Luận văn Thiết kế nguồn mạ một chiều

Luận Văn ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ NGUỒN MẠ 1 CHIỀU Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 1 Đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều có các tham số sau Phương án 2 + Điện áp ra : 6 – 12 (V) + Dòng tải max : 1500 (A) + Đảo chiều : không Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện không đổi trong suốt quá trình mạ. Mạch có khâu bảo vệ ngắn mạch. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 2 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 dụng 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. Với sự cố gắng của bản thân cùng với sự chỉ bảo của các rhầy cô giáo trong bộ môn và đặc biệt là thầy Đỗ Trọng Tín đã giúp em hoàn thành đồ án này. 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 ! Hà nội, ngày 3 tháng 2 năm 2004 Sinh viên : Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 3 Chương I : Giới thiệu chung về công nghệ mạ điện 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: 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. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 4 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. 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. Catố 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 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 5 +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. _ 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 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 6 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. 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 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 7 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 Tiristor 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 và ổn định dòng. Chi phí đầu tư cho bộ biến đổi cũng rẻ, hiệu quả làm việc cao và ổn định. So với dùng nguồn mạ là ắc quy hoặc máy phát điện một chiều thì bộ biến đổi đáp ứng được hơn cả về mặt kinh tế cũng như các tiêu chuẩn kỹ thuật. Vậy quyết định phương án là dùng bộ biến đổi. Với mạch chỉnh lưu(không dùng mạch chỉnh lưu ) có rất nhiều : chỉnh lưu một pha, chỉnh lưu ba pha, chỉnh lưu không điều khiển, chỉnh lưu có điều khiển Trong yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn mạ điện áp thấp và dòng khá lớn. Trước hết ta xét trường hợp chỉnh lưu có điều khiển, sau đó ta có thể xét trường hợp chỉnh lưu điốt không điều khiển với góc điều khiển 0 . Các phương án khả thi : + Chỉnh lưu cầu một pha + Chỉnh lưu cầu ba pha + chỉnh lưu sáu pha có cuộn kháng cân bằng Phương án 1 : Chỉnh lưu cầu một pha Sơ đồ nguyên lý chỉnh lưu cầu một pha Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 8 a.Khi tải thuần trở R : Với sin2 22 Uu  _ Khi   : cho xung điều khiển mở T1, T2 và 2UU d  , hai tiristor sẽ khoá khi 02 u _khi   , cho xung điều khiển mở T3, T4 và 2UU d  Dòng qua tải là dòng gián đoạn. Giá tri trung bình của điện áp tải : )cos1( 2 .sin2 1 2 2          U dUU d Giá trị trung bình dòng tải : R U I dd  Giá trị trung bình dòng qua tiristor : 22 .sin 2 2 1 2 dd T I R U d R U I        Dạng sóng cơ bản : b. Tải R+L - Khi L đủ lớn thì dòng điện di sẽ là dòng liên tục. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 9 - Phương trình mạch tải :   d d XRidU did .sin2 2    dI dd di X di R dU      .sin2 1 2 cos 22 2   U U d Dạng sóng cơ bản : c. Ưu nhược điểm của sơ đồ : Ưu điểm : điện áp ngược đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ Nhược điểm : không dùng được cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra hiện tượng công suất bij lệch pha. Sơ đồ chỉnh lưu cầu một pha dòng tải chảy quia hai van nối tiếp, vì vậy tổn thất diện pá 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 a)Sơ đồ nguyên lý : Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 10 G F T5 T6T4 u2c u2a u2b R L T1 T2 T3 Sơ đồ cầu ba pha đối xứng gồm 6 tiristor, chia làm hai nhóm : - nhóm catốt chung T1, T3, T5 - nhòm anốt chung T2, T4, T6 Điện áp các pha : sin2 2UU a  ) 3 2 sin(2 2   UU b ) 3 4 sin(2 2   UU c b)Hoạt động của sơ đồ : Giả thiết T5, T6 đang cho dòng chảy qua bGcF VVVV  , + Khi   62 cho xung điều khiển mơ T1. Tiristor 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   6 3 2 cho xung điều khiển mở T2. Tiristor 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  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 tiristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyritor trước nó, như trong bảng sau : Thời điểm Mở Khoá 1 = /6 +  2 = 3/6 +  3 = 5/6 +  4 = 7/6 +  5 = 9/6 +  6 = 11/6 +  T1 T2 T3 T4 T5 T6 T5 T6 T1 T2 T3 T4 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 11 Dạng sóng cơ bản 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    cos 63 .sin2 2 6 2 6 5 6 2          U dUU d Giá trị điện áp ngược lớn nhất trên mỗi van : 22max 45,26 UUU ng  du 1T i  2T i 3T i 6T i 5T i 4T i di dI 0 0 0 0 0 0 0 0         Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 12 Dòng điện trung bình chạy qua van 3 d T I I  c)Ưu nhược điểm của sơ đồ : + ưu điểm : - số xung áp chỉnh lưu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch của điện áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao. - không làm lệch pha lưới điện. + Nhược điểm - sử 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 tụi 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 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 tiristor 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. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 13 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 U U U d   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 : d d I I I 29,0 32 2  Dòng trung bình qua van : 6 d v I I   Dạng sóng cơ bản : Dạng điện áp chỉnh lưu Ud và điện áp trên cuộn kháng cân bằng c)ưu nhược điểm của sơ đồ : _ ưu điểm : + 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 sủ dụng lớn giá thành cao + Máy biến áp phức tạp có số cuộn thứ cấp nhiều. ** Dòng điện mạ khá lớn, căn cứ vào ưu nhược điểm của phương án này, ta thấy dòng qua van nhỏ trung bình bằng 1/6 dòng qua tải. Vì vậy ta chọn bộ biến đổi dùng làm nguồn mạ là chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 14 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. Nhưng phương án này có nhược điểm là khi dòng tải nhỏ thì cách chọn van khó và chỉ ứng dụng cho điện áp thấp, dòng tải lớn và bắt buộc phải có cuộn kháng cân bằng. 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 : Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 15 Sơ đồ gồm : - 3 tiristor - 6 điốt không điều khiển Khi cần điều chỉnh điện áp ra trên tải, ta sẽ điều chỉnh bộ biến đổi bằng cách thay đổi góc mở của các tiristor T1, T2, T3. Khi qua các van T1, T2, T3 điện áp sơ cấp bị gián đoạn không còn dạng sin nữa. Vì vậy khi cảm ứng sang thứ cấp điện áp có dạng bậc thang. Như vậy khi muốn điều chỉnh điện áp ra trên tải ta phải điều chỉnh gián tiếp. Điện áp ra tải chất lượng thấp. Mặt khác tuy chọn van dễ nhưng lại tốn van. Vì vậy phương án này không khả thi. 2> Điều chỉnh thứ cấp : Sơ đồ gồm 6 tiristor được bố trí như hình vẽ Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 16  Khi muốn điều chỉnh dòng tải chỉ cần tác động xung điều khiển vào các tiristor ở cuộn thứ cấp. Khi góc điều khiển  tăng lên, biên độ điện áp cân bằng tang lên đáng kể. Giá trị điện áp trên cuộn kháng lớn nhất khi 090 . Phương án này đã khắc phục được những nhược điểm của điều chỉnh sơ cấp. Cuối cùng, chọn phương án điều chỉnh 6 pha cuộn kháng cân bằng điều chỉnh thứ cấp. Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ một chiều như sau : Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 17 Sơ đồ gồm : + 6 tiristor + Điện trở sum 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 : 1. Các thông số cơ bản của MBA Công suất một chiều trên tải : ddod IUP . Với  dddo UUU vanckbad UUUU  Máy bién áp có công suất vàI chục kVA thuộc loại máy biến áp nhỏ nên : ddba UU %4 dck UU %5,1 VU vaa 2 Điện áp rơI trên mỗi van là 1 V Vậy : )(66,2266,02%)5,1%4( VUU dd  Suy ra : )(66,1466,212 VUUU dddo   Chọn )(15 VU do  Công suất hiệu dụng của máy biến áp : )(1,281500.15.26,126,1.26,1 KVAIUPS ddod  Vậy chọn máy biến áp có công suất 28 (KVA). Từ công thức chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có : cos. 2 63 2   U U do , chọn 040 suy ra )(8,15 40cos6.3 15.2 cos.6.3 .2 2 V U U do       Chọn )(162 VU  * Tỷ số máy biến áp 75,23 16 380 2 1  U U k * Giá trị hiệu dụng dòng chảy qua cuộn sơ cấp máy biến áp : )(4351500.29,029,0 32 2 AI I I d d  * Giá trị hiệu dụng dòng chảy trong cuộn sơ cấp : )(25 75,23 1500.4,04,0 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 S kQ . . [cm2] k= 4 đến 6 , ở đây chon k = 6 S : công suất biểu kiến của máy biến áp (VA) Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 18 C : số trụ ( C=3 ) f : tần số nguồn điện xoay chiều . (f = 50Hz) Thay số ta có )2(5,80 50.3 28000 .6 cmQ  Giả sử a: là chiều rộng của trụ b: là bề dày của trụ Để đảm bảo mỹ thuật ta chọn a/b =1,25 Vậy từ      25,1/ . ba baQ Ta suy ra a= 8 cm ; b=10 cm Để đảm bảo mỹ thuật chọn chiều cao của trụ theo tỷ lệ m= h/a =2,5 suy ra h=2,5a= 2,5.8=20 cm Dùng loại thép 330 có độ dày 0,35mm Mật độ từ cảm trong trụ B = 1 (tesla) 3. Tính toán dây cuốn : Số vòng vôn : 4,44.f.B.Q. 410 =4,4.50.1.80. 410 =1,5 (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 211 5,1 380 1 W (vòng) *Số vòng dây sơ cấp 8,8. 1 1 2 2  WU U W (vòng) Lấy tròn là 9 vòng Hai cuộn dây thứ cấp được cuốn trên cùng một pha : 9 – 0 – 9 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 19 * Chọn mật độ dòng điện : 221 /5,2 mmAJJ  * Tiết diện dây dẫn sơ cấp : )(10 5,2 25 2 1 1 1 mmJ I Q  Chọn dây rẹt tiết diện thực (2x5) bọc sợi thủy tinh hai lớp *Tiết diện dây dẫn thứ cấp máy biến áp : )(160 5,2 435 2 2 2 2 mmI I Q  Ta chọn dây dẫn rẹt (2x10) bọc sợi thuỷ tinh quấn theo thớt, gồm 8 thớt , dầu ra hàn các thanh cáI lấy điện loại 5x60 4.Tính toán kích thước mạch từ : Dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I và xếp như hình vẽ Kích thước lõi thép : chiều rộng a = 8cm bề dày b = 10cm chiều cao h = 20 cm II> Tính chọn van và bảo vệ van : 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 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% Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 20 + 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 : )(250 6 1500 6 A I I dv  Điện áp ngược lớn nhất dặt lên van : )(636,1.16.66,1.6 2max VUU ng  Với: hệ số dự trữ điện áp là 6,1uk hệ số dự trữ dòng điện 2,1ik Dòng điện van cần có là : )(857 35 100.2,1.250 AI van  Từ đó ta chọn van loại : TL-1000-1 do Liên Xô cũ chế tạo, có các thông số sau : )(1000max AI  )(100max VU )(1VU  )(8 )(4,0 VU AI G G   sToff 150 sA dt di sV dt du   /50 /100   ** Bảo vệ van : Tiristor rất nhảy cảm với điện áp quá cao so với điện áp định mức, ta gọi là quá điện áp. Nguyên nhân gây ra quá điện áp được chia làm hai loại : + Nguyên nhân nội tại : Khi khoá tiristor 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 tiristor. 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 pá này có thể lớn gấp 5 lần điện áp làm việc. Để bảo vệ quá áp người ta thường dùng mạch RC xem hình sau : Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 21 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 tiristor 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 tiristor 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 tiristor. 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 Q CC 2 .*min Q LU RR Q LU R imim 22 * max * min  Trong đó L là điện cảm của mạch RLC Cuối cùng ta chọn   80 25,0 R FC  III> Tính cuộn kháng cân bằng : dmck PP 05,0 dck PS 5,0 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 22 Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng : cb dm ocb L U i . .19,0 2   suy ra : ocb dm cb i U L . .19,0 2   )(750 2 1500 2 A i i tcb  )(1502,0.750%20 Aii cbocb  )(162 VU dm  f 2 ; Với f là tần số cuộn kháng, )(150.3 hzff l  vậy )/(942150.14,3.22 sradf  Thay vào công thức tính cbL ta có : )(10.15,2150.942 16.19,0 . .19,0 52 H i U L ocb dm cb   Chiều rộng trụ giữa lõi thép a : cmiLa tcb 9,61500.10.15,2.6,2..6,2 4 2524   Để tính các kích thước của cuộn kháng cân bằng tàI liệu hướng dẫn ta tìm các hệ số m,n,l Lõi sắt cuộn kháng chọn hình ở đây n=0,6 ; l=1,2 ; m=2,2 a h m  ; a c n  ; b a l  Với h : là chiều cao cửa sổ h=m.a=2,2.6,9=15,2cm c : là chiều rộng cửa sổ c=n.a=6,9.0,6=4,14cm b : là chiều dày lõi b= a/l = 6,9/1,2=5,75cm Tiết diện trụ là Q=a.b=6,9.5,75= 40 (cm2) Chiều dàI lõi L’= a+(c+a/2).2 =6,9+(4,14+6,9/2).2 = 22,08cm Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 23 Độ rộng khe hở không khí  Số vòng dây cuộn kháng )(80 40.52.26,1 10.15,2 ..26,1 '. .10Ư 4 5 4 v Q LL W cb     là hệ số phụ theo tàI liệu lấy  = 52 Chương IV : Thiết kế mạch điều khiển Xây dựng mạch điều khiển để đảm bảo cho mạch lực hoạt động tốt trong mọi trường hợp. 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 độ rộng tx + Đủ biên độ Ux + Sườn xung ngắn st s 15,0  2. Đảm bảo tính đối xứng của các kênh 3. 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. 4. Đảm bảo đúng quy luật về pha điều khiển. Đây là yêu cầu về đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc  . 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. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 24 II. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển . Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lưới. Nghĩa là cho phép xác định giá trị ban đầu của goác điều khiển  . Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện pá tựa và điện áp điều khiển. Tại thời điểm hai điện áp này bằng nhau thì phát xung gửi sang tần khuyếch đại. Khâu khuyếch đại : tạo ra xung và khuyếch đại xung tạo ra xung có độ rộng cần thiết và đur công suất để đưa đến điều khiển thyistor trong mạch lực.  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 tiristor. III. Giới thiệu các phân tử cơ bản được dùng trong mạch điều khiển : 1. Khuyếch đại thuật toán : KĐTT là phần tử cơ bản được sử dụng rộnh rãI trong các mạch điện tủ với chức năng xử lý các tín hiệu tương tự . Khuyếch đại thuật toán có kí hiệu như sau : 2. Một số ứng dụng của khuyếch đại thuật toán : a. Mạch khuyếch đại đảo : sơ đồ như sau SS BAX Udk Ur 1 2 3 4 T Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 25 Ta có : io UR R U . 1 2 b. Mạch so sánh một cổng : ở dầu vào khuyếch đại thuật toán tổng trở Ri rất lớn nên dòng đI vào KĐTT là không đáng kể, nên 2 21 1 1 21 2)( )()( U RR R U RR R U i     Nếu 0)( iU thì U3 sẽ bão hoà ở –Un Nếu 0)( iU thì U3 sẽ bão hoà ở +Un c. Mạch so sánh hai cổng : Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 26 Nếu : U1>U2 thì U3 = -Un Nếu : U1<U2 thì U3= +Un d. Mạch tạo tín hiệu răng cưa : * Dùng nguồn dòng transistor : * Dùng khuyếch đại thuật toán : Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 27 IV. Thiết kế mạch điều khiển : A. Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển : 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 U đặt được đưa vào cửa cộng của A1 Nếu Ur <Uđ thì Ura trên OA1là điện áp dương điốt D11 mở lúc này tụ C8 được phóng điện từ C8 đến R5 -> D11 qua OA1 về âm nguồn . Do sự đóng mở của D11làm trên tụ C8 phóng nạp tạo ra trên (III) một điện áp hình răng cưa . Độ dốc của răng cưa có thể thay đổi qua triết áp VR2. Do đó điốt zơle (Dz) nên diện áp trên tụ max khi nạp luôn bằng điện áp ngưỡng trên điốt zơle. Điện áp răng cưa được đưa vào cửa đảo của OA7 và so sánh với điện áp điều khiển. Điện áp điều khiển này được lấy từ điện áp phản hồi đưa vào so sánh với điện áp đặt qua bộ cộng đảo dấu. Trong mạch vòng phản hồi có mạch vòng phản hồi dòng điện . Dòng điện qua sun thay đổi thì điện áp phản hồi qua sun thay đổi. Tín hiệu điều khiển đưa vào cửa cộng của khâu so sánh . Nếu Urc>Uđhthì đầu ra của OA3 là xung âm. Nếu Urc<Uđk thì đầu ra của OA3 là xung dương Khi đó bộ phát xung chùm dưới sự phóng nạp của tụ C9 tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật. Vì tín hiệu ra nhỏ được khuếch đại qua đèn Ts, xung qua điốt Đ13 chỉ giữ lại phần âm được trộn lẫn với xung ra từ khâu so sánh A3 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 T1làm T1 mở và T2 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 T1vàT2 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 D15và D19 thông dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor. B. Tính toán các khâu của mạch điều khiển Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 28 1. Tính toán khối đồng pha Sơ dồ nguyên lý khâu đồng pha 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=  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 dương. 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 âm. 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 dưới đây. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 29 Tính toán khối đồng pha: Chọn góc duy trì và thoát năng lượng  =5 o thì điện áp Uđ đặt vào cửa (+) của bộ so sánh là: U  = 2 .U.sin 5 o = 2 .12.sin 5 o = 1,48(V) Chọn E+ = 12. Chọn Rhc1 =2 k  giá trị của VR1 là: 1,48(V).Rhc1 Rhc1VR E 1   Vr1=14,2 k Để dòng vào cửa đảo của khuyếch đại thuật toán nhỏ hơn 1mA thì ta chọn R sao cho U/R112k chọn R1=15k 2.Tính toán khâu tao điện áp răng cưa Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 30 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo điện áp răng cưa Đồ thị điện áp răng cưa theo thời gian a,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 khâu làm điện áp điều khiển của khâu tạo điện áp răng cưa.Khi Uđk >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 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 +EDzT2C1. 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  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 =5 0 tức là tn=10 0tp=180 0 -10 0=170 0 Tương ứng với thời gian là: tp= msx 4,9 180 10170 0 ''0  tn= msx 6,0 180 1010 0 ''0  Chọn giá trị của tụ C1=0,47 F Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 31 Gọi dòng địên trong quá trình phóng là Ip.Sau khoảng thời gian t=tp=9,2 ms thì điện áp trên tụ về giá trị 0 vậy ta có Ucp= dtIp C Uco  94,0 0 1 =0  9-1/C.Ip.tp=0 -->Ip=(C.Uco)/tp=(0,47.10 9.6 )/9,4.10 3 Ip=0,45 mA -->Vr2+R6= (U 62 RVR  )/Ip = (E-U 3,TBE )/Ip =(12-0,6)/0,45.10 3 Vr2+R6=25333 =25,333 k Chọn R6=15 k là điện trở cố định còn Vr2=10,333k 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.Vởy ta có: Ucn= UcoIndt C  6,0 0 1 =9  1/C.In.tn =9 --> In=9.C1/tn=(9.0,47.10 6 )/0,6.10 3 =7,05mA --> R5=U 2,TE /In=9/7,05.10 3 =1276,5=1,276k Chọn dòng qua R3,R 4 bằng 2mA là đủ khi cần cung cung dòng cho bazơ của T2 Khi đó :R2+R3=12/2.10 3 =6000=6k Để đảm bảo khi T1 mở thì điện áp rơi trên R4 nhỏ hơn 9V để cho T2 có thể mở đựoc thì ta chọn R4=4k,R3=2k. Chọn R1=10k 3.Khâu so sánh Sơ đồ nguyên lý khâu so sánh Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 32 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.Để đảm bảo cho dòng điện đi vào các cửa của OA nhỏ hơn 1mA ta chọn R7=R8=10k 4.Khâu phát xung chùm Sơ đồ nguyên lý khâu phát xung chùm Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 33  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 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 R10 = R11 . Chọn tần số phát xung chùm f = 5kHz. T = 1/ 5. 10-3 = 0, 2 . 10-3 = 2. 10-4(s) Chọn C2 = 0, 02F = 0, 02. 10 -6F. )Ω4545( 02,2.0,02.1 2.10 R 6 4 9    Chọn R9 = 4, 5k. Chọn R10 = R11 = 5k. 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  = 250. 0,4(A) 250 100 β I I Cβ  Chọn R12 = - E/IR12 = 12/0, 1 = 120() 5.Tính toán máy biến áp xung Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 34 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp xung  Đặc điểm và ứng dụng của biến áp xung - BAX dễ truyền tín hiệu điều khiển - Tạo ra được biên độ xung theo yêu cầu - Cách ly về điện giữa mạch lực và mạch điều khiển - Dễ thay đổi cực tính xung ra - Dễ phân bố các xung đi các kênh điều khiển  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 = 80 s + Độ rộng xung điều khiển tx = 600 s + Tần số xung điều khiển x = 5 (khz) + Độ mất đối xứng cho phép  = 40 + Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển En = V24 + Mức sụt biên độ xung Sx = 0, 15 - Tính biến áp xung Chọn vật liệu sắt từ lõi có dạng hình ,chọn tỷ số máy biến áp xung là m=1,2 +Điện áp thứ cấp máy biến áp xung là:U2=8V +Điện áp đặt lên cuộn sơ cấp máy : U1= mU2=1,2x8=9,6V Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 35 + Dòng điện sơ cấp biến áp xung I1 = m I 2 = 2,1 4,0 = 0,33 (A) +Công suất của biến áp xung : S=U1.I1=9,6x0,33=3,168(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 Chọn vật liệu sắt từ mật độ từ cảm B=1T Số vòng cuộn sơ cấp biến áp xung : W1= 470 ...44,4 .1  QBf U (vòng) Số vòng cuộn thứ cấp máy biến áp xung: W2=470/1,2=392(vòng) Chọn mật độ dòng điện chạy trong các dây dẫn là J=2A/mm 2 ,khi đó: +Tiết diện dây quấn sơ cấp: Q1=  2 33,01 J I 0,165mm 2 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 36 Tra bảng chọn dây chuẩn có tiết diện Q1=0,1794mm 2 tương ứng với dường kính dây d1=0,47mm +Tiết diện dây quấn thứ cấp : Q2= 22 2,0 2 4,0 mm J I  Tra bảng chọn dây chuẩn có thiết diện Q2=0,204mm 2 tương ứng với đường kính dây là d2=0,51mm Tính khâu khuếch đại xung  Tính toán tầng khuyếch đại trước khi đưa vào biến áp xung: Chọn Tranzito công suất T7 loại KYG11 Tranzito loại npn vật liệu bán dẫn là Si . Điện áp giữa colecto và bazơ khi hở mạch Emitơ UCB0 =35 (V) . Dòng điện lớn nhất mà colecto có thể chịu đựng Imax = 3 (A) . Hệ số KĐ  = 30 Chọn chế độ làm việc của Transistor với =10 Dòng điện làm việc của colecto Ic3 = I1= 33, 3 (mA) Dòng điện làm việc của bazơ Ib = 33,310 3,33   cI (mA) Giá trị của điện trở R16 cần mắc vào mạch để đảm bảo dòng điện qua Collector của T7 có giá trị là 33,3mA là: R16=  310.3,33 6,9246,9 Ic En 432 () Đồng thời dòng Ic6 cũng chính là dòng I EC của T5.Chọn T5 loại C828 với các thông số kỹ thuật +Điện áp giữa colecto và bazơ khi hở mạch Emitơ UCB0 =35 (V) . +Dòng điện lớn nhất mà colecto có thể chịu đựng Imax = 300 (mA) . +Hệ số KĐ  = 30 Chọn chế độ làm việc của Transistor với =10 Dòng điện làm việc Bazơ là: I B = 1 ECI =  11 3,33 3,03(mA) Tất cả các Diode trong mạch điều khiển đều dùng loại 1001 có tham số . Dòng điện định mức Iđm = 1 (A) Điện áp ngược lớn nhất Un = 220 (V) 6.Tính toán khối nguồn Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 37 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn nuôi  Chức năng của khối nguồn : +Cung cấp nguồn cho khâu đồng pha +Cung cấp nguồn ổn áp cho các IC , bộ tạo xung răng,điện áp lấy ra để làm điện áp so sánh +Cung cấp nguồn công suất cho biến áp xung hoạt động Ta sử dụng IC MA741 làm khuyếch đại thuật toán Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 38 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 -->Công suất của khâu ổn áp là:S 1_2 = 3U 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 = 3U 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) --> 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: Trong đó a= 20mm h= 50mm Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 39 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 25,0 2 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 5,0 2 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 05,0 2 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 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: Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 40 S 1= 21 0262,0 2 0524,0 mm J I  Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: S 1=0,0314 tương ứng với đường kính d 1=0,2mm 7.Khâu phản hồi 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 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: Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 41 Giả sử vì một lý do nào đó mà dòng điện của nguồn mạ bị giảm,khi đó điện áp trên điện trở Sun cũng giảm theo tức Uph giảm ,mà Uđk=Uđ-Uph nên Uđk tăng làm góc mở  giảm --> điện áp trên nguồn mạ tăng nên khiến cho dòng điện lại được tăng lên. Ngược lại ,khi dòng điện mạ tăng thì điện trở trên Sun tăng khiến cho Uph tăng,dẫn đến Uđk giảm làm tăng góc mở  ,khiến cho điện áp của nguồn mạ giảm xuống,dòng điện lại được giảm đi.Như vậy dòng điện luôn được giữ ở mức ổn định. Từ các tính toán và phân tích ở trên ta có đồ thị của toàn bộ hệ thống của mạch điều khiển 8. Khâu bảo vệ ngắn mạch Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 42 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. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 43 Kết luận Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, 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 bản thân 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 hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 3 tháng 2 năm 2004 Sinh viên Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 44 TàI liệu tham khảo : 1. Điện tử công suất – Nguyễn Bính. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. 2. Giáo trình điện tử công suất – Trần Trọng Minh. Nhà xuất bản giáo dục. 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. Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 45 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 46 Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45 47