THIẾT kế NGUỒN mạ một CHIỀU có đảo CHIỀU DÒNG điện

Đồ áN MÔN HọC ĐIệN Tử CÔNG SUấT
Đề TàI :
THIếT Kế NGUồN Mạ MộT CHIềU Có ĐảO CHIềU DòNG ĐIệN

Giáo viên hớng dẫn : phạm quốc hảI .
Ngời thực hiện :

Các số liệu cho trớc :
PHƯƠNG áN 5 :
NGUồN ĐIệN Mạ : 12 36 (V).
DòNG t MAX : 40 (A).
ThờI GIAN THUậN : 50 - 600 (s).
Thời gian ngợc : 5 - 60 (s).
Mục lục :

1


Lời nói đầu 3
Chơng 1 . Công nghệ mạ 1 chiều 5
Chơng 2 . Lựa chọn sơ đồ chỉnh lu ...13
Chơng 3 . Tính chọn van mạch lực .20
Chơng 4 . Tính toán máy biến áp chỉnh lu 22
Chơng 5 . Các thiết bị bảo vệ ..33
Chong 6 . Tính toán thiết kế bộ lọc35
Chơng 7 .Tính toán các thông số của mạch điều khiển ..39

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 dụng cụ
máy móc và đồ trang sức..
2


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 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 thầy Phạm

Quốc Hải 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 !

3


Chơng1:công nghệ mạ một chiều
1.Tìm hiểu về công nghệ mạ .
Mạ điện đợc dùng nhiều trong các nghành công nghiệp khác
nhau để chống ăn mòn,phục hồi kích thớc,làm đồ tranh sức,chống ăn
mòn,tăng độ cứng ,dẫn điện ,dẫn nhiệt,phản quang,dễ hànVề 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 gốm
Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ và
năng lực công nghệ ,vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành .Xu
hớng chung là dùng vật liệu nền rẻ ,sẵn có còn vật liệu mạ đắt , quí hiếm
hơn nhng chỉ là lớp mỏng bên ngoài.
Nh vậy : Mạ điện là một quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt nền
một lớp phủ có những tính chất cơ,lý ,hoá đáp ứng đợc nhu cầu mong
muốn.
2.Điều kiện tạo thành lớp mạ .
Mạ điện là quá trình điện phân .Quá trình điện phân xảy ra trên hai
cực nh sau:
-Trên anốt xảy ra quá trình hoà tan kim loại .
M

-

ne



M n+

(1)

-Trên katôt cation nhận điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ .
M n+ +

ne



M

(2)

Với các điều kiện điện phân thích hợp thì quá trình (1) và quá trình
(2) sẽ cân bằng nhau.Do đó nồng độ ion M n + trong dung dịch sẽ luôn
không đổi , điều này có ảnh hởng lớn đến chất lợng lớp mạ.Trong một
số trờng hợp ngời ta dùng điện cực trơ khi đó dung dịch sẽ đóng vai trò

4


chất nhờng điện tử ,vì vậy phải liên tục bổ sung vào dung dịch dới dạng
muối .Lúc đó phản ứng chính trên anốt chỉ là quá trình giải phóng ôxi .

Quá trình trên xảy ra trong bộ mạ điện có sơ đồ nh sau:

a.Điện cực anốt:
Trong mạ điện thờng dùng điện cực anốt tan bằng kim loại làm lớp
mạ.Trong quá trình anốt bị tan để cung cấp ion kim loại cho dung
dịch,đảm bảo nồng độ ion trong dung dịch là không đổi.Phản ứng trên
anốt lúc này là:
M n+
M - ne
Trong trờng hợp dùng anốt trơ nh : Platin,cacbonthì quá trình chính
trên anốt là:
4OH

-



4e

2H 2 O + O 2 (môi trờng

kiềm)
2H 2 O - 4e



4H +

+O 2

Để giữ cho nồng độ các ion kim loại không đổi thì phải bổ sung thêm
chất thích hợp.
b.Điện cực catôt:
5


Điện cực catốt là vật cần mạ ,đợc nối với cực âm của nguồn điện
một chiều.Trên catôt xảy ra quá trình:
M n+

+ ne



M

Thực ra quá trình này xảy ra theo nhiều bớc liên tiếp:
-cation hyđrat hoá M n + .mH 2 O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt
catốt
-catốt mất vỏ hyđrat hoá (mH 2 O) vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catốt
-Điện tử (e) từ catốt điền vào điện tử hoá trị của cation biến nó thành
phân tử trung hoà.
-Các nguyên tử kim loại hoặc sẽ tham gia vào thành mầm tinh thể mới
hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trớc đó .Mầm phát triển
thành.Tinh thể kết thành lớp mạ.
c.Dung dịch mạ.
-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 mong muốn.
Dung dịch muối đơn:Còn gọi là dung dịch axit ,cấu tử 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.
Dung dịch muối phức: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.
d.Chất phụ gia.
Chất dẫn điện :Đóng vai trò dẫn dòng đi trong dung dịch .
Chất bóng:Chất bóng thờng đợc dùng với liều lợng tơng đối lớn (vài
gam/lit) và có thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều .Chúng cho lớp mạ nhẵn
mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm,làm tăng ứng suất nội và
độ dòn.

