Tài liệu Đề tài: Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ pdf

Đồ án


Đề Tài:


Thiết kế nguồn mạ một
chiều có đảo chiều
dòng mạ.
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

1
Đề tài:
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ.

Các tham số:
Phương án 2: Điện áp ra : U
d
= 6
÷
12 (V)
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

2
Dòng tải max : I
d
=100(A)

Thời gian thuận : 50
÷
200 (s)
Thời gian ngược : 5
÷
20 (s)
Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ không đổi trong quá
trình mạ. Mạch phải có khâu bảo vệ chống chạm điện cực (bảo vệ ngắn mạch).

MỤC LỤC
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

3

Chương I ................................................................................................................ 5

CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN VÀ CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT ............................. 5

I.1. Tìm hiểu chung về công nghệ mạ ............................................................... 5

I.2. Các thành phần chính trong mạ điện phân .................................................. 5

I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ. ........................................................................... 8

I.4.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp mạ ..................................................... 9

Chương II: ........................................................................................................... 11

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP CHO NGUỒN MẠ MỘT CHIỀU ..... 11

II.1. Tổng quan chung ..................................................................................... 11

II.2. Chọn phương án ...................................................................................... 12

ChươngIII ............................................................................................................ 14

THIẾT KẾ MẠCH LỰC ..................................................................................... 14

III.1. Tính chọn van lực ................................................................................... 14

III.1.1. Đặc điểm chung ............................................................................... 14

III.1.2. Các thông số của Thyristor ............................................................. 14

III.1.3. Chọn Thyristor ................................................................................ 15

III.2. Tính toán máy biến áp (MBA) lực ......................................................... 15

III.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ MBA ........................................................ 16

III.2.2. Tính toán dây quấn .......................................................................... 17

III.2.3. Tiết diện cửa sổ MBA ...................................................................... 18

III.2.4. Kết cấu dây quấn MBA ................................................................... 19

III.2.5. Tính các thông số của MBA ............................................................ 21

III.3. Thiết kế cuộn kháng lọc ......................................................................... 23

III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại ............................................... 23

III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc .................................................. 24

III.3.3.Thiết kế cuộn kháng lọc.................................................................... 25

III.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ ................................................................. 27

III.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Thyristor ........................................... 27

III.4.2.Bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor ................................................ 28

III.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho Thyristor ................................................... 29

III.4.4. Bảo vệ chống tăng dòng
dt
di
cho Thyristor ..................................... 30

III.5. Phương pháp đảo chiều .......................................................................... 30

III.5.1. Phương pháp điều khiển chung: ..................................................... 30

III.5.2.Phương pháp điều khiển riêng: ........................................................ 31

Chương IV ........................................................................................................... 32

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ...................................................................... 34

IV.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển .......................................................... 34

IV.2. Cấu trúc của mạch điều khiển Thyristor ................................................ 34

IV.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển ................................................... 35

IV.3.1. Khâu đồng pha ................................................................................ 35

IV.3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa .............................................................. 38

Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

4
IV.3.3. Khâu so sánh ................................................................................... 39

IV.3.4.Khâu dạng xung ................................................................................ 41

IV.3.5. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung .......................................... 41

IV.3.6.Khối nguồn ....................................................................................... 45

IV.3.7. Khâu phản hồi: ................................................................................ 47

IV.3.8. Chọn các linh kiện bán dẫn ............................................................. 48

Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

5
Chương I
CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN VÀ CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT
I.1. Tìm hiểu chung về công nghệ mạ
Do sự phát triển của các ngành công nghiệp nói riêng và của nền kinh tế
nói chung nên ngày nay công nghệ mạ ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhất là
trong các ngành kỹ thuật điện, điện tử , công nghệ thông tin, làm đồ trang sức,…
để tăng độ chống ăn mòn, phục hồi kích thước, tăng độ cứng, dẫn điện, dẫn

nhiệt, phản quang, dễ hàn, làm bóng đồ trang sức… Về nguyên tắc, vật liệu n
ền
có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo gốm sứ hoặc composit. Lớp
mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là composit của kim
loại - chất dẻo hoặc kim loại – gốm…Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ
còn tuỳ thuộc vào trình độ, năng lực công nghệ mạ, tính chất cần có ở lớp mạ và
giá thành chi tiết mạ.
Ngày nay thường sử dụng quá trình mạ
điện bằng điện phân theo sơ đồ như
hình I.1

Hình I.1: Sơ đồ bình điện phân








I.2. Các thành phần chính trong mạ điện phân
Mạ điện phân gồm các thành phần cơ bản sau:
I.2.1. Nguồn một chiều:
Bể điện phân
Hình I.1. Sơ đồ nguyên lý mạ điện phân
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

6
Thiết kế bộ nguồn cho tải mạ điện, thì sau khi tìm hiểu về công nghệ mạ,

ta biết rằng loại nguồn cơ bản cho mạ điện là điện một chiều.
Các loại nguồn một chiều có thể cấp điện cho bể mạ bao gồm pin, ắc quy,
máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi... Máy phát điện một chiều vớ
i nhược
điểm: cổ ghóp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn.....hiện
nay không được dùng trong thực tế. Bộ biến đổi (BBĐ) có các ưu điểm: thiết bị
gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng và áp...
được dùng nhiều để làm nguồn cấp cho tải mạ điện. Điện áp ra c
ủa BBĐ thấp:
3V, 6V, 12V, 24V,… Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn BBĐ với điện áp ra
phù hợp.
I.2.2. Anot
Anot là điện cực nối với cực dương của nguồn một chiều. Trong quá trình
điện phân thì anot tan dần vào dung dịch điện phân theo phản ứng ôxi hoá ở điện
cực: M - ne = M
n+

Các cation kim loại (M
n+
) tan vào dung dịch điện phân vàđi đến catot (chi tiết
cần mạ) và bám chặt lên trên bề mặt catot
*Yêu cầu kỹ thuật
: để đảm bảo chất lượng mạ thì trước khi điện phân thì
anot cần phải được đánh sạch dầu mỡ, bụi, lớp rỉ,…
I.2.3. Catôt (chi tiết cần mạ)
Catôt là điện cực được nối với cực âm của nguồn một chiều.
Trên bề mặt catôt luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ:
M
n+
+ ne = M

↓

Các nguyên tử kim loại mạ được sinh ra tạo thành lớp kim loại bám lên trên bề
mặt catôt gọi là lớp mạ.
*Yêu cầu kỹ thuật
:
Để đảm bảo chất lượng của lớp mạ thì trước khi thực hiện quá trình mạ
điện cần phải quan tâm tới độ sạch và độ bóng của bề mặt chi tiết cần mạ.
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

7
-Độ sạch của bề mặt chi tiết cần mạ càng cao thì các nguyên tử kim loại
mạ càng có khả năng liên kết trực tiếp với mạng tinh thể kim loại của chi tiết để
đạt được độ gắn bám cao nhất giữa lớp mạ và chi tiết cần mạ.
-Độ nhẵn của bề mặt chi tiết cần mạ 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. Bề mặt chi tiết sau mạ có thể có chỗ lõm, chỗ
lồi, hoặc xuất hiện rãnh sâu...
Vậy để lớp mạ bám chặt vào bề mặt chi tiết và lớp mạ đều hơn, bóng hơn,
chất lượng lớp mạ cao,…thì catôt c
ần phải được gia công bề mặt nhẵn bóng,
sạch lớp bụi, lớp rỉ…trước khi đưa vào mạ.
Catôt sau khi được đánh bóng, sạch cần phải nhúng gập trong dung dịch
điện phân, không sát đáy bể điện phân.
Chỗ nối catốt với nguồn một chiều phải đảm bảo tiếp xúc tốt, không gây
hiện tượng phóng điện trong quá trình điện phân. Tuyệt đối không được để
chạm
trực tiếp giữa catôt và anot khi đã nối mạch điện.
I.2.4. Dung dịch điện phân:

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 như
mong muốn.
+ Dung dịch muối đơn
: Còn gọi là dung dịch axit, cấu tạo chính là các
muối của các axit 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
+ Các phụ gia
:
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

8
- Chất dẫn điện : Đóng vai trò dẫn dòng điện trong dung dịch .
- Chất bóng: Chất bóng thường được dùng làm cho lớp mạ nhẵn mịn
và bóng hơn.
- Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng.
- Chất thấm ướt: Trên Catot thường có phản ứng phụ sinh khí Hydro.
Chất này thúc đẩy bọt khí mau tách khỏi bể mạ, làm cho quá trình mạ nhanh
hơn.
*Yêu cầu kỹ thuậ
t:

-Dung dich mạ phải có độ dẫn điện cao để giảm tổn thất điện trong quá
trình mạ đồng thời làm cho lớp mạ đòng đều hơn.
-Trong dung dịch mạ thì mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực
điện cực. Trong quá trình mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh
hưởng đến chất lượng c
ủa lớp mạ. Mật độ dòng điện cao làm cho quá trình phân
cực nhanh làm cho lớp mạ mịn, sít chặt và đồng đều vì khi đó các nguyên tử kim
loại mạ được sinh ra rất nhanh.
Nhưng nếu mật độ dòng điện quá cao thì có thể lớp mạ sẽ bị cháy. Ngược
lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô, không
đều làm lớp mạ
kém chất lượng.
Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lượng mạ cao trong một
khoảng mật độ dòng điện nhất định. Tuỳ theo yêu cầu và đặc thù của các chi tiết
cần mạ mà chọn dung dịch mạ có mật độ dòng điện phù hợp.
-Mỗi dung dịch mạ sẽ cho chất lượng lớp mạ tốt trong một khoảng nhiệt
độ và
độ pH và nhất định.
I.2.5. Bể điện phân
Bể điện phân làm bằng vật liệu cách điện, bền về hoá học, nhiệt độ, và
không thấm nước.
I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ.
Thông thường để thực hiện mạ ta dùng dòng điện không đảo chiều cấp vào
anôt và catôt. Nhưng trong một số trường hợp mạ đặc biệt, mạ đồ trang sức bằng
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

9
các kim loại quí như: vàng, bạch kim…hay các sản phẩm yêu cầu chất lượng
cao, nền mạ khó bám…thì người ta dùng dòng mạ có đảo chiều.

Nguyên tắc mạ đảo chiều như sau:









Trong thời gian t
c
vật mạ chịu phân cực catôt nên được mạ vào với cường
độ dòng thuận I
c
, sau đó dòng điện đổi chiều và trong thời gian t
a
vật mạ chịu
phân cực anôt nên sẽ tan ra một phần.Sau đó lại bắt đầu một chu kì mới .Thời
gian mỗi chu kỳ bằng T= t
c +
t
a
.Nếu I
c
.t
c
> I
a
.t

a
thì vật vẫn được mạ. Khi lớp
mạ bị hòa tan bởi điện lượng I
a
. t
a
, thì chính những đỉnh nhọn, gai, khuyết tật ...
là những chỗ hoạt động anôt mạnh nhất nên tan nhanh nhất, kết quả là thu được
lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn. Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ lệ t
c
: t
a
cho hợp lý
(5:1 đến10:1)và T thường từ 5:10s. Với yêu cầu cụ thể trong đồ án này thì tỷ lệ
t
c
: t
a
luôn không đổi là 10:1.
Phương pháp này có thể dùng được mật độ dòng điện lớn hơn khi dùng
dòng điện một chiều thông thường. Mạ đảo chiều làm tăng cường quá trình mạ
mà vẫn thu được lớp mạ tốt.
I.4.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp mạ

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

0
I
a
t
I
I
c
t
a
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

10
Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm như: cần độ bền cơ học cao hay thấp, mức
độ chống ôxi hoá mà độ dày lớp mạ có thể dày hay mỏng. Để dạt độ dày cần
thiết cần phải có thời gian mạ hợp lý.
I.4.1.Độ bám của lớp mạ

Đây 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 xấu, dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến hỏng… không đáp ứng
được yêu cầu chất lượng của lớp mạ.
I.4.2.Độ bóng của bề
mặt lớp mạ
Độ bóng của bề mặt lớp mạ cũng là một thông số quan trọng, nó tăng tính
thẩm mỹ cho sản phẩm đặc biệt là đồ trang sức. Đồng thời độ bóng lớp mạ cao
sẽ tăng độ bền cơ học cho chi tiết mạ. 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 cầ
n
phải có đảo chiều để san đều lớp mạ.

Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

11






Chương II:
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP CHO NGUỒN MẠ MỘT CHIỀU
II.1. Tổng quan chung
Trong công nghệ mạ điện thì nguồn mạ một chiều là yếu tố hết sức quan
trọng, có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình trình mạ và chất lượng lớp mạ thu

được.
Công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn ngày càng chính xác, hoàn thiện,
độ tin cậy cao, kích thước nhỏ cùng với các ưu điểm vượt trội của các bộ biến
đổi (BBĐ): thiết bị gọn nhẹ, tác
động nhanh, dễ điều khiển và ổn định
dòng…Do vậy nên các BBĐ được sử dụng làm nguồn mạ một chiều.
Để chọn BBĐ phù hợp với yêu cầu công nghệ đề ra ta xét một số đặc
điểm của các phương án sau:
1.1.Chỉnh lưu cầu một pha
: được ứng dụng trong các mạch có công suất nhỏ
nhưng không phù hợp với điện áp tải nhỏ.
1.2.Chỉnh lưu hình tia hai pha
: được sử dụng trong mạch có công suất nhỏ và
điện áp tải thấp, dòng điện tải lớn. Bởi vì, trong sơ đồ này tổn hao trên van bán
dẫn ít hơn, nên công suất tổn hao trên van so với công suất tải nhỏ hơn, hiệu suất
thiết bị cao hơn.
1.3.Chỉnh lưu hình tia ba pha
: được ứng dụng trong mạch có công suất trung
bình và điện áp tải thấp.
1.4.Chỉnh lưu cầu ba pha
: có bộ tham số tốt nhất, được ứng rộng rãi nhất trong
toàn bộ dải công suất từ nhỏ đến lớn nhưng không phù hợp với điện áp tải thấp.
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

