Luận Văn ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ NGUỒN MẠ 1 CHIỀU §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiÒu Nhãm 4 Líp T§H1 K45 1 §Ò tµi : ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiÒu cã c¸c tham sè sau Ph¬ng ¸n 2 + §iÖn ¸p ra : 6 – 12 (V) + Dßng t¶i max : 1500 (A) + §¶o chiÒu : kh«ng Nguån m¹ lµm viÖc theo nguyªn t¾c gi÷ dßng ®iÖn kh«ng ®æi trong suèt qu¸ tr×nh m¹. M¹ch cã kh©u b¶o vÖ ng¾n m¹ch. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 2 Lời nói đầu Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay.Ngày nay mạ kim loại đã trở thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nớc trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh con ngời. Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phơng tiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chất,thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, cơ khí chính xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì Vậy mạ điện là gì ? Một cách đơn giản nhất có thể hiểu mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng đợc các yêu cầu kỹ thuật mong muốn. Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụmh cụ máy móc và đồ trang sức Ngày nay không riêng gì ở nớc phát triển mà ngay trong nớc ta kỹ thuật mạ đã có nhng bớc phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất cung nh trong kinh doanh Kỹ thuật mạ đòi hỏi phải không ngừng phát triển nghiên cứu cải tiến kỹ thuật ,máy móc chuyên dùng thiết bị dây chuyền sản xuất đồng bộ tự động hoá với độ tin cậy cao. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lợng mạ và hạ giá thành sản phẩm, chống ô nhiễm môI trờng. Để có một lớp mạ tốt ngoàI những yếu tố khác thì nguồn điện dùng để mạ là rất quan trọng. Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn rất quan trọng. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã tng bớc tiếp cận môn học. Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ áp dụng vào thực tế, ở học kỳ này em đợc các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế. Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các rhầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là thầy Đỗ Trọng Tín đã giúp em hoàn thành đồ án này. Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm cha có lên em không tránh khỏi những sai sót mong các thầy giúp đỡ. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn ! Hà nội, ngày 3 tháng 2 năm 2004 Sinh viên : Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 3 Chơng I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện Đề tàI thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tàI có giá trị thực tế lớn, bởi vì trong công nghệ mạ nguồn điện một chiều là một yếu tố quan trọng. Để thấy rõ giá trị của đề tàI, trớc hết ta cần phải nắm rõ một số kháI niệm cũng nh các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân. Ta dựa vào sơ đồ điện phân nh sau: Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ nh phòng thí nghiệm đồng thời cũng dùng trong qui mô sản xuất lớn. Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân : 1. Nguồn điện một chiều nh : pin, ắc qui, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi. Ngày nay đợc dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi. Bộ biến đổi cho quá trình điện phân có điện áp ra thấp : 3V, 6V, 12V, 24V Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra cho phù hợp. Một bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cần thiết cho một số qui trình. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 4 VD : Mạ niken thờng dùng điện áp 6V hay 12V. Để mạ Crôm dùng 12V. Để đánh bóng điện hóa nhôm thờng dùng điện áp 12 24V. 2. Anốt :là điện cực nối vơí cực dơng của nguồn điện một chiều. Trớc khi điện phân anốt cần phải đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ Anốt dùng trong mạ điện có hai loại : anốt hòa tan và anốt không hoà tan. Anốt hoà tan đợc dùng tronh các trờng hợp mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, mạ thiếc Trong quá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phản ứng ở điện cực : 2 2 2 2 CueCu NieNi Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đI đến catốt. Phản ứng điện hóa ở anốt là phản ứng oxi hóa. Anốt không hòa tan dùng trong trờng hợp mạ Crôm. Khi điện phân ở bề mặt anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa ClOHOH ,, 2 22 2 244 22 OOHeOH CleCl Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thờng chính là 2 O hay 2 Cl . 3. Catốt : là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trong mạ điện catốt là vật mạ. Trên bề mặt vật mạ luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ. Ví dụ nh : Mạ niken : NieNi 2 2 Mạ kẽm ZneZn 2 2 Đồng thời với iôn kim loại bị khử, OH 3 cũng bị khử giải phóng ra khí 2 H theo phản ứng : OHHeoH 223 22 Khí 2 H thoát ra trên bề mặt ca tốt có khả năng thấm sâu vào mạng tinh thể kim loại mạ và các kim loại nền, làm giảm độ bền cơ học của kim loại (khí 2 H khi gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại) .Ngời ta gọi hiện tợng này là hiện tợng giòn kim loại . Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loạ nền đồng thời cho lớp mạ đồng đều, bóng sáng hấp dẫn, trớc khi mạ ta cần phải gia công cho bề mặt chi tiết bằng phẳng, bóng và sạch các chất dầu mỡ màng oxít. Catố vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thờng ngập dới mặt nớc 8 15cm và cách đáy bể khonảg 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiên tợng phóng điện trong chất điện phân. Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đã nối mạch điện. 4. Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ thờng có hai phần : _ Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa iôn của kim loại mạ và một số hoá chất thiết yếu khác, nếu thiếu hóa chất này thì dung dich không thể dùng để mạ đợc. _ Thành phần thứ hai : bao gồm các chất phụ gia + Chất làm bóng lớp mạ +Chất đệm giữ cho pH của dung dịch ổn định Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 5 +Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo lớp mạ không bong nứt +Chất san bằng đảm bảo cho lớp mạ đồng đều hơn +Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng đều hơn +Chất chống thụ động hóa anốt nhằm ổn định mạ Một số đặc điểm dung dịch mạ : _ Dung dịch mạ cần phải có độ đẫn điện cao. Độ đẫn điện của dung dịch không những chỉ giảm đợc tổn thấtđiện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn. _ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng trong một khoảng pH nhất định. Ví dụ mạ Niken pH=4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch amôniclorua pH= 4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch axít pH= 3,5 đến 4,0 _ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng cao trong một khoảng nhiệt độ nhất định. VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là C . 7055 , mạ vàng C . 7060 . Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vợt qua nhiệt độ sôi của dung dịch. _ Mỗi dung dịch có một khoang mật độ dòng catốt thích hợp. _ Dung dịch chứa muối phức của kim loại thờng cho lớp mạ có chất lợng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu đợc từ nuối đơn. VD lớp mạ thu đợc từ dung dịch 2 4 )(CNZn hoặc 2 3 )(CNZn tốt hơn lớp mạ thu đợc từ dung dịch muối 4 CuSO . 5. Bể điện phân : làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt. Thành và mặt trong của bể thờng đợc lót bằng chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt. Lớp chất dẻo lót phải kín tuyệt đối, nớc không thấm qua đợc. Mặt ngoài sơn nhiều lớp chống gỉ. Bể mạ thờng có dạng hình chữ nhật, điều này giúp cho lớp mạ đợc phân bố đều hơn bể có hình dạng khác. Có nhiều bể mạ nh bể mạ tĩnh, thùng mạ quay, Trên dây là toàn bộ sơ đồ tổng quát của quá trình mạ bằng điện phân. Trong công nghệ mạ còn có một số yêu cầu về gia công bề mặt trớc khi mạ.Yêu cầu bề mặt trớc khi mạ : - Trớc khi mạ vật cần mạ đợc tiến hành gia công cơ khí để có bề mặt bằng phẳng, đồng thời tẩy xóa các lopứ gỉ, đánh bóng bề mặt theo yêu cầu sử dụng. - Tẩy sạch dầu mỡ các hợp chất hóa học khác có thể có trên bề mặt vật mạ. Tóm lại trớc lúc chi tiết vào bể điện phân, bề mặt cần phải thật bằng phằng, sắc nét bóng tuyệt đối sạch dầu mỡ, các màng oxit có thể có. Trong điều kiện nh vậy lớp mạ thu đợc mới có độ bóng tốt, không sớc, không sần sùi, bóng đều toàn lớp mạ đồng nhất nh ý. Phơng pháp gia công bề mặt kim loại trớc khi mạ : - Phơng pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh bóng quay bóng hay sóc bóng trong thùng quay. - Phơng pháp gia công hóa học hay điện hóa họcbao gồm : tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, tẩy lại làm bóng bề mặt, rửa sạch. Sự lựa chọn phơng pháp gia công cho hiệu qủa tốt nhất lại có giá thành rẻ, đòi hỏi ngời kỹ thuật viên phải có hiểu biết đầy đủ và nhất là phải có kinh nghiệm sản xuất. Bất kỳ thiếu sót nào dù nhỏ hoặc đánh giá không đúng công việc chuẩn bị bề mặt đều dẫn đến giảm sút chất lợng và hình thức lớp mạ. Chất Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 6 lợng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bản vào phơng pháp đợc lựa chọn, kỹ thuật và điều kiện tiến hành chuẩn bị bề mặt lớp mạ. Không bao giờ chúng ta coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ. Chơng II : Lựa chọn phơng án Nhiệm vụ đặt ra đối với đồ án 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 lợng lớp mạ thu đợc. 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 phơng án nào : 1. ắc quy : Tong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ đợc sử dụng trong phòng thí nghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ. Do hạn chế về lợng điện tích lên ắc quy chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy đợc. Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng đợc. Vì vậy mà trong công nghệ mạ ngời ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn mạ. 2. Máy phát điện một chiều : Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện một chiều khắc phục đợc các nhợc điểm của ắc quy. Máy phát điện một chiều trong thực tế có thể đợc sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn. Nhng giá thành Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 7 đầu t cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển hoạt động khá phức tạp .Máy phát điện một chiều với nhiều nhợc điểm : cổ góp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn. Máy phát điện một chiều cần thờng xuyên bảo trì sửa chữa. Chính vì các lý do trên lên trong công nghiệp ngời ta không dùng máy phát điện một chiều. 3. Bộ biến đổi : Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều đợc 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 đợc nhiều thành tựu. Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều ngày càng đợc sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp. Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ bién đổi đợc dùng rộng rãi nhất. Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp nh : 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50v. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện thế cho phù hợp.Bộ biến đổi với các u điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh; dễ tự động hóa; dễ điều khiển và ổn định dòng. Chi phí đầu t 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 đợc hơn cả về mặt kinh tế cũng nh các tiêu chuẩn kỹ thuật. Vậy quyết định phơng án là dùng bộ biến đổi. Với mạch chỉnh lu(không dùng mạch chỉnh lu ) có rất nhiều : chỉnh lu một pha, chỉnh lu ba pha, chỉnh lu không điều khiển, chỉnh lu có điều khiển Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp và dòng khá lớn. Trớc hết ta xét trờng hợp chỉnh lu có điều khiển, sau đó ta có thể xét trờng hợp chỉnh lu điốt không điều khiển với góc điều khiển 0 . Các phơng án khả thi : + Chỉnh lu cầu một pha + Chỉnh lu cầu ba pha + chỉnh lu sáu pha có cuộn kháng cân bằng Phơng án 1 : Chỉnh lu cầu một pha Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu một pha Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 8 a.Khi tải thuần trở R : Với sin2 22 Uu _ Khi : cho xung điều khiển mở T1, T2 và 2 UU d , hai tiristor sẽ khoá khi 0 2 u _khi , cho xung điều khiển mở T3, T4 và 2 UU d Dòng qua tải là dòng gián đoạn. Giá tri trung bình của điện áp tải : )cos1( 2 .sin2 1 2 2 U dUU d Giá trị trung bình dòng tải : R U I d d Giá trị trung bình dòng qua tiristor : 22 .sin 2 2 1 2 dd T I R U d R U I Dạng sóng cơ bản : b. Tải R+L - Khi L đủ lớn thì dòng điện d i sẽ là dòng liên tục. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 9 - Phơng trình mạch tải : d d XRidU d i d .sin2 2 d I dd di X di R dU .sin2 1 2 cos 22 2 U U d Dạng sóng cơ bản : c. Ưu nhợc điểm của sơ đồ : Ưu điểm : điện áp ngợc đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ Nhợc điểm : không dùng đợc cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tợng công suất bij lệch pha. Sơ đồ chỉnh lu cầu một pha dòng tải chảy quia hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất diện pá và công suất trên van sẽ lớn. Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lu cao và dòng tải nhỏ. Phơng án 2 : Chỉnh lu cầu ba pha đối xứng a)Sơ đồ nguyên lý : [...]... công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Tính toán khối đồng pha: Chọn góc duy trì và thoát năng lượng =5 o thì điện áp Uđ đặt vào cửa (+) của bộ so sánh là: U = 2 U.sin 5 o = 2 12 .sin 5 o = 1, 48(V) + Chọn E = 12 Chọn Rhc1 =2 k giá trị của VR1 là: E Rhc1 1, 48(V) Vr1 =14 ,2 k VR 1 Rhc1 Để dòng vào cửa đảo của khuyếch đại thuật toán nhỏ hơn 1mA thì ta chọn R sao cho U/R1 12 k chọn R1 =15 k 2.Tính... R2 R1 )U 1 ( )U 2 R1 R2 R1 R2 U i () 0 thì U3 sẽ bão hoà ở Un U i () 0 thì U3 sẽ bão hoà ở +Un c Mạch so sánh hai cổng : Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 25 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nếu : U1>U2 thì U3 = -Un Nếu : U1Ip=(C.Uco)/tp=(0,47 .10 6 9 )/9,4 .10 3 Ip=0,45 mA... colectơ và bagơ khi hở mạch emitơ UCbo = 25V Điện áp giữa emito và bazơ khi hở mạch colectơ UBeo = 7V Dòng điện qua Colectơ I =10 0mA Nhiệt độ T0 = 15 00C Hệ số khuyếch đại = 250 I IC 10 0 0,4(A) 250 Chọn R12 = - E/IR12 = 12 /0, 1 = 12 0() 5.Tính toán máy biến áp xung Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 33 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Sơ đồ nguyên lý máy biến áp xung Đặc điểm và ứng dụng của biến... của van là 35% I d 15 00 250( A) 6 6 Điện áp ngược lớn nhất dặt lên van : U ng max 6U 2 1, 6 6 16 .1, 6 63(V ) Dòng trung bình qua van là : I v Với: hệ số dự trữ điện áp là k u 1, 6 hệ số dự trữ dòng điện k i 1, 2 Dòng điện van cần có là : I van 250 .1, 2 .10 0 857( A) 35 Từ đó ta chọn van loại : TL -10 00 -1 do Liên Xô cũ chế tạo, có các thông số sau : I max 10 00( A) U max 10 0(V ) U 1( V ) I G 0, 4( A)... bởi T3 kết quả tạo được sườn sau của điện áp trên tụ có dạng giảm tuyến tính Từ tính toán khâu đồng pha ta có: Chu kì của điện áp lưói la:T =1/ f =1/ 50=20ms tương ứng với 360 0 Chu kì của điện áp răng cưa là :Trc=T/2 =10 ms tương ứng với 18 0 0 Mặt khác Trc=tp+tn Trong đó :tp- thời gian phóng của tụ C1 tn-thời gian nạp của tụ C1 Như trên ta đã chọn =5 0 tức là tn =10 0 tp =18 0 0 -10 0 =17 0 0 17 0 0 x10 '' ... điện cảm của mạch RLC Cuối cùng ta chọn C 0,25F R 80 III> Tính cuộn kháng cân bằng : Pck 0,05 Pdm S ck 0,5Pd Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 21 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng : 0 ,19 .U 2 dm .Lcb 0 ,19 .U 2dm suy ra : Lcb .iocb i 15 00 icb t 750( A) 2 2 iocb 20%icb 750.0,2 15 0( A) U 2 dm 16 (V ) iocb 2f ; Với f là tần số cuộn kháng, f 3 f l 15 0(hz) vậy . công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 3 Chơng I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện Đề tàI thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tàI có. + 5 = 9/6 + 6 = 11 /6 + T1 T2 T3 T4 T5 T6 T5 T6 T1 T2 T3 T4 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 11 Dạng sóng cơ bản. Luận Văn ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ NGUỒN MẠ 1 CHIỀU §å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiÒu Nhãm 4 Líp T§H1 K45 1 §Ò tµi : ThiÕt