Xem mẫu
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
Đề tài: Thiết kế nguồn điện
phân
1
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ
ĐIỆN PHÂN
1. Vai trò của ngành điện phân.
Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điện phân
chiếm 1 vai trò hết sức quan trọng. Tuyệt đại đa số các kim loại khi luyện hoăc tinh
luyện đều cần thiết dùng phương pháp điện phân.
Luyện kim loại kiềm và kiềm thổ hầu như phải dùng phương pháp điện phân,
vì các kim loại này có ho ạt tính lớn nên khó hoàn nguyên bằng con đường hỏa
luyện. Trong thiên nhiên chúng tồn tại ở dạng muối như NaCl, KCl,… hoặc qua sơ
chế thành NaOH, KOH…, chúng đều là các chất điện ly nên có thể đ iện phân trực
tiếp.
Luyện kim bằng phương pháp điện phân có ưu điểm chính:
+ Có thể luyện được những kim loại mà phương pháp hỏa luyện không thể
luyện đ ược.
+Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng Õit… đem lại hiệu quả kinh
tế cao hơn phương pháp khác.
+Dễ dàng thu hồi kim loại quý lẫn trong quặng.
+Cho sản phẩm kim loại có độ nguyên chất cao.
2. Lý thuyết quá trình điện phân.
a) Hệ thống điện hóa :
b)Dung dịch điện ly.
Dung d ịch điện ly gồm :
+ Thành phần cơ bản: gồm muối và hợp chất chứa ion của kim loại cùng 1 số
hóa chất khác.
+Thành phần phụ gia: chất đệm và chống thụ động Anôt.
2
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
Chức năng của chất đệm là giữ cho thành phần của dung dịch luô n ổn định
khi điện phân, tốc độ của kim loại về Catot cũng nhỏ khi thoát ra cũng phải ổn định.
Đồng thời chất đệm chống thụ động Anot.
Phân loại dung dịch điện ly: có 2 loại chính là:
+ D ung dịch nước
+ D ung dịch muối nóng chảy.
Dựa vào đó cũng có các công nghệ điện phân khác nhau như:
+Điện phân trong dung dịch nước: luyện kẽm, tinh luyện Cu,Ni,Pb…
+ Đ iện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất N hôm, Magie, các kim loại đắt,
hiếm…
c) Một số đặc điểm của dung dịch điên phân:
- Có độ dẫn điện cao giúp giảm tổn thất và làm cho quá trình diễn ra đồng
đều.
- Độ pH phù thuộc chất điện phân.
- Nhiệt độ dung dịch không vượt quá nhiệt độ sôi.
3. Các quá trình điện cực.
Quá trình Anot:
Anot là điện cực nối với cực dương của nguồn điện 1 chiều. K hi điện phân
trên anot xảy ra quá trình điện hóa (oxi hóa) gọi là quá trình Anot và chia làm 2
loại:
+Quá trình Anot tan.
+Quá trình Anot không tan.
Bản chất của các quá trình x ảy ra trên Anot là quá trình Oxi hóa.
a) Trường hợp Anot tan.
Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trong dung
dịch điện phân.
Cu – 2e Cu2+
Ví dụ:
Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện ho àn nguyên trên bề mặt
catot.
Cơ chế của quá trình Anot tan gồ m 3 giai đo ạn chính:
-Tách ion ra khỏi mạng tinh thể và chuyển điện tử vào mạng điện.
- Hidrat hóa các Cation.
- Khuếch tán các Cation vào trong dung dịch.
b) Trường hợp Anot không tan
Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi hóa các Anion trong dung dịch:
4OH – – 4 e 2H 2O + O 2
2Cl – – 2e Cl2
Quá trình Catot:
Catot là điện cực nối với cực âm của nguồn điện 1 chiều, là nơi đặt vật mạ
hoặc thu kim loại tinh chế, do quá trình hoàn nguyên kim loại diễn ra trên bề mặt
catot.
Bản chất của các quá trình catot chính là sự khử các Cation thành kim loại:
MZ+ + z.e M
3
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
2H + + 2e H2
Hoặc hoàn nguyên Hydro:
4. Sự kết tinh điện hóa .Quá trình kết tủa kim loại và các yếu tố ảnh
hưởng.
Trong công nghệ kết tủa kim loại Catot, cấu trúc tinh thể và hình dạng bên
ngoài của kết tủa Catot có ý nghĩa rất lớn.
Việc lấy được một kết tủa đặc, chắc, nhẵn theo yêu cầu phụ thuộc vào quá
trình kết tinh điện hóa Catot.
Quá trình kết tinh điện hóa 1 kim loại được xác định bởi quá trình tạo mầm
và quá trình phát triển tinh thể.
Kết tủa mịn hay thô, từ đó tạo ra mặt Catot nhẵn hay gồ ghề phụ thuộc vào
tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể. Để lấy được kết tủa chất lượng cao cần
điều khiển được tốc độ đó bằng cách khống chế các nhân tố ảnh hưởng sau:
Mật độ dòng đ iện và phân cực.
-
Thành phần và nhiệt độ dung dịch.
-
Chất hoạt tính bề mặt.
-
Chủng loại các Catot mẫu.
-
Sự tuần hoàn ding dịch.
-
a) Xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch:
Đây là yếu tố ảnh hưởng phức tạp vì có ảnh hưởng nhiều tới tính chất dung
dịch. Tăng nhiệt độ sẽ cho phép dùng dung d ịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn
điễn của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot.
Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân
với mật độ dòng cao hơn.
b) Xem xét sự ảnh hưởng của tuần hoàn dung dịch
Trong quá trình điện phân, nồng độ ion kim loại sát Catot bị nghèo đi, gây
phân cực nồng độ quá lớn và nhiều bất lợi xảy ra như: không dùng được mật độ
dòng cao, chất lượng điện phân thấp, gây cháy lớp mạ …
c) Sự ảnh hưởng của mật độ dòng điện:
Mật độ dòng điện cao sẽ thu được lớp mạ có tinh thể nhỏ, mịn, chắc sít và
đồng đều, do khi tăng mật độ dòng điện sẽ làm tăng khả năng tạo mầm, ngược lại,
mật độ dòng thấp cho kết tủa to, thô.
Tuy nhiên, mật độ dòng cao quá lại không tốt vì lớp kim loại dễ bị gai, bị
cháy.
Khi diện phân tại mật độ dòng giới hạn chỉ tạo thành bột kim loại, do đó,
muốn nâng cao mật độ dòng điện cần nâng cao mật độ dòng giới hạn bằng cách
tăng nhiệt độ, tăng nồng độ và đối lưu dung dịch.
5. Nguồn điện phân
Khi tìm hiểu các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng điện phân ở trên, ta thấy
mật độ dòng là yếu tố quyết định. Để có được độ mịn, độ gắn bám tốt thì nguồn 1
chiều cấp cho b ể điện phân phải có chất lượng thật tốt, cho dòng bằng phẳng và có
thể điều chỉnh liên tục trong 1 giới hạn rộng, cấp được một mật độ dòng đủ lớn.
Tính chất tải điện phân:
4
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, tuy nhiên điện trở trong của bể điện
phân nhỏ, do đó, hằng số thời gian phóng, nạp của tụ là rất nhỏ cho nên coi ảnh
hưởng của tụ là không đáng kể. Sức điện động E trong bể m ạ thường nhỏ nên chúng
ta có thể bỏ qua.
Từ đó có thể coi tải điện phân gần như thuần trở, nên muốn có một mật độ
dòng lớn, có độ bằng phẳng cao theo yêu cầu thì điện áp nguồn 1 chiều cũng phải
thật bằng phẳng.
Đây chính là yêu cầu thiết kế nguồn điện phân
CHƯƠNG II
PHÂN TÍCH-LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân được yêu cầu có điện áp cao và dòng rất
lớn, tới hàng chục Ampe.
Sự ổn định, chất lượng dòng điện cấp cho bể là yếu tố quan trọng nhất, quyết định
tới chất lượng sản phẩm điện phân.
Nguồn điện 1 chiều nói chung có thể được cung cấp từ Ắcquy. Máy phát điện
1 chiều hay các bộ biến đổi…
Phân tích ưu và nhược điểm của từng loại nguồn cung cấp:
1.Các bộ biến đổi :
V ới sự phát triển của công nghệ bán dẫn ngày càng hoàn chỉnh cùng với
những ưu điểm như: tác động nhanh, độ tin cậy cao… việc sử dụng các bộ biến đổi
trở nên rộng rãi ở hầu hết các ngành công nghiệp.
Trong công nghệ điện phân, các bộ biến đổi bán dẫn là 1 sự lựa chọn kinh tế.
Việc biến đổi dòng điện cung cấp cho điện phân có thể thực hiện đ ược nhờ sử dụng
máy biến áp trước chỉnh lưu diode, hoặc sử dụng chỉnh lưu có điều khiển.
a) Sử dụng bộ điều áp xoay chiều 3 fa trước chỉnh lưu diode.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh dễ dàng nhưng bộ điều áp xoay chiều
có dòng đ iện sơ cấp không Sin, làm cho chất lượng dạng sóng thấp. Sóng hài làm
cho dòng từ hóa nhọn đầu, mạch từ bão hòa mạnh nên phương pháp này cũng
không được sử dụng nhiều trong điện phân.
b) Sử dụng chỉnh lưu có điều khiển.
Hệ chỉnh lưu điều khiển gồm máy biến áp nguồn và bộ chỉnh lưu có điều
khiển , với ưu điểm gọn nhẹ, dễ điều khiển, dễ tự động hóa, cho chất lượng dòng
điện tốt, chi phí thấp, có thể lắp đặt riêng cho từng bể …nên đây là phương án hiệu
quả nhất.
Với yêu cầu nguồn điện phân có điện áp không cao, dòng rất lớn và phải dễ dàng
điều chỉnh, các phương án chỉnh lưu được chọn là:
- Chỉnh lưu cầu 1 pha.
- Chỉnh lưu đối xứng cầu 3 pha
- Chỉnh lưu 6 pha có cuộn kháng cân bằng.
5
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
2. Phân tích các phương án chỉnh lưu có điều khiển.
Là sơ đồ đơn giản nhất, sử dụng ít linh kiện nhất trong các phương án.
Tuy nhiên, chỉnh lưu cầu 1 pha cho công suất không lớn, đồng thời gây tổn thất
trên van nên không thích hợp cho yêu cầu dòng tải và công suất lớn.
2.1 Chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng.
a)Sơ đồ nguyên lý :
T1 T3 T5
UA1 UA2
R1
R
UB1 UB2
UC1 UC2
INDUCTOR/SM
T4 T6 T2
+Nguồn cấp: 3 pha xoay chiều 220V/380V – 50Hz khi qua biến áp 3 pha có các
điện áp thứ cấp :
Ua = 2.U 2 .sin( t ) V
2
Ub = 2.U 2 .sin( t )V
3
2
Uc = )V
2.U 2 .sin( t
3
t
Tải có cuộn cảm L đảm bảo san bằng dòng 1 chiều đạt yêu cầu.
+Bộ biến đổ i: sơ đồ cầu 3 pha.
- Nhóm T1,T3,T5 đấu Catot chung:
T1,T3,T5 đ ấu Catot chung , khi Anôt của van nào bắt đầu có thế dương hơn so
với Anôt của các van còn lại thì m ới được phép phát xung điều khiển để mở van đó.
Điểm đó được coi là điểm gốc để tính góc mở chậm cho thyristor ấy.
T1,T3,T5 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Catot chung, có nguồn
cung cấp là U a , U b , U c và mạch tải là 2 điểm K và O.
U d2 = UKO
-Nhóm T2,T4,T6 đấu Anot chung:
T2,T4,T6 đấu Anôt chung,khi nào thế Catot của van nào bắt đầu có thế âm hơn so
với thế Catôt của các van còn lại thì mới được phép phát xung điều khiển vào để mở
van đó. Điểm đó được coi là điểm gốc để tính góc mở chậm cho Thyristor đó.
T2,T4,T6 hình thành chỉnh lưu điều khiển hình tia 3 pha Anot chung, có nguồn
cung cấp U a , U b , U c và mạch tải là 2 điểm A và O.
Ud2 = UAO
6
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
KL:Chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu 3 pha thực chất là 2 chỉnh lưu điều khiển
đối xứng tia 3 pha,1 đấu Catôt chung ,1 đấu Anôt chung, được đấu nối tiếp nhau có
cùng nguồn cung cấp. Còn mạch tải nối tiếp nhau nên:
U d = U KA = U d 1 + U d 2 = U KO + U AO
b) Hoạt động của sơ đồ:
Giả thiết T5 và T6 đang thông ta có :
- UC thông qua T5 đ ặt lên K
- Ub thông qua T6 đặt lên A
Ud = UKA = UCB
+ Đến thời điểm θ = O1 + α = π/6 + α , Phát xung điều khiển mở T1.
Khi đó : Anot T1 mang thế Ua
Catot T1 mang thế Uc
Do Ua > Uc nên T1 mở thông.
T1 mở làm cho Catot lúc này mang thế Ua, do đó T5 đóng lại vì chịu phân cực
ngược U ac.
Dòng điện khép mạch qua T1 và T6,
Điện áp tải : Ud = Uab = U a – U b
+ K hi θ = 3π /6 + α : Phát xung điều khiển mở T2
K hi đó :
Anot T2 mang thế U b
Katot T2 mang thế Uc
Do Ub > U c nên T2 m ở thông.
Sự mở của T2 làm cho T6 khóa lại 1 cách tự nhiên giống trường hợp trên…
Cứ như vậy các xung điều khiển lệch nhau π/3 lần lượt được đưa đến các cực điều
khiển cua các Thyristor theo thứ tự T1,T2,T3,T4,T5,T6,T1…
Trong m ỗi nhóm đấu chung K (hoặc A), khi 1 van mở thì nó sẽ khóa ngay
van trước đó theo thứ tự như bảng sau
Thời điểm Mở Khóa
T1 T5
1
6
T2 T6
2 3 6
3 5 6 T3 T1
T4 T2
4 7 6
5 9 6 T5 T3
T6 T4
6 11 6
7
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
Điện áp tải trung bình:
2
Ud = 6U 2Cost .d t
1
0
36 |
U 2 .Sint 6
=
|
6
Ud = 36
U 2 .Cos
id
Id
Dạng sóng cơ bản:
0
i T1
0
i T2
0
i T3
0
i T4
0
i T5
0
i T6
0
c). Phân tích 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.
K hông làm lệch pha lưới điện.
+Nhược điểm:
Sử dụng số van lớn, giá thành thiết bị cao.
Sơ đồ này dùng cho tải công suất lớn, dùng tải nhỏ,chỉnh lưu đ òi hỏi độ bằng
phẳng
8
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
2.2 Chỉnh lưu điều khiển 6 fa có cuộn kháng cân bằng.
a) Sơ đồ nguyên lý:
Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển 6 pha có cuộn kháng cân bằng bao gồm:
+ Máy biến áp động lực có cuộn kháng cân bằng Ccb
+ 6 Thyristor chia làm 2 nhóm T1,T3,T5 và T2,T4,T6
Máy biến áp có 2 hệ thống thứ cấp (a,b,c) và (a’,b’,c’).
Các cuộn dây trên mỗi p ha (a & a’);(b &b’);(c & c’) có số vòng dây như nhau
nhưng có cực tính ngược nhau.
Hệ thống dây cuốn máy biến áp có điểm trung tính riêng biệt O 1, O2 được nói
với nhau qua cuộn kháng cân bằng.
Cuộn kháng cân b ằng 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 2 chỉnh lưu hình tia 3 pha :
36 36
U dmax =
Ud = U 2 .Cos U2
Do tác dụng của cuộn kháng cân bằng, dòng tải có thể coi là phẳng hoàn toàn.
Dòng trung bình qua van:
I dmax
ITBV =
3
Điện áp ngược đ ặt lên van:
Ungmax = .U dmax
3
b). Ưu nhược điểm của sơ đồ:
- Dòng đ iện - điện áp ra có độ bằng phẳng cao, độ đập m ạch 5,7%
- Dòng trung bình qua van nhỏ chỉ bằng 1/6 dòng tải
- Do tính đối xứng (ngay cả khi α thay đổi) nên bộ lọc thiết kế đ ơn giản,
trọng lượng cũng như kích thước nhỏ .
- Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của chỉnh lưu loại này là giá thành cao do sử
dụng nhiều van cô ng suất, và thiết kế máy biến áp cũng như cuộn kháng cân bằng
9
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
rất p hức tạp. Đây chính là nhược điểm cũng như hạn chế khả năng ứng dụng của sơ
đồ trong quy mô sản x uất vừa và nhỏ.
Kết luận:
Như vậy, theo yêu cầu của đề tài thiết kế:
Nguồn áp : 3x380 V
Dòng tải : 1000 A
Cùng với những phân tích ở trên, em đi đến lựa chọn phương án: Sử dụng bộ
chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng có điều khiển là hợp lý nhất, có thể thỏa mãn yêu cầu
kỹ thuật cũng như kinh tế của đề tài.
CHƯƠNG III
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC
Yêu cầu thiết kế:
Điện áp vào : Uv = 3x380 V
Điện áp tải : Ud = 220 V
Dòng đ iện tải : Id = 1000 A
I. Tính chọn Van bán dẫn công suất.
Chọn chế độ làm việc định mức của van là chế độ công suất cực đại
Tức là gó c mở chậm α = 0o
+) Điện áp đầu ra của chỉnh lưu được tính :
36
Ud = U 2 .Cos
U2 = .U d = .220 =94 V
36 36
Điện áp ngược cực đại đ ặt lên van:
Ungmax = 6.U 2 = 6 .94 =230.3 V
Chọn hệ số d ự trữ điện áp: Ku = 2
Van phải chịu được: U ngmax thực = 2 . 230,3 = 460,6(V)
+) Dòng điện trung bình qua van:
Id 1000
ItbVan = = = 333.3 (A)
3 3
Chọn điều kiện làm việc của van là làm mát cưỡng bức bằng nước,ta có ở điều kiện
van + đĩa van chuẩn + tốc độ nước = 8 m/s thì :
Itb max = ( 0,6 0,7 ) Itb max thực
I tb max 333.3
Itb max thực = = = 5 55.5 ( A )
0, 6 0,6
Vậy các thông số để chọn van là :
U ng v = 460 V
10
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
và Itb max thực = 555.5 A
Van công suất được chọn là: T568N
Các thông số từ nhà Sản xuất:
+) Điện áp ngược cực đại :Ungmax = 600 V
+) Dòng điện làm việc cực đại :Idmmax = 568 A
+) Dòng điện xung điều khiển :Ig max = 150 mA
+) Điện áp xung điều khiển :U gmax = 1,4 V
:∆U max = 1,76 V
+) Sụt áp trên thyristor ở trạng thái bán dẫn
+) Tốc độ biến thiên điện áp :du/dt = 1000 V/ µs
:T max =140 0 C
+) Nhiệt độ làm việc cực đại
II. Tính toán máy biến áp lực.
Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ, sơ đồ đấu dây / .
II.1. Tính sơ bộ máy biến áp.
1. Công suất biểu kiến máy biến áp:
S= K S . Pd .Pd .220.1000 231 kVA
3 3
2.Điện áp pha sơ cấp máy biến áp:
U1 = 380 A
3.Điện áp pha thứ cấp máy biến áp :
Phương trình cân bằng đ iện áp khi có tải:
Ud0 = Ud + Ud.10% + 2.∆UV + ∆Udn + ∆UBA
Với:
: là lượng dự trữ khi có sụt giảm điện áp lưới
Ud.10%
UV = 1.06 V : sụt áp trên van công suất.
∆Udn 0 : sụt áp trên dây nối.
U BA U r U x : sụt áp trên điện trở và điện kháng của MBA.
Chọn sơ bộ:
∆UBA = ∆UR + ∆UX ≈ 6%.U d0 = 0.06×220 = 13,3 V
Từ phương trình cân b ằng điện áp khi có tải, ta có:
→Ud0 = Ud + Ud.10% + 2.∆UV + ∆U dn +∆UBA
= 220 + 220.10% + 2.1,76 + 0 + 13,3
= 258,82 (V)
Điện áp pha thứ cấp của máy biến áp:
.U d 0 .258,82
U2 = = 110,64 (V)
3. 6 3. 6
4.Dòng điện hiệu dụng thứ cấp máy biến áp.
Id 2 2
I2 = 6. .1000 816.5 A
.I d
3 3 3
5. Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp :
11
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
U2 110, 64
816.5 = 237,75A
I1 k BA. I 2 .I 2
U1 380
Như vậy các tham số của máy biến áp cần đạt được là:
S BA = 231 kVA U 2 = 110,64 V
U1 = 382 V I1 = 237,75 A
I 2 = 816.5 A
II.2 Tính chọn các thiết bị bảo vệ mạch lực
Trong bộ chỉnh lưu phần tử kém có khả năng chịu được các biến động về
điện áp và dòng đ iện và điện áp chính là các van bán dẫn . Vì vậy bảo vệ mạch lực
cũng chính là b ảo vệ các van bán dẫn khỏi các trạng thái : quá nhiệt,quá dòng và
quá áp.Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ như sau :
1. Bảo vệ quá nhiệt cho van :
Khi làm việc,trên van bán dẫn có sụt áp,do đó có tổn hao công suất ∆P = ∆U
Ilv sinh ra nhiệt đốt nóng van
Mặt khác, các thiết bị bán dẫn rất nhạy với sự thay đổi của nhiệt độ, và chỉ cho phép
làm việc ở nhiệt độ t < tcp.
2.Bảo vệ quá dòng cho van
a) sử dụng aptomat để đóng cắt mạch động lực,tự động cắt mạch khi quá tải và ngắn
mạch Thyristor,ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi,ngắn mạch thứ cấp máy biến áp.
Chọn Áptomat có: Idm = 1.1×I1 dây = 1.1 3 .60,39 = 115,06 (A)
Chọn bằng 110 A
Được chỉnh định dòng ngắn mạch:
Inm = 2.5 I1dây = 2.5 3 .60,39 = 261,50 (A)
Chọn bằng 260 (A)
Dòng q uá tải: Iqt = 1.5I1dây = 1.5 3 .60,39 = 156,90 (A)
Chọn bằng 150 (A)
b) Chọn các cầu chì bảo vệ ngắn mạch : Các cầu chì cần phải có dây chảy tác
động nhanh
_ N hóm cầu chì 1CC : dòng điện định mức dây chảy là
I1CC = 1,1 I2 = 1,1 . 653,19 = 718,5 A
_ N hóm cầu chì 2CC :
I2CC = 1,1 Iv = 1,1 . 444,45 = 488,895 A
_ N hóm cầu chì 3CC :
I3CC = 1,1 Id = 1,1 . 800 = 880 A
Vậy ta chọn cầu chì các nhóm 1CC,2CC,3CC là loại có dòng định mức dây chảy
lần lượt là 710 A, 480 A và 880 A
3. Bảo vệ quá điện áp cho van :
Quá áp do các nguyên nhân sau:
+ Quá tải do đóng ngắt các khối chức năng : Đ óng biến áp lực chỉnh lưu có thể
gây quá áp 30 đến 40% điện áp lưới .
12
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
- Đóng mạch chỉnh lưu sau khi đóng biến áp lực gây tốc đọ tăng áp tới
1000V/s
- Ngắt biến áp nguồn gây quá tải 5 lần điện áp bình thường .
- ngắt tải khỏi mạch chỉnh lưu
+ Quá áp do hiện tượng chuyển mạch : Loại này gắn với mạch chỉnh lưu :
- Khi van chuyển từ khoá sang dẫn
- Khi van chuyển từ dẫn sang khoá
Mức độ quá áp cũng tới 1000V/s
CHƯƠNG IV
TÍNH TOÁN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
I. Khái quát hệ thống điều khiển bộ biến đổi.
1. Chức năng.
Biến đổi tín hiệu điều khiển thành xung điều khiển tương ứng với góc mở của
Thyristor (α).
2. Phân loại.
- Hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc
(Cho chỉnh lưu và bộ biến đổi xung áp xoay chiều)
- Hệ điều khiển bộ biến đổi độc lập
(Cho nghịch lưu độc lập và bộ biến đổi xung áp 1 chiều)
II.Khái quát hệ điều khiển bộ biến đổi phụ thuộc
1. Cấu trúc chung:
Đồng bộ KĐX
Utựa SS+TX
Udk
2. Nhiệm vụ của các khâu:
a). Khâu đồng bộ:
Tạo tín hiệu đồng bộ trùng với thời điểm điện áp lưới đ i qua 0.
b). Khâu tạo điện áp tựa:
Tạo điện áp răng cưa tuyến tính để đưa vào 1 cửa của khâu so sánh.
c). Khâu So sánh:
So sánh giữa điện áp điều khiển với xung răng cưa để xác định thời điểm phát
xung điều khiển để mở thyristor.
d). Khâu tạo xung:
Trộn tín hiệu cao tần với tính hiệu điều khiển và điện áp phân phối để tạo ra
dạng xung là xung đơn, xung kép hay xung chùm.
e). Khâu khuếch đại xung:
Dùng khuếch đại công suất xung điều khiển đủ công suất để mở van lực.
Sơ đồ toàn bộ mạch điều khiển:
13
- D4
VSS
VEE R7 T568N
Utua
C1 D2
4
R6
VCC C3 0 T1 2
R1 2
T2 VEE D6
Uss R12
8 1 Utron
U2A
R5 U3A
U2 1 3
D3
3 4
R3 3
U1B
D5 D8 1 8 R8
6
U1A
Udf D7
2 7
Q1
4 5
R4 VCC
8
VEE Q2
C8
VCC R44
+ VCC R9
R2
VCC
R18
Uph R39
50%
Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46
8
U9A U2B
-- 5
7
R19
U10A
6
U5A
VDD
4
VDD
U8
VDD Q7 3
Q6 4 VEE
Q5 5
R17 Q4 6
~CP Q3 8
4.7kΩ
1 9
Q2 11
MR Q1 R1 VCC
2 12
8
4 3
RST OUT
U6A U5
VCC
7
Q14 DIS
3
4 3 Q13
RST OUT 2
6
Q12
50% THR
1
7 Q11
DIS 4.7kΩ
15
2
Q10 TRI
14
6 Q9 R2
50% THR 12
5
Q8 CON
13
2 Q7
TRI 6
Q6 4 GND
5 ~CP Q5
CON 10 5
Q4 1
7
R16 LM555CM
MR Q1
GND 11 9
10nF 1uF Timer
1
C Cf
LM555CN J2
1uF 10nF
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
D9
D10
D11
D12
D13
D14
D15
Timer
C Cf Vref+ Out
VDAC16 Output
Vref-
A1
VDD
Thiết kế nguồn điện phân
14
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
*Tính toán khâu đồng pha:
a). Sơ đồ nguyên lý:
VCC
R1
T1
U1A
8
U2 3
R3 Udf
D1 D2 1
2
4
VEE
Từ sơ đ ồ này ta thấy điện áp đồng pha được lấy ra từ điện áp lực thông qua
MBA. Phần sơ cấp của điện áp đồng pha được đấu vào các pha thứ cấp của máy
biến áp lực.
Khâu đồng pha có 2 mục tiêu quan trọng là:
* Chuyển đổi điện áp lực thường có giá trị cao sang giá trị phù hợp với mạch điều
khiển thường là điện áp thấp.
* Cách ly hoàn toàn về điện giữa MĐK với mạch lực. Điều này đảm bảo an toàn
cho người sử dụng cũng như cho các linh kiện điều khiển
c). Tính toán các thông số:
* KĐTT dùng TL082
* Các điôt Đ1, Đ2 làm nhiệm vụ giữ cho độ chênh lệch điện áp giữa 2 cửa vào của
OA1. Do các điôt này luôn có điện áp rơi thuận trên nó là 0,7V nên khi điện áp trên
cửa 2 của OA1 lớn hơn 0,7V thì Đ 1 thông và điện áp cửa 2 bằng 0,7V . U2max =
0,7V .
+ K hi điện áp trên cửa 2 nhỏ hơn -0,7V thì Đ2 thông và cũng giữ mức điện áp
min trên cửa 2 là -0,7V.
Như vậy với các điôt Đ1, Đ2 làm cho mức điện áp giữa 2 cửa OA1 luôn nằm
trong khoảng từ -0,7V 0 ,7V
Ta có thể chọn 2 điôt này là 2 con 1N4150 thoả mãn yêu cầu bài toán
* Chọn nguồn nuôi cho OA là E = + 12V , điện áp đồng pha
Udp = 10 2 = 14,14V
* Tính các điện trở :
15
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
1+) Điện trở R1 được tính để hạn chế dòng vào của Đ1,Đ2 ,dòng vào của 2 điốt
khá nhỏ cỡ mA , chỉ khoảng từ 13mA
14,14
= 4,7 kΩ có thể chọn R1 =10 kΩ
Ta có : R1 >
0, 003
*Khâu tạo điện áp tựa
a)Sơ đồ:
D4
C1
VEE
4
D3
R5
Udf U1B
6
R6 Utua
7
R4 5
8
VCC VCC
b) Nguyên lý
+) Ở nửa chu kì đầu,điện áp U đf > 0, D3 khóa .Tụ C được nạp đ iện đến ngưỡng của
Diod zene D4. Uc = UD4
+) Đến nửa chu kì tiếp theo,điện áp đồng pha Uđf < 0,D3 mở làm tụ C phóng hết
trong thời gian rất ngắn UC = 0 (v)
t
1 E
U RC U C .dt
C R 10
0
c) Tính toán
Chọn OA loại TL082, D3 là loại 4150
Điện áp đồng pha có biên độ Udpmax = 10 2 = 14,14V
Chọn D4 là Diod zeno 9,1V nên điện áp răng cưa là 9,1V
Tính chọn R3.Chọn C = 0,22µF
ET 12.0, 02
59,94.103
R4 6
2U oa .C 2.9,1.0, 22.10
Chọn R3 gồm biến trở 50k nối tiếp với điện trở 10k
16
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
Tính điện trở R5, ta chọn tn = 1ms, U bh = E – 1,5 = 12 – 1,5 = 10,5V
U bh 0, 7 10, 05 0, 7
=4,45.103 = 4,45Ω
R5 6
C .U oa E 0, 22.10 .9,1 12
6.103
tn R4 0, 001
Chọn R5 = 3,9Ω
*Khâu so sánh
V EE
4
U2A
R6
Utua
2
R12 Uss
1
R5
Udk
3
D7
8
VCC
Đây là sơ đồ so sánh điện áp trên 1 cửa vào của op -amp.Khi Urc > U đk thì Uss = -E <
0.khi Urc < Uđk thì mạch lật trạng thái, Uss = + E > 0.Ta có dạng đồ thị điện áp như
sau :
Khâu so sánh ta cũng dùng TL082 để tạo được sườn xung thẳng đứng
R5 và R6 có tác dụng hạn chế dòng vào các cửa của op-amp
Chọn R5=R6=10 kΩ VDD
LM555CM
4.7kΩ 8 Timer
R1 VCC
Out
4 3
RST OUT
7 DIS
6 THR
*Bộ tạo xung cao tần 4.7kΩ 2 TRI
a) Sơ đồ nguyên lý: R2 5 CON
Khâu này dùng IC thuật toán LM555 GND
1
tạo dao động với tần số cao 10kHz. 1nF 1uF
Đây chính là mạch dao động RC. C Cf
17
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
b) Tính toán các thông số:
Ta có chu kỳ của xung cao tần:
T = t1 + t2 = 0,7(R1 + 2R2)C
1 1, 43
Tần số dao động f =
T ( R1 2 R2 )C
1, 43
Chọn C=1uF ta có: R1 2 R2
fC
1, 43
Chọn R1= R2 ta có 3R 6 4 47, 67
10 .10
Chọn R1 = R2 = 47Ω
*Khâu trộn xung
R12
Uss R8 Utron
U10A
Ux
D1
Sử dụng IC 4081BT gồm 4 cổng AND 2 đầu vào thuộc họ CMOS tốc độ cao
để trộn tín hiệu Ux và điện áp ra của Timer 555
Diod D7 chọn là lo ại 1N4150
*Khâu khuếch đại
a) Sơ đồ nguyên lý:
Thông thường xung nhịp tạo ra sau bộ trộn xung không đủ công suất để mở
van mạch lực. Khuyếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất của xung sau bộ trộn
xung. Đại đa số các van đ ược chế tạo để có thể mở được chắc chắn với xung điều
khiển có:
UGK = 510V ; IG = 0,3 1A trong thời gian cỡ 100s .
Ta có sơ đồ khuyếch đại xung dùng biến áp xung như sau:
VCC
R7 D8
D9
C3 T1 2
0
D6
1 3
Q1
Utron R8
Q2
R9
18
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
Theo sơ đồ khuyếch đại xung ở trên ta thấy đầu ra của KĐX sẽ đ ược nối với
các cực G -K của van còn đầu vào được nối với khâu tạo xung chùm.
Do khi dòng IC càng nhỏ thì độ mất đối xứng của xung càng giảm nên ta sẽ sử
dụng 2 tầng khuếch đ ại transistor m ắc Darlington.
Ta phân tích mạch KĐX ghép bằng BAX ở trên. Sơ đồ sử dụng BAX ghép với
tầng KĐ Dalingtơn sử dụng 2 transistor Q1, Q2. Khi có xung chùm đặt vào cực
bazơ của Q 2 thì Q2 m ở cho dòng chảy từ nguồn nuôi chảy qua BAX , qua Q1 đến
mở bão hoà Q1 để Q1 dẫn dòng chính chảy qua BAX xuống đất. Như vậy điện áp
trên cuộn sơ cấp BAX và dòng điện chảy qua nó cũng có dạng xung. Dòng điện
này cảm ứng sang cuộn thứ cấp, và ở cuộn thứ cấp này cũng xuất hiện dòng xung
chảy vào cực điều khiển Thysistor . Trong mạch trên Đ2 có tác d ụng trả năng
lượng tích luỹ trong cuộn cảm lại nguồn khi mà cuộn sơ cấp này đang dẫn dòng
thì Q 1 ,Q 2 khoá lại.
- Đ iện trở R2 cũng có tác dụng tiêu tán năng lượng chảy từ Q2 để Q1 khoá d ễ
dàng hơn.
- Điện trở R2 chọn theo khả năng dẫn dòng cho phép của Q1.
- Tuy nhiên do điện trở này mắc nối tiếp với cuộn sơ cấp nên khi dẫn nó làm
giảm áp đặt vào BAX. Để vẫn giữ điện áp ban đầu trên BAX bằng giá trị nguồn ta
phải đưa thêm tụ C3 vào, khi Q2 khoá tụ phải kịp nạp đến trị số bằng nguồn .
b) Tính toán các thông số:
VSS chọn bằng 18V.
Chọn biến áp xung tỉ số các cuộn dây là b ằng 5, vậy tham số dòng đ iện cuộn sơ là
U1 = U.k = 1,4.5 = 7V
I1 = Ig/k/= 0,4/5 = 0,08A
Chọn bóng Q1 loại BD136 có tham số Ucc = 45V, ICmax = 1,5A, βmin = 40
Ecs 18
12 chọn R7 = 15Ω
R 7>
Icp 1, 5
Chọn bóng Q2 loại BC107 có tham số Ucc = 45V, ICmax = 0 ,1A, βmin = 110
1 2 Ecs 40.110.18
55.103 55k
R1
s.I t max 1, 2.1, 2
Chọn R8 = 10k
Các diod D4, D5, D6, D7 có thể chọn là loại 1N4150
19
- Sv:Phạm Văn Hư ớng - Lớp TĐH-K46 Thiết kế nguồn điện phân
1. Máy biến áp xung.
B iến áp xung thực hiện các nhiệm vụ:
* Cách ly mạch lực và mạch điều khiển.
* Phối hợp trở kháng giữa tầng KĐX và cực điều khiển van lực.
* N hân thành nhiều xung (BAX có nhiều cuộn thứ cấp) cho các van ghép song
song của mạch lực .
BAX phải làm việc với tần số cao nên lõi thép BA cho tần số 50Hz không đáp
ứng đ ược. Lõi d ẫn từ thường dùng cho BAX là lõi ferit làm việc trên 1 phần của
đặc tính từ hóa, lõi hình trụ có tiết diện kiểu chữ E.
- Do dòng đ iện qua các cuộn dây BAX không liên tục nên trị số hiệu dụng của
dòng điện nhỏ, vì vậy tiết diện dây quấn BAX không đ ược chọn từ trị số dòng
điện như thông thường mà hay được chọn từ điều kiện đảm bảo độ bền cơ học với
đường kính đây quấn trong khoảng (0,2 0,4)mm. .Số vòng đây bị hạn chế do
kích thước cửa sổ của lõi BAX khá nhỏ nên nằm trong giới hạn dưới 100 vòng.
Các yêu cầu thiết kế:
- Udk = 1,4 V
- Idk = 150 mA
- độ sụt đỉnh xung: ∆UX = 15%
- KBA = 3: hệ số máy biến áp xung.
- Điện áp thứ cấp máy biến áp:
U2 = Udk + UD1 (do có điện áp rới trên điôt ≈ 0.7 V)
→ U 2 = 1,4 + 0.7 = 2,1 V
- Điện áp sơ cấp máy biến áp :
U 1 = KBA. U 2 = 3×2,1 = 6,3 (V)
→ dòng đ iện sơ cấp biến áp xung:
I1 = I2 / K BA = 0,15 / 3 = 0.05 A
K BA .U 2 .I 2 .t x .U X
m
3
- Thể tích lõi từ : V
B.H
Trong đó:
t x : độ rộng 1 xung.
U x : độ sụt áp bằng 0,1 0,2
B : độ biến thiên cường độ từ trường(T)
H : độ biến thiên mật độ từ cảm ( A )
m
Chọn vật liệu làm lõi biến áp xung là thép Ferit HM làm việc trên một phần của
đặc tính từ hóa có : ∆B = 0.3 T
∆H = 30 A/m
- Độ rộng x ung điều khiển : tx lấy theo đ ộ rộng x ung cao tần được tạo ra từ bộ
tạo xung 555, có tần số 10KHz
1 1
tx . 50( s )
2 10.103
- Do tx = tn nên coi rằng trị số dòng điện hiệu dụng cuộn thứ cấp = ½ dòng điều
khiển. → I2 = 0.5Idk
20
nguon tai.lieu . vn
