Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Đề tài: Thiết kế nguồn điện phân Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHÂN Vai trò ngành điện phân Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim phương pháp điện phân chiếm vai trò quan trọng Tuyệt đại đa số kim loại luyện hoăc tinh luyện cần thiết dùng phương pháp điện phân Luyện kim loại kiềm kiềm thổ phải dùng phương pháp điện phân, kim loại có hoạt tính lớn nên khó hồn ngun đường hỏa luyện Trong thiên nhiên chúng tồn dạng muối NaCl, KCl,… qua sơ chế thành NaOH, KOH…, chúng chất điện ly nên điện phân trực tiếp Luyện kim phương pháp điện phân có ưu điểm chính: + Có thể luyện kim loại mà phương pháp hỏa luyện luyện +Có thể luyện quặng nghèo, quặng Õit… đem lại hiệu kinh tế cao phương pháp khác +Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn quặng +Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao Lý thuyết trình điện phân a) Hệ thống điện hóa : b)Dung dịch điện ly Dung dịch điện ly gồm: + Thành phần bản: gồm muối hợp chất chứa ion kim loại số hóa chất khác +Thành phần phụ gia: chất đệm chống thụ động Anôt Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Chức chất đệm giữ cho thành phần dung dịch ổn định điện phân, tốc độ kim loại Catot nhỏ thoát phải ổn định Đồng thời chất đệm chống thụ động Anot Phân loại dung dịch điện ly: có loại là: + Dung dịch nước + Dung dịch muối nóng chảy Dựa vào có cơng nghệ điện phân khác như: +Điện phân dung dịch nước: luyện kẽm, tinh luyện Cu,Ni,Pb… + Điện phân muối nóng chảy: Sản xuất Nhơm, Magie, kim loại đắt, hiếm… c) Một số đặc điểm dung dịch điên phân: - Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất làm cho trình diễn đồng - Độ pH phù thuộc chất điện phân - Nhiệt độ dung dịch không vượt nhiệt độ sôi Các trình điện cực Quá trình Anot: Anot điện cực nối với cực dương nguồn điện chiều Khi điện phân anot xảy trình điện hóa (oxi hóa) gọi q trình Anot chia làm loại: +Quá trình Anot tan +Quá trình Anot khơng tan Bản chất q trình xảy Anot q trình Oxi hóa a) Trường hợp Anot tan Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương tan vào dung dịch điện phân Ví dụ: Cu – 2e  Cu2+ Các Cation kim loại sau phía Catot thực hoàn nguyên bề mặt catot Cơ chế trình Anot tan gồm giai đoạn chính: -Tách ion khỏi mạng tinh thể chuyển điện tử vào mạng điện - Hidrat hóa Cation - Khuếch tán Cation vào dung dịch b) Trường hợp Anot không tan Trên bề mặt Anot xảy q trình Oxi hóa Anion dung dịch: 4OH – – 4e  2H2O + O2 2Cl – – 2e  Cl2 Quá trình Catot: Catot điện cực nối với cực âm nguồn điện chiều, nơi đặt vật mạ thu kim loại tinh chế, q trình hồn ngun kim loại diễn bề mặt catot Bản chất trình catot khử Cation thành kim loại: MZ+ + z.e  M Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Hoặc hoàn nguyên Hydro: Thiết kế nguồn điện phân 2H + + 2e H2 Sự kết tinh điện hóa Q trình kết tủa kim loại yếu tố ảnh hưởng Trong công nghệ kết tủa kim loại Catot, cấu trúc tinh thể hình dạng bên ngồi kết tủa Catot có ý nghĩa lớn Việc lấy kết tủa đặc, chắc, nhẵn theo yêu cầu phụ thuộc vào trình kết tinh điện hóa Catot Q trình kết tinh điện hóa kim loại xác định trình tạo mầm trình phát triển tinh thể Kết tủa mịn hay thơ, từ tạo mặt Catot nhẵn hay gồ ghề phụ thuộc vào tốc độ tạo mầm tốc độ phát triển tinh thể Để lấy kết tủa chất lượng cao cần điều khiển tốc độ cách khống chế nhân tố ảnh hưởng sau: Mật độ dòng điện phân cực Thành phần nhiệt độ dung dịch Chất hoạt tính bề mặt Chủng loại Catot mẫu Sự tuần hoàn ding dịch a) Xem xét ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch: Đây yếu tố ảnh hưởng phức tạp có ảnh hưởng nhiều tới tính chất dung dịch Tăng nhiệt độ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn điễn dung dịch, giảm nguy thụ động Anot Các yếu tố làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân với mật độ dòng cao b) Xem xét ảnh hưởng tuần hoàn dung dịch Trong trình điện phân, nồng độ ion kim loại sát Catot bị nghèo đi, gây phân cực nồng độ lớn nhiều bất lợi xảy như: không dùng mật độ dòng cao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ … c) Sự ảnh hưởng mật độ dòng điện: Mật độ dòng điện cao thu lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, sít đồng đều, tăng mật độ dịng điện làm tăng khả tạo mầm, ngược lại, mật độ dịng thấp cho kết tủa to, thơ Tuy nhiên, mật độ dịng cao q lại khơng tốt lớp kim loại dễ bị gai, bị cháy Khi diện phân mật độ dòng giới hạn tạo thành bột kim loại, đó, muốn nâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạn cách tăng nhiệt độ, tăng nồng độ đối lưu dung dịch Nguồn điện phân Khi tìm hiểu yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân trên, ta thấy mật độ dòng yếu tố định Để có độ mịn, độ gắn bám tốt nguồn chiều cấp cho bể điện phân phải có chất lượng thật tốt, cho dịng phẳng điều chỉnh liên tục giới hạn rộng, cấp mật độ dòng đủ lớn Tính chất tải điện phân: Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, nhiên điện trở bể điện phân nhỏ, đó, số thời gian phóng, nạp tụ nhỏ coi ảnh hưởng tụ không đáng kể Sức điện động E bể mạ thường nhỏ nên bỏ qua Từ coi tải điện phân gần trở, nên muốn có mật độ dịng lớn, có độ phẳng cao theo yêu cầu điện áp nguồn chiều phải thật phẳng Đây yêu cầu thiết kế nguồn điện phân CHƯƠNG II PHÂN TÍCH-LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Nguồn chiều cấp cho bể điện phân u cầu có điện áp cao dịng lớn, tới hàng chục Ampe Sự ổn định, chất lượng dòng điện cấp cho bể yếu tố quan trọng nhất, định tới chất lượng sản phẩm điện phân Nguồn điện chiều nói chung cung cấp từ Ắcquy Máy phát điện chiều hay biến đổi… Phân tích ưu nhược điểm loại nguồn cung cấp: 1.Các biến đổi : Với phát triển công nghệ bán dẫn ngày hoàn chỉnh với ưu điểm như: tác động nhanh, độ tin cậy cao… việc sử dụng biến đổi trở nên rộng rãi hầu hết ngành công nghiệp Trong công nghệ điện phân, biến đổi bán dẫn lựa chọn kinh tế Việc biến đổi dòng điện cung cấp cho điện phân thực nhờ sử dụng máy biến áp trước chỉnh lưu diode, sử dụng chỉnh lưu có điều khiển a) Sử dụng điều áp xoay chiều fa trước chỉnh lưu diode Phương pháp cho phép điều chỉnh dễ dàng điều áp xoay chiều có dịng điện sơ cấp khơng Sin, làm cho chất lượng dạng sóng thấp Sóng hài làm cho dịng từ hóa nhọn đầu, mạch từ bão hịa mạnh nên phương pháp không sử dụng nhiều điện phân b) Sử dụng chỉnh lưu có điều khiển Hệ chỉnh lưu điều khiển gồm máy biến áp nguồn chỉnh lưu có điều khiển , với ưu điểm gọn nhẹ, dễ điều khiển, dễ tự động hóa, cho chất lượng dịng điện tốt, chi phí thấp, lắp đặt riêng cho bể …nên phương án hiệu Với yêu cầu nguồn điện phân có điện áp khơng cao, dịng lớn phải dễ dàng điều chỉnh, phương án chỉnh lưu chọn là: - Chỉnh lưu cầu pha - Chỉnh lưu đối xứng cầu pha - Chỉnh lưu pha có cuộn kháng cân Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Phân tích phương án chỉnh lưu có điều khiển Là sơ đồ đơn giản nhất, sử dụng linh kiện phương án Tuy nhiên, chỉnh lưu cầu pha cho công suất không lớn, đồng thời gây tổn thất van nên khơng thích hợp cho u cầu dịng tải cơng suất lớn 2.1 Chỉnh lưu cầu pha đối xứng a)Sơ đồ nguyên lý : T1 U A1 T3 T5 U A2 R R U B1 U B2 U C U C IN D U C T O R /S M T4 T6 T2 +Nguồn cấp: pha xoay chiều 220V/380V – 50Hz qua biến áp pha có điện áp thứ cấp: Ua = 2.U sin(ωt ) V 2π )V 2π 2.U sin(ωt − )V Ub = 2.U sin(ωt + Uc = θ = ωt Tải có cuộn cảm L đảm bảo san dòng chiều đạt yêu cầu +Bộ biến đổi: sơ đồ cầu pha - Nhóm T1,T3,T5 đấu Catot chung: • T1,T3,T5 đấu Catot chung , Anơt van bắt đầu dương so với Anơt van cịn lại phép phát xung điều khiển để mở van Điểm coi điểm gốc để tính góc mở chậm cho thyristor • T1,T3,T5 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia pha Catot chung, có nguồn cung cấp U a , U b , U c mạch tải điểm K O Ud2 = UKO -Nhóm T2,T4,T6 đấu Anot chung: • T2,T4,T6 đấu Anôt chung,khi Catot van bắt đầu âm so với Catơt van cịn lại phép phát xung điều khiển vào để mở van Điểm coi điểm gốc để tính góc mở chậm cho Thyristor • T2,T4,T6 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia pha Anot chung, có nguồn cung cấp U a , U b , U c mạch tải điểm A O Ud2 = UAO Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân → KL:Chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu pha thực chất chỉnh lưu điều khiển đối xứng tia pha,1 đấu Catôt chung ,1 đấu Anơt chung, đấu nối tiếp có nguồn cung cấp Còn mạch tải nối tiếp nên: U d = U KA = U d + U d = U KO + U AO b) Hoạt động sơ đồ: Giả thiết T5 T6 thơng ta có : - UC thơng qua T5 đặt lên K - Ub thông qua T6 đặt lên A  Ud = UKA = UCB + Đến thời điểm θ = O1 + α = π/6 + α , Phát xung điều khiển mở T1 Khi : Anot T1 mang Ua Catot T1 mang Uc Do Ua > Uc nên T1 mở thông T1 mở làm cho Catot lúc mang Ua, T đóng lại chịu phân cực ngược Uac Dòng điện khép mạch qua T1 T6, Điện áp tải : Ud = Uab = Ua – Ub + Khi θ = 3π /6 + α : Phát xung điều khiển mở T2 Khi đó: Anot T2 mang Ub Katot T2 mang Uc Do Ub > Uc nên T2 mở thông Sự mở T2 làm cho T6 khóa lại cách tự nhiên giống trường hợp trên… Cứ xung điều khiển lệch π/3 đưa đến cực điều khiển cua Thyristor theo thứ tự T1,T2,T3,T4,T5,T6,T1… Trong nhóm đấu chung K (hoặc A), van mở khóa θ van trước theo thứ tự bảng sau Thời điểm Mở Khóa T1 T5 θ1 = π + α θ = 3π + α θ3 = 5π + α θ = 7π + α θ5 = 9π + α θ = 11π + α id T2 T6 Id T1 θ T4 T2 i T2 T5 θ T3 θ i T1 0 T3 i T3 T6 T4 θ θ θ θ i T4 Điện áp tải trung bình: i T5 i T6 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Ud = = α2 ∫ Thiết kế nguồn điện phân 6U 2Cosωt.dωt α1 π | +α U Sinωt 6π | − +α π Ud = U Cosα π Dạng sóng bản: c) Phân tích ưu, nhược điểm sơ đồ: +Ưu điểm: gSố xung áp chỉnh lưu chu kỳ lớn,vì độ đập mạch điện áp chỉnh lưu thấp ,chất lượng điện áp cao gKhông làm lệch pha lưới điện +Nhược điểm: gSử dụng số van lớn, giá thành thiết bị cao gSơ đồ dùng cho tải công suất lớn, dùng tải nhỏ,chỉnh lưu đòi hỏi độ phẳng 2.2 Chỉnh lưu điều khiển fa có cuộn kháng cân Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân a) Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển pha có cuộn kháng cân bao gồm: + Máy biến áp động lực có cuộn kháng cân Ccb + Thyristor chia làm nhóm T1,T3,T5 T2,T4,T6 Máy biến áp có hệ thống thứ cấp (a,b,c) (a’,b’,c’) Các cuộn dây pha (a & a’);(b &b’);(c & c’) có số vịng dây có cực tính ngược Hệ thống dây máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt O 1, O2 nói với qua cuộn kháng cân Cuộn kháng cân có cấu tạo máy biến áp tự ngẫu Điện áp chỉnh lưu trung bình sơ đồ có giá trị trung bình cộng điện áp đầu chỉnh lưu hình tia pha : Ud = U Cosθ π  Udmax = U2 π Do tác dụng cuộn kháng cân bằng, dịng tải coi phẳng hồn tồn Dịng trung bình qua van: ITBV = Idmax Điện áp ngược đặt lên van: π Ungmax = U dmax b) Ưu nhược điểm sơ đồ: - Dịng điện - điện áp có độ phẳng cao, độ đập mạch 5,7% - Dòng trung bình qua van nhỏ 1/6 dịng tải - Do tính đối xứng (ngay α thay đổi) nên lọc thiết kế đơn giản, trọng lượng kích thước nhỏ - Tuy nhiên, nhược điểm lớn chỉnh lưu loại giá thành cao sử dụng nhiều van công suất, thiết kế máy biến áp cuộn kháng cân phức tạp Đây nhược điểm hạn chế khả ứng dụng sơ đồ quy mô sản xuất vừa nhỏ Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 • Thiết kế nguồn điện phân Kết luận: Như vậy, theo yêu cầu đề tài thiết kế: Nguồn áp : 3x380 V Dòng tải : 1000 A Cùng với phân tích trên, em đến lựa chọn phương án: Sử dụng chỉnh lưu cầu pha đối xứng có điều khiển hợp lý nhất, thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật kinh tế đề tài CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC Yêu cầu thiết kế: Điện áp vào : Uv = 3x380 V Điện áp tải : Ud = 220 V Dòng điện tải : Id = 1000 A I Tính chọn Van bán dẫn cơng suất Chọn chế độ làm việc định mức van chế độ cơng suất cực đại Tức góc mở chậm α = 0o +) Điện áp đầu chỉnh lưu tính : Ud =  U U2 = π U d = U Cosθ π π 220 =94 V Điện áp ngược cực đại đặt lên van: Ungmax = 6.U = 94 =230.3 V Chọn hệ số dự trữ điện áp: Ku =  Van phải chịu được: Ungmax thực = 230,3 = 460,6(V) +) Dịng điện trung bình qua van: ItbVan = Id = 1000 = 333.3 (A) Chọn điều kiện làm việc van làm mát cưỡng nước,ta có điều kiện van + đĩa van chuẩn + tốc độ nước = m/s : Itb max = ( 0,6 ÷ 0,7 ) Itb max thực ⇒ I tb max 333.3 Itb max thực = 0, = 0,6 = 555.5 ( A ) Vậy thông số để chọn van : Ung v = 460 V Itb max thực = 555.5 A 10 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân + Quá áp tượng chuyển mạch : Loại gắn với mạch chỉnh lưu : - Khi van chuyển từ khoá sang dẫn - Khi van chuyển từ dẫn sang khoá Mức độ áp tới 1000V/µs CHƯƠNG IV TÍNH TỐN MẠCH ĐIỀU KHIỂN I Khái quát hệ thống điều khiển biến đổi Chức Biến đổi tín hiệu điều khiển thành xung điều khiển tương ứng với góc mở Thyristor (α) Phân loại - Hệ điều khiển biến đổi phụ thuộc (Cho chỉnh lưu biến đổi xung áp xoay chiều) - Hệ điều khiển biến đổi độc lập (Cho nghịch lưu độc lập biến đổi xung áp chiều) II.Khái quát hệ điều khiển biến đổi phụ thuộc Cấu trúc chung: Đồng Utựa SS+TX KĐX Udk Nhiệm vụ khâu: a) Khâu đồng bộ: Tạo tín hiệu đồng trùng với thời điểm điện áp lưới qua b) Khâu tạo điện áp tựa: Tạo điện áp cưa tuyến tính để đưa vào cửa khâu so sánh c) Khâu So sánh: So sánh điện áp điều khiển với xung cưa để xác định thời điểm phát xung điều khiển để mở thyristor d) Khâu tạo xung: Trộn tín hiệu cao tần với tính hiệu điều khiển điện áp phân phối để tạo dạng xung xung đơn, xung kép hay xung chùm e) Khâu khuếch đại xung: Dùng khuếch đại công suất xung điều khiển đủ công suất để mở van lực Sơ đồ toàn mạch điều khiển: 13 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân D4 VSS VEE Utua C1 R1 T2 R6 VCC VEE U2 D5 D8 D3 R3 U1A 2 U1B U2A R5 D6 Uss R12 U3A R4 Q1 VCC Q2 VCC R2 R44 C8 VCC U9A R9 VCC R18 Uph R39 50% T1 VEE + C3 T568N R8 D7 D2 Utron Udf 4 R7 U2B R19 U10A U5A ~CP MR U6A VCC RST OUT DIS THR TRI R16 CON GND 1uF C 10nF LM555CN Cf Timer VDD 4 11 12 VEE 4.7kΩ R1 VCC RST U5 Q14 Q13 Q12 Q11 Q10 Q9 Q8 Q7 Q6 10 ~CP Q5 Q4 11 MR Q1 OUT DIS 15 14 12 13 THR 4.7kΩ R2 TRI CON GND 10nF C J2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D10D9 D11 D12 D13 D14 D15 50% VDD Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 R17 50% U8 VDD Vref+ VDAC16 Output 1uF Cf LM555CM Timer Out Vref- VDD A1 14 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân *Tính toán khâu đồng pha: a) Sơ đồ nguyên lý: T1 VCC R1 U2 D1 D2 U1A R3 Udf VEE Từ sơ đồ ta thấy điện áp đồng pha lấy từ điện áp lực thông qua MBA Phần sơ cấp điện áp đồng pha đấu vào pha thứ cấp máy biến áp lực Khâu đồng pha có mục tiêu quan trọng là: * Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với mạch điều khiển thường điện áp thấp * Cách ly hoàn toàn điện MĐK với mạch lực Điều đảm bảo an toàn cho người sử dụng cho linh kiện điều khiển c) Tính tốn thơng số: * KĐTT dùng TL082 * Các điôt Đ1, Đ2 làm nhiệm vụ giữ cho độ chênh lệch điện áp cửa vào OA1 Do điơt ln có điện áp rơi thuận 0,7V nên điện áp cửa OA1 lớn 0,7V Đ1 thơng điện áp cửa 0,7V U 2max = 0,7V + Khi điện áp cửa nhỏ -0,7V Đ2 thơng giữ mức điện áp cửa -0,7V Như với điôt Đ1, Đ2 làm cho mức điện áp cửa OA1 nằm khoảng từ -0,7V→ 0,7V Ta chọn điơt 1N4150 thoả mãn yêu cầu toán * Chọn nguồn nuôi cho OA E = + 12V , điện áp đồng pha Udp = 10 = 14,14V * Tính điện trở : 15 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân 1+) Điện trở R1 tính để hạn chế dịng vào Đ1,Đ2 ,dòng vào điốt nhỏ cỡ mA , khoảng từ 1→3mA 14,14 Ta có : R1 > 0, 003 = 4,7 kΩ ⇒ chọn R1 =10 kΩ *Khâu tạo điện áp tựa a)Sơ đồ: D4 C1 VEE Udf R5 D3 R4 U1B R6 Utua VCC VCC b) Nguyên lý +) Ở nửa chu kì đầu,điện áp Uđf > 0, D3 khóa Tụ C nạp điện đến ngưỡng Diod zene D4 Uc = UD4 +) Đến nửa chu kì tiếp theo,điện áp đồng pha U đf < 0,D3 mở làm tụ C phóng hết thời gian ngắn UC = (v) t U RC −E = UC = − ∫ dt C R10 c) Tính toán Chọn OA loại TL082, D3 loại 4150 Điện áp đồng pha có biên độ Udpmax = 10 = 14,14V Chọn D4 Diod zeno 9,1V nên điện áp cưa 9,1V Tính chọn R3.Chọn C = 0,22µF R4 = ET 12.0, 02 = = 59,94.103 −6 2U oa C 2.9,1.0, 22.10 Chọn R3 gồm biến trở 50k nối tiếp với điện trở 10k 16 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Tính điện trở R5, ta chọn tn = 1ms, Ubh = E – 1,5 = 12 – 1,5 = 10,5V R5 = U bh − 0, 10, 05 − 0, = C.U oa E 0, 22.10−6.9,1 12 =4,45.103 = 4,45Ω + + tn R4 0, 001 6.103 Chọn R5 = 3,9Ω *Khâu so sánh VEE Utua Udk R6 U2A R12 Uss R5 D7 VCC Đây sơ đồ so sánh điện áp cửa vào op-amp.Khi U rc > Uđk Uss = -E < 0.khi Urc < Uđk mạch lật trạng thái, Uss = + E > 0.Ta có dạng đồ thị điện áp sau : Khâu so sánh ta dùng TL082 để tạo sườn xung thẳng đứng R5 R6 có tác dụng hạn chế dịng vào cửa op-amp VDD ⇒ Chọn R5=R6=10 kΩ LM555CM 4.7kΩ R1 Timer VCC *Bộ tạo xung cao tần a) Sơ đồ nguyên lý: Khâu dùng IC thuật toán LM555 tạo dao động với tần số cao 10kHz Đây mạch dao động RC THR TRI CON OUT Out DIS 4.7kΩ R2 RST GND 1nF C 1uF Cf 17 