Đồ án Đề Tài:Thiết kế nguồn mạ một
chiều có đảo chiều
dòng mạ.
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

1
Đề tài:
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng mạ.
Thời gian thuận : 50
÷
200 (s)
Thời gian ngược : 5
÷
20 (s)
Nguồn mạ làm việc theo nguyên tắc giữ dòng điện mạ không đổi trong quá
trình mạ. Mạch phải có khâu bảo vệ chống chạm điện cực (bảo vệ ngắn mạch).



III.1. Tính chọn van lực ................................................................................... 14

III.1.1. Đặc điểm chung ............................................................................... 14

III.1.2. Các thông số của Thyristor ............................................................. 14

III.1.3. Chọn Thyristor ................................................................................ 15

III.2. Tính toán máy biến áp (MBA) lực ......................................................... 15

III.2.1. Tính toán sơ bộ mạch từ MBA ........................................................ 16

III.2.2. Tính toán dây quấn .......................................................................... 17

III.2.3. Tiết diện cửa sổ MBA ...................................................................... 18

III.2.4. Kết cấu dây quấn MBA ................................................................... 19

III.2.5. Tính các thông số của MBA ............................................................ 21

III.3. Thiết kế cuộn kháng lọc ......................................................................... 23

III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại ............................................... 23

III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc .................................................. 24

III.3.3.Thiết kế cuộn kháng lọc.................................................................... 25

III.4. Tính chọn các thiết bị bảo vệ ................................................................. 27

IV.3.2. Khâu tạo điện áp răng cưa .............................................................. 38

Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

4
IV.3.3. Khâu so sánh ................................................................................... 39

IV.3.4.Khâu dạng xung ................................................................................ 41

IV.3.5. Khâu khuếch đại xung và biến áp xung .......................................... 41

IV.3.6.Khối nguồn ....................................................................................... 45

IV.3.7. Khâu phản hồi: ................................................................................ 47

IV.3.8. Chọn các linh kiện bán dẫn ............................................................. 48


nhiệt, phản quang, dễ hàn, làm bóng đồ trang sức… Về nguyên tắc, vật liệu n
ền
có thể là kim loại, hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo gốm sứ hoặc composit. Lớp
mạ cũng vậy, ngoài kim loại và hợp kim ra nó còn có thể là composit của kim
loại - chất dẻo hoặc kim loại – gốm…Tuy nhiên việc chọn vật liệu nền và mạ
còn tuỳ thuộc vào trình độ, năng lực công nghệ mạ, tính chất cần có ở lớp mạ và
giá thành chi tiết mạ.
Ngày nay thường sử dụng quá trình mạ
điện bằng điện phân theo sơ đồ như
hình I.1

Hình I.1: Sơ đồ bình điện phân I.2. Các thành phần chính trong mạ điện phân
Mạ điện phân gồm các thành phần cơ bản sau:
I.2.1. Nguồn một chiều:
Bể điện phân
Hình I.1. Sơ đồ nguyên lý mạ điện phân
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

6
Thiết kế bộ nguồn cho tải mạ điện, thì sau khi tìm hiểu về công nghệ mạ,

↓

Các nguyên tử kim loại mạ được sinh ra tạo thành lớp kim loại bám lên trên bề
mặt catôt gọi là lớp mạ.
*Yêu cầu kỹ thuật
:
Để đảm bảo chất lượng của lớp mạ thì trước khi thực hiện quá trình mạ
điện cần phải quan tâm tới độ sạch và độ bóng của bề mặt chi tiết cần mạ.
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

7
-Độ sạch của bề mặt chi tiết cần mạ càng cao thì các nguyên tử kim loại
mạ càng có khả năng liên kết trực tiếp với mạng tinh thể kim loại của chi tiết để
đạt được độ gắn bám cao nhất giữa lớp mạ và chi tiết cần mạ.
-Độ nhẵn của bề mặt chi tiết cần mạ ảnh hưởng rất lớn đến độ nhẵn bóng
và vẻ đẹp của lớp mạ. Nếu bề mặt nền nhám, xước quá thì phân bố điện thế và
mật độ dòng điện sẽ không đều. Bề mặt chi tiết sau mạ có thể có chỗ lõm, chỗ
lồi, hoặc xuất hiện rãnh sâu...
Vậy để lớp mạ bám chặt vào bề mặt chi tiết và lớp mạ đều hơn, bóng hơn,
chất lượng lớp mạ cao,…thì catôt c
ần phải được gia công bề mặt nhẵn bóng,
sạch lớp bụi, lớp rỉ…trước khi đưa vào mạ.
Catôt sau khi được đánh bóng, sạch cần phải nhúng gập trong dung dịch
điện phân, không sát đáy bể điện phân.
Chỗ nối catốt với nguồn một chiều phải đảm bảo tiếp xúc tốt, không gây
hiện tượng phóng điện trong quá trình điện phân. Tuyệt đối không được để
chạm
trực tiếp giữa catôt và anot khi đã nối mạch điện.
I.2.4. Dung dịch điện phân:

-Dung dich mạ phải có độ dẫn điện cao để giảm tổn thất điện trong quá
trình mạ đồng thời làm cho lớp mạ đòng đều hơn.
-Trong dung dịch mạ thì mật độ dòng điện là đại lượng gây ra sự phân cực
điện cực. Trong quá trình mạ, mật độ dòng điện là yếu tố quan trọng nhất có ảnh
hưởng đến chất lượng c
ủa lớp mạ. Mật độ dòng điện cao làm cho quá trình phân
cực nhanh làm cho lớp mạ mịn, sít chặt và đồng đều vì khi đó các nguyên tử kim
loại mạ được sinh ra rất nhanh.
Nhưng nếu mật độ dòng điện quá cao thì có thể lớp mạ sẽ bị cháy. Ngược
lại nếu mật độ dòng điện quá thấp thì tốc độ mạ sẽ chậm và kết tủa thô, không
đều làm lớp mạ
kém chất lượng.
Vì vậy mỗi dung dịch mạ chỉ cho lớp mạ có chất lượng mạ cao trong một
khoảng mật độ dòng điện nhất định. Tuỳ theo yêu cầu và đặc thù của các chi tiết
cần mạ mà chọn dung dịch mạ có mật độ dòng điện phù hợp.
-Mỗi dung dịch mạ sẽ cho chất lượng lớp mạ tốt trong một khoảng nhiệt
độ và
độ pH và nhất định.
I.2.5. Bể điện phân
Bể điện phân làm bằng vật liệu cách điện, bền về hoá học, nhiệt độ, và
không thấm nước.
I.3.Mạ có đảo chiều dòng mạ.
Thông thường để thực hiện mạ ta dùng dòng điện không đảo chiều cấp vào
anôt và catôt. Nhưng trong một số trường hợp mạ đặc biệt, mạ đồ trang sức bằng
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

9
các kim loại quí như: vàng, bạch kim…hay các sản phẩm yêu cầu chất lượng
cao, nền mạ khó bám…thì người ta dùng dòng mạ có đảo chiều.

a
thì vật vẫn được mạ. Khi lớp
mạ bị hòa tan bởi điện lượng I
a
. t
a
, thì chính những đỉnh nhọn, gai, khuyết tật ...
là những chỗ hoạt động anôt mạnh nhất nên tan nhanh nhất, kết quả là thu được
lớp mạ nhẵn, hoàn hảo hơn. Tuỳ từng dung dịch mà chọn tỷ lệ t
c
: t
a
cho hợp lý
(5:1 đến10:1)và T thường từ 5:10s. Với yêu cầu cụ thể trong đồ án này thì tỷ lệ
t
c
: t
a
luôn không đổi là 10:1.
Phương pháp này có thể dùng được mật độ dòng điện lớn hơn khi dùng
dòng điện một chiều thông thường. Mạ đảo chiều làm tăng cường quá trình mạ
mà vẫn thu được lớp mạ tốt.
I.4.Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng lớp mạ

Chất lượng mạ một chiều được qui định bởi các yếu tố sau: độ bám chặt, độ
bóng, độ dày lớp mạ... Chế độ dòng điện cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng
lớp mạ.
t
c


Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

11
Chương II:
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP CHO NGUỒN MẠ MỘT CHIỀU
II.1. Tổng quan chung
Trong công nghệ mạ điện thì nguồn mạ một chiều là yếu tố hết sức quan
trọng, có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình trình mạ và chất lượng lớp mạ thu

d
= 6
÷
12 (V)
Dòng tải max : I
d
=100(A)
Thời gian thuận : 50
÷
200 (s)
Thời gian ngược : 5
÷
20 (s)
Tức điện áp tải thấp, công suất trung bình và dòng lớn. Qua phân tích trên thì
nên chọn chỉnh lưu hình tia hai pha làm nguồn mạ một chiều.
Sơ đồ nguyên lý của chỉnh lưu tia hai pha có dạng như hình II.1:

Trong sơ đồ chỉnh lưu hình tia hai pha có:
+ Một máy biến áp hạ áp một pha hai cuộn thứ cấp có điểm trung tính.
-Sơ cấp biến áp có điện áp U
1
là điện áp lưới xoay chiều 220V, với số vòng
dây là W
1

U
22
u
21
u
22
u
d
θ
i
d
0

0
θ
I
d
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

13 Nửa chu kỳ đầu giả sử điện áp u
21
dương hơn u
22

nhưng chưa dẫn ngay cho tới thời điểm
θ
=
γπ
+
+
α
thì đưa xung vào mở T
2
, T
2

bắt đầu dẫn. Khi đó điện áp của chỉnh lưu có dạng điện áp u
22
như hình II.2. Khi
u
22
= 0 thì T
2
vẫn dẫn cho tới khi T
1
được mở trở lại.
Như vậy điện áp ra tải sau chỉnh lưu hình tia hai pha có dạng như hình II.2.
Điện áp tải có tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều (f
đm
= 2f
1
).

Khi dòng điện, điện áp tải liên tục: U

d Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

14

ChươngIII
THIẾT KẾ MẠCH LỰC
III.1. Tính chọn van lực
III.1.1. Đặc điểm chung
Việc tính chọn van cho mạch lực dựa vào các thông số: điện áp làm việc,
dòng điện tải, dòng trung bình qua van hay dòng điện làm việc cực đại của van
trong sơ đồ đã chọn, điều kiện tản nhiệt.
• Loại van nào có sụt áp ΔU nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn.
• Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì ch
ất lượng tốt hơn.
• Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt
hơn.
• Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất

22
; k
u
=
π
22
)

Chọn hệ số dự trữ điện áp: k
dt
=1,6
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

15
Điện áp ngược của van cần chọn: U
nmax
= k
dt
. U
ng
= 1,6 . 37,67 = 60,3(V)
-Dòng trung bình qua Thyristor
: I
tb
=
)A(50
2
100
2

Dòng điện định mức của van : I
lvmax
= 150(A)
Dòng điện đỉnh cực đại : I
pic max
= 4000(A)
Dòng điện của xung điều khiển : I
g max
=150mA
Điện áp của xung điều khiển : U
g max
= 2,5(V)
Dòng điện rò : I
r
= 22mA
Sụt áp lớn nhất của Thyristor ở trạng thái dẫn:
Δ
U = 1,7(V)
Tốc độ biến thiên điện áp :
)s/V(200
dt
du
=

Tốc độ biến thiên dòng điện :
sμ100A/
d
t
di
=

α
= U
d
+
badnv
UUU Δ+Δ+Δ

Trong đó:
min
α
=10
0
– là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp

v
U
Δ
=1,7 (V) - sụt áp trên Thyristor

)V(0U
dn
=Δ
- là sụt áp trên dây nối
UxUU
Rba
Δ+Δ=Δ
- sụt áp trên điện trở và điện kháng
ba
UΔ
=(5 )10÷ % U

22
52,14
.
22
U
0d
=π=π

+ Công suất MBA khi không tải: P
do
=I
d
.U
d0
= 100.16,13 = 1613(V)
+ Công suất biểu kiến của MBA khi không tải: S
0
=k
s
.P
d0
=1,48.1613=2387(VA)
+ Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA: I
2
=
)A(71,70
2
100
2
I

là hệ số phụ thược phương thức làm mát
k
Q
=54 ÷ với MBA dầu
k
Q
=65 ÷ với MBA khô, Chọn k
Q
=6
m- Số trụ của MBA, m=1
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

17
→
Q
Fe
=6.
)cm(46,41
50.1
2387
2
=

Do S
ba
=2387VA<10kVA nên ta chọn trụ hình chữ nhật với chiều rộng trụ
là a(cm) chiều dày trụ là b(cm)
→
Q

III.2.2. Tính toán dây quấn
- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp MBA:
3,217
1,1.10.46,41.50.44,4
220
B.Q.f.44,4
U
W
4
Fe1
1
1
===
−
(vòng)
Chọn W
1
= 217(vòng)
- Số vòng dây mỗi pha thứ cấp MBA:
16217.
220
13,16
W.
U
U
W
1
1
2
2

=
π
=
π

Chọn dây dẫn tiết diện hình tròn, cách điện cấp B chuẩn hoá tiết diện theo tiêu
chuẩn: S
1
= 1,9113(mm
2

).
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

18
-Kích thước dây có kể cách điện
: S
cđ1
=
14,265,1.
4
d.
4
2
2
cd
=
π
=


Chọn dây dẫn tiết diện chữ nhật, cách điện cấp B . Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu
chuẩn: S
2
= 25,70(mm
2
).

-
Kích thước dây có kể cách điện
: S
2
= a
2
. b
2
= 3,8.6,9=26,22(mm
2
).
Tính lại mật độ độ dòng điện cuộn thứ cấp:
)mm/A(75,2
70,25
71,70
S
I
J
2
2
2
2

Q
cs1
, Q
cs2
là diện tích do cuộn sơ và thứ cấp chiếm chỗ (mm
2
)
W
1
, W
2
là số vòng dây cuộn sơ và thứ cấp MBA
k
lđ
là hệ số lấp đầy, thường k
ld
= 2
÷
3, chọn k
lđ
=2
Q
cs1
= 2.217.2,14=928,76(mm
2
)
Q
cs2
= 2.16.26,22=839,04(mm
2

===
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

19
Chọn: c=21(mm)
h= 4.21= 84(mm)
-Chiều rộng toàn mạch từ
: C=2c+xa
-Chiều cao mạch từ
: H=h+ za
Với MBA một pha thì x=2; z=1
⎩
⎨
⎧
=+=
=+=
→
)(1446084
)(16260.221.2
mmH
mmC

III.2.4. Kết cấu dây quấn MBA
Dây quấn được bố trí theo dọc trục. Cuộn thứ cấp (HA) quấn sát trụ, cuộn
sơ cấp (CA) quấn bên ngoài. Mỗi cuộn dây được quấn thành nhiều lớp dây, mỗi
lớp dây được quấn liên tục, các vòng dây sát nhau. Các lớp dây cách điện với
nhau bằng các bìa cách điện.
•
Kết cấu dây quấn thứ cấp

=→
l
W
(vòng)
-Tính sơ bộ số lớp dây quấn trên cuộn thứ cấp :
45,1
01,11
16
2
2
2
===
l
l
w
w
n
(lớp)
→Chọn n
l2
= 2 lớp.
Vậy cuộn thứ cấp có 16 vòng chia làm 2 lớp, mỗi lớp có 8 vòng.
-Chiều cao thực tế của cuộn thứ cấp :
)mm(11,58
95,0
9,6.8
k
b.W
h
c

-Đường kính ngoài của cuộn thứ cấp:
D
n2
= D
t2
+ 2 .Bd2 = 9 + 2 . 0,78 = 10,56(cm)
-Đường kính trung bình của cuộn thứ cấp :
D
tb2
=
2
DD
2n2t
+
=
2
56,109
+
= 9,78(cm)
-Chiều dài dây quấn thứ cấp :
l
2
= π . W
2
. D
tb2
= π.16.9,78 = 491,6(cm)= 4,916(m)
Chọn l
2
= 5(m)

65,1
3,384
W
1l
=
−
=
(vòng)
-Tính sơ bộ lớp dây ở cuộn sơ cấp:
67,4
46,46
217
w
w
n
11
1
11
=== (lớp)

Chọn lớp n
11
= 5 lớp.
Như vậy cuộn sơ cấp có 217 vòng chia làm 5 lớp , chọn 4 lớp đầu 44 vòng , lớp
thứ 5 có 217 – 4.44 = 41 (vòng)→W
l1
=44(vòng)
-Chiều cao thực tế của cuộn sơ cấp :

)mm(42,76

1
= (d
n
+ cd
11
) . n
11
= (1,65+0,1).5 = 8,75(mm) = 0,875(cm)
-
Đường kính ngoài của cuộn sơ cấp:

D
n1
= D
t1
+ 2 . B
d1
= 12,56 + 2.0,875 = 14,31(cm)
-Đường kính trung bình của cuộn sơ cấp:
D
tb1
= ( D
t1
+ D
n1
) / 2 = (12,56 + 14,31 )/2 = 13,435 (cm)
-Chiều dày dây cuộn sơ cấp:
l
1
= π. W

1
Ω==ρ= (với ρ = 0,02133 Ωmm
2
/m)
-Điện trở cuộn thứ cấp MBA ở 75
0
C:
R
2
= )(00407,0
22,26
5
.02133,0
S
l
2
2
Ω==ρ
-Điện trở MBA quy đổi về thứ cấp:

)(10.03,9)
217
16
.(913,000407,0)
w
w
.(RRR
322
1
2

.)w.(.8X
722
ba
7
21
21
2t
2
2
2
ba
Ω=
+
+π=
π
+
+π=
−
−

Trong đó: r
t2
là bán kính trong dây quấn thứ cấp (cm)
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

22
h- là chiều cao cửa sổ lõi thép (cm)
a
21

=
π
=Δ
-Sụt áp trên MBA:
)V(936,0245,0903,0UUU
22
2
x
2
rba
=+=Δ+Δ=Δ

-Điện áp trên động cơ khi có góc mở
α
min
=10
0
U = U
do
.cosα
min
- ΔUv - ΔU
ba
= 14,52.cos10
0
- 1,7 - 0,936=11,663(V)
-Tổng trở ngắn mạch quy đổi về thứ cấp :

)(012,00077,000903,0XRZ
22

U
I.R
U
2
2ba
nr
===

-Điện áp ngắn mạch phần kháng:
U
nx
=X
ba
%38,3100.
13,16
71,70
.0077,0100.
U
I
2
2
==

-Điện áp ngắn mạch phần trăm:
%2,538,396,3UUU
222
nx
2
nrn
=+=+=

=<=+=
ρ
π−

Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

23
Kiểm tra MBA thiết kế có đủ điện kháng để hạn chế tốc độ biến trên của dòng
điện chuyển mạch .
Giả sử chuyển mạch từ T
1
sang T
2
:

)s/A(100)
d
t
di
()s/A(862,1/
d
t
di
)s/A(10.62,18
10.45,2
13,16.22
L
U.22
)

===
S
IU
dd
η

III.3. Thiết kế cuộn kháng lọc
Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu cũng làm cho dòng điện tải cũng đập
mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều. Với công nghệ mạ điện
thì nó làm cho chất lượng của lớp mạ không cao: lớp mạ không đều, không,
không đạt được các tiêu chuẩn đã đưa ra: bền – bóng- đẹp…
Để hạn chế sự đập mạ
ch này ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng
lọc đủ lớn để I
m
≤ 0,1.I
ưdm
. Ngoài tác dụng hạn chế thành phần sóng hài bậc cao,
cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện gián đoạn .
III.3.1.Xác định góc mở cực tiểu và cực đại
+ Chọn góc mở cực tiểu α
min
=10
0
. Với góc mở α
min
là dữ trữ, ta có thể bù được
sự giảm điện áp lưới.
-Khi góc mở nhỏ nhất:
α = α

24.9,0
6
arccos)
U.9,0
U
arccos(
U
U
arccos ====α
Tống Thị Hiếu - TĐH2- K48 Đồ án môn: Điện tử công suất
Thiết kế nguồn mạ một chiều có đảo chiều dòng điện mạ

24
III.3.2.Xác định điện cảm cuộn kháng lọc
Thông thường khi đánh giá ảnh hưởng của đập mạch dòng điện theo trị
hiệu dụng của sóng hài cơ bản, bởi vì sóng cơ bản chiếm một tỷ lệ vào khoảng
(2%
÷
5%) dòng điện định mức tải.
Mặt khác trong sơ đồ chỉnh lưu thì thành phần sóng cơ bản (k=1) có biên
độ lớn nhất. Biên độ sóng hài bậc càng cao thì càng giảm. Tác dụng của cuộn
kháng lọc với các thành phần sóng hài bậc càng cao thì càng hiệu quả. Do vậy
khi tính điện cảm của cuộn kháng lọc chỉ cần tính theo thành phàn sóng cơ bản
là đủ.
+ Trị số điện cảm của cuộ
n kháng lọc để lọc thành phần dòng điện đập mạch:
dm
*
1
maxbd

công thức:
α+
−
α
=
222
22
max
0d
maxbd
tg.m.k1
1m.k
cos.2
U
U

)V(2887,73tg.2.11
12.1
87,73cos.2
.24.9,0U
222
22
0
maxbd
=+
−
=

)mH(15,3)H(10.46,31
100.10.314.2.2.2