6


Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi

khá rộng (vĩ mô). Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có
tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở đó xuống. Vậy là các phụ gia này đã
u tiên hấp phụ lên các điểm lệch là chỗ có năng lợng tự do lớn hơn và
lên các đỉnh lồi là chỗ có tốc độ khuếch tán lớn các phụ gia đến đó. Các
phụ gia hấp phụ này sẽ làm giảm tốc độ chuyển dịch điện tử. Trong thực
tế, nhiều phụ gia có cả tác dụng của chất bóng và chất san bằng.
Chất thấm ớt: Trên Catôt 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.
Tp cht : L nhnh cht không mong mun nhng khó tránh khi.

Chúng có th phóng in hoc hp th trên Catot v ln vo lp m gây
nhiu tác hi nh : bong, dp, dũn, gai
e.Nguồn điện một chiều.
Có thể là các nguồn khác nhau nh : pin , ăc quy, máy phát điện một
chiều, có thể dùng nguồn điện hoá họcđể cung cấp dòng điện một
chiều cho bể mạ,bể điện phânCác nguồn điện trên có công suất
nhỏ,khó tạo ra ,lại không kinh tế .Do đó chỉnh lu đợc sử dụng rộng rãi
trong các xởng mạ bởi vì nó đạt công suất lớn,dễ sản suất
3.Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ.
Quy trình công nghệ mạ bao gồm rất nhiều bớc nhng có thể chia thành
ba giai đoạn sau:
a.Giai đoạn chuẩn bị.
Xét n bn cht vt liu hng m (nn),mc nhim bn v
nhám b mt ca chúng. nhp nhô H ca b mt m bo v không
c vt quỏ 40àm , m trang sc _ bo v H < 2,5àm, m tng
cng v m cách in H < 1,25àm. Chn dung dch m cn c vo c
tính vt cn m.
b.Giai đoạn mạ.
7


Đợc tiến hành trong thời gian đã xác định trớc.Giai đoạn này cần giữ
cho dòng mạ không đổi.
c.Giai đoạn hoàn thiện.
Là giai đoạn gia công ,làm đẹp ,làm hoàn thiện sản phẩm.Thờng là các
bớc trung hoà ,tẩy sáng , lấp đầy lỗ

Khối lợng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể dựa vào định luật
Faraday:
m=S.D 0 .t.H.C
Trong đó:
-S : diện tích mạ (dm 2 )
-D 0 : mật độ dòng điện catôt (A/ dm 2 )
-t : thời gian mạ (h)
-H : hiệu suất dòng điện
-C : đơng lợng điện hoá của kim loại mạ (g/h)
4.Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng mạ.
- Chất lợng mạ một chiều đợc qui định bởi các yếu tố sau: độ bóng lớp
mạ , độ dày lớp mạ , độ bám chặt...Chế độ dòng điện cũng ảnh hởng rất
lớn đến chất lợng mạ.
+Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm :cần độ bền cơ học cao hay
thấp,tránh bị 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.
+Độ bám 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 cần mạ bị lộ ra rất dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến
hỏng,vật mạ xấu không đáp ứng đợc yêu cầu của mạ.
+ 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 ,độ bóng cao
cũng tạo cho sản phẩm tăng độ bền cơ học hơn.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 cào bớt những chỗ
dày hơn đi.
- Kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ sạch và
độ nhẵn:
8

+ Độ sạch của nền đảm bảo cho các nguyên tử kim loại mạ liên kết
trực tiếp vào mạng tinh thể kim loại nền, đạt đợc độ gắn bám cao nhất.
+ Độ nhẵn của nền 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, chỗ lõm, rãnh sâu...
-Bản chất của kim loại nền cũng ảnh hởng đến chất lợng mạ.
-Thành phần dung dịch mạ.
-ảnh hởng của các yếu tố điện: Mật độ dòng điện là đại lợng gây ra sự
phân cực điện cực .Lúc đang mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng
nhất có ảnh hởng đến chất lợng sản phẩm mạ.
+Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong
suốt quá trình mạ.Để lớp mạ đợc phủ đều lên bề mặt thì dòng điện phải
giữ không đổi .Cờng độ dòng điện I tính toán xuất phát từ mật độ dòng
điện D 0 và phụ tải y trong bể:
I = D 0 .y (A)
Trong đó:
D 0 : mật độ dòng catôt
y

: phụ tải của bể mạ

Mt dòng in cao s thu c lp m có tinh th nh, mn, sít
cht v ng u, bi vì lúc ó mm tinh th c sinh ra t không
ch ti các im li (im có li th) m c trên các mt phng (ít li
th) ca tinh th. Mt khác khi mt dòng in cao lm cho ion kim
loi m ngốn i nhanh chóng trong lp dung dch catot, do ó phân cc
s tng lên to iu kin sinh ra lp m có tinh th nh mn.
Trong quá trình mạ thì điện trở của bể mạ là luôn thay đổi do có các
iôn kim loại bám vào vật mạ nên nồng độ dung dịch thay đổi.

Công thức tính điện trở dung dịch nh sau:
R = l.(100. ..y)

()

l : khong cách gia các in cc (cm)

9


: dn in riêng ca dung dch (-1.cm-1)
y : ph ti ca b m (dm2)
Do đó muốn cho dòng điện không đổi thì ta phải điều chỉnh điện áp
sao cho tỉ số giữa điện áp và điện trở dung dịch là không thay đổi
5.Mạ có đảo chiều dòng mạ.
Do yêu cầu công nghệ mạ mà bắt buộc phải có bộ nguồn một chiều.
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:

Trong thời gian tc vật mạ chịu phân cực catôt nên đợc mạ vào với cờng
độ dòng thuận Ic, 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= tc + ta .Nếu Ic .tc > Ia .ta thì vật vẫn đợc mạ. Khi lớp mạ bị hòa tan bởi điện lợng Ia . ta , thì chính những đỉnh
nhọn, gai, khuyết tật ... là những chỗ hoạt động anôt nhất nên tan mạnh
nhất, kết quả là thu đợc lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn. Tu tng dung dch
m chn t l tc : ta thng t ( 5:1) n (10:1) .Với yêu cầu cụ thể ở đây
thì tỉ số tc : ta luôn không đổi là 10 lần

Phơng pháp này có thể dùng đợc mật độ dòng điện lớn hơn khi dùng
dòng điện một chiều thông thờng.

10


CHƯƠNG 2 : Lựa chọn sơ đồ chỉnh lu
Để mạ điện thì ta dùng nguồn điện một chiều.Nguồn một chiều
có nhiều phơng pháp để tạo ra :có thể dùng máy phát điện một
chiều , dùng các sơ đồ chỉnh lu từ các nguồn điện ba pha và
nguồn điện một pha ,dùng pin ,ăcquy...
1.Dùng máy phát điện một chiều và động cơ điện không đồng bộ.
Động cơ điện không đồng bộ biến điện năng của lới điện xoay
chiều ba pha thành dạng cơ năng của roto,cơ năng này đợc truyền
sang trục của máy phát điện một chiều .Máy phát điện một chiều
có nhiệm vụ biến đổi cơ năng thành điện năng ở dạng một chiều
cung cấp cho bể mạ .
Ưu điểm:
Thay đổi nguồn mạ trong dãy rộng ,rất linh hoạt nhờ biến trở
kích từ ,thao tác nhẹ nhàng ,sai số nhỏ ,độ tinh điều chỉnh cao.
Nhợc điểm:
Hệ thống cồng kềnh ,năng lợng truyền nối tiếp từ lới điện đến
tải qua máy động cơ,máy phát nên công suất toàn hệ lớn hơn
công suất tải yêu cầu rất nhiều .Đặc biệt là với máy phát một
chiều do có bộ phận cổ góp ,chổi than nên dễ gây ra tia lửa điện
rất nguy hiểm cho hệ thống và ngời điều hành.
2.Dùng các phơng pháp chỉnh lu.
Chỉnh lu một pha thờng đợc chọn khi nguồn cấp là lới điện một pha,
hoặc công suất không quá lớn so với công suất lới (làm mất đối xứng
điện áp lới) và tải không có yêu cầu quá cao về chất lợng điện áp một

chiều.
Trong chỉnh lu một pha, nếu tải có dòng điện lớn và điện áp thấp, thì
sơ đồ chỉnh lu một pha cả chu kỳ với biến áp có trung tính có u điểm
hơn. 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 suátt thiết bị cao
hơn, điện áp ngợc của van lớn (nếu điện áp cao mà chọn sơ đồ này có
11


