27 MỤC LỤC CHƯƠNG I Giới thiệu chung về công nghệ điện phân . . . . . . . . . . 2 Chương 2 Lựa chọn sơ đồ chỉnh lưu . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Chương 3 Xây dựng mạch lực . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Chương 4 Tính toán thiết kế mạch điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Chương 5 Lập bảng trị số các phần tử và linh kiện . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Chương 6 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Chương 7 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . .42 27 PHẦN I : PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ 1.1. CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHÂN 1.1.1.Vai trò 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 hoặc 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 hoạt 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 điện 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 được. + Có thể luyện được những quặng nghèo, quặng oxit… 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. 27 1.1.2.Lý thuyết quá trình điện phân. a) Hệ thống điện hóa : b)Dung dịch điện ly. Dung dịch 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. Chức năng của chất đệm là giữ cho thành phần của dung dịch luôn 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. 27 Phân loại dung dịch điện ly: có 2 loại chính là: + Dung dịch nước + Dung 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… + Điện phân trong muối nóng chảy: Sản xuất Nhôm, Magie, các kim loại đắt, hiếm… c. Một số đặc điểm của dung dịch điện 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. 1.2. CÁC QUÁ TRÌNH ĐIỆN CỰC 1.2.1.Quá trình Anot: Anot là điện cực nối với cực dương của nguồn điện 1 chiều.Khi 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 xảy ra trên Anot là quá trình Oxi hóa. a. Trường hợp Anot tan. 27 Kim loại làm Anot bị Oxi hóa chuyển thành ion dương và tan vào trong dung dịch điện phân. Ví dụ: Cu – 2e à Cu 2+ Các Cation kim loại sau đó đi về phía Catot và thực hiện hoàn nguyên trên bề mặt catot. Cơ chế của quá trình Anot tan gồm 3 giai đoạn 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. a. Trường hợp Anot không tan Trên bề mặt Anot xảy ra quá trình Oxi hóa các Anion trong dung dịch: 4OH – – 4e à 2H 2 O + O 2 2Cl – – 2e à Cl 2 1.2.2.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: M Z+ + z.e à M Hoặc hoàn nguyên Hydro: 2H + + 2e àH 2 27 1.3 QUÁ TRÌNH KẾT TỦA VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 1.3.1.Quá trình kết tủa: 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 điện và phân cực. - Thành phần và nhiệt độ dung dịch. - Chất hoạt tính bề mặt. - Chủng loại các Catot mẫu. - Sự tuần hoàn dung dịch. 1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng : 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 dịch có nồng độ cao hơn, tăng độ dẫn điễn của dung dịch, giảm nguy cơ thụ động Anot. 27 Các yếu tố đó làm tăng mật độ dòng điện giới hạn nên cho phép điện phân với mật độ dòng cao hơn. a) 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 … b) 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. 1.4 .YÊU CẦU 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 bể 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. 1.5.TÍNH CHẤT TẢI ĐIỆN PHÂN: Tải bể điện phân thuộc loại tải R-C-E, tuy nhiên điện trở trong của bể mạ nhỏ, do đó, hằng số thời gian phóng, nạp của tụ là rất nhỏ cho nên 27 coi ảnh hưởng của tụ là không đáng kể. Sức điện động E trong bể mạ 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. 27 CHƯƠNG II: LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CHỈNH LƯU 2.1. GIỚI THIỆU CHUNG Chỉnh lưu là quá trình biến đổi năng lượng dòng xoay chiều thành năng lượng dòng một chiều. Chỉnh lưu là thiết bị điện tử công suất được sử dụng rộng rãi nhất trong thực tế. Sơ đồ cấu trúc thường gặp của mạch chỉnh lưu trên hình 2.1. Hình 2.1. Sơ đồ cấu trúc của mạch chỉnh lưu Trong sơ đồ MBA làm hai nhiệm vụ chính là: - Chuyển từ điện áp của lưới điện xoay chiều U1 sang điện áp U2 thích hợp với yêu cầu của tải. Tuỳ theo tải mà MBA có thể là tăng áp hoặc giảm áp. - Biến đổi số pha của nguồn lưới sang số pha theo yêu cầu của mạch van. Thông thường số pha của lưới lớn nhất là 3, song mạch van có thể yêu cầu số pha là 6,12… Mạch van là các van bán dẫn được mắc theo cách nào đó để có thể tiến hành quá trình chỉnh lưu. Mạch lọc nhằm đảm bảo điện áp (hoặc dòng điện) một chiều cấp cho tải là bằng phẳng theo yêu cầu. 2.2. TỔNG QUAN VỀ CHỈNH LƯU 27 2.2.1.Khái niệm: Biến đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều. Dùng để cấp nguồn cho các tải một chiều : động cơ điện 1 chiều, bộ nạp acquy, mạ điện phân, máy hàn một chiều, nam châm điện, truyền tải điện một chiều cao áp Nguồn 1 chiều cấp cho bể điện phân được yêu cầu có điện áp cao và dòng rất lớn, tới hàng chục ngàn 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… 2.2.2. Phân loại : Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: - Phân loại theo số pha nguồn cấp cho mạch van: một pha, hai pha, ba pha, sáu pha… - Phân loại theo loại van bán dẫn trong mạch van: Hiện nay chủ yếu dùng Thysistor và điốt, vì thế có ba loại mạch sau: + Mạch van dùng toàn điốt, gọi là chỉnh lưu không điều khiển; + Mạch van dùng toàn Thysistor, gọi là chỉnh lưu điều khiển; + Mạch van dùng cả hai loại Thysistor và điốt, gọi là chỉnh lưu bán điều khiển; - Phân loại theo sơ đồ mắc các van với nhau. Có hai kiểu mắc van: [...]... 4.2.1.1.Sơ đồ của khâu đồng bộ như sau : Từ sơ đồ này ta thấy điện áp đồng pha được lấy ra từ điện áp lưới thông qua MBA Phần sơ cấp của MBA đồng pha được đấu tam giác còn phần thứ cấp đấu hình sao để điện áp đồng pha được dịch đi 30 o điện so với điện áp lưới.điều này giúp ta xác định được thời điểm bắt đầu tính góc α chính là thời điểm điện áp đồng pha đi qua 0 Đồ thị minh họa : 27 Khâu đồng pha có... yêu cầu đồ án ta thấy công suất định mức pdm = 36kw nên ta dùng chỉnh lưu 3 pha, mặt khác điện áp U đm= 80v nên dùng sơ đồ hình tia -Vì đồ án là thực hiện bộ chỉnh lưu cho nguồn điện phân nên chất lượng điện áp đóng vai trò quyết định tới chất lượng sản phẩm Do đó yếu tố về chất lượng điện áp được đặt lên hàng đầu Mà trong số các sơ đồ chỉnh lưu thì CLDK đối xứng cầu 3 pha cho ta chất lượng điện áp... khâu trong mạch điều khiển : a) Khối đồng pha : Tạo tín hiệu điện áp đồng pha với điện áp đặt lên van công suất, đảm bảo dải điều chỉnh của góc α thỏa mãn 0 ≤ α ≤ 180 b) Khối tạo điện áp tựa : Tạo ra điện áp răng cưa từ điện áp đồng pha để đưa vào khâu so sánh c) Khối so sánh : So sánh giữa tín hiệu Utựa và Uđk để xác định thời điểm phát xung điều khiển vào van công suất ( xác định góc α ).Khi thay đổi... tốt nhất, do đó ta chọn phương án CLDK đối xứng cầu 3 pha cho việc thực hiện bộ nguồn chỉnh lưu cho nguồn điện phân 27 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG MẠCH LỰC Yêu cầu thiết kế : Điện áp tải : Udm = 80 V Dòng điện tải : Idm = 12000A 3.1 TÍNH CHỌN VAN Chọn chế độ làm việc định mức của van là chế độ công suất cực đại ( ứng với góc mở chậm α = 0 ) 3.1.1 Điều kiện về dòng điện: + Dòng điện làm việc của van tính theo... CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1.Các yêu cầu chung của mạch điều khiển Việc tính toán mạch điều khiển xuất phát từ yêu cầu về xung mở cho Thyristor : Điện áp điều khiển : Uđk = 2.5 V Dòng điện điều khiển : Iđk = 0,35 A Độ rộng xung điều khiển : tx = 4tm = 6 μs Điện áp nguồn nuôi mạch điều khiển : UN = 12 V 4.1.2.Lựa chọn cấu trúc mạch điều khiển : Uđb ĐF UĐF Utựa SS Tạo điện áp tựa Uss... và điện áp cửa 2 bằng 0,7V U2max = 0,7V + Khi 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 max = 7 2 = 9,9V * Tính các điện. .. R11 = 23 Ω Các diod D4,D5,D6,D7 có thể chọn là loại 1N4150 V Tính toán nguồn cung cấp cho mạch điều khiển : Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển là nguồn điện áp một chiều, trị số điện áp và độ ổn định tuỳ thuộc từng khâu trong mạch Chọn nguồn cung cấp cho các op-amp là ± 15V,được lấy từ chân ra của các vi mạch ổn áp 7815 và 7915.Sơ đồ như sau : 7815 : +18V C1 2 VIN VOUT 7815 7915 : 27 3 +15V C2 ... iG1 và điện áp ua dương nhất, tại thời điểm θ 2 , T2 mở vì có iG2 và điện áp ub dương nhất Tại góc θ3 , T3 mở và có uc lớn nhất Khi một tiristor mở thì 2 tiristor khác khóa Trong khoảng ( θ1 − π ), T1 mở, dòng điện đi từ a qua T1 qua K qua tải R về điểm O Điện áp ở hai đầu phụ tải lúc này là u d= ua, Điện áp trên T1 là ut1=0 27 c) Biểu thức tính : Điện áp trung bình của tải: Ud0= 3 6U 2 2π Điện áp... thực = 12000 A ⇒ Chọn thyristor công suất DCR5980A18 do hãng Dynex Semiconductor chế tạo với các thông số do nhà sản xuất đưa ra như sau : +) Điện áp ngược cực đại : Ung max = 1800 V +) Dòng điện làm việc cực đại : Idmmax = 6500 A +) Dòng điện đỉnh cực đại : Ipik max = 8400 A +) Dòng điện xung điều khiển : Ig max = 500 mA +) Điện áp xung điều khiển : Ug max = 3,5 V +) Dòng điện rò : Irmax = 200 mA +) Sụt... 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 II Khâu tạo điện áp tựa : Khâu tạo điện áp tựa chính là khâu tạo điện áp răng cưa.Sơ đồ như sau : 27 IRF9540 C1 R1 N2 Udf D2 + - . thấy công suất định mức 36 dm p kw = nên ta dùng chỉnh lưu 3 pha, mặt khác điện áp U đm = 80v nên dùng sơ đồ hình tia -Vì đồ án là thực hiện bộ chỉnh lưu cho nguồn điện phân nên chất lượng điện. 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… 2.2.2. Phân loại : Chỉnh lưu được phân loại theo một số cách sau đây: - Phân. . . . .42 27 PHẦN I : PHÂN TÍCH YÊU CẦU CÔNG NGHỆ 1.1. CÔNG NGHỆ ĐIỆN PHÂN 1.1.1.Vai trò ngành điện phân. Trong ngành luyện kim nói chung, luyện kim bằng phương pháp điện phân chiếm 1 vai trò