Thiết kế nguồn mạ một chiều hiệu điện thế 6 – 12 V, Dòng tải Max 10000A và không Đảo chiều

Đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều có các tham số sau

+Hiệu điện thế :6 – 12 V
+Dòng tải Max :10000A
+ Đảo chiều : không
Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện không đổi trong
suốt quá trình mạ .Mạch có khâu bảo vệ ngắn mạch
Thiết kế nguồn mạ một chiều hiệu điện thế 6 – 12 V, Dòng tải Max
10000A và không Đảo chiều
Lời nói đầu

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 nớc
trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản
xuất và đời sống văn minh con ngời.
Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phơng
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 đợc
các yêu cầu kỹ thuật mong muốn.
Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có
tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụmh cụ máy móc
và đồ trang sức..
Ngày nay không riêng gì ở nớc phát triển mà ngay trong nớc ta kỹ
thuật mạ đã có nhng bớc phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật
trong sản xuất cung nh trong kinh doanh
Kỹ thuật mạ đòi hỏi phải không ngừng phát triển nghiên cứu cải tiến
kỹ thuật ,máy móc chuyên dùng thiết bị dây chuyền sản xuất đồng bộ tự
động hoá với độ tin cậy cao. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lợng mạ và hạ

giá thành sản phẩm, chống ô nhiễm môI trờng.
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
từng bước tiếp cận môn học. Để có thể lắm vững lý thuyết để áp dụng vào
thực tế, ở học kỳ này em đợc các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài :
Thiết kế nguồn mạ một chiều. 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 đã giúp em hoàn thành đồ án này.
Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm cha 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 3 tháng 2 năm 2004
Sinh viên :
Lê Văn Hải
Chương I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện
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 nh các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân.
Ta dựa vào sơ đồ điện phân nh sau:

Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ trong phòng thí
nghiệm đồng thời cũng dùng trong qui mô sản xuất lớn. Các thành phần cơ
bản của sơ đồ điện phân :
1. Nguồn điện một chiều như: pin, ắc qui, máy phát điện một chiều,
bộ biến đổi. Ngày nay đợc dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi. 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 thờng dùng điện áp 12 – 24V.
2. Anốt :là điện cực nối vơí cực dơng của nguồn điện một chiều. Trước
khi điện phân anốt cần phải đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ…
Anốt dùng trong mạ điện có hai loại : anốt hòa tan và anốt không hoà
tan. Anốt hoà tan đợc dùng tronh các trờng hợp mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm,
mạ thiếc… Trong quá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phản
ứng ở điện cực :

+
+
=−
=−
2
2
2
2
CueCu
NieNi
Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đI đến catốt. Phản
ứng điện hóa ở anốt là phản ứng oxi hóa.
Anốt không hòa tan dùng trong trờng hợp mạ Crôm. Khi điện phân ở
bề mặt
anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa
−−
ClOHOH ,,
2

…

↑+=−
=−
−
−
22
2
244
22
OOHeOH
CleCl
Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thờng chính là
2
O
hay
2
Cl
.
3. Catốt : là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trong
mạ điện catốt là vật mạ. Trên bề mặt vật mạ luôn diễn ra phản ứng khử các
ion kim loại mạ. Ví dụ nh :
Mạ niken :
↓=+
+
NieNi 2
2
Mạ kẽm
↓=+
+

ZneZn 2
2
Đồng thời với iôn kim loại bị khử,
+
OH
3
cũng bị khử giải phóng ra khí
2
H
theo phản ứng :
OHHeoH
223
22
+↑=+
+
Khí
2
H
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
2
H
khi gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại)
.Ngời ta gọi hiện tợng này là hiện tợng “ 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, trớc khi mạ ta cần phải gia công cho bề mặt
chi tiết bằng phẳng, bóng và sạch các chất dầu mỡ màng oxít.
Catố vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thờng ngập dới mặt n-
ớc 8 – 15cm và cách đáy bể khonảg 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp

xúc thật tốt, không để gây ra hiên tợng phóng điện trong chất điện phân.
Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đã nối mạch điện.
4. Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ th-
ờng 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 đợc.
_ 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 đợc tổn thấtđiện trong quá trình mạ mà còn làm
cho lớp mạ đồng đều hơn.
_ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng 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 lợng cao trong một khoảng nhiệt
độ nhất định. VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là
C
.
7055
→
, mạ vàng
C
.

7060 →
. Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vợt 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 thờng cho lớp mạ có chất l-
ợng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu đợc từ nuối đơn. VD lớp mạ thu đ-
ợc từ dung dịch
−
2
4
)(CNZn
hoặc
−
2
3
)(CNZn
tốt hơn lớp mạ thu đợc từ dung dịch muối
4
CuSO
.
5. Bể điện phân : làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt.
Thành và mặt trong của bể thờng đợc lót bằng chất dẻo có độ bền hóa học,
bền nhiệt. Lớp chất dẻo lót phải kín tuyệt đối, nớc không thấm qua đợc. Mặt
ngoài sơn nhiều lớp chống gỉ. Bể mạ thờng có dạng hình chữ nhật, điều này
giúp cho lớp mạ đợc phân bố đều hơn bể có hình dạng khác. Có nhiều bể mạ
nh 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 trớc khi
mạ.Yêu cầu bề mặt trớc khi mạ :
- Trước khi mạ vật cần mạ đợc 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 trớc 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 nh vậy lớp mạ thu đợc mới có độ bóng tốt, không sớc, không sần
sùi, bóng đều toàn lớp mạ đồng nhất nh ý.
Phơng pháp gia công bề mặt kim loại trớc khi mạ :
- Phơng pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh
bóng quay bóng hay sóc bóng trong thùng quay.
- Phơng 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 phơng pháp gia công cho hiệu qủa tốt nhất lại có giá thành
rẻ, đòi hỏi ngời 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 lợng và hình thức lớp
mạ. Chất lợng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bản vào phơng pháp đợc 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.

Chuơng II : 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 phơng án nào :
1. ắc quy : Trong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ đợc sử dụng trong

phòng thí nghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ. Do hạn chế về lợng điện tích
lên ắc quy chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không
dùng ắc quy đợc. Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể
đáp ứng đợc. Vì vậy mà trong công nghệ mạ ngời ta ít sử dụng ắc quy làm
nguồn mạ.
2. Máy phát điện một chiều : Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện
một chiều khắc phục đợc các nhược điểm của ắc quy. Máy phát điện một
chiều trong thực tế có thể đợc sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn.
Nhng giá thành đầu t cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển
hoạt động khá phức tạp .Máy phát điện một chiều với nhiều nhợc điểm : cổ
góp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn. Máy phát điện
một chiều cần thờng xuyên bảo trì sửa chữa. Chính vì các lý do trên lên
trong công nghiệp ngời ta không dùng máy phát điện một chiều.
3. Bộ biến đổi :
Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều đợc 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 Tiristor đã
đạt đợc nhiều thành tựu. Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều
thành dòng một chiều ngày càng đợc sử dụng nhiều trong các nghành công
nghiệp. Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ bién đổi đợc dùng rộng rãi
nhất. Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện
áp nh : 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50v. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn
điện thế cho phù hợp.Bộ biến đổi với các u điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác động
nhanh; dễ tự động hóa; dễ điều khiển và ổn định dòng. Chi phí đầu t 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 đợc hơn cả về
mặt kinh tế cũng nh các tiêu chuẩn kỹ thuật. Vậy quyết định phơng án là
dùng bộ biến đổi.
Với mạch chỉnh lưu ( không dùng mạc 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 trờng hợp chỉnh lưu có điều khiển, sau đó ta
có thể xét trờng hợp chỉnh lu điốt không điều khiển với góc điều khiển
0
=
α
.
Các phương án khả thi :
+ Chỉnh lưu cầu một pha
+ Chỉnh lưu cầu ba pha
+ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng
Phương án 1:Chỉnh lưu cầu một pha

Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha
a.Khi tải thuần trở R
Với
θ
sin2
22
Uu
=
_ Khi
αθ
=
: cho xung điều khiển mở T1, T2 và
2
UU
d
−=
, hai

tiristor sẽ khoá khi
0
2
=
u
_khi
αθ
+Π=
, cho xung điều khiển mở T3, T4 và
2
UU
d
=
Dòng qua tải là dòng gián đoạn.
Giá tri trung bình của điện áp tải :
)cos1(
2
.sin2
1
2
2
αθθ
α
+
Π
=
Π
=
∫
Π

U
dUU
d
Giá trị trung bình dòng tải :
R
U
I
d
d
=
Giá trị trung bình dòng qua tiristor :

22
.sin
2
2
1
2 dd
T
I
R
U
d
R
U
I
==
Π
=
∫

Π
θθ
α
Dạng sóng cơ bản :
b. Tải RL
- Khi L đủ lớn thì dòng điện
d
i
sẽ là dòng liên tục.
- Phơng trình mạch tải :


θ
θθ
d
d
XRidU
d
i
d
+=
.sin2
2


∫∫∫
Π
+
Π
=

Π
+Π+Π
d
I
dd
di
X
di
R
dU
α
α
α
α
θθθ
.sin2
1
2


α
cos
22
2
Π
=
U
U
d
Dạng sóng cơ bản :

C . Ưu nhược điểm của sơ đồ
Ưu điểm : điện áp ngợc đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ
Nhợc điểm : không dùng đợc cho tải có công suất lớn, nếu dùng
gây ra hiện tợng công suất bij lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha
dòng tải chảy quia hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất diện pá 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.
Phương án 2:Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
a.Sơ đồ nguyên lý