Thiết kế bộ nguồn cho tủ điện phân

Luận văn, khóa luận tốt nghiệp, báo cáo là sản phẩm kiến thức, là công trình khoa học đầu tay của sinh viên, đúc kết những kiến thức của cả quá trình nghiên cứu và học tập một chuyên đề, chuyên ngành cụ thể. Tổng hợp các đồ án, khóa luận, tiểu luận, chuyên đề và luận văn tốt nghiệp đại học về các chuyên ngành: Kinh tế, Tài Chính & Ngân Hàng, Công nghệ thông tin, Khoa học kỹ thuật, Khoa học xã hội, Y dược, Nông - Lâm - Ngữ... dành cho sinh viên tham khảo. Kho đề tài hay và mới lạ giúp sinh viên chuyên ngành định hướng và lựa chọn cho mình một đề tài phù hợp, thực hiện viết báo cáo luận văn và bảo vệ thành công đồ án của mình.

CHƯƠNG I PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ1.1 Công nghệ điện phân

Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điện phân chiếm 1vai trò hết sức quan trọng Tuyệt đại đa số các kim loại khi luyện hoăc tinh luyệnđều dùng phương pháp điện phân

Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương pháp điện phân, vì cáckim loại này có hoạt tính lớn nên khó hoàn nguyên bằng con đường hỏa luyện.Trong thiên nhiên chúng tồn tại ở dạng muối như NaCl, KCl… hoặc qua sơ chếthành NaOH, KOH… chúng đều là các chất điện ly nên có thể điện phân trực tiếp

Ưu điểm chính của phương pháp điện phân:

+ Có thể luyện được những kim loại mà phương pháp hỏa luyện không thể luyệnđược

+ Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng ôxit… đem lại hiệu quả kinh tếcao hơn phương pháp khác

+ Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn trong quặng

+ Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao

* Lý thuyết quá trình điện phân:

- Hệ thống

điện hóa :

- Dung dịch điện ly.

Phân loại dung dịch điện ly: có 2 loại chính là:

+ Dung dịch nước

+ Dung dịch muối nóng chảy

Dựa vào đó cũng có các công nghệ điện phân khác nhau như:

+ Điện phân trong dung dịch nước: luyện Zn, tinh luyện Cu, Ni, Pb…

+ Điện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất Nhôm, Magie, các kim loại đắt,hiếm…

- Một số đặc điểm của dung dịch điện phân:

- Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất và làm cho quá trình diễn ra đồng đều

- Độ pH phụ thuộc chất điện phân

- Nhiệt độ dung dịch không vượt quá nhiệt độ sôi

1.2 Các quá trình điện cực

- Quá trình Anot:

Anot là điện cực nối với cực dương của nguồn điện 1 chiều Khi điện phân, trênanot xảy ra quá trình điện hóa (oxi hóa) gọi là quá trình Anot và chia làm 2 loại:+ Quá trình Anot tan

+ Quá trình Anot không tan

Bản chất của các quá trình xảy ra trên Anot là quá trình Oxi hóa

a) Trường hợp Anot tan

Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trong dung dịchđiện phân

Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện hoàn nguyên trên bề mặtcatot

Cơ chế của quá trình Anot tan gồm 3 giai đoạn chính:

- Tách ion ra khỏi mạng tinh thể và chuyển điện tử vào mạng điện

- Hidrat hóa các Cation

- Khuếch tán các Cation vào trong dung dịch

b) Trường hợp Anot không tan

Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi hóa các Anion trong dung dịch:

MZ+ + z.e  MHoặc hoàn nguyên Hydro:

2H + + 2e H2

1.3 Quá trình kết tủa kim loại và các yếu tố ảnh hưởng

Trong công nghệ kết tủa kim loại Catot, cấu trúc tinh thể và hình dạng bên ngoàicủa kết tủa Catot có ý nghĩa rất lớn

Việc lấy được một kết tủa đặc, chắc, nhẵn theo yêu cầu phụ thuộc vào quá trình kếttinh điện hóa Catot

Quá trình kết tinh điện hóa một kim loại được xác định bởi quá trình tạo mầm vàquá trình phát triển tinh thể.

Kết tủa mịn hay thô, từ đó tạo ra mặt Catot nhẵn hay gồ ghề phụ thuộc vào tốc độtạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể Để lấy được kết tủa chất lượng cao cần điềukhiển được tốc độ đó bằng cách khống chế các nhân tố ảnh hưởng sau:

- Sự tuần hoàn dung dịch

a) Xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch

Đây là yếu tố ảnh hưởng phức tạp vì có ảnh hưởng nhiều tới tính chất dung dịch.Tăng nhiệt độ sẽ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn điệncủa dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot

Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân với mật

độ dòng cao hơn

b) Xem xét sự ảnh hưởng của tuần hoàn dung dịch

Trong quá trình điện phân, nồng độ ion kim loại sát Catot bị nghèo đi, gây phâncực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi xảy ra như: không dùng được mật độ dòngcao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ …

c) Sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, chắc sít và đồngđều, do khi tăng mật độ dòng điện sẽ làm tăng khả năng tạo mầm, ngược lại mật độdòng thấp cho kết tủa to, thô

Tuy nhiên, mật độ dòng cao quá lại không tốt vì lớp kim loại dễ bị gai, bị cháy.Khi diện phân tại mật độ dòng giới hạn chỉ tạo thành bột kim loại, do đó muốnnâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạn bằng cách tăng nhiệt

1.4 Yêu cầu của nguồn điện phân

Trong công nghệ điện phân thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nóquyết định đến chất lượng sản phẩm sau khi điện phân thu được

Nguồn điện phân là nguồn 1 chiều như: pin, ác quy, máy phát điện một chiều, bộbiến đổi Ngày nay được dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi, bộ biến đổi trong quátrình điện phân có điện áp thấp: 3V, 6V, 12V, 24V Tùy theo yêu cầu của kỹ thuật

mà chọn điện áp ra cho phù hợp Một bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cấpthiết cho một số quy định

VD: Điện phân Niken trong công nghệ mạ thường dùng điện áp 6V hay 12 V Để

mạ Crôm dùng 12V Để đánh bóng điện hóa nhôm thương dùng điện áp 12-14V.Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân ở trên, ta thấy mật độdòng là yếu tố quyết định Để có được độ mịn, độ gắn bám tốt thì nguồn 1 chiềucấp cho bể điện phân phải có chất lượng thật tốt, cho dòng bằng phẳng và có thể

điều chỉnh liên tục trong 1 giới hạn rộng, cấp được một mật độ dòng đủ lớn.

1.5 Tính chất tải điện phân

Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ, do

đó hằng số thời gian phóng, nạp của tụ là rất nhỏ cho nên coi ảnh hưởng của tụ làkhông đáng kể Sức điện động E trong bể mạ thường nhỏ nên chúng ta có thể bỏqua

Từ đó có thể coi tải điện phân gần như thuần trở, nên muốn có một mật độ dònglớn, có độ bằng phẳng cao theo yêu cầu thì điện áp nguồn 1 chiều cũng phải thậtbằng phẳng

Kết luận: Như trên ta đã thấy sơ qua về công nghệ điện phân, các quá trình điện

cực cũng như quá trình kết tủa, các yếu tố ảnh hưởng về điện phân và yêu cầu cũngnhư tính chất của tải điện phân và nguồn điện phân Nguồn điện dùng cho tủ điệnphân phải là nguồn 1 chiều có thể điều chỉnh được và tải là tải thuần trở Để hiểu rõhơn về tủ điện phân ta tìm hiểu quá trình lựa chọn và xây dựng mạch lực cho tủ

CHƯƠNG II LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU2.1 Giới thiệu chung

Trong công nghệ điện phân thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng,

nó quyết định nhiều đến chất lượng điện phân sau khi mạ thu được Nguồn điện 1chiều có thể là ắc quy, máy phát điện, bộ biến đổi chúng ta phân tích từng loạinguồn để quyết định lựa chọn phương án nào

1 Ắc quy: Tong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thínghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ Do hạn chế về lượng điện tích nên ắc quy chỉdùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy được.Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng được Vì vậy

mà trong công nghệ mạ người ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn mạ

2 Máy phát điện một chiều: Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện một chiềukhắc phục được các nhược điểm của ắc quy Máy phát điện một chiều trong thực tế

có thể được sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn Nhưng giá thành đầu tưcho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển hoạt động khá phức tạp Máyphát điện một chiều với nhiều nhược điểm: cổ góp mau hỏng, thiết bị cồng kềnh,làm việc có tiếng ồn lớn và cần thường xuyên bảo trì, sửa chữa Chính vì các lý dotrên nên trong công nghiệp người ta không dùng máy phát điện một chiều

3 Bộ biến đổi: Hiện nay, trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụngrộng rãi Công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng hoàn thiện, các thiết bịhoạt động với độ tin cậy cao Đặc biệt công nghệ sản xuất Tiristo đã đạt được nhiềuthành tựu Chính vì vậy, các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng mộtchiều, ngày càng được sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp Ngày nay,trong công nghệ mạ điện thì bộ biến đổi được dùng rộng rãi nhất Các bộ biến đổidùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp như: 3V, 6V, 12V, 24V,

với các ưu điểm: thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh; dễ tự động hóa; dễ điều khiển và

ổn định dòng Chi phí đầu tư cho bộ biến đổi cũng rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổnđịnh So với dùng nguồn mạ là ắc quy hoặc máy phát điện một chiều thì bộ biến đổiđáp ứng được hơn cả về mặt kinh tế cũng như các tiêu chuẩn kĩ thuật

Vậy, quyết định phương án là dùng bộ biến đổi

Tuy nhiên điện áp và dòng điện sau khi chỉnh lưu có chiều không đổinhưng vẫn dao động về trị số, do đó để tải nhận được một điện áp hoặc dòng điệnhoàn toàn không đổi cả về chiều và trị số người ta phải dùng phần tử lọc, mụcđích của phần tử lọc là làm suy giảm thành phần dao động của điện áp và dòngđiện chỉnh lưu

Hiện nay, có nhiều phương pháp thiết kế nguồn tủ điện phân nhưng thường

sử dụng nhất là dùng nguồn điện xoay chiều có bộ chỉnh lưu Nguồn điện xoaychiều lại có 2 loại: 1 pha và 3 pha là phổ biến nhất Ứng với mỗi loại lại có cácphương pháp chỉnh lưu khác nhau Sau đây, ta đi nghiên cứu các loại cơ bản sau

2.2 Tổng quan về chỉnh lưu

2.2.1 Khái niệm

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượngđiện một chiều Hiện nay, trong kĩ thuật chỉnh lưu hầu như người ta chỉ dùng cácphần tử bán dẫn công suất (điốt, tiristo) Điều đó là do các bộ chỉnh lưu bán dẫn cóhiệu công suất rất cao, làm việc tin cậy, giá thành rẻ, chi phí bảo dưỡng nhỏ, kíchthước và trọng lượng bé Để chỉnh lưu công suất nhỏ người ta thường dùng các bộchỉnh lưu một pha hai nửa chu kỳ, còn để chỉnh lưu công suất lớn người ta dùng bộchỉnh lưu ba pha Ưu điểm của bộ chỉnh lưu 3 pha là công suất ra tải lớn, điện áp vàdòng điện ra tải ít dao động Điều đó làm đơn giản hóa vấn đề về lọc Điện áp vàdòng điện sau chỉnh lưu có chiều không đổi nhưng vẫn dao động về trị số Do đó, đểtải nhận được một điện áp hoặc dòng điện hoàn toàn không đổi cả về chiều và trị sốngười ta phải dùng phần tử lọc Mục đích của phần tử lọc là làm suy giảm thành

2.2.2 Phân loại

Có 2 loại chỉnh lưu chính:

a Mạch chỉnh lưu không có điều khiển (sử dụng Diốt)

- Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa

- Chỉnh lưu cầu 1 pha

- Chỉnh lưu tia 3 pha

- Chỉnh lưu cầu 3 pha

b Mạch chỉnh lưu có điều khiển (sử dụng Tiristo)

- Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa

- Chỉnh lưu cầu 1 pha có điều khiển

- Chỉnh lưu tia 3 pha

- Chỉnh lưu cầu 3 pha

Kết luận: Do cần điều chỉnh dòng áp nên cần sử dụng mạch có điều khiển Vì vậy,

ta cần lựa chọn các mạch chỉnh lưu có điều khiển

2.3 Các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển

2.3.1 Chỉnh lưu 1 pha 2 nửa chu kỳ dùng MBA có điểm giữa

Hình 2.2.Đồ thị dòng điện chỉnh lưu 1 pha 2 nữa chu kì dùng thyristor

* Nhược điểm:

- Chất lượng thấp, Công suất thấp

- Phải có máy biến áp, Giá thành cao

2.3.2 Chỉnh lưu cầu 1 pha

Chỉnh lưu cầu 1 pha có thể dùng sơ đồ chỉnh lưu không điều khiển hoặc có điềukhiển, trong sơ đồ có điều khiển lại có sơ đồ điều khiển đối xứng và điều khiểnkhông đối xứng

Ta xét sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha điều khiển đối xứng:

*Sơ đồ:

Hình 2.3 : Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha

Hình 2.4 Đồ thị điện áp, dòng điện chỉnh lưu cầu 1 pha

* Nguyên lý hoạt động:

Tại thời điểm α=θ1 ,cấp xung cho T1 và T3 ;

Từ (θ1 ÷π) u2 > 0, T1và T3 phân cực thuận nên T1và T3 mở ; T2,T4 phân cực ngượcnên khóa

1

2 1

u R

u

i

i

u u

u

d d T

d

m d

- Số van trong sơ đồ nhỏ Đơn giản

- Nếu điện áp lưới phù hợp không bắt buộc sử dụng máy biến áp

* Nhược điểm:

- Công suất nhỏ

- Chất lượng thấp

- Sơ đồ cầu một pha chỉ sử dụng với yêu cầu điện áp cao và dòng nhỏ

2.3.3 Chỉnh lưu hình tia 3 pha

*Sơ đồ:

Hình 2.5: Sơ đồ chỉnh hình lưu tia 3 pha

Hình 2.6: Đồ thị điện áp, dòng điện tải R

, dòng điện đi từ: a → T1 → K → R →O; u T1 =0

Tại thời điểm α θ = 2

*Ưu điểm và nhược điểm:

* Ưu điểm:

- So với chỉnh lưu 1 pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp tốt hơn

- Công suất máy biến áp này lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần

- Độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộlọc cũng nhỏ đi

* Nhược điểm:

- Cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải

- Điều khiển phức tạp hơn nguồn 1 pha

2.3.4 Đối với chỉnh lưu cầu 3 pha

Sơ đồ nguyên lý như sau:

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu 3 pha dùng thyristor

Hình 2.8: Đồ thị dòng điện áp dòng tải R

2 sin(

u b

) 3

4 sin(

u c

Trong sơ đồ nay người ta dùng 6 thyrisstor : T1, T2, T3, T4, T5, T6, các xung dòng điện

iG phải phát ra theo thứ tự iG1, iG2, iG3, iG4, iG5, iG6, cách nhau một khoảng π/3 cũng nhưchỉnh lưu cầu 3 pha dùng điốt, các thyrisstor chia làm 2 nhóm: nhóm Catốt chunggồm: T1,T3,T5 và nhóm Anốt chung gồm T2,T4,T6

Giả thiết trước thời điểm θ = θ1 T5 và T6 đang dẫn

Tại θ1 = (π/6+α) cho xung điều khiển mở T1 Thyrisstor này sẽ mở vì ua >0 Sự mởcủa T1 làm cho T3 bị khóa một cách tự nhiên vì ua >uc Lúc này T1 và T6 dẫn và điện

- Sử dụng số van lớn, giá thành thiết bị cao

- Sơ đồ này chỉ dùng cho tải có công suất lớn, dung tải chỉnh lưu nhỏ và điện ápchỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng

Nhận xét:

- Mạch chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha dùng cho mạch có dòng điện tải lớn

- Mạch chỉnh lưu điều khiển cầu 3 pha dùng cho mạch có điện áp lớn, công suất lớn

2.4 Chọn sơ đồ chỉnh lưu

Dòng điện trên tải: Id= Ud /Rd

Dòng điện trung bình qua van: IT=Id/3

Điện áp ngược đặt trên van: Ung = 2,45.U2

Dòng điện phía thứ cấp: I2 = 0,816 Id

Động điện sơ cấp: I1 = 0,816 Id Kba

Công suất máy biến áp: Sba = 1,05 Pd

Công suất tải: Pd = Ud đm.Id đm

Dựa vào các thông số đầu bài cho ta có:

Pd =6.6000 =36000(W)=36kW>5kW

- Do Pd > 5 kW nên ta dùng chỉnh lưu 3 pha

- Mặt khác ta có Udm = 6V thuộc trong khoảng (10-30)V nên dùng sơ đồ hình tia

=> Do đó ta chọn phương án mạch chỉnh lưu 3 pha hình tia cho việc thực hiện

bộ nguồn chỉnh lưu cho nguồn điện phân

*Lựa chọn mạch lực:

Hình 2.7 Sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha dùng thyristor

Hình 2.8: Đồ thị dòng điện áp, dòng của tải R.

Trong đó:

- BA là máy biến áp 3 pha dùng để cung cấp cho sơ đồ chỉnh lưu

biến áp là Ua, Ub, Uc thành điền áp 1 chiều tải Ud

- R là phần tử phụ tải của bộ phận chỉnh lưu

Tại thời điểm α θ = 1

Tại thời điểm α θ = 2

*Ưu điểm và nhược điểm:

* Ưu điểm:

- So với chỉnh lưu 1 pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp tốt hơn

- Công suất máy biến áp này lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần

- Độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lưu giảm đáng kể nên kích thước bộlọc cũng nhỏ đi

* Nhược điểm:

- Cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải

- Điều khiển phức tạp hơn nguồn 1 pha

* Thông số của sơ đồ chỉnh lưu hình tia 3 pha: Điện áp trung bình:

U I R

=

Giá trị trung bình dòng điện qua mỗi thyristor:

3

d T

I

I =

CHƯƠNG III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰCYêu cầu thiết kế :

3.1.1 Điều kiện về dòng điện:

Itbv =

BA

S

3 380 × =

d

I 3

⇒

Itbv max =

d max

I 3

= =

6000 3

=2000 A

điều kiện van + đĩa van chuẩn + tốc độ nước = 8 m/s thì :

Itb max thực = ( 1.5 ÷ 4 ) Itb max

⇒

Itb max thực = 1.5x2000= 3000A

3.1.1 Điều kiện về điện áp:

π.6 = 2.6V < 220 V

⇒

Cần phải sử dụng máy biến áp

Ung max = 3

π Ud max = 3

π 6 = 6.28 ( V )

Ung v = KdtU

×

Ung max =1,8×6.28 = 11.3 V

• Trong đó KdtU là hệ số dự trữ điện áp,chọn bằng 1,8 (KdtU = 1.5 - 2.5)

+) Điện áp ngược cực đại : Ung max = 1800 V

+) Dòng điện làm việc cực đại : Idmmax = 6500 A

+) Sụt áp trên thyristor ở trạng thái bán dẫn : ∆Umax = 0,77 V

+) Tốc độ biến thiên dòng điện : di/dt = 250 A/ μs+) Nhiệt độ làm việc cực đại : Tmax = 125

0

C

3.2 Tính toán tham số máy biến áp mạch lực :

3.2.1 Điện áp một chiều tổng quát U d tương ứng tải định mức bao gồm:

Ud=Udđm+∆Ulưới + 2.∆Uv

Trong đó : + Udđm : Điện áp một chiều ra tải định mức

+ ∆Uv : Sụt áp trung bình trên các van.= 0.77V

+ ∆Ulưới : Sụt điện áp nguồn xoay chiều dưới trị số định mức ∆Ulưới

= 20%Udđm

=> ∆Ulưới = 20%x6=1.2V

Ud = 6 + 2.0,77 + 1.2 = 8.74V

Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, sơ đồ đấu dây ∆ ϒ/

3.2.2 Công suất thực tế phía một chiều :

Pd = Ud.Id= 6.6000= 36000W= 36kW

3.2.3 Công suất máy biến áp :