án này được hoàn chỉnh hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Tạ i liệ u thạm khạ o

1 Trần Trọng Minh Bài giảng điện tử công suất NXB Giáo dục

2 Phạm Quốc Hải Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất NXB Khoa học và kỹ thuật

3 Võ Minh Chinh, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất NXB Khoa học và kỹ thuật