Nghiên cứu thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện

lời nói đầu
M kim loi ra i v phỏt trin hàng trăm năm nay. Ngày nay . mạ
kim loại đã trở thành một nghành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các
nước trên thế giới . phục vụ một cách đắc lực cho các nghành khoa học kỹ
thuật . sản xuất và đời sống văn minh con người. Chúng ta có thể dễ dàng
bắt gặp các các ứng dụng của mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết may . kỹ
thuật điện tử . cơ khí chính xác . cơng nghiệp đóng tàu cho đến các dụng
cụ sinh hoạt . trang trí bao bì Có được điều đó là do mạ kim loại ngồi mục
đích bảo vệ chống ăn mịn cịn có nhiều tác dụng như là : tăng độ cứng .
phản quang . trang trí góp phần nâng cao chất lượng và tính thẩm mỹ của
vật mạ.
So với các nước trên thế giới thì cơng nghệ mạ điện ở nước ta còn
nhiều hạn chế do vậy để đáp ứng được nhu cầu thực tế chúng ta phải khơng
ngừng nâng cao trình độ khoa học và cơng nghệ . cần thiết phải hình thành
các trung tâm nghiên cứu mạ để qua đó nâng cao chất lượng lớp mạ . hạ giá
thành sản phẩm và chống ô nhiễm mơi trường.
Với ý nghĩa đó em được giao đề tài tốt nghiệp : Nghiên Cứu Thiết kế
bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện

. đây là một đề tài có

qui mơ và ứng dụng thực tế nhưng trong khuôn khổ của một đề tài thiết kế
tốt nghiệp em chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản . cốt lõi nhất được trình
bày trong 5 chương của đồ án :
CHƯƠNG I

: Tổng quan của công nghệ mạ điện

CHƯƠNG II : Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu
CHƯƠNG III : Tính tốn và thiết kế mạch động lực
CHƯƠNG IV : Tính tốn và thiết kế mạch điều khiển

CHƯƠNG V : Xây dựng hệ thống ổn định điện áp và bảo vệ ngắn mạch
Để hoàn thành bản thiết kế . bên cạnh sự nỗ lực của bản thân . không


thể không nhắc đến sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cơ trong bộ
mơn Thiết bị điện - Điện tử . đặc biệt là
Tuy nhiên . trong quá trình thiết kế . do kiến thức thực tế còn hạn chế nên
bản đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy em mong nhận được sự góp ý .
giúp đỡ của thầy cô và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn!


CHNG I
tổNG QUAN Về CÔNG NGHệ Mạ ĐIệN
1.1 S hỡnh thành lớp mạ điện
1.1.1 Khái niệm :
Mạ điện là một cơng nghệ điện phân . là q trình kết tủa kim loại lên
bề mặt nền một lớp phủ có tính chất cơ . lý . hoá đáp ứng được yêu cầu
kỹ thuật mong muốn .
1.1.2 Sơ đồ điện phân :
Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và cơng nghệ vật liệu thì
ccơng nghệ mạ điện cũng có những bước tiến dài. Đối với vật liệu nền về
nguyên tắc là kim loại nhưng ngày nay nó có thể là phi kim đơi khi cịn là
chất dẻo . gốm sứ hoặc composit. Lớp mạ cũng vậy ngoài kim loại ra cịn có
thể là phi kim hoặc kim loại - gốm .
Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ cịn tuỳ thuộc vào trình độ
cơng nghệ . vào tính chất cần có của lớp mạ và giá thành. Chỉ có những
cơng nghệ nào ổn định trong một thời gian dài mới được ứng dụng vào trong
sản xuất nhưng nhìn chung các cơng nghệ đó đều sử dụng sơ đồ in phõn
nh sau :

nguồ n điện
1 c hiều

_
+
ANOT

CATOT

ĐK
dung dịc h m¹

Hình 1.1 : Sơ đồ tổng qt dùng trong mạ điện


a) Nguồn điện một chiều :
Có một vai trị rất quan trọng bởi vì nó cung cấp năng lượng cho quá
trình mạ . đồng thời chất lượng của nguồn một chiều sẽ ảnh hưởng trực tiếp
đến chất lượng mạ .
b) Anot :
Là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều . anot dùng
trong mạ điện có hai loại : anot hồ tan và anot khơng hồ tan .
› Anot hồ tan :
Trong q trình điện phân trên bề mặt anốt xảy ra phản ứng oxi hoá
nhờ vậy mà anot có thể hồ tan vào trong dung dịch mạ tạo thành các cation
kim loại . các cation này sẽ đến catot và kết tủa trên bề mặt catot hình thành
nên lớp mạ. Anot hồ tan được dùng trong các trường hợp mạ Ni . Cu .
Zn . Sn
› Anot khơng hồ tan :
Trên bề mặt anot chỉ xảy ra q trình oxi hố H2O hoặc các gốc OH - .

