Giới thiệu các nguồn mạ

chương II Giới thiệu các nguồn mạ Để tạo ra nguồn mạ một chiều một chiều ta có thể tiến hành các phương pháp sau : 1/ Sử dụng bộ biến đổi gồm động cơ không đồng bộ và máy phát MF: Động cơ không đồng bộ biến đổi điện năng xoay chiều của lưới thành cơ năng trên trục của nó rồi truyền sang trục máy phát, máy phát biến đổi cơ năng thành điện năng cung cấp cho bể mạ. Máy phát MF còn có chức năng điều khiển. Nhờ biến trở kích từ (BTKT) ta có thể thay đổi được suất điện động (sđđ) của máy phát, nghĩa là có thể thay đổi được điện áp mạ. Để làm nguồn kích từ cho MF và động cơ ĐS dùng một một máy phát một chiều FK nối trục động cơ sơ cấp. Vì máy FK là máy tự kích nên sau khi khởi động nếu vì những lý do nào đó mà điện áp kích từ khác với giá trị quy định thì ta có thể điều chỉnh biến trở kích từ trong mạch tự kích của máy FK. Mấy phát kích từ FK có thể thay bằng một nguồn một chiều khác độc lập với mạch phần ứng F - Đ như chỉnh lưu điôt. Động cơ sơ cấp có thể là máy không đồng bộ hoặc không đồng bộ. * Ưu điểm : Thay đổi nguồn mạ trong dãy rộng, rất linh hoạt, thao tác nhẹ nhàng, sai số nhỏ, độ tinh điều chỉnh cao. * Nhược điểm : Vì năng lượng truyền nối tiếp từ lưới đến tải qua động cơ sơ cấp, máy phát nên công suất lắp đặt toàn hệ lớn hơn công suất tải yêu cầu. Đồng thời nền móng chiếm diện tích bề mặt rộng, bể mạ đặt xa máy F - Đ, xét tổn thất điện áp trong toàn hệ lớn nên hiệu suất của hệ máy F - Đ rất thấp. Đặc biệt, do dùng cổ góp chổi than để lấy điện áp một chiều nên chỗ tiếp xúc chổi than - cổ góp thường gây tia lửa điện gây hỏng hóc cho cổ góp, chổi than và ảnh hưởng đến chất lượng mạ. 2/ Một số phương pháp dùng các van điôt : a/ Điều chỉnh phía sơ cấp nguồn ba pha xoay chiều (dùng BA tự ngẫu) : Để điều chỉnh điện áp nguồn mạ ta thay đổi số vòng dây của BA tự ngẫu. Ta có hệ số biến đổi điện áp : k = w1 / w2 trong đó : w1 là số vòng dây cuộn sơ cấp w2 là số vòng dây cuộn thứ cấp Khi điều chỉnh điện áp thì k thay đổi. Phương pháp này tuy điều chỉnh dễ dàng nhưng chất lượng để cho ra Umạ vẫn chưa cao, việc điều chỉnh hệ số k làm mất ổn định dòng và áp vì vậy ít được sử dụng. b/ Điều chỉnh phía thứ cấp : Phương pháp này tuy điều chỉnh phía thứ cấp nhưng không triệt để, giải điều chỉnh hẹp, độ tinh điều chỉnh kém, dòng và áp lên xuống đột ngột. Đồng thời việc thiết kế cuộn kháng rất tốn kém. Vì vậy phương pháp này không khả thi. Trong những thập kỷ gần đây, ngành bán dẫn công suất đã có những bước phát triển vượt bậc và đã ra đời thyristor có những tính năng hết sức to lớn trong việc biến đổi điện năng. Trong ngành công nghiệp mạ hiện nay, hầu hết nguồn cung cấp điện cho bể mạ được chỉnh lưu bằng thyristor. Các bộ chỉnh lưu dùng thyristor có hiệu suất cao, thời gian sử dụng lâu, chịu được nhiệt đôi cao, điều chỉnh dễ dàng, có thể trực tiếp lắp đặt ngay cạnh bể mạ. Chính vì vậy mà ngày nay các bộ chỉnh lưu dùng thyristor được sử dụng rộng rãi và có khuynh hướng thay thế toần bộ máy phất điện một chiều và chỉnh lưu điôt. Chương III nêu và chọn sơ đồ chỉnh lưu Để cải tiến nguồn mạ hiện nay người ta dùng bộ chỉnh lưu Thyristor gắn vào máy biến áp để điều khiển nguồn mạ theo yêu cầu. Bộ biến đổi van thyristor điều khiển là một nguồn điện áp một chiều nhưng khác với nguồn một chiều là bộ biến đổi này trực tiếp biến đổi dòng xoay chiều và điều khiển dòng một chiều qua một khâu trung gian cơ học. Bên cạnh chức năng biến đổi năng lượng, các thyristor còn có nhiệm vụ điều chỉnh suất điện động của bộ biến đổi. Một bộ biến đổi bao gồm máy biến áp điện lực, tổ van, cuộn kháng lọc, thiết bị bảo vệ và hệ thống điều khiển. Biến áp lực dùng để biến đổi điện áp của lướii sao cho phù hợp với việc cấp điện. Ngoài ra nó còn có chức năng biến đổi số pha, tạo điểm trung tính khi cần thiết, hạn chế biên độ của dòng ngắn mạch, giảm tốc độ tăng dòng trong van và cải thiện hình dáng dòng điện nhận từ lưới. Tổ van có thể là hình tia hoặc hình cầu với số pha là m =1,3 hoặc 3n (n =1,2,3) Điện áp chỉnh lưu Ud ( điện áp không tải ở đầu ra) có dạng đập mạch với số lần đập mạch là n trong chu kì 2p của điện áp thứ cấp của máy biến áp điện lực. Sơ đồ hình tia : m = n ( m : số pha) Sơ đồ hình cầu : n = 2m ( m lẻ ) hoặc n = m ( m chẵn) Giả thiết điện áp thứ cấp của máy biến áp điện lực có dạng : U2 = U2msinq ( với q = wt) * Chú ý : U2 : điện áp pha thứ cấp đối với sơ đồ hình tia 3 pha U2 : điện áp dây thứ cấp đối với sơ đồ hình cầu 3 pha Trong đoạn qn = 2p/n thì dạng điện áp và dòng điện lặp lại do vậy chỉ cần phân tích trong một giai đoạn. I/ Các trạng thái dòng điện : 1/ Xét trạng thái dòng liên tục : Trong trạng thái này thì khi van ban đầu chưa khoá thì van kế tiếp đã mở. Việc mở van kế tiếp chính là điều kiện cần để khoá van đang dẫn. Do vậy điện áp của bộ chỉnh lưu sẽ có dạng đường bao của điện áp thứ cấp máy biến áp ( điện áp pha đối với sơ đồ hình tia 3 pha, điện áp dây đối với sơ đồ hình cầu 3 pha) * Điện áp chỉnh lưu trung bình : Các biểu thức tính toán đều lấy gốc từ điểm O của U2, nếu so với a qui định thì lệch đi một lượng là : ao = a + (p/2 - p/n) Ta có : hay Ud = Udocosa trong đó : (với Udo là điện áp một chiều lớn nhất ứng với góc mở a = 0) U2m : biên độ điện áp thứ cấp máy biến áp điện lực. n = 3 : đối với sơ đồ hình tia 3 pha n = 6 : đối với sơ đồ hình cầu 3 pha 2/ Xét trạng thái dòng gián đoạn : Khi điện kháng trong mạch nhỏ thì suất điện động nhỏ không đáng kể nên dòng điện trở thành gián đoạn. Trong trạng thái này thì dòng qua van bất kỳ bằng 0 trước khi van kế tiếp mở. * Điện áp chỉnh lưu trung bình : 3/ Nhận xét về sơ đồ chỉnh lưu điều khiển nguồn mạ : * Ưu điểm : Độ tác động nhanh, cao, tổn thất ít, ít gây ra tiếng ồn và chấn động, không yêu cầu nền móng đặc biệt, kích thước và trọng lượng gọn, nhẹ. Nhờ dùng van điều khiển và bộ biến đổi có hệ số khuyếch đại lớn nên có thể thiết lập hệ tự động vòng kín để mở rộng dãy điều chỉnh và cải thiện được các đặc tính làm việc của hệ. * Nhược điểm : Khả năng linh hoạt khi chuyển trạng thái làm việc không cao, khả năng quá tải về dòng và áp của van kém. II/ Giới thiệu các loại sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển bằng Thyristor : 2-1/ Sơ lược về thyristor : a/ Cấu trúc : Thyristor là một van silic nên có điều khiển, bao gồm 4 lớp bán dẫn đặt xen kẽ nhau với thứ tự p1-n1-p2-n2 . Lớp p1 gắn với một điện cực tạo thành anôt; lớp n2 gắn với một điện cực thứ hai tạo thành katôt; lớp p2 gắn với một điện cực thứ ba tạo thành cực điều khiển G. Dưới đây là cấu tạo, ký hiệu và đặc tính Vôn - Ampe : Khác với điôt, thyristor có khả năng giữ ở trạng thái ngắt không những khi đặt điện áp ngược lên van mà ngay cả khi đặt điện áp thuận lên nó, điều đó có thể thực hiện được nhờ sự phối hợp phân cực ba mặt tiếp giáp J1-J2-J3. Khi đặt điện áp ngược lên van : Dương lên katôt, âm lên anôt thì mặt tiếp giáp J2 được phân cực thuận còn J1 và J3 được phân cực ngược. Điện trở giữa hai mặt này tăng lớn làm cho dòng qua van rất nhỏ - trạng thái này được biểu diễn trên nhánh ngược của đặc tính Vôn - Ampe. Khi điện áp tăng đến Ud thì van bị chọc thủng. Nếu đặt điện áp thuận lên van nhưng không phát xung điều khiển vào cực điều khiển G thì mặt tiếp giáp J1 và J3 còn mặt J2 được phân cực ngược. Chính mặt J2 này sẽ hạn chế dòng qua van ở giá trị nhỏ nên van vẫn ở trạng thái ngắt. Trạng thái này được biểu diễn bằng đoạn OT1 của đặc tính Vôn - Ampe. Khi điện áp thuận tăng đến giá trị Ucđ thì dòng điện qua van sẽ tăng rất nhanh và thyristor chuyển sang trạng thái thông. Điểm làm việc lúc này chuyển từ T1 sang T2 và T3 và dừng lại ở trị số dòng tải. Điện áp chuyển đổi lúc này rất lớn, cỡ hai lần điện áp ngược cho phép đặt lên van. b/ Nguyên lý hoạt động : Khi đặt thyristor dưới điện áp một chiều, anôt vào cực dương, katôt vào cực âm của nguồn, lúc đó J1 và J3 được phân cực thuận còn J2 được phân cực ngược. Gần như toàn bộ điện áp nguồn đặt lên mặt tiếp giáp J2. Vùng chuyển tiếp giữa các mựt chính là vùng cách điện, vì vậy mà vùng này càng rộng thì sẽ không có dòng điện chảy qua van mặc dù nó được đặt dưới điện áp thuận. * Phương pháp mở thông thyristor : Thyristor chuyển từ trạng tháu ngắt sang trạng thái mở thông phải đảm bảo đủ hai điều kiện sau : Điện áp đặt lên van phải theo chiều thuận : Dương ở anôt và âm ở katôt. Đặt vào cực điều khiển G một xung điện áp dương so với katôt, nghĩa là UGK>0 Sau khi van đã được thông thì xung điều khiển không còn tác dụng nữa, lúc đó nếu để hở cực điều khiển G thì van vẫn thông. * Phương pháp khoá thyristor : Có thể làm cho thyristor từ trạng thái mở thông sang trạng thái khoá bằng hai cách: Giảm dòng anôt đến gái trị Idt (dòng duy trì) thì thyristor sẽ được khoá ( thực tế dòng duy trì rất bé, cỡ vài chục miliampe) Đặt điện áp ngược lên van (UAK<0) sau một khoảng thời gian rất bé toff ( thời gian khoá) thì thyristor sẽ khoá lại. ( toff từ vài chục đến vài trăm ms tuỳ từng loại thyristor). 2-2/ Các sơ đồ chỉnh lưu có điều khiển : 2-2-1/ Chỉnh lưu cầu 3 pha : * Sơ đồ :