báo cáo thiết kế nguồn mạ một chiều

Lời nói đầu Mạ điện là một trong những phương pháp rất có hiệu quả để bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn trong môi trường khí quyển. Nhờ mạ điện tạo ra các sản phẩm có độ bền cao,nâng cao tính thẩm mỹ của sản phẩm để vụ cho các ngành công nghiệp cũng như ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày…. Các vật mạ điện có giá trị trang trí cao,bền và rẻ,ngoài ra còn có độ cứng,độ dẫn điện cao được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất công cụ thiết bị điện năng,ôtô,môtô,xe đạp,dụng cụ y tế… Ở các nước công nghiệp,ngành mạ điện phát triển rất mạnh. Ở nước ta ngành mạ điện luôn được hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu ngày càng phát triển của công nghiệp. Nhưng nói chung về mặt kỹ thuật chưa được chú ý,chất lượng mạ chưa tốt. Mấy năm gần đây,những kỹ thuật mới,công nghệ mới về mạ đặc biệt là mạ trang sức,mạ vàng giả,mạ phi kim loại,mạ phức hợp,mạ điện…có nhiều thành quả nghiêm cứu và ứng dụng phong phú. Để nắm vững lý thuyết cũng như từng bước tiếp cận công nghệ mới về mạ điện em được giao tìm hiểu về đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế cao. Trong quá trình làm và hoàn thành đồ án môn học,em đã nhận được sự giúp đỡ,chỉ bảo tận tình của thầy Đoàn Văn Tuân,đây là lần đầu tiên làm đồ án môn học với đề tài mới mẻ có liên quan nhiều đến môn học khác. Mặc dù em đã cố gắng nhưng chắc chắn không tránh khỏi hết khuyết điểm. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy,cô để đồ án của em được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cám ơn ! Hải Phòng, ngày 10 tháng 10 năm 2012. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN 1.1. Tổng quan về công nghệ mạ điện. 1.1.1 Sơ lược về kỹ thuật mạ điện. Mạ điện đơn giản có thể là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có tính chất cơ lý hóa…đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Tuy nhiên chỉ những công nghệ ổn định,bền trong thời gian dài mới được sử dụng trong sản xuất. Mạ điện thực chất là quá trình điện phân(phản ứng phân tích hóa học xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một chiều). quá trình điện phân tổng quát trên diode xảy ra quá trình hòa tan kim loại điện cực dilde. Phương trình: + →− n MneM Trên catot,các cation nhận điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ: Phương trình: MneM n →+ + Trong mạ điện bao gồm rất nhiều giai đoạn và các bước nối tiếp nhau. Ví dụ ở catot. Cation OmHM n 2 + di chuyển từ dung dịch vào trong bề mặt catot. Cation mất vỏ Hyđrat OmH 2 tiếp xúc trực tiếp với bề mặt. điện tử từ catot điền vào vách điện tử hóa trị của cation biến nó thành nguyên tử kin loại trung hòa ở dạng hấp thu. Các nguyên tử kim loại sẽ tạo thành mầm tinh thể mới. từ đó các tinh thể kết hợp thành lớp mạ. 2 Hình 1.1: Mô hình mạ điện phân với nguồn một chiều. Các phần tử trong sơ đồ: 1- Bình ổn nhiệt. 2- Bình điện phân. 3- catôt. 4 và 5- anôt, 6- dụng cụ đo điện lượng. 7- Ampe kế. 8- nguồn điện một chiều 1.1.2 Sự phát triển của công nghệ mạ điện Kỹ thuật mạ điện hiện nay đã có những bước tiến triển nhảy vọt,thỏa mãn được yêu cầu kỹ thuật quan trọng trong sản xuất và đời sống. Các nhà khoa học luôn tập trung mọi lỗ lực nhằm tìm ra những chất phụ gia mới,phát minh những chất điện giải mới,phương pháp điện phân mới với những mục đích nâng cao không những chất lượng lớp mạ không chỉ trên bề mặt kim loại mà ngay trên bề mặt chất dẻo hay các phi kim loại khác. Kỹ thuật mạ điện luôn đòi hỏi lớp mạ có cấu trúc tinh thể mịn,dẻo nhưng rất cứng,độ bám tốt,không xốp,không bong tróc ngay khi thay đổi nhiệt độ hay va chạm mạnh cũng như bền trong môi trường sử dụng. Vì vậy phải không ngừng nghiên cứu,cải tiến các thiết bị,máy móc chuyên dùng,thiết kế các dây chuyền sản xuất đồng bộ,tự động hóa với độ tin cậy cao. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng lớp mạ một cách vững chắc,hạ giá thành sản phẩm,chống ô nhiễm môi trường 1.1.3 Mục đích và ý nghĩa của công nghệ 3 - Lớp mạ có nhiệm vụ bảo vệ kim loại khỏi bị ăn mòn hóa học hay điện hóa trong môi trường sử dụng. - Lớp mạ có nhiệm vụt trang trí bên ngoài sản phẩm chế tạo kim loại hoặc hợp kim rẻ tiền,nó đồng thời là lớp mạ bảo vệ các chi tiết máy móc khỏi bị ăn mòn. - Người ta còn tạo được lớp mạ kim loại hoặc hợp kim có tính chất hóa lý đặc biệt như: + Lớp mạ làm tăng độ chống mài mòn,chống ma sát. + Tạo lớp mạ dẫn điện tốt hơn kim loại nền nhiều lần,lại không gỉ,đảm bảo dòng điện rất nhỏ lưu thông trong hệ thống lâu dài. + Lớp mạ có độ rắn cao,chịu được các lực tác dụng mà không bị bong tróc,tạo lớp mạ bóng sáng,bền nhiệt cao… 1.2 Yêu cầu của công nghệ mạ điện. Để quá trình mạ thành công: - Gia công đúng kỹ thuật cho catot. - Chọn đúng vật liệu cho anot,thành phần dung dịch mạ,mật độ dòng điện và các điều kiện điện phân khác,sự ổn định dòng điện trong quá trình mạ. có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự thành công cũng như chất lượng mạ điện. Nhưng đồ án là thiết kế nguồn mạ nên ta chỉ quan tâm đến ảnh hưởng của nguồn cung cấp cho quá trình mạ có vai trò rất quan trọng đến sự thành công cũng như chất lượng và độ bền của lớp mạ. Do yêu cầu công nghệ bắt buộc phải có nguồn điện một chiều nên ta dùng dòng điện một chiều không đảo chiều. dòng điện một chiều không đảo chiều ổn định trong suốt quá trinh mạ sẽ cho ra những sản phẩm có lớp mạ đều và bóng. Điện áp một chiều phải tương đối bằng phẳng. Dòng điện một chiều phải đi vào 2 cực kim loại nhưng vào dung dịch thì điện thế catot(cực âm) trở lên âm hơn,điện 4 thế anot (cực dương) trở lên dương hơn. Sự thay đổi điện thế như vậy gọi là sự phân cực. sự phân cực có quan hệ mật thiết với mạ và quyết định được lớp mạ kết tinh mịn. Khả năng phân bố tốt,lớp mạ phân bố đồng đều. Làm Hyđrô thoát ra mạnh,làm giảm hiệu suất dòng điện và độ bám lớp mạ. Phân cực anot làm anot hòa tan không bình thường,ảnh hưởng sự phân cực đến lớp mạ có mặt lợi,mặt hại. trong quá trình mạ phải lợi dụng mặt lợi,khống chết mặt hại. đa số trường hợp muốn lớp mạ mịn,khả năng phân bố tốt phải nâng cao sự phân cực (trong phạm vi cho phép), tránh làm giảm hiệu suất dòng điện,độ bám lớp mạ không tốt. Để tạo nguồn một chiều cho mạ điện có thể dùng máy phát điện một chiều hay máy chỉnh lưu.Hiện nay,máy chỉnh lưu được dùng rộng rãi để thay thế máy phát điện một chiều. Dùng máy chỉnh lưu có lợi là hiệu suất cao,thời gian sử sụng lâu,tiếng ồn nhỏ, dễ điều khiển, có thể lắp trực tiếp cạnh bể mạ. 1.3. Phạm vi ứng dụng và một số sản phẩm thực tế. Các sản phẩm của công nghệ mạ điện có mặt ở nhiều ngành trong nền kinh tế, giữ vai trò quan trọng trong một số ngành công nghiệp khác nhau. - Trong lĩnh vực xây dựng: mạ ống nước, đường sắt, các thiết bị ngoài trời, mạ các thiết bị chịu lực, mạ kẽm cho tôn… - Trong sản xuất dân dụng: làm đồ trang sức, lư đồng, huy chương, bát đĩa, vòi nước… - Trong ngành kĩ thuật cao: sản xuất robot, tên lửa… - Trong công nghiệp đóng tàu: thường mạ một lớp kẽm lên bề mặt vỏ tàu. - Trong các công trình thủy (ở Tôkiô): các trụ cầu của cầu dẫn qua cảng Tokyo, lớp phủ titanium (1mmTi + 4mm thép tấm). 5 - Trong lĩnh vực khác: mạ vàng điện thoại, xe hơi, laptop…. Sản phẩm mạ của công nghệ mạ điện có giá trị ngày càng cao trong nền kinh tế quốc dân nhất là trong lĩnh vực công nghệ cao hiện nay. Chương 2: Tính chọn mạch công suất 2.1. Giới thiệu mạch công suất và phân tích ưu nhược điểm Nhiệm vụ đặt ra đối với thiết kế 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 : 2.1.1. Ắc quy. 6 Trong 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. 2.1.2. Máy phát điện một chiều. Đối với máy phát điện một chiều ta có: + Máy phát điện một chiều tự kích thíc. + Máy phát điện một chiều kích thích độc lập. Hầu hết các quá trình mạ đều dùng nguồn điện một chiều có công suất khác nhau nhưng điện thế chỉ từ 6 -12 V hay 24 V, 30 V. Để cấp điện cho tải một chiều người ta dùng máy phát điện một chiều: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy phát cung cấp điện cho bể mạ: Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý máy phát điện một chiều cung cấp cho bể mạ. Trong sơ đồ gồm có các phần tử sau: a b c CD FK MF ĐCK i kt KT + A - K Chuyển dịch ion Bể mạ Dung dịch mạ Lớp U 1c ne ne 7 - 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 được 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. Hoạt động của sơ đồ: + 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 lượng làm quay phần ứng của máy phát điện một chiều kích từ độc lập (MF) và máy 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. 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 ưu, nhược 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 tưởng hơn so với chỉnh lưu. Vì trong thành phần dòng, áp không chứa sóng hài bậc cao. - Điều chỉnh điện áp trong một phạm vi tải nhất định. + Nhược 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. 8 - 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. - Giá thành đầu tư 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 thường dùng cho nhiều bể mạ có điện thế và cường 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. - Đường dây tải điện từ máy phát tới các bể mạ dài, tiết diện lớn, dẫn đến tổn hao trên đường dây lớn, không kinh tế. Chính vì các lý do trên lên trong công nghiệp người ta không dùng máy phát điện một chiều. 2.1.3. Bộ biến đổi. 1. Điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu - Sơ đồ nguyên lý: - Nguyên lý làm việc: Dùng một máy biến áp tự ngẫu để thay đổi điện áp lưới xoay chiều từ trị số cao về trị số thấp hơn, rồi mới qua máy biến áp chỉnh lưu cấp điện áp cho bộ chỉnh lưu. Do đó việc điều chỉnh điện áp ra trên tải được thực hiện thông . . . . . . . . . . . Z t MBA tự ngẫu MBA chỉnh lưu chỉnh lưu Diode 9 Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bằng điều chỉnh biến áp tự ngẫu Hình 2.3. Điều chỉnh điện áp bằng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều. qua máy biến áp tự ngẫu bằng cách dùng động cơ kéo con trượt trượt trên dây quấn thứ cấp máy biến áp. - Ưu, nhược 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 lưu) nên giá thành đắt và cồng kềnh. Điều chỉnh điện áp bằng máy biến áp tự ngẫu có hệ số công suất cao, nhưng ta phải dùng hệ thống chổi than - con trượt để lấy điện áp ra, do đó có tính trễ, khó khăn khi muốn điều chỉnh tĩnh, bộ chỉnh lưu diode dùng ít thuận tiện. 2. Điều khiển bằng điều áp xoay chiều: - Sơ đồ nguyên lý: 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 được đưa vào một bộ chỉnh lưu 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, nhưng lại dùng quá nhiều van bán dẫn, thành phần hài bậc cao lớn, điều khiển các Tiritor khó khăn, chất lượng điện áp một chiều không cao. Do đó sơ đồ này không được sử dụng phổ biến. 3. Điều khiển bằng Tiristor: Sơ đồ nguyên lý của bộ chỉnh lưu: Z t A B C . . . . . . . Bộ điều áp xoay chiều MBA chỉnh lưu chỉnh lưu Diode 10 [...]... đồ nguyên lí mạch đơn giản nhưng chất lượng điện áp một chiều quá xấu, hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp, công suất chỉnh lưu nhỏ chỉ dùng nạp ác quy, do đó không được dùng trong những mạch cần công suất lớn như mạ điện Ta không xét đến trong thiết kế này Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp và dòng khá lớn nên có thể đưa ra một số phương án như sau: + Chỉnh lưu cầu một pha có điều... một chiều cung cấp cho bể mạ - Một số ưu điểm của bộ chỉnh lưu: + Dễ tự động hoá + Dễ điều chỉnh và ổn định dòng, áp + Có thể thay đổi điện áp sau chỉnh lưu + Bộ chỉnh lưu có thể đặt ngay sát bể mạ: không tốn không gian đặt thiết bị; tổn thất trên đường dây ít + Dễ bảo quản, không bị ăn mòn trong môi trường mạ + Thiết bị gọn nhẹ: ví dụ để tạo ra 1kw điện năng một chiều, nếu dùng máy phát điện một chiều. .. làm việc của nhiều loại máy móc, thiết bị và các hộ dùng điện một chiều Kết luận: Như vậy chỉnh lưu có điều khiển với các ưu điểm: Thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, tự động hoá, dễ điều chỉnh và ổn định dòng áp, … 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... 2.2.5 Chọn mạch công suất phù hợp Điều quan trọng nhất trong công nghệ mạ là chất lượng sản phẩm mạ, chất lượng lớp mạ còn tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố Điều khiển chất lượng mạ phải khống chế đồng thời cả dung dịch mạ lẫn cách thức mạ, nhưng quan trọng nhất vẫn là dải mật độ dòng điện thích hợp vì nó tạo điều kiện điện phân có phân cực lớn, do đó màu tinh thể mới được sinh ra dễ dàng hơn Lớp mạ là do vô... Giới thiệu và phân tích ưu nhược điểm của mạch công suất 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 Tiristor 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... hợp lại, tinh thể càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ mịn, sít chặt đồng đều Vậy để nâng cao chất lượng mạ đòi hỏi chất lượng dòng điện một chiều với mật độ cao, độ ổn định lớn và chất lượng điện áp tốt Nếu chọn chỉnh lưu cầu một pha, tuy chất lượng điện áp tương đối tốt nhưng mật độ không cao, biên độ đập mạch lớn, thành phần đa hoà bậc cao lớn,... tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) ta chọn 3 Diốt loại 400R40 có: - Dòng điện định mức của van: Iđmv = 400 (A) - Điện áp ngược của van: Unv = 400 (V) - Đỉnh xung dòng điện lớn nhất: Ipik = 7800 (A) - Dòng điện rò: Ir = 15 (mA) - Sụt áp trên van: ∆U = 1, 62 (V) - Nhiệt độ cho phép: Tcp = 2000C Theo Bảng p.2 Thông số Tiristor công suất (sách tính toán thiết kế thiết bị điện... 10kg ÷ 15kg thiết bị, nhưng nếu dùng van bán dẫn thì chỉ cần 1kg ÷ 2kg thiết bị - Nhược điểm của bộ chỉnh lưu: 11 + Cho dòng điện và điện áp gián đoạn, không lý tưởng bằng máy phát điện một chiều + Điện áp sau chỉnh lưu còn chứa thành phần sóng hài bậc cao, nên điện áp chỉnh lưu có sự nhấp nhô, không bằng phẳng Điều này làm nhiễu; ảnh hưởng tới chất lượng làm việc của nhiều loại máy móc, thiết bị và... các vấn đề cách điện vì dòng thứ cấp rất lớn phát sinh ra nhiệt nhiều Đồng thời máy biến áp ta sử dụng trong việc mạ điện phải kín Vì trong khi mạ hơi của các muối dùng để mạ, hay các chất phụ gia và chất xúc tác… có tính ôxy hoá cao do đó ta phải có vỏ để bảo vệ máy biến áp bằng cách thiết kế thùng dầu để cho máy biến áp vào 1 Điện áp sơ cấp máy biến áp U1 = 380 (V) 2 Điện áp pha thứ cấp của máy biến... chúng ta phải cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở nhóm Anốt, một xung ở nhóm Catốt) Cần chú ý rằng thứ tự cấp xung điều khiển cũng cần tuân thủ đúng theo thứ tự pha - Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua U F = U 2 c , U G = U 2b + Khi θ = θ 2 = Π + α cho xung điều khiển mơ T1 Tiristor này mở vì U 2 a > 0 6 Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì U 2 a > U 2 c Lúc này T6 . phải có nguồn điện một chiều nên ta dùng dòng điện một chiều không đảo chiều. dòng điện một chiều không đảo chiều ổn định trong suốt quá trinh mạ sẽ cho. Tính chọn mạch công suất 2.1. Giới thiệu mạch công suất và phân tích ưu nhược điểm Nhiệm vụ đặt ra đối với thiết kế là thiết kế nguồn mạ một chiều có điện