thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho bể mạ hoặc bể điện phân

Đề tài : Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho bể mạ có các tham số sau: +Hiệu điện thế :24 V +Dòng tải Max :10000A + Đảo chiều : không Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện khôn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH DOANH VÀ CÔNG NGHỆ HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

_o0o

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CHỈNH LƯU CHO BỂ MẠ HOẶC

Đề tài : Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho bể mạ có các tham số sau:

+Hiệu điện thế :24 V

+Dòng tải Max :10000A

+ Đảo chiều : không

Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện không đổi trongsuốt quá trình mạ Mạch có khâu bảo vệ ngắn mạch

Lời nói đầu

Mạ kim loại là ngành kỹ thuật công nghiệp ra đời và phát triển cáchđây hàng trăm năm,hiện nay mạ kim loại đã trở thành một ngành kỹ thuậtphát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước trên thế giới, phục vụ một cách đắclực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh conngười

Mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ cónhững tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mongmuốn 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 dụng cụ máy móc

và đồ trang sức.Ngày nay không riêng gì ở nước phát triển mà ngay trongnước ta kỹ thuật mạ đã có những bước phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu

kỹ thuật trong sản xuất cũng như trong kinh doanh

Với đề tài : Thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho bể mạ hoạc bể điện phân.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 thầy cô giáotrong bộ môn và đặc biệt là thầy Duong Văn Nghi đã giúp em hoàn thành đồ

án này

Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm chưa có nênkhông thể tránh khỏi những sai sót mong các thầy giúp đỡ Cuối cùng emxin chân thành cảm ơn !

Chương I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện

Sơ đồ điện phân như sau:

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 đợc dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi Bộ biến đổicho quá trình điện phân có điện áp ra thấp : 3V, 6V, 12V, 24V… Tuỳ theoyêu 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 dùng12V Để đánh bóng điện hóa nhôm thờng dùng điện áp 12 – 24V

2 Anốt :là điện cực nối vơí cực dơng của nguồn điện một chiều Trướckhi 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 hoàtan Anốt hoà tan đợc dùng tronh các trường hợp mạ niken, mạ đồng, mạkẽm, mạ thiếc… Trong quá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theophản ứng ở điện cực :

Cu e Cu

Ni e Ni

Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đI đến catốt Phảnứng điện hóa ở anốt là phản ứng oxi hóa

Anốt không hòa tan dùng trong trờng hợp mạ Crôm Khi điện phân ở

2

2 4 4

2 2

O O H e OH

Cl e Cl

Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thờng chính là O2 hay Cl2

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 cácion kim loại mạ

Catốt vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập dướimặt nước 8 – 15cm và cách đáy bể khoảng 15cm Các chỗ nối phải đảm bảotiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiên tượng phóng điện trong chất điệnphân Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đã nối mạchđiện

Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện của nguồn và

thời gian mạ.

Độ bóng(độ mịn) phụ thuộc vào sự phân bố của mật độ dòng điện,trong quá trình mạ giữ dòng điện không đổi để giữ cho độ dày không thayđổi

4 Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ ờng có hai phần :

th 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 dichkhông thể dùng để mạ đợc

- 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 dungdịch không những chỉ giảm đợc tổn thấtđiện trong quá trình mạ mà còn làmcho lớp mạ đồng đều hơn.

- Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng trong một khoảng pH nhấtđịnh

- Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng cao trong một khoảng nhiệt

độ nhất định khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôicủa dung dịch

- Mỗi dung dịch có một khoang mật độ dòng catốt thích hợp

- Dung dịch chứa muối phức của kim loại thờng cho lớp mạ có chấtlượng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu đợc từ nuối đơn

3

)

(CN

Zn tốt hơn lớp mạ thu đợc từ dung dịch muối CuSO4

5 Bể điện phân : làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt.Thành và mặt trong của bể thờng đợc lót bằng chất dẻo có độ bền hóa học,bền nhiệt Lớp chất dẻo lót phải kín tuyệt đối, nớc không thấm qua đợc Mặtngoài sơn nhiều lớp chống gỉ Bể mạ thờng có dạng hình chữ nhật, điều nàygiúp cho lớp mạ đợc phân bố đều hơn bể có hình dạng khác Có nhiều bể mạnhư bể mạ tĩnh, thùng mạ quay

Chuơng II : Lựa chọn phương án

Nhiệm vụ đặt ra đối với đồ án là thiết kế bộ nguồn chỉnh lưu cho bể mạhoặc bể điện phân Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạtrong 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 quantrọng, nó quyết định nhiều đến chất lượng lớp mạ thu được Nguồn điện mộtchiều có thể là ắc quy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi… Chúng taphân tích từng loại nguồn để quyết định lựa chọn phương án nào :

1 ắc quy : Trong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ đợc sử dụng trongphòng thí nghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ Do hạn chế về lợng điện tíchlên ắc quy chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì khôngdùng ắc quy đợc Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thểđáp ứng đợc Vì vậy mà trong công nghệ mạ ngời ta ít sử dụng ắc quy làmnguồn mạ

2 Máy phát điện một chiều : Trong công nghệ mạ dùng máy phát điệnmột chiều khắc phục đợc các nhược điểm của ắc quy Máy phát điện mộtchiều trong thực tế có thể đợc 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 khiểnhoạt động khá phức tạp Máy phát điện một chiều với nhiều nhược điểm : cổgóp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn Máy phát điệnmột chiều cần thờng xuyên bảo trì sửa chữa Chính vì các lý do trên lêntrong công nghiệp ngời ta không dùng máy phát điện một chiều.

3 Bộ biến đổi :

Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụngrộng rãi Công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng hoàn thiện, cácthiết 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 xoaychiều thành dòng một chiều ngày càng được sử dụng nhiều trong các nghànhcông nghiệp Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ biến đổi được dùngrộng rãi nhất Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho racác 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 gọnnhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hóa, dễ điều khiển và ổn định dòng Chi phíđầu tư cho bộ biến đổi cũng rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định So vớidùng nguồn mạ là ắc quy hoặc máy phát điện một chiều thì bộ biến đổi đápứng được hơn cả về mặt kinh tế cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật Vậy quyếtđịnh phương án là dùng bộ biến đổi

Với mạch chỉnh lưu ( không dùng mạch chỉnh lưu ) có rất nhiều : chỉnhlưu một pha, chỉnh lưu ba pha, chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu cóđiều khiển… Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp vàdòng 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

0



Các phương án khả thi :+ Chỉnh lưu cầu ba pha+ chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng

Phương án 1:Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng

a.Sơ đồ nguyên lý

G

F T5

T6 T4 u2c

u2a

L T1

T2 T3

Điện áp các pha : nguồn 3 pha 220/380V,50hz

U a  2U2sin 

)

3

2 sin(

b Hoạt động của sơ đồ

T5T6T1 T2T3T4

Dạng sóng cơ bản

3

sin 2 2

U

U d

2 2

- sử dung số van lớn, giá thành thiết bị cao

- sơ đồ này chỉ dung cho tải công suất lớn, dung tải nhỏ vàđiện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng

Do dòng tải dùng trong mạ điện có trị số lớn, nên không áp dụng đượcphương pháp này, vì các van không chịu được dòng tải lớn

Phương án 2 :Chỉnh lưu 6 pha có cuộn cảm cân bằng

a Sơ đồ nguyên lí

Cuộn kháng cân bằng có cấu tạo như máy biến áp tự ngẫu Điện ápchỉnh lưu trung bình trong sơ đồ có giá trị nh trung bình cộng của điện ápđầu ra của hai chỉnh lưu tia 3 pha, nghĩa là :



cos 17 , 1 2

6 3

Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng

b Ưu nhược điểm của sơ đồ

_ u 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

_ Nhợc điểm :

+ Số van sủ dụng lớn giá thành cao

+ Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều

** Dòng điện mạ quá 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 cuộnkháng cân bằng để xây dựng nguồn mạ Nhưng phương án này có nhượcđiểm là khi dòng tải nhỏ thì cách chọn van khó và chỉ ứng dung cho điện ápthấp ,dòng tải lớn và bắt buộc phải có cuộn kháng cân bằng

1> Điều chỉnh thứ cấp :

Sơ đồ gồm 6 tiristor đợc bố trí như hình vẽ

 Khi muốn điều chỉnh dòng tải chỉ cần tác động xung điều khiển vàocác tiristor ở cuộn thứ cấp Khi góc điều khiển  tăng lên, biên độ điện ápcân bằng tăng lên đáng kể Giá trị điện áp trên cuộn kháng lớn nhất khi

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 : P d U do.I d

Vậy U d  ( 4 %  1 , 5 %)U d  2  0 , 66  2  2 , 66 (V)

Suy ra :Udo=Ud + ∑∆Ud = 24 + 2,66 = 26,66 (V) chọn Udo =27 (V)

Công suất hiệu dụng của máy biến áp :

S= 1,26Pd =1,26UdId = 1,26.27.10000 = 340,2 (KVA)

Vậy chọn máy biến áp có công suất 350 (KVA)

Từ công thức chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có :

10000 4 , 0 4

28000

3 Tính toán dây cuốn :

Số vòng vôn : 4,44.f.B.Q.10  4=4,4.50.1.80 10  4=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 211

5 , 1

380

Chọn dây rẹt tiết diện thực (2x5) bọc sợi thủy tinh hai lớp

*Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp :

160 ( )

5 , 2

II> Tính chọn van và bảo vệ van :

Chế độ 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 truyềnvào môi trường Nếu nhiệt độ của van vượt quá giới hạn cho phép sẽ pháhủy van, vì vậy làm mát cho van là một vấn đề rất quan trọng Thông thườngvan được gắn lên một cánh tản nhiệt với thông số phù hợp

Chọn làm mát bằng thông gió có quạt cưỡng bức với hiệu suất làmviệc của van là 35%

s V dt

du



 / 50

/ 100

Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm hai loại :

+ Nguyên nhân nội tại : Khi khoá tiristor bằng điện áp ngược cácđiện tích đổi ngược hành trình tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thờigian rất ngắn Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện gây ra một suất điệnđộng cảm ứng trong các điện cảm luôn luôn có của đờng dây nguồn dẫn đếncác tiristor Vì vậy giữa anốt và katốt xuất hiện quá điện áp

+ Nguyên nhân bên ngoài : Những nguyên nhân này thường xảy rangẫu nhiên như khi có sét đánh, khi đóng cắt máy biến áp nguồn Cắt máybiến áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hóa máy biến áp, bấy giờ năg lượng từtrường 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 phánày 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

imp dmp U

U , là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngợc đặttrên tiristor một cách chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu

np im np

U k

* min k R k R k C

+ Tính dt di max khi chuyển mạch

+ Xác định lượng tích tụ Q=f(di/dt), sử dụng các đường cong trong sổtay tra cứu

+ Tính các thông số trung gian

im U

Q C

* max

25 , 0

R

F

III> Tính cuộn kháng cân bằng :

Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng :

cb

dm ocb

L

U i

.

19 ,

i

U L

.

19 ,





) ( 5000 2

%

) ( 21

21 19 , 0

19 ,

i

U L

ocb

dm cb

h

m  ; n  a c ; l  b a

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

40 52 26 , 1

10 15 , 2

26 , 1

'

 là hệ số phụ theo tài liệu lấy = 52

Chương IV : Thiết kế mạch điều khiển

I Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển

Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp

l-ới 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 điềukhiển Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung gửi sang tầnkhuyếch đại

Khâu khuyếch đại : tạo ra xung và khuyếch đại xung tạo ra xung có

độ rộng cần thiết và đủ công suất để đa đến điều khiển thyistor trong mạchlực

 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 tríxung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên tiristor

II 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 chiều hình sin lấy phần dương và đặt vàocửa đảo của thuật toán A1 tại đây so sánh với điện áp U đặt được đặt vào cửacộng của A1

Nếu Ur <Uđ thì Ura trên OA1là điện áp dương điốt D11 mở lúc này tụ C8

được phóng điện từ C8 đến R5 -> D11 qua OA1 về âm nguồn

Do sự đóng mở của D11làm trên tụ C8 phóng nạp tạo ra trên (III) mộtđiện 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 ápngưỡng trên điốt zơle Điện áp răng cưa được đặt vào cửa đảo của OA7 và sosánh với điện áp điều khiển Điện áp điều khiển này được lấy từ điện ápphản hồi đặt vào so sánh với điện áp đặt qua bộ cộng đảo dấu Trong mạchvòng phản hồi có mạch vòng phản hồi dòng điện Dòng điện qua sun thayđổi thì điện áp phản hồi qua sun thay đổi Tín hiệu điều khiển đa vào cửacộng của khâu so sánh Nếu Urc>Uđhthì đầu ra của OA3 là xung âm Nếu

Urc<Uđk thì đầu ra của OA3 là xung dơng Khi đó bộ phát xung chùm dới sựphóng nạp của tụ C9 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật Vì tín hiệu ra nhỏ đượckhuếch đại qua đèn Ts, xung qua điốt Đ13 chỉ giữ lại phần âm đợc trộn lẫn vớixung ra từ khâu so sánh A3 tạo thành từng chùm xung dương Nhưng tínhiệu xung vẫn cha đủ lớn để kích mở Tiristo do đó đợc đa qua bộ khuếch đạixung Các transisto mắc theo kiểu Dalingtơn Xung dương được đặt vàobazơ 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