thể không chọn đợc van bán dẫn). Nếu tải có điện áp cao và dòng điện
nhỏ, thì việc chọn sơ đồ cầu chỉnh lu một pha hợp lý hơn, bởi vì hệ số
điện áp ngợc của van trong sơ đồ cầu nhỏ hơn, do đó chúng ta dễ chọn
van hơn.
Khi sử dụng sơ đồ chỉnh lu cầu một pha, đối với những loại tải
không cần làm việc ở chế độ nghịch lu hoàn trả năng lợng về lới, nên
chọn sơ đồ chỉnh lu cầu điều khiển không đối xứng. Vì trong sơ đồ này
tại mỗi thời điểm phát xung điều khiển chúng ta chỉ cần cấp một xung
(ở chỉnh lu cầu một pha điều khiển đối xứng chúng ta phải cấp hai xung
điều khiển cho hai Tiristo đồng thời), sơ đồ mạch điều khiển đơn giản
hơn.
Chỉnh lu cầu một pha điều khiển đối xứng đợc dùng nhiều đối với
các loại tải có làm việc ở chế độ nghịch lu hoàn trả năng lợng về lới, nh
động cơ điện một chiều chẳng hạn.
Đối với các loại tải có điện cảm lớn (ví dụ nh cuộn dây kích từ của
máy điện), để lợi dụng năng lợng của cuộn dây xả ra và bảo vệ van khi
mất điện đột ngột, ngời ta hay chọn phơng án mắc thêm một điôt ngợc
song song với tải.
Các sơ đồ chỉnh lu ba pha thờng đợc chọn, khi nguồn cấp là lới ba
pha công nghiệp và khi tải có yều cầu cao về chất lợng điện áp một
chiều.

Chỉnh lu tia ba pha thờng đợc lựa chọn, khi công suất tải không
quá lớn so với biến áp nguồn cấp (để tránh gây mất đối xứng cho nguồn
lới), và khi tải có yêu cầu không quá cao về chất lợng điện áp một chiều.
Đối với các loại tải có điện áp một chiều định mức là 220V, sơ đồ tia ba
pha có u điểm hơn tất cả. Bởi vì theo sơ đồ này, khi chỉnh lu trực tiếp từ
lới chúng ta có điện áp một chiều là 220V.1,17 =257,4V. Để có điện áp
220V không nhất thiết phải chế tạo biến áp, mà chỉ cần chế tạo ba cuộn
kháng anod của van là đủ.
Chỉnh lu cầu ba pha nên chọn, khi cần chất lợng điện áp một chiều
tốt, vì đây là sơ đồ có chất lợng điện áp ra tốt nhất, trong các sơ đồ
chỉnh lu thờng gặp. Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối
12


xứng có mạch điều khiển đơn giản hơn, nên trong đa số các trờng hợp
ngời ta hay chọn phơng án cầu ba pha điều khiẻn không đối xứng. Ví dụ
làm nguồn cho máy hàn một chiều, điều khiển kích từ máy phát xoay
chiều công suất nhỏ, các bộ nguồn cho các thiết bị điện hoá nh mạ điện,
điện phân....
Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng đợc dùng nhiều
trong các trờng hợp tải có yêu cầu về việc hoàn trả năng lợng về lới, ví
dụ nh điều khiển động cơ điện một chiều.
Để giảm tiết diện dây quấn thứ cấp biến áp, các cuộn dây thứ cấp
biến áp có thể đấu tam giác ().
Sơ đồ tia sáu pha, với việc chế tạo biến áp phức tạp và phải làm
thêm cuộn kháng cân bằng, nên thờng đợc lựa chọn khi tải có dòng điện
quá lớn mà theo sơ đồ cầu ba pha chúng ta không chọn đợc van theo
dòng điện.
Cùng một trị số điện áp và dòng điện tải nh nhau, sử dụng sơ
đồ càng nhiều pha dòng điện làm việc của van bán dẫn càng nhỏ.

Các sơ đồ cầu bao giờ cũng có điện áp làm việc của van nhỏ hơn
so với sơ đồ tia cùng loại
Kết luận : Theo yêu cầu công nghệ : điện áp ra tải thấp , công
suất nhỏ , dòng điện lớn => nên chọn chỉnh lu tia 2 pha làm
nguồn mạ một chiều .
3.Chỉnh lu đảo chiều :
Nhiều loại tải có yêu cầu đảo chiều dòng điện:nh mạ điện đảo
chiều ,động cơ điện một chiều Có nhiều cách để đảo chiều
dòng điện nhng ở đây ta dùng bộ chỉnh lu đảo chiều.Hệ thống
gồm hai bộ chỉnh lu CL1 và CL2 ,thuận và ngợc ,cùng đợc cung
cấp bởi một nguồn xoay chiều nh hình vẽ:
Lcb

13


CL1

CL2
Zt
Lcb

Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi có đảo chiều theo phơng
pháp điều khiển chung

CL1

CL2
Zt

Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi có đảo chiều theo phơng pháp điều
khiển riêng
Phơng pháp điều khiển bộ biến đổi có đảo chiều gồm phơng pháp
điều khiển chung và phơng pháp điều khiển riêng.
a.Điều khiển chung.
Trong cấu trúc điều khiển chung CL1 và CL2 làm việc song song
ở mọi thời điểm .Do có sự chênh lệch về giá trị tức thời trên đầu
ra của mỗi bộ chỉnh lu nên cần có cuộn kháng cân bằng Lcb để
hạn chế dòng điện quẩn giữa hai bộ biến đổi .Về nguyên tắc để
dòng điện quẩn có giá trị nhỏ ,giá trị trung bình của điện áp ở đầu
ra của hai bộ biến đổi phải bằng nhau .Điều này dẫn đến khi một
bộ đang làm việc ở chế độ chỉnh lu thì bộ kia phải làm việc ở chế
độ nghịch lu phụ thuộc .
Nếu 1 , 2 là góc điều khiển của CL1 ,CL2 thì điều kiện trên
sẽ đợc thực hiện khi :
14


1 + 2 =

Cấu trúc điều khiển chung có u điểm là tốc độ tác động
nhanh rất tốt , không hề có độ trễ khi đảo cực tính điện áp ra
tải.Tuy nhiên nhợc điểm của cấu trúc này là yêu cầu có cuộn
kháng cân bằng làm tăng công suất lắp đặt của hệ thống .Cuộn
kháng cân bằng cũng làm chậm quá trình điện từ diễn ra trên
mạch tải ,điều này làm giảm tác động nhanh của hệ thống trong
một số trờng hợp .
b.Điều khiển riêng.
Trong thực tế các bộ biến đổi có đảo chiều hiện đại đợc thực
hiện theo cấu trúc điều khiển riêng .Theo cấu trúc này các bộ đợc

điều khiển riêng biệt,ở mỗi một thời điểm chỉ có một bộ biến đổi
làm việc ,nhờ đó sẽ không cần đến cuộn kháng cân bằng . Nh vậy
công suất lắp đặt đợc giảm đến mức tối thiểu ,gọn nhẹ ,hiệu suất
cao.
Vấn đề chính trong thực hiện cấu trúc điều khiển riêng là điều
khiển quá trình đảo chiều sao cho thời gian trễ là ngắn nhất mà
vẫn đảm bảo an toàn cho thiết bị ,không để xảy ra ngắn mạch .Vì
vậy cần phải có bộ logic đảo chiều thật chặt chẽ ,chính xác.
Nói chung cấu trúc điều khiển riêng yêu cầu mạch điều khiển
phức tạp hơn nhng với công nghệ tiên tiến hiện nay thì có thể thực
hiện đợc.
Kêt luận : Do thời gian mạ thuận và nghịch rất lớn so với 1 chu kì
mạ nên ta dùng cấu trúc điều khiển riêng.
Sơ đồ nguyên lí của mạch động lực :

AT
C
R

T4

T3

TT2

RT

Lckl

T1

15
Tải


Mạch lực có 2 bộ chỉnh lu : bộ bên trái là bộ thuận ( chạy trong
thời gian thuận ) , bộ bên phải là bộ nghịch ( chạy trong thời gian
nghịch ) . Hai bộ này sẽ thay nhau chạy kế tiếp và xen giữa là thời
gian nghỉ bằng một chu kì mạ .

Chơng 3 : Tính chọn van mạch lực.
Van động lực đợc chọn dựa vào các yếu tố cơ bản : dòng tải , sơ
đồ đã chọn ,điều kiện tản nhiệt ,điện áp làm việc . Các thông số
cơ bản của van động lực đợc xác định nh sau:
a.Điện áp ngợc của van :
U1v = knv.U2
Với U2 = Ud /ku
U1v = knv.

Ud
.
ku

Trong đó : Ud ,U2 , U1v là điện áp tải ,nguồn xoay chiều ,điện áp
ngợc của van ;
knv ,ku các hệ số điện áp ngợc và điện áp tải

16

Với knv =2,82 ,ku = 0,9.

