Thiết kế nguồn mạ một chiều

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

Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều Đề tài : Thiết kế nguồn mạ chiều có tham số sau Phơng án + Điện áp : 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 Lời nói đầu Mạ kim loại đời phát triển hàng trăm năm nay.Ngày mạ kim loại đà trở thành ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ hầu hết nớc thÕ giíi, Nhãm – Líp T§H1 – K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều phục vụ cách đắc lực cho ngành khoa học kỹ thuật sản xuất đời sống văn minh ngời Lớp mạ kim loại bề mặt chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phơng tiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chất,thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, khí xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì Vậy mạ điện ? Một cách đơn giản hiểu mạ điện trình kết tủa kim loại lên bề mặt lớp phủ có tính chất cơ, lý, hoá đáp ứng đợc 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 dụmh cụ máy móc đồ trang sức Ngày không riêng nớc phát triển mà nớc ta kỹ thuật mạ đà có nhng bớc phát triển nhảy vọt, thoả mÃn yêu cầu kỹ thuật sản xuất cung nh kinh doanh 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 hoá với độ tin cậy cao Điều giúp nâng cao chất lợng mạ hạ giá thành sản phẩm, chống ô nhiễm môI trờng Để có lớp mạ tốt ngoàI yếu tố khác nguồn điện dùng để mạ quan trọng 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 đà tng bớc tiếp cận môn học Để vững lý thuyết đẻ áp dụng vào thực tế, học kỳ em đợc 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 rhầy cô giáo môn đặc biệt thầy Đỗ Trọng Tín đà giúp em hoàn thành đồ án Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm cha có lên em không tránh khỏi sai sót mong thầy giúp đỡ Cuối em xin chân thành cảm ơn ! Hà nội, ngày tháng năm 2004 Sinh viên : Chơng I : Giới thiệu chung công nghệ mạ điện Đề tàI thiết kế nguồn mạ chiều đề tàI có giá trị thực tế lớn, công nghệ mạ nguồn điện chiều yếu tố quan trọng Để thấy rõ giá trị đề tàI, trớc hết ta cần phải nắm rõ số kháI niệm nh thiết bị có liên quan đến trình mạ điện phân Ta dựa vào sơ đồ điện phân nh sau: Nhãm – Líp T§H1 – K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều Sơ đồ mô hình dùng phạm vi nhỏ nh phòng thí nghiệm đồng thời dùng qui mô sản xuất lớn Các thành phần sơ đồ điện phân : Nguồn điện chiều nh : pin, ắc qui, máy phát điện chiều, biến đổi Ngày đợc dùng phổ biến biến đổi Bộ biến đổi cho trình điện phân có điện áp thấp : 3V, 6V, 12V, 24V Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp cho phù hợp Một biến đổi lấy số điện áp cần thiết cho số qui trình VD : Mạ niken thờng dùng điện áp 6V hay 12V Để mạ Crôm dùng 12V Để đánh bóng điện hóa nhôm thờng dùng điện áp 12 24V Anốt :là điện cực nối vơí cực dơng nguồn điện chiều Trớc điện phân anốt cần phải đánh dầu mỡ, lớp gỉ Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà Anốt dùng mạ điện có hai loại : anốt hòa tan anốt không hoà tan Anốt hoà tan đợc dùng tronh trờng hợp mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, mạ thiếc Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà Trong trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phản ứng điện cực : Ni 2e  Ni 2 Cu  2e Cu 2 C¸c cation kim loại tan vào dung dịch điện phân đI đến catốt Phản ứng điện hóa anốt phản ứng oxi hóa Anốt không hòa tan dùng trờng hợp mạ Crôm Khi điện phân bề mặt anốt không hoà tan diễn trình oxi hóa H O, OH  , Cl  … Tuú theo yêu cầu kỹ thuật mà 2Cl 2e Cl 4OH   4e 2 H O  O2  KhÝ tho¸t ë anèt qu¸ trình điện phân thờng O2 hay Cl Catốt : điện cực nối với cực âm nguồn điện chiều Trong mạ điện catốt vật mạ Trên bề mặt vật mạ diễn phản ứng khử ion kim loại mạ Ví dơ nh : M¹ niken : Ni 2  2e  Ni  M¹ kÏm Zn 2  2e  Zn  Nhãm – Líp T§H1 – K45 Líp T§H1 – Líp T§H1 – K45 K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều Đồng thời với iôn kim loại bị khử, H 3O bị khử giải phóng khÝ H theo ph¶n øng : H o   2e  H  H O Khí H thoát bề mặt ca tốt có khả thấm sâu vào mạng tinh thể kim loại mạ kim loại nền, làm giảm độ bền học kim loại (khí H gặp nhiệt độ cao giÃn nở mạnh gây rạn nứt, giòn kim loại) Ngời ta gọi tợng tợng giòn kim loại Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loạ đồng thời cho lớp mạ đồng đều, bóng sáng hấp dẫn, trớc mạ ta cần phải gia công cho bề mặt chi tiết phẳng, bóng chất dầu mỡ màng oxít Catố vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thờng ngập dới mặt nớc 15cm cách đáy bể khonảg 15cm Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây hiên tợng phóng điện chất điện phân Tuyệt đối không để chạm trực tiếp anốt catốt đà nối mạch điện Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ thờng có hai phần : _ Thành phần : gồm muối hợp chất chứa iôn kim loại mạ số hoá chất thiết yếu khác, thiếu hóa chất dung dich dùng để mạ đợc _ 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 ®ång ®Ịu h¬n +ChÊt chèng thơ ®éng hãa anèt nh»m ổn định mạ Một số đặc điểm dung dịch mạ : _ Dung dịch mạ cần phải có độ đẫn điện cao Độ đẫn điện dung dịch giảm đợc tổn thấtđiện trình mạ mà làm cho lớp mạ đồng _ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng khoảng pH định Ví dụ mạ Niken pH=4,5 đến 5,5 Mạ kẽm dung dịch amôniclorua pH= 4,5 đến 5,5 Mạ kẽm dung dịch axít pH= 3,5 đến 4,0 Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà _ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng cao khoảng nhiệt độ định VD mạ Niken khoảng nhiệt độ 55 70 C , mạ vàng 60 70 C Nhìn chung, điện phân nhiệt độ dung dịch không vợt qua nhiệt độ sôi dung dịch _ Mỗi dung dịch có khoang mật độ dòng catốt thích hợp _ Dung dịch chứa mi phøc cđa kim lo¹i thêng cho líp m¹ cã chất lợng tốt lớp mạ từ kim loại thu đợc từ nuối đơn VD lớp mạ thu đợc tõ dung dÞch Zn(CN ) 24 Zn(CN ) 32 tèt lớp mạ thu đợc từ dung dịch muối CuSO4 Bể điện phân : làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt Thành mặt bể thờng đợc lót chất dẻo có ®é bỊn hãa häc, bỊn nhiƯt Líp chÊt dỴo lãt phải kín tuyệt đối, nớc không thấm qua đợc Mặt sơn nhiều lớp chống gỉ Bể mạ thờng có dạng hình chữ nhật, điều giúp cho lớp mạ đợc phân bố bể có hình dạng khác Cã nhiỊu bĨ m¹ nh bĨ m¹ tÜnh, thïng m¹ quay, Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà Trên dây toàn sơ đồ tổng quát trình mạ điện phân Trong công nghệ mạ có số yêu cầu gia công bề mặt trớc mạ.Yêu cầu bề mặt trớc mạ : - Trớc mạ vật cần mạ đợc tiến hành gia công khí để có bề mặt phẳng, ®ång thêi tÈy xãa c¸c lopø gØ, ®¸nh bãng bỊ mặt theo yêu cầu sử dụng - Tẩy dầu mỡ hợp chất hóa học khác có bề mặt vật mạ Tóm lại trớc lúc chi tiết vào bể điện phân, bề mặt cần phải thật phằng, sắc nét bóng tuyệt đối dầu mỡ, màng oxit có Trong điều kiện nh Nhóm Lớp TĐH1 K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều lớp mạ thu đợc có độ bóng tốt, không sớc, không sần sùi, bóng toàn lớp mạ đồng nh ý Phơng pháp gia công bề mặt kim loại trớc mạ : - Phơng pháp gia công khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh bóng quay bóng hay sóc bóng thùng quay - Phơng pháp gia công hóa học hay điện hãa häcbao gåm : tÈy dÇu mì, tÈy gØ, tÈy lại làm bóng bề mặt, rửa Sự lựa chọn phơng pháp gia công cho hiệu qủa tốt lại có giá thành rẻ, đòi hỏi ngời 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 lợng hình thức lớp mạ Chất lợng lớp mạ phụ thuộc cách vào phơng pháp đợc lựa chọn, kỹ thuật điều kiện tiến hành chuẩn bị bề mặt lớp mạ Không coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ Chơng II : Lựa chọn phơng 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 lµ mét yÕu tè hÕt søc quan träng, nã quyÕt định nhiều đến chất lợng lớp mạ thu đợc Nguồn điện chiều ắc quy, máy phát điện chiều, biến đổi Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà Chúng ta phân tích loại nguồn để định lựa chọn phơng án : ắc quy : Tong công nghệ mạ điện ắc quy đợc sử dụng phòng thí nghiệm hay sản xuất quy mô nhỏ Do hạn chế lợng điện tích lên ắc quy dùng để mạ chi tiết nhỏ, với chi tiết lớn không dùng ắc quy đợc Đặc biệt dòng điện mạ đòi hỏi lớn ắc quy đáp ứng đợc Vì mà công nghệ mạ ngời ta sử dụng ắc quy làm nguồn mạ Máy phát điện chiều : Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện chiều khắc phục đợc nhợc điểm ắc quy Máy phát điện chiều thực tế đợc sử dụng rộng rÃi quy mô sản xuất lớn Nhng giá thành đầu t cho máy phát điện chiều lớn, cấu điều khiển hoạt động phức Nhóm Lớp TĐH1 K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều tạp Máy phát điện chiều với nhiều nhợc điểm : cổ góp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn Máy phát điện chiều cần thờng xuyên bảo trì sửa chữa Chính lý lên công nghiệp ngời ta không dùng máy phát điện mét chiỊu Bé biÕn ®ỉi : HiƯn công nghiệp dòng điện xoay chiều đợc 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 đà đạt đợc nhiều thành tựu Chính biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng chiều ngày đợc sử dụng nhiều nghành công nghiệp Ngày công nghệ mạ điện bién đổi đợc dùng rộng rÃi Các biến đổi dùng trình điện phân cho điện áp nh : 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50v Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện cho phù hợp.Bộ biến đổi với u điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác ®éng nhanh; dƠ tù ®éng hãa; dƠ ®iỊu khiĨn vµ ổn định dòng Chi phí đầu t cho biến đổi rẻ, hiệu làm việc cao ổn định So với dùng nguồn mạ ắc quy máy phát điện chiều biến đổi đáp ứng đợc mặt kinh tế nh tiêu chuẩn kỹ thuật Vậy định phơng án dùng biến đổi Với mạch chỉnh lu(không dùng m¹ch chØnh lu ) cã rÊt nhiỊu : chØnh lu pha, chỉnh lu ba pha, chỉnh lu không điều khiển, chỉnh lu có điều khiển Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà Trong yêu cầu đồ án thiết kế nguồn mạ điện áp thấp dòng lín Tríc hÕt ta xÐt trêng hỵp chØnh lu cã ®iỊu khiĨn, sau ®ã ta cã thĨ xÐt trêng hỵp chỉnh lu điốt không điều khiển với góc điều khiển Các phơng án khả thi : + ChØnh lu cÇu mét pha + ChØnh lu cÇu ba pha + chỉnh lu sáu pha có cuộn kháng cân Phơng án : Chỉnh lu cầu pha Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu pha a.Khi tải trở R : Với u 2U sin  Nhãm – Líp T§H1 – K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn m¹ mét chiỊu _ Khi   : cho xung ®iỊu khiĨn më T1, T2 vµ U d  U , hai tiristor sÏ kho¸ u 0 _khi     , cho xung ®iỊu khiĨn mở T3, T4 Dòng qua tải dòng gián đoạn Giá tri trung bình điện áp tải : U d   2U   Id  Giá trị trung bình dòng tải : U d U 2 sin  d  2U (1  cos ) Ud R Giá trị trung bình dßng qua tiristor :  U I 2U IT  sin  d  d  d  R 2R Dạng sóng : b Tải R+L - Khi L đủ lớn dòng điện - Phơng trình mạch tải : id dòng liên tục 2U sin d Rid  X      Ud  d id d R 2U sin  d     i  d d  X  di d Id 2U cos   D¹ng sóng : Nhóm Lớp TĐH1 K45 Líp T§H1 – Líp T§H1 – K45 K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều c Ưu nhợc điểm sơ đồ : Ưu điểm : điện áp ngợc đặt lên van sơ đồ nhỏ Nhợc điểm : không dùng đợc cho tải có công suất lớn, dùng gây tợng công suất bij lệch pha Sơ đồ chỉnh lu cầu pha dòng tải chảy quia hai van nối tiếp, tổn thất diện pá công suất van lớn Sơ đồ cầu pha ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lu cao dòng tải nhỏ Phơng án : Chỉnh lu cầu ba pha đối xứng a)Sơ đồ nguyên lý : F T1 T3 T5 u2a R u2b u2c T4 T6 L T2 G Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm tiristor, chia làm hai nhãm : - nhãm catèt chung T1, T3, T5 - nhòm anốt chung T2, T4, T6 Điện áp pha : U a  2U sin  Nhãm Lớp TĐH1 K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều U b  2U sin(  ) 4 U c  2U sin(  ) b)Ho¹t động sơ đồ : Giả thiết T5, T6 cho dòng chảy qua + Khi   V F Vc , VG Vb cho xung điều khiển mơ T1 Tiristor mở mở T1 làm cho T5 bị khoá lại cách tự nhiên cho dòng qua Điện áp tải : U d U ab U a U b + Khi    3  Ua Uc Ua  Sù Lóc T6 T1 cho xung điều khiển mở T2 Tiristor mởvì T6 dẫn dòng, đặt U b lên catốt T2 mà cách tự nhiên U b  U c Ub Uc Sù më cña T2 làm cho T6 khoá lại Các xung điều khiển lệch đợc lần lợt đa đến cực điều khiển thyristỏ theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1, Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà Trong nhóm, tiristor mở khoá thyritor trớc nó, nh bảng sau : Thời điểm = /6 + 2 = 3/6 +  3 = 5/6 +  4 = 7/6 +  5 =  9/6 +  u d6 = 11/6 +  Më T1 T2 T3 T4 T5 T6 Dạng sóng bản0 id i T1 Kho¸ T5 T6 T1 T2 T3 T4 Id       i T2 i T3 i T4 i T5 i T6 Nhãm – Líp T§H1 – K45 Líp T§H1 – Líp T§H1 – K45 0K45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều Đờng bao phía biẻu diễn điện điểm F Đờng bao phía dới biểu diễn điện điểm G Điện áp mạch tải : U d U F U G khoảng cách thẳng đứng hai đờng bao Ud  2 5   2U sin  d Giá trị điện áp ngợc lớn van : U Dòng điện trung bình chạy qua van 6U cos ng max  6U 2,45U I I T d c)Ưu nhợc điểm sơ đồ : + u điểm : - số xung áp chỉnh lu chu kỳ lớn, độ đập mạch điện áp chỉnh lu thấp, chất lợng điện áp cao - không làm lệch pha lới điện + Nhợc điểm - sử dung số van lớn, giá thành thiết bị cao - sơ đồ dung cho tải công suất lớn, dung tải nhỏ điện áp chỉnh lu đòi hỏi độ phẳng Do dòng tải dùng mạ điện có tụi số lớn, nên không áp dụng đợc phơng pháp này, van không chịu đợc dòng tải lớn Phơng án : Chỉnh lu pha có cuộn kháng cân a.Sơ đồ nguyên lý Nhãm – Líp T§H1 – K45 Líp T§H1 – Líp T§H1 – K45 K45 10 ... 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... nghệ mạ điện Đề tàI thiết kế nguồn mạ chiều đề tàI có giá trị thực tế lớn, công nghệ mạ nguồn điện chiều yếu tố quan trọng Để thấy rõ giá trị đề tàI, trớc hết ta cần phải nắm rõ số kháI niệm nh thiết. .. kháng cân điều chỉnh thứ cấp Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ chiều nh sau : Sơ đồ gồm : Nhóm Lớp TĐH1 K45 14 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ chiều + tiristor + Điện trở sum loại 2000A