Đề tài Thiết kế nguồn điện phân

Chương I. Giới thiệu chung về công nghệ điện phân Vai trò của ngành điện phân. Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điện phân chiếm 1 vai trò hết sức quan trọng. Tuyệt đại đa số các kim loại khi luyện hoăc tinh luyện đều cần thiết dùng phương pháp điện phân. Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương pháp điện phân, vì các kim loại này có hoạt tính lớn nên khó hoàn nguyên bằng con đường hỏa luyện. Trong thiên nhiên chúng tồn tại ở dạng muối như NaCl, KCl,… hoặc qua sơ chế thành NaOH, KOH…, chúng đều là các chất điện ly nên có thể điện phân trực tiếp. Luyện kim bằng phương pháp điện phân có ưu điểm chính: + Có thể luyện được những kim loại mà phương pháp hỏa luyện không thể luyện được. +Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng Õit… đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn phương pháp khác. +Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn trong quặng. +Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao. Lý thuyết quá trình điện phân. a) Hệ thống điện hóa : b)Dung dịch điện ly. Dung dịch điện ly gồm: + Thành phần cơ bản: gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại cùng 1 số hóa chất khác. +Thành phần phụ gia: chất đệm và chống thụ động Anôt. Chức năng của chất đệm là giữ cho thành phần của dung dịch luôn ổn định khi điện phân, tốc độ của kim loại về Catot cũng nhỏ khi thoát ra cũng phải ổn định . Đồng thời chất đệm chống thụ động Anot. Phân loại dung dịch điện ly: có 2 loại chính là: + Dung dịch nước + Dung dịch muối nóng chảy. Dựa vào đó cũng có các công nghệ điện phân khác nhau như: +Điện phân trong dung dịch nước: luyện kẽm, tinh luyện Cu,Ni,Pb… + Điện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất Nhôm, Magie, các kim loại đắt, hiếm… c. Một số đặc điểm của dung dịch điên phân: - Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất và làm cho quá trình diễn ra đồng đều. - Độ pH phù thuộc chất điện phân. - Nhiệt độ dung dịch không vượt quá nhiệt độ sôi. 3. Các quá trình điện cực. Quá trình Anot: Anot là điện cực nối với cực dương của nguồn điện 1 chiều.Khi điện phân, trên anot xảy ra quá trình điện hóa (oxi hóa) gọi là quá trình Anot và chia làm 2 loại: +Quá trình Anot tan. +Quá trình Anot không tan. Bản chất của các quá trình xảy ra trên Anot là quá trình Oxi hóa. Trường hợp Anot tan. Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trong dung dịch điện phân. Ví dụ: Cu – 2e à Cu2+ Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện hoàn nguyên trên bề mặt catot. Cơ chế của quá trình Anot tan gồm 3 giai đoạn chính: Tách ion ra khỏi mạng tinh thể và chuyển điện tử vào mạng điện. Hidrat hóa các Cation. Khuếch tán các Cation vào trong dung dịch. Trường hợp Anot không tan Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi hóa các Anion trong dung dịch: 4OH – – 4e à 2H2O + O2 2Cl – – 2e à Cl2 Quá trình Catot: Catot là điện cực nối với cực âm của nguồn điện 1 chiều, là nơi đặt vật mạ hoặc thu kim loại tinh chế, do quá trình hoàn nguyên kim loại diễn ra trên bề mặt catot. Bản chất của các quá trình catot chính là sự khử các Cation thành kim loại: MZ+ + z.e à M Hoặc hoàn nguyên Hydro: 2H + + 2e àH2 4. Sự kết tinh điện hóa .Quá trình kết tủa kim loại và các yếu tố ảnh hưởng. Trong công nghệ kết tủa kim loại Catot, cấu trúc tinh thể và hình dạng bên ngoài của kết tủa Catot có ý nghĩa rất lớn. Việc lấy được một kết tủa đặc, chắc, nhẵn theo yêu cầu phụ thuộc vào quá trình kết tinh điện hóa Catot. Quá trình kết tinh điện hóa 1 kim loại được xác định bởi quá trình tạo mầm và quá trình phát triển tinh thể. Kết tủa mịn hay thô, từ đó tạo ra mặt Catot nhẵn hay gồ ghề phụ thuộc vào tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể. Để lấy được kết tủa chất lượng cao cần điều khiển được tốc độ đó bằng cách khống chế các nhân tố ảnh hưởng sau: Mật độ dòng điện và phân cực. Thành phần và nhiệt độ dung dịch. Chất hoạt tính bề mặt. Chủng loại các Catot mẫu. Sự tuần hoàn ding dịch. a) Xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch: Đây là yếu tố ảnh hưởng phức tạp vì có ảnh hưởng nhiều tới tính chất dung dịch. Tăng nhiệt độ sẽ cho phép dùng dung dịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn điễn của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot. Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân với mật độ dòng cao hơn. Xem xét sự ảnh hưởng của tuần hoàn dung dịch Trong quá trình điện phân, nồng độ ion kim loại sát Catot bị nghèo đi, gây phân cực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi xảy ra như: không dùng được mật độ dòng cao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ … Sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện: Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, chắc sít và đồng đều, do khi tăng mật độ dòng điện sẽ làm tăng khả năng tạo mầm,ngược lại, mật độ dòng thấp cho kết tủa to, thô. Tuy nhiên, mật độ dòng cao quá lại không tốt vì lớp kim loại dễ bị gai, bị cháy. Khi diện phân tại mật độ dòng giới hạn chỉ tạo thành bột kim loại, do đó, muốn nâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạn bằng cách tăng nhiệt độ, tăng nồng độ và đối lưu dung dịch. 5. Nguồn điện phân Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân ở trên, ta thấy mật độ dòng là yếu tố quyết định. Để có được độ mịn, độ gắn bám tốt thì nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân phải có chất lượng thật tốt, cho dòng bằng phẳng và có thể điều chỉnh liên tục trong 1 giới hạn rộng, cấp được một mật độ dòng đủ lớn. Tính chất tải điện phân: Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ, do đó, hằng số thời gian phóng, nạp của tụ là rất nhỏ cho nên coi ảnh hưởng của tụ là không đáng kể. Sức điện động E trong bể mạ thường nhỏ nên chúng ta có thể bỏ qua. Từ đó có thể coi tải điện phân gần như thuần trở, nên muốn có một mật độ dòng lớn, có độ bằng phẳng cao theo yêu cầu thì điện áp nguồn 1 chiều cũng phải thật bằng phẳng. Đây chính là yêu cầu thiết kế nguồn điện phân Chương II Phân tích-lựa chọn phương án Nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân được yêu cầu có điện áp cao và dòng rất lớn, tới hàng chục ngàn Ampe. Sự ổn định, chất lượng dòng điện cấp cho bể là yếu tố quan trọng nhất, quyết định tới chất lượng sản phẩm điện phân. Nguồn điện 1 chiều nói chung có thể được cung cấp từ Ắcquy. Máy phát điện 1 chiều hay các bộ biến đổi… Phân tích ưu và nhược điểm của từng loại nguồn cung cấp: Acquy: Do đặc trưng và hạn chế về lượng tích điện, ắcquy thường được sử dụng cho mục đích thí nghiệm hoặc sản xuất quy mô nhỏ. Đối với quy mô công nghiệp đòi hỏi dòng điện lớn, thời gian, công suất tiêu thụ lớn, nguồn ắcquy không thể đáp ứng được yêu cầu. Máy phát điện 1 chiều: Sử dụng máy phát điện 1 chiều, với ưu điểm ổn định, phát được công suất lớn, dễ điều chỉnh trong phạm vi rộng bằng cách thay đổi chế độ kích từ, máy phát điện 1 chiều đáp ứng được yều cầu của công nghệ điện phân quy mô sản xuất lớn. Tuy nhiên, sử dụng máy phát điện 1 chiều không thích hợp với sản xuất quy mô vừa và nhỏ do giá thành cao, thiết bị cồng kềnh, cấu tạo cổ góp phức tạp, nhanh hỏng nên máy phát điện 1 chiều thường xuyên phải bảo trì và gây ra tiếng ồn vận hành lớn. Các bộ biến đổi : Với sự phát triển của công nghệ bán dẫn ngày càng hoàn chỉnh cùng với những ưu điểm như: tác động nhanh, độ tin cậy cao… việc sử dụng các bộ biến đổi trở nên rộng rãi ở hầu hết các ngành công nghiệp. Trong công nghệ điện phân, các bộ biến đổi bán dẫn là 1 sự lựa chọn kinh tế. Việc biến đổi dòng điện cung cấp cho điện phân có thể thực hiện được nhờ sử dụng máy biến áp trước chỉnh lưu diode, hoặc sử dụng chỉnh lưu có điều khiển. a) Sử dụng biến áp tự ngẫu trước chỉnh lưu diode. Ít sử dụng vì khó chế tạo được máy biến áp chịu dòng tới hàng ngàn Ampe. b) Sử dụng bộ điều áp xoay chiều 3 fa trước chỉnh lưu diode. Phương pháp này cho phép điều chỉnh dễ dàng nhưng bộ điều áp xoay chiều có dòng điện sơ cấp không Sin, làm cho chất lượng dạng sóng thấp. Sóng hài làm cho dòng từ hóa nhọn đầu, mạch từ bão hòa mạnh nên phương pháp này cũng không được sử dụng nhiều trong điện phân. c) Sử dụng chỉnh lưu có điều khiển. Hệ chỉnh lưu điều khiển gồm máy biến áp nguồn và bộ chỉnh lưu có điều khiển , với ưu điểm gọn nhẹ, dễ điều khiển, dễ tự động hóa, cho chất lượng dòng điện tốt, chi phí thấp, có thể lắp đặt riêng cho từng bể …nên đây là phương án hiệu quả nhất. Với yêu cầu nguồn điện phân có điện áp không cao, dòng rất lớn và phải dễ dàng điều chỉnh, các phương án chỉnh lưu được chọn là: Chỉnh lưu cầu 1 pha. Chỉnh lưu đối xứng cầu 3 pha Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng. Phân tích các phương án chỉnh lưu có điều khiển. Chỉnh lưu cầu 1 fa. Là sơ đồ đơn giản nhất, sử dụng ít linh kiện nhất trong các phương án. Tuy nhiên, chỉnh lưu cầu 1 pha cho công suất không lớn, đồng thời gây tổn thất trên van nên không thích hợp cho yêu cầu dòng tải và công suất lớn. Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng. Sơ đồ nguyên lý : +Nguồn cấp: 3 pha xoay chiều 220V/380V – 50Hz khi qua biến áp 3 pha có các điện áp thứ cấp: Ua = V Ub = V Uc = V Tải có cuộn cảm L đảm bảo san bằng dòng 1 chiều đạt yêu cầu. +Bộ biến đổi: sơ đồ cầu 3 pha. - Nhóm T1,T3,T5 đấu Catot chung: T1,T3,T5 đấu Catot chung , khi Anôt của van nào bắt đầu có thế dương hơn so với Anôt của các van còn lại thì mới được phép phát xung điều khiển để mở van đó.Điểm đó được coi là điểm gốc để tính góc mở chậm cho thyristor ấy. T1,T3,T5 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Catot chung, có nguồn cung cấp là ,,và mạch tải là 2 điểm K và O. Ud2 = UKO -Nhóm T2,T4,T6 đấu Anot chung: T2,T4,T6 đấu Anôt chung,khi nào thế Catot của van nào bắt đầu có thế âm hơn so với thế Catôt của các van còn lại thì mới được phép phát xung điều khiển vào để mở van đó. Điểm đó được coi là điểm gốc để tính góc mở chậm cho Thyristor đó. T2,T4,T6 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Anot chung, có nguồn cung cấp ,,và mạch tải là 2 điểm A và O. Ud2 = UAO KL:Chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha thực chất là 2 chỉnh lưu điều khiển đối xứng tia 3 pha,1 đấu Catôt chung ,1 đấu Anôt chung,được đấu nối tiếp nhau có cùng nguồn cung cấp . Còn mạch tải nối tiếp nhau nên: ==+=+ Hoạt động của sơ đồ: Giả thiết T5 và T6 đang thông ta có : - UC thông qua T5 đặt lên K - Ub thông qua T6 đặt lên A à Ud = UKA = UCB + Đến thời điểm θ = O1 + α = π/6 + α , Phát xung điều khiển mở T1. Khi đó : Anot T1 mang thế Ua Catot T1 mang thế Uc Do Ua > Uc nên T1 mở thông. T1 mở làm cho Catot lúc này mang thế Ua, do đó T5 đóng lại vì chịu phân cực ngược Uac. Dòng điện khép mạch qua T1 và T6, Điện áp tải : Ud = Uab = Ua – Ub + Khi θ = 3π /6 + α : Phát xung điều khiển mở T2 Khi đó: Anot T2 mang thế Ub Katot T2 mang thế Uc Do Ub > Uc nên T2 mở thông. Sự mở của T2 làm cho T6 khóa lại 1 cách tự nhiên giống trường hợp trên… Cứ như vậy các xung điều khiển lệch nhau π/3 lần lượt được đưa đến các cực điều khiển cua các Thyristor theo thứ tự T1,T2,T3,T4,T5,T6,T1… Trong mỗi nhóm đấu chung K (hoặc A), khi 1 van mở thì nó sẽ khóa ngay van trước đó theo thứ tự như bảng sau: Thời điểm Mở Khóa T1 T5 T2 T6 T3 T1 T4 T2 T5 T3 T6 T4 0 0 0 0 0 0 0 0 Dạng sóng cơ bản: Điện áp tải trung bình: Ud = Ud = Ungmax = c). Phân tích ưu, nhược điểm của sơ đồ: +Ưu điểm: Số xung áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ lớn,vì vậy độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp ,chất lượng điện áp cao. Không làm lệch pha lưới điện. +Nhược điểm: Sử dụng số van lớn, giá thành thiết bị cao. Sơ đồ này dùng cho tải công suất lớn, dùng tải nhỏ,chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng Chỉnh lưu điều khiển 6 fa có cuộn kháng cân bằng. Sơ đồ nguyên lý: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm: + Máy biến áp động lực có cuộn kháng cân bằng Ccb + 6 Thyristor chia làm 2 nhóm T1,T3,T5 và T2,T4,T6 Máy biến áp có 2 hệ thống thứ cấp (a,b,c) và (a’,b’,c’). Các cuộn dây trên mỗi pha (a & a’);(b &b’);(c & c’) có số vòng dây như nhau nhưng có cực tính ngược nhau. Hệ thống dây cuốn máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt O1, O2 được nói với nhau qua cuộn kháng cân bằng. Cuộn kháng cân bằng có cấu tạo như máy biến áp tự ngẫu. Điện áp chỉnh lưu trung bình trong sơ đồ có giá trị như trung bình cộng của điện áp đầu ra của 2 chỉnh lưu hình tia 3 pha : Ud = à Udmax = Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng, dòng tải có thể coi là phẳng hoàn toàn. Dòng trung bình qua van: ITBV = Điện áp ngược đặt lên van: Ungmax = b). Ưu nhược điểm của sơ đồ: - Dòng điện - điện áp ra có độ bằng phẳng cao, độ đập mạch 5,7% - Dòng trung bình qua van nhỏ chỉ bằng 1/6 dòng tải - Do tính đối xứng (ngay cả khi α thay đổi) nên bộ lọc thiết kế đơn giản, trọng lượng cũng như kích thước nhỏ. - Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chỉnh lưu loại này là giá thành cao do sử dụng nhiều van công suất, và thiết kế máy biến áp cũng như cuộn kháng cân bằng rất phức tạp. Đây chính là nhược điểm cũng như hạn chế khả năng ứng dụng của sơ đồ trong quy mô sản xuất vừa và nhỏ. Kết luận: Như vậy, theo yêu cầu của đề tài thiết kế: Nguồn áp : 500V Dòng tải : 30.000 A Cùng với những phân tích ở trên, em đi đến lựa chọn phương án: Sử dụng bộ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng có điều khiển là hợp lý nhất, có thể thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật cũng như kinh tế của đề tài. CHƯƠNG III Tính toán thiết kế mạch lực. Yêu cầu thiết kế: Điện áp tải : Ud = 500 V Dòng điện tải : Id = 30000 A Tính chọn Van bán dẫn công suất. Chọn chế độ làm việc định mức của van là chế độ công suất cực đại Tức là góc mở chậm α = 0o +) Điện áp đầu ra của chỉnh lưu được tính : Ud = U2 = ==213,76 V Điện áp ngược cực đại đặt lên van: Ungmax = =.213,76=523,6 V Chọn hệ số dự trữ điện áp: Ku = 1,8 à Van phải chịu được: Ungmax thực = 1,8 . 523,6 =942,48 (V) +) Dòng điện trung bình qua van: ItbVan = = =10.000 (A) Chọn van có hệ số dự trữ dòng điện: k=1,2. Dòng điện định mức của van cần chọn : =1,2.10,000=12.000 A Dòng lớn mắc song song 2 van với nhau mỗi van chịu dòng: I==6.000 A Trong điều kiện làm mát bằng nước tuần hoàn, van hoạt động tới gần 100% công suất cực đại. Ta chọn H = 90%. à Dòng làm việc của van: =6666,7 A * Vậy các thông số chọn van: Ungmax = 942,48 (V) IV = 6666,7 (A) Van công suất được chọn là: N1600DH10LOO Các thông số từ nhà Sản xuất: +) Điện áp ngược cực đại :Ungmax = 1000 V +) Dòng điện làm việc cực đại :Idmmax = 6840 A +) Dòng điện đỉnh cực đại :Ipik max = 6400 A +) Dòng điện xung điều khiển :Ig = 300 mA +) Điện áp xung điều khiển :U = 3 V +) Dòng điện rò :Irmax = 200 mA +) Dòng điện duy trì :Ikmax = 1 A +) Sụt áp trên thyristor ở trạng thái bán dẫn :∆Umax = 1.06 V +) Tốc độ biến thiên điện áp :du/dt = 1000 V/ μs +) Nhiệt độ làm việc cực đại :T=125C Tính toán máy biến áp lực. Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, sơ đồ đấu dây . II.1. Tính sơ bộ máy biến áp. 1. Công suất biểu kiến máy biến áp: S=kVA 2.Điện áp pha sơ cấp máy biến áp: =380 V Điện áp pha thứ cấp máy biến áp : Phương trình cân bằng điện áp khi có tải: Ud0.cos αmin = Ud +2.∆UV + ∆Udn +∆UBA Với: αmin = 100 là góc dự trữ khi có sụt giảm điện áp lưới. ∆UV = 1.06 V: sụt áp trên van công suất. ∆Udn 0: sụt áp trên dây nối. - : sụt áp trên điện trở và điện kháng của MBA. Chọn sơ bộ: ∆UBA = ∆UR + ∆UX ≈ 6%.Ud0 = 0.06×500 = 30 V Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải, ta có: →Ud0 = = = 543,25 (V) à Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp: U2 = = 232,25 (V) Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp. I2 = A Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp : A Như vậy các tham số của máy biến áp cần đạt được là: =15750 kVA =380 V =232,25 V =14,971 kA =24,495 kA II.2. Tính toán các thông số khác của máy biến áp. A.Chọn mạch từ: 1. Tiết diện sơ bộ trụ: Chọn mạch từ 3 trụ, tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức: QFe = Trong đó: KQ: Hệ số phụ thuộc máy biến áp. Chọn KQ = 5 ứng với máy biến áp dầu. m=3 : số trụ máy biến áp. f = 50Hz: tần số nguồn xoay chiều. Thay số: à QFe = () 2.Đường kính trụ: D= Chuẩn hóa đường kính trụ theo tiêu chuẩn: d = 46 (cm). 3. Chọn loại thép 330 có các lá thép có độ dày 0,5mm. Chọn sơ bộ mật độ từ cảm trong trụ BT = 1 Tesla 4. Chọn tỷ số: Chọn chiều cao trụ: h=97(cm). B.Tính toán dây cuốn: Số vòng dây mỗi pha máy biến áp: _Sơ cấp: W1 = (vòng) _Thứ cấp: W2 = (vòng) Ta lấy:W=11(vòng). W=7 (vòng). Đảm bảo W1/W2 = U1/U2 2. Tiết diện dây quấn. Do dòng điện trong các cuộn dây là rất lớn, ta cần phải chọn dây cuốn song song. 2.1. Kết cấu dây cuốn sơ cấp: Dòng điện hiệu dụng: I1 = 14970,9 (A) → Ta chọn dây cuốn gồm 16 bánh dây nối song song ,mỗi bánh có 11 vòng dây ,mỗi vòng có 6 dây ghép song song. Như vậy, bên sơ cấp sẽ có tất cả: 16.6=96 sợi song song với nhau. → Dòng qua mỗi sợi dây: Id1 = (A) Chọn mật độ dòng 2 bên sơ cấp và thứ cấp: J1 = J2 = J = 2.75 (A/mm2) → Tiết diện dây quấn: S1 = Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn: S1 = 58,3 ( mm2 ) Chọn loại dây đồng mã hiệu ЛЬ có các kích thước: a×b = 5,111,6 (mm) ( tính cả chiều dày cách điện) Tính lại mật độ dòng điện: J1 = 2.2 Kết cấu dây cuốn thứ cấp: Dòng điện hiệu dụng thứ cấp: I2 = 24495 (A) Chọn dây cuốn gồm 22 bánh dây nối song song ,mỗi bánh có 7 vòng dây ,mỗi vòng dây có 6 dây ghép song song. Như vậy, có tất cả 226 = 132 sợi song song bên thứ cấp. Dòng điện trong mỗi sợi: Id2 = →Tiết diện dây cuốn thứ cấp: S2 = Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn: S2 = 67,7 ( mm2 ), có các kích thước kể cả cách điện 2 phía là: a×b = 4,415,6 (mm). Tính lại mật độ dòng: J2 = C. Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch động lực. 1. Sơ đồ mạch động lực có các thiết bị bảo vệ: 2. Bảo vệ quá nhiệt cho các van: Khi làm việc với dòng điện chạy qua, trên van có sụt áp, do đó có tổn hao công suất ∆P, sinh ra nhiệt đốt nóng van. Mặt khác, các thiết bị bán dẫn rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ, và chỉ cho phép làm việc ở nhiệt độ t < tcp. Để van có thể hoạt động tốt, với dòng điện qua van rất lớn tới 7 KA, ta cần phải làm mát cho van bằng hệ thống nước khử ion. Bảo vệ quá dòng điện cho van. a) Sử dụng Aptomat đóng cắt mạch động lực, tự động vảo vệ khi quá tải và ngắn mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp. Chọn Áptomat có: Idm = 1.1×I1 dây = 1.1 .14970,9 = 28523,4 (A) Chọn bằng 28000 (A) Được chỉnh định dòng ngắn mạch: Inm = 2.5 I1dây = 2.5.14970,9 = 64825,9 (A) Chọn bằng 64800 (A) Dòng quá tải: Iqt = 1.5I1dây = 1.5.14970,9 = 38895,5 (A) Chọn bằng 38800 (A) b). Các cầu chì bảo vệ ngắn mạch.: Cầu chì nhóm CC1: ICC1 = 1,1.I2 = 1.1×24494,9 = 26944,4 (A) Chọn loại 26000 (A) Cầu chì nhóm CC2: ICC2 = 1,1.IV = 1.1×6666,7 =7333,37(A) Chọn loại 7000 (A) Cầu chì nhóm CC3: ICC3 = 1,1.Id = 1.1×30000 = 33000 (A) Chọn loại 30000 (A) CHƯƠNG IV Tính toán mạch điều khiển I. Khái quát hệ thống điều khiển bộ biến đổi. 1. Chức năng. Biến đổi tín hiệu điều khiển thành xung điều khiển tương ứng với góc mở của Thyristor (α). 2. Phân loại. - Hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc (Cho chỉnh lưu và bộ biến đổi xung áp xoay chiều) - Hệ điều khiển bộ biến đổi độc lập (Cho nghịch lưu độc lập và bộ biến đổi xung áp 1 chiều) II.Khái quát hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc Cấu trúc chung: Đồng bộ Utựa SS+TX KĐX Udk Sơ đồ toàn bộ mạch điều khiển: 3. Nhiệm vụ của các khâu: a). Khâu đồng bộ: Tạo tín hiệu đồng bộ trùng với thời điểm điện áp lưới đi qua 0. b). Khâu tạo điện áp tựa: Tạo điện áp răng cưa tuyến tính để đưa vào 1 cửa của khâu so sánh. c). Khâu So sánh: So sánh giữa điện áp điều khiển với xung răng cưa để xác định thời điểm phát xung điều khiển để mở thyristor. d). Khâu tạo xung: Trộn tín hiệu cao tần với tính hiệu điều khiển và điện áp phân phối để tạo ra dạng xung là xung đơn, xung kép hay xung chùm. e). Khâu khuếch đại xung: Dùng khuếch đại công suất xung điều khiển đủ công suất để mở van lực. Tính toán bộ điều khiển cho thiết kế. Tính toán khâu đồng pha: a). Sơ đồ nguyên lý: Từ sơ đồ này ta thấy điện áp đồng pha được lấy ra từ điện áp lực thông qua MBA. Phần sơ cấp của điện áp đồng pha được đấu vào các pha thứ cấp của máy biến áp lực. b). Hoạt động: Máy biến áp đồng pha có điện áp thứ cấp: U2 = 15V Phương trình điện áp pha A: U2 = 15Sin ωt Điện áp hình sin qua chỉnh lưu diode 2 nửa chu kỳ đưa vào đầu vào đảo của KĐTT OA1 và được so sánh với điện áp U0 ở đầu vào không đảo: - Khi U– < U0 → đầu ra của OA1 = +E - Khi U– > U0 → đầu ra của OA1 = 0 (Do phần điện áp âm –E được cắt bởi diode ĐZ1) OA1 hoạt động như triger không có trễ, lật trạng thái mỗi khi điện áp hình sin đi qua U0. c). Tính toán các thông số: Chọn góc điều khiển φdf = 50 → U0 = Umax Sin φdf = 15Sin50 = 1.85 (V) U0 = 1.85 (V) Chọn R12 = 10 K RV được mắc vào ngưỡng +E để chia áp ra U0 Giá trị RV nên chọn lớn để giảm công suất tiêu tán do dòng lớn gây ra. Chọn RV = 50 K → Dòng qua RV: i= 12/ 50E+3 = 0.24 mA. Công suất tiêu tán : P = i2.R = 0.242. 10–6.50.103= 0.012 W Khâu tạo điện áp tựa: a). Sơ đồ nguyên lý : Điện áp tựa cần tạo có dạng răng cưa tuyến tính. Sử dụng bộ khuếch đại thuật toán OA2 và bóng trường T5 Chọn T5 là : Có các thông số: b). Hoạt động của sơ đồ: * Khi Udf = 0 V, bóng T5  khóa. → OA2 , C, R10 tạo thành mạch tích phân. Tụ C được nạp điện đến giá trị UCmax = E = 12 V Theo phương trình: → UC tăng tuyến tính với hằng số thời gian: T = R10.C * Khi Udf > 0, bóng T5 được mở thông, tụ C xả điện qua kênh dẫn D-S Do điện trở kênh rất nhỏ nên tụ C xả về 0 gần như ngay lập tức. Hằng số thời gian T cần đảm bảo cho UC tăng tới Umax = E trong thời gian t <= chu kỳ điện áp xoay chiều đồng pha. Để tăng độ dốc của sườn lên URC, ta cần giảm hằng số thời gian T. c). Tính toán các thông số: Tần số nguồn xoay chiều: f = 50 Hz Chu kỳ điện áp xoay chiều: Txc = 1/ 50 = 0.02 (s) Hằng số thời gian phóng nạp của tụ: T T ≤ Txc / 2 = 0.01 (s) để tăng độ dốc của sườn xung ta chọn : T = Txc / 4 = 0.005 (s) Do đó: T = R10. C = 0.005 (s) Chọn C = 0.05 μF, R10 = 100K Các giá trị R11, R8 có thể chọn = 10K Khâu so sánh : Mục đích tạo góc mở van. a). Sơ đồ nguyên lý: b). Hoạt động: Khi = thì đầu ra OA lật trạng thái. Dạng điện áp của đầu ra khâu so sánh có dạng xung vuông. Hoạt động của khâu so sánh được minh họa bằng đồ thị sau: Khâu so sánh dùng OA vì tổng trở vào của OA lớn không gây ảnh hưởng đến các điện áp đưa vào. +Độ chính xác so sánh rất cao, độ trễ không quá vài . +Mạch điều khiển này thực hiện quá trình điều khiển thuận. Điện áp đầu vào không đảo URC được so sánh với giá trị Udk ở đầu vào đảo của OA3 : Khi URC < Udk , đầu ra của OA3 có giá trị -E ,và được cắt bởi diode Khi URC > udk , đầu ra của OA3 có giá trị +E OA3 hoạt động như Triger không có trễ, lật trạng thái tại thời điểm tα0 mà: URC = Udk , ứng với góc lật α0. Ta mong muốn α0 =300 ứng với góc mở chậm α = 00. c). Tính toán các thông số: Xung răng cưa URC tăng tuyến tính từ 0 tới 12 V bắt đầu tại thời điểm φ1 = φdf = 50 với chu kỳ TRC : .TRC = π / 2. Góc mở van: α = 00 ứng với α0 = 300 → → Udk = 3.3 V Các điện trở đầu vào: R8 ,R9 chọn = 10K Bộ tạo xung cao tần a) Sơ đồ nguyên lý: Khâu này dùng IC thuật toán LM555 tạo dao động với tần số cao 10kHz. Đây chính là mạch dao động RC. b) Tính toán các thông số: Ta có chu kỳ của xung cao tần: T= (2R16+R17).(C2+C3) Mà xung dao dao động với tần số 10kHZ T=(2R16 +R17).(C2+C3)=0,1.10-3 Chọn C2=C3=1F ; R16=2k;R17=1k. Bộ trộn xung Bộ trộn xung thực hiện chức năng hàm AND giữa 3 tín hiệu điện áp: Điện áp USS từ bộ so sánh Xung chùm từ bộ tạo xung cao tần. Điện áp phân phối từ bộ phân phối. Các tín hiệu được chuẩn hóa trước khi đưa vào bộ trộn xung. Chọn cổng AND họ CMOS có đặc tính: Điện áp nguồn nuôi: 3 ÷ 15 V Dòng điện ra < 1 mV Điện trở vào vô cùng lớn. Sử dụng IC 407 ,mỗi IC có 3 cổng AND 3 đầu vào. Chọn điện áp nguồn nuôi : 12 V Mức điện áp đầu ra: mức cao : 11.5 ÷ 12 V mức thấp: 0 ÷ 0.5 V Bộ phân phối : lấy nửa chu kỳ điện áp từ biến áp đồng pha thông qua chỉnh lưu diode. Các diode Zener 12V được sử dụng để chuẩn hóa điện áp vào IC 4073. Các điện trở R7 , R14 có thể chọn = 10K. Hoạt động : Điện áp hình sin từ biến áp đồng pha qua bộ phân phối cho T1 có dạng như đồ thị. Trong đó, bộ phân phối chỉ lấy nửa chu kỳ điện áp ứng với khoảng có thời điểm phát xung mở T1. Cổng AND so sánh 3 điện áp đầu vào. Chỉ khi cả UPP , USS , cùng ở Logic cao thì dãy xung mới đi qua được bộ trộn xung. Trên đồ thị là dạng xung vào và ra của bộ trộn xung. Khâu khuếch đại xung. Sơ đồ nguyên lý: Thông thường xung nhịp tạo ra sau bộ trộn xung không đủ công suất để mở van mạch lực. Khuyếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất của xung sau bộ trộn xung. Đại đa số các van được chế tạo để có thể mở được chắc chắn với xung điều khiển có: UGK = 5®10V ; IG = 0,3 ® 1A trong thời gian cỡ 100ms . Ta có sơ đồ khuyếch đại xung dùng biến áp xung như sau: Theo sơ đồ khuyếch đại xung ở trên ta thấy đầu ra của KĐX sẽ được nối với các cực G-K của van còn đầu vào được nối với khâu tạo xung chùm. Do khi dòng IC càng nhỏ thì độ mất đối xứng của xung càng giảm nên ta sẽ sử dụng 2 tầng khuếch đại transistor mắc Darlington. Ta phân tích mạch KĐX ghép bằng BAX ở trên. Sơ đồ sử dụng BAX ghép với tầng KĐ Dalingtơn sử dụng 2 transistor T1, T2. Khi có xung chùm đặt vào cực bazơ của T2 thì T2 mở cho dòng chảy từ nguồn nuôi chảy qua BAX , qua T1 đến mở bão hoà T1 để T1 dẫn dòng chính chảy qua BAX xuống đất. Như vậy điện áp trên cuộn sơ cấp BAX và dòng điện chảy qua nó cũng có dạng xung. Dòng điện này cảm ứng sang cuộn thứ cấp, và ở cuộn thứ cấp này cũng xuất hiện dòng xung chảy vào cực điều khiển Thysistor . Trong mạch trên Đ2 có tác dụng trả năng lượng tích luỹ trong cuộn cảm lại nguồn khi mà cuộn sơ cấp này đang dẫn dòng thì T1 ,T2 khoá lại. - Điện trở R2 cũng có tác dụng tiêu tán năng lượng chảy từ T2 để T1 khoá dễ dàng hơn. - Điện trở R2 chọn theo khả năng dẫn dòng cho phép của T1. - Tuy nhiên do điện trở này mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp nên khi dẫn nó làm giảm áp đặt vào BAX. Để vẫn giữ điện áp ban đầu trên BAX bằng giá trị nguồn ta phải đưa thêm tụ C3 vào, khi T2 khoá tụ phải kịp nạp đến trị số bằng nguồn . Tính toán các thông số: Điện áp nguồn nuôi cho biến áp xung chọn ECS = 15V để đảm bảo bù được mức sụt áp trên điện trở R1. Chọn bóng công suất T1 loại Có các thông số: - UCemax = 40 V - ICmax = 0.8 A - Βmin = 20 - R1 được mắc để tiêu tán năng lượng trong cuộn dây sơ cấp khi Transistor khóa và được chọn theo khả năng dẫn dòng tối đa cho phép của T3. R1 ≥ ECS / ICmax = 15 / 0.8 = 18.75 Ω Chọn R1 = 22Ω Công suất tiêu tán trên điện trở này là đáng kể do dòng qua nó khá thường xuyên và khá lớn. Kiểm tra độ sụt áp trên R1 khi bóng T1 dẫn dòng: IC = I1 = 0.1 (A) UR1 = I1.R1 = 0.1×22 = 2.2 (V) U1 = ECS - UR1 = 15 – 2.2 = 12.8 (V) > 12 V → đảm bảo điện áp cung cấp cho biến áp xung. Bóng T2 chọn loại : Có các thông số: UCE max = 40V IC max = 100mA Βmin = 50 Điện trở đầu vào Bazơ của T2 được chọn từ điều kiện mở bão hòa tốt cho T1 và T2, đồng thời không gây quá tải cho tầng trộn xung trước đó. Với : UTX = 12 V ITX ≤ 1 mA R3 ≥ UTX / ITX = 12 / 0.1 = 12 KΩ IC1 = β1.IB1 = β1. β2. IB2 → IB2 = IC1 / β1 β2 Để đảm bảo T1 dẫn bão hòa thì: Chọn R3 = 15 KΩ Máy biến áp xung. Biến áp xung thực hiện các nhiệm vụ: * Cách ly mạch lực và mạch điều khiển. * Phối hợp trở kháng giữa tầng KĐX và cực điều khiển van lực. * Nhân thành nhiều xung (BAX có nhiều cuộn thứ cấp) cho các van ghép song song của mạch lực . BAX phải làm việc với tần số cao nên lõi thép BA cho tần số 50Hz không đáp ứng được. Lõi dẫn từ thường dùng cho BAX là lõi ferit làm việc trên 1 phần của đặc tính từ hóa, lõi hình trụ có tiết diện kiểu chữ E. - Do dòng điện qua các cuộn dây BAX không liên tục nên trị số hiệu dụng của dòng điện nhỏ, vì vậy tiết diện dây quấn BAX không được chọn từ trị số dòng điện như thông thường mà hay được chọn từ điều kiện đảm bảo độ bền cơ học với đường kính đây quấn trong khoảng (0,2 ® 0,4)mm. .Số vòng đây bị hạn chế do kích thước cửa sổ của lõi BAX khá nhỏ nên nằm trong giới hạn dưới 100 vòng. Các yêu cầu thiết kế: - Udk = 3 V - Idk = 300 mA - độ sụt đỉnh xung: ∆UX = 15% - KBA = 3: hệ số máy biến áp xung. - Điện áp thứ cấp máy biến áp: U2 = Udk + UD1 (do có điện áp rới trên điôt ≈ 0.7 V) → U2 = 3 + 0.7 = 3.7 V - Điện áp sơ cấp máy biến áp : U1 = KBA. U2 = 3×3.7 = 11.1 (V) -Dòng điện thứ cấpbiến áp xung:do dòng phải cấp cho 2 van đấu song song nên : I2 = 2.Idk = 0.6 A → dòng điện sơ cấp biến áp xung: I1 = I2 / = 0.6 / 3 = 0.2 A - Thể tích lõi từ : Trong đó: : độ rộng 1 xung. : độ sụt áp bằng 0,10,2 : độ biến thiên cường độ từ trường(T) : độ biến thiên mật độ từ cảm () Chọn vật liệu làm lõi biến áp xung là thép Ferit HM làm việc trên một phần của đặc tính từ hóa có: ∆B = 0.3 T ∆H = 30 A/m Độ rộng xung điều khiển : tx lấy theo độ rộng xung cao tần được tạo ra từ bộ tạo xung 555, có tần số 10KHz Do tx = tn nên coi rằng trị số dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp = ½ dòng điều khiển. → I2 = 0.5Idk Tra bảng thông số các loại lõi thép Ferit làm việc theo đặc tính từ hóa 1 phần: → chọn loại 782E272 lõi chữ E có các thông số: Q = 0,577() Scưasổ = 0,968 () Công suất : 2,3W khi f=10KHz. →Vậy số vòng dây cuộn sơ cấp : (vòng) Số vòng dây thứ cấp: (vòng) CHƯƠNG 6 Lập bảng trị số tính các phần tử và linh kiện Tên phần tử Trị số Linh kiện Tên R1 22W R2 2kW R3 15kW R4 1kW R5 1kW R6 257W R7 10kW R8 10kW R9 10kW R10 100kW R12 10W C1 0.05mF C2 IC LM555 C3 R14 10k CHƯƠNG VIII Kết luận Đồ án môn học là một môn không thể thiếu được với sinh viên học kỹ thuật nói chung và đối với sinh viên học kỹ thuật điện nói riêng. Bởi vì nhờ quá trình làm đồ án, sinh viên không những hiểu biết về môn học đó mà còn có điều kiện tìm hiểu về các quá trình sản xuất trong thực tế, biết liên kết những môn khoa học với nhau và quan trọng nhất là giúp sinh viên quen với công việc sau này sẽ phải làm. Qua việc chạy mô phỏng mạch điều khiển bằng phần mềm chuyên dụng PS ta có một số kết luận sau: + Mạch thiết kế chạy đúng theo yêu cầu thiết kế tạo xung chùm. + Tất cả các khâu đều phối hợp chạy rất đúng yêu cầu kỹ thuật. Như vậy là việc thiết kế nguồn điện phân đã hoàn tất và có khả năng được ứng vào trong sản xuất trong công nghiệp với độ tin cậy cao. Trong mạch sử dụng những linh kiện hầu hết là thông dụng trong thực tế. Vì vậy sản phẩm thiết kế này hoàn toàn có khả năng sản xuất hàng loạt với giá thành rẻ,điều này khá quan trọng cho sản phẩm vì với giá thành sản xuất rẻ, sản phẩm có khả năng cạnh tranh trên thị trường. Trong quá trình làm đồ án môn học,em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Quốc Hải cùng các thầy cô giáo trong bộ môn ĐTCS đã giúp em hoàn thành được đồ án của mình. CHƯƠNG IX Tài liệu tham khảo Đồ án môn học điện tử công suất được hoàn thành với sự trợ giúp của các tài liệu tham khảo và các phần mềm chuyên dụng sau: Điện tử công suất _Lê Văn Doanh. Hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất_Phạm Quốc Hải. Thiết kế máy biến áp_Phạm Văn Bình. _______ªHẾTª________