Đồ Án Mạ Điện

Đồ Án Mạ Điện

Chương 1: Tổng quan về cụng nghệ mạ điện

1.1 Giới thiệu chung về cụng nghệ mạ điện

Sơ đồ thường đươc sử dụng trong quỏ trỡnh mạ điện bằng điện phõn ngày nay:

Sơ đồ cấu tạo

Mạ điện phõn gồm cỏc thành phần cơ bản sau:

1.1.1. Nguồn 1 chiều

a) Máy phát điện một chiều.

Hầu hết các quá trình mạ đều dùng nguồn điện một chiều có công suất khácnhau nhng điện thế chỉ từ 6 -12 V hay 24 V Để cấp điện cho tải một chiều ngời tadùng máy phát điện một chiều:

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy phát cung cấp điện cho bể mạ:

Trong sơ đồ gồm có các phần tử sau:

- MF: là máy phát điện một chiều kích từ độc lập cung cấp điện áp cho quátrình mạ Sức điện động của máy phát đợc thay đổi bằng cách thay đổi dòng điệnkích từ ikt

- ĐCK: Là động cơ không đồng bộ (động cơ sơ cấp) để quay máy phát MF

ra dòng điện một chiều cung cấp dòng điện kích từ cho máy phát điện kích từ độclập, kết quả là máy phát điện kích từ độc lập hoạt động, sinh ra điện áp một chiềucung cấp nguồn điện cho quá trình mạ

Qua việc phân tích sơ đồ nguyên lý hệ thống máy phát điện một chiều cungcấp cho bể mạ, ta thấy hệ thống máy phát có một số u, nhợc điểm sau:

Chuyển dịch ion

- Có thể đảo chiều dòng điện bằng cách đổi chiều dòng điện kích từ ikt.

- Tạo ra dòng điện và điện áp liên tục, lý tởng hơn so với chỉnh lu Vìtrong thành phần dòng, áp không chứa sóng hài bậc cao

- Điều chỉnh điện áp trong một phạm vi tải nhất định

+ Nhợc điểm:

- Chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp

- Cổ góp mau hỏng

- Thiết bị cồng kềnh, khi làm việc có tiếng ồn lớn

- Do sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi than sinh ra tia lửa điện nên rấtnguy hiểm khi vận hành

- Hiệu suất thấp, tổn thất lớn

- Tốn diện tích đặt máy, dễ bị ăn mòn (bị ôxy hoá) do dung dịch mạ,hơi muối, chất phụ gia, chất xúc tác

- Khó điều chỉnh điện áp cho từng bể mạ vì loại động cơ máy phát ờng dùng cho nhiều bể mạ có điện thế và cờng độ dòng điện gần giống nhau do

th-đó cần trang bị mỗi bể một bảng điện trở để điều chỉnh dòng và thế cho phù hợpvới yêu cầu của bể đó

- Đờng dây tải điện từ máy phát tới các bể mạ dài, tiết diện lớn, dẫn

đến tổn hao trên đờng dây lớn, không kinh tế

b) Bộ chỉnh lu có điều khiểu

Ngày nay, do sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn đã đa ra nhiềuứng dụng của nó trong mạ điện, đó là chế tạo ra bộ nguồn chỉnh lu biến đổi nănglợng điện xoay thành dòng điện một chiều dùng cho tải mạ, với những u điểmsau: Bộ nguồn chỉnh lu có kích thớc nhỏ, gọn, không tốn diện tích lắp đặt, không

có phần quay, làm việc với hiệu suất cao, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điềukhiển và ổn định dòng, áp Thờng trang bị một chỉnh lu cho riêng một bể mạ, bốtrí gần các bể mạ mà không sợ bị ăn mòn nhờ vậy nên dây dẫn ngắn, điều chỉnhdòng và thế dễ dàng hơn cho từng bể mạ mà không làm ảnh hởng tới bể khác.B1 Điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu:

- Sơ đồ nguyên lý:

Hình 1.3 Điều chỉnh điện áp bằng bộ điều chỉnh điện áp

xoay chiều.

-Nguyên lí làm việc: Dùng một máy biến áp tự ngẫu để thay đổi điện áp lới xoay

chiều từ trị số cao về trị số thấp hơn, rồi mới qua máy biến áp chỉnh lu cấp điện ápcho bộ chỉnh lu Do đó việc điều chỉnh điện áp ra trên tải đợc thực hiện thông quamáy biến áp tự ngẫu bằng cách dùng động cơ kéo con trợt trợt trên dây quấn thứcấp máy biến áp

- Ưu, nhợc điểm của sơ đồ:

Qua phân tích nguyên lý hoạt động, ta thấy cần phải có hai biến áp (một biến

áp tự ngẫu, một biến áp chỉnh lu) nên giá thành đắt và cồng kềnh

Điều chỉnh điện áp bằng máy biến áp tự ngẫu có hệ số công suất cao, nhng taphải dùng hệ thống chổi than - con trợt để lấy điện áp ra, do đó có tính trễ, khókhăn khi muốn điều chỉnh tinh, bộ chỉnh lu diode dùng ít thuận tiện

B.2 Điều khiển bằng điều áp xoay chiều:

.

.

.

Bộ điều áp xoay chiều chỉnh l uMBA chỉnh l uDiode

H1.2 - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu

H1.4.Điều chỉnh điện áp bằng bộ chỉnh lu có điều khiển.

Dùng một bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (bộ điều áp xoay chiều) để

điều chỉnh điện áp phía sơ cấp biến áp, phía thứ cấp đợc đa vào một bộ chỉnh lu

điện áp dùng Diode Ưu điểm của sơ đồ này là phía sơ cấp điện áp lớn, dòng nhỏ,việc chọn các van Tiristor dễ dàng, nhng lại dùng quá nhiều van bán dẫn, thànhphần hài bậc cao lớn, điều khiển các Tiritor khó khăn, chất lợng điện áp mộtchiều không cao Do đó sơ đồ này không đợc sử dụng phổ biến

B.3 Điều khiển bằng Tiristor:

Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lu:

Các van bán dẫn thờng đợc dùng trong các mạch chỉnh lu là: Diôt và Tiristor.+ Diôt chỉ cho dòng chạy qua khi thế ở Anốt lớn hơn thế ở Catốt

+ Tiristor cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện:

- Thế ở Anốt lớn hơn thế ở Catốt

- Đồng thời phải có tín hiệu điều khiển

Hoạt động của sơ đồ: Khi đặt điện áp xoay chiều u1 vào máy biến áp (MBA)thì ở đầu ra của MBA ta thu đợc một điện áp xoay chiều u2, điện áp này qua bộchỉnh lu sẽ cho ta điện áp một chiều cung cấp cho bể mạ

- Một số u điểm của bộ chỉnh lu:

+ Dễ tự động hoá

+ Dễ điều chỉnh và ổn định dòng, áp

+ Có thể thay đổi điện áp sau chỉnh lu

+ Bộ chỉnh lu có thể đặt ngay sát bể mạ: không tốn không gian đặt thiếtbị; tổn thất trên đờng dây ít

+ Dễ bảo quản, không bị ăn mòn trong môi trờng mạ

+ Thiết bị gọn nhẹ: ví dụ để tạo ra 1kw điện năng một chiều, nếu dùngmáy phát điện một chiều thì phải mất từ 10kg  15kg thiết bị, nhkg thiết bị, nhng nếu dùng vanbán dẫn thì ta chỉ cần 1kg  2kg thiết bị

Z

t

ABC

.

.

.

MBAchỉnh l u

chỉnh l uDiode

+ Nhợc điểm của bộ chỉnh lu:

+ Cho dòng điện và điện áp gián đoạn, không lý tởng bằng máy phát

điện một chiều

+ Điện áp sau chỉnh lu còn chứa thành phần sóng hài bậc cao, nên điện

áp chỉnh lu có sự nhấp nhô, không bằng phẳng Điều này làm nhiễu; ảnh hởng tớichất lợng làm việc của nhiều loại máy móc, thiết bị và các hộ dùng điện mộtchiều

Kết luận: Qua phân tích u nhợc điểm của các thiết bị cung cấp một chiều cho tải

là mạ điện thì: Nếu chọn máy phát điện một chiều, để đáp ứng yêu cầu đòi hỏicủa công nghệ mạ ta phải sử dụng máy phát điện một chiều có nhiều phần tử,nghiều phiến góp, máy phát phải có công suất lớn để bù tổn hao, dẫn đến một sốvấn đề là cổ góp mau hỏng, cồng kềnh, không kinh tế, dễ cháy nổ, không an toàncho ngời sử dụng và thiết bị, … nên trong thực tế ít dùng cho tải mạ điện

Nh vậy chỉnh lu có điều khiển với các u điểm: Thiết bị gọn nhẹ, tác độngnhanh, tự động hoá, dễ điều chỉnh và ổn định dòng áp, … đáp ứng yêu cầu củamạ điện nên đợc chọn làm nguồn cấp điện chủ yếu cho công nghệ mạ

Ta biết rằng thiết kế bộ nguồn cho tải mạ điện , nguồn thường được sử dụng là nguồn 1 chiều

Catot là điện cực nối với cực õm của nguồn 1 chiều

Trờn bề mặt catot luụn diễn ra phản ứng khử cỏc ion kim loại mạ

M n+ + ne = M 

Cỏc nguyờn tử kim loại mạ được sinh ra tạo thành lớp kim loại bỏm lờn trờn bề mặt catot gọi là lớp mạ

1.1.4 Dung dịch mạ

Dung dịch mạ giữ vai trũ quyết định về năng lực mạ và chất lượng mạ Dung dịch mạ thường là 1 hỗn hợp khỏ phức tạp gồm in kim loại, chất điện ly vàcỏc chất phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ cú chất lượng và tớnh chất như mong muốn

+Dung dịch muối đơn : cũn gọi là dung dịch axit, cấu tạo chớnh là của cỏc axit

vụ cơ hũa tan nhiều trong nước phõn ly hoàn toàn thành cỏc ion tự do

Dung dịch đơn thường dung để mạ với tục độ mạ cao cho cỏc vật cú hỡnh thự đơngiản

+ Dung dịch muối phức: ion phức tạo thành ngay khi pha chế dung dịch Ion kim loại mạ là ion trung tõm nội cầu phức Dung dịch phức thường dung trong trường hợp cần cú khả năng phõn bố cao để mạ cho vật cú hỡnh dỏng phức tạp + Cỏc phụ gia:

-Chất dẫn điện : Đúng vai trũ dẫn dũng điện trong dung dịch

- Chất bong: Chất bong thường được dung làm cho lớp mạ nhẵn mịn và búng hơn

- Chất san bằng: Cỏc chất này cho lớp mạ nhẵn , phẳng

- Chất thấm ướt : Trờn catot thường cú phản ứng phu sinh khớ Hydro Chất này thỳc đẩy bọt khớ mau tỏch khỏi bể mạ, làm cho quỏ trỡnh mạ nhanh hơn

1.1.5 Bể điện phõn

Được làm bằng vật liệu cỏch điện,bền về húa học, nhiệt độ và khụng thấm nước

1.1.6 Đảo chiều dũng mạ

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 mạkhó 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 dòngthuận Ic, sau đó dòng điện đổi chiều và trong thời gian ta vật mạ chịu phân cựcanôt nên sẽ tan ra một phần.Sau đó lại bắt đầu một chu kì mới Thời gian mỗi chu

kỳ bằng T= tc + ta .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 mạnh nhất nên tan nhanh nhất, kết quả là thu đợc lớp mạ nhẵn, hoànhảo hơn Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ lệ tc: ta cho hợp lý (5kg thiết bị, nh:1 đến10:1)và T th-ờng từ 5kg thiết bị, nh:10s Với yêu cầu cụ thể trong đồ án này thì tỷ lệ tc: ta luôn không đổi là10:1

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 cờng quá trình mạ mà vẫnthu đợc lớp mạ tốt

1.2 Yờu cầu của cụng nghệ mạ điện

+ Điện áp bể mạ phải nhỏ : 6 - 12V hoặc 24 V, ổn định, và có thể điều chỉnhvô cấp

+ Anot cần được đỏnh sạch dầu mỡ, bụi, lớp rỉ

+ Catot cần được đỏnh búng, sạch nhỳng gập trong dung dịch điện phõn , khụng sỏt đỏy bể điện phõn Chỗ nối catot với nguồn 1 chiều phải đảm bảo tiếp xỳc tốt, khụng gõy hiện tượng phúng điện trong quỏ trỡnh điện phõn Tuyệt đối

khụng để chạm trực tiếp giũa catot và anot khô đó nối mạch điện Làm vậy sẽ giỳp cho lớp mạ đươc sạch khụng lẫn chất bẩn va độ gắn kết sẽ cao hơn

+ Dung dịch mạ phải cú độ dẫn điện cao để giảm tổn thất điện trong quỏ trỡnh

mạ đồng thời làm cho lớp mạ dũng đều hơn Mật độ dũng điện phải cao trong 1 khoảng nhất định.Tựy theo đặc thự của chi tiết mà chọn mật độ dũng điện cho phự hợp Mỗi dung dịch mạ sẽ cho chất lượng lớp mạ tốt trong 1 khoảng nhiệt độ

Do sự phỏt triển của ngành cụng nghiệp núi riờng và nền kinh tế núi chung nờn

ngày nay cụng nghệ thông tin,làm đồ trang sức,để tăng sự chống ăn mũn,phục hồikớch thước ,tăng độ cứng ,dẫn nhiệt,phản quang,dễ hàn và làm búng đồ trang sức

1.4Một số sản phẩm(dây chuyền)thực tế có ứng dụng công nghiệp

Một số sản phẩm thơng mại: Mạ kẽm, crôm, sắt, đồng, thiếc, chì Ngoài ra còn một số kim loại quý hiếm đợc sử dụng để đáp ứng nhu cầu của công nghệ cao: Độdẫn điện cao, đặc tính từ đặc biệt, độ phản quang hoặc hấp thụ ánh sáng, độ chịu mài mòn cao…

Chơng 2 Tính toán và thiết kế mạch công suất

Điều quan trọng nhất trong công nghệ mạ là chất lợng sản phẩm mạ,chất lợng lớp mạ còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố Điều khiển chất lợng mạphải khống chế đồng thời cả dung dịch mạ lẫn cách thức mạ, nhng quan trọngnhất vẫn là dải mật độ dòng điện thích hợp vì nó tạo điều kiện điện phân cóphân cực lớn, do đó mầm tinh thể mới đợc sinh ra dễ dàng hơn Lớp mạ là dovô vàn các tinh thể hợp lại, tinh thể càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt

Mật độ dòng điện cao sẽ thu đợc lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít chặt

đồng đều Vậy để nâng cao chất lợng mạ đòi hỏi chất lợng dòng điện mộtchiều với mật độ cao, độ ổn định lớn và chất lợng điện áp tốt

Công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn ngày càng chính xác,hoànthiện,độ tin cậy cao,kích thớc nhỏ cùng với các u điểm vợt trội của các bộ biến

đổi(BBĐ):thiết bị gọn nhẹ tác động nhanh,dễ điều khiển và ổn địnhdòng… Do vậy nên các BBĐ đợc sử dụng làm nguồn mạ một chiều

 Chỉnh lu cầu một pha:

+Hoạt động của sơ đồ:

Trong nửa chu kỳ đầu thế tại điểm A mang dấu “+”, cũn thế ở điểm B mangdấu “ - ” Nếu đồng thời cú tớn hiệu điều khiển cho cả hai van bỏn dẫn T1 và T3,thỡ hai van mở cho dũng chạy qua (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải cú tớnhchất điện cảm) Cũn đối với tải cú chứa sức điện động E thỡ phải đồng thời cú haiđiều kiện trờn và phải cú thế tại A cú gớa trị lớn hơn sức điện động E thỡ hai vanbỏn dẫn T1 và T3 mới cho dũng qua

Đến nửa chu kỳ sau, điện ỏp tại A và B đổi dấu, thế tại A cú dấu “ - ”, cũn thếtại b cú dấu “ + ” Nếu cú xung điều khiển cho cả hai van T2 và T4 thỡ cỏc van này

sẽ mở thụng (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải cú tớnh chất điện cảm) Nếu

trong tải có thành phần sức điện động E thì phải có thêm điều kiện VB  E thì haivan bán dẫn T2 và T4 mới cho dòng đi qua, để đặt điện áp lưới lên tải Với điện ápmột chiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước

Minh hoạ đường cong dòng và áp tải khi tải có tính chất điện cảm (R + L),đối với tải cảm lớn, dòng liên tục, giá trị trung bình của điện áp ra tải được tínhtheo công thức:



2 2cos

2

U d

H.1.5 - Sơ đồ mạch điện và giản đồ đường cong dòng, áp tải khi tải là R +

L

Chỉnh lưu cầu một pha cho chất lượng điện áp tương đối tốt, dòng điện quavan không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ Việc điều khiển đồng thời haivan bán dẫn gặp không ít khó khăn, nhất là xung điều khiển không đủ lớn Đểkhắc phục nhược điểm này mà chất lượng điện áp vẫn đáp ứng được, người tadùng chỉnh lưu cầu một pha điều khiển không đối xứng Dùng chỉnh lưu cầu mộtpha điều khiển không đối xứng, có thể thực hiện bằng hai phương án khác nhauH.1.6 và H.1.7

Hai phương án này giống nhau ở chỗ: Điều có hai Tiristor và hai Diôt, mỗi lần phát xung điều khiển chỉ cần một xung, điện áp một chiều trên tải và trị

số trung bình giống nhau, đường cong điện áp chỉ có phần điện áp dương nên sơ

đồ không làm việc với tải có nghịch lưu hoàn trả năng lượng về lưới Sự khácnhau giữa hai sơ đồ này được thể hiện rõ rệt khi làm việc với tải cảm lớn, lúc nàydòng điện qua van điều khiển và không điều khiển có sự khác nhau

Cụ thể minh hoạ bằng đường cong điện áp với tải có tính chất điện cảm:+) Phương án thứ nhất (H.1.6a) tương ứng với đường cong điện áp hình (H.1.6b).Khi điện áp ở thời điểm 1 xung điều khiển mở T1 trong khoảng thời gian từ 1

đến , lúc này điện áp ở Anod T1 dương, điện áp ở Catốt của D1 âm nên ta códòng chảy qua tải, qua T1 và D1 Đến khi điện áp u2 đổi dấu (điện áp ở Anod T2

dương) mà chưa có tín hiệu điều khiển mở T2, năng lượng của cuộn cảm được xả

ra qua D2 và T1 Đến khi điện áp đổi dấu thì D1 bị khoá Tirisitor T1 sẽ bị khoá khi

có xung mở Tiristor T2, kết quả là việc chuyển mạch các van điều khiển đượcthực hiện bằng cách mở van kế tiếp

Về trị số, thì dòng điện trung bình chạy qua van: I tb I d

2

1

Dòng điện hiệu dụng của van: Ihd = 0,71.Id

Điện áp qua tải:  

U2f: Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

+) Với phương án thứ hai (H.1.7a) có đường cong minh hoạ bằng hình H.1.7b.Khi góc  = 1 cho xung điều khiển mở T1, trong khoảng thời gian (1 ữ )Tiristor T1 và Diôt D1 cho dòng chảy qua tải Ki điện áp vào u2 bắt đầu đổi dấu,

D2 mở ngay, T1 tự nhiên bị khoá lại, dòng id = Id chuyển từ T1 sang D2 dấu, D2 mởngay, T1 tự nhiên bị khoá lại, dòng id = Id chuyển từ T1 sang D2

Khi điện áp u2 đổi dấu, năng lượng ở cuộn cảm qua các Diốt D1, D2 làm chocác van này đóng vai trò như là Diốt ngược Chính vì thế mà các Tiristor sẽ tựđộng khoá lại khi điện áp nguồn u2 đổi dấu Từ đường cong dòng điện có thể nóirằng dòng qua Tiristor nhỏ hơn dòng qua Diốt.

