Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ.

Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ.

Đề tài:

Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ

Các tham số:

Dòng tải max : Id =100(A) Thời gian thuận : 50÷200 (s) Thời gian ngược : 5÷20 (s) Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ không đổi trong quá

trình mạ Mạch phải có khâu bảo vệ chống chạm điện cực (bảo vệ ngắn mạch)

MỤC LỤC

Chương I 5

CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN VÀ CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT 5

I.1 Tìm hiểu chung về công nghệ mạ 5

I.2 Các thành phần chính trong mạ điện phân 5

I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ 8

I.4.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp mạ 9

Chương II: 11

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP CHO NGUỒN MẠ MỘT CHIỀU 11

II.1 Tổng quan chung 11

II.2 Chọn phương án 12

ChươngIII 14

THIẾT KẾ MẠCH LỰC 14

III.1 Tính chọn van lực 14

III.1.1 Đặc điểm chung 14

III.1.2 Các thông số của Thyristor 14

III.1.3 Chọn Thyristor 15

III.2 Tính toán máy biến áp (MBA) lực 15

III.2.1 Tính toán sơ bộ mạch từ MBA 16

III.2.2 Tính toán dây quấn 17

III.2.3 Tiết diện cửa sổ MBA 18

III.2.4 Kết cấu dây quấn MBA 19

III.2.5 Tính các thông số của MBA 21

III.3 Thiết kế cuộn kháng lọc 23

III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại 23

III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc 24

III.3.3.Thiết kế cuộn kháng lọc 25

III.4 Tính chọn các thiết bị bảo vệ 27

III.4.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Thyristor 27

III.4.2.Bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor 28

III.4.3 Bảo vệ quá điện áp cho Thyristor 29

III.4.4 Bảo vệ chống tăng dòng dt di cho Thyristor 30

III.5 Phương pháp đảo chiều 30

III.5.1 Phương pháp điều khiển chung: 30

III.5.2.Phương pháp điều khiển riêng: 31

Chương IV 32

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 34

IV.1 Yêu cầu đối với mạch điều khiển 34

IV.2 Cấu trúc của mạch điều khiển Thyristor 34

IV.3 Các khâu cơ bản của mạch điều khiển 35

IV.3.1 Khâu đồng pha 35

IV.3.3 Khâu so sánh 39

IV.3.4.Khâu dạng xung 41

IV.3.5 Khâu khuếch đại xung và biến áp xung 41

IV.3.6.Khối nguồn 45

IV.3.7 Khâu phản hồi: 47

IV.3.8 Chọn các linh kiện bán dẫn 48

Chương I

CÔNG NGHỆ MẠ ĐIỆN VÀ CÁC YÊU CẦU KỸ THUẬT

I.1 Tìm hiểu chung về công nghệ mạ

Do sự phát triển của các ngành công nghiệp nói riêng và của nền kinh tế

nói chung nên ngày nay công nghệ mạ ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhất là

trong các ngành kỹ thuật điện, điện tử , công nghệ thông tin, làm đồ trang sức,…

để tăng độ chống ăn mòn, phục hồi kích thước, tăng độ cứng, dẫn điện, dẫn

nhiệt, phản quang, dễ hàn, làm bóng đồ trang sức… 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, năng lực công nghệ mạ, tính chất cần có ở lớp mạ và

giá thành chi tiết mạ

Ngày nay thường sử dụng quá trình mạ điện bằng điện phân theo sơ đồ như

hình I.1

Hình I.1: Sơ đồ bình điện phân

I.2 Các thành phần chính trong mạ điện phân

Mạ điện phân gồm các thành phần cơ bản sau:

I.2.1 Nguồn một chiều:

Bể điện phân Hình I.1 Sơ đồ nguyên lý mạ điện phân

Thiết kế bộ nguồn cho tải mạ điện, thì sau khi tìm hiểu về công nghệ mạ,

ta biết rằng loại nguồn cơ bản cho mạ điện là điện một chiều

Các loại nguồn một chiều có thể cấp điện cho bể mạ bao gồm pin, ắc quy,

máy phát điện một chiều, các bộ biến đổi Máy phát điện một chiều với nhược

điểm: cổ ghóp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn hiện

nay không được dùng trong thực tế Bộ biến đổi (BBĐ) có các ưu điểm: thiết bị

gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ tự động hoá, dễ điều khiển và ổn định dòng và áp

được dùng nhiều để làm nguồn cấp cho tải mạ điện Điện áp ra của BBĐ thấp:

3V, 6V, 12V, 24V,… Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà ta chọn BBĐ với điện áp ra

phù hợp

I.2.2 Anot

Anot là điện cực nối với cực dương của nguồn một chiều Trong quá trình

điện phân thì anot tan dần vào dung dịch điện phân theo phản ứng ôxi hoá ở điện

cực: M - ne = Mn+

Các cation kim loại (Mn+) tan vào dung dịch điện phân vàđi đến catot (chi tiết

cần mạ) và bám chặt lên trên bề mặt catot

*Yêu cầu kỹ thuật: để đảm bảo chất lượng mạ thì trước khi điện phân thì

anot cần phải được đánh sạch dầu mỡ, bụi, lớp rỉ,…

I.2.3 Catôt (chi tiết cần mạ)

Catôt là điện cực được nối với cực âm của nguồn một chiều

Trên bề mặt catôt luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ:

Mn+ + ne = M ↓

Các nguyên tử kim loại mạ được sinh ra tạo thành lớp kim loại bám lên trên bề

mặt catôt gọi là lớp mạ

*Yêu cầu kỹ thuật:

Để đảm bảo chất lượng của lớp mạ thì trước khi thực hiện quá trình mạ

điện cần phải quan tâm tới độ sạch và độ bóng của bề mặt chi tiết cần mạ

-Độ sạch của bề mặt chi tiết cần mạ càng cao thì các nguyên tử kim loại

mạ càng có khả năng liên kết trực tiếp với mạng tinh thể kim loại của chi tiết để

đạt được độ gắn bám cao nhất giữa lớp mạ và chi tiết cần mạ

-Độ nhẵn của bề mặt chi tiết cần mạ 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 Bề mặt chi tiết sau mạ có thể có chỗ lõm, chỗ

lồi, hoặc xuất hiện rãnh sâu

Vậy để lớp mạ bám chặt vào bề mặt chi tiết và lớp mạ đều hơn, bóng hơn,

chất lượng lớp mạ cao,…thì catôt cần phải được gia công bề mặt nhẵn bóng,

sạch lớp bụi, lớp rỉ…trước khi đưa vào mạ

Catôt sau khi được đánh bóng, sạch cần phải nhúng gập trong dung dịch

điện phân, không sát đáy bể điện phân

Chỗ nối catốt với nguồn một chiều phải đảm bảo tiếp xúc tốt, không gây

hiện tượng phóng điện trong quá trình điện phân Tuyệt đối không được để chạm

trực tiếp giữa catôt và anot khi đã nối mạch điện

I.2.4 Dung dịch điện phân:

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 như mong muốn

+ Dung dịch muối đơn: Còn gọi là dung dịch axit, cấu tạo 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 hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng

phức tạp

- Chất dẫn điện : Đóng vai trò dẫn dòng điện trong dung dịch

và bóng hơn

- Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng

- Chất thấm ướt: Trên Catot thường có phản ứng phụ sinh khí Hydro

Chất này thúc đẩy bọt khí mau tách khỏi bể mạ, làm cho quá trình mạ nhanh

hơn

*Yêu cầu kỹ thuật:

-Dung dich mạ phải có độ dẫn điện cao để giảm tổn thất điện trong quá

trình mạ đồng thời làm cho lớp mạ đòng đều hơn

-Trong dung dịch mạ thì mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực

điện cực Trong quá trình mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh

hưởng đến chất lượng của lớp mạ Mật độ dòng điện cao làm cho quá trình phân

cực nhanh làm cho lớp mạ mịn, sít chặt và đồng đều vì khi đó các nguyên tử kim

loại mạ được sinh ra rất nhanh

Nhưng nếu mật độ dòng điện quá cao thì có thể lớp mạ sẽ bị cháy Ngược

lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô, không

đều làm lớp mạ kém chất lượng

Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lượng mạ cao trong một

khoảng mật độ dòng điện nhất định Tuỳ theo yêu cầu và đặc thù của các chi tiết

cần mạ mà chọn dung dịch mạ có mật độ dòng điện phù hợp

-Mỗi dung dịch mạ sẽ cho chất lượng lớp mạ tốt trong một khoảng nhiệt

độ và độ pH và nhất định

I.2.5 Bể điện phân

Bể điện phân làm bằng vật liệu cách điện, bền về hoá học, nhiệt độ, và

không thấm nước

I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ

Thông thường để thực hiện mạ ta dùng dòng điện không đảo chiều cấp vào

anôt và catôt Nhưng trong một số trường hợp mạ đặc biệt, mạ đồ trang sức bằng

các kim loại quí như: vàng, 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:

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 mạnh nhất nên tan nhanh nhất, kết quả là thu được

lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ lệ tc: ta cho hợp lý

(5:1 đến10:1)và T thường từ 5:10s Với yêu cầu cụ thể trong đồ án này thì tỷ lệ

tc: ta luôn không đổi là 10:1

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

I.4.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp mạ

Chất lượng mạ một chiều được qui định bởi các yếu tố sau: độ bám chặt, độ

bóng, độ dày lớp mạ Chế độ dòng điện cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng

Tuỳ theo yêu cầu của sản phẩm như: cần độ bền cơ học cao hay thấp, mức

độ chống 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

I.4.1.Độ bám của lớp mạ

Đây 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 xấu, dễ bị ôxi hoá có thể dẫn đến hỏng… không đáp ứng

được yêu cầu chất lượng của lớp mạ

I.4.2.Độ bóng của bề mặt lớp 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 Đồng thời độ bóng lớp mạ cao

sẽ tăng độ bền cơ học cho chi tiết mạ 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 san đều lớp mạ

Chương II:

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP CHO NGUỒN MẠ MỘT CHIỀU

II.1 Tổng quan chung

Trong công nghệ mạ điện thì nguồn mạ một chiều là yếu tố hết sức quan

trọng, có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình trình mạ và chất lượng lớp mạ thu

được

Công nghệ chế tạo các linh kiện bán dẫn ngày càng chính xác, hoàn thiện,

độ tin cậy cao, kích thước nhỏ cùng với các ưu điểm vượt trội của các bộ biến

đổi (BBĐ): thiết bị gọn nhẹ, tác động nhanh, dễ điều khiển và ổn định

dòng…Do vậy nên các BBĐ được sử dụng làm nguồn mạ một chiều

Để chọn BBĐ phù hợp với yêu cầu công nghệ đề ra ta xét một số đặc

điểm của các phương án sau:

1.1.Chỉnh lưu cầu một pha: được ứng dụng trong các mạch có công suất nhỏ

nhưng không phù hợp với điện áp tải nhỏ

1.2.Chỉnh lưu hình tia hai pha: được sử dụng trong mạch có công suất nhỏ và

điện áp tải thấp, dòng điện tải lớn Bởi vì, trong sơ đồ này tổn hao trên van bán

dẫn ít hơn, nên công suất tổn hao trên van so với công suất tải nhỏ hơn, hiệu suất

thiết bị cao hơn

1.3.Chỉnh lưu hình tia ba pha: được ứng dụng trong mạch có công suất trung

bình và điện áp tải thấp

1.4.Chỉnh lưu cầu ba pha: có bộ tham số tốt nhất, được ứng rộng rãi nhất trong

toàn bộ dải công suất từ nhỏ đến lớn nhưng không phù hợp với điện áp tải thấp

II.2 Chọn phương án

Theo yêu cầu công nghệ:

Nguồn mạ một chiều cần thiết kế là nguồn có:

Điện áp ra : Ud = 6÷12 (V) Dòng tải max : Id =100(A) Thời gian thuận : 50÷200 (s) Thời gian ngược : 5÷20 (s) Tức điện áp tải thấp, công suất trung bình và dòng lớn Qua phân tích trên thì

nên chọn chỉnh lưu hình tia hai pha làm nguồn mạ một chiều

Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu tia hai pha có dạng như hình II.1:

Trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha có:

+ Một máy biến áp hạ áp một pha hai cuộn thứ cấp có điểm trung tính

-Sơ cấp biến áp có điện áp U1 là điện áp lưới xoay chiều 220V, với số vòng

dây là W1

-Thứ cấp biến áp có điện áp U2: 12V- 0V- 12V, với số vòng dây W21 và

W22 Hai cuộn thứ cấp này phải có thông số giống hệt nhau

+Hai Thyristor T1, T2 để chỉnh lưu dòng xoay chiều từ điện áp lưới thành

điện áp một chiều ra tải

Nửa chu kỳ đầu giả sử điện áp u21 dương hơn u22 thì Thyristor T1 có khả

năng dẫn nhưng chưa dẫn ngay cho tới thời điểmθ= α thì đưa xung vào mở T1,

T1 bắt đầu dẫn Khi đó điện áp của chỉnh lưu có dạng điện áp u21 như hình II.2

Nhưng do tải có tính cảm lớn nên khi u21 =0 thì T1 vẫn dẫn cho tới khi T2 được

mở

Nửa chu kỳ sau điện áp u22 dương hơn u21 thì Thyristor T2 có khả năng dẫn

nhưng chưa dẫn ngay cho tới thời điểmθ= π +γ +α thì đưa xung vào mở T2, T2

bắt đầu dẫn Khi đó điện áp của chỉnh lưu có dạng điện áp u22 như hình II.2 Khi

u22 = 0 thì T2 vẫn dẫn cho tới khi T1 được mở trở lại

Như vậy điện áp ra tải sau chỉnh lưu hình tia hai pha có dạng như hình II.2

Điện áp tải có tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều (fđm = 2f1)

Khi dòng điện, điện áp tải liên tục: Ud = Udo.cosα

Trong đó:

U do - Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng U do = 0,9.U 2

α - Góc mở của các Thyristor

Điện áp ngược cực đại qua van: Unv =2 2.U~

Dòng điện trung bình qua van: Itb =

ChươngIII

THIẾT KẾ MẠCH LỰC

III.1 Tính chọn van lực

III.1.1 Đặc điểm chung

Việc tính chọn van cho mạch lực dựa vào các thông số: điện áp làm việc,

dòng điện tải, dòng trung bình qua van hay dòng điện làm việc cực đại của van

trong sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt

• Loại van nào có sụt áp ΔU nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn

• Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn

• Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt

hơn

• Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất

điều khiển thấp hơn

• Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn Tuy nhiên,

trong đa số các van bán dẫn thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn

hao công suất

III.1.2 Các thông số của Thyristor

-Điện áp ngược đặt lên van: Ung =knv U2 = knv

)

Chọn hệ số dự trữ điện áp: kdt =1,6

Điện áp ngược của van cần chọn: Unmax = kdt Ung = 1,6 37,67 = 60,3(V)

-Dòng trung bình qua Thyristor: Itb = 50(A)

2

1002

-Dòng làm việccủa Thyristor: Ilv = 70,71(A)

2

1002

Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toả

nhiệt, không có quạt đối lưu không khí

Khi đó chọn hệ số dự trữ dòng làm việc : kdtI = 1,8

Dòng điện làm việc cực đại của Thyristor: Ilvmax = 1,8.70,71=127,28(A)

III.1.3 Chọn Thyristor

Từ các thông số trên ta chọn Thyristor (theo dòng điện làm việc cực đại):

151RC có:

Điện áp ngược cực đại của van : Ungmax = 100(V)

Dòng điện định mức của van : Ilvmax= 150(A)

Dòng điện đỉnh cực đại : Ipic max = 4000(A)

Dòng điện của xung điều khiển : Ig max =150mA

Điện áp của xung điều khiển : Ug max = 2,5(V)

Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn: ΔU = 1,7(V)

Tốc độ biến thiên điện áp : 200(V/s)

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : tcp =1250C

III.2 Tính toán máy biến áp (MBA) lực

Chọn máy biến áp một pha thứ cấp có điểm trung tính, làm mát bằng

không khí tự nhiên

+ Công suất biểu kiến của MBA: S =ks.Pd =1,48.1200=1776(VA)

(ks là hệ số công suất MBA, với mạch chỉnh lưu hình tia 2 pha: ks =1,48)

Ta có phương trình cân bằng điện áp không tải:

Ud0.costα = Umin d +ΔUv +ΔUdn +ΔUbaTrong đó: α =10min 0 – là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp

Δ =1,7 (V) - sụt áp trên Thyristor Uv

ΔUdn =0(V)- là sụt áp trên dây nối

UxU

10tcos

6,007,112t

cos

UU

UU

min

ba dn

v

α

Δ+Δ+Δ++ Điện áp sơ cấp MBA: U1 =220(V)

22

52,14.22

U 0

=π

=π+ Công suất MBA khi không tải: Pdo =Id.Ud0 = 100.16,13 = 1613(V)

+ Công suất biểu kiến của MBA khi không tải: S0 =ks.Pd0 =1,48.1613=2387(VA)

2

1002

+ Dòng điện sơ cấp MBA: I1 = 70,71 5,18(A)

220

13,16I

U

U

2 1

III.2.1 Tính toán sơ bộ mạch từ MBA

Tiết diện trụ được tính theo công thức kinh nghiệm: QFe =kQ (cm )

f

m

Trong đó: kQ là hệ số phụ thược phương thức làm mát

kQ=4÷ với MBA dầu 5

kQ=5÷ với MBA khô, Chọn k6 Q =6

→QFe =6 41,46(cm )

50.1

Do Sba =2387VA<10kVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật với chiều rộng trụ

là a(cm) chiều dày trụ là b(cm)→ QFe =a.b =41,46(cm2)

Chọn MBA hình chữ E được ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có

Bề dày tôn : 0,35mm

Tổn hao là : 1,7 W/kg

Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm3

Tiết diện của trụ: QFe=a.b(cm2)

Theo kinh nghiệm thì tỉ lệ b/a=(0,5 ÷1,5) là tối ưu nhất

→Chọn a=6(cm)

6

46,41

a

Từ cảm trong trụ: B=1,1T

III.2.2 Tính toán dây quấn

- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:

3,2171,1.10.46,41.50.44,4

220B

.Q.f

44,

4

U

Fe 1

18,5J

chuẩn: S1 = 1,9113(mm2)

-Kích thước dây có kể cách điện : Scđ1= 1,65 2,14

4d

.4

2 2

18,5S

71,70J

-Kích thước dây có kể cách điện: S2 = a2 b2 = 3,8.6,9=26,22(mm2)

70,25

71,70S

III.2.3 Tiết diện cửa sổ MBA

-Diện tích cửa sổ MBA: Qcs = Qcs1 + Qcs2

Qcs1 = klđ.W1.Scđ1

Qcs2 = klđ.W2.Scđ2

Trong đó: Qcs là diện tích cửa sổ (mm2)

Qcs1, Qcs2 là diện tích do cuộn sơ và thứ cấp chiếm chỗ (mm2)

