Thiết kế nguồn mạ một chiều với các thông số udmax=12(v),idmax=1500(a)

LỜI CAM ĐOAN !
Em xin cam đoan đề tài tốt nghiệp này là do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy
giáo Trần Văn Huy.Các số liệu và kết quả để trong đề tài là hoàn toàn trung thực.
Để hoàn thành bản đồ án này,em chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã được ghi trong
bảng các tài liệu tham khảo,không sử dụng tài liệu nào khác mà không liệt kê ở phần tài
liệu tham khảo.

Hà Nội, ngày 14 tháng 6 năm 2013
Sinh viên

Hồ Mạnh Hùng


MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................................ 2
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................. 1
4.9.. Khâu dạng xung.................................................................................................................37
4.11. Khâu phản hồi...................................................................................................................40


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 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 được các yêu cầu kỹ thuật mong
muốn.
Ngày nay không riêng gì ở nước phát triển mà ngay trong nước ta kỹ thuật mạ đã có

nhưng bước phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong sản
xuất cung như trong kinh doanh
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 tưng bước tiếp cận môn
học. Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ 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 với các thông số
Udmax=12(V),Idmax=1500(A)’’. 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 Trần Văn Huy đã giúp em hoàn thành đồ án này. Do lần đầu làm đồ án
điện tử công suất kinh nghiệm chưa có lên em không tránh khỏi những sai sót mong các
thầy giúp đỡ. Cuối cùng em xin chân thành
cảm ơn !
Hà nội, ngày 20 tháng 6 năm 2013
Sinh viên

Hồ Mạnh Hùng

1


Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN

1.1 Lịch sử công nghệ và ngành mạ điện
Ngành mạ điện được nhà hóa học ý Luigi V. Brugnatelli khai sinh vào năm 1805. Ông
đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp Alessandro Volta, pin Volta để tạo ra lớp

phủ điện hóa đầu tiên. Phát minhcủa ông không có ứng dụng trong công nghiệp trong
suốt 30 năm và chỉ được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm. Năm 1839, hai nhà hóa
học Anh và Nga khác độc lập nghiên cứu quá trình mạ kim loạiđồng cho những nút bản
in. Ngay sau đó, John Wright, Birmingham, Anh sử dụng Kali Xyanua cho dung
dịch mạ vàng, bạc.
Vào thời kì này, đó là dung dịch duy nhất có khả năng cho lớp mạ kim loại quý rất
đẹp. Tiếp bước Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sáng
chế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840. Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện tại
Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới. Cùng với sự phát triển của khoa
học điện hóa, cơ chế điện kết tủa lên bề mặt kim loại ngày càng được nghiên cứu và sáng
tỏ. Kĩ thuật mạ điện phi trang trí cũng được phát triển. Lớp
mạ kền, đồng, kẽm, thiếc thương mại chất lượng tốt đã trở nên phổ biến từ những năm
1850. Kể từ khi máy phát điện được phát minh từ cuối thế kỉ 19, ngành công nghiệp mạ
điện đã bước sang một kỉ nguyên mới. Mật độ dòng điện tăng lên, năng suất lao động
tăng, quá trình mạ được tự động hóa từ một phần đến hoàn toàn. Những dung dịch cùng
với các phụ gia mới làm cho lớp mạ đạt chất lượng tốt hơn. Các lớp mạ được nghiên cứu
phát triển để thỏa mãn cả yêu cầu chống ăn mòn lẫn trang trí, làm đẹp... Kể từ sau chiến
tranh thế giới thứ hai, người ta còn nghiên cứu thành công kĩ thuật mạ cromcứng, mạ đa
lớp, mạ đồng hợp kim. mạ kền sunfamat...
Nhà vật lí Mỹ Richard Feynman đã nghiên cứu thành công công nghệ mạ lên
nền nhựa. Hiện nay công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi. Kĩ thuật mạ hiện là một
trong ba quá trình trong chu trình LIGA - được sử dụng trong sản xuất robot điện tử siêu
nhỏ (MEMS).

