Thiết kế nguồn mạ một 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


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
tiệ
n 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 thuậ
t 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 ng

ừng 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 t
ự 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 mộ
t 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 !




Chương I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện


Đề tài thiế
t 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 đi
ện 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 thấ
p : 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 điệ
n 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 cầ
n 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 đả
m 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 điệ
n 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 lợ
ng 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 l
ớp 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 chọ
n 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 thu
ộc 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 đ
iện
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 ti
ết 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 th
ực 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 cầ
n 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 vậ
y 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 nh
ẹ; 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 ph
ơng 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 khiể
n, 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





Sơ đồ ng
u

a.Khi tải t
V
_ Khi
tiristor sẽ
_khi
θ
Dòng qu
Giá
1
α
Π
=
∫
Π
U
d
Giá trị tr
Giá trị tr
+ C
+ c


Phươn
g
uyên lý chỉ
thuần trở R
Với
2
2
u =

i
αθ
=
: c
khoá khi
u
αθ
+Π=
, c
ua tải là dò
tri tru
.sin2
2
θθ
dU
rung bình d
rung bình d
Chỉnh lưu
chỉnh lưu s
g án 1:Ch
ỉnh lưu cầu
R
θ
sin2
2
U

cho xung
0
2

=u

cho xung đ
òng gián đo
ung bì
1(
2
2
θ
Π
=
U
dòng tải :
dòng qua t
cầu ba pha
sáu pha có
ỉnh lưu c
ầ
u một pha
điều khiể
n
điều khiển
oạn.
ình củ
)cos1
α
+


I

d
=
tiristor :
a
cuộn khá
n
ầu một pha
n mở T1,
mở T3, T
4
ủa điện
R
U
d
=

ng cân bằn
a
T2 và
U
d
4 và
UU
d
=
n áp
ng
2
U
d

−=
, ha
2
U

tải
ai
:

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



Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 tiristor, chia làm hai nhóm :
- nhóm catốt chung T1, T3, T5
- nhòm anốt chung T2, T4, T6

Điện áp các pha :

θ
sin2
2
UU
a
=


)
3
2
sin(2
2
Π
−=
θ
UU
b


)
3
4
sin(2
2
Π
−=
θ
UU
c

b. Hoạt động của sơ đồ
Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua
bGcF
VVVV == ,

+ Khi
αθθ
+
Π
==
6
2
cho xung điều khiển mơ T1. Tiristor này mở vì
0>
a
U
. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì
ca
UU >
.
Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải :
baabd
UUUU −==

+ Khi
αθθ
+
Π
==

6
3
2
cho xung điều khiển mở T2. Tiristor này mởvì T6
dẫn dòng, nó đặt
b
U
lên catốt T2 mà
cb
UU >
. Sự mở của T2 làm cho T6
khoá lại một cách tự nhiên vì
cb
UU >
.
Các xung điều khiển lệch nhau
3
Π
đợc lần lợt đa đến các cực điều khiển
của các thyristỏ theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,…..Trong mỗi nhóm, khi 1
tiristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyritor trớc nó, nh trong bảng sau :


G
F
T5
T6
T4
u2c
u2a

u2b
R
L
T1
T2
T3
Thời điểm Mở Khoá
θ
1
= π/6 + α
θ
2
= 3π/6 + α
θ
3
= 5π/6 + α
θ
4
= 7π/6 + α
θ
5
= 9π/6 + α
θ
6
= 11π/6 + α
T1
T2
T3
T4
T5

T6
T5
T6
T1
T2
T3
T4




Dạng sóng cơ bản

d
u
1
T
i
α
2
T
i
3
T
i
6
T
i
5
T
i
4
T
i

d
i
d
I
0
0
0
0
0
0
0
0
θ
θ
θ
θ
θ
θ
θ
θ







Đờng bao phía trên biẻu diễn điện thế điểm F
Đờng bao phía dới biểu diễn điện thế điểm G
Điện áp trên mạch tải :

GFd
UUU −=
là khoảng cách thẳng đứng giữa
hai đờng bao


αθθ
α
α
cos
63
.sin2
2
6
2
6
5
6
2
Π
=
Π
=
∫
+
Π
+
Π
U
dUU

d


Giá trị điện áp ngợc lớn nhất trên mỗi van :
22max
45,26 UUU
ng
==

Dòng điện trung bình chạy qua van
3
d
T
I
I ==


c. Ưu nhược điểm của sơ đồ
+ u điểm :
- số xung áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch
của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lợng điện áp cao.
- không làm lệch pha lới điện.


+ Nhợc điểm
- sử dung số van lớn, giá thành thiết bị cao
- sơ đồ này chỉ dung cho tải công suất l
ớn, dung tải nhỏ và
điện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng.
Do dòng tải dùng trong mạ điện có tụi số lớn, nên không áp dụng đợc

phơng pháp này, vì các van không chịu đợc dòng tải lớn.

Phương án 3 :Chỉnh lưu 6 pha có cuộn cảm cân bằng


a. Sơ đồ nguyên lí

sơ đ
ồ
chia
mỗi
nha
u
và Q
lưu t
của h
toàn

Sơ đồ ch
ỉ
ồ, bao gồm
làm hai nh

Máy biến
pha a và
a
u. Hệ thống
Q. P, Q đợc

Cuộn khá

n
trung bình
hai chỉnh l

Do tác d
ụ
. Nh vậy tr
Dòng trun



ỉnh lưu 6
m máy biến
hóm T1,T3
áp có hai h
a’; bvà b’;
g dây cuốn
c nối với nh
ng cân bằn
h trong sơ đ
lưu tia 3 p

2
3
U
d
=
ụng của cuộ
rị hiệu dụn
ng bình qua

pha có cuộ
n áp động l
3,T5 và T2
hệ thống th
;c và c’ có
n thứ cấp m
hau qua cu
ng có cấu t
đồ có giá t
ha, nghĩa l
2
17,1
2
6
U
U
=
Π
ộn kháng c
ng của dòng
a van :
v
I =
ộn kháng c
lực, có cuộ
2,T4,T6 .
hứ cấp a,b
ó số vòng n
máy biến áp
uộn kháng c

tạo nh máy
trị nh trun
là :
2
U

cân bằng có
g thứ cấp m
6
d
I
=

cân bằng,
ộn kháng c
,c và a’,b’
,
nh nhau nh
p có điểm t
cân bằng.
y biến áp tự
ng bình cộn
ó thể coi d
máy biến á
đợc biểu d
ân bằng
C
,c’. Các cu
hng có cự
trung tính

ự ngẫu. Đi
ng của điện
dòng tải là p
áp :
d
I
I
2
2
=
diễn nh trê
cb
C
, 6 tiristo
uộn dây trê
c tính ng
ợ
riêng biệt P
ện áp chỉn
n áp đầu r
phẳng hoà
d
d
I29,0
3
=

ên
or
n

ợc
P
nh
ra
àn


• Dạng sóng cơ bản :



Dạng điện áp chỉnh lưu U
d
và điện áp trên cuộn kháng cân bằng

b. Ưu nhược điểm của sơ đồ
_ u điểm :
+ Dòng điện áp ra có độ bằng phẳng cao, có độ đập mạch lớn
+ Dòng trung bình qua van nhỏ bằng 1/6 dòng qua tải.
_ Nhợc điểm :
+ Số van sủ dụng lớn giá thành cao
+ Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều.

** Dòng điện mạ quá lớn, că
n cứ vào u nhợc điểm của phơng án này, ta thấy
dòng qua van nhỏ trung binh bằng 1/6 dòng qua tải.. Vì vậy ta chọn bộ biến
đổi dùng làm nguồn mạ là chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằn .

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC


Qua phân tích ở trên ta chọn phơng án chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng
cân bằng để xây dựng nguồn mạ. Nhng phơng án này có nhợc điểm là khi
dòng tải nhỏ thì cách chọn van khó và chỉ ứng dung cho điện áp thấp ,dòng
tải lớn và bắt buộc phải có cuộn kháng cân bằng.

CHỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng có 2 cách điều chỉnh:
+
Điều chỉnh sơ cấp
+ Điều chỉnh thứ cấp

Sau đây ta xét từng phơng án điều chỉnh
1> Điều chỉnh sơ cấp :
Sơ đồ :


Sơ đồ gồm : - 3 tiristor
- 6 điốt không điều khiển

Khi cần điều chỉnh điện áp ra trên tải, ta sẽ điều chỉnh bộ biến đổi bằng
cách thay đổi góc mở của các tiristor T1, T2, T3. Khi qua các van T1, T2,
T3 điện áp sơ cấp bị gián đoạn không còn dạng sin nữa. Vì vậy khi cảm
ứng sang thứ cấp điện áp có dạng bậc thang. Nh vậy khi muốn
điều chỉnh
điện áp ra trên tải ta phải điều chỉnh gián tiếp. Điện áp ra tải chất lợng
thấp. Mặt khác tuy chọn van dễ nhng lại tốn van.
Vì vậy phơng án này không khả thi.


2> Điều chỉnh thứ cấp :

Sơ đồ gồm 6 tiristor đợc bố trí nh hình vẽ





• Khi muốn điều chỉnh dòng tải chỉ cần tác động xung điều khiển vào
các tiristor ở cuộn thứ cấp. Khi góc điều khiển
α
tăng lên, biên độ điện áp

cân bằng tang lên đáng kể. Giá trị điện áp trên cuộn kháng lớn nhất khi
0
90=
α
. Phơng án này đã khắc phục đợc những nhợc điểm của điều chỉnh sơ
cấp.
Cuối cùng, chọn phơng án điều chỉnh 6 pha cuộn kháng cân bằng điều
chỉnh thứ cấp.

Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ một chiều nh sau :







Sơ đồ gồm :
+ 6 tiristor
+ Điện trở sum loại 2000A – 60mV
+ Bảo vệ van RC
+ Cuộn kháng cân bằng PQ

I>Tính toán máy biến áp lực
Từ sơ đồ mạch lực với các thông số ta tính toán máy biến áp lực :
1. Các thông số cơ bản của MBA
Công suất một chiều trên tải :
ddod
IUP .=

Với
∑
Δ+=
dddo
UUU


vanckbad
UUUU Δ+Δ+Δ=Δ
∑

Máy bién áp có công suất vàI chục kVA thuộc loại máy biến áp nhỏ nên :

ddba
UU %4=Δ


dck
UU %5,1=Δ


VU
vaa
2=Δ

Điện áp rơI trên mỗi van là 1 V
Vậy :
)(66,2266,02%)5,1%4( VUU
dd
=+=++=Δ

∑

Suy ra :
)(66,1466,212 VUUU
dddo
=+=Δ+=
∑
Chọn
)(15 VU
do
=

Công suất hiệu dụng của máy biến áp :

)(1,281500.15.26,126,1.26,1 KVAIUPS
ddod
====

Vậy chọn máy biến áp có công suất 28 (KVA).
Từ công thức chỉnh lu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có :


α
cos.
2
63
2
Π
=
U

U
do
, chọn
0
40=
α

suy ra
)(8,15
40cos6.3
15.2
cos.6.3
.2
2
V
U
U
do
=
Π
=
Π
=
α

Chọn
)(16
2
VU =

* Tỷ số máy biến áp
75,23
16
380
2
1
===
U
U
k

* Giá trị hiệu dụng dòng chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp :

)(4351500.29,029,0
32
2
AI
I
I
d
d
====

* Giá trị hiệu dụng dòng chảy trong cuộn sơ cấp :

)(25
75,23
1500.4,0
4,0
1

A
k
I
I
d
===


2. Tính toán mạch từ :
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ đợc tính theo công thức :

fC
S
kQ
.
.=
[cm2]
k= 4 đến 6 , ở đây chon k = 6
S : công suất biểu kiến của máy biến áp (VA)
C : số trụ ( C=3 )
f : tần số nguồn điện xoay chiều . (f = 50Hz)

Thay số ta có
)2(5,80
50.3
28000
.6 cmQ ==

Giả sử a: là chiều rộng của trụ
b: là bề dày của trụ




Để đảm bảo mỹ thuật ta chọn a/b =1,25
Vậy từ
⎩
⎨
⎧
=
=
25,1/
.
ba
baQ

Ta suy ra a= 8 cm ; b=10 cm

Để đảm bảo mỹ thuật chọn chiều cao của trụ theo tỷ lệ m= h/a =2,5
suy ra h=2,5a= 2,5.8=20 cm
Dùng loại thép 330 có độ dày 0,35mm
Mật độ từ cảm trong trụ B = 1 (tesla)

3. Tính toán dây cuốn :
Số vòng vôn : 4,44.f.B.Q.
4
10
−

=4,4.50.1.80.
4
10
−
=1,5 (vôn/vòng)
Trong đó : f là tần số dòng điện
Q là tiết diện trụ
B là mật độ từ cảm trong trụ
*Số vòng dây sơ cấp
211
5,1
380
1
==W
(vòng)
*Số vòng dây sơ cấp
8,8.
1
1
2
2
== W
U
U
W
(vòng) Lấy tròn là 9 vòng

Hai cuộn dây thứ cấp đợc cuốn trên cùng một pha : 9 – 0 – 9
* Chọn mật độ dòng điện :
2

21
/5,2 mmAJJ ==

* Tiết diện dây dẫn sơ cấp :

)(10
5,2
25
2
1
1
1
mm
J
I
Q ===



Chọn dây rẹt tiết diện thực (2x5) bọc sợi thủy tinh hai lớp
*Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp :

)(160
5,2
435
2
2
2
2
mm

I
I
Q ===


Ta chọn dây dẫn rẹt (2x10) bọc sợi thuỷ tinh quấn theo thớt, gồm 8
thớt , dầu ra hàn các thanh cáI lấy điện loại 5x60

4.Tính toán kích thớc mạch từ :
Dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I và xếp nh hình vẽ

Kích thớc lõi thép : chiều rộng a = 8cm
bề dày b = 10cm
chiều cao h = 20 cm
II> Tính chọn van và bảo vệ van :
Chế độ làm việc của các van rất khắc nhiệt, rất nhạy cảm với nhiệt
độ. Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra. Khi nhiệt
độ của van cao hơn nhiệt độ môI trờng xung quanh nhiệt lợng đợc truyền
vào môI trờng. Nếu nhiệt độ của van vợt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy
van, vì vậy làm mát cho van là một vấn đề rất quan trọng. Thông thờng van
đợc gắn lên một cánh tản nhiệt với thông số phù hợp. Có các biện pháp làm
mát thờng gặp :
+ Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lu không khí xung quanh van,
hiệu suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25%.
+ Làm mát bằng gió cỡng bức : tạo luồng không khí với tốc độ lớn
qua van để đẩy nhanh qúa trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu
suất làm việc của van là 35%
+ Làm mát bằng nớc : van đợc gắn thêm tấm đồng rỗng cho nớc chảy
qua. Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả hiệu suất làm việc của van đạt
đến 90%, nhng hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công

suất lớn và có nguồn nớc tại vị trí lắp đặt thiết bị.
Qua phân tích trên ta chọn làm mát bằng thông gió có quạt cỡng bức
với hiệu suất làm việc của van là 35%.
Dòng trung bình qua van là :
)(250
6
1500
6
A
I
I
d
v
==

Điện áp ngợc lớn nhất dặt lên van :
)(636,1.16.66,1.6
2max
VUU
ng
===

Với: hệ số dự trữ điện áp là
6,1=
u
k

hệ số dự trữ dòng điện
2,1=
i

k


Dòng điện van cần có là :

)(857
35
100.2,1.250
AI
van
==

Từ đó ta chọn van loại : TL-1000-1 do Liên Xô cũ chế tạo, có các thông
số sau :

)(1000
max
AI =


)(100
max
VU


)(1 VU =Δ


)(8
)(4,0

VU
AI
G
G
=
=


sT
off
μ
150=


sA
dt
di
sV
dt
du
μ
μ
/50
/100
=
=

** Bảo vệ van :
Tiristor rất nhảy cảm với điện áp quá cao so với điện áp định mức, ta
gọi là quá điện áp.

Nguyên nhân gây ra quá điện áp đợc chia làm hai loại :
+ Nguyên nhân nội tại : Khi khoá tiristor bằng điện áp ngợc các điện
tích đổi ngợc hành trình tạo ra dòng điện ngợc trong khoảng thời gian rất
ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện gây ra một suất điện động
cảm ứng trong các điện cảm luôn luôn có của đờng dây nguồn dẫn đến các
tiristor. Vì vậy giữa anốt và katốt xuất hiện quá điện áp.
+ Nguyên nhân bên ngoàI : Những nguyên nhân này thờng xảy ra
ngẫu nhiên nh khi có sét đánh, khi đóng cắt máy biến áp nguồn. Cắt máy
biến áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hóa máy biến áp, bấy giờ năg lợng từ
trờng tích luỹ trong lõi sắt từ chuyển thành năng lợng điện chứa trong các tụ
kí sinh, rất nhỏ giữ các dây cuốn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Điện pá này
có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc.
Để bảo vệ quá áp ngời ta thờng dùng mạch RC xem hình sau :



Tính RC bảo vệ quá áp do tụ tích điện gây nên, hình trên
impdmp
UU ,
là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngợc đặt trên
tiristor một cách chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu.
npimnpmd
UU
,..
,
là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngợc đặt
trên tiristor một cách không chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu.
im
U
là giá trị cực đại của điện áp ngợc thực tế đặt trên tiristor.

b là hệ số dự trữ về điện áp, b=1-2
k Là hệ số qúa điện áp
Các bớc tính toán :
+ Xác đinh hệ số qúa điện áp theo công thức

im
pim
Ub
U
k
.
.
=

+ Xác định các thông số trung gian :
)(),(),(
*
min
*
max
*
min
kRkRkC

+ Tính
dt
di
max khi chuyển mạch
+ Xác định lợng tích tụ Q=f(di/dt), sử dụng các đờng cong trong sổ
tay tra cứu

+ Tính các thông số trung gian

im
U
Q
CC
2
.
*
min
=


Q
LU
RR
Q
LU
R
imim
22
*
max
*
min
≤≤

Trong đó L là điện cảm của mạch RLC
Cuối cùng ta chọn
Ω=

=
80
25,0
R
FC
μ


III> Tính cuộn kháng cân bằng :

dmck
PP 05,0=


dck
PS 5,0=

Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng :

cb
dm
ocb
L
U
i
.
.19,0
2
ω
=

suy ra :
ocb
dm
cb
i
U
L
.
.19,0
2
ω
=


)(750
2
1500
2
A
i
i
t
cb
===

)(1502,0.750%20 Aii
cbocb
===

)(16
2
VU
dm
=

fΠ= 2
ω
; Với f là tần số cuộn kháng,
)(150.3 hzff
l
==

vậy
)/(942150.14,3.22 sradf ==Π=
ω


Thay vào công thức tính
cb
L
ta có :
)(10.15,2
150.942
16.19,0
.
.19,0
5
2
H

i
U
L
ocb
dm
cb
−
===
ω


Chiều rộng trụ giữa lõi thép a :

cmiLa
tcb
9,61500.10.15,2.6,2..6,2
4
252
4
===
−

Để tính các kích thớc của cuộn kháng cân bằng tàI liệu hớng dẫn ta
tìm các hệ số m,n,l
Lõi sắt cuộn kháng chọn hình

ở đây n=0,6 ; l=1,2 ; m=2,2

a
h

m =
;
a
c
n =
;
b
a
l =

Với h : là chiều cao cửa sổ h=m.a=2,2.6,9=15,2cm
c : là chiều rộng cửa sổ c=n.a=6,9.0,6=4,14cm
b : là chiều dày lõi b= a/l = 6,9/1,2=5,75cm
Tiết diện trụ là Q=a.b=6,9.5,75= 40 (cm2)
Chiều dàI lõi L’= a+(c+a/2).2 =6,9+(4,14+6,9/2).2 = 22,08cm




Độ rộng khe hở không khí δ
Số vòng dây cuộn kháng

)(80
40.52.26,1
10.15,2
..26,1
'.
.10¦
4
5

4
v
Q
LL
W
cb
===
−
μ

μ
là hệ số phụ theo tàI liệu lấy
μ
= 52