Nhận xét:

o Nhìn chung các loại sơ đồ cầu một pha có chất lượng điện áptương đương như chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp trung tính, chấtlượng điện áp một chiều như nhau, nên ứng dụng của chúng cũngtương đương nhau Mặc dù vậy ở chỉnh lưu cầu một pha có ưuđiểm hơn thể hiện ở chỗ:

Điện áp ngược trên van bé: Unv = 2U2

t

t

t

ttt

H.1.6b - Giản đồ đường cong dòng,

áp tải của sơ đồ H.1.6a

Biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất sử dụng cao: Sba = 1,23.Pd

Nhưng chỉnh lưu cầu một pha lại có số van nhiều gấp hai lần, nên

giá thành cao hơn, sụt áp trên van lớn gấp hai lần, chỉnh lưu cầu đốixứng thì sơ đồ điều khiển phức tạp => Như vậy không kinh tế

o Các sơ đồ cầu một pha cho điện áp với chất lượng chưa cao, biên

độ đập mạch quá lớn, thành phần đa hài bậc cao lớn, điều nàykhông đáp ứng được cho nhiều loại tải Muốn có chất lượng điện

áp tốt hơn chúng ta phải sử dụng sơ đồ nhiều pha hơn

 ChØnh lu cÇu ba pha ( điều khiển đối xứng )

H.1.11a - Sơ đồ động lực mạch chỉnh lưu cầu ba pha

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 bapha cho điện áp dương

- Nhóm Anốd chung gồm ba Tiristor T2,T4, T6 tạo thành một chỉnh lưu tia bapha cho điện áp âm

- Góc dẫn dòng của mỗi tiristor là:  = 2/3

- Giá trị cực đại của ud1 và ud2 lệch nhau góc /3

Như vậy sơ đồ cầu ba pha có thể coi như là hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắcngược nhau

Điện áp các pha thứ cấp của máy biến áp là ua, ub, uc; góc mở  được tính từlúc giao điểm của các nửa hình sin

Hoạt động của sơ đồ:

- Giả sử tại thời điểm đang xét có hai Tiristor T4 và T5 đamg dẫn dòng, khi điện

áp ở Anôd của Tiristor T5 là điện áp ở pha c, còn điện áp đặt lên Catốt củaTiristor T4 sẽ là điện áp ở pha b (thế ở pha c lớn hơn thế ở pha b: Vc > Vb) Tại

thời điểm    

6

1 cho xung điều khiển mở Tiristor T1, lúc này điện áp ở pha alớn hơn điện áp ở pha c làm Tiristor T5 bị khoá lại; hai Tiristor T4 và T1 mở thôngcho dòng qua Tương tự khi tác động xung điều khiển lệch nhau một góc 3 lầnlượt vào các cực điều khiển của các Tiristor tiếp theo, theo thứ tự quay vòng T1,

H.1.11b - Giản đồ đường cong dòng áp của chỉnh lưu cầu đối xứng.

Khi chúng ta cấp đúng xung điều khiển, dòng điện sẽ được chạy từ pha cóđiện áp dương hơn về pha có điện áp âm hơn Trong khoảng thời gian 1 và 2 ta

có Va > Vb nên khi góc mở van nhỏ hoặc điện cảm lớn trong mỗi khoảng dẫn của

t

một van thuộc một nhóm này thì sẽ có hai van của nhóm kia đổi chỗ cho nhau.Điều này có thể thấy rõ trong khoảng 1 và 3,Tiristor T1 của nhóm K chung dẫn,nhưng trong khoảng 1 ữ 2 Tiristor T4 của nhóm A chung dẫn và trong khoảng 2

và 3 Tiristor T6 dẫn tiếp Trong mỗi nhóm, khi một van mở nó sẽ khoá ngay vandẫn dòng trước nó

Điện áp ngược mỗi van phải chịu sẽ bằng không khi van dẫn và bằng điện ápdây khi van khoá Cụ thể ta xét với điện áp van Tiristor T1, trong khoảng thờigian 1 ữ 3 van dẫn nên điện áp ngược của van Unv = 0, trong khoảng thời gian 3

ữ 5 van bị khoá nên Unv = Uab đặt lên T1…

Khi điện áp trên tải liên tục, trị số điện áp trung bình sẽ là:

Ud = Ud1 - Ud2 =



6 3

U2 cos

Khi góc mở   600 và khi  > 600ta có giản đồ:

Qua hai giản đồ trên ta thấy khi góc mở  > 600 thì điện áp tải bị gián đoạn.Trong những trường hợp này khi dòng chạy từ pha này sang pha kia là do các van

bỏn dẫn cú phõn cực thuận theo điện ỏp dõy đặt lờn chỳng cho tới khi điện ỏp đổidấu, cỏc van bỏn cú phõn cực ngược nờn chỳng tự khoỏ.

Sự phức tạp của chỉnh lưu cầu đối xứng là cần phải mởđồng thời hai vanbỏn dẫn theo đỳng thứ tự pha, do đú gõy khụng ớt khú khăn khi vận hành, chế tạo,điều khiển và sửa chữa Mặc dự vậy sơ đồ này cho ra chất lượng điện ỏp tốt nhất

Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển khụng đối xứng

 Chỉnh lu cầu 3 pha (điều khiển không đối xứng ) :

Sơ đồ mạch điện:

Đặc điểm của sơ đồ là: Một nhúm sử dụng ba Tiristor cũn nhúm kia sử dụng baDiốt Cú thể coi sơ đồ đang xột tương đương với hai sơ đồ ba pha hỡnh tia nối tiếpnhau, làm việc độc lập trờn cựng một phụ tải

Giản đồ mụ tả nguyờn lý tạo điện ỏp chỉnh lưu, súng điện ỏp tải, khoảng dẫncủa cỏc van T1, T2, T3, D1, D2, D3 Cỏc Tiristor mở thụng cho dũng chảy qua từthời gian cú xung điều khiển đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp Tại thời điểm t1

có xung điều khiển mở T1, T1 mở thông cho tới thời điểm t3 (thời điểm phát xung

mở Tiristor T2)

Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn Tiristor được dẫn từ thời điểm có xung

mở cho đến khi điện áp dây đổi dấu

Các Điốt dẫn thông khi điện áp đặt lên chúng thuận chiều (D1 phân cực thuậntrong khoảng thời gian t4 - t6 và nó sẽ bị khoá khi điện áp ở pha b âm hơn)

Dòng , áp bị gián đoạn còn tuỳ thuộc vào góc mở  của các Tiristor Qua phântích ta thấy khi góc mở  của các van bán dẫn nhỏ hơn 600 thì cho điện áp liêntục, khi góc mở  tăng lên lớn hơn 600và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòngđiện và điện áp bị gián đoạn.

Theo dạng sóng điện áp tải, trị số điện áp trung bình trên tải bằng không khigóc mở đạt tới 1800 Người ta có thể coi điện áp trung bình trên tải là kết quả củatổng hai điện áp tải chỉnh lưu tia ba pha

Utb =



2

6 3

U2(1 + cos )Như vậy việc kích mở các van điều khiển trong chỉnh lưu cầu ba pha điềukhiển không đối xứng dễ dàng hơn, sơ đồ điều khiển đơn giản, rẻ tiền (kinh tế).nếu tải thuần trở sẽ luôn cho dòng liên tục Nhưng điện áp chỉnh lưu chứa nhiềuthành phần sóng hài, các điều hoà bậc cao của tải và của nguồn lớn, cần phải lọcđiện áp trước khi đưa tới tải

So với chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng thì việc kích mởcác van đơn giản hơn, nó giống như điều khiển các van trong chỉnh lưuhình tia Chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng cho chất lượng điện áp tốtnhất, hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt Sba = 1,047Pd Tuy nhiên đâycũng là sơ đồ phức tạp nhất, hai van cùng mở lên tổn hao công suất lớn

 Chinh lu tia 3 pha :

Khi có biến áp nối Y trên mỗi pha a,b,c ta nối một van như hình H.1.8a, các van

có thể đấu Catốt chung (hoặc Anôd chung), nếu ba van đấu Catốt chung cho tađiện áp dương qua tải, còn trung tính biến áp sẽ là điện áp âm Ba pha a,b,c dịchnhau một góc 1200 theo các đường cong điện áp pha, chúng ta có điện áp của phadương hơn điện áp của hai pha kia trong khoảng thời gian 1/3 chu kỳ Như vậytại mỗi thời điểm đang xét bất kỳ luôn có một pha có điện áp dương hơn điện áphai pha còn lại

Nguyên tắc mở thông van và điều khiển các Tiristor là khi Anôd của van nàodương hơn thì van đó được kích mở Tại thời điểm điện áp của hai pha giao nhauđược gọi là góc thông tự nhiên của hai van bán dẫn (thời gian giao nhau tại:  =

6



(1 +2k)

Các Tiristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông

tự nhiên (như vậy tromg chỉnh lưu ba pha, góc mở nhỏ nhất  sẽ dịch pha so vớiđiện áp pha một góc là 300)

Theo hình H.1.8b,c tại mỗi thời điểm nào đó chỉ có một van dẫn, vậy mỗi vandẫn thông trong 1/3 chu kỳ Qua cả hai giản đồ đường cong dòng áp, ta thấy khigóc mở   300 cho điện áp và dòng liên tục (H.1.8b), khi góc mở  > 300 đườngcong điện áp bị gián đoạn (H.1.8c)

T1 a

H.1.8b - Giản đồ các đường cong dòng

áp khi góc mở  = 30 0 , tải thuần trở H.1.8c - Giản đồ các đường cong dòng, áp khi góc mở  = 60 0 , tải thuần trở

Tải

T3

T2

bc

H.1.8a - Sơ đồ mạch động lựcchỉnh lưu tia ba pha

Tuy nhiên trong cả hai trường hợp dòng trung bình của các van đều bằng1/3Id trong khoảng thời gian van dẫn dòng điện của van bằng dòng điện của tải,trong khoảng thời gian van khoá dòng điện qua van bằng không Điện áp của vanphải chịu bằng điện áp dây giữa pha có van khoá với pha có van đang dẫn.

