đồ án tốt nghiệp thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện .

Một trong những phát minh đó đã cho ra đời ngành công nghiệp điện tử , sử dụng các thiết bị bán dẫn có công suất lớn như : Diode, Triac, Tranzitor , chịu được điện áp cao và dòng điện lớ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

ĐỀ TÀI : THIẾT KẾ NGUỒN MẠ MỘT CHIỀU CÓ ĐẢO CHIỀU DÒNG

ĐIỆN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : PHẠM QUỐC HẢI

HỌ VÀ TÊN : NGUYỄN TRỌNG THIÊM

LỚP :TĐH2-K48

PHƯƠNG ÁN 4:

NGUỒN ĐIỆN MẠ : 20– 48 (V)

DÒNG ĐIỆN MAX : 50(A)

THỜI GIAN THUẬN : 60- 300 (s)

THỜI GIAN NGƯỢC : 6- 50 (s)

MỤC LỤC :

Lời nói đầu ………2

Chương 1 Công nghệ mạ một chiều ………3

Chương 2 Các phưpưng án tổng thể ………9

Chương 3 Tính chọn và thiết kế mạch lực ……….17

Chương 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển ………… 28

Chương 5 Mô phỏng mạch điều khiển………47

Kết luận……… 51

Lời nói đầu

Thế kỷ XX đã đánh dấu nhiều phát minh quan trọng Một trong những phát minh đó đã cho ra đời ngành công nghiệp điện tử , sử dụng các thiết bị bán dẫn có công suất lớn như : Diode, Triac, Tranzitor , chịu được điện áp cao và dòng điện lớn kể

cả trong thiết bị bán dẫn cực nhỏ như : vi mạch, vi mạch đa chức năng …Ngày nay không riêng gì ở các nước phát triển , ngay ở nước ta thiết bị bán dẫn đã xâm nhập vào các ngành công nghiệp , các xí nghiệp nhà máy như xi măng , thủy điện , dệt , đóng tàu… Công nghệ mạ đang sử dụng ngày càng nhiều những thành tựu của điện tử Đó

là những minh chứng cho sự phát triển của ngành công nghiệp Đặc biệt là ngành công nghiệp mạ điện nó ứng dụng điện tử công suất tạo ra nguồn điện một chiều ổn định phù hợp với mạ điện tham gia vào điều khiển trong suốt quá trình mạ Nhờ mạ điện ta tạo

ra các sản phẩm có độ bền cao, nâng cao tính thẩm mỹ để phục vụ cho y tế và các ngành công nghiệp cũng như ứng dụng thực tế trong cuộc sống hàng ngày Trong quá trình làm và hoàn thành đồ án em đã nhận được sự giúp đỡ , chỉ bảo tận tình của thầy

Phạm Quốc Hải Mặc dù em đã cố gắng nhưng do trình độ và thời gian có hạn chắc

không tránh khỏi hết khiếm khuyết

Em rất mong được sự chỉ bảo của thầy cô và đóng góp ý kiến của các bạn để bản

đồ án của em được hoàn chỉnh

Hà nội: tháng 4 năm 2006 Sinh viên : Nguyễn Trọng Thiêm

CHƯƠNG I CÔNG NGHỆ MẠ MỘT CHIỀU

1.Tìm hiểu về công nghệ mạ.

Mạ điện được dùng nhiều trong các nghành công nghiệp khác nhau để chống ăn mòn,phục hồi kích thước,làm đồ tranh sức,chống ăn mòn,tăng đj cứng ,dẫn điện ,dẫn nhiệt,phản quang,dễ hàn…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 –gốm…Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ còn tuỳ thuộc vào trình độ và năng lực công nghệ ,vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành Xu hướng chung là dùng vật liệu nền rẻ ,sẵn có còn vật liệu mạ đắt,quí hiếm hơn nhưng chỉ là lơp mỏng bên ngoài

Như vậy :

Mạ điện là một quá trình điện kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ,lý ,hoá đáp ứng được nhu cầu mong muốn

2.điều kiện tạo thành lớp mạ

Mạ điện là quá trình điện phân Quá trình điện phân xảy ra trên hai cực như sau:-Trên anốt xảy ra quá trình hoà tan kim loại

Với cac điều kiện điện phân thích hợp thì quá trình (1) và quá trình (2) sẽ cân

hưởng lớn đến chất lượng lớp mạ.Trong một số trường hợp người ta dùng điện cực trơ khi đó dung dịch sẽ đóng vai trò chất nhường điện tử ,vì vậy phải liên tục bổ sung vào dung dịch dưới dạng muối Lúc đó phản ứng chính trên anốt chỉ là quá trình giải phóng ôxi

Quá trình trên xảy ra trong bộ mạ điện có sơ đồ như sau:

a.Điện cực anốt:

Trong mạ điện thường dùng điện cực anốt tan bằng kim loại làm lớp mạ.Trong quá trình anốt bị tan để cung cấp ion kim loại cho dung dịch,đảm bảo nồng độ ion trong dung dịch là không đổi.Phản ứng trên anốt lúc này là:

M - ne →M n+ Trong trường hợp dùng anốt trơ nhơ :Platin,cacbon…thì quá trình chính trên anốt là:

4OH− - 4e → 2H2O + O2 (môI trường kiềm)

2H2O - 4e → 4H+ +O2

Để giữ cho nồng độ các ion kim loại không đổi thì phảI bổ sung thêm hó chất thích hợp

b.Điện cực catôt:

Điện cực catốt là vật cần mạ ,được nối với cực âm của nguồn điện một

chiều.Trên catôt xảy ra quá trình:

Mn+ + ne → M

Thực ra quá trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp:

Cation hyđrat hoá Mn+.mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt catốt

Catốt mất vỏ hyđrat hoá (mH2O) vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catốt

Điện tử (e) từ catốt điền vào vàn điện tử hoá trị của cation biến nó thành phân tử trung hoà.

Các nguyên tử kim loại hoặc sẽ tham gia vào thành mầm tinh thể mới hoặc tham gia nuôI lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước đó Mầm phát triển thành.Tinh thể kết thành lớp mạ

c.Dung dịch mạ.

Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ ,chiều dày tối

đa ,mặt hàng mạ…)và chất lượng mạ.Dung dịch mạ thường 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 được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn

•Dung dịch muối đơn:Còn gọi là dung dịch axit ,cấu tử chính là các muối của các axit

vô cơ hoà tan nhiều trong nước phân ly hoàn toàn thành các ion tự do.Dung dịch đơn thường dùng để mạ với tốc độ mạ cao cho các vật có hình thù đơn giản

• Dung dịch muối phức: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 thường dùng trong trường

hợpcần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp

d.Chất phụ gia.

•Chất dẫn điện :Đóng vai trò dẫn dòng đi trong dung dịch

•Chất bóng:Chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn (vài gam/lit) và

có thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều Chúng cho lớp mạ nhẵn mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm,làm tăng ứng suất nội và độ dòn

•Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng (vĩ

mô) Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc

độ ở đó xuống Vậy là các phụ gia này đã ưu tiên hấp phụ lên các điểm lệch là chỗ có năng lượng tự do lớn hơn và lên các đỉnh lồi là chỗ có tốc độ khuếch tán lớn các phụ gia đến đó Các phụ gia hấp phụ này sẽ làm giảm tốc độ chuyển dịch điện tử Trong thực tế, nhiều phụ gia có cả tác dụng của chất bóng và chất san bằng

•Chất thấm ướt: Trờn Catot thường cú phản ứng phụ sinh khớ Hydro Chất này thỳc

đẩy bọt khớ mau tỏch khỏi bể mạ, làm cho quỏ trỡnh mạ nhanh hơn

•Tạp chất : Là nhữnh chất khụng mong muốn nhưng khú trỏnh khỏi Chỳng cú thể

phúng điện hoặc hấp thụ trờn Catot và lẫn vào lớp mạ gõy nhiều tỏc hại như : bong, dộp, dũn, gai…

e.Nguồn điện một chiều.

Có thể là các nguồn khác nhau như:pin,ăc quy,máy phátđiện một chiều,có thể

dùng nguồn điện hoá học…để cung cấp dòng điện một chiều cho bể mạ,bể điện phân…Các nguồn điện trên có công suất nhỏ,khó tạo ra ,lại không kinh tế Do đó chỉnh lưu được sử dụng rộng rãi trong các xưởng mạ bởi vì nó đạt công suất lớn,dễ sản suất…

3.Các giai đoạn của quy trình công nghệ mạ.

Quy trình công nghệ mạ bao gồm rất nhiều bước nhưng có thể chia thành ba giai đoạn sau:

a.Giai đoạn chuẩn bị.

Xột đến bản chất vật liệu hàng mạ (nền),mức độ nhiễm bẩn và độ nhỏm bề mặt

sức _ bảo vệ H < 2,5µm, mạ tăng độ cứng và mạ cỏch điện H < 1,25µm Chọn dung dịch mạ căn cứ vào đặc tớnh vật cần mạ

b.Giai đoạn mạ.

Được tiến hành trong thời gian đã xác định trước.Giai đoạn này cần giữ cho dòng

mạ không đổi

c.Giai đoạn hoàn thiện.

Là giai đoạn gia công ,làm đẹp ,làm hoàn thiện sản phẩm.Thường là các bước trung hoà ,tẩy sáng,lấp đầy lỗ…

Khối lượng kim loại kết tủa lên diện tích S có thể dựa váo định luật Faraday: m=S.D0.t.H.C

Trong đó:

-S : diện tích mạ (dm2)

-D0: mật độ dòng điện catôt (A/ dm2)

-t : thời gian mạ (h)

-H : hiệu suất dòng điện

-C : đương lượng điện hoá của kim loại mạ (g/∆h)

4.Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng mạ.

Chất lượng mạ một chiều được qui định bởi các yếu tố sau: độ bóng lớp mạ ,độ dày lớp mạ ,độ bám chặt Chế độ dòng điện cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mạ

+Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm :cần độ bền cơ học cao hay thấp,tránh bị 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

+Độ bám 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 cần mạ

bị lộ ra rất dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến hỏng,vật mạ xấu …không đáp ứng được yêu cầu của mạ

+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 ,độ bóng cao cũng tạo cho sản phẩm tăng độ bền cơ học hơn.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 cào bớt những chỗ dày hơn đi

Kỹ thuật mạ chỉ quan tâm đến hai trạng thái bề mặt nền là độ sạch và độ nhẵn:+ Độ sạch của nền đảm bảo cho các nguyên tử kim loại mạ liên kết trực tiếp vào mạng tinh thể kim loại nền, đạt được độ gắn bám cao nhất

+ Độ nhẵn của nền ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng và vẻ đẹp của lớp mạ Nếu bề mặt nền nhám, xước quá thì phân bố điện thế và mật độ dòng điện sẽ không đều, chỗ lom, rãnh sâu

Bản chất của kim loại nền cũng ảnh hưởng đến chất lượng mạ.

Thành phần dung dịch mạ

Ảnh hưởng của các yếu tố điện: Mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực điện cực Lúc đang mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm mạ

Yêu cầu kỹ thuật của nguồn mạ là phải giữ dòng mạ không đổi trong suốt quá trình mạ.Để lớp mạ được phủ đều lên bề mặt thì dòng điện phải giữ không đổi Cường

độ dòng điện I tính toán xuất phát từ mật độ dòng điện D0 và phụ tải y trong bể:

I = D0.y (A)Trong đó:

D0 : mật độ dòng catôt

y : phụ tải của bể mạ

Mật độ dũng điện cao sẽ thu được lớp mạ cú tinh thể nhỏ, mịn, sớt chặt và đồng đều, bởi vỡ lỳc đú mầm tinh thể được sinh ra ồ ạt khụng chỉ tại cỏc điểm lồi (điểm cú lợi thế) mà cả trờn cỏc mặt phẳng (ớt lợi thế) của tinh thể Mặt khỏc khi mật độ dũng điện cao làm cho ion kim loại mạ nghốo đi nhanh chúng trong lớp dung dịch sỏt catot, do đú phõn cực sẽ tăng lờn tạo điều kiện sinh ra lớp mạ cú tinh thể nhỏ mịn

Nếu mật độ dũng điện quỏ cao (gần đến dũng giới hạn) cũng khụng được vỡ lỳc đúnglớp mạ sẽ bị gai, cõy hoặc chỏy Ngoài ra nếu dựng anot tan thỡ nú dễ bị thụ động hơn

và dung dịch sẽ nghốo dần ion kim loại mạ Ngược lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô ,không đều.Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp

mạ có chất lượng mạ cao trong một khoảng mật độ dòng điện nhất định

Trong quá trình mạ thì điện trở của bể mạ là luôn thay đổi do có các iôn kim loại bám vào vật mạ nên nồng độ dung dịch thay đổi

Công thức tính điện trở dung dịch như sau:

R = l.(100 .χ.y) (Ω)

l : khoảng cỏch giữa cỏc điện cực (cm)

χ : độ dẫn điện riờng của dung dịch (Ω-1.cm-1)

,bạch kim…hay các sản phẩm yêu cầu chất lượng cao,nền mạ khó bám…thì người ta dùng dòng mạ có đảo chiều

Nguyên tắc mạ đảo chiều như sau:

Hình 1 Đồ thị thời gian thuận – ngược

Trong thời gian tc vật mạ chịu phân cực catôt nên được mạ vào với cường độ dòng thuận Ic, sau đó dòng điện đổi chiều và trong thời gian ta 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=

tc + ta .Nếu Ic .tc > Ia .ta thì vật vẫn được mạ Khi lớp mạ bị hòa tan bởi điện lượng Ia ta , thì chính những đỉnh nhọn, gai, khuyết tật là những chỗ hoạt động anôt nhất nên tan mạnh nhất, kết quả là thu được lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn Tuỳ từng dung dịch mà chọn

tỷ lệ tc : ta thường từ ( 5:1 đến 10:1) và T thường 5 − 10s.Với yêu cầu cụ thể ở đây thì tỉ

số tc : ta luôn không đổi là 10 lần

Phương pháp này có thể dùng được mật độ dòng điện lớn hơn khi dùng dòng điện một chiều thông thường.Mạ đảo chiều làm tăng cường quá trình mạ mà vẫn thu được lớp mạ tốt

CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG ÁN TỔNG THỂ

Để lựa chọn được một phương án thích hợp với yêu cầu “ Cấp điện cho bể mạ có đảo chiều dòng điện’’ ta cần phải lựa chọn 1 phương án điều chỉnh và sơ đồ mạch lực phù hợp

I Lựa chọn phương án

Để thay đổi và đảo chiều dòng điện để cấp vào bể mạ chúng ta buộc phải thiết kế các bộ chỉnh lưu đảo chiều với sơ đồ nguyên lý như sau

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu đảo chiều

Gồm hai bộ chỉnh lưu , mỗi bộ cấp một chiều dòng điện ra tải Vấn đề cơ bản nhất

là quá trình đảo chiều

1 Phương pháp điều khiển riêng

Là phương pháp mà mỗi một chiều dòng điện ra tải ,chỉ có một bộ phát xung ra tải , còn bộ kia được nghỉ không có xung điều khiển

Phương pháp này phải đảm bảo bộ chỉnh lưu I nghỉ rồi mới phát xung chỉnh lưu II , nếu không sẽ gây ngắn mạch nguồn

Để đảm bảo nghỉ:

- Dòng qua van về đến “0”

- Có một khoảng thời gian khoá chắc chắn Sau khi bộ chỉnh lưu I nghỉ , phải phát bộ kia ở chế độ nghịch lưu rồi mới chuyển dần về chế độ nhỉnh lưu , trong đó luôn khống chế Iđ không vượt quá giá trị cho phép

Trong phương pháp điều khiển riêng cần có một mạch logic đảo chiều, điều này làm cho bộ đảo chiều làm việc không nhanh vì nó có thời gian chết khi đảo chiều

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi có đảo chiều theo phương pháp điều khiển riêng

2 Phương pháp điều khiển chung

Là phương pháp mà cả hai bộ đều phát xung điều khiển cùng hoạt động ,xong hoạt động ở chế độ trái nhau ,một bộ ở chế độ chỉnh lưu ,một bộ ở chế độ nghịch lưu , lúc đó bộ đảo chiều không cần bộ logic do đó cho phép đảo chiều nhanh

Để tránh dòng điện xuyên giữa hai bộ chỉnh lưu , buộc phải đưa vào các cuộn kháng cân bằng , và cuộn kháng này phải tồn tại cả hai đầu cực của tải

Như vậy phương pháp này sẽ đòi hỏi tăng kích thước và giá thành thiết bị, nhưng

bù lại cho phép đảo chiều nhanh, không có thời gian chết

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi có đảo chiều theo phương pháp điều khiển chung

Nhận xét

Theo yêu cầu của công nghệ , dòng cấp cho bể mạ phải đảm bảo dòng điện chất lượng tốt ,và phải được cấp điện liên tục ,tức là không có thời gian chết.Trong trường hợp này, công suất ra tải nhỏ,vì vậy ta chọn bộ đảo chiều theo phương pháp điều khiển riêng

II Lựa chọn phương án mạch lực.

Dựa vào công suất cung cấp cho tải mà ta lựa chọn mạch chỉnh lưu là một pha hay mạch chỉnh lưu 3 pha Thông thường theo kinh nghiêm ta có :

+ Nếu công suất của mạch cung cấp lớn hơn 5 ÷ 7 kW ta sử dụng mạch chỉnh lưu 3 pha

chỉnh lưu 1 pha

Với tải là nguồng mạ có các thông số :

Umax=48 (V); Itmax=50(A) ; Pt=48 50 = 2400(W) =2,4(KW)

Vậy ở đây ta chọn sơ đồ chỉnh lưu một pha

1 Chỉnh lưu một nửa chu kỳ

Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh lưu một nửa chu kỳ chất lượng điện áp tải xấu

Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải

- Chất lượng điện áp xấu

- Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp

2 Chỉnh lưu cả chu kỳ với biến áp có trung tính

0 1 2 3

U2

T U1

T2 U1

- Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu kỳ

có một van dẫn cho dòng chảy qua

- Khi θ = α cho phát xung mở T1 , T1 dẫn do điện áp đầu anot dương và có xung mở Khi θ = π , điện áp trên anot = 0 nhưng do có cuộn cảm L nên vẫn còn dòng điện Id nên

T1 chưa khoá , T1 tiếp tục dẫn cho đến khi θ = π + α , phát xung mở T2 thì T1 bị khoá và

T2 dẫn T1 khoá không phải dòng đã về 0 mà là do T2 dẫn

T2 lại dẫn cho đến khi θ = 2π + α , T1 được phát xung mở , T1 dẫn và T2 bị khoá lại Quá trình cứ như vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2 lần tần số điện áp xoay chiều

2?

U d

Với α : là góc điều khiển mở

+ Điện áp trung bình trên tải

Ud =2π

2

∫

+α π α

2 U2.sinαdα =

π

22

• Điện áp chỉnh lưu không điều khiển khi tải là thuần trở

+ Điện áp ngược trên van là lớn

Unv = 2 2U2

Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục id = Id

Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ

+ Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp)

Ihd = ∫π θ

π

2 0

2

.2

- So với chỉnh lưu một nửa chu kỳ thì chỉnh lưu hình tia có điện

áp với chất lượng tốt hơn

- Dòng qua van không quá lớn

- Điều khiển van đơn giản

+ Nhược điểm

- Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm việc 1nửa chu kỳ

- Chế tạo biến áp phức tạp

- Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn

- Điện áp ngược trên van là lớn

3 Chỉnh lưu cầu một pha

Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngược trên van trong trường hợp tải RL , R đủ lớn để đảm bảo dòng qua tải là liên tục được biểu diễn trên hình vẽ

Nửa chu kỳ đầu U2 > 0 , Anot của T1 dương , Katot của T2 âm Nếu có xung điều khiển mở đồng thời T1 và T2 thì cả hai van này được mở thông và đặt điện áp lưới lên tải

Ud = U2 Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (Ud = U2) cho đến khi nào T1 ,

T2 còn dẫn (Khoảng dẫn của các van phụ thuộc vào tải )

Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T3 dương và katot T4 âm , nếu có xung điều khiển mở đồng thời T3,T4 thì các van này được mở thông và Ud = - U2 , với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trước

+ Giá trị trung bình của tải

Ud = π+α∫

α

θθ

π 2.U sin .d2

2

2

22

2

Udo : điện áp trung bình tải trong chỉnh lưu cầu không điều khiển

+ Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở)

+ Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp

+ Ưu điểm :

- Điện áp ngược trên van nhỏ hơn một nửa so với chỉnh lưu hình tia Unv= 2U2

- Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao hơn so với chỉnh lưu hình tia

+ Nhược điểm :

- Số van nhiều hơn

- Điều khiển van T1 ,T2 và nhóm T3 , T4 phải đồng thời nên khó khăn hơn

Nhận xét chung

Dựa vào các phân tích ở trên , hơn nữa đây là chỉnh lưu cấp cho bể mạ có đảo chiều , ta chọn mạch chỉnh lưu tia một pha hai nửa chu kỳ, vì nó được sử dụng nhiều

trong dải công suất nhỏ đến vài KW.Sơ đồ này thích hợp với chỉnh lưu điện áp thấp vì

nó sụt áp trên đường ra tải chỉ qua một van

Sơ đồ khối mạch lực

I Tính chọn van mạch

Van động lực được chọn dựa vào các yếu tố cơ bản : dòng tải , sơ đồ

đã chọn ,điều kiện tản nhiệt ,điện áp làm việc

Các thông số cơ bản của van động lực được xác định như sau:

a.Điện áp ngược của van :

knv ,ku các hệ số điện áp ngược và điện áp tải

b Dòng điện định mức của van :

Dòng định mức được tính theo dòng điện trung bình

Vì là ta chọn mạch là chỉnh lưu tia hai pha

Từ các thông số trên ta chọn tiristor loại TS600MEJ có các thông số định mức :

Dòng điện định mức của van Iđmmax = 60 (V)

Điện áp ngược cực đại của van Unvmax = 400 (A)

Độ sụt áp trên van ∆Umax = 3,65 (V)

Dòng điện rò Irmax = 50 mAĐiện áp điều khiển Ugmax = 5 V

Dòng điện điều khiển Igmax = 150 mA

Độ biến thiên điện áp

dt du

= 500 (V/s)

Tốc độ chuyển mạch tchm=100 (µs)

Nhiệt độ cho phép Tmax= 1250C

II Tính toán máy biến áp.

Mạch điện phần ứng là mạch chỉnh lưu hình tia một pha hai nửa chu kỳ , nên ta cần lựa chọn máy biến áp có mạch từ hình chữ E(có một trụ) được làm mát bằnag các lá tản nhiệt

1 Tính các thông số của MBA.

a.Điện áp pha sơ cấp của MBA

U1=220(V)

b.Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải :

Udo 90% = Ud + ∆Uv + ∆Udn + ∆Uba

Trong đó:90% là độ suy giảm điện áp lưới

∆Uv = 1,6(v) sụt áp trên tiristor

∆Udn = 0 sụt áp trên dây nối

∆Uba = ∆Ur + ∆Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp

,0

88,2065,348

%90

V U

U U

U U

U

do

ba dn

v d

do

=+++

=

∆+

∆+

∆+

,0

6,60

k

U U

u

=

Dòng điện thứ cấp MBA:

I2 = k2Ud =

2

1

.50 = 53,35 (A)Dòng điện sơ cấp MBA:

)(32,1635,53.220

3,67

1

2 2

U

U I k

S k

q Fe

4,4484

Đường kính trụ:

)(5,88,56.4

vậy chiều cao là : h = 2,5 a =16,25 cm

- Tính toán dây quấn

Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:

= = − =

1.10.8,56.50.44,4

220

44,

1

1 1

T

Fe B Q f

U

(vòng) Chọn w1 = 174 (vòng)

Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA:

23,53174.220

3,67 1

)(16,82

32,

Đường kính dây dẫn kể cả cách điện : dn1= 2,95 mm

Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp

29,6

32,

Đường kính dây dẫn kể cả cách điện : dn2 = 4,2 m

Tính lại mật độ độ dòng điện trong cuộn thứ cấp :

67,17

35,

*Kết cấu dây quấn sơ cấp :

Thực hiện dây quấn theo kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trụ

Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp :

295,0

5,1.225,16

.2

1

k b

h h

Trong đó : ke = 0,95 hệ số ép chặt

h : chiều cao trụ

hg : khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp Chọn sơ bộ khoảng cách hg=1,5 cm

- Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp:

046,443

)(35,1395

,0

295,0.43 1

11

k

b w h

+ Đường kính của đường dây trong cùng :

11 +

= 12,38 (cm) + Chiều dài của dây quấn sơ cấp :

L1= π Dtb-1.w1 =3,14.12,28.177 =6880,55 (cm)

*Kết cấu dây quấn thứ cấp :

Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp

h1 = h2 = 13,35 ( cm)Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp :

84,0.235,

Như vậy ,cuộn thứ cấp có 53 vòng dây , chia làm 2 lớp , lớp trong là 27 vòng , lớp ngoài là 26 vòng

Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp :

95,0

42,0.27 2

Trong đó : b2 : đường kính dây quấn thứ cấp kể cả cách điện

Chọn ống quấn làm bằng vật liệu cách điện lót giữa trụ và dây quấn có bề dày : d02=0,3(mm)

Chọn cách điện giữa các lớp dây quấn có bề dầy : cd2= 0,1 (mm)

+ Đường kính của cuộn dây trong cùng :

Dt2 =Dn1+ 2.d02= 13,6 +2.0,03 = 13,66 (cm)

+ Đường kính cuộn dây ngoài cùng:

Dn2 = Dt2+ 2.(dn2+cd2).n2l =13,66 + 2.(0,42 = 0,01).2 =15,38 (cm)+ Đường kính trung bình của dây quấn thứ cấp :

13 +

= 14,52 (cm)+ Chiều dài dây quấn thứ cấp :

L2=π.Dtb-2.w2 = 3,14.14,52.53 =2416,42 (cm)

Kiểm tra các điều kiện của cửa sổ:

Chiều dày của dây quấn sơ cấp và thứ cấp khi quấn lên trụ :

d = (d01+d02) + (dn1+cd1)n1l + (dn2+cd2)n2l

= (0,3 + 0,3) + (2,95 +0,1)4 + (4,2 + 0,1)2 = 21,4 (mm) = 2,14 (cm)Khe hở không khí giữa dây quấn và mạch từ :

e = c – d = 3,25 – 2,14 = 1,11 (cm)

III.tính chọn các thiết bị bảo vệ

1 Bảo vệ quá nhiệt cho các van bán dẫn

Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp , do đó có tốn haocông suất ∆p ,tốn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn

nào đó nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết

∆p : tổn hao công suất (W)

T:độ chênh lệch so với môi trường

Tmt = 400C

Nhiệt độ làm việc cho phép Tcp=1250C

Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt

Tlv=800CT=Tlv-Tmt =80 – 40 = 400C

Km :Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạChọn Km=8 (w/m2 0C)

Vậy:

)(187,040.8

095,

m

Chọn loại cánh toả nhiệt có 10 cánh

Tổng diện tích toả nhiệt của cánh

2 Vệ quá dòng của van :

Sử dụng một Aptomat để đóng cắt mạch lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Thyristo, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu

Chọn một Aptomat có:

Idm = 1,1.Il = 1,1.10,45 = 11,49(A)Điện áp định mức :

Udm = 220 V

Có thể đóng cắt bằng tay hoặc nam châm điện

Chỉnh định dòng ngắn mạch :

Inm = 2,5.I1 = 2,5.10,45 =26,125 ADòng quá tải :

3.Bảo vệ quá áp cho van :

Bảo vệ quá điện áp : do quá trình đónh cắt các Thyristor được thực hiện

bằng cách mắc R-C song song với Thyristor Khi có sự chuyển mạch các điện

tích 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 làm cho quá điện áp giữa

anode và cathode của Thyristor

Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích trong quá trình chuyển mạch nên Thyristor không bị quá điện áp

Theo kinh nghiệm R = ( 20 -> 100 ) Ω

C = ( 0,1-> 2) µF

TT

Hình 3.2 Mạch bảo vệ quá áp

đỉnh xung gần như nằm lại hoàn toàn trên điện trở đường dây

Chọn R= 50 (Ω)và C= 0,47µF

IV.Tính toán thiết kế bộ lọc

Đối với nguồn cung cấp cho bể mạ thì yêu cầu hệ số đập mạch phải

cC

/

0

I U

mt

d

−

∆++

∆

− =

Ta lấy

Tmt = 400C , ∆T = 600C ∆U =7,5%.Uđm=

100

48.5,7

4,194.054,0

.100

U

44.4

10 4

~

∆

=

5,121.100.163.44,4

10.6,

= 0,004 (T)

*Tính hệ số µ theo H và B Vì B < 0,005 T nên

2

µ

=

4,86.100

5,121.163.10.32,

4,194.62,67

Vì vậy miếng đệm sẽ có độ dày : lđệm = 0,5 lkk = 0,5.13 = 6,5 mm

*Tính kích thước cuộn dây :

Chọn lõi cuộn dây có độ dày 5mm , nên độ cao sử dụng để quấn dây :

d là độ dày dây quấn

cửa sổ

*Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ (xác định nhiệt độ tối đa của cuộn dây)

Tổn thất trong dây quấn đồng :

Pcu =

)20.(

10.26,41

02,1

∆

− = 1+4,261,02.10.3−,36.(.4050−20) = 169,2 (W).Tổng diện tích bề mặt của cuộn dây :

Scu = 2.hsd.(a + b + π.∆cd ) + 1,4 ∆cd(π.∆cd + 2.a) = 2.26.(9 + 13,5 + 6,3 π) + 1,4 6,3.( π 6,3 + 2.9)