Hướng dẫn thiết kế các bộ chỉnh lưu

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CÁC BỘ CHỈNH LƯU Chương 1 Phân tích yêu cầu công nghệ 1.1. Ví dụ phân tích yêu cầu công nghệ đối với hệ truyền động động cơ điện một chiều 1.1.1. Phương pháp điều chỉnh tốc độ bằng thay đổi điện áp mạch phần ứng Sơ đồ thay thế ĐCMC: 01 02 03 04  01 02 03 04 u c R M K u u R I K Hình 1.1. (a) Mạch điện tương đương của động cơ điện một chiều. (b) Đồ thị phương trình đặc tính cơ. (c) Đồ thị phương trình đặc tính cơ điện. Phương trình cân bằng điện áp: d u uU R I E  u (1.1) Ru là điện trở tương đương mạch phần ứng động cơ, bao gồm điện trở thuần của dây cuốn và điện trở phần tiếp xúc giữa chổi than và phiến góp. Eu gọi là sức điện động mạch phần ứng động cơ. ; . 2 uE K pNK a      (1.2) K : hệ số phụ thuộc cấu tạo động cơ; N : số thanh dẫn tác dụng của cuộn dây phần ứng, dưới một mặt cực từ; A : số đôi mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng;  : tốc độ góc trục động cơ (rad/s). Khi tính toán với tốc độ động cơ là n vòng/phút, chỉ cần quy đổi 2 60 9,55 n n    . Thay (1.2) vào (1.1) và một chút biến đổi ta có phương trình đặc tính cơ điện như sau: d u u U R I K K      (1.3) Nếu biết rằng mô men do động cơ sinh ra tỷ lệ với dòng qua mạch phần ứng động cơ, từ thông động cơ và hệ số cấu tạo động cơ K: uM K I  , hay u MI K   , phương trình đặc tính cơ điện (1.3) trở thành phương trình đặc tính cơ:  2 d uU R M K K      (1.4) Động cơ điện một chiều thường làm việc với từ thông  không đổi. Trong chế độ không tải lý tưởng Iu = 0, mô men do động cơ sinh ra cũng bằng 0, động cơ quay với tốc độ 0 d U K    , gọi là tốc độ không tải lý tưởng. Khi có tải, động cơ chạy ở tốc độ  ổn định nào đó khi mô men do động cơ sinh ra M cân bằng với mô men cản Mc. Điều này được biểu diễn trên đồ thị đặc tính cơ trên hình 1.a. Phân tích phương trình đặc tính cơ (1.4) ta thấy rằng để thay đổi tốc độ động cơ, có thể dùng một số biện pháp sau: 1. Thay đổi điện áp đặt vào mạch phần ứng động cơ Ud. 2. Thay đổi từ thông động cơ  . 3. Thay đổi điện trở mạch phần ứng động cơ Ru, ví dụ bằng cách nối tiếp với phần ứng các điện trở phụ ngoài. Phương pháp thay đổi điện áp mạch phần ứng động cơ được sử dụng rộng rãi nhất vì cho dải điều chỉnh rộng, không gây thêm các tổn thất do mắc thêm các mạch bên ngoài. Đặc tính động cơ khi điều chỉnh điện áp đặt lên mạch phần ứng được minh họa trên đồ thị hình 1.1.b. Khi điện áp thay đổi đồ thị đặc tính cơ là các đường song song với nhau, xuất phát trên trục tốc độ tại các điểm, ứng với các tốc độ không tải lý tưởng khác nhau, 01 02, ,...  Các bộ biến đổi bán dẫn công suất được sử dụng để tạo nên điện áp một chiều Ud thay đổi theo yêu cầu. Nếu nguồn cung cấp là nguồn xoay chiều ta có thể sử dụng các bộ chỉnh lưu tiristo. Nếu nguồn cung cấp là một chiều, ví dụ từ acquy, ta có thể sử dụng các bộ biến đổi xung áp một chiều. 1.1.2. Phân tích yêu cầu đảo chiều, Bộ biến đổi có đảo chiều Một số phụ tải một chiều yêu cầu nguồn điện cung cấp có thể đảo được cực tính. Ví dụ, trong hệ truyền động điện một chiều, điện áp đặt lên mạch phần ứng của động cơ phải đảo cực tính khi có yêu cầu đảo chiều quay động cơ. Trong công nghệ mạ điện, nguồn cung cấp cũng có thể phải đảo cực tính trong những khoảng thời gian ngắn, xen kẽ với cực tính thuận, nhằm bóc đi một số điểm cục bộ bị bồi đắp cao hơn những điểm khác trên bề mặt vật mạ. Bằng cách này có thể đạt được một lớp mạ đồng đều, có độ bám dính và độ bóng cao hơn vì tránh được lớp mạ xốp. Quá trình đảo cực tính điện áp một chiều cũng để nhằm mục đích trao đổi năng lượng giữa phần một chiều và phần lưới xoay chiều. Như vậy, nói chung các bộ biến đổi có đảo chiều cần làm việc được ở cả chế độ chỉnh lưu lẫn chế độ nghịch lưu phụ thuộc. Nguồn một chiều có thể đảo cực tính bằng cách dùng cặp tiếp điểm của công-tắc- tơ. Tuy nhiên vấn đề là ở chỗ các hệ thống yêu cầu quá trình đảo chiều diễn ra rất nhanh và nhiều lần mà các phần tử có tiếp điểm không thể đáp ứng được. Ví dụ, trong hệ thống truyền động một chiều, các chế độ động cơ hoặc hãm tái sinh có thể xảy ra liên tục khi động cơ phải làm việc với phụ tải động, do đó nguồn một chiều cung cấp phải đảo chiều liên tục. Trong nghệ mạ đảo dòng, thời gian “mạ ngược” chỉ chiếm khoảng vài trăm ms trong cả chu kỳ “mạ thuận”, cỡ 1000 ms. Rõ ràng là các phần tử có tiếp điểm không thể đáp ứng được các yêu cầu này. Về nguyên tắc, bộ biến đổi có đảo chiều cấu tạo từ hai bộ chỉnh lưu CL1, CL2, thuận và ngược, cùng được cung cấp bởi một nguồn xoay chiều, như được chỉ ra trên hình 1.2. Các bộ biến đổi có đảo chiều được điều khiển bằng một trong hai phương pháp, điều khiển chung hoặc điều khiển riêng. Hình 1.2. Sơ đồ cấu trúc bộ biến đổi có đảo chiều. (a) Điều khiển chung; (b) Điều khiển riêng. Điều khiển chung Theo phương pháp điều khiển chung hai bộ chỉnh lưu CL1, CL2 làm việc song song đồng thời ở mọi thời điểm. Điều kiện để hai bộ biến đổi làm việc song song là giá trị trung bình của điện áp trên đầu ra của chúng phải bằng nhau. Do hai bộ chỉnh lưu có cực tính điện áp ra ngược nhau nên nếu CL1 làm việc ở chế độ chỉnh lưu với góc điều khiển 1 90   thì bộ thứ hai phải làm việc trong chế độ nghịch lưu phụ thuộc, với góc điều khiển 2 90   . Khi đó ta có: 1 0 1 2 0 2cos ; cosd d d dU U U U    . (1.5) Để 1 2d dU U  , mà 1 2  và hai bộ chỉnh lưu có cực tính điện áp ra ngược nhau, suy ra 1 2    . Tuy bằng nhau về giá trị trung bình nhưng điện áp hai đầu ra chỉnh lưu sẽ khác nhau về giá trị tức thời. Do đó cần có cuộn kháng cân bằng Lcb mắc giữa hai đầu ra của các bộ biến đổi để hạn chế dòng cân bằng. Khái niệm về hai bộ biến đổi làm việc song song và vai trò của cuộn kháng cân bằng đã được đề cập đến ở chương 2 [Tài liệu tham khảo ], trong sơ đồ chỉnh lưu 6 pha, có cuộn kháng cân bằng. Cấu trúc điều khiển chung có ưu điểm là độ tác động nhanh cao, không hề có trễ khi cần đảo cực tính điện áp ra tải. Tuy nhiên nhược điểm của cấu trúc này là cuộn kháng cân bằng có kích thước lớn, làm tăng công suất lắp đặt của bộ biến đổi. Cuộn kháng cũng làm chậm lại quá trình điện từ diễn ra trong mạch tải, điều này lại dẫn đến giảm độ tác động nhanh của hệ thống nói chung. Điều khiển riêng Trong cấu trúc điều khiển riêng các bộ biến đổi sẽ làm việc độc lập. Tại mỗi một thời điểm, chỉ có một bộ biến đổi làm việc, đảm bảo một cực tính điện áp ra tải. Nhờ đó không cần đến cuộn kháng cân bằng, công suất lắp đặt giảm đến mức tối thiểu, gọn nhẹ, hiệu suất cao. Đây là cấu trúc được áp dụng cho phần lớn các bộ biển đổi có đảo chiều hiện đại. Vấn đề chính trong thực hiện phương pháp điều khiển riêng là đảm bảo quá trình đảo chiều diễn ra sao cho thời gian trễ là ngắn nhất mà vẫn đảm bảo an toàn cho thiết bị, không để xảy ra ngắn mạch. Mạch điện tử điều khiển quá trình đảo chiều này gọi là mạch lôgic đảo chiều. Mạch lôgic đảo chiều, có sơ đồ cấu trúc cho trên hình 1.3, bao gồm các bộ phận chính sau đây: 1. Bộ cảm biến đo dòng điện và xác định dòng về không (zero detector). Bộ phận phát hiện dòng về không luôn theo dõi dòng điện Id và cho ra tín hiệu lôgic dòng khác không hay bằng không, hoặc cho tín hiệu về chiều dòng điện, Id>0 và Id<0. 2. Bộ phận nhận biết tín hiệu yêu cầu đảo chiều. Thông thường tín hiệu yêu cầu đảo chiều đến từ sự thay đổi dấu của lượng đặt, ví dụ (+) ứng với chiều thuận, (-) ứng với chiều nghịch. 3. Bộ phận tạo trễ. Thời gian trễ thường có thể điều chỉnh được trong khoảng 10 100ms   . Hình 1.3. Sơ đồ cấu trúc mạch lôgic đảo chiều. Trên sơ đồ hình 1.3, Id là tín hiệu dòng tải phía một chiều, do cảm biến dòng đưa đến. Ir là tín hiệu hiệu đặt dòng điện. Trong thực tế tín hiệu đặt dòng điện thường là đầu ra của bộ điều chỉnh dòng điện. Trên sơ đồ Ir giả định là được tạo ra từ một chiết áp đặt giữa nguồn nuôi +Un và –Un. A1, A2, A3 là các bộ so sánh có vùng kém nhạy để tăng khả năng chống nhiễu. A1, A2 dùng để phát hiện dòng về không (zero detector), mỗi bộ cho một chiều dòng điện. A3 dùng để phát hiện dấu của tín hiệu đặt dòng điện, nghĩa là yêu cầu đảo chiều. Đầu ra của các bộ so sánh này là các tín hiệu lôgic Id>0, Id0, Ir0 được phát hiện khi so sánh dòng Id từ một mức nhỏ hơn 0, tín hiệu Id<0 phát hiện từ một mức dòng Id lớn hơn 0. Các tín hiệu lôgic tổng hợp với nhau qua cổng AND và đưa đến đầu vào của một R-S trigơ. Đầu ra Q và Qcủa trigơ đưa qua bộ tạo thời gian trễ 10 100ms   , sau đó đảo lại để tạo nên tín hiệu lôgic BL1, BL2, là tín hiệu cấm các bộ CL1, CL2 làm việc. Tất cả các tín hiệu lôgic đều có mức tích cực là mức cao. CL1 cho ra dòng điện dương, CL2 cho ra dòng điện âm. Hình 1.4. Đồ thị các tín hiệu của mạch lôgic đảo chiều. Sự hoạt động của mạch lôgic đảo chiều trên đây được mô tả qua đồ thị trên hình 1.4, là kết quả thu được trên mô hình mô phỏng chỉnh lưu cầu ba pha có đảo chiều, trên MATLAB-SIMULINK. Trên đồ thị này tín hiệu đảo chiều xuất hiện ở 0,1 s và đảo chiều ngược lại ở 0,2 s, thời gian trễ đặt là 10 ms. Có thể tóm tắt quá trình điều khiển diễn ra như sau: Khi nhận được tín hiệu yêu cầu đảo chiều điện áp ra, mạch lôgic điều khiển sẽ cắt xung điều khiển đưa đến bộ biến đổi đang làm việc. Do tính chất của tải trở cảm và do tính điều khiển không hoàn toàn của tiristo, dòng Id vẫn còn được duy trì theo chiều cũ nhưng giảm dần về 0. Khi bộ phát hiện dòng về 0 khẳng định dòng Id đã về đến bằng 0, bộ phận tạo trễ thực hiện trễ một khoảng thời gian 10 100ms   . Thời gian trễ cần thiết để các van trong bộ biến đổi trước đó phục hồi hoàn toàn tính chất khoá của mình. Sau khoảng thời gian trễ mạch phát tín hiệu cho bộ biến đổi thứ hai vào làm việc. Thông thường tín hiệu cho phép hoặc cấm một bộ biến đổi nào đó làm việc không chỉ đưa đến khống chế góc điều khiển  mà đưa đến tận phần cấp nguồn cho tầng khuyếch đại xung của các tiristo. Mạch lôgic đảo chiều trên thực hiện chức năng đảo chiều cơ bản nhất của bộ biến đổi. Trong các ứng dụng cụ thể mạch có thể còn phải thực hiện các chức năng khác như đảo chiều của lượng đặt, ví dụ khi bộ phận cảm biến dòng tải chỉ đưa ra tín hiệu một cực tính thì lượng đặt cũng phải có một cực tính đối với cả hai chiều của