Thiết kế bộ chỉnh lưu

Hướng dẫn thiết kế các bộ chỉnh lưu cơ bản liên quan đến điện tử công suất như: phân tích các yêu cầu về công nghệ đối với hệ truyền động động cơ điện một chiều, nguồn hồ quang một chiều, nguồn cho thiết bị điện phân, thiết bị mạ, ...

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CÁC BỘ CHỈNH LƯU

Chương 1 Phân tích yêu cầu công nghệ

1.1 Ví dụ phân tích yêu cầu công nghệ đối với hệ truyền động động cơ điện một chiều

1.1.1 Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp mạch phần ứng

c

R M

K 

u u

R I K

Hình 1.1 (a) Mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều (b) Đồ thị phương trình đặc tính cơ (c)

Đồ thị phương trình đặc tính cơ điện

Phương trình cân bằng điện áp:

K : hệ số phụ thuộc cấu tạo động cơ;

N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, dưới một mặt cực từ;

A : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng;

Nếu biết rằng mô men do động cơ sinh ra tỷ lệ với dòng qua mạch phần ứng động

cơ, từ thông động cơ và hệ số cấu tạo động cơ K:

Động cơ điện một chiều thường làm việc với từ thông  không đổi Trong chế độ

không tải lý tưởng I u = 0, mô men do động cơ sinh ra cũng bằng 0, động cơ quay với tốc

độ 0 U d

K

 

 , gọi là tốc độ không tải lý tưởng Khi có tải, động cơ chạy ở tốc độ  ổn

định nào đó khi mô men do động cơ sinh ra M cân bằng với mô men cản M c Điều này được biểu diễn trên đồ thị đặc tính cơ trên hình 1.a

Phân tích phương trình đặc tính cơ (1.4) ta thấy rằng để thay đổi tốc độ động cơ,

có thể dùng một số biện pháp sau:

1 Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ U d

2 Thay đổi từ thông động cơ 

3 Thay đổi điện trở mạch phần ứng động cơ R u, ví dụ bằng cách nối tiếp với phần ứng các điện trở phụ ngoài

Phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ được sử dụng rộng rãi nhất

vì cho dải điều chỉnh rộng, không gây thêm các tổn thất do mắc thêm các mạch bên ngoài Đặc tính động cơ khi điều chỉnh điện áp đặt lên mạch phần ứng được minh họa trên đồ thị hình 1.1.b Khi điện áp thay đổi đồ thị đặc tính cơ là các đường song song với nhau, xuất phát trên trục tốc độ tại các điểm, ứng với các tốc độ không tải lý tưởng khác nhau,

01, 02,

  Các bộ biến đổi bán dẫn công suất được sử dụng để tạo nên điện áp một chiều

U d thay đổi theo yêu cầu Nếu nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều ta có thể sử dụng các

bộ chỉnh lưu tiristo Nếu nguồn cung cấp là một chiều, ví dụ từ acquy, ta có thể sử dụng các bộ biến đổi xung áp một chiều

1.1.2 Phân tích yêu cầu đảo chiều, Bộ biến đổi có đảo chiều

Một số phụ tải một chiều yêu cầu nguồn điện cung cấp có thể đảo được cực tính

Ví dụ, trong hệ truyền động điện một chiều, điện áp đặt lên mạch phần ứng của động cơ phải đảo cực tính khi có yêu cầu đảo chiều quay động cơ Trong công nghệ mạ điện, nguồn cung cấp cũng có thể phải đảo cực tính trong những khoảng thời gian ngắn, xen kẽ với cực tính thuận, nhằm bóc đi một số điểm cục bộ bị bồi đắp cao hơn những điểm khác trên bề mặt vật mạ Bằng cách này có thể đạt được một lớp mạ đồng đều, có độ bám dính

và độ bóng cao hơn vì tránh được lớp mạ xốp

Quá trình đảo cực tính điện áp một chiều cũng để nhằm mục đích trao đổi năng lượng giữa phần một chiều và phần lưới xoay chiều Như vậy, nói chung các bộ biến đổi

có đảo chiều cần làm việc được ở cả chế độ chỉnh lưu lẫn chế độ nghịch lưu phụ thuộc

Nguồn một chiều có thể đảo cực tính bằng cách dùng cặp tiếp điểm của

công-tắc-tơ Tuy nhiên vấn đề là ở chỗ các hệ thống yêu cầu quá trình đảo chiều diễn ra rất nhanh

và nhiều lần mà các phần tử có tiếp điểm không thể đáp ứng được Ví dụ, trong hệ thống truyền động một chiều, các chế độ động cơ hoặc hãm tái sinh có thể xảy ra liên tục khi động cơ phải làm việc với phụ tải động, do đó nguồn một chiều cung cấp phải đảo chiều

liên tục Trong nghệ mạ đảo dòng, thời gian “mạ ngược” chỉ chiếm khoảng vài trăm ms trong cả chu kỳ “mạ thuận”, cỡ 1000 ms Rõ ràng là các phần tử có tiếp điểm không thể đáp ứng được các yêu cầu này

Về nguyên tắc, bộ biến đổi có đảo chiều cấu tạo từ hai bộ chỉnh lưu CL1, CL2, thuận và ngược, cùng được cung cấp bởi một nguồn xoay chiều, như được chỉ ra trên hình 1.2

Các bộ biến đổi có đảo chiều được điều khiển bằng một trong hai phương pháp, điều khiển chung hoặc điều khiển riêng

Hình 1.2 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi có đảo chiều (a) Điều khiển chung; (b) Điều khiển riêng

Điều khiển chung

Theo phương pháp điều khiển chung hai bộ chỉnh lưu CL1, CL2 làm việc song song đồng thời ở mọi thời điểm Điều kiện để hai bộ biến đổi làm việc song song là giá trị trung bình của điện áp trên đầu ra của chúng phải bằng nhau Do hai bộ chỉnh lưu có cực tính điện áp ra ngược nhau nên nếu CL1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển

Cấu trúc điều khiển chung có ưu điểm là độ tác động nhanh cao, không hề có trễ khi cần đảo cực tính điện áp ra tải Tuy nhiên nhược điểm của cấu trúc này là cuộn kháng cân bằng có kích thước lớn, làm tăng công suất lắp đặt của bộ biến đổi Cuộn kháng cũng làm chậm lại quá trình điện từ diễn ra trong mạch tải, điều này lại dẫn đến giảm độ tác động nhanh của hệ thống nói chung

Điều khiển riêng

Trong cấu trúc điều khiển riêng các bộ biến đổi sẽ làm việc độc lập Tại mỗi một thời điểm, chỉ có một bộ biến đổi làm việc, đảm bảo một cực tính điện áp ra tải Nhờ đó không cần đến cuộn kháng cân bằng, công suất lắp đặt giảm đến mức tối thiểu, gọn nhẹ, hiệu suất cao Đây là cấu trúc được áp dụng cho phần lớn các bộ biển đổi có đảo chiều hiện đại

Vấn đề chính trong thực hiện phương pháp điều khiển riêng là đảm bảo quá trình đảo chiều diễn ra sao cho thời gian trễ là ngắn nhất mà vẫn đảm bảo an toàn cho thiết bị, không để xảy ra ngắn mạch Mạch điện tử điều khiển quá trình đảo chiều này gọi là mạch lôgic đảo chiều

Mạch lôgic đảo chiều, có sơ đồ cấu trúc cho trên hình 1.3, bao gồm các bộ phận chính sau đây:

1 Bộ cảm biến đo dòng điện và xác định dòng về không (zero detector) Bộ

phận phát hiện dòng về không luôn theo dõi dòng điện I d và cho ra tín hiệu lôgic dòng khác không hay bằng không, hoặc cho tín hiệu về chiều dòng điện, Id>0 và Id<0

2 Bộ phận nhận biết tín hiệu yêu cầu đảo chiều Thông thường tín hiệu yêu cầu đảo chiều đến từ sự thay đổi dấu của lượng đặt, ví dụ (+) ứng với chiều thuận, (-) ứng với chiều nghịch

3 Bộ phận tạo trễ Thời gian trễ thường có thể điều chỉnh được trong khoảng

10 100 ms

  

Hình 1.3 Sơ đồ cấu trúc mạch lôgic đảo chiều

Trên sơ đồ hình 1.3, Id là tín hiệu dòng tải phía một chiều, do cảm biến dòng đưa đến Ir là tín hiệu hiệu đặt dòng điện Trong thực tế tín hiệu đặt dòng điện thường là đầu

ra của bộ điều chỉnh dòng điện Trên sơ đồ Ir giả định là được tạo ra từ một chiết áp đặt giữa nguồn nuôi +Un và –Un A1, A2, A3 là các bộ so sánh có vùng kém nhạy để tăng khả năng chống nhiễu A1, A2 dùng để phát hiện dòng về không (zero detector), mỗi bộ cho một chiều dòng điện A3 dùng để phát hiện dấu của tín hiệu đặt dòng điện, nghĩa là yêu cầu đảo chiều Đầu ra của các bộ so sánh này là các tín hiệu lôgic Id>0, Id<0, Ir>0,

Ir<0 Lưu ý rằng tín hiệu Id>0 được phát hiện khi so sánh dòng Id từ một mức nhỏ hơn 0, tín hiệu Id<0 phát hiện từ một mức dòng Id lớn hơn 0 Các tín hiệu lôgic tổng hợp với nhau qua cổng AND và đưa đến đầu vào của một R-S trigơ Đầu ra Q và Q của trigơ đưa qua bộ tạo thời gian trễ  10 100 ms , sau đó đảo lại để tạo nên tín hiệu lôgic BL1, BL2,

là tín hiệu cấm các bộ CL1, CL2 làm việc Tất cả các tín hiệu lôgic đều có mức tích cực

là mức cao CL1 cho ra dòng điện dương, CL2 cho ra dòng điện âm

Hình 1.4 Đồ thị các tín hiệu của mạch lôgic đảo chiều

Sự hoạt động của mạch lôgic đảo chiều trên đây được mô tả qua đồ thị trên hình 1.4, là kết quả thu được trên mô hình mô phỏng chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều, trên MATLAB-SIMULINK Trên đồ thị này tín hiệu đảo chiều xuất hiện ở 0,1 s và đảo chiều ngược lại ở 0,2 s, thời gian trễ đặt là 10 ms

Có thể tóm tắt quá trình điều khiển diễn ra như sau:

Khi nhận được tín hiệu yêu cầu đảo chiều điện áp ra, mạch lôgic điều khiển sẽ cắt xung điều khiển đưa đến bộ biến đổi đang làm việc Do tính chất của tải trở cảm và do

tính điều khiển không hoàn toàn của tiristo, dòng I d vẫn còn được duy trì theo chiều cũ

nhưng giảm dần về 0 Khi bộ phát hiện dòng về 0 khẳng định dòng I d đã về đến bằng 0,

bộ phận tạo trễ thực hiện trễ một khoảng thời gian  10 100 ms Thời gian trễ cần thiết

để các van trong bộ biến đổi trước đó phục hồi hoàn toàn tính chất khoá của mình Sau khoảng thời gian trễ mạch phát tín hiệu cho bộ biến đổi thứ hai vào làm việc

Thông thường tín hiệu cho phép hoặc cấm một bộ biến đổi nào đó làm việc không chỉ đưa đến khống chế góc điều khiển  mà đưa đến tận phần cấp nguồn cho tầng khuyếch đại xung của các tiristo

Mạch lôgic đảo chiều trên thực hiện chức năng đảo chiều cơ bản nhất của bộ biến đổi Trong các ứng dụng cụ thể mạch có thể còn phải thực hiện các chức năng khác như

đảo chiều của lượng đặt, ví dụ khi bộ phận cảm biến dòng tải chỉ đưa ra tín hiệu một cực tính thì lượng đặt cũng phải có một cực tính đối với cả hai chiều của điện áp ra tải

1.2 Phân tích yêu cầu công nghệ đối với nguồn hàn hồ quang một chiều

Hàn hồ quang là tên gọi chung các phương pháp hàn sử dụng nguồn nhiệt là hồ quang điện Hàn hồ quang có nguồn nhiệt năng lượng cao và tập trung hơn các phương pháp hàn khí Đối với hàn khí, nhiệt được phân bố trên một bề mặt rộng nên chúng làm nóng và biến dạng chi tiết Nguồn nhiệt tập trung là đặc điểm của các phương pháp hàn

hồ quang Do tập trung nên vũng chảy hàn sâu hơn, có nghĩa là mối hàn có độ ngấu sâu hơn, thích hợp khi hàn các chi tiết dày Các phương pháp hàn hồ quang được nghiên cứu trên các đặc điểm chung như: nguồn nhiệt, kim lọai đắp, và quá trình bảo vệ Nguồn nhiệt vẫn là hồ quang điện, song nếu điện cực là kim lọai đồng thời đảm nhiệm vai trò của kim lọai đắp sẽ được gọi là hồ quang kim lọai Nếu điện cực là không nóng chảy (ví dụ như Carbon, Tungsten) thì sẽ gọi là hồ quang carbon hoặc tungsten tương ứng Quá trình bảo

vệ có thể được thực hiện bằng thuốc hàn (flux) còn gọi là chất trợ dung, hoặc bằng khí trơ (Argon, helium) hoặc khí họat hóa (CO2, hỗn hợp khí Ar CO2/O2) Các nhóm hàn hồ quang thông dụng là hàn hồ quang bằng que có thuốc bọc (SMAW), hàn hồ quang kim lọai trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn hồ quang tungsten trong khí trơ (GTAW), hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW), hàn hồ quang bằng dây có lõi thuốc (FCAW), hàn

hồ quang plasma (PAW)

Dưới đây chỉ khảo sát phương pháp hàn hồ quang thông dụng nhất là hàn hồ quang bằng que có thuốc bọc (SMAW) Với quá trình hàn tốt, các chi tiết gắn kết sẽ trở thành như một vật thể duy nhất Quá trình hàn dược mô tả trên hình 1.5

Hình 1.5 Quá trình hàn hồ quang (SMAW)

Như mô tả trên hình 1.5, que hàn gồm phần lõi bằng thép carbon thấp, còn gọi là sắt non, bao phủ bên ngoài bởi một lớp phủ Dưới tác dụng của hồ quang với nhiệt độ cao,

từ 3000 đến 6000C, phần lõi chảy xuống, tạo nên dòng kim loại nóng chảy, hợp với phần kim loại nóng chảy của chi tiết kim loại bên dưới, tạo nên vũng kim loại nóng chảy Phần vỏ phủ bên ngoài que hàn khi bị hơi nóng đốt cháy, tạo nên một lớp khí, có tác dụng ngăn cách vũng kim loại nóng chảy với không khí bên ngoài, ngăn được tương tác giữa vũng kim loại nóng chảy nhiệt độ cao với ô-xy và nitơ ngoài không khí Nhờ đó mối hàn không bị nổ, không tạo nên rỗ bên trong mối hàn Khi que hàn di chuyển đi, kim loại sẽ đông cứng, tạo nên mối liên kết vững chắc Bên trên mối hàn tạo thành một lớp xỉ dòn, dễ dàng gõ bỏ đi

Các phần cơ bản của thiết bị hàn được mô tả trên hình 1.6 Thiết bị chính bao gồm nguồn điện, có thể là xoay chiều AC hoặc một chiều DC, cáp dẫn điện, một đầu nối với chi tiết, một đầu nối với kìm hàn Kìm hàn là bộ phận dùng để dẫn điện vào một đầu của que hàn, đầu kia của que hàn tạo với chi tiết dòng điện hồ quang, khép kín mạch điện

Hình 1.6 Các bộ phận cơ bản của thiết bị hàn hồ quang

Nguồn hàn phải đảm bảo dòng hồ quang cả ở chế độ mồi và chế độ hồ quang ổn định Hồ quang có thể phát sinh dưới điện áp thấp, cỡ 45 đến 100 V Điện áp trên hồ quang thấp hơn nhiều, cỡ 18 V đối với hồ quang ngắn đến 36 V với hồ quang dài Có thể tạo ra nguồn hàn từ các thiết bị sau đây:

- Dùng máy biến áp hàn, đầu ra AC

- Máy biến áp và chỉnh lưu bán dẫn, đầu ra DC

- Máy phát DC hoặc AC

- Các bộ biến đổi bán dẫn tần số cao, đầu ra có thể là AC hoặc DC hoặc cả hai

Dù là loại nào thì đặc tính của nguồn hàn vẫn chỉ là một trong hai loại:

- Nguồn dòng không đổi, hoặc nguồn có đặc tính dốc;

- Nguồn áp không đổi, hoặc nguồn có đặc tính phẳng,

như biểu diễn trên hình 1.7 Đặc tính của nguồn hàn là mối quan hệ giữa điện áp đầu ra với dòng điện, hay còn gọi là đặc tính vôn-ampe Đặc tính vôn-ampe cho biết dòng hàn thay đổi thế nào khi điện áp trên hồ quang thay đổi Trên cơ sở đặc tính này, máy hàn sẽ điều khiển được:

- Lượng nhiệt phát ra và đảm bảo hồ quang ổn định,

- Giá trị dòng điện cần thiết cho một quá trình hàn nhất định

Hình 1.7 Các đặc tính của nguồn hàn

Hình 1.8 Đặc tính dốc của nguồn hàn với dòng không đổi

Mỗi loại máy hàn yêu cầu nguồn hàn có đặc tính khác nhau Ví dụ:

- SMAW, GTAW yêu cầu đặc tính nguồn hàn dòng không đổi,

- GMAW, FCAW yêu cầu nguồn hàn điện áp không đổi

Nguồn hàn có đặc tính dốc, cho trên hình 1.8, được sử dụng rộng rãi nhất, cho cả máy hàn bằng tay lẫn máy hàn tự động Với đặc tính càng dốc thì dòng điện thay đổi càng ít khi tải thay đổi Máy hàn loại này cho phép người dùng điều chỉnh dòng hàn trong một phạm vi nhất định bằng cách thay đổi chiều dài hồ quang Ví dụ trên hình 1.8, dòng hàn thay đổi trong phạm vi 15 A đối với công việc A và 40 A đối với công việc B, tuỳ theo độ dài của hồ quang

Đặc tính nguồn hàn như trên hình 1.8 có thể được tạo ra dễ dàng bởi các chỉnh lưu tiristo với mạch vòng điều chỉnh dòng điện Trên hình 1.9 thể hiện khả năng phối hợp đặc tính ra của một chỉnh lưu tiristo với đặc tính của một nguồn hàn hồ quang

Hình 1.9 Phối hợp đặc tính ra của chỉnh lưu và đặc tính nguồn hàn hồ quang

Đặc tính ra của các chỉnh lưu viết dưới dạng phương trình (1.6) sau:

trong đó k i là hệ số phụ thuộc sơ đồ, đối với chỉnh lưu tia một pha k i = 1, cầu một pha k i

= 2, tia ba pha k i = 3, cầu ba pha k i = 6

Trên hình 1.9 đặc tính ngoài thể hiện là các đường song song, với độ nghiêng xác

định bởi k i X a I d /2  , xuất phát từ các giá trị U d khác nhau khi I d = 0

Dưới đây trình bày phương pháp tạo nên nguồn dòng cho máy hàn sử dụng chỉnh lưu tiristo

Để đơn giản, giả thiết rằng hệ thống điều khiển chỉnh lưu sử dụng điện áp tựa

dạng cosin, nghĩa là điện áp chỉnh lưu U d tỷ lệ với điện áp điều khiển U đk như (1.7)

trong đó

K r là hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dòng điện

Từ (1.6), (1.7), (1.8) có thể xây dựng được sơ đồ cấu trúc của mạch vòng điều chỉnh dòng điện, thể hiện đối với các giá trị trung bình của dòng điện, điện áp, như trên hình 1.10 Sơ đồ 1.10 lại được biến đổi thành sơ đồ trên hình 1.11 với lưu ý ký hiệu sau:

cl

i a t

K

k X R

I dp : giá trị dòng trung bình đưa về phản hồi;

K r : hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dòng điện;

K đ : hệ số của khâu đo lường dòng điện;

I d : dòng trung bình trên tải

t R

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện

d I

Hình 1.11 Sơ đồ cấu trúc biến đổi

Từ sơ đồ cấu trúc hình 1.11 ta có các mối quan hệ sau:

0

01

d

K K U K I

0

11

Ví dụ: Tính toán một nguồn hàn một chiều theo cấu trúc biến áp - chỉnh lưu

tiristo đảm bảo các yêu cầu: Điện áp không tải U d0 = 80 V; Dòng hàn trung bình I d = 300

A theo đặc tính nguồn dòng, độ chính xác ổn định dòng điện hàn  I d = 10 % I d khi điện

áp hồ quang dao động trong phạm vi 22 – 32 V

Đặc tính yêu cầu này được thể hiện trên đồ thị hình 1.12 Trên đồ thị cũng thể hiện công suất tính toán sơ bộ tại các điểm đã biết Công suất lớn nhất yêu cầu là 9120 W Với công suất lớn trên 5 kW nên sử dụng sơ đồ cầu ba pha Công suất tính toán sơ bộ của máy biến áp theo sơ đồ cầu ba pha là:

S ba = 1,05P d = 1,05.9120 = 9576 (KVA)

Trong dải công suất này, chọn sụt áp do điện kháng là e X = 8%

Chọn thiết bị đo dòng một chiều dùng shunt dòng 500 (A) / 75 (mV), sau đó khuếch đại 100 lần, lên đến điện áp 7,5 V, để phù hợp với các thiết bị điều khiển, ta có hệ

số của khâu đo bằng:

3

7, 515.10500

0, 09

cl

i a t

K

k X R

U

22

32 27

Hình 1.12 Đặc tính nguồn hàn trong ví dụ yêu cầu

Từ (1.11), để đảm bảo dòng điện thay đổi trong phạm vi 10 % của dòng hàn 300 A,

Lưu ý rằng, để phù hợp với khâu đo lường thì lượng đặt cho dòng điện sẽ là 7,5 V

ứng với dòng điện đặt I dr = 500 A

1.3 Phân tích yêu cầu công nghệ đối với nguồn cho thiết bị điện phân, thiết bị

mạ

1.3.1 Các quá trình điện hóa

Quá trình điện phân, quá trình mạ hay acquy đều là các dạng khác nhau của quá trình điện hoá nói chung Quá trình điện hoá là các phản ứng hoá học xảy ra giữa một vật dẫn điện bằng điện tử (gọi là điện cực, thường là kim loại hoặc chất bán dẫn, kể cả grafit) với một môi trường dẫn điện bằng iôn (dung dịch điện phân), trong đó có sự trao đổi điện

tử giữa điện cực và chất điện phân

Một phản ứng hoá học xảy ra dưới tác dụng của một nguồn điện áp bên ngoài, như quá trình điện phân, hoặc là một điện áp được tạo ra bởi phản ứng hoá học, như trong

acquy, thì gọi là các phản ứng điện hoá Phản ứng hoá học, trong đó các điện tử trao đổi giữa các nguyên tử, gọi là phản ứng ô-xy hoá hay phản ứng khử Nói chung, trong các

quá trình điện hoá, các phản ứng ô-xy hoá và phản ứng khử xảy ra trong không gian riêng biệt, nối với nhau bởi một mạch điện bên ngoài

Sự mất đi các điện tử từ một nguyên tử hay một phân tử gọi là sự ô-xy hoá, còn

sự nhận được các điện tử gọi là sự khử Quá trình ô-xy hoá và khử luôn song hành với

nhau, một chất ô-xy hoá thì một chất khác bị khử

Nguyên tử hay phân tử bị mất đi electron gọi là tác nhân khử và chất nhận được electron gọi là tác nhân ô-xy hoá Một tác nhân ô-xy hoá thì luôn luôn bị khử trong một phản ứng, ngược lại tác nhân khử sẽ luôn bị ô-xy hoá Ô-xy là một chất ô-xy hoá nhưng phản ứng ô-xy hoá khử không nhất thiết chỉ có sự tham gia của ô-xy

Ngăn điện hoá

Một ngăn điện hoá gọi là một thiết bị có khả năng sinh ra dòng điện do năng lượng sinh ra bởi một phản ứng tự ô-xy hoá khử

Xét một điện cực riêng biệt, ví dụ là kim loại kẽm Zn, nhúng trong một dung dịch muối kẽm ZnSO4 Các electron hóa trị của kẽm khá tự do và do đó nguyên tử kẽm dễ mất

đi các electron này để trở thành các ion dương:

Zn – 2e  Zn2+

Khi nhúng trong dung dịch quá trình này xảy ra đối với các nguyên tử kẽm nằm trên bề mặt Các ion Zn2+ được tạo thành khuếch tán vào trong dung dịch, còn các electron thì nằm lại trên thanh kim loại Kết quả là dung dịch có nhiều điện tích dương, còn thanh kẽm thì chứa nhiều điện tích âm Nói một cách khác là xuất hiện một chênh

lệch điện thế giữa điện cực và dung dịch, gọi là điện thế điện cực Đây là điện thế giữa

một cặp oxy hóa/khử, có giá trị nhất định trong những điều kiện nhất định và được cho trong bảng trong các tài liệu về hóa học

Ví dụ, điện thế của cặp Zn2+/Zn có giá trị E = - 0,76 V

Nếu nhúng một thanh đồng vào dung dịch muối sunphat đồng CuSO4 cũng xảy ra quá trình tương tự Điện thế của cặp Cu2+/Cu có giá trị E = 0,34 V

Nếu có hai điện cực với chênh lệch điện thế khác nhau, nối với nhau bằng dây dẫn

ở mạch ngoài sẽ xảy ra quá trình cân bằng điện thế giữa hai điện cực, và do đó làm xuất hiện dòng điện trong mạch Hiện tượng này là cơ sở để tạo nên nguồn điện có bản chất hóa học như pin hay acquy

Pin Volta sử dụng hai điện cực kim loại khác nhau, nhúng trong dung dịch chất điện ly, trong đó các cation (iôn dương) chính là các phân tử bị ô-xy hoá của điện cực kim loại tạo ra Xu hướng của các điện cực kim loại bị ô-xy hoá hay bị khử, trong một môi trường điện ly nhất định, được xác định bởi điện thế điện cực trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần cũng như nồng độ chất điện phân Trong một ngăn điện hoá, một điện cực bị ô-xy hoá và điện cực kia bị khử, phụ thuộc vào chênh lệch điện thế giữa hai điện cực Điện áp xuất hiện giữa hai điện cực của ngăn điện hoá cũng gọi là sức điện động của ngăn, s.đ.đ (electromotive force – emf)

Trong pin Volta điện cực là kim loại nên cũng là vật để dẫn điện Trong các quá trình điện phân thì điện cực được tạo ra bởi một cặp ô xy hóa – khử mà cả chất ô xy hóa lẫn chất khử đều là các ion trong dung dịch hay một trong các dạng đó ở thể khí hay thể lỏng (ví dụ: H+/H2, Cl2/Cl-, …) người ta phải dùng một kim loại trơ làm vật dẫn điện Kim loại thường được dùng là platin Pt Có thể dùng graphit cho mục địch này

Điện thế chuẩn của điện cực

Điện thế chuẩn của điện cực cho trong bảng điện thế chuẩn Đó là mức điện thế so với điện thế của điện cực chuẩn hiđrô H2 (Standard Hidrogen Electrode - SHE), xuất hiện trong phản ứng:

2H+(aq) + 2e- -> H2,

là một phản ứng khử Tuy nhiên điện cực hiđrô có thể là anôt cũng như là catôt, phụ thuộc vào điện thế tương đối trong tổ hợp điện cực/chất điện ly Điện cực chuẩn hiđrô là một thanh platin Pt phủ bột muội Pt, nhúng trong một dung dịch axit H+ bằng 1 ([H+] = 1mol/lit), được làm bão hòa bởi khí hiđro ở áp suất 1 atm và nhiệt độ 298K

Với thế khử tiêu chuẩn

2

0 / 0, 0

Điện thế chuẩn của điện cực được xác định tương đối so với điện cực chuẩn hiđrô Nếu điện thế của điện cực dương hơn điện cực hiđrô nghĩa là điện cực có tính khử mạnh (có xu hướng lấy vào các điện tử), làm cho hiđrô trở thành anôt Nếu điện thế là âm thì điện cực có tính ô-xy hoá mạnh hơn hiđrô (có xu hướng cho đi các điện tử), làm cho hiđrô trở thành catôt

Điện thế của một ngăn điện hoá được tính bằng tổng giữa điện thế khử của catôt

và điện thế ô-xy hoá của anôt

Engăn = Ekhử(catôt) - Ekhử(anôt) = Ekhử(catôt) + Eô-xy hoá(anôt)

1.3.2 Điện phân dung dịch muối ăn (NaCl)

Quá trình điện phân đòi hỏi phải có nguồn điện từ bên ngoài để tạo nên các phản ứng hoá học Các quá trình xảy ra cũng tương tự như ở trong ngăn điện hoá, nghĩa là các phản ứng ô-xy hoá và khử xảy ra song hành nhau

Điện phân muối ăn được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp để sản xuất sút (NaOH) và clo (Cl2) Muối ăn được làm từ nước biển hoặc khai thác tại các mỏ muối trong tự nhiên Trong dung dịch muối ngoài các ion do Na2+ và Cl- còn có các ion H+ và

OH- do nước phân li ra Khi điện phân các ion Na2+ và H+ chạy về catot, còn Cl- và OHchạy về anot Tuy nhiên tại các điện cực quá trình nào xảy ra còn phụ thuộc vào thế phân cực, quá thế và thế phân hủy của tất cả các quá trình có thể xảy ra

-Ví dụ: - Ở cực âm Na2+ + 2e = Na;

- Ở cực dương Cl- -e = 0,5 Cl2

Như vậy điện cực âm trở thành một tấm Na nhúng trong dung dịch Na , nghĩa là tạo thành điện cực Na/Na2+ Cực dương trở thành một tấm bão hòa hơi clo nhúng trong dung dịch chứa Cl-, tạo thành điện cực Cl2/Cl- Chênh điện thế giữa hai cực trở thành:

2

2 / / 1, 36 ( 2, 71) 4, 07 ( )

Chênh điện thế này gọi là thế phân cực, ký hiệu là Upc Do có thế phân cực, điện

áp đặt bên ngoài phải lớn hơn thế phân cực thì quá trình điện phân mới xảy ra được Giá

trị điện áp cần thiết đặt trên mạch ngoài để quá trình điện phân có thể xảy ra gọi là thế

phân hủy, ký hiệu là Uph Về nguyên tắc, thế phân hủy chỉ cần lớn hơn thế phân cực một chút là đã xảy ra quá trình điện phân Tuy nhiên, trong thực tế, thế phân hủy thường phải

lớn hơn thế phân cực khá nhiều, gọi là quá thế:

Nói chung quá trình điện phân nào xảy ra với điện áp phân hủy thấp nhất sẽ là quá trình xảy ra dễ nhất và sẽ cho ra sản phẩm chính của quá trình điện phân

Quá trình điện phân muối bão hòa xảy ra theo bốn phương trình sau:

1 Tại catốt: Na+(aq) +1e-  Na(s) E red0  2, 71V

2 Anốt: 2Cl-(aq)  Cl2(g) + 2e- 0

1, 36

red

3 Catốt: 2H2O(l) + 2e+  H2(g) + 2OH- (aq) E red0  0,83V

4 Anốt: 2H2O(l)  O2(g) + H+(aq) + 4e- E red0 1, 23V

Ký hiệu trong các phản ứng: (aq) dung dịch tan trong nước, aqua; (s) chất rắn, solid; (g) chất khí, gas; (l) chất lỏng, liquid Ví dụ trong phản ứng thứ nhất dung dịch Na+tan trong nước nhận 1 electron để trở thành một phân tử Na dạng rắn

Phân tích từng đôi một quá trình như đã làm trên đây cho ta 4 trường hợp:

ra nên ion Na+ còn lại trong dung dịch hợp với ion OH- tạo thành sút (NaOH)

Như vậy quá trình xảy ra theo các phản ứng sau:

Anôt (ô-xy hóa): 2Cl-(aq)  Cl2(g) + 2e-

Catôt (khử): 2H2O(l) + 2e+  H2(g) + 2OH- (aq)

Phản ứng tổng thể: 2H2O + 2Cl-(aq)  H2(g) +Cl2(g) + 2OH-(aq)

Định luật Faraday cho quá trình điện phân

Ta thấy rằng khi có dòng điện trường đặt vào dung dịch điện phân thì các iôn chuyển dời về các điện cực, và sau khi đã thu thêm hoặc nhường êlectrôn cho các điện cực chúng biến thành cá nhiều iôn đến điện cực thì lượng chất bám vào cực càng nhiều Năm 1834 nhà bác học Farađây người Anh đã nghiên cứu định lượng vấn đề này và phát biểu thành định luật Farađây

Định luật 1: Khối lượng m chất được giải phóng ra ở điện cực tỉ lệ thuận với điện

lượng q đi qua dung dịch điện phân

Định luật 2: Số lượng các phần tử đọng lại trong quá trình điện phân với một

lượng điện tích đi qua nào đó tỷ lệ với khối lượng hoá học tương đương của chúng (A/n)

Hai định luật này có thể biểu diễn dưới dạng công thức:

với q (C) là điện lượng đi qua bình điện phân, t (s) là thời gian dòng điện chạy qua, I (A)

là cường độ dòng điện không đổi

Ví dụ về quá trình điện phân muối ăn

Ngăn điện hoá dùng màng trao đổi iôn trong điện phân muối ăn cho trên hình 1.13 Trên hình có thể thấy dung dịch muối ăn bão hoà đi vào bên điện cực anôt Hơi clo được tạo ra bên phần anôt Màng ngăn cách iôn cho phép các iôn Na+ đi qua sang bên catôt, tại đây chúng hợp với các iôn OH- của nước tạo thành sút NaOH, còn khí hiđrô H2 bay lên

Hình 1.13 Sản xuất sút và clo trong ngăn điện phân có màng trao đổi iôn

Các thông số của quá trình điện phân cho trong bảng dưới đây:

1.3.3 Yêu cầu đối với các bộ nguồn cho điện phân

Các bộ nguồn cho quá trình điện phân đều có đặc tính yêu cầu điện áp thay đổi trong dải rộng, trong khi dòng điện phải ổn định với độ chính xác cao Điện áp một chiều thường yêu cầu những giá trị sau: 75, 150, 300, 450, 600, 850 V Dòng điện thường yêu cầu những giá trị sau: 6,25, 12,5, 25, 50, 75, 100, 150 kA Điện áp thường yêu cầu thay đổi trong phạm vi 0,6 đến 1,0 Uđm để đảm bảo ổn định dòng điện trong phạm vi +/- 2%

Iđm Điện áp cần điều chỉnh xuống thấp trong quá trình khởi động, lúc mới đóng điện vào

bể điện phân, hoặc khi cần ngắn mạch bỏ qua một vài ngăn trong quá trình làm việc do trục trặc gì đó Với những công suất yêu cầu lớn như vậy biến áp chỉnh lưu thường được cấp nguồn từ cao áp, 6 hoặc 10 kV Đặc tính của nguồn điện phân có dạng như trên hình 1.14

2%

  

Hình 1.14.Đặc tính yêu cầu của nguồn điện phân

Do dòng điện yêu cầu rất lớn và điện áp tương đối cao, các bộ nguồn điện phân thường được xây dựng từ các sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng hoặc chỉnh lưu cầu ba pha với mỗi nhánh van gồm nhiều van mắc song song Khi điện áp yêu cầu nhỏ hơn 150 V nên dùng sơ đồ 6 pha Với điện áp lớn hơn 150 V nên sử dụng sơ đồ cầu

vì khi đó công suất máy biến áp giảm được hơn 20 % so với sơ đồ 6 pha, bù lại được những tổn thất trên hai van dẫn nối tiếp trong sơ đồ cầu Với công suất lớn, trên 300 kW, cần sử dụng những sơ đồ cầu mắc song song với nguồn cấp xoay chiều từ máy biến áp ba cuộn dây, sơ cấp đấu sao hoặc tam giác, thứ cấp một tổ đấu sao, một tổ đấu tam giác, Y/ Y hoặc /Y Khi đó điện áp chỉnh lưu đập mạch 12 lần một chu kỳ điện áp lưới Không những thế chất lượng dòng điện phía sơ cấp được cải thiện đáng kể do loại bỏ

được nhiều thành phần sóng hài bậc cao Với công suất lớn trên 1MW cần phải sử dụng các sơ đồ 24, 36, 48 pha

Ví dụ về hệ thống nguồn cung cấp cho một dây chuyền điện phân:

- Số bình điện phân nối tiếp: 52 bình

- Điện áp trên mỗi bình: 3 V

- Mật độ dòng điện: 5 kA/m2

- Mức tiêu hao năng lượng điện: 2130 kWh/NaOH – MT

- Chỉnh lưu cầu 3 pha, điện áp nguồn xoay chiều 10 kV, công suất biến áp 3000 KVA, điện áp một chiều 150 – 190 VDC, dòng một chiều 17000 A

1.3.4 Quá trình mạ điện

Mạ điện cũng là một quá trình điện hoá Mạ là tạo ra một lớp bám, thường là từ kim loại, trên bề mặt của vật dưới tác dụng của dòng điện Để tạo được lớp bám kim loại, vật được cho tích điện âm và cho chìm trong dung dịch muối kim loại (như vậy vật cần

mạ là catôt của một ngăn điện hoá) Các iôn dương kim loại sẽ bám lên bề mặt catôt, catốt trao cho các iôn này electron, tạo nên lớp mạ kim loại

Đặc điểm của các bộ nguồn cung cấp cho quá trình mạ

Các bộ nguồn cho mạ thường có điện áp thấp, 6, 12, 24 V Dòng điện yêu cầu thường từ vài trăm ampe đến 3000 A Độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu có ảnh hưởng

mạnh đến chất lượng lớp mạ Các nghiên cứu cho thấy độ đập mạch k p => 20% làm cho

lớp mạ không bóng và độ bền cũng kém Lớp mạ crom đặc biệt chịu ảnh hưởng của độ đập mạch Vì vậy nói chung các bộ nguồn mạ dùng chỉnh lưu thường yêu cầu có bộ lọc

trên đầu ra Bộ lọc thường dùng là mạch L hoặc LC đơn giản, đảm bảo độ đập mạch k p < 20% (hình 1.15)

Hình 1.15 Sơ đồ mạch lọc thông dụng dùng cho nguồn mạ (a) Mạch lọc L; (b) Mạch lọc LC

Bộ nguồn mạ thường yêu cầu một trong ba chế độ điều chỉnh sau: 1 Ổn định điện áp; 2 Ổn định dòng điện; 3 Ổn định mật độ dòng điện Độ chính xác điều chỉnh yêu cầu thường là +/- 10% so với lượng đặt Ngoài các chế độ tự động ổn định các tham số như trên, nguồn mạ cũng yêu cầu điện áp ra có thể điều chỉnh bằng tay từ 0 đến giá trị định mức Ud,đm phục vụ cho việc hiệu chỉnh dung dịch mạ và thử nghiệm với các chi tiết khác nhau Ngoài ra các bộ chỉnh lưu phải có hệ thống bảo vệ chống quá tải và ngắn mạch Do nguồn mạ yêu cầu dòng lớn với điện áp tương đối thấp, các sơ đồ hình tia là các phương

án phù hợp hơn cả Trong các sơ đồ hình tia dòng điện chỉ đi qua một bán bán dẫn nên tổn thất về điện áp cũng như công suất ít hơn so với các sơ đồ cầu Với công suất yêu cầu lớn, dòng điện hơn 1000 A nên sử dụng sơ đồ 6 pha, có cuộn kháng cân bằng

Quá trình mạ cũng thường dùng phương pháp đảo chiều dòng mạ để tăng hiệu quả bám dính của lớp mạ, tăng độ bóng, qua đó tăng được năng suất Chu trình mạ T thường thay đổi trong phạm vi 2 – 50 s, trong đó tỷ lệ giữa thời gian mạ thuận Tt trên thời gian

mạ ngược Tn, Tt / Tn, cỡ 2 – 20 lần Các bộ nguồn mạ đảo dòng dùng các bộ chỉnh lưu có đảo chiều, thường dùng phương pháp điều khiển riêng vì dòng mạ lớn Trong mạ đảo dòng có thể dùng mật độ dòng điện cao hơn nên điện áp cũng được thiết kế cao hơn, đến

18 – 36 V Đặc tính yêu cầu của quá trình đảo chiều dòng điện cho trên hình 1.16 Trên hình vẽ cũng chỉ ra thời gian trễ an toàn bắt buộc cho quá trình đảo chiều,  = 10 – 100

ms

10 100 ms

  

Hình 1.16 Đặc tính yêu cầu của nguồn mạ đảo dòng

1.4 Phân tích yêu cầu công nghệ đối với mạch nạp acquy tự động

1.4.1 Cấu tạo của acquy

Acquy cũng là một thiết bị điện hoá Cấu tạo của acquy bao gồm hai điện cực khác nhau, đặt trong dung dịch điện phân, có màng ngăn cách (hình 1.17) Do điện thế của mỗi điện cực đối với dung dịch khác nhau nên giữa hai điện cực có hiệu điện thế, nếu nối với mạch ngoài có thể sinh ra dòng điện

Acquy được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng điện cho các loại thiết bị khác nhau Có hai loại acquy thông dụng là acquy chì – axit và acquy kiềm

Hình 1.17 Cấu tạo của acquy

1 Acquy chì – axit

Acquy chì – axit có cấu tạo điện cực dương là điôxit chì PbO2, điện cực âm là chì xốp Pb, dung dịch dùng axit sulfuric H2SO4 Khi nối cực acquy với mạch tải dung dịch sẽ biến đổi thành sulfat chì PbSO4

Các phản ứng hoá học xảy tại các điện cực như sau (trong quá trình phóng điện các phản ứng thực hiện theo chiều từ trái sang phải, trong quá trình nạp điện các phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại, từ phải sang trái):

Trong một acquy được nạp đến đầy dung lượng, thông thường dung dịch chứa 36%

tỷ trọng axit, hay là 25% thể tích, còn lại là nước Tỷ lệ giữa mật độ axit trong dung dịch

so với mật độ nước gọi là tỷ trọng đặc trưng, là một trong những thông số quan trọng

của acquy, xác định điểm nhiệt độ hoá rắn của dung dịch khi acquy phóng hết Điểm