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

+Hiệu điện thế :6 – 12 V
+Dòng tải Max :10000A
+ 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
Thiết kế nguồn mạ một chiều hiệu điện thế 6 – 12 V, Dòng tải Max
10000A và không Đảo chiều
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, 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

cho quá trình điện phân có điện áp ra thấp : 3V, 6V, 12V, 24V… Tuỳ theo
yêu cầu kỹ thuật mà chọn điện áp ra cho phù hợp. Một bộ biến đổi có thể lấy
ra một số điện áp cần thiết cho một số qui trình.
VD : Mạ niken thường dùng điện áp 6V hay 12V. Để mạ Crôm dùng
12V. Để đánh bóng điện hóa nhôm thờng dùng điện áp 12 – 24V.
2. Anốt :là điện cực nối vơí cực dơng 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 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

ZneZn 2
2
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 n-
ớc 8 – 15cm và cách đáy bể khonảg 15cm. Các chỗ nối phải đảm bảo tiếp

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 l-
ợng tốt hơn lớp mạ từ chính kim loại thu đợc từ nuối đơn. VD lớp mạ thu đ-
ợc 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 :

1. ắc quy : Trong 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 nhược 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 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 lưu ( không dùng mạc chỉnh lưu ) có rất nhiều : chỉnh

, hai
tiristor sẽ khoá khi
0
2
=
u
_khi
αθ
+Π=
, 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
αθθ
α
+
Π
=
Π
=
∫

∫
Π
θθ
α
Dạng sóng cơ bản :
b. Tải RL
- Khi L đủ lớn thì dòng điện
d
i
sẽ là dòng liên tục.
- Phơng trình mạch tải :θ
θθ
d
d
XRidU
d
i
d
+=
.sin2
2∫∫∫
Π
+
Π

Dạng sóng cơ bản :
C . Ưu nhược 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 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

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 :

θ

bGcF
VVVV
==
,
+ Khi
αθθ
+
Π
==
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
αθθ
+
Π
==

2
= 3π/6 + α
θ
3
= 5π/6 + α
θ
4
= 7π/6 + α
θ
5
= 9π/6 + α
θ
6
= 11π/6 + α
T2
T3
T4
T5
T6
T6
T1
T2
T3
T4

Dạng sóng cơ bản
d
u
1
T

θ
θ
θ
θ
θ
θ
θ
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

αθθ
α
α
cos
63
.sin2
2
6
2
6
5
6
2
Π

- 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 lưu 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.
Phương án 3 :Chỉnh lưu 6 pha có cuộn cảm cân bằng
a. Sơ đồ nguyên lí

Sơ đồ chỉnh lưu 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
lưu trung bình trong sơ đồ có giá trị nh trung bình cộng của điện áp đầu ra
của hai chỉnh lưu tia 3 pha, nghĩa là :

2
2
17,1
2
63
U

+ 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 quá lớn, căn cứ vào u nhợc điểm của phơng án này, ta thấy
dòng qua van nhỏ trung binh 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 bằn .

CHƯƠNG III: TÍNH CHỌN MẠCH LỰC
Qua phân tích ở trên ta chọn phơng án chỉnh lưu 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 dung 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 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.

∑
∆+=
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
=+=++=∆
∑


=
α
suy ra
)(8,15
40cos6.3
15.2
cos.6.3
.2
2
V
U
U
do
=
Π
=
Π
=
α
Chọn
)(16
2
VU
=
* Tỷ số máy biến áp
75,23
16
380
2
1


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
b: là bề dày của trụ
Để đảm bảo mỹ thuật ta chọn a/b =1,25
Vậy từ



=
=
25,1/
.
ba

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
===


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

VU

)(1 VU
=∆

)(8
)(4,0
VU
AI
G
G
=
=

sT
off
µ
150
=

sA
dt
di
sV
dt
du
µ
µ
/50
/100

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

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

=
80
25,0
R
FC
µ
III> Tính cuộn kháng cân bằng :

dmck
PP 05,0
=

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

cb
dm
ocb
L
U
i
.
.19,0
2
ω
=

suy ra :

=
f
Π=
2
ω
; Với f là tần số cuộn kháng,
)(150.3 hzff
l
==
vậy
)/(942150.14,3.22 sradf
==Π=
ω
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