W1, W2 là số vòng dây cuộn sơ và thứ cấp MBA

Trong đó: h: là chiều cao cửa sổ(mm)

c: là chiều rộng của cửa sổ(mm)

5,0

2c

4

8,17674

Q

=+

=

→

)(1446084

)(16260.221.2

mm H

mm C

III.2.4 Kết cấu dây quấn MBA

Dây quấn được bố trí theo dọc trục Cuộn thứ cấp (HA) quấn sát trụ, cuộn

sơ cấp (CA) quấn bên ngoài Mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây, mỗi

lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau Các lớp dây cách điện với

nhau bằng các bìa cách điện

• Kết cấu dây quấn thứ cấp

-Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp: k (

b

h.2h

n

g 2

l

−

Trong đó: h- là chiều cao của sổ, h=84(mm)

hg – là khoảng cách cách điện với gông, chọn hg = 2(mm)

kc – là hệ số ép chặt, kc =0,95

01,1195,0.9,6

2.284

-Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp : 1,45

01,11

w

→ Chọn nl2 = 2 lớp

Vậy cuộn thứ cấp có 16 vòng chia làm 2 lớp, mỗi lớp có 8 vòng

-Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp : 58,11(mm)

95,0

9,6.8k

b.Wh

c

2 12

-Đường kính trong của cuộn thứ cấp : Dt2 = b+ 2.a02 =7+ 2.1=9 (cm)

(a02=1(cm) - là khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp)

Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd22 = 0,1(mm)

• Kết cấu dây quấn sơ cấp :

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

Trong đó : ke = 0,95 hệ số ép chặt

h : chiều cao cửa sổ, h=84(mm)

hg : khoảng cách cách điện của cuộn dây sơ cấp với gông Chọn sơ bộ khoảng cách hg=2.dn =2.1,65=3,3(mm)

65,1

3,384

46,46

217w

wn

,0

65,1.44k

d.wh

c

n 11

Chọn khoảng cách từ cuộn thứ cấp tới cuộn sơ cấp a21= 1,0(cm)

-Đường kính trong của cuộn sơ cấp:

Dt = Dn2 + 2 a21 = 10,56 + 2.1 = 12,56(cm)

Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1(mm)

-Bề dày cuộn sơ cấp:

III.2.5 Tính các thông số của MBA

-Điện trở trong cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C :

)(913,014,2

59,91.02133,0S

l.R

5.02133,0S

16.(

913,000407,0)w

w.(

RR

1

2 1 2

-Sụt áp trên điện trở máy biến áp : ΔUr = Rba Id = 9,03.10-3 100 =0,903(V)

-Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp :

)(0077,010.14,3)

3

0078,000875,001,0.(

811,5

5,4.16 8X

10.)

3

BdBda

.(

h

r.)w.(

.8X

7 2

2 ba

7 2

1 21

2 t 2 2

2 ba

Ω

=

++

π

=

π

++

h- là chiều cao cửa sổ lõi thép (cm)

a21 là bề dày cách điện giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp (m)

Bd1, Bd2 là bề dày cuộn sơ cấp và thứ cấp (m)

-Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp:

)mH(0245,0)H(10.45,2314

10.7,7w

X

3 ba

-Sụt áp trên điện kháng MBA: Ux 1.Xba I.d 1.0,0077.100=0,245(V)

π

=π

=Δ

-Sụt áp trên MBA: U U U 2 0,9032 0,2452 0,936(V)

x

2 r

Δ

-Điện áp trên động cơ khi có góc mở αmin =10 0

U = Udo.cosαmin - ΔUv - ΔUba = 14,52.cos100 - 1,7 - 0,936=11,663(V)

-Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp :

)(012,00077,000903,0X

R

ba

2 ba

-Tổn hao ngắn mạch trong MBA:

%89,1100.2387

15,45100.S

P

%P

)W(15,4571,70.00903,0I

RP

n n

2 2

2 ba n

=

=

Δ

=Δ

=

=

=Δ

13,16

71,70.00903,0100.U

I

RU

2

2 ba

-Điện áp ngắn mạch phần kháng: Unx =Xba 100 3,38%

13,16

71,70.0077,0100.U

-Dòng điện ngắn mạch xác lập: 1344,17(A)

012,0

13,16Z

UI

ba

2 nm

2 max

π

+

=

)A(4000I

)A(1949)

e1.(

17,1344.2

0396 , 0

Kiểm tra MBA thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến trên của dòng

điện chuyển mạch

Giả sử chuyển mạch từ T1 sang T2:

)s/A(100)

dt

di()s/A(862,1/dt

di

)s/A(10.62,1810

.45,2

13,16.22L

U.22)

dt

di

(

)sin(

.U.22udt

di.L

CP max

c

5 5

ba

2 max

c

2 c

c ba

=

=

−

Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt

-Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu: 100% 68%

1776

100.12

III.3 Thiết kế cuộn kháng lọc

Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu cũng làm cho dòng điện tải cũng đập

mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều Với công nghệ mạ điện

thì nó làm cho chất lượng của lớp mạ không cao: lớp mạ không đều, không,

không đạt được các tiêu chuẩn đã đưa ra: bền – bóng- đẹp…

Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng

lọc đủ lớn để Im ≤ 0,1.Iưdm Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao,

cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn

III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại

+ Chọn góc mở cực tiểu αmin=100 Với góc mở αmin là dữ trữ, ta có thể bù được

sự giảm điện áp lưới

-Khi góc mở nhỏ nhất: α = αmin thì điện áp trên tải là lớn nhất:

Udmax=Udo.cosαmin =0,9.U2.cos10=0,9.24.cos10=21,27(V)

-Khi góc mở lớn nhất: α = αmax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất:

Udmin=Udo.cosαmax

2

min d do

min d

24.9,0

6arccos)

U.9,0

Uarccos(

U

U

=α

III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc

Thông thường khi đánh giá ảnh hưởng của đập mạch dòng điện theo trị

hiệu dụng của sóng hài cơ bản, bởi vì sóng cơ bản chiếm một tỷ lệ vào khoảng

(2%÷5%) dòng điện định mức tải

Mặt khác trong sơ đồ chỉnh lưu thì thành phần sóng cơ bản (k=1) có biên

độ lớn nhất Biên độ sóng hài bậc càng cao thì càng giảm Tác dụng của cuộn

kháng lọc với các thành phần sóng hài bậc càng cao thì càng hiệu quả Do vậy

khi tính điện cảm của cuộn kháng lọc chỉ cần tính theo thành phàn sóng cơ bản

là đủ

+ Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc để lọc thành phần dòng điện đập mạch:

dm

* 1

max bd L

I

%

I

.m.k.2

100.UL

I1*% là trị số hiệu dụng của dòng điện sóng cơ bản (A)

Iđm là dòng điện định mức của chỉnh lưu(A)

I1*%<10%Iđm=10(A) + Khi tính Ubđmax thì thường tính cho trường hợp góc mở van lớn nhất αmax theo

max

1m.k

cos.2U

U

)V(2887,73tg.2.1112.1

87,73cos.2.24.9,0

2 2

0 max

−

=

)mH(15,3)H(10.46,31100.10.314.2.2.2

100.28

Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc LCKL cần mắc thêm để lọc thành phần dòng

điện đập mạch: LCKL = LL- Ld -Lba (Coi điện cảm tải Ld =0)

→LCKL = 3,15 - 0,0245 = 3,1255 (mH)

III.3.3.Thiết kế cuộn kháng lọc

+ Các thông số ban đầu:

-Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: LCKL = 3,1255 mH

-Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : Iđm = 100A

-Biên độ dòng điện xoay chiều bậc1: I1m = 10% Idm = 10A

Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé do đó ta có thể coi tổng trở

cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng lọc :

