Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

lời nói đầu
M kim loi ra i v phỏt trin hng trm nm nay. Ngy nay, m
kim loi ó tr thnh mt nghnh k thut phỏt trin mnh m hu ht cỏc
nc trờn th gii, phc v mt cỏch c lc cho cỏc nghnh khoa hc k
thut, sn xut v i sng vn minh con ngi. Chỳng ta cú th d dng bt
gp cỏc cỏc ng dng ca m kim loi trờn b mt cỏc chi tit may, k thut
in t, c khớ chớnh xỏc, cụng nghip úng tu cho n cỏc dng c sinh
hot, trang trớ bao bỡ ... Cú c iu ú l do m kim loi ngoi mc ớch
bo v chng n mũn cũn cú nhiu tỏc dng nh l : tng cng, phn
quang, trang trớ gúp phn nõng cao cht lng v tớnh thm m ca vt m.
So vi cỏc nc trờn th gii thỡ cụng ngh m in nc ta cũn
nhiu hn ch do vy ỏp ng c nhu cu thc t chỳng ta phi khụng
ngng nõng cao trỡnh khoa hc v cụng ngh, cn thit phi hỡnh thnh
cỏc trung tõm nghiờn cu m qua ú nõng cao cht lng lp m, h giỏ
thnh sn phm v chng ụ nhim mụi trng.
Vi ý ngha ú em c giao ti tt nghip: Thit k b ngun
chnh lu iu khin dựng cho m in, õy l mt ti cú qui mụ v
ng dng thc t nhng trong khuụn kh ca mt ti thit k tt nghip
em ch cp n nhng vn c bn, ct lừi nht c trỡnh by trong 5
chng ca ỏn :
CHNG I : Tng quan ca cụng ngh m in
CHNG II : La chn s chnh lu
CHNG III : Tớnh toỏn v thit k mch ng lc
CHNG IV : Tớnh toỏn v thit k mch iu khin
CHNG V : Xõy dng h thng n nh in ỏp v bo v ngn mch
hon thnh bn thit k, bờn cnh s n lc ca bn thõn, khụng
th khụng nhc n s giỳp v ch bo tn tỡnh ca cỏc thy cụ trong b

mụn Thit b in - in t, c bit l TS. NGUYN TRUNG SN.
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-1-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế, do kiến thức thực tế còn hạn chế nên bản
đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy em mong nhận được sự góp ý, giúp đỡ
của thầy cô và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn!
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. NGUYỄN
TRUNG SƠN - thầy đã trực tiếp hướng đẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp
này !
Hà Nội tháng 5 năm 2008
Sinh viên
Nguyễn Tùng Lâm

SV: NguyÔn Tïng L©m

-2-

Líp TB§ - §T4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

CHNG I
tổNG QUAN Về CÔNG NGHệ Mạ ĐIệN
1.1 S hỡnh thnh lp m in
1.1.1 Khỏi nim :
M in l mt cụng ngh in phõn, l quỏ trỡnh kt ta kim loi lờn
b mt nn mt lp ph cú tớnh cht c , lý , hoỏ ỏp ng c yờu cu k
thut mong mun .
1.1.2 S in phõn :
Cựng vi s phỏt trin ca khoa hc k thut v cụng ngh vt liu thỡ
ccụng ngh m in cng cú nhng bc tin di. i vi vt liu nn v
nguyờn tc l kim loi nhng ngy nay nú cú th l phi kim ụi khi cũn l
cht do, gm s hoc composit. Lp m cng vy ngoi kim loi ra cũn cú
th l phi kim hoc kim loi - gm .
Tuy nhiờn vic chn vt liu nn v m cũn tu thuc vo trỡnh
cụng ngh, vo tớnh cht cn cú ca lp m v giỏ thnh. Ch cú nhng cụng
ngh no n nh trong mt thi gian di mi c ng dng vo trong sn
xut nhng nhỡn chung cỏc cụng ngh ú u s dng s in phõn nh
sau:

nguồn điện
1 chiều

_
+
ANOT

CATOT

ĐK
dung dịch mạ

Hỡnh 1.1 : S tng quỏt dựng trong m in
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-3-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

a) Ngun in mt chiu :
Cú mt vai trũ rt quan trng bi vỡ nú cung cp nng lng cho quỏ
trỡnh m, ng thi cht lng ca ngun mt chiu s nh hng trc tip
n cht lng m .
b) Anot :
L in cc ni vi cc dng ca ngun in mt chiu, anot dựng
trong m in cú hai loi : anot ho tan v anot khụng ho tan .
Anot ho tan :
Trong quỏ trỡnh in phõn trờn b mt ant xy ra phn ng oxi hoỏ
nh vy m anot cú th ho tan vo trong dung dch m to thnh cỏc cation
kim loi , cỏc cation ny s n catot v kt ta trờn b mt catot hỡnh thnh
nờn lp m. Anot ho tan c dựng trong cỏc trng hp m Ni , Cu , Zn ,
Sn
Anot khụng ho tan :

