Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện LỜI MỞĐẦU Mạ kim loại đời phát triển hàng trăm năm Ngày mạ kim loại tr thành ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ hầu giới, phục v ụ cách đắc lực cho ngành khoa học k ỹ thuật sản xu ất v đời s ống v ăn minh người Mạ kim loại không làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho dụng cụ máy móc đồ trang sức … Ngày không riêng nước phát triển mà nước ta k ỹ thu ật msj có bước phát triển nhảy vọt, thỏa mãn yêu c ầu k ỹ thu ật s ản xu ất kinh doanh Để có lớp mạ tốt yếu tố khác nguồn điện dùng để mạ quan trọng Trên sơ đồ án có nhiệm vụ: ‘‘ Thiết Kế Bộ Nguồn Một Chiều Cho Tải Mạ Điện ” SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện MỤC LỤC Lời mởđầu………………………………………………………… ………………… Chương I: Tổng quan mạđệ i n……………………………………………………….4 1.1 Yêu cầu mạ điện………………………………………………………… 1.2 Thành phần dung dịch chế độ mạ………………………………………………….6 1.2.1 Thành phần dung dịch mạ……………………………………………… 1.2.2 Chế độ mạ……………………………………………………………………… 10 Chương II: Khái quát nguồn chỉnh lưu…………………………… 15 2.1 Nguồn điện cung cấp……………………………………………………… .15 2.2 Thiết bị chỉnh lưu…………………………………………………………… 15 2.2.1 Chỉnh lưu nửa chu kỳ…………………………………………………… 15 2.2.2 Chỉnh lưu chu kỳ với biến áp có trung tính………………………… 17 2.2.3 Chỉnh lưu cầu pha điều khiển đối xứng………………………………… 19 2.2.4 Chỉnh lưu cầu pha điều khiển không đối xứng……………………………20 2.2.5 Chỉnh lưu tia ba pha……………………………………………………………24 2.2.6 Chỉnh lưu cầu ba pha………………………………………………………… 26 2.2.7 Chỉnh lưu tia sáu pha………………………………………………… .31 2.3.Lựa chọ sơ đồ thiết kế……………………………………………………… 33 Chương III: Thiết kế mạch động lực………………………………………………….35 3.1 Tính chọn van động lực…………………………………………………………… 35 3.2 Tính toán máy biến áp……………………………………………………………… 37 3.3 Tính toán thiết kế cuộn kháng……………………………………………… 47 3.3.1 Xác định góc mở cực tiểu, cực đại…………………………………………… 47 SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện 3.3.2 Tính cuộn kháng lọc dòng điện đập mạch…………………………………… 48 3.3.3 Tính toán cuộn kháng hạn chế dòng điện gián đoạn………………………… 49 3.3.4 Thiết kế kết cấu cuộn kháng lọc……………………………………… 50 3.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ cho mạch động lực……………………………… 55 3.4.1 Bảo vệ nhiệt độ cho van bán dẫn……………………………………… 55 3.4.2 Bảo vệ dòng cho van………………………………………………………58 3.4.3 Bảo vệ tải điện áp cho van………………………………………………… 59 Chương IV: Thiết kế mạch đề i u khiển……………………………………… 61 4.1 Chức mạch điều khiển………………………………………………………….61 4.2 Nguyên tắc điều khiển……………………………………………………………….61 4.2.1 Phương pháp điều khiển thẳng đứng tuyến tính……………………… 61 4.2.2 Đề i u khiển phương pháp thẳng đứng cosin…………………………… 62 4.3 Cấu trúc mạch điều khiển……………………………………………………………63 4.4 Thiết kế khâu mạch điều khiển…………………………………………… 63 4.4.1 Khâu đồng pha………………………………………………………………….63 4.4.2 Khâu so sánh………………………………………………………………… 69 4.4.3 khâu tạo xung………………………………………………………………… 72 4.5 Tính chọn mạch điều khiển……………………………………………………….75 4.5.1 Chọn mạch điều khiển………………………………………………………….75 SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện 4.6 Tính toán thông số mạch điều khiển……………………………………… 78 4.6.1 Tính biến áp xung……………………………………………………………… 79 4.6.2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng……………………………………………… 81 82 83 84 4.6.3 Tính chọn mạch tạo xung……………………………………………………… 4.6.4 Tính chọn tầng so sánh………………………………………………………… 4.6.5 Tính chọn khâu đồng pha……………………………………………………… 4.7 Sơ đồ hệ thống………………………………………………………………… 85 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀMẠĐỆ I N Dưới khắc nghiệt môi trường, môi trường nóng ẩm nước ta, môi trường có hóa chất độc hại… kim loại chi tiết máy thường bị phá hủy Tốc độ phá hủy phụ thuộc vào môi trường kim loại chi tiết máy gọi l s ự ăn mòn kim loại Trước để chống lại ăn mòn kim loại người ta kết hợp tính chất vật lý, hóa học kim loại với nhau, tạo hợp kim loại r ất bền v ới ều kiện môi trường khắc nghiệt, phương pháp gặp phải khó khăn trình độ luyện kim ph ải cao, để đảm bảo luyện tỷ lệ kim loại hợp kim mà không bị lẫn quặng v xỉ phải luyện lò điện phức tạp tốn kém, giá thành chi ti ết hợp kim cao Để chống lại ăn mòn kim loại, người ta có phương pháp mạ kim loại để mạ kim loại có tính chất vật lý hóa học tốt chịu môi trường độc SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện hại, ẩm ướt, nước biển, nhiệt độ cao…phủ lên bề mặt chi tiết cần bảo vệ mà công nghệ mạ điện có giá trị kinh tế cao, bền v r ẻ Mạ điện dùng để tạo màng kim loại có đặc tính độ cứng cao, dẫn điện tốt…đáp ứng yêu cầu phức tạp ngành công nghiệp đại ngành k ỹ thu ật tiên tiến Mạ điện phương pháp dùng nguồn chiều cực dương nối vào Anốt, cực âm nối vào Katốt bể mạ điện phân F Hình 1.1:kết cấu bể mạ Nguồn chiều Cực dương Anốt (điện cực tan) Cực âm Katốt (kim loại mạ) Lớp kim loại bán vào bề mặt chi tiết cần mạ Bể mạ Dung dịch muối kim loại cần mạ Khi đặt điện áp chiều vào hai cực bể mạ, tác dụng c dòng ện, kim loại mạ Anốt thoát electron để tạo thành Ion dương kim lo ại tan dung dịch muối M – ne = Mn+ (n số electron thoát ra) Lực điện trường F có chiều hướng từ Anốt tới Katốt làm cho Ion d ương t ạo thành dòng chảy tới bám vào bề mặt kim loại mạ electron thoát ch ảy v ề dương nguồn Sau thời gian, độ dày lớp kim loại cần mạ đạt yêu cầu 1.1 Yêu cầu mạđiện -Điều kiện xuất hình thành tinh thể tổ chức tinh thể: Lớp mạ điện có cấu trúc tinh thể điển hình, trình khử Kat ốt kim loại gọi mạ điện, lớp mạ có cấu trúc tinh thể nhỏ m ịn, chặt sít chất lượng cao Cũng trình kết tinh, từ dung dịch bão hòa, từ chất nóng chảy … động học trình điện kết tinh bị chi phối hai yếu tố chính: t ốc độ t ạo m ầm SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện tinh thể (hay trung tâm kết tinh) tốc độ phát triển mầm Tốc độ mầm l ớn cho tinh thể nhỏ mịn, chặt sít Tốc độ phát tiển mầm nhỏ s ẽ cho tinh thể thô, to, xốp - Hình thành tinh thể: Không phải cho mầm tinh thể sinh phát triển thành tinh thể Chỉ mầm có kích thước lớn ngưỡng có khả phát triển thành tinh thể Để sinh mầm đạt vượt ngưỡng đòi hỏi có thể bổ xung (tức cần cần thêm lượng), thực bề mặt điện cực bị thụ động nhẹ Khi tinh thể lớn lên (triển mầm) đòi hỏi thể bình thường (không cần thể bổ xung nữa) bề mặt tinh thể tr ạng thái ho ạt động Các tinh thể thường nuôi lớn đến cỡ 10 -5 ÷ 10-3 Hình thù chúng không giống hệt nhau, lúc triển mầm chúng tự chèn ép lẫn mà biến dạng - Tổ chức tinh thể: Lớp mạ tinh thể hợp lại mà thành, kích thước tinh thể cách xếp chúng định tính chất chất lượng mạ - Việc chọn điện áp chiều phẳng tốt N ếu điện áp không b ằng phẳng điện trường Anốt Katốt không tạo dòng chảy Ion dương không làm cho lớp kim loại mạ bị xốp chất lượng mạ không cao - Cần có dòng điện mạ lớn để giảm thời gian mạ, tăng suất khối lượng kim loại bám vào bề mặt Katốt tỷ lệ thuận với dòng điện mạ thời gian mạ, không lớn dòng giới hạn cho phép ảnh hưởng không tốt đến chất lượng mạ Theo định luật Faraday M = k I t (g) n Trong đó: K: số I: dòng điện mạ (A) t: thời gian mạ (s) n: số electron thoát Anốt 1.2 Thành phần dung dịch chếđộ mạ 1.2.1 Thành phần dung dịch mạ: Dung dịch mạ giữ vai trò quan trọng định tới suất mạ, l m ột hỗn hợp phức tạp gồm Ion kim loại mạ, chất điện ly, chất đệm, chất hoạt động bề mặt v chất kéo, chất bóng, chất thấm ướt…nhằm đảm bảo thu lớp mạ có tính chất v chất lượng mong muốn Vai trò thành phần sau: - Ion kim loại mạ: Trong dung dịch chúng tồn dạng Ion đơn hay hydrat hóa ho ặc Ion ph ức, có nồng độ lớn từ ÷ mol/l để giá trị mật độ dòng điện giới hạn tạo điều kiện SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện mở rộng dải mật độ dòng điện Katốt cho thích hợp cho l ớp m t ốt Dung d ịch đơn dùng để mạ tốc độ cao cho vật có hình thù đơn giản, dung dịch phức tạp cho trường hợp cần có khả phân bố cao, vật mạ cho hình thù phức tạp - Chất điện ly: Để tăng tốc độ dẫn điện cho chất điện ly thường pha thêm vào chất d ẫn điện Các chất không tham gia vào trình Katốt Anốt, mà đóng vai trò chuy ển điện dung dịch, làm giảm điện bể mạ, giảm nhiệt lượng thoát có khả dùng dòng điện cao Đối với dung dịch axit dùng chất dẫn điện axit có anion v ới muối kim loại kết tủa dùng H 2SO4 bể mạ đồng sunfat hay thiếc sunfat… dung dịch axit yếu trung tính kiềm yếu dùng muối kim loại kiềm, ki ềm thổ, để tránh làm thay đổi độ pH dung dịch, ví dụ: Na 2SO4, MgSO4 bể mạ Ni Cũng dùng muối cho hai loại dung dịch Các muối dẫn điện có tác dụng phụ Na 2CO3 thêm vào dung dịch xyanua Cu, Ag, Au… tác dụng tăng độ dẫn điện làm tăng tính đệm, t ăng phân cực Katốt giảm phân cực Anốt… dùng nồng độ lớn - Chất đệm: Nhiều dung dịch mạ cần việc khoảng pH định m thôi, phải dùng chất đệm thích hợp để khống chế Các chất đệm thường dùng l axit yếu boric, axêtic, xitric… muối axêtat, Al 2(SO4)3, phèn nhôm… chất đệm có tác dụng ổn định pH khoảng định Đệm tốt s ẽ tránh dung dịch bị đục sinh hydrôxit pH lên cao, thoát nhi ều khí H Katốt pH xuống thấp, hydrôxit khí H2 sinh lẫn vào lớp mạ làm giảm chất lượng - Chất hoạt động bề mặt chất keo: Một số chất hưu thuộc loại chất hoạt động bề mặt chất keo lẫn v b ể m ta tác động cho vào, nồng độ bé có ảnh hưởng tốt chúng Ví d ụ: cho phenol crezol vào bể mạ chì thiếc lớp m nhẵn, không b ị cây, gai Các chất phụ gia hoạt động bề mặt thường bị hấp thụ lên bề mặt Katốt Qúa trình hấp thụ phụ thuộc nhiều yếu tố trước tiên nồng độ chất hấp thụ, đến diện tích bề mặt Katốt, nhiệt độ dung dịch chất lạ bám bề mặt Katốt Mỗi phụ gia hoạt động bề mặt có tác dụng riêng tác dụng đối v ới t ừng dung d ịch mạ riêng có chất cho kết tủa Katốt nhỏ mịn, sít chặt… ngược lại có chất làm cho k ết tủa giòn dễ bong, sần sùi… - Chất bóng: SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện Có số chất hoạt động bề mặt đặc biệt lại cho phép thu lớp mạ bóng trực tiếp từ bể mạ, không cần phải đánh bóng hay tẩy bóng thêm Những chất gọi chung chất bóng sử dụng ngày rộng rãi, lớp mạ kiềm, đồng, kẽm… mạ bóng trực tiếp có nhiều ưu điểm mặt kinh tế, công nghệ kỹ thuật - Chất san bằng: Chất cho lớp mạ nhẵn phẳng phạm vi rộng Nguyên nhân l chúng hấp thụ lên điểm có tốc độ mạ lớn giảm tốc độ xuống - Chất biến đổi cấu trúc: Là chất phụ gia làm thay đổi cấu trúc lớp mạ v chí ưu tiên định hướng tinh thể hay ưu tiên sinh kiểu mạng tinh thể Một số chất hay dùng để tạo tính chất đặc biệt cho lớp mạ, số khác dùng để điều chỉnh ứng suất lớp mạ (ứng suất mạng tinh thể bị xô lệch) nên gọi chất gi ảm ứng suất - Chất thấm ướt: Phản ứng phụ thường gặp Katốt 2H + + 2e = H2 Nếu bọt khí hydrô thoát bám lâu bề mặt Katốt, cản trở trình mạ chân bọt, gây r ỗ, chân kim (piting) cho lớp mạ Một số bể mạ (như Ni bóng chẳng hạn) phải dùng chất thấm ướt b ề mặt để thúc đẩy bọt mau tách khỏi bề mặt mạ, tránh rỗ, chân kim Dung d ịch có nhiều chất hưu cơ, có độ nhớt cao, nhiệt độ thấp dễ sinh chân kim nên c àng ph ải dùng chất thấm ướt Các chất thấm ướt hay dùng Lausinsunfat, Alkylsunfat, r ượu etylic - Chất chống thụ động Anốt: Đa số trình mạ dùng Anốt hòa tan để giữ cho nồng độ Ion kim lo ại mạ dung dịch không bị nghèo chúng giải phóng Kat ốt Hi ện t ượng bất lợi hay gặp Anốt bị thụ động, bề mặt Anốt b ị phủ l ớp mu ối, l ớp hydrôxit lớp oxit khó tan Lớp che kín phần hay toàn bề m ặt Anốt, l àm cho diện tích hoạt động Anốt bị thu hẹp, phân cực anốt t ăng lên, d ẫn đến thoát khí oxy Anốt, làm cho Anốt bị thụ động trầm trọng Để khắc phục tượng phải cho vào dung dịch mạ chất chống thụ động Anốt Chúng có tác dụng ngăn việc hình thành chất khó tan m ặt An ốt Vi d ụ: chất chống thụ động Ion Cl mạ Ni Ion CN; CNS; mu ối tatrat … m đồng xyanua; OH bể mạ stanat… Tăng diện tích Anốt để hạ mật độ dòng điện Anốt, tăng nhiệt độ khuấy dung dịch… biện pháp hỗ trợ tích cực để chống thụ động Anốt - Tạp chất: SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện Tạp chất thành phần không mong muốn khó tránh khỏi dung dịch kỹ thuật Chúng chất vô hay hữu cơ, tồn t ại d ạng tan hay không tan (keo, cặn ) chúng phóng điện hay hấp thụ Kat ốt v l ẫn v l ớp m gây lên nhiều tác hại như: bong, rộp, giòn, đen, sọc, gai, rỗ…nguồn gốc tạp chất từ: + Hóa chất dùng để pha chế không đạt tiêu chuẩn độ + Nước pha chế không đủ + Thiết bị, dụng cụ ăn mòn + Anốt chứa nhiều tạp chất tạo nhiều mùn + Theo nước rửa, vật mạ, bụi bặm…lẫn vào + Do dung dịch mạ thủy ngân, tự kết tủa… Vì làm dung dịch mạ thường xuyên triệt để yêu cầu bắt buộc, bể mạ bóng, mạ tốc độ cao … loại bỏ chất hưu chất oxy hóa (H2O2; KMnO4; ôxy thoát từ Anốt… ) cách hấp thụ than hoạt tính Loại bỏ cation dương Ion kim loại mạ cách điện phân m ật độ dòng ện bé v pH thích hợp, loại mạ có gây tác hại cách tăng pH để kết tủa chúng dạng hydrôxit… loại bỏ chất không tan cách lọc dung dịch, t ốt l l ọc liên tục 1.2.2 Chếđộ mạ Trong công nghệ đại, để tăng cường trình mạ thường dùng dung dịch có nồng độ cao, thêm nhiều loại phụ gia đồng thời tiến hành mật độ dòng lớn, nhiệt độ cao khuấy mạnh Mỗi loại dung dịch đòi hỏi chế độ mạ thích hợp riêng cho để thu lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn Những yếu tố sau chế độ mạ có ảnh hưởng lớn đến chất lượng mạ: (5) (1) (2) (3) (4) Hình 1.2: Thay đổi kết tủa theo mật độ dòng đệ i n Trong đó: SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện (1): bột mịn lăn axit hydroxit (2): sần, cây, gai (3): lớp mạ đa tính (4): Xoắn, lớp, khối (cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh nhất) (5): H+ + c → ½H2 - Mật độ dòng điện: Mật độ dòng điện cao thu lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, sít chặt đồng đều, lúc mầm tinh thể sinh ạt không điểm lồi (có lợi ích) m mặt phẳng (ít ích lợi hơn) tinh thể Mặt khác, dùng mật độ dòng c àng cao làm cho Ion kim loại bị nghèo nhanh lớp dung dịch sát Katốt, phân c ực tăng lên tạo điều kiện sinh lớp mạ có tinh thể Nhưng dùng mật độ dòng điện cao (gần đến dòng giới hạn) lại không được, lức lớp mạ bị gai, cây, cháy, mà tạo dòng giới hạn thu bột kim loại Ngo ài ra, dùng mật độ dòng điện cao Anốt tan dễ bị thụ động hơn, làm giảm hiệu suất dòng điện m gây biến động mạnh pH lớp dung dịch sát Katốt muốn tăng mật độ dòng điện lên mà chất lượng mạ tốt phải nâng cao mật độ dòng điện gi ới hạn (i gh) lên trước Ví dụ: Tăng nhiệt độ, tăng nồng độ Ion chính, tăng đối lưu… ngược lại giảm mật độ dòng điện xuống thấp tốc độ mạ chậm kết tủa gồm tinh thể thô, không đồng Cho nên dung dịch mạ cho lớp mạ có chất lượng tốt m ột khoảng mật độ dòng điện định mà Khoảng mật độ dòng điện làm việc rộng dễ thu lớp mạ đồng Điều có nghĩa phải mạ cho vật có hình thù phức tạp Trong kỹ thuật mạ thường hay dùng xung vài ba đến 30s với mật độ cao gấp ÷ lần bình thường Trong kho ảnh khắc ấy, m ột l ượng r ất l ớn tinh thể hình thành toàn bề mặt mạ, kể chỗ khe, khuất, khắc phục tượng lọt, bỏ mạ cục Thường áp dụng dòng xung cho mạ Cr nhất, sau mạ Zn, Sn, Fe… SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 10 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện Nếu Urc < Uđk B có dấu điện áp Uđk điện áp Ura ngược dấu với B dk dk Hình 4.16: Đồ thị điện áp khâu so sánh dùng khuếch đại thuật toán Từ đồ thị ta thấy, vùng ÷ t1, Uđk > Urc điểm B có điện áp dương với đầu vào khuếch đại âm nên điện áp Ura âm nguồn Từ t1 ÷ π, Urc > Uđk nên điểm B có điện áp âm với điện áp ngược dấu với B dương nguồn Từ 2π ÷ t2 trình lặp lại cũ Nhận xét: Mạch so sánh dùng khuếch đại thuật toán có ưu điểm có độ xác cao, tác động nhanh, ổn định nhiệt tốt, độ trôi điểm nhỏ, thời gian độ ngắn Vì sơ đồ có ưu điểm hẳn sơ đồ 4.4.3 khâu tạo xung Khâu có nhiệm vụ tạo xung điều khiển Xung điều khiển phải có sườn trước dốc thẳng đứng để Tiristor mở tức thời xung điều khiển phải có đủ công suất độ rộng để mở Tiristor cách tin cậy chế độ làm việc c t ải to àn d ải ều chỉnh hệ SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 67 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện +E BAX D Tr R Uv (a) +E BAX D Tr1 R Tr2 Uv (b) SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 68 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện +E BAX D Tr1 R Tr2 Uv D (c) Hình 4.17 a Sơđồ khâu khuếch đại Tranzitor công suất b Sơđồ khâu khuếch đại sơđồ darlington c Sơđồ có tụ nối tầng - Với nhiệm vụ tạo xung chùm phù hợp để mở Tiristor nêu trên, t ầng khuếch đại cuối thường thiết kế Tranzitor công suất (như hình 4.17a) Để có xung dạng cưa tới Tiristor, ta dùng biến áp xung BAX để khuếch đại công suất ta dùng Tr, Diod D bảo vệ Tr cuộn dây sơ cấp biến áp xung tr khoá đột ng ột Mặc dù với ưu điểm đơn giản, sơ đồ dược dùng không rộng rãi, lẽ hệ s ố khuếch đại Tranzitor loại nhiều không đủ lớn, để khuếch đại tín hiệu từ khâu so sánh đưa sang - Tầng khuếch đại cuối sơ đồ darlington (như hình 4.17b) thường hay dùng thực tế Sơ đồ darlington hoàn toàn đáp ứng yêu c ầu v ề khuếch đại công suất, hệ số khuếch đại nhân lên theo thông s ố c Tranzitor - Trong thực tế xung điều khiển cần có độ rộng bé (cỡ khoảng (10 ÷ 200) μs), mà thời gian để mở Tranzitor công suất dài (tối đa tới nửa chu k ỳ - 0,01s), làm cho công suất toả nhiệt dư Tr lớn kích thước dây quấn sơ cấp biến áp xung dư lớn Để giảm nhỏ công suất toả nhiệt Tr kích thước dây sơ cấp BAX thêm tụ nối tầng (như hình 4.17c) Theo sơ đồ này, Tr mở cho dòng điện chạy qua khoảng thời gian nạp tụ, nên dòng hiệu dụng chúng bé nhiều lần SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 69 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện 4.5 Tính chọn mạch đề i u khiển 4.5.1 Chọn mạch đề i u khiển * Chọn mạch đồng pha Từ phân tích trên, ta chọn sơ đồ đồng pha dùng khuếch đại thuật toán sơ đồ có ưu điểm điện áp cưa đẹp đảm bảo độ đồng pha với điện áp nguồn, tạo điều kiện để mở Tiristor cách xác * Khâu so sánh Ởkhâu ta chọn khuếch đại thuật toán làm việc có độ xác cao, tác động nhanh ổn định nhiệt tốt Một đầu vào tín hiệu khâu so sánh đầu vào từ phát xung l hai Tranzitor nối tầng máy BAX (hình 4.17b) sơ đồ mạch điều khiển ba pha đủ vẽ (hình 4.18) SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 70 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện Hình 4.18: Sơđồ kênh đề i u khiển SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 71 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện UA t UB t t Udk Urc t IL t Xdk t Ud t1 t2 t3 t4 t5 t Hình 4.19: Giản đồ đường cong mạch đề i u khiển * Hoạt động sơ đồ: SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 72 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện - Điện áp vào thời điểm A (U A) có dạng hình sin, trùng với điện áp Anốt Tiristor T qua khuếch đại thuật toán (KĐTT A1) cho ta chuỗi xung chữ nhật đối xứng U B Phần điện áp dương chuỗi xung chữ nhật U B qua Diod D1 tới A2 tích phân thành điện áp tựa Urc Điện áp âm điện áp UB làm mở thông Tranzitor Tr1, kết A2 bị ngắn mạch (với Urc = 0) vùng UB âm Trên đầu A2 có chuỗi điện áp cưa Urc giãn đoạn Điện áp Urc so sánh với điện áp điều khiển U đk đầu vào A3 Tổng đại số Urc + Uđk định dấu điện áp đầu KĐTT A3 Trong khoảng ÷ t1 điện áp Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm Trong khoảng t1 ÷ t2 điện áp Uđk Urc đổi ngược lại, làm cho UD lật lên dương Trong khoảng t2 ÷ t3 ÷ t4, với Uđk > Urc điện áp UD có điện áp âm Trong khoảng t4 ÷ t5 với Uđk < Urc điện áp UD có điện áp dương Trong khoảng khác trình xảy tương tự Tại thời điểm điện áp UD có điện áp âm nên dòng điên chạy qua Tr Tr3 Trong khoảng điện áp UD có điện áp dương có dòng chạy qua Tr Tr3, lúc có dòng iL chạy qua sơ cấp máy BAX Dòng i L không tăng đột ngột mà biến thiên theo quy luật hàm mũ Sau khoảng thời gian, dòng i L đạt đến giá trị E/R7 Tại thời điểm t2 t5 điện áp âm UD làm cho tr2 tr3 khoá Lúc lượng cuộn dây máy biến áp xung xả qua Diod D2 iL giảm từ từ 0, biến thiên i L làm xuất xung điều khiển bên phía thứ cấp máy biến áp xung (tại thời điểm t 1, t2, t3, t4, t5) Điện áp Ud xuất tải từ thời điểm có xung điều khiển dương t 1, t4 chu kỳ điện áp nguồn cấp cuối bán kỳ điện áp dương Anốt 4.6 Tính toán thông số mạch đề i u khiển Việc tính toán mạch điều khiển thường tiến hành từ tầng khuếch đại ngược trở lên Mạch điều khiển tính xuất phát từ yêu cầu xung mở Tiristor Các thông số để tính mạch điều khiển cần có: Điện áp điều khiển Tiristor: Uđk = 3,5 (V) Dòng điện diều khiển Tiristor: Iđk = 150 (mA) Độ rộng xung điều khiển Tiristor: tx = 600 (μs) Mức sụt biên độ xung: Sx = 30% - 1 = tx 600.10 −6 - Tần số xung: fx = - Độ đối xứng cho phép: Δα = ÷ 40 - Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển: U = ±12(V) SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 73 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện 4.6.1 Tính biến áp xung Chọn vật liệu làm lõi sắt từ thép ∋ 330 kiểu sắt từ dạng hình chữ ∃ để máy biến áp xung làm việc tốt chế độ bão hoà, ta chọn mật độ tự c ảm lõi thép ΔB = 0,7, cường độ từ trường ΔH = 50 A/m (theo tài liệu điện tử công suất Nguyễn Bính) Tỷ số biến áp xung thường m = ÷ 3, chọn m = Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk = 3,5 (V) Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy biến áp xung: U1 = m.U2 = 3.3,5 = 10,5 (V) - Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = Iđk = 0,15 (A) Dòng điện sơ cấp biến áp xung: - I1 = I2/m = 0,15/3 = 0,05 (A) Độ từ thẩm bình thường tương đối lõi sắt: μtb = ∆B µ ∆H = 0,7 = 3,5.103 (H/m) 4.10 −6.50 Trong đó: μ0 = 4.10-6 (H/m) Thể tích lõi thép cần có: V = Q.L V= µ tr µ t x S x U I ∆B 3,5.10 3.4.10 −6.600.10 −6.0,3.10,5.0,05 0,7 V = 2,7.10-6 (m3) = 2,7 (cm3) Chọn mạch từ tích V = 9,22 (cm 3) với thể tích ta có kích thước mạch từ sau: (Tra bảng B II.2 trang 246 sách điện tử công suất Nguyễn bính) Chọn Q = 0,92 (cm2) kích thước lõi sắt từ sau: L = 10,03 (cm); a = 1,2 (cm); h = (cm); c = 1,2 (cm) C = 4,8 (cm); H = 4,2 (cm); b = (cm) SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 74 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện a/2 H a h a/2 b c C Hình 4.20: Sơđồ kết cấu lõi thép máy biến áp xung + Số vòng dây cuộn sơ cấp máy biến áp xung: W1 = U t x ∆B.Q.k Trong đó: U1: điện áp sơ cấp máy biến áp tx: độ rộng xung điều khiển Q: tiết diện lõi k: hệ số lấp đầy, chọn k = 0,7 W1 = 10,5.6.10 −4 = 139,75 (vòng) => chọn W1 = 139 (vòng) 0,7.0,92.10 − 4.0,7 + Số vòng dây cuộn thứ cấp máy biến áp xung: W2 = U x W1 3,5.139 = = 46,33 (vòng) U1 10,5 => chọn W2 = 46 (vòng) + Tiết diện dây cuộn sơ cấp máy biến áp xung: S1 = 0, 05 I1 = = 0,02 (mm2) 2,5 2,5 Chọn dây có tiết diện chuẩn 0,02011 (mm2) có đường kính dây 0,16 mm 4.6.2 Tính tầng khuếch đại cuối SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 75 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện R7 điện trở hạn chế dòng điện lõi máy biến áp xung bão ho à, lúc yêu cầu dòng chạy qua cuộn sơ cấp W1 I1max phải nhỏ dòng colectơ Tr3 cho phép Khi biến áp xung bão hoà: E = Imax.R7 Khi làm việc bình thường: E = U1 + I1.R7  - Imax = E.I 12.0, 05 = = 0,4 (A) E − U1 12 − 10,5 Giá trị điện trở hạn chế: R7 = E I max = 12 = 30 (Ω) 0, Chọn Tranzitor theo dòng điện IC3 Tranzitor Tr3 coi dòng qua cuộn sơ cấp máy biến áp xung: IC3 = I1 = 0,05 (A) Chọn Tranzitor công suất Tr3 loại 2SC730 nhật Bản sản xuất làm việc chế độ xung có thông số: + Tranzitor loại npn, vật liệu bán dẫn Si + Điện áp colector bazơ hở mạch Emitơ: UCBO = 40 (V) + Điện áp Emitơ bazơ hở mạch colector: UEBO = (V) + Dòng điện lớn colector chịu được: Imax = 400 (mA) + Công suất tiêu tốn colector: PC = 1,03 (W) - + Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: Tj = 175 (0C) + Dòng điện làm việc colector: IC3 = I3 = 0,05 (A) = 50 (mA) + Hệ số khuếch đại: β = 50 + Dòng điện làm việc bazơ: IB3 = I C max 400 = = (mA) β 50 Dòng bazơ Tr3 làm việc bình thường dòng qua colector Tr2 Chọn Tranzitor Tr3 loại 2SC47 Nhật Bản sản xuất có thông số sau: + Điện áp colector bazơ hở mạch Emitơ: UCBO = 40 (V) + Điện áp Emitơ bazơ hở mạch colector: UEBO = (V) + Dòng điện lớn colector chịu được: ICmax = 300 (mA) + Công suất tiêu tốn colector: PC = 600 (mW) SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 76 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện + Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: Tj = 150 (0C) + Dòng điện làm việc colector: IC2 = IB3 = (mA) + Hệ số khuếch đại: β = 50 + Dòng điện làm việc bazơ Tr2: IB2 = IC2 = = 0,16 (mA) β 50 + Tất Diod mạch điều khiển dùng loại 1N4007 4.6.3 Tính chọn mạch tạo xung Điện trở R6 dùng để hạn chế dòng điện đưa vào bazơ Tr 3, chọn R6 thoả mãn điều kiện: R6 ≥ Ur = = 4,5 (KΩ), chọn R6 = 10 (KΩ) Ir Chọn Iv = (mA) dòng sau KĐTT A3 4.6.4 Tính chọn tầng so sánh Mỗi kênh điều khiển phải dùng khuếch đại thuật toán Do ta chọn IC loại TL084, IC có khuếch đại thuật toán Thông số TL084: + Điện áp nguồn nuôi: UCC = ±12 (V), chọn UCC = ±9 (V) + Hiệu điện hai đầu vào: U = ±30 (V) + Công suất tiêu thụ: P = 680 (mW) = 0,68 (W) + Dòng điện đầu ra: Ira = 30 (pA) + Tốc độ biến thiên điện áp cho phép: SVTH : Nguyễn Văn Hội du = 13 (V/μs) dt Trang 77 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện * Sơ đồ chân IC TL084 13 11 10 + + - - + + 12 - 14 - U cc Hình 4.21: Sơđồ chân IC TL084 Chọn R4 = R5 > Ur = = (KΩ) Ir 1.10−3 Trong nguồn nuôi cung cấp UCC = ±9 (V) điện áp đầu vào A3 Uv = (V) Dòng điện đầu vào hạn chế: Ilv < (mA) Do ta chọn R4 = R5 = 12 (KΩ) Khi dòng vào A3: Imax = = 0,75.10-4 (A) = 0,75 (mA) 12.103 4.6.5 Tính chọn khâu đồng pha Chọn tụ C1 = 0,1 (μF) điện trở R3 = SVTH : Nguyễn Văn Hội Tr 0,005 = = 50.103 (Ω) C1 0,1.10 −6 Trang 78 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện Để thuận tiện cho việc điều chỉnh lắp ráp mạch R thường chọn biến trở lớn 50 (KΩ), chọn R3 = 80 (KΩ) Chọn Tranzitor loại pnp, làm Si Chọn Tranzitor Tr loại 2SA530 có thông số: + Điện áp colector bazơ hở mạch Emitơ: UCBO = 50 (V) + Điện áp Emitơ bazơ hở mạch colector: UEBO = (V) + Dòng điện lớn colector chịu được: ICmax = 100 (mA) + Nhiệt độ lớn mặt tiếp giáp: Tj = 175 (0C) + Dòng điện làm việc bazơ: IB1= IC 100 = = (mA) β 50 + Hệ số khuếch đại: β = 50 + Điện trở R2 để hạn chế dòng điện vào bazơ Tranzitor Tr chọn sau: chọn R2 cho: R2 ≥ U N max = = 4,5 (KΩ) I B1 2.10−3  chọn R2 = 10 (KΩ) Chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA = (V) Điện trở R1 để hạn chế dòng điện vào khuếch đại thuật toán A1 Thường chọn R1 cho dòng khuếch đại thuật toán Iv ≤ mA Do đó: R1 ≥ UA = = (KΩ) => chọn R1 = 10 (KΩ) Ir 1.10 −3 4.7 Sơđồ hệ thống (Hình 4.22) SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 79 Đồ án tốt nghiệp SVTH : Nguyễn Văn Hội Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện Trang 80 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế nguồn chiều cho tải mạ điện Hình 4.22: Sơđồ hệ thống TÀI LIỆU THAM KHẢO Điện tử công suất – Nguyễn Bính Nhà xuất khoa học kỹ thuật Giáo trình điện tử công suất – Trần Trọng Minh Nhà xuất giáo dục Mạ điện – Nguyễn Khương Nhà xuất khoa học kỹ thuật Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất – Trần Văn Thịnh Nhà xuất giáo dục Bài giảng điện tử công suất thầy Thân Văn Thông SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 81 [...]... dương hơn về pha có điện áp âm hơn Ví dụ: trong khoảng t1 ÷ t2 pha A có điện áp dương hơn, pha B có điện áp âm hơn, với việc mở thông T1, T4 dòng điện được chạy từ A về B SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 26 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện A B C T2 T1 T4 T3 T6 T5 Zd Hình 2.7a SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 27 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện Uf B A C t 0 t1... chiều cho tải mạ điện CHƯƠNG II KHÁI QUÁT VỀCÁC BỘNGUỒN CHỈNH LƯU ĐỀ I U KHIỂN VÀCHỌN BỘ CHỈNH LƯU 2.1 Nguồn điện cung cấp Ởđây là tải mạ điện nên điện trường được tạo thành bằng nguồn điện một chiều Do vậy, nguồn cung cấp cho tải là nguồn một chiều Trước kia thường dùng máy phát điện một chiều có ưu điểm là có dòng và điện áp bằng phẳng, nhưng lại có nhược điểm là khi làm việc gây ồn, c ổ góp máy phát... chọn bộ chỉnh lưu ba pha Căn cứ vào những đặc điểm nêu trên chúng ta có thể chọn bộ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 33 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện A B C D1 1CC 1CC T1 1CC 1CC T2 D3 1CC 1CC T3 D2 2CC 2CC Rd Hình 2.10: Sơđồ mạch động lực SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 34 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện CHƯƠNG... trong m ột nửa chu kỳ Về trị số, dòng điện trung bình chạy qua van bằng: Itb = ½Id, dòng điện hiệu dụng của van Ihd = 0,71Id + Phương án 2: * Sơ đồ động lực: SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 21 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện T2 F U2 D1 T1 D2 E Zd Hình 2.5a SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 22 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện Ud t 0 t1 t2 t3 Id t 0 IT1 t 0 a... nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện Tại t2, UA đổi dấu IT1 = 0, T1 khóa Tại t2 cấp xung điều khiển T2, T2 dẫn điện áp van UT1 = UAB Tại t3 cấp xung điều khiển T3, T3 dẫn điện áp van U T1 = UAC, quá trình xảy ra tương tự Điện áp tải bằng điện áp dây khi có một van mở Trị số điện áp: Ud = 1,17.U 2 f 3 [1+cos(л/6 + α)] (2 - 4) * Nhận xét chung sơ đồ: - Khi tải thuần trở dòng điện và điện áp tải. .. đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ sóng điện áp ra một chiều sẽ bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ, Khi điện áp Anốt của van bán dẫn âm Do vậy, khi s ử dụng s ơ đồ ch ỉnh lưu một nửa chu kỳ, chất lượng điện áp xấu, trị số điện áp tải trung bình l ớn nh ất (khi không điều khiển) được tính: Ud0 = 0,454 U2 (2 - 1) SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 15 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện Như vậy... Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện mở cho dòng điện chạy từ pha B về pha A Trong kho ảng t 4 ÷ t5 và từ pha C về pha A trong khoảng t5 ÷ t6 Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp t ải liên tục khi góc mở các Tiristor nhỏ hơn 60 0, khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ, dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn Theo dạng sóng điện áp tải, trị số điện áp... từ điện xoay chiều thành một chiều bằng bán dẫn Theo hình dạng các sơ đồ chỉnh lưu, với chuyển mạch tự nhiên, chúng ta có thể phân loại chỉnh lưu thành các loại sơ đồ sau và vì bộ chỉnh lưu cần thiết k ế ở đây l à c ấp điện cho tải điện trở nên khi giới thiệu và phân tích sơ đồ chỉ quan tâm đến tải thuần trở 2.2.1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 14 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn. .. xứng Sơ đồ cấp dòng bất đối cho bể mạ được mô t ả trong hình (1.4) Diều chỉnh các điện trở R sẽ làm thay đổi cường độ dòng trong hai nhánh sao cho dòng điện Katốt chiếm 80% ÷ 90%, còn lại là dòng Anốt SVTH : Nguyễn Văn Hội Trang 11 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện A R V Hình 1.4: Sơđồ tạo dòng bất đối cho bể mạ - Nhiệt độ: Tăng nhiệt độ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao... nghiệp Thiết kế bộ nguồn 1 chiều cho tải mạ điện Id Ud t 0 t1 t2 t3 IT1 t 0 IT2 t 0 a UT1 t 0 Hình 2.2b: Giản đồ các đường cong * Nguyên lý hoạt động: Tại α 1 cấp xung điều khiển T1 → T1 dẫn từ α1 ÷ л Trong vùng này điện áp và dòng điện đồng dạng từ α1 ÷ л dòng tải là IT1, đến л: T1 khóa đồng thời đến л thì B+, tại α2 cấp xung điều khiển T2 → T2 dẫn trong vùng này điện áp và dòng điện đồng dạng, dòng điện