Thiết kế nguồn mạ một chiều

Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều Đề tài : Thiết kế nguồn mạ chiều có tham số sau Phương án + Điện áp : 6-12 (V) + Dòng tải max : 1500 (A) + Đảo chiều : Không Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện không đổi suốt trình mạ Mạch có khâu bảo vệ ngắn mạch Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều Lời nói đầu Mạ kim loại đời phát triển hàng trăm năm Ngày mạ kim loại trở thành ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ hầu giới, phục vụ cách đắc lực cho ngành khoa học kỹ thuật sản xuất đời sống văn minh người Lớp mạ kim loại bề mặt chi tiết máy, dụng cụ sinh hoạt, phương tiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chỉ, thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, khí xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì… Vậy mạ gì? Một cách đơn giản hiểu mạ điện trình kết tủa kim loại lên bề mặt lớp phủ có tính chất cơ, lý, hóa… đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mong muốn Mạ kim loại không làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà có tác dụng trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho dụng cụ máy móc đồ trang sức… Kỹ thuật mạ đòi hỏi phải không ngừng phát triển nghiên cứu cải tiến kỹ thuật, máy móc chuyên dùng thiết bị dây chuyền sản xuất đồng tự động hóa với độ tin cậy cao Điều giúp nâng cao chất lượng mạ hạ giá thành sản phẩm, chống ô nhiễm môi trường Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất môn quan trọng Với giảng dạy nhiệt tình thầy cô khoa em bước tiếp cận môn học Để nắm vững lý thuyết để áp dụng vào thực tế, học kỳ em thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ chiều Đây đề tài có quy mô ứng dụng thực tế Với cố gắng thân với bảo thầy cô giáo môn đặc biệt thầy Lê Quốc Dũng giúp em hoàn thành đồ án Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm chưa có nên em không tránh khỏi sai sót mong thầy giúp đỡ Cuối em xin chân thành cảm ơn Hà nội, tháng năm 2010 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều Sinh viên Chương I : Giới thiệu chung công nghệ mạ điện Đề tài thiết kế nguồn mạ chiều đề tài có ý nghĩa thực tế lớn, công nghệ mạ nguồn điện yếu tố quan trọng Để thấy rõ giá trị đề tài, trước hết ta cần phải nắm rõ số khái niệm thiết bị có liên quan đến trình mạ điện phân Ta dựa vào sơ đồ điện phân sau : Sơ đồ mô hình dùng phạm vi nhỏ phòng thí nghiệm đồng thời dùng quy mô sản xuất lớn Các thành phần sơ đồ điện phân : 1.Nguồn điện chiều : pin, ắc qui, máy phát điện chiều, biến đổi Ngày dùng phổ biến biến đổi Bộ biến đổi cho trình điện phân có điện áp thấp : 3V, 6V, 12V, 24V… Tùy theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp cho phù hợp Một biến đổi lấy số điện áp cần thiết cho số quy trình VD : Mạ niken thường dùng điện áp 6V hay 12V Để mạ crom dùng 12V Để đánh bóng điện hóa nhôm thương dùng điện áp 12 – 24V Anot : điện cực nối với cực dương nguồn điện chiều Trước điện phân anot cần phải đánh dầu mỡ, lớp gỉ… Anot dùng mạ điện có loại : anot hòa tan anot không hòa tan Anot hòa tan dùng trường hợp mạ niken, mạ kẽm, mạ thiếc… Trong trình điện phân anot tan vào dung dịch mạ theo phản ứng điện cực : Ni − 2e = Ni 2+ Cu − 2e = Cu 2+ Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân đến catot Phản ứng điện hóa anot phản ứng oxi hóa Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều Anot không hòa tan dùng trường hợp mạ crom.Khi điện phân bề mặt anot không hòa tan diễn trình oxi hóa H 2O, OH − , Cl − 2Cl − − 2e = Cl2 4OH − − 4e = H 2O + O2 ↑ Khí thoát anot trình điện phân thường O2 , Cl2 Catot : điện cực nối với cực âm nguồn điện chiều Trong mạ điện catot vật mạ.Trên bề mặt vật mạ diễn phản ứng khử ion kim loại mạ Ví dụ : Mạ niken : Mạ kẽm : Ni 2+ + 2e = Ni ↓ Zn 2+ + 2e = Zn ↓ Đồng thời với ion kim loại bị khử, phản ứng : Khí H2 H 3O + bị khử giải phóng khí H2 theo H 3O + + e = H ↑ + H O thoát bề mặt catot có khả thấm sâu vào mạng tinh thể kim H2 loại mạ kim loại nền, làm giảm độ bền học kim loại (khí gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây rạn nứt, giòn kim loại) Người ta gọi tượng tượng “ giòn kim loại” Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loại đồng thời cho lớp mạ đồng ,bóng sáng hấp dẫn, trước mạ ta cần phải gia công cho bề mặt chi tiết phẳng, bóng chất dầu mỡ màng oxit Catot vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập mặt nước 815 cm cách đáy bể khoảng 15cm Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt , Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều không để gây tượng phóng điện chất điện phân Tuyệt đối không để chạm trực tiếp anot catot nối mạch điện Dung dịch chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường có hai phần : -Thành phần : gồm muối hợp chất chứa ion kim loại mạ số hóa chất thiết yếu khác , thiếu hóa chất dung dịch dùng để mạ -Thành phần thứ hai : bao gồm chất phụ gia + Chất làm bóng lớp mạ + Chất đệm giữ cho pH dung dịch ổn định + Chất giảm sức căng nội đảm bảo lớp mạ không bong nứt + Chất san đảm bảo cho lớp mạ đồng + Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng + Chất chống thụ động hóa anot nhằm ổn định mạ Một số đặc điểm dung dịch mạ : -Dung dịch mạ cần phải có độ dẫn điện cao Độ dẫn điện dung dịch giản tổn thất điện trình mạ mà làm cho lớp mạ đồng - Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng có chất lượng cao khoảng pH định Ví dụ mạ Niken pH=4,5 đến 5,5 Mạ kẽm dung dịch amoniclorua pH= 4,5 đến 5,5 Mạ kẽm dung dịch axit pH= 3,5 đến 4,0… Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng cao khoảng nhiệt độ → C → C định Ví ụ Niken khoảng nhiệt độ 55 70 , mạ vàng 60 70 Nhìn chung , điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôi dung dịch - Mỗi dung dịch có khoảng mật độ dòng catot thích hợp Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều -Dung dịch chứa muối phức kim loại thường cho lớp mạ có chất lượng tốt lớp mạ từ kim loại thu từ muối đơn VD lớp mạ thu từ dung dịch Zn ( CN ) 2− Zn ( CN ) 2− tốt lớp mạ thu từ dung dịch muối CuSO4 Bể điện phân : làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt Thành mặt bể thường nót chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt Lớp chất dẻo nót phải kín tuyệt đối, nước không thấm qua Mặt sơn nhiều lớp chống gỉ Bể mạ thường có dạng hình chữ nhật, điều mày giúp cho lớp mạ phân bố bể có hình dạng khác Có nhiều bể mạ bể mạ tĩnh, thùng mạ quay,… Trên toàn sơ đồ tổng quát trình mạ điện phân Trong công nghệ mạ có số yêu cầu gia công bề mặt trước mạ Yêu cầu bề mặt trước mạ : -Trước mạ vật cần mạ tiến hành gia công khí để có bề mặt phẳng, đồng thời tẩy xóa lớp gỉ, đánh bóng bề mặt theo yêu cầu sử dụng -Tẩy dầu mỡ hợp chất hóa học khác có bề mặt vật mạ Tóm lại trước lúc chi tiết vào bể điện phân, bề mặt cần phải thật phẳng, sắc nét bóng tuyệt đối dầu mỡ, màng oxit có Trong điều kiện lớp mạ thu có độ bóng tốt, không sước, không sần sùi, bóng toàn lớp mạ đồng ý Phương pháp gia công bề mặt trước mạ : -Phương pháp gia công khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh bóng quay bóng hay sóc bóng thùng quay -Phương pháp gia công hóa học hay điện hóa học bao gồm : tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, tẩy lại làm bóng bề mặt, rửa Sự lựa chọn phương pháp gia công cho hiệu tốt lại có giá thành rẻ, đòi hỏi người kỹ thuật viên phải có hiểu biết đầy đủ phải có kinh nghiệm sản xuất Bất kỳ thiếu sót dù nhỏ đánh giá không công việc chuẩn bị bề mặt dẫn đến giảm sút chất lượng hình thức lớp mạ Chất lượng lớp mạ phụ thuộc cách vào phương pháp lựa chọn, kỹ thuật điều kiện tiến Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều hành chuẩn bị bề mặt lớp mạ Không coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt lớp mạ Chương II : Lựa chọn phương án Nhiệm vụ đặt đồ án thiết kế nguồn mạ chiều có điện áp thấp dòng lớn Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ trình nạp Mạch có khâu bảo vệ chống chạm điện cực Trong công nghệ mạ điện nguồn điện yếu tố quan trọng, định nhiều đến chất lượng lớp mạ thu Nguồn điện chiều ắc quy, máy phát điện chiều, biến đổi… Chúng ta phân tích loại nguồn để định lựa chọn phương án : Ắc quy : Trong công nghệ mạ điện ắc quy sử dụng phòng thí nghiệm hay sản xuất quy mô nhỏ Do hạn chế lượng điện tích nên ắc quy dùng để mạ chi tiết nhỏ, với chi tiết lớn không dùng ắc quy Đặc biệt dòng điện mạ đòi hỏi lớn ắc quy đáp ứng Vì mà công nghệ mạ người ta sử dụng ắc quy làm nguồn mạ Máy phát điện chiều : Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện chiều khắcphục nhược điểm ác quy Máy phát điện chiều thực tế sử dụng rộng rãi quy mô sản xuất lớn Nhưng giá thành đầu tư cho máy phát điện chiều lớn, cấu điều khiển hoạt động phức tạp Máy phát điện chiều với nhiều nhược điểm : cổ góp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn Máy phát điện chiều cần thường xuyên bảo trì,sửa chữa Chính lý nên công nghiệp người ta không dùng máy phát điện chiều Đồ án điện tử công suất Bộ biến đổi : Thiết kế nguồn mạ chiều Hiện công nghiệp dòng điện xoay chiều sử dụng rộng rãi Công nghệ chế tạo thiết bị bán dẫn ngày hoàn thiện, thiết bị hoạt động với độ tin cậy cao Đặc biệt công nghệ sản xuất Tiristor đạt nhiều thành tựu Chính biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng chiều ngày càn sử dụng nhiều ngành công nghiệp Ngày công nghệ mạ điện biến đổi dùng rộng rãi Các biến đổi dùng trình điện phân cho điện áp :3V, 6V, 12V,24V,30V,50V Tùy theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện cho phù hợp Bộ biến đổi với ưu điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh;dễ tự động hóa; dễ điều khiển ổn định dòng Chi phí đầu tư cho biến đổi rẻ, hiệu làm việc cao ổn định dòng So với dùng nguồn mạ la ắc quy máy phát điện chiều biến đổi đáp ứng mặt kinh tế tiêu chuẩn kỹ thuật Vậy định phương án dùng biến đổi Với mạch chỉnh lưu : chỉnh lưu pha, chỉnh lưu ba pha, chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển… Trong yêu cầu đồ án thiết kế nguồn mạ điện áp thấp dòng lớn Trước hết ta xét trường hợp chỉnh lưu có điều khiển, sau ta xét trường hợp chỉnh lưu điôt không điều khiển với góc điều khiển α = Các phương án khả thi : + Chỉnh lưu cầu pha + Chỉnh lưu cầu ba pha + Chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân Phương án : Chỉnh lưu cầu pha Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu pha Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều a.Khi tải trở R : Với -Khi u2 = 2U sin θ θ = α : cho xung điều khiển mở T1, T2 khóa θ U d = −U , hai tiristor u2 = π -Khi = + α, cho xung điều khiển mở T3,T4 Dòng qua tải dòng gián đoạn Giá trị trung bình điện áp tải : Ud = π π α∫ 2U sin θ dθ = Id = 2U ( + cos α ) π Ud Rd Giá trị trung bình dòng tải : Giá trị trung bình dòng qua Tiristor : IT = 2π π ∫ α U I 2U sin θ dθ = d = d R 2R Dạng sóng : Ud = U2 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều b Tải R+L - Khi L đủ lớn dòng điện id dòng liên tục - Phương trình mạch tải : 2U sin θ dθ = Rid + X π π +α ∫ 2U sin θ dθ = α Ud = did dθ R π π +α 2U cos α π Dạng sóng : 10 ∫ α id dθ + X π ∫ Id did Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều T1 mở T2 mở theo có xung vào biến áp xung Trên cuộn thứ cấp biến áp xung có xung để kích mở tiristror Khi xung tắt T1 T2 bị khóa,điện áp biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây biến áp xung xuất sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc điốt D15 D19 thông dập tắt sức điện động để bảo vệ transistor B Tính toán khâu mạch điều khiển Tính toán khối đồng pha : Sơ đồ nguyên lý khâu đồng pha Nguyên lý hoạt động khối đồng pha : Khi cấp nguồn 380 V vào sơ cấp biến áp đồng pha, phía thứ cấp biến áp hạ áp Giả sử thời điểm ban đầu t=0, nửa chu kỳ đầu điện áp dương đặt π D1, D1 thông D2 bị khóa, nửa chu kỳ sau thời điểm t2= điện áp xoay đảo dấu dương đặt vào anot D2, D2 thông D1 bị khóa Vậy điện áp điểm (I) điện áp xoay chiều đưa qua chỉnh lưu thành điện áp chiều nửa hình sin Điện áp chiều nửa hình sin liên tiếp (I) đưa vào cửa âm khâu so sánh OA1 Điện áp đưa vào cửa dương OA1 điện áp chiều phẳng Uđ có giá trị : Uimin