Trờn b mt anot ch xy ra quỏ trỡnh oxi hoỏ H 2O hoc cỏc gc OH - ,
Cl- Anot khụng ho tan dựng trong trng hp m : Cr .

c) Catot :
L in cc ni vi cc õm ca ngun in mt chiu, trong m in
catot l vt m. Trờn b mt catot luụn din ra cỏc phn ng kh ion kim loi
m v ion H 3O + . Catot cn phi nhỳng ngp vo dung dch, thng ngp
di mt nc t 8 ữ 15 cm v cỏch ỏy b khong 15 cm, cỏc ch ni phi
m bo tip xỳc tht tt khụng gõy ra phúng in trong cht in phõn.
Tuyt i khụng chm trc tip gia anot v catot khi ó ni mch in .
d) Dung dch cht in phõn :
Dung dch cht in phõn dựng m thng cú hai phn :
Thnh phn c bn : gm mui v hp cht cha ion ca kim loi m v
mt s hoỏ cht thit yu khỏc nu thiu hoỏ cht ny thỡ dung dch khụng
th dựng m c
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-4-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

Thnh phn cỏc cht ph gia bao gm :
Cht lm búng lp m
Cht m gi cho pH ca dung dch n nh
Cht gim sc cng ni ti m bo lp m khụng bong nt

Cht san bng m bo lp m ng u hn
Cht lm tng dn in cho dung dch
Cht chng th ng hoỏ anot nhm n nh m
e) B in phõn :
Lm t vt liu cỏch in, bn hoỏ hc, bn nhit. Thnh v mt trong
ca b thng c lút bng cht do, lp cht do ny phi kớn tuyt i,
nc khụng thm qua c. Mt ngoi sn nhiu lp chng g B m
thng cú hỡnh ch nht iu ny giỳp cho lp m c phõn b u hn b
cú hỡnh dng khỏc.
Trong thc t ta cú th gp nhiu loi b m nh l : b m tnh, thựng
m quay.
1.1.3 iu kin to thnh lp m :
Vỡ m in l mt quỏ trỡnh in phõn nờn quỏ trỡnh in hoỏ xy ra
trờn cỏc in cc tụng quỏt nh sau :
a) Trờn anot xy ra quỏ trỡnh ho tan kim loi anot :
M ne M n

+

(1)

Trong mt s trng hp phi dựng anot khụng tan khi ú dung dich
s úng vai trũ cht nhng in t vỡ vy ion kim loi s c nh k b
xung di dng mui vo dung dch, lỳc ú phn ng chớnh trờn anot ch l
quỏ trỡnh oxi hoỏ OH - ,Cl :
2Cl 2e Cl2
4OH 4e 2 H 2O + O2

SV: Nguyễn Tùng Lâm

-5-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

b) Trờn catot, cỏc cation kim loi gii phúng in t to thnh nguyờn t kim
loi m :
+

(2)

M n + ne M

Nu ta khng ch cỏc iu kin in phõn nh th no ú cho hiu
sut ca hai phn ng (1) v (2) bng nhau thỡ nng ion M n trong dung
+

dch s luụn luụn khụng thay i iu ny nh hng ln n cht lng lp
m .
1.2 Cỏc yu t nh hng n cht lng lp m
1.2.1 Vt liu nn v s thoỏt hiro :
a) Trng thỏi b mt kim loi nn :
Trong k thut m ch quan tõm n hai trng thỏi b mt nn l
sch v nhn :
sch :
B mt nn c lm sch tuyt i s m bo cho cỏc nguyờn t

kim loi m liờn kt trc tip vo mng tinh th, kim loi nn t gn bỏm
cao nht. Nu thụng s mng ca chỳng khỏc nhau khụng nhiu (t 2,5 ữ
12,5%) v b mt c lm sch hon ton thỡ kim loi m cú th tip tc
phỏt trin v lp li kiu mng ca cu trỳc nn ( hin tng lai ghộp mng
tinh th ), khi ú gn bỏm ca lp m t n bn ca kim loi. Do vy
trc khi m b mt phi c gia cụng, x lý bng cỏc phng phỏp khỏc
nhau sao cho khụng cũn g, khụng cũn mng oxit mng mi hỡnh thnh ngay
trong quỏ trỡnh gia cụng b mt ti xn, khụng cũn dớnh du m, m hụi tay
hoc cỏc cht bn khỏc.
nhn :
nhn ca nn nh hng rt ln n nhn búng v v p ca lp
m. B mt nn nhỏm, xc lm cho phõn b in th v mt dũng in
khụng u :

SV: Nguyễn Tùng Lâm

-6-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

Ch lừm, rónh sõu in th v mt dũng in cc b bộ, tc
m chm thm chớ khụng m c
Ch li cao, nh nhn in th v mt dũng in s cao hn nờn
tc m ú rt ln cú th sinh ra gai, chỏy kt qu l nhỏm
ca nn c khuych i lờn sau khi m. Do vy ngi ta thng

dựng cht san bng lm cho b mt nn khụng quỏ nhỏm.
b) Bn cht kim loi nn :
Nu kim loi nn dng hn kim loi m thỡ lp m úng vai trũ anot trong
pin, b n mũn v ho tan cũn kim loi nn c bo v cho n khi no kp
m tan ht.Vỡ vy tỏc dng v kh nng bo v ca lp m ny ph thuc
ch yu vo chiu dy ca nú, kớn tuy rt quan trng nhng khụng phi l
ch yu. Cụng ngh in kt ta loi lp m anot ny tng i n gin.
Vớ d : M Zn lờn Fe, thộp t dung dch sunfat.
Nu kim loi nn õm hn kim loi m thỡ tỏc dng v kh nng bo v ca
lp m ph thuc vo kớn ca nú cũn dy ch l th yu. Vỡ nu cú l
thng vi pin n mũn s xut hin trong kim loi nn úng vai trũ l anot v b
ho tan. Lp m tuy vn sỏng p, dy nhng d bong ra tng mng ln do
nn ó b g di lp m. Cụng ngh in kt ta loi lp m catot ny khỏ
phc tp
Vớ d : M Cu t dung dch sunfat lờn Fe, thộp, Zn
c) S thoỏt hirụ :
M in thng c thc hin trong mụi trng nc nờn phn ng
ph catot hay gp nht l ion H + phúng in to thnh hirụ. Nguyờn nhõn
cú hirụ thoỏt ra ng thi vi kim loi m l do in th phúng in ca
chỳng xp x nhau .
Cỏc kim loi cú quỏ in th hirụ ln nh : Zn, Pb, Sn dự kt ta
trong mụi trng axit hirụ vn khụng th thoỏt ra c v hiu sut dũng
in vn rt cao (xp x 100%) cũn cỏc kim loi cú quỏ in th hirụ bộ
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-7-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

nh: Fe, Ni, Co, Pt thỡ hirụ thoỏt ra rt d. Vic thoỏt hirụ trờn b mt
catot trong quỏ trỡnh m gõy nhiu tỏc hi :
Gim hiu sut dũng in : Vỡ phi tiờu phớ in nng vo vic gii phúng
hirụ vụ ớch, tc m li gim i
Thay i pH ca dung dch : Do phn ng ph catot
2 H + + 2e H 2

m nng H+ gim i ( gim trc tiờn trong lp sỏt catot) pH s tng n
giỏ tr to hirụxit hoc mui kim khi tan l nguyờn nhõn sinh gai,
cõy cu to lp m b xụ lch lm tng ng sut ni. khc phc hin
tng ny ta phi in phõn nhit cao hn, khuy mnh dung dch, tng
nng ion kim loi v ion H+ .
Gõy ra hiờn tng giũn hirụ :
Hirụ va thoỏt ra dng nguyờn t rt d b hp th bi kim loi nn,
m to thnh hp cht hirua hay ho tan trong kim loi thnh dung dch rn
hoc chui vo mng tinh th lm xụ lch t chc kim loi gõy nờn cng v
giũn hirụ, lp m cú ng sut ln d bong hoc phng rp .
Gõy ra hin tng r :
Hirụ thoỏt ra cũn cú th úng li thnh bt bỏm trờn mt catot ln
dn ri tỏch ra. Trong sut tri gian bỏm trờn catot, bt ó che chn khụng
cho quỏ trỡnh m xy ra ti chõn bỏm ca nú to nờn cỏc vt r, l thng.
1.2.2 nh hng ca thnh phn dung dch m
a) Mui v cỏc hp cht cha ion ca kim loi m :
õy l thnh phn thit yu ca dung dch m, to mụi trng din
ra cỏc quỏ trỡnh in hoỏ catot, anot.
Thnh phn cation trong hp cht ny giỳp gi cho pH ca dung dch m xỏc

nh n nh.
Thnh phn anion nh hng khỏ mnh ti kh nng hp th lờn catot .
b) Cht dn in :
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-8-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

Cỏc cht ny khụng tham gia vo quỏ trỡnh catot, anot m ch úng vai
trũ chuyn in trong dung dch lm gim in th b m, gim nhit Jun
thoỏt ra, nõng cao hiu sut dũng in .
Vớ d : Dựng H2SO4 trong b m CuSO4 hoc ZnSO4
Dựng Na2SO4 , MgSO4 trong b m Ni
c) Cht m :
Nhiu dung dch m ch lm vic trong mt khong pH nhõt nh m
thụi cho nờn phi dựng cht m thớch hp khng ch. Cht m thng
dựng l cỏc axớt yu nh : bụric, axờtic, xitric hoc cỏc mui nh axờtat,
Al 2(SO4)3 , phốn nhụm .
d) Cht hot ng b mt v cht keo :
Mt s cht hu c hot ng b mt hoc cht keo ln vo b m
hoc do ta ch ng a vo tuy nng rt bộ nhng cú nh hng rt ln
n cu trỳc kt ta catot. Nu chn c cht hot ng b mt thớch hp
cho ta hiu ng tt, lm cho kt ta catot nh mn, sớt cht ngc li cú
th lm kt ta rt giũn, d bong, sn sựi.

e) Cht búng :
L mt loi ca cht hot ng b mt cú tớnh cht c bit cho phộp
thu c lp m búng trc tip ngay t b m khụng cn ỏnh búng hoc ty
búng thờm
f) Cht thm t :
Cú tỏc dng thỳc y bt (khớ hirụ ) mau tỏch khi b mt m trỏnh
c r, chõm kim. Cỏc cht thm t thng dựng : Ankylsunfat, ru
ờtylớc
g) Cht chng th ng anot :
a s cỏc quỏ trỡnh m u dựng anot ho tan gi cho nng ion
kim loi trong dung dch khụng b nghốo i do chỳng ó gii phúng ra trờn
catot. Trờn thc t mt phn hoc ton b b mt anot b ph mt lp mui,
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-9-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

hiđrôxit hoặc lớp oxit khó tan làm cho diện tích hoạt động của anot bị thu
hẹp phân cực anot tăng lên, dẫn đến thoát khí O 2 trên anot, anot bị thụ động
trầm trọng hơn .
Để khắc phục hiện tượng này người ta phải đưa vào dung dịch mạ chất
chống thụ động anot như : Ion Cl − trong mạ Ni ; ion CN − , CNS − trong mạ
đồng xianua với mục đích ngăn cản việc hình thành các chất khó tan trên bề
mặt catot .

h) Tạp chất :
Đây là thành phần không mong muốn nhưng khó tránh khỏi trong các
thành phần dung dịch kỹ thuật. Chúng có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ,
tan hay không tan, có thể phóng điện hay hấp phụ trên catot và lẫn vào lớp
mạ gây nên bong, rộp, giòn, gai. Vì vậy làm sạch dung dịch mạ thường
xuyên và triệt để là một yêu cầu bắt buộc nhất là đối với các bể mạ bóng, mạ
tốc độ cao, mạ có khuấy dung dịch.
Ta có thể loại bỏ chất hữu cơ bằng các chất oxihoá (H 2O2 , oxi thoát ra từ
anot …) hoặc bằng cách hấp phụ trên than hoạt tính.
Loại bỏ các cation dương hơn ion kim loại mạ bằng cách điện phân ở
mật độ dòng điện bé và pH thích hợp hoặc bằng phản ứng đẩy bởi chính chất
bột kim loại mạ.
Loại bỏ cation âm hơn ion kim loại mạ có gây hại bằng cách tăng pH
để kết tủa chúng dưới dạng hiđrôxit (nếu được) .
Loại bỏ các chất không tan bằng cách lọc dung dịch tốt nhất là lọc liên
tục, bao anot trong túi vải để giữ mùn cặn lại.
1.2.3 Mật độ dòng điện :
Là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực.
Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít chặt
và đồng đều, bởi vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại
những điểm lồi (có lợi thế) mà cả trên các mặt phẳng (ít lợi thế hơn ) của tinh
SV: NguyÔn Tïng L©m

-10-

Líp TB§ - §T4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

th. Mt khỏc mt dũng in cao s lm cho ion kim loi m b nghốo
nhanh trong lp dung dch sỏt catot. Do ú phõn cc s tng lờn to iu kin
sinh ra lp m cú tinh th nh mn. Nhng nu mt dũng in quỏ cao
(gn n dũng gii hn) cng khụng c bi vỡ lỳc lp m s b gai, cõy
hoc chỏy. Khi m ti dũng gii hn thỡ ch thu c bt kim loi ngoi ra
cũn lm anot d b th ng hirụ d thoỏt hn v bin ng mnh pH lp
dung dch sỏt catot.
Nh vy tng mt dũng in m cht lng m vn tt ta cn tng mt
dũng in gii hn igh lờn trc ó nh l tng nhit , tng nng ion
chớnh hoc tng s i lu trong dung dch :
Dc/Dgh

H+ + e =1/2H2

Bt mn ln oxit v hiroxit

1.0
Bt , sn , gai ,xp
Mn+ + ne = M

Lp m a tinh
Xon , lp , khi (cu trỳc tinh th hon
chnh nht )

0

E

Hỡnh 1.2 : Thay i dng kt ta theo mt dũng in
1.2.4 : Ngun in mt chiu
Cú mt vai trũ rt quan trng, l yu t quyt nh n cht lng lp
m thu c. Vỡ vy nu ch quan tõm n vic nõng cao, thay i cht
lng ca vt liu nn, vt liu m thỡ cha hn ó thu c sn phm m
vi cht lng mong mun mt khi cht lng ngun mt chiu khụng c
m bo. Do ú trong cụng ngh m in luụn ũi hi ngun mt chiu phi
cú cht lng tt, khụng giỏn on, hiu sut cao, n nh, lm vic lõu di,
d dng sa cha v thay th .
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-11-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

Trong một số trường hợp đặc biệt do yêu cầu về công nghệ cũng như
của sản phẩm mạ mà ta có thể thực hiện các phương pháp như là : Dùng
dòng xung từ vài ba giây đến 30 giây đầu tiên với mật độ dòng điện cao gấp
từ 2 ÷ 3 lần bình thường hoặc là dòng đổi chiều không đối xứng, dòng không
liên tục. Tuy nhiên thông thường nhất người ta vẫn quan tâm đến việc làm
sao để có thể tạo ra nguồn một chiều với chất lượng tốt nhất :
a) Sử dụng máy phát điện một chiều
› Sơ đồ:
380v

+
®c

-

R
Ut

MF - 1C

bÓ m¹

bÓ m¹

Hình 1.3 : Mô hình sử dụng máy phát điện một chiều
Để điều chỉnh được điện áp ra U ta cần thay đổi dòng điện kich từ I t
bằng cách mắc thêm một biến trở vào mạch kích thích.
› Nhận xét :
Nhìn chung máy phát điện một chiều cho dải điều chỉnh điện áp rộng,
đáp ứng được yêu cầu về công suất cho tải mạ. Song bên cạnh đó máy phát
điện một chiều vẫn còn tồn tại nhiều khuyết điểm như là : Thiết bị cồng
kềnh, làm việc có tiếng ồn lớn, khó khăn trong việc bảo dưỡng và sửa chữa,
chi phí ban đầu cao do máy phát điện một chiều cần phải đặt trong một
phòng kín riêng biệt, dòng điện đưa tới các bể mạ qua hai thanh cái lớn nên

SV: NguyÔn Tïng L©m

-12-

Líp TB§ - §T4 K48

Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

tn ng. Chớnh vỡ vy m ngy nay trong cụng ngh m in mỏy phỏt in
mt chiu khụng c s dng
b) S dng b bin i
Hin nay, trong cụng nghip thỡ dũng in xoay chiu c s dng
rng rói, thờm vo ú cụng ngh ch to cỏc thit b bỏn dn ngy cng c
hon thin c bit l cụng ngh sn xut tiristo ó t c nhiu thnh tu.
Chớnh vỡ vy cỏc b bin i dũng xoay chiu thnh dũng mt chiu c
dựng ph bin trong cỏc nghnh cụng nghip.
B bin i s dng bin ỏp t ngu
S :
v
380

U1

U2

U1

+

U2

bể mạ

-

Hỡnh 1.4 : S s dng bin ỏp t ngu
Nhn xột :
Vi s s dng mỏy bin ỏp t ngu thỡ tn hao s ln hn khi ta
dựng b bin i mt khỏc ta gp khú khn trong quỏ trỡnh t ng hoỏ bi
l mun thay i liờn tc in ỏp trờn ti ta cn thay i s vũng dõy th cp
ca bin ỏp t ngu bng cỏch dựng chi than tip xỳc trt vi dõy dn.
Chớnh iu ny lm phỏt sinh tia la in trong quỏ trỡnh lm vic, lm h
hng phn dõy dn tip xỳc vi chi than.
B bin i s dng iu ỏp xoay chiu
S :
v
380

U1

+

U2

bể mạ

-

Hỡnh 1.5 : S s dng iu ỏp xoay chiu
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-13-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

• Nhận xét :
Với sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều ta nhận thấy có nhược điểm :
Nếu góc mở giữa hai van liên tiếp trong một chu kỳ không bằng nhau thì sẽ
xuất hiện một điện áp trung bình một chiều, chính điện áp này sẽ gây ra quá
dòng trong máy biến áp, có thể phá hỏng cách điện của máy biến áp cả về
nhiệt lẫn cơ.
› Bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu có điều khiển
• Sơ đồ :

v
380

U1

+
U2

bÓ m¹

-

Hình 1.6 : Sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều

• Nhận xét :
+
Sơ đồ này nếu đem so sánh với sơ đồ sử dụng biến áp tự
ngẫu thì ta

thấy có những ưu điểm nổi bật : Thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự
-

động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng áp đồng thời đã khắc phục được
nhược điểm mà điều áp xoay chiều mắc phải như đã nêu ở trên vì điện áp
đưa vào biến chỉnh lưu là hình sin nên dòng điện trung bình trong một chu
kỳ luôn bằng 0.

SV: NguyÔn Tïng L©m

-14-

Líp TB§ - §T4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

CHNG 2
LựA CHọN SƠ Đồ CHỉNH LƯU
Do yờu cu trong nhim v thit k tt nghip l thit k b ngun
chnh lu vi in ỏp a vo chnh lu l xoay chiu 3 pha nờn di õy em
ch cp n cỏc s chnh lu 3 pha .
2.1 : Chnh lu tia 3 pha

a) S nguyờn lý:
v
380 B

A

a

C

c

b
U2f

R
Id

T1

T2

Ud

T3

Hỡnh 2.1 : S chnh lu tia 3 pha
b) GIi thớch hot ng ca s :
Chnh lu tia 3 pha cú cu to t mt bin ỏp 3 pha vi th cp u
sao cú trung tớnh. Ba tiristo ni cựng cc tớnh ni vi ti, ba u cũn li

ca van bỏn dn ni ti cỏc pha th cp bin ỏp. Ti c ni gia u ni
chung ca van bỏn dn vi trung tớnh.

SV: Nguyễn Tùng Lâm

-15-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

Tại thời điểm hai điện áp pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của
cá van bán dẫn. Các tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời
điểm góc thông tự nhiên như vậy chỉnh lưu tia 3 pha góc mở nhỏ nhất là α =
0o dịch pha so với điện áp một góc 30o .
Do ba van đấu chung catot nên tại một thời điểm chỉ có một van dẫn
đó là van đấu với pha có điện áp dương hơn hai pha còn lại và thời điểm cấp
xung cho van trước đó thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với
trung tính. Vì vậy tuỳ thuộc vào giá trị góc mở α mà điện trên tải Ud có thể
liên tục hoặc gián đoạn :
Khi α ≤ 30o thì điện áp Ud liên tục
Khi α > 30o thì điện áp Ud gián đoạn
Xét trường hợp α = 30o : Tại thời điểm α = α 1 = 30o cấp xung điều
khiển cho tiristo T1 , vì lúc này ua là dương nhất nên T1 dẫn bỏ qua điện áp
rơi trên tiristo thì điện áp trên tải bằng điện áp nguồn, đến thời điểm α = α 2
= 1500 cấp xung điều khiển cho tiristo T2 lúc này ub > ua nên T2 dẫn thông
cho đến khi mở tiristo T3 tại thời điểm α 3 đồng thời T1 bị khoá một cách tự

nhiên. Khi T2 dẫn, điện áp ngược đặt lên tiristo T 1 là điện áp dây giữa pha a
và pha b có trị số là 6 U2f. Xét tương tự cho thời điểm tiristo T3 dẫn.
c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha :
› Điện áp tải U d :
U d = 1,17 ∗U 2 f ∗ cosα
U d = 1,17 ∗

1
∗U 2 f ∗ 1 + sin ( π / 3 − α ) 
3

khi α ≤

π
6

khi α >

π
6

› Dòng điện trung bình trên mỗi van I v :
1
Iv = ∗ Id
3

› Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng U nv :

SV: NguyÔn Tïng L©m

-16-

Líp TB§ - §T4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn
U nv = 6 ∗ U 2 f

› Công suất của máy biến áp UBA :
UBA = 1,35 ∗ Pdmax
d) Giản đồ các đường cong trong trường hợp α = 300 , tải điện trở :
ua

U

l

uc

ub

α

α1

α3

α2

α4

t

U

d

t
Id

I
T1

t

I
T2

t
I
T3

t
U
T1

t

SV: NguyÔn Tïng L©m

-17-

Líp TB§ - §T4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

e) Nhận xét :
Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha thì việc điều khiển van tương
đối đơn giả , số lượng van ít nên kinh tế hơn. Tuy nhiên chất lượng điện áp
một chiều không cao do tần số đập mạch nhỏ, hiệu suất sử dụng biến áp
kém, số lượng van ít nên dòng qua van lớn gây sụt áp đáng kể đối với tải có
điện áp nhỏ và dòng điện lớn .
Do vậy chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi công suất tải không
quá lớn so với biến áp nguồn cấp và khi tải có yêu cầu chất lượng điện áp
một chiều không quá cao .
2.2 : Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng
a) Sơ đồ nguyên lý :
A

v
380

B

C

U2f

a

T1

T4

b

T6

T3

c
T2

R
Ud

SV: NguyÔn Tïng L©m

T5

-18-

Id

Líp TB§ - §T4 K48

§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

b) Giải thích hoạt động của sơ đồ :
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ
đồ chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau :
› Nhóm T1 , T3 , T5 mắc theo kiểu catot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3
pha cho điện áp dương
› Nhóm T4 , T6 , T2 mắc theo kiểu anot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3
pha cho điện áp âm
Giả thiết tại thời điểm xét thì hai tiristo T5 , T6 đang đẫn :
› Khi α1 =

π
+ α cấp xung điều khiển mở tiristo T 1, T1 mở được là do U a > 0 ,
6

T1 mở làm cho tiristo T5 bị khoá lại một cách tự nhiên (vì U a > U c ). Lúc này
T6 và T1 dẫn cho dòng chảy qua. Khi đó điện áp trên tải sẽ là :
U d = U ab = U a − U b

› Khi α 2 =

3π
+ α cấp xung điều khiển mở tiristo T 2 , T2 mở được vì lúc này
6

điện áp U c là âm nhất, T2 mở làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên. Tương
tự ta cấp xung điều khiển cho các tiristo còn lại theo đúng thứ tự pha.
Vì chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng được coi như là hai nhóm chỉnh lưu
tia 3 pha mắc ngược chiều nhau hợp thành vì vậy điện áp ngược trên mỗi van ta
xét tương tự như trong trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha.
c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng :
› Điện áp tải U d :
U d = 2,34 ∗U 2 f ∗ cosα
U d = 1,17 ∗

1
∗U 2 f ∗ 1 + sin ( π / 3 − α ) 
3

khi α ≤

π
3

khi α >

π
3

› Dòng điện trung bình trên mỗi van I v :
1
Iv = ∗ Id
3

SV: NguyÔn Tïng L©m

-19-

Líp TB§ - §T4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

› Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng U nv :
U nv = 6 ∗ U 2 f

› Công suất máy biến áp SBA :
SBA = 1,05 ∗ Pdmax
d) Giản đồ đường cong trong trường hợp α = 300 , tải điện trở :
ua

ub

uc

Ul
α1

α2

α3

α4

α5

α6

α7

t

Ud

Id

t

I
T1

t

I

T2

t

T3

t

I

I
T4

t

I
T5

t

I

t

T6

t

t
U
T1

SV: NguyÔn Tïng L©m

-20-

Líp TB§ - §T4 K48

§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

e) Nhận xét :
Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng cho ta
chất lượng điện áp một chiều tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn,
hiệu suất sử dụng máy biến áp cao tuy nhiên số lượng van sử dụng lớn nên
giá thành thiết bị cao, gặp khó khăn trong việc điều khiển van.
Nhìn chung sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng dùng cho
trường hợp tải có công suất lớn nhưng dòng tải nhỏ hoặc trường hợp tải có
yêu cầu hoàn trả năng lượng về lưới.
2.3 : Chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng
a) Sơ đồ nguyên lý :
v
380

A

*

*

C

*
U2f

a

B

b

R

c

Ud

a'

b'

c'

*

*

*

Id
T1

T3

T5

T4
Lcb

T6

T2

Lcb

b) Giải thích hoạt động của sơ đồ :

SV: NguyÔn Tïng L©m

-21-

Líp TB§ - §T4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

Sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm một máy
biến áp động lực 3 pha , cuộn kháng cân bằng , 6 tiristo chia làm hai nhóm
T1 ,T3 , T5 và T4 , T6 , T2
› Máy biến áp có hai hệ thống dây quấn thứ cấp a ,b, c và a ’,b’,c’ . Các cuôn
dây trên mỗi pha a và a’ , b và b’, c và c’ có số vòng dây như nhau nhưng cực
tính thì ngược nhau
› ua , ub , uc cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T 1 , T3 , T5 tạo ra thành phần điện
áp ud 1

› ua , ub , uc cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T4 , T6 , T2 tạo ra thành phần điện
,

,

,

áp ud 2
ud =

Do đó :

ud 1 + ud 2
(∗ )
2

› Nhờ có cuộn kháng cân bằng Lcb mà sáu tiristo được chia thành hai nhóm
van đấu theo sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha làm việc độc lập, song song với nhau
qua việc xét hoạt động từng nhóm van (tương tự như trong chỉnh lưu tia 3
pha) cho ta các dạng sóng điện áp ud1 , ud2. Từ biểu thức ( ∗ ) ta xác định được
ud .
c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng :
› Điện áp tải U d :

U d = 1,17 ∗ cosα ∗ U 2 f

› Dòng điện trung bình trên mỗi van I v :
1
Iv = ∗ Id
6

› Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng U nv
U nv = 6 ∗ U 2 f

› Công suất máy biến áp :
SBA = 1,26 ∗ Pdmax

SV: NguyÔn Tïng L©m

-22-

Líp TB§ - §T4 K48


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

d) Giản đồ đường cong trong trường hợp α = 300 , tải điện trở :

U

d2

U

d1

U

d

α1
I

α2

α3

α4

α5

α6

α7

t

d

t
I

T1

t
IT2

t

I
T3

t
I
T4

t
I
T5

t

I
T6

t
U
T1

t

e) Nhận xét :
Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha cho ta chất lượng điện áp tốt do
tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn, dòng điện qua mỗi van chỉ bằng

SV: NguyÔn Tïng L©m

-23-

Líp TB§ - §T4 K48

1
6


§å ¸n tèt nghiÖp

ThiÕt kÕ bé nguån chØnh lu ®iÒu khiÓn cho m¹ ®iÖn

dòng điện tải nên rất dễ dàng trong việc chọn van nhất là trong trường hợp
dòng tải lớn tuy nhiên do phải sử dụng hai hệ thống dây quấn thứ cấp nên
việc chế tạo máy biến áp sẽ phức tạp hơn và phải làm thêm cuộn kháng cân
bằng.
Nhìn chung chỉnh lưu tia sáu pha thường được chọn khi tải có dòng
điện quá lớn mà theo sơ đồ cầu 3 pha ta sẽ gặp khó khăn trong việc chọn
van.
Qua phân tích, so sánh những ưu nhược điểm của 3 sơ đồ chỉnh lưu
đồng thời liên hệ với số liệu trong đồ án tốt nghiệp cho tải mạ điện có I d =
1200 A và Ud = 16 V ta thấy việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tia có cuộn kháng
cân bằng là hợp lý.

SV: NguyÔn Tïng L©m

-24-

Líp TB§ - §T4 K48


Đồ án tốt nghiệp

Thiết kế bộ nguồn chỉnh lu điều khiển cho mạ điện

Chơng 3
Tính toán và thiết kế mạch động lực
3.1 : S nguyờn lý mch lc
A

B

N

C

v
380

AT

I>

I>

I>

M

D

K

K

K
A

*

*

a

C1

R1

b

R2

C2

C

*

a'

c

*

b'

C1

c'

C1

C1

C2

T5

T4

C2

R1

*

R1

R2

R2
T3

*

R1

C1

R2
T1

C1

R1

R1

C2

B

R2
T6

C2

R2
T2

Rs

+

-

C2
bể mạ

Lcb

Lcb

S gm cú :
SV: Nguyễn Tùng Lâm

-25-

Lớp TBĐ - ĐT4 K48