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân b) Tính tốn thơng số: Ta có chu kỳ xung cao tần: T = t1 + t2 = 0,7(R1 + 2R2)C 1, 43 Tần số dao động f = T ≈ ( R + R )C 1, 43 Chọn C=1uF ta có: R1 + R2 = fC Chọn R1= R2 ta có 3R = 1, 43 = 47, 67 10−6.104 Chọn R1 = R2 = 47Ω *Khâu trộn xung Uss R12 Ux R8 U10A Utron D1 Sử dụng IC 4081BT gồm cổng AND đầu vào thuộc họ CMOS tốc độ cao để trộn tín hiệu Ux điện áp Timer 555 Diod D7 chọn loại 1N4150 a) *Khâu khuếch đại Sơ đồ nguyên lý: Thông thường xung nhịp tạo sau trộn xung không đủ công suất để mở van mạch lực Khuyếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung sau trộn xung Đại đa số van chế tạo để mở chắn với xung điều khiển có: UGK = 5→10V ; IG = 0,3 → 1A thời gian cỡ 100µs Ta có sơ đồ khuyếch đại xung dùng biến áp xung sau: VCC R7 D8 C3 Utron R8 T1 D6 D9 Q1 Q2 R9 18 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Theo sơ đồ khuyếch đại xung ta thấy đầu KĐX nối với cực G-K van đầu vào nối với khâu tạo xung chùm Do dịng I C nhỏ độ đối xứng xung giảm nên ta sử dụng tầng khuếch đại transistor mắc Darlington Ta phân tích mạch KĐX ghép BAX Sơ đồ sử dụng BAX ghép với tầng KĐ Dalingtơn sử dụng transistor Q 1, Q2 Khi có xung chùm đặt vào cực bazơ Q2 Q2 mở cho dịng chảy từ nguồn nuôi chảy qua BAX , qua Q đến mở bão hồ Q1 để Q1 dẫn dịng chảy qua BAX xuống đất Như điện áp cuộn sơ cấp BAX dòng điện chảy qua có dạng xung Dịng điện cảm ứng sang cuộn thứ cấp, cuộn thứ cấp xuất dòng xung chảy vào cực điều khiển Thysistor Trong mạch Đ có tác dụng trả lượng tích luỹ cuộn cảm lại nguồn mà cuộn sơ cấp dẫn dịng Q1 ,Q2 khố lại - Điện trở R2 có tác dụng tiêu tán lượng chảy từ Q2 để Q1 khoá dễ dàng - Điện trở R2 chọn theo khả dẫn dòng cho phép Q1 - Tuy nhiên điện trở mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp nên dẫn làm giảm áp đặt vào BAX Để giữ điện áp ban đầu BAX giá trị nguồn ta phải đưa thêm tụ C3 vào, Q2 khoá tụ phải kịp nạp đến trị số nguồn b) Tính tốn thông số: VSS chọn 18V Chọn biến áp xung tỉ số cuộn dây 5, tham số dòng điện cuộn sơ U1 = U.k = 1,4.5 = 7V I1 = Ig/k/= 0,4/5 = 0,08A Chọn bóng Q1 loại BD136 có tham số Ucc = 45V, ICmax = 1,5A, βmin = 40 Ecs 18 R7> Icp = 1,5 = 12 chọn R7 = 15Ω Chọn bóng Q2 loại BC107 có tham số Ucc = 45V, ICmax = 0,1A, βmin = 110 R1 β1β Ecs 40.110.18 = = 55.103 = 55k Ω s.I t max 1, 2.1, Chọn R8 = 10k Các diod D4, D5, D6, D7 chọn loại 1N4150 19 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Máy biến áp xung Biến áp xung thực nhiệm vụ: * Cách ly mạch lực mạch điều khiển * Phối hợp trở kháng tầng KĐX cực điều khiển van lực * Nhân thành nhiều xung (BAX có nhiều cuộn thứ cấp) cho van ghép song song mạch lực BAX phải làm việc với tần số cao nên lõi thép BA cho tần số 50Hz không đáp ứng Lõi dẫn từ thường dùng cho BAX lõi ferit làm việc phần đặc tính từ hóa, lõi hình trụ có tiết diện kiểu chữ E - Do dịng điện qua cuộn dây BAX không liên tục nên trị số hiệu dụng dịng điện nhỏ, tiết diện dây quấn BAX không chọn từ trị số dịng điện thơng thường mà hay chọn từ điều kiện đảm bảo độ bền học với đường kính quấn khoảng (0,2 → 0,4)mm .Số vịng bị hạn chế kích thước cửa sổ lõi BAX nhỏ nên nằm giới hạn 100 vòng Các yêu cầu thiết kế: - Udk = 1,4 V - Idk = 150 mA - độ sụt đỉnh xung: ∆UX = 15% - KBA = 3: hệ số máy biến áp xung - Điện áp thứ cấp máy biến áp: U2 = Udk + UD1 (do có điện áp rới điôt ≈ 0.7 V) → U2 = 1,4 + 0.7 = 2,1 V - Điện áp sơ cấp máy biến áp :  U1 = KBA U2 = 3×2,1 = 6,3 (V) → dịng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 / K BA = 0,15 / = 0.05 A - Thể tích lõi từ : V= K BA U I t x ∆U X ∆B.∆H (m ) Trong đó: t x : độ rộng xung ∆U x : độ sụt áp 0,1 ÷ 0,2 ∆B : độ biến thiên cường độ từ trường(T) ∆H : độ biến thiên mật độ từ cảm ( A m ) Chọn vật liệu làm lõi biến áp xung thép Ferit HM làm việc phần đặc tính từ hóa có: ∆B = 0.3 T ∆H = 30 A/m - Độ rộng xung điều khiển : t x lấy theo độ rộng xung cao tần tạo từ tạo xung 555, có tần số 10KHz 1 = 50( µ s ) 10.103  tx = - Do tx = tn nên coi trị số dịng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp = ½ dòng điều khiển → I2 = 0.5Idk 20 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 V= Thiết kế nguồn điện phân 3.(2,1).(0,5.0.15).(50.106 ).(0.2) = 0,525.10−6 ( m3 ) 0,3.30 Tra bảng thông số loại lõi thép Ferit làm việc theo đặc tính từ hóa phần: → chọn loại 814E250 lõi chữ E có thơng số: Q = 0,202( cm ) Scưasổ = 0, 171 ( cm ) Cơng suất : 1,2W f=10KHz →Vậy số vịng dây cuộn sơ cấp : w1 = U1.t x 6,3.50.10−6 = = 52 (vòng) ∆B.Q 0,3.0, 202.10−4 Số vòng dây thứ cấp: w2 = w1 52 = = 17 (vòng) m *Tính tốn nguồn cung cấp cho mạch điều khiển : Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển nguồn điện áp chiều, trị số điện áp độ ổn định tuỳ thuộc khâu mạch Chọn nguồn cung cấp cho op-amp ± 12V,được lấy từ chân vi mạch ổn áp 7812 7912.Sơ đồ sau : 7812 : +18V VIN VOUT +12V 7812 C1 C2 7912 : -18V C1 VIN VOUT 7912 - 12V C2 Dòng điện tải cho phép IC 1,5 A (phải có tản nhiệt) nên đảm bảo cung cấp đủ công suất cho mạch điều khiển hoạt động Lưu ý chung : Để IC ổn áp hoạt động bình thường phải tính chọn cho q trình hoạt động điện áp đầu vào khơng cao trị số cho phép ( tính chế độ lưới điện cao mạch ổn áp không tải ) không thấp mức tối thiểu cần thiết ( tương ứng điện áp lưới điện thấp mang tải lớn ) 21 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân *Khâu tăng áp a) Sơ đồ U9A U10A U5A Q7 Q6 Q5 Q4 Q3 Q2 Q1 R17 U6A TRI R16 THR CON OUT 10 GND 1uF C 10nF Cf 11 LM555CN Timer Q14 Q13 Q12 Q11 Q10 Q9 Q8 Q7 Q6 Q5 Q4 Q1 15 14 12 13 U5 DIS 50% RST ~CP MR 11 12 ~CP MR J2 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 VCC 50% VDD U8 VDD Vref+ VDAC16 Output Out Vref- VDD A1 Vấn đề tính tốn thời gian tăng áp Giá trị điện áp định mức : Uđm = 220 V Giá trị điện áp khởi động : Ukđ = 20% × 220 = 44 V Góc α điều chỉnh cho điện áp nguồn điện phân tăng từ Ukđ đến Uđm Áp dụng công thức : Udα = Udocosα Với Udo = U2 = 258,8 V π + góc α ứng với điện áp khởi động : Ukđ = 258,8cosαkđ = 44 ⇒ cos αkđ = 0,17 ⇒ α kđ = 80,2o + góc α ứng với điện áp định mức : Uđm = 258,8cosαđm = 220 ⇒ cosαđm = 0,85 ⇒ αđm = 31,7o 22 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Q trình thay đổi góc điều khiển α điều chỉnh điện áp điều khiển Khi Uđk tăng α giảm ⇒ điện áp tăng lên ngược lại ⇒ trình điều khiển thuận Ta tính điện áp điều khiển ứng với góc điều khiển : Đồ thị điện áp cưa : Giá trị điện áp điều khiển lúc khởi động : Uđkkđ = ( 90 – 80,2 ) × 10 = 1,09 V 90 Giá trị điện áp điều khiển ứng với tải định mức : 10 Ukđ đm = ( 90 – 31,7 ) × = 6,47 V 90 Như ta phải điều chỉnh Uđk tăng từ 1,09 V đến 6,47V Thiết kế mạch tăng áp tự động Để cho hệ thống điều chỉnh tăng áp cách tự động ta thiết kế mạch tăng áp tự động cho điện áp điều khiển Nguyên lý hoạt động sau : Mạch thời điểm đầu đưa điện áp có giá trị giá trị điện áp khởi động tức U o = 1,02V Sau thời gian 2h hay 7200s đạt điện áp có giá trị điện áp định mức điều khiển 5.91V Bộ tăng áp bao gồm mạch tạo xung 555, đếm nhị phân biến đổi DAC.Bộ định thời 555 tính để xung đưa vào đếm nhị phân khoảng giờ, đếm nhị phân đưa tín hiệu nhị phân qua biến đổi DAC làm DAC tăng giá trị điều khiển, cịn bao gồm mạch khóa để sau đến giá trị làm việc ổn định mạch không đếm để giữ nguyên trạng thái trì trạng thái làm việc Sử dụng đếm 16bit DAC 16bit ta có 216 = 65536 mức 12V Như 2h đếm làm việc để đưa điện áp từ 1,09V đến 6,47V Ứng với 1,09V mức 0, 6,47V mức 65536 6, 47 = 42401 ứng với 10 mức logic : 1010010110100001 Trong 7200s Timer 555 phải phát 42401 xung nhịp, giây timer phát 42401, = 5,88 xung nhịp 7200 1, 43 Chọn C=1uF ta có: R1 + R2 = fC 1, 43 Chọn R1= R2 ta có = 3.4,8.10−6 = 99305, Ω Có thể chọn triết áp 100k Ω điều chỉnh 23 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân CHƯƠNG CHẠY MÔ PHỎNG BẰNG MÁY TÍNH 24 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân 25 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân CHƯƠNG VIII KẾT LUẬN Đồ án môn học môn thiếu với sinh viên học kỹ thuật nói chung sinh viên học kỹ thuật điện nói riêng Bởi nhờ trình làm đồ án, sinh viên khơng hiểu biết mơn học mà cịn có điều kiện tìm hiểu q trình sản xuất thực tế, biết liên kết môn khoa học với quan trọng giúp sinh viên quen với công việc sau phải làm Qua việc chạy mô mạch điều khiển phần mềm chuyên dụng PS ta có số kết luận sau: + Mạch thiết kế chạy theo yêu cầu thiết kế tạo xung chùm + Tất khâu phối hợp chạy yêu cầu kỹ thuật Như việc thiết kế nguồn điện phân hồn tất có khả ứng vào sản xuất công nghiệp với độ tin cậy cao Trong mạch sử dụng linh kiện hầu hết thơng dụng thực tế Vì sản phẩm thiết kế hồn tồn có khả sản xuất hàng loạt với giá thành rẻ,điều quan trọng cho sản phẩm với giá thành sản xuất rẻ, sản phẩm có khả cạnh tranh thị trường Trong q trình làm đồ án mơn học, em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Quốc Hải thầy cô giáo môn ĐTCS giúp em hồn thành đồ án 26 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân TÀI LIỆU THAM KHẢO Đồ án mơn học ĐTCS hồn thành với trợ giúp tài liệu & phần mềm chuyên dụng sau : 1- Điện tử cơng suất - Nguyễn Bính 2- Bài tập điện tử công suất - Phạm Quốc Hải 3- Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất - Phạm Quốc Hải 4- Thiết kế MBA - Phạm Văn Bình 5- Kỹ thuật điện hoá 6- Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà 7- Cơ sở lý thuyết mạch - Nguyễn Bình Thành 8- Kỹ thuật điện tử -Đỗ Xuân Thụ - Nguyễn Viết Nguyên 9- Vẽ mô mạch điện với Multisim 10.0 _♠HẾT♠ 27 ... TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân CHƯƠNG CHẠY MƠ PHỎNG BẰNG MÁY TÍNH 24 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân 25 Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân CHƯƠNG... mật độ dòng đủ lớn Tính chất tải điện phân: Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, nhiên điện trở bể điện phân nhỏ, đó, số thời gian phóng,... nhỏ Sv:Phạm Văn Hướng - Lớp TĐH-K46 • Thiết kế nguồn điện phân Kết luận: Như vậy, theo yêu cầu đề tài thiết kế: Nguồn áp : 3x380 V Dòng tải : 1000 A Cùng với phân tích trên, em đến lựa chọn phương