12
II.2. Chọn phương án
Theo yêu cầu công nghệ:
Nguồn mạ một chiều cần thiết kế là nguồn có:
Điện áp ra : U

d
= 6
÷
12 (V)
Dòng tải max : I
d
=100(A)
Thời gian thuận : 50
÷
200 (s)
Thời gian ngược : 5
÷
20 (s)
Tức điện áp tải thấp, công suất trung bình và dòng lớn. Qua phân tích trên thì
nên chọn chỉnh lưu hình tia hai pha làm nguồn mạ một chiều.
Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu tia hai pha có dạng như hình II.1:







Trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha có:
+ Một máy biến áp hạ áp một pha hai cuộn thứ cấp có điểm trung tính.
-Sơ cấp biến áp có điện áp U
1
là điện áp lưới xoay chiều 220V, với số vòng
dây là W
1

.
-Thứ cấp biến áp có điện áp U
2
: 12V- 0V- 12V, với số vòng dây W
21
và
W
22
. Hai cuộn thứ cấp này phải có thông số giống hệt nhau.
+Hai Thyristor T
1
, T
2
để chỉnh lưu dòng xoay chiều từ điện áp lưới thành
điện áp một chiều ra tải.
Nguyên lý làm việc:




T
1
T
2
Tải
Hình II.1. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tia hai pha
U
1
U
21

U
22
u
21
u
22
u
d
θ
i
d
0

0
θ
I
d
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

13





Nửa chu kỳ đầu giả sử điện áp u
21
dương hơn u
22

thì Thyristor T
1
có khả
năng dẫn nhưng chưa dẫn ngay cho tới thời điểm
θ
=
α
thì đưa xung vào mở T
1
,
T
1
bắt đầu dẫn. Khi đó điện áp của chỉnh lưu có dạng điện áp u
21
như hình II.2.
Nhưng do tải có tính cảm lớn nên khi u
21
=0 thì T
1
vẫn dẫn cho tới khi T
2
được
mở.
Nửa chu kỳ sau điện áp u
22
dương hơn u
21
thì Thyristor T
2
có khả năng dẫn

nhưng chưa dẫn ngay cho tới thời điểm
θ
=
γπ
+
+
α
thì đưa xung vào mở T
2
, T
2

bắt đầu dẫn. Khi đó điện áp của chỉnh lưu có dạng điện áp u
22
như hình II.2. Khi
u
22
= 0 thì T
2
vẫn dẫn cho tới khi T
1
được mở trở lại.
Như vậy điện áp ra tải sau chỉnh lưu hình tia hai pha có dạng như hình II.2.
Điện áp tải có tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều (f
đm
= 2f
1
).

Khi dòng điện, điện áp tải liên tục: U

d
= U
do
.cosα
Trong đó:
U
do
- Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng U
do
= 0,9.U
2

α
- Góc mở của các Thyristor.
Điện áp ngược cực đại qua van:
~nv
U.2.2U =

Dòng điện trung bình qua van: I
tb
=
2
I
d

Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van: I
hd
=
2
I

d





Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

14







ChươngIII
THIẾT KẾ MẠCH LỰC
III.1. Tính chọn van lực
III.1.1. Đặc điểm chung
Việc tính chọn van cho mạch lực dựa vào các thông số: điện áp làm việc,
dòng điện tải, dòng trung bình qua van hay dòng điện làm việc cực đại của van
trong sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt.
• Loại van nào có sụt áp ΔU nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn.
• Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì ch
ất lượng tốt hơn.
• Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt
hơn.
• Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất

điều khiển thấp hơn.
• Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn. Tuy nhiên,
trong đa số các van bán dẫn thời gian chuyển mạ
ch thường tỷ lệ nghịch với tổn
hao công suất.
III.1.2. Các thông số của Thyristor
-Điện áp ngược đặt lên van: U
ng
=k
nv
.U
2
= k
nv
.
u
d
k
U
=
π
.12= 37,67(V)

(k
nv
, k
u
– là hệ số điện áp ngược và điện áp tải: k
nv
=

22
; k
u
=
π
22
)

Chọn hệ số dự trữ điện áp: k
dt
=1,6
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

15
Điện áp ngược của van cần chọn: U
nmax
= k
dt
. U
ng
= 1,6 . 37,67 = 60,3(V)
-Dòng trung bình qua Thyristor
: I
tb
=
)A(50
2
100
2

I
d
==

-Dòng làm việccủa Thyristor
: I
lv
=
)A(71,70
2
100
2
I
d
==

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toả
nhiệt, không có quạt đối lưu không khí.
Khi đó chọn hệ số dự trữ dòng làm việc : k
dtI
= 1,8
Dòng điện làm việc cực đại của Thyristor: I
lvmax
= 1,8.70,71=127,28(A)
III.1.3. Chọn Thyristor
Từ các thông số trên ta chọn Thyristor (theo dòng điện làm việc cực đại):
151RC có:
Điện áp ngược cực đại của van : U
ngmax
= 100(V)

Dòng điện định mức của van : I
lvmax
= 150(A)
Dòng điện đỉnh cực đại : I
pic max
= 4000(A)
Dòng điện của xung điều khiển : I
g max
=150mA
Điện áp của xung điều khiển : U
g max
= 2,5(V)
Dòng điện rò : I
r
= 22mA
Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn:
Δ
U = 1,7(V)
Tốc độ biến thiên điện áp :
)s/V(200
dt
du
=

Tốc độ biến thiên dòng điện :
sμ100A/
d
t
di
=

Thời gian chuyển mạch : t
cm
= 60μs
Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : t
cp
=125
0
C
III.2. Tính toán máy biến áp (MBA) lực
Chọn máy biến áp một pha thứ cấp có điểm trung tính, làm mát bằng
không khí tự nhiên.
+ Công suất biểu kiến của MBA: S =k
s
.P
d
=1,48.1200=1776(VA)
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

16
(k
s
là hệ số công suất MBA, với mạch chỉnh lưu hình tia 2 pha: k
s
=1,48)
Ta có phương trình cân bằng điện áp không tải:
U
d0
.cost
min

α
= U
d
+
badnv
UUU Δ+Δ+Δ

Trong đó:
min
α
=10
0
– là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp

v
U
Δ
=1,7 (V) - sụt áp trên Thyristor

)V(0U
dn
=Δ
- là sụt áp trên dây nối
UxUU
Rba
Δ+Δ=Δ
- sụt áp trên điện trở và điện kháng
ba
UΔ
=(5 )10÷ % U

d

Chọn sơ bộ:
ba
UΔ
=5% U
d
=5%.12 =0,6(V)
Suy ra U
d0
= )V(52,14
10tcos
6,007,112
tcos
UUUU
min
badnvd
=
+++
=
α
Δ+Δ+Δ+

+ Điện áp sơ cấp MBA: U
1
=220(V)
+ Điện áp thứ cấp MBA: U
2
=
)V(13,16.

22
52,14
.
22
U
0d
=π=π

+ Công suất MBA khi không tải: P
do
=I
d
.U
d0
= 100.16,13 = 1613(V)
+ Công suất biểu kiến của MBA khi không tải: S
0
=k
s
.P
d0
=1,48.1613=2387(VA)
+ Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: I
2
=
)A(71,70
2
100
2
I

d
==

+ Dòng điện sơ cấp MBA: I
1
=
)A(18,571,70.
220
13,16
I.
U
U
2
1
2
==
III.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ MBA
Tiết diện trụ được tính theo công thức kinh nghiệm: Q
Fe
=k
Q
.
)cm(
f.m
S
2
ba

Trong đó: k
Q

là hệ số phụ thược phương thức làm mát
k
Q
=54 ÷ với MBA dầu
k
Q
=65 ÷ với MBA khô, Chọn k
Q
=6
m- Số trụ của MBA, m=1
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

17
→
Q
Fe
=6.
)cm(46,41
50.1
2387
2
=

Do S
ba
=2387VA<10kVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật với chiều rộng trụ
là a(cm) chiều dày trụ là b(cm)
→
Q

Fe
=a.b =41,46(cm
2
).
Chọn MBA hình chữ E được ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có
Bề dày tôn : 0,35mm
Tổn hao là : 1,7 W/kg
Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm
3
Tiết diện của trụ: Q
Fe
=a.b(cm
2
)
Theo kinh nghiệm thì tỉ lệ b/a=(0,5
÷
1,5) là tối ưu nhất.
→
Chọn a=6(cm)
→
b= 91,6
6
46,41
a
Q
Fe
== (cm)
→
Chọn b=7(cm)
Từ cảm trong trụ: B=1,1T

III.2.2. Tính toán dây quấn
- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:
3,217
1,1.10.46,41.50.44,4
220
B.Q.f.44,4
U
W
4
Fe1
1
1
===
−
(vòng)
Chọn W
1
= 217(vòng)
- Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA:
16217.
220
13,16
W.
U
U
W
1
1
2
2

===
(vòng)

Với các cuộn dây bằng đồng, MBA khô, chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong
MBA : J
1
= J
2
= 2,75(A/mm
2
)
-Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA:
)mm(88,1
75,2
18,5
J
I
S
2
1
1
1
===

-Đường kính dây dẫn
: d=
)mm(55,1
88,1.4
S4
1

=
π
=
π

Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B chuẩn hoá tiết diện theo tiêu
chuẩn: S
1
= 1,9113(mm
2

).
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

18
-Kích thước dây có kể cách điện
: S
cđ1
=
14,265,1.
4
d.
4
2
2
cd
=
π
=

π
(mm
2
).
Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp
:
)mm/A(71,2
9113,1
18,5
S
I
J
2
1
1
1
===

-Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA:
)mm(70,25
75,2
71,70
J
I
S
2
2
2
2
===

Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu
chuẩn: S
2
= 25,70(mm
2
).

-
Kích thước dây có kể cách điện
: S
2
= a
2
. b
2
= 3,8.6,9=26,22(mm
2
).
Tính lại mật độ độ dòng điện cuộn thứ cấp:
)mm/A(75,2
70,25
71,70
S
I
J
2
2
2
2

===
III.2.3. Tiết diện cửa sổ MBA
-Diện tích cửa sổ MBA
: Q
cs
= Q
cs1
+ Q
cs2
Q
cs1
= k
lđ
.W
1
.S
cđ1
Q
cs2
= k
lđ
.W
2
.S
cđ2
Trong đó: Q
cs
là diện tích cửa sổ (mm
2
)

Q
cs1
, Q
cs2
là diện tích do cuộn sơ và thứ cấp chiếm chỗ (mm
2
)
W
1
, W
2
là số vòng dây cuộn sơ và thứ cấp MBA
k
lđ
là hệ số lấp đầy, thường k
ld
= 2
÷
3, chọn k
lđ
=2
Q
cs1
= 2.217.2,14=928,76(mm
2
)
Q
cs2
= 2.16.26,22=839,04(mm
2

)

Q
cs
= 928,76+839,04=1767,8(mm
2
)
Ta lại có: Q
cs
=h.c
Trong đó: h: là chiều cao cửa sổ(mm)
c: là chiều rộng của cửa sổ(mm)
Chọn: h/a =2, c/a =0,5
→
4
5,0
2
c
h
==
→
h=4.c
→
)mm(02,21
4
8,1767
4
Q
c
cs

===
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

19
Chọn: c=21(mm)
h= 4.21= 84(mm)
-Chiều rộng toàn mạch từ
: C=2c+xa
-Chiều cao mạch từ
: H=h+ za
Với MBA một pha thì x=2; z=1
⎩
⎨
⎧
=+=
=+=
→
)(1446084
)(16260.221.2
mmH
mmC

III.2.4. Kết cấu dây quấn MBA
Dây quấn được bố trí theo dọc trục. Cuộn thứ cấp (HA) quấn sát trụ, cuộn
sơ cấp (CA) quấn bên ngoài. Mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây, mỗi
lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện với
nhau bằng các bìa cách điện.
•
Kết cấu dây quấn thứ cấp

-Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp:
(k.
b
h.2h
w
c
n
g
2l
−
=
vòng)

Trong đó: h- là chiều cao của sổ, h=84(mm)
h
g
– là khoảng cách cách điện với gông, chọn h
g
= 2(mm)
k
c
– là hệ số ép chặt, k
c
=0,95
01,1195,0.
9,6
2.284
2
=
−

=→
l
W
(vòng)
-Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp :
45,1
01,11
16
2
2
2
===
l
l
w
w
n
(lớp)
→Chọn n
l2
= 2 lớp.
Vậy cuộn thứ cấp có 16 vòng chia làm 2 lớp, mỗi lớp có 8 vòng.
-Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp :
)mm(11,58
95,0
9,6.8
k
b.W
h
c

212
2
===

-Đường kính trong của cuộn thứ cấp :
D
t2
= b+ 2.a
02
=7+ 2.1=9 (cm)

(a
02
=1(cm) - là khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp)
Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd
22
= 0,1(mm)
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

20
-Bề dầy cuộn thứ cấp :
Bd2 = (a
2
+ cd
22
) .n
12
= (0,38+0,01) .2 = 0,78(cm)

-Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp:
D
n2
= D
t2
+ 2 .Bd2 = 9 + 2 . 0,78 = 10,56(cm)
-Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp :
D
tb2
=
2
DD
2n2t
+
=
2
56,109
+
= 9,78(cm)
-Chiều dài dây quấn thứ cấp :
l
2
= π . W
2
. D
tb2
= π.16.9,78 = 491,6(cm)= 4,916(m)
Chọn l
2
= 5(m)

•
Kết cấu dây quấn sơ cấp
:
-Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp :
c
n
g
11
k.
d
h.h
W
−
=
(vòng)

Trong đó : k
e
= 0,95 hệ số ép chặt
h : chiều cao cửa sổ, h=84(mm)
h
g
: khoảng cách cách điện của cuộn dây sơ cấp với gông
Chọn sơ bộ khoảng cách h
g
=2.d
n
=2.1,65=3,3(mm)
→
46,4695,0.

65,1
3,384
W
1l
=
−
=
(vòng)
-Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp:
67,4
46,46
217
w
w
n
11
1
11
=== (lớp)

Chọn lớp n
11
= 5 lớp.
Như vậy cuộn sơ cấp có 217 vòng chia làm 5 lớp , chọn 4 lớp đầu 44 vòng , lớp
thứ 5 có 217 – 4.44 = 41 (vòng)→W
l1
=44(vòng)
-Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp :

)mm(42,76

95,0
65,1.44
k
d.w
h
c
n11
1
===
=7,642(cm)
Chọn khoảng cách từ cuộn thứ cấp tới cuộn sơ cấp a
21
= 1,0(cm)
-Đường kính trong của cuộn sơ cấp:
D
t
= D
n2
+ 2 . a
21
= 10,56 + 2.1 = 12,56(cm)
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

21
Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd
11
= 0,1(mm)
-Bề dày cuộn sơ cấp:
Bd

1
= (d
n
+ cd
11
) . n
11
= (1,65+0,1).5 = 8,75(mm) = 0,875(cm)
-
Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp:

D
n1
= D
t1
+ 2 . B
d1
= 12,56 + 2.0,875 = 14,31(cm)
-Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp:
D
tb1
= ( D
t1
+ D
n1
) / 2 = (12,56 + 14,31 )/2 = 13,435 (cm)
-Chiều dày dây cuộn sơ cấp:
l
1
= π. W

1
. D
tb
= π.217.13,435 = 9159(cm) = 91,59(m)
-Đường kính trung bình các cuộn dây:
D
12
= ( D
t2
+ D
n1
) / 2 = (9 + 14,31 ) /2 = 11,655(cm)
→r
12
= D
12
/2 =5,8275 (cm)
III.2.5. Tính các thông số của MBA
-Điện trở trong cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75
0
C :
)(913,0
14,2
59,91
.02133,0
S
l
.R
1
1

1
Ω==ρ= (với ρ = 0,02133 Ωmm
2
/m)
-Điện trở cuộn thứ cấp MBA ở 75
0
C:
R
2
= )(00407,0
22,26
5
.02133,0
S
l
2
2
Ω==ρ
-Điện trở MBA quy đổi về thứ cấp:

)(10.03,9)
217
16
.(913,000407,0)
w
w
.(RRR
322
1
2

12ba
Ω=+=+=
−

-Sụt áp trên điện trở máy biến áp :
ΔU
r
= R
ba
. I
d
= 9,03.10
-3
. 100 =0,903(V)

-Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp :

)(0077,010.14,3).
3
0078,000875,0
01,0.(
811,5
5,4
.16..8X
10.).
3
BdBd
a.(
h
r

.)w.(.8X
722
ba
7
21
21
2t
2
2
2
ba
Ω=
+
+π=
π
+
+π=
−
−

Trong đó: r
t2
là bán kính trong dây quấn thứ cấp (cm)
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

22
h- là chiều cao cửa sổ lõi thép (cm)
a
21

là bề dày cách điện giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp (m)
B
d1
, B
d2
là bề dày cuộn sơ cấp và thứ cấp (m)
-Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp:
)mH(0245,0)H(10.45,2
314
10.7,7
w
X
L
5
3
ba
ba
====
−
−

-Sụt áp trên điện kháng MBA:
)V(245,0100.0077,0.
1
I.X.
1
U
dbax
=
π

=
π
=Δ
-Sụt áp trên MBA:
)V(936,0245,0903,0UUU
22
2
x
2
rba
=+=Δ+Δ=Δ

-Điện áp trên động cơ khi có góc mở
α
min
=10
0
U = U
do
.cosα
min
- ΔUv - ΔU
ba
= 14,52.cos10
0
- 1,7 - 0,936=11,663(V)
-Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp :

)(012,00077,000903,0XRZ
22

2
ba
2
baba
Ω=+=+=

-Tổn hao ngắn mạch trong MBA:

%89,1100.
2387
15,45
100.
S
P
%P
)W(15,4571,70.00903,0I.RP
n
n
22
2ban
==
Δ
=Δ
===Δ

-Điện áp ngắn mạch tác dụng:
%96,3100.
13,16
71,70.00903,0
100.

U
I.R
U
2
2ba
nr
===

-Điện áp ngắn mạch phần kháng:
U
nx
=X
ba
%38,3100.
13,16
71,70
.0077,0100.
U
I
2
2
==

-Điện áp ngắn mạch phần trăm:
%2,538,396,3UUU
222
nx
2
nrn
=+=+=

-Dòng điện ngắn mạch xác lập:
)A(17,1344
012,0
13,16
Z
U
I
ba
2
nm2
===

-Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại:
)e1.(I.2I
ln
nn
U
U
.
m2max
π−
+=

)A(4000I)A(1949)e1.(17,1344.2I
ik
0338,0
0396,0
.
max

=<=+=
ρ
π−

Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

23
Kiểm tra MBA thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến trên của dòng
điện chuyển mạch .
Giả sử chuyển mạch từ T
1
sang T
2
:

)s/A(100)
d
t
di
()s/A(862,1/
d
t
di
)s/A(10.62,18
10.45,2
13,16.22
L
U.22
)

dt
di
(
)sin(.U.22u
dt
di
.L
CPmax
c
5
5
ba
2
max
c
2c
c
ba
μ=<μ=
===
α+θ==
−

Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt.
-Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu
:
%68%100.
1776
100.12
.

===
S
IU
dd
η

III.3. Thiết kế cuộn kháng lọc
Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu cũng làm cho dòng điện tải cũng đập
mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều. Với công nghệ mạ điện
thì nó làm cho chất lượng của lớp mạ không cao: lớp mạ không đều, không,
không đạt được các tiêu chuẩn đã đưa ra: bền – bóng- đẹp…
Để hạn chế sự đập mạ
ch này ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng
lọc đủ lớn để I
m
≤ 0,1.I
ưdm
. Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao,
cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn .
III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại
+ Chọn góc mở cực tiểu α
min
=10
0
. Với góc mở α
min
là dữ trữ, ta có thể bù được
sự giảm điện áp lưới.
-Khi góc mở nhỏ nhất:
α = α

min
thì điện áp trên tải là lớn nhất:
U
dmax
=U
do
.cosα
min
=0,9.U
2
.cos10=0,9.24.cos10=21,27(V)
-Khi góc mở lớn nhất:
α = α
max
thì điện áp trên tải là nhỏ nhất:
U
dmin
=U
do
.cosα
max

→
0
2
mind
do
mind
max
87,73

24.9,0
6
arccos)
U.9,0
U
arccos(
U
U
arccos ====α
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

24
III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc
Thông thường khi đánh giá ảnh hưởng của đập mạch dòng điện theo trị
hiệu dụng của sóng hài cơ bản, bởi vì sóng cơ bản chiếm một tỷ lệ vào khoảng
(2%
÷
5%) dòng điện định mức tải.
Mặt khác trong sơ đồ chỉnh lưu thì thành phần sóng cơ bản (k=1) có biên
độ lớn nhất. Biên độ sóng hài bậc càng cao thì càng giảm. Tác dụng của cuộn
kháng lọc với các thành phần sóng hài bậc càng cao thì càng hiệu quả. Do vậy
khi tính điện cảm của cuộn kháng lọc chỉ cần tính theo thành phàn sóng cơ bản
là đủ.
+ Trị số điện cảm của cuộ
n kháng lọc để lọc thành phần dòng điện đập mạch:
dm
*
1
maxbd

L
I%.I..m.k.2
100.U
L
ω
=

Trong đó: U
bdmax
là biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu (V).
k là bội số sóng hài, xét k=1.
m là số lần đập mạch trong một chu kỳ, m=2.
I
1
*
% là trị số hiệu dụng của dòng điện sóng cơ bản (A)
I
đm
là dòng điện định mức của chỉnh lưu(A)
I
1
*
%<10%I
đm
=10(A)
+ Khi tính U
bđmax
thì thường tính cho trường hợp góc mở van lớn nhất α
max
theo

công thức:
α+
−
α
=
222
22
max
0d
maxbd
tg.m.k1
1m.k
cos.2
U
U

)V(2887,73tg.2.11
12.1
87,73cos.2
.24.9,0U
222
22
0
maxbd
=+
−
=

)mH(15,3)H(10.46,31
100.10.314.2.2.2

100.28
L
4
L
≈==→
−

Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc L
CKL
cần mắc thêm để lọc thành phần dòng
điện đập mạch: L
CKL
= L
L
- L
d
-L
ba
(Coi điện cảm tải L
d
=0)

→
L
CKL
= 3,15 - 0,0245 = 3,1255 (mH)