Đồ án Thiết kế nguồn mạ một chiều

cao nên đóng vai trò là lớp bảo vệ 4. Lớp mạ kỹ thuật Chúng ta sử dụng rộng rãi và có ứng dụng trong thực tế như: • Mạ làm tăng độ bền chống ma sát ổ trục • Mạ phục hồi các chi tiết máy • Mạ tăng độ dẫn điện • Mạ làm tăng độ chống mài mòn III,SƠ ĐỒ ĐIỆN PHÂN Đề tài thiết kế nguồn mạ một chiều là một đề tài có giá trị thực tế lớn, bởi vì trong công nghệ mạ nguồn điện một chiều là một yếu tố quan trọng. Để thấy rõ giá trị của đề tài, trước hết ta cần phải nắm rõ một số khái niệm cũng như các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân. Ta dựa vào sơ đồ điện phân như sau: Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 7 - Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ như phòng thí nghiệm đồng thời cũng dùng trong qui mô sản xuất lớn. Các thành phần cơ bản của sơ đồ điện phân : 1. Nguồn điện một chiều như : pin, ắc qui, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi. . Ngày nay được dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi. Bộ biến đổi cho quá trình điện phân có điện áp ra thấp : 3V, 6V, 12V, 24V… Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra cho phù hợp. Một bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cần thiết cho một số qui trình. VD : Mạ niken thường dùng điện áp 6V hay 12V. Để mạ Crôm dùng 12V. Để đánh bóng điện hóa nhôm thường dùng điện áp 12 – 24V. 2. Anốt : Là điện cực nối vơí cực dương của nguồn điện một chiều. Trước khi điện phân anốt cần phải đánh sạch dầu mỡ, lớp gỉ… Anốt dùng trong mạ điện có hai loại : anốt hòa tan và anốt không hoà tan. Anốt hoà tan được dùng tronh các trường hợp mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, mạ thiếc… Trong quá trình điện phân anốt tan vào dung dịch mạ theo phản ứng ở điện cực : + + =− =− 2 2 2 2 CueCu NieNi Các cation kim loại tan vào dung dịch điện phân và đi đến catốt. Phản ứng điện hóa ở anốt là phản ứng oxi hóa. Anốt không hòa tan dùng trong trường hợp mạ Crôm. . Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 8 - Khi điện phân ở bề mặt anốt không hoà tan cũng diễn ra quá trình oxi hóa −− ClOHOH ,,2 … ↑+=− =− − − 22 2 244 22 OOHeOH CleCl Khí thoát ra ở anốt trong quá trình điện phân thường chính là 2O hay 2Cl . 3. Catốt : là điện cực nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Trong mạ điện catốt là vật mạ. Trên bề mặt vật mạ luôn diễn ra phản ứng khử các ion kim loại mạ. Ví dụ như : Mạ niken : ↓=++ NieNi 22 Mạ kẽm ↓=++ ZneZn 22 Đồng thời với iôn kim loại bị khử, +OH 3 cũng bị khử giải phóng ra khí 2H theo phản ứng : OHHeoH 223 22 +↑=++ Khí 2H thoát ra trên bề mặt ca tốt có khả năng thấm sâu vào mạng tinh thể kim loại mạ và các kim loại nền, làm giảm độ bền cơ học của kim loại (khí 2H khi gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại) .Người ta gọi hiện tượng này là hiện tượng “ giòn kim loại “. Để kim loại mạ bám chặt vào bề mặt kim loạ nền đồng thời cho lớp mạ đồng đều, bóng sáng hấp dẫn, trước khi mạ ta cần phải gia công cho bề mặt chi tiết bằng phẳng, bóng và sạch các chất dầu mỡ màng oxít. Catốt vật mạ cần phải nhúng ngập vào dung dịch, thường ngập dưới mặt nước 8 – 15cm và cách đáy bể khonảg 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật tốt, không để gây ra hiên tượng phóng điện trong chất điện phân. Tuyệt đối không để chạm trực tiếp giữa anốt và catốt khi đã nối mạch điện. 4. Dung dich chất điện phân : dung dịch chất điện phân dùng để mạ thường có hai phần : _ Thành phần cơ bản : gồm muối và hợp chất chứa iôn của kim loại mạ và một số hoá chất thiết yếu khác, nếu thiếu hóa chất này thì dung dich không thể dùng để mạ được. _ Thành phần thứ hai : bao gồm các chất phụ gia + Chất làm bóng lớp mạ +Chất đệm giữ cho pH của dung dịch ổn định +Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo lớp mạ không bong nứt +Chất san bằng đảm bảo cho lớp mạ đồng đều hơn +Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng đều hơn +Chất chống thụ động hóa anốt nhằm ổn định mạ Một số đặc điểm dung dịch mạ : _ Dung dịch mạ cần phải có độ đẫn điện cao. Độ đẫn điện của dung dịch không những chỉ giảm được tổn thấtđiện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp mạ đồng đều hơn. Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 9 - _ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng trong một khoảng pH nhất định. Ví dụ mạ Niken pH=4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch amôniclorua pH= 4,5 đến 5,5. Mạ kẽm trong dung dịch axít pH= 3,5 đến 4,0… _ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lượng cao trong một khoảng nhiệt độ nhất định. VD mạ Niken khoảng nhiệt độ là C.7055 → , mạ vàng C.7060 → . Nhìn chung, khi điện phân nhiệt độ dung dịch không vượt qua nhiệt độ sôi của dung dịch. _ Mỗi dung dịch có một khoang mật độ dòng catốt thích hợp. _ Dung dịch chứa muối phức của kim loại thường cho lớp mạ có chất lượng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu được từ nuối đơn. VD lớp mạ thu được từ dung dịch −24)(CNZn hoặc −23)(CNZn tốt hơn lớp mạ thu được từ dung dịch muối 4CuSO . 5. Bể điện phân : Làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt. Thành và mặt trong của bể thường được lót bằng chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt. Lớp chất dẻo lót phải kín tuyệt đối, nước không thấm qua được. Mặt ngoài sơn nhiều lớp chống gỉ. Bể mạ thường có dạng hình chữ nhật, điều này giúp cho lớp mạ được phân bố đều hơn bể có hình dạng khác. Có nhiều bể mạ như bể mạ tĩnh, thùng mạ quay, … Trên dây là toàn bộ sơ đồ tổng quát của quá trình mạ bằng điện phân. Trong công nghệ mạ còn có một số yêu cầu về gia công bề mặt trước khi mạ.Yêu cầu bề mặt trước khi mạ : - Trước khi mạ vật cần mạ được tiến hành gia công cơ khí để có bề mặt bằng phẳng, đồng thời tẩy xóa các lopứ gỉ, đánh bóng bề mặt theo yêu cầu sử dụng. - Tẩy sạch dầu mỡ các hợp chất hóa học khác có thể có trên bề mặt vật mạ. Tóm lại trước lúc chi tiết vào bể điện phân, bề mặt cần phải thật bằng phằng, sắc nét bóng tuyệt đối sạch dầu mỡ, các màng oxit có thể có. Trong điều kiện như vậy lớp mạ thu được mới có độ bóng tốt, không sước, không sần sùi, bóng đều toàn lớp mạ đồng nhất như ý. Phương pháp gia công bề mặt kim loại trước khi mạ : - Phương pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh bóng quay bóng hay sóc bóng trong thùng quay. - Phương pháp gia công hóa học hay điện hóa họcbao gồm : tẩy dầu mỡ, tẩy gỉ, tẩy lại làm bóng bề mặt, rửa sạch. Sự lựa chọn phương pháp gia công cho hiệu qủa tốt nhất lại có giá thành rẻ, đòi hỏi người kỹ thuật viên phải có hiểu biết đầy đủ và nhất là phải có kinh nghiệm sản xuất. Bất kỳ thiếu sót nào dù nhỏ hoặc đánh giá không đúng công việc chuẩn bị bề mặt đều dẫn đến giảm sút chất lượng và hình thức lớp mạ. Chất lượng lớp mạ phụ thuộc một cách cơ bản vào phương pháp được lựa chọn, kỹ thuật và điều kiện tiến hành chuẩn bị bề mặt lớp mạ. Không bao giờ chúng ta coi nhẹ việc chuẩn bị bề mặt vật mạ. Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 10 - CHƯƠNG II : Lựa chọn phương án Nhiệm vụ đặt ra đối với đồ án là thiết kế nguồn mạ một chiều có điện áp thấp và dòng rất lớn. Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ trong quá trình nạp. Mạch có khâu bảo vệ chống chạm điện cực. Trong công nghệ mạ điện thì nguồn điện là một yếu tố hết sức quan trọng, nó quyết định nhiều đến chất lượng lớp mạ thu được. Nguồn điện một chiều có thể là ắc quy, máy phát điện một chiều, bộ biến đổi… Chúng ta phân tích từng loại nguồn để quyết định lựa chọn phương án nào : 1. Ắc quy : Tong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ. Do hạn chế về lượng điện tích lên ắc quy chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy được. Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng được. Vì vậy mà trong công nghệ mạ người ta ít sử dụng ắc quy làm nguồn mạ. 2. Máy phát điện một chiều : Trong công nghệ mạ dùng máy phát điện một chiều khắc phục được các nhược điểm của ắc quy. Máy phát điện một chiều trong thực tế có thể được sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn. Nhưng giá thành đầu tư cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển hoạt động khá phức tạp .Máy phát điện một chiều với nhiều nhược điểm : cổ góp mau hỏng; thiết bị cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn. Máy phát điện một chiều cần thường xuyên bảo trì sửa chữa. Chính vì các lý do trên lên trong công nghiệp người ta không dùng máy phát điện một chiều. 3. Bộ biến đổi : Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều được sử dụng rộng rãi. Công nghệ chế tạo các thiết bị bán dẫn ngày càng hoàn thiện, các thiết bị hoạt động với độ tin cậy cao. Đặc biệt công nghệ sản xuất Thyristor đã đạt được nhiều thành tựu. Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều ngày càng được sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp. Ngày nay trong công nghệ mạ điện thì bộ bién đổi được dùng rộng rãi nhất. Các bộ biến đổi dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp như : 3V, 6V, 12V, 24V, 30V, 50v. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện thế cho phù hợp.Bộ biến đổi với các ưu điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh; dễ tự động hóa; dễ điều khiển Cao chiề và ổn ổn đ biến Vậy lưu k kế ng có đ với g Chiến u định dòn ịnh. So vớ đổi đáp ứ quyết định Với mạch hông điều uồn mạ đ iều khiển, óc điều kh Sơ đồ ngu . Tải R+L - Khi - Phư Thắng g. Chi phí i dùng ng ng được h phương á chỉnh lưu khiển, ch iện áp thấp sau đó ta iển 0=α . Các ph + C + C + c Phư yên lý chỉ L đủ lớn ơng trình đầu tư cho uồn mạ là ơn cả về m n là dùng có rất nhiề ỉnh lưu có và dòng có thể xé ương án kh hỉnh lưu hỉnh lưu hỉnh lưu s ơng án 1 nh lưu cầu thì dòng đ mạch tải : bộ biến đ ắc quy h ặt kinh t bộ biến đổ u : chỉnh điều khiể khá lớn. T t trường h ả thi : cầu một ph cầu ba pha áu pha có : Chỉnh lư một pha iện di sẽ là θU sin2 2 Thiết ổi cũng rẻ oặc máy p ế cũng nh i. lưu một ph n… Trong rước hết t ợp chỉnh a cuộn khán u cầu mộ dòng liên θ Rid d +=. kế nguồ , hiệu quả hát điện m ư các tiêu a, chỉnh lư yêu cầu c a xét trườn lưu điốt kh g cân bằn t pha tục. θd d X di n mạ m làm việc c ột chiều chuẩn kỹ u ba pha, ủa đồ án l g hợp chỉn ông điều g ột ao và thì bộ thuật. chỉnh à thiết h lưu khiển Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 12 - ∫∫∫ Π+Π=Π +Π+Π dI dd di XdiRdU α α α α θθθ .sin21 2 αcos22 2Π= UU d Dạng sóng cơ bản : * Ưu nhược điểm của sơ đồ : 9 Ưu điểm : Sơ đồ này phù hợp với mach có dòng điện nhỏ ổn định và điều chỉnh công suất phía một chiều do có hai diot nên giá thành rẻ điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 13 - 9 Nhược điểm : Dòng tải vẫn còn nhấp nhô,không thích hợp với tải có dòng lớn Trong quá trình thay đổi góc điều khiển α thì dòng và áp thay đổi nhưng không giữ tính đối xứng nên quá trình tính toán phức tạp.Không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tượng công suất bị lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy qua hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất điện áp và công suất trên van sẽ lớn. Sơ đồ cầu một pha chỉ ứng dụng với yêu cầu điện áp chỉnh lưu cao và dòng tải nhỏ. Phương án 2 : Chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng Sơ đồ nguyên lý : Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 thyristor, chia làm hai nhóm : - nhóm catốt chung T1, T3, T5 - nhòm anốt chung T2, T4, T6 Điện áp các pha : θsin2 2UU a = G F T5 T6T4 u2c u2a u2b R L T1 T2 T3 Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 14 - ) 3 2sin(2 2 Π−= θUU b ) 3 4sin(2 2 Π−= θUU c a.Hoạt động của sơ đồ : Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua bGcF VVVV == , + Khi αθθ +Π== 62 cho xung điều khiển mơ T1. Thyristor này mở vì 0>aU . Sự mở của T1 làm cho T5 bị khoá lại một cách tự nhiên vì ca UU > . Lúc này T6 và T1 cho dòng đi qua. Điện áp ra trên tải : baabd UUUU −== + Khi αθθ +Π== 6 3 2 cho xung điều khiển mở T2. Thyristor này mởvì T6 dẫn dòng, nó đặt bU lên catốt T2 mà cb UU > . Sự mở của T2 làm cho T6 khoá lại một cách tự nhiên vì cb UU > . Các xung điều khiển lệch nhau 3 Π được lần lượt đưa đến các cực điều khiển của các thyristỏ theo thứ tự 1, 2, 3,4, 5, 6, 1,….. Trong mỗi nhóm, khi 1 thyristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyritor trước nó, như trong bảng sau : Thời điểm Mở Khoá θ1 = π/6 + α θ2 = 3π/6 + α θ3 = 5π/6 + α θ4 = 7π/6 + α θ5 = 9π/6 + α θ6 = 11π/6 + α T1 T2 T3 T4 T5 T6 T5 T6 T1 T2 T3 T4 Dạng sóng cơ bản Uab Uac Ubc UcaUba Ucb UcaUbcUacUab Uba Ua Ub Uc Ua Ub Ud iT 1 Ud Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 15 - Đường bao phía trên biẻu diễn điện thế điểm F Đường bao phía dưới biểu diễn điện thế điểm G Điện áp trên mạch tải : GFd UUU −= là khoảng cách thẳng đứng giữa hai đường bao αθθ α α cos 63 .sin2 2 6 2 6 5 6 2 Π=Π= ∫ +Π +Π UdUU d Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : 22max 45,26 UUU ng == Dòng điện trung bình chạy qua van 3 d T II == b.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. Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 16 - - không làm lệch pha lưới điện. + Nhược điểm - sử dung số van lớn, giá thành thiết bị cao - sơ đồ này chỉ dung cho tải công suất lớn, dung tải nhỏ và điện áp chỉnh lưu đòi hỏi độ bằng phẳng. Do dòng tải dùng trong mạ điện có trị số lớn, nên không áp dụng được phương pháp này, vì các van không chịu được dòng tải lớn. Phương án 3 : Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng a.Sơ đồ nguyên lý Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 17 - Sơ đồ chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, được biểu diễn như trên sơ đồ, bao gồm máy biến áp động lực, có cuộn kháng cân bằng cbC , 6 thyristor chia làm hai nhóm T1,T3,T5 và T2,T4,T6 . Máy biến áp có hai hệ thống thứ cấp a,b,c và a’,b’,c’. Các cuộn dây trên mỗi pha a và a’; bvà b’;c và c’ có số vòng như nhau nhưng có cực tính ngược nhau. Hệ thống dây cuốn thứ cấp máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt P và Q. P, Q được nối 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 hai chỉnh lưu tia 3 pha, nghĩa là : 22 17,12 63 UUU d =Π= Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng có thể coi dòng tảI là phẳng hoàn toàn. Như vậy trị hiệu dụng của dòng thứ cấp máy biến áp : dd I I I 29,0 322 == Dòng trung bình qua van : 6 d v I I = • Dạng sóng cơ bản : Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 18 - Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng * ưu nhược điểm của sơ đồ : _ ưu điểm : Do chỉnh lưu 6 pha nên dòng qua van nhỏ,tiện lợi cho việc bảo vệ van Hầu như không có sóng hài vì Ud gồm 6 chỏm hình sin,dễ điều khiển Phạm vi điều khiển α từ 300 trở đi(phạm vi rộng chất lượng Ud tốt) Chịu được id lớn và Ud nhỏ + Dòng điện áp ra có độ bằng phẳng cao, có độ đập mạch lớn + Dòng trung bình qua van nhỏ bằng 1/6 dòng qua tải. _ Nhược điểm : + Số van sử dụng lớn giá thành cao + Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều. ** Kết Luận: Qua phân tíchvà đánh giá đầy đủ cả ba phương án ta thấy Dòng điện mạ lớn, dòng qua van nhỏ trung bình bằng 1/6 dòng qua tải,đẻ đảm bảo yêu cầu đề bài ta chọn bộ biến đổi dùng làm nguồn mạ là chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng. Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 19 - Chương III : Tính Chọn Mạch Lực Qua phân tích ở trên ta chọn phương án chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng để xây dựng nguồn mạ. Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng có 2 cách điều chỉnh: + Điều chỉnh sơ cấp + Điều chỉnh thứ cấp Sau đây ta xét từng phương án điều chỉnh 1> Điều chỉnh sơ cấp : Sơ đồ : Sơ đồ gồm : - 6 thyristor - 6 điốt không điều khiển hình dáng và giá trị hiệu dụng của điện áp trên tải ở trên mỗi pha phụ thuộc vào góc mở α tại mỗi thời điểm ở sơ cấp luôn có 2 Tiristor dẫn dòng Nhận xét: +. ưu điểm : do dòng bên sơ cấp nhỏ nên việc chọn các van thuận lợi Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 20 - +.nhược điểm: điều khiển sơ cấp là điều khiển gián tiếp vì lúc đó dòng phải qua cảm ứng từ sang thứ cấp rồi mới cấp cho tải.Do đó Uracủa tải sẽ bị hụt đi nên độ chính xác không cao Dùng 6 đi ốt ở thứ cấp nên lãng phí 2> Điều chỉnh thứ cấp : Sơ đồ gồm 6 thyristor được bố trí như hình vẽ • Khi muốn điều chỉnh dòng tải chỉ cần tác động xung điều khiển vào các thyristor ở cuộn thứ cấp. Khi góc điều khiển α tăng lên, biên độ điện áp cân bằng tang lên đáng kể. Giá trị điện áp trên cuộn kháng lớn nhất khi 090=α . • Nhận xét : +. ưu điểm: là quá trình điều khiển trực tiếp điện áp ra có độ chính xác cao đẩm bảo yêu cầu bài toán +. nhược điểm:dòng ở thứ cấp lớn nên chọn van khó . Kết luận : Qua phân tích 2 phương pháp điều khiển ta thấy để đảm bảo yêu cầu đề bài ta chọn phương án điều chỉnh 6 pha cuộn kháng cân bằng điều chỉnh thứ cấp. Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 21 - Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ một chiều như sau : Sơ đồ gồm : + 6 thyristor + Điện trở sun loại 2000A – 60mV + Bảo vệ van RC + Cuộn kháng cân bằng PQ I>Tính toán máy biến áp lực Từ sơ đồ mạch lực với các thông số ta tính toán máy biến áp lực : Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 22 - 1,Các thông số cơ bản của MBA Id=6000A ;Udmax=24V Công suất một chiều trên tải : ddod IUP .= Với ∑Δ+= dddo UUU vanckbad UUUU Δ+Δ+Δ=Δ∑ Máy bién áp có công suất vài chục kVA thuộc loại máy biến áp nhỏ nên : VU dba 2=Δ ΔUck=2 (V) VUvaa 2=Δ Điện áp rơi trên mỗi van là 1 V Vậy : VU d 6222 =++=Δ∑ Suy ra : VUUU dddo 30624 =+=Δ+= ∑ Công suất tiêu thụ của máy biến áp : )(1806000.30 KWIUPd ddo === Từ công thức chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có : αcos. 2 63 2 Π= UU do , chọn α=35o suy ra )(32 35cos6.3 30.2 cos.6.3 .2 2 V U U do =Π=Π= α * Tỷ số máy biến áp 875,11 32 380 2 1 === U Uk * Giá trị hiệu dụng dòng chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp : )(17406000.29,029,0 322 AI I I dd ==== * Giá trị hiệu dụng dòng chảy trong cuộn sơ cấp : )(60 875,11 6000.4,04,0 1 Ak I I d === 2. Tính toán mạch từ : Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ được tính theo công thức : fC SkQ . .= [cm2] k= 4 đến 6 , ở đây chon k = 6 S : công suất tiêu thụ của máy biến áp (VA) C : số trụ ( C=3 ) f : tần số nguồn điện xoay chiều . (f = 50Hz) Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 23 - Thay số ta có )2(208 50.3 180000.6 cmQ == Giả sử a: là chiều rộng của trụ b: là bề dày của trụ Để đảm bảo mỹ thuật ta chọn b/a =1,25 Vậy từ ⎩⎨ ⎧ = = 25,1/ . ab baQ Ta suy ra a= 130 mm ; b=160 mm Để đảm bảo mỹ thuật chọn chiều cao của trụ theo tỷ lệ m= h/a =2,5 suy ra h=2,5a= 2,5.130 =325 mm 3. Tính toán dây cuốn : Số vòng vôn : 4,44.f.B.Q. 410− =4,4.50.1.208. 410− =4,6 (vôn/vòng) Trong đó : f là tần số dòng điện Q là tiết diện trụ B là mật độ từ cảm trong trụ *Số vòng dây sơ cấp 83 6,4 380 1 ==W (vòng) *Số vòng dây thứ cấp 7 6,4 32 2 ==W (vòng) * Chọn mật độ dòng điện : 221 /3 mmAJJ == * Tiết diện dây dẫn sơ cấp : Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 24 - )(20 3 60 2 1 1 1 mmJ IQ === Chọn dây dẹt bọc sợi thủy tinh hai lớp tiết diện (10x2) mm *Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp : )(580 3 1740 2 2 2 2 mmJ IQ === Ta chọn dây dẫn dẹt bọc sợi thuỷ tinh tiết diện (290x2)mm 4.Tính toán kích thước mạch từ : Dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I và xếp như hình vẽ Sốlớp dây thứ cấp : 7 1 7 = (lớp) Lõi cuộn dây dùng fíp 8mm cách điện giữa các lớp dùng cáctông chịu nhiệt dày 1mm,giữa sơ và thứ cấp dùng que fíp dày 10 mm Chiều dày toàn bộ lớp thứ cấp kể cẩ cách điện là: 10+7x(2+1)=31 mm Số vòng của 1 lớp dây sơ cấp: 325/10 =32(vòng) sốlớp dây sơ cấp :83/32 =3(lớp) Chiều dày toàn bộ lớp sơ cấp :10+3x(2+1) =19 mm Chiều dày cuộn dây biến áp:31+19 =50 mm Lấy khoảng cách giữa hai cuộn là 5 mm Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 25 - Dùng lớp cách điện giữa lớp trong cùng với lõi là fíp dày 8 mm Cửa sổ rộng là: 50x2 +8x2+5 =121 mm II. Tính chọn van và bảo vệ van : Chế độ làm việc của các van rất khắc nghiệt, rất nhạy cảm với nhiệt độ. Nhiệt độ của van tăng lên do công suất tổn hao trên van gây ra. Khi nhiệt độ của van cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh nhiệt lượng được truyền vào môi trường. Nếu nhiệt độ của van vượt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậy làm mát cho van là một vấn đề rất quan trọng. Thông thường van được gắn lên một cánh tản nhiệt với thông số phù hợp. Có các biện pháp làm mát thường gặp : + Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lưu không khí xung quanh van, hiệu suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25% + Làm mát bằng gió cưỡng bức : tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van để đẩy nhanh qúa trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu suất làm việc của van là 35% + Làm mát bằng nước : van được gắn thêm tấm đồng rỗng cho nước chảy qua. Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả hiệu suất làm việc của van đạt đến 90%, nhưng hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công suất lớn và có nguồn nước tại vị trí lắp đặt thiết bị. Qua phân tích trên ta chọn làm mát bằng thông gió có quạt cưỡng bức với hiệu suất làm việc của van là 35%. Dòng trung bình qua van là : )(1000 6 6000 6 A I I dv === Điện áp ngược lớn nhất dặt lên van : )(1104,1.32.64,1.6 2max VUU ng === Với: hệ số dự trữ điện áp là 4,1=uk Dòng điện van cần có là :Ivan= Ki .Iv.100/35 hệ số dự trữ dòng điện ki=1,4 )(4000 35 100.1000.4,1 AIvan == Từ đó ta chọn van loại : TΠ-4000-2 có các thông số sau : )(4000max AI = )(200max VU = )(1 VU =Δ )(8 )(4,0 VU AI G G = = sToff μ120= sA dt di sV dt du μ μ /100 /100 = = ** Bảo vệ van : Thyristor rất nhảy cảm với điện áp quá cao so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp. Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 26 - Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm hai loại : + Nguyên nhân nội tại : Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược các điện tích đổi ngược hành trình tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện gây ra một suất điện động cảm ứng trong các điện cảm luôn luôn có của đường dây nguồn dẫn đến các thyristor. Vì vậy giữa anốt và katốt xuất hiện quá điện áp. + 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 năg 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. Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp máy biến áp là để báo vệ quá điện áp Mạch RC đấu song song với tiristor nhằm bảo vệ quá áp do điện tích tích tụ khi chuyển mạch gây nên .Thông số của RC phụ thuộc vào mức độ quá điện áp có thể xảy ra ,tốc độ biến thiên của dòng chuyển mạch ,người ta dùng mạch RC xem hình sau : Tính RC bảo vệ quá áp do tụ tích điện gây nên, hình trên impdmp UU , là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên thyristor một cách chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu. npimnpmd UU ,.. , là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngược đặt trên thyristor một cách không chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu. imU là giá trị cực đại của điện áp ngược thực tế đặt trên thyristor. Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 27 - b là hệ số dự trữ về điện áp, b=1-2 k Là hệ số qúa điện áp Các bước tính toán : + Xác đinh hệ số qúa điện áp theo công thức im pim Ub U k . .= + Xác định các thông số trung gian : )(),(),( *min*max*min kRkRkC + Tính dt di max khi chuyển mạch + Xác định lượng tích tụ Q=f(di/dt), sử dụng các đường cong trong sổ tay tra cứu + Tính các thông số trung gian imU QCC 2.*min= Q LURR Q LUR imim 22 * max * min ≤≤ Trong đó L là điện cảm của mạch RLC Cuối cùng ta chọn Ω= = 100 5,0 R FC μ III. Tính cuộn kháng cân bằng : dmck PP 05,0= dck PS 5,0= Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng : cb dm ocb L Ui . .19,0 2 ω= suy ra : ocb dm cb i UL . .19,0 2 ω= )(3000 2 6000 2 A i i tcb === )(6002,0.3000%20 Aii cbocb === )(242 VU dm = fΠ= 2ω ; Với f là tần số cuộn kháng, )(150.3 hzff l == vậy )/(942150.14,3.22 sradf ==Π=ω Thay vào công thức tính cbL ta có )(10.8,0 600.942 24.19,0 . .19,0 52 H i UL ocb dm cb −=== ω Chiều rộng trụ giữa lõi thép a : Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 28 - cmiLa tcb 7,106000.10.8,0.6,2..6,2 4 2524 === − Để tính các kích thước của cuộn kháng cân bằng từ tài liệu hướng dẫn ta tìm các hệ số m,n,l Lõi sắt cuộn kháng chọn như hình vẽ ở đây n=0,6 ; l=1,2 ; m=2,2 a hm = ; a cn = ; b al = Với h : là chiều cao cửa sổ =m.a=2,2.10,7=24cm c : là chiều rộng cửa sổ c=n.a=0,6.10,7=6,5cm b : là chiều dày lõi b= a/l = 10,7/1,2=9cm Tiết diện trụ là Q=a.b=10,7.9=96,3(cm2) Chiều dàI lõi L’= a+(c+a/2).2 =10,7+(6,5+10,7/2).2=34,4cm Độ rộng khe hở không khí δ Số vòng dây cuộn kháng )(2 10.3,96.52.26,1 10.4,34.10.8,010 ..26,1 '. .10¦ 4 4 25 4 v Q LL W cb === − −− μ μ là hệ số phụ theo tàI liệu lấy μ = 52 Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 29 - CHƯƠNG IV:Thiết kế mạch điều khiển I. Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển : 1. Đảm bảo phát xung với đầy đủ các yêu cầu để mở van : * Đủ biên độ Ux * Đủ độ rộng tx * Sườn xung ngắn sts μ15,0 ÷= 2 .Đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển, Ví dụ đối với MBAX thường được sử dụng như một khâu truyền xung cuối cùng ở tầng khuyếch đại xung. 3 . Đảm bảo tính đối xứng của các kênh Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 30 - 4 . Đảm bảo đúng quy luật về pha điều khiển. Đây là yêu cầu về đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc α . 5 . Có thể hạn chế phạm vi góc điều khiển không sự thay đổi của điện áp lưới. 6 .Không gây nhiễu đối với các hệ thống điều khiển điện tử khác ở xung quanh. 7. Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng và báo hiệu khi có sự cố. II. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển . Nhiệm vụ : + Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa Urc dạng răng cưa trùng pha với điện áp anot của trisistor + Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển để phát xung ở đầu ra đưa đến bộ khuếch đại . + Khâu khuếch đại có nhiệm vụ tạo xung phù hợp để mở trisistor . Yêu cầu : tạo xung có sườn dốc thẳng đứng , đủ độ rộng với độ rộng lớn hơn thời gian mở của trisistor , đủ công suất , cách li giữa mạch lực và mạch điều khiển. III. Nguyên tắc điều khiển + Trong thực tế người ta thường dùng hai nguyên tắc điều khiển : thẳng đứng tyuến tính và thẳng đứng arccos để thực hiện điều chỉnh vị trí xung trong nửa chu kỳ dương của điện áp đặt trên thyristor. 1. Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính SS BAX Udk Ur 1 2 3 4 T Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 31 - Sử dụng 2 điện áp -Điện áp đồng bộ Uc:có dạng răng cưa đồng bộ với điện áp AK của Thiristor -Điện áp điều khiển Udk: là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ Ta có quan hệ maxUr UcΠ=α Khi Uc = 0 0=⇒α Uc 00 ≠⇒≠ α Lấy Ucmax = Urmax 2.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng acrcos Sử dụng 2 điện áp -Điện áp đồng bộ Uc: Vượt trước điện áp AK của Thiristor một góc bằng 90 -Điện áp điều khiển Udk: là điện áp 1 chiều có thể điều chỉnh được biên độ Khi Ur+Uc= 0ta nhận được một xung ở đầu ra của khâu so sánh Giả sử điện áp đặt vào Ak của Thiristor là điện áp hình sin U = Asin( ϕω +t ) Vậy điện áp của Uc = Bcos ( ϕω +t ) Ta có Udk+Bcosα = 0 B Udk−=→ arccosα Lấy B = Udkmax Udk = 0 2 Π=→α Udk = Udkmax→ Π=α Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 32 - Udk = -Udkmax→ 0=α Nguyên tắc này sử dụng trong các thiết bị chỉnh lưu chất lượng cao IV. Giới thiệu các phân tử cơ bản được dùng trong mạch điều khiển : 1. Khuyếch đại thuật toán : Kí hiệu khuyếch đại thuật toán: 2. Khuyếch đại thuật toán thường được dùng trong các mạch cơ bản sau: a. Mạch so sánh một cổng : Đầu vào khuyếch đại thuật toán tổng trở Ri rất lớn nên dòng đi vào KĐTT là không đáng kể 2 21 1 1 21 2)( )()( U RR RU RR RU i +++= − Khi 0)( >−iU thì U3 sẽ bão hoà ở –Un Khi 0)( <−iU thì U3 sẽ bão hoà ở +Un Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 33 - b. Mạch so sánh hai cổng : Khi: U1>U2 thì U3 = -Un Khi: U1<U2 thì U3= +Un c. Mạch tạo tín hiệu răng cưa : * Dùng khuyếch đại thuật toán : * Dùng nguồn dòng transistor : +E Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 34 - d. Mạch khuyếch đại đảo : Ta có quan hệ sau: io UR R U . 1 2−= IV. Thiết kế mạch điều khiển : A. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển : R2 +E -E R3 R1 Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 35 - Khi cấp nguồn điện 380V vào sơ cấp của BA nguồn ,phía thứ cấp của BA hạ áp qua cuộn dây W2-1 qua cầu chỉnh lưu hai nửa chu kì D1 và D2 điện áp tại điểm (I) U1 là điện áp một chièu hình sin lấy phần dương và đặt vào cửa đảo của thuật toán A1 tại đây so sánh với điện áp Uđ được đưa vào cửa cộng của A1 .Uđ có giá trị :UImin <Uđ< UImax. Khi điện áp đặt vào cửa âm của OA1 lớn hơn điện áp Uđ trên cửa dương của OA1thì tại cửa ra của OA một điện áp âm. Còn khi điện áp trên cửa âm của OA1 nhỏ hơn điện áp trên cửa dương thì điện áp ra của OA1 sẽ là một điện áp dương. Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U1 với Uđ trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương, âm liên tiếp dạng xung vuông như hình vẽ ở trên. Điện áp dạng xung vuông sau khi được tao ra ở khâu so sánh trước đó được đưa vào để làm điện áp điều khiển của khâu tạo điện áp răng cưa. * Khi Uđk < 0 ,T1 khoá do đó T2 cũng bị khoá vì thế của bazơ cao hơn thế của emiter * Khi Uđk >0 thì bóng T1 được mở , thế emiter được giữ cố định nhờ diode ổn áp Dz .Khi T1 mở Uc,T1≈0 phân áp R2 ,R3 sẽ làm cho bazơ của T2 âm hơn emiter ,do vậy T2 mở tụ C1 được nạp theo đường +EÆDzÆT2ÆC1. Điện áp của tụ tăng rất nhanh đến giá trị Uc,T2≈E,T2,sau đó không thể tăng cao hơn được nữa vì như vậy thì như vậy T2 sẽ bị khoá lúc này tụ C1 sẽ phóng điện qua nguồn dòng tạo bởi T3 kết quả tạo được sườn sau của điện áp trên tụ có dạng giảm tuyến tính. Tín hiệu điều khiển đưa vào cửa cộng của khâu so sánh . * Nếu Urc>Uđhthì đầu ra của OA2 là xung âm. * Nếu Urc<Uđk thì đầu ra của OA2 là xung dương . Khi đó bộ phát xung chùm dưới sự phóng nạp của tụ C2 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật. Vì tín hiệu ra nhỏ được khuếch đại qua đèn T3, xung qua điốt D chỉ giữ lại phần âm được trộn lẫn với xung ra từ khâu so sánh A2 tạo thành từng chùm xung dương. Nhưng tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở Tiristo do đó được đưa qua bộ khuếch đại xung. Các transisto mắc theo kiểu Dalingtơn. Xung dương được đặt vào bazơ của T4 làm T4 mở và T5 mở theo khi đó có xung đi vào biến áp xung. Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mở tiristo. Khi xung tắt T4vàT5 bị khoá, điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt Dvà D0 thông và dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor. Điện áp điều khiển được lấy điện áp phản hồi của nguồn mạ thông qua điện trở Sun ,vì điện áp này nhỏ nên ta cho qua một bộ khuyếch đại để được điện áp có độ thích hợp trước khi cho vào khâu PI.Sau đó điện áp phản hồi được đưa qua khâu PI để loại bỏ các sóng nhiễu có tần số cao làm cho mạch tăng tính ổn định.Điện áp ra khỏi khối PI ta gọi là điện áp phản hồi Uph.Tiếp theo điện áp phản hồi được đưa vào bộ cộng (đảo) với điện áp mà ta đặt cho nguồn mạ làm việc ,điện áp này ta gọi là điện áp đặt Uđ.Tín hiệu ra của khâu cộng này chính là tín hiệu điều khiển được đưa vào so sánh với tín hiệu đồng pha để phát ra xung điều khiển mở các van,ta gọi là điện áp điều khiển Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 36 - B. Tính toán các khâu của mạch điều khiển 1. Tính toán khối đồng pha Sơ đồ nguyên lý khâu đồng pha Giản đồ điện áp Nguyên lý hoạt động của khối đồng pha: Khi cấp nguồn 380V vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến áp được hạ áp. Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0, nửa chu kỳ đầu điện áp dương đặt trên D1, D1 sẽ thông và D2 sẽ bị khoá, nửa chu kỳ sau tại thời điểm t2= π điện áp xoay đảo dấu và thế dương được đặt vào anốt D2, D2sẽ thông và D1bị khoá. Vậy điện áp trên điểm (I) là điện áp xoay chiều đươc đưa qua chỉnh lưu thành điện áp một chiều nửa hình sin. Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp tại (I) được đưa vào cửa âm của khâu so sánh OA1. Điện áp được đưa vào cửa dương của OA1 là điện áp một chiều phẳng Uđ có giá trị :Uimin <Uđ< UImax. Khi điện áp đặt vào cửa âm của OA1 lớn hơn điện áp Uđ trên cửa dương của OA1thì tại cửa ra của OA một điện áp âm. Còn khi điện áp trên cửa âm của OA1 nhỏ hơn điện áp trên cửa dương thì điện áp ra của OA1 sẽ là một điện áp dương. Như vậy OA1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U1 với Uđ trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương, âm liên tiếp dạng xung vuông như hình vẽ ở trên. Ra' D2 +EVR2 R1-E Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 37 - Tính toán khối đồng pha: Chọn góc duy trì và thoát năng lượng θ =30 o thì điện áp Uđ đặt vào cửa thuận của bộ so sánh là: U θ =U.sin 30 o = 12.sin 30 o = 6(V) Chọn E+ = 12(V) Chọn R1= 1 (kΩ) Ta có : 6(V).R1 R1VR1 E =+ ÆVr1= 1(kΩ) Chọn VR1 =1(KΩ) Để dòng vào cửa đảo của khuyếch đại thuật toán nhỏ hơn 1mA thì ta chọn R sao cho U/R12(kΩ) chọn R = 15kΩ 2.Tính toán khâu tao điện áp răng cưa Sơ đồ nguyên lý giản đồ điện áp Nguyên lý làm việc của khâu tạo điện áp răng cưa Điện áp dạng xung vuông sau khi được tao ra ở khâu so sánh trước đó được đưa vào để làm điện áp điều khiển của khâu tạo điện áp răng cưa.Khi Uđk +E C1 Dz T1 -E R3 R2 R4 VR2 R5 T1 T2 Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 38 - >0 thì bóng T1 được mở , thế emiter được giữ cố định nhờ diode ổn áp Dz,ở đây ta chọn Uz=3V thì U 2,TE = +E - Uz = 12 – 3 = 9 (V) . *Khi Uđk < 0 ,T1 khoá U 1,TC =12 do đó T2 cũng bị khoá vì thế của bazơ cao hơn thế của emiter. * Khi Uđk >0 ,T1 mở Uc,T1 ≈0 phân áp R2 ,R3 sẽ làm cho bazơ của T2 âm hơn emiter ,do vậy T2 mở tụ C1 được nạp theo đường +EÆDzÆT2ÆC1. Điện áp của tụ tăng rất nhanh đến giá trị Uc,T2 ≈Ue,T2 =9V,sau đó không thể tăng cao hơn được nữa vì như vậy thì như vậy T2 sẽ bị khoá lúc này tụ C1 sẽ phóng điện qua nguồn dòng tạo bởi T3 kết quả tạo được sườn sau của điện áp trên tụ có dạng giảm tuyến tính. Từ tính toán khâu đồng pha ta có: Chu kì của điện áp lưói la:T=1/f=1/50=20ms tương ứng với 360 0 Æ Chu kì của điện áp răng cưa là :Trc=T/2=10ms tương ứng với 180 0 Mặt khác Trc=tp+tn Trong đó :tp- thời gian phóng của tụ C1 tn-thời gian nạp của tụ C1 Như trên ta đã chọn θ= 30 0 tức là tn= 60 0Æ tp=180 0 - 60 0 =120 0 Tương ứng với thời gian là: tp= ms67.6 180 10.120 0 ''0 = tn= ms33,3 180 10.60 0 ''0 = Chọn giá trị của tụ C1 = 0,5μ F Gọi dòng địên trong quá trình phóng là Ip.Sau khoảng thời gian t= tp = 6,11ms thì điện áp trên tụ về giá trị 0 vậy ta có Ucp= dtIp C Uco tp ∫− 0 1 = 0 ⎯→← tpIp c Uco ..1− = 0 -->Ip = )(674,0 10.67,6 9.10.5,0. 3 6 mA tp UcoC == − − Ip=0,674 mA -->Vr2+R5 = )(9,1616910 10.674,0 6,012 3 )3( Ω=Ω=−=− − KIp UE TBE Vr2+Rhc1≈ 17 (kΩ) Chọn R5 =12 kΩ là điện trở cố định còn VR2= )(100 Ω÷ K ( VR2 = 5kΩ ) là biến trở điều chỉnh được . Gọi dòng điện trong quá trình nạp là In.Sau khoảng thời gian t=tn=0,6 ms thì điện áp trên tụ được nạp từ 0 đến 9V.Vậy ta có: Ucn= UcoIndt C tn +∫ 0 1 = 9 Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 39 - ⎯→← 9..1 =tnIn C --> )(35,1 10.33,3 10.5,0.9.9 3 6 mA tn CIn === − − --> )(67,6 10.35,1 94 3 2 Ω=== − KIn UR ET Chọn dòng qua R2,R3 bằng 2mA là đủ khi cần cung cấp dòng cho bazơ của T2 Khi đó :R3+R2 = )(6)(6000 10.2 12 10.2 33 Ω=Ω== −− KE Để đảm bảo khi T1 mở thì điện áp rơi trên R4 nhỏ hơn 9V để cho T2 có thể mở được thì ta chọn R3=4(kΩ), R2=2(kΩ). 3.Khâu so sánh Nguyên lý hoạt động của khâu so sánh : So sánh điện áp điều khiển với điện áp răng cưa để tạo ra điện áp ở cửa ra có dạng chuỗi các xung vuông liên tiếp.Điện áp răng cưa đưa vào cửa đảo của OA,còn điện áp điều khiển đưa vào cửa cộng của OA. + Khi Urc >Udk thì điện áp ở đầu ra mang giá trị dương + Khi điện áp Urc >Udk thì ở đầu ra điện áp mang giá trị âm. Để đảm bảo cho dòng điện đi vào các cửa của OA nhỏ hơn 1mA ta chọn R7=R8=10kΩ 4.Khâu phát xung chùm R R +E -E Urc Udk U kVsat Vsat Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 40 - • Chức năng của khâu phát xung chùm : Phát ra xung có tần số cao để trộn với xung ra ở khâu so sánh trước khi cho vào biến áp xung . • Nguyên tắc hoạt động của khâu phát xung chùm là: Giả sử tại thời điểm ta xét tụ C được nạp đầy tức là U PN U> điện áp lúc này ở đầu ra của OA sẽ là điện áp âm sau một thời gian khi điện áp ra qua R9 về tụ hết phóng điện(được nạp theo chiều ngược lai )UN0 và điện áp đầu ra thay đổi thành điên áp dương. Như vậy do đặc tính phóng nạp của tụ C3 U υ U υ Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 41 - tạo trên OA một điện áp ra dạng xung vuông liên tiếp, tín hiệu ra nhỏ do đó được khuếch đại qua transistoT4 qua xung điốt D13 chỉ là chùm xung giữ lại phần âm. + Tính chọn phát xung : T = 2, 2 . R9. C2 Chọn tần số phát xung chùm f = 5kHz. )(10.2 10.5 1 4 3 sT −== Chọn C2 = 0, 02μF = 0, 02.10-6F. )Ω4545( 02,2.0,02.1 2.10R 6 4 9 == − − Chọn R9 = 4, 5(kΩ). Chọn R10 = R11 =5 KΩ Chọn đèn T5 loại P – N – P ký hiệu A564 có thông số : Điện áp giữa colectơ và bagơ khi hở mạch emitơ UCbo = 25V. Điện áp giữa emito và bazơ khi hở mạch colectơ UBeo = 7V. Dòng điện qua Colectơ I=100mA. Nhiệt độ T0 = 1500C. Hệ số khuyếch đại β = 250. 0,4(A) 250 100 β II Cβ === Chọn R12 = - E/IR12 = 12/0, 1 = 120(Ω) 5.Khuếch đại xung và biến áp xung T4 R6 D T5 D RL R D D +En D Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 42 - Sơ đồ nguyên lý máy biến áp xung Đặc điểm và ứng dụng của biến áp xung - Dễ thay đổi cực tính xung ra - Cách ly về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển - Dễ phân bố các xung đi các kênh điều khiển - BAX dễ truyền tín hiệu điều khiển - Tạo ra được biên độ xung theo yêu cầu Tính toán biến áp xung - Việc tính toán mạch điều khiển thường được tiến hành từ tầng điều khiển ngược trở lên . - Mạch điều khiển được tính xuất phát từ yêu cầu về xung mở Tiristor . Các thông số cơ bản trong mạch điều khiển : + Điện áp điều khiển Tiristor Uđk =8 (V) + Dòng điện điều khiển Tiristor Iđk = 0,4 (A) + Thời gian mở Tiristor tm = 120 μs + Độ rộng xung điều khiển tx = 350 (μs) + Tần số xung điều khiển ƒx = 5 (khz) + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển En = 24(V) Chọn vật liệu lõi biến áp xung là lõi Ferit làm việc trên 1 phần của đặc tính từ hoá Bs =0,45T Độ từ thẩm mA /6000=μ Diện tích lõi=1cm 2 Số vòng cuộn sBs txUw × ×= 11 tx:chiều dài xung truyền qua biến áp xung thường có chiều dài 10÷600 sμ ở đây ta chọn tx=350 sμ =350.10 6− s Tỉ số máy biến áp m=1/1,2 Số vòng cuộn dây vongww vongw 62 2,1 75 2,1 12 75 10.1.45,0 10.350.6,91 4 6 === == − − Giá trị dòng điện trung bình ở cuộn w1 I1tb = I1. mAT tx 44 10.20 10.350333 3 6 == − − T là chu kì T=20ms Giá trị dòng điện trung bình ở cuộn w2 Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 43 - I2tb=I2 mAT tx 53 10.20 10.350400 3 6 == − − Ta chọn mật độ dòng điện J = 2,5A/mm 2 Đường kính dây cuộn w1: d1 = 2 mm J I 15,0 2500.14,3 4421 ==π Đường kính dây cuộn w2: d2 = 2 mm J I 17,0 2500.14,3 5322 ==π +Công suất của biến áp xung : S = U1.I1 = 9,6 x 0,33 = 3,2 (VA) Tra bảng số liệu máy biến áp công suất nhỏ ta chọn được máy biến áp chuẩn có công suất 5VA Với các thông số kỹ thuật sau: +a=12 mm ; h=30mm ; c=12mm ; L=48mm ; H=42mm ; B=10mm +Tiết diện trụ giữa S=0,92cm 2 +Chiều dài trung bình đường sức:l=10,03cm +Tích số diện tích Sxdiện tích cửa sổ:4,3cm 4 +Thể tích thép từ:9,22cm 3 +Trọng lượng thép từ:78 gram Tính khâu khuếch đại xung Ta có U G = UTC = U2 = 8(V) IG = ITC = I2 = 400 mA USC = U1 = 8.1,2 = 9,6(V) ISC = I1 = 400/1,2 = 333(mA) Giá trị của điện trở Rx cần mắc vào mạch để đảm bảo dòng điện qua Collector của T6 có giá trị là 333mA là: Rx= =−=− 33,0 6,9244,8 Ic En 44 (Ω) Chọn Tranzito công suất T5 loại KYG11: UCE =35 (V) . I CE = 3 (A) . β = 30 Chọn chế độ làm việc của Transistor với β=10 Dòng điện làm việc của colecto IC5 = I1= 333(mA) Dòng điện làm việc của bazơ IB5 = 3,3310 3335 ==β CI (mA) Đồng thời dòng IC4 = IB5 = 33,3 mA Chọn T4 loại C828 : UEC =35 (V) . IEC = 300 (mA) . β = 100 Chọn chế độ làm việc của Transistor với β=10 Cao chiề Tất c 6.Tín Kh điện Ta sử Chiến u Dòng điện IB4 = β Tính điện Ta có UBE ả các Dio Dòng điện Điện áp n h toán kh ối nguồn c +Cung cấ áp so sánh +Cung cấ +Cung cấp dụng IC Thắng làm việc 1 4 + CI = 11 3,33 trở R6: 4 = 0,7V⇒ de trong m địnhmức gược lớn n ối nguồn ó 3 chức n p nguồn ổ U 1_2 =17V p nguồn cô nguồn ch MA741 là Bazơ là: = 3(mA) 6 4 4= C BE I UR ạch điều k Iđm hất Un ăng chính n áp cho c ;I 1_2 =0,5 ng suất ch o khâu đồ m khuyếch 10.3,33 7,0= − hiển đều d = 1 (A) = 220 (V) sau: ác IC , bộ A o biến áp ng pha U đại thuật Thiết )(213 Ω= ùng loại 1 tạo xung xung hoạt 3_2 =12V;I toán kế nguồ 001có tha răng,điện động:U _2 3_2 =0,1A 781 79 C1 C1' n mạ m m số. áp lấy ra đ 2 =10V;I _2 2 12 C2 C2' ột ể làm 2 =1A C3 C3' +E Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 45 - Công suất cấp cho các khối là rất nhỏ ,thông thường ta chọn thông số của các biến áp của các khối như sau Khâu ổn áp:U 1_2 =17V;I 1_2 =0,5A Khâu nguồn công suất :U 2_2 =10V;I 2_2 =1A Khâu đồng pha:U 3_2 =12V– 0 – 12V;I 3_2 =0,1A Chọn C1 = C1’ = C2 = C2’= 1000 Fμ - 35V C3 = C3’ = 0,1 Fμ C4 = 1000 Fμ - 16V * Công suất của khâu ổn áp là:S 1_2 = 3 U 1_2 .I 1_2 = 3 .17.0,5=14,7(VA) Khâu nguồn công suất :U 2_2 =10V;I 2_2 =1A * Công suất của nguồn ổn áp là:S 2_2 = 3 U 2_2 .I 2_2 = 3 .10.1=17,32(VA) Khâu đồng pha:U 3_2 =12V;I 3_2 =0,1A * Công suất của nguồn đồng pha là:S 3_2 =3U 3_2 .I 3_2 =3.12.0,1=3,6(VA) Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 46 - * Tổng công suất của cả ba khâu là: S= S 1_2 +S 2_2 + S 3_2 =14,7+17,32+3,6=35,62(VA) Tra bảng ứng với công suất chuẩn là 40W ta được kích thước của lõi thép là: a= 20mm h= 50mm c=20mm L=70mm H=70mm B=12mm Q= 3,4cm 2 Số von/vòng là: N=4,44.B.f.Q=4,44.1.50.3,4.10 4− =0,0755(von/vòng) Số vòng cuộn thứ cấp biến áp của khối ổn áp : W 1_2 = 2250755,0 171_2 == N U (vòng) Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm 2 .Thiết diện dây thứ cấp là: Q 1_2 = 21_2 25,02 5,0 mm J I == Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q 1_2 =0,255 tương ứng với đường kính d 1_2 =0,57mm Số vòng cuộn thứ cấp biến áp của khối công suất : W 2_2 = 1320755,0 102_2 == N U (vòng) Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm 2 .Thiết diện dây thứ cấp là: Q 2_2 = 21_2 5,02 1 mm J I == Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q 2_2 =0,502 tương ứng với đường kính d 2_2 =0,8mm Số vòng cuộn thứ cấp biến áp khối đồng pha : W 3_2 = 1580755,0 123_2 == N U (vòng) Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm 2 .Thiết diện dây thứ cấp là: Q 3_2 = 23_2 05,02 1,0 mm J I == Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q 2_2 =0,0573 tương ứng với đường kính d 2_2 =0,27mm Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 47 - Tính toán phía sơ cấp biến áp Dòng điện sơ cấp trong máy biến áp là: I1=S/ 3 .U1= 35,62/ 3 .380=0,0524(A) Số vòng cuộn sơ cấp biến áp : W1 = 503410.4,3.1.50.44,4 380 ...44,4 4 1 == −QBf U (vòng) Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm 2 .Thiết diện dây sơ cấp là: S1 = 21 0262,02 0524,0 mm J I == Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: S1 =0,0314 tương ứng với đường kính d1 =0,2mm 7.Khâu tạo điện áp điều khiển Sơ đồ khâu phản hồi Nguyên tắc hoạt động của khâu phản hồi: Lấy điện áp phản hồi của nguồn mạ thông qua điện trở Sun ,vì điện áp này nhỏ nên ta cho qua một bộ khuyếch đại để được điện áp có độ lớn thích hợp trước khi cho vào khâu PI.Trong phần trước ta chọn loại Sun 2000A-60mV, dòng mạ của nguồn lớn nhất là 1500Anên điện áp trên Sun vào khoảng 40-50mV.Ta chọn điện áp phản hồi(đầu ra của khâu khuyếch đại trên) vào khoảng vài von thì hệ số khuyếch đại của OA vào khoảng một vài trăm lần tuỳ theo giá trị của điện áp đặt.Sau đó điện áp phản hồi được đưa qua khâu PI để loại bỏ các sóng nhiễu có tần số cao làm cho mạch tăng tính ổn định.Điện áp ra khỏi khối PI ta gọi là điện áp phản hồi Uph.Tiếp theo điện áp phản hồi được đưa vào bộ cộng (đảo) với điện áp mà ta đặt cho nguồn mạ làm việc ,điện áp này ta gọi là điện áp đặt Uđ.Tín hiệu +E -E R R R R +E VR3R9 +E -E C2 R11 +E R10 Rs R R + -E - R12 Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 48 - ra của khâu cộng này chính là tín hiệu điều khiển được đưa vào so sánh với tín hiệu đồng pha để phát ra xung điều khiển mở các van,ta gọi là điện áp 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 α giảm --> 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 α ,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. 8. Khâu bảo vệ ngắn mạch Sơ đồ khâu bảo vệ ngắn mạch Nguyên tắc hoạt động của khâu bảo vệ ngắn mạch : Đầu không đảo của khuyếch đại thuật toán được nối với đầu ra của khuyếch đại phản hồi. Đầu vào đảo ta đặt một điện áp chuẩn gần bằng điện áp khi có ngắn mạch xảy ra tại đầu ra của khuyếch đại phản hồi. Khi mạch lực làm việc bình thường (không có ngắn mạch xảy ra) thì V+ < V- nên đầu ra của khuyếch đại thuật toán âm, vì vậy T5 khoá dẫn đến T6 cũng khoá cuộn hút RL không có điện nên tiếp điểm RL trong mạch lực đóng, mạch lực hoạt đông bình thường. Khi có ngắn mạch xảy ra V+ > V- nên đầu ra của khuyếch đại thuật toán dương, vì vậy T5,T6 mở làm cho cuộn hút có điện, đóng tiếp điểm Rl ở khâu bảo vệ ngắn mạch lại làm cho đèn led sáng báo hiệu xảy ra ngắn mạch, đồng thời ngắt tiếp điểm Rl ở mạch lực ra cắt nguồn điện mạ. -E R16 VR4 -E T6 RL T7 D R +E R +E Up Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 49 - Kết luận Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 50 - Qua quá trình làm đồ án em đã cố gắng nghiên cứu và tìm hiểu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo và sự giúp đỡ của các bạn cùng nhóm, chúng em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 20 tháng 6 năm 2004 Sinh viên: Cao Chiến Thắng Cao Chiến Thắng Thiết kế nguồn mạ một chiều Đại học Bách Khoa Hà Nội - 51 - Tài liệu tham khảo : 1. Giáo trình điện tử công suất – Trần Trọng Minh. Nhà xuất bản giáo dục. 2.Điện tử công suất – Nguyễn Bính. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 3. Mạ điện – Nguyễn Khương . Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 4. Bài giảng điện tử công suất của thầy Phạm Quốc Hải. 5. Thiết kế máy biến áp – Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh.