Công nghệ mạ xoa

Tài liệu tham khảo Công nghệ mạ xoa

i Mục luc

Chơng I Giới thiệu khái quát về công nghệ mạ xoa

I Giới thiệu chung.

II Qúa trình hình thành lớp mạ xoa

1 Khái niệm cơ bản về mạ xoa

2 Điều kiện tạo thành lớp mạ xoa

3 Đặc điểm của lớp kim loai mạ

III Các yếu tố ảnh hởng đến chất lợng lớp mạ

2 Chỉnh lu dùng các thiết bị điện tử công suất.

II Các phơng pháp điều kiển điện áp chỉnh lu

1 Điều chỉnh điện áp bằng biiến áp tự ngẫu

2.Điều chỉnh điện áp bằng thiềt bị bán dẫn

3 Điều chỉnh điện áp dùng cho bộ chỉnh lu III các sơ đồ chỉnh lu có điều khiển

A các sơ đồ chỉnh lu một pha có điều khiển

1 Chỉnh lu một pha nửa chu kỳ có điều khiển

2 Chỉnh lu một pha hai nửa chu kỳ có điều khiển

3 Chỉnh lu cầu một pha có điều khiển

4 Chỉnh lu cầu một pha không đối xứng

B Các sơ đồ chỉnh lu ba pha có điều khiển

1 Chỉnh lu ba pha có điều khiển

2 2.Chỉnh lu tia sáu pha có điều khiển

3.Chỉnh lu cầu ba pha có điều khiển đối xứng

3 4.Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng Chơng III Thiết kế mạch động lực

I Tính và chọn van trong mạch động

1.Tính các thông số của van 2.Chọn van

II Tính toán máy biến áp động lực

1 Tính toán các đại lợng điện cơ bản

2 Tính toán các kích thớc của máy biến áp 3.Tính toán các tham số ngắn mạch

4.Tính toán cuối cùng của mạch từ 5.Tính toán tổn hao không tải ChơngIV :Thiết kế mạch điều khiển.

I Nguyên tắc điều khiển Tiristor trong mạch xoay chiều

1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính

2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng Cosin

II Tính các khâu trong mạch điều khiển

1 Sơ đồ của mạch điều khiển

2 Chọn khâu đồng pha

3 Chọn khâu so sánh

3 .Chọn khâu khuếch đại tạo xung

4 Sơ đồ mạch điều khiển một kênh

III Tính chọn các linh kiện của mạch điều khiển

1 Tính biến áp xung

2 Chọn IC khuếch đại thuật toán

3 Chọn khâu khuếch đại toạ xung.

2.Bảo vệ nắn mạch điện 3.Bảo vệ quá nhiệt cho van

V Vấn đè ổn định thông số đầu ra của nguồn mạ xoa

Kết luận

Tài liệu tham khảo

chơng I

I tổng quan về mạ xoa

Chất lợng bề mặt của chi tiết máy với các đặc tính nh khả năng chịu màimòn ,chịu nhiệt ,tính trơ hoá học , chống rỉ có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ ,độtin cậy của chúng Xu thế nâng cao năng suất và tác động nhanh của thiết bị làmcho điều kiện làm việc của chúng thêm khắc nhiệt Ngoài ra ,nhu cầu sử dụng thiết

bị ngày càng nhiều ,trong khi giá thanh chế tạo cao vì vậy việc phục hồi các chitiết sau một thời gian làm việc đã h hỏng mất giá trị sử dụng (nh không đủ kích th-

ớc , không đủ độ bền , không đảm bảo liên kết lắp ghép ) có ý nghĩa kinh tế vôcùng lớn

Tới thế kỷ 20 bề mặt vật liệu đã đợc sử lý bằng những công ngệ phủ hoá lý khácnhau Vật liệu phủ có thể là kim loại nguyên chất ,hợp kim nhiều thanh phầnpolyme gốm silíc ,vật liệu quang ,từ ,vớ các phơng pháp phủ nh :phủ điện hoá ,hoáhọc ,phun tĩnh điện ,phun hồ quang ,phun lasma ,phun siêu âm ,PCD,CDV cấy cácion và đặc biệt là kỹ thuật mạ xoa

Kỹ thuật mạ xoa là sự phát triển mới của kỹ thuật mạ điện , là một nội dungquan trọng của công nghệ bề mặt , ở một số nớc trên thế giới , đã đợc coi là hạngmục kinh tế mới cấp quốc gia và là trọng điểm để nghiên cứu và phổ cập ứng dụng

Mạ xoa cũng giống nh các phơng pháp mạ điện khác ,đợc chấp nhận và rất hữuích trong việc tái chế lại các chi tiết máy đã bị h hỏng do sử dụng hoặc gia côngsai Hiện nay các chi tiết nh vậy đã đợc thu hồi và tái sử dụng nhờ công nghệ mạxoa đặc biệt này ,và có khả năng trở về trạng thái mới Trong nhiều trờng hợp cácchi tiết này lại có tính chống mòn với tuổi thọ cao hơn chi tiết mới Do vậy ,côngnghệ mạ xoa này đợc ng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp và quân sự Mạ xoa là một công nghệ bề mặt tiên tiến Nó cho phép vừa phục hồi kíchthứơc vừa tạo đợc chất lợng bề mặt cao về độ cứng , khả năng chịu mài mòn ,độbền Do đó nó đợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh tế nh đầu máy toa xe,hàng không ,tầu thuyền , cơ giới công trình ,thiết bị điện tử

II Quá trình hình thành lớp mạ :

1 khái niệm về mạ xoa

Mạ xoa là phơng pháp mạ điện khi sử dụng bút xoa Cơ cấu của thiết bị baogồm : M ột bộ nguồn điều khiển vô cấp , cấp điện âm (-) cho chi tiết mạ và điện ápdơng (+) cho bút xoa Khi thực hiện quá trình mạ xoa , phải có sự chuyển động t-

ơng đối giữa bút xoa và chi tiết mạ trong khi dung dịch mạ đợc cung cấp liên tụcbằng máy bơm dung dịch Quá trình mạ chỉ diễn ra ở những nơi bút xoa chi tiếttiếp xúc với chi tiết gia công Sơ đồ nguyên lý của chung của hệ thống thiết bị mạxoa đợc thể hiện ở hình 1

Trong dung dich mạ xoa , chỉ phóng điện hoàn nguyên kết tinh tại nơi tiếp xúcgiữa bút mạ xoa và chi tiết Sự dịch chuyển của bút mạ hạn chế sự lớn lên và sátnhập của các hạt tinh thể , do đó trong lớp mạ tồn tại rất nhiều các hạt tinh thể nhỏmịn và lệch vị , dẫn tới nâng cao củng cố độ cứng của lớp mạ

Dung dịch mạ xoa thông qua bút xoa đợc cung cấp kịp thời lên bề mặt làm việc, rút ngắn quá trình khuếch tán ion kim loại ,khiến cho không nảy sinh hiện tợngthiếu ion Do hàm lợng ion trong kim loại rất cao cho phép sửa dụng dòng điệncao hơn bể mạ rất nhiều , do đó hình thành lớp mạ cao

Nguyên lý của kỹ thuật mạ xoa có thể biểu thị bằng công thức sau :

Mn+ +ne ⇒ M

Trong đó Mn+:ion kim loại

n:Hoá trị của kim loại

e :Điện tử

m :nguyên tử kim loại

1Nguồn điện mạ 2 Chi tiết mạ 3 Bút xoa

4 Lớp b3ọc anode 5 Bơm dung dịch 6 Khay đựng dung dịch

Hình1.Sơ đồ nguyên lý của hệ thống thiết bị mạ xoạ

2 điều kiện tạo thành lớp mạ

Muốn hoà tan kim loại vào lớp mạ vào trong dung dịch hay làm kết tủa ionkim loại đó lên bề mặt lớp nền thì cần phải tiêu tốn một điện thế để tạo sự cânbằng giữa kim loại điện cực và ion của nó trong dung dịch và điện thế này gọi là

điện thế cực Mặt khác , nồng độ ion M+ ở vùng katốt và bên trong dung dịch có

sự sai lệch nên sinh ra một hiệu điện phân cực nồng độ Việc xuất hiện các nguyên

tố xung quanh điện cực mà chủ yếu là Hiđrô ở katôt và ion ở anốt đã tạo ra mộthiệu điện thể gọi là phân cực hoá học Ngoài ra cũng cần một năng lợng để giảiphóng các nguyên tố đã phóng điện ở trên cực đợc gọi là quá thế Vì thế để tạothành lớp mạ điện thì điện thế đặt lên anốt và catốt phải lớn hơn hoặc bằng điệnthế điện cực , các thế phân cực và quá thế công lại nhng phải ngợc dấu với chúng

3 Đặc điểm của lớp kim loại mạ :

-Lớp mạ mịn không có tạp chất , chịu mài mòn tốt

-Độ dầy của lớp mạ phục hồi thờng là 0,001-2 mm Khi khôi phục rãnh , độdày của lớp mạ có thể đạt đợc 3 mm

-Độ cứng của lớp mạ phụ thuộc vào vật liệu mạ song thờng ở trong khoảng nhsau :

+ Cu:15-20 HRC

+Ni:48-52 HRC

+Cr:58-65 HRC

III các thông số công nghê cơ bản của kỹ thuật mạ xoa.

Điện thế và dòng điện mạ :ảnh hởng trực tiếp đến chất lợng lớp mạ Nếu điệnthế cao,dòng điện mạ xoa lớn ,tốc dòng mạ xoa tăng nhanh , để hình thành lớp mạthô xốp Dòng điện lớn làm phát sinh nhiệt nhiều ,tăng nhiệt độ dung dịch mạxoa, tốc độ mạ xoa càng nhanh ,bế mặt lớp mạ càng khô nhanh,làm tốn nhiềudung dịch mạ , dơng cực dễ bị cháy khiến cho lớp mạ bị đen và thô rám ,thậm chíbong ra do quá nhiệt Nếu điện thế quá thấp hơn yêu cầu , tốc độ hình thành lớpmạ quá chậm , đồng thời lớp mạ cũng thấp Muốn cho chất lợng lớp mạ đảm bảohiệu suất sản suất , cần xác định phạm vi sử dụng của hiệu điện thế tuỳ theo dungdịch mạ ,

IV đặc điểm dung dịch mạ xoa :

-Dung dịch mạ xoa phần lớn là dung dịch của các hợp chất hữu cơ của kim loạihoà tan trong nớc và có tính ổn định cao

-Dung dịch mạ xoa có hàm lợng ion trong dung dịch cao hơn dung dịch mạ điệnthông thờng một vài lần cho nên năng xuất rất cao Tốc độ mạ gấp3 đến 5 lầndung dịch bình thờng

-Nhìn chung phần lớn các loại dung dịch mạ xoa không cháy , không độc vìphần lớn dung dịch mạ là trung tính , do đó có thể đảm bảo thao tác thủ công antoàn

-Tính ổn định của dung dịch mạ xoa cho phép có thể sử dụng tuần hoàn trongmột thời gian dài ,trong một phạm vi nhiệt độ , mật độ dòng tơng đối rộng trongquá trình sử dụng mà không cần thiết phải điều chỉnh nồng độ cuả ion kim loại -Hiện nay đã chế tạo thành công ở thể rắn thành phần của dung dịch mạ xoakhiến cho việc vận chuyên và bảo quản rất thuận tiện

