Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ dòng tải 100a

Tèng ThÞ HiÕu - T§H2- K48 §å ¸n m«n: §iÖn tö c«ng suÊt : ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiÒu cã ®¶o chiÒu dßng m¹. Sinh viªn thùc hiÖn : Tèng ThÞ HiÕu Líp : T§H2-K48 Gi¶ng viªn híng dÉn : Ph¹m Quèc H¶i N¨m thùc hiÖn : 2006 ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiÒu cã ®¶o chiÒu dßng ®iÖn m¹ 1 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Các tham số: Phơng án 2: Điện áp ra : U d = 6 ữ 12 (V) Dòng tải max : I d =100(A) Thời gian thuận : 50 ữ 200 (s) Thời gian ngợc : 5 ữ 20 (s) Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ không đổi trong quá trình mạ. Mạch phải có khâu bảo vệ chống chạm điện cực (bảo vệ ngắn mạch). Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 2 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Mục lục Chơng I 5 Công nghệ mạ điện và các yêu cầu kỹ thuật 5 I.1. Tìm hiểu chung về công nghệ mạ 5 I.2. Các thành phần chính trong mạ điện phân 5 I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ 8 Chơng II: 11 Lựa chọn phơng án phù hợp cho nguồn mạ một chiều 11 II.1. Tổng quan chung 11 II.2. Chọn phơng án 11 ChơngIII 14 Thiết kế mạch lực 14 III.1. Tính chọn van lực 14 III.1.1. Đặc điểm chung 14 III.1.2. Các thông số của Thyristor 14 III.1.3. Chọn Thyristor 15 III.2. Tính toán máy biến áp (MBA) lực 15 III.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ MBA 16 III.2.2. Tính toán dây quấn 17 III.2.3. Tiết diện cửa sổ MBA 18 III.2.4. Kết cấu dây quấn MBA 18 III.2.5. Tính các thông số của MBA 20 III.3. Thiết kế cuộn kháng lọc 22 III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại 23 III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 23 III.3.3.Thiết kế cuộn kháng lọc 24 III.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ 26 III.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Thyristor 26 III.4.2.Bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor 27 III.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho Thyristor 28 III.4.4. Bảo vệ chống tăng dòng cho Thyristor 29 III.5. Phơng pháp đảo chiều 29 III.5.1. Phơng pháp điều khiển chung: 30 III.5.2.Phơng pháp điều khiển riêng: 30 Chơng IV 33 thiết kế mạch điều khiển 33 IV.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển 33 IV.2. Cấu trúc của mạch điều khiển Thyristor 33 IV.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển 34 IV.3.1. Khâu đồng pha 34 IV.3.2. Khâu tạo điện áp răng ca 37 IV.3.3. Khâu so sánh 38 IV.3.4.Khâu dạng xung 39 IV.3.5. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung 40 Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 3 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất IV.3.6.Khối nguồn 44 IV.3.7. Khâu phản hồi: 46 IV.3.8. Chọn các linh kiện bán dẫn 47 IV.3.9.Toàn bộ mạch điều khiển 48 IV.3.10. Mô phỏng trên máy tính 50 Tài liệu tham khảo 53 Lời kết 54 Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 4 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Công nghệ mạ điện và các yêu cầu kỹ thuật I.1. Tìm hiểu chung về công nghệ mạ Do sự phát triển của các ngành công nghiệp nói riêng và của nền kinh tế nói chung nên ngày nay công nghệ mạ ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi nhất là trong các ngành kỹ thuật điện, điện tử , công nghệ thông tin, làm đồ trang sức, để tăng độ chống ăn mòn, phục hồi kích thớc, tăng độ cứng, dẫn điện, dẫn nhiệt, phản quang, dễ hàn, làm bóng đồ trang sức Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo gốm sứ hoặc composit. Lớp mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là composit của kim loại - chất dẻo hoặc kim loại gốmTuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ, năng lực công nghệ mạ, tính chất cần có ở lớp mạ và giá thành chi tiết mạ. Ngày nay thờng sử dụng quá trình mạ điện bằng điện phân theo sơ đồ nh hình I.1 Hình I.1: Sơ đồ bình điện phân I.2. Các thành phần chính trong mạ điện phân Mạ điện phân gồm các thành phần cơ bản sau: Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 5 !"#$ Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế bộ nguồn cho tải mạ điện, thì sau khi tìm hiểu về công nghệ mạ, ta biết rằng loại nguồn cơ bản cho mạ điện là điện một chiều. Các loại nguồn một chiều có thể cấp điện cho bể mạ bao gồm pin, ắc quy, máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi Máy phát điện một chiều với nhợc điểm: cổ ghóp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn hiện nay không đợc dùng trong thực tế. Bộ biến đổi (BBĐ) có các u điểm: thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng và áp đợc dùng nhiều để làm nguồn cấp cho tải mạ điện. Điện áp ra của BBĐ thấp: 3V, 6V, 12V, 24V, Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn BBĐ với điện áp ra phù hợp. %& Anot là điện cực nối với cực dơng của nguồn một chiều. Trong quá trình điện phân thì anot tan dần vào dung dịch điện phân theo phản ứng ôxi hoá ở điện cực: M - ne = M n+ Các cation kim loại (M n+ ) tan vào dung dịch điện phân vàđi đến catot (chi tiết cần mạ) và bám chặt lên trên bề mặt catot *Yêu cầu kỹ thuật: để đảm bảo chất lợng mạ thì trớc khi điện phân thì anot cần phải đợc đánh sạch dầu mỡ, bụi, lớp rỉ, '()*+,$- Catôt là điện cực đợc nối với cực âm của nguồn một chiều. Trên bề mặt catôt luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ: M n+ + ne = M Các nguyên tử kim loại mạ đợc sinh ra tạo thành lớp kim loại bám lên trên bề mặt catôt gọi là lớp mạ. *Yêu cầu kỹ thuật: Để đảm bảo chất lợng của lớp mạ thì trớc khi thực hiện quá trình mạ điện cần phải quan tâm tới độ sạch và độ bóng của bề mặt chi tiết cần mạ. ./$0(12+,$ càng cao thì các nguyên tử kim loại mạ càng có khả năng liên kết trực tiếp với mạng tinh thể kim loại của chi tiết để đạt đợc độ gắn bám cao nhất giữa lớp mạ và chi tiết cần mạ. Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 6 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất .30(12+,$ ảnh hởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ. Nếu bề mặt nền nhám, xớc quá thì phân bố điện thế và mật độ dòng điện sẽ không đều. Bề mặt chi tiết sau mạ có thể có chỗ lõm, chỗ lồi, hoặc xuất hiện rãnh sâu Vậy để lớp mạ bám chặt vào bề mặt chi tiết và lớp mạ đều hơn, bóng hơn, chất lợng lớp mạ cao,thì catôt cần phải đợc gia công bề mặt nhẵn bóng, sạch lớp bụi, lớp rỉtrớc khi đa vào mạ. Catôt sau khi đợc đánh bóng, sạch cần phải nhúng gập trong dung dịch điện phân, không sát đáy bể điện phân. Chỗ nối catốt với nguồn một chiều phải đảm bảo tiếp xúc tốt, không gây hiện tợng phóng điện trong quá trình điện phân. Tuyệt đối không đợc để chạm trực tiếp giữa catôt và anot khi đã nối mạch điện. 4567 Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối đa, mặt hàng mạ) và chất lợng mạ. Dung dịch mạ thờng là một hỗn hợp khá phức tạp gồm ion kim loại mạ, chất điện ly (dẫn điện) và các chất phụ gia nhằm đảm bảo thu đợc lớp mạ có chất lợng và tính chất nh mong muốn. + 5678: Còn gọi là dung dịch axit, cấu tạo chính là các muối của các axit vô cơ hoà tan nhiều trong nớc phân ly hoàn toàn thành các ion tự do. Dung dịch đơn thờng dùng để mạ với tốc độ mạ cao cho các vật có hình thù đơn giản. + 56789: Ion phức tạo thành ngay khi pha chế dung dịch. Ion kim loại mạ là ion trung tâm trong nội cầu phức. Dung dịch phức thờng dùng trong trờng hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp :;<(: - =6> : Đóng vai trò dẫn dòng điện trong dung dịch . - =1?: Chất bóng thờng đợc dùng làm cho lớp mạ nhẵn mịn và bóng hơn. - =/(1@: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng. Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 7 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất .==A: Trên Catot thng có phn ng ph sinh khí Hydro. Cht ny thúc y bt khí mau tách khi b m, lm cho quá trình m nhanh hn. *Yêu cầu kỹ thuật: -Dung dich mạ phải có độ dẫn điện cao để giảm tổn thất điện trong quá trình mạ đồng thời làm cho lớp mạ đòng đều hơn. -Trong dung dịch mạ thì mật độ dòng điện là đại lợng gây ra sự phân cực điện cực. Trong quá trình mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hởng đến chất lợng của lớp mạ. Mật độ dòng điện cao làm cho quá trình phân cực nhanh làm cho lớp mạ mịn, sít chặt và đồng đều vì khi đó các nguyên tử kim loại mạ đợc sinh ra rất nhanh. Nhng nếu mật độ dòng điện quá cao thì có thể lớp mạ sẽ bị cháy. Ngợc lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô, không đều làm lớp mạ kém chất lợng. Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lợng mạ cao trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định. Tuỳ theo yêu cầu và đặc thù của các chi tiết cần mạ mà chọn dung dịch mạ có mật độ dòng điện phù hợp. -Mỗi dung dịch mạ sẽ cho chất lợng lớp mạ tốt trong một khoảng nhiệt độ và độ pH và nhất định. B Bể điện phân làm bằng vật liệu cách điện, bền về hoá học, nhiệt độ, và không thấm nớc. I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ. Thông thờng để thực hiện mạ ta dùng dòng điện không đảo chiều cấp vào anôt và catôt. Nhng trong một số trờng hợp mạ đặc biệt, mạ đồ trang sức bằng các kim loại quí nh: vàng, bạch kimhay các sản phẩm yêu cầu chất lợng cao, nền mạ khó bámthì ngời ta dùng dòng mạ có đảo chiều. Nguyên tắc mạ đảo chiều nh sau: Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 8 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Trong thời gian t c vật mạ chịu phân cực catôt nên đợc mạ vào với cờng độ dòng thuận I c , sau đó dòng điện đổi chiều và trong thời gian t a vật mạ chịu phân cực anôt nên sẽ tan ra một phần.Sau đó lại bắt đầu một chu kì mới .Thời gian mỗi chu kỳ bằng T= t c + t a .Nếu I c .t c > I a .t a thì vật vẫn đợc mạ. Khi lớp mạ bị hòa tan bởi điện lợng I a . t a , thì chính những đỉnh nhọn, gai, khuyết tật là những chỗ hoạt động anôt mạnh nhất nên tan nhanh nhất, kết quả là thu đợc lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn. Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ lệ t c : t a cho hợp lý (5:1 đến10:1)và T thờng từ 5:10s. Với yêu cầu cụ thể trong đồ án này thì tỷ lệ t c : t a luôn không đổi là 10:1. Phơng pháp này có thể dùng đợc mật độ dòng điện lớn hơn khi dùng dòng điện một chiều thông thờng. M o chiu lm tng cờng quá trình m m vẫn thu đợc lớp mạ tốt. I.4.Các chỉ tiêu đánh giá chất lợng lớp mạ Chất lợng mạ một chiều đợc qui định bởi các yếu tố sau: độ bám chặt, độ bóng, độ dày lớp mạ Chế độ dòng điện cũng ảnh hởng rất lớn đến chất lợng lớp mạ. Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm nh: cần độ bền cơ học cao hay thấp, mức độ chống ôxi hoá mà độ dày lớp mạ có thể dày hay mỏng. Để dạt độ dày cần thiết cần phải có thời gian mạ hợp lý. 41;0("A$ Đây là một chỉ tiêu rất quan trọng, nó quyết định độ bền của sản phẩm, nếu lớp mạ sau khi mạ lại có độ bám kém thì nó rất dễ bị bung ra khi đó bề mặt vật Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 9 tc 0 Ia t I I c t a Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất cần mạ bị lộ ra rất xấu, dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến hỏng không đáp ứng đợc yêu cầu chất lợng của lớp mạ. 41?0(12"A$ Độ bóng của bề mặt lớp mạ cũng là một thông số quan trọng, nó tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm đặc biệt là đồ trang sức. Đồng thời độ bóng lớp mạ cao sẽ tăng độ bền cơ học cho chi tiết mạ. Để tăng độ bóng thì ta dùng mạ đảo chiều vì khi mạ thì lớp mạ phủ trên bề mặt không đều có chỗ dày có chỗ mỏng nên cần phải có đảo chiều để san đều lớp mạ. Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 10 [...]... L=1( à H) III.5 Phơng pháp đảo chiều Do yêu cầu công nghệ là mạ điện có đảo chiều nên mạch lực phải sử dụng BBĐ có đảo chiều BBĐ này sử dụng hai bộ chỉnh lu tia 2 pha, mỗi bộ CL cung cấp dòng một chiều ra tải đợc mắc nh hình vẽ: CL(+) Tải CL(-) Có hai phơng pháp đảo chiều: Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 29 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công III.5.1 Phơng pháp... van: Itb = Id 2 Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van: Ihd = Id 2 Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 13 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công ChơngIII Thiết kế mạch lực III.1 Tính chọn van lực III.1.1 Đặc điểm chung Việc tính chọn van cho mạch lực dựa vào các thông số: điện áp làm việc, dòng điện tải, dòng trung bình qua van hay dòng điện làm việc cực đại của van... ln5.R1.C1 Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 31 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Theo điều kiện của đề tài thì Đồ án môn: Điện tử công : tthuận = 50 ữ 200 (s) tnghịch =5 ữ 20 (s) Từ đó ta có : 1,1.R.C = 200 Chọn C=10 à F R = 200 = 19.10 4 = 190K 3 1,1.10.10 1,1.R2.C2 =20 20 = 19.10 3 = 19K Chọn C2 = 10 à F R2 = 3 1,1.10.10 Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 32 Tống... trên, để đảm bảo chất lợng mạ đảo chiều tốt nhất nên chọn phơng pháp điều khiển riêng Vì với mạ đảo chiều thì để chất lợng mạ tốt nhất, nên cấp dòng theo hai chiều thuận và ngợc với thời gian thuận, ngợc khác nhau Sơ đồ mạch lực có dạng nh hình III.2: Trong đó: Mạch chỉnh lu có T1 và T2 là chỉnh lu làm việc với thời gian thuận Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 30 Tống Thị Hiếu - TĐH2-... Thyristor tạo thành mạch vòng phóng điện tích quá độ R hạn chế dòng điện của tụ C khi phóng điện (Thyristor cha mở) Mạch R- C rất khó tính toán nên theo kinh nghiệm chọn: C T Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ R 28 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công R=(10 ữ 100) C=(0,1 ữ 2)àF, tụ xoay chiều Khi dòng điện càng lớn, điện trở R càng giảm và tụ C càng tăng Do dòng làm việc... T2 để chỉnh lu dòng xoay chiều từ điện áp lới thành điện áp một chiều ra tải Nguyên lý làm việc: u21 ud u22 0 id Id 0 Hình II.2 Đồ thị điện áp và dòng điện của chỉnh lưu tia hai pha Nửa chu kỳ đầu giả sử điện áp u21 dơng hơn u22 thì Thyristor T1 có khả năng dẫn nhng cha dẫn ngay cho tới thời điểm = thì đa xung vào mở T1, T1 bắt đầu Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 12 Tống Thị... = 6 ữ 12 (V) Dòng tải max : Id =100(A) Thời gian thuận : 50 ữ 200 (s) Thời gian ngợc : 5 ữ 20 (s) Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 11 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Tức điện áp tải thấp, công suất trung bình và dòng lớn Qua phân tích trên thì nên chọn chỉnh lu hình tia hai pha làm nguồn mạ một chiều Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lu tia hai pha có dạng nh hình... trúc chung có dạng sau: uĐB ĐF RC uD uSS uRC SS DX Uđk Uđ R Uph X T KĐX Tải + ĐF là khâu đồng pha để tạo điện áp đồng pha, có tính chất cách ly nên dùng biến áp đồng pha + RC là khâu tạo điện áp răng ca + SS là khâu so sánh điện áp răng ca với điện áp điều khiển (Uđk - là điện áp một chiều) Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 33 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công... áp thiết kế sử dụng tốt -Hiệu suất thiết bị chỉnh lu: = U d I d 12.100 = 100% = 68% S 1776 III.3 Thiết kế cuộn kháng lọc Sự đập mạch của điện áp chỉnh lu cũng làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lợng dòng điện một chiều Với công nghệ mạ điện thì nó làm cho chất lợng của lớp mạ không cao: lớp mạ không đều, không, không đạt đợc các tiêu chuẩn đã đa ra: bền bóng- đẹp Thiết kế nguồn. .. thị điện áp của khâu đồng pha Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 34 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 suất Đồ án môn: Điện tử công Trong khâu đồng pha có sử dụng máy biến áp đồng pha hạ áp, thứ cấp có điểm trung tính với điện áp ra 12V- 0V- 12V Khi điện áp lới xoay chiều 220V đợc đa vào sơ cấp của biến áp đồng pha, thì ở phía thứ cấp của biến áp ta thu đợc điện áp nhỏ hơn điện áp lới Điện . nên cần phải có đảo chiều để san đều lớp mạ. Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 10 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công. chiều. Nguyên tắc mạ đảo chiều nh sau: Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 8 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất