Thiết kế nguồn mạ một chiều

Thiết kế nguồn mạ một chiều

Đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều có các tham số sau +Hiệu điện thế :6 – 12 V +Dòng tải Max :10000A + Đảo chiều : không Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện không đổi trong suốt quá trình mạ .Mạch có khâu bảo vệ ngắn mạch 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 tiệ n 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 thuậ t 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 ng ừng 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 t ự 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 từng bước tiếp cận môn học. Để có thể lắm vững lý thuyết để 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 mộ t đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế. Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là thầy 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 ! Chương I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện Đề tài thiế t 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, trước 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 đi ện phân nh sau: Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ trong 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 như: 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 thấ p : 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. VD : Mạ niken thường 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 điệ n một chiều. Trước 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 cầ n phải nhúng ngập vào dung dịch, thờng ngập dới mặt n- ớc 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 th- ờng 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 +Chất giảm sức căng nội tại đả m 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 điệ n 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 lợ ng 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 l- ợng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu đợc từ nuối đơn. VD lớp mạ thu đ- ợc 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 l ớp 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 : - Trước 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 chọ n 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 lợng lớp mạ phụ thu ộc 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. Chuơng II : Lựa chọn phương án Nhiệm vụ đặt ra đối với đồ án là thiết kế nguồn mạ một chiều có đ iện 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 lượng lớp mạ thu được. 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 : Trong 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 ti ết 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 nhược điểm của ắc quy. Máy phát điện một chiều trong th ực tế có thể đợc sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn. Nhng giá thành 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 cầ n 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 vậ y 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 nh ẹ; 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 ph ơng án là dùng bộ biến đổi. Với mạch chỉnh lưu ( không dùng mạc chỉnh lưu ) có rất nhiều : chỉnh lưu một pha, chỉnh lưu ba pha, chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển… Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp và dòng khá lớn. Trước hết ta xét trờng hợp chỉnh lưu có điều khiể n, sau đó ta có thể xét trờng hợp chỉnh lu điốt không điều khiển với góc điều khiển 0= α . Các phương án khả thi : + Chỉnh lưu cầu một pha Sơ đồ ng u a.Khi tải t V _ Khi tiristor sẽ _khi θ Dòng qu Giá 1 α Π = ∫ Π U d Giá trị tr Giá trị tr + C + c Phươn g uyên lý chỉ thuần trở R Với 2 2 u = i αθ = : c khoá khi u αθ +Π= , c ua tải là dò tri tru .sin2 2 θθ dU rung bình d rung bình d Chỉnh lưu chỉnh lưu s g án 1:Ch ỉnh lưu cầu R θ sin2 2 U cho xung 0 2 =u cho xung đ òng gián đo ung bì 1( 2 2 θ Π = U dòng tải : dòng qua t cầu ba pha sáu pha có ỉnh lưu c ầ u một pha điều khiể n điều khiển oạn. ình củ )cos1 α + I d = tiristor : a cuộn khá n ầu một pha n mở T1, mở T3, T 4 ủa điện R U d = ng cân bằn a T2 và U d 4 và UU d = n áp ng 2 U d −= , ha 2 U tải ai : 22 .sin 2 2 1 2 dd T I R U d R U I == Π = ∫ Π θθ α Dạng sóng cơ bản : b. Tải RL - Khi L đủ lớn thì dòng điện d i sẽ là dòng liên tục. - Phơng trình mạch tải : θ θθ d d XRidU d i d +=.sin2 2 ∫∫∫ Π + Π = Π +Π+Π d I dd di X di R dU α α α α θθθ .sin2 1 2 α cos 22 2 Π = U U d Dạng sóng cơ bản : C . Ưu nhược 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 lưu 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 lưu cao và dòng tải nhỏ. Phương án 2:Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng a.Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 tiristor, chia làm hai nhóm : - nhóm catốt chung T1, T3, T5 - nhòm anốt chung T2, T4, T6 Điện áp các pha : θ sin2 2 UU a = ) 3 2 sin(2 2 Π −= θ UU b ) 3 4 sin(2 2 Π −= θ UU c b. Hoạt động của sơ đồ Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua bGcF VVVV == , + Khi αθθ + Π == 6 2 cho xung điều khiển mơ T1. Tiristor này mở vì 0> a U . Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì ca UU > . Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải : baabd UUUU −== + Khi αθθ + Π == 6 3 2 cho xung điều khiển mở T2. Tiristor này mởvì T6 dẫn dòng, nó đặt b U lên catốt T2 mà cb UU > . Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên vì cb UU > . Các xung điều khiển lệch nhau 3 Π đợc lần lợt đa đến các cực điều khiển của các thyristỏ theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,… Trong mỗi nhóm, khi 1 tiristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyritor trớc nó, nh trong bảng sau : G F T5 T6 T4 u2c u2a u2b R L T1 T2 T3