Đồ án: Thiết kế nguồn mạ một chiều

Đồ án
Đề Tài:

Thiết kế nguồn mạ
một chiều


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

Đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều có các tham số
sau
Phương án 3
+ Điện áp ra :24 V
+ Dòng tải I max : 6000 (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.

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-1-


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

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.
Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác
dụn trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụmh cụ máy móc và đồ trang
sức..
Ngày nay không riêng gì ở 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
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 lượng mạ và hạ giá thành sản
phẩm, chống ô nhiễm môi trường.
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. Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế.
Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các rhầy cô giáo trong
bộ môn và đặc biệt là thầy Đỗ Trọng Tín đã giúp em hoàn thành đồ án này.

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-2-


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

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 2004

Sinh viên : Cao Chiến
Thắng

MỤC LỤC

CHƯƠNG I :

Giới thiệu chung về công nghệ mạ

điện
CHƯƠNG II :
Chương III :
CHƯƠNG IV:

Lựa chọn phương án
Tính Chọn Mạch Lực

Thiết kế mạch điều khiển

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-3-


Cao Chiến Thắng
chiều

CHƯƠNG I :

Thiết kế nguồn mạ một

Giới thiệu chung về công nghệ mạ

điện
Từ nhiều năm nay công nghệ mạ điện đã ra đời và phát triển mạnh mẽ. ngày nay
hầu hết các nước trên thế giới công nghệ mạ điện đã phát triển một cách vượt bậc
có ứng dụng rộng rãi trong thực tế ,đời sống phục vụ đắc lực cho các nghành
khoa học kỹ thuật như mạ trên các vật liệu các chi tiết máy, các ứng dụng đời
thường,các vật trang trí …
Cho đến nay kỹ thuật mạ dã có những bước tiến nhảy vọt và thoả mãn được các
yêu cầu kỹ thuật như tạo lớp mạ dày, có cấu trúc tốt độ cứng cao chịu ma sát
tốt,chịu áp lực ngay ỏ nhiệt độ cao như pít tông ,xi lanh…
Mặc dù mạ đã có những bước phát triển đáng kể xong trên thé giới các nhà khoa
học đã và đang không ngừng nghiên cứu tìm tòi và ság tạo ra các phương pháp
mạ tốt nhất .họ tập trung tìm tòi các chất phụ gia mới ,phương pháp điện phân
mới de tạo ra các lớp mạ tốt có cấu trúc tinh thể mịn, dẻo,đọ cứng cao không
bong xứơc ở điều kiện thay đổi nhiệt dộ va chạm mạnh..
Đối với đất nước chúng ta do điều kiện phát triển trình độ mạ còn thấp do vậy

để đáp ứng nhu cầu thực tế chúng ta phải không ngừng nâng cao trình độ và có
nhữmg bước đi vững chắc cần hình thành các trung tâm nghiên cứu kỹ thuật mạ
để tạo ra được lớp mạ có chất lượng cao và giá thành rẻ.

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-4-


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

I.
MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG LỚP MẠ ĐIỆN
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…
9 lớp mạ chống ma sát ,mài mòn
9 lớp mạ làm thay đổi kích thước chi tiết máy
9 lớp mạ làm tăng độ dẫn điện
9 lớp mạ cho độ bám cao không bong tróc..

II,PHÂN LOẠI LỚP MẠ
Gồm 4 loại :
¾ Lớp mạ bảo vệ
¾ Lớp mạ trang trí
¾ Lớp mạ trang trí bảo vệ
¾ Lớp mạ kỹ thuật
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:
9 Lớp mạ ca tốt: lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế dương hơn
điện thế kim loại nền
9 Lớp mạ Anốt: lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế âm hơn điện
thế kim loại nền
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
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

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-5-


Cao Chiến Thắng

chiều

Thiết kế nguồn mạ một

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
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
III,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:

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-6-


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

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. 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… 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.
2. Anốt : Là điện cực nối vơí 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.
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 :
Ni − 2e = Ni 2+
Cu − 2e = Cu 2+

Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đi đến catốt. Phản ứng điện
hóa ở anốt là phản ứng oxi hóa. Anốt không hòa tan dùng trong trường hợp mạ
Crôm. .

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-7-


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

Khi điện phân ở bề mặt anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa
H 2 O, OH − , Cl − …
2Cl − − 2e = Cl 2
4OH − − 4e = 2 H 2 O + O2 ↑

Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là O2 hay Cl 2 .
3. Catốt : là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trong mạ
điện catốt là vật mạ. Trên bề mặt vật mạ luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim
loại mạ. Ví dụ như :
Mạ niken : Ni 2+ + 2e = Ni ↓
Zn 2+ + 2e = Zn ↓
Mạ kẽm
Đồng thời với iôn kim loại bị khử, H 3O + cũng bị khử giải phóng ra khí H 2
theo phản ứng : 2 H 3 o + + 2e = H 2 ↑ + H 2 O
Khí H 2 thoát ra trên bề mặt ca tốt có khả năng thấm sâu vào mạng tinh thể
kim loại mạ và các kim loại nền, làm giảm độ bền cơ học của kim loại (khí H 2 khi
gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại) .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.
4. Dung dich 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 thấtđiện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp
mạ đồng đều hơn.

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-8-


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

_ 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.
_ 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 được từ dung dịch muối
CuSO 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.

Đại học Bách Khoa Hà Nội
-9-


Cao Chiến Thắng
chiều

CHƯƠNG II :

Thiết kế nguồn mạ một

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 : Tong 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. Máy phát điện một chiều : Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện một
chiều 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.
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 bién 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 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

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 10 -


Caoo Chiến Thắng
chiềều

Thiết kế nguồ

ồn mạ một
m

và ổn
n định dòn
ng. Chi phíí đầu tư choo bộ biến đổi
đ cũng rẻẻ, hiệu quảả làm việc cao
c và
ổn định.
đ
So vớ
ới dùng ngguồn mạ làà ắc quy hoặc
h
máy pphát điện một
m chiều thì bộ
biến đổi đáp ứng
ứ được hơn
h cả về m
mặt kinh tế
t cũng nhhư các tiêu chuẩn kỹ thuật.
Vậy quyết địnhh phương án
á là dùng bộ biến đổổi.
Với mạchh chỉnh lưuu có rất nhiềều : chỉnh lưu một phha, chỉnh lư
ưu ba pha, chỉnh
lưu không
k
điềuu khiển, chhỉnh lưu cóó điều khiển… Trongg yêu cầu của
c đồ án là
l thiết
kế ngguồn mạ điện

đ áp thấp
p và dòng khá lớn. Trước
T
hết ta xét trườn
ng hợp chỉnnh lưu
có điều
đ
khiển, sau đó taa có thể xéét trường hợp
h chỉnh lưu điốt kh
hông điều khiển
với góc
g điều khhiển α = 0 .

khả thi :
Các phương án kh
+ Chỉnh
C
lưu cầu một phha
+ Chỉnh
C
lưu cầu ba phaa
+ chỉnh
c
lưu ssáu pha có cuộn khánng cân bằn
ng
Phư
ương án 1 : Chỉnh lư
ưu cầu mộột pha
Sơ đồ nguuyên lý chỉỉnh lưu cầuu một pha

. Tải R+L
L
- Khii L đủ lớn thì dòng điện id sẽ làà dòng liênn tục.
- Phư
ương trình mạch tải :
2U 2 sin θ .dθ = Ri d + X

d id
dθ


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

1
Π

Π +α

∫
α

2U 2 sin θ .dθ =

Ud =

R
Π

Π +α

∫i
α

d

dθ +

X
did
Π I∫d

2 2U 2
cos α
Π

Dạng sóng cơ bản :

* Ưu nhược điểm của sơ đồ :
9 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 diot nên giá thành rẻ
điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 12 -

Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

9 Nhược điểm :
Dòng tải vẫn còn nhấp nhô,không thích hợp với tải có dòng lớn
Trong 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.

Phương án 2 : Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng
Sơ đồ nguyên lý :
F
T1
u2a

T3

T5
R

u2b
u2c
L
T4

T6

T2

G

Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 thyristor, chia làm hai nhóm :
- nhóm catốt chung T1, T3, T5
- nhòm anốt chung T2, T4, T6
Điện áp các pha :
U a = 2U 2 sin θ

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 13 -


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

2Π
)
3
4Π
U c = 2U 2 sin(θ −
)
3

U b = 2U 2 sin(θ −

a.Hoạt động của sơ đồ :
Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua VF = Vc ,VG = Vb
Π
+ α cho xung điều khiển mơ T1. Thyristor này mở vì U a > 0
6
. Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U a > U c . Lúc này T6

+ Khi θ = θ 2 =

và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải : U d = U ab = U a − U b
3Π
+ α cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mởvì T6
6
dẫn dòng, nó đặt U b lên catốt T2 mà U b > U c . Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại

+ Khi θ = θ 2 =

một cách tự nhiên vì U b > U c .
Π
được lần lượt đưa đến các cực điều khiển
3

Các xung điều khiển lệch nhau

của các thyristỏ theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,…..

Trong mỗi nhóm, khi 1 thyristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyritor trước nó,
như trong bảng sau :

Thời điểm
θ1 = π/6 + α
θ2 = 3π/6 + α
θ3 = 5π/6 + α
θ4 = 7π/6 + α
θ5 = 9π/6 + α
θ6 = 11π/6 + α

Mở
T1
T2
T3
T4
T5
T6

Khoá
T5
T6
T1
T2
T3
T4

Dạng sóng cơ bản
Ud

Ud

Ua

Ub

Uc

Ua

Ub

U a b Ua c U bc U ba Uc a U c b U a b Ua c U bc U ba Uc a

Đại học Bách Khoa Hà Nội
iT 1

- 14 -


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

Đường bao phía trên biẻu diễn điện thế điểm F
Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế điểm G
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

∫

2U 2 sin θ .dθ =

Π
+α
6

3 6U 2
cos α
Π

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

I T ==

Id
3

b.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.

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 15 -


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

- 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.

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

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 16 -


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

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.
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. Như vậy trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp : I 2 =
Dòng trung bình qua van : I v =

Id
6

• Dạng sóng cơ bản :

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 17 -

Id
2 3

= 0,29 I d


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng
* 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.
** 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.

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 18 -

Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

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.
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 :

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
Nhận xét:
+. ưu điểm : do dòng bên sơ cấp nhỏ nên việc chọn các van thuận lợi

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 19 -

Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

+.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 Uracủa tải sẽ bị hụt đi
nên độ chính xác không cao
Dùng 6 đi ốt ở thứ cấp nên lãng phí
2> Điều chỉnh thứ cấp :
Sơ đồ gồm 6 thyristor được bố trí như hình vẽ

• 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
tang lên đáng kể. Giá trị điện áp trên cuộn kháng lớn nhất khi α = 90 0 .
• 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 .
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.

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 20 -


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ một chiều như sau :

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

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 21 -


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một

1,Các thông số cơ bản của MBA
Id=6000A ;Udmax=24V
Công suất một chiều trên tải : Pd = U do .I d
Với U do = U d + ∑ ΔU d

∑ ΔU

d

= ΔU ba + ΔU ck + ΔU van

Máy bién áp có công suất vài chục kVA thuộc loại máy biến áp nhỏ nên :
ΔU dba = 2V

ΔUck=2 (V)
ΔU vaa = 2V

Điện áp rơi trên mỗi van là 1 V
Vậy : ∑ ΔU d = 2 + 2 + 2 = 6V
Suy ra : U do = U d + ∑ ΔU d = 24 + 6 = 30V
Công suất tiêu thụ của máy biến áp :
Pd = U do I d = 30.6000 = 180( KW )

Từ công thức chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có :
3 6U 2
o
. cos α , chọn α=35
2Π
2Π.U do
2Π.30
U2 =
=
= 32(V )
3. 6 . cos α 3. 6 cos 35

U do =

suy ra

* Tỷ số máy biến áp k =

U 1 380
=
= 11,875
U2
32

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

Id
2 3

= 0,29 I d = 0,29.6000 = 1740( A)

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

0,4 I d 0,4.6000
=
= 60( A)
k
11,875

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

S

C. f

[cm2]

k= 4 đến 6 , ở đây chon k = 6
S : công suất tiêu thụ của máy biến áp (VA)
C : số trụ ( C=3 )
f : tần số nguồn điện xoay chiều . (f = 50Hz)

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 22 -


Cao Chiến Thắng
chiều
Thay số ta có Q = 6.

Giả sử

Thiết kế nguồn mạ một
180000
= 208(cm2)
3.50

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

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

Vậy từ ⎨

Ta suy ra a= 130 mm ; b=160 mm
Để đảm bảo mỹ thuật chọn chiều cao của trụ theo tỷ lệ m= h/a =2,5 suy ra
h=2,5a= 2,5.130 =325 mm
3. Tính toán dây cuốn :
Số vòng vôn : 4,44.f.B.Q. 10 −4 =4,4.50.1.208. 10 −4 =4,6 (vôn/vòng)
Trong đó : f là tần số dòng điện
Q là tiết diện trụ
B là mật độ từ cảm trong trụ
380
= 83 (vòng)
4,6
32
*Số vòng dây thứ cấp W2 =
= 7 (vòng)
4,6

*Số vòng dây sơ cấp W1 =

* Chọn mật độ dòng điện : J 1 = J 2 = 3 A / mm 2
* Tiết diện dây dẫn sơ cấp :

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 23 -


Cao Chiến Thắng
chiều

Thiết kế nguồn mạ một
Q1 =

I 1 60
=
= 20(mm 2 )
J1
3

Chọn dây dẹt bọc sợi thủy tinh hai lớp tiết diện (10x2) mm
*Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp :
Q2 =

I 2 1740
=
= 580(mm 2 )
J2
3

Ta chọn dây dẫn dẹt bọc sợi thuỷ tinh tiết diện (290x2)mm

4.Tính toán kích thước mạch từ :
Dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I và xếp như hình vẽ

Sốlớp dây thứ cấp :

7
= 7 (lớp)
1

Lõi cuộn dây dùng fíp 8mm cách điện giữa các lớp dùng cáctông chịu nhiệt
dày 1mm,giữa sơ và thứ cấp dùng que fíp dày 10 mm
Chiều dày toàn bộ lớp thứ cấp kể cẩ cách điện là: 10+7x(2+1)=31 mm
Số vòng của 1 lớp dây sơ cấp: 325/10 =32(vòng)
sốlớp dây sơ cấp :83/32 =3(lớp)
Chiều dày toàn bộ lớp sơ cấp :10+3x(2+1) =19 mm
Chiều dày cuộn dây biến áp:31+19 =50 mm
Lấy khoảng cách giữa hai cuộn là 5 mm

Đại học Bách Khoa Hà Nội
- 24 -