TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 6 Thiết kế bộ nguồn một chiều cấp cho bể mạ Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển Điện áp vào 220/380V, f=50Hz, dòng đầu ra 200A, điện áp mạ có thể điều chỉnh trong khoảng 6 – 30V Giáo viên hướng dẫn: ĐOÀN VĂN TUÂN Sinh viên: PHẠM TIẾN ANH Hải Phòng, năm 2012 ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ điện 1.1.Giới thiệu công nghệ - Sơ đồ điện phân Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân: + Nguồn điện một chiều + Anốt + Catốt + Dung dich chất điện phân + Bể điện phân 1.2.Yêu cầu của công nghệ - Yêu cầu bề mặt trước khi mạ - Phương pháp gia công bề mặt kim loại trước khi mạ 1.3.Các ứng dụng - Lớp mạ bảo vệ - Lớp mạ trang trí - Lớp mạ trang trí bảo vệ - Lớp mạ kỹ thuật Chương 2: Tính chọn mạch công suất - Các mạch công suất + Chỉnh lưu cầu một pha + Chỉnh lưu cầu ba pha + Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng - Phân tích từng phương án + Sơ đồ nguyên lý + Ưu, nhược điểm =>Chọn phương án thực hiện - Tính toán, lựa chọn van bán dẫn - Tính chọn máy biến áp + Các thông số cơ bản của MBA + Tính toán mạch từ + Tính toán dây cuốn + Tính toán kích thước mạch từ Chương 3: Thiết kế mạch điều khiển 3.1. Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển 3.2. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển 3.3. Giới thiệu các phân tử cơ bản được dùng trong mạch điều khiển 3.4. Tính toán các khâu của mạch điều khiển - Tính toán khối đồng pha - Tính toán khâu tao điện áp răng cưa - Khâu so sánh - Khâu phát xung chùm - Khuếch đại xung và biến áp xung - Tính toán khối nguồn - Khâu tạo điện áp điều khiển - Khâu bảo vệ ngắn mạch Kết luận… Tài liệu tham khảo : 1. Giáo trình điện tử công suất - Trần Trọng Minh - Nhà xuất bản giáo dục - 2003 2. Điện tử công suất - Nguyễn Bính - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật – 2008 3. Mạ điện - Nguyễn Khương - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật - 2006 4. Bài giảng điện tử công suất của thầy Đoàn Văn Tuân 5. Thiết kế máy biến áp - Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh - Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật – 2006 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên Nhận xét của giáo viên hướng dẫn Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ điện 1.1.Giới thiệu công nghệ. 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 đã 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 sáng 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, độ cứng cao không bong xước 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. 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: 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 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 : 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. 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 = 2H 2 O + O 2 ↑ Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là O 2 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 ↓ Mạ kẽm: Zn 2+ +2e = Zn ↓ Đồng thời với iôn kim loại bị khử, H 3 O + cũng bị khử giải phóng ra khí H 2 theo phản ứng: 2H 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 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 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 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. VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là 55 → 70 o C, mạ vàng 50 → 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 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) 4 2- hoặc Zn(CN) 3 2- 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. 1.2.Yêu cầu của công nghệ. _ 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 lớp ứ 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 học bao 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. 1.3.Các ứng dụng. 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 điện 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 máy móc trong công nghiệp và các nghành khoa học … _ Lớp mạ bảo vệ: +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. + 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: - Lớp mạ ca tốt: lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế dương hơn điện thế kim loại nền. - Lớp mạ Anốt: lớp mạ mà kim loại mạ có điện thế âm hơn điện thế kim loại nền. _ Lớp mạ trang trí: + 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… + Lớp mạ này có độ bóng 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. _ Lớp mạ trang trí bảo vệ: + 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… + 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. _ Lớp mạ kỹ thuật: [...]