U1v = 2,82

36
. 0.9
= 112.8 (V).

b.Dòng điện làm việc của van :
I1v =Ihd =khd.Id
Với khd = 0.71.Ta có :
I1v =0,71.40 = 28,4 (A).
Trong đó :
I1v ,Ihd là dòng điện làm việc và dòng điện hiệu dụng của
van .
khd hệ số dòng điện hiệu dụng .
Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh tản nhiệt với đủ
diện tích tản nhiệt,không quạt đối lu không khí .
Thông số cần có của van động lực là :
Unv = kdtU. U1v = 1,6.112,8 = 180,48(V) (chọn kdtU = 1,6).
Iđmv = ki.I1v = 2,5.28,4= 71(A)
ở đây ta chọn I1v = 40%.Iđmv .
Từ các thông số trên ta chọn tiristor loại 50RCS20 có các thông
số định mức :
- Dòng điện định mức của van Iđmv=80 A,
- Điện áp ngợc cực đại của van Unv = 200 V,
- Độ sụt áp trên van U = 1,8 V,
- Dòng điện dò Ir =6,5mA,
- Điện áp điều khiển Uđk = 3 V,
- Dòng điện điều khiển Iđk = 0,11A.

- Dòng điện đỉnh cực đại Ipik =1200A
- Nhiệt độ làm việc cực đại Tmax=125oC

17


Chơng 4 :Tính toán máy biến áp chỉnh lu .
Mạch điện phần ứng la mạch chỉnh lu hình tia 1 pha hai nửa chu kì ,nên
ta cần chọn máy biến áp có mạch từ hình chữ E ( có 1 trụ ) đợc làm mát bằng
các lá tản nhiệt
-Điện áp chỉnh lu không tải :
Phơng trình cân bằng điện áp khi có tải :
Udo .cos min =Ud + Uv +Udn + Uba
Trong đó :
min =100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lới
Uv =1,8 (V) là sụt áp trên Thyristor
Udn 0 là sụt áp trên dây nối
Uba = Ur + Ux là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp .
Chọn sơ bộ :
Uba =6% .Ud =6% .36 = 2,16 (V)
Từ phơng trình cân bằng điện áp khi có tải ta có :
Ud0 =

U d + U v + U dn + U ba 36 + 1,8 + 0 + 2,16
=
=40,58 (V)
cos min
cos10o

-Điện áp pha sơ cấp của máy biến áp : U1=220 V

18


-Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp :
U2=

U d 0 40.58
=
= 45,08(V)
ku
0.9

- Xác định công suất tối đa của tải
Pdmax = Udo . Id =40,58 . 40=1623,2 (w)
- Công suất biến áp nguồn cấp đợc tính
Sba = ks . Pdmax = 1,48 . 1623,2 =2402,336(W)
-Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp :
I2 =k2.Id=

1
1
. Id =
.40 =28,28(A)
2
2

-Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp :
I1 = KbaI2 =

U2

45, 08
.I2 =
. 28,28 = 5,79 (A)
220
U1

*)Tính sơ bộ mạch từ (Xác định kích thớc bản mạch từ)
-Tiết diện sơ bộ trụ .
QFe =kQ .

Sba
m. f

Trong đó :
kQ là hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát ,lấy kQ = 6 .
m là số trụ của máy biến áp ,m=1
f là tần số xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz)
Thay số ta đợc :
QFe=6 .

2402,336
=41,6(cm2)
1.50

- Chọn trụ hình chữ nhật với các kích thớc : QFe=a.b=41,6 (Trong đó a bề
rộng của trụ;b-bề dầy trụ)
Trong thiết kế ta thờng chọn : 1<

b
< 1,5

a

Chọn b=1,2.a suy ra : a=5,9(cm) ;b=7,1(cm)
Với : n=

c
=0,5
a

=> c=0,5.a=2,95(cm)

19


h
a

m= =2,5

=> h=2,5.a=14,75(cm)

-Chọn loại thép 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm
Chọn mật độ từ cảm trong trụ Bt =1 (T)
*)Tính toán dây quấn .
- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp .
W1=

U1
220
=

= 237,6(vòng)
4,44. f .QFe .B T 4, 44.50.41, 6.104.1, 0

Lấy W1= 238(vòng)
- Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp :
W2 =

U2
45,08
.W1=
.238 = 48,8 (vòng)
220
U1

Lấy W2= 49( vòng)
- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp :
Với dây dẫn bằng đồng ,máy biến áp khô ,chọn J1= J2= 2,75 (A/mm2)
- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp .
S1 =

I1 5,79
=
= 2,1(mm2)
2,
75
J1

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1=2,2(mm2)
Kích thớc dây dẫn có kể cách điện : S1cđ = a1.b1 = 0,8.2,63(mm2)

- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp .
5,79

I
J1= 1 = 2,2 = 2,63(A/mm2)
S1
- Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp .
S2 =

I 2 28.28
=
= 10,28 (mm2)
2, 75
J2

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B
Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S2= 10,3(mm2)
Kích thớc dây dẫn có kể cách điện : S2cđ = a2.b2 = 2,83.3,8(mm2)
20


- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp .
J2=

I 2 28.28
=
= 2,75 (A/mm2)
S2 10,3

*)Tính kích thớc mạch từ

Diện tích cửa sổ cần có:
Qcs = Qcs1 + Qcs2
với:

Qcs1 =klđ.W1.SCu1 ;

Qcs2 =klđ.W2.SCu2

Trong đó: Qcs,- diện tích cửa sổ [mm2];
Qcs1,Qcs2 - phần do cuộn sơ cấp và thứ cấp chiếm chỗ [mm2];
W1, W2 - số vòng dây sơ, thứ cấp;
SCu1, SCu2 - tiết diện dây quấn sơ, thứ cấp [mm2];
Klđ - hệ số lấp đầy , klđ =2,5
Ta có :
Qcs1 =2,5.238. 2,0612=1226,414[mm2]
Qcs2 =2,5.49.10,3=1261,75[mm2]
*)Kết cấu dây dẫn sơ cấp : Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục
- Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp .
h 2.hg

W11=

bn

. kc=

14,75 2.0,5
.0,95 = 49 (vòng)
0, 263

Trong đó :
kc= 0,95 - hệ số ép chặt .
h =14,75cm - chiều cao trụ .
hg =0,5cm - khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp .
- Tính sơ bộ số lớp dây ở cuộn sơ cấp :
sld =

W1
238
=
= 4,86(lớp)
49
W11

21


-. Chọn số lớp sld =5 lớp .Nh vậy có 238 vòng chia thành 5 lớp ,Chọn 4 lớp đầu
vào có 48 vòng ,lớp thứ 5 có 238 - 4.48 =46 (vòng)
- Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp :
h1=

W11.b1
48.0, 263
=
= 13,3 (cm)
kc
0,95

- Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp cd01 = 1,0 cm .

- Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp : cd11= 0,1 mm
- Bề dầy cuộn sơ cấp .
Bd1= (a1+cd11).n11= (0,8 + 0,1).5 = 4,5(mm)=0,45(cm)
- Khoảng cách 2 mép trong của cuộn sơ cấp theo bề rộng trụ :
at1= a + 2.cd01 =5,9+2.1= 7,9 (cm)
- Khoảng cách 2 mép ngoài của cuộn sơ cấp theo bề rộng trụ :
an1= at1+2.Bd1=7,9 + 2.0,45= 8,8 (cm)
- Khoảng cách 2 mép trong của cuộn sơ cấp theo bề dầy trụ :
bt1= b + 2.cd01 =7,1+2.1= 9,1 (cm)
- Khoảng cách 2 mép ngoài của cuộn sơ cấp theo bề dầy trụ :
bn1= bt1+2.Bd1=9,1 + 2.0,45= 10 (cm)
- Bề rộng trung bình của cuộn sơ cấp :
atb1=

a t1 + an1 7,9 + 8,8
=
= 8,35 (cm)
2
2

- Bề dầy trung bình của cuộn sơ cấp :
btb1=

b t1 +bn1 9,1 + 10
=
= 9,55 (cm)
2
2

- Chiều dài dây quấn sơ cấp .

l1 = W1.2.(atb1+btb1)= 238.2.(8,35+9,55)=8520,4 (cm)=85,204(m)
*) Kết cấu dây quấn thứ cấp .
- Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp .
h2= h1 = 13,3(cm)
- Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp .
W12=

h2
13,3
kc =
.0,95 = 33 (vòng)
0,38
b2

22


- Tính sơ bộ số lớp dây quấn thứ cấp .
W2
49
=
= 1,5 (lớp)
33
W12

n12=

- Chọn số lớp dây quấn thứ cấp n12= 2 lớp .Chọn 1 lớp đầu có 25 vòng ,lớp thứ
2 có 49-25 = 24 (vòng)
- Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp :

W12
25
.b 2=
.0,38 = 10 (cm)
0,95
kc

h2=

- Chọn cách điện giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp : cd12=1 cm
- Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn thứ cấp : cd22= 0,1 mm
- Bề dầy cuộn thứ cấp .
Bd2= (a2+cd22).n12= (2,83 + 0,1).2 = 5,86(mm)=0,586(cm)
- Khoảng cách 2 mép trong của cuộn thứ cấp theo bề rộng trụ :
at2= an1 + 2.cd12 =8,8+2.1= 10,8 (cm)
- Khoảng cách 2 mép ngoài của cuộn thứ cấp theo bề rộng trụ :
an2= at2+2.Bd2=10,8+ 2.0,586= 11,972 (cm)
- Khoảng cách 2 mép trong của cuộn thứ cấp theo bề dầy trụ :
bt2= bn1 + 2.cd12 =10+2.1= 12 (cm)
- Khoảng cách 2 mép ngoài của cuộn thứ cấp theo bề dầy trụ :
bn2= bt2+2.Bd2=12 + 2.0,586= 16,172 (cm)
- Bề rộng trung bình của cuộn thứ cấp :
atb2=

a t 2 + an 2 10,8 + 11,972
=
= 11,386 (cm)
2
2

- Bề dầy trung bình của cuộn thứ cấp :
btb2=

b t 2 +bn 2 12 + 16,172
=
= 14,086 (cm)
2
2

- Chiều dài dây quấn thứ cấp .
l2= W2.2.(atb2+btb2)= 49.2.(11,386+14,086)=2496,3 (cm)=24,963(m)
- Cách điện dây quấn thứ cấp với cửa sổ : cd20=1,0cm
- Bề rộng trung bình các cuộn dây :
atb=

a t1 + an 2 7,9 + 11,972
=
=9,936(cm)
2
2

-Bề dày trung bình các cuộn dây :

23


btb=

b t1 +bn 2 9,1 + 16,172
=

=12,636(cm)
2
2

- Tiết diện hiệu quả của trụ .
QT= khq.QFe = 0,95. 41,6= 39,52 (cm2)
-Ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thớc sau :
Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ : bg = b=7,1cm
Chiều cao của gông bằng một nửa chiều rộng trụ : ag =

a 5,9
=
=2,95(cm)
2
2

Tiết diện gông
Qbg= ag x bg = 2,95.7,1=20,945 (cm2)
- Tiết diện hiệu quả của gông .
Qg= khq.Qbg = 0,95 . 20,945 = 19,9 (cm2)
- Số lá thép dùng trong một gông .
hg =

bg
0,5

=

7,1
= 14,2 (lá)

0,5

- Tính chính xác mật độ từ cảm trong trụ .
BT =

U1
220
=
= 1,054 (T)
4, 44.50.238.39,52 .104
4,44. f .W1 .QT

- Mật độ từ cảm trong gông .
Bg = B T .

QT
39,52
= 1,054.
= 1,99 (T)
19,9
Qg

- Với máy biến áp 1 pha có :
Chiều rộng cửa sổ : c= bn2+ cd20=16,172+1=17,172(cm)
Chiều rộng toàn bộ mạch từ : C=2.c+2.a=2.17,172+2.5,9=46,144 (cm)
Chiều cao mạch từ : H=h+a =14,75+5,9 =20,65(cm)

b

H h

c

a
C

c
24


*) Tính khối lợng của sắt và đồng .
- Thể tích của trụ .
VT = 2.QT.h = 2.39,52.14,75 = 1165,84 (cm3)
- Thể tích của gông .
Vg = 2.Qg.C= 2.19,9.46,144= 1836,53 (cm3)
- Khối lợng của trụ .
MT= VT . mFe = 1165,84.10-3. 7,85= 9,15 (Kg)
- Khối lợng của gông .
Mg = Vg . mFe = 1836,53.10-3.7,85 = 14,41 (Kg)
- Khối lợng của sắt .
MFe= MT+Mg = 9,15 + 14,41 = 23,57 (Kg)
- Thể tích đồng .
VCu = S1.l1 + S2.l2 = 2,2.10-4.852,04+10,3. 10-4.249,63=0,445(dm3)
- Khối lợng của đồng .
MCu = VCu . mCu = 0,445.8,9 =3,96 (Kg)
*) Tính các thông số của máy biến áp .
- Điện trở trong của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C .
R1= .

l1

85, 204
= 0,02133. 2, 2 = 0,826 ()
S1

Trong đó 75 = 0,02133 ()
- Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C .
R2= .

l2
24,963
= 0,02133. 10,3 = 0,052 ()
S2

- Điện trở của máy biến áp qui đổi về thứ cấp .
2

2
W2
49



ữ
W1
238

RBA = R2 + R1
= 0,052+ 0,826.
=0,087 ()

- Sụt áp trên điện trở máy biến áp .
Ur = RBA.Id = 0,087 . 40 = 3,48(V)
- Điện kháng máy biến áp qui đổi về thứ cấp .

25