Đề tài : Thiết kế bộ nguồn mạ một chiều có đảo dòng Giảng viên hướng dẫn : PGS Võ Minh Chính Sinh viên thực hiện : Nguyễn Quang Thuận Lớp : TĐH2 – K53 Năm thực hiện : 2011 Phương án 3 : Các tham số Điện áp một chiều định mức : d U = 12 V Dòng một chiều định mức : d I = 300 A Thời gian thuận : 10 s Thời gian nghịch : 0,1s Nguồn nuôi : 3.380V , 50Hz 1 Mục lục Lời nói đầu……………………………………………………………………………… 1 Chương 1. Tìm hiểu công nghệ mà một chiều có đảo dòng………………………………2 1.1. Tìm hiểu công nghệ mạ …………………………………………………………….2 1.2. Điều kiện tạo thành lớp mạ………………………………………………………… 2 1.3. Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ………………………………………… 3 1.4. Mạ có đảo chiều dòng mạ…………………………………………………………….3 1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ……………………………………………4 Chương 2. Lựa chọn phương án tổng thể……………………………………………… 5 2.1. Lựa chọn phương án chỉnh lưu đảo chiều……………………………………………5 2.2. Lựa chọn phương án mạch lực……………………………………………………….6 Chương 3. Thiết kế mạch lực…………………………………………………………… 8 3.1. Tính chọn van lực ……………………………………………………………………8 3.2. Tính toán MBA lực………………………………………………………………… 8 3.3. Thiết kế cuộn kháng lọc …………………………………………………………….13 3.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ ……………………………………………………….15 Chương 4. Thiết kế mạch điều khiển…………………………………………………….17 4.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển……………………………………………………17 4.2. Cấu trúc mạch điều khiển………………………………………………………… 17 4.3. Tính toán các khâu cơ bản………………………………………………………… 18 2 Lời nói đầu Thế kỷ XX đã đánh dấu nhiều phát minh quan trọng. Một trong những phát minh đó đã cho ra đời ngành công nghiệp điện tử, sử dụng các thiết bị bán dẫn có công suất lớn như: Diode, Triac, Tranzitor, chịu được điện áp cao và dòng điện lớn kể cả trong thiết bị bán dẫn cực nhỏ như : vi mạch, vi mạch đa chức năng …Ngày nay không riêng gì ở các nước phát triển, ngay ở nước ta thiết bị bán dẫn đã xâm nhập vào các ngành công nghiệp, các xí nghiệp nhà máy như xi măng, thủy điện, dệt, đóng tàu…. Công nghệ mạ đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của điện tử. Đó là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp. Đặc biệt là ngành công nghiệp mạ điện nó ứng dụng điện tử công suất tạo ra nguồn điện một chiều ổn định phù hợp với mạ điện tham gia vào điều khiển trong suốt quá trình mạ. Nhờ mạ điện ta tạo ra các sản phẩm có độ bền cao, nâng cao tính thẩm mỹ để phục vụ cho y tế và các ngành công nghiệp cũng như ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày.Trong quá trình làm và hoàn thành đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của thầy Võ Minh Chính. Mặc dù em đã cố gắng nhưng do trình độ và thời gian có hạn chắc không tránh khỏi hết khiếm khuyết. Em rất mong được sự chỉ bảo của thầy cô và đóng góp ý kiến của các bạn để bản đồ án của em được hoàn chỉnh. Hà nội , tháng 5 năm 2011 Sinh viên : 3 4 Chương 1 : Tìm hiểu công nghệ mạ 1 chiều có đảo dòng 1.1. Tìm hiểu về công nghệ mạ Mạ điện được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn, phục hồi kích thước,làm đồ tranh sức,chống ăn mòn,tăng đj cứng,dẫn điện,dẫn nhiệt,phản quang,dễ hàn…Về nguyên tắc,vật liệu nền có thể là kim loại,hợp kim,đôi khi còn là chất dẻo gốm sứ hoặc 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 và năng lực công nghệ,vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành.Xu hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ,sẵn có còn vật liệu mạ đắt,quí hiếm hơn nhưng chỉ là lơp mỏng bên ngoài. Kết luận : mạ điện là một quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ,lý,hoá đáp ứng được nhu cầu mong muốn. 1.2. Điều kiện tạo thành lớp mạ Hình 1.1 : Sơ đồ bể mạ 1.2.1 Điện cực :Mạ điện là quá trình điện phân.Quá trình điện phân xảy ra trên hai cực như sau: - Trên anốt xảy ra quá trình hoà tan kim loại. M - ne → M +n (1) - Trên katôt cation nhận điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ. M +n + ne → M (2) Với cac điều kiện điện phân thích hợp thì quá trình (1) và quá trình (2) sẽ cân bằng nhau.Do đó nồng độ ion M +n trong dung dịch sẽ luôn không đổi,điều này có ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp mạ.Trong một số trường hợp người ta dùng điện cực trơ khi đó dung dịch sẽ đóng vai trò chất nhường điện tử,vì vậy phải liên tục bổ sung vào dung dịch dưới dạng muối.Lúc đó phản ứng chính trên anốt chỉ là quá trình giải phóng ôxi. 1.2.2.Dung dịch mạ. Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ,chiều dày tối đa,mặt hàng mạ…)và chất lượng mạ.Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion 5 kim loại mạ,chất điện ly (dẫn điện) và các chất phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn. 1.2.3.Chất phụ gia. Bao gồm các chất : Chất dẫn điện, chất bóng, chất san bằng, chất thấm ướt, tạp chất. 1.2.4.Nguồn điện một chiều. Có thể là các nguồn khác nhau như:pin,ăc quy,máy phátđiện một chiều,có thể dùng nguồn điện hoá học…để cung cấp dòng điện một chiều cho bể mạ,bể điện phân…Các nguồn điện trên có công suất nhỏ,khó tạo ra,lại không kinh tế.Do đó chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi trong các xưởng mạ bởi vì nó đạt công suất lớn,dễ sản suất 1.3. Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ Quy trình công nghệ mạ bao gồm rất nhiều bước nhưng có thể chia thành ba giai đoạn sau: 1.3.1.Giai đoạn chuẩn bị. Xét đến bản chất vật liệu hàng mạ (nền),mức độ nhiễm bẩn và độ nhám bề mặt Độ nhấp nhô H của bề mặt mạ bảo vệ khụng được vượt quỏ 40µm, mạ trang sức bảo vệ (H < 2,5µm), mạ tăng độ cứng và mạ cách điện H < 1,25µm. Chọn dung dịch mạ căn cứ vào đặc tính vật cần mạ. 1.3.2.Giai đoạn mạ. Được tiến hành trong thời gian đã xác định trước.Giai đoạn này cần giữ cho dòng mạ không đổi. 1.3.3.Giai đoạn hoàn thiện. Là giai đoạn gia công,làm đẹp,làm hoàn thiện sản phẩm.Thường là các bước trung hoà,tẩy sáng,lấp đầy lỗ… Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể dựa váo định luật Faraday: m=S. D° .t.H.C Trong đó: -S : diện tích mạ (dm 2 ) - D° : mật độ dòng điện catôt (A/ dm 2 ) -t : thời gian mạ (h) -H : hiệu suất dòng điện -C : đương lượng điện hoá của kim loại mạ (g/∆h) 1.4. Mạ có đảo chiều dòng mạ Do yêu cầu công nghệ mạ mà bắt buộc phải có bộ nguồn một chiều. 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 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: 6 Hình 1.2. Đồ thị thời gian thuận – nghịch 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 nhất nên tan mạnh nhất, kết quả là thu được lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn. Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ lệ t c : t a và T thường 5 − 10s.Với yêu cầu cụ thể ở đây thì tỉ số t c : t a luôn không đổi là 10 : 0.1. 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. 1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ. Chất lượng mạ một chiều được qui định bởi các yếu tố sau: độ bóng lớp mạ,độ dày lớp mạ,độ bám chặt Chế độ dòng điện cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạ. Ảnh hưởng của các yếu tố điện: Mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực.Lúc đang mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mạ. Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong suốt quá trình mạ. 7 Chương 2 : Lựa chọn phương án tổng thể Để lựa chọn được một phương án thích hợp với yêu cầu “ Cấp điện cho bể mạ có đảo chiều dòng điện’’ ta cần phải lựa chọn 1 phương án điều chỉnh và sơ đồ mạch lực phù hợp 2.1. Lựa chọn phương án chỉnh lưu đảo chiều Để thay đổi và đảo chiều dòng điện để cấp vào bể mạ chúng ta buộc phải thiết kế các bộ chỉnh lưu đảo chiều với sơ đồ nguyên lý như sau. Hình 2.1 : Sơ đồ chỉnh lưu đảo chiều Gồm hai bộ chỉnh lưu, mỗi bộ cấp một chiều dòng điện ra tải. Vấn đề cơ bản nhất là quá trình đảo chiều. 2.1.1. Phương pháp điều khiển riêng Là phương pháp mà mỗi một chiều dòng điện ra tải,chỉ có một bộ phát xung ra tải, còn bộ kia được nghỉ không có xung điều khiển Phương pháp này phải đảm bảo bộ chỉnh lưu I nghỉ rồi mới phát xung chỉnh lưu II, nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn.Để đảm bảo nghỉ, dòng qua van về đến “0” có một khoảng thời gian khoá chắc chắn.Sau khi bộ chỉnh lưu I nghỉ, phải phát bộ kia ở chế độ nghịch lưu rồi mới chuyển dần về chế độ chỉnh lưu, trong đó luôn khống chế d I không vượt quá giá trị cho phép Trong phương pháp điều khiển riêng cần có một mạch logic đảo chiều, điều này làm cho bộ đảo chiều làm việc không nhanh vì nó có thời gian chết khi đảo chiều. Hình 2.2 : Phương pháp điều khiển riêng 2.1.2. Phương pháp điều khiển chung Là phương pháp mà cả hai bộ đều phát xung điều khiển cùng hoạt động,xong hoạt động ở chế độ trái nhau,một bộ ở chế độ chỉnh lưu,một bộ ở chế độ nghịch lưu, lúc đó bộ đảo chiều không cần bộ logic do đó cho phép đảo chiều nhanh . 8 Để tránh dòng điện xuyên giữa hai bộ chỉnh lưu, buộc phải đưa vào các cuộn kháng cân bằng, và cuộn kháng này phải tồn tại cả hai đầu cực của tải. Như vậy phương pháp này sẽ đòi hỏi tăng kích thước và giá thành thiết bị lên gấp 2-4 lần so với phương pháp điều khiển riêng, nhưng bù lại cho phép đảo chiều nhanh, không có thời gian chết. Hình 2.3 : Phương pháp điều khiển chung Nhận xét : Theo yêu cầu của công nghệ, công suất ra tải nhỏ, thời gian đảo chiều không quá nhanh nên ta lựa chọn phương pháp điều khiển riêng để cải thiện chất lượng dòng mạ và hạ chi phí giá thành. 2.2. Lựa chọn phương án mạch lực: Ta đưa ra một số phương án sau 2.2.1 Chỉnh lưu một pha một nửa chu kỳ - Là loại có nguyên lý đơn giản ít van . - Điện áp ra tải xấu 2 Ud=0,45.U ,độ đập mạch lớn dm k =1,57 ,dùng cho tải nhỏ (dưới 100 mA) nếu lọc bằng tụ điện . - Với tải thuần trở khi điều chỉnh điện áp ra dòng tải luôn bị gián đoạn 2.2.2. Chỉnh lưu hình tia hai pha - Sử dụng ở dải công suất nhỏ ,điện áp cấp dưới 100V và dòng tải chỉ lên đến hàng chục Ampe . - Độ đập mạch tương đối lớn dm k =0,67 ,công suất MBA lớn gấp 1,5 lần công suất 1 chiều cần thiết cho tải 2.2.3. Chỉnh lưu cầu một pha - Sử dụng rộng rãi trong thực tế ,dùng cho cấp điện áp từ 10V trở lên .Dòng tải lên đến 100 Ampe . - Không nhất thiết phải có MBA nguồn có thể mắc trực tiếp mạch chỉnh lưu vào lưới điện - Sụt áp trên van tăng gấp đôi, độ đập mạch tương đối lớn dm k =0,67 2.2.4. Chỉnh lưu ba pha hình tia - Cần có MBA nguồn ,công suất MBA gấp 1,35 lần công suất 1 chiều. - Cho phép nâng công suất tải lên rất nhiều đến vài trăm Ampe - Thích hợp với điện áp thấp 10 ÷ 30 V - Độ đập mạch tương đối nhỏ dm k =0,25 nên cuộn kháng lọc tương đối nhỏ - Độ sụt áp trên van nhỏ so với chỉnh lưu hình cầu . 2.2.5. Chỉnh lưu cầu ba pha - Cho phép đấu thẳng vào lưới điện 3 pha - Độ đập mạch rất nhỏ dm k =0,057 - Công suất MBA xấp xỉ công suất tải gây méo lưới điện ít hơn 9 - Sụt áp trên van lớn , không thích hợp với điện áp ra tải nhỏ ( dưới 10V ) 2.2.6 Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng - Dùng cho trường hợp cần dòng tải lớn ( hàng nghìn hàng vạn Ampe ) - Có độ đập mạch tương đối nhỏ ,độ sụt áp thấp hơn sơ đồ cầu . - Phức tạp vì phải mắc thêm cuộn kháng cân bằng và buộc phải dùng MBA khi công suất của 2 thiết bị này đều lớn . Nhận xét : Theo yêu cầu công nghệ mạ điện với d I =300 (A) ; d U =12 (V) ta chọn mạch chỉnh lưu sơ đồ hình tia 3 pha vì nó thích hợp với dòng tải hàng trăm Ampe và điện áp ra tải nhỏ . Các sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha hoặc chỉnh lưu 6 pha cuộn kháng cân bằng tuy có một số ưu điểm hơn nhưng nó phức tap so với yêu cầu của công nghệ vì có quá nhiều van khi ta sử dụng phương pháp điều khiển riêng chỉnh lưu đảo chiều ,dòng tải không quá lớn. 10 [...]... 14 , 71( cm) D +D 12 ,22 +14 , 71 = 13 ,465(cm) - Đường kính trung bình cuộn sơ cấp: D tb1 = 1 n1 = 2 2 - Chiều dài dây cuộn sơ cấp: l1 = π.D tb1.W1 = π .13 ,465.264= 11 167, 61( cm) ≈ 11 1,68(m) D +D 7,7 +14 , 71 = 11 ,205(cm) - Đường kính trung bình cuộn dây: D12 = t1 n1 = 2 2 D 11 ,205 ⇒ r12 = 12 = = 5,6025(cm) 2 2 Kiểm tra: h1 = 13 ,334 (cm) < h =15 (cm); h 2 = 9,095 (cm) < h =15 (cm) Thỏa mãn 2(a 02 +Bd 2 +Bd1 +a 21 ) = 9,04... 11 0 1. β 2 E cs -Ta có R 15 ≤ ( s là hệ số bão hòa khuyếch đại Tranzitor 1, 2 1, 7 ) s.Ig Chọn s =1, 2 ; Igmax có thể lấy gấp dòng điều khiển tra cứu Igmax = 3.I g = 3.0 ,15 = 0,45(A) U vmax ( U vmax =5(V); I vmax = 1 (mA) ) ⇒ R 15 ≥ 5 (kΩ) Mặt khác R 15 ≥ I vmax Chọn R 15 =15 (kΩ); R 17 = 15 (kΩ) E cs 15 = = 15 (Ω) Chọn R 16 = 20 (Ω) -Ta có R 16 > I c3 1 tn 62,5 .10 -6 = = 1, 04 (μF) Chọn C 4 = 1 (μF) 3.R 16 ... 0,00493.300= 1, 41 (V) π π - Sụt áp trên MBA: ΔU BA = ΔU r 2 +ΔU x 2 = 1, 052 +1, 412 = 1, 76 (Ω) - Điện áp trên động cơ khi có góc mở α min =10 ° U= U d0 cosα min -ΔU v -ΔU BA = 15 ,25.cos10°-2,3 -1, 76= 10 ,96(V) - Tổn hao ngắn mach MBA: ΔPn ΔPn 315 ,02 %ΔPn = 10 0%= 10 0%= 10 0%= 5 ,1( %) Sn k s Id U d0 1, 35.300 .15 ,25 R BA I 2 0,0035 .17 3, 21 100%= 10 0%= 4,65(%) - Điện áp ngắn mạch tác dụng: ΔU nr = U2 13 ,03 I2 17 3, 21 100%=... min = 5° ⇒ t xungdb = 18 0 -Lấy R 2 = R 3 =1 kΩ ; R 4 = R 5 =10 (kΩ) (R 2 . dây cuộn sơ cấp: 1 tb1 1 l = π.D .W = π .13 ,465.264= 11 167, 61( cm) 11 1,68(m)≈ - Đường kính trung bình cuộn dây: t1 n1 12 D +D 7,7 +14 , 71 D = = = 11 ,205(cm) 2 2 ⇒ 12 12 D 11 ,205 r = = = 5,6025(cm) 2. =(2,39+0 ,1) .5 =12 ,45(mm) =1, 245(cm) - Đường kính ngoài cuộn sơ cấp: n1 t1 1 D = D +2Bd = 12 ,22+2 .1, 245= 14 , 71( cm) - Đường kính trung bình cuộn sơ cấp: 1 n1 tb1 D +D 12 ,22 +14 , 71 D = = = 13 ,465(cm) 2. ngắn mach MBA: n n n n s d d0 ΔP ΔP 315 ,02 %ΔP = .10 0%= .10 0%= .10 0%= 5 ,1( %) S k .I .U 1, 35.300 .15 ,25 - Điện áp ngắn mạch tác dụng: BA 2 nr 2 R .I 0,0035 .17 3, 21 ΔU = .10 0%= .10 0%= 4,65(%) U 13 ,03 -