Cùng góc mở  nhưng với tải khác nhau sẽ cho các đường cong dòng, áp cũngkhác nhau, mô tả như hình H.1.9 so sánh giữa tải thuần trở và tải cảm

H.1.9 a) - Tải thuần trở b) - Tải thuần cảm

+ Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ thuộcvào góc mở của các Tiristor Nếu góc mở của các Tiristor   300 thì các đườngcong Ud, Id liên tục, khi góc mở  > 300 điện áp và dòng điện tải sẽ bị gián đoạn+ Khi tải có tính chất điện cảm (nhất là tải cảm lớn) dòng điện và điện áp làcác đường cong liên tục do phần tử điện cảm tích luỹ năng lượng, việc tích luỹnăng lượng đủ lớn để duy trì dòng điện khi điện áp đổi dấu Đường cong nét đậmtrên hình H.1.9b mô tả điện áp chỉnh lưu của tải cảm

Trị số trung bình của tải:

- Nếu điện áp tải liên tục: Ud = Udocos

- Nếu điện áp tải giãn đoạn: 

do d

U U

Trong đó:

Udo = 1,17.U2f điện áp chỉnh lưu tia ba pha khi van là Diôt

U2f: Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

So với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia ba pha có chất lượng điện áp mộtchiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch tốt hơn, việc điều khiển các Tiristortương đối đơn giản Nhờ có biến áp ba pha ba trụ mà từ thông lõi thép là từ thôngxoay chiều không đối xứng làm cho công suất của biến áp phải lớn, nếu ở đâybiến áp được chế tạo từ ba biến áp một pha thì công suất các biến áp con lớn hơnnhiều Khi chế tạo biến áp động lực các cuộn dây thứ cấp phải được đấu Y vớidây trung tính phải lớn dây pha vì dây trung tính phải chịu một dòng điện bằngdòng điện qua tải

Điện áp cần cấp cho bể mạ là điện một chiều Tải mạ điện thuộc loại tảiR-C-E Tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ do đó hằng số thời giannạp, xả tụ rất nhỏ Có thể coi ảnh hưởng của tụ là không đáng kể Sứcđiện động E trong bể mạ thường nhỏ nên chúng ta cũng có thể bỏ qua

Qua yêu cầu bài toán và phân tích ta thấy ta cần một mạch chỉnh lưu cóđiện áp nhỏ dòng tương đối lớn (500A) điện áp vào là điện áp 3 pha vậy cho nên

ta thấy phù hợp nhất đó là dùng bộ chỉnh lưu tia 3pha

2.2 Tính chọn van bán dẫn

Khi hoạt động các van công suất tỏa nhiệt rất lớn (tổn hao công suất trênvan).Khi nhiệt độ quá lớn sẽ làm hỏng van nên khi đó ta có các cách làm mát chovan Thông thường thì van được gắn với các miếng nhôm tản nhiện phu hợp vớimỗi yêu cầu Các cách làm mát thông dụng

+ Làm mát tự nhiên :dựa vào sự chênh lệnh nhiệt độ giữa bên ngoài và cácmiếng tản nhiệt được gắn trên van, hiệu suất làm việc của van thấp chỉ khoảng25%

+ Làm mát bằng gió cưỡng bức : ta dùng quạt làm mát thổi trực tiếp vàocác miếng nhôm ốp trên mỗi van,hiệu suất van 65%

+Làm mát bằng nước : van được gắn thêm tấm đồng rỗng cho dung dịchlàm mát thu nhiệt nhanh chẩy qua,nhưng cách này rất tốn và phức tạp chỉ dùngtrong công ngiệp yêu cầu công suất cực lớn nhưng bù lại ta có hiệu suất van lêntới 90%

Qua phân tích trên ta chọn làm mát bằng gió cưỡng bức với hiệu suất làm việc của van là 65%

Có Ud,U2,Ulv: điện áp tải,điện áp xoay chiều và điện áp ngược trên van

Knv,Ku: các hệ số điện áp ngược vào điện áp tải

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van

Với U2 = Ud/ku : ta dùng sơ đồ chỉnh lưu hinh tia 3 pha knv= ,ku=1,17Thay vào tính được điện áp ngược lớn nhất qua van

Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, thì điện áp ngược của van cần chọn phảilớn hơn điện áp làm việc được tính từ công thức trên, qua một hệ số dự trữ kdtu

Unv = kdtU.Ulv

kdtU thường được chọn lớn hơn 1,6

Vậy ta chọn kdtU = 1,6

Unv =62,8.1,6=100(V)

Tính dòng điện của van.

Dòng điện làm việc của van được chọn theo dòng điện hiệu dụng chạy qua van theo sơ đồ đã chọn (Ilv = Ihd) Dòng điện hiệu dụng được tính:

Iđmv = ki.Ilv = 1,54.Ilv = 1,54Iđmv = ki Ilv = 1,54.288 = 443 A (với điều kiện làm mát

đã chọn Ilv = 65% )

Từ trên ta chọn được tiristor cần dùngT7SH014554DN

- Dòng điện định mức của van Iđmv=450 A,

- Điện áp ngược cực đại của van Unv = 100 V,

- Độ sụt áp trên van ΔU = 3.1 V,

- Dòng điện dò Ir = 35 mA,

- Điện áp điều khiển Uđk = 3 V,

- Dòng điện điều khiển Iđk = 150m A

2.3Tính toán máy biến áp

2.31-Điện áp pha sơ cấp máy biến áp

Up =380 (V)

2.3.2 Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :

Udo cos αmin =Umin =Ud +2 ΔUv +ΔUdn + ΔUba

Trong đó :

αmin =Umin =100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới

ΔUv =3,1 (V) là sụt áp của van

ΔUdn ≈ 0 là sụt áp trên dây nối

ΔUba = ΔUr + ΔUxlà sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp Chọn sơ bộ :

ΔUba =6% Ud =6% 30 = 1,8 (V)

Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có :

Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp :

2.3.3 Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp :

I2 = 3 Id

2

= 3

2 500= 408 (A)

2.3.4 -Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp

2.3.5 Công suất biến áp nguồn cấp được tính

Có: Pdmax= Udo.Id=35,4.500=17700W

Pdmax - công suất cực đại của tải [W].

ks - hệ số công suất (Ks=1,26)

Sba = ks Pdmax = 1,26.17700=22,302 KW

2.3.6 Tiết diện sơ bộ trụ

[cm2]

Trong đó : Sba - công suất biến áp tính bằng [W];

kQ - hệ số phụ thuộc phương thức làm mát;

kQ= 4 - 5 nếu là biến áp dầu;

kQ = 5 - 6 nếu là biến áp khô;

m - số trụ của máy biến áp (biến áp ba pha có m=4, một pha có 1);

m-f - tần số nguồn điện xoay chiều m-f=50 Hz.

Ở bài này ta dùng biến áp làm mát bằng không khí tự nhiên => kQ=6

M = 3 (ta chỉnh lưu từ nguồn 3 pha 220/380)

F = 50Hz (nguồn lấy từ lưới điện quốc gia)

2.3.10 Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp

104

1

= 195 vòng

Trong đó: W - số vòng dây của cuộn dây cần tính

U - điện áp của cuộn dây cần tính [V];

B - từ cảm (thường chọn trong khoảng (1,0 - 1,8) Tesla tuỳ thuộc chất lượng tôn).

QFe - tiết diện lõi thép [cm2].

2.3.11 Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp :

2.3.12 Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp

Với dây dẫn bằng đồng ,máy biến áp khô ,chọn J1= J2= 2,75 (A/mm2)

2.3.13 Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B

Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 6.5 (mm2)

2.3.14 Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B

Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S2= 75 (mm2)

2.3.15 TÍNH CHỌN CUỘN KHÁNG LỌC:

Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều Trong công nghệ mạ điện thì nó làm cho chất lượng của lớp mạ không cao: lớp mạ

không đều, không đạt được các tiêu chí chất lượng đã đề ra như: bền, bóng, đẹp…

Để hạn chế sự đập mạch này, ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im ≤ 0,1Iudm Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng nữa là hạn chế vùng dòng điện gián đoạn.

2.3.16: Xác định góc mở:

Chọn góc mở αmin =Umin = 10º

Với góc mở αmin =Umin là dự trữ, ta có thể bù được sự giảm điện áp lưới

+ Khi góc mở nhỏ nhất: αmin =U = αmin =Umin thì điện áp trên tải lớn nhất:

+ Khi góc mở lớn nhất: αmin =U = αmin =Umax thì điện áp trên tải nhỏ nhất:

2.3.17: Xác định điện cảm:

Thông thường đánh giá ảnh hưởng của đập mạch dòng điện theo trị hiệudụng của sóng hài bậc nhất, bởi vì sóng hài bậc nhất chiếm một tỉ lệ vào khoảng(2÷5)% dòng điện định mức của tải

Mặt khác trong sơ đồ chỉnh lưu thì thành phần sóng cơ bản (k=1) có biên

độ lớn nhất Biên độ sóng hài bậc càng cao thì càng giảm Tác dụng của cuộnkháng lọc với thành phần sóng hài bậc càng cao thì càng hiệu quả Do đó, khitính điện cảm cuộn kháng lọc chỉ cần tính theo thành phần sóng hài cơ bản là đủ.+ Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc để lọc thành phần dòng điện đập mạch:

Trong ó :đó :

- LL: trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết [Henry]

- Id m đó : : dòng iđó : ện định mức của bộ chỉnh lưu [A]

- ω = 314: tần số góc [1/s]

- K = 1,2,3…: bội số sóng hài

- m: số lần đập mạch trong một chu kỳ.

- Udnmax: biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu [V]

- I1*%: trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản lấu tỉ số theo dòngđiện định mức của chỉnh lưu [A] Trị số này cho phép < 10%

+ Biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu Udnmax có thể được xácđịnh theo công thức: với K = 1, m = 2 và αmin =Umax:

=> Udnmax = 17,33 V

Từ (2.4) và (2.5) ta tính được:

+ Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc LckL cần mắc thêm để lọc thành phầndòng điện đập mạch:

Trong đó: - LckL: điện cảm cuộn kháng lọc cần mắc thêm

- LL: điện cảm cần thiết để lọc thành phần sóng hài dòng điện

I1% < 10%

- Ld: điện cảm của tải Coi Ld = 0

- LBA: điện cảm của MBA LBA = 0,3 mH

 LckL = 2,1 mH

2.3.18: Thiết kế cuộn kháng lọc:

a Các thông số cần thiết:

+ Điện cảm của cuộn kháng lọc: LckL = 2,1 mH

+ Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng: Iđm =500 A

+ Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1*% = 50 A