Cl- Anot khơng hồ tan dùng trong trường hợp mạ : Cr .

c) Catot :
Là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều . trong mạ điện
catot là vật mạ. Trên bề mặt catot luôn diễn ra các phản ứng khử ion kim loại
mạ và ion H 3O + . Catot cần phải nhúng ngập vào dung dịch . thường ngập
dưới mặt nước từ 8 ÷ 15 cm và cách đáy bể khoảng 15 cm . các chỗ nối phải
đảm bảo tiếp xúc thật tốt không để gây ra phóng điện trong chất điện phân.
Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anot và catot khi đã nối mạch điện .
d) Dung dịch chất điện phân :
Dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường có hai phần :
› Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại mạ và
một số hoá chất thiết yếu khác nếu thiếu hoá chất này thì dung dịch khơng
thể dùng để mạ được


› Thành phần các chất phụ gia bao gồm :
• Chất làm bóng lớp mạ
• Chất đệm để giữ cho pH của dung dịch ổn định
• Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo lớp mạ khơng bong nứt
• Chất san bằng đảm bảo lớp mạ đồng đều hơn
• Chất làm tăng độ dẫn điện cho dung dịch
• Chất chống thụ động hoá anot nhằm ổn định mạ
e) Bể điện phân :
Làm từ vật liệu cách điện . bền hoá học . bền nhiệt. Thành và mặt
trong của bể thường được lót bằng chất dẻo . lớp chất dẻo này phải kín tuyệt
đối . nước khơng thấm qua được. Mặt ngồi sơn nhiều lớp chống gỉ Bể mạ
thường có hình chữ nhật điều này giúp cho lớp mạ được phân bố đều hơn bể
có hình dạng khác.
Trong thực tế ta có thể gặp nhiều loại bể mạ như là : bể mạ tĩnh .

thùng mạ quay.
1.1.3 Điều kiện để tạo thành lớp mạ :
Vì mạ điện là một quá trình điện phân nên q trình điện hố xảy ra
trên các điện cực tông quát như sau :
a) Trên anot xảy ra q trình hồ tan kim loại anot :
M − ne → M n

+

(1)

Trong một số trường hợp phải dùng anot khơng tan khi đó dung dich
sẽ đóng vai trị chất nhường điện tử vì vậy ion kim loại sẽ được định kỳ bổ
xung dưới dạng muối vào dung dịch . lúc đó phản ứng chính trên anot chỉ là
q trình oxi hố OH - ,Cl − :
2Cl − − 2e → Cl2 ↑
4OH − − 4e → 2 H 2O + O2 ↑


b) Trên catot . các cation kim loại giải phóng điện tử tạo thành nguyên tử
kim loại mạ :
+

M n + ne → M

(2)

Nếu ta khống chế các điều kiện điện phân như thế nào đó để cho hiệu
suất của hai phản ứng (1) và (2) bằng nhau thì nồng độ ion M n trong dung
+

dịch sẽ luôn luôn không thay đổi điều này ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp
mạ .
1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ
1.2.1 Vật liệu nền và sự thoát hiđro :
a) Trạng thái bề mặt kim loại nền :
Trong kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ
sạch và độ nhẵn :
› Độ sạch :
Bề mặt nền được làm sạch tuyệt đối sẽ đảm bảo cho các nguyên tử
kim loại mạ liên kết trực tiếp vào mạng tinh thể . kim loại nền đạt độ gắn
bám cao nhất. Nếu thông số mạng của chúng khác nhau khơng nhiều (từ 2 .5
÷ 12 .5%) và bề mặt được làm sạch hồn tồn thì kim loại mạ có thể tiếp tục

phát triển và lặp lại kiểu mạng của cấu trúc nền ( hiện tượng lai ghép mạng
tinh thể ) . khi đó độ gắn bám của lớp mạ đạt đến độ bền của kim loại. Do
vậy trước khi mạ bề mặt phải được gia công . xử lý bằng các phương pháp
khác nhau sao cho khơng cịn gỉ . khơng cịn màng oxit mỏng mới hình
thành ngay trong q trình gia cơng bề mặt tại xưởn . khơng cịn dính dầu
mỡ . mồ hơi tay hoặc các chất bẩn khác.
› Độ nhẵn :
Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp
mạ. Bề mặt nền nhám . xước làm cho phân bố điện thế và mật độ dịng điện
khơng đều :


• Chỗ lõm . rãnh sâu điện thế và mật độ dòng điện cục bộ bé . tốc độ
mạ chậm thậm chí khơng mạ được
• Chỗ lồi cao . đỉnh nhọn điện thế và mật độ dòng điện sẽ cao hơn nên
tốc độ mạ ở đó rất lớn có thể sinh ra gai . cháy kết quả là độ nhám

của nền được khuyếch đại lên sau khi mạ. Do vậy người ta thường
dùng chất san bằng để làm cho bề mặt nền không quá nhám.
b) Bản chất kim loại nền :
› Nếu kim loại nền dương hơn kim loại mạ thì lớp mạ đóng vai trị anot trong
pin . bị ăn mịn và hồ tan cịn kim loại nền được bảo vệ cho đến khi nào
kớp mạ tan hết.Vì vậy tác dụng và khả năng bảo vệ của lớp mạ này phụ
thuộc chủ yếu vào chiều dày của nó . độ kín tuy rất quan trọng nhưng khơng
phải là chủ yếu. Công nghệ điện kết tủa loại lớp mạ anot này tương đối đơn
giản.
Ví dụ : Mạ Zn lên Fe . thép từ dung dịch sunfat.
› Nếu kim loại nền âm hơn kim loại mạ thì tác dụng và khả năng bảo vệ của
lớp mạ phụ thuộc vào độ kín của nó cịn độ dày chỉ là thứ yếu. Vì nếu có lỗ
thủng vi pin ăn mịn sẽ xuất hiện trong kim loại nền đóng vai trị là anot và bị
hoà tan. Lớp mạ tuy vẫn sáng đẹp . dày nhưng dễ bong ra từng mảng lớn do
nền đã bị gỉ ở dưới lớp mạ. Công nghệ điện kết tủa loại lớp mạ catot này khá
phức tạp
Ví dụ : Mạ Cu từ dung dịch sunfat lên Fe . thép . Zn
c) Sự thốt hiđrơ :
Mạ điện thường được thực hiện trong môi trường nước nên phản ứng
phụ catot hay gặp nhất là ion H + phóng điện tạo thành hiđrơ. Ngun nhân
có hiđrơ thốt ra đồng thời với kim loại mạ là do điện thế phóng điện của
chúng xấp xỉ nhau .
Các kim loại có q điện thế hiđrơ lớn như : Zn . Pb . Sn dù kết tủa
trong mơi trường axit hiđrơ vẫn khơng thể thốt ra được và hiệu suất dòng


điện vẫn rất cao (xấp xỉ 100%) còn các kim loại có q điện thế hiđrơ bé như
: Fe . Ni . Co . Pt thì hiđrơ thốt ra rất dễ. Việc thốt hiđrơ trên bề mặt
catot trong q trình mạ gây nhiều tác hại :
› Giảm hiệu suất dòng điện : Vì phải tiêu phí điện năng vào việc giải phóng

hiđrơ vơ ích . tốc độ mạ lại giảm đi
› Thay đổi pH của dung dịch : Do phản ứng phụ catot
2 H + + 2e → H 2 ↑

mà nồng độ H+ giảm đi ( giảm trước tiên trong lớp sát catot) pH sẽ tăng đến
giá trị đủ để tạo hiđrôxit hoặc muối kiềm khi tan là nguyên nhân sinh gai .
cây

cấu tạo lớp mạ bị xô lệch làm tăng ứng suất nội. Để khắc phục hiện

tượng này ta phải điện phân ở nhiệt độ cao hơn . khuấy mạnh dung dịch .
tăng nồng độ ion kim loại và ion H+ .
› Gây ra hiên tượng giịn hiđrơ :
Hiđrơ vừa thốt ra ở dạng ngun tử rất dễ bị hấp thụ bởi kim loại nền
. mạ tạo thành hợp chất hiđrua hay hoà tan trong kim loại thành dung dịch
rắn hoặc chui vào mạng tinh thể làm xô lệch tổ chức kim loại gây nên cứng
và giịn hiđrơ . lớp mạ có ứng suất lớn dễ bong hoặc phồng rộp .
› Gây ra hiện tượng rỗ :
Hiđrơ thốt ra cịn có thể đóng lại thành bọt bám trên mặt catot lớn
dần rồi tách ra. Trong suốt trời gian bám trên catot . bọt đã che chắn không
cho quá trình mạ xảy ra tại chân bám của nó tạo nên các vết rỗ . lỗ thủng.
1.2.2 Ảnh hưởng của thành phần dung dịch mạ
a) Muối và các hợp chất chứa ion của kim loại mạ :
Đây là thành phần thiết yếu của dung dịch mạ . tạo môi trường để
diễn ra các q trình điện hố ở catot . anot.
Thành phần cation trong hợp chất này giúp giữ cho pH của dung dịch mạ xác
định ổn định.
Thành phần anion ảnh hưởng khá mạnh tới khả năng hấp thụ lên catot .

b) Chất dẫn điện :
Các chất này không tham gia vào q trình catot . anot mà chỉ đóng
vai trị chuyển điện trong dung dịch làm giảm điện thế bể mạ . giảm nhiệt
Jun thoát ra . nâng cao hiệu suất dịng điện .
Ví dụ : Dùng H2SO4 trong bể mạ CuSO4 hoặc ZnSO4
Dùng Na2SO4 . MgSO4 trong bể mạ Ni
c) Chất đệm :
Nhiều dung dịch mạ chỉ làm việc trong một khoảng pH nhât định mà
thôi cho nên phải dùng chất đệm thích hợp để khống chế. Chất đệm thường
dùng là các axít yếu như : bơric . axêtic . xitric hoặc các muối như axêtat
. Al 2(SO4)3 . phèn nhôm .
d) Chất hoạt động bề mặt và chất keo :
Một số chất hữu cơ hoạt động bề mặt hoặc chất keo lẫn vào bể mạ
hoặc do ta chủ động đưa vào tuy nồng độ rất bé nhưng có ảnh hưởng rất lớn
đến cấu trúc kết tủa catot. Nếu chọn được chất hoạt động bề mặt thích hợp
cho ta hiệu ứng tốt . làm cho kết tủa catot nhỏ mịn . sít chặt ngược lại có
thể làm kết tủa rất giịn . dễ bong . sần sùi.
e) Chất bóng :
Là một loại của chất hoạt động bề mặt có tính chất đặc biệt cho phép
thu được lớp mạ bóng trực tiếp ngay từ bể mạ khơng cần đánh bóng hoặc tẩy
bóng thêm
f) Chất thấm ướt :
Có tác dụng thúc đẩy bọt (khí hiđrơ ) mau tách khỏi bề mặt mạ tránh
được rỗ . châm kim. Các chất thấm ướt thường dùng : Ankylsunfat . rượu
êtylíc
g) Chất chống thụ động anot :
Đa số các quá trình mạ đều dùng anot hoà tan để giữ cho nồng độ ion
kim loại trong dung dịch không bị nghèo đi do chúng đã giải phóng ra trên

catot. Trên thực tế một phần hoặc toàn bộ bề mặt anot bị phủ một lớp muối .
hiđrôxit hoặc lớp oxit khó tan làm cho diện tích hoạt động của anot bị thu
hẹp phân cực anot tăng lên . dẫn đến thốt khí O 2 trên anot . anot bị thụ
động trầm trọng hơn .
Để khắc phục hiện tượng này người ta phải đưa vào dung dịch mạ chất
chống thụ động anot như : Ion Cl − trong mạ Ni ; ion CN − , CNS − trong mạ
đồng xianua với mục đích ngăn cản việc hình thành các chất khó tan trên bề
mặt catot .
h) Tạp chất :
Đây là thành phần khơng mong muốn nhưng khó tránh khỏi trong các
thành phần dung dịch kỹ thuật. Chúng có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ .
tan hay không tan . có thể phóng điện hay hấp phụ trên catot và lẫn vào lớp
mạ gây nên bong . rộp . giịn . gai. Vì vậy làm sạch dung dịch mạ thường
xuyên và triệt để là một yêu cầu bắt buộc nhất là đối với các bể mạ bóng .
mạ tốc độ cao . mạ có khuấy dung dịch.
Ta có thể loại bỏ chất hữu cơ bằng các chất oxihoá (H 2O2 . oxi thoát ra từ
anot ) hoặc bằng cách hấp phụ trên than hoạt tính.
Loại bỏ các cation dương hơn ion kim loại mạ bằng cách điện phân ở
mật độ dịng điện bé và pH thích hợp hoặc bằng phản ứng đẩy bởi chính chất
bột kim loại mạ.
Loại bỏ cation âm hơn ion kim loại mạ có gây hại bằng cách tăng pH
để kết tủa chúng dưới dạng hiđrôxit (nếu được) .
Loại bỏ các chất không tan bằng cách lọc dung dịch tốt nhất là lọc liên
tục . bao anot trong túi vải để giữ mùn cặn lại.
1.2.3 Mật độ dòng điện :
Là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực.
Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn . sít
chặt và đồng đều . bởi vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại

những điểm lồi (có lợi thế) mà cả trên các mặt phẳng (ít lợi thế hơn ) của tinh
thể. Mặt khác mật độ dòng điện cao sẽ làm cho ion kim loại mạ bị nghèo
nhanh trong lớp dung dịch sát catot. Do đó phân cực sẽ tăng lên tạo điều kiện
sinh ra lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn. Nhưng nếu mật độ dòng điện quá cao
(gần đến dòng giới hạn) cũng khơng được bởi vì lúc đố lớp mạ sẽ bị gai .
cây hoặc cháy. Khi mạ tại dòng giới hạn thì chỉ thu được bột kim loại ngồi
ra cịn làm anot dễ bị thụ động hiđrơ dễ thốt hơn và biến động mạnh pH ở
lớp dung dịch sát catot.
Như vậy để tăng mật độ dòng điện mà chất lượng mạ vẫn tốt ta cần tăng mật
độ dòng điện giới hạn igh lên trước đã như là tăng nhiệt độ . tăng nồng độ ion
chính hoặc tăng sự đối lưu trong dung dịch :
Dc/Dgh

H+ + e =1/2H2

Bột mịn lẫn oxit và hiđroxit

1.0
Bột , sần , gai ,xốp

Lớp mạ đa tinh

Mn+ + ne = M

Xoắn , lớp , khối (cấu trúc tinh thể hồn
chỉnh nhất )

0

Hình 1.2 : Thay đổi dạng kết tủa theo mật độ dòng điện

E

1.2.4 : Nguồn điện một chiều
Có một vai trị rất quan trọng . là yếu tố quyết định đến chất lượng lớp
mạ thu được. Vì vậy nếu chỉ quan tâm đến việc nâng cao . thay đổi chất
lượng của vật liệu nền . vật liệu mạ thì chưa hẳn đã thu được sản phẩm mạ
với chất lượng mong muốn một khi chất lượng nguồn một chiều khơng được
đảm bảo. Do đó trong cơng nghệ mạ điện ln địi hỏi nguồn một chiều phải


có chất lượng tốt . khơng gián đoạn . hiệu suất cao . ổn định . làm việc lâu
dài . dễ dàng sửa chữa và thay thế .
Trong một số trường hợp đặc biệt do yêu cầu về công nghệ cũng như
của sản phẩm mạ mà ta có thể thực hiện các phương pháp như là : Dùng
dòng xung từ vài ba giây đến 30 giây đầu tiên với mật độ dịng điện cao gấp
từ 2 ÷ 3 lần bình thường hoặc là dịng đổi chiều khơng đối xứng . dịng
khơng liên tục. Tuy nhiên thơng thường nhất người ta vẫn quan tâm đến việc
làm sao để có thể tạo ra nguồn một chiều với chất lượng tốt nhất :
a) Sử dụng máy phát điện một chiều
› Sơ đồ :
380v

+
®c

-

R
Ut

MF - 1C

bĨ m¹

bĨ m¹

Hình 1.3 : Mơ hình sử dụng máy phát điện một chiều
Để điều chỉnh được điện áp ra U ta cần thay đổi dòng điện kich từ It
bằng cách mắc thêm một biến trở vào mạch kích thích.
› Nhận xét :
Nhìn chung máy phát điện một chiều cho dải điều chỉnh điện áp
rộng . đáp ứng được yêu cầu về công suất cho tải mạ. Song bên cạnh đó máy
phát điện một chiều vẫn cịn tồn tại nhiều khuyết điểm như là : Thiết bị cồng
kềnh . làm việc có tiếng ồn lớn . khó khăn trong việc bảo dưỡng và sửa
chữa . chi phí ban đầu cao do máy phát điện một chiều cần phải đặt trong


một phịng kín riêng biệt . dịng điện đưa tới các bể mạ qua hai thanh cái lớn
nên tốn đồng. Chính vì vậy mà ngày nay trong cơng nghệ mạ điện máy phát
điện một chiều không được sử dụng
b) Sử dụng bộ biến đổi
Hiện nay . trong cơng nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụng
rộng rãi . thêm vào đó cơng nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng
được hồn thiện đặc biệt là cơng nghệ sản xuất tiristo đã đạt được nhiều
thành tựu. Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một
chiều được dùng phổ biến trong các nghành công nghiệp.
› Bộ biến đổi sử dụng biến áp tự ngẫu
• Sơ đồ :
v

38
0

U1

U2

U1

+

U2

b Ĩ m¹

-

Hình 1.4 : Sơ đồ sử dụng biến áp tự ngẫu
• Nhận xét :
Với sơ đồ sử dụng máy biến áp tự ngẫu thì tổn hao sẽ lớn hơn khi ta
dùng bộ biến đổi mặt khác ta gặp khó khăn trong q trình tự động hố bởi lẽ
muốn thay đổi liên tục điện áp trên tải ta cần thay đổi số vòng dây thứ cấp
của biến áp tự ngẫu bằng cách dùng chổi than tiếp xúc trượt với dây dẫn.
Chính điều này làm phát sinh tia lửa điện trong quá trình làm việc . làm hư
hỏng phần dây dẫn tiếp xúc với chổi than.
› Bộ biến đổi sử dụng điều áp xoay chiều
• Sơ đồ :
v
3
80

U1

+
U2
-

b Ĩ m¹


Hình 1.5 : Sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều
• Nhận xét :
Với sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều ta nhận thấy có nhược điểm :
Nếu góc mở giữa hai van liên tiếp trong một chu kỳ khơng bằng nhau thì sẽ
xuất hiện một điện áp trung bình một chiều . chính điện áp này sẽ gây ra q
dịng trong máy biến áp . có thể phá hỏng cách điện của máy biến áp cả về
nhiệt lẫn cơ.
› Bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu có điều khin
ã S :

+

v
380

U1

U2

bể mạ

-

Hỡnh 1.6 : S s dụng điều áp xoay chiều
• Nhận xét :
+

Sơ đồ này nếu đem so sánh với sơ đồ sử dụng biến áp tự ngẫu thì ta
thấy có những ưu điểm nổi bật : Thiết bị gọn nhẹ . tác động nhanh . dễ tự
-

động hoá . dễ điều khiển và ổn định dòng áp đồng thời đã khắc phục được
nhược điểm mà điều áp xoay chiều mắc phải như đã nêu ở trên vì điện áp
đưa vào biến chỉnh lưu là hình sin nên dịng điện trung bình trong một chu
kỳ luôn bằng 0.


CHNG 2
LựA CHọN SƠ Đồ CHỉNH LƯU
Do yờu cu trong nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là thiết kế bộ nguồn
chỉnh lưu với điện áp đưa vào chỉnh lưu là xoay chiều 3 pha nên dưới đây em
chỉ đề cập đến các sơ đồ chỉnh lưu 3 pha .
2.1 : Chỉnh lưu tia 3 pha
a) Sơ đồ nguyên lý :
v
380 B

A

a

b

C

c
U2f

R
Id

T1

T2

Ud

T3

Hình 2.1 : Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha
b) GIải thích hoạt động của sơ đồ :
Chỉnh lưu tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấu
sao có trung tính. Ba tiristo nối cùng cực tính để nối với tải . ba đầu còn lại
của van bán dẫn nối tới các pha thứ cấp biến áp. Tải được nối giữa đầu nối
chung của van bán dẫn với trung tính.


Tại thời điểm hai điện áp pha giao nhau được coi là góc thơng tự nhiên của
cá van bán dẫn. Các tiristo chỉ được mở thơng với góc mở nhỏ nhất tại thời
điểm góc thơng tự nhiên như vậy chỉnh lưu tia 3 pha góc mở nhỏ nhất là α =

0o dịch pha so với điện áp một góc 30o .
Do ba van đấu chung catot nên tại một thời điểm chỉ có một van dẫn
đó là van đấu với pha có điện áp dương hơn hai pha cịn lại và thời điểm cấp
xung cho van trước đó thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với
trung tính. Vì vậy tuỳ thuộc vào giá trị góc mở α mà điện trên tải Ud có thể
liên tục hoặc gián đoạn :
Khi α ≤ 30o thì điện áp Ud liên tục
Khi α > 30o thì điện áp Ud gián đoạn
Xét trường hợp α = 30o : Tại thời điểm α = α 1 = 30o cấp xung điều
khiển cho tiristo T1 . vì lúc này u a là dương nhất nên T 1 dẫn bỏ qua điện áp
rơi trên tiristo thì điện áp trên tải bằng điện áp nguồn . đến thời điểm α = α
2

= 1500 cấp xung điều khiển cho tiristo T 2 lúc này ub > ua nên T2 dẫn thông

cho đến khi mở tiristo T3 tại thời điểm α 3 đồng thời T1 bị khoá một cách tự
nhiên. Khi T2 dẫn . điện áp ngược đặt lên tiristo T 1 là điện áp dây giữa pha a
và pha b có trị số là 6 U2f. Xét tương tự cho thời điểm tiristo T3 dẫn.
c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha :
› Điện áp tải U d :
U d = 1,17 ∗U 2 f ∗ cosα
U d = 1,17 ∗

1
∗U 2 f ∗ 1 + sin ( π / 3 − α ) 
3

› Dịng điện trung bình trên mỗi van I v :
1
Iv = ∗ Id

3

› Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng U nv :

khi α ≤

π
6

khi α >

π
6


U nv = 6 ∗ U 2 f

› Công suất của máy biến áp UBA :
UBA = 1 .35 ∗ Pdmax
d) Giản đồ các đường cong trong trường hợp α = 300 . tải điện trở :
ua

U

l

uc

ub

α

α1

α2

α3

α4

t

U

d

t
Id

I
T1

I
T2

t
t

I
T3

t
U
T1

t


e) Nhận xét :
Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha thì việc điều khiển van tương
đối đơn giả . số lượng van ít nên kinh tế hơn. Tuy nhiên chất lượng điện áp
một chiều không cao do tần số đập mạch nhỏ . hiệu suất sử dụng biến áp
kém . số lượng van ít nên dịng qua van lớn gây sụt áp đáng kể đối với tải có
điện áp nhỏ và dịng điện lớn .
Do vậy chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi công suất tải không
quá lớn so với biến áp nguồn cấp và khi tải có yêu cầu chất lượng điện áp
một chiều không quá cao .
2.2 : Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng
a) Sơ đồ nguyên lý :
A

v
380

B

C

U2f

a

T1

T4

b

T3

T6

c
T2

R
Ud

Id

T5


b) Giải thích hoạt động của sơ đồ :
Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ
đồ chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau :
› Nhóm T1 . T3 . T5 mắc theo kiểu catot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3
pha cho điện áp dương
› Nhóm T4 . T6 . T2 mắc theo kiểu anot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3
pha cho điện áp âm

Giả thiết tại thời điểm xét thì hai tiristo T5 . T6 đang đẫn :
› Khi α1 =

π
+ α cấp xung điều khiển mở tiristo T 1 . T1 mở được là do U a > 0
6

. T1 mở làm cho tiristo T5 bị khố lại một cách tự nhiên (vì U a > U c ). Lúc này
T6 và T1 dẫn cho dịng chảy qua. Khi đó điện áp trên tải sẽ là :
U d = U ab = U a − U b

› Khi α 2 =

3π
+ α cấp xung điều khiển mở tiristo T2 . T2 mở được vì lúc này
6

điện áp U c là âm nhất . T2 mở làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên. Tương
tự ta cấp xung điều khiển cho các tiristo còn lại theo đúng thứ tự pha.
Vì chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng được coi như là hai nhóm chỉnh lưu
tia 3 pha mắc ngược chiều nhau hợp thành vì vậy điện áp ngược trên mỗi van ta
xét tương tự như trong trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha.
c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng :
› Điện áp tải U d :
U d = 2,34 ∗U 2 f ∗ cosα
U d = 1,17 ∗

1
∗U 2 f ∗ 1 + sin ( π / 3 − α ) 
3

› Dòng điện trung bình trên mỗi van I v :
1
Iv = ∗ Id
3

khi α ≤

π
3

khi α >

π
3


› Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng U nv :
U nv = 6 ∗ U 2 f

› Công suất máy biến áp SBA :
SBA = 1 .05 ∗ Pdmax
d) Giản đồ đường cong trong trường hợp α = 300 . tải điện trở :
ua

ub

uc

Ul

α1

α2

α3

α4

α5

α6

α7

t

Ud

Id

I
T1

I

I

t
t

T2

t

T3

t

I
T4

t

I
T5

t

I

t

T6

t

t
U
T1

e) Nhận xét :
Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng cho ta
chất lượng điện áp một chiều tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn .
hiệu suất sử dụng máy biến áp cao tuy nhiên số lượng van sử dụng lớn nên
giá thành thiết bị cao . gặp khó khăn trong việc điều khiển van.
Nhìn chung sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng dùng cho
trường hợp tải có cơng suất lớn nhưng dịng tải nhỏ hoặc trường hợp tải có
u cầu hồn trả năng lượng về lưới.
2.3 : Chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng
a) Sơ đồ nguyên lý :
v
380

A

*

*

C

*
U2f

a

B

b

R

c

Ud

a'

b'

c'

*

*

*

Id

T1

T3

T5

T4
Lcb

b) Giải thích hoạt động của sơ đồ :

Lcb

T6

T2


Sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm một máy
biến áp động lực 3 pha . cuộn kháng cân bằng . 6 tiristo chia làm hai nhóm
T1 .T3 . T5 và T4 . T6 . T2
› Máy biến áp có hai hệ thống dây quấn thứ cấp a .b . c và a ’ .b’ .c’ . Các
cuôn dây trên mỗi pha a và a’ . b và b’ . c và c’ có số vịng dây như nhau
nhưng cực tính thì ngược nhau
› ua , ub , uc cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T1

. T3

. T5 tạo ra thành phần

điện áp ud 1
› ua , ub , uc cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T 4 . T6 . T2 tạo ra thành phần
,

,

,

điện áp ud 2

ud =

Do đó :

ud 1 + ud 2
(∗ )
2

› Nhờ có cuộn kháng cân bằng Lcb mà sáu tiristo được chia thành hai nhóm
van đấu theo sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha làm việc độc lập . song song với nhau
qua việc xét hoạt động từng nhóm van (tương tự như trong chỉnh lưu tia 3
pha) cho ta các dạng sóng điện áp ud1

. ud2. Từ biểu thức ( ∗ ) ta xác định

được ud .
c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng :
› Điện áp tải U d :

U d = 1,17 ∗ cosα ∗ U 2 f

› Dịng điện trung bình trên mỗi van I v :
1
Iv = ∗ Id
6

› Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng U nv
U nv = 6 ∗ U 2 f

› Công suất máy biến áp :

SBA = 1 .26 ∗ Pdmax


d) Giản đồ đường cong trong trường hợp α = 300 . tải điện trở :

U

d2

U

d1

U

d

α1
I

α2

α3

α4

α5

α6

α7

t

d

t
I

T1

t
IT2

t
I

T3

t
I
T4

t
I
T5

I
T6

t
t

U
T1

t

e) Nhận xét :
Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha cho ta chất lượng điện áp tốt do
tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn . dòng điện qua mỗi van chỉ bằng

1
6


dòng điện tải nên rất dễ dàng trong việc chọn van nhất là trong trường hợp
dòng tải lớn tuy nhiên do phải sử dụng hai hệ thống dây quấn thứ cấp nên
việc chế tạo máy biến áp sẽ phức tạp hơn và phải làm thêm cuộn kháng cân
bằng.
Nhìn chung chỉnh lưu tia sáu pha thường được chọn khi tải có dòng
điện quá lớn mà theo sơ đồ cầu 3 pha ta sẽ gặp khó khăn trong việc chọn
van.
Qua phân tích . so sánh những ưu nhược điểm của 3 sơ đồ chỉnh lưu
đồng thời liên hệ với số liệu trong đồ án tốt nghiệp cho tải mạ điện có I d =
1200 A và Ud = 16 V ta thấy việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tia có cuộn kháng
cân bằng là hợp lý.


Chơng 3

Tính toán và thiết kế mạch động lực
3.1 : Sơ đồ ngun lý mạch lực
A

B

N

C

v
380

AT

I>

I>

I>

M

D

K
K

K
A

*

*

a

b
C1

R1

R2

C2

a'

c

*

b'

C1 R1

C1

R2
T1

C

*

C1

R1

R1

C2

B

C1 R1

C1

C2

T5

T4

C2

*

R1

R2

R2
T3

*

c'

R2
T6

C2

R2
T2

Rs

+

-

C2
bĨ m¹

Lcb

Sơ đồ gồm có :

Lcb