Nghiên cứu thiết kế nguồn mạ một chiều

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN Cho đến nay kỹ thuật mạ có những bước nhảy vọt và thoả mãn được các yêu cầu kỹ thuật như tạo lớp mạ dày, có cấu trúc tốt và độ cứng cao chịu ma sát tốt, chịu áp lực tốt, làm việc ở nhiệt độ cao như pittong, xilanh … Công nghệ mạ vẫn đang được nghiên cứu và phát triển để tạo ra những lớp mạ có chất lượng tốt nữa nhằm đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật ngày càng cao. Đối với đất nước chúng ta do điều kiện phát triển trình độ mạ còn thấp kém do vậy để đáp ứng nhu cầu thực tế chúng ta phải không ngừng nâng cao trình độ và có những bước đi vững chắc để hình thành các trung tâm nghiên cứu kỹ thuật mạ điện để tạo ra được lớp mạ có chất lượng cao và giá thành rẻ. 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 các yêu cầu mong muốn . Tuy nhiên chỉ những công nghệ nào ổn định trong một thời gian dài để luôn cho sản phẩm có tính chất như nhau mới được ứng dụng vào trong sản xuất. 1. Phân loại lớp mạ. - Lớp mạ bảo vệ: Dùng để bảo vệ khỏi sự ăn mòn kim loại trong môi trường sử dụng và bảo vệ kim loại nền. - Lớp mạ trang trí: Lớp mạ này có độ sáng màu cao hấp dẫn giữ được lâu ví dụ như: mạ vàng, mạ bạc … Người ta tạo lớp mạ trang trí bằng cách tạo lớp mỏng kim loại trên bề mặt vật cần mạ, độ bóng được tạo ra bằng cách đánh bóng cơ khí, hoá học, điện hoá. - Lớp mạ kỹ thuật: Chúng ta sử dụng rộng rãi và có ứng dụng trong thực tế như: + Mạ làm tăng độ bền chống ma sát ổ trục. + Mạ phục hồi các chi tiết máy. + Mạ tăng độ dẫn điện. + Mạ làm tăng độ chống mài mòn. 2. Các thành phần chính của bộ mạ và các quá trình xảy ra. Các thành phần chính của một bộ mạ bao gồm các thành phần như sơ đồ sau: Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị mạ 2.1. Dung dịch mạ: Thường là dung dịch gồm muối đơn ( hoặc muối phức) và các chất phụ gia. - Dung dịch muối đơn: Còn gọi là dung dịch axit, cấu tử chính là các muối của các axit vô cơ hoà tan nhiều trong nước phân ly hoàn toàn thành các ion tự do - Dung dịch muối phức: Ion phức tạo thành ngay khi pha chế dung dịch. Ion kim loại mạ là ion trung tâm trong nội cầu phức Để tăng cường chất lượng mạ, trong dung dịch mạ còn có thêm một số các chất phụ gia . Có hai quan điểm về cơ chế khử ion kim loại từ dung dịch phức: + Một là : Ion phức phân ly thành các Cation kim loại đơn giản rồi mới phóng điện trên catot tạo thành lớp mạ:  KM(CN)2 = K+ + M(CN)2 - M(CN)2 - « M+ + 2CN - M+ + e ® M + Hai là : Ion phức phóng điện trực tiếp : KM(CN)2 = K+ + M(CN)2 - M(CN)2 - + e ® M + 2CN Cả hai quan điểm trên thừa nhận khử Catot các ion kim loại từ dung dịch phức. * Một số chất phụ gia : - Chất làm bóng lớp mạ : là chất hoạt động bề mặt đặc biệt cho phép thu được lớp mạ bóng trực tiếp ngay từ bể mạ mà không cần đánh bóng hoặc tẩy bóng. + Chất bóng loại 1 : Cho lớp mạ bóng khi lớp nền có độ nhẵn khá cao một số chất có khả năng làm giảm ứng suất nội. + Chất bóng loại 2 : Còn gọi là chất san bằng. Cho bề mặt mạ bóng hơn nhưng cũng làm tăng ứng suất nội và độ dòn. - Chất dẫn điện : Đóng vai trò chuyển điện trong dung dịch - Chất đệm : Khắc phục nhược điểm nhiều dung dịch chỉ làm việc được trong khoảng pH nhất định, giữ cho pH của dung dịch luôn ổn định. - Chất hoạt động bề mặt và chất keo : Mỗi chất hoạt động bề mặt có 1 tác dụng riêng và chỉ tác dụng đối với một dung dịch mạ riêng. Chúng thường bị hấp thụ trên Catot. - Chất thấm ướt : Trên Catot thường có phản ứng phụ sinh khí Hydro. Chất này thúc đẩy bọt khí mau tách khỏi bể mạ, làm cho quá trình mạ nhanh hơn. - Chất chống thụ động : Khi dùng Anot hoà tan, Anot hay bị thụ động do trên bề mặt Anot bị phủ một lớp muối, lớp hydro hoặc lớp oxit khó tan. Chất này dùng để ngăn cản quá trình hình thành lớp chất khó tan đó. - Tạp chất : Là nhữnh chất không mong muốn nhưng khó tránh khỏi. Chúng có thể phóng điện hoặc hấp thụ trên Catot và lẫn vào lớp mạ gây nhiều tác hại như : bong, dộp, dòn, gai… 2.2. Nguồn điện một chiều. Để cung cấp dòng điện 1 chiều cho các bể mạ, bể điện phân…Có thể dùng nhiều nguồn khác nhau như : pin, ắc quy, máy phát điện một chiều, đôi khi dùng nguồn điện hoá học…Nhưng nhìn chung các nguồn điện trên có công suất nhỏ, lại khó khăn trong quá trình sản xuất nên thường không được sử dụng trong công nghiệp. Ngày nay bộ chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi trong các xưởng mạ do có nhiều ưu điểm như: công suất lớn, dễ sản suất…Mỗi bể mạ yêu cầu giá trị dòng điện, điện áp riêng. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra cho phù hợp. Mỗi bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cho quy trình mạ. 2.3. Điện cực Anot. Mạ điện thường dùng anot tan làm bằng kim loại cần mạ, được nối với nguồn điện dương của nguồn điện một chiều. Trong quá trình mạ anot bị tan để cung cấp ion kim loại cho dung dịch, đảm bảo nồng độ ion trong dung dịch không đổi. Phản ứng trên anot lúc này là: M - ne ® M n+ Trong trường hợp dùng anot không tan ( trơ) như : Platin , than chì…thì quá trình chính trên anot là : 4OH - - 4e ® 2H2O + O2 2H2O - 4e ® 4H+ + O2 Để giữ cho nồng độ các loại ion kim loại cấu tử chính trong dung dịch không đổi cần định kỳ bổ sung hoá chất để giữ đúng nồng độ yêu cầu và tỷ lệ giữa chúng. 2.4. Điện cực Catot Điện cực Catot là vật cần mạ, được nối với điện cực âm của nguồn điện một chiều. Trên catot cation phóng điện thành phần nguyên tử kim loại mạ: M n+ + ne ® M Thực ra quá trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp: - Cation hydrat hoá M n+.mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt Catot - Catot mất vỏ hydrat hoá (mH2O) vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt Catot - Điện tử (e) từ Catot điền vào vành điện tử hoá trị của Cation biến nó thành nguyên tử trung hoà. - Các nguyên tử kim loại này hoặc sẽ tham gia thành mầm tinh thể mới hoặc tham gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó. Mầm phát triển thành tinh thể. Tinh thể kết thành lớp mạ. 2.5. Bể điện phân Dùng để chứa dung dịch mạ và vật cần mạ. Bể mạ làm từ vật liệu cách điện, bền hoá học, bền nhiệt. Lớp chất dẻo lót phải tuyệt đối kín, nước không thấm qua được, mặt ngoài sơn nhiều lớp chống rỉ. Có nhiều loại bể mạ như bể mạ tĩnh, thùng mạ quay… 3. Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ. Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ là công việc tốn kém và vất vả nhưng không thể nào bỏ qua hoặc giảm bớt, vì nó quyết định chất lượng sản phẩm mạ. Nhiệm vụ quan trọng nhất của gia công kim loại là làm sạch hết các lớp rỉ, các màng oxit, màng dầu mỡ, tạp chất trên bề mặt kim loại để tạo điều kiện cho lớp mạ gắn chặt với nền, tuỳ đặc điểm của sản phẩm mạ mà nhiệm vụ gia công bề mặt có những yêu cầu riêng. Các phương pháp gia công bề mặt kim loại mạ. + Gia công cơ học: Mài thô, mài tinh, đánh bóng, quay bóng hay xoay bóng trong thùng quay, chải, phun + Tẩy dầu mỡ: Tẩy trong dung môi hữu cơ, tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm nóng, tẩy dầu mỡ điện hoá siêu âm. + Tẩy rỉ: - Tẩy rỉ kim loại đen: tẩy rỉ hoá học, tẩy rỉ điện hoá. - Tẩy rỉ kim loại màu. + Tẩy bóng điện hoá và hoá học. + Rửa phôi Gia công bề mặt kim loại trước khi mạ phải qua nhiều bước tuỳ đặc điểm của phôi, yêu cầu của sản phẩm … mà chọn một số bước và thứ tự các phương pháp trên để cho hợp lý nhất về kinh tế lẫn kỹ thuật. Không nên coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ vì nó có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng và hình thức lớp mạ. 4. Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ. Quy trình công nghệ mạ bao gồm rất nhiều bước và được nhóm thành 3 giai đoạn: 4.1. Giai đoạn chuẩn bị Xét đến bản chất vật liệu hàng mạ (nền), mức độ nhiễm bẩn và độ nhám bề mặt của chúng. Độ nhấp nhô của bề mặt mạ bảo vệ không được vượt quá 40mm, mạ trang sức bảo vệ < 2,5mm, mạ tăng độ cứng và mạ cách điện < 1,25mm. Chọn dung dịch mạ căn cứ vào đặc tính vật cần mạ. 4.2. Giai đoạn mạ Cho vật cần mạ vào dung dịch mạ rồi tiến hành cấp nguòn điện cho hệ thống mạ. Tiến hành mạ trong khoảng thời gian đã tính toán trước. Giữ dòng điện không đổi trong quá trình mạ. Đảm bảo an toàn kỹ thuật trong quá trình mạ. 4.3. Giai đoạn hoàn thiện Tiến hành các bước trung hoà, tẩy sáng, lấp đầy lỗ… Sau khi chọn xong các bước cần lập quy trình công nghệ thành bảng, tiếp đó trình bày cách pha chế dung dịch và cách pha chế dung dịch. Khối lượng kim loại m kết tủa lên diện tích S có thể tính dựa vào định luật Faraday: m = S . Dc . t . H . C (g) Trong đó: S : Diện tích mạ (dm2) Dc : Mật độ dòng điện Catot (A/dm2) t : Thời gian mạ (h) H : Hiệu suất dòng điện (%) C : Đương lượng điện hoá của ion kim loại mạ (g/Dh). Chiều dày lớp mạ được tính như sau: J = 1000 . Dc . t . () Trong đó: J : Chiều dày trung bình lớp mạ (). : Trọng lượng riêng kim loại mạ () t : Thời gian mạ (h) C : Đương lượng điện hoá kim loại mạ () H : Hiệu suất dòng điện (%) 5. Các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm mạ Chất lượng của sản phẩm mạ được đánh giá thông qua nhiều yếu tố nhưng có một số chỉ tiêu cơ bản như sau : 5.1. Độ bóng : Thể hiện tính thẩm mỹ của sản phẩm mạ, đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất để đánh giá chất lượng lớp mạ. Muốn có được lớp mạ độ bóng cao thì phải giữ mật độ dòng điện hợp lý khi mạ mỗi loại vật liệu, nhằm tạo ra các tinh thể nhỏ, mịn ... 5.2. Độ dày lớp mạ : Để đảm bảo lớp mạ được dày đều cần chọn thành phần dung dịch và chế độ thích hợp. Tuy nhiên trong trường hợp cần mạ thật dày (hàng trăm µm) ta còn phải dùng đến các biện pháp hỗ trợ khác như: Catot phụ, vật chắn điện…và giữ thời gian mạ hợp lý. Với mạ đảo chiều: việc thay đổi cực tính của nguồn mạ một cách tuần hoàn làm cho lớp mạ có lúc bị cào bớt đi, tạo ra các rãnh, gai lồi lõm, sau đó lại được lấp đầy lại. Như thế làm cho lớp mạ dày đều và độ bám tăng lên. Ngoài ra cần phải kể đến độ xốp: Độ xốp quyết định khả năng bảo vệ và phạm vi ứng dụng của lớp mạ. Lỗ xốp có nhiều dạng: lỗ to, lỗ nhỏ, rãnh…Để giảm độ xốp của lớp mạ ngoài việc chuẩn bị tốt nền, chọn điều kiện mạ thích hợp tăng chiều dày lớp mạ cần có biện pháp mạ chồng lên nhau làm cho các lỗ xốp lệch nhau. 5.3. Độ bám Độ bám cũng là một trong những tính chất quan trọng. Vì lớp mạ và nền khác bản chất ( hiện nay nền có thể là plastic) nên lớp mạ rất dễ bị bong ra do lực cơ học tác dụng, do biến dạng…Độ bám cực đại có thể đạt tới chính là độ bền liên kết hoàn chỉnh giữa kim loại mạ và nền. Độ bám sẽ giảm nếu giữa kim loại mạ và nền hình thành lớp khuếch tán có độ dòn cao. Phương pháp ủ nhiệt có thể làm tăng độ bám tuy nhiên cũng có thể làm giảm độ bám nếu sử dụng không hợp lý. Ví dụ: Mạ đồng trên nền kẽm đúc, khi men hoá lớp mạ trong lò nung thường hay bị bong rộp do hình thành lớp khuếch tán CuZn. 6. Ảnh hưởng của các yếu tố điện đến mạ một chiều Để xét ảnh hưởng của các yếu tố điện đến quá trình mạ cũng như đến chất lượng sản phẩm mạ trước hết ta xét đến tính chất tải của bể mạ. Tính chất tải của bể mạ: Tải bể mạ thuộc loại tải R-E-C, tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ nên hằng số thời gian nạp, xả tụ rất nhỏ do đó có thể coi ảnh hưởng của tụ là nhỏ, không đáng kể. Sức điện động E của bể mạ nhỏ nên có thể bỏ qua. Từ đó có thể coi tải của bể mạ là thuần trở nên muốn có dòng điện qua bể mạ có độ phẳng cao thì điện áp nguồn cũng phải thật phẳng. Đây là một trong những yêu cầu của nguồn mạ. Trong quá trình mạ tải có biến động là bởi vì: Trở kháng tải của nguồn mạ phụ thuộc vào các dung dịch trong bể mạ hay phụ thuộc vào mật độ ion trong bể mạ. Trong quá trình mạ các ion kim loại được kết tủa trên bề mặt vật mạ, làm cho mật độ ion thay đổi và dẫn đến trở kháng tải cũng thay đổi theo. Nếu trong trường hợp điện áp được giữ cố định thì dòng điện cũng thay đổi làm cho mật độ ion kết tủa trên vật mạ sẽ không đều, lớp mạ sẽ có chỗ lồi lõm. Chính vì vậy người ta thường bổ xung định kỳ hàm lượng kim loại mạ vào trong bể. Cường độ dòng điện I tính toán suất phát từ mật độ dòng điện Dc và phụ tải y trong bể : I = Dc . y (A) Trong đó : Dc : mật độ dòng catot y : phụ tải của bể mạ Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, sít chặt và đồng đều, bởi vì lúc đó mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt không chỉ tại các điểm lồi (điểm có lợi thế) mà cả trên các mặt phẳng (ít lợi thế) của tinh thể. Mặt khác khi mật độ dòng điện cao làm cho ion kim loại mạ nghèo đi nhanh chóng trong lớp dung dịch sát catot, do đó phân cực sẽ tăng lên tạo điều kiện sinh ra lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn. Nếu mật độ dòng điện quá cao (gần đến dòng giới hạn) cũng không được vì lúc đó lớp mạ sẽ bị gai, cày hoặc cháy. Ngoài ra nếu dùng Anot tan thì nó dễ bị thụ động hơn và dung dịch sẽ nghèo dần ion kim loại mạ. Ngược lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô, không đều. Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho phép lớp mạ có chất lượng mạ tốt trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định. Điện trở dung dịch được tính theo công thức: R = l . ( 100 . c . y ) (W) l : khoảng cách giữa các điện cực (cm) c : độ dẫn điện riêng của dung dịch (W-1.cm-1) y : phụ tải của bể mạ (dm2) CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Dựa trên các thông số kỹ thuật đã cho : Ud max = 24 (V) Id max = 1500 (A) Trên lý thuyết ta có rất nhiều cách để tạo ra dòng điện một chiều như: 1. Dùng các nguồn điện hoá học như pin, ắc quy… : Đây là phương pháp đơn giản nhất chúng có một số ưu nhược điểm sau đây: - Dòng điện ổn định, độ bằng phẳng cao, thích hợp với việc dùng trong các phòng thí nghiệm giúp nghiên cứu thực nghiệm. - Công suất nhỏ, phải thường xuyên nạp ( mặc dù có thể mắc nối tiếp nhiều ắcquy) - Không bền, khó điều chỉnh dòng áp vào bể mạ. - Dung dịch axit có trong acquy khi bốc hơi sẽ ăn mòn các trang thiết bị có trong phòng thí nghiệm gây hỏng hóc, hư tổn. Trên thực tế thì rất ít khi sử dụng nguồn này làm nguồn mạ trừ trường hợp mạ với công suất rất nhỏ, đơn lẻ trong các phòng thí nghiệm. 2. Dùng máy phát điện một chiều : Phương pháp này khắc phục được nhược điểm công suất nhỏ của phương pháp trên và có thể điều chỉnh dòng, áp ra theo ý muốn. Dòng áp có thể rất lớn lên tới hàng ngàn Ampe và có độ ổn định rất cao, đồ thị dòng điện là đường thẳng. Tuy nhiên dùng máy phát điện một chiều có một số nhược điểm sau : - Giá thành cao, máy móc cồng kềnh. - Máy hoạt động gây tiếng ồn lớn, cổ góp nhanh mài mòn, phải thường xuyên bảo dưỡng máy, sử chữa tốn kém và khó khăn. Cả hai phương pháp trên đều tạo ra dòng một chiều nhưng không kinh tế, không áp dụng được cho sản xuất công nghiệp, mà quan trọng nhất là khó đáp ứng được yêu cầu đó là dòng mạ lớn chính vì vậy mà hai phương pháp trên thường không được ứng dụng trong sản xuất. 3. Dùng bộ chỉnh lưu. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử mà đặc biệt là kỹ thuật bán dẫn tạo ra nhiều linh kiện có độ chính xác cao, dễ điều khiển, …như Tirsitor chính vì thế việc sử dụng bộ biến đổi là kinh tế và thuận lợi nhất. Trên thực tế thì việc sử dụng bộ biến đổi có nhiều ưu điểm nhất và được ứng dụng rộng rãi. Sử dụng bộ biến đổi có một số ưu nhược điểm sau : - Gọn nhẹ, dễ điều khiển dòng, áp, dễ dàng tự động hoá quá trình. - Có thể tạo ra bộ nguồn có công suất lớn. - Chi phí vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa thấp xong chi phí đầu tư ban đầu lớn, đòi hỏi người vận hành có trình độ kỹ thuật nhất định. - Trong trường hợp cần thiết kế: Có thể dễ dàng đảo chiều dòng mạ, thay đổi điện áp ra… Từ những phân tích trên ta thấy dùng bộ biến đổi để thiết kế nguồn mạ là phương án tốt nhất. Với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế nguồn mạ một chiều” em trình bày một vài phương án sử dụng bộ chỉnh lưu để chọn khi thiết kế nguồn mạ. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha. Sơ đồ chỉnh lưu hình cầu 3 pha. Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng.  3.1. Chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đối xứng 3.1.1. Sơ đồ nguyên lý : L E R T2 T4 T3 T1 Hình 2.1: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đối xứng 3.1.2. Giới thiệu sơ đồ : - Máy biến áp lực: Biến đổi điện áp lưới thành điện áp cần cấp cho tải - Bốn Tiristor chia làm 2 nhóm : T1, T3 đấu với Katot chung. T2 , T4 đấu với Anot chung. 3.1.3. Các công thức cơ bản: Giá trị trung bình của điện áp tải : Giá trị trung bình của dòng tải : Giá trị dòng điện cuộn dây thứ cấp máy biến áp: I2 = Giá trị trung bình dòng qua Tirristor : Công suất một chiều trên tải : Pd = Ud . Id Công suất tính toán máy biến áp : Sba = 1,23 . Pd Điện áp ngược lớn nhất đặt lên tisistor : Ung max = .U2 3.1.4. Dạng dòng điện và điện áp như hình : Uv ωt Ud ωt id Id iT1,T2 ωt iT3,T4 ωt Ung ωt ωt Hình 2.2: Đồ thị dạng điện áp trường hợp tải RLE Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu đối xứng cầu 1 pha có những ưu nhược điểm sau : Sơ đồ mạch lực đơn giản, dùng ít tiristor, điện áp ngược đặt lên tiristor thấp. Tuy nhiên công suất đạt được là thấp, do chỉ sử dụng một pha nên dễ gây mất đối xứng lưới. Chính vì vậy nên sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển thường sử dụng đối với tải có công suất nhỏ, điện áp Ud trung bình và dòng điện Id nhỏ. 3.2. Mạch chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha đối xứng 3.2.1. Sơ đồ nguyên lý : T5 T3 T1 L E T4 T6 T2 R Hình 2.3: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha đối xứng Giới thiệu sơ đồ : Gồm 6 tiristor chia thành 2 nhóm : Nhóm 1 : T1 , T3 , T5 đấu Katot chung Nhóm 2 : T2 , T4 , T6 đấu Anot chung §iÖn ¸p c¸c pha thø cÊp m¸y biÕn ¸p : Nguyªn lý ho¹t ®éng cña s¬ ®å : Gi¶ thiÕt T5, T6 ®ang cho dßng ch¶y qua + Khi cho xung ®iÒu khiÓn më T1. Tiristor nµy më v× . Sù më cña T1 lµm cho T5 bÞ kho¸ l¹i mét c¸ch tù nhiªn v× . Lóc nµy T6 vµ T1 cho dßng ®i qua. §iÖn ¸p ra trªn t¶i : + Khi cho xung ®iÒu khiÓn më T2. Tiristor nµy më v× T6 dÉn dßng, nã ®Æt lªn catèt T2 mµ . Sù më cña T2 lµm cho T6 kho¸ l¹i mét c¸ch tù nhiªn v× . C¸c xung ®iÒu khiÓn lÖch nhau ®­îc lÇn l­ît ®­a ®Õn c¸c cùc ®iÒu khiÓn cña c¸c Tiristor theo thø tù 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1,….. Trong mçi nhãm, khi 1 tiristor më th× nã sÏ kho¸ ngay tiristor tr­íc nã, nh­ trong b¶ng sau : Thêi ®iÓm Më Kho¸ q1 = p/6 + a q2 = 3p/6 + a q3 = 5p/6 + a q4 = 7p/6 + a q5 = 9p/6 + a q6 = 11p/6 + a T1 T2 T3 T4 T5 T6 T5 T6 T1 T2 T3 T4 3.2.3. Các thông số cơ bản : Trị số trung bình của điện áp sau chỉnh lưu : Ud = Trị số trung bình của dòng tải : Id = Giá trị dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp: I2 = Công suất 1 chiều trên tải : Pd = Ud . Id Công suất tính toán trên máy biến áp: Sba = 1,05.Pd Trị số trung bình dòng điện qua Tiristor : Iv = Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Tisistor: Ungmax =.U2  Dạng điện áp và dòng điện : Ud T1 T5 T3 T1 ωt T6 T4 T6 T2 iT1 ωt iT3 ωt iT5 ωt iT2 ωt iT4 ωt iT6 ωt Ung ωt Hình 2.4: Đồ thị dạng điện áp trường hợp tải RLE Nhận xét : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng có những ưu nhược điểm sau: Điện áp đặt lên các tisistor lớn, giá thành các thiết bị tốn kém. Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng sử dụng đối với nguồn mạ có công suất trung bình, tải có yêu cầu về điện áp cao, dòng điện trung bình . 3.3. Mạch chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng: 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.5: Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng 3.3.2. Giới thệu sơ đồ - Máy biến áp lực:Biến đổi điện áp lưới U1 thành điện áp cần cấp cho tải - Cuộn kháng cân bằng Lcb: có tác dụng là hấp thụ hiệu điện thế trên tải - Cuộn kháng tải Ld: có tác dụng san phẳng dòng điện - Gồm 6 tiristor chia làm hai nhóm : Nhóm 1 : T1 , T3 ,T5 Nhóm 2 : T2 , T4, T6 3.3.3. Các công thức cơ bản Trị số trung bình của điện áp sau chinh lưu : Ud = Trị số trung bình của dòng tải : Id = Giá trị dòng điện cuộn thứ cấp máy biến áp: I2 = Công suất 1 chiều trên tải : Pd = Ud . Id Công suất tính toán trên máy biến áp: Sba = 1,26 . Pd Trị số trung bình dòng điện qua Tiristor : Iv = Điện áp ngược lớn nhất đặt lên Tiristor: Ungmax =.U2 3.3.4. Đồ thị dạng điện áp Uv id ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt Ud2 Ud1 Ud ωt iT2 iT6 iT4 iT5 iT3 iT1 Id Hình 2.6: Đồ thị dạng điện áp chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng Nhận xét : Bộ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng có những ưu nhược điểm sau: cho chất lượng điện áp tốt, độ bằng phẳng cao, hệ số đập mạch lớn, dòng qua van bằng dòng tải nên dễ chọn van hơn khi dòng tải lớn. Phương pháp này thường được dung cho tải có dòng lớn và điện áp nhỏ. Qua phân tích ở trên ta chọn phương án chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng để làm mạch lực cho nguồn mạ. Với phương pháp này ta có hai cách điều chỉnh: Điều chỉnh điện áp sơ cấp Điều chỉnh điện áp thứ cấp Sau đây ta xét từng phương án điều chỉnh: a. Điều chỉnh sơ cấp: Sơ đồ nguyên lý Hình 2.7: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 6 pha có cuộn kháng cân bằng điều chỉnh bên sơ cấp Sơ đồ gồm : 6 tiristor đấu song song ngược và 6 điot Dạng điện áp và giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải ở mỗi pha phụ thuộc vào góc mở . Nhận xét: Phương án điều chỉnh sơ cấp có những ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: Do dòng bên sơ cấp nhỏ nên việc chọn các van thuận lợi Nhược điểm: Điều khiển sơ cấp là điều khiển gián tiếp, dòng phải qua cảm ứng từ sang thứ cấp rồi mới cấp cho tải. Dạng điện áp cấp cho tải ra dạng băm, góc càng tăng thì dạng điện áp ra càng xấu, điện áp ra “ không sin ”. b. Điều chỉnh thứ cấp: Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.8: Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng điều chỉnh bên thứ cấp Khi muốn điều chỉnh dòng tải chỉ cần tác động xung điều khiển vào các Tiristor ở cuộn thứ cấp. Nhận xét: Phương án điều chỉnh bên thứ cấp có những ưu nhược điểm sau: Ưu điểm: là quá trình điều khiển trực tiếp nên điện áp ra có độ chính xác cao . Nhược điểm: dòng thứ cấp lớn nên chọn van khó. Kết luận : Qua phân tích cả 2 phương pháp dùng bộ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta nhận thấy phương án điều chỉnh bên thứ cấp có ưu điểm hơn hẳn nên để đảm bảo yêu cầu của đề tài ta chọn phương án chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân điều chỉnh bên thứ cấp. CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC Từ các phân tích ở phần trên ta chọn mạch chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng để xây dựng sơ đồ mạch lực điều chỉnh các van: A. Sơ đồ nguyên lý mạch lực: Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ 1 chiều Sơ đồ gồm : Aptomat : dùng để đóng cắt mạch động lực, có bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch. Bộ chỉnh lưu : biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều cung cấp cho tải. Máy biến áp lực: Biến điện áp của lưới U1 thành điện áp cần cấp cho tải Mạch RC bảo vệ tốc độ tăng trưởng điện áp của van. Điện trở Rsun: lấy tín hiệu đo dòng điện. Cuộn kháng cân bằng Lcb : có tác dụng hấp thụ hiệu điện thế trong tải Cuộn kháng tải Ld: có tác dụng san phẳng dòng điện tải. Biến dòng BD1, BD2, BD3 : lấy tín hiệu phản hồi. 1. Tính toán máy biến áp lực Với các thông số kỹ thuật đã cho: Ud max = 24 (V) Id max = 1500 (A) Điện áp chỉnh lưu khi không tải : Ud o = Ud + DUd Trong đó : DUd =DUba + DUv + DUck DUba : Sụt áp bên trong máy biến áp thường lấy DUba =(5% ¸ 10%)Ud Ở đây ta chọn 5% DUba = 5% . Ud= 5% . 24 = 1,2 (V) DUv : Sụt áp trên van dẫn ở đây gồm hai van Tiristor, ta chọn bằng 1 (V) DUv = 2 (V) DUck : Sụt áp trên điện kháng, ta chọn bằng 10% DUck =10% . Ud = . 24 = 2,4 (V) Vậy : DUd = 1,2 + 2 + 2,4 =5,6 (V) Suy ra Ud o = 24 + 5,6 = 29,6 (V) 1.1 Các thông số cơ bản máy biến áp : Ta có công thức : Ud = ; Chọn = 35 0 Điện áp thứ cấp U2 = = = 31(V) Giá trị hiệu dụng dòng máy biến áp: I2 = = = 433 (A) Công suất tải: Pd = Ud . Id = 24 . 1500 = 36 (KW) Công suất máy biến áp: Sba = 1,26 . Pd = 1,26 . 36 = 45,4 (KW) Điện áp sơ cấp máy biến áp: U1 = 380 (V) Hệ số máy biến áp Kba = = = 0,082 Dòng sơ cấp máy biến áp I1 = Kba . I2 = 0,082 . 433 = 35,5 (A) 1.2. Tính toán mạch từ Tiết diện trụ : được tính theo công thức QFe = k . Trong đó : k : Hệ số phụ thuộc vào phương thức làm mát, thường k = 4 6 ta chọn k = 6 Sba : Công suất máy biến áp (W) f : Tần số dòng điện xoay chiều (f = 50 Hz) m : Số trụ m = 3 Thay số: QFe = 6 . = 105 (cm2) Giả sử : a là chiều rộng của trụ b là bề dày hình trụ Hình 3.2: Sơ đồ hình trụ máy biến áp Để đảm bảo mỹ thuật ta chọn b = 1,25.a Ta có Vậy ta được a = 90 mm ; b = 120 mm. Tính chiều cao của trụ theo tỷ lệ m = m: là tỷ lệ chiều cao của trụ chọn m = 3,5 Chiều cao của trụ : h = 3,5 . a = 3,5 . 90 = 310 (mm) Tính chiều rộng cửa sổ theo tỷ lệ là n = n: là tỷ lệ chiều rộng cửa sổ so với chiều rộng trụ chọn n = 1,4 c: là chiều rộng cửa sổ Chiều rộng cửa sổ là: c = 1,4 . a = 1,4 . 90 = 126 (mm) Ta dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I sắp xếp thành mạch từ có hình dáng kết cấu lõi thép máy biến áp như hình vẽ. Hình 3.3: Kích thước mạch từ Sau khi ghép mạch từ có dạng: Hình 3.4: Kết cấu mạch từ Số lá thép (3) là: . 2 = 700 (tấm) Số lá thép (1) là: . 3 = 1050 (tấm) Số lá thép (2) là: . 1 = 350 (tấm) 1.3. Tính toán dây quấn : Điện áp một vòng dây: Uv = 4,44 . B . Q .f . 10-4 (). Trong đó : B: Mật độ từ cảm B = 1 tesla Q: Tiết diện của trụ f : Tần số dòng xoay chiều f = 50 (Hz) Thay số: Uv = 4,44.1.105.50.10 -4 = 2,33 () Số vòng dây sơ cấp : W1 = = 163 (vòng) Chọn mật độ dòng điện : J1 = J2 = 3 () Tiết diện dây dẫn sơ cấp : S1 = = = 12 (mm2) Chọn dây dẫn tiết bọc sợi thuỷ tinh có kích thước là: 2mm 6mm Số vòng dây thứ cấp: W2 = = 14 (vòng) Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp: Q2 = = = 144,4 (mm2) Chọn dây bọc sợi thuỷ tinh có kích thước là: (3mm 25mm) 2 2. Tính chọn van và bảo vệ van: 2.1. Tính chọn van Chế độ làm việc của các van rất khắc nghiệt, rất nhạy với nhiệt độ. Khi van làm việc nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra. Khi nhiệt độ van cao hơn nhiệt độ nhiệt độ môi trường xung quanh thì nhiệt lượng được truyền vào môi trường. Nếu nhiệt độ van vượt quá giới hạn cho phép thì van sẽ bị phá huỷ. Chính vì vậy mà việc làm mát cho van là một vấn đề rất quan trọng. Thông thường van được gắn lên một cánh tản nhiệt với thông số phù hợp. Các phương pháp làm mát cho van thường gặp: Làm mát tự nhiên: Chỉ dựa vào sự đối lưu không xung quanh van, nên hiệu suất làm mát của van thấp chỉ khoảng 25%. Làm mát bằng gió cưỡng bức: Tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van để đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu suất làm việc của van là 35%. Làm mát bằng nước: Van được gắn thêm tấm đồng rỗng cho nước chảy qua. Đây là phương pháp làm mát rất hiệu quả, hiệu suất làm việc của van đạt đến 90% nhưng hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công suất lớn và có nguồn nước tại vị trí lắp đặt thiết bị. Qua phân tích các phương pháp làm mát van ta chọn làm mát bằng gió có quạt cưỡng bức với hiệu suất làm việc là 35%. Dòng trung bình qua van là: Itb = = = 250 (A) Điện áp ngược đặt lên van là: Ung max = . U2. = . 31 = 76 (V) Điện áp van cần chọn là : Uvan = Ung . ku = 76 . 2 = 142 (V) Với hệ số dự trữ điện áp là ku = 2 Dòng điện van cần chọn là: Ivan = ki . Itb . H % Với hệ số dự trữ dòng điện : ki = 1,4 Hiệu suất làm mát: H = 35% Ivan = = 1000 (A) Từ đó ta chọn loại van có kí hiệu : T- 1000 Dòng điện làm việc cực đại : Idm max = 1000 (A) Điện áp ngược cực đại : Umax = 200 (V) Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik = 5000 (A) Dòng điện xung điều khiển : Ig = 250 (mA) Điện áp xung điều khiển : Ug = 6 (V) Sụt áp trên van khi dẫn : 1 (V) Thời gian chuyển mạch : toff = 120 () Độ biến thiên dòng điện : = 25 () Độ biến thiên điện áp : = 120 () 2.2. Bảo vệ van : + Bảo vệ quá nhiệt độ cho van bán dẫn : Khi làm việc với dìng chạy qua, trên van sụt áp, do đó có tổn hao công suất P, tổn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van. Van chỉ làm việc được trong giới hạn nhiệt độ cho phép nếu nhiệt độ cao thì van sẽ bị hỏng. Để van bán dẫn làm việc an toàn thì ta chọn chế độ làm mát thích hợp như hệ thống tản nhiệt bằng không khí có quạt cưỡng bức với H = 35% + Bảo vệ quá dòng điện cho van: Aptomat dùng để đóng ngắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch. + Bảo vệ quá điện áp cho van : Tiristor rất nhạy cảm với điện áp quá cao so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp. Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm hai loại : - Khi khoá tiristor bằng điện áp ngược các điện tích đổi hành trình tạo ra dòng điện ngược. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện gây ra một suất điện động cảm ứng trong các điện cảm làm cho quá điện áp ở catot và anot của tiristor. - Nguyên nhân bên ngoài như khi có sét đánh, đóng cắt máy biến áp nguồn. Để bảo vệ quá điện áp nguời ta thường dùng mạch RC Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp máy biến áp là để bảo vệ quá điện áp. Mạch RC đấu song song với tiristor nhằm bảo vệ quá áp do điện tích tụ khi chuyển mạch gây ra. Thông số RC phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra, tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch. Hình 3.5: Sơ đồ mạch bảo vệ van §Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ R,C ta tiÕn hµnh qua c¸c b­íc: + X¸c ®Þnh hÖ sè qu¸ ®iÖn ¸p theo c«ng thøc: k = Trong ®ã: k : Lµ hÖ sè qu¸ ®iÖn ¸p Uimp: Gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ®iÖn ¸p ng­îc ®Æt lªn van Uim : Gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ®iÖn ¸p ng­îc thùc tÕ ®Æt lªn van b : HÖ sè d÷ trù ®iÖn ¸p b = 12 + X¸c ®Þnh c¸c th«ng sè trung gian C*min(k); R*max (k); R*min(k) + TÝnh khi chuyÓn m¹ch + X¸c ®Þnh ®iÖn l­îng tÝch tô Q = f () + TÝnh c¸c th«ng sè trung gian C = C*min . R*min . R R*max . Trong ®ã L lµ ®iÖn c¶m cña m¹ch R_L_C Hình 3.6: Đồ thị toán đồ C* và R* Trị số RC được chọn dựa theo toán đồ và các bước tính toán R = 80 () C = 0,5 ()  3. Tính cuộn kháng cân bằng Các thông số : Dßng qua cuén kh¸ng c©n b»ng là: Dßng tõ hãa cuén kh¸ng c©n b»ng : TÇn sè cuén kh¸ng: vËy §iÖn c¶m cuén kh¸ng lµ: Thay sè ta cã Công suất cuộn kháng thường bằng 5% – 10% công suất trên tải. Chọn Sck = 10% Pd Sck = 10% . Pd = . 36 = 3,6 (kVA) Thiết diện trụ là: Qck = k. chọn k = 6 Qck = 6. = 29,4 (cm2) Hệ số điền đầy k = 0,95 Thiết diện hình học của trụ: Qhh = = = 31 (cm2) Kích thước của trụ : a . b = 5 (cm) 6(cm). Điện áp trên một vòng dây cuộn kháng: Uvck = 4,44 . BT . Qck .f . 10-4 (). chọn mật độ từ cảm của trụ là : BT = 1 tesla. Uvck = 4,44 . 1 . 29,4 . 150 . 10-4 = 1,95 (). Số vòng dây cuộn kháng: Wck = = 2 (vòng) Mật độ dòng điện qua cuộn kháng là: J = 5 (A/mm2 ) Tiết diện dây cuộn kháng: Sdck = = = 150 (mm2) Chọn dây bọc sợi thuỷ tinh có kích thước là: (30mm 5mm). Dây quấn cuộn kháng chia thành hai thớt Chọn sơ bộ kích thước cuộn kháng như sau: Tính chiều cao trụ: Chọn tỷ lệ chiều cao của trụ so với chiều rộng trụ là m = = 2,75 h = 3,5 . a = 3,5 . 5 = 17,5(cm) Tính độ rộng cửa sổ : Chọn tỷ lệ độ rộng cửa sổ so với chiều rộng trụ là n = = 0,6 c = 0,6 . a = 0,6 . 5 = 3 (cm) Chiều dài cuộn kháng : L = ._.