Đề án Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ

Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 1 Đề tài: Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ. Các tham số: Phương án 2: Điện áp ra : Ud = 6÷12 (V) Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 2 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 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 3 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.3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa .............................................................. 38 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 4 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 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 5 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 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 6 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. Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 7 -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 + Các phụ gia: Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 8 - Chất dẫn điện : Đóng vai trò dẫn dòng điện trong dung dịch . - Chất bóng: Chất bóng thường được dùng làm cho lớp mạ nhẵn mịn 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 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 9 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 lớp mạ. tc 0 Ia t I Ic ta Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 10 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. Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 11 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. Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 12 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. Nguyên lý làm việc: T1 T2 Tải Hình II.1. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tia hai pha U1 U21 U22 u21 u22 ud θ id 0 0 θ Id Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 13 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 = γπ + +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: Udo- Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng Udo = 0,9.U2 α - Góc mở của các Thyristor. Điện áp ngược cực đại qua van: ~nv U.2.2U = Dòng điện trung bình qua van: Itb = 2 Id Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van: Ihd = 2 Id Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 14 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. u d k U = π.12= 37,67(V) (knv, ku – là hệ số điện áp ngược và điện áp tải: knv = 22 ; ku = π 22 ) Chọn hệ số dự trữ điện áp: kdt =1,6 Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ 15 Điện áp ngược của van cần chọn: Unmax = kdt . Ung = 1,6 . 37,67 = 60,3(V) -Dòng trung bình qua Thyristor: Itb = )A(502 100 2 Id == -Dòng làm việccủa Thyristor: Ilv = )A(71,70 2 100 2 Id == Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ đi