Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho bể mạ hoặc bể điện phân

Đồ án điện tử công suất:
Giáo viên hướng dẩn:Dương Văn Nghi
Sinh viên :
Đề tài :
Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho bể mạ hoặc bể điện phân
Phương án
4

Điện áp 1 chiều
định mức
120 V

Dòng điện 1
chiều định mức
15000 A

Nguồn nuôi
3x380V,50Hz

1


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
tng bớc tiếp cận môn học. Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ 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 rhầy cô giáo
trong bộ môn và đặc biệt là thầy Dng Vn Nghi đã giúp em hoàn
thành đồ án này.

2


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 !

Chơng 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, trớc 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:

3


Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ nh 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 nh : 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 thờng 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.
Trớc 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 :
Ni 2e = Ni 2 +
Cu 2e = Cu 2+

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 H 2 O, OH , Cl
4


2Cl 2e = Cl 2
4OH 4e = 2 H 2 O + O2

Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thờng chính là O2 hay Cl 2 .
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 : Ni 2+ + 2e = Ni
Mạ kẽm
Zn 2+ + 2e = Zn
Đồng thời với iôn kim loại bị khử, H 3O + cũng bị khử giải phóng ra
khí H 2 theo phản ứng : 2 H 3 o + + 2e = H 2 + H 2 O
Khí H 2 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 H 2 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 loại 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
nớc 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
thờng 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 55 70. C , mạ vàng
5


60 70 . C . 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 lợng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu đợc từ nuối đơn. VD lớp
mạ thu đợc từ dung dịch Zn(CN ) 24

hoặc Zn(CN ) 32 tốt hơn lớp mạ thu đợc từ dung dịch muối CuSO4 .
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 :
- Trớc 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.

6


1.Các nguồn điện một chiều dùng cho mạ điện
Trong công nghệ mạ điện thì nguồn điện là một yếu tố hết sưc 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 để quyết định lựa chọn phương án:
1. Ắc quy :
Trong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thí
nghiệm hay sản xuất ở qui mô nhỏ.Do hạn chế về lượng điện tích nên ắc quy
chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ,còn với các chi tiết lớnthì không dùng ắc quy
được Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng
được .Vì vậy mà trong công nghệ mạ người ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn
mạ.
2. Máy phát điện một chiều :
Trong công nghệ mạ điện ,dùng máy phát điện một chiều khắc phục được
nhược điểm của ắc quy .Máy phát điện một chiều trong thực tế có thể được
sử dụng rộng rãi trong qui mô sản xuất lớn .Nhưng giá thành đầu tư cho
máy phát điện một chiều lớn ,cơ cấu điều khiển hoạt đọng khá phức tạp .
Máy phát điện một chiều với nhiều nhược điểm :cổ góp mau hỏng ,thiết bị
cồng kềnh ,làm việc có tiếng ồn lớn .Máy phát điện một chiều cần thường
xuyên bảo trì sửa chữa .Chính vì vậy mà trong công nghiệp người ta không

thường dùng máy phát điện một chiều .
3. Bộ biến đổi :
Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng
rãi .Công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẩn ngày càng hoàn thiện ,các thiết bị
hoạt đọng với độ tin cậy cao. Đặc biệt công nghệ sản xuất Thyritor đã đạt
nhiều thành tựu .Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành
dòng điện một chiều ngày càng được sử dụng nhiều trong các ngành công
nghiệp .Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ biến đổi được sử dụng
rộng rãi nhất .Các bộ biến đỏi dùng trong quá trình mạ điện , điện phân có
thể cho ra các điện áp như:3V,6V.12V,24V,30V,50V.Tuỳ theo yêu cầu kỹ
thuật mà chọn điện thế cho phù hợp .Bộ biến đổi với các ưu điểm : thiết bị
gọn nhẹ ,tác động nhanh ,dễ tự động hoá ,dễ điều khiển và ổn định dòng .Chi
phí đầu tư cho bộ biến đổi 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
được cả yêu cầu về mặt kinh tế và các tiêu chuẩn kỹ thuật.
Vây chúng ta chọn phương án là dùng bộ biến đổi.
2. Các phương án chỉnh lưu
Mạch chỉnh lưu có rất nhiều :chỉnh lưu 1 pha ,chỉng lưu 3 pha ,chỉnh lưu
có điều khiển ,chỉnh lưu khong điều khiển.Trong yêu cầu của đồ án là thiết
7


kế nguồn mạ có điện áp không cao và dòng điện lớn .Do nguồn nuôi là lưới
điện xoay chiều 3 pha nên ta xét các phương án có khả năng thực hiện như
sau:
- Chỉnh lưu cầu một pha
- Chỉnh lưuhình tia ba 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 1 pha
Với u 2 = 2U 2 sin θ với θ = ϖ .t
a.Khi tải thuần trở R:
Khi θ =α :cho xung điều khỉên mở T1,T2 và Ud=U2,hai Thyristor sẽ khoá khi
u2=0
Khi θ =П+α :cho xung điều khiển mở T3,T4 và Ud=-U2
Dòng qua tải là dòng gián đoạn . hai Thyristor sẽ khoá khi

8


Giản đồ đường cong điện áp, dòng điện tải,dòng ở các van voi α = 30 0
,tải thuần trở.
Π
U
1
2U 2 sin θdθ = 2 2 (1 + cos α )
Giá trị trung bình của điện áp tải:Ud =
∫
Πα
Π

Ud
R
Giá trị trung bình dòng qua thyristor: I T = I d / 2

Giá trị trung bình dòng tải là:

Id =

Do mỗi cặp thyristor chỉ dẩn trong 1 nửa chu ky của nguồn.
b.Khi tải R+ L.
Khi L đủ lớn thì dòng diên id sẽ là dòng liên tục .
Phương trình mạch tải là : U 2 m sin ϖt = R.d id + Ld
hay
U d = 2 2.

2U 2 sin θ = Rd i d + X d

did
dθ

với

did
dt

θ = ϖ .t

U2
cos α = U d 0 cos α , U d 0 = 0,9U 2
Π

Chỉnh lưu này có dạng tương tự như chỉnh lưư hình tia hai pha với tải Ld.
Dạng sóng cơ bản là:

9

c.Ưu và nhược điểm của sơ đồ này là:
Ưu điểm :
+ Điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ
UngVmax= 2U 2
+ có hai thyristor tham gia dẩn dòng cùng 1 lúc nên có sụt áp do 2
thyristor dó gây ra ,chính lý do này làm cho mạch cầu không thích hợp với
chỉnh lưu điện áp dưới thấp dưói 10V hoặc khi dòng tải lớn làm tổn hao
công suất lớn .Sơ đồ này chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưu cao và
dòng tải nhỏ.
Phương án 2 Chỉnh lưu hình tia ba pha .
a.Sơ đồ nguyên lý :
Sơ đồ như hình vẽ ,ba pha điện áp dịch pha nhau 1200 .Từ đó thấy rằng ,tại
mỗi thời điểm chỉ có điện áp của một pha dương hơn hai pha kia .
U a = 2U 2 sin θ
U b = 2U 2 sin(θ − 120ο )
U b = 2U 2 sin(θ − 240ο )

Chỉnh lưu tia ba pha .

10


Điện áp của van T1.

b.

11

Điện áp van T1 là:

c.
a-Sơ đồ động lực ; b-Giản đồ các đường cong khi góc mở α =300 tải thuần
trở ; c- Giản đồ các đường cong khi α =600 .tải thuần trở.
ở đây Vd,Id lần lượt là điện áp và dòng ở tải.
I1,I2,I3 lần lượt là dòng qua van T1,T2,T3.
VT1 là điện áp trên van T1.
Nguyên tắc mở và điều khiển cac van ở đay là khi anốt của van nao dương
hơn hai van còn lai van đó mới được kích mở .Thời điểm hai điện áp của
hai pha giao nhau được coi là góc mở tự nhiên của cac van bán dẩn .Các
thyristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại điểm góc thông tự
nhiên (trong chỉnh lưu ba pha ,góc mở nhỏ nhất α =00 sẽ dịch pha so với
điện áp pha 1 goc 30 0 ) .

12


Theo hình b,c tại mỗi thời điểm nao đó chỉ có 1 van dẩn ,như vậy mỗi van
dẫn thông trong 1/3 chu kỳ nếu điện áp tải liên tục (đường cong I1,I2,I3 trên
hình b)
Còn nếu điện áp tải gián đoạn thì thời gian dẫn thông của các van nhỏ hơn
.Tuy nhiên trong cả hai trường hợp dòng điện trung bình qua van đều bằng
1/3Id.Trong khoảng thời gian van dẫn , điện áp của van bằng 0,dòng điện
của van bằng dòng điện tải ,trong khoảng thời gian van khoá dòng điện của
van bằng 0. điện áp của van phải chịu bằng điện áp dây giữa pha có van
khoá và pha có van đang dẫn.
Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải liên tục hay gián đoạn phụ
thuộc vào góc mở của các thyristor.Nếu góc mở α ≤ 30 0 các đường cong

Ud,Id liên tục ,khi góc mở α > 30 0 điện áp và dòng điện tải gián đoạn .

Đường cong điện áp tải (Vd) và điện áp trên van T1(VT1) khi góc mở
α = 60 0 với tải trở cảm .
Khi tải trở cảm (nhất là với điện cảm lớn )dòng điện , điện áp tải là các
đường cong liên tục ,do có năng lượng dữ trữ trong cuộn dây nên có lúc điện
áp ud có đoạn âm,song dòng điện id chỉ có 1 chiều duy nhất.
Trị số trung bình điện áp của tải sẽ được tính theo công thức :
Ud α =Ud0 cos α
nếu điện áp tải liên tục

13


Ud =

U d0
3

[1 + sin(Π / 3 − α )]
Khi điện áp tải gián đoạn(điển hình khi tải

tuần trở và góc mở lớn )
Trong đó Ud0 = 1,17.U2f
Ud0 là điện áp chỉnh lưu tia ba pha khi van là điốt.
U2f là điện áp thứ cấp biến áp .
b. Ưu và nhược điểm của sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha :
+Ưu điểm :
- Công suất máy biến áp này lớn hơn công suất máy biến áp 1
chiều là 1.35 lần , ít gây méo mó lưới điện

- Sụt áp trong mạch van nhỏ nhưng vẫn kém chất lượng hơn mạch
chỉnh lưu cầu và sáu pha hình tia.
+Nhược điểm :
- Giá trị dòng trung bình của van lực mới chỉ lúc lam việc
mớibăngdf 1/3dòng điện 1 chiều ,mà mạ điện lại yêu cầu cung
cấp dòng 1 chiều lớn nên sẽ có rất nhiều hạn chế khi chọn van
lực….
Phưong án 3

Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

Sơ đồ nguyên lý :

Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 thyristor
Có 2 nhóm :
-catốt chung T1,T3,T5
-anốt chung T2,T4,T6

14


u 2 a = 2U 2 sin θ
u 2b = 2U 2 sin(θ − 120ο )
u 2c = 2U 2 sin(θ − 240ο )

a.Hoạt động của sơ đồ :
Giả thiết T5,T6 đang cho dòng điện đi qua .ta có bảng tổng quát hoá các quá
trình ở các van :
Thời điểm
Mở

Khóa
θ1
θ1
θ1
θ1
θ1
θ1

= π /6 +α

= 3π / 6 + α
= 5π / 6 + α
= 7π / 6 + α
= 9π / 6 + α
= 11π / 6 + α

T1
T2
T3
T4
T5
T6

T5
T6
T1
T2
T3
T4

15


a.

b.
a. trường hợp α = 60 ,b. α = 30 với tải thuần trở
0

0

Trường hợp tải trở cảm với L đủ lớn ,dòng Id như là không thay đổi
( α = 30 0 )
Ta có Ud =

6
2Π

5Π
+α
6

∫

Π
+α
6

2U 2 sin θdϑ =

3 6U 2 cos α
Π

16


Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : U ng max = 6U 2 = 2,45U 2
Dòng điện trung bình chạy qua van I T =

Id
3

+ Ưu điểm :
- Số xung áp chỉnh lưu trong 1chu kỳ lớn , độ đập mạch của điện áp chỉnh
lưu lớn ,chất lượng điện áp cao.
- ít làm méo lưới điện.
+ Nhược điểm :
- Sụt áp trong mạch chỉnh lưu gấp đooi ở so đồ tia nên không phù
hợp với điện ap thấp dưới 10 V
- Sử dụng số van nhiều .
Phương án 4:
Chỉnh lưu 6 pha hình tia có cuộn kháng cân bằng
a. Sơ đồ nguyên lý .

Sơ đồ như hình vẽ gồm máy biến áp động lực ,cuộn kháng cân bằng
Lcb(PQ),6 van chia làm 2 nhóm T1,T3,T5 và T2,T4,T6.
Máy biến áp có hai hệ thống thứ cấp là a,b,c và a’,b’,c’ tạo thành hệ
thống nguồn đối xứng 6 pha.Các cuộn dây a và a’,b và b’,c và c’ có cực tính
ngược nhau,ssó vòng như nhau .
Điện áp chỉnh lưu trung bình trong sơ đồ có giá trị như trung bình cộng

điện áp đầu ra hai chỉnh lưu tia 3 pha.
Ud =

3 6U 2
= 1,17U 2
2Π

Do có cuộn kháng cân bằng nên dòng tải gần như phẳng hoàn toàn.
Dòng trung bình qua van là : I tbv =

Id
6

17


Công suất biến áp nguồn là: S ba = 1,26 Pd
b.Dạng sóng cơ bản là:

18


c. Ưu,nhược điểm của sơ đồ:
+ Ưu điểm:
- Điện áp ra có độ bằng phẵng cao,có độ đập mạch lớn nhất ,chất
lượng tốt
- Dòng trung bình qua van nhỏ bằng 1/6 dòng qua tải thích hợp
dòng tải cao
- Ít làm méo lưới điện .
+ Nhược điểm :

- Số van sử dụng lớn giá thành cao
- Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều.Dòng điện mạ
khá lớn và điện áp thấp căn cứ vào ưu nhược điểm của phương
án này ,ta quyết dịnh chọn bộ biến đổi dùng làm nguồn mạ là:
chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng.

19


Ch¬ng3 Thiªt kÕ mach lùc
S¬ ®å m¹ch lùc

20


Sơ đồ gồm:
+ 6thyristor
+ Điện trở sum loại 1500A_60mV
+ Bảo vệ van RC
+ Cuộn kháng cân bằng PQ
I.
Tính toán máy biến áp
1. Các thông số cơ bản của máy biến áp
Ta chọn kiểu máy biến áp ba pha trụ, sơ đồ đầu dây /Y làm mát tự nhiên
bằng không khí, điện áp phía sơ cấp là 380V.
Để đa tới tải một điện áp ra Ud theo yêu cầu cần phải tính đến nhiều yếu tố
nhằm bù hết các sụt áp trên đờng ra tải.Ngoài các sụt áp bình thờng nh sụt áp
trên điện kháng máy biến áp, trên điện trở cuộn dây, điện trở dẫn, sụt áp trên
các van lực còn tồn tại sụt áp chỉ có trong mạch chỉnh lu gọi là sụp áp do
hiện tợng chuyển mạch. Vì vậy nhiệm vụ đầu tiên quan trọng là xá định điện

áp các cuộn dây thứ cấp của máy biến áp(MBA). Diện áp một chiều tổng
quát tơng ứng tải định mức đợc tính nh sau:
21


Ud=Uddm+Uluoi+Uvan+Uck+UR+Ur
Trong đó ta có:
a> Uddm là điện áp một chiều ra tải định mức
b> Uvan là sụt áp trung bình trên các van bán dẫn. Có thể chọn sơ bộ
Uvan=2V
c> Uluoi là sụt áp nguồn xoay chiều dới trị số định mức vì lới điện không
ổn định.Số liệu này tuỳ thuộc vào trạng thái cụ thể của nơi đặt bộ
chỉnh lu nhng không vợt quá 20% điện áp định mức.
d> Uck là sụt áp trên cuộn kháng cân bằng.
e> UR là tổng sụt áp do thành phần một chiều dòng tải gây ra trên các
điện trở gồm có:
+ Sụt áp do điện trở pha dây quấn MBA gây ra Urba. Điện trở này có
quan hệ sau: Rba= er.

m.U 22
Sba

Với m là số pha MBA, Sba là tổng công suất MBA, er là hệ số phụ
thuộc Sba. Vậy sụt áp này có thể tính theo biểu thức:
m.U 22
Urba= Id.Rba= Id.er. S
ba

+ Sụt áp trên dây dẫn phía dơi xoay chiều: U = Id.Rr, trong thực tế
tính toán thờng bỏ qua sụt áp này.

+ Sụt áp trên dây dẫn phía một chiều: Ur= = Id.Rr=, phụ thuộc vào dây
dẫn cụ thể( tiết diện dây và chiều dài từ bộ chỉnh lu đến tải).
+ Sụt áp trên điện trở dây cuốn bộ lọc một chiều Urloc
f> U là sụt áp do hiện tợng chuyển mạch gây ra điện kháng phía xoay
chiều là đáng kể . Biểu thức tính sụt áp này có dạng U= k.Xa.Id với
k. phụ thuộc vào sơ đồ mạch van, thờng có quan hệ k=2/mdm trong
đó Xa là tổng toàn bộ điện cảm phía xoay chiều, gồm:
+ Điện cảm lới điện Xal =

m.U 12
S nm

với m là số pha lới điện, U1 là điện áp sơ cấp MBA, Snm là công suất
ngắn mạch lới điện.
+ Điện cảm dây cuốn MBA đã quy đổi về thứ cấp BA, có biểu thức tơng
tự nh điện trở dây cuốn với hệ số tỷ lệ khác
m.U 22
Xba = ex.
S ba

+ Điện cảm bản thân dây nối: Xdn = .Ldn.2.f.L*ldn
ở đây L* là điện cảm dây nối trên một đơn vị chiều dài, l dn là chiều dài
dây nối.
Từ các biểu thức sụt áp trên ta tính đợc
Ud =

U ddm + U van + U rloc + U r = + U ck + U rdd + U xdd
1 (a + b + c.Pd + U l )

22

Trong đó a =

m.k .e x
2 2
u u

k k .k p

;b=

m.er
m.k
;c= 2 r
2
k u .k p
k u .S nm

Các hệ số k , ku , kp tra bảng hỡng dẫn thiết kế ta có với chỉnh lu 6 pha
cuộn kháng cân bằng thì ku = 1.17 ; kp = 1.26 ; k = 3/4;
Chọn er = 4%
ex = 10%
Snm = 2000kVA và Ul = 5% ta tính đợc
a= 0,0415 ; b = 0,0696 ; c = 0,2616.10-6
Công suất lới hữu hạn nên không đợc bỏ qua c.Pd mà phải dùng cách tính
quay vòng. Giả sử cần nâng Ud lên 15%
Ud = 1,15Uddm = 1,15.120 = 138(V)
Pd = Ud.Id = 138.15000 = 2070000(W)
Trong mạ điện, thiết bị điện thờng đặt xa bể mạ để tránh ảnh hởng của

hoá chất. Vì vậy có thể dặt tổng tổn thất trên dây quấn và dây nối là 8%
điện áp. Do vậy
U ddm + U van + U
1 (a + b + c.Pd + U l )
120 + 2 + 0,08.120
=
1 (0,0415 + 0,0696 + 0,2616.10 6.2070000 + 0,05)

Ud =

=135,11(V)
Kết quả này rất khác so với 27,6V nên cần quay vòng lần hai.
Pd = Ud.Id = 135,11.15000= 2026650(W) thay vào biểu thức tính Ud ta có
Ud =

120 + 2 + 0,08.120
1 (0,0415 + 0,0696 + 0,2616.10 6.2026650 + 0,05

=425.89 (V)
Nếu quay vòng thêm vài vòng nữa sẽ đợc trị số Ud ổn định xấp xỉ 425.8V.
Điện áp Ud khi điện áp nguồn bằng định mức
là:Ud(dm)=

Ud
425.8
=
=448.3(V)
1 U l 1 0,05

Điện áp thứ cấp định mức: U2(dm)=

Hệ số MBA: kba=

U d ( dm )
ku

=

448.3
= 383.17(V )
1,17

U1
380
=
= 0.99
U 2 383.17

Công suất MBA:
Sba = kp.Pd = kp.Ud.Id = 1,26.86,84.6000 = 656510,4(VA) = 656,5104 kVA
Dòng điện cuộn thứ cấp: I2 = ki.Id = 0,29.6000 = 1740(A)
Dòng điện cuộn sơ cấp: I1 =
2. Tính sơ bộ mạch từ
- Tiết diện sơ bộ trụ MBA

0,41.I d 0,41.6000
=
= 480,46( A)
k ba
5,12

23


QFe = kQ.

S ba
m. f

trong đó kQ là hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát. Với

MBA làm mát tự nhiên bằng không khí, chọn k Q = 6. m là số pha MBA, m =
3.
Ta có: QFe = 6. 656510,4 = 396,94(cm 2 )
3.50

-Đờng kính trụ MBA: d =

4Q Fe
4.396,94
=
= 22,48(cm)

3,14

Chuẩn hoá d=22,5cm
-Chọn loại thép 330, lá thép đọ dày 0,5mm và chon sơ bộ mật độ từ cảm
trong lõi thép là B = 1T.
-m=h/d với h là chiều cao trụ MBA. M=2ữ2,5. Chọn m=2,4
h = 2,4.22,5=54(cm)
3. Tính toán dây quấn

-Số vòng dây quấn mỗi pha sơ cấp:
W1 =

U1
380
=
= 43(vong )
4,44. f .Q Fe .B 4,44.50.396,94.10 4 .1

Số vòng dây mỗi pha thứ cấp:
W2 =

U2
74,2
. Ư W1 =
.43 = 8 (vòng)
U1
380

-Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA với dây dẫn đồng và MBA khô:
J1 = J2 = 2,75 A/mm2.
-Tiết diện dây dẫn sơ cấp: S1 =

I 1 480,46
=
= 174,7(mm 2 )
J2
2,75

Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điệi cấp B. Ta chuẩn hoá theo tiết diện

chuẩn S1 = 9,52 mm2
Kích thớc dây dẫn có kể cách điện là: a1 = 2,26mm ; b1 = 4,10mm
I 1 480,46
=
= 2,75( A / mm 2 )
S1 174,7
I
1740
= 632,7(mm 2 )
-Tiết diện dây dẫn thứ cấp: S2 = 2 =
J 2 2,75

Tính lại mật độ dòng sơ cấp: J1 =

Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B. Ta chuẩn hoá theo tiết diện
chuẩn S=632mm2
Kích thớc dây có kể cách điện là: a2 = 16,80mm ; b2 = 5,10mm
-Tính lại mật độ dòng thứ cấp: J2=
4. Kết cấu dây quấn sơ cấp

I 2 1740
=
= 2,75( A / mm 2 )
S2
632

-Tính sơ bộ vòng dây trên 1 lớp cuộn dây sơ cấp: Wl1 =

h 2h g
b1

.k c

24


trong đó kc = 0,95 là hệ ssố ép chặt. H g = 1,5cm là khoảng cách từ gông đến
26,4 2.1,5
.0,95 = 54,2 (vòng)
0,410
ƯW
43
= 0,8(lớp)
-Tính sơ bộ số lớp cuộn dây sơ cấp: nl1= 1 =
Ư Wn 54,2

cuộn sơ cấp. Vậy Wn =

chọn nl1 = 1 lớp:

-Chiều cao thực tế cuộn dây sơ cấp là: h1 =

Ư Wn
47
.b1 =
.0,410 = 20,28(cm)
Wl1
0,95

-Chọn ống quấn dây bằng vật liệu cách điện bề dầy S 01 = 0,1cm. Khoảng

cách từ trụ đến cuộn sơ cấp a01 = 1,0cm
-Đờng kính trong ống cách điện:
Dt = dFe+2a01-2S01 = 11+2.1-2.0,1 = 12,8(cm)
-Đờng kính trong cuộn sơ cấp: Dt1 = Dt + 2S01 = 12,8+2.0,1=13(cm)
-Chọn bề dầy cách điẹn giữa các lớp cuộn dây sơ cấp cd l1 = 0,1mm. Bề dầy
cuộn sơ cấp là: Bd1 = (a1+cdl1).nl1 = (2,26+0,1).4 = 9,44(mm)
-Đờng kính ngoài cuộn sơ cấp:
Dn1 = Dt1+2Bd1 = 13+2.0,944 = 14,88814,9(cm)
-Đờng kính trung bình cuộn sơ cấp:
Dtb1 =

Dn1 + Dt1 14,9 + 13
=
= 13,95 (cm)
2
2

-Chiều dài cuộn dây sơ cấp:
l1 = W1..Dtb1 = 185.3,14.13,95 = 8103,6(cm) = 81,036(m)
5. Kết cấu dây quấn thứ cấp
-Chọn bề dầy cách điện cuộn sơ cấp thứ cấp cd 01 = 1cm, chọn sơ bộ chiều
cao cuộn thứ cấp h2 = h1 = 20,28cm
Vì có hai cuộn thứ cấp trên một pha, ta chọn h2 =

20,28
= 10,14(cm)
2

h2
10,14

.k c =
.0,95 = 18,9 (vòng)
b2
0,51
ƯW
15
= 0,79 (vòng)
-Tính sơ bộ lớp dây cuốn thứ cấp: nl2 = 2 =
Ư Wl 2 18,9

-Số vòng dây trên một lớp: Wl2 =

chọn số lớp dây cuốn thứ cấp n12 = 1 với 15 vòng dây.
-Chiều cao thực tế cuộn thứ cấp h2 =

Ư Wl 2
15
.b2 =
.0,510 = 8,05(cm)
kc
0,95

-Đờng kính cuộn thứ cấp: Dt2 = Dn1+2cd01= 14,9+2.1 = 16,9(cm)
-Chọn bề dầy cách điện lớp dây cuốn thứ cấp cdl2 = 0,1mm
Bề dầy cuộn thứ cấp: Bd2 = a2+cdl2 = 16,80+0,1 = 16,90(mm) = 1,69(cm)
Đờng kính ngoài cuộn thứ cấp:
Dn2=Dt2+2Bd2 = 16,9+2.1,69 = 20,28(cm)
-Đờng kính trung bình cuộn thứ cấp:
Dtb2 =

Dn 2 + Dt 2 20,28 + 16,9
=
= 18,59(cm)
2
2

-Chiều dài dây cuốn thứ cấp:

25