Đang tải... (xem toàn văn)
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 .. 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 dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụng 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 cũng 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.
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 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 dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụng 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 cũng 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 từng bước tiếp cận môn học. Để có thể nắm vững lý thuyết để áp dụng vào thực tế, ở học kỳ này em được các thầy giáo cho thiết kế môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế cao. Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là thầy Đoàn Văn Tuân đã giúp em hoàn thành đề tài này. Do lần đầu làm thiết kế môn học “điện tử công suất” kinh nghiệm chưa có lên em không tránh khỏi những sai sót mong các thầy chỉ bảo và giúp đỡ. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn ! Hải Phòng, ngày …. Tháng…. năm …. Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ điện 1.1. Tổng quan về công nghệ mạ điện. Hình 1.1: Mô hình mạ điện phân với nguồn một chiều. 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 hình 1.1. Các phần tử trong sơ đồ: 1- Bình ổn nhiệt. 2- Bình điện phân. 3- catôt. 4 và 5- anôt, 6- dụng cụ đo điện lượng. 7- Ampe kế. 8- nguồn điện một chiều 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 : 1.1.1. Nguồn điện một chiều như : pin, ắc quy, 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. 1.1.2. Anốt :là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều. Trước khi điện phân anốt cần phải đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ… Anốt dùng trong mạ điện có hai loại : anốt hòa tan và anốt không hoà tan. Anốt hoà tan được dùng trong 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 : + + =− =− 2 2 2 2 CueCu NieNi 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. Khi điện phân ở bề mặt, anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa −− ClOHOH ,, 2 … ↑+=− =− − − 22 2 244 22 OOHeOH CleCl Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là O 2 hay Cl 2 . 1.1.3. 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 : ↓=+ + NieNi 2 2 Mạ kẽm : ↓=+ + ZneZn 2 2 Đồng thời với ion kim loại bị khử, + OH 3 cũng bị khử giải phóng ra khí H 2 theo phản ứng : OHHeoH 223 22 +↑=+ + Khí H 2 thoát ra trên bề mặt catốt 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 loại 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 khoảng 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiện tượng phóng điện trong chất điện phân. Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đã nối mạch điện. 1.1.4. 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 ion của kim loại mạ và một số hoá chất thiết yếu khác, nếu thiếu hóa chất này thì dung dịch 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 dẫn điện cao. Độ dẫn điện của dung dịch không những chỉ giảm được tổn thất điện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn. - Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng trong một khoảng pH nhất định. Ví dụ: mạ Niken pH=4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch amôniclorua pH= 4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch axít pH= 3,5 đến 4,0… - Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng cao trong một khoảng nhiệt độ nhất định. Ví dụ như mạ Niken khoảng nhiệt độ là 50 – 70 o C , mạ vàng 60 – 70 o C. Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôi của dung dịch. - Mỗi dung dịch có một khoảng 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 muối đơn. Ví dụ, lớp mạ thu được từ dung dịch − 2 4 )(CNZn hoặc − 2 3 )(CNZn tốt hơn lớp mạ thu được từ dung dịch muối CuSO 4 . 1.1.5. 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 công nghệ mạ điện. 1.2. Yêu cầu về công nghệ mạ điện. - Trước khi mạ, vật cần mạ được tiến hành gia công cơ khí để có bề mặt bằng phẳng, đồng thời tẩy xóa các lớp gỉ, đánh bóng bề mặt theo yêu cầu cần sử dụng. -Tẩy sạch dầu mỡ các hợp chất hóa học khác có thể có trên bề mặt vật mạ. Tóm lại lúc trước khi chi tiết vào bể điện phân , bề mặt cần phải bằng phẳng , tuyệt đối sạch dầu mỡ , các màng oxit có thể có . Trong điều kiện như vậy lớp mạ thu được có độ bóng tốt, không sước , không sần sùi ,bóng đều toàn lớp mạ đồng nhất như ý. Phương pháp gia công 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 gai công hóa học bao gồm : tẩy dầu mỡ , tẩy gỉ, tẩy lại làm bóng bề mặt, rửa sạch. 2.2.1. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. 1. Sơ đồ nguyên lý T 1 T 2 T T 3 L R 4 A B u 2 Hình 2.5. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đối xứng 2.Hoạt động của sơ đồ: - Trong nửa chu kỳ đầu thế tại điểm A mang dấu “+”, còn thế ở điểm B mang dấu “ - ”. Nếu đồng thời có tín hiệu điều khiển cho cả hai van bán dẫn T 1 và T 3 , thì hai van mở cho dòng chạy qua (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm). Còn đối với tải có chứa sức điện động E thì phải đồng thời có hai điều kiện trên và phải có thế tại A có giá trị lớn hơn sức điện động E thì hai van bán dẫn T 1 và T 3 mới cho dòng qua. Đến nửa chu kỳ sau, điện áp tại A và B đổi dấu, thế tại A có dấu “ - ”, còn thế tại B có dấu “ + ”. Nếu có xung điều khiển cho cả hai van T 2 và T 4 thì các van này sẽ mở (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm). Nếu trong tải có thành phần sức điện động E thì phải có thêm điều kiện U B ≥ E thì hai van bán dẫn T 2 và T 4 mới cho dòng đi qua, để đặt điện áp lưới lên tải. Với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước . a.Khi tải thuần trở R : Với θ sin2 22 Uu = - Khi αθ = : cho xung điều khiển mở T1, T2 và U d = - U 2 , hai tiristor sẽ khoá tự nhiên khi 2 0u = . - Khi θ π α = + , cho xung điều khiển mở T3, T4 và U d =U 2 . + Dòng qua tải là dòng gián đoạn. + Giá tri trung bình của điện áp tải : 2 2 21 2 sin . (1 cos ) d U U U d π α θ θ α π π = = + ∫ (2.1) + Giá trị trung bình dòng tải : R U I d d = (2.2) + Giá trị trung bình dòng qua tiristor : 2 21 sin . 2 2 2 d d T U I U I d R R π α θ θ π = = = ∫ (2.3) + Dạng sóng cơ bản : Hình 2.6. Dạng điện áp và dòng điện khi tải thuần trở b. Khi tải R+L. - Khi L đủ lớn thì dòng điện i d sẽ là dòng liên tục, i d =I d . - Phương trình mạch tải : θ θθ d d XRidU d i d += .sin2 2 (2.4) 2 1 2 sin . d d I d d I R X U d i d di π α π α α α θ θ θ π π π + + = + ∫ ∫ ∫ (2.5) 2 2 2 cos d U U α π = (2.6) - Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp : [...]... Pd Trong đó : S2 = 3U 2 I 2 = 1,045 Pd + Công suất cuộn kháng cân bằng là : SLa = 0,057Pd I La = + Giá trị trung bình của dòng điện trong cuộn kháng : Id 2 Hình 2.13 Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng 3 Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : - 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, ta thấy chất lượng điện. .. bản : Hình 2.7 Dạng dòng điện và điện áp khi tải là L và R 1 Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : Chỉnh lưu cầu một pha cho chất lượng điện áp tương đối tốt, dòng điện qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ Điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ + Nhược điểm : 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... suất phù hợp Điều quan trọng nhất trong công nghệ mạ là chất lượng sản phẩm mạ, chất lượng lớp mạ còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố Điều khiển chất lượng mạ phải khống chế đồng thời cả dung dịch mạ lẫn cách thức mạ, nhưng quan trọng nhất vẫn là dải mật độ dòng điện thích hợp vì nó tạo điều kiện điện phân có phân cực lớn, do đó màu tinh thể mới được sinh ra dễ dàng hơn Lớp mạ là do vô vàn các tinh thể hợp... hệ số điện áp ngược và điện áp tải Sơ đồ mạch động lực k nv = 6 ku = 3 6 π B C A Ap CD 1CC C R R R C R T1 C T6 T3 C 2CC C R T2 2CC C R T5 2CC 3CC 3CC 2CC C T4 2CC R C R C 2CC R c 1CC b 1CC a L U Hình 2.14 Sơ đồ mạch động lực - 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, qua một hệ số dự trữ điện áp kdtU ÷ kdtU thường được chọn trong khoảng(1,6... cấp và thứ cấp của máy biến áp 5 Công suất tối đa của máy biến áp: Pdmax = Ud0 Id = 35,8 250 = 8950(w) Trong đó: Pdmax - Công suất tối đa của tải (W) Udo - Điện áp không tải máy biến áp (V) Id - Dòng điện tải (A) 6 Công suất biểu kiến của máy biến áp: Sba = ks Pdmax = 1,05 8,95 = 9,3975(kVA) Trong đó: ks = 1,05: Hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực 2.4.2 Tính sơ bộ mạch từ 1.Tiết diện sơ bộ của... ý đến các vấn đề cách điện vì dòng thứ cấp rất lớn phát sinh ra nhiệt nhiều Đồng thời máy biến áp ta sử dụng trong việc mạ điện phải kín Vì trong khi mạ hơi của các muối dùng để mạ, hay các chất phụ gia và chất xúc tác… có tính ôxy hoá cao do đó ta phải có vỏ để bảo vệ máy biến áp bằng cách thiết kế thùng dầu để cho máy biến áp vào 1 Điện áp sơ cấp máy biến áp U1 = 380 (V) 2 Điện áp pha thứ cấp của... mạ càng tốt Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít chặt đồng đều Vậy để nâng cao chất lượng mạ đòi hỏi chất lượng dòng điện một chiều với mật độ cao, độ ổn định lớn và chất lượng điện áp tốt Nếu chọn chỉnh lưu cầu một pha, tuy chất lượng điện áp tương đối tốt nhưng mật độ không cao, biên độ đập mạch lớn, thành phần đa hoà bậc cao lớn, hiệu suất sử dụng máy biến áp xấu và công. .. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha không đối xứng 2 Hoạt động của sơ đồ Khi làm việc, các điôt chuyển mạch tự nhiên, còn các tiristor chuyển mạch tại các góc điều khiển α Khi α < 60o , điện áp ud luôn lớn hơn 0 Nhưng khi α > 60o sẽ xuất hiện các giai đoạn hai van mắc thẳng hàng dẫn đồng thời Trong khoảng lên anot D2 0 ÷ θ1 : T5 và D6 cho dòng tải id = Id chảy qua D6 đặt điện thế ub Khi θ ≥ θ1 điện. .. và dòng điện Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là: dòng tải, sơ đồ đã chọn, điều kiện toả nhiệt, điện áp làm việc Các thông số cơ bản của van động lực được tính như sau: 2.3.1 Điện áp ngược của van: 1 Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu U nmax = knv U 2 = knv Ud 6 = π 30 = 31.416 ku 3 6 (V) Trong đó: Unmax , U2, Ud : Điện áp ngược max của van, điện áp xoay chiều ,điện áp... tải và của nguồn lớn, cần phải lọc điện áp trước khi đưa tới tải 2.2.4 Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng 1 Sơ đồ nguyên lý ua ub C B A ua' uc ub' uc' R L T1 T 3 T 5 T4 T6 T2 a b O a b O Hình 2.12 Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha dung cuộn kháng cân bằng Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, được biểu diễn như trên sơ đồ, bao gồm máy biến áp động lực, có cuộn kháng cân bằng La Trên mỗi trục của lõi . của quá trình mạ bằng điện phân .Trong công nghệ mạ còn có một số yêu cầu về công nghệ mạ điện. 1.2. Yêu cầu về công nghệ mạ điện. - Trước khi mạ, vật cần mạ được tiến hành gia công cơ khí để. 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 : + + =− =− 2 2 2 2 CueCu NieNi Các cation kim loại tan vào dung dịch điện. công nghệ mạ điện 1.1. Tổng quan về công nghệ mạ điện. Hình 1.1: Mô hình mạ điện phân với nguồn một chiều. Đề tài thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tài có giá trị thực tế lớn, bởi vì trong