đồ án điện tử công suất về thiết kế bộ nguồn từ điện phân

Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điệnphân với mật độ dòng cao hơn.a Xem xét sự ảnh hưởng của tuần hoàn dung dịch Trong quá trình điện phân, nồng độ ion kim l

Chương 7

PHẦN I : PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ

1.1 CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHÂN

1.1.1.Vai trò ngành điện phân.

Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điệnphân chiếm 1 vai trò hết sức quan trọng Tuyệt đại đa số các kim loại khiluyện hoặc tinh luyện đều cần thiết dùng phương pháp điện phân

Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương phápđiện phân, vì các kim loại này có hoạt tính lớn nên khó hoàn nguyênbằng con đường hỏa luyện Trong thiên nhiên chúng tồn tại ở dạng muốinhư NaCl, KCl,… hoặc qua sơ chế thành NaOH, KOH…, chúng đều làcác chất điện ly nên có thể điện phân trực tiếp Luyện kim bằng phươngpháp điện phân có ưu điểm chính:

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

+ Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng oxit… đem lại hiệu quảkinh tế cao hơn phương pháp khác

+ Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn trong quặng

+ Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao

1.1.2.Lý thuyết quá trình điện phân.

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 kẽm, tinh luyện Cu,Ni,Pb…+ Điện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất Nhôm, Magie, các kim loạiđắt, hiếm…

c Một số đặc điểm của dung dịch điện phân:

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

- Độ pH phù thuộc chất điện phân

- Nhiệt độ dung dịch không vượt quá nhiệt độ sôi

+Quá trình Anot tan

+Quá trình Anot không tan

Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trongdung dịch điện phân.

Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện hoàn nguyêntrên bề mặt catot

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

a Trường hợp Anot không tan

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

Bản chất của các quá trình catot chính là sự khử các Cation thành kimloại:

MZ+ + z.e à MHoặc hoàn nguyên Hydro:

2H + + 2e àH2

1.3 QUÁ TRÌNH KẾT TỦA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

- Mật độ dòng điện và phân cực

- Thành phần và nhiệt độ dung dịch

- Chất hoạt tính bề mặt

- Chủng loại các Catot mẫu

- Sự tuần hoàn dung dịch

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng :

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 chấtdung dịch Tăng nhiệt độ sẽ cho phép dùng dung dịch có nồng độ caohơn, tăng độ dẫn điễn của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot

Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điệnphân với mật độ dòng cao hơn.

a) 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 phân cực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi xảy ra như: không dùngđược mật độ dòng cao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ …

b) Sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện:

Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, chắcsít và đồng đều, do khi tăng mật độ dòng điện sẽ làm tăng khả năng tạomầm,ngược lại, mật độ dòng thấp cho kết tủa to, thô

Tuy nhiên, mật độ dòng cao quá lại không tốt vì lớp kim loại dễ bịgai, bị cháy

Khi diện phân tại mật độ dòng giới hạn chỉ tạo thành bột kim loại, do

đó, muốn nâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạnbằng cách tăng nhiệt độ, tăng nồng độ và đối lưu dung dịch

1.4 YÊU CẦU NGUỒN ĐIỆN PHÂN :

Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân ở trên, tathấy mật độ dòng là yếu tố quyết định Để có được độ mịn, độ gắn bámtốt thì nguồn 1 chiều cấp 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 là không đáng kể Sức điện động E trong bể mạthường nhỏ nên chúng ta có thể bỏ qua.

Từ đó có thể coi tải điện phân gần như thuần trở, nên muốn có mộtmật độ dòng lớn, có độ bằng phẳng cao theo yêu cầu thì điện áp nguồn 1chiều cũng phải thật bằng phẳng

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành nănglượng dòng một chiều

Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhấttrong thực tế Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu trên hình2.1

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu

Trong sơ đồ MBA làm hai nhiệm vụ chính là:

- Chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2thích hợp với yêu cầu của tải Tuỳ theo tải mà MBA có thể là tăng áphoặc giảm áp

- Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu củamạch van Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van

có thể yêu cầu số pha là 6,12…

Mạch van là các van bán dẫn được mắc theo cách nào đó để có thểtiến hành quá trình chỉnh lưu

Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấpcho tải là bằng phẳng theo yêu cầu

2.2 TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU

2.2.1.Khái niệm:

Biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều Dùng để cấp nguồn

cho các tải một chiều : động cơ điện 1 chiều, bộ nạp acquy, mạ điệnphân, máy hàn một chiều, nam châm điện, truyền tải điện một chiều caoáp

Nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân được yêu cầu có điện áp cao vàdòng rất lớn, tới hàng chục ngàn Ampe

Sự ổn định, chất lượng dòng điện cấp cho bể là yếu tố quan trọngnhất, quyết định tới chất lượng sản phẩm điện phân

Nguồn điện 1 chiều nói chung có thể được cung cấp từ Ắcquy Máyphát điện 1 chiều hay các bộ biến đổi…

2.2.2 Phân loại :

Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây:

- Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha,

ba pha, sáu pha…

- Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van: Hiện nay chủyếu dùng Thysistor và điốt, vì thế có ba loại mạch sau:

+ Mạch van dùng toàn điốt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển;+ Mạch van dùng toàn Thysistor, gọi là chỉnh lưu điều khiển;

+ Mạch van dùng cả hai loại Thysistor và điốt, gọi là chỉnh lưu bánđiều khiển;

- Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau Có hai kiểu mắc van:

+ Sơ đồ hình tia: Ở sơ đồ này số lượng van sẽ bằng số pha nguồncấp cho mạch van Tất cả các van đều đấu chung một đầu nào đó vớinhau - hoặc catốt chung, hoặc Anốt chung.

+ Sơ đồ cầu: Ở sơ đồ này số lượng van nhiều gấp đôi số pha nguồncấp cho mạch van Trong đó một nửa mắc chung nhau catốt, nửa kiamắc chung nhau Anốt

2.2.3.CÁC SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU CÓ ĐIỀU KHIỂN:

2.2.3.1: Chỉnh lưu một pha 2 nửa chu kì dùng MBA có điểm giữa: a) Sơ đồ nguyên lý:

c) Nguyên lý hoạt động :

Ở nửa chu kỳ đầu (0 ÷ π) điện áp u21 > 0: T1 được đặt điện áp thuậntại thời điểm ωt = α ta phát xung mở van T1, thì T1 sẽ dẫn, khi đó: UT1 =

0 Còn van T2 đặt điện áp ngược nên sẽ bị khoá lại

Ở nửa chu kỳ sau (π ÷ 2π) điện áp u21 < 0: T1 bị đặt điện áp ngượcnên bị khoá lại Khi đó hai van T2 được đặt điện áp thuận, nếu tại thờiđiểm ωt = π + α ta phát xung mở van T2 thì hai van này sẽ dẫn, UT2 =

U22

c) Biểu thức tính

2

2 0

2 2

d

U U

π

=

à Phụ tải được cấp điện theo chế độ gián đoạn

2.2.3.2 Chỉnh lưu cầu một pha:

a) Sơ đồ nguyên lý:

b) Nguyên lý làm việc :

Ở nửa chu kỳ đầu (0 ÷ π) điện áp u2 > 0: T1, T2 được đặt điện ápthuận tại thời điểm ωt = α ta phát xung mở van T1, T2 thì T1 và T2 sẽ dẫn,khi đó: UT1 = UT2 = 0 Còn van T3 và T4 đặt điện áp ngược nên sẽ bị khoálại

Ở nửa chu kỳ sau (π ÷ 2π) điện áp u2 < 0: T1, T2 bị đặt điện ápngược nên bị khoá lại Khi đó hai van T3 và T4 được đặt điện áp thuận,nếu tại thời điểm ωt = π + α ta phát xung mở van T3, T4 thì hai van này

b) Nguyên lý hoạt động :

Trong thời điểm θ 1 , T1 mở vì có iG1 và điện áp ua dương nhất, tại thờiđiểm θ 2 , T2 mở vì có iG2 và điện áp ub dương nhất Tại góc θ 3 , T3 mở và

có uc lớn nhất

Khi một tiristor mở thì 2 tiristor khác khóa

Trong khoảng (θ π 1 − ), T1 mở, dòng điện đi từ a qua T1 qua K qua tải R

về điểm O Điện áp ở hai đầu phụ tải lúc này là ud= ua, Điện áp trên T1 là

ut1=0

- Các Thysistor T2, T4, T6 đấu Anốt chung nên:

2.2.4.CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU:

Gồm 2 loại

- có điều khiển dùng tiristor

-không điều khiển dùng điôt

- Dựa theo yêu cầu đồ án ta thấy công suất định mức p dm= 36kw nên tadùng chỉnh lưu 3 pha, mặt khác điện áp Uđm= 80v nên dùng sơ đồ hìnhtia

-Vì đồ án là thực hiện bộ chỉnh lưu cho nguồn điện phân nên chấtlượng điện áp đóng vai trò quyết định tới chất lượng sản phẩm Do đóyếu tố về chất lượng điện áp được đặt lên hàng đầu Mà trong số các sơ

đồ chỉnh lưu thì CLDK đối xứng cầu 3 pha cho ta chất lượng điện áp tốt

nhất, do đó ta chọn phương án CLDK đối xứng cầu 3 pha cho việc

thực hiện bộ nguồn chỉnh lưu cho nguồn điện phân

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MẠCH LỰC

Yêu cầu thiết kế :

3.1.1 Điều kiện về dòng điện:

+ Dòng điện làm việc của van tính theo dòng hiệu dụng :

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

Itb max thực = ( 1.5 ÷ 4 ) Itb max

⇒ Itb max thực = 1.5x4000= 6000A

3.1.1 Điều kiện về điện áp:

+ Điện áp ngược cực đại đặt lên van :

⇒ Cần phải sử dụng máy biến áp

Semiconductor chế tạo với các thông số do nhà sản xuất đưa ra nhưsau :

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

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

+) Dòng điện xung điều khiển : Ig max = 500 mA

+) 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= 1250C

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

CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1.Các yêu cầu chung của mạch điều khiển

Việc tính toán mạch điều khiển xuất phát từ yêu cầu về xung mở choThyristor :

Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : UN = 12 V

4.1.2.Lựa chọn cấu trúc mạch điều khiển :

PH

4.2 Giới thiệu các khâu trong mạch điều khiển :

a) Khối đồng pha :

Tạo tín hiệu điện áp đồng pha với điện áp đặt lên van công suất,đảmbảo dải điều chỉnh của góc α thỏa mãn 0 ≤ α ≤ 180

b) Khối tạo điện áp tựa :

Tạo ra điện áp răng cưa từ điện áp đồng pha để đưa vào khâu so sánhc) Khối so sánh :

So sánh giữa tín hiệu Utựa và Uđk để xác định thời điểm phát xung điềukhiển vào van công suất ( xác định góc α ).Khi thay đổi giá trị của Uđk ta

có thể thay đổi giá trị của góc α mong muốn

d) Khâu khuếch đại và sửa xung :

_ Tạo ra dạng xung chuẩn ( xung đơn,xung kép hoặc xung chùm )

_ Đảm bảo đủ công suất để mở ( khóa ) van một cách chắc chắn trongmọi chế độ làm việc của van

Sơ đồ toàn bộ mạch điều khiển như sau :

R1

+ + OP2

-C1 R2

-+ -+ OP3

N1 N2

BAX R11

D4

T1 T2

R

DCR5980A18 D7

D5

D6

THRES CONT TRIG RESET OUT

C2

1 3 AND -

+ + OP4 D3

Ucc Udk Uss Ux

4.2.1 Mạch đồng bộ hóa và phát xung răng cưa:

4.2.1.1.Sơ đồ của khâu đồng bộ như sau :

Từ sơ đồ này ta thấy điện áp đồng pha được lấy ra từ điện áp lướithông qua MBA Phần sơ cấp của MBA đồng pha được đấu tam giác cònphần thứ cấp đấu hình sao để điện áp đồng pha được dịch đi 30o điện sovới điện áp lưới.điều này giúp ta xác định được thời điểm bắt đầu tínhgóc α chính là thời điểm điện áp đồng pha đi qua 0

Đồ thị minh họa :

Khâu đồng pha có 2 mục tiêu quan trọng là:

* Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phùhợp với mạch điều khiển thường là điện áp thấp

* Cách ly hoàn toàn về điện giữa MĐK với mạch lực Điều nàyđảm bảo an toàn cho người sử dụng cũng như cho các linh kiệnđiều khiển

II Khâu tạo điện áp tựa :

Khâu tạo điện áp tựa chính là khâu tạo điện áp răng cưa.Sơ đồ nhưsau :

+ + OP2

-C1

R3

IRF9540

R4 R5

* Hai KĐTT dùng LM339 vì OA loại này cho độ dốc xung ra gầnnhư thẳng đứng

*Udz < 12 – 7 – 1= 4V

* Các điôt Đ1, Đ2 làm nhiệm vụ giữ cho độ chênh lệch điện áp giữa 2cửa vào của OA1 Do các điôt này luôn có điện áp rơi thuận trên nó là

0,7V nên khi điện áp trên cửa 2 của OA1 lớn hơn 0,7V thì Đ1 thông vàđiện áp cửa 2 bằng 0,7V U2max = 0,7V

+ Khi điện áp trên cửa 2 nhỏ hơn -0,7V thì Đ2 thông và cũng giữ mứcđiện áp min trên cửa 2 là -0,7V

Như vậy với các điôt Đ1, Đ2 làm cho mức điện áp giữa 2 cửa OA1luôn nằm trong khoảng từ -0,7V→ 0,7V

Ta có thể chọn 2 điôt này là 2 con 1N4150 thoả mãn yêu cầu bài toán

* Chọn nguồn nuôi cho OA là E = + 12V , điện áp đồng pha

Chu kì điện áp xoay chiều đồng pha : T = 1/50 = 0,02 (s)

Chọn C1 = 1μF.Hằng số thời gian phóng nạp của tụ :

cộng đầu vào không đảo để kéo đường điện áp răng cưa lên trên trụchoành

⇒ Urc = Uop2 + 12 V

Ta chọn R4 = R5 = R6 = R7 = 10 kΩ

III Khâu so sánh :

+ + OP4

-Udk

Urc

Uss

Đây là sơ đồ so sánh điện áp trên 2 cửa vào của op-amp.Khi Urc > Uđk

thì Uss = -E < 0.khi Urc < Uđk thì mạch lật trạng thái, Uss = + E > 0.Ta códạng đồ thị điện áp như sau :

Khâu so sánh ta cũng dùng LM339 để tạo được sườn xung thẳng đứng

R8 và R9 có tác dụng hạn chế dòng vào các cửa của op-amp

⇒ Chọn R8=R9=10 kΩ

IV Khối khuếch đại và sửa xung :

1 Khâu tạo dao động :

Sử dụng vi mạch 555 :

THRES CONT TRIG

Rx1

C2

out Ucc

Đồ thị thời gian UC(t) và Ura(t)

⇒ Chu kì dao động của xung ra là : T = tn + tp = 9 μs

Tần số dao động của xung ra là :

f = T1 = 111,111 kHz

1, 443

R 2R + C ⇒ (Rx1 + 2Rx2).C2 = 13 ×10-6

1. Khâu trộn xung : Sử dụng IC SN74HC08 gồm 4 cổng AND 2 đầu vàothuộc họ CMOS tốc độ cao để trộn tín hiệu Ux và điện áp ra của Timer555

Diod D3 chọn là loại 1N4150, có tác dụng cắt xung âm đi vào cổngAND

Chọn R13 = 10 kΩ

3 Tính toán biến áp xung :

Biến áp xung là loại biến áp đặc biệt,trong đó điện áp đặt lên phía sơcấp có dạng xung chữ nhật mà không phải là điện áp hình sin.Điều nàydẫn đến chế độ làm việc và phương pháp tính toán BAX rất khác so vớicác biến áp thường

_ Chọn vật liệu làm lõi là sắt Ferit HM Lõi có dạng hình xuyến,làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có: ∆B = 0,2 T, ∆H = 30A/m, không có khe hở không khí

+ Tỷ số biến áp xung: chọn k = 3

+ Điện áp cuộn thứ cấp máy biến áp xung: U2 = Uđk =2,5 V

+ Dòng điện thứ cấp biến áp xung: I2 = 0,5Idk =0,5.0,35=0,175A+ Thể tích của lõi thép cần có:

AND

R13

D3

Udd Uss

Ux

T1

T2 R

DCR5980A18 D7

D5

D6

A

K G Vcc

Ux

_ Nhiệm vụ : khuếch đại xung điều khiển Ux để đủ công suất (dòng,áp)

mở van thyristor.Ngoài ra biến áp xung còn có tác dụng để cách lyhoàn toàn giữa mạch điều khiển và mạch lực,đảm bảo an toàn cho cáclinh kiện của mạch điều khiển cũng như người sử dụng

_ Nguyên lí :

T1 thì T1 mở cho dòng chảy từ nguồn nuôi chảy qua BAX , qua T1 đến

mở bão hoà T2 để T2 dẫn dòng chính chảy qua BAX xuống đất Nhưvậy điện áp trên cuộn sơ cấp BAX & dòng điện chảy qua nó cũng códạng xung Dòng điện này cảm ứng sang cuộn thứ cấp , và ở cuộn thứcấp này cũng xuất hiện dòng xung chảy vào cực điều khiển Thysistor Trong mạch trên Đ4 có tác dụng trả năng lượng tích luỹ trong cuộncảm lại nguồn khi mà cuộn sơ cấp này đang dẫn dòng thì T1,T2 khoá lại-> bảo vệ Transistor T1 và T2 không bị quá dòng Ic cho phép

Diod D5 có tác dụng chống điện áp ngược đặt lên 2 cực B-E củatransistor.điện trở R dùng để giải phóng điện tích tích tụ trên cực E củaT2 khi T2 chuyển sang chế độ khóa

R11 : Hạn chế dòng từ hóa biến áp xung.R11 được tính để đảm bảodòng qua Trasistor không bao giờ vượt quá dòng Collector lớn nhất chophép

D6 : cắt xung âm vào cực điều khiển G của thyristor

D7 : làm giảm điện áp ngược đặt lên giữa Catôt và cực điều khiển củaThyristor,đảm bảo an toàn cho lớp tiếp giáp G-K khi Thyristor ở chế độkhóa