Zk = XKL =2.π.f’ LCKL =2π.2.50 3,1255.10-3 = 1,964(Ω)

-Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc:

13,89(V)2

10.964,12

I.Z

1013,89

2

IΔU

-Tiết diện từ cực chính của cuộn kháng lọc:

)5(cm9,42.50

98,25

f

Sk

'

Chọn trụ hình chữ nhật có tiết diện Q=5cm2 với chiều rộng trụ là a(cm), chiều

dày trụ là b(cm) sao cho 1,3

a

3,

15 =

Chọn a=2(cm) → b= 2,5(cm)

2

5 =Chọn loại thép tồn tại 330 A tấm thép dày 0,35mm có chiều rộng a= 20mm và

chiều dài b= 25mm

Chọn mật độ từ cảm trong trụ Bt = 0,8(T)

Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng lọc thì trong điện

cuộn kháng lọc sẽ xuất hiện một sức điện động: Ek=4,44.w.f’.Bt.Q

Gần đúng coi Ek=ΔU = 13,89V

13,89.Q

-Dòng điện chạy qua cuộn kháng : ik = Id + I1m.cos(2.θ + ϕ1)

-Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng:

)A(25,100)

2

10(100)

2

I(I

d

Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J=2,75(A/mm2)

-Tiết diện dây cuốn cuộn kháng: 36,45(mm )

75,2

25,100J

I

Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật cách điện cấp B có tiết diện dây: Sk=36,7(mm2)

Với kích thứơc dây: ak = 4,7mm, bk =8mm

36,7

100,25S

0,7

78.36,7k

2.hhw

Wn

-Bề dày cuộn dây: Bd= (a1+ cd1) n1 = (4,7 + 0,1).11 = 52,8(mm)

-Tổng bề dày cuộn dây: Bd2= Bd + a01 = 52,8 + 3 = 55,8(mm)

-Chiều dài của vòng dây trong cùng

6,44085,1082

ll

-Điện trở của dây quấn ở 75 0 C:

)Ω0,0125(

36,70

.78274,73.100,02133

S

w.l.ρ

Ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng

III.4 Tính chọn các thiết bị bảo vệ

III.4.1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Thyristor

Khi làm việc, do luôn có sụt áp trên van nên luôn có tổn hao công suất Δp

Tổn hao này sẽ sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn

Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp

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 kế hệ thống toả nhiệt hợp lý cho van

+Tính toán cách toả nhiệt:

Tổn thất công suất trên 1 Thyristor: Δp=ΔU.Ilv =1,7.70,71=120,207(W)

Diện tích bề mặt toả nhiệt:

τ

Δ

=.k

PS

m tn

Trong đó: Δp : tổn hao công suất (W)

km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn km=8 (W/m2 0C)

τ - Độ chênh nhiệt độ làm việc so với nhiệt độ môi trường (Tmt =

Nhiệt độ cho phép làm việc của Thyristor: Tcp=1250C

207,120

Chọn loại cánh toả nhiệt có 20 cánh

Kích thước mỗi cánh: S= a.b=10.10(cm2)

Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: Stn =20.2.10.10=4000(cm2)

III.4.2.Bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor

Để bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor thì thường sử dụng các thiết bị sau:

+Áptômát dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và

ngắnmạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA

ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu

380.3

2387380

.3

-Dòng quá tải Iqt =1,5 Ilv = 1,5.3,63=54,45(A)

Từ đó chọn Áptômát SA63B do hãng FuJi chế tạo, có: Iđm=60A, Uđm = 380 V

Chọn cầu dao có dòng định mức Iqt= 1,1 Ilv = 1,1 3,63=3,993 A

Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và

dùng để đóng, cắt bộ nguồn chỉnh lưu khi khoảng cách từ nguồn cấp tới bộ

chỉnh

lưu đáng kể

Dùng cầu chì dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor,

ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu