Thiết kế nguồn mạ một chiều

uất và đời sống văn minh con người. Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phương tiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chất,thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, cơ khí chính xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì .. Vậy mạ điện là gì ? Một cách đơn giản nhất có thể hiểu 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 được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn. Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụmh cụ máy móc và đồ trang sức.. Ngày nay không riêng gì ở nước phát triển mà ngay trong nước ta kỹ thuật mạ đã có nhưng bước phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất cung như trong kinh doanh Kỹ thuật mạ đòi hỏi phải không ngừng phát triển nghiên cứu cảI tiến kỹ thuật ,máy móc chuyên dùng thiết bị dây chuyền sản xuất đồng bộ tự động hoá với độ tin cậy cao. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng mạ và hạ giá thành sản phẩm, chống ô nhiễm môI trường. Để có một lớp mạ tốt ngoàI những yếu tố khác thì nguồn điện dùng để mạ là rất quan trọng. Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn rất quan trọng. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã tưng bước tiếp cận môn học. Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ áp dụng vào thực tế, ở học kỳ này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế. Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các rhầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là thầy Đỗ Trọng Tín đã giúp em hoàn thành đồ án này. Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm chưa có lên em không tránh khỏi những sai sót mong các thầy giúp đỡ. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn ! Hà nội, ngày 3 tháng 2 năm 2004 Sinh viên : Chương I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện Đề tàI thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tàI có giá trị thực tế lớn, bởi vì trong công nghệ mạ nguồn điện một chiều là một yếu tố quan trọng. Để thấy rõ giá trị của đề tàI, trước hết ta cần phảI nắm rõ một số kháI niệm cũng như các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân. Ta dựa vào sơ đồ điện phân như sau: Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ như phòng thí nghiệm đồng thời cũng dùng trong qui mô sản xuất lớn. Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân : 1. Nguồn điện một chiều như : pin, ắc qui, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi. Ngày nay được dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi. Bộ biến đổi cho quá trình điện phân có điện áp ra thấp : 3V, 6V, 12V, 24V… Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra cho phù hợp. Một bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cần thiết cho một số qui trình. VD : Mạ niken thường dùng điện áp 6V hay 12V. Để mạ Crôm dùng 12V. Để đánh bóng điện hóa nhôm thường dùng điện áp 12 – 24V. 2. Anốt :là điện cực nối vơí cực dương của nguồn điện một chiều. Trước khi điện phân anốt cần phảI đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ… Anốt dùng trong mạ điện có hai loại : anốt hòa tan và anốt không hoà tan. Anốt hoà tan được dùng tronh các trường hợp mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, mạ thiếc… Trong quá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phản ứng ở điện cực : Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đI đến catốt. Phản ứng điện hóa ở anốt là phản ứng oxi hóa. Anốt không hòa tan dùng trong trường hợp mạ Crôm. Khi điện phân ở bề mặt anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa … Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là hay . 3. Catốt : là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trong mạ điện catốt là vật mạ. Trên bề mặt vật mạ luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ. Ví dụ như : Mạ niken : Mạ kẽm Đồng thời với iôn kim loại bị khử, cũng bị khử giải phóng ra khí theo phản ứng : Khí thoát ra trên bề mặt ca tốt có khả năng thấm sâu vào mạng tinh thể kim loại mạ và các kim loại nền, làm giảm độ bền cơ học của kim loại (khí khi gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại) .Người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng “ giòn kim loại “. Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loạ nền đồng thời cho lớp mạ đồng đều, bóng sáng hấp dẫn, trước khi mạ ta cần phải gia công cho bề mặt chi tiết bằng phẳng, bóng và sạch các chất dầu mỡ màng oxít. Catố vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập dưới mặt nước 8 – 15cm và cách đáy bể khonảg 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiên tượng phóng điện trong chất điện phân. Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đã nối mạch điện. 4. Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường có hai phần : _ Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa iôn của kim loại mạ và một số hoá chất thiết yếu khác, nếu thiếu hóa chất này thì dung dich không thể dùng để mạ được. _ Thành phần thứ hai : bao gồm các chất phụ gia + Chất làm bóng lớp mạ +Chất đệm giữ cho pH của dung dịch ổn định +Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo lớp mạ không bong nứt +Chất san bằng đảm bảo cho lớp mạ đồng đều hơn +Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng đều hơn +Chất chống thụ động hóa anốt nhằm ổn định mạ Một số đặc điểm dung dịch mạ : _ Dung dịch mạ cần phải có độ đẫn điện cao. Độ đẫn điện của dung dịch không những chỉ giảm được tổn thấtđiện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn. _ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng trong một khoảng pH nhất định. Ví dụ mạ Niken pH=4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch amôniclorua pH= 4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch axít pH= 3,5 đến 4,0… _ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng cao trong một khoảng nhiệt độ nhất định. VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là , mạ vàng . Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôi của dung dịch. _ Mỗi dung dịch có một khoang mật độ dòng catốt thích hợp. _ Dung dịch chứa muối phức của kim loại thường cho lớp mạ có chất lượng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu được từ nuối đơn. VD lớp mạ thu được từ dung dịch hoặc tốt hơn lớp mạ thu được từ dung dịch muối . 5. Bể điện phân : làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt. Thành và mặt trong của bể thường được lót bằng chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt. Lớp chất dẻo lót phải kín tuyệt đối, nước không thấm qua được. Mặt ngoài sơn nhiều lớp chống gỉ. Bể mạ thường có dạng hình chữ nhật, điều này giúp cho lớp mạ được phân bố đều hơn bể có hình dạng khác. Có nhiều bể mạ như bể mạ tĩnh, thùng mạ quay, … Trên dây là toàn bộ sơ đồ tổng quát của quá trình mạ bằng điện phân. Trong công nghệ mạ còn có một số yêu cầu về gia công bề mặt trước khi mạ.Yêu cầu bề mặt trước khi mạ : - Trước khi mạ vật cần mạ được tiến hành gia công cơ khí để có bề mặt bằng phẳng, đồng thời tẩy xóa các lopứ gỉ, đánh bóng bề mặt theo yêu cầu sử dụng. - Tẩy sạch dầu mỡ các hợp chất hóa học khác có thể có trên bề mặt vật mạ. Tóm lại trước lúc chi tiết vào bể điện phân, bề mặt cần phải thật bằng phằng, sắc nét bóng tuyệt đối sạch dầu mỡ, các màng oxit có thể có. Trong điều kiện như vậy lớp mạ thu được mới có độ bóng tốt, không sước, không sần sùi, bóng đều toàn lớp mạ đồng nhất như ý. Phương pháp gia công bề mặt kim loại trước khi mạ : - Phương pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh bóng quay bóng hay sóc bóng trong thùng quay. - Phương pháp gia công hóa học hay điện hóa họcbao gồm : tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, tẩy lại làm bóng bề mặt, rửa sạch. Sự lựa chọn phương pháp gia công cho hiệu qủa tốt nhất lại có giá thành rẻ, đòi hỏi người kỹ thuật viên phải có hiểu biết đầy đủ và nhất là phải có kinh nghiệm sản xuất. Bất kỳ thiếu sót nào dù nhỏ hoặc đánh giá không đúng công việc chuẩn bị bề mặt đều dẫn đến giảm sút chất lượng và hình thức lớp mạ. Chất lượng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bản vào phương pháp được lựa chọn, kỹ thuật và điều kiện tiến hành chuẩn bị bề mặt lớp mạ. Không bao giờ chúng ta coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ. Chương II : Lựa chọn phương án Nhiệm vụ đặt ra đối với đồ án là thiết kế nguồn mạ một chiều có điện áp thấp và dòng rất lớn. Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ trong quá trình nạp. Mạch có khâu bảo vệ chống chạm điện cực. Trong công nghệ mạ điện thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nó quyết định nhiều đến chất lượng lớp mạ thu được. Nguồn điện một chiều có thể là ắc quy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi… Chúng ta phân tích từng loại nguồn để quyết định lựa chọn phương án nào : 1. ắc quy : Tong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ. Do hạn chế về lượng điện tích lên ắc quy chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy được. Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng được. Vì vậy mà trong công nghệ mạ người ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn mạ. 2. Máy phát điện một chiều : Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện một chiều khắc phục được các nhược điểm của ắc quy. Máy phát điện một chiều trong thực tế có thể được sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn. Nhưng giá thành đầu tư cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển hoạt động khá phức tạp .Máy phát điện một chiều với nhiều nhược điểm : cổ góp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn. Máy phát điện một chiều cần thường xuyên bảo trì sửa chữa. Chính vì các lý do trên lên trong công nghiệp người ta không dùng máy phát điện một chiều. Bộ biến đổi : Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi. Công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng hoàn thiện, các thiết bị hoạt động với độ tin cậy cao. Đặc biệt công nghệ sản xuất Thyristor đã đạt được nhiều thành tựu. Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều ngày càng được sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp. Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ bién đổi được dùng rộng rãi nhất. Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp như : 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50v. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện thế cho phù hợp.Bộ biến đổi với các ưu điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh; dễ tự động hóa; dễ điều khiển và ổn định dòng. Chi phí đầu tư cho bộ biến đổi cũng rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định. So với dùng nguồn mạ là ắc quy hoặc máy phát điện một chiều thì bộ biến đổi đáp ứng được hơn cả về mặt kinh tế cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật. Vậy quyết định phương án là dùng bộ biến đổi. Với mạch chỉnh lưu có rất nhiều : chỉnh lưu một pha, chỉnh lưu ba pha, chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển… Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp và dòng khá lớn. Trước hết ta xét trường hợp chỉnh lưu có điều khiển, sau đó ta có thể xét trường hợp chỉnh lưu điốt không điều khiển với góc điều khiển. Các phương án khả thi : + Chỉnh lưu cầu một pha + Chỉnh lưu cầu ba pha + chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng Phương án 1 : Chỉnh lưu cầu một pha Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha a.Khi tải thuần trở R : Với _ Khi : cho xung điều khiển mở T1, T2 và , hai thyristor sẽ khoá khi _khi , cho xung điều khiển mở T3, T4 và Dòng qua tải là dòng gián đoạn. Giá tri trung bình của điện áp tải : Giá trị trung bình dòng tải : Giá trị trung bình dòng qua thyristor : Dạng sóng cơ bản : b. Tải R+L Khi L đủ lớn thì dòng điện sẽ là dòng liên tục. Phương trình mạch tải : Dạng sóng cơ bản : c. Ưu nhược điểm của sơ đồ : Ưu điểm : điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ Nhược điểm : không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tượng công suất bij lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy quia hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất diện pá và công suất trên van sẽ lớn. Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưu cao và dòng tải nhỏ. Phương án 2 : Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng Sơ đồ nguyên lý : Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 thyristor, chia làm hai nhóm : nhóm catốt chung T1, T3, T5 nhòm anốt chung T2, T4, T6 Điện áp các pha : a.Hoạt động của sơ đồ : Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua + Khi cho xung điều khiển mơ T1. Thyristor này mở vì . Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì . Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải : + Khi cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mởvì T6 dẫn dòng, nó đặt lên catốt T2 mà . Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên vì . Các xung điều khiển lệch nhau được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các thyristỏ theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,…..Trong mỗi nhóm, khi 1 thyristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyritor trước nó, như trong bảng sau : Thời điểm Mở Khoá 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 Dạng sóng cơ bản 0 0 0 0 0 0 0 0 Đường bao phía trên biẻu diễn điện thế điểm F Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế điểm G Điện áp trên mạch tải : là khoảng cách thẳng đứng giữa hai đường bao Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : Dòng điện trung bình chạy qua van b.Ưu nhược điểm của sơ đồ : + ưu điểm : - số xung áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao. - không làm lệch pha lưới điện. + Nhược điểm - sử dung số van lớn, giá thành thiết bị cao - sơ đồ này chỉ dung cho tải công suất lớn, dung tải nhỏ và điện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng. Do dòng tải dùng trong mạ điện có tụi số lớn, nên không áp dụng được phương pháp này, vì các van không chịu được dòng tải lớn. Phương án 3 : Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng a.Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, được biểu diễn như trên sơ đồ, bao gồm máy biến áp động lực, có cuộn kháng cân bằng , 6 thyristor chia làm hai nhóm T1,T3,T5 và T2,T4,T6 . Máy biến áp có hai hệ thống thứ cấp a,b,c và a’,b’,c’. Các cuộn dây trên mỗi pha a và a’; bvà b’;c và c’ có số vòng như nhau nhưng có cực tính ngược nhau. Hệ thống dây cuốn thứ cấp máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt P và Q. P, Q được nối với nhau qua cuộn kháng cân bằng. Cuộn kháng cân bằng có cấu tạo như máy biến áp tự ngẫu. Điện áp chỉnh lưu trung bình trong sơ đồ có giá trị như trung bình cộng của điện áp đầu ra của hai chỉnh lưu tia 3 pha, nghĩa là : Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng có thể coi dòng tảI là phẳng hoàn toàn. Như vậy trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp : Dòng trung bình qua van : Dạng sóng cơ bản : Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng * ưu nhược điểm của sơ đồ : _ ưu điểm : + Dòng điện áp ra có độ bằng phẳng cao, có độ đập mạch lớn + Dòng trung bình qua van nhỏ bằng 1/6 dòng qua tải. _ Nhược điểm : + Số van sủ dụng lớn giá thành cao + Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều. ** Dòng điện mạ khá lớn, căn cứ vào ưu nhược điểm của phương án này, ta thấy dòng qua van nhỏ trung bình bằng 1/6 dòng qua tải. Vì vậy ta chọn bộ biến đổi dùng làm nguồn mạ là chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng. Chương III : TíNH CHọN MạCH LựC Qua phân tích ở trên ta chọn phương án chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng để xây dựng nguồn mạ. Nhưng phương án này có nhược điểm là khi dòng tảI thì cách chọn van khó và chỉ ứng dụng cho điện áp thấp dòng tảI lớn và bắt buộc phảI có cuộn kháng cân bằng. Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng có 2 cách điều chỉnh: + Điều chỉnh sơ cấp + Điều chỉnh thứ cấp Sau đây ta xét từng phương án điều chỉnh Điều chỉnh sơ cấp : Sơ đồ : Sơ đồ gồm : - 3 thyristor - 6 điốt không điều khiển Khi cần điều chỉnh điện áp ra trên tảI, ta sẽ điều chỉnh bộ biến đổi bằng cách thay đổi góc mở của các thyristor T1, T2, T3. Khi qua các van T1, T2, T3 điện áp sơ cấp bị gián đoạn không còn dạng sin nữa. Vì vậy khi cảm ứng sang thứ cấp điện áp có dạng bậc thang. Như vậy khi muốn điều chỉnh điện áp ra trên tảI ta phảI điều chỉnh gián tiếp. Điện áp ra tảI chất lượng thấp. Mặt khác tuy chọn van dễ nhưng lại tốn van. Vì vậy phương án này không khả thi. Điều chỉnh thứ cấp : Sơ đồ gồm 6 thyristor được bố trí như hình vẽ Khi muốn điều chỉnh dòng tảI chỉ cần tác động xung điều khiển vào các thyristor ở cuộn thứ cấp. Khi góc điều khiển tăng lên, biên độ điện áp cân bằng tang lên đáng kể. Giá trị điện áp trên cuộn kháng lớn nhất khi . Phương án này đã khắc phục được những nhược điểm của điều chỉnh sơ cấp. Cuối cùng, chọn phương án điều chỉnh 6 pha cuộn kháng cân bằng điều chỉnh thứ cấp. Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ một chiều như sau : Sơ đồ gồm : + 6 thyristor + Điện trở sum loại 2000A – 60mV + Bảo vệ van RC + Cuộn kháng cân bằng PQ I>Tính toán máy biến áp lực Từ sơ đồ mạch lực với các thông số ta tính toán máy biến áp lực : 1. Các thông số cơ bản của MBA Công suất một chiều trên tảI : Với Máy bién áp có công suất vàI chục kVA thuộc loại máy biến áp nhỏ nên : Điện áp rơI trên mỗi van là 1 V Vậy : Suy ra : Chọn Công suất hiệu dụng của máy biến áp : Vậy chọn máy biến áp có công suất 28 (KVA). Từ công thức chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có : , chọn suy ra Chọn * Tỷ số máy biến áp * Giá trị hiệu dụng dòng chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp : * Giá trị hiệu dụng dòng chảy trong cuộn sơ cấp : 2. Tính toán mạch từ : Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức : [cm2] k= 4 đến 6 , ở đây chon k = 6 S : công suất biểu kiến của máy biến áp (VA) C : số trụ ( C=3 ) f : tần số nguồn điện xoay chiều . (f = 50Hz) Thay số ta có Giả sử a: là chiều rộng của trụ b: là bề dày của trụ Để đảm bảo mỹ thuật ta chọn a/b =1,25 Vậy từ Ta suy ra a= 8 cm ; b=10 cm Để đảm bảo mỹ thuật chọn chiều cao của trụ theo tỷ lệ m= h/a =2,5 suy ra h=2,5a= 2,5.8=20 cm Dùng loại thép 330 có độ dày 0,35mm Mật độ từ cảm trong trụ B = 1 (tesla) 3. Tính toán dây cuốn : Số vòng vôn : 4,44.f.B.Q.=4,4.50.1.80. =1,5 (vôn/vòng) Trong đó : f là tần số dòng điện Q là tiết diện trụ B là mật độ từ cảm trong trụ *Số vòng dây sơ cấp (vòng) *Số vòng dây sơ cấp (vòng) Lấy tròn là 9 vòng Hai cuộn dây thứ cấp được cuốn trên cùng một pha : 9 – 0 – 9 * Chọn mật độ dòng điện : * Tiết diện dây dẫn sơ cấp : Chọn dây rẹt tiết diện thực (2x5) bọc sợi thủy tinh hai lớp *Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp : Ta chọn dây dẫn rẹt (2x10) bọc sợi thuỷ tinh quấn theo thớt, gồm 8 thớt , dầu ra hàn các thanh cáI lấy điện loại 5x60 4.Tính toán kích thước mạch từ : Dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I và xếp như hình vẽ Kích thước lõi thép : chiều rộng a = 8cm bề dày b = 10cm chiều cao h = 20 cm II> Tính chọn van và bảo vệ van : Chế đọ làm việc của các van rất khắc nhiệt, rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra. Khi nhiệt độ của van cao hơn nhiệt độ môI trường xung quanh nhiệt lượng được truyền vào môI trường. Nếu nhiệt độ của van vượt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậy 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. Có các biện pháp làm mát thường gặp : + Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lưu không khí xung quanh van, hiệu suất làm việc 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 qúa 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 biện 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 trên ta chọn làm mát bằng thông gió có quạt cưỡng bức với hiệu suất làm việc của van là 35%. Dòng trung bình qua van là : Điện áp ngược lớn nhất dặt lên van : Với: hệ số dự trữ điện áp là hệ số dự trữ dòng điện Dòng điện van cần có là : Từ đó ta chọn van loại : TL-1000-1 do Liên Xô cũ chế tạo, có các thông số sau : ** Bảo vệ van : Thyristor rất nhảy 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 : + Nguyên nhân nội tại : Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược các điện tích đổi ngược hành trình tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện gây ra một suất điện động cảm ứng trong các điện cảm luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các thyristor. Vì vậy giữa anốt và katốt xuất hiện quá điện áp. + Nguyên nhân bên ngoàI : Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi có sét đánh, khi đóng cắt máy biến áp nguồn. Cắt máy biến áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hóa máy biến áp, bấy giờ năg lượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ chuyển thành năng lượng điện chứa trong các tụ kí sinh, rất nhỏ giữ các dây cuốn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Điện pá này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc. Để bảo vệ quá áp người ta thường dùng mạch RC xem hình sau : Tính RC bảo vệ quá áp do tụ tích điện gây nên, hình trên là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên thyristor một cách chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu. là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên thyristor một cách không chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu. là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên thyristor. b là hệ số dự trữ về điện áp, b=1-2 k Là hệ số qúa điện áp Các bước tính toán : + Xác đinh hệ số qúa điện áp theo công thức + Xác định các thông số trung gian : + Tính max khi chuyển mạch + Xác định lượng tích tụ Q=f(di/dt), sử dụng các đường cong trong sổ tay tra cứu + Tính các thông số trung gian Trong đó L là điện cảm của mạch RLC Cuối cùng ta chọn III> Tính cuộn kháng cân bằng : Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng : suy ra : ; Với f là tần số cuộn kháng, vậy Thay vào công thức tính ta có : Chiều rộng trụ giữa lõi thép a : Để tính các kích thước của cuộn kháng cân bằng tàI liệu hướng dẫn ta tìm các hệ số m,n,l Lõi sắt cuộn kháng chọn hình ở đây n=0,6 ; l=1,2 ; m=2,2 ; ; Với h : là chiều cao cửa sổ h=m.a=2,2.6,9=15,2cm c : là chiều rộng cửa sổ c=n.a=6,9.0,6=4,14cm b : là chiều dày lõi b= a/l = 6,9/1,2=5,75cm Tiết diện trụ là Q=a.b=6,9.5,75= 40 (cm2) Chiều dàI lõi L’= a+(c+a/2).2 =6,9+(4,14+6,9/2).2 = 22,08cm Độ rộng khe hở không khí d Số vòng dây cuộn kháng là hệ số phụ theo tàI liệu lấy = 52 Chương IV : Thiết kế mạch điều khiển Xây dựng mạch điều khiển để đảm bảo cho mạch lực hoạt động tốt trong mọi trường hợp. I. Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển : 1. Đảm bảo phát xung với đầy đủ các yêu cầu để mở van : + Đủ độ rộng tx + Đủ biên độ Ux + Sườn xung ngắn 2. Đảm bảo tính đối xứng của các kênh 3. Đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, Ví dụ đối với MBAX thường được sử dụng như một khâu truyền xung cuối cùng ở tầng khuyếch đại xung. 4. Đảm bảo đúng quy luật về pha điều khiển. Đây là yêu cầu về đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc . 5. Có thể hạn chế phạm vi góc điều khiển không sự thay đổi của điện áp lưới. 6. Không gây nhiễu đối với các hệ thống điều khiển điện tử khác ở xung quanh. 7. Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng và báo hiệu khi có sự cố. II. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển . SS BAX Udk Ur 1 2 3 4 T Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới. Nghĩa là cho phép xác định giá trị ban đầu của goác điều khiển . Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện pá tựa và điện áp điều khiển. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung gửi sang tần khuyếch đại. Khâu khuyếch đại : tạo ra xung và khuyếch đại xung tạo ra xung có độ rộng cần thiết và đur công suất để đưa đến điều khiển thyistor trong mạch lực. Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển : thẳng đứng tyuến tính và thẳng đứng arccos để thực hiện điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor. III. Giới thiệu các phân tử cơ bản được dùng trong mạch điều khiển : Khuyếch đại thuật toán : KĐTT là phần tử cơ bản được sử dụng rộnh rãI trong các mạch điện tủ với chức năng xử lý các tín hiệu tương tự . Khuyếch đại thuật toán có kí hiệu như sau : Một số ứng dụng của khuyếch đại thuật toán : Mạch khuyếch đại đảo : sơ đồ như sau Ta có : Mạch so sánh một cổng : ở dầu vào khuyếch đại thuật toán tổng trở Ri rất lớn nên dòng đI vào KĐTT là không đáng kể, nên Nếu thì U3 sẽ bão hoà ở –Un Nếu thì U3 sẽ bão hoà ở +Un Mạch so sánh hai cổng : Nếu : U1>U2 thì U3 = -Un Nếu : U1<U2 thì U3= +Un Mạch tạo tín hiệu răng cưa : * Dùng nguồn dòng transistor : * Dùng khuyếch đại thuật toán : IV. Thiết kế mạch điều khiển : A. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển : Khi cấp nguồn điện 380V vào sơ cấp của BA nguồn phía thứ cấp của BA hạ áp qua cuộn dây W2-1 qua cầu chỉnh lưu hai nửa chu kì D1 và D2 điện áp tại điểm (I) U1 là điện áp một chièu hình sin lấy phần dương và đặt vào cửa đảo của thuật toán A1 tại đây so sánh với điện áp U đặt được đưa vào cửa cộng của A1 Nếu Ur D11 qua OA1 về âm nguồn . Do sự đóng mở của D11làm trên tụ C8 phóng nạp tạo ra trên (III) một điện áp hình răng cưa . Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua triết áp VR2. Do đó điốt zơle (Dz) nên diện áp trên tụ max khi nạp luôn bằng điện áp ngưỡng trên điốt zơle. Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của OA7 và so sánh với điện áp điều khiển. Điện áp điều khiển này được lấy từ điện áp phản hồi đưa vào so sánh với điện áp đặt qua bộ cộng đảo dấu. Trong mạch vòng phản hồi có mạch vòng phản hồi dòng điện . Dòng điện qua sun thay đổi thì điện áp phản hồi qua sun thay đổi. Tín hiệu điều khiển đưa vào cửa cộng của khâu so sánh . Nếu Urc>Uđhthì đầu ra của OA3 là xung âm. Nếu Urc<Uđk thì đầu ra của OA3 là xung dương Khi đó bộ phát xung chùm dưới sự phóng nạp của tụ C9 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật. Vì tín hiệu ra nhỏ được khuếch đại qua đèn Ts, xung qua điốt Đ13 chỉ giữ lại phần âm được trộn lẫn với xung ra từ khâu so sánh A3 tạo thành từng chùm xung dương. Nhưng tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở Tiristo do đó được đưa qua bộ khuếch đại xung. Các transisto mắc theo kiểu Dalingtơn. Xung dương được đặt vào bazơ của T1làm T1 mở và T2 mở theo khi đó có xung đi vào biến áp xung. Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mở tiristo. Khi xung tắt T1vàT2 bị khoá, điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt D15và D19 thông dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor. B. Tính toán các khâu của mạch điều khiển Tính toán khối đồng pha Sơ dồ nguyên lý khâu đồng pha Nguyên lý hoạt động của khối đồng pha: Khi cấp nguồn 380V vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến áp được hạ áp. Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0, nửa chu kỳ đầu điện áp dương đặt trên D1, D1 sẽ thông và D2 sẽ bị khoá, nửa chu kỳ sau tại thời điểm t2= p điện áp xoay đảo dấu và thế dương được đặt vào anốt D2, D2sẽ thông và D1bị khoá. Vậy điện áp trên điểm (I) là điện áp xoay chiều đươc đưa qua chỉnh lưu thành điện áp một chiều nửa hình sin. Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp tại (I) được đưa vào cửa âm của khâu so sánh OA1. Điện áp được đưa vào cửa dương của OA1 là điện áp một chiều phẳng Uđ có giá trị :Uimin <Uđ< UImax. Khi điện áp đặt vào cửa âm của OA1 lớn hơn điện áp Uđ trên cửa dương của OA1thì tại cửa ra của OA một điện áp dương. Còn khi điện áp trên cửa âm của OA1 nhỏ hơn điện áp trên cửa dương thì điện áp ra của OA1 sẽ là một điện áp âm. Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U1 với Uđ trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương, âm liên tiếp dạng xung vuông như hình vẽ ở dưới đây. Tính toán khối đồng pha: Chọn góc duy trì và thoát năng lượng q =5thì điện áp Uđ đặt vào cửa (+) của bộ so sánh là: U=.U.sin 5 =.12.sin 5 = 1,48(V) Chọn E+ = 12. Chọn Rhc1 =2 kW à giá trị của VR1 là: àVr1=14,2 kW Để dòng vào cửa đảo của khuyếch đại thuật toán nhỏ hơn 1mA thì ta chọn R sao cho U/R112kW chọn R1=15kW 2.Tính toán khâu tao điện áp răng cưa Sơ đồ nguyên lý mạch tạo điện áp răng cưa Đồ thị điện áp răng cưa theo thời gian a,Nguyên lý làm việc của khâu tạo điện áp răng cưa Điện áp dạng xung vuông sau khi được tao ra ở khâu so sánh trước đó được đưa vào khâu làm điện áp điều khiển của khâu tạo điện áp răng cưa.Khi Uđk >0 thì bóng T1 được mở thế emiter được giữ cố định nhờ diode ổn áp Dz,ở đây ta chọn Uz=3V thì U=+E-Uz =12-3=9(V).Khi Uđk<0 T1 khoá U=12 do đó T2 cũng bị khoá vì thế của bazơ cao hơn thế của emiter.Khi T1 mở Uc,T10 phân áp R2 ,R3 sẽ làm cho bazơ của T2 âm hơn emiter ,do vậy T2 mở tụ C1 được nạp theo đường +EàDzàT2àC1. Điện áp của tụ tăng rất nhanh đến giá trị Uc,T2Ue,T2 =9V,sau đó không thể tăng cao hơn được nữa vì như vậy thì như vậy T2 sẽ bị khoá lúc này tụ C1 sẽ phóng điện qua nguồn dòng tạo bởi T3 kết quả tạo được sườn sau của điện áp trên tụ có dạng giảm tuyến tính. Từ tính toán khâu đồng pha ta có: Chu kì của điện áp lưói la:T=1/f=1/50=20ms tương ứng với 360 à Chu kì của điện áp răng cưa là :Trc=T/2=10ms tương ứng với 180 Mặt khác Trc=tp+tn Trong đó :tp- thời gian phóng của tụ C1 tn-thời gian nạp của tụ C1 Như trên ta đã chọn q=5tức là tn=10àtp=180-10=170 Tương ứng với thời gian là: tp= tn= Chọn giá trị của tụ C1=0,47F Gọi dòng địên trong quá trình phóng là Ip.Sau khoảng thời gian t=tp=9,2 ms thì điện áp trên tụ về giá trị 0 vậy ta có Ucp= =0 9-1/C.Ip.tp=0 -->Ip=(C.Uco)/tp=(0,47.10)/9,4.10 Ip=0,45 mA -->Vr2+R6= (U)/Ip = (E-U)/Ip =(12-0,6)/0,45.10 Vr2+R6=25333W =25,333 kW Chọn R6=15 kW là điện trở cố định còn Vr2=10,333kW là biến trở điều chỉnh được Gọi dòng điện trong quá trình nạp là In.Sau khoảng thời gian t=tn=0,6 ms thì điện áp trên tụ được nạp từ 0 đến 9V.Vởy ta có: Ucn= =9 1/C.In.tn =9 --> In=9.C1/tn=(9.0,47.10)/0,6.10=7,05mA --> R5=U/In=9/7,05.10=1276,5W=1,276kW Chọn dòng qua R3,R 4 bằng 2mA là đủ khi cần cung cung dòng cho bazơ của T2 Khi đó :R2+R3=12/2.10=6000W=6kW Để đảm bảo khi T1 mở thì điện áp rơi trên R4 nhỏ hơn 9V để cho T2 có th._.