thiết kế mạch công suất điều khiển bể mạ điện dòng 250a

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. 1/56 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. Hình 1.1: Mô hình mạ điện phân với nguồn một chiều. 2/56 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 - 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. 3/56 + 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 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 4/56 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). - 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. 5/56 2.2.1. Chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển. 1. Sơ đồ nguyên lý T 1 T 2 T T 3 L R 4 A B u 2 Hình 2.5. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu 1 pha đối xứng 2.Hoạt động của sơ đồ: - Trong nửa chu kỳ đầu thế tại điểm A mang dấu “+”, còn thế ở điểm B mang dấu “ - ”. Nếu đồng thời có tín hiệu điều khiển cho cả hai van bán dẫn T 1 và T 3 , thì hai van mở cho dòng chạy qua (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm). Còn đối với tải có chứa sức điện động E thì phải đồng thời có hai điều kiện trên và phải có thế tại A có giá trị lớn hơn sức điện động E thì hai van bán dẫn T 1 và T 3 mới cho dòng qua. Đến nửa chu kỳ sau, điện áp tại A và B đổi dấu, thế tại A có dấu “ - ”, còn thế tại B có dấu “ + ”. Nếu có xung điều khiển cho cả hai van T 2 và T 4 thì các van này sẽ mở (đối với tải thuần trở hoặc đối với tải có tính chất điện cảm). Nếu trong tải có thành phần sức điện động E thì phải có thêm điều kiện U B ≥ E thì hai van bán dẫn T 2 và T 4 mới cho dòng đi qua, để đặt điện áp lưới lên tải. Với điện áp một chiều trên tải có chiều trùng với nửa bán kỳ trước . a.Khi tải thuần trở R : Với θ sin2 22 Uu = - Khi αθ = : cho xung điều khiển mở T1, T2 và U d = - U 2 , hai tiristor sẽ khoá tự nhiên khi 2 0u = . - Khi θ π α = + , cho xung điều khiển mở T3, T4 và U d =U 2 . + Dòng qua tải là dòng gián đoạn. 6/56 + Giá tri trung bình của điện áp tải : 2 2 2 1 2 sin . (1 cos ) d U U U d π α θ θ α π π = = + ∫ (2.1) + Giá trị trung bình dòng tải : R U I d d = (2.2) + Giá trị trung bình dòng qua tiristor : 2 21 sin . 2 2 2 d d T U I U I d R R π α θ θ π = = = ∫ (2.3) + Dạng sóng cơ bản : Hình 2.6. Dạng điện áp và dòng điện khi tải thuần trở b. Khi tải R+L. - Khi L đủ lớn thì dòng điện i d sẽ là dòng liên tục, i d =I d . - Phương trình mạch tải : θ θθ d d XRidU d i d += .sin2 2 (2.4) 2 1 2 sin . d d I d d I R X U d i d di π α π α α α θ θ θ π π π + + = + ∫ ∫ ∫ (2.5) 2 2 2 cos d U U α π = (2.6) 7/56 - Giá trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp : 2 2 1 . d d I I d I π α α θ π + = = ∫ (2.7) + Dạng sóng cơ bản : Hình 2.7. Dạng dòng điện và điện áp khi tải là L và R 1. Ưu nhược điểm của sơ đồ : + Ưu điểm : Chỉnh lưu cầu một pha cho chất lượng điện áp tương đối tốt, dòng điện qua van không quá lớn, tổng điện áp rơi trên van nhỏ. 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 bị lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy qua hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn. Thành phần đa hài bậc cao lớn. Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưu cao và dòng tải nhỏ. 2.2.2. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển đối xứng: 1. Sơ đồ nguyên lý. 8/56 u 2a u 2b u 2c T 1 T 3 T 5 T 4 T 6 T 2 L R A B C Hình 2.8. Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu ba pha đối xứng. Sơ đồ cầu chỉnh lưu ba pha gồm 6 Tiristor chia làm hai nhóm: - Nhóm Catốt chung gồm ba Tiristor T 1 ,T 3 , T 5 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp dương. - Nhóm Anốt chung gồm ba Tiristor T 2 ,T 4 , T 6 tạo thành một chỉnh lưu tia ba pha cho điện áp âm. - Góc dẫn dòng của mỗi tiristor là: λ = 2π/3. - Giá trị cực đại của u d1 và u d2 lệch nhau góc π/3 Như vậy sơ đồ cầu ba pha có thể coi như là hai sơ đồ chỉnh lưu tia ba pha mắc ngược nhau. Điện áp các pha : 2 2 2 sin a U U θ = 2 2 2 2 sin( ) 3 b U U θ Π = − . 2 2 4 2 sin( ) 3 c U U θ Π = − Điện áp các pha thứ cấp của máy biến áp là u a , u b , u c ; góc mở α được tính từ lúc giao điểm của các nửa hình sin. 2. Hoạt động của sơ đồ: - Theo nguyên tắc hoạt động của sơ đồ chỉnh lưu cầu; Tại mỗi thời điểm cần phải mở van bán dẫn cho dòng chạy qua tải, chúng ta phải cấp hai xung điều khiển đồng thời (một xung ở 9/56 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 T 5 , T 6 đang cho dòng chảy qua 2 2 , F c G b U U U U = = + Khi αθθ + Π == 6 2 cho xung điều khiển mơ T 1 . Tiristor này mở vì 2 0 a U > . Sự mở của T 1 làm cho T 5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì 2 2a c U U > . Lúc này T 6 và T 1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải : 2 2d ab a b U U U U = = − + Khi αθθ + Π == 6 3 2 cho xung điều khiển mở T 2 . Tiristor này mở vì T 6 dẫn dòng, nó đặt U 2b lên catốt T 2 mà 2 2b c U U> . Sự mở của T 2 làm cho T 6 khoá lại một cách tự nhiên vì 2 2b c U U > . - Các xung điều khiển lệch nhau 3 Π được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các tiristor theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,… Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó sẽ khoá ngay tiristor trước nó, như trong bảng sau : Thời điểm Mở Khoá θ 1 = π/6 + α θ 2 = 3π/6 + α θ 3 = 5π/6 + α θ 4 = 7π/6 + α θ 5 = 9π/6 + α θ 6 = 11π/6 + α T1 T2 T3 T4 T5 T6 T5 T6 T1 T2 T3 T4 Bảng 2.1. Thời điểm đóng mở của các tiristor. + Dạng sóng cơ bản 10/56 [...]... Nguyên tắc điều khiển theo phương nằm ngang - Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Arccos Ngày nay, điều khiển Tiristor trong sơ đồ chỉnh lưu người ta thường dùng nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính để thiết kế mạch điều khiển Mạch điều khiển là một bộ phận quan trọng của bộ chỉnh lưu Tiristor, dùng mạch điều khiển để tạo ra các xung điều khiển có độ rộng thích hợp, thay đổi thời điểm phát xung điều khiển Tiristor... của mạch chỉnh lưu Do vậy Mạch điều khiển đóng vai trò chủ yếu quyết định chất lượng và độ tin cậy của bộ chỉnh lưu 3.3 Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển Mạch điều khiểnKhâu khối cơ bản sau: gồm các U Ung đồng pha rc Khâu so sánh Uđk Hình 3.1.Sơ đồ các khâu mạch điều khiển Khâu phát xung 31/56 Trong đó: - Nguồn nuôi: Có nhiệm vụ tạo ra điện áp thích hợp cho các phần tử tích cực của mạch điều khiển. .. Tiristor công suất (sách tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) ta chọn 3 Tiristor loại T727012524DN có: - Điện áp ngược của van: Unv = 100 V) - Đỉnh xung dòg điện lớn nhất: Ipik = 6000 (A) - Dòng điều khiển: Ig = 150 (mA) - Điện áp điều khiển: Ug = 3 (V) - Dòng điện rò: Ir = 15 (mA) - Sụt áp trên van: ∆U = 1,9 (V) - Tốc độ biến thiên của điện áp: - Thời gian chuyển mạch: tcm=... xung lớn hơn thời gian mở Tiristor, cách ly mạch điều khiển với mạch động lực, đủ công suất 3.4 Các nguyên tắc điều khiển 3.4.1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này cần dùng hai điện áp: - Điện áp đồng bộ Urc, có dạng răng cưa, đồng bộ với điện áp đặt trên Anod-Catod Tiristor - Điện áp điều khiển Uđk, là điện áp một chiều, có thể điều chỉnh được Tổng đại số của Urc+Uđk được... 60%.Idm): Hệ số dự trữ dòng điện +) Từ các thông số Unv = 56,55 (V)và Iđmv = 230,88(A) ta chọn: Theo Bảng p.2 Thông số Diode công suất (sách 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) -... Khi có sự chuyển mạch các điện tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm là do quá điện áp giữa Anôd và Catôd của các van bán dẫn Khi có mạch R - C mắc song song với các van sẽ tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên trên... cực điều khiển Sau khi tiristor mở thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa Khi đó dòng chạy qua Tiristror do thông số của mạch động lực quyết định và Tiristor sẽ khoá lại khi dòng điện qua nó bằng không (điện áp đặt vào cực Anôd đổi dấu) Muốn mở lại Tiristor ta phải cung cấp xung điều khiển Do đó với điện áp lưới hình sin, tuỳ thuộc vào thời điểm cấp xung điều khiển mà ta có thể khống chế dòng điện. .. điều khiển Đây là yêu cầu về đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc α 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 3.2 Khái quát về điều khiển tiristor Tiristor chỉ cho dòng chạy qua khi có điện áp dương đặt trên cực Anôd và có xung điều khiển. .. thể điều chỉnh góc mở α của Tiristor trong vùng điện áp dương Anôd bằng cách tạo ra điện áp tựa răng cưa Urc Dùng một điện áp điều khiển một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa răng cưa Urc, tại thời điểm Uđk = Urc, trong vùng điện áp dương Anôd phát xung điều khiển Xđk, lúc này Tiristor được mở Để thực hiện được những công việc trên ta có thể dùng các nguyên tắc điều khiển sau: - Nguyên tắc điều khiển. .. điện khi chuyển mạch Hình.2.15b Mạch bảo vệ xung điện áp từ lưới Chương 3 Thiết kế mạch điều khiển 3.1 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 30/56 + Sườn xung ngắn t s = 0,5 ÷ 1µs 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 . 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. 2012. 1/56 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. Tiristor công suất (sách tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất của Trần Văn Thịnh) ta chọn 3 Tiristor loại T727012524DN có: - Dòng điện định mức của van: I đmv = 400(A). - Điện áp ngược