Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện

lêi nãi ®Çu Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay. Ngày nay, mạ kim loại đã trở thành một nghành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho các nghành khoa học kỹ thuật, sản xuất và đời sống văn minh con người. Chúng ta có thể dễ dàng bắt gặp các các ứng dụng của mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết may, kỹ thuật điện tử, cơ khí chính xác, công nghiệp đóng tàu … cho đến các dụng cụ sinh hoạt, trang trí bao bì ... Có được điều đó là do mạ kim loại ngoài mục đích bảo vệ chống ăn mòn còn có nhiều tác dụng như là : tăng độ cứng, phản quang, trang trí góp phần nâng cao chất lượng và tính thẩm mỹ của vật mạ. So với các nước trên thế giới thì công nghệ mạ điện ở nước ta còn nhiều hạn chế do vậy để đáp ứng được nhu cầu thực tế chúng ta phải không ngừng nâng cao trình độ khoa học và công nghệ, cần thiết phải hình thành các trung tâm nghiên cứu mạ để qua đó nâng cao chất lượng lớp mạ, hạ giá thành sản phẩm và chống ô nhiễm môi trường. Với ý nghĩa đó em được giao đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu điều khiển dùng cho mạ điện”, đây là một đề tài có qui mô và ứng dụng thực tế nhưng trong khuôn khổ của một đề tài thiết kế tốt nghiệp em chỉ đề cập đến những vấn đề cơ bản, cốt lõi nhất được trình bày trong 5 chương của đồ án : CHƯƠNG I : Tổng quan của công nghệ mạ điện CHƯƠNG II : Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu CHƯƠNG III : Tính toán và thiết kế mạch động lực CHƯƠNG IV : Tính toán và thiết kế mạch điều khiển CHƯƠNG V : Xây dựng hệ thống ổn định điện áp và bảo vệ ngắn mạch Để hoàn thành bản thiết kế, bên cạnh sự nỗ lực của bản thân, không thể không nhắc đến sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của các thầy cô trong bộ môn Thiết bị điện - Điện tử, đặc biệt là TS. NGUYỄN TRUNG SƠN. Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế, do kiến thức thực tế còn hạn chế nên bản đồ án vẫn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy em mong nhận được sự góp ý, giúp đỡ của thầy cô và các bạn để bản thiết kế của em được hoàn thiện hơn! Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. NGUYỄN TRUNG SƠN - thầy đã trực tiếp hướng đẫn em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này ! Hà Nội tháng 5 năm 2008 Sinh viên Nguyễn Tùng Lâm CHƯƠNG I tæNG QUAN VÒ C¤NG NGHÖ M¹ §IÖN 1.1 Sự hình thành lớp mạ điện 1.1.1 Khái niệm : Mạ điện là một công nghệ điện phân, là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có tính chất cơ , lý , hoá … đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật mong muốn . 1.1.2 Sơ đồ điện phân : Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ vật liệu thì ccông nghệ mạ điện cũng có những bước tiến dài. Đối với vật liệu nền về nguyên tắc là kim loại nhưng ngày nay nó có thể là phi kim đôi khi còn là chất dẻo, gốm sứ hoặc composit. Lớp mạ cũng vậy ngoài kim loại ra còn có thể là phi kim hoặc kim loại - gốm . Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ công nghệ, vào tính chất cần có của lớp mạ và giá thành. Chỉ có những công nghệ nào ổn định trong một thời gian dài mới được ứng dụng vào trong sản xuất nhưng nhìn chung các công nghệ đó đều sử dụng sơ đồ điện phân như sau: Hình 1.1 : Sơ đồ tổng quát dùng trong mạ điện a) Nguồn điện một chiều : Có một vai trò rất quan trọng bởi vì nó cung cấp năng lượng cho quá trình mạ, đồng thời chất lượng của nguồn một chiều sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mạ . b) Anot : Là điện cực nối với cực dương của nguồn điện một chiều, anot dùng trong mạ điện có hai loại : anot hoà tan và anot không hoà tan . › Anot hoà tan : Trong quá trình điện phân trên bề mặt anốt xảy ra phản ứng oxi hoá nhờ vậy mà anot có thể hoà tan vào trong dung dịch mạ tạo thành các cation kim loại , các cation này sẽ đến catot và kết tủa trên bề mặt catot hình thành nên lớp mạ. Anot hoà tan được dùng trong các trường hợp mạ Ni , Cu , Zn , Sn … › Anot không hoà tan : Trên bề mặt anot chỉ xảy ra quá trình oxi hoá H2O hoặc các gốc , … Anot không hoà tan dùng trong trường hợp mạ : Cr . c) Catot : Là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều, trong mạ điện catot là vật mạ. Trên bề mặt catot luôn diễn ra các phản ứng khử ion kim loại mạ và ion . Catot cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập dưới mặt nước từ 8 15 cm và cách đáy bể khoảng 15 cm, các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt không để gây ra phóng điện trong chất điện phân. Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anot và catot khi đã nối mạch điện . d) Dung dịch 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 ion của kim loại mạ và một số hoá chất thiết yếu khác nếu thiếu hoá chất này thì dung dịch không thể dùng để mạ được › Thành phần các chất phụ gia bao gồm : Chất làm bóng lớp mạ Chất đệm để 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 lớp mạ đồng đều hơn Chất làm tăng độ dẫn điện cho dung dịch Chất chống thụ động hoá anot nhằm ổn định mạ e) Bể điện phân : Làm từ vật liệu cách điện, bền hoá học, bền nhiệt. Thành và mặt trong của bể thường được lót bằng chất dẻo, lớp chất dẻo này phải kín tuyệt đối, nước không thấm qua được. Mặt ngoài sơn nhiều lớp chống gỉ Bể mạ thường có hình chữ nhật điều này giúp cho lớp mạ được phân bố đều hơn bể có hình dạng khác. Trong thực tế ta có thể gặp nhiều loại bể mạ như là : bể mạ tĩnh, thùng mạ quay. 1.1.3 Điều kiện để tạo thành lớp mạ : Vì mạ điện là một quá trình điện phân nên quá trình điện hoá xảy ra trên các điện cực tông quát như sau : a) Trên anot xảy ra quá trình hoà tan kim loại anot : (1) Trong một số trường hợp phải dùng anot không tan khi đó dung dich sẽ đóng vai trò chất nhường điện tử vì vậy ion kim loại sẽ được định kỳ bổ xung dưới dạng muối vào dung dịch, lúc đó phản ứng chính trên anot chỉ là quá trình oxi hoá : b) Trên catot, các cation kim loại giải phóng điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ : (2) Nếu ta khống chế các điều kiện điện phân như thế nào đó để cho hiệu suất của hai phản ứng (1) và (2) bằng nhau thì nồng độ ion trong dung dịch sẽ luôn luôn không thay đổi điều này ảnh hưởng lớn đến chất lượng lớp mạ . 1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ 1.2.1 Vật liệu nền và sự thoát hiđro : a) Trạng thái bề mặt kim loại nền : Trong kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ sạch và độ nhẵn : › Độ sạch : Bề mặt nền được làm sạch tuyệt đối sẽ đảm bảo cho các nguyên tử kim loại mạ liên kết trực tiếp vào mạng tinh thể, kim loại nền đạt độ gắn bám cao nhất. Nếu thông số mạng của chúng khác nhau không nhiều (từ 2,5 12,5%) và bề mặt được làm sạch hoàn toàn thì kim loại mạ có thể tiếp tục phát triển và lặp lại kiểu mạng của cấu trúc nền ( hiện tượng lai ghép mạng tinh thể ), khi đó độ gắn bám của lớp mạ đạt đến độ bền của kim loại. Do vậy trước khi mạ bề mặt phải được gia công, xử lý bằng các phương pháp khác nhau sao cho không còn gỉ, không còn màng oxit mỏng mới hình thành ngay trong quá trình gia công bề mặt tại xưởn, không còn dính dầu mỡ, mồ hôi tay hoặc các chất bẩn khác. › Độ nhẵn : Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ. Bề mặt nền nhám, xước làm cho phân bố điện thế và mật độ dòng điện không đều : Chỗ lõm, rãnh sâu … điện thế và mật độ dòng điện cục bộ bé, tốc độ mạ chậm thậm chí không mạ được Chỗ lồi cao, đỉnh nhọn điện thế và mật độ dòng điện sẽ cao hơn nên tốc độ mạ ở đó rất lớn có thể sinh ra gai, cháy … kết quả là độ nhám của nền được khuyếch đại lên sau khi mạ. Do vậy người ta thường dùng chất san bằng để làm cho bề mặt nền không quá nhám. b) Bản chất kim loại nền : › Nếu kim loại nền dương hơn kim loại mạ thì lớp mạ đóng vai trò anot trong pin, bị ăn mòn và hoà tan còn kim loại nền được bảo vệ cho đến khi nào kớp mạ tan hết.Vì vậy tác dụng và khả năng bảo vệ của lớp mạ này phụ thuộc chủ yếu vào chiều dày của nó, độ kín tuy rất quan trọng nhưng không phải là chủ yếu. Công nghệ điện kết tủa loại lớp mạ anot này tương đối đơn giản. Ví dụ : Mạ Zn lên Fe, thép từ dung dịch sunfat. › Nếu kim loại nền âm hơn kim loại mạ thì tác dụng và khả năng bảo vệ của lớp mạ phụ thuộc vào độ kín của nó còn độ dày chỉ là thứ yếu. Vì nếu có lỗ thủng vi pin ăn mòn sẽ xuất hiện trong kim loại nền đóng vai trò là anot và bị hoà tan. Lớp mạ tuy vẫn sáng đẹp, dày nhưng dễ bong ra từng mảng lớn do nền đã bị gỉ ở dưới lớp mạ. Công nghệ điện kết tủa loại lớp mạ catot này khá phức tạp Ví dụ : Mạ Cu từ dung dịch sunfat lên Fe, thép, Zn … c) Sự thoát hiđrô : Mạ điện thường được thực hiện trong môi trường nước nên phản ứng phụ catot hay gặp nhất là ion phóng điện tạo thành hiđrô. Nguyên nhân có hiđrô thoát ra đồng thời với kim loại mạ là do điện thế phóng điện của chúng xấp xỉ nhau . Các kim loại có quá điện thế hiđrô lớn như : Zn, Pb, Sn … dù kết tủa trong môi trường axit hiđrô vẫn không thể thoát ra được và hiệu suất dòng điện vẫn rất cao (xấp xỉ 100%) còn các kim loại có quá điện thế hiđrô bé như: Fe, Ni, Co, Pt … thì hiđrô thoát ra rất dễ. Việc thoát hiđrô trên bề mặt catot trong quá trình mạ gây nhiều tác hại : › Giảm hiệu suất dòng điện : Vì phải tiêu phí điện năng vào việc giải phóng hiđrô vô ích, tốc độ mạ lại giảm đi › Thay đổi pH của dung dịch : Do phản ứng phụ catot mà nồng độ H+ giảm đi ( giảm trước tiên trong lớp sát catot) pH sẽ tăng đến giá trị đủ để tạo hiđrôxit hoặc muối kiềm khi tan là nguyên nhân sinh gai, cây … cấu tạo lớp mạ bị xô lệch làm tăng ứng suất nội. Để khắc phục hiện tượng này ta phải điện phân ở nhiệt độ cao hơn, khuấy mạnh dung dịch, tăng nồng độ ion kim loại và ion H+ . › Gây ra hiên tượng “ giòn hiđrô” : Hiđrô vừa thoát ra ở dạng nguyên tử rất dễ bị hấp thụ bởi kim loại nền, mạ tạo thành hợp chất hiđrua hay hoà tan trong kim loại thành dung dịch rắn hoặc chui vào mạng tinh thể làm xô lệch tổ chức kim loại gây nên cứng và giòn hiđrô, lớp mạ có ứng suất lớn dễ bong hoặc phồng rộp . › Gây ra hiện tượng rỗ : Hiđrô thoát ra còn có thể đóng lại thành bọt bám trên mặt catot lớn dần rồi tách ra. Trong suốt trời gian bám trên catot, bọt đã che chắn không cho quá trình mạ xảy ra tại chân bám của nó tạo nên các vết rỗ, lỗ thủng. 1.2.2 Ảnh hưởng của thành phần dung dịch mạ a) Muối và các hợp chất chứa ion của kim loại mạ : Đây là thành phần thiết yếu của dung dịch mạ, tạo môi trường để diễn ra các quá trình điện hoá ở catot, anot. Thành phần cation trong hợp chất này giúp giữ cho pH của dung dịch mạ xác định ổn định. Thành phần anion ảnh hưởng khá mạnh tới khả năng hấp thụ lên catot . b) Chất dẫn điện : Các chất này không tham gia vào quá trình catot, anot mà chỉ đóng vai trò chuyển điện trong dung dịch làm giảm điện thế bể mạ, giảm nhiệt Jun thoát ra, nâng cao hiệu suất dòng điện . Ví dụ : Dùng H2SO4 trong bể mạ CuSO4 hoặc ZnSO4 Dùng Na2SO4 , MgSO4 trong bể mạ Ni c) Chất đệm : Nhiều dung dịch mạ chỉ làm việc trong một khoảng pH nhât định mà thôi cho nên phải dùng chất đệm thích hợp để khống chế. Chất đệm thường dùng là các axít yếu như : bôric, axêtic, xitric … hoặc các muối như axêtat, Al 2(SO4)3 , phèn nhôm . d) Chất hoạt động bề mặt và chất keo : Một số chất hữu cơ hoạt động bề mặt hoặc chất keo lẫn vào bể mạ hoặc do ta chủ động đưa vào tuy nồng độ rất bé nhưng có ảnh hưởng rất lớn đến cấu trúc kết tủa catot. Nếu chọn được chất hoạt động bề mặt thích hợp cho ta hiệu ứng tốt, làm cho kết tủa catot nhỏ mịn, sít chặt … ngược lại có thể làm kết tủa rất giòn, dễ bong, sần sùi. e) Chất bóng : Là một loại của chất hoạt động bề mặt có tính chất đặc biệt cho phép thu được lớp mạ bóng trực tiếp ngay từ bể mạ không cần đánh bóng hoặc tẩy bóng thêm f) Chất thấm ướt : Có tác dụng thúc đẩy bọt (khí hiđrô ) mau tách khỏi bề mặt mạ tránh được rỗ, châm kim. Các chất thấm ướt thường dùng : Ankylsunfat, rượu êtylíc … g) Chất chống thụ động anot : Đa số các quá trình mạ đều dùng anot hoà tan để giữ cho nồng độ ion kim loại trong dung dịch không bị nghèo đi do chúng đã giải phóng ra trên catot. Trên thực tế một phần hoặc toàn bộ bề mặt anot bị phủ một lớp muối, hiđrôxit hoặc lớp oxit khó tan làm cho diện tích hoạt động của anot bị thu hẹp phân cực anot tăng lên, dẫn đến thoát khí O2 trên anot, anot bị thụ động trầm trọng hơn . Để khắc phục hiện tượng này người ta phải đưa vào dung dịch mạ chất chống thụ động anot như : Ion trong mạ Ni ; ion trong mạ đồng xianua với mục đích ngăn cản việc hình thành các chất khó tan trên bề mặt catot . h) Tạp chất : Đây là thành phần không mong muốn nhưng khó tránh khỏi trong các thành phần dung dịch kỹ thuật. Chúng có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ, tan hay không tan, có thể phóng điện hay hấp phụ trên catot và lẫn vào lớp mạ gây nên bong, rộp, giòn, gai. Vì vậy làm sạch dung dịch mạ thường xuyên và triệt để là một yêu cầu bắt buộc nhất là đối với các bể mạ bóng, mạ tốc độ cao, mạ có khuấy dung dịch. Ta có thể loại bỏ chất hữu cơ bằng các chất oxihoá (H2O2 , oxi thoát ra từ anot …) hoặc bằng cách hấp phụ trên than hoạt tính. Loại bỏ các cation dương hơn ion kim loại mạ bằng cách điện phân ở mật độ dòng điện bé và pH thích hợp hoặc bằng phản ứng đẩy bởi chính chất bột kim loại mạ. Loại bỏ cation âm hơn ion kim loại mạ có gây hại bằng cách tăng pH để kết tủa chúng dưới dạng hiđrôxit (nếu được) . Loại bỏ các chất không tan bằng cách lọc dung dịch tốt nhất là lọc liên tục, bao anot trong túi vải để giữ mùn cặn lại. 1.2.3 Mật độ dòng điện : Là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực. 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 những điểm lồi (có lợi thế) mà cả trên các mặt phẳng (ít lợi thế hơn ) của tinh thể. Mặt khác mật độ dòng điện cao sẽ làm cho ion kim loại mạ bị nghèo nhanh 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. Nhưng nếu mật độ dòng điện quá cao (gần đến dòng giới hạn) cũng không được bởi vì lúc đố lớp mạ sẽ bị gai, cây hoặc cháy. Khi mạ tại dòng giới hạn thì chỉ thu được bột kim loại ngoài ra còn làm anot dễ bị thụ động hiđrô dễ thoát hơn và biến động mạnh pH ở lớp dung dịch sát catot. Như vậy để tăng mật độ dòng điện mà chất lượng mạ vẫn tốt ta cần tăng mật độ dòng điện giới hạn igh lên trước đã như là tăng nhiệt độ, tăng nồng độ ion chính hoặc tăng sự đối lưu trong dung dịch : Bột mịn lẫn oxit và hiđroxit Bột , sần , gai ,xốp Lớp mạ đa tinh Xoắn , lớp , khối (cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh nhất ) 0 1.0 Dc/Dgh E H+ + e =1/2H2 Mn+ + ne = M Hình 1.2 : Thay đổi dạng kết tủa theo mật độ dòng điện 1.2.4 : Nguồn điện một chiều Có một vai trò rất quan trọng, là yếu tố quyết định đến chất lượng lớp mạ thu được. Vì vậy nếu chỉ quan tâm đến việc nâng cao, thay đổi chất lượng của vật liệu nền, vật liệu mạ thì chưa hẳn đã thu được sản phẩm mạ với chất lượng mong muốn một khi chất lượng nguồn một chiều không được đảm bảo. Do đó trong công nghệ mạ điện luôn đòi hỏi nguồn một chiều phải có chất lượng tốt, không gián đoạn, hiệu suất cao, ổn định, làm việc lâu dài, dễ dàng sửa chữa và thay thế . Trong một số trường hợp đặc biệt do yêu cầu về công nghệ cũng như của sản phẩm mạ mà ta có thể thực hiện các phương pháp như là : Dùng dòng xung từ vài ba giây đến 30 giây đầu tiên với mật độ dòng điện cao gấp từ 2 ÷ 3 lần bình thường hoặc là dòng đổi chiều không đối xứng, dòng không liên tục. Tuy nhiên thông thường nhất người ta vẫn quan tâm đến việc làm sao để có thể tạo ra nguồn một chiều với chất lượng tốt nhất : a) Sử dụng máy phát điện một chiều › Sơ đồ: Hình 1.3 : Mô hình sử dụng máy phát điện một chiều Để điều chỉnh được điện áp ra U ta cần thay đổi dòng điện kich từ It bằng cách mắc thêm một biến trở vào mạch kích thích. › Nhận xét : Nhìn chung máy phát điện một chiều cho dải điều chỉnh điện áp rộng, đáp ứng được yêu cầu về công suất cho tải mạ. Song bên cạnh đó máy phát điện một chiều vẫn còn tồn tại nhiều khuyết điểm như là : Thiết bị cồng kềnh, làm việc có tiếng ồn lớn, khó khăn trong việc bảo dưỡng và sửa chữa, chi phí ban đầu cao do máy phát điện một chiều cần phải đặt trong một phòng kín riêng biệt, dòng điện đưa tới các bể mạ qua hai thanh cái lớn nên tốn đồng. Chính vì vậy mà ngày nay trong công nghệ mạ điện máy phát điện một chiều không được sử dụng b) Sử dụng bộ biến đổi Hiện nay, trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi, thêm vào đó công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng được hoàn thiện đặc biệt là công nghệ sản xuất tiristo đã đạt được nhiều thành tựu. Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng xoay chiều thành dòng một chiều được dùng phổ biến trong các nghành công nghiệp. › Bộ biến đổi sử dụng biến áp tự ngẫu Sơ đồ: Hình 1.4 : Sơ đồ sử dụng biến áp tự ngẫu Nhận xét : Với sơ đồ sử dụng máy biến áp tự ngẫu thì tổn hao sẽ lớn hơn khi ta dùng bộ biến đổi mặt khác ta gặp khó khăn trong quá trình tự động hoá bởi lẽ muốn thay đổi liên tục điện áp trên tải ta cần thay đổi số vòng dây thứ cấp của biến áp tự ngẫu bằng cách dùng chổi than tiếp xúc trượt với dây dẫn. Chính điều này làm phát sinh tia lửa điện trong quá trình làm việc, làm hư hỏng phần dây dẫn tiếp xúc với chổi than. › Bộ biến đổi sử dụng điều áp xoay chiều Sơ đồ: Hình 1.5 : Sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều Nhận xét : Với sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều ta nhận thấy có nhược điểm : Nếu góc mở giữa hai van liên tiếp trong một chu kỳ không bằng nhau thì sẽ xuất hiện một điện áp trung bình một chiều, chính điện áp này sẽ gây ra quá dòng trong máy biến áp, có thể phá hỏng cách điện của máy biến áp cả về nhiệt lẫn cơ. › Bộ biến đổi sử dụng chỉnh lưu có điều khiển Sơ đồ : Hình 1.6 : Sơ đồ sử dụng điều áp xoay chiều - + Nhận xét : Sơ đồ này nếu đem so sánh với sơ đồ sử dụng biến áp tự ngẫu thì ta thấy có những ưu điểm nổi bật : Thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng áp đồng thời đã khắc phục được nhược điểm mà điều áp xoay chiều mắc phải như đã nêu ở trên vì điện áp đưa vào biến chỉnh lưu là hình sin nên dòng điện trung bình trong một chu kỳ luôn bằng 0. CHƯƠNG 2 LùA CHäN S¥ §å CHØNH L¦U Do yêu cầu trong nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu với điện áp đưa vào chỉnh lưu là xoay chiều 3 pha nên dưới đây em chỉ đề cập đến các sơ đồ chỉnh lưu 3 pha . 2.1 : Chỉnh lưu tia 3 pha a) Sơ đồ nguyên lý: Hình 2.1 : Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha b) GIải thích hoạt động của sơ đồ : Chỉnh lưu tia 3 pha có cấu tạo từ một biến áp 3 pha với thứ cấp đấu sao có trung tính. Ba tiristo nối cùng cực tính để nối với tải, ba đầu còn lại của van bán dẫn nối tới các pha thứ cấp biến áp. Tải được nối giữa đầu nối chung của van bán dẫn với trung tính. Tại thời điểm hai điện áp pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của cá van bán dẫn. Các tiristo chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên như vậy chỉnh lưu tia 3 pha góc mở nhỏ nhất là = 0o dịch pha so với điện áp một góc 30o . Do ba van đấu chung catot nên tại một thời điểm chỉ có một van dẫn đó là van đấu với pha có điện áp dương hơn hai pha còn lại và thời điểm cấp xung cho van trước đó thì điện áp pha tương ứng phải dương hơn so với trung tính. Vì vậy tuỳ thuộc vào giá trị góc mở mà điện trên tải Ud có thể liên tục hoặc gián đoạn : Khi 30o thì điện áp Ud liên tục Khi > 30o thì điện áp Ud gián đoạn Xét trường hợp = 30o : Tại thời điểm = 1 = 30o cấp xung điều khiển cho tiristo T1 , vì lúc này ua là dương nhất nên T1 dẫn bỏ qua điện áp rơi trên tiristo thì điện áp trên tải bằng điện áp nguồn, đến thời điểm = 2 = 1500 cấp xung điều khiển cho tiristo T2 lúc này ub > ua nên T2 dẫn thông cho đến khi mở tiristo T3 tại thời điểm 3 đồng thời T1 bị khoá một cách tự nhiên. Khi T2 dẫn, điện áp ngược đặt lên tiristo T1 là điện áp dây giữa pha a và pha b có trị số là U2f. Xét tương tự cho thời điểm tiristo T3 dẫn. c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha : › Điện áp tải : khi khi › Dòng điện trung bình trên mỗi van : › Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng : › Công suất của máy biến áp UBA : UBA = 1,35 Pdmax d) Giản đồ các đường cong trong trường hợp , tải điện trở : e) Nhận xét : Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha thì việc điều khiển van tương đối đơn giả , số lượng van ít nên kinh tế hơn. Tuy nhiên chất lượng điện áp một chiều không cao do tần số đập mạch nhỏ, hiệu suất sử dụng biến áp kém, số lượng van ít nên dòng qua van lớn gây sụt áp đáng kể đối với tải có điện áp nhỏ và dòng điện lớn . Do vậy chỉnh lưu tia 3 pha thường được chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp và khi tải có yêu cầu chất lượng điện áp một chiều không quá cao . 2.2 : Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng a) Sơ đồ nguyên lý : b) Giải thích hoạt động của sơ đồ : Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng có thể coi như hai sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau : › Nhóm T1 , T3 , T5 mắc theo kiểu catot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp dương › Nhóm T4 , T6 , T2 mắc theo kiểu anot chung tạo thành một chỉnh lưu tia 3 pha cho điện áp âm Giả thiết tại thời điểm xét thì hai tiristo T5 , T6 đang đẫn : › Khi cấp xung điều khiển mở tiristo T1, T1 mở được là do , T1 mở làm cho tiristo T5 bị khoá lại một cách tự nhiên (vì ). Lúc này T6 và T1 dẫn cho dòng chảy qua. Khi đó điện áp trên tải sẽ là : › Khi cấp xung điều khiển mở tiristo T2 , T2 mở được vì lúc này điện áp là âm nhất, T2 mở làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên. Tương tự ta cấp xung điều khiển cho các tiristo còn lại theo đúng thứ tự pha. Vì chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng được coi như là hai nhóm chỉnh lưu tia 3 pha mắc ngược chiều nhau hợp thành vì vậy điện áp ngược trên mỗi van ta xét tương tự như trong trường hợp chỉnh lưu tia 3 pha. c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng : › Điện áp tải : khi khi › Dòng điện trung bình trên mỗi van : › Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng : › Công suất máy biến áp SBA : SBA = 1,05 Pdmax d) Giản đồ đường cong trong trường hợp , tải điện trở : e) Nhận xét : Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng cho ta chất lượng điện áp một chiều tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn, hiệu suất sử dụng máy biến áp cao tuy nhiên số lượng van sử dụng lớn nên giá thành thiết bị cao, gặp khó khăn trong việc điều khiển van. Nhìn chung sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển đối xứng dùng cho trường hợp tải có công suất lớn nhưng dòng tải nhỏ hoặc trường hợp tải có yêu cầu hoàn trả năng lượng về lưới. 2.3 : Chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng a) Sơ đồ nguyên lý : b) Giải thích hoạt động của sơ đồ : Sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm một máy biến áp động lực 3 pha , cuộn kháng cân bằng , 6 tiristo chia làm hai nhóm T1 ,T3 , T5 và T4 , T6 , T2 › Máy biến áp có hai hệ thống dây quấn thứ cấp a ,b, c và a’,b’,c’ . Các cuôn dây trên mỗi pha a và a’ , b và b’, c và c’ có số vòng dây như nhau nhưng cực tính thì ngược nhau › cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T1 , T3 , T5 tạo ra thành phần điện áp › cung cấp nguồn cho nhóm tiristo T4 , T6 , T2 tạo ra thành phần điện áp Do đó : () › Nhờ có cuộn kháng cân bằng Lcb mà sáu tiristo được chia thành hai nhóm van đấu theo sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha làm việc độc lập, song song với nhau qua việc xét hoạt động từng nhóm van (tương tự như trong chỉnh lưu tia 3 pha) cho ta các dạng sóng điện áp ud1 , ud2. Từ biểu thức () ta xác định được ud . c) Các thông số của sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha có cuộn kháng cân bằng : › Điện áp tải : › Dòng điện trung bình trên mỗi van : › Điện áp ngược mà mỗi van phải chịu đựng › Công suất máy biến áp : SBA = 1,26 Pdmax d) Giản đồ đường cong trong trường hợp , tải điện trở : e) Nhận xét : Nếu sử dụng sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha cho ta chất lượng điện áp tốt do tần số đập mạch trong một chu kỳ lớn, dòng điện qua mỗi van chỉ bằng dòng điện tải nên rất dễ dàng trong việc chọn van nhất là trong trường hợp dòng tải lớn tuy nhiên do phải sử dụng hai hệ thống dây quấn thứ cấp nên việc chế tạo máy biến áp sẽ phức tạp hơn và phải làm thêm cuộn kháng cân bằng. Nhìn chung chỉnh lưu tia sáu pha thường được chọn khi tải có dòng điện quá lớn mà theo sơ đồ cầu 3 pha ta sẽ gặp khó khăn trong việc chọn van. Qua phân tích, so sánh những ưu nhược điểm của 3 sơ đồ chỉnh lưu đồng thời liên hệ với số liệu trong đồ án tốt nghiệp cho tải mạ điện có Id = 1200 A và Ud = 16 V ta thấy việc lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu tia có cuộn kháng cân bằng là hợp lý. Ch­¬ng 3 TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ m¹ch ®éng lùc 3.1 : Sơ đồ nguyên lý mạch lực Sơ đồ gồm có : › Aptomat Ap : Dùng để đống cắt nguồn, tự động bảo vệ khi quá tải, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp . › Công tắc tơ K : Dùng để đóng cắt thường xuyên mạch điện tải trong quá trình làm việc . › Máy biến áp chỉnh lưu : Dùng để biến đổi điện áp lưới thành điện áp thích hợp cấp cho chỉnh lưu . › Bộ chỉnh lưu : Biến đổi điện áp xoay chiều từ thứ cấp máy biến áp chỉnh lưu thành điện áp một chiều cung cấp cho tải . › Cuộn kháng cân bằng Lcb : Dùng để hạn chế dòng cân bằng chạy qua hai nhóm van đồng thời biến sơ đồ chỉnh lưu tia 6 pha thành hai nhóm chỉnh lưu tia 3 pha lầm việc độc lập, song song với nhau. › Điện trở sun Rs : Dùng để đo dòng điện làm việc › Mạch R1C1 : Dùng để bảo vệ quá điện áp do nguồn xoay chiều gây ra › mạch R2C2 : Dùng để bảo vệ quá điện áp trong quá trình đống cắt tiristo 3.2 Tính chọn van động lực Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản đó là : sơ đồ động lực được lựa chọn, dòng điện tải, điện áp làm việc, điều kịên toả nhiệt. Các thông số của van động lực được tính như sau: 3.2.1 Điện áp ngược mà tiristo phải chịu trong quá trình làm việc : Ta có: Cho nên : (V) Trong đó : › : điện áp ngược của van g › : điện áp pha thứ cấp máy biến áp › : điện áp trên tải › : hệ số điện áp ngược › : hệ số điện áp tảig Để van làm việc được tốt và an toàn thì ta nhân với một hệ số dự trữ : Unv = Thường thì : ta chọn Vậy : Unv (V) 3.2.2 Dòng làm việc của van được tính theo dòng hiệu dụng qua van Từ sơ đồ mạch động lực đã chọn ta có : (A) Trong đó : › : dòng điện hiệu dụng của van › : dòng điện tải › : hệ số xác định dòng điện hiệu dụng 3.3.3 Chọn van động lực : Với các van bán dẫn thì sụt áp trên các van thường là (V), do đó với dòng điện ở trên thì tổn thất công suất trên mỗi van là rất lớn. Vì vậy để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì ngoài quá trình thông gió tự nhiên ta phải lắp thêm cánh tản nhiệvới diện tích đầy đủ để làm mát cho van. Với điều kiện làm mát đã chọn ta lấy dòng điện làm việc của van bằng 35% dòng điện định mức của van : (A). Từ các thông số , đã tính ở trên ta chọn van động lực như sau: Chọn 6 tiristo loại TF915 – 01Z với các thông số định mức: › Điện áp ngược cực đại của van : Un = 100 (V) › Dòng điện định mức của van : Iđm =1500 (A) › Đỉnh xung dòng điện: Ipik = 17000 (A) › Dòng điện của xung điều khiển : Iđk = 200 (mA) › Điện áp của xung điều khiển : Uđk = 3,0 (V) › Dòng điện rò: Ir = 60 (mA) › Sụt áp lớn nhất của Tiristo ở trạng thái dẫn là : DU = 1,7 (V) › Tốc độ biến thiên điện áp : = 300 (V/ms) › Tốc độ biến thiên của dòng điện : =400 (A/ms) › Thời gian chuyển mạch : tcm = 30 (ms) › Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tmax = 125 (oC) 3.3 Tính toán máy biến áp chỉnh lưu 1. Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: điện áp sơ cấp máy biến áp bằng điện áp của nguồn cấp: U1 = Ud =380 (V). 2. Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp : Phương trình cân bằng điện áp khi có tải : Udo .cos amin = Ud + DUv + DUdn + DUba +DUck Trong đó : › amin = 100 là góc dự trữ khi có sự suy giảm điện lưới. › Uv : Là sụt áp trên van bán dẫn tiristo DUv = 1,7 (V) › DUdn : Là sụt áp trên dây nối , lấy DUdn=0 (V) › DUba = DUr + DUx là sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp khi có tải Chọn sơ bộ : DUba = 20% * Ud = 20% * 16= 3,2 (V) › DUck : là sụt áp trên cuộn kháng Chọn sơ bộ : DUck = 10% * Ud = 10% * 16 = 1,6 (V) Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có : (V) 3. Điện áp pha thứ cấp pha máy biến áp : (V) 4. Công suất tác dụng tối đa của máy biến áp : (W) 5. Công suất biểu kiến của máy biến áp : kS : là hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực. Với mạch chỉnh lưu tia 6 pha thì kS = 1,26 Vậy : (KVA) 6. Dòng điện hiệu dụng thứ cấp của máy biến áp : (A) 7. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : (A) 8. Tiết diện sơ bộ trụ: Tiết diện của trụ QFe của lõi thép máy biến áp được xác định theo công suất của máy biến áp : (cm2) Trong đó : Sba : công suất máy biến áp (VA) kQ: là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát Với máy biến áp khô kQ = 5 ¸ 6. Ta chọn kQ = 6 . m : là số trụ của máy biến áp f : là tần số nguồn điện xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz). Thay số ta được : (cm2) 9. Đưòng kính trụ : (cm) Chuẩn hoá đường kính trụ theo phụ lục XVII.1 sách Thiết kế máy điện (TKMĐ) của tác giả Trần Khánh Hà và Nguyễn Hồng Thanh ta có : d = 12,5 (cm) Chọn loại thép làm trụ là 3408 với các lá thép có độ dày 0,35 mm và chọn mật độ từ cảm trong trụ BT = 1,65 (T). 10. Gọi h là chiều cao của trụ, m là tỷ lệ giữa chiều cao của trụ và đường kính trụ. Ta chọn : Þ (cm). 11. Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp . (vòng) Lấy W1 = 113 (vòng) 12. Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp : (vòng) Lấy W2 = 5 (vòng) Trong đó: W : số vòng dây của cuộn dây cần tính (vòng). U : điện áp của cuộn dây cần tính (V) BT : từ cảm trong trụ (T) QFe : tiết diện lõi thép (cm2) Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp . S1 = = (mm2) Với tiết diện như đã tính ta chọn dây dẫn sơ cấp máy biến áp là dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật, cách điện cấp B , chọn mật độ dòng điện J1 = 3A/mm2 Chuẩn hoá tiết diện theo phụ lục VI.2 sách TKMĐ : Lấy S1 = 5,085 (mm2) Kích thước dây dẫn sơ cấp có kể cách điện: a1 = 1,06 (mm); b1 = 5 (mm) Ta chọn dây quấn sơ cấp quấn theo kiểu đồng tâm. Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp . J1= = (A/mm2) Tiết diện dây dẫn thứ cấp của máy biến áp . S2 = = (mm2) Dây dẫn thứ cấp có tiết diện rất lớn do đó ta phải chập hai dây dẫn có tiết diện hình chữ nhật lại với nhau , kết cấu dây quấn thứ cấp theo kiểu đồng tâm kiểu xoắn. Ta chọn hai dây dẫn có cùng tiết diện là 58,5 (mm2) Vậy tổng tiết diện của hai dây dẫn là: (mm2). Kích thước của một dây dẫn có kể cách điện : a2 = 5,3 (mm) ; b2 = 11,2 (mm) Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp : J2= (A/mm2) Với dây quấn sơ cấp ta chọn kết cấu dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục. 19. Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : (._.