Thiết kế nguồn mạ một chiều

Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

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

Phương án 2
+ Điện áp ra : 6-12 (V)
+ Dòng tải max : 1500 (A)
+ 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.

1


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

Lời nói đầu
Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay. Ngày nay mạ kim loại đã trở
thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước trên thế giới, phục
vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh
con người.
Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy, dụng cụ sinh hoạt, phương tiện sản
xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chỉ, thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, cơ
khí chính xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì…
Vậy mạ 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, hóa… đáp ứng được 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…
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 hóa với độ tin
cậy cao. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng mạ và hạ giá thành sản phẩm, chống ô
nhiễm môi trường.
Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn rất quan
trọng. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã từng bước tiếp
cận môn học. Để có thể nắm vững lý thuyết để áp dụng vào thực tế, ở học kỳ này em
được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Đây
là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế.
Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ
môn và đặc biệt là thầy Lê Quốc Dũng đã giúp em hoàn thành đồ án này. Do lần đầu
làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm chưa có nên em không tránh khỏi những sai
sót mong các thầy giúp đỡ. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn.
Hà nội, tháng 1 năm 2010
2


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều
Sinh viên

Chương I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện
Đề tài thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tài có ý nghĩa thực tế lớn, bởi vì
trong công nghệ mạ nguồn điện 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
như các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân.

Ta dựa vào sơ đồ điện phân như sau :
Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ như phòng thí nghiệm đồng thời
cũng dùng trong quy 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 được 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… Tùy 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 quy trình.
VD : Mạ niken thường dùng điện áp 6V hay 12V. Để mạ crom dùng 12V. Để
đánh bóng điện hóa nhôm thương dùng điện áp 12 – 24V.
2. Anot : là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều. Trước khi
điện phân anot cần phải đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ…
Anot dùng trong mạ điện có 2 loại : anot hòa tan và anot không hòa tan. Anot
hòa tan được dùng trong các trường hợp mạ niken, mạ kẽm, mạ thiếc… Trong quá
trình điện phân anot 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 catot. Phản ứng điện
hóa ở anot là phản ứng oxi hóa.

3


Đồ án điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều
Anot không hòa tan dùng trong trường hợp mạ crom.Khi điện phân ở bề mặt anot
không hòa tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa

H 2O, OH − , Cl −

...

2Cl − − 2e = Cl2
4OH − − 4e = 2 H 2O + O2 ↑

Khí thoát ra ở anot trong quá trình điện phân thường chính là

O2 , Cl2

.

3. Catot : là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trong mạ điện
catot là vật mạ.Trên bề mặt vật mạ luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ. Ví
dụ như :
Mạ niken :
Mạ kẽm :

Ni 2+ + 2e = Ni ↓
Zn 2+ + 2e = Zn ↓

Đồng thời với ion kim loại bị khử,
phản ứng :
Khí

H2

H 3O +

cũng bị khử giải phóng ra khí

H2

theo

2 H 3O + + 2 e = H 2 ↑ + H 2 O

thoát ra trên bề mặt catot có khả năng thấm sâu vào mạng tinh thể kim
H2

loại mạ và các kim loại nền, làm giảm độ bền cơ học của kim loại (khí
khi gặp
nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại). Người ta gọi hiện tượng
này là hiện tượng “ 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, trước khi mạ ta cần phải gia công cho bề mặt chi tiết bằng
phẳng, bóng và sạch các chất dầu mỡ màng oxit.
Catot vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập dưới mặt nước 815 cm và cách đáy bể khoảng 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt ,
4


Đồ án điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều
không để gây ra hiện tượng phóng điện trong chất điện phân. Tuyệt đối không để
chạm trực tiếp giữa anot và catot khi đã nối mạch điện.
4. Dung dịch chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường có
hai phần :
-Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại mạ và một số
hóa chất thiết yếu khác , nếu thiếu hóa chất này thì dung dịch không thể dùng để mạ
được.

-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 anot nhằm ổn định mạ
Một số đặc điểm dung dịch mạ :
-Dung dịch mạ cần phải có độ dẫn điện cao. Độ dẫn điện của dung dịch không
những chỉ giản được tổn thất điện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng
đều hơn.
- Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng có chất lượng cao trong một khoảng
pH nhất định. Ví dụ mạ Niken pH=4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch amoniclorua
pH= 4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch axit pH= 3,5 đến 4,0…
Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng cao trong một khoảng nhiệt độ nhất
→

0

C

→

0

C

định. Ví ụ Niken khoảng nhiệt độ là 55
70

, mạ vàng 60
70
. Nhìn chung
, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôi của dung dịch.
- Mỗi dung dịch có một khoảng mật độ dòng catot thích hợp.
5


Đồ án điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều
-Dung dịch chứa muối phức của kim loại thường cho lớp mạ có chất lượng tốt
hơn lớp mạ từ chính kim loại thu được từ muối đơn. VD lớp mạ thu được từ dung
dịch

Zn ( CN ) 4

2−

hoặc

Zn ( CN ) 3

2−

tốt hơn lớp mạ thu được 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 thường được nót bằng chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt. Lớp chất
dẻo nót phải kín tuyệt đối, nước không thấm qua được. Mặt ngoài sơn nhiều lớp
chống gỉ. Bể mạ thường có dạng hình chữ nhật, điều mày giúp cho lớp mạ được phân
bố đều hơn bể có hình dạng khác. Có nhiều bể mạ như bể mạ tĩnh, thùng mạ quay,…

Trên đây 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 trước khi mạ.
Yêu cầu bề mặt trước khi mạ :
-Trước khi mạ vật cần mạ được tiến hành gia công cơ khí để có bề mặt bằng
phẳng, đồng thời tẩy xóa các lớp 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 trước lúc chi tiết vào bể điện phân, bề mặt cần phải thật bằng phẳng,
sắc nét bóng tuyệt đối sạch dầu mỡ, các màng oxit có thể có. Trong điều kiện như vậy
lớp mạ thu được mới có độ bóng tốt, không sước, không sần sùi, bóng đều toàn lớp
mạ đồng nhất như ý.
Phương pháp gia công bề mặt trước khi mạ :
-Phương pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh bóng quay
bóng hay sóc bóng trong thùng quay.
-Phương pháp gia công hóa học hay điện hóa học bao gồm : tẩy dầu mỡ, tẩy
gỉ, tẩy lại làm sạch bóng bề mặt, rửa sạch.
Sự lựa chọn phương pháp gia công cho hiệu quả tốt nhất lại có giá thành rẻ, đòi
hỏi người 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 lượng và hình thức lớp mạ. Chất lượng lớp mạ phụ
thuộc một cách cơ bản vào phương pháp được lựa chọn, kỹ thuật và điều kiện tiến
6


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều
hành chuẩn bị bề mặt lớp mạ. Không bao giờ chúng ta coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt
lớp mạ.

Chương II : Lựa chọn phương án
Nhiệm vụ đặt ra đối với đồ án là thiết kế nguồn mạ một chiều có điện áp thấp và
dòng rất lớn. Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ trong quá trình
nạp. Mạch có khâu bảo vệ chống chạm điện cực.
Trong công nghệ mạ điện thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nó
quyết định nhiều đến chất lượng lớp mạ thu được. Nguồn điện một chiều có thể là ắc
quy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi… Chúng ta phân tích từng loại nguồn để
quyết định lựa chọn phương án nào :
1. Ắc quy : Trong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thí
nghiệm hay sản xuất ở quy 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 lớn thì 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 dùng máy phát điện một
chiều khắcphục được các nhược điểm của ác quy. Máy phát điện một chiều trong
thực tế có thể sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn. Nhưng giá thành đầu tư
cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển hoạt động 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 các lý do trên nên trong công nghiệp người ta không dùng máy phát điện
một chiều.
7


Đồ án điện tử công suất
3. Bộ biến đổi :

Thiết kế nguồn mạ một chiều

Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được 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 được nhiều thành tựu. Chính vì vậy
các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều ngày càn được sử dụng
nhiều trong các ngành công nghiệp. Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ biến
đổi được dùng rộng rãi nhất. Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể
cho ra các điện áp như :3V, 6V, 12V,24V,30V,50V. Tùy 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 hóa;
dễ điều khiển và ổn định dòng. Chi phí đầu tư cho bộ biến đổi cũng rẻ, hiệu quả làm
việc cao và ổn định dòng. So với dùng nguồn mạ la ắc quy hoặc máy phát điện một
chiều thì bộ biến đổi đáp ứng được hơn cả về mặt kinh tế cũng như các tiêu chuẩn kỹ
thuật. Vậy quyết định phương án là dùng bộ biến đổi.
Với mạch chỉnh lưu : 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 trường hợp chỉnh lưu có điều khiển, sau đó
ta có thể xét trường hợp chỉnh lưu điôt không điều khiển với góc điều khiển α = 0.
Các phương án khả thi :
+ Chỉnh lưu cầu một pha
+ Chỉnh lưu cầu ba pha
+ Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

Phương án 1 : Chỉnh lưu cầu một pha
Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha

8


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

a.Khi tải thuần trở R :
Với
-Khi

u2 = 2U 2 sin θ

θ

= α : cho xung điều khiển mở T1, T2 và

khóa khi
θ

U d = −U 2

, hai tiristor sẽ

u2 = 0

π

-Khi =
+ α, cho xung điều khiển mở T3,T4 và

Dòng qua tải là dòng gián đoạn.
Giá trị trung bình của điện áp tải :
Ud =

π

1
π α∫

2U 2 sin θ dθ =
Id =

2U 2
( 1 + cos α )
π
Ud
Rd

Giá trị trung bình dòng tải :
Giá trị trung bình dòng qua Tiristor :
IT =

1
2π

π

∫
α

U
I
2U 2
sin θ dθ = d = d
R
2R 2

Dạng sóng cơ bản :

9

Ud = U2


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

b. Tải R+L
- Khi L đủ lớn thì dòng điện

id

sẽ là dòng liên tục.

- Phương trình mạch tải :
2U 2 sin θ dθ = Rid + X

1
π

π +α

∫

2U 2 sin θ dθ =

α

Ud =

did
dθ

R
π

π +α

2 2U 2
cos α
π

Dạng sóng cơ bản :
10

∫

α

id dθ +

X
π

∫

Id

did


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

2π 

U b = 2U 2 sin  θ −
÷
3 

4π 

U c = 2U 2 sin  θ −
÷
3 


c. Hoạt động của sơ đồ :

Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua
θ = θ2 =

+ Khi

π
+α
6

VF = VC , VG = VB

cho xung điều khiển mơ T1. Tiristor này mở vì

Sự mở của T1 làm cho T5 bị khóa lại một cách tự nhiên vì
cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải :
θ = θ2 =

+ Khi
dòng, nó đặt
tự nhiên vì

Ub

3π
+α
6

.

. Lúc này T6 và T1

U d = U ab = U a − U b

cho xung điều khiển mở T2. Tiristor mở vì T6 dẫn

lên catot T2 mà

Ub > Uc

Ua > Uc

Ua > 0

Ub > Uc

. Sự mở của T2 làm cho T6 khóa lại một cách

.

π
3

Các xung điều khiển lệch nhau được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các
tiristor theo thứ tự 1, 2, 3, 4, 5, 6… Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở nó sẽ khóa
ngay tiristor trước nó, như trong bảng sau :
Thời điểm

Mở
11

Khóa


Đồ án điện tử công suất
θ1 = π / 6 + α

T1

Thiết kế nguồn mạ một chiều
T5

θ 2 = 3π / 6 + α

T2

T6

θ3 = 5π / 6 + α

T3

T1

θ 4 = 7π / 6 + α

T4

T2

θ5 = 9π / 6 + α

T5

T3

θ6 = 11π / 6 + α

T6

T4

Dạng sóng cơ bản :

12


Đồ án điện tử công suất
Đường bao phía trên biểu diễn điện thế điểm F

Thiết kế nguồn mạ một chiều

Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế điểm G
Điện áp trên mạch tải :

U d = U F − UG

Ud =

6
2π

5π
+α
6

∫

là khoảng cách thẳng đứng giữa hai đường

2U 2 sin θ dθ =

π
+α
6

3 6U 2
cos α
π

U ng .max = 6U 2 = 2, 45U 2

Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van :
IT =

Dòng điện trung bình chạy qua van :

Id
3

c. Ưu nhược điểm của sơ đồ :

+ Ưu điểm :
-số xung áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch của điện
áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao.
-không làm lệch pha lưới điện.
+ Nhược điểm :
-sử dụng số van lớn,giá thành thiết bị cao.
-sơ đồ này chỉ dùng cho tải có công suất lớn, dung tải nhỏ và điện áp chỉnh
lưu đòi hỏi độ bằng phẳng.
Do dòng tải dùng trong mạ điện có trị số lớn, nên không áp dụng được
phương pháp này, vì các van không chịu được dòng tải lớn.

13


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

Phương án 3 : Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng
a.Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, được biểu diễn như trên sơ đồ,
bao gồm máy biến áp động lực, có cuộn kháng cân bằng
nhóm T1, T3, T5 và T2, T4, T6.

Ccb

, 6 tiristor chia làm hai

Máy biến áp có hai hệ thống thứ cấp a, b, c và a’, b’, c’. Các cuộn dây trên mỗi
pha a và a’; b và b’; c và c’ có số vòng như nhau nhưng có cực tính ngược nhau. Hệ

thống dây cuốn thứ cấp máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt P và Q. P, Q được
nối với nhau qua cuộn kháng cân bằng.
Cuộn kháng cân bằng có cấu tạo như máy biến áp tự ngẫu. Điện áp chỉnh lưu
trung bình trong sơ đồ có giá trị như trung bình cộng của điện áp đầu ra của hai chỉnh
lưu tia 3 pha, nghĩa là :
Ud =

3 6U 2
= 1,17U 2
2π

Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng có thể coi dòng tải là phẳng hoàn toàn.
I2 =

Như vậy trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp :
Iv =

Id
6

Dòng trung bình qua van :
Dạng sóng cơ bản :

14

Id
= 0, 29 I d
2 3

Đồ án điện tử công suất

Dạng điện áp chỉnh lưu

Thiết kế nguồn mạ một chiều
Ud

và điện áp trên cuộn kháng cân bằng.

c. Ưu nhược điểm của sơ đồ :
- Ưu 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.

+ Chỉ có một van dẫn dòng ra tải nên sụt áp, van thấp hơn sơ đồ cầu, vì mạch
cầu bao giờ cũng phải có hai van dẫn.
-Nhược điểm :
+ Số van sử dụng lớn giá thành cao.
+ Đòi hỏi phải có thêm cuộn kháng cân bằng và buộc phải dùng biên áp
trong khi công suất của 2 thiết bị này đều lớn.
+ Đòi hỏi phải có thêm cuộn kháng cân bằng và buộc phải dùng biên áp
trong khi công suất của 2 thiết bị này đều lớn. Mặt khác không cho phép điều chỉnh
điện áp đến 0, vì lúc đó cuộn kháng mất tác dụng cách ly hai mạch chỉnh lưu, nên
mạch sẽ chuyển sang chạy ở chế độ chỉnh lưu 6 pha bình thường, như vậy sẽ mất hầu
hết các ưu điểm vốn có của nó.

15


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

Chương III : Tính chọn mạch lực
Qua phân tích ở trên ta chọn phương án chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng
để xây dựng nguồn mạ. Nhưng phương án này có nhược điểm là khi dòng tải nhỏ thì
cách chọn van khó và chỉ ứng dụng 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 phương án điều chỉnh
1.Điều chỉnh sơ cấp :
Sơ đồ :

16


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

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. Như vậy khi muốn điều chỉnh điện áp ra trên tải phải điều chỉnh
gián tiếp.
2. Điều chỉnh thứ cấp :

Sơ đồ gồm 6 tiristor được bố trí như 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 tăng lên đáng
kể. Giá trị điện áp trên cuộn kháng lớn nhất khi α =
được những nhược điểm của điều chỉnh sơ cấp.

900

. Phương án này đã khắc phục

Cuối cùng chọn phương án điều chỉnh 6 pha cuộn kháng cân bằng điều chỉnh thứ
cấp.
Sơ đồ nguyên lý mạch lực của nguồn mạ một chiều như sau :
+ 6 tiristor
+ Điện trở sum loại 2000A-60mV
17


Đồ án điện tử công suất
+ Bảo vệ van RC

Thiết kế nguồn mạ một chiều

+ 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 :

Pd = U d 0 .I d

a.6 pha có cuộn kháng cân bằng
U d 0 = U d + ∑ ∆U d

∑ ∆U

Với :

d

= ∆U ba + ∆U ck + ∆U van

Máy biến áp có công suất vài chục kVA thuộc loại máy biến áp nhỏ nên :
∆U d ba = 4%U d
∆U ck = 1,5%U d
∆U van = 2V

Điện áp rơi trên mỗi van là 1 V
Vậy :

∑ ∆U

d

= (4% + 1,5%)U d + 2 = 0, 66 + 2 = 2, 66(V )

18

Đồ án điện tử công suất
Suy ra :
Chọn

U d 0 = U d + ∑ ∆U d = 12 + 2, 66 = 14, 66(V )

Thiết kế nguồn mạ một chiều

U d 0 = 15(V )

Công suất hiệu dụng của máy biến áp :
S = 1, 26.Pd = 1, 26U d 0 I d = 1, 26.15.1400 = 26, 46( kVA)

Vậy chọn máy biến áp có công suất

27(kVA)

Từ công thức chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có :
Ud0 =

3 6U 2
cosα
2π

⇒ U2 =

Chọn

, chọn

α = 400

2π U d 0
2π .14, 66
=
= 16,36(V )
3 6 cos 400 3 6 cos 40 0

U 2 = 17(V )

k=

Tỷ số máy biến áp :

U1 380
=
= 22,35
U 2 17

Giá trị hiệu dụng dòng chảy qua cuộn thứ cấp máy biến áp :
I2 =

Id
= 0, 29 I d = 0, 29.1400 = 406( A)
2 3

Giá trị hiệu dụng dòng chảy trong cuộn sơ cấp máy biến áp :
I1 =

0, 4 I d 0, 4.1400

=
= 25, 05( A)
k
22,35

19


Đồ án điện tử công suất
2. Tính toán mạch từ :

Thiết kế nguồn mạ một chiều

Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức :
Q = k.

S
(cm 2 )
Cf

k=4 đến 6, ở đây chọn 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 = 50 Hz)
Q = 6.

Thay số ta có
Giả sử

27000
= 80,5(cm2 )
3.50

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

Để đảm bảo tính mỹ thuật ta chọn a/b=1,25

Vậy từ

Q = a.b = 63,87

a / b = 1, 25

a = 10(cm)
⇒
b = 8(cm)

Để đảm bảo mỹ thuật chọn chiều cao của trụ theo tỷ lệ
20


Đồ án điện tử công suất

m = h / a = 2,5 ⇒ h = 2,5.a = 25(cm)

Thiết kế nguồn mạ một chiều

Dùng loại thép 330 có độ dày 0,35 mm
Mật độ từ cảm trong trụ B=1(tesla)
3. Tính toán dây cuốn :
Số vòng vôn :

4, 4. f .B.Q.10−4 = 4, 4.50.1.80,5.10 −4 = 1, 7

(vôn/vòng)

Trong đó : f : là tần số dòng điện
Q : là tiết diện trụ
B : là mật độ từ cảm trong trụ
W1 =

Số vòng dây sơ cấp

380
= 224
1, 7

W2 =

Số vòng dây thứ cấp

(vòng)

U2
11
W1 =
.224 = 10, 02

U1
380

(vòng)

Lấy tròn là 10 vòng
Hai cuộn dây thứ cấp được cuốn trên cùng một pha :
Chọn mật độ dòng điện :

J1 = J 2 = 2, 5 A / mm 2

Tiết diện dây dẫn sơ cấp :
Q1 =

I1 25, 05
=
= 10, 02
J1
2,5
(mm 2 )

Chọn dây dẫn dẹt tiết diện thực 2x5 bọc sợi thủy tinh 2 lớp
Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp :
21


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều
Q2 =

I 2 406
=
= 162, 4(mm 2 )
J 2 2,5

Ta chọn ây dẫn dẹt (2x11) bọc sợi thủy tinh quấn theo thớt, gồm 8 thớt, đầu ra
hàn các thanh cái lấy điện loại 5x60
4. Tính toán kích thước mạch từ :
Dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I và xếp như hình vẽ
Kích thước lõi thép :
Chiều rộng : a= 10 cm
Bề dày :

b= 8 cm

Chiều cao : h= 25 cm
II. Tính chọn van và bảo vệ van :
*Chế độ làm việc của van rất khắc nghiệt, 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 trường xung quanh nhiệt lượng được truyền vào môi trường. Nếu
nhiệt độ của van vượt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậy làm mát cho van
là một vấn đề rất quan trọng. Thông thường van được gắn lên một cánh tản nhiệt với
thông số phù hợp. Có các biện pháp làm mát thường gặp :
+ Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lưu không khí xung quanh van, hiệu
suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25%.
+ Làm mát bằng gió cưỡng bức : tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van
để đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu suất làm việc của
van là 35%.
+ Làm mát bằng nước : van được gắn thêm tấm đồng rỗng cho nước chảy

qua. Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả hiệu suất làm việc của van đạt đến 90%,
nhưng hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công suất lớn và có nguồn
nước tại vị trí lắp đặt thiết bị.
Qua phân tích trên ta chọn làm mát bằng thông gió có quạt cưỡng bức với
hiệu suất làm việc của van là 35%
22


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều

I tbv =

Dòng trung bình qua van là :

I d 1400
=
= 233, 33( A)
6
6

U ng max = 6.17 = 41,64(V )

Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van :
Với : hệ số dự trữ điện áp là
Hệ số dự trữ dòng điện là

ku = 1, 6
ki = 1, 2

Iv =

Dòng điện van cần có là :

233,33.1, 2.100
= 799,98( A)
35

Từ đó ta chọn van loại : TL-1000-1 do Liên Xô cũ chế tạo, có các thông số
sau :
I max = 1000( A)
U max = 100(V )
∆U = 1(V )
I G = 0, 4( A)
U G = 8(V )
Toff = 150µ s
du
= 100V / µ s
dt
di
= 50 A / µ s
dt

** Bảo vệ van :
Tiristor rất nhạy 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 được chia làm 2 loại :
+ Nguyên nhân nội tại : Khi khóa tiristor bằng điện áp ngược các điện
tích đổi ngược hành trình tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự
biến thiên nhanh chóng của dòng điện gây ra một suất điện động cảm ứng trong các

23


Đồ án điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều
điện cảm luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các tiristor. Vì vậy giữa anot và
catôt xuất hiện quá điện áp.

+ Nguyên nhân bên ngoài : Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu
nhiên như 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 năng lượng từ trường tích lũy trong
lõi sắt từ chuyển thành năng lượng điện chứa trong các tụ kí sinh, rất nhỏ giư các
cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Điện áp này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm
việc.
Để bảo vệ quá điện áp người ta thường dùng mạch RC xem hình sau :

Tính RC bảo vệ quá áp do tụ tích điện gây nên, hình trên
U dmp , U imp

là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên
tiristor một cách chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu.
U d .m.np , U im ,np

là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên
tiristor một cách không chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu.
U im

b
k

là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên tirstor.

là hệ số dự trữ về điện áp,b=1-2
là hệ số quá điện áp

Các bước tính toán :
+ Xác định hệ số quá điện áp theo công thức

24


Đồ án điện tử công suất

Thiết kế nguồn mạ một chiều
k=

U im. p
bU
. im

+ Xác định các thông số trung gian :

+ Tính

di
max
dt

C *min (k ), R*max ( k ), R*min (k )

khi chuyển mạch

+ Xác định lượng tích tụ
tay tra cứu

Q = f (d i / d t )

, sử dụng các đường cong trong sổ

+ Tính các thông số trung gian :
C = C *min

R*min

2Q
U im

LU im
LU im
≤ R ≤ R* max
2Q
2Q

Trong đó L là điện cảm của mạch RLC

Cuối cùng ta chọn

C = 0, 25µ F

 R = 80Ω

III. Tính cuộn kháng cân bằng :
Pck = 0, 05Pdm
Sck = 0,5Pd

Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng :
iocb =

0,19U 2 dm
ω.Lcb

25