V Gia công bề mặt kim loại trớc khi mạ

Đây là công đoạn quan trọng nhất trớc khi tiến hành phơng pháp mạ bởi vì

nó có tính quyết định đến chất lợng sản phẩm mạ Nhiệm vụ của công đoạn này làlàm sạch hết các lớp rỉ, các màng ôxit, màng dầu mỡ , tạp chất và làm sạch bề mặtchi tiết kim loại mạ, giúp cho các nguyên tử kim loại mạ đễ dàng gắn bám trên bềmặt chi tiết tạo lớp mạ bền và mịn Quá trình gia công bề mặt kim loại gồm 2 bớc:

1 gia công cơ học

Trớc tiên chi tiết đợc mài và đánh bóng, công đoạn này nhằm làm sạch hết

rỉ, các màng ôxit, tạp chất…để bề mặt chi tiết đợc đồng đều và nhẵn hơn sau đótiến hành đánh bóng dùng cát mịn và chất đánh bóng để bề mặt chi tiết đợc nhẵnthêm và bóng sáng hơn Gia công cơ học gồm có:

Đối với những vật bé, nhỏ ngời ta dùng phơng pháp quay để làm sạch bềmặt cho vật đó khỏi các tạp chất và màng ôxit đồng thời tạo độ bóng cho vật đó

- Đối với các vật có nhiều khe kẽ răng rãnh v.v… có thể sử dụng bàn chải quaybằng dây thép dây đồng thau hoặc bằng rễ cây và thờng chải ớt bằng dungdịch xà phòng

- Đối với các vật mạ có thớc to và khó di chuyển thì dùng tia cát hoặc tia nớc có

áp suất cao phun lên bề mặt gia công làm bong hết chất bẩn dầu mỡ và màng

ôxit

2 làm sạch bề mặt vật mạ

Sau quá trình gia công cơ học trên bề mặt vật thể còn bám lại các chất dầu

mỡ và chất đánh bóng Do đó phải tẩy sạch vật thể rồi mới đem đi mạ, quá trìnhgồm hai bớc sau

* Tẩy bằng dung môi hữu cơ.

Làm sạch các loại dầu, mỡ khoáng, thuốc đánh bóng , dầu mỡ bảo quản…saukhi tẩy trong dung môi hữu cơ trên bề mặt vật thể vẫn còn một lớp dầu mỡ mỏngnhng vẫn đủ làm giảm độ gắn bám của lớp mạ đối với kim loại nền Để loại bỏhoàn toàn lớp mỏng dầu mỡ này ta phải tẩy tiếp bằng phơng pháp hoá học và điệnhoá

2 Dầu mỡ bám trên bề mặt vật nền có hai loại: Là loại có nguồn gốc thực vật

nh este phức tạp của glixerin và những axit béo bậc cao nh stear palmitic…

và loại có nguồn gốc khoáng vật là các hỗn hợp của hydrocácbon nhparaphin dầu máy mỡ kỹ thuật Nhiệm vụ của dầu máy mỡ kỹ thuật là làmsạch cả hai loại này khỏi bề mặt vật nền Loại nguồn gốc thực vật có thểtác dụng với xút thành xà phòng nên tan trong nớc Loại có nguồn gốckhoáng không có khả năng xà phòng hoá nên có thể tẩy chúng bằng chấttẩy rửa đặc biệt Khi tẩy dầu mỡ hoá học thì cả hai quá trình trên đều xảy

ra Vì vậy dung dịch tẩy dầu mỡ hoá học có chất lợng cao phải thấm ớt tốt

bề mặt cần tẩy và ngấm sâu vào chất bẩn cần tẩy hoà tan, xà phòng hoá

đ-ợc dầu mỡ động thực vật và dễ rửa sạch sau khi tẩy Trong công nghiệpdung dịch tẩy có các thành phần nh xút, phốt phat thuỷ tinh lỏng, xàphòng, chất tẩy rửa tổng hợp Ngoài ra còn dùng thêm chất hoạt động bềmặt để làm tăng hiệu quả tẩy rửa, thờng là các chất tạo bọt hoặc các sảnphẩm khác dùng trong tẩy rửa

3 Tẩy dầu mỡ điện hoá

Đợc thực hiện với một thời gian ngắn trong khâu làm sạch lần cuối để lấy đimàng dầu mỡ còn sót lại sau lần tẩy trớc Dung dịch tẩy điện hoá có thành phầngiống nh dung dịch tẩy dầu mỡ hoá học nhng nồng độ loãng hơn Có thể dùngdòng điện xoay chiều hoặc một chiều cho tẩy điện hoá Khi dùng dòng điện mộtchiều thì vật tẩy có thể là katôt hoặc anôt

Cơ chế của tẩy dầu mỡ điện hoá là tách dầu mỡ trên bề mặt thành nhũ tơngtrong dung dịch bằng các bọt Hydro trên katôt hoặc bọt ôxi trên anôt: Khi nhúngkim loại dính dầu mỡ vào dung dịch kiềm, do tác dụng của sức căng bề mặt nênmàng dầu mỡ bị nứt vỡ và co lại thành giọt Dới tác dụng của phân cực, độ bámcủa màng dầu mỡ trên kim loại bị yếu đi, các giọt dầu mỡ co lại mạnh hơn đồngthời tính thấm nớc của kim loại tăng lên Các bọt khi nhỏ tách khỏi bề mặt kimloại sẽ bám lên các giọt dầu cạnh đó Dần dần bọt khí lớn lên ôm lấy giọt dầu vàcung tách khỏi bề mặt kim loại Nhợc điểm của tẩy dầu mỡ điện hoá là khó tẩy

sạch các khe, chỗ khuất, lỗ và cho các vật có hình thù phân tán thì khả năng phân

bố của dung dịch thấp

Bảng 1.Sơ đồ công nghệ của kỹ thuật mạ xoa đợc tiến hành theo các bớc sau:

tt Tên nguyên công Mục đích nội dung sử dụng Chú thích

1 Chuẩn bị bề mặt Khử dầu ,mài sửa bề mặt che

chắn bề mặt không mạ

2 Làm sạch bằng điện

hoá Khử dầu bằng điện hoá Nối ngợc cực

3 Hoạt hoá bề mặt Dùng điện phân tiếp xúc bề

6 Mạ lớp kích thớc Phục hồi nhanh kích thớc của

7 Lớp mạ làm việc

Đạt độ chính xác về kích

th-ớc , đáp ứng yêu cầu về tínhnăng của bề mặt

Nối thuận cực

8 Xử lý sau khi mạ Thổi khô , sấy khô ,bôi dầu

ram thấp , mài ,đánh bóng

Lựa chọn theo nhu

điện một chiều do các bộ nguồn một chiều tạo ra ,vì vậy dòng điện cung cấp chothiết bị mạ xoa phải cho chất lợng tốt , độ bằng phẳng cao và có thể điều chỉnh vôcấp một cách dễ dàng trong quá trình mạ

Sơ đồ cung cấp nguồn điện cho các bể mạ cần đơn giản và thuận tiện để điềuchỉnh cờng độ dòng điện và điện thế

I các loại nguồn điện một chiều thờng dùng cho mạ

xoa

1 Máy phát một chiều :

Thông thờng tổ hợp Động cơ - Máy phát một chiều thờng gồm một động cơcấp sử dụng nguồn điện xoay chiều đợc nối cứng với trục máy phát một chiều Cơnăng từ động cơ sơ cấp đợc truyền qua khớp trục kéo máy phát nhờ bộ phận khởi

động nên máy phát quay tạo thành điện áp một chiều ở đầu ra

Hệ thống Động cơ- Máy phát có u điểm là tạo ra nguồn một chiều có chất ợng điện áp tốt , điện áp đầu ra bằng phẳng và liên tục nhng có một nhợc điểm là

l-hệ thống này quá cồng kềnh , hay bị rung và ồn trong quá trình hoạt động , kết cấumáy phát gồm có hệ thống tiếp xúc chổi than và cổ góp để lấy điện ra hay bịhỏng , mặt khác hệ thống này dùng các thanh dài và có tiết diện khá lớn nên gây

tổn thất một điện áp khá lớn , làm cho hiệu xuất của toàn hệ thống thấp vàokhoảng (η =600 ) Hiện nay máy phát một chiều không đợc dùng trong thực tế

2 chỉnh lu dùng càc thiết bị điện tử công suất

Chỉnh lu cho phép điều chỉnh điện áp ra liên tục trong một dải điều chỉnhrộng ,thuật lợi khi sử dụng và thay thế các linh kiện ,kích thớc gọn nhẹ ,tác

động nhanh ,dễ tự đông hoá ,dễ điều khiển ,có khả năng định dòng và áp phùhợp với yêu cầu của dòng điện mạ xoa Ngày nay chỉnh lu đợc sử dụng ngàycàng phổ biến để tạo ra nguồn một chiều cho thiết bị mạ xoa vậy để tạo ranguồn một chiều cho thiết bị mạ xoa ta dùng bộ nguồn chỉnh lu

các phơng pháp điều chỉnh điện áp đầu ra của bộ chỉnh lu.

Muốn thay đổi điện áp ở đầu ra của bộ chỉnh lu ngời ta có nhiều phơng pháp

,sau đây ta xét ba phơng pháp thông dụng nhất

1 điều chỉnh điện áp đầu ra bằng biến áp tự ngẫu.

Hình 1

Nguyên lý hoat động của sơ đồ : Cấp nguồn xoay chiều ba pha vào máy

biến áp tự ngẫu , nhờ hệ thống chổi than trợt trên dây quấn thứ cấp để thay đổi

điện áp đầu ra Đầu ra của máy biiến áp tự ngẫu nối với cuộn sơ cấp của máybiến áp chỉnh lu Máy biến áp này có nhiệm vụ hạ áp xuống theo tỷ số biến áp K

+

cố định để cung cấp cho bộ chỉnh lu diôt Bộ chỉnh lu này có nhiệm vụ biến đổi

điện áp ba pha xoay chiều thành điện áp một chiều cho thiết bị mạ xoa

Sơ đồ trên có u điểm là không phải điều khiển việc đóng mở các van Mặt kháctrên thị trờng các van điốt có công xuất lơn hơn các van có điều khiển , do đó cóthể đáp ứng các yêu cầu về dòng và áp của công nghệ mạ xoa mà các loại vankhác không thể đáp ứng đợc Nhng sơ đồ này có nhợc điểm là việc chế tạo dâyquấn của máy biến áp tự ngẫu có dòng điện lớn là rất khó.Vì vậy ở đây ta không

sử dụng sơ đồ này

2.Điều chỉnh điện áp xoay chiều bằng thiết bị bán dẫn

cl

Hình 2Sơ đồ trên gồm có bộ điều chỉnh điện áp bằng van bán dẫn có điềukhiển,một máy biến áp chỉnh lu hạ thế , bộ chỉnh lu ba pha tạo nguồn một chiều.Trong đó các bán dẫn Tirstor có thể sử dụng máy biến áp xung có hai cuộn dâythứ cấp để mở hai van cùng một lúc Để có dòng điện chạy qua máy biến áp chỉnh

lu thì Tiristor ở hai hoặc ba pha phải ở trạng thái mở Khi Tiritor ở hai pha chodòng điện chạy qua thì điện áp tức thời trên pha tải liên quan bằng nửa điện ápcủa hai pha đang xét Còn khi Tiristor ở ba pha cùng mở cho dòng chảy qua thì nóbằng điện áp pha tơng ứng Hình dáng và giá trị hiệu dụng của điện áp của mỗipha phụ thuộc vào góc mở α Do đó để điều chỉnh đợc điện áp đầu ra của bộchỉnh lu điốt ta chỉ việc điều chỉnh góc mở của các van bán dẫn Tiristor ở đầu vào

Phơng pháp này có u điểm là có thể điều chỉnh đợc với bất kỳ dạng tải nào,quán tính điều khiển nhanh và có thể đáp ứng đợc mọi yêu cầu của công nghệ.Nhng phơng pháp này có đặc điểm là việc điều khiển mở các van rất phức tạp, gâykhông ít khó khăn cho việc vận hành và sửa chữa

3 điều khiển điện áp đầu ra dùng các bộ chỉnh lu có

điều khiển:

Hình 3

Hình 6: sơ đồ điều chỉnh điện áp dùng bộ chỉnh lu điều khiển.

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Khi cấp nguồn điện xoay chiều ba pha máybiến áp chỉnh lu, nhờ máy biến áp hạ điện áp xuống điện áp không tải cấp cho bộchỉnh lu điều khiển Tiristor Tại thời điểm điện áp anốt của Tiristor dơng, cấp

u

+ -

xung điều mở các van Khi van mở thông, dòng điện từ thứ biến áp qua van đếntải Góc mở các Tiristor phụ thuộc vào giá trị của điện áp đầu ra.

Sơ đồ này có u điểm là gọn nhẹ, các Tiristor chỉ phải chịu điện áp ngợc nhỏ,việc điều khiển mở các van dễ dàng, đải điều chỉnh điện áp lớn và có liên tục trongsuốt dải điều chỉnh đó

Nhận xét : Qua các sơ đồ đã xét ở trên ta thấy sơ đồ điều khiển điện áp radùng bộ chỉnh lu có điều khiển và đơn giản nhất và có u điểm hơn các sơ đồ khác

về mặt điều khiển, vận hành và sửa chữa Trong thực tế với loại tải mạ xoa ngời tathờng dùng sơ đồ điều khiển điện áp đầu rabằng các bộ chỉnh lu điều khiển

Chơng III

THIếT Kế MạCH Động lực

Từ các sơ đồ ở phần trên ta chọn sơ đô điều chỉnh lu ba pha có điều khiển Sau

đây ta xét một số sơ đồ chỉnh lu để chọn ra sơ đồ chỉnh lu phù hợp với tải

I.Các sơ đồ cnỉnh lu 1 pha có điều khiển

1 Chỉnh lu một pha nửa chu kỳ có điều khiển dùng Tiristor

s=3,09.pd

u2 u1

d1

ud

công suất máy biến áp

công thúc tính toán ud=0,45.u2 id=ud/r

rt o

ud ud id sơ đồ điện áp

HHình 4Sơ đồ cnỉnh lu một nửa chu kỳ sóng điện áp ra một chiều sẽ bị gián đoạn trongmột nửa chu kỳ khi điên áp anod của van bán dẫn âm.do vậy khi sử dụng chỉnh lumột nửa chu kỳ chúng ta có chất lợng điện ap xấu,trị số điện áp tải trung bình lớnnhât đợc tính

Udo= 0,45.U2 Sba=3,09.Ud.Id

Đây là loại chỉnh lu cơ bản sơ đồ nguyên lý mạch đơn giản chấy lợng điện ápkhông đợc tốt

2 Sơ đồ cnỉnh lu 1 pha hai nửa chu kỳ dùng tiristor có điều khiển

Hình 5Sơ đồ này cần hai cuộn dây biến áp thứ cấp với các thông số giông hệt nhau.ở mỗi nửa chu kỳ có một van bán dẫn cho dòng chạy qua

Sơ đồ này biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống nhau

Điện áp trung bình trên tải Udo= Udo. (1+cósα )/2 =0.9U2 khi tải

rt

u1 u22 t2u21 ut1

l

id o

ud ud sơ đồ điện áp

Ud=Udo.cosα khi tải điện cảm điện áp ngợc của van lớn nhất Unv=2 2U2 dòng

điện mà van bán dẫn phai chiệu tối đa bằng 1/2 dòng điện tải Ihd=0.71Id

3.Chỉnh lu cầu một pha đối xứng dùng tiristor có điều khiển khiển

Hình 6nhóm ca tốt chung T1,T3,T5

sơ đồ chỉnh luu 1 pha hai nủa chu kỳ dùng tiristor khi tải r,l

ut1

ud=2 công thúc tính toán u22

ut2 t2 u1 ud

rt

u21 l t1

o

o ud sơ đồ điện áp

sơ đồ chỉnh luu cầu 1 pha dùng tiristor đx

ud=2 2 u2 cos

u2

t4 t3 l t1 t2 rt

o

id1,3

id

i2 id o id2,4 o id id o o

ud ud

sơ đồ điện áp o

ud ud

o

2 ud=2 u2 cos công thúc tính toán d4

o i2 id o it2 o id2 id

id it1 o o id id

sơ đồ chỉnh luu cầu 1 pha kđx

t1

rt

d3 l ud t2

o i2 id o it2 o id2 id

id it1 o o id id

sơ đồ chỉnh luu cầu 1 pha kđx

sơ đồ điện áp

Khi điện áp anod T1dơng va catod D1 âm có dòng điện tải chạy quaT1 D1 đếnkhi điện áp đỏi dấu T1 sẽ bị khoá khi có xung mở T2 các van bán dẫn đợc mởthông tromg một nửa chu kỳ các diod dẫn từ đầu đến cuối bán kỳ điện áp âmcatod,còn các tristor đợc dẫn thông tại thời có xung mở tiistor ở nửa chu kỳ kếtiếp.

Dòng điện trung bình qua van Itb=1/2.Id dòng điện hiệu dụng Ihd=0.71.Id

ở sơ đồ sử dụng một nửa số van điều khiển do đó giá thành thiết bị giảm vì diot rẻhơn nhiều so với tiristor vì vậy sơ đồ điều khiển cũng đơn giản

II.Sơ đồ chỉnh lu ba pha có điều khiển

1 Chỉnh lu tia ba pha có điều khiển dùng Tiristor

Hình 8

Từ sơ đồ chỉnh lu trên ta thấy các Tiristor sẽ nhận xung điều khiển để dẫn

điện trong các bán kỳ dơng của điện ap pha tơng ứng Các xung điều khiển này

đồng bộ với điện áp của các van tơng ứng và góc lệch pha giữa chúng là 1200 đểgóc mở của các van là giao điểm của van là trùng nhau Với sơ đồ chỉnh lu tia bapha thì góc thông tự nhiên của van là giao điểm của hai điện áp pha ở phần dơngtức là dịch pha 300 so với điện áp pha đó Khi đó góc mở nhỏ nhất α =300 thì điện

2

d

áp chỉnh lu đạt giá trị cực đại Ta có nguyên lý hoạt động của sơ đồ nh sau: Tạithời điểm mở van T1, pha A có điện áp dơng hơn nên van T1 cho dòng tải Id chạyqua tải và về trung tính của máy biến áp Khi điện áp của pha dơng hơn nhng nếu

T2 cha có xung điều khiển mà pha A vẫn dơng hơn trung tính thì T1 vẫn dẫn dòngcho đến khi van T1 có xung điều khiển mở mới thôi Tơng tự nh vậy khi pha C d-

ơng hơn

Sơ đồ dạng sóng điên áp chỉnh lu với góc mở α =300 và α >300 đợcbiểu diễn nh sau:

6

∫

+ Π +

+ Π

Π

α

α 2t sinθ dθ =1.17U2t 2

6 cos

Với sơ đồ chỉnh lu tia ba pha và các dạng sóng điện áp chỉnh lu khi góc mở

điện áp thay đổi ta thấy chất lơng điện áp chỉnh lu khá tốt biên độ dao động điên

áp khoảng 50% Khi góc mở α <300 thì dòng liên tục với bất kỳ loại tải nào ,

nh-ng khi góc mở α >300 thì điện áp chỉnh lu bắt đầu bi gián đoạn

2 Chỉnh lu tia 6 pha :

Sơ đồ chỉnh lu tia ba pha xét ở trên chất lợng điện áp cha thật tốt lắm nênkhi cần chất lơng điện áp tốt hơn ta sửa dụng sơ đồ nhiều pha hơn Một trongnhững sơ đồ đó là chỉnh lu tia sáu pha Sơ đồ mạch động lực đơc mô tả nh hình

vẽ

Hình 11Sơ đồ này gồm 6 Tiristor chia làm hai nhóm Nhóm thứ nhất gồm ba van T1,T3,T5

tạo ra điện áp Nhóm thứ hai gồm ba van T2,T4,T6 tạo ra điện áp Ud2 Điện áp thứcấp Ua1 và Ua2, Ub1và Ub2 ,Uc1và Uc2 và Uc2 ngợc pha nhau từng đôi một Cuộnkháng cân bằng làm cho hai nhóm chỉnh lu làm việc song song và độc lập vớinhau

Từ sơ đồ hình H.14 ta thấy biến áp ba pha có ba cuộn dây đặt trên mỗitrụ một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp các cuộn dây thứ cấp tạo ra hai hệ thống

điện áp ba pha lệch nhau 1800 điện Điện áp các pha dịch nhau một góc là 600 nhmô tả hình vẽ 11:

Hình 12 Việc phát xung điều khiển mở các van cần phải thc hiện theo thứ tựsau;

T1-T5,-T3-T1, -T5-T3,.Ta thấy tại bất kỳ thời điểm nào cũng có hai Tiritor dẫn

dòng trong đó một van thuộc nhóm th nhất và một van thuộc nhóm thứ hai

Khi đó điện áp đăt trên tải Ud=Ud21+Ud22 Do hiệu số điện áp

Ud=Ud1#Ud2, nên để loại trừ dòng cân bằng do Ud sinh ra ngời ta mắc thêm cuộnkháng cân bằng Cuộn kháng này gồm hai cuộn dây đặt trên cùng một lõi sắt

3

2

3

2t sinθ dθ =1,35U2t cosθ

Giá trị trung bình của dòng điện chảy qua mỗi van ; Itb= Id6

Giá trị hiệu dụng của dòng chảy qua mỗi van : Ihd= Id6

Từ sơ đồ dạng sóng điện áp H.15 ta thấy điện áp tải là phần dơng hơn củacác điện áp pha đập mạch bậc sáu Với dạng sóng điện áp nh trên thì chất lơng

điện áp một chiều là tốt nhất So với các sơ đồ khác thì sơ đồ chỉnh lu sáu phadùng cuộn kháng cân bằng có dòng điện chạy qua van bán dẫn bé nhất do đó sơ

đồ chỉnh lu tia sáu pha có ý nghĩa khi cần dòng tải lớn Nhợc điểm của sơ đồ làchế tạo máy biến áp phức tạp hơn các sơ đồ khác

3 chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng

Hình 13: Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiên đối xứng

Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng gồm 6 Tiristor chia thànhhai nhóm Nhóm catốt chung gồm các van T1,T3 ,T5 Nhóm anốt chung gồm cácvan T2 ,T4 ,T6 Theo hoạt động của chỉnh lu cầu ba pha điều khiển đối xứng ,dòng

điện chạy qua tải là dòng điện chạỵ từ pha nay về pha khia Do đó tại mỗi thời

điểm cần mở Tiritsor chúng ta cần cấp hai xung điều khiển đồng thời để mở mộtTiristor ở nhóm Anốt và một Tiristor ở nhóm catốt Trong mỗi nhóm khi mộtTiristor mở nó sẽ khoá ngay tiristor dẫn dòng trớc đó Dới đây là sơ đồ dang sóngcủa điện áp chỉnh lu khi góc mở α =300

2

5

C B

d

Hình 14

nguyên lý hoạt động của sơ đô chỉnh lu :

Giả sử tại thời điểm ban đầu các van T4 và T5 mở đang dẫn dòng điện ,

đến thời điểm θ = Π6 +α phát xung điều khiển mở T1 Tirstor T1 mở làm cho T5

bị khoá lại vì điện thế pha A dơng hơn pha C Khi đó hai van T1 và T4 cho dòngtải chạy qua Tại thời điểm θ2 , phát xung mở T2 và khi đó T4 bị khoá lại mộtcách tự nhiên lúc này dòng tải chạy qua hai van T1 và T2 Tại thời điểm θ3 phátxung điều khiển mở T3 khi T3 dẫn dòng sẽ làm cho van T1 khoá lai do đó dòngtải chảy qua hai van T3 và T2 Tại thời điểm θ4 phát xung điều khiển mở van T6

,van T6 dẫn làm cho T2 khoá và dòng tải chảy qua hai van T3 và T6 Tại thời điểmphát xung điều khiển mở van T5 khi T5 dẫn dòng sẽ làm cho T3 khoá Do đó haivan T5 và T6 sẽ cho dòng tải chảy qua trong khoảng thời gian θ5 đến θ6.Tại thời θ6

điểm phát xung điều khiển T2 và T4 khoá lại một cách tự nhiên và hai van T5 và T4

cho dòng tải chạy qua trong khoảng thời gian từ θ6 đến θ7 Đến θ7 tiêp tục choxung điều khiển mở van T1 và quá trình hoạt động tơng tự trên

Điện áp chỉnh lu bao gồm cả hai đờng bao phía trên và phía trên dới nhtrên hình vẽ , điện áp chỉnh lu đơc xàc định theo công sau :

Ud = U

Π

6

3 cosα

Từ sơ đồ dạng sóng điện áp và nguyên lý hoạt động của sơ đồ chỉnh lu cầu

ba pha điều khiển đối xứng ta thấy điện áp chỉnh lu có độ bằng phẳng cao,chất ợng điện áp tốt nh đối với chỉnh lu tia 6 pha,tuy nhiên sơ đồ chỉnh lu này có nh-

l-ợc điểm là để sơ đồ hoạt động đl-ợc ta phải cấp đồng thời hai xung điều khiển mởcho hai van ở hai nhóm khác nhau Vì vậy gây không ít khó khăn khi chế tạo vậnhành và sửa chữa.Để đơn giản hơn ta sử dụng sơ đồ điều khiển không đối xứng

3 Chỉnh lu cầu ba pha điều khiển không đối xứng

Ta có thể coi sơ đồ trên tơng đơng với hai sơ đồ chỉnh lu tia ba pha , một sơ

đồ điền khiển dùng Tiristor và một sơ đồ không điền khiển dùng điốt,đợc đấu nốitiếp vối nhau và làm việc độc lập với nhau trên cùng một phụ tải

Giá trị điện áp chỉnh lu đợc xác định theo công thức :

Từ sơ đồ dạng sóng điện áp của chỉnh lu ta thấy quá trình hoạt động của sơ

đồ nh sau :Tại thời điểm ban đầu khi điện áp pha A dơng hơn, điện áp pha B âmhơn ,phát xung điều khiển mở Tiristor T1 Dòng điện qua T1 đến tải và qua điốt D2

trở về pha B Điốt D2 dẫn của sơ đồ nh sau : Tại thời điểm ban đầu khi điện áp pha

A là dơng hơn , điện áp pha B âm hơn , phát xung điều khiển Tirstor T1.Dòng điện

đi từ máy biến áp qua T1 đến tải và qua điốt D2 trở về pha B Điốt D2 dẫn điện cho

đến thời điểm θ2 thì điện áp pha C âm hơn điện áp pha làm cho D2 khoá lại và D3

mở Dòng điện đi từ pha A qua T1 ,D3 trở về pha C T1 và D3 Dẫn dong điện cho

đến thời điểm θ3 thì mạch điều khiển phát xung mở T2 T2 dẫn dòng điện làm T1

khoá lại vì điện áp pha âm hơn điện áp pha B Dòng điện đi từ pha B qua T2 và

D3 để về C.Đến thời điểm θ4 điện áp pha âm A hơn điện áp pha C làm cho D3 khoálại , D1 mở để cùng với T2 dẫn dòng qua tải cho đến thời điểm θ5.Tại thòi điểm θ5

mạch điều khiển phát xung điều khiển mở T3 ,T3 dẫn dòng làm cho T2 khoá lại vì

Uc dơng hơn Ub T3 cùng với D1 dẫn dòng qua tải cho đến θ6 khi đó Ub âm hơn làmcho D1 khoá và D2 mở Lúc này dòng điện chạy từ pha C qua T3 qua tải rồi trở về

B qua D2 đến θ7 Khi đó quá trình hoạt động của sơ đồ lại tiếp tục nh chu kỳ trớc Trên hình vẽ dạng sóng điện áp chỉnh lu dòng điện àp tải chính là đờng baophía trên và đờng bao phía dới của sơ đồ Ta thấy sơ đồ này có dòng điện và điện

áp tải liên tục khi góc mở các van bán dẫn nhỏ hơn 600 , khi đó góc mở tăng lên

và thành phần điện cảm của tải nhỏ thì dòng điện và điện áp sẽ gián đoạn Sơ đồnày có u điểm là việc khích các van mở dễ dàng hơn so với sơ đồ chỉnh lu ba pha

điều khiển đối xứng

Nhận xét : Từ các sơ đồ chỉnh lu đã xét ở trên vậy để đơn giản trong chế tạomáy biến áp và tính toán cuộn kháng cân bằng ta chọn sơ đồ chỉnh lu hai nửa chu

kỳ

II Tính toán mạch động lực

1.Cỏc thụng số cơ bản

mạch động lục tải mạ xoa

- Dũng một chiều cực đại : I = 100 (A)

- Điện ỏp một chiều cực đại : Umax = 27 (V)

- Điện ỏp một chiều định mức : Udm = 25 (V)

- Dải điều chỉnh điện ỏp mạ : 0 ữ 25 (V)

- Dải dũng điện làm việc : 0 ữ 100 (A)

Hình 17

Mạch động lực của nguồn mạ xoa bao gồm :

- MBA : Máy biến áp nguồn hạ áp

- T1, T2 – T3 , T4 : Hai bộ chỉnh lưu đảo chiều bằng Thyristors

- XK : Cuộn kháng lọc một chiều công suất lớn

4 Tính toán thiết kế mạch động lực

IV.1.Tính chọn các van bán dẫn Thyristors:

Các van động lực được lựa chọn dựa vào các yếu tố cơ bản là dòng tải ,

sơ đồ đã chọn , điều kiện toả nhiệ , điện áp làm việc

1.Công suất mạ một chiều định mức :

Pdm = Udm Idm = 25 V 100 A = 2500 W

Udm : Điện áp định mức trên tải (V)

Idm : Dòng điện định mức trên tải (A)

2.Công suất mạ một chiều cực đại :

Pmax = Umax Idm = 28 V 100 A = 2700 W

3 Điều chỉnh điện áp không tải :

Uo = Umax +ΔUT + ΔUR + ΔUX = 28 + 1 + 28.10,1 + 0,05.28 = 33,2 V

Trong đó :

ΔUT = 1 V - Sụt áp trên Thyristor

ΔUR = 10% Umax = 2,7 V - Sụt áp trên điện trở MBA nguồn

ΔUR = 5% Umax = 1,35 V - Sụt áp trên điện kháng

4 Điện áp xoay chiều thứ cấp của các cuộn dây thứ cấp MBA nguồn :

U21 = U22 = U2 = 36 , 89

9 , 0

2 , 33 9 ,

220 W

W

2

1 2

U I

I I

2 sin

2 2

0

2 2

R

Trong đó :

R

U

I = 0 dòng một chiều cực đại trên tải

7 Dỏng điện làm việc của Thyristor được chọn theo dòng điện hiệu dụngcủa sơ đồ :

5 , 78

= U U

Ta chọn Thyristor có dòng định mức :

Ith = 2.Ilv = 2 78,5 = 157 ATrong đó : 2 - hệ số quá dòng dự trữ

11 Chọn T1, T2, T3, T4 là Thyristor TL- 160 của Liên Xô sản xuất , có các thông số :

- Dòng định mức ITh = 160 A

- Điện áp ngược cực đại : Ungược= 1000 V

- Điện áp rơi khi dẫn dòng :

IV.2.Tính toán thiết kế điện từ MBA :

Chọn loại MBA một pha hạ áp , lõi hình xuyến , làm việc dài hạn , hai cuộn dây thứ cấp , làm mát tự nhiên bằng quạt đối lưu không khí

1 Điện áp nguồn phía cuộn dây sơ cấp :

U1 = 220 V

2 Điện áp phía cuộn dây thứ cấp xoay chiều :

U2 = 36,89 V

3 Hệ số cuốn dây :

964 , 5 89 , 36

220 W

W

2

1 2

=

U

U K

4 Giá trị hiệu dụng của dòng điện xoay chiều phía dây quấn thứ cấp :

5 , 78 4 sin

2 2

1

0

2 2

22 21

2 222

21

R

U i

i i

2

W

2 1

2

8 Giá trị hiệu dụng dòng sơ cấp :

6 , 9 6 , 11 2 2

100 14 , 3 2 2

2

1 2

2

2 cos 1 2 2 1

sin 2 2 1

2 2

0

2

0

2 1

I K

d I

K

d I

K I

π π

θ θ

π π

θ θ

π π

π π

9 Công suất tính toán của MBA :

Trong đó : C = 4 - Hệ số tính toán cho MBA khô

f = 50 Hz tần số điện lưới Làm tròn QBA = 36 cm2

11 Chọn lõi thép kỹ thuật điện kiểu hình trụ chữ nhật loại

III40x100, lá thép dày 0,35 mm , có các thông số cơ bản :

a = 40 mm

, 1 10 4 50 44 , 4

220

44 , 4

B Q f

W W

1

2 1

U

U

vòng

15 Mật độ dòng điện dây quấn sơ cấp : J1 = 2,75 A/mm2

16 Dây quấn sơ cấp chọn hình tròn , có đường kính :

1 , 2 75 , 2 14 , 3

6 , 9 4 4

dq

17 Chọn loại dây dẫn tròn , tráng men , có độ bền cách điện cao , loại Π ∋B− 1:

- Đường kính dây không kể cách điện : dso = 2,1 mm

- Tiết diện dây quấn : S10 = 3,462 mm2

- Đường kính dây kể cả cách điện : ds = 2,2 mm

18 Điện trở suất của dây đồng ở 20oC :

m

mm2 20

01786 , 0

2 0

20 75

0217 , 0 55 00393 , 0 1 01786 , 0 ) 1

(

0 0

Ω

= +

=

∆ +

= ρ α ρ

20 Điện trở của một mét dây quấn sơ cấp :

m S

462 , 3

1 0217 , 0 1

10 75

1 ρ 0

21 Chọn dây quấn thứ cấp loại hình tròn

Đường kính dây :

6 75 , 2

5 , 78 4

35 Cách điện giữa hai giây quấn sơ cấp và thứ cấp bằng bìa và phíp cách điện, có độ dày ∆ 2 = 10 mm.

36 Đường kính trong của cửa sổ còn lại là: d5

b1 = b + 2ds

b2 = b1 + 4ds

Bốn đầu dây ra sẽ có độ dài: 4∆l = 0,8 m.

44 Tổng chiều dài của dây quấn thứ cấp là: