ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m Chng 1 Tng quan v cỏc ngun cho m in 1.1 Tổng quan về công nghệ mạ điện: Ngày nay mặc dù dòng điện xoay chiều đợc sử dụng rất rộng rãi, xong nó vẫn không th thay thế cho dòng điện một chiều trong nền công nghiệp nhiều ngành nghề nh: Ngành luyện kim (điện hoá, mạ điện, điện phân,), giao thông vận tải, hầm mỏ, Để cung cấp cho tải dùng nguồn điện một chiều nói chung và tải mạ điện nói riêng, chúng ta thờng sử dụng máy phát điện một chiều hoặc sử dụng bộ chỉnh lu biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. + Đối với máy phát điện một chiều ta có: + Máy phát điện một chiều tự kích thích. + Máy phát điện một chiều kích thích độc lập. + Đối với bộ chỉnh lu: Nếu phân loại theo đặc tính điều khiển ta có: + Chỉnh lu không điều khiển. + Chỉnh lu có điều khiển. Theo dạng nguồn cấp xoay chiều, ta có thể chia chỉnh lu thành một pha hay ba pha. Theo dạng của sơ đồ chỉnh lu, chúng ta có thể phân loại chỉnh lu thành; chỉnh lu một lửa chu kỳ; chỉnh lu 2 nửa chu kỳ; chỉnh lu cầu một pha; chỉnh lu tia ba pha; chỉnh lu cầu ba pha; chỉnh lu tia sáu pha. 1.1.1 Máy phát điện một chiều. Hầu hết các quá trình mạ đều dùng nguồn điện một chiều có công suất khác nhau nhng điện thế chỉ từ 6 -12 V hay 24 V. Để cấp điện cho tải một chiều ngời ta dùng máy phát điện một chiều: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy phát cung cấp điện cho bể mạ: Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 1 ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m Trong sơ đồ gồm có các phần tử sau: - MF: là máy phát điện một chiều kích từ độc lập cung cấp điện áp cho quá trình mạ. Sức điện động của máy phát đợc thay đổi bằng cách thay đổi dòng điện kích từ i kt - ĐCK: Là động cơ không đồng bộ (động cơ sơ cấp) để quay máy phát MF và máy phát kích từ FK. - FK: Là máy phát điện một chiều tự kích có công suất bé, nó cung cấp dòng kích từ i kt cho máy phát MF. - CD: Cầu dao để bảo vệ và đóng cắt. Nguyờn lý hot ng: + Khi đóng cầu dao CD xuống, lúc này ta đã cung cấp điện áp xoay chiều cho động cơ sơ cấp (ĐCK). Khi động cơ sơ cấp (ĐCK) làm việc nó cung cấp năng lợng làm quay phần ứng của máy phát điện một chiều kích từ độc lập (MF) và may phát điện tự kích (FK). Lúc này máy phát điện tự kích thích hoạt động sinh ra dòng điện một chiều cung cấp dòng điện kích từ cho máy phát điện kích từ độc lập, kết quả là máy phát điện kích từ độc lập hoạt động, sinh ra điện áp một chiều cung cấp nguồn điện cho quá trình mạ. Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 a b c CD FK MF ĐCK i kt KT + anốt - catốt Chuyển dịch ion Bể mạ Dung dịch mạ Lớp mạ U 1c ne ne H.1.1- Sơ đồ nguyên lý máy phát cung cấp điện một chiều 2 ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m Qua việc phân tích sơ đồ nguyên lý hệ thống máy phát điện một chiều cung cấp cho bể mạ, ta thấy hệ thống máy phát có một số u, nhợc điểm sau: + Ưu điểm: - Có thể đảo chiều dòng điện bằng cách đổi chiều dòng điện kích từ i kt . - Tạo ra dòng điện và điện áp liên tục, lý tởng hơn so với chỉnh lu. Vì trong thành phần dòng, áp không chứa sóng hài bậc cao. - Điều chỉnh điện áp trong một phạm vi tải nhất định. + Nhợc điểm: - Chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp. - Cổ góp mau hỏng. - Thiết bị cồng kềnh, khi làm việc có tiếng ồn lớn. - Do sự tiếp xúc giữa cổ góp và chổi than sinh ra tia lửa điện nên rất nguy hiểm khi vận hành. - Hiệu suất thấp, tổn thất lớn. - Tốn diện tích đặt máy, dễ bị ăn mòn (bị ôxy hoá) do dung dịch mạ, hơi muối, chất phụ gia, chất xúc tác. - Khó điều chỉnh điện áp cho từng bể mạ vì loại động cơ máy phát thờng dùng cho nhiều bể mạ có điện thế và cờng độ dòng điện gần giống nhau do đó cần trang bị mỗi bể một bảng điện trở để điều chỉnh dòng và thế cho phù hợp với yêu cầu của bể đó. - Đờng dây tải điện từ máy phát tới các bể mạ dài, tiết diện lớn, dẫn đến tổn hao trên đờng dây lớnkhông kinh tế 1.1.2 Bộ chỉnh lu có điều khiểu Ngày nay, do sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn đã đa ra nhiều ứng dụng của nó trong mạ điện, đó là chế tạo ra bộ nguồn chỉnh lu biến đổi năng lợng điện xoay thành dòng điện một chiều dùng cho tải mạ, với những u điểm sau: Bộ nguồn chỉnh lu có kích thớc nhỏ, gọn, không tốn diện tích lắp đặt, không có phần quay, làm việc với hiệu suất cao, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng, áp. Thờng trang bị một chỉnh l- Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 3 ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m u cho riêng một bể mạ, bố trí gần các bể mạ mà không sợ bị ăn mòn nhờ vậy nên dây dẫn ngắn, điều chỉnh dòng và thế dễ dàng hơn cho từng bể mạ mà không làm ảnh hởng tới bể khác. 1.1.2.1 Điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu: - Sơ đồ nguyên lý: - Nguyên lí làm việc: Dùng một máy biến áp tự ngẫu để thay đổi điện áp lới xoay chiều từ trị số cao về trị số thấp hơn, rồi mới qua máy biến áp chỉnh lu cấp điện áp cho bộ chỉnh lu. Do đó việc điều chỉnh điện áp ra trên tải đợc thực hiện thông qua máy biến áp tự ngẫu bằng cách dùng động cơ kéo con trợt trợt trên dây quấn thứ cấp máy biến áp. - Ưu, nhợc điểm của sơ đồ: Qua phân tích nguyên lý hoạt động, ta thấy cần phải có hai biến áp (một biến áp tự ngẫu, một biến áp chỉnh lu) nên giá thành đắt và cồng kềnh. Điều chỉnh điện áp bằng máy biến áp tự ngẫu có hệ số công suất cao, nhng ta phải dùng hệ thống chổi than - con trợt để lấy điện áp ra, do đó có tính trễ, khó khăn khi muốn điều chỉnh tinh, bộ chỉnh lu diode dùng ít thuận tiện 1.1.2.2 Điều khiển bằng điều áp xoay chiều: - Sơ đồ nguyên lý: Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 . . . . . . . . . . . Z t MBA tự ngẫu MBA chỉnh lưu chỉnh lưu Diode 4 H1.2 - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu Hình 1.3. Điều chỉnh điện áp bằng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều. H1.4.Điều chỉnh điện áp bằng bộ chỉnh lu có điều khiển. ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m Dùng một bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều (bộ điều áp xoay chiều) để điều chỉnh điện áp phía sơ cấp biến áp, phía thứ cấp đợc đa vào một bộ chỉnh l- u điện áp dùng Diode. Ưu điểm của sơ đồ này là phía sơ cấp điện áp lớn, dòng nhỏ, việc chọn các van Tiristor dễ dàng, nhng lại dùng quá nhiều van bán dẫn, thành phần hài bậc cao lớn, điều khiển các Tiritor khó khăn, chất lợng điện áp một chiều không cao. Do đó sơ đồ này không đợc sử dụng phổ biến. 1.1.2.3 Điều khiển bằng Tiristor: Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lu: Các van bán dẫn thờng đợc dùng trong các mạch chỉnh lu là: Diôt và Tiristor. + Diôt chỉ cho dòng chạy qua khi thế ở Anốt lớn hơn thế ở Catốt. + Tiristor cho dòng chảy qua khi thoả mãn hai điều kiện: - Thế ở Anốt lớn hơn thế ở Catốt. - Đồng thời phải có tín hiệu điều khiển. Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 Z t A B C . . . . . . . Bộ điều áp xoay chiều MBA chỉnh lưu chỉnh lưu Diode Z t A B C . . . . . . . MBA chỉnh lưu chỉnh lưu Diode 5 ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m Hoạt động của sơ đồ: Khi đặt điện áp xoay chiều u 1 vào máy biến áp (MBA) thì ở đầu ra của MBA ta thu đợc một điện áp xoay chiều u 2 , điện áp này qua bộ chỉnh lu sẽ cho ta điện áp một chiều cung cấp cho bể mạ. - Một số u điểm của bộ chỉnh lu: + Dễ tự động hoá. + Dễ điều chỉnh và ổn định dòng, áp. + Có thể thay đổi điện áp sau chỉnh lu. + Bộ chỉnh lu có thể đặt ngay sát bể mạ: không tốn không gian đặt thiết bị; tổn thất trên đờng dây ít. + Dễ bảo quản, không bị ăn mòn trong môi trờng mạ. + Thiết bị gọn nhẹ: ví dụ để tạo ra 1kw điện năng một chiều, nếu dùng máy phát điện một chiều thì phải mất từ 10kg ữ 15kg thiết bị, nhng nếu dùng van bán dẫn thì ta chỉ cần 1kg ữ 2kg thiết bị. + Nhợc điểm của bộ chỉnh lu: + Cho dòng điện và điện áp gián đoạn, không lý tởng bằng máy phát điện một chiều. + Điện áp sau chỉnh lu còn chứa thành phần sóng hài bậc cao, nên điện áp chỉnh lu có sự nhấp nhô, không bằng phẳng. Điều này làm nhiễu; ảnh hởng tới chất lợng làm việc của nhiều loại máy móc, thiết bị và các hộ dùng điện một chiều. Kết luận: Qua phân tích u nhợc điểm của các thiết bị cung cấp một chiều cho tải là mạ điện thì: Nếu chọn máy phát điện một chiều, để đáp ứng yêu cầu đòi hỏi của công nghệ mạ ta phải sử dụng máy phát điện một chiều có nhiều phần tử, nghiều phiến góp, máy phát phải có công suất lớn để bù tổn hao, dẫn đến một số vấn đề là cổ góp mau hỏng, cồng kềnh, không kinh tế, dễ cháy nổ, không an toàn cho ngời sử dụng và thiết bị, nên trong thực tế ít dùng cho tải mạ điện. Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 6 ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m Nh vậy chỉnh lu có điều khiển với các u điểm: Thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, tự động hoá, dễ điều chỉnh và ổn định dòng áp, đáp ứng yêu cầu của mạ điện nên đợc chọn làm nguồn cấp điện chủ yếu cho công nghệ mạ. 1.2 Yêu cầu công nghệ mạ điện: - Điện áp bể mạ phải nhỏ : 6 - 12V hoặc 24 V, ổn định, có thể điều chỉnh vô cấp và liên tục trong giới hạn rộng. - Dòng điện phải đủ lớn tùy theo yêu cầu của lớp mạ, ổn định và liên tục và có thể tạo các xung dòng (tăng dòng điện lên rất cao trong khoảnh khắc) - Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng lớp mạ : + Nhiệt độ dung dịch : Đây là yếu tố ảnh hởng rấy phức tạp, nó ảnh h- ởng đến tính chất của dung dịch nh độ dẫn điện, hoạt động ion, quá thế hyđro. Nên khi tăng nhiệt độ cho phép dung dung dịch có nồng độ cao hơn vì tăng đợc độ hòa tan các cấu tử ban đầu, đồng thời làm tăng độ dẫn điện của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động anốt. Ba yếu tố này làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép dùng mật độ dòng điện cao hơn. Trái lại, nếu nhiệt độ quá cao lại làm giảm phân cực catốt do giảm tác dụng các chất bề mặt, tăng độ phân ly ion hyđrat hóa ( làm giảm phân cực hóa học) và thúc đẩy khuếch tán đối lu mạnh lên ( làm giảm phân cực nồng độ). Từ đó lớp mạ sẽ gồm các tinh thể thô và to. Nhng nếu đồng thời tăng mật độ dòng điện lên theo thì có thể bù trừ đợc nhợc điểm do nhiệt độ cao gây ra, vì thế mà lớp mạ sẽ có tinh thể nhỏ mịn. + Trong quá trình mạ, nồng độ ion kim loại ko đều, dung dịch bị phân lớp nồng độ theo chiều cao ( gần catốt dung dịch sẽ bị loãng, nhẹ và sẽ di chuyển lên phía trên, gần anốt dung dịch sẽ đặc, năng, và dịch chuyển xuống phía đáy. Nên khó thu đợc lớp mạ đồng đều trên vật mạ. Nên khuấy dung dịch sẽ khắc phục đợc nhợc điểm này, và phảI kết hợp cả Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 7 ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m tăng nhiệt độ và mật độ dòng điện một cách thích hợp. Có thể khuấy dung dịch bằng cách đung đa catốt , sục khí nén hoặc cho dung dịch chảy tuần hoàn và đồng thời lọc hết bụi cặn để tránh làm hỏng lớp mạ. + Mật độ dòng điện cao sẽ thu đợc lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, chắc sít và đồng đều. Ngợc lại nếu giảm mật độ dòng điện xuống quá thấp tốc độ mạ sẽ chậm., kết tủa sẽ thô và không đều, cho nên mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lợng tốt trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định. Trong thời gian ngắn đầu tiên dùng mật độ dòng điện gấp 2-3 lần mật độ dòng điện bình thờng hoặc hơn. - Để nâng cao năng suất và chất lợng của sản phẩm mạ, ngời ta thờng hớng đến các mục tiêu sau: + Tăng cờng mật độ dòng điện của quá trình mạ. + Dùng chất mạ bóng thích hợp. + Chọn công nghệ mạ phù hợp. + Tạo các lớp mạ đặc biệt. + Nâng cao tính tự động hóa trong dây truyền. 1.3 Phạm vi ứng dụng và một số sản phẩm thơng mại: - Phạm vi ứng dụng: Do các lớp mạ có u điểm nh: Bền ăn mòn, bền hóa học, bền cơ học, tăng độ cứng, độ dẻo, độ dẫn điệnNên đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp luyện kim, giao thông vận tải, hầm mỏ, vô tuyến viễn thông, thiết bị y tế, đồ ding sinh hoạt - Một số sản phẩm thơng mại: Mạ kẽm, crôm, sắt, đồng, thiếc, chì. Ngoài ra còn một số kim loại quý hiếm đợc sử dụng để đáp ứng nhu cầu của công nghệ cao: Độ dẫn điện cao, đặc tính từ đặc biệt, độ phản quang hoặc hấp thụ ánh sáng, độ chịu mài mòn cao CHNG 2 : TNH CHN MCH CễNG SUT Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 8 ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m Trong cụng ngh m in thỡ ngun m mt chiu l yu t ht sc quan trng, cú nh hng rt ln ti quỏ trỡnh trỡnh m v cht lng lp m thu c. Cụng ngh ch to cỏc linh kin bỏn dn ngy cng chớnh xỏc, hon thin, tin cy cao, kớch thc nh cựng vi cỏc u im vt tri ca cỏc b bin i (BB): thit b gn nh, tỏc ng nhanh, d iu khin v n nh dũngDo vy nờn cỏc BB c s dng lm ngun m mt chiu. 2.1. Gii thiu cỏc mch cụng sut ó bit: - Chnh lu cu 3 pha cú iu khin - Chnh lu tia 6 pha cú iu khin - Chnh lu cu 6 pha cú cun khỏng cõn bng 2.2. Phõn tớch u nhc im ca cỏc mch cụng sut: 2.2.1. Chnh lu cu 3 pha cú iu khin: - u nhc im ca s : + u điểm : - số xung áp chnh lu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch của điện áp chnh lu thấp, chất lợng điện áp cao. - không làm lệch pha lới điện. + Nhợc 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 chnh lu đòi hỏi độ bằng phẳng. Do dòng tải dùng trong mạ điện có tr số lớn, nên không áp dụng đợc phơng pháp này, vì các van không chịu đợc dòng tải lớn. 2.2.2. Chnh lu tia 6 pha cú iu khin: - u nhc im ca s : + u im: Dũng in chy qua van bộ nht => cú u im khi dũng ti ln ( ch cn cú van nh cú th ch to b ngun cú dũng ti ln) + nhc im: Bin ỏp 3 pha 6 cun dõy cu to phc tp hn => ớt dựng trong thc t. 2.2.3. Chnh lu cu 6 pha cú cun khỏng cõn bng: - u nhc im ca s : + u im: + Dũng in ỏp ra cú bng phng cao, cú p mch ln + Dũng trung bỡnh qua dũng ti nh, bng 1/6 dũng qua ti + nhc im: + S van s dng ln nờn giỏ thnh cao Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 9 ti: Thit k b ngun mt chiu cp cho b m + Mỏy bin ỏp phc tp, cú s cun th cp nhiu 2.3. Chn mch cụng sut phự hp: Chnh lu cu 3 pha cú iu khin: - Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 tiristor, chia làm hai nhóm : - nhóm catốt chung T1, T3, T5 - nhóm anốt chung T2, T4, T6 Điện áp các pha : sin2 2 UU a = ) 3 2 sin(2 2 = UU b ) 3 4 sin(2 2 = UU c - Hot ng ca s : Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua bGcF VVVV == , + Khi + == 6 2 cho xung điều khiển mơ T1. Tiristor này mở vì 0 > a U . Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì ca UU > . Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải : baabd UUUU == + Khi + == 6 3 2 cho xung điều khiển mở T2. Tiristor này mở vì T6 dẫn dòng, nó đặt b U lên catốt T2 mà cb UU > . Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên vì cb UU > . Các xung điều khiển lệch nhau 3 đợc lần lợt đa đến các cực điều khiển của các thyristor theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1, .Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyritor trớc nó, nh trong bảng sau : Thời điểm Mở Khoá Nguyễn Đình Tiến 20/09/1991 Lớp: ĐTĐ50ĐH2 G F T5 T6 T4 U2c U2a U2b R L T1 T2 T3 10