Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ dòng tải 100a

Tèng ThÞ HiÕu - T§H2- K48 §å ¸n m«n: §iÖn tö c«ng
suÊt
:
ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiÒu cã ®¶o chiÒu dßng m¹.
Sinh viªn thùc hiÖn : Tèng ThÞ HiÕu
Líp : T§H2-K48
Gi¶ng viªn híng dÉn : Ph¹m Quèc H¶i
N¨m thùc hiÖn : 2006
ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiÒu cã ®¶o chiÒu dßng ®iÖn m¹
1
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
Các tham số:
Phơng án 2: Điện áp ra : U
d
= 6
ữ
12 (V)
Dòng tải max : I
d
=100(A)
Thời gian thuận : 50
ữ
200 (s)
Thời gian ngợc : 5
ữ
20 (s)
Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ không đổi trong quá
trình mạ. Mạch phải có khâu bảo vệ chống chạm điện cực (bảo vệ ngắn mạch).

Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

2
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
Mục lục
Chơng I 5
Công nghệ mạ điện và các yêu cầu kỹ thuật 5
I.1. Tìm hiểu chung về công nghệ mạ 5
I.2. Các thành phần chính trong mạ điện phân 5
I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ 8
Chơng II: 11
Lựa chọn phơng án phù hợp cho nguồn mạ một chiều 11
II.1. Tổng quan chung 11
II.2. Chọn phơng án 11
ChơngIII 14
Thiết kế mạch lực 14
III.1. Tính chọn van lực 14
III.1.1. Đặc điểm chung 14
III.1.2. Các thông số của Thyristor 14
III.1.3. Chọn Thyristor 15
III.2. Tính toán máy biến áp (MBA) lực 15
III.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ MBA 16
III.2.2. Tính toán dây quấn 17
III.2.3. Tiết diện cửa sổ MBA 18
III.2.4. Kết cấu dây quấn MBA 18
III.2.5. Tính các thông số của MBA 20
III.3. Thiết kế cuộn kháng lọc 22
III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại 23
III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 23
III.3.3.Thiết kế cuộn kháng lọc 24
III.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ 26

III.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Thyristor 26
III.4.2.Bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor 27
III.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho Thyristor 28
III.4.4. Bảo vệ chống tăng dòng cho Thyristor 29
III.5. Phơng pháp đảo chiều 29
III.5.1. Phơng pháp điều khiển chung: 30
III.5.2.Phơng pháp điều khiển riêng: 30
Chơng IV 33
thiết kế mạch điều khiển 33
IV.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển 33
IV.2. Cấu trúc của mạch điều khiển Thyristor 33
IV.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển 34
IV.3.1. Khâu đồng pha 34
IV.3.2. Khâu tạo điện áp răng ca 37
IV.3.3. Khâu so sánh 38
IV.3.4.Khâu dạng xung 39
IV.3.5. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung 40
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
3
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
IV.3.6.Khối nguồn 44
IV.3.7. Khâu phản hồi: 46
IV.3.8. Chọn các linh kiện bán dẫn 47
IV.3.9.Toàn bộ mạch điều khiển 48
IV.3.10. Mô phỏng trên máy tính 50
Tài liệu tham khảo 53
Lời kết 54
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
4

Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất

Công nghệ mạ điện và các yêu cầu kỹ thuật
I.1. Tìm hiểu chung về công nghệ mạ
Do sự phát triển của các ngành công nghiệp nói riêng và của nền kinh tế nói
chung nên ngày nay công nghệ mạ ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi nhất là
trong các ngành kỹ thuật điện, điện tử , công nghệ thông tin, làm đồ trang sức,
để tăng độ chống ăn mòn, phục hồi kích thớc, tăng độ cứng, dẫn điện, dẫn nhiệt,
phản quang, dễ hàn, làm bóng đồ trang sức 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 gốmTuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ
thuộc vào trình độ, năng lực công nghệ mạ, tính chất cần có ở lớp mạ và giá
thành chi tiết mạ.
Ngày nay thờng sử dụng quá trình mạ điện bằng điện phân theo sơ đồ nh
hình I.1

Hình I.1: Sơ đồ bình điện phân
I.2. Các thành phần chính trong mạ điện phân
Mạ điện phân gồm các thành phần cơ bản sau:

Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
5

!"#$
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
Thiết kế bộ nguồn cho tải mạ điện, thì sau khi tìm hiểu về công nghệ mạ,
ta biết rằng loại nguồn cơ bản cho mạ điện là điện một chiều.

Các loại nguồn một chiều có thể cấp điện cho bể mạ bao gồm pin, ắc quy,
máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi Máy phát điện một chiều với nhợc
điểm: cổ ghóp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn hiện
nay không đợc dùng trong thực tế. Bộ biến đổi (BBĐ) có các u điểm: thiết bị gọn
nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng và áp đợc
dùng nhiều để làm nguồn cấp cho tải mạ điện. Điện áp ra của BBĐ thấp: 3V, 6V,
12V, 24V, Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn BBĐ với điện áp ra phù hợp.
%&
Anot là điện cực nối với cực dơng của nguồn một chiều. Trong quá trình
điện phân thì anot tan dần vào dung dịch điện phân theo phản ứng ôxi hoá ở điện
cực: M - ne = M
n+
Các cation kim loại (M
n+
) tan vào dung dịch điện phân vàđi đến catot (chi tiết
cần mạ) và bám chặt lên trên bề mặt catot
*Yêu cầu kỹ thuật: để đảm bảo chất lợng mạ thì trớc khi điện phân thì anot
cần phải đợc đánh sạch dầu mỡ, bụi, lớp rỉ,
'()*+,$-
Catôt là điện cực đợc nối với cực âm của nguồn một chiều.
Trên bề mặt catôt luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ:
M
n+
+ ne = M

Các nguyên tử kim loại mạ đợc sinh ra tạo thành lớp kim loại bám lên trên bề
mặt catôt gọi là lớp mạ.
*Yêu cầu kỹ thuật:
Để đảm bảo chất lợng của lớp mạ thì trớc khi thực hiện quá trình mạ điện
cần phải quan tâm tới độ sạch và độ bóng của bề mặt chi tiết cần mạ.

./$0(12+,$ 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
đợc độ gắn bám cao nhất giữa lớp mạ và chi tiết cần mạ.
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
6
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
.30(12+,$ ảnh hởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và
vẻ đẹp của lớp mạ. Nếu bề mặt nền nhám, xớc quá thì phân bố điện thế và mật
độ dòng điện sẽ không đều. 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 lợng lớp mạ cao,thì catôt cần phải đợc gia công bề mặt nhẵn bóng, sạch
lớp bụi, lớp rỉtrớc khi đa vào mạ.
Catôt sau khi đợc 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 tợng phóng điện trong quá trình điện phân. Tuyệt đối không đợc để chạm
trực tiếp giữa catôt và anot khi đã nối mạch điện.
4567
Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày
tối đa, mặt hàng mạ) và chất lợng mạ. Dung dịch mạ thờng là một hỗn hợp
khá phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điện ly (dẫn điện) và các chất phụ gia
nhằm đảm bảo thu đợc lớp mạ có chất lợng và tính chất nh mong muốn.
+ 5678: Còn gọi là dung dịch axit, cấu tạo chính là các muối
của các axit vô cơ hoà tan nhiều trong nớc phân ly hoàn toàn thành các ion tự do.
Dung dịch đơn thờng dùng để mạ với tốc độ mạ cao cho các vật có hình thù đơn
giản.
+ 56789: 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 thờng dùng

trong trờng hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức
tạp
:;<(:
- =6> : Đóng vai trò dẫn dòng điện trong dung dịch .
- =1?: Chất bóng thờng đợc dùng làm cho lớp mạ nhẵn mịn và
bóng hơn.
- =/(1@: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng.
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
7
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
.==A: Trên Catot thng có phn ng ph sinh khí Hydro.
Cht ny thúc y bt khí mau tách khi b m, lm cho quá trình m nhanh
hn.
*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 lợng gây ra sự phân cực
điện cực. Trong quá trình mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh
hởng đến chất lợng 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 đợc sinh ra rất nhanh.
Nhng nếu mật độ dòng điện quá cao thì có thể lớp mạ sẽ bị cháy. Ngợc 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 lợng.
Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lợng 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 mạ có mật độ dòng điện phù hợp.
-Mỗi dung dịch mạ sẽ cho chất lợng lớp mạ tốt trong một khoảng nhiệt độ
và độ pH và nhất định.

B
Bể điện phân làm bằng vật liệu cách điện, bền về hoá học, nhiệt độ, và
không thấm nớc.
I.3.Mạ có đảo chiều dòng 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 kimhay các sản phẩm yêu cầu chất lợng cao,
nền mạ khó bámthì ngời ta dùng dòng mạ có đảo chiều.
Nguyên tắc mạ đảo chiều nh sau:
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
8
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
Trong thời gian t
c
vật mạ chịu phân cực catôt nên đợc mạ vào với cờng 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 đợc mạ. Khi lớp mạ bị hòa
tan bởi điện lợng I
a
. t
a
, 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, hoàn hảo hơn. Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ lệ t
c
: t
a
cho hợp lý (5:1
đến10:1)và T thờng từ 5:10s. Với yêu cầu cụ thể trong đồ án này thì tỷ lệ t
c
: t
a
luôn không đổi là 10:1.
Phơng pháp này có thể dùng đợc mật độ dòng điện lớn hơn khi dùng
dòng điện một chiều thông thờng. M o chiu lm tng cờng quá trình m
m vẫn thu đợc lớp mạ tốt.
I.4.Các chỉ tiêu đánh giá chất lợng lớp mạ
Chất lợng mạ một chiều đợc qui định bởi các yếu tố sau: độ bám chặt, độ
bóng, độ dày lớp mạ Chế độ dòng điện cũng ảnh hởng rất lớn đến chất lợng lớp
mạ.
Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm nh: 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.
41;0("A$
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
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
9
tc
0
Ia
t
I
I
c
t
a
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
cần mạ bị lộ ra rất xấu, dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến hỏng không đáp ứng đợc
yêu cầu chất lợng của lớp mạ.
41?0(12"A$
Độ bóng của bề mặt lớp mạ cũng là một thông số quan trọng, nó tăng tính
thẩm mỹ cho sản phẩm đặc biệt là đồ trang sức. Đồng thời độ bóng lớp mạ cao
sẽ tăng độ bền cơ học cho chi tiết mạ. Để tăng độ bóng thì ta dùng mạ đảo chiều
vì khi mạ thì lớp mạ phủ trên bề mặt không đều có chỗ dày có chỗ mỏng nên cần
phải có đảo chiều để san đều lớp mạ.
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
10
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất

Lựa chọn phơng án phù hợp cho nguồn mạ một chiều
II.1. Tổng quan chung
Trong công nghệ mạ điện thì nguồn mạ một chiều là yếu tố hết sức quan
trọng, có ảnh hởng rất lớn tới quá trình trình mạ và chất lợng lớp mạ thu đợc.
Công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn ngày càng chính xác, hoàn thiện,
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 định dòngDo
vậy nên các BBĐ đợc sử dụng làm nguồn mạ một chiều.
Để chọn BBĐ phù hợp với yêu cầu công nghệ đề ra ta xét một số đặc điểm
của các phơng án sau:
C" ,( : đợc ứng dụng trong các mạch có công suất nhỏ nhng
không phù hợp với điện áp tải nhỏ.
C" ((( : đợc sử dụng trong mạch có công suất nhỏ và điện
áp tải thấp, dòng điện tải lớn. Bởi vì, trong sơ đồ này tổn hao trên van bán dẫn ít
hơn, nên công suất tổn hao trên van so với công suất tải nhỏ hơn, hiệu suất thiết
bị cao hơn.
'C" (1(( : đợc ứng dụng trong mạch có công suất trung bình
và điện áp tải thấp.
4C" ,1(( : có bộ tham số tốt nhất, đợc ứng rộng rãi nhất trong
toàn bộ dải công suất từ nhỏ đến lớn nhng không phù hợp với điện áp tải thấp.
II.2. Chọn phơng án
DE& !,)
Nguồn mạ một chiều cần thiết kế là nguồn có:
Điện áp ra : U
d
= 6
ữ
12 (V)
Dòng tải max : I
d

=100(A)
Thời gian thuận : 50
ữ
200 (s)
Thời gian ngợc : 5
ữ
20 (s)
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
11
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
Tức điện áp tải thấp, công suất trung bình và dòng lớn. Qua phân tích trên thì
nên chọn chỉnh lu hình tia hai pha làm nguồn mạ một chiều.
Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lu tia hai pha có dạng nh hình II.1:
Trong sơ đồ chỉnh lu hình tia hai pha có:
+ Một máy biến áp hạ áp một pha hai cuộn thứ cấp có điểm trung tính.
-Sơ cấp biến áp có điện áp U
1
là điện áp lới xoay chiều 220V, với số vòng
dây là W
1
.
-Thứ cấp biến áp có điện áp U
2
: 12V- 0V- 12V, với số vòng dây W
21
và
W
22
. Hai cuộn thứ cấp này phải có thông số giống hệt nhau.

+Hai Thyristor T
1
, T
2
để chỉnh lu dòng xoay chiều từ điện áp lới thành điện
áp một chiều ra tải.
!"#"F
Nửa chu kỳ đầu giả sử điện áp u
21
dơng hơn u
22
thì Thyristor T
1
có khả năng
dẫn nhng cha dẫn ngay cho tới thời điểm

=

thì đa xung vào mở T
1
, T
1
bắt đầu
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
12
T
1
T
2
Tải

!"#$C"G(((
H

H

H

7;F6I0(C"G(((
u
21
u
22
u
d

i
d
0
0

I
d
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
dẫn. Khi đó điện áp của chỉnh lu có dạng điện áp u
21
nh hình II.2. Nhng do tải có
tính cảm lớn nên khi u
21
=0 thì T

1
vẫn dẫn cho tới khi T
2
đợc mở.
Nửa chu kỳ sau điện áp u
22
dơng hơn u
21
thì Thyristor T
2
có khả năng dẫn
nhng cha dẫn ngay cho tới thời điểm

=

+
+

thì đa xung vào mở T
2
, T
2
bắt
đầu dẫn. Khi đó điện áp của chỉnh lu có dạng điện áp u
22
nh hình II.2. Khi u
22
= 0
thì T
2

vẫn dẫn cho tới khi T
1
đợc mở trở lại.
Nh vậy điện áp ra tải sau chỉnh lu hình tia hai pha có dạng nh hình II.2.
Điện áp tải có tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều (f
đm
= 2f
1
).
Khi dòng điện, điện áp tải liên tục: U
d
= U
do
.cos
DJ&?
H
6&
.;C"KK)KF1@H
6&
LMNOH


.P?Q0(;D J/&J
Điện áp ngợc cực đại qua van:
~nv
U.2.2U =
Dòng điện trung bình qua van: I
tb
=
2

I
d
Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van: I
hd
=
2
I
d

Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
13
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất

Thiết kế mạch lực
III.1. Tính chọn van lực
III.1.1. Đặc điểm chung
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 lợng 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 thờng tỷ lệ nghịch với tổn
hao công suất.
III.1.2. Các thông số của Thyristor

.;R2"!F(U
ng
=k
nv
.U
2
= k
nv
.
u
d
k
U
= .12= 37,67(V)
(k
nv
, k
u
là hệ số điện áp ngợc và điện áp tải: k
nv
=
22
; k
u
=

22
)
Chọn hệ số dự trữ điện áp: k
dt

=1,6
Điện áp ngợc của van cần chọn: U
nmax
= k
dt
. U
ng
= 1,6 . 37,67 = 60,3(V)
.5IJ1S(D J/&J: I
tb
=
)A(50
2
100
2
I
d
==
.5I"F0(D J/&J: I
lv
=
)A(71,70
2
100
2
I
d
==
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toả
nhiệt, không có quạt đối lu không khí.

Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
14
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
Khi đó chọn hệ số dự trữ dòng làm việc : k
dtI
= 1,8
Dòng điện làm việc cực đại của Thyristor: I
lvmax
= 1,8.70,71=127,28(A)
III.1.3. Chọn Thyristor
Từ các thông số trên ta chọn Thyristor (theo dòng điện làm việc cực đại):
151RC có:
Điện áp ngợc cực đại của van : U
ngmax
= 100(V)
Dòng điện định mức của van : I
lvmax
= 150(A)
Dòng điện đỉnh cực đại : I
pic max
= 4000(A)
Dòng điện của xung điều khiển : I
g max
=150mA
Điện áp của xung điều khiển : U
g max
= 2,5(V)
Dòng điện rò : I
r

= 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 :
s100A/
dt
di
=
Thời gian chuyển mạch : t
cm
= 60às
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : t
cp
=125
0
C
III.2. Tính toán máy biến áp (MBA) lực
Chọn máy biến áp một pha thứ cấp có điểm trung tính, làm mát bằng
không khí tự nhiên.
+ Công suất biểu kiến của MBA: S =k
s
.P
d
=1,48.1200=1776(VA)
(k
s

là hệ số công suất MBA, với mạch chỉnh lu hình tia 2 pha: k
s
=1,48)
Ta có phơng trình cân bằng điện áp không tải:
U
d0
.cost
min

= U
d
+
badnv
UUU ++
Trong đó:
min

=10
0
là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp

v
U
=1,7 (V) - sụt áp trên Thyristor

)V(0U
dn
=
- là sụt áp trên dây nối
UxUU

Rba
+=
- sụt áp trên điện trở và điện kháng
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
15
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
ba
U
=(5
)10ữ
% U
d

Chọn sơ bộ:
ba
U
=5% U
d
=5%.12 =0,6(V)
Suy ra U
d0
=
)V(52,14
10tcos
6,007,112
tcos
UUUU
min
badnvd

=
+++
=

+++
+ Điện áp sơ cấp MBA: U
1
=220(V)
+ Điện áp thứ cấp MBA: U
2
=
)V(13,16.
22
52,14
.
22
U
0d
==
+ Công suất MBA khi không tải: P
do
=I
d
.U
d0
= 100.16,13 = 1613(V)
+ Công suất biểu kiến của MBA khi không tải: S
0
=k
s

.P
d0
=1,48.1613=2387(VA)
+ Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: I
2
=
)A(71,70
2
100
2
I
d
==
+ Dòng điện sơ cấp MBA: I
1
=
)A(18,571,70.
220
13,16
I.
U
U
2
1
2
==
III.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ MBA
Tiết diện trụ đợc tính theo công thức kinh nghiệm: Q
Fe
=k

Q
.
)cm(
f.m
S
2
ba
Trong đó: k
Q
là hệ số phụ thợc phơng thức làm mát
k
Q
=
54 ữ
với MBA dầu
k
Q
=
65 ữ
với MBA khô, Chọn k
Q
=6
m- Số trụ của MBA, m=1

Q
Fe
=6.
)cm(46,41
50.1
2387

2
=
Do S
ba
=2387VA<10kVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật với chiều rộng trụ
là a(cm) chiều dày trụ là b(cm)

Q
Fe
=a.b =41,46(cm
2
).
Chọn MBA hình chữ E đợc ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có
Bề dày tôn : 0,35mm
Tổn hao là : 1,7 W/kg
Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm
3
Tiết diện của trụ: Q
Fe
=a.b(cm
2
)
Theo kinh nghiệm thì tỉ lệ b/a=(0,5
ữ
1,5) là tối u nhất.
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
16
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất

Chọn a=6(cm)

b=
91,6
6
46,41
a
Q
Fe
==
(cm)

Chọn b=7(cm)
Từ cảm trong trụ: B=1,1T
III.2.2. Tính toán dây quấn
.8FI6 T(/=U%
3,217
1,1.10.46,41.50.44,4
220
B.Q.f.44,4
U
W
4
Fe1
1
1
===

(vòng)
Chọn W

1
= 217(vòng)
.8FI6 T(9=U%
16217.
220
13,16
W.
U
U
W
1
1
2
2
===
(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
)
.D+66 6>/=U%
)mm(88,1
75,2
18,5
J
I

S
2
1
1
1
===
.VKW6 6>: d=
)mm(55,1
88,1.4
S4
1
=

=

Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B chuẩn hoá tiết diện theo tiêu
chuẩn: S
1
= 1,9113(mm
2

).
.XWA6 ?K; : S
cđ1
=
14,265,1.
4
d.
4
2

2
cd
=

=

(mm
2
).
Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp
)mm/A(71,2
9113,1
18,5
S
I
J
2
1
1
1
===
.D+66 6>9=U%
)mm(70,25
75,2
71,70
J
I
S
2
2

2
2
===
Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu
chuẩn: S
2
= 25,70(mm
2
).
-XWA6 ?K;: S
2
= a
2
. b
2
= 3,8.6,9=26,22(mm
2
).
Tính lại mật độ độ dòng điện cuộn thứ cấp:
)mm/A(75,2
70,25
71,70
S
I
J
2
2
2
2
===

Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
17
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
III.2.3. Tiết diện cửa sổ MBA
.5WY(/ZU%: Q
cs
= Q
cs1
+ Q
cs2
Q
cs1
= k
lđ
.W
1
.S
cđ1
Q
cs2
= k
lđ
.W
2
.S
cđ2
Trong đó: Q
cs
là diện tích cửa sổ (mm

2
)
Q
cs1
, Q
cs2
là diện tích do cuộn sơ và thứ cấp chiếm chỗ (mm
2
)
W
1
, W
2
là số vòng dây cuộn sơ và thứ cấp MBA
k
lđ
là hệ số lấp đầy, thờng k
ld
= 2
ữ
3, chọn k
lđ
=2
Q
cs1
= 2.217.2,14=928,76(mm
2
)
Q
cs2

= 2.16.26,22=839,04(mm
2
)
Q
cs
= 928,76+839,04=1767,8(mm
2
)
Ta lại có: Q
cs
=h.c
Trong đó: h: là chiều cao cửa sổ(mm)
c: là chiều rộng của cửa sổ(mm)
Chọn: h/a =2, c/a =0,5

4
5,0
2
c
h
==

h=4.c

)mm(02,21
4
8,1767
4
Q
c

cs
===
Chọn: c=21(mm)
h= 4.21= 84(mm)
.J&$[: C=2c+xa
.(&$[: H=h+ za
Với MBA một pha thì x=2; z=1



=+=
=+=

)(1446084
)(16260.221.2
mmH
mmC
III.2.4. Kết cấu dây quấn MBA
Dây quấn đợc bố trí theo dọc trục. Cuộn thứ cấp (HA) quấn sát trụ, cuộn
sơ cấp (CA) quấn bên ngoài. Mỗi cuộn dây đợc quấn thành nhiều lớp dây, mỗi
lớp dây đợc quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện với nhau
bằng các bìa cách điện.
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
18
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
X+=6 S=9=
.DW/1/8FI6 J!"A
(k.
b

h.2h
w
c
n
g
2l

=
vòng)
Trong đó: h- là chiều cao của sổ, h=84(mm)
h
g
là khoảng cách cách điện với gông, chọn h
g
= 2(mm)
k
c
là hệ số ép chặt, k
c
=0,95
01,1195,0.
9,6
2.284
2
=

=
l
W
(vòng)

.DW/1/8"A6 S=J!9=
45,1
01,11
16
2
2
2
===
l
l
w
w
n
(lớp)

Chọn n
l2
= 2 lớp.
Vậy cuộn thứ cấp có 16 vòng chia làm 2 lớp, mỗi lớp có 8 vòng.
.(&\+0(9=
)mm(11,58
95,0
9,6.8
k
b.W
h
c
212
2
===

.VKWJ&0(9=D
t2
= b+ 2.a
02
=7+ 2.1=9 (cm)
(a
02
=1(cm) - là khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp)
Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd
22
= 0,1(mm)
.6, 9=Bd2 = (a
2
+ cd
22
) .n
12
= (0,38+0,01) .2 = 0,78(cm)
.VKW&0(9=
D
n2
= D
t2
+ 2 .Bd2 = 9 + 2 . 0,78 = 10,56(cm)
.VKWJ10(9=
D
tb2
=
2
DD

2n2t
+
=
2
56,109 +
= 9,78(cm)
.66 S=9=
l
2
= . W
2
. D
tb2
= .16.9,78 = 491,6(cm)= 4,916(m)
Chọn l
2
= 5(m)
X+=6 S=/= :
.DW/1/8FI6 J!"A0(/=
c
n
g
11
k.
d
h.h
W

=
(vòng)

Trong đó : k
e
= 0,95 hệ số ép chặt
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
19
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
h : chiều cao cửa sổ, h=84(mm)
h
g
: khoảng cách cách điện của cuộn dây sơ cấp với gông
Chọn sơ bộ khoảng cách h
g
=2.d
n
=2.1,65=3,3(mm)


46,4695,0.
65,1
3,384
W
1l
=

=
(vòng)
.DW/1"A6 Q/=
67,4
46,46

217
w
w
n
11
1
11
===
(lớp)
Chọn lớp n
11
= 5 lớp.
Nh vậy cuộn sơ cấp có 217 vòng chia làm 5 lớp , chọn 4 lớp đầu 44 vòng , lớp
thứ 5 có 217 4.44 = 41 (vòng)

W
l1
=44(vòng)
.(&\+0(/=
)mm(42,76
95,0
65,1.44
k
d.w
h
c
n11
1
===
=7,642(cm)

Chọn khoảng cách từ cuộn thứ cấp tới cuộn sơ cấp a
21
= 1,0(cm)
.VKWJ&0(/=
D
t
= D
n2
+ 2 . a
21
= 10,56 + 2.1 = 12,56(cm)
Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd
11
= 0,1(mm)
.6 /=
Bd
1
= (d
n
+ cd
11
) . n
11
= (1,65+0,1).5 = 8,75(mm) = 0,875(cm)
-VKW&0(/=
D
n1
= D
t1
+ 2 . B

d1
= 12,56 + 2.0,875 = 14,31(cm)
.VKWJ10(/=
D
tb1
= ( D
t1
+ D
n1
) / 2 = (12,56 + 14,31 )/2 = 13,435 (cm)
.6 6 /=
l
1
= . W
1
. D
tb
= .217.13,435 = 9159(cm) = 91,59(m)
.VKWJ1;6
D
12
= ( D
t2
+ D
n1
) / 2 = (9 + 14,31 ) /2 = 11,655(cm)

r
12
= D

12
/2 =5,8275 (cm)
III.2.5. Tính các thông số của MBA
.JQJ&/=; 1+;Q]B
M

Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
20
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
)(913,0
14,2
59,91
.02133,0
S
l
.R
1
1
1
===
(với = 0,02133 mm
2
/m)
.JQ9=U%Q]B
M

