Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất cho nguồn mạ điện một chiều

Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

ĐỀ TÀI
Thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất cho nguồn mạ điện một chiều
Có các thông số:
- Điện áp vào: 3 pha x 380V, f = 50Hz
- Điện áp ra: 12 - 24V
- Dòng tải max: Imax = 1800A
- Yêu cầu có khâu bảo vệ ngắn mạch.

1


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

2


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

MỤC LỤC

3


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

CHƯƠNG I : TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ
1.1.

Tìm hiểu công nghệ mạ

Mạ điện được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn,
phục hồi kích thước, làm đồ tranh sức, chống ăn mòn, tăng độ cứng, dẫn điện, dẫn nhiệt,
phàn quang, dễ hàn… Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn
là chất dẻo gốm sứ hoặc composite. Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó
còn có thể là composite 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 hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ, sẵn có còn vật
liệu mạ đắt, quí hiếm hơn nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài.
Như 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 được nhu cầu mong muốn.
1.2.

Điều kiện tạo thành lớp mạ

Mạ điện là quá trình điện phân. Quá trình điện phân xảy ra trên hai cực như sau:
-

Trên anode xảy ra quá trình hoà tan kim loại:
M - ne → Mn+

-

(1)

Trên cathode cation nhận điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ:

Mn+ + 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 Mn+ trong dung dịch sẽ luôn không đổi, điều này có ảnh hưởng
lớn đến chất lượng lớp mạ. Trong một số trường hợp người ta dùng điện cực trơ khi đó
dung dịch sẽ đóng vai trò chất nhường điện từ, vì vậy phải liên tục bổ sung vào dung dịch
dưới dạng muối. Lúc đó phản ứng chính trên anode chỉ là quá trình giải phóng khí O2.
a) Điện cực Anode
Trong mạ điện thường dùng điện cực anode tan bằng kim loại làm lớp mạ. Trong quá
trình anode 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 anode lúc này là:
M - ne → Mn+
Trong trường hợp dùng anode trơ nhơ:
Platin, carbon… thì quá trình chính trên anode là :
4OH− - 4e → 2H2O + O2 (môi trường kiềm)
4


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

2H2O - 4e → 4H+ + O2
Để giữ cho nồng độ các ion kim loại không đổi thì phải bổ sung thêm cho nó chất
thích hợp.
b) Điện cực Cathode
Điện cực cathode là vật cần mạ được nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trên
cathode xảy ra quá trình:

Mn+ + ne → M
Thực ra quá trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp:
- Cation hydrat hoá Mn+. mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt cathode.
- Cathode mất vỏ hydrat hoá (mH2O) vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt cathode.
- Điện tử (e) từ cathode điền vào van 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 trước 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 lượng mạ. Dung dịch mạ thường 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 được lớp
mạ có chất lượng và tính chất mong muốn.
Dung dịch muối đơn: Còn gọi là dung dịch Acid, thành phần chính là các muối của
các Acid vô cơ hoà tan nhiều trong nước phân ly hoàn toàn thành các ion tự do. Dung
dịch đơn thường 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 thường dùng trong trường 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 thường được dùng với liều lượng tương đối lớn (vài gram/l) 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.
Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng (vĩ mô).

5

Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

Nguyên nhân là chúng hấp thụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở
đó xuống. Vậy là các phụ gia này đã ưu tiên hấp phụ lên các điểm lệch là chỗ có năng
lượng 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 ướt: Trong cathode thường có phản ứng phụ sinh khí Hydro. Chất này thì
đẩy bọt khí mau tách khỏi bể mạ, làm cho quá trình mạ nhanh hơn.
Tạp chất: Là những chất không mong muốn nhưng khó tránh khỏi. Chúng cứ thế
phóng điện hoặc hấp thụ cathode và lẫn vào lớp mạ gây nhiều tác hại như: bong, dộp,
dũn, gai…
e) Nguồn điện một chiều
Có thể là các nguồn khác nhau như: pin (battery), ắc quy, máy phát điện một chiều
(DC Power Supply), có thể dùng nguồn điện hoá học… để cung cấp dòng điện một chiều
cho bể mạ, bể điện phân…
Các nguồn điện trên có công suất nhỏ, khó tạo ra. Do đó chỉnh lưu được sử dụng rộng
rãi trong các xưởng mạ bởi vì nó đạt công suất lớn dễ sản suất…
Quá trình mạ điện có thể được miêu tả trong sơ đồ như sau:

Hình 1.1 – Sơ đồ nguyên lý mạ điện

6


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

1.3. Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ
Quy trình công nghệ mạ bao gồm rất nhiều bước nhưng có thể chia thành ba giai đoạn
sau:
a) Giai đoạn chuẩn bị
Xét đến bản chất vật liệu hàng mạ (nền), mức độ nhiễm bẩn và độ nhẵn bề mặt của
chúng. Độ hấp thụ H của bề mặt mạ bảo vệ khụng được vượt quỏ 40µm, mạ trang sức
bảo vệ H < 2,5µm, mạ tăng độ cứng và mạ cách điện H < 1,25µm. Chọn dung dịch mạ
căn cứ vào đặc tính vật cần mạ.
b) Giai đoạn mạ
Được tiến hành trong thời gian đã xác định trước. 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. Thường là các bước trung
hoà, tẩy sáng, lấp đầy lỗ…
Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể dựa váo định luật Faraday:
m=S.D0.t.H.C
Trong đó:

(1.1)

S : diện tích mạ (dm2);
D0 : mật độ dòng điện catôt (A/dm2);
t : thời gian mạ (h);
H : hiệu suất dòng điện;
C : đương lượng điện hoá của kim loại mạ (g/∆h);

1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ
Chất lượng mạ một chiều được qui định bởi các yếu tố sau: độ bóng lớp mạ, độ dày
lớp mạ, độ bám chặt... Chế độ dòng điện cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạ.

Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm: cần độ bền cơ học cao hay thấp, tránh bị oxi hoá mà
độ dày lớp mạ có thể dày hay mỏng. Để đạt 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 oxi hoá có thể dẫn đến hỏng, vật mạ xấu… không đáp ứng được yêu cầu của
mạ.

7


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

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:
- 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 được độ gắn bám cao nhất.
- Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ. Nếu bề
mặt nền nhám, xước 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 hưởng đến chất lượng mạ.
Ngoài ra còn phụ thuộc vào thành phần dung dịch mạ.
Ảnh hưởng của các yếu tố điện: Mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực
điện cực. Lúc đang mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng đến

chất lượng 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 được phủ đều lên bề mặt thì dòng điện phải giữ không đổi. Cường độ
dòng điện I tính toán xuất phát từ mật độ dòng điện D0 và phụ tải y trong bể:
I = D0 . y (A)
Trong đó:

(1.2)

D0 : mật độ dòng cathode;
y : phụ tải của bể mạ.

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, siết chặt và đồng đều,
bởi vì lúc đầu mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại các điểm lồi (điểm có lợi thế)
mà cả trên các mặt phẳng (ít lợi thế) của tinh thể.
Nếu mật độ dòng điện quá cao (gần đến vùng giới hạn) cũng không được vì lúc đúng
lớp mạ sẽ bị gãy, cong hoặc chảy. Ngoài ra nếu dựng anode tan thì nó dễ bị thụ động hơn
và dung dịch sẽ ngả 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 lớp mạ có
chất lượng mạ cao trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định.
Trong quá trình mạ thì điện trở của bể mạ là luôn thay đổi do có các ion kim loại bám
vào vật mạ nên nồng độ dung dịch thay đổi.
Công thức tính điện trở dung dịch như sau :

8


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

R = l.(100. .χ.y) (Ω)
Trong đó :

(1.3)

l : khoảng cách giữa các điện cực (cm) ;
χ : độ dẫn điện riêng của dung dịch (Ω-1.cm-1) ;
y : phụ tải của bể mạ (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.

9


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

Chương II :
GIỚI THIỆU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐTCS KHẢ THI
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU
2.1. Giới thiệu các bộ biến đổi điện tử công suất khả thi
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...
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 đối dòng điện xoay chiều thành dòng 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 dùng rộng rãi nhất. Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thế 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 hóa, dễ điều khiển và ổn định dòng.
- Chi phí đầu tư cho bộ biến đối 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.
Việc biến đổi điện áp xoay chiều từ lưới hoặc từ máy biến áp về điện áp một chiều
yêu cầu sử dụng bộ chỉnh lưu. Với mạch chỉnh lưu có rất nhiều loại, được phân loại như
sau :
- Theo số pha : chỉnh lưu một pha, hai pha (hai nửa chu kỳ) ba pha, sáu pha, …
- Theo đặc tính điều khiển: có điều khiển, bán điều khiển và không điều khiển.
Giới hạn trong nhiệm vụ của đồ án là thiết kế bộ biến đổi điện tử công suất cho nguồn
mạ điện một chiều, yêu cầu điện áp thấp và dòng khá lớn. Vì vậy, chúng ta phải sử dụng
mạch chỉnh lưu làm bộ biến đổi. Ta xét hai phương án khả thi sau:
• Chỉnh lưu ba pha hình cầu.
• Chỉnh lưu hình tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng.

10


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

2.2. Lựa chọn phương án tối ưu
2.2.1. Phương án 1 – Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

a) Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1 – Sơ đồ nguyên lý mạch lực của chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

Sơ đồ cầu ba pha đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược
chiều nhau, gồm 6 Thyristor, chia làm 2 nhóm:
- Nhóm van đánh số lẻ, đấu chung cathode : T1, T3, T5. Tạo thành một chỉnh lưu tia ba
pha cho điện áp dương.
- Nhóm van đánh số chẵn, đấu chung anode : T2, T4, T6. Tạo thành một chỉnh lưu tia
ba pha cho điện áp âm.
Điện áp các pha nguồn :
ua = 2U 2 .sin θ

(2.1)

2π 

ub = 2U 2 .sin  θ −
÷
3 


(2.2)

4π 

uc = 2U 2 .sin  θ − ÷
3 


(2.3)
11


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

b) Nguyên lý hoạt động
• Để điều khiển van, cần tuân thủ các quy luật sau :
- Với Thyristor của nhóm đấu chung cathode, điểm mốc để tính góc điều khiển là
điểm giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp dương.
- Với Thyristor của nhóm đấu chung anode, điểm mốc để tính góc điều khiển là điểm
giao nhau của các điện áp pha nguồn khi chúng ở nửa chu kỳ điện áp âm.
- Xung điều khiển được phát lần lượt theo đúng thứ tự đánh số từ T 1 đến T6 cách nhau
π/3 độ điện, còn trong mỗi nhóm thì xung phát cách nhau 2π/3.
- Để thông mạch tải cần hai van cùng dẫn, trong đó mỗi nhóm phải có một van tham
gia, do đó hai van có thứ tự gần nhau phải được phát xung cùng lúc. Vì vậy dạng
xung là xung kép. Xung thứ nhất được xác định theo góc điều khiển cần có, xung
thứ hai là đảm bảo điều kiện thông mạch, thực tế là xung của van khác gửi đến.
• Nguyên lý hoạt động chi tiết như sau :
θ1 =

π
+α
6

- Ở thời điểm
: Phát xung mở cho thyristor T1 vì Ua > 0, khi đó T5 bị khóa
lại một cách tự nhiên vì Ua > Uc. Lúc này, T6 cũng cần được phát xung mở để cho

dòng đi qua. Điện áp ra trên tải là :
θ2 =

U d = U ab = U a − U b

π
+α
2

- Ở thời điểm
: Phát xung mở cho thyristor T2, T2 mở do T6 dẫn dòng. Khi
T2 mở làm cho T6 khóa lại một cách tự nhiên (Ub > Uc).
π
3

- Các xung điều khiển lệch nhau
được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của
Thyristor theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6,… Trong mỗi nhóm, khi một thyristor mở
thì nó sẽ khóa thyristor ngay trước nó, các thời điểm mở - khóa được thể hiện trong
bảng sau :
Bảng 2.1 : Thời điểm mở - khóa Thyristor
Thời điểm

Mở

Khóa

θ1 =

π

+α
6

T1

T5

θ2 =

3π
+α
6

T2

T6

θ3 =

5π
+α
6

T3

T1

12

Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

θ4 =

7π
+α
6

T4

T2

θ5 =

9π
+α
6

T5

T3

θ6 =

11π
+α
6

T6

T4

Hình 2.2 – Đồ thị làm việc của chỉnh lưu cầu ba pha
• Quy luật điều chỉnh :
• Điện áp ra tải
Ud =

3 6.U 2
.cosα = 2, 34.cosα
π

• Dòng điện ra tải
13

(2.4)


Đồ án Điện tử công suất

Id =

SV: Ngô Thị Thu Hiền
Ud
R

(2.5)

• Dòng điện trung bình chạy qua van

I tb.v =

Id
3

(2.6)

• Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van
U ng .max = 6.U 2 = 2, 45.U 2

(2.7)

c) Ưu – nhược điểm của sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha
• Ưu điểm
- Cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha.
- Độ đập mạch rất nhỏ (5,7%).
- Công suất máy biến áp chỉ xấp xỉ công suất tải, đồng thời gây méo lưới điện ít hơn
các loại trên.
• Nhược điểm
- Sụt áp trên van gấp đôi sơ đồ hình tia vì luôn có hai van dẫn để đưa dòng ra tải, nên
sẽ không phù hợp với cấp điện áp ra tải dưới 10V.
Tuy nhiên, do có nhưng ưu điểm ở trên chỉnh lưu cầu 3 pha vẫn được ứng dụng rộng
rãi với dải công suất rất rộng, từ nhỏ đến hàng nghìn kW.

2.2.2. Phương án 2 – Chỉnh lưu hình tia sáu pha có cuộn kháng cân bằng
a) Sơ đồ nguyên lý

14

Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

Hình 2.3 – Sơ đồ nguyên lý mạch lực của chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng

Sơ đồ của mạch chỉnh lưu này gồm :
- Máy biến áp có hai bộ cuộn thứ cấp tạo thành hệ thống nguồn đối xứng 6 pha : a, b,
c và a’, b’, c’.
- Hai nhóm van đấu theo sơ đồ hình tia ba pha và làm việc độc lập nhờ điện cảm cân
bằng Lcb. Để phân bố dòng điện đều giữa hai nhóm van CL1 và CL2, ta sử dụng các
cuộn kháng được gọi là "cuộn kháng cân bằng".
Theo sơ đồ nguyên lý mạch lực ta có :
ud 1 = ud + u1

(2.8)

u d 2 = u d − u2

(2.9)

Trong đó ud1, ud2 là điện áp của hai mạch chỉnh lưu ba pha hình tia ; u1 và u2 là sụt áp trên
mỗi nửa cuộn kháng san bằng, do đó u1 = u2.
Cộng hai biểu thức (2.8) và (2.9) ta có :
ud 1 + ud 2 = 2ud → ud =

ud 1 + u d 2
2

b) Nguyên lý hoạt động

15

(2.10)


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

• Với α = 0
Điện áp chỉnh lưu có số đập mạch gấp đôi sơ đồ hình tia, tức m đm = 6. Tuy nhiên giá
trị trung bình ud vẫn chỉ bằng điện áp chỉnh lưu tia ba pha, do gồm hai mạch tia 3 pha đấu
song song :
Ud0 =

3 6
.U 2 = 1,17.U 2
2π

(2.11)
Ud 0 =

(nếu là chỉnh lưu hình tia 6 pha thì

3 6
.U 2 = 1,35.U 2
π

).

Mỗi mạch chỉnh lưu chịu một nửa dòng tải I d nên mỗi van chịu một dòng trung bình
là :
I tb.v =

Id / 2 Id
=
3
6

(2.12)

Công suất biến áp nguồn :
Sba = 1, 26.Pd

(2.13)

Để duy trì cuộn kháng cân bằng Lcb, yêu cầu trị số các dòng Id1 và Id2 phải đủ lớn để
cấp dòng từ hóa cho cuộn kháng hoạt động. Nếu trị số các dòng quá nhỏ sẽ làm mất tác
dụng cách ly của Lcb, làm cho mạch chỉnh lưu trở thành hình tia 6 pha, không còn là hai
mạch chỉnh lưu 3 pha mắc song song nữa. Như vậy làm mất đi ưu điểm vốn có của cuộn
kháng
• Với α ≠ 0
Điện áp chỉnh lưu :
Ud0 =

3. X a .I d
3 6
.U 2 .cosα −
2π
4π

(2.14)

Góc trùng dẫn γ
cos α − cos(α + γ ) =

X a .I d
18.U 2

16

(2.15)


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

Hình 2.4 – Đồ thị điện áp của chỉnh lưu 6 pha cuộn kháng cân bằng
c) Ưu – nhược điểm
• Ưu điểm :
- Độ bằng phẳng điện áp ra tốt hơn hẳn của chỉnh lưu tia ba pha, do hệ số đập mạch
là mđm = 6.
- Dòng qua van bé, chỉ là 1/6 của dòng tải,
- Chỉ có một van dẫn dòng ra tải nên sụt áp trên van thấp hơn sơ đồ cầu.
• Nhược điểm:
- Chỉ dùng cho điện áp ra thấp và dòng tải lớn.
- Đòi hỏi phải có thêm cuộn kháng cân bằng và buộc phải dùng biến áp.

17

Đồ án Điện tử công suất
-

SV: Ngô Thị Thu Hiền

Phạm vi điều chỉnh điện áp ra không được phép bằng 0, vì lúc đó cuộn kháng cân
bằng mất tác dụng cách lý hai mạch chỉnh lưu, trở thành chế độ chỉnh lưu hình tia
sáu pha bình thường, làm mất các ưu điểm ở trên.

Tuy nhiên, do yêu cầu của đề tài là dòng điện mạ khá lớn (>1000A), điện áp tải
thấp, nên phương án sử dụng mạch chỉnh lưu hình tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng
thích hợp để thiết kế nguồn mạ điện một chiều.

18


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

CHƯƠNG III:
THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC
Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng có 2 cách điều chỉnh: điều chỉnh sơ cấp và
điều chỉnh thứ cấp. Tuy nhiên điều chỉnh sơ cấp có nhược điểm là điện áp ra tải thấp, tốn
kém khi chọn van do sử dụng cả van thyristor và diode.
Theo yêu cầu của đề tài là thiết kế bộ nguồn mạ điện một chiều, ta sử dụng điều chỉnh
thứ cấp, với biến áp ba pha.

3.1.

Tính chọn van và bảo vệ van

3.1.1. Điện áp ngược của van
U lv = k ng .v .U 2 = k ng .v

Ud
kU

(3.1)

Trong đó: Ulv : điện áp làm việc của van;
U2 : điện áp nguồn xoay chiều;
kU : hệ số điện áp tải;
kng.v : hệ số điện áp ngược;
Các thông số là: U2 = 380V ; kng.v = 2,45 ; kU = 1,17.
Điện áp làm việc của van là
U lv = 2, 45.

24
= 50, 26
1,17

(V)

Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý, thì điện áp ngược của van cần chọn phải lớn
hơn điện áp làm việc được tính theo công thức
U ng .max = kdtU .U lv

(3.2)

kdtU : hệ số dự trữ điện áp, với chỉnh lưu 6 pha ta chọn kdtU = 1,6
Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu là

19


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

U ng .max = 1, 6.50, 26 = 80, 4

(V)

3.1.2. Tính dòng điện van
Dòng điện trung bình qua van:
I tb.v =

I d 1800
=
= 300
6
6

(A)

(3.3)

Dòng điện hiệu dụng qua van:
I hd .v =

Id
6

=

1800
6

= 734,8

(A)

(3.4)

Dòng điện định mức của van là:
I đm . v =

k dtI .I tb.v 1,5.266, 67
=
= 1000
40%
40%

(A)

(3.5)

Từ các thông số trên ta lựa chọn van loại: TF915-01Z (theo phụ lục trang 211 – Tính
toán thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh), các thông số định mức như sau:
(1) Điện áp ngược cực đại: Ung.max = 100 (V)
(2) Dòng điện làm việc cực đại (dòng định mức): Iđm = 1500 (A)
(3) Dòng điện đỉnh cực đại: Ipik = 17000 (A)
(4) Dòng điện xung điều khiển: IG = 0,2 (A)
(5) Điện áp xung điều khiển: UG = 3 (V)
(6) Dòng điện tự giữ: Ih = 100 (mA)
(7) Dòng điện rò: Ir = 60 (mA)
(8) Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức: ∆Uv = 1,7 (V)
(9) Đạo hàm điện áp: dU/dt = 300 (V/s)
(10) Thời gian chuyển mạch: tcm = 30 (µs)
(11) Nhiệt độ làm việc cực đại: Tmax = 125

3.2.

Tính toán máy biến áp lực

3.2.1. Tính toán các thông số cơ bản
• Công suất biểu kiến của máy biến áp
Sba = k S .Pd = k S .U d .I d

(3.6)
20


Đồ án Điện tử công suất
Trong đó :

SV: Ngô Thị Thu Hiền

kS : hệ số công suất theo sơ đồ mạch lực;
Pd : công suất cực đại của tải;

Với các thông số : kS = 1,26.
Công suất biến áp nguồn là
Sba = 1, 26.24.1800 = 54432

(VA)

• Phương trình cân bằng điện áp khi có tải
U d 0 .cos α min = U d + ∆U v + ∆U ba + ∆U dn

(3.7)

Trong đó : αmin : góc dự trữ khi có sự suy giảm điện áp lưới ;
Ud : điện áp ra tải ;
∆Uv : sụt áp trên các van Thyristor ;
∆Uba : sụt áp bên trong biến áp khi có tải ;
∆Udn : sụt áp trên dây nối ;
Với các thông số : cosαmin ≈ 0,98 ; Ud = 24V ; ∆Uv = 1,6V ;
∆Uba = 5%.Ud = 5%. 24 = 1,2V ; ∆Udn ≈ 0
Điện áp chỉnh lưu không tải là
Ud 0 =

U d + ∆U v + ∆U ba + ∆U dn 24 + 1, 6 + 1, 2 + 0
=
= 27,35
cos α min
0,98

(V)

• Công suất máy biến áp khi không tải
Pd 0 = U d 0 .I d = 27,35.1800 = 49224,5

(W)

(3.8)

• Công suất biểu kiến của máy biến áp khi không tải
Sba = kS .Pd 0 = 1, 26.49224,5 = 62022,9

(VA)

• Điện áp sơ cấp máy biến áp: Theo đề bài cho: U1 = 380 (V).
• Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

21

(3.9)


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

U2 =

U d 0 27, 35

=
= 23,38
kU
1,17

(V)

(3.10)

• Tỉ số máy biến áp
kba =

U1
380
=
= 16, 25
U 2 23, 38

(3.11)

• Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp
I 2 = k2 .I d

(3.12)

Trong đó : k2 - hệ số dòng điện thứ cấp biến áp ; k2 = 0,29 ;
Ta có giá trị dòng điện hiệu dụng biến áp là
I 2 = 0, 29.1800 = 522

(A)

• Dòng điện hiệu dụng sơ cấp của máy biến áp
I1 =

k1 ..I d
kba

(3.13)

Trong đó : k1 : hệ số dòng điện sơ cấp biến áp ;
kba : tỉ số máy biến áp ;
Với các thông số : k1 = 0,71 ; kba = 16,25;
Ta có giá trị hiệu dụng sơ cấp máy biến áp là
I1 =

0, 71.1800
= 76, 68
16, 25

(A)

3.2.2. Tính toán mạch từ
• Tiết diện sơ bộ trụ
Tiết diện trụ QFe của lõi thép :
QFe = kQ .

Sba
m. f

(3.14)

22


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

Trong đó : Sba : công suất biến áp ;
kQ : hệ số phụ thuộc phương thức làm mát ;
kQ = 5 ÷ 6 nếu là biến áp khô ;
kQ = 4 ÷ 5 nếu là biến áp dầu ;
m : số pha của máy biến áp ;
f : tần số nguồn điện xoay chiều ;
Với các thông số :
Sba = 62022,9VA ; kQ = 6 ; m=3 ; f=50Hz ( theo tần số điện công nghiệp)
Tiết diện trụ của lõi thép là
QFe = 6.

62022,9
= 122, 01
3.50

(cm2)

Do Sba > 10kVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật, có nhiều bậc. Chọn máy biến áp lõi
thép hình chữ E. Với chiều rộng trụ là a (cm) và chiều dày trụ là b (cm)
Ta có :
QFe = a.b = 122, 01

Chọn tỉ lệ

b
a

(cm2)

= (0,5 ÷ 1,5) là tối ưu hơn cả.

Ta chọn a = 12 (cm)
b=

→

QFe 122, 01
=
= 10,17
a
12

(cm) . Ta chọn b = 10 (cm)

• Đường kính trụ
d Fe =

4.QFe
=
π

4.122, 01
= 12, 46

π

Chuẩn hóa đường kính theo tiêu chuẩn : dFe = 12cm.

3.2.3. Tính toán dây quấn
23

(cm)

(3.15)


Đồ án Điện tử công suất

SV: Ngô Thị Thu Hiền

• Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA
U1 .104
W1 =
4, 44. f .QFe .BT

(3.16)

Trong đó :W1 : số vòng dây của cuộn dây sơ cấp ;
U1 : điện áp của cuộn sơ cấp ;
BT : từ cảm ;
QFe : tiết diện lõi thép ;
Với các thông số : U1 = 380V ; f = 50Hz ; QFe = 122,01cm2 ; BT = 1T.
Ta có số vòng dây mỗi pha sơ cấp là
380.104

W1 =
= 140,3
4, 44.50.122, 01.1

(vòng)

Lấy tròn W1 = 141 vòng
• Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA
W2 =

W1
141
=
= 8, 6
kba 16, 25

(vòng)

(3.17)

Lấy tròn W2 = 9 vòng
• Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA
Chọn J1 = J2 = 2,75 A/mm2

(3.18)

• Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA
S1 =

I1 76, 68

=
= 27,88
J1
2, 75

(mm2)

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B.
Tiết diện theo tiêu chuẩn là S1 = 27,9 mm2.
Kích thước dây dẫn kể cả cách điện là: S1cđ = a1.b1 = 3,1mm x 9,35mm.
• Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

24

(3.19)


Đồ án Điện tử công suất

J1 =

SV: Ngô Thị Thu Hiền
I1 76, 68
=
= 2, 75
S1 27,88

(3.20)

• Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp

S2 =

I2
522
=
= 189,82
J 2 2, 75

(mm2)

(3.21)

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B.
Do không có dây dẫn kích thước tiêu chuẩn như S 2 nên ta chập 2 sợi dây có kích
thước tiêu chuẩn là 98,1 mm2.
Tiết diện theo tiêu chuẩn là S2 = 196,2 mm2.
Kích thước dây dẫn kể cả cách điện là: S2cđ = a2.b2 = 5,55 mm x 18,05mm.
* Chú thích: Bảng p.5. THÔNG SỐ CỦA DÂY ĐỒNG TIÊU CHUẨN ( Sách “Tính toán
thiết kế thiết bị điện tử công suất” – Trần Văn Thịnh - Trang 233).
• Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp
J2 =

I2
522
=
= 2, 66
S2 196, 2

(mm2)

(3.22)

3.2.4. Tính toán kích thước mạch từ
• Chọn hình dáng của trụ
Máy biến áp công suất lớn nên ta chọn trụ hình chữ nhật có nhiều bậc, với kích thước
QFe = a.b. Trong đó:
a- Bề rộng của trụ
b- Bề dày của trụ
Chọn lá thép có độ dày 0,5 mm
-

Diện tích cửa sổ cuộn sơ cấp
Qcs1 = klđ .W1.S1

(3.23)

Trong đó: klđ : hệ số lấp đầy;
W1 : số vòng dây sơ cấp;

25