... xung điều khiển ƒx = 5 (khz) + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển En = 24(V) Ta chọn tỉ số biến áp xung m=1,2 Tính khâu khuếch đại xung : 3.4.6 Tính toán khối nguồn Sơ đồ nguyên lý Chức năng của khối nguồn: - Cung cấp nguồn cho khâu đồng pha - Cung cấp nguồn ổn áp cho các IC, bộ tạo xung răng, đ ện áp lấy ra để làm điện áp so sánh - Cung cấp nguồn công suất cho biến áp xung hoạt động Ta sử dụng IC MA741... thành điện áp một chiều nửa hình sin Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp tại (I) được đưa vào cửa âm của khâu so sánh OA1 Điện áp được đưa vào cửa dương của OA 1 là điện áp một chiều phẳng Ud có giá trị: Uimin < Ud < Uimax Khi điện áp đặt vào cửa âm của OA1 lớn hơn điện áp Uđ trên cửa dương của OA1 thì tại cửa ra của OA một điện áp âm Còn khi điện áp trên cửa âm của OA 1 nhỏ hơn điện áp trên cửa dương... Khi cấp nguồn 380V vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến áp được hạ áp Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0, nửa chu kỳ đầu điện áp dương đặt trên D 1, D1 sẽ thông và D2 sẽ bị khoá, nửa chu kỳ sau tại thời điểm t 2= π điện áp xoay đảo dấu và thế dương được đặt vào anốt D 2, D2 sẽ thông và D1 bị khoá Vậy điện áp trên điểm (I) là điện áp xoay chiều đươc đưa qua chỉnh lưu thành điện áp một. .. được nạp đầy tức là UN P >U điện áp lúc này ở đầu ra của OA sẽ là điện áp âm sau một thời gian khi điện áp ra qua R9 về tụ hết phóng điện (được nạp theo chiều ngược lai) UN < 0 Khi đó UP > 0 và điện áp đầu ra thay đổi thành điên áp dương Như vậy do đặc tính phóng nạp của tụ C3 tạo trên OA một điện áp ra dạng xung vuông liên tiếp, tín hiệu ra nhỏ do đó được khuếch đại qua transistoT4 qua xung điốt D13 chỉ... điều khiển đưa vào cửa cộng của OA + Khi Urc >Udk thì điện áp ở đầu ra mang giá trị dương + Khi điện áp Urc > Udk thì ở đầu ra điện áp mang giá trị âm Để đảm bảo cho dòng điện đi vào các cửa của OA nhỏ hơn 1mA ta chọn R7=R8=10kΩ 3.4.4 Khâu phát xung chùm Sơ đồ nguyên lý - Chức năng của khâu phát xung chùm: Phát ra xung có tần số cao để trộn với xung ra ở khâu so sánh trước khi cho vào biến áp xung - Nguyên... 2000A-60mV, dòng mạ của nguồn lớn nhất là 1500Anên điện áp trên Sun vào khoảng 40-50mV Ta chọn điện áp phản hồi (đầu ra của khâu khuyếch đại trên) vào khoảng vài von thì hệ số khuyếch đại của OA vào khoảng một vài trăm lần tuỳ theo giá trị của điện áp đặt Sau đó điện áp phản hồi được đưa qua khâu PI để loại bỏ các sóng nhiễu có tần số cao làm cho mạch tăng tính ổn định Điện áp ra khỏi khối PI ta gọi là điện áp. .. theo điện áp phản hồi được đưa vào bộ cộng (đảo) với điện áp mà ta đặt cho nguồn mạ làm việc ,điện áp này ta gọi là điện áp đặt Uđ.Tín hiệu ra của khâu cộng này chính là tín hiệu điều khiển được đưa vào so sánh với tín hiệu đồng pha để phát ra xung điều khiển mở các van,ta gọi là điện áp điều khiển Nhờ có khâu phản hồi mà giữ cho dòng điện mạ được ổn định.Thật vậy: Giả sử vì một lý do nào đó mà dòng điện... áp răng cưa: Điện áp dạng xung vuông sau khi được tao ra ở khâu so sánh trước đó được đưa vào để làm điện áp điều khiển của khâu tạo điện áp răng cưa Khi Uđk > 0 3.4.3 Khâu so sánh Sơ đồ nguyên lý Nguyên lý hoạt động của khâu so sánh : So sánh điện áp điều khiển với điện áp răng cưa để tạo ra điện áp ở cửa ra có dạng chuỗi các xung vuông liên tiếp.Điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của OA, còn điện áp. .. cắt máy biến áp nguồn Cắt máy biến áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hóa máy biến áp, bấy giờ năg lượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ chuyển thành năng lượng điện chứa trong các tụ kí sinh, rất nhỏ giữ các dây cuốn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp Điện áp này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc Để bảo vệ qúa áp người ta thường dùng mạch L-C: _Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp máy biến áp là để báo... cửa dương thì điện áp ra của OA1 sẽ là một điện áp dương Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U1 với Ud trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương, âm liên tiếp dạng xung vuông như hình vẽ Tính toán khối đồng pha: Chọn góc duy trì và thoát năng lượng θ =30o thì điện áp Uđ đặt vào cửa thuận của bộ so sánh là: U θ = U.sin 30o 3.4.2 Tính toán khâu tao điện áp răng cưa Sơ đồ . HÀNG HẢI KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TÀU BIỂN THIẾT KẾ MÔN HỌC MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ĐỀ BÀI: Đề số 6 Thiết kế bộ nguồn một chiều cấp cho bể mạ Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế Thiết kế bộ chỉnh lưu. 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. 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