R
2
=

)(00407,0
22,26
5
.02133,0
S
l
2
2
==
.JQU%S ZF9=
)(10.03,9)
217
16
.(913,000407,0)
w
w
.(RRR
322
1
2
12ba
=+=+=

.<;J!JQ; 1+;U
r
= R
ba
. I
d
= 9,03.10

-3
. 100 =0,903(V)
.K;U%S ZF9=
)(0077,010.14,3).
3
0078,000875,0
01,0.(
811,5
5,4
.16 8X
10.).
3
BdBd
a.(
h
r
.)w.(.8X
722
ba
7
21
21
2t
2
2
2
ba
=
+
+=

+
+=


Trong đó: r
t2
là bán kính trong dây quấn thứ cấp (cm)
h- là chiều cao cửa sổ lõi thép (cm)
a
21
là bề dày cách điện giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp (m)
B
d1
, B
d2
là bề dày cuộn sơ cấp và thứ cấp (m)
.K;U%S ZF9=
)mH(0245,0)H(10.45,2
314
10.7,7
w
X
L
5
3
ba
ba
====

.<;J!K;U%
)V(245,0100.0077,0.
1
I.X.
1
U
dbax
=

=

=
.<;J!U%
)V(936,0245,0903,0UUU
22
2
x
2
rba
=+=+=
.;J!K??Q


LM
M
U = U
do
.cos
min

- Uv - U
ba
= 14,52.cos10
0
- 1,7 - 0,936=11,663(V)
.DZJQ^$S ZF9=
)(012,00077,000903,0XRZ
22
2
ba
2
baba
=+=+=
.DZ(&^$J&U%
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
21
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
%89,1100.
2387
15,45
100.
S
P
%P
)W(15,4571,70.00903,0I.RP
n
n
22
2ban

==

=
===
.;^$;6<
%96,3100.
13,16
71,70.00903,0
100.
U
I.R
U
2
2ba
nr
===
.;^$,K;U
nx
=X
ba
%38,3100.
13,16
71,70
.0077,0100.
U
I
2
2
==
.;^$,J_

%2,538,396,3UUU
222
nx
2
nrn
=+=+=
.5I^$`;"a
)A(17,1344
012,0
13,16
Z
U
I
ba
2
nm2
===
.5I^$9V\$
)e1.(I.2I
ln
nn
U
U
.
m2max

+=
)A(4000I)A(1949)e1.(17,1344.2I
ik
0338,0

0396,0
.
max
=<=+=


Kiểm tra MBA thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến trên của dòng
điện chuyển mạch .
Giả sử chuyển mạch từ T
1
sang T
2
:
)s/A(100)
dt
di
()s/A(862,1/
dt
di
)s/A(10.62,18
10.45,2
13,16.22
L
U.22
)
dt
di
(
)sin(.U.22u
dt

di
.L
CPmax
c
5
5
ba
2
max
c
2c
c
ba
à=<à=
===
+==

Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt.
./=+17C":
%68%100.
1776
100.12.
===
S
IU
dd

III.3. Thiết kế cuộn kháng lọc
Sự đập mạch của điện áp chỉnh lu cũng làm cho dòng điện tải cũng đập
mạch theo, làm xấu đi chất lợng dòng điện một chiều. Với công nghệ mạ điện thì

nó làm cho chất lợng của lớp mạ không cao: lớp mạ không đều, không, không
đạt đợc các tiêu chuẩn đã đa ra: bền bóng- đẹp
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
22
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng
lọc đủ lớn để I
m
0,1.I
dm
. Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao,
cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn .
III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại
+ Chọn góc mở cực tiểu
min
=10
0
. Với góc mở
min
là dữ trữ, ta có thể bù đợc sự
giảm điện áp lới.
.X?Qb= =
min
thì điện áp trên tải là lớn nhất:
U
dmax
=U
do
.cos

min
=0,9.U
2
.cos10=0,9.24.cos10=21,27(V)
.X?Q"A= =
max
thì điện áp trên tải là nhỏ nhất:
U
dmin
=U
do
.cos
max

0
2
mind
do
mind
max
87,73
24.9,0
6
arccos)
U.9,0
U
arccos(
U
U
arccos ====

III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc
Thông thờng khi đánh giá ảnh hởng của đập mạch dòng điện theo trị hiệu
dụng của sóng hài cơ bản, bởi vì sóng cơ bản chiếm một tỷ lệ vào khoảng (2%
ữ
5%) dòng điện định mức tải.
Mặt khác trong sơ đồ chỉnh lu 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 cuộn kháng
lọc với các thành phần sóng hài bậc càng cao thì càng hiệu quả. Do vậy khi tính
điện cảm của cuộn kháng lọc chỉ cần tính theo thành phàn sóng cơ bản là đủ.
+ Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc để lọc thành phần dòng điện đập mạch:
dm
*
1
maxbd
L
I%.I m.k.2
100.U
L

=
Trong đó: U
bdmax
là biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lu (V).
k là bội số sóng hài, xét k=1.
m là số lần đập mạch trong một chu kỳ, m=2.
I
1
*
% là trị số hiệu dụng của dòng điện sóng cơ bản (A)
I

đm
là dòng điện định mức của chỉnh lu(A)
I
1
*
%<10%I
đm
=10(A)
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
23
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
+ Khi tính U
bđmax
thì thờng tính cho trờng hợp góc mở van lớn nhất
max
theo
công thức:
+


=
222
22
max
0d
maxbd
tg.m.k1
1m.k
cos.2

U
U
)V(2887,73tg.2.11
12.1
87,73cos.2
.24.9,0U
222
22
0
maxbd
=+

=
)mH(15,3)H(10.46,31
100.10.314.2.2.2
100.28
L
4
L
==

Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc L
CKL
cần mắc thêm để lọc thành phần dòng
điện đập mạch: L
CKL
= L
L
- L
d

-L
ba
(Coi điện cảm tải L
d
=0)


L
CKL
= 3,15 - 0,0245 = 3,1255 (mH)
III.3.3.Thiết kế cuộn kháng lọc
:;)/81(,
-Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: L
CKL
= 3,1255 mH
-Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : I
đm
= 100A
-Biên độ dòng điện xoay chiều bậc1: I
1m
= 10%. I
dm
= 10A.
Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé do đó ta có thể coi tổng trở
cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng lọc :
Z
k
= X
KL
=2..f

.L
CKL
=2.2.50. 3,1255.10
-3
= 1,964()
.;`&( JJ!K;"c
13,89(V)
2
10
.964,1
2
I
.ZU
1m
k
===
.)/=0(K;"c
98,2(VA)
2
10
13,89.
2
I
U.S
1m
===
.D+6[\W0(K;"c
)5(cm9,4
2.50

98,2
5.
f
S
kQ
2
'
Q
===
(k
Q
= 5)
Chọn trụ hình chữ nhật có tiết diện Q=5cm
2
với chiều rộng trụ là a(cm), chiều
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
24
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công
suất
dày trụ là b(cm) sao cho
3,1
a
b
=

b=1,3.a

1,3.a
2
=5

a=
)cm(96,1
3,1
5
=
Chọn a=2(cm)

b=
)cm(5,2
2
5
=
Chọn loại thép tồn tại 330 A tấm thép dày 0,35mm có chiều rộng a= 20mm và
chiều dài b= 25mm.
Chọn mật độ từ cảm trong trụ B
t
= 0,8(T)
Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng lọc thì trong điện
cuộn kháng lọc sẽ xuất hiện một sức điện động: E
k
=4,44.w.f.B
t
.Q
Gần đúng coi E
k
=U = 13,89V.
87
0,8.5.104,44.2.50.
13,89

.Q4,44.f'.B
U
w
4
T
===

(vòng)
.5I$ S(K;i
k
= I
d
+ I
1m
.cos(2. +
1
)
.5I6<$ S(K;
)A(25,100)
2
10
(100)
2
I
(II
222
m1
2
dk
=+=+=

Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J=2,75(A/mm
2
)
.D+66 8K;
)mm(45,36
75,2
25,100
J
I
S
2
k
===
Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật cách điện cấp B có tiết diện dây: S
k
=36,7(mm
2
)
Với kích thứơc dây: a
k
= 4,7mm, b
k
=8mm.
.DW"$a6I
)2,73(A/mm
36,7
100,25
S
I
J

2
k
k
===
Chọn hệ số lấp đầy : k=0,7
.5WY(/Z
)(cm89,04)(mm0894
0,7
78.36,7
k
w.S
Q
22
td
k
cs
====

.XW9Y(/Z$[Q
cs
= c . h
Chọn m = h/a = 3

h =3 .a = 3. 20 = 60(mm) = 6(cm)

c = Q
cs
/h = 40,89/6 = 6,82 (cm)
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ
25