Đề tài Thiết kế nguồn hàn mạ một chiều

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT Đề tài : THIẾT KẾ NGUỒN HÀN M Ạ MỘT CHIỀU Yêu cầu : Điện áp ra tải : 24V Dòng điện hàn cực đại : 1600A Sinh viên thực hiện : L Ê MINH C Ư ỜNG Lớp : D4LT-CNTD Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Quốc Dũng. LỜI NÓI ĐẦU Mạ kim loại ra đời và phát triển hàng trăm năm nay.Ngày nay mạ kim loại đã trở thành một ngành kỹ thuật phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các nước trên thế giới, phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống văn minh con người. Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phương tiện sản xuất, giao thông vận tải, khai thác mỏ địa chất,thông tin liên lạc, kỹ thuật điện tử, cơ khí chính xác, thiết bị y tế, trang trí bao bì .. Vậy mạ điện là gì ? Một cách đơn giản nhất có thể hiểu mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hoá ... đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật mong muốn. Mạ kim loại không chỉ làm mục đích bảo vệ khỏi bị ăn mòn mà còn có tác dụn trang trí, làm tăng vẻ đẹp, sức hấp dẫn cho các dụmh cụ máy móc và đồ trang sức… Ngày nay không riêng gì ở nước phát triển mà ngay trong nước ta kỹ thuật mạ đã có nhưng bước phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất cung như trong kinh doanh Kỹ thuật mạ đòi hỏi phải không ngừng phát triển nghiên cứu cảI tiến kỹ thuật ,máy móc chuyên dùng thiết bị dây chuyền sản xuất đồng bộ tự động hoá với độ tin cậy cao. Điều này sẽ giúp nâng cao chất lượng mạ và hạ giá thành sản phẩm, chống ô nhiễm môi trường. Để có một lớp mạ tốt ngoài những yếu tố khác thì nguồn điện dùng để mạ là rất quan trọng. Đối với sinh viên tự động hóa, môn học điện tử công suất là một môn rất quan trọng. Với sự giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô trong khoa em đã tưng bước tiếp cận môn học. Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ áp dụng vào thực tế, ở học kỳ này em được các thầy giao cho đồ án môn học với đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều. Đây là một đề tài có quy mô và ứng dụng thực tế. Do lần đầu làm đồ án điện tử công suất kinh nghiệm chưa có lên em không tránh khỏi những sai sót mong các thầy giúp đỡ. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn ! CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẠ ĐIỆN Lịch sử của công nghệ mạ điện. Ngành mạ điện được nhà hóa học ý Luigi V. Brugnatelli khai sinh vào năm 1805. Ông đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp Alessandro Volta, pin Volta để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên. Phát minh của ông không có ứng dụng trong công nghiệp trong suốt 30 năm và chỉ được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm. Năm 1839, hai nhà hóa học Anh và Nga khác độc lập nghiên cứu quá trình mạ kim loại đồng cho những nút bản in. Ngay sau đó, John Wright, Birmingham, Anh sử dụng Kali Xyanua cho dung dịch mạ vàng, bạc. Vào thời kì này, đó là dung dịch duy nhất có khả năng cho lớp mạ kim loại quý rất đẹp. Tiếp bước Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sáng chế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840. Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện tại Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới. Cùng với sự phát triển của khoa học điện hóa, cơ chế điện kết tủa lên bề mặt kim loại ngày càng được nghiên cứu và sáng tỏ. Kĩ thuật mạ điện phi trang trí cũng được phát triển. Lớp mạ kền, đồng, kẽm, thiếc thương mại chất lượng tốt đã trở nên phổ biến từ những năm 1850. Kể từ khi máy phát điện được phát minh từ cuối thế kỉ 19, ngành công nghiệp mạ điện đã bước sang một kỉ nguyên mới. Mật độ dòng điện tăng lên, năng suất lao động tăng, quá trình mạ được tự động hóa từ một phần đến hoàn toàn. Những dung dịch cùng với các phụ gia mới làm cho lớp mạ đạt chất lượng tốt hơn. Các lớp mạ được nghiên cứu phát triển để thỏa mãn cả yêu cầu chống ăn mòn lẫn trang trí, làm đẹp... Kể từ sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta còn nghiên cứu thành công kĩ thuật mạ crom cứng, mạ đa lớp, mạ đồng hợp kim. mạ kền sunfamat... Nhà vật lí Mỹ Richard Feynman đã nghiên cứu thành công công nghệ mạ lên nền nhựa. Hiện nay công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi. Kĩ thuật mạ hiện là một trong ba quá trình trong chu trình LIGA - được sử dụng trong sản xuất robot điện tử siêu nhỏ (MEMS). 1.2. Công nghệ mạ a. Khái niệm về mạ điện. Mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, lý, hóa,…Đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật mong muốn. Mạ điện là quá trình tự điện phân.Quá trình điện cực tổng quát như sau: Trên anot xảy ra quá trình hòa tan kim loại: M – ne Mn+ Trên catot cation giải phóng điện tử tạo thành nguyên tử kim loại mạ: Mn+ + ne M Điện thế bể mạ phụ thuộc vào diện thế hai cực anot,catot và vào khoảng cách giữa hai cực, vào độ dẫn điện của dung dịch mạ,vào mật độ dòng điện. Cường độ dòng điện: trên catot hay trên anot là tỷ số giữa cường độ dòng điện I với diện tích S của nó,cũng tức là dòng điện trên một đơn vị bề mặt. b. Bản chất và yêu cầu Bản chất trong mạ điện yếu tố quan trọng nhất là chất lượng mạ vì vậy phải tìm thành phần dung dịch,điều kiện điện phân để đảm bảo lớp mạ có tính chất: bám chắc vào kim loại nền không bong,lớp mạ có kết tinh nhỏ mịn độ xốp nhỏ và có đủ độ dày nhất định. Cấu tạo tinh thể giữ vai trò quyết định đến chất lượng mạ ,tinh thể càng nhỏ mịn thì lớp mạ càng tốt. c. Phân loại. Căn cứ vào mục đích sử dụng lớp mạ điện mà người ta chia ra thành các nhóm như sau: Mạ có giá trị trang sức như mạ vàng, mạ bạc. Mạ kỹ thuật tăng độ cứng,độ dẫn điện cao như mạ đồng mạ niken,mạ crom cứng,mạ sắt… Mạ vừa bảo vệ vừa trang trí như mạ vàng,mạ hợp kim kẽm… d. Cấu trúc bể mạ Sơ đồ công nghệ mạ như sau: Trong đó có: 1.Nguồn một chiều như:pin, ăc quy, máy phát điện một chiều,bộ biến đổi..để cung cấp dòng điện một chiều cho bể mạ 2.Anot : là điện cực nối với cực dương của nguồn,anot dùng trong mạ có hai loại: anot hòa tan đó là khi có dòng điện đi qua kim loại hòa tan do sự phân cực chuyển về phía cực dương.Ví dụ nhúng hai cực vào dung dịch đồng sunfat có: Cu – 2e Cu2+ 4OH - 4e 2H2 O + O2 2SO4- +2H2 O- 4e2H2 O4 +O2 Anot không hòa tan xảy ra các phản ứng phức tạp và để đảm bảo việc thông mạ điện qua bể mạ còn ion kim loại mạ phải định kỳ bổ xung dưới dạng hóa chất để giữ ổn định nồng độ cho bể mạ. 3.Catot: là cực được nối với cực âm của nguồn.Trên catot các cation chảy về cực dương của nguồn và nhận ion dương từ phía anot chảy sang tạo thành lớp mạ Mn+ + ne M 4.Dung dịch điện phân: dung dịch điện phân giữ một vai trò quyết định về năng lực mạ như tốc độ mạ,chiều dày mạ, mặt hàng mạ và chất lượng mạ.Dung dịch điện phân được áp dụng rộng rãi trong công nghệ mạ như axit,bazo,muối khi hoa tan trong dung dịch và các chất phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp mạ chất lượng và tính chất như mong muốn. Dung dịch axit có cấu tử chính là các muối của axit vô cơ hòa tan nhiều trong nước phân ly thành các ion tự do H+ và gốc kim loại ví dụ như HCl = H+ +Cl+.Dung dịch axit thường dùng để mạ với tốc độ mạ cao và cho vật có hình thù đơn giản. Dung dịch bazo phân ly thành ion kim loại và gốc axit. Dung dịch muối phức:ion phức tạo thành ngay sau khi pha chế dung dịch.Ion kim loại mạ là ion kim loại là ion trung tâm trong nội cầu phức.dung dịch phức thường dùng trong trường hợp có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dáng phức tạp. Chất phụ gia được cho vào bể mạ với nồng độ tương đối thấp nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và cấu trúc của kết tủa catot. Lựa chọn chất nào và cách thức sử dụng ra sao, phần lớn là dựa vào kinh nghiệm. Một phụ gia có thể ảnh hưởng đến nhiều tính chất của lớp mạ nhưng dung dịch thường dùng đồng thời nhiều phụ gia vì cần đến tác dụng tổng hợp của chúng. Các chất phụ gia này thường được phân loại thành các loại sau: Chất bóng: Chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn và có thể làm lẫn lộn vào lớp mạ khá nhiều. Chúng cho lớp mạ nhẵn, mịn và có thể làm thay đổi quá trình tạo mầm Chất san bằng: các chất này cho phép mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá rộng. Nguyên nhân là do chúng hấp thụ lên các điểm có tốc độ mạ lớn và làm giảm tốc độ ở đó xuống. Biến đổi cấu trúc: Các phụ gia làm biến đổi cấu trúc của lớp mạ và thậm chí có thể ưu tiên sinh ra kiểu mạng tinh thể nào đó. Một số chất được dùng để tạo ra chất đặc biệt cho lớp mạ, nên dược gọi là chất làm giảm ứng suất (ứng suất là do mạng tinh thể bị xô lệch). Chất thấm ướt: Chất này được cho vào bể mạ để thúc đẩy các bọt khí. Nhất là khí hydro sinh ra từ phản ứng phụ, sẽ gây ra rỗ và giòn của lớp mạ (hydro do chúng thấm vào kim loại). e. Mật độ dòng điện catot. Lúc đang mạ, thì mật độ dòng điện giữ vai trò rất quan trọng. Mật độ dòng điện rất thấp để cho tốc độ chuyển đổi điện tử trong các phản ứng cực nhỏ. Các nguyên tử mới hình thành có đủ thời gian gia nhập có trật tự vào mạng tinh thể, vì vậy mạng lưới tinh thể và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi. Khi tăng mật độ dòng điện lên, tốc độ phóng điện tăng nhanh, các nguyên tử kim loại sinh ra ồ ạt, không kịp gia nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể. Mặt khác do quá thế lúc đó lớn nên nhiều mầm tinh thể mới sinh ra. Do vậy mà mạng tinh thể trở nên mất trật tự và được thể hiện ra lớp mạ có nhiều gợn sóng, nhiều lớp. Phóng điện quá nhanh làm cho ion kim loại gần catot quá nghèo, quá trình điện cực lâm vào tình trạng chi phối bởi sự khuếch tán, những điểm lồi, mũi nhọn được ion kim loại chuyển đến dễ dàng hơn, đồng thời điện thế từ điểm này đến anot lại bé hơn, nên tại đó sẽ ưu tiên phóng điện, kết quả là kết tủa sẽ sần sùi hoặc có dạng hình nhánh cây. Nếu tiếp tục tăng mật độ dòng điện lên đến nỗi khuếch tán ion hoàn toàn, không kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được sẽ là bột kim loại. Yêu cầu của lớp mạ là không được phép sần sùi, nhám, gợn sóng. Để lớp mạ dạt được yêu cầu buộc phải dùng dải mật độ dòng điện tương đối thấp. Hơn nữa ở mật độ dòng điện thấp kim loại mạ dễ bắt chước lặp lại đúng kiểu mạng lưới tinh thể của kim loại nền. Nên cho độ gắn bám rất cao, lớp mạ nhẵn, đa tinh rất bền. Phần lớn đều dùng nguồn điện một chiều đã nắn phẳng để mạ và giữ dòng điện không đổi vào catot. Dải mật độ dòng điện thích hợp cho lớp mạ tốt thường thấp hơn mật độ dòng điện giới hạn khá nhiều. Do đó đối với một dung dịch nhất định muốn nâng cao tốc độ mạ phải tìm cách nâng cao mật độ dòng điện giới hạn lên Có các cách tăng mật độ dòng điện sau: Tăng nồng độ kim loại, tăng nhiệt độ và tăng chuyển động tương đối giữa catot và dung dịch mạ .Trong đó cách tăng nồng độ kim loại và tăng nhiệt độ không thể tăng bao nhiêu cũng được. Nồng độ không thể cao hơn độ bão hoà được. Ngoài ra dùng nồng độ cao thì mất mát khi thao tác sẽ lớn, tốn nhiều vật tư, hoá chất. Nhiệt độ chỉ nên đến 60 ÷ 70 0c nếu quá lớn sẽ ăn mòn thiết bị do bay hơi, do phá huỷ sẽ lớn tốn nhiều điện năng và thời gian nung nóng. Khuấy là cách tỏ ra hiệu quả nhất. Khuấy để tăng chuyển động tương đối giữa catot và dung dịch nên được phép dùng mật độ dòng điện Dc cao hơn, tốc độ mạ sẽ nhanh hơn, ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực bằng pH và nhiệt độ trong toàn khối dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực Anot thường được làm bằng kim loại cùng loại vơí lớp mạ và chọn sử dụng sao cho nồng độ ion kim loại trong dung dịch luôn thay đổi. Muốn vậy phải làm sao cho hiệu suất dòng điện anot va catot phải bằng nhau trong suốt thời gian phục vụ của anot. Trong sản suất thường phải bảo đảm cho anot không bị thụ động, anot phải luôn dễ tan và tan đều muốn thế diện tích bề mặt anot phải lớn để mật độ dòng anot đủ nhỏ, tức là giữ anot nằm trong vùng điện thế (hoà tan). Hoạt động anot dạng bi, viên dẹp, khuy áo, mảnh nhỏ... luôn nạp đầy trong giỏ trơ bằng titan, cho diện tích anot rất lớn và mật độ dòng điện anot nhỏ luôn luôn không thay đổi. Để đáp ứng được yêu cầu này. Ngoài ra còn dùng chất tạo phức để ngăn cản sự thụ động, ion halogen để tạo các lỗ thủng trên màn oxit. Thụ động làm cho anot tiếp tục được hoà tan, phải khống chế các điều kiện kỹ thuật để anot tan thành các ion có hoá trị mong muốn. Anot phải được chế tạo sao cho khi hoà tan ít tạo thành bùn cặn nhất, ít tạp chất nhất và khó bị rơi rã nhất, các anot được sản suất riêng cho ngành mạ. như các viên ‘nikel carbonyl’, ’S-nikel’,’R-rounds’...cho mạ kền đáp ứng được yêu cầu đó diện tích bề mặt lớn, hoà tan dễ dàng ít bùn cặn. g.Các quy trình của công nghệ mạ Quy trình công nghệ mạ thường gồm các bước sau: 1.Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ đảm bảo độ nhẵn, sạch dầu mỡ, hết gỉ và oxit...Mạ một hay nhiều lớp, đảm bảo đủ chiều dày yêu cầu, lớp mạ tốt.Hoàn thiện như tẩy bóng, nhuộm màu, thụ động, trung hoà, sấy khô và cuối cùng là kiểm tra chất lượng cảm quang, chiều dày, độ gắn bám, độ lỗ Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ như sau:Gia công bề mặt kim loại bằng phương pháp cơ học như mài phá là khâu gia công cơ đầu tiên với mục đích làm sạch gỉ, tạo mặt phẳng. Thường dùng bánh mài, phun bi kim loại hay máy chải.Mài tinh tiến hành tiếp sau khâu mài phá, mục đích làm cho bề mặt phẳng, nhẵn, hết vết xước. Thường dùng bánh mài, phớt mài, vật liệu mài có cỡ hạt mài nhỏ, mịn. Có thể mài tinh một hay nhiều lần với cỡ hạt mài nhỏ dần để đạt được yêu cầu cần thiết. Đánh bóng làm cho bề mặt gia công hay lớp mạ trơ nên bong sáng, phản quang tốt, đánh bóng thường được thực hiện trên các phớt bóng bằng da hay vải bông.Quay trộn, xóc, rung: thường áp dụng cho các vật bé, mảnh và thực hiện trong các thùng quay.Phun cát phun cát lên bề mặt kim loại sẽ làm sạch hết gỉ, chất bẩn, và tạo nhám đều cho bề mặt kim loại.Chải áp dụng cho các vật có ren, nhiều khe, rãnh, lỗ sâu. Bàn chải bằng vật liệu dây thép. 2. Mạ: Mạ có ý nghĩa quyết định đến chất lượng sản phẩm mạ. Căn cứ vào vật liệu nền, vào điều kiện làm việc sau này của vật mạ, vào yêu cầu thẩm mỹ và thời hạn phục vụ của sản phẩm mà quyết định chọn chủng loại lớp mạ. Cần mạ mấy lớp, chiều dày của mỗi lớp. Phương pháp mạ của mỗi lớp và các dung dịch mạ tương ứng. Ta có thể phân loại các lớp mạ như sau:Phân loại theo chức năng,phân loại theo màu sắc và phân loại theo cơ chế bảo vệ. 3. Hoàn thiện: Nhằm góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm.Trong đó tẩy bóng làm cho sản phẩm được bóng sáng hơn.Nhuộm màu nhúng sản phẩm vào dung dịch tương ứng sẽ làm cho sản phẩm có màu sáng trắng hoặc sáng xanh và thụ động để tăng độ bền ăn mòn kim loại nền trong các lỗ thủng, lỗ xốp được thụ động nên lớp mạ được bảo vệ tốt hơn. 1.3. Ưu nhược điểm của công nghệ mạ 1.4. Ứng dụng của mạ điện Mạ điện tạo ra những sản phẩm có độ bền cao nâng cao tính thẩm mĩ phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kĩ thuật sản xuất và đời sống văn minh con người như trong y tế,công nghiệp nhẹ cũng như ứng dụng trong cuộc sống để trang trí. Trong kĩ thuật mạ làm tăng đọ chống ma sát của ổ trục,tăng độ dẫn điện bề mặt,phục hồi các chi tiết bị mài mòn,làm tăng độ cứng cũng như độ bóng của gương như đèn pha.Trong công nghiệp bán dẫn dùng lớp mạ vàng để mạ các tiếp điểm,các linh kiện điện tử.. CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ CÁC PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC 2.1.Phân tích nguồn điện một chiều Như ta đã biết nguồn điện dùng cho công nghệ mạ là nguồn điện một chiều và nguồn điện là một yếu tố rất quan trọng quyết định đến chất lượng mạ thu được.Nếu dòng điện không ổn định sẽ làm cho lớp mạ có nhiều lớp gợn sóng và nhiều khối đá tinh,rỗ làm cho lớp mạ dễ bong,giảm vẻ đẹp và độ bền ăn mòn lớp mạ.Ta có các nguồn điện một chiều thường dùng là:ắc quy,máy phát điện một chiều và bộ biến đổi. a.Ắc quy Trong công nghệ mạ ắc quy chỉ được sử dụng trong thí nghiệm hay quy mô sản nhỏ.Do hạn chế về lượng điện tích nên ắc quy chỉ dùng để mạ các chi tiết nhỏ.Khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng được b.Máy phát điện một chiều. Máy phát điện một chiều nó có hiệu quả khi được sử dụng ở những nơi xa xô,hẻo lánh khi không có điện lưới quốc gia như dùng để hàn chạy các động cơ một chiều ở những công trình xây dựng như cầu đường,cống đập…xa lưới điện quốc gia,hay chi thi công trong một thời gian ngắn. Mà muốn chạy máy phát điện phải có động cơ sơ cấp để kéo máy phát điện.Với việc dùng các chổi than để kích từ nó phát sinh tia lửa điện cho nên máy phát điện làm việc ít tin cậy và tốn kém,việc tự động hóa khó khăn sửa chữa vận hành bảo quản cũng phức tạp. Chính vì vậy máy phát điện cũng không đáp ứng được yêu cầu của công nghệ mạ. c.Bộ biến đổi. Hiện nay hầu hết nguồn một chiều dùng cho sản xuất,sinh hoạt được tạo ra bằng cách chỉnh lưu xoay chiều bằng các linh kiện bán dẫn. Nhược điểm của nó là phức tạp chủ yếu là mạch điều khiển để mở van và khi vận hành nó phải có hiểu biết ở mức độ nào đó.Nhưng nó lại có tính ưu việt hơn hẳn so với các nguồn một chiều khác là : thiết bị gọn nhẹ,tác động nhanh,hiệu suất cao,điều chỉnh liên tục ,có thể đảo chiều,dễ tự động hóa tạo ra dòng lớn bất kỳ… So sánh ưu nhược điểm của các loại nguồn một chiều trên ta thấy việc điều chỉnh dòng xoay chiều thành dòng một chiều bằng các linh kiện bán dẫn là thích hợp nhất cho tải cần có dòng liên tục và ổn định. 2.2.Phân tích bộ biến đổi. Bộ biến đổi là phương án đáp ứng được yêu cầu của đồ án thiết kế nguồn điện có điện áp một chiều là 6v và dòng là 1450A. Tải mạ điện thuộc laoij R-C-E.Tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ do đó hằng số thời gian nạp xả tụ rất nhỏ.Nên có thể coi ảnh hưởng của tải là không đáng kể.Sức điện động E trong bể mạ thường nhỏ nên ta cũng có thể bỏ qua,nên tải mạ chỉ còn điện trở.Bộ biến đổi có rất nhiều mạch chỉnh lưu theo yêu cầu của đề tài ta phân tích các mạch chỉnh lưu sau:Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng ,chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng, chỉnh lưu hình tia ba pha a.Chỉnh lưu cầu một pha đối xứng Sơ đồ nguyên lý và dạng điện (hình bên) Nguyên lý hoạt động. Trong nửa chu kỳ đầu điện áp anod của Tiristor T1 dương lúc này điện áp catod của T1 âm,ta phát xung mở hai Tiristor T1 và T2 đồng thời thì các van này sẽ được mở thông, T1 và T2 dẫn dòng từ α1 ÷ π nhưng vì tải có tính cảm nên hai van này vẫn dẫn dòng cho đến khi cuộn dây xả hết năng lượng thì hai Tiristor này bắt đầu chuyển trạng thái từ mở sang khóa. Đến nửa chu kì sau điện áp đổi dấu anod của T3 dương,catod của T4 mang dấu âm,ta phát xung mở cả hai van này thì các van này sẽ được mở thông để đặt điện áp một chiều lên tải có chiều cùng chiều với nửa chu kỳ trước. U~ (-) T1 T4 T3 T2 Ld Rd + - (+) id Hình 2.1: Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển cầu một pha Các thông số cơ bản: Điện áp trung bình đặt lên tải : Ud = Dòng trung bình qua tải : Id = Dòng trung bình chạy qua tiristor: IT = Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Ungmax = U2 Công suất một chiều trên tải: Pd = Ud.Id Công suất máy biến áp: SBA=1,23Pd Nhận xét:dòng điện và điện áp ra có độ bằng phẳng cao dòng trung bình qua van nhỏ điện UA UB UC a1 a2 a3 a4 a5 0 u P 2P P/3 2P/3 t t t t t 0 0 0 0 Id IT1 IT2 IT3 id iT1 iT2 iT3 Hình 2.2: sơ đồ nguyên và dạng điện áp Ud ngược nhỏ,không dùng cho tải có công suất lớn điện áp nhỏ dưới 10V và có dòng lớn,tổn thất trên van lớn b.Chỉnh lưu hình tia ba pha Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp: Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Nguyên tắc mở thông và điều khiển các van ở đây là khi adod của van nào dương hơn thì van đó được kích mở.Thời điểm hai điện áp của hai pha giao nhau được coi là góc thông tự nhiên của các van bán dẫn. Các Tiristor chỉ được mở thông với góc mở nhỏ nhất tại thời điểm góc thông tự nhiên (như vậy chỉnh lưu ba pha góc mở nhỏ nhất a=o0 sẽ dịch pha so với điện áp pha một góc là 30o). Theo hình vẽ trên thì điện áp tải liên tục hơn như vậy mổi van dẫn thông trong 1/3 chu kì, nếu điện áp tải gián đọan thì thời gian dẫn thông của các van sẽ nhỏ hơn, tuy nhiên trong cả hai trường hợp thì dòng điện trung bình của các van đều bằng 1/3.Id .Điện áp của van phải chịu bằng điện áp dây giữa pha có van khóa với pha có van đang dẫn, ví dụ như trong khoảng a1¸a2 T1 đang dẫn T3 đang khóa cho nên T3 phải chịu áp dây UCA. Các thông số cơ bản: Điện áp trung bình đặt lên tải : Ud = Dòng trung bình qua tải : Id = Dòng trung bình chạy qua tiristor: IT = Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Ungmax = 2,45U2 Công suất một chiều trên tải: Pd = Ud.Id Công suất máy biến áp: SBA=1,35Pd Nhận xét: sơ đồ chỉnh lưu hình tia ba pha điều khiển mở van dễ,dễ chọn van cho tải có yêu cầu điện áp thấp và dòng lớn,sụt áp trên van nhỏ công suất tiêu thụ của van nhỏ điện áp ra có độ đập mạch lớn nên xuất hiện nhiều thành phần sóng điều hòa bậc cao,hiệu suất máy biến áp không cao C.chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp Hình 2.3.1: Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp Nguyên lý hoạt động của sơ đồ Các Tiristor được dẫn thông từ thời điểm có xung mở cho đến khi mở Tiristor của pha kế tiếp. Trong trường hợp điện áp tải gián đoạn Tiristor được dẫn từ thời điểm có xung mở đến khi điện áp đổi dấu. Các diod tự động dẫn thông khi điện áp đặt lên nó thuận chiều. Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng có dòng điện và điện áp tải liên tục khi góc mở van bán dẫn nhỏ hơn 600, hay khi góc mở tăng lên và thành phần điện cảm của tải nhỏ thì điện áp của tải sẽ bị gián đoạn. Khi điện áp tải liên tục: Theo dạng sóng điện áp tải ở trên trị số điện áp trung bình trên tải bằng 0 khi góc mở đạt tới 1800. Điện áp trung bình trên tải là tổng của hai điện áp chỉnh lưu tia ba pha. Việc kích mở các van điều khiển của chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng dễ dàng hơn, nhưng các sóng điều hòa bậc cao của tải và của nguồn lớn. U U t t Uf Ud 0 0 a1 2P P a2 a3 a4 a5 3P 4P 0 0 0 0 0 0 t t t t t t i i i i i i IT1 IT3 IT5 D1 D2 D3 Hình 2.3.2: Dạng sóng ra của chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng Dạng điện áp của sơ đồ(hình 2.3.2). Các thông số cơ bản Điện áp trung bình đặt lên tải : Ud ==2,34U2 Dòng trung bình qua tải : Id = Dòng trung bình chạy qua tiristor: IT Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van: Ungmax = 2,45U2 Công suất một chiều trên tải: Pd = Ud.Id Công suất máy biến áp: SBA=1,35Pd Nhận xét: Trong sơ đồ này việc điều khiển các van bán dẫn được thực hiện dễ dàng. Ta có thể coi mạch điều khiển của bộ chỉnh lưu này như một chỉnh lưu tia ba pha. Chỉnh lưu cầu ba pha hiện nay là sơ đồ có chất lượng điện áp tốt nhất, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất. Tuy vậy nó cũng là sơ đồ phức tạp nhất. Kết luận : Qua phân tích các phương pháp chỉnh lưu ta thấy sơ đồ nào cũng có những ưu điểm và nhược điểm.Theo yêu cầu của đồ án được giao,thiết bị chế tạo không cần đảo chiều dòng tải và có dòng điện mạ I=1600A,điện áp mạ U=24V ta chọn sơ đồ cầu ba pha không đối xứng là thích hợp với nguồn mạ. Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC 3.1.Sơ đồ mạch lực. Hình 3.1.sơ đồ mạch lực Mạch lực gồm các phần tử sau: ATM áp tomat làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn cho máy biến áp có bảo vệ quá tải và ngắn mạc MBA là máy biến áp có nhiệm vụ biến đổi điện áp lưới thành điện áp phù hợp cấp cho bộ chỉnh lưu T1 ;T2 T3 D1, D2,D3 là bộ chỉnh lưu dùng để điều chỉnh điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều. CKL là cuộn kháng lọc dùng để san phang điện áp. RC mắc song song với tiristor và diod để bảo vệ tốc độ tăng áp cho van do quá trình đóng cắt van. 3.2.Tính máy biến áp lực Điện áp chỉnh lưu không tải :Udo= Ud+UV+Uba+Uck Trong đó : Ud = 24 (V) là điện áp chỉnh lưu,UV là sụt áp trên van tiristor và diode, UV =UT +∆U . Với ∆U= 2,5 (V): sụt áp trên Tiristor,UD =1,1 (V) : sụt áp trên Diode Ta có UV = 2,5 +1,1 = 3,6 V Uba = 6%.Ud = 1,44 (V) là sụt áp bên trong biến áp. Uck = 4%.Ud (V)= 0,96 (V) là sụt áp trên cuộn kháng Vậy : Udo= Ud+UV+Uba+Uck = 24 + 3,6 +1,44 + 0,96= 30 (V) Công suất tác dụng của tải: Pdmax =Udo.Id = 30.1600 =48000 (w) Công suất biểu kiến máy biến áp nguồn: Sba = ks.Pdmax =1,05.48000=50400 (VA) Trong đó: ks = 1,05 là hệ số công suất (chọn theo sơ đồ mạch động lực, tra bảng 2 trang 20 TLTKĐTCS). Điện áp thứ cấp của máy biến áp: Chọn góc α = 300 từ công thức chỉnh lưu cầu ba pha Udo =2,34 U2 Suy ra: U== = 13,6 (V). Chọn U= 14 (V) Tỷ số máy biến áp: k== ≈ 27 Giá trị dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp máy biến áp là: I2 = 0,816.Id = 0,816.1600 =1305,6 A Dòng chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp là I1 = = = 48 (A) Tính toán mạch từ máy biến áp: Tiết diện trụ của máy biến áp được tính theo công thức Q =K Trong đó: KQ là hệ số phụ thuộc KQ = 4÷ 6 chọn KQ = 6;m là số pha máy biến áp m=3, f là tần số của dòng điện xoay chiều, S là công suất biểu kiến máy biến áp S = S = 50400 (VA) Vậy Q = 6 110 cm2 Để đảm bảo cho kích thước của máy biến áp được phù hợp đảm bảo yêu cầu của công nghệ ta chọn chiều dài a và chiều dày b của mạch từ như sau a = 1,25b chiều cao của trụ theo tỷ lệ m = h/a = 2.5 , n = c/a = 0,5 Tiết diện của mạch từ còn được tính theo công thức Q = a.b = 110 cm2 . Vậy chọn a = 11 cm, b =10 cm Suy ra h = 2,5.a = 2,5.11 = 27,5 cm, c = 0,5.10 = 5 cm Chọn lõi thép 330 các lá thép có bề dày 0,35 (mm) Chiều rộng toàn mạch từ là C= 2c +2a =2.5+ 2.11 = 32 cm Chiều cao mạch từ là H = h + h/m = 27,5+ 27,5/2,5 = 38,5 cm Tính toán dây quấn máy biến áp Ta có số vôn/số vòng là V/vòng =4,44.B.Q.f.10-4 Trong đó B là mật đọ từ cảm B = 1T; Q là tiết diện trụ;f là tần số dòng điện xoay chiều vậy V/vòng = 4,44.1.110.50.10-4 = 2,442(V/vòng) Số vòng dây sơ cấp là W1= = 155,6 (Vòng) Số vòng dây thứ cấp là W2 = = = 12,3 (Vòng) Chọn sơ bộ mật độ dòng điện: J=2,75 (A/mm2) Tiết diện dây dẫn sơ cấp S = = = 17,5 (mm2) Chọn tiết diện dây dẫn hình chữ nhật, cách điện cấp B Chuẩn hóa tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 18 (mm2) Có các thông số sau a1 = 2 (mm) bề dày của dây dẫn kể cả cách điện ;b1 = 9 (mm) bề rộng của dây dẫn kể cả cách điện. Tiết diện dây dẫn thứ cấp:S2 = = = 475 (mm). Với S2 =475 (mm2) ta chọn dây dẫn 8 sợi chập 1. tra bảng 4 TLTKĐTCS. Chọn dây dẫn hình chữ nhật, cách điện cấp B. có kích thước sau 8 x (6mm x 10mm ) 3.3.Tính chọn van và bảo vệ Chế độ làm việc của các van rất khắc nhiệt rất nhạy cảm với nhiệt độ.Nhiệt độ của van tăng lên do công suất rổn hao trên van gây ra khi nhiệt đọ của van cao hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh,nhiệt lượng được truyền vào môi trường,Nếu nhiết độ của van vượt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van vì vậy làm mát van là một ván đề rất quan trọng.Thông thường van được gắn thêm một cánh tản nhiệt với thông số phù hợp.Các biện pháp làm mát van thường gặp là : Làm mát tự nhiên chỉ dựa vào đối lưu không khí xung quanh van hiêuh suất làm việc cuả van là 25% Làm mát bằng cưỡng bức tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van để đẩy nhanh qua trình truyền nhiệt của van vào không khí ,hiệu suất làm việc của van là 35% Làm mát bằng nước van được gắn trên một tấm đồng rỗng cho nước chảy qua.Đây là biện pháp làm mát hiêụ quả hiệu suất làm việc của van đạt đến giá trị 90% nhưng hệ thốn 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 cộng với yêu cầu của chế độ làm việc của van theo yêu cầu của đồ án ta chọn phương pháp làm mát cưỡng bức là có cánh tỏa nhiệt, có đầy đủ diện tích tỏa nhiệt. với hiệu suất làm việc của van là 35% Tính chọn van Chọn van Tiristor Ta có Iv = = = 533,3 (A). Điện áp ngược U= 2,45.U = 2,45.24 =58,8 (V). Dòng điện định mức van cần có là I = I.K.%= 533,3.1,2.= 1828(A) Điện áp định mức van cần là U=U.K =58,8 . 1,8 = 105,84(V) Vậy điều kiện để chọn van là :U = 105,84 (V) ; I = 1828 (A) Từ đó ta chọn van Tiristor loại S730C08L0 Điện áp ngược cực đại là Unv= 800 (V) Dòng điện làm việc cực đại Iđm = 2000 (A) Dòng điện đỉnh cực đại Ipik = 15000 (A) Dòng điện xung điều khiển Iđk = 200 (mA) Điện áp xung điều khiển Uđk = 3 (V) Dòng điện thử cực đại Ith = 600 (mA) Dòng điện rò Ir = 50 (mA) Sụt áp của tiristor ở trạng thái dẫn UV =2 (V) Đạo hàm điện áp du/dt =500 s Nhiệt độ làm việc cực đại Tmax = 125oC Thời gian chuyển mạch tx = 35 (ms) Chọn Diod Tra bảng 4 TLTKĐTCS Ta chọn 3 diod loại : NLA430A : Có các thông số sau: Dòng điện làm việc cực đại Imax= 2000 (A) Điện áp ngược cực đại Un = 100 (V) Dòng điện đỉnh cực đại Ipik = 10000 (A) Tổn hao điện áp ở trạng thái dẫn UV = 1,42 (V) Dòng điện thử cực đại Ith = 3100 (A) Dòng điện rò ở nhiệt độ 250C Ir = 50 (mA) Nhiệt độ làm việc cho phép T = 200 oC Tính chọn cuộn kháng lọc Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho điện áp tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều. Mặt khác đây là laọi tải mạ điện, chất lượng dòng điện một chiều rất ảnh hưởng đến chất lượng của lớp mạ. Nên chúng ta cần phải hạn chế dòng điện đập mạch Trị số điện cảm của cuộn kháng lọc L= (1) Với : LL : trị số điện cảm lọc đập mạch cần thiết Iđm = 1450 (A) : dòng điện lớn nhất theo yêu cầu. : tần số góc. k = 1,2,3… hệ số sóng hài . Chọn k = 1. m = 6 : số lần đập mạch trong 1 chu kỳ. Đối với Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha không đối xứng. Udmax = biên độ thành phần sóng hài cực đại của điện áp chỉnh lưu. Tính Udmax: Với : Udo = 10,2 (V) : điện áp chỉnh lưu cực đại. Theo bảng 1 trang 18 TLTKĐTCS ta có: Udmin= -1 = -0,755 U= = 3,25V Thay các giá trị vào (1) ta được: Trong đó :Chọn I*% = 5% giá trị hiệu dụng của dòng điện sóng hài cơ bản. Chọn theo TLTKĐTCS trang 37 Trị số điều cảm của cuộn kháng cần mắc thêm: LCKL = Ll –LBA - Ld = 0,076 -0,013 = 0,063(mH) Trong đó : LBA = 0,013 (Mh) - điện cảm của máy biến áp ;Ld = 0 :điện cảm của đầu nối. Tổng trở cuộn kháng: Thông thường dây quấn của cuộn kháng có tiết diện khá lớn nên thuần trở của cuộn kháng nhỏ. Nên ta có thể bỏ qua. ZCKL = XCKL = .LCKL = 0,1187 Trong đó : Tần số góc sau chỉnh lưu Trong đó : Chọn: Điện áp rơi trên cuộn kháng.UCKL = ZCKL .I0(1) = 80.0,1187 = 9,496V I0(1) là thành phần dòng điện xoay chiều cho phép của sóng hài bậc 1(Theo TLTKĐTCS trang 40) I~(1)<10%Iđm Công suất cuộn kháng lọc P = 9,496 . 80=759,68 (w) Tính tổn thất lớn nhất trên 1 tiristor P=2.1828= 3656 (w) Trong đó: Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C. Nhiệt cho phép của Tiristor Tcp = 1250C Chọn nhiệt độ trên cánh tỏa nhiệt là Tlv = 800C Độ chênh nhiệt so với môi trường. Diện tích bề mặt tỏa nhiệt của Tiristor. S= = = 114250 (cm2) Trong đó: Chọn: : Hệ số tỏa nhiệt bằng đối lưu và bức xạ Chọn cánh tản nhiệt cho tirirtor Vì diện tích cánh tản nhiệt khá lớn. Nên ta chọn 2 bộ cánh tản nhiệt cho mỗi Tiristor. Mỗi bộ cánh tản nhiệt có diện tích:S= S/2 = = 57125 (cm2) S1 S3 S4 S7 S5 S6 S8 S2 m n a h b c Chọn kích thước cánh tản nhiệt để đảm bả tản nhiệt cho Tiristor như sau: Chọn 16 cánh tản nhiệt a = 50 (cm) b = 53 (cm) c = 1,5(cm) h = 45 (cm) m = 1,3 (cm) n = 0,5(cm) Hình 3.2. sơ đồ cánh tản nhiệt cho Tiristor Các diện tích tiếp xúc với bề mặt không khí : S1 = a.b = 50.53 = 2650 (cm2) S2 = 2.a.h =2.50.35 = 3500(cm2) S3 = 2.b.c = 2.53.1,5 = 159(cm2) S4 = (b- (16.n + 14.m)).a = (53-(16.0,5 +14.1,3)).50 =1490 (cm2) S5 = 15.2.(h-c).a = 30.(35-1,5).50 =50250(cm2) S6 = 14.m.a = 14.50.1.3 =910(cm2) S7 = 16.2.(h-c).n =32.(35 – 1,5).0,5 = 536(cm2) Sg.=n.16 .a = 0,5.16.50 = 400(cm2) Tổng diện tích cánh tản nhiệt S= 2650+3500+159+1490 +50250 +910+536+400 = 59895(cm2) Với diện tích cánh tản nhiệt này có thể đảm bảo điều kiện tản nhiệt cho Tiristor. Tính chọn cánh tản nhiệt cho Diod Tổn hao công suất trên 1 diod PD = 1,42.1828 =2595,76(W) Chọn nhiệt độ môi trường la Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc của diod : Tcp = 2000C Chọn nhiệt độ làm việc : Tlv = 1400C Độ chênh nhiệt so với môi trường là. Diện tích bề mặt tỏa nhiệt của diod: StnD = = = 32447(cm2) Diện tích cánh tản nhiệt củ diod nhỏ nên ta chọn 1 bộ cánh tản nhiẹt cho mỗi diod. Có các thông số kích thước sau: a = 30(cm) S1 S3 S4 S7 S5 S6 S8 S2 m n a h b c b = 35 (cm) c = 0,5(cm) h = 25(cm) m= 1 (cm) n= 0,4(cm) Chọn 14 cánh tản nhiệt Hình 3.3.Sơ đồ cánh tản nhiệt cho điot Các bề mặt tiếp xúc với không khí: S1 = a.b = 35.35 = 1225 (cm2) S2 = 2.a.h = 2.35.25 =1500(cm2) S3 = 2.b.c = 2. 35.0,5 =35(cm2) S4 = (35 –(0,5.16 + 1.14).30 =390(cm2) S5 = (25-0.5).30.30 = 22050(cm2) S7 =32.0,5.(25-0,5) =392(cm2) Sg = 0,5.30.16 =240(cm2) Tổng diện tích của bộ cánh tản nhiệt cho diod: ∑S =1050+1500+35+390+22050+392+240=25441 Với diện tích cánh tản nhiệt này có thể đảm bảo tản nhiệt cho diod Bảo vệ quá áp cho van Trong các bộ biến đổi dùng van bán dẫn cần phải có các phần tử bảo vệ sự tăng trưởng dòng và áp cho van,trong sơ đồ của ta đang xét dùng máy biến áp nên thành phần cảm kháng của máy beiens áp đã giúp ta bảo vệ ,hạn chế sự tăng trưởng dòng điện.Vì vậy ta chỉ tính toán bảo vệ quá áp Tiristor rất nhạy cảm với điện áp quá lớn so với điện áp định mức mà người ra chia làm hai loại nguyên nhân gây nên quá điện áp Nguyên nhân nội tại đó là sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dấn.Khi khóa tirstor bằng điện áp ngược các điện tích nói trên đổi ngược lại hành trình tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian rất ngắn sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cẩm ứng rất lớn trongo các điện cảm (luôn luôn có )của đường dây từ nguồn dẫn đến các tiristor.Vì vậy giữa anod và cactot của tiristor xuất hiện quá điện áp. Nguyên nhân bên ngoài những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi cắt không tải một máy biến áp trên đường dây hoặc khi một cầu chì bảo vệ chảy hoặc khi có sấm sét.. Nói chung các nguyên nhân gây quá áp cho van gồm :quá áp từ lưới điện,quá áp do đóng ngắt các khối chức năng của bản thân bộ chỉnh lưu, do hiện tượng chuyển mạch giữa các van khi làm việc Để bảo vệ quá điện áp người ta thuồng dùng mạch RC mắc song song với tiristor Mạch RC dấu song song với tiristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên. Hình 3.4.sơ đồ RC Tính bảo vệ van:xác định hệ số quá áp theo công thức:K = đó Uimcp là giá trị điện áp cực đại cho phép đặt lên Tiristor một cách không chu kì;Uim là giá trị điện áp ngược cực đại thực tế đặt lên tiristor;b là hệ số dự trữ điện áp b =1,6 Thay b=1,6 ; U = 24v; U =58,8v vào công thức trên ta được giá trị của K: K == 0,255 Xác định thông số trung gian Cmin(K) Rmax ,Rmin(K) sử dụng các đường cong trong tài liệu tham khảo sách hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất tác giả Phạm Quốc Hải ta tìm được Cmin(K) =0,225;Rmax(K)=0,225; Rmin =0,48.10-3 Theo kinh nghiệm ta chọn C=0,1 F và R = 80Ω Tính chọn Aptomat Từ lưới điện đến Sơ cấp của máy biến áp ta dùng áptomát để đóng cắt, bảo vệ mạch động lực, tách khỏi lưới điện để thuận tiện , an toàn khi lắp đặt cũng như sữa chữa. Tự động bảo vệ khi có sự cố quá tải, ngắn mạch Điều kiện để chọn áptomát : Điện áp định mức của áptomát phải lớn hơn điện áp định mức của lưới. Dòng điện tính toán hiệu dụng trong mạch phải luôn nhỏ hơn hoặc bằng dòng định mức của áptomát (Itt = Iđm) Giá trị dòng điện trong mạch bảo vệ được xác định theo dòng của phụ tải định mức có xét đến khả năng quá tải trong vận hành. Dòng điện chỉnh định của cơ cấu nhả điện từ của aptomat nên chọn chỉ số nhỏ nhất để bảo vệ được tốt và tiết kiệm nhưng không cắt mạch động lực ở những trường hợp quá tải tạm thời hoặc do phụ tải đỉnh nhọn cho phép của công nghệ thông thường chọn : Icđ = 1,3. I1 (A) = 1,3.48 = 62,4(A) Như vậy ta có thể chọn loại: Iđm = 65 (A) Uđm = 230/380 (V) Tính chọn cầu chì Các van Tiristor, diod được mắc nối tiếp với các cầu chì. Dùng để bảo vệ quá tải hay ngắn mạch. Vì các van bán dẫn nhất nhạy nên ta sử dụng cầu chì tác động nhanh. Điều kiện để chọn cầu chì : Điện áp của cầu chì phải lớn hơn hoặc bằng điện áp của mạch Ucc = Umạch Chọn cầu chì sao cho đương lượng nhiệt gây chảy cầu chì phải nhỏ hơn đương lượng nhiệt cho phép của van. Phải đảm bảo khi có sự cố ngắn mạch thì cầu chì phải chảy trước khi van bị chọc thủng. Chọn cầu chì bằng bạc lá. Đặt trong võ sứ có chứa thạch anh hay nước cất. Có điện áp Uđm = 220 (V). Dòng điện địng mức của cầu chì: Iđm = 1,1.Ilv (A) = 1,1.1828 = 2010,8(A) Chọn cầu chì loạicó:Iđm = 2100(A) ; Uđm = 600(V) Chương4 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ TÍNH CHỌN CÁC PHẦN TỬ TRONG MẠCH Mục đích chung của việc tính chọn mạch điều khiển nhằm tạo ra một sự điều khiển các tiristor cho phù hợp với yêu cầu của công nghệ.Cần phải điều khiển các tiristor hoạt động đúng thời điểm được coi là tối ưu nhất. 4.1.Các yêu cầu cơ bản đối với hệ thống điều khiển Đảm bảo phát xung với đầy đủ các yêu cầu cơ để mở van:đủ độ rộng xung tx ,đủ biên độ xung Ux ,Sường xung ngắn ts = 0,5 ÷ 1 s ,phải đảm bảo tính đối xứng của các kênh,đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển.Ví dụ MBA xung thường được sủ dụng như một khâu truyền xung cuối cùng ở tầng khuếch đại xung.Đảm bảo đúng quy luật về pha điều khiển đây là yêu cầy đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc α,có thể hạn chế phạm vi góc điều khiển kh khoong có sự thay đổi của điện áp lưới ,có khả năng bảo vệ quá áp,quá dòng và báo hiệu khi có sự cố. 4.2.Chức năng của hệ thống điều khiển Điều chỉnh vị trí xung điều khiener trong phạm vi nửa chu kỳ dương của điện áp đặ trên anot catot của tirisstor Tạo ra được các xung đủ điều kiện mở được tiristor ,(xung điều khiển thường có biên độ từ 210 V ,độ rộng xung tx =20 100 s đối với thiết bị chỉnh lưu tx 10sđối với thiết bị tần số cao ) Độ rộng xung được xác định theo biểu thức tx = Trong đó Idt là dòng duy trì; là tốc độ tăng trưởng của dòng tải 4.3.Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển Đồng Pha U So sánh Tạo dạng xung Khuếch đại xung U Phát xung Hình 4.1.Cấu trúc mạch điều khiển Tín hiệu điện áp cung cấp cho mạch động lực chỉnh lưu được đưa đến mạch đồng pha. Đầu ra của mạch đồng pha có các điện áp thường là dạng hình sin, cùng tần số và có thể lệch pha một góc xác định so với điện áp nguồn, gọi là điện áp đồng pha. Các điện áp đồng pha được đưa vào mạch phát điện áp răng cưa. Đầu ra của điện áp răng cưa được đưa vào đầu vào của khâu so sánh. Tại đó còn có một tín hiệu khác là điện áp phản hồi tương đương với nhiệt độ của lò. Tín hiệu đầu ra khối so sánh là các xung xuất hiện với chu kỳ bằng chu kỳ U. Xung răng cưa có hai sườn trong đó có một sườn tại đó |U|=|U| thì đầu ra khối xuất hiện một xung điện áp, sườn đó là sườn sử dụng. Vậy có thể thay đổi thời điểm xuất hiện xung đầu ra khối so sánh bằng cách thay đổi U khi giữ nguyên dạng của U. Nhưng trong đa số các trường hợp tín hiệu ra từ khối so sánh chưa đủ yêu cầu cần thiết, người ta cần thực hiện việc khuếch đại, sửa xung…Các nhiệm vụ này được thực hiện gọi là mạch tạo xung. Đầu ra khối tạo xung ta sẽ được chuỗi xung điều khiển Thyristor có đủ yêu cầu về công suất, độ dốc, độ dài…Thời điểm bắt đầu xuất hiện các xung hoàn toàn trùng với thời điểm xuất hiện xung trên đầu ra khối so sánh. Khối so sánh xác định góc điều khiển . Thay đổi U có thể điều chỉnh được vị trí xung điều khiển tức là điều chỉnh được góc . 4.3.1.Điều khiển thẳng đứng tuyến tính Theo nguyên tắc này so sánh điện áp đồng bộ và điện áp điều khiển :Điện áp đồng bộ kí hiệu là Urc có dạng răng cưa đồng bộ với điện áp đặt kên anot-catot của tiristor 2 Điện áp điều khiển là điện áp một chiều có thể thay đổi được biên độ Uc Uc+Ur 2 Hình 4.2.Điện áp điều khiển tuyến tính Tổng đại số của Urc+Udk được đưa đến đầu vào của một khâu so sánh Như vậy bằng cách làm biến đổi Uddk người ta có thể điều chỉnh được thời điểm xuất hiện xung ra tức là điều chỉnh được góc Khi Udk = 0 ta có α = 0 Khi U0 wt Ucm UAKK Us 4.3.2.Điều khiển arccos UAKK o 2 α Hình 4.3.Điện áp điều khiển arccos Nội dung của nguyên tắc này là tạo một điện áp dịch pha với điện áp anod của Tiristor một góc là góc cos. Dùng điện áp một chiều làm điện áp điều khiển. So sánh điện áp điều khiển với điện áp cos. Tại thời điểm điện áp cos bằng điện áp điều khiển trong vùng điện áp dương anod thì phát xung điều khiển cho đến cuối bán kỳ. Nguyên tắc này rất ít được sử dụng vì tạo ra điện áp dịch pha rất phức tạp Nhận xét :theo yêu cầu thiết kế mạch điều khiển ta thấy nguyên tắc điều khiển thắng đứng tuyến tính là phù hợp ta chọn nguyên tắc điều khiển này 4.4.Giới thiệu các phần tử cơ bản được dùng trong mạch điều khiển a.Khuếch đại thuật toán kí hiệu là OA có hai cổng vào:+E là cổng vào đảo dấu,-E là cổng vào đảo dấu và một một cổng ra S. M là điểm nối đất của sơ đồ đáy là điểm chuẩn 0 để đo điện thế của các điểm khác trong sơ đồ. V1 Ud Vsat Vsat 2 V - V d + M V + 1 + U + - E 1 OA E E V - + + - S - E V p p M + Hình 4.4.KĐTT và điện áp +Vp , -Vp là nguồn nuôi OA Ứng dụng của khuếch đại thuật toán:OA được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điều khiển tự động tào hàm số tạo các bộ điều chỉnh P,PI,PID tạo các đa hài các trigo các khâu so sánh… Khâu so sánh tín hiệu có hai chế độ làm việcChế độ tuyến tính có V2 = A.ud; A = 104¸105 là hệ số khuếch đại điện áo để thực hiện chế độ này phải có ú udú £ Chế độ bão hòa ú udú > ; V2 = Vsat ; ú udú < ; V2 = -Vsat So sánh hai tín hiệu cùng dấu: vì ud = vr – v1 nên khi v1 0 à v2 = Vsat Khi v1 > vr th× ud < 0 à v2 = -Vsat ở đầu ra của khâu so sánh này ta nhận được một chuỗi xung hình chữ nhật đương và âm kế tiếp nhau có thể dùng diot đấu ở đầu ra của khâu so sánh để loại đi một loại xung âm hoặc dương Vsat v1 vr T t/2 t v2 0 - + v1 ud vr v2 Hình 4.5.Sơ đồ so sánh cùng dấu và điện áp So sánh hai tín hiệu khác dấu:ở đây người ta so sánh tín hiệu của đại lượng đang diễn biến với tín hiệu của một đại lượng đặt còn gọi là tín hiệu điều khiển.Các tín hiệu này được thể hiện dưới dạng điện áp.Các điện áp Ur,Uc với tính cực ngược nhau được đặt vào cổng đảo của OA Điện thế tại cổng đảo : E+ = uc ur vz 0.6 v t t +Vsat -Vsat - + Rc Rr Ro = Rc//Rr ud v2 ur uc OA vz + E - E Hình 4.6. Sơ đồ so sánh khác dấu và dạng điện áp NÕu Rc = Rr th× -E = - V× -E = 0 nªn ud = E = Khi ur uc thì v2 = Vsat Sử dụng điot D2 thì điện áp đầu ra của khâu so sánh bị giới hạn hoặc là bằng Vz khi V2 >0 hoặc bằng -0,6khi V2 < 0. Khâu phát xung chùm:trong khâu này OA thực hiện so sánh hai tín hiệu Ur và Uc khâu so sánh ta đã nhận được xung vuông rộng kéo dài từ khi xuất hiện đến nửa chu kỳ đang xét của điện áp chỉnh lưu.Nếu xung điều khiển xuất hiện từ thời điểm kéo dài cho đến hết nửa chu kỳ mới kết thúc sẽ làm hỏng cực điều khiển.Để tạo xung với vài s ta dùng mạch vi phân R,c.Tụ C và R là để vi phân xung vuôn sau khâu so sánh thành xung đơn có biên độ bằng hai lần biên độ hình chữ nhật Ta có sơ đồ như sau: 4.5.Thiết kế mạch điều khiển Qua phân tích ở trên ta chọn được sơ đồ mạch lực là cầu ba pha không đối xứng từ đó ta xây dựng mạch điều khiển sau ; Sơ đồ mạch điều khiển giản đồ điện áp 4.5.1.Thuyết minh sơ đồ nguyên lý : Tín hiệu xoay chiều có dạng hình sin được đưa vào đầu sơ cấp của máy biến áp Tại đầu ra thứ cấp của máy biến áp điện áp được chỉnh lưu và đưa vào của đảo của KĐTT A1 so sánh với điện áp đặt tại của không đảo của KĐTT.Khi tín hiệu điện áp tại của không đảo U1 Uđ thì tín hiệu ra âm.Khi tín hiệu U1 Uđ thì tín hiệu ra dương,điện áp ra UB của A1 có dạng xung chữ nhật.Tín hiệu UB âm thì D3 thông tụ C1 được nạp từ đầu ra của A2 qua C1 qua R3 qua D3 về đất..Tín hiệu UB dương thì D3  khóa tụ C1 phóng theo đường +E.Như vậy cứ một chu kỳ 2π của điện áp lưới thì sẽ cho hai xung răng cưa ở cửa ra của A2.Xung răng cưa ở cửa A2 được đặt vào cửa đảo của A3 so sánh với điện áo điều khiển được lấy từ Rs qua bộ khuếch đại.Nếu UdkUrc thì hiệu ra âm nếu lớn hơn thì tín hiệu ra dương.tín hiệu ra được trộn với tín hiệu phát xung chùm 4.6.Tính toán các khâu trong mạch điều khiển a.Khâu tạo điện áp đồng pha. Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp(hình bên) Nguyên lý hoạt động. Khi cấp nguồn 380V vào sơ cấp của biến áp đồng pha phía thứ cấp của máy biến áp được hạ áp.Giả sử tại thời điểm ban đầu t= 0 nửa chu kỳ đầu điện áo âm đặt trên D1 thì D1 sẽ thông và D2 khóa nửa chu kỳ sau tại thời điểm t= điện áp đaoả dấu và thế âm dược đặt vào anot D2,D2 sẽ thông và D1 bị khóa.Vậy điện áo U là điện áp xoay chiều được đưa qua chỉnh lưu thành điện áp một chiều nửa hình sin.Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp được đưa vào cửa âm của KĐTT A1.So sánh điện áo một chiều phẳng tạo ra bởi R2 và Rv1 đặt ở cửa dương của A1 thì tại của ra của A1 có một điện áp âm.Còn khi điện áp trên cửa dương của A1 nhỏ hơn điện áp trên của âm thì điện áp ra của A1 sẽ là một điện áp dương.Như vậy A1 có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin U với một điện áp phẳng trên cửa không đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dương,âm liên tiếp dạng xung vuông như hình vẽ trên. Hình 4.10.Sơ đồ nguyên lý và dạng điện áp khâu đồng pha Tính toán :Chọn góc duy trì và thoát năng lượng α =50 thì điện áp U1 đặt vào cửa dương của bộ so sánh là U= Um = Um . sina = . 12 . Sinh 5o = 1,4 8(V) Chọn điện áp xoay chiều đồng pha : U = 6 (V). Điện trở R để hạn chế dòng điện đi vào khuyếch đại thuật toán A, thường chọn R sao cho dòng vào khuyếch đại thuật toán I < 1 mA. Do đó : R = = 6 (k). Chọn R = 6(k). Ta có I = chọn VR2 = 1,5kΩ,R4 = 12kΩ b.Khâu tạo điện áp răng cưa. Sơ đồ khối tạo điện áp răng cưa và dạng điện áp. Hình 4.11.Sơ đồ nguyên lý và tạo điện áp răng cưa Nguyên lý hoạt động Khi Uđk 0 thì D3 thông tụ C1 nạp từ đầu ra của A2 .Khi Uđkthì D3 khóa tụ C1 phóng về 0 theo đường +E Tính toán Chu kỳ của điện áp lưới là T===20ms tương ứng với 3600 chu kỳ của xung răng cưa là TRC==10ms tương ứng với 1800 Mặt khác Trc=tp+tn Trong đó tp là thời gian phóng của tụ C1 tn là thời gian nạp của tụ Như trên ta đã chọn =50 tức là tn=100 vậy tp = 1700 Tương ứng với thời gian là tp = tn= Chọn giá trị của tụ C1 =0,47µF Gọi dòng điện trong quá trình nạp là In.Sau khoảng thời dian t=tn=0,6ms thì điện áp trên tụ đạt giá trị Uo=6V vậy ta có Uc2===6vR3=425,5Ω chọn giá trị R3 là 426Ω. Sau khoảng thời gian t=tp=0,94ms thì điện áp trên tụ trở về giá trị 0 Uc2 =6- =0 R4+Rv2=40kΩchọn R4 =10kΩ, Rv2 =30kΩ có thể điều chỉnh được Chọn R5=1kΩ,KĐTT A2 chọn loại µA741 c.Khâu tạo điện áp so sánh Sơ đồ tạo điện áp so sánh và dạng điện áp. Hình 4.12.sơ đồ nguyên lý và điện áp so sánh Khâu so sánh thực hiện so sánh điện áp răng cưa tại điểm (c) với điện áp điều khiển tạo bởi khâu phản hồi Khi U(C) < U®k thì đầu ra của KĐTT cho tín hiệu âm Khi U(C) > U®k thì đầu ra cuả KĐTT U1c cho tín hiệu dương Tính toán khâu tạo xung chùm: Sơ đồ và dạng điện áp: Hình 4.14.sơ đồ và điện áp xung chùm Nguyên lý hoạt động:Giả sử tại thời điểm t ta xét tụ C2 được nạp đầy điện áp lúc này ở đầu ra của A sẽ là điện áp âm.Sau một thời gian điện áp đầu ra qua R18 tụ được nạp theo chiều ngược lại và điện áp đàu ra thay đổi thành điện áp dương.Như vậy do đặc tính phóng nạp của tụ C2 tạo trên A4 ,một điện áp dạng xung vuông liên tiếp.Diod D11 có tác dụng loại bỏ xung dương Tính toán Chu kỳ dao động T =2.R11.C2.ln(1 + ) Chọn tần số phát xung là f = 10kz ta có T = 0,1(ms).Theo kinh nghiệm thường chọn R12 +R10 =66 kΩ Để giảm độ chênh lệch giữa hai cửa vào của A chọn R12 R10 vậy chọn R19 = 33 kΩ và R18 = 33kΩ. Chọn giá trị của tụ C2 =0.1F R11= = 0.2k KĐTT chọn µA741 Điod D11 chọ loại 1010 có U=220 và I=1A. Khâu KĐXvà BAX Sơ đồ khâu KĐX và BAX(hình bên) Khi cấp xung vào cực của bazo T3 thì T3 mở dẫn đến T4 mở.Toàn bộ điện áp nguồn +E được đặt lên cuộn sơ cấp của BAX.Điện áp cảm ứng bên phía cuộn thứ cấp có cực tính dương tương ứng mở điot Dg đưa dòng vào điều khiển cực G và K của các tirstor.Điot D9 có tác dụng làm giảm điện áp ngược đặt lên giữa catot và cực điều khiển của các tirstor.Khi điện áp catot dương hơn anot điều này sẽ đảm baoran toàn cho tiếp giáp G-K cảu các tiristor ở chế độ khóa.Khi T1 khóa dẫn đến T2 khóa dòng colector-emitor của nó sẽ về 0.Tuy nhiên dòng qua cuộn sơ cấp không thể đột ngột dập tắt được sức điện động tự cảm trên cuộn dây khi đó sẽ đảo chiều theo hướng muốn duy trì dòng điện.Nghĩa là cực tính sức điện động có dấu (-) ở phía trên và (+) ở dưới.Sức điện động này có thể có giá trị lớn vì nó tỉ kệ với tốc độ giảm dòng điện di/dt.Tuy nhiên khi đó D7 sẽ mở tạo ra đường khép kín cho dòng I1.Dòng I1 sẽ giảm về 0 do tổn hao trên điện trở thuần R16. Hình 4.13.sơ đồ nguyên lý KĐX và BAX Tính toán Tính máy biến áp xung. Theo phần tính toán ở mạch lực ta chọn van tiristor có UG = 3 V;IG = 200mA = 0,2ª Giá trị này là giá trị dòng và áp ở thứ câp của MBA Chọn sơ bộ vật liệu làm lõi sắt là thép ferit HM lõi có dạng hình xuyến có không có khe hở không khí tỷ số MBAX chọn m =2 Điện áp thứ cấp máy biến áp xung . Dòng điện thứ cấp máy biến áp xung . Điện áp Sơ cấp máy biến áp xung. Trong đó : kba = 1¸3 _Hệ số máybiến áp được chọn theo kinh nghiệm. Chọn kba = 3 Dòng điện Sơ cấp máy biến áp xung Mật độ từ thẩm trung bình của lõi thép. Trong đó: m0 = 1,25.10-6 là mật độ từ thẩm của không khí. Thể tích của lõi thép Trong đó:Q là tiết diện lõi thép;l là Chiều dài trung bình đường sức từ ,tx =100 (ms) là độ rộng xung điều khiển ,Sx = 0,15 là độ sụt biên độ xung ,I1 = 0,066 (A),U1 = 9(V) Tra bảng 5-4 tài liệu thiết kế kỹ thuật biến đổi điện năng của tác giả Nguyễn Bính. Ta chọn lõi thép hình xuyến băng loại : OA 20/25-5. có các thông số sau. d D a Số vòng dây Sơ cấp máy biến áp xung (vòng) Số vòng dây thứ cấp máy biến áp xung (vòng) Tiết diện dây quấn thứ cấp máy biến áp xung Trong đó: Chọn mật độ dòng điện J1 = 3 (A/mm2) Đường kính dây quấn Sơ cấp Tiết diện dây quấn Sơ cấp Đường kính dây quấn thứ cấp Kiểm tra hệ số lấp đầy Chọn cổng ADN Toàn bộ mạch điều khiển dùng 3 cổng AND. Nên ta chọn 1 IC4081 họ CMOS. Có các thông số sau. Nguồn nuôi : Vcc = 3 ¸ 18 (V). Chọn 12 (V) Nhiệt độ làm việc : t = 40 ¸ 80 0C Điện áp mức logic ‘1’ : v = 2 ¸ 4,5 (V) Dòng điện nhỏ hơn 1 (mA) Công suất tiêu thụ P = 2,5 (nW/1 cổng) Kh©u t¹o tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn (kh©u ph¶n håi): Sơ đồ và dạng điện áp của khâu(hình bên) Gi¶ sö dïng t¶i It gi¶m th× tÝn hiÖu lÊy vµo K§TT U1D gi¶m lµm tÝn hiÖu t¹i ®Çu ra cña K§TT U1D nhá h¬n vµ tÝn hiÖu nµy so s¸nh víi ®iÖn ¸p dÆt trªn RV3 qua lµm tÝn hiÖu ra trÞ H bít ©m h¬n, qua K§ U1F tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn gi¶m, ®iÒu khiÓn më tiriztor víi gãc a lín h¬n ®Ó t¨ng dßng t¶i ®Õn gi¸ trÞ ®Þnh møc. Khi dßng t¶i It t¨ng lµm tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn t¹i G t¨ng, tÝn hiÖu nµy qua khuÕch ®¹i U1E, U1F lµm tÝn hiÖu ®iÒu khiÓn ¨ng, tÝn hiÖu nµy ®iÒu khiÓn më tiristo víi gãc a nhá h¬n ®Ó gi¶m dßng t¶i ®Õn gi¸ trÞ æn ®Þnh. VËy nhê cã ph¶n håi mµ dßng cña t¶i gi÷ ®­îc æn ®Þnh. Hình 4.13. sơ đồ nguyên lý của khâu phản hồi Nh­ ë trªn ®· chän ®itèt æn ¸p cã UDZ = 3V. Do ®ã cuèi m¹ch ph¶n håi cÇn cã ®iÖn ®iÒu khiÓn 3V ®Ó so s¸nh U(C). §· chän URS = 30mV. Chän R20, R33 sao cho UG = 3V Ta cã KU1D===100 lần. KẾT LUẬN Trong thời gian làm đồ án, em đã được sự chỉ bảo hết sức nhiệt tình của thầy giáo Lê Quốc Dũng., em đã hoàn thành được đồ án của mình với đề tài “ Thiết kế nguồn hàn hồ quang điện một chiều “. Trong quá trình làm đồ án em đã đạt được những kết quả sau : Nắm được lỹ thuật mạ một chiều. Hiểu sâu nguyên lý hoạt động của các sơ đồ chỉnh lưu từ đó biết cách chọn lựa một yêu cầu phù hợp với bài toán. Biết cách tính toán mạch lực Biết cách tính toán và thiết kế mạch điều khiển Tăng khả năng nghiên cứu, tìm tòi Kết quả mô phỏng cho thấy các thông số đầu ra của mạch lực và mạch điều khiển đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật về chất lượng điện áp và dòng điện. Tuy nhiên, do trình độ bản than có hạn, chưa được tiếp cận thực tế nên đồ án của em không thể tránh khỏi nhữn thiếu sót, em mong sẽ nhận được sự chỉ bảo từ phía các thầy. Cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Lê Quốc Dũng, đã chỉ bảo hết sức tận tình cho em trong thời gian vữa qua. Em xin chân thành cảm ơn !