2


Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

1.2. Mục đích sử dụng lớp mạ.

-

-

Lớp mạ điện có rất nhiều ứng dụng trong thực tế và kỹ thuật nó có thể bảo vệ tốt cho
kim loại khỏi bị ăn mòn hoá học hay điên hoá trong môi trường sử dụng.Xuất phát từ khả
năng của nó gười ta đã ứng dụng để tạo ra các lớp mạ cần thiết bảo vệ bề mặt cho các loại
náy móc trong công nghiệp và các nghành khoa học …
Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy, dụng cụ sinh hoạt …đã giúp bảo vệ các
dụng cụ và các chi tiết đó khỏi các tác động của môi trường ngoài.
Lớp mạ có tác dụng trang trí bên ngoài sản phẩm làm tăng vẻ đẹp sản phẩm và sức thu
hút của mọi dụng cụ máy móc , đồ dùng cá nhân ,trang sức…
Có một số chi tiết máy do nhu cầu thực tế là giá thành hạ và không cần dùng kim loại
hay hợp kim đắt tiền để chế tạo người ta sử dụng các kim loại hay hợp kim rẻ tiền rồi mạ
các lớp mạ lên nó tạo điều kiện cho việc tiêu thụ sản phẩm tốt…
Ngoài các lớp mạ thông thường còn có lớp mạ kỹ thuật đó là lớp mạ có các tính chất lý
hoá đặc biệt mà các lớp kim loại nền không có…
+ lớp mạ chống ma sát ,mài mòn
+ lớp mạ làm thay đổi kích thước chi tiết máy
+ lớp mạ làm tăng độ dẫn điện
+ lớp mạ cho độ bám cao không bong tróc..

1.3. PHÂN LOẠI LỚP MẠ
Gồm 4 loại :
- Lớp mạ bảo vệ
- Lớp mạ trang trí
- Lớp mạ trang trí bảo vệ
- Lớp mạ kỹ thuật
1.3.1. Lớp mạ bảo vệ

Dùng để bảo vệ khỏi sự ăn mòn kim loại trong môi trường sử dụng và bảo vệ kim loại
nền có hai lớp mạ bảo vệ:
- Lớp mạ ca tốt: lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế dương hơn điện thế kim loại nền
- Lớp mạ Anốt: lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế âm hơn điện thế kim loại nền
1.3.2. Lớp mạ trang trí
Lớp mạ này có độ bang sáng màu hấp dãn giữ được lâu ví dụ như :mạ vàng mạ bạc…
Thường dùng mạ ca tốt

3


Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

Người ta tạo lớp mạ trang trí bằng cách tạo một lớp mỏng kim loại trên bề mặt vật cần
mạ, độ bóng tạo ra bằng cách đánh bóng cơ khí hoá học điện hoá 1.3.3. Lớp mạ trang
trí bảo vệ
Là loại lớp mạ vừa trang trí vừa bảo vệ kim loại nền
Ví dụ:dùng lớp mạ ca tốt như niken-crôm,đồng -crôm….do niken có độ bền cao nên
đóng vai trò là lớp bảo vệ
1.3.4. Lớp mạ kỹ thuật
Chúng ta sử dụng rộng rãi và có ứng dụng trong thực tế như:
- Mạ làm tăng độ bền chống ma sát ổ trục
- Mạ phục hồi các chi tiết máy
- Mạ tăng độ dẫn điện
- Mạ làm tăng độ chống mài mòn

1.4. SƠ ĐỒ ĐIỆN PHÂN
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, 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:

Hình 1.1. Sơ đồ điện phân

4


Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ như phòng thí nghiệm đồng thời cũng
dùng trong qui mô sản xuất lớn. Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân :
1.4.1. Nguồn điện một chiều
Cung cấp dòng điện một chiều cho bể mạ.Có thể là pin, ắc qui, máy phát điện một
chiều, bộ biến đổi,thậm chí nguồn điện hóa học…. Ngày nay được dùng phổ biến nhất là
bộ biến đổi vì công suất lớn,dễ sản xuất. Một bể mạ yêu cầu giá trị dòng điện và điện áp
riêng. 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 thường dùng điện áp 6V hay 12V. Để mạ Crôm dùng 12V.
Để đánh bóng điện hóa nhôm thường dùng điện áp 12 – 24V.
1.4.2. Anốt
Là điện cực nối với cực dương của nguồn điện 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. Mạ điện
thường dùng anốt tan bằng kim loại cần mạ.
Anốt hoà tan được dùng tronh các trường 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
M – ne = Mn+
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:

4OH- - 4e = 2H2O + O2 (môi trường axit)
2H2O – 4e = 4H+ +O2
Anốt không hòa tan dùng trong trường hợp mạ Crôm. .
Khi điện phân ở bề mặt anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa.
Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là O2 hay Cl2 .
1.4.3. 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 như :
Mạ niken : Ni 2+ + 2e = Ni ↓
Mạ kẽm

Zn 2+ + 2e = Zn ↓

Đồng thời với iôn kim loại bị khử, H 3 O + cũng bị khử giải phóng ra khí H 2
+
ứng : 2 H 3 o + 2e = H 2 ↑ + H 2 O

5

theo phản


Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

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 H2 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 loạ 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 oxít.
Catốt vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập dưới mặt nước 8 – 15cm
và cách đáy bể khonảg 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây ra
hiên tượng phóng điện trong chất điện phân. Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt
và catốt khi đã nối mạch điện.
1.4.4. 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 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 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 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 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 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 lượng cao trong một khoảng nhiệt độ nhất
định. .VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là 55 → 70 . C , mạ vàng 60 → 70. C .. Nhìn chung,
khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôi của dung dịch.
- Mỗi dung dịch có một khoang mật độ dòng catốt thích hợp.

6

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

- 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 nuối đơn. VD lớp mạ thu được từ dung dịch
Zn(CN ) 24− hoặc Zn(CN ) 32− tốt hơn lớp mạ thu đợc từ dung dịch muối CuSO4 .

1.4.5. Bể điện phân :
Làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt. Thành và mặt trong của bể thường
được lót bằng chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt. Lớp chất dẻo lót 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 này 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 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 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 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 trước 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 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 kim loại 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 họcbao gồm : tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, tẩy lại
làm bóng bề mặt, rửa sạch.

Sự lựa chọn phương pháp gia công cho hiệu qủa 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 hành chuẩn bị bề mặt lớp
mạ. Không bao giờ chúng ta coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ.

7


Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

1.5. GIA CÔNG BỀ MẶT KIM LOẠI TRƯỚC KHI MẠ
Gia công chuẩn bị bề mặt kim loại trước khi mạ là công việc vất vả,tốn kém, nhưng
không thể bỏ qua hoặc giảm bớt,vì nó quyết định chất lượng sản phẩm mạ.Nhiệm vụ
quan trọng nhất của gia công bề mặt là làm sạch hết các lớp gỉ của màng axit,màng dầu
mỡ,tạp chất trên bề mặt kim loại để tạo điều kiện cho lớp mạ gắn chặt với nền, tùy đặc
điểm của sản phẩm mạ mà nhiệm vụ gia công bề mặt có những yêu cầu riêng. Có các
phương pháp gia công bề mặt:
Gia công cơ học: gồm mài, đánh bóng, quay xóc, chải phun.
- Tẩy dầu mỡ: bằng các cách tẩy trong dung môi hữu cơ,tẩy dầu mỡ trong dung dịch
kiềm nóng,tẩy dầu mỡ điện hóa siêu âm.
- Tẩy rỉ: Tẩy kim loại đen,tẩy rỉ hóa học,tẩy rỉ điện hóa,tẩy rỉ kim loại màu.
- Tẩy nhẹ:
- Rửa
- Tẩy bóng điện hóa và hóa học
Gia công bề mặt trước khi mạ phải trải qua nhiều bước tùy vào đặc điểm của
phôi,yêu cầu của sản phẩm….mà chọn số bước và thứ tự trong các phương pháp trên để
cho hợp lý nhất về kinh tế lẫn kỹ thuật.

1.6.CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ MẠ
Giai đoạn chuẩn bị: Xét đến bản chất vật cần mạ(nền),mức độ nhiễm bẩn và độ nhám
bề mặt của chúng.Độ nhấp nhô δ của bề mặt bảo vệ không được vượt quá 40 μm ,mạ
trang sức bảo vệ δ < 2,5 μm,mạ tăng độ cứng và mạ cách điện δ < 1,25 μm.Chọn dung
dịch mạ căn cứ vào đặc tính vật cần mạ.
Giai đoạn mạ: tiến hành mạ trong khoảng thời gian tính toán trước giữ dòng điện
không đổi trong quá trình mạ.
Giai đoạn hoàn thiện: Thường là các bước trung hòa,tẩy sáng,lấp đầy lỗ. Sau khi chọn
xong các bước cần lập quy trình công nghệ thành bảng,tiếp đó trình bày cách pha chế
dung dịch.
Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể tính dực theo định luật Farađây
M = S.DC.t.H.C (g)
Trong đó S : Diện tích mạ (dm)
Dc: Mật độ dòng điện Catốt (A/dm2)
H : Hiệu suất dòng điện

8


Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

t : Thời gian mạ (h)
C : Đương lượng điện hóa của ion kim loại mạ (g/Δh)
Chiều dày lớp mạ được tính như sau:
δ = 1000.Dc.t.C.
(μm)
Trong đó δ : Chiều dày trung bình lớp mạ (μm)
γ : Trọng lượng riêng kim loại mạ (g/cm 2)
t : Thời gian mạ (h)
C : Đương lượng điện hóa kim loại mạ (g/Δh)

H : Hiệu suất dòng điện (%)
1.6.1. Các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm mạ
a. Độ bóng
Thể hiện tính thẩm mỹ của sản phẩm mạ,đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng
nhất để đánh giá chất lượng lớp mạ.Muốn có được lớp mạ có độ bóng cao thì phải giữ
mật độ dòng điện hợp lí khi mạ mỗi vật liệu nhằm tạo ra các tinh thể nhỏ mịn.
b. Độ bám
Cũng là một trong những tính chất quan trọng.Vì lớp mạ và nền khác bản chất nên lớp
mạ rất dễ bị bong ra do lực cơ học tác dụng,do biến dạng.Độ bám cực đại,có thể đạt tới
chính là độ bền liên kết hoàn chỉnh giữa kim loại mạ và nền.Độ bám sẽ giảm nếu giữa
kim loại mạ và nền hình thành lớp khuếch đại có độ dòn cao.Phương pháp ủ nhiệt có thể
làm tăng độ bám tuy nhiên cũng có thể làm giảm độ bám nếu sử dụng không hợp lí.
c. Độ dày lớp mạ
Để đảm bảo lớp mạ dày đều cần chọn thành phần dung dịch và chế độ thích hợp.Tuy
nhiên trong trường hợp cần mạ thật dày ta còn phải dung đến các biện pháp hỗ trợ khác
như:Catốt phụ,vật chắn điện,…và giữ thời gian mạ hợp lí.
Ngoài ra phải kể đến độ xốp : quyết định khả năng bảo vệ và phạm vi ứng dụng của
lớp mạ: lỗ to,lỗ nhỏ,rãnh….Để giảm độ xốp lớp mạ ngoài việc chuẩn bị tốt nền,chọn điều
kiện mạ thích hợp,tăng chiều dày lớp mạ chồng lên nhau làm cho các lỗ xốp lệch nhau.

1.7. Các yếu tố ảnh hưởng tới mạ một chiều
Để xét tới ảnh hưởng của các yếu tố điện đến quá trình mạ cũng như đến chất lượng sản
phẩm mạ trước hết ta xét đến tính chất tải của bể mạ:
Tải bể mạ thuộc loại tải R_E_C.Tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ,hằng số thời
gian nạp xả tụ rất nhỏ do đó có thể coi ảnh hưởng của tụ là nhỏ không đáng kể.Sức điện
động E của bể mạ nhỏ nên có thể bỏ qua.Từ đó có thể coi tải của bể mạ là thuần trở nên
muốn có dòng điện qua bể mạ có độ bằng phẳng cao thì điện áp nguồn cũng phải thật

9

Chương 1: Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

phẳng.Đây là một trong những yêu cầu của nguồn mạ.Trong quá trình mạ tải có biến
động là bởi vì: Trở kháng tải của nguồn mạ phụ thuộc vào các dung dịch trong bể mạ hay
phụ thuộc vào mật độ ion của bể mạ.
Trong quá trình mạ các ion kim loại được kết tủa trên bề mặt vật mạ,làm cho mật độ
ion thay đổi và dẫn đến trở kháng tải cũng thay đổi theo.Nếu trong trường hợp điện áp
giữ cố định thì dòng điện cũng thay đổi làm cho mật độ ion kết tủa trên vật sẽ không
đều.Chính vì vậy người ta thường bổ sung định kì hàm lượng kim loại mạ vào trong bể
mạ.
Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong quá trình mạ,với
mỗi vật cần mạ cần giữ dòng mạ ở một giá trị nhất định.
Cường độ dòng điện I tính toán xuất phát từ mật độ dòng điện và phụ tải y trong bể
mạ:
I = DC.y (A)
Trong đó Dc: Mật độ dòng catốt (A/dm2)
y : Phụ tải của bể mạ (dm 2)
Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ,mịn siết chặt và đồng đều,bởi
vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại các điểm lợi thế mà cả trên các mặt
phẳng (ít lợi thế) của tinh thể.Mặt khác khi mật độ dòng điện cao làm cho ion kim loại
mạ nghèo đi nhanh chóng trong lớp dung dịch sát catốt,do đó phân cực sẽ tăng lên tạo
điều kiện sinh ra lớp mạ có tinh thể mịn.
Nếu mật độ dòng quá cao (gần đến dòng giới hạn) cũng không được vì lúc đó lớp mạ sẽ
bị gai,cày hoặc cháy.Ngoài ra nếu dùng anôt tan thì nó sẽ bị thụ động hơn và dung dịch
sẽ nghèo dần ion kim loại mạ.
Ngược lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô,không
đều.Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho phép lớp mạ có chất lượng mạ tốt trong một
khoảng mật độ dòng điện nhất định.
Điện trở dung dịch được tính theo công thức :

R = l(100.x.y)
(Ω)
Trong đó : l : khoảng cách giữa các điện cực (cm)
x : độ dẫn điện riêng của dung dịch ( Ω-1 cm-1)
y : phụ tải của bể mạ (dm2)

10


Chương 2: Lựa chọn phương án

CHƯƠNG 2
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 :

2.1. 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 lên 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.

2.2. Máy phát điện một chiều
Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện mộtchiều khắc phục được các nhược điểm

của ắc quy. Máy phát điện một chiều trong thực tế có thể được 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 lên trong công nghiệp người ta
không dùng máy phát điện một chiều.

2.3. 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 dẫn ngày càng hoàn thiện, các thiết bị hoạt động với độ tin
cậy cao. Đặc biệt công nghệ sản xuất Thyristor đã đạt được nhiều thành tựu. Chính vì vậy
các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều ngày càng được sử dụng
nhiều trong các nghành 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. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện

11


Chương 2: Lựa chọn phương án

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. So với dùng
nguồn mạ là 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 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 trường hợp chỉnh lưu có điều khiển,

sau đó ta có thể xét trường hợp chỉnh lưu điốt 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
2.3.1.Phương án 1: Chỉnh lưu cầu một pha
a. Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha

Hình 2.1. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha

b. Nguyên lý hoạt động
- Khi L đủ lớn thì dòng điện id sẽ là dòng liên tục.
c. Phưương trình mạch tải
2U 2 sin θ .dθ = Rid + X
1
Π

Π +α

∫
α

2U 2 sin θ .dθ =

R
Π

d id
dθ

Π +α

∫i
α

d

dθ +

X
di d
Π I∫d

12


Chương 2: Lựa chọn phương án

Ud =

2 2U 2
cos α
Π

Dạng sóng cơ bản :

Hình 2.2. Giản đồ điện áp
d. Ưu nhược điểm của sơ đồ.
- Ưu điểm : Sơ đồ này phù hợp với mach có dòng điện nhỏ ổn định và điều chỉnh công
suất phía một chiều do có hai điôt nên giá thành rẻ điện áp ngược đặt lên mỗi van trong

sơ đồ nhỏ.
- Nhược điểm : Dòng tải vẫn còn nhấp nhô,không thích hợp với tải có dòng lớnTrong
quá trình thay đổi góc điều khiển α thì dòng và áp thay đổi nhưng không giữ tính đối
xứng nên quá trình tính toán phức tạp.Không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu
dùng gây ra hiện tượng công suất bị lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy
qua hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất điện áp 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.

2.3.2. Phương án 2 : Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
a.Sơ đồ nguyên lý :

13


Chương 2: Lựa chọn phương án

F
T1

T3

T5

u2a
R

u2b
u2c
T4

T6

L
T2

G

Hình 2.3.Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu ba pha
Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 thyristor, chia làm hai nhóm :
- nhóm catốt chung T1, T3, T5
- nhóm anốt chung T2, T4, T6
b.Nguyên lý hoạt động

. Hoạt động của sơ đồ :
Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua VF = Vc , VG = Vb
+ Khi θ = θ 2 =

Π
+ α cho xung điều khiển mở T1. Tiristor này mở vì U a > 0 . Sự mở
6

của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U a > U c . Lúc này T6 và T1 cho dòng
đi qua. Điện áp ra trên tải : U d = U ab = U a − U b
+ Khi θ = θ 2 =

3Π
+ α cho xung điều khiển mở T2. Tiristor này mởvì T6 dẫn dòng,
6

nó đặt U b lên catốt T2 mà U b > U c . Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự

nhiên vì U b > U c .
Các xung điều khiển lệch nhau

Π
đợc lần lợt đa đến các cực điều khiển của các
3

thyristỏ theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,…..Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó sẽ khoá
ngay thyritor trước nó, như trong bảng sau :

14


Chương 2: Lựa chọn phương án

Bảng 1.1. Góc điều chỉnh α

Thời điểm
θ1 = π/6 + α

Mở
T1
T2
T3
T4
T5
T6

θ2 = 3π/6 + α
θ3 = 5π/6 + α

θ4 = 7π/6 + α
θ5 = 9π/6 + α

. Dạng sóng cơ bản

θ6 = 11π/6 + α

ud

α
θ

0

id
0

Khoá
T5
T6
T1
T2
T3
T4

Id

i T1

θ

0

θ

0

θ

0

θ

0

θ

0

θ

0

θ

i T2
i T3
i T4
i T5
i T6

Hình 2.4. Giản đồ điện ápmạch chỉnh lưu cầu ba pha

15


Chương 2: Lựa chọn phương án

Đường bao phía trên biểu diễn điện thế điểm F
Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế điểm G
c.Công thức :
Điện áp các pha :
U a = 2U 2 sin θ
U b = 2U 2 sin(θ −

2Π
)
3

U c = 2U 2 sin(θ −

4Π
)
3

Điện áp trên mạch tải : U d = U F − U G là khoảng cách thẳng đứng giữa hai đường
bao
Ud =

6

2Π

5Π
+α
6

∫

Π
+α
6

2U 2 sin θ .dθ =

3 6U 2
cos α
Π

Giá trị điện áp ngợc lớn nhất trên mỗi van : U ng max = 6U 2 = 2,45U 2
I T ==

Dòng điện trung bình chạy qua van

Id
3

d.Ưu nhược điểm của sơ đồ :
+ Ưu điểm :
- số xung áp chỉnh lưu trong 1 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 dung số van lớn, giá thành thiết bị cao
- Sơ đồ này chỉ dung cho tải 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.

16


Chương 2: Lựa chọn phương án

2.3.3.Phương án 3 : Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng
a.Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.5.Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu tia 6 pha co cuộn kháng cân bằng
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 C cb , 6 thyristor chia làm hai
nhóm T1,T3,T5 và T2,T4,T6 .
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’; bvà 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.
b.Nguyên lý hoạt động
Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng thực chất là hai mạch chỉnh lưu ba pha hình
tia đấu song song với nhau,nhờ có cuộn kháng mà chúng hoạt động độc lập không bị ảnh
hưởng lẫn nhau.
c.Công thức
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

17


Chương 2: Lựa chọn phương án

Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng có thể coi dòng tải là phẳng hoàn toàn. Như vậy
trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp :
I2 =

Id
2 3

= 0,29 I d

Dòng trung bình qua van : I v =

Id
6

• Dạng sóng cơ bản :

hình 2.6. Giản đồ điện áp

Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng
d.Ưu nhược điểm của sơ đồ :
- ưu điểm :
Do chỉnh lưu 6 pha nên dòng qua van nhỏ,tiện lợi cho việc bảo vệ van hầu như không có
sóng hài vì Ud gồm 6 chỏm hình sin,dễ điều khiển. Phạm vi điều khiển α từ 300 trở
đi(phạm vi rộng chất lượng Ud tốt). Chịu được id lớn và Ud nhỏ
+ 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.
- Nhược điểm :
+ Số van sử dụng lớn giá thành cao
+ Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều.

18


Chương 2: Lựa chọn phương án

2.4. Kết Luận
Qua phân tíchvà đánh giá đầy đủ cả ba phương án ta thấy dòng điện mạ lớn, dòng qua
van nhỏ trung bình bằng 1/6 dòng qua tải,đẻ đảm bảo yêu cầu đề bài ta chọn bộ biến đổi
dùng làm nguồn mạ là chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng.

2.5.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.
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

2.5.1.Điều chỉnh sơ cấp :
a.Sơ đồ :

Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý
Sơ đồ gồm :
- 6 thyristor
- 6 điốt không điều khiển
hình dáng và giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải ở trên mỗi pha phụ thuộc vào góc mở α
tại mỗi thời điểm ở sơ cấp luôn có 2 Tiristor dẫn dòng.
b.Nhận xét:

19


Chương 2: Lựa chọn phương án

+. ưu điểm : do dòng bên sơ cấp nhỏ nên việc chọn các van thuận lợi
+.nhược điểm: điều khiển sơ cấp là điều khiển gián tiếp vì lúc đó dòng phải qua cảm ứng
từ sang thứ cấp rồi mới cấp cho tải.Do đó U ra của tải sẽ bị hụt đi nên độ chính xác không
cao.
Dùng 6 điốt ở thứ cấp nên lãng phí
2.5.2.Điều chỉnh thứ cấp :
a.Sơ đồ :

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý
• Khi muốn điều chỉnh dòng tải chỉ cần tác động xung điều khiển vào các thyristor 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 = 90 0
b.Nhận xét :
+. ưu điểm: là quá trình điều khiển trực tiếp điện áp ra có độ chính xác cao đẩm bảo yêu

cầu bài toán
+. nhược điểm:dòng ở thứ cấp lớn nên chọn van khó .
2.5.3.Kết luận :
Qua phân tích 2 phương pháp điều khiển ta thấy để đảm bảo yêu cầu đề bài ta chọn
phương án điều chỉnh 6 pha cuộn kháng cân bằng điều chỉnh thứ cấp.

20


Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực

CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC.
3.1.Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ một chiều như sau :

Hình 3.1. Sơ đồ mạch lực

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

3.2.Tính toán máy biến áp lực
Từ sơ đồ mạch lực với các thông số ta tính toán máy biến áp lực :
3.2.1.Các thông số cơ bản của MBA
Id=1500A
Udmax=12V
Công suất một chiều trên tải : Pd = U do .I d

21


Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực
Với U do = U d + ∑ ∆U d

∑ ∆U

d

= ∆U ba + ∆U ck + ∆U van

Máy bién áp có công suất vàI chục kVA thuộc loại máy biến áp nhỏ nên :
∆U dba = 4%U d
∆U ck = 1,5%U d
∆U vaa = 2V

Điện áp rơi trên mỗi van là 1 V

∑ ∆U

Vậy :

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

d

Suy ra : U do = U d + ∑ ∆U d = 12 + 2,66 = 14,66(V ) Chọn U do = 15(V )
3.2.2.Các công thức máy biến áp.
Công suất hiệu dụng của máy biến áp :

S = 1,26.Pd = 1,26U do I d = 1,26.15.1500 = 28,1( KVA)

Vậy chọn máy biến áp có công suất 28 (KVA).
Từ công thức chỉnh lu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có :
3 6U 2
. cos α , chọn α = 40 0
2Π

U do =

suy ra

U2 =

2Π.U do
3. 6 . cos α

=

2Π.15
3. 6 cos 40

= 15,8(V )

Chọn U 2 = 16(V )
* Tỷ số máy biến áp k =

U 1 380
=
= 23,75

U 2 16

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

Id
2 3

= 0,29 I d = 0,29.1500 = 435( A)

* Giá trị hiệu dụng dòng chảy trong cuộn sơ cấp :
I1 =

0,4 I d 0,4.1500
=
= 25( A)
k
23,75

3.2.3.Tính toán chủ yếu các kích thước của máy biến áp lực.
a.Tính toán mạch từ :
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ đợc tính theo công thức :
Q = k.

S
C. f

[cm2]

22

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch lực

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 Q = 6.

28000
= 80,5(cm2)
3.50

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

Hình 3.2. Sơ đồ trụ hình chữ nhật

Để đảm bảo mỹ thuật ta chọn a/b =1,25
Q = a.b
a / b = 1,25

vậy từ 

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)
b. Tính toán dây cuốn :
Số vòng vôn : 4,44.f.B.Q. 10 −4 =4,4.50.1.80. 10 −4 =1,5 (vôn/vòng)
Trong đó : f là tần số dòng điện
Q là tiết diện trụ

23