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

nguyên lý mạ điện phân 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: 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. -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: - 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 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: tc 0 Ia t I Ic ta 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. 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. 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. II.2. Chọn phương án Theo yêu cầu công nghệ: Nguồn mạ một chiều cần thiết kế là nguồn có: Điện áp ra : Ud = 612 (V) Dòng tải max : Id =100(A) Thời gian thuận : 50200 (s) Thời gian ngược : 520 (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. T1 T2 Tải Hình II.1. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tia hai pha U1 U21 U22 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. Hình II.2. Đồ thị điện áp và dòng điện của chỉnh lưu tia hai pha u21 u22 ud id 0 0 Id +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: 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 điểm= 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 điểm= + 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.cosa Trong đó: Udo- Điện áp chỉnh lưu khi không điều khiển và bằng Udo = 0,9.U2 a - Góc mở của các Thyristor. Điện áp ngược cực đại qua van: Dòng điện trung bình qua van: Itb = Trị hiệu dụng của dòng điện chạy qua van: Ihd = 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 DU 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. = p.12= 37,67(V) (knv, ku – là hệ số điện áp ngược và điện áp tải: knv =; ku =) Chọn hệ số dự trữ điện áp: kdt =1,6 Điện áp ngược của van cần chọn: Unmax = kdt . Ung = 1,6 . 37,67 = 60,3(V) -Dòng trung bình qua Thyristor: Itb = -Dòng làm việccủa Thyristor: Ilv = Chọn điều kiện làm việc của van là có cánh toả nhiệt và đầy đủ điện tích toả nhiệt, không có quạt đối lưu không khí. Khi đó chọn hệ số dự trữ dòng làm việc : kdtI = 1,8 Dòng điện làm việc cực đại của Thyristor: Ilvmax = 1,8.70,71=127,28(A) III.1.3. Chọn Thyristor Từ các thông số trên ta chọn Thyristor (theo dòng điện làm việc cực đại): 151RC có: Điện áp ngược cực đại của van : Ungmax = 100(V) Dòng điện định mức của van : Ilvmax= 150(A) Dòng điện đỉnh cực đại : Ipic max = 4000(A) Dòng điện của xung điều khiển : Ig max =150mA Điện áp của xung điều khiển : Ug max = 2,5(V) Dòng điện rò : Ir= 22mA Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn: DU = 1,7(V) Tốc độ biến thiên điện áp : Tốc độ biến thiên dòng điện : Thời gian chuyển mạch : tcm = 60ms Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : tcp =1250C III.2. Tính toán máy biến áp (MBA) lực Chọn máy biến áp một pha thứ cấp có điểm trung tính, làm mát bằng không khí tự nhiên. + Công suất biểu kiến của MBA: S =ks.Pd =1,48.1200=1776(VA) (ks là hệ số công suất MBA, với mạch chỉnh lưu hình tia 2 pha: ks =1,48) Ta có phương trình cân bằng điện áp không tải: Ud0.cost= Ud + Trong đó: =100 – là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp =1,7 (V) - sụt áp trên Thyristor - là sụt áp trên dây nối - sụt áp trên điện trở và điện kháng =(5% Ud Chọn sơ bộ: =5% Ud =5%.12 =0,6(V) Suy ra Ud0 = + Điện áp sơ cấp MBA: U1 =220(V) + Điện áp thứ cấp MBA: U2 = + Công suất MBA khi không tải: Pdo =Id.Ud0 = 100.16,13 = 1613(V) + Công suất biểu kiến của MBA khi không tải: S0 =ks.Pd0 =1,48.1613=2387(VA) + Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: I2 = + Dòng điện sơ cấp MBA: I1 = III.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ MBA Tiết diện trụ được tính theo công thức kinh nghiệm: QFe =kQ. Trong đó: kQ là hệ số phụ thược phương thức làm mát kQ =với MBA dầu kQ = với MBA khô, Chọn kQ =6 m- Số trụ của MBA, m=1 QFe =6. Do Sba =2387VA<10kVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật với chiều rộng trụ là a(cm) chiều dày trụ là b(cm)QFe =a.b =41,46(cm2). Chọn MBA hình chữ E được ghép từ những lá tôn Silic loại 310 có Bề dày tôn : 0,35mm Tổn hao là : 1,7 W/kg Tỷ trọng : d = 7,8kg/dm3 Tiết diện của trụ: QFe=a.b(cm2) Theo kinh nghiệm thì tỉ lệ b/a=(0,5 1,5) là tối ưu nhất. Chọn a=6(cm) b=(cm) Chọn b=7(cm) Từ cảm trong trụ: B=1,1T III.2.2. Tính toán dây quấn - Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA: (vòng) Chọn W1 = 217(vòng) - Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA: (vòng) Với các cuộn dây bằng đồng, MBA khô, chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong MBA : J1 = J2 = 2,75(A/mm2) -Tiết diện dây dẫn sơ cấp MBA: -Đường kính dây dẫn: d= Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S1 = 1,9113(mm2 ). -Kích thước dây có kể cách điện : Scđ1= (mm2). Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn sơ cấp: -Tiết diện dây dẫn thứ cấp MBA: Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn: S2 = 25,70(mm2). -Kích thước dây có kể cách điện: S2 = a2 . b2 = 3,8.6,9=26,22(mm2). Tính lại mật độ độ dòng điện cuộn thứ cấp: III.2.3. Tiết diện cửa sổ MBA -Diện tích cửa sổ MBA: Qcs = Qcs1 + Qcs2 Qcs1 = klđ.W1.Scđ1 Qcs2 = klđ.W2.Scđ2 Trong đó: Qcs là diện tích cửa sổ (mm2) Qcs1, Qcs2 là diện tích do cuộn sơ và thứ cấp chiếm chỗ (mm2) W1, W2 là số vòng dây cuộn sơ và thứ cấp MBA klđ là hệ số lấp đầy, thường kld = 23, chọn klđ =2 Qcs1 = 2.217.2,14=928,76(mm2) Qcs2 = 2.16.26,22=839,04(mm2) Qcs = 928,76+839,04=1767,8(mm2) Ta lại có: Qcs =h.c Trong đó: h: là chiều cao cửa sổ(mm) c: là chiều rộng của cửa sổ(mm) Chọn: h/a =2, c/a =0,5 h=4.c Chọn: c=21(mm) h= 4.21= 84(mm) -Chiều rộng toàn mạch từ: C=2c+xa -Chiều cao mạch từ: H=h+ za Với MBA một pha thì x=2; z=1 III.2.4. Kết cấu dây quấn MBA Dây quấn được bố trí theo dọc trục. Cuộn thứ cấp (HA) quấn sát trụ, cuộn sơ cấp (CA) quấn bên ngoài. Mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện với nhau bằng các bìa cách điện. Kết cấu dây quấn thứ cấp -Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp: vòng) Trong đó: h- là chiều cao của sổ, h=84(mm) hg – là khoảng cách cách điện với gông, chọn hg = 2(mm) kc – là hệ số ép chặt, kc =0,95 (vòng) -Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp : (lớp) Chọn nl2 = 2 lớp. Vậy cuộn thứ cấp có 16 vòng chia làm 2 lớp, mỗi lớp có 8 vòng. -Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp : -Đường kính trong của cuộn thứ cấp : Dt2 = b+ 2.a02 =7+ 2.1=9 (cm) (a02=1(cm) - là khoảng cách từ trụ tới cuộn thứ cấp) Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn thứ cấp cd22 = 0,1(mm) -Bề dầy cuộn thứ cấp : Bd2 = (a2 + cd22) .n12 = (0,38+0,01) .2 = 0,78(cm) -Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp: Dn2 = Dt2 + 2 .Bd2 = 9 + 2 . 0,78 = 10,56(cm) -Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp : Dtb2 = = = 9,78(cm) -Chiều dài dây quấn thứ cấp : l2 = p . W2 . Dtb2 = p.16.9,78 = 491,6(cm)= 4,916(m) Chọn l2 = 5(m) Kết cấu dây quấn sơ cấp : -Tính sơ bộ số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp : (vòng) Trong đó : ke = 0,95 hệ số ép chặt h : chiều cao cửa sổ, h=84(mm) hg : khoảng cách cách điện của cuộn dây sơ cấp với gông Chọn sơ bộ khoảng cách hg=2.dn =2.1,65=3,3(mm) (vòng) -Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp: (lớp) Chọn lớp n11 = 5 lớp. Như vậy cuộn sơ cấp có 217 vòng chia làm 5 lớp , chọn 4 lớp đầu 44 vòng , lớp thứ 5 có 217 – 4.44 = 41 (vòng)Wl1 =44(vòng) -Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp : =7,642(cm) Chọn khoảng cách từ cuộn thứ cấp tới cuộn sơ cấp a21= 1,0(cm) -Đường kính trong của cuộn sơ cấp: Dt = Dn2 + 2 . a21 = 10,56 + 2.1 = 12,56(cm) Chọn bề dầy cách điện giữa các lớp dây ở cuộn sơ cấp: cd11 = 0,1(mm) -Bề dày cuộn sơ cấp: Bd1 = (dn + cd11) . n11 = (1,65+0,1).5 = 8,75(mm) = 0,875(cm) -Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp: Dn1 = Dt1 + 2 . Bd1 = 12,56 + 2.0,875 = 14,31(cm) -Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp: Dtb1 = ( Dt1 + Dn1 ) / 2 = (12,56 + 14,31 )/2 = 13,435 (cm) -Chiều dày dây cuộn sơ cấp: l1 = p. W1. Dtb = p.217.13,435 = 9159(cm) = 91,59(m) -Đường kính trung bình các cuộn dây: D12 = ( Dt2 + Dn1 ) / 2 = (9 + 14,31 ) /2 = 11,655(cm) r12 = D12/2 =5,8275 (cm) III.2.5. Tính các thông số của MBA -Điện trở trong cuộn sơ cấp máy biến áp ở 750 C : (với r = 0,02133 Wmm2/m) -Điện trở cuộn thứ cấp MBA ở 750 C: R2 = -Điện trở MBA quy đổi về thứ cấp: -Sụt áp trên điện trở máy biến áp : DUr = Rba . Id = 9,03.10-3 . 100 =0,903(V) -Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp : Trong đó: rt2 là bán kính trong dây quấn thứ cấp (cm) h- là chiều cao cửa sổ lõi thép (cm) a21 là bề dày cách điện giữa cuộn thứ cấp và cuộn sơ cấp (m) Bd1, Bd2 là bề dày cuộn sơ cấp và thứ cấp (m) -Điện kháng MBA quy đổi về thứ cấp: -Sụt áp trên điện kháng MBA: -Sụt áp trên MBA: -Điện áp trên động cơ khi có góc mở amin =100 U = Udo.cosamin - DUv - DUba = 14,52.cos100 - 1,7 - 0,936=11,663(V) -Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp : -Tổn hao ngắn mạch trong MBA: -Điện áp ngắn mạch tác dụng: -Điện áp ngắn mạch phần kháng: Unx =Xba -Điện áp ngắn mạch phần trăm: -Dòng điện ngắn mạch xác lập: -Dòng điện ngắn mạch tức thời cực đại: Kiểm tra MBA thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến trên của dòng điện chuyển mạch . Giả sử chuyển mạch từ T1 sang T2: Vậy máy biến áp thiết kế sử dụng tốt. -Hiệu suất thiết bị chỉnh lưu: III.3. Thiết kế cuộn kháng lọc Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu cũng làm cho dòng điện tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều. Với công nghệ mạ điện thì nó làm cho chất lượng của lớp mạ không cao: lớp mạ không đều, không, không đạt được các tiêu chuẩn đã đưa ra: bền – bóng- đẹp… Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng lọc đủ lớn để Im £ 0,1.Iưdm. Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn . III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại + Chọn góc mở cực tiểu amin=100. Với góc mở amin là dữ trữ, ta có thể bù được sự giảm điện áp lưới. -Khi góc mở nhỏ nhất: a = amin thì điện áp trên tải là lớn nhất: Udmax=Udo.cosamin =0,9.U2.cos10=0,9.24.cos10=21,27(V) -Khi góc mở lớn nhất: a = amax thì điện áp trên tải là nhỏ nhất: Udmin=Udo.cosamax III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc Thông thường khi đánh giá ảnh hưởng của đập mạch dòng điện theo trị hiệu dụng của sóng hài cơ bản, bởi vì sóng cơ bản chiếm một tỷ lệ vào khoảng (2%5%) dòng điện định mức tải. Mặt khác trong sơ đồ chỉnh lưu thì thành phần sóng cơ bản (k=1) có biên độ lớn nhất. Biên độ sóng hài bậc càng cao thì càng giảm. Tác dụng của cuộn kháng lọc với các thành phần sóng hài bậc càng cao thì càng hiệu quả. Do vậy khi tính điện cảm của cuộn kháng lọc chỉ cần tính theo thành phàn sóng cơ bản là đủ. + Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc để lọc thành phần dòng điện đập mạch: Trong đó: Ubdmax là biên độ thành phần sóng hài của điện áp chỉnh lưu (V). k là bội số sóng hài, xét k=1. m là số lần đập mạch trong một chu kỳ, m=2. I1*% là trị số hiệu dụng của dòng điện sóng cơ bản (A) Iđm là dòng điện định mức của chỉnh lưu(A) I1*%<10%Iđm=10(A) + Khi tính Ubđmax thì thường tính cho trường hợp góc mở van lớn nhất amax theo công thức: Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc LCKL cần mắc thêm để lọc thành phần dòng điện đập mạch: LCKL = LL- Ld -Lba (Coi điện cảm tải Ld =0) LCKL = 3,15 - 0,0245 = 3,1255 (mH) III.3.3.Thiết kế cuộn kháng lọc + Các thông số ban đầu: -Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc: LCKL = 3,1255 mH -Dòng điện định mức chạy qua cuộn kháng : Iđm = 100A -Biên độ dòng điện xoay chiều bậc1: I1m = 10%. Idm = 10A. Do điện cảm cuộn kháng lớn và điện trở rất bé do đó ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng lọc : Zk = XKL =2.p.f’ .LCKL =2p.2.50. 3,1255.10-3 = 1,964(W) -Điện áp xoay chiều rơi trên cuộn kháng lọc: -Công suất của cuộn kháng lọc: -Tiết diện từ cực chính của cuộn kháng lọc: (kQ = 5) Chọn trụ hình chữ nhật có tiết diện Q=5cm2 với chiều rộng trụ là a(cm), chiều dày trụ là b(cm) sao cho b=1,3.a1,3.a2 =5a= Chọn a=2(cm) b= Chọn loại thép tồn tại 330 A tấm thép dày 0,35mm có chiều rộng a= 20mm và chiều dài b= 25mm. Chọn mật độ từ cảm trong trụ Bt = 0,8(T) Khi có thành phần điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng lọc thì trong điện cuộn kháng lọc sẽ xuất hiện một sức điện động: Ek=4,44.w.f’.Bt.Q Gần đúng coi Ek=DU = 13,89V. (vòng) -Dòng điện chạy qua cuộn kháng : ik = Id + I1m.cos(2.q + j1) -Dòng điện hiệu dụng chạy qua cuộn kháng: Chọn mật độ dòng điện qua cuộn kháng : J=2,75(A/mm2) -Tiết diện dây cuốn cuộn kháng: Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật cách điện cấp B có tiết diện dây: Sk=36,7(mm2) Với kích thứơc dây: ak = 4,7mm, bk =8mm. -Tính lại mật độ dòng điện: Chọn hệ số lấp đầy : k=0,7 -Diện tích cửa sổ: -Kích thứơc cửa sổ mạch từ: Qcs = c . h Chọn m = h/a = 3 h =3 .a = 3. 20 = 60(mm) = 6(cm) c = Qcs/h = 40,89/6 = 6,82 (cm) -Chiều cao mạch từ: H = h + a = 6 +2 =8(cm) -Chiều dài mạch từ: L =2c + 2a = 2.6 + 2.2 = 17,64(cm) Chọn khoảng cách từ gông đến cuộn dây: hg = 2mm -Tính số vòng dây trên một lớp:(vòng) -Tính số lớp dây quấn: Chọn số lớp: n1 = 11(lớp) Chọn khoảng cách điện giữa dây quấn với trụ: a01=3mm Cách điện giữa các lớp cd1= 0,1mm -Bề dày cuộn dây: Bd= (a1+ cd1) .n1 = (4,7 + 0,1).11 = 52,8(mm) -Tổng bề dày cuộn dây: Bd2= Bd + a01 = 52,8 + 3 = 55,8(mm) -Chiều dài của vòng dây trong cùng l =2(a+b)+2p. a01 = 2 .(20 +25) + 2.3,14.3 = 108,85(mm) -Chiều dài của vòng dây ngoài cùng l2 =2.(a+b) + 2p.(a01+Bd) = 2.(20 +25) + 2.p.(3+52,8) = 440,60(mm) -Chiều dài trung bình của vòng dây: -Điện trở của dây quấn ở 750 C: Ta thấy điện trở rất bé nên giả thiết ban đầu bỏ qua điện trở là đúng. III.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ III.4.1. Bảo vệ quá nhiệt độ cho các Thyristor Khi làm việc, do luôn có sụt áp trên van nên luôn có tổn hao công suất Dp. Tổn hao này sẽ sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn. Mặt khác van bán dẫn chỉ được phép làm việc dưới nhiệt độ cho phép Tcp nào đó nếu quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng. Để cho van bán dẫn làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả nhiệt hợp lý cho van. +Tính toán cách toả nhiệt: Tổn thất công suất trên 1 Thyristor: Dp=DU.Ilv =1,7.70,71=120,207(W) Diện tích bề mặt toả nhiệt: Trong đó: Dp : tổn hao công suất (W) km: Hệ số toả nhiệt bằng đối lưu và bức xạ, chọn km=8 (W/m2. 0C) t - Độ chênh nhiệt độ làm việc so với nhiệt độ môi trường (Tmt = 400C) Nhiệt độ cho phép làm việc của Thyristor: Tcp=1250C Chọn nhiệt độ làm việc: Tlv=800C =Tlv-Tmt =80 – 40 = 400C =3756(cm2) Chọn loại cánh toả nhiệt có 20 cánh Kích thước mỗi cánh: S= a.b=10.10(cm2) Tổng diện tích toả nhiệt của cánh: Stn =20.2.10.10=4000(cm2) III.4.2.Bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor Để bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor thì thường sử dụng các thiết bị sau: +Áptômát dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắnmạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp MBA ngắn mạch ở chế độ nghịch lưu. Dòng điện làm việc chạy qua Aptômát: Aptômát cần chọn có: -Dòng điện định mức: Idm = 1,1 Ilv = 1,1.3,63 =3,993(A) -Điện áp định mức: Udm =380 V -Có 3 tiếp điểm chính, có thể đóng cắt bằng tay hoặc bằng nam châm điện. -Chỉnh định dòng ngắn mạch Inm =2,5 Ilv = 2,5.3,63=9,075 (A) -Dòng quá tải Iqt =1,5. Ilv = 1,5.3,63=54,45(A) Từ đó chọn Áptômát SA63B do hãng FuJi chế tạo, có: Iđm=60A, Uđm = 380 V. Chọn cầu dao có dòng định mức Iqt = 1,1. Ilv = 1,1. 3,63=3,993 A Cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống truyền động và dùng để đóng, cắt bộ nguồn chỉnh lưu khi khoảng cách từ nguồn cấp tới bộ chỉnh lưu đáng kể. Dùng cầu chì dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch các Thyristor, ngắn mạch đầu ra của bộ chỉnh lưu. Nhóm 1CC có dòng điện định mức dây chảy: I1cc =1,1. I2 = 1,1 . 70,71= 77,78(A) Chọn cầu chì nhóm 1CC là loại cầu chì PH – 2 – 100 do Liên Xô chế tạo với các giá trị dòng điện định mức: I1cc =80(A) và điện áp định mức Udm =220V. III.4.3. Bảo vệ quá điện áp cho Thyristor Thyristor rất nhảy cảm với điện áp quá cao so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp.Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm hai loại : + Nguyên nhân nội tại: Trong quá trình chuyển mạchThyristor đang đóng lại mở và ngược lại làm xuất hiện các xung điện áp trên mặt tiếp giáp p-n của Thyristor với tốc độ biến thiên điện áp rất lớn có thể đánh thủng Thyristor. + Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi có sét đánh, khi đóng cắt máy biến áp nguồn. Cắt máy biến áp nguồn tức là cắt dòng điện từ hóa máy biến áp, bấy giờ năng lượng từ trường tích luỹ trong lõi sắt từ chuyển thành năng lượng điện chứa trong các tụ kí sinh, rất nhỏ giữ các dây cuốn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp. Điện áp này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc và đánh thủng Thyristor. Để bảo vệ Thyristor tránh hiên tượng quá điện áp thường dùng mạch R-C mắc song song với Thyristor. Khi đó mạch R- C song song với Thyristor tạo thành mạch vòng phóng điện tích quá độ. R hạn chế dòng điện của tụ C khi phóng điện (Thyristor chưa mở). T C R Mạch R- C rất khó tính toán nên theo kinh nghiệm chọn: R=(10100)W C=(0,1 2)mF, tụ xoay chiều Khi dòng điện càng lớn, điện trở R càng giảm và tụ C càng tăng. Do dòng làm việc lớn nhất của Thyristor là: Ilvmax =150(A) nên chọn: R=80(W) và C=0,3mF III.4.4. Bảo vệ chống tăng dòng cho Thyristor Khi đang khoá mà có xung điều khiển và điện áp dương đặt lên Thyristor thì Thyristor mở ngay lập tức. Dòng qua Thyristor sẽ tăng lên với tốc độ lớn, có thể phá hỏng Thyristor do đốt nóng cục bộ. L T C R Để chống lại sự tăng dòng cho Thyristor thì ta mắc cuộn cảm L nối tiếp với Thyristor. +Tính toán cuộn cảm L: Cuộn cảm L cần có giá trị điện cảm thoả mãn: Chọn L=1(H) III.5. Phương pháp đảo chiều CL(+) Tải CL(-) Do yêu cầu công nghệ là mạ điện có đảo chiều nên mạch lực phải sử dụng BBĐ có đảo chiều. BBĐ này sử dụng hai bộ chỉnh lưu tia 2 pha, mỗi bộ CL cung cấp dòng một chiều ra tải được mắc như hình vẽ: Có hai phương pháp đảo chiều: III.5.1. Phương pháp điều khiển chung: Phương pháp điều khiển chung là phương pháp cả hai bộ điều khiểu đều được phát xung điều khiển cùng một lúc, cùng hoạt động song hoạt động ở hai chế độ khác nhau- một bộ làm việc ở chế độ chỉnh lưu, một bộ làm việc ở chế độ nghịch lưu. Do vậy trong quá trình làm việc không cần có mạch lôgic, thời gian điều khiển nhanh, không có thời gian chết. Để tránh dòng xuyên giữa 2 BBĐ buộc phải đưa vào các cuộn kháng cân bằng. Các cuộn kháng này phải tồn tại ở cả hai đầu của tải. Như vậy trong phương pháp điều khiển chung thì làm tăng kích thước, giá thành thiết bị nhưng cho phép đảo chiều nhanh, không có thời gian chết. III.5.2.Phương pháp điều khiển riêng: Phương pháp điều khiển riêng là phương pháp mà và mỗi chiều dòng điện ra tải chỉ có một bộ được phát xung điều khiển để hoạt động còn bộ kia hoàn toàn được nghỉ, không được phát xung điều khiển. Khi đảo chiều phải đảm bảo bộ đang làm việc phải dừng làm việc hẳn thì mới phát xung để điều khiển mở van của bộ còn lại tức phải đo dòng điện tải id để biết khi nào id =0(A). Khi phát xung cho bộ còn lại làm việc thì lúc đầu phải làm việc ở chế độ nghịch lưu (đảm bảo tiêu tán hết năng lượng trên Ld) rồi mới dần dần chuyển sang chế độ chỉnh lưu, trong đó luôn khống chế không cho Id>Icp. Trong phươmg pháp điểu khiển riêng cần có một mạch lôgic đảo chiều. Nó làm cho bộ đảo chiều không nhanh, luôn có thời gian chết khi chuyển đổi hai chiều. Qua phân tích ở trên, để đảm bảo chất lượng mạ đảo chiều tốt nhất nên chọn phương pháp điều khiển riêng. Vì với mạ đảo chiều thì để chất lượng mạ tốt nhất, nên cấp dòng theo hai chiều thuận và ngược với thời gian thuận, ngược khác nhau. Sơ đồ mạch lực có dạng như hình III.2: Trong đó: Mạch chỉnh lưu có T1 và T2 là chỉnh lưu làm việc với thời gian thuận. Mạch chỉnh lưu có T3 và T4 là chỉnh lưu làm việc với thời gian nghịch. 220V LCKL T1 T2 R C T3 T4 LCKL Tải Hình III.2. Sơ đồ nguyên lý mạch lực Hai bộ chỉnh lưu thuận và nghịch được điều khiển bởi bộ logic gồm hai Timer định thì để điều chỉnh thời gian làm việc. Hình III.3. Sơ đồ nguyên lý hai Timer điều khiển thời gian thuận và nghịch Sơ đồ nguyên lý của Timer có dạng như hình III.3: Với thời gian làm việc của bộ Timer: Thời gian làm việc của bộ thuận : tthuận =1,1.R.C Thời gian làm việc của bộ nghịch : tnghịch =1,1.R2.C2 Thời gian nghỉ : tnghỉ = ln5.R1.C1 Theo điều kiện của đề tài thì : tthuận = 50200 (s) tnghịch =520 (s) Từ đó ta có : 1,1.R.C = 200 Chọn C=10F 1,1.R2.C2 =20 Chọn C2 = 10F Chương IV thiết kế mạch điều khiển IV.1. Yêu cầu đối với mạch điều khiển + Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi (BBĐ) Thyristor vì nó đóng vai trò chủ đạo trong việc quyết định chất lượng và độ tin cậy của BBĐ. + Mạch điều khiển cho phép thay đổi góc điều khiển trong phạm vi đúng theo yêu cầu tải (min max ). + Mạch điều khiển phải phát xung với công suất đủ lớn để mở chắc chắn Thyristor. + Mạch điều khiển phải đảm bảo độ đối xứng xung điều khiển (với mạch nhiều Thyristor). + Mạch điều khiển phải có chức năng bảo vệ khi có sự cố. + Cần khử được nhiễu cảm ứng để tránh Thyristor mở nhầm. + Thiết bị thay thế dễ lắp ráp và điều chỉnh. IV.2. Cấu trúc của mạch điều khiển Thyristor DX KĐX uDX ĐF RC SS uĐB uRC uSS Tải R Uđk T Uph Uđ Ngày nay mạch điều khiển thường dùng được thiết kế theo kiểu thẳng đứng (dọc) (điều khiển đồng bộ). Sơ đồ cấu trúc chung có dạng sau: + ĐF là khâu đồng pha để tạo điện áp đồng pha, có tính chất cách ly nên dùng biến áp đồng pha. + RC là khâu tạo điện áp răng cưa. + SS là khâu so sánh điện áp răng cưa với điện áp điều khiển (Uđk - là điện áp một chiều). + DX là khâu tạo dạng xung. + KĐX là khâu khuếch đại xung để đưa đến điều khiển đóng mở Thyristor. KĐX có tính chất cách ly nên dùng biến áp xung. + R là bộ hiệu chỉnh để tạo ra điện áp điều khiển thoả mãn yêu cầu công nghệ. Góc điều khiển thay đổi là do điện áp điều khiển (Uđk) thay đổi. Khi Uđk =0URCmax thì =0180 IV.3. Các khâu cơ bản của mạch điều khiển IV.3.1. Khâu đồng pha ~220V D1 D2 u21 u22 VR1 R3 R1 R2 (1) (2) +E +E -E 0A1 Hình IV.3.1a- Sơ đồ nguyên lý của khâu đồng pha 1. Sơ đồ nguyên lý của khâu đồng pha có dạng như hình IV.3.1a 2.Nguyên lý hoạt động Hình IV.3.1b - Đồ thị điện áp của khâu đồng pha u21 u22 u1 Uđ u2 0 0 Trong khâu đồng pha có sử dụng máy biến áp đồng pha hạ áp, thứ cấp có điểm trung tính với điện áp ra 12V- 0V- 12V. Khi điện áp lưới xoay chiều 220V được đưa vào sơ cấp của biến áp đồng pha, thì ở phía thứ cấp của biến áp ta thu được điện áp nhỏ hơn điện áp lưới. Điện áp này được đưa vào bộ chỉnh lưu điốt một pha hai nửa chu kỳ mắc theo sơ đồ K- chung. + Giả sử nửa chu kỳ đầu =0p , u21 dương hơn u22 nên D1 thông và D2 khoá, khi đó điện áp ra sau chỉnh lưu u1 =u21. + Nửa chu kỳ sau = p2p, u22 dương hơn u21, D2 thông và D1 khoá, khi đó u1 = u22. Vậy điện áp ra tại điểm (1) (u1) là điện áp một chiều gồm nhiều nửa hình sin ghép lại với nhau, có tần số đập mạch bằng hai lần tần số lưới (hình IV.3.1b). Điện áp u1 được đưa vào cửa không đảo của khâu so sánh OA1, cửa đảo của OA1 là điện áp một chiều phẳng Ud có giá trị: Ud = (với E=12V) Khi u1<Ud thì điện áp ra sau OA1 là u2 = -E u1>Ud thì điện áp ra sau OA1 là u2 = +E u1=Ud thì u2 lật trạng thái. Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của u1 với Ud trên cửa đảo và điện áp ra u2 là một chuỗi xung hình chữ nhật âm - dương kế tiếp (hình IV.3.1b). 3. Tính toán khối đồng pha a, Tính BAĐF Biến áp đồng pha (BAĐF) có điện áp ra: 12V- 0V -12V. BAĐF được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện hình chữ E, dày cỡ 0,35mm. Lõi thép có tiết diện QFe = 12(cm2) Công suất biểu kiến của MBA: Sba = Công suất của tải sau chỉnh lưu: Pdmax= Số vòng dây của cuộn sơ cấp MBA: W1 =(vòng) Số vòng dây của cuộn thứ cấp MBA: W2 =(vòng) Dòng điện chạy qua các cuộn dây sơ cấp: I1 = (ks1 là hệ số phía sơ cấp, ks1 = 1,23) Dòng điện chạy qua các cuộn dây thứ cấp: I2 = (ks2 là hệ số phía thứ cấp, ks2 = 1,74) Chọn mật độ dòng điện qua các cuộn dây là J1=J2 =2,75(A/mm2) Tiết diện dây dẫn sơ cấp: S1= Đường kính dây dẫn sơ cấp: d1 = (mm) Tiết diện dây dẫn thứ cấp: S2= Đường kính dây dẫn thứ cấp: d2 = (mm) b, Tính toán các linh kiện khác Chọn E = 12V. Ta có: Ud = Uđmax.sinq0 với Uđf max = 12V và góc dự trữ điện áp:q = 100 Ud = 12.sinq0 = 12.sin100 = 2,08(V) I.R3 = 2,08V Chọn R3 = 1,5 (kW) Mặt khác: Ud = VR1=7,15 (kW) Chọn VR1 = 10 (kW) Thường chọn điện trở R1 và R2 sao cho dòng vào khuyếch thuật toán IV<1mA. R1 = R2 = U/I =9/10-3 = 9(kW) Chọn R1 = R2 = 10kW. IV.3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa Hình IV.3.2a- Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo điện áp răng cưa D3 Dz VR2 R5 C1 R4 (2) (3) +E +E -E OA2 1. Sơ đồ nguyên lý của khâu tạo điện áp răng cưa có dạng như hình IV.3.2a Hình IV.3.2b- Đồ thị điện áp của khâu tạo điện áp răng cưa u2 u3 0 0 1 2 3 2. Nguyên lý hoạt động: *Từ 0 thì u2 là điện áp âm nên D3 thông, tụ C1 được nạp điện theo đường từ +E R5 VR2 C1, và được nạp cho đến khi áp trên tụ bằng điện áp trên điốt ổn áp Dz (uC1 =uDz). *Từ thì u2 dương, D3 khoá, tụ C1 phóng điện cho tới khi uC1 =0V. *Từ trở đi thì quá trình nạp và phóng liên tiếp của tụ được lặp đi lặp lại. Cứ như vậy ta thu được điện áp ra của OA2 (u3) có dạng xung răng cưa (hình IV.3.2b). +Biến trở VR2 dùng để điều chỉnh độ rộng xung răng cưa. +Điốt ổn áp Dz để hạn chế điện áp nạp trên tụ để răng cưa được tuyến tính. 3. Tính chọn khâu tạo điện áp răng cưa : Để điện áp tựa có trong một nửa chu kỳ điện áp lưới là tuyến tính thì hằng số thời gian nạp của tụ: Tn = (R5 +VR2) .C1 = 0,005 (s) Chọn tụ C1 = 0,1mF thì (R5 +VR2 )==50.103 Chọn điốt ổn áp có điện áp ngưỡng : UngD z = 9V UC1 = UD z =9V Chọn nguồn nạp : ± 12V. Giá trị của dòng nạp:=0,24(mA) Chọn: R5 = 10kW, VR2 = 50kW, R4 = 10kW IV.3.3. Khâu so sánh Uđk R6 R7 (3) (4) +E -E 0A3 HìnhV.23.3a- Sơ đồ nguyên lý của khâu so sánh 1. Sơ đồ nguyên lý của khâu so sánh có dạng như hình IV.3.3a 2. Nguyên lý hoạt động Điện áp răng cưa u3 được đưa vào cửa đảo của OA3 để so sánh với điện áp điều khiển (Uđk) ở cửa không đảo của OA3. - Khi URC>Uđk, điện áp ở đầu ra của OA3 (u4) có dạng xung âm hình chữ nhật. - Khi URC>Udk, u4 có dạng xung dương hình chữ nhật. - Khi URC=Uđk thì u4 lật trạng thái. Hình IV.3.3b- Đồ thị điện áp của khâu so sánh u4 u3 0 0 Uđk Vậy điện áp ra của OA3 (u4) có chuỗi xung hình chữ nhật âm dương liên tiếp (hình IV.3.3b). Điện áp răng cưa u3 được đưa vào cửa đảo của OA3 để so sánh với điện áp điều khiển (Uđk) ở cửa không đảo của OA3. - Khi URC>Uđk, điện áp ở đầu ra của OA3 (u4) có dạng xung âm hình chữ nhật. - Khi URC>Udk, u4 có dạng xung dương hình chữ nhật. - Khi URC=Uđk thì u4 lật trạng thái. Vậy điện áp ra của OA3 (u4) có chuỗi xung hình chữ nhật âm dương liên tiếp (hình IV.3.3b). Phần tử chính của khâu so sánh là IC thuật toán OA3 . 3. Tính chọn khâu so sánh : Dòng điện vào được hạn chế sao cho Ilv <1(mA). Do vậy: R6 =R7 >. Chọn: R6 = R7 =15kW Khi đó dòng làm việc: Ilv ==0,8(mA) IV.3.4.Khâu dạng xung C2 R8 (5) (4) Hình IV.3.4a- Sơ đồ nguyên lý của khâu dạng xung 1. Sơ đồ nguyên lý của khâu dạng xung có dạng như hình IV.3.4a: 2. Nguyên lý hoạt động Hình IV.3.4b- Đồ thị điện áp của khâu tạo dạng xung u5 u4 0 0 Mạch C2 – R8 là mạch vi phân do vậy khi điện áp vào u4 là hằng số không đổi thì điện áp ra u5 =. Chỉ còn tại điểm chuyển trạng thái thì u4 chuyển từ âm sang dương và ngược lại nên u5 = là khác không. Như vậy điện áp ra sau mạch vi phân u5 là một chuỗi xung kim dương âm liên tiếp như hình IV.3.4b. 3. Tính chọn khâu tạo dạng xung: Độ rộng chân xung:3=3.R8.C2 = 20ms Chọn C2=0,47F R8= =14,2.103 () Chọn R=15(k) IV.3.5. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung R11 R12 Hình IV.3.5.a- Sơ đồ nguyên lý của khâu khuếch đại xung C3 R9 (5) R10 C4 D7 +E D4 D5 D6 T1 1. Sơ đồ nguyên lý có dạng như hình IV.3.5a. 2. Nguyên lý hoạt động Điện áp tại điểm (5) là chùm xung kim, qua R9 đưa vào bộ khuếch đại xung gồm hai tranzistor T1- T2 mắc theo kiểu Darlinton. Khi có xung dương đặt lên bazơ của tranzistor T1 làm T1 mở và đưa xung dương đó đến bazơ của T2 để T2 mở, trên cuộn sơ cấp của biến áp xung được dẫn dòng, trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung kích mở Thyristor (tại các cực G và K). Khi không có xung dương đặt lên bazơ của tranzistor T1, T1 khoá nên T2 cũng khoá. Điện áp của biến áp xung giảm đột ngột, trên cuộn sơ cấp của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng nên cần D4 mắc song song với nó để khép kín vòng, triệt tiêu sức điện động đó, bảo vệ các Tranzistor. Xung trước khi vào bộ khuếch đại Darlinton được lọc bỏ phần xung âm nhờ D5. Sau khi qua khâu khuếch đại thì được khuếch đại với hệ số . Các điốt D6, D7 có nhiệm vụ đảm bảo cho dòng điều khiển chảy đúng theo một chiều từ dương sang âm. Điện trở R10 có nhiệm vụ để T2 khoá nhanh khi không có xung dương cấp vào cực bazơ. Các điện trở R11, R12 và tụ C3, C4 để chống nhiễu ảnh hưởng đến việc điều khiển Thyristor. Biến áp xung (BAX) a)Đặc điểm và ứng dụng của biến áp xung +BAX dễ truyền tín hiệu điều khiển. +Tạo ra được biên độ xung theo yêu cầu. +Cách ly về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển +Dễ thay đổi cực tính xung ra +Dễ phân bố các xung đi các kênh điều khiển b )Tính toán máy biến áp xung Việc tính toán BAX được tính suất phát từ yêu cầu về xung mở Thyristor .Các thông số cơ bản trong mạch điều khiển : + Điện áp điều khiển Tiristor : Ug = 2,5 (V) + Dòng điện điều khiển Tiristor : Ig = 0,15 (A) + Thời gian mở Thyristor : tcm = 60 ms + Độ vòng xung điều khiển : tx = 167 ms + Tần số xung điều khiển : ¦x = 3 (kHz) + Độ mất đối xứng cho phép : Da = 40 + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : U = + Mức sụt biên độ xung : Sx = 0,2 Chọn vật liệu làm lõi sắt Ferit HM, lõi có dạng hình xuyến , làm việc trên một phần của đặc tính từ hoá có DB = 0,3T và DH = 30 (A/m) không có khẽ hở không khí. - Tỉ số biến áp xung : k = 2¸ 3, chọn k =3 - Điện áp thứ cấp máy biến áp xung : U2 = Ug =2,5 (V) - Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp MBA : U1 = kU2 = 3.2,5 = 7,5 (V) - Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung : I2 = Ig =0,15 (A) - Dòng điện sơ cấp biến áp xung : I1 = = = 0,05 (A) - Độ từ thẩm trung bình tương đối của lõi sắt: mTB =(H/m) Trong đó : m0 = 4.10-7 (H/m) là độ từ thẩm của không khí -Thể tích của lõi thép cần có: Thay số: V = = 1,4.10-6 (m3) = 1,4 (cm3) Chọn mạch từ có thể tích V = 1,4 (cm3) . Với thể tích đó ta có các kích thước mạch từ như sau : a = 4,5 mm = 0,45 cm b = 6mm = 0,6 cm Q = 0,27 cm2 = 27 mm2 d = 12mm, D = 21mm d D a b Hình 1.37 .Hình chiếu lõi biến áp xung . l = 5,2 (cm) (Chiều dài trung bình mạch từ) - Số vòng dây sơ cấp máy biến áp xung : W1 = (vòng) - Số vòng dây thứ cấp của BAX: W2 = (vòng) -Tiết diện dây cuốn sơ cấp: S1 = (mm2) (Chọn mật độ dòng điện dây quấn sơ cấp là J1 = 6 (A/mm2)) - Đường kính dây cuốn sơ cấp: d1 = (mm) Chọn d =0,11 (mm) - Tiết diện dây cuốn thứ cấp: S2 = (mm2) (Chọn mật độ dòng điện dây quấn thứ cấp là J2 = 4(A/mm2)) - Đường kính dây cuốn thứ cấp: d2 = (mm) Chọn dây có đường kính d2 = 0,23 (mm) Kiểm tra lại hệ số lấp đầy: Klđ = Như vậy cửa sổ đủ diện tích cần thiết . Tính toán khâu khuếch đại Chọn nguồn nuôi cho mạch: E =12V. Chọn Tranzito công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung với các thông số sau: Tranzito loại n-p-n, vật liệu bán dẫn là Si. Điện áp giữa colecto và bazơ khi hở mạch Emitơ : UCB0 =40 (V) . Điện áp giữa Emito và bazơ khi hở mạch Colecto : UEB0 =4 (V) . Dòng điện lớn nhất mà colecto có thể chịu đựng : Imax = 500 (mA) . Công suất tiêu tán ở colecto : Pc = 1,7 (W) Nhiệt độ lớn nhất của mặt tiếp giáp : T1 = 1750C Hệ số khuếch đại : b = 50 Dòng điện làm việc của colecto : Ic = I1= 0,05 (A) =50(mA) Dòng điện làm việc của bazơ : Ib = (mA) Để đảm bảo chức năng chống nhiễu của các cặp điện trở và tụ điện: (R11- C3) và (R12 – C4) thì chọn: C3=C4 =0,1F và R11= R12 =150 IV.3.6.Khối nguồn Trong mạch điều khiển, nguồn nuôi cho các linh kiện điện tử là Ucc =12V nên ta sử dụng mạch tạo nguồn nuôi sau: 220V 220V 7812 +12V C1 C2 CL1 7912 -12V C3 C4 CL2 Hình IV.3.6. Sơ đồ nguyên lý của nguồn nuôi 1.Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo nguồn nuôi có dạng như hình IV.3.6 Trong đó: Máy biến áp (MBA) được sử dụng có: Điện áp sơ cấp MBA : U1 =220V Điện áp thứ cấp MBA : U2 = 24V Hiệu suất MBA là := 0.85. Số vòng dây sơ cấp là W1, của cuộn thứ cấp là W21 và W22. Trong mạch có hai bộ chỉnh lưu cầu điốt để chỉnh lưu dòng điện xoay chiều thứ cấp MBA thành dòng điện một chiều đưa vào hai IC ổn áp là IC7812 tạo điện áp ra là +12V, và IC 7912 tạo điện áp ra là -12V. Mạch sử dụng 4 tụ điện một chiều làm bộ lọc. 2.Tính toán MBA: -Công suất toàn phần: S = -P2 là công suất bên thứ cấp: P2 = U2.I2 =24.2=48(W) -P1 là công suất bên sơ cấp: P1 = (W) Từ đó có dòng điện qua cuộn sơ cấp: I1 = (VA) -Tiết diện cắt ngang của lõi thép: s=1,2(cm2) -Số vòng/volt: W0 =(vòng/volt) (vòng) (vòng) Tiết diện dây dẫn: S=(mm2) Chọn mật độ dòng điện qua dây dẫn: J=2A/mm2 Tiết điện dây cuộn sơ cấp: S1=(mm2) Đường kính dây quấn sơ cấp: d1 == Tiết điện dây cuộn thứ cấp: S21= S22 =(mm2) Đường kính dây quấn thứ cấp: d21=d22 == 3. Chọn tụ lọc: C1= C3 =2200, C2= C4 =470 IV.3.7. Khâu phản hồi: Để đảm bảo độ chính xác, liên tục của quá trình điều khiển tự động thì trong mỗi mạch điều khiển cần có khâu phản hồi về từ tải để phân tích sai lệch giữa trong quá trình điều khiển. Sự biến thiên của các tín hiệu, tác động của nhiễu ở môi trường ngoài sẽ gây ra những sai lệch không thể tránh được trong quá trình quá độ cũng như trong quá trình xác lập. Với quá trình mạ điện thì thường sử dụng mạch phản hồi âm dòng điện từ tải về mạch điều khiển. PI Iđm Uđk Uph Uđ Hình IV.3.7a. Sơ đồ mạch khâu phản hồi 1.Sơ đồ nguyên lý có dạng như hình IV.3.7a. Trong đó: là khâu chuyển dòng sang áp. PI là khâu tích phân - tỷ lệ. R14 R13 Rs R15 R16 R18 VR3 -E C5 R19 R17 Uđk Id Hình IV.3.7b. Sơ đồ nguyên lý khâu phản hồi dòng điện 2. Nguyên lý hoạt động Dòng điện tải được đưa phản hồi trở lại qua khâu chuyển dòng thành áp . Dòng điện được đưa qua Rs, điện áp rơi trên Rs được đưa qua bộ khuếch đại đảo rồi đưa vào bộ tích phân tỷ lệ PI để được giá trị điện áp điều khiển Uđkh để đưa vào bộ so sánh trong mạch điều khiển. Nhờ có khâu phản hồi mà giữ cho dòng điện mạ được ổn định. Thật vậy: Giả sử vì một lý do nào đó mà dòng điện của nguồn mạ bị giảm, khi đó điện áp trên điện trở Sun cũng giảm theo tức Uph giảm, mà Uđk=Uđ-Uph nên Uđk tăng làm góc mở giảm làm điện áp trên nguồn mạ tăng nên khiến cho dòng điện lại được tăng lên. Ngược lại, khi dòng điện mạ tăng thì điện trở trên Sun tăng khiến cho Uph tăng, dẫn đến Uđk giảm làm tăng góc mở ,khiến cho điện áp của nguồn mạ giảm xuống,dòng điện lại được giảm đi. Như vậy dòng điện luôn được giữ ở mức ổn định. IV.3.8. Chọn các linh kiện bán dẫn 1. Chọn điốt Tất cả các điốt trong mạch điều khiển đều dùng loại 1N4009 có tham số . Dòng điện định mức : Iđm = 10 (mA) Điện áp ngược lớn nhất : Un = 25 (V) Điện áp để cho điốt thông: Um = 1(V) 2. Chọn IC: Mỗi kênh điều khiển phải dùng sáu khuếch đại thuật toán. Do đó ta chọn hai IC loại TL084 do hãng Texas Instrument chế tạo . Mỗi IC này có 4 khuyếch thuật toán . 9 8 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 Hình IV.8.1. Sơ đồ chân của IC TL084 TL084 Ucc Sơ đồ chân có dạng như hình vẽ IV.8.1 Thông số của TL084: Điện áp nguồn nuôi : Vcc =18V chọn Vcc =12V Hiệu điện thế giữa hai đầu vào: U= ± 30V. Nhiệt độ làm việc : T = -25 ¸ 850C. Công suất tiêu thụ : P = 0,68W. Tổng trở đầu vào : Rin = 106M W. Dòng điện đầu ra : Ira = 30pA. Tốc độ biến thiên điện áp : 3. Chọn cổng AND Toàn bộ mạch điều khiển phải dùng hai cổng AND nên ta chọn một IC4081 họ CMOS . Mỗi IC4081 có bốn thông số . Nguồn nuôi 1C : Vcc = 12 (V) . Nhiệt độ làm việc : 40 ¸ 800C Điện áp ứng với mức logic “1” : 2¸ 4,5 (V) . Dòng điện nhỏ hơn : 1mA . Công suất tiêu thụ : P = 2,5 (nW/1 cổng) . IV.3.9.Toàn bộ mạch điều khiển Từ các tính toán ở trên ta có sơ đồ toàn mạch điều khiển như hình IV.3.9a. Khi điện áp lưới xoay chiều 220V được đưa vào sơ cấp của biến áp đồng pha, thì ở phía thứ cấp của biến áp ta thu được điện áp nhỏ hơn điện áp lưới. Điện áp này được đưa vào bộ chỉnh lưu điốt một pha hai nửa chu kỳ mắc theo sơ đồ K- chung. Thu được điện áp ra tại điểm (1) (u1) là điện áp một chiều gồm nhiều nửa hình sin ghép lại với nhau, có tần số đập mạch bằng hai lần tần số lưới. Điện áp u1 được đưa vào cửa không đảo của khâu so sánh OA1 để so sánh với điện áp một chiều phẳng Ud. Sau OA1 thu được điện áp ra u2 là một chuỗi xung hình chữ nhật âm - dương kế tiếp. Điện áp u2 được đưa tới khâu tạo xung răng cưa để thu được điện áp răng cưa u3 sau OA2. +Biến trở VR2 dùng để điều chỉnh độ rộng xung răng cưa. +Điốt ổn áp Dz để hạn chế điện áp nạp trên tụ để răng cưa được tuyến tính. Điện áp răng cưa u3 được đưa vào cửa đảo của OA3 để so sánh với điện áp điều khiển (Uđk) ở cửa không đảo của OA3. - Khi URC>Uđk, điện áp ở đầu ra của OA3 (u4) có dạng xung âm hình chữ nhật. - Khi URC>Udk, u4 có dạng xung dương hình chữ nhật. - Khi URC=Uđk thì u4 lật trạng thái. Vậy điện áp ra của OA3 (u4) có chuỗi xung hình chữ nhật âm dương liên tiếp. Điện áp thu được u4 được đưa vào mạch vi phân C2 – R8 do vậy khi điện áp vào u4 là hằng số không đổi thì điện áp ra u5 =. Chỉ còn tại điểm chuyển trạng thái thì u4 chuyển từ âm sang dương và ngược lại nên u5 = là khác không. Vậy điện áp ra sau mạch vi phân u5 là một chuỗi xung kim dương âm liên tiếp. Điện áp tại điểm (5) là chùm xung kim, qua R9 đưa vào bộ khuếch đại xung gồm hai tranzistor T1- T2 mắc theo kiểu Darlinton. Khi có xung dương đặt lên bazơ của tranzistor T1 làm T1 mở và đưa xung dương đó đến bazơ của T2 để T2 mở, trên cuộn sơ cấp của biến áp xung được dẫn dòng, trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung kích mở Thyristor (tại các cực G và K). Khi không có xung dương đặt lên bazơ của tranzistor T1, T1 khoá nên T2 cũng khoá. Điện áp của biến áp xung giảm đột ngột, trên cuộn sơ cấp của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng nên cần D4 mắc song song với nó để khép kín vòng, triệt tiêu sức điện động đó, bảo vệ các Tranzistor. Xung trước khi vào bộ khuếch đại Darlinton được lọc bỏ phần xung âm nhờ D5. Sau khi qua khâu khuếch đại thì được khuếch đại với hệ số . Các điốt D6, D7 có nhiệm vụ đảm bảo cho dòng điều khiển chảy đúng theo một chiều từ dương sang âm. Điện trở R10 có nhiệm vụ để T2 khoá nhanh khi không có xung dương cấp vào cực bazơ. Các điện trở R11, R12 và tụ C3, C4 để chống nhiễu ảnh hưởng đến việc điều khiển Thyristor. Khi đó ta thu được đồ thị điện áp theo tính toán như hình IV.3.9b u21 u22 u1 Uđ u2 0 0 u2 u4 u3 0 0 Uđk u5 0 u6 0 Hình IV.3.9b. Đồ thị xung điện áp IV.3.10. Mô phỏng trên máy tính Từ tính toán trên ta có được sơ đồ mô phỏng trên máy tính bằng phần mềm MICROSIM của mạch điều khiển có dạng như hình IV.3.10a Hình IV.3.10a. Sơ đồ mạch điều khiển mô phỏng Dạng điện áp thu được tại các điểm đo như sau: Mô phỏng bộ Timer Tài liệu tham khảo Nguyễn Bính Điện tử công suất: NXB Khoa Học Kỹ Thuật - Hà Nội 1996 Lê Văn Doanh Điện tử công suất – Lý thuyết - Thiết kế – Ứng dụng Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Điện tử công suất Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi Bài tập điện tử công suất Lời kết Trong suốt kỳ học vừa qua bên cạnh được nghe lý thuyết các thầy giảng trên lớp thì để củng cố lý thuyết trên lớp chúng em được các thầy giao đồ án môn học - điện tử công suất với đề tài: “Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ” dưới sự hướng dẫn của thầy phạm quốc hải. Nhờ sự cố gắng học hỏi với sự hướng dẫn tận tình của thầy em đã hoàn thành đồ án của mình. Do kiến thức môn học còn chưa thực sự vững cùng với thời gian làm đồ án có hạn nên quyển đồ án của em không thể tránh khỏi sai sót. Mong các thầy góp ý bổ xung để quyển đồ án của em được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn. Sinh viên : Tống thị hiếu Lớp : TĐH2- K48