Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều




Đề tài : Thiết kế nguồn mạ một chiều có các tham số sau


Phơng 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.
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 nớc trên thế giới,
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
1
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
phục vụ một cách đắc lực cho mọi ngành khoa học kỹ thuật sản xuất và đời sống
văn minh con ngời.
Lớp mạ kim loại trên bề mặt các chi tiết máy,dụng cụ sinh hoạt, phơng 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 đợc 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 nớc phát triển mà ngay trong nớc ta kỹ thuật mạ
đã có nhng bớc phát triển nhảy vọt, thoả mãn yêu cầu kỹ thuật trong sản xuất
cung nh 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 lợng mạ và hạ giá thành sản
phẩm, chống ô nhiễm môI trờng.
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 tng bớc
tiếp cận môn học. Để có thể lắm vững lý thuyết đẻ áp dụng vào thực tế, ở học kỳ
này em đợc 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 cha 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 :

Chơng 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, trớc hết ta cần phải nắm rõ một số kháI niệm

cũng nh các thiết bị có liên quan đến quá trình mạ bằng điện phân.
Ta dựa vào sơ đồ điện phân nh sau:

Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
2
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
Sơ đồ trên là mô hình dùng trong phạm vi nhỏ nh 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 nh : pin, ắc qui, máy phát điện một chiều, bộ biến
đổi. Ngày nay đợc dùng phổ biến nhất là bộ biến đổi. Bộ biến đổi cho quá trình
điện phân có điện áp ra thấp : 3V, 6V, 12V, 24V Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà
chọn điện áp ra cho phù hợp. Một bộ biến đổi có thể lấy ra một số điện áp cần
thiết cho một số qui trình.
VD : Mạ niken thờng dùng điện áp 6V hay 12V. Để mạ Crôm dùng 12V.
Để đánh bóng điện hóa nhôm thờng dùng điện áp 12 24V.
2. Anốt :là điện cực nối vơí cực dơng của nguồn điện một chiều. Trớc 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 đợc dùng tronh các trờng 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 trờng 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 thờng chính là
2
O
hay
2
Cl
.

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 nh :
Mạ niken :
=+
+
NieNi 2
2
Mạ kẽm
=+
+
ZneZn 2
2
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
3
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
Đồng thời với iôn kim loại bị khử,
+
OH
3
cũng bị khử giải phóng ra khí
2
H

theo phản ứng :
OHHeoH
223
22 +=+
+
Khí

2
H
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
2
H
khi
gặp nhiệt độ cao giãn nở mạnh gây ra sự rạn nứt, giòn kim loại) .Ngời ta gọi hiện
tợng này là hiện tợng 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, trớc 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, thờng ngập dới mặt nớc 8
15cm và cách đáy bể khonảg 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp xúc thật
tốt, không để gây ra hiên tợng 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 thờng 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 đợc.
_ Thành phần thứ hai : bao gồm các chất phụ gia
+ Chất làm bóng lớp mạ
+Chất đệm giữ cho pH của dung dịch ổn định
+Chất giảm sức căng nội tại đảm bảo lớp mạ không bong nứt
+Chất san bằng đảm bảo cho lớp mạ đồng đều hơn
+Chất làm tăng độ dẫn điện cho lớp mạ đồng đều hơn
+Chất chống thụ động hóa anốt nhằm ổn định mạ
Một số đặc điểm dung dịch mạ :
_ Dung dịch mạ cần phải có độ đẫn điện cao. Độ đẫn điện của dung dịch

không những chỉ giảm đợc tổn thấtđiện trong quá trình mạ mà còn làm cho lớp
mạ đồng đều hơn.
_ Mỗi dung dịch cho lớp mạ có chất lợng 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 lợng 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 vợt 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 thờng cho lớp mạ có chất lợng
tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu đợc từ nuối đơn. VD lớp mạ thu đợc từ dung
dịch
2
4
)(CNZn
hoặc
2
3
)(CNZn
tốt hơn lớp mạ thu đợc từ dung dịch muối
4

CuSO
.
5. Bể điện phân : làm từ vật liệu cách điện, bền hóa học, bền nhiệt. Thành và
mặt trong của bể thờng đợc lót bằng chất dẻo có độ bền hóa học, bền nhiệt. Lớp
chất dẻo lót phải kín tuyệt đối, nớc không thấm qua đợc. Mặt ngoài sơn nhiều lớp
chống gỉ. Bể mạ thờng có dạng hình chữ nhật, điều này giúp cho lớp mạ đợc phân
bố đều hơn bể có hình dạng khác. Có nhiều bể mạ nh 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 trớc khi
mạ.Yêu cầu bề mặt trớc khi mạ :
- Trớc khi mạ vật cần mạ đợc 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 trớc 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 nh
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
4
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
vậy lớp mạ thu đợc mới có độ bóng tốt, không sớc, không sần sùi, bóng đều toàn
lớp mạ đồng nhất nh ý.
Phơng pháp gia công bề mặt kim loại trớc khi mạ :
- Phơng pháp gia công cơ khí bao gồm : mài thô, mài tinh, đánh bóng
quay bóng hay sóc bóng trong thùng quay.
- Phơng 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 phơng pháp gia công cho hiệu qủa tốt nhất lại có giá thành rẻ,
đòi hỏi ngời 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 lợng và hình thức lớp mạ. Chất lợng lớp mạ
phụ thuộc một cách cơ bản vào phơng pháp đợc 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.

Chơng II : Lựa chọn phơng 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 lợng lớp mạ thu đợc. 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 phơng án nào :
1. ắc quy : Tong công nghệ mạ điện ắc quy chỉ đợc sử dụng trong phòng thí
nghiệm hay sản xuất ở quy mô nhỏ. Do hạn chế về lợng điện tích lên ắc quy chỉ
dùng để mạ các chi tiết nhỏ, còn với các chi tiết lớn thì không dùng ắc quy đợc.
Đặc biệt khi dòng điện mạ đòi hỏi lớn thì ắc quy không thể đáp ứng đợc. Vì vậy
mà trong công nghệ mạ ngời 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 đợc các nhợc điểm của ắc quy. Máy phát điện một chiều trong
thực tế có thể đợc sử dụng rộng rãi trong quy mô sản xuất lớn. Nhng giá thành
đầu t cho máy phát điện một chiều lớn, cơ cấu điều khiển hoạt động khá phức
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
5
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
tạp .Máy phát điện một chiều với nhiều nhợc điểm : cổ góp mau hỏng; thiết bị
cồng kềnh; làm việc có tiếng ồn lớn. Máy phát điện một chiều cần thờng xuyên
bảo trì sửa chữa. Chính vì các lý do trên lên trong công nghiệp ngời ta không dùng
máy phát điện một chiều.
3. Bộ biến đổi :

Hiện nay trong công nghiệp thì dòng điện xoay chiều đợc 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 đợc nhiều
thành tựu. Chính vì vậy các bộ biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một
chiều ngày càng đợc sử dụng nhiều trong các nghành công nghiệp. Ngày nay
trong công nghệ mạ điện thì bộ bién đổi đợc dùng rộng rãi nhất. Các bộ biến đổi
dùng trong quá trình điện phân có thể cho ra các điện áp nh : 3V, 6V, 12V, 24V,
30V, 50v. Tuỳ theo yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện thế cho phù hợp.Bộ biến đổi
với các u điểm : thiết bị gọn nhẹ; tác động nhanh; dễ tự động hóa; dễ điều khiển
và ổn định dòng. Chi phí đầu t 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 đợc hơn cả về mặt kinh tế cũng nh các tiêu chuẩn kỹ thuật. Vậy
quyết định phơng án là dùng bộ biến đổi.
Với mạch chỉnh lu(không dùng mạch chỉnh lu ) có rất nhiều : chỉnh lu một
pha, chỉnh lu ba pha, chỉnh lu không điều khiển, chỉnh lu có điều khiển Trong
yêu cầu của đồ án là thiết kế nguồn
mạ điện áp thấp và dòng khá lớn. Trớc hết ta xét trờng hợp chỉnh lu có điều
khiển, sau đó ta có thể xét trờng hợp chỉnh lu điốt không điều khiển với góc điều
khiển
0
=

.
Các phơng án khả thi :
+ Chỉnh lu cầu một pha
+ Chỉnh lu cầu ba pha
+ chỉnh lu sáu pha có cuộn kháng cân bằng
Phơng án 1 : Chỉnh lu cầu một pha

Sơ đồ nguyên lý chỉnh lu cầu một pha

a.Khi tải thuần trở R :
Với

sin2
22
Uu =
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
6
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
_ Khi

=
: cho xung điều khiển mở T1, T2 và
2
UU
d
=
, hai tiristor sẽ
khoá khi
0
2
=u
_khi

+=
, cho xung điều khiển mở T3, T4 và
2
UU
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
d
d
=
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
d
i
sẽ là dòng liên tục.
- Phơng trình mạch tải :





d
d
XRidU
d
i
d
+=.sin2
2




+

=

++
d
I
dd
di
X
di
R
dU






.sin2
1
2



cos
22
2

=
U
U
d
Dạng sóng cơ bản :
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
7
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
c. Ưu nhợc điểm của sơ đồ :
Ưu điểm : điện áp ngợc đặt lên mỗi van trong sơ đồ nhỏ
Nhợc điểm : không dùng đợc cho tải có công suất lớn, nếu dùng gây ra
hiện tợng công suất bij lệch pha. Sơ đồ chỉnh lu 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 lu cao và dòng tải
nhỏ.
Phơng án 2 : Chỉnh lu cầu ba pha đối xứng
a)Sơ đồ nguyên lý :

G

F
T5
T6
T4
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
2
UU
a
=
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
8
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều

)
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

+

==
6

2
cho xung điều khiển mơ T1. Tiristor này mở vì
0>
a
U
.
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
b
U
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

đợc lần lợt đa 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 trớc nó, nh 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

Dạng sóng cơ bản
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
9
d
u
1
T
i

2
T
i
3
T
i
6
T
i

5
T
i
4
T
i
d
i
d
I
0
0
0
0
0
0
0
0









Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
Đờng bao phía trên biẻu diễn điện thế điểm F
Đờng bao phía dới biểu diễn điện thế điểm G

Điện áp trên mạch tải :
GFd
UUU =
là khoảng cách thẳng đứng giữa hai
đờng bao




cos
63
.sin2
2
6
2
6
5
6
2

=

=

+

+

U
dUU

d


Giá trị điện áp ngợc lớn nhất trên mỗi van :
22max
45,26 UUU
ng
==
Dòng điện trung bình chạy qua van
3
d
T
I
I ==

c)Ưu nhợc điểm của sơ đồ :
+ u điểm :
- số xung áp chỉnh lu trong 1 chu kỳ lớn, vì vậy độ đập mạch của
điện áp chỉnh lu thấp, chất lợng điện áp cao.
- không làm lệch pha lới điện.
+ Nhợc 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 lu đòi hỏi độ bằng phẳng.
Do dòng tải dùng trong mạ điện có tụi số lớn, nên không áp dụng đợc phơng
pháp này, vì các van không chịu đợc dòng tải lớn.
Phơng án 3 : Chỉnh lu 6 pha có cuộn kháng cân bằng
a.Sơ đồ nguyên lý
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
10

Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
Sơ đồ chỉnh lu 6 pha có cuộn kháng cân bằng, đợc biểu diễn nh trên sơ đồ,
bao gồm máy biến áp động lực, có cuộn kháng cân bằng
cb
C
, 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 nh nhau nhng có cực tính ngợc nhau. Hệ
thống dây cuốn thứ cấp máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt P và Q. P, Q đợc
nối với nhau qua cuộn kháng cân bằng.
Cuộn kháng cân bằng có cấu tạo nh máy biến áp tự ngẫu. Điện áp chỉnh lu
trung bình trong sơ đồ có giá trị nh trung bình cộng của điện áp đầu ra của hai
chỉnh lu tia 3 pha, nghĩa là :

2
2
17,1
2
63
U
U
U
d
=

=

Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng có thể coi dòng tải là phẳng hoàn toàn.
Nh 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 :
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
11
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
Dạng điện áp chỉnh lu U
d
và điện áp trên cuộn kháng cân bằng
c)u nhợc điểm của sơ đồ :
_ u 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.
_ Nhợc 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 u nhợc điểm của phơng 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 lu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng.


Chơng III : TíNH CHọN MạCH LựC
Qua phân tích ở trên ta chọn phơng án chỉnh lu 6 pha có cuộn kháng cân
bằng để xây dựng nguồn mạ. Nhng phơng án này có nhợc 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.
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
12
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
Chỉnh lu 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 phơng án điều chỉnh
1> Điều chỉnh sơ cấp :
Sơ đồ :
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. Nh vậy khi muốn điều chỉnh điện áp ra trên tải
ta phải điều chỉnh gián tiếp. Điện áp ra tải chất lợng thấp. Mặt khác tuy chọn
van dễ nhng lại tốn van.
Vì vậy phơng án này không khả thi.
2> Điều chỉnh thứ cấp :

Sơ đồ gồm 6 tiristor đợc bố trí nh hình vẽ

Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
13
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
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
0
90=

. Phơng án
này đã khắc phục đợc những nhợc điểm của điều chỉnh sơ cấp.
Cuối cùng, chọn phơng án điều chỉnh 6 pha cuộn kháng cân bằng điều
chỉnh thứ cấp.
Sơ đồ nguyên lý mạch lực nguồn mạ một chiều nh sau :
Sơ đồ gồm :
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
14
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
+ 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 lu 6 pha có cuộn kháng cân bằng ta có :


cos.
2
63
2

=
U
U
do
, chọn
0
40=

suy ra
)(8,15

40cos6.3
15.2
cos.6.3
.2
2
V
U
U
do
=

=

=

Chọn
)(16
2
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
1500.4,0
4,0
1
A
k
I
I
d
===
2. Tính toán mạch từ :
Chọn mạch từ 3 trụ tiết diện mỗi trụ đợc 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)
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
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
15
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
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.
4
10

=4,4.50.1.80.
4
10

=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
== W
U

U
W
(vòng) Lấy tròn là 9 vòng
Hai cuộn dây thứ cấp đợc cuốn trên cùng một pha : 9 0 9
* Chọn mật độ dòng điện :
2
21
/5,2 mmAJJ ==
* Tiết diện dây dẫn sơ cấp :

)(10
5,2
25
2
1
1
1
mm
J
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
mm
I
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
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
16
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
4.Tính toán kích thớc mạch từ :
Dùng thép 330 dày 0,35 mm cắt theo hình chữ I và xếp nh hình vẽ
Kích thớc 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 trờng xung quanh nhiệt lợng đợc truyền vào môI trờng.
Nếu nhiệt độ của van vợt quá giới hạn cho phép sẽ phá hủy van, vì vậy làm mát
cho van là một vấn đề rất quan trọng. Thông thờng van đợc gắn lên một cánh tản
nhiệt với thông số phù hợp. Có các biện pháp làm mát thờng gặp :
+ Làm mát tự nhiên : chỉ dựa vào sự đối lu không khí xung quanh van, hiệu
suất làm việc của van thấp chỉ khoảng 25%.
+ Làm mát bằng gió cỡng bức : tạo luồng không khí với tốc độ lớn qua van
để đẩy nhanh qúa trình truyền nhiệt của van vào không khí, hiệu suất làm việc của
van là 35%

+ Làm mát bằng nớc : van đợc gắn thêm tấm đồng rỗng cho nớc chảy qua.
Đây là biện pháp làm mát rất hiệu quả hiệu suất làm việc của van đạt đến 90%,
nhng hệ thống làm mát phức tạp chỉ phù hợp với yêu cầu công suất lớn và có
nguồn nớc tại vị trí lắp đặt thiết bị.
Qua phân tích trên ta chọn làm mát bằng thông gió có quạt cỡng bức với
hiệu suất làm việc của van là 35%.
Dòng trung bình qua van là :
)(250
6
1500
6
A
I
I
d
v
==
Điện áp ngợc lớn nhất dặt lên van :
)(636,1.16.66,1.6
2max
VUU
ng
===
Với: hệ số dự trữ điện áp là
6,1=
u
k
hệ số dự trữ dòng điện
2,1=
i

k
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 :

)(1000
max
AI =


)(100
max
VU

)(1 VU =
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
17
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều

)(8
)(4,0
VU
AI

G
G
=
=

sT
off
à
150=

sA
dt
di
sV
dt
du
à
à
/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 đợc chia làm hai loại :
+ Nguyên nhân nội tại : Khi khoá tiristor bằng điện áp ngợc các điện tích
đổi ngợc hành trình tạo ra dòng điện ngợc 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 đờng 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 thờng xảy ra ngẫu
nhiên nh 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 lợng từ trờng tích luỹ trong
lõi sắt từ chuyển thành năng lợng 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 ngời ta thờng dùng mạch RC xem hình sau :
Tính RC bảo vệ quá áp do tụ tích điện gây nên, hình trên
impdmp
UU ,
là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngợc 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 ngợc đặt trên
tiristor một cách không chu kỳ, cho trong sổ tay tra cứu.
im
U
là giá trị cực đại của điện áp ngợc 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 bớc tính toán :
+ Xác đinh hệ số qúa điện áp theo công thức
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
18
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều


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 lợng tích tụ Q=f(di/dt), sử dụng các đờng cong trong sổ tay tra
cứu
+ Tính các thông số trung gian

im
U
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
à
III> Tính cuộn kháng cân bằng :


dmck
PP 05,0=

dck
PS 5,0=
Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng :

cb
dm
ocb
L
U
i
.
.19,0
2

=

suy ra :
ocb
dm
cb
i
U
L
.
.19,0
2


=


)(750
2
1500
2
A
i
i
t
cb
===
)(1502,0.750%20 Aii
cbocb
===
)(16
2
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
cb
L
ta có :
)(10.15,2
150.942
16.19,0
.
.19,0
5
2
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
252
4

===

Để tính các kích thớc của cuộn kháng cân bằng tàI liệu hớng 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
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
19
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
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
===

à
à
là hệ số phụ theo tàI liệu lấy
à
= 52

Chơng IV : Thiết kế mạch điều khiển
Xây dựng mạch điều khiển để đảm bảo cho mạch lực hoạt động tốt trong mọi
trờng 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
+ Sờn xung ngắn
st

s
à
15,0 ữ=
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
20
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
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 th-
ờng đợc sử dụng nh 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 lới.
6. Không gây nhiễu đối với các hệ thống điều khiển điện tử khác ở xung quanh.
7. Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng và báo hiệu khi có sự cố.
II. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống điều khiển .

Khâu đồng pha có nhiệm vụ tạo ra điện áp tựa đồng bộ với điện áp lới.
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 đa đến điều khiển thyistor trong mạch lực.
Trong thực tế ngời ta thờng 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 dơng của điện áp đặt trên tiristor.
III. Giới thiệu các phân tử cơ bản đợc dùng trong mạch điều khiển :

1. Khuyếch đại thuật toán :
KĐTT là phần tử cơ bản đợc sử dụng rộnh rãI trong các mạch điện tủ với chức
năng xử lý các tín hiệu tơng tự .
Khuyếch đại thuật toán có kí hiệu nh sau :
2. Một số ứng dụng của khuyếch đại thuật toán :
a. Mạch khuyếch đại đảo : sơ đồ nh sau
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
21
SS
BAX
U
dk
Ur
1 2 3 4
T
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều

Ta có :
io
U
R
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)( >
i
U
thì U3 sẽ bão hoà ở Un
Nếu
0)( <
i
U

thì U3 sẽ bão hoà ở +Un
c. Mạch so sánh hai cổng :

Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
22
§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt ThiÕt kÕ nguån m¹ mét chiÒu
NÕu : U1>U2 th× U3 = -Un
NÕu : U1<U2 th× U3= +Un
d. M¹ch t¹o tÝn hiÖu r¨ng ca :
* Dïng nguån dßng transistor :
* Dïng khuyÕch ®¹i thuËt to¸n :
Nhãm 4 – Líp T§H1 – K45
23
Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
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 W
2-1
qua cầu chỉnh lu hai nửa chu kì D
1
và D
2
điện áp tại điểm (I)
U
1
là điện áp một chièu hình sin lấy phần dơng và đặt vào cửa đảo của thuật toán
A
1
tại đây so sánh với điện áp U đặt đợc đa vào cửa cộng của A

1
Nếu U
r
<U
đ
thì U
ra
trên OA
1
là điện áp dơng điốt D
11
mở lúc này tụ C
8
đợc
phóng điện từ C
8
đến R
5
-> D
11
qua OA
1
về âm nguồn .
Do sự đóng mở của D
11
làm trên tụ C
8
phóng nạp tạo ra trên (III) một điện áp
hình răng ca . Độ dốc của răng ca có thể thay đổi qua triết áp VR
2

. Do đó điốt
zơle (D
z
) nên diện áp trên tụ max khi nạp luôn bằng điện áp ngỡng trên điốt zơle.
Điện áp răng ca đợc đa vào cửa đảo của OA
7
và so sánh với điện áp điều khiển.
Điện áp điều khiển này đợc lấy từ điện áp phản hồi đa 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 đa vào cửa cộng của khâu so sánh . Nếu U
rc
>U
đh
thì đầu ra của OA
3
là
xung âm. Nếu U
rc
<U
đk
thì đầu ra của OA
3
là xung dơng Khi đó bộ phát xung
chùm dới sự phóng nạp của tụ C
9
tạo ra chuỗi xung hình chữ nhật. Vì tín hiệu ra
nhỏ đợc khuếch đại qua đèn T
s
, xung qua điốt Đ

13
chỉ giữ lại phần âm đợc trộn lẫn
với xung ra từ khâu so sánh A
3
tạo thành từng chùm xung dơng. Nhng tín hiệu
xung vẫn cha đủ lớn để kích mở Tiristo do đó đợc đa qua bộ khuếch đại xung. Các
transisto mắc theo kiểu Dalingtơn. Xung dơng đợc đặt vào bazơ của T
1
làm T
1
mở
và T
2
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 T
1
vàT
2
bị khoá, điện áp trên biến áp
xung giảm đột ngột, cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng
ngợc dấu lúc đó điốt D
15
và D
19
thông dập tắt sức điện động để bảo vệ các
transistor.
B. Tính toán các khâu của mạch điều khiển
1. Tính toán khối đồng pha
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
24

Đồ án điện tử công suất Thiết kế nguồn mạ một chiều
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 đợc hạ áp. Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0, nửa chu kỳ đầu điện áp dơng đặt
trên D
1
, D
1
sẽ thông và D
2
sẽ bị khoá, nửa chu kỳ sau tại thời điểm t
2
= điện áp
xoay đảo dấu và thế dơng đợc đặt vào anốt D
2
, D
2
sẽ thông và D
1
bị khoá. Vậy điện
áp trên điểm (I) là điện áp xoay chiều đơc đa qua chỉnh lu thành điện áp một
chiều nửa hình sin.
Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp tại (I) đợc đa vào cửa âm của khâu
so sánh OA
1
. Điện áp đợc đa vào cửa dơng của OA
1
là điện áp một chiều phẳng
Uđ có giá trị :U

imin
<Uđ< U
Imax
. Khi điện áp đặt vào cửa âm của OA
1
lớn hơn điện
áp Uđ trên cửa dơng của OA
1
thì tại cửa ra của OA một điện áp dơng. Còn khi điện
áp trên cửa âm của OA
1
nhỏ hơn điện áp trên cửa dơng thì điện áp ra của OA
1
sẽ
là một điện áp âm. Nh vậy OA
1
có nhiệm vụ so sánh điện áp nửa hình sin của U
1
với Uđ trên cửa đảo và tạo ra trên đầu ra một điện áp dơng, âm liên tiếp dạng
xung vuông nh hình vẽ ở dới đây.
Tính toán khối đồng pha:
Chọn góc duy trì và thoát năng lợng =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)
Nhóm 4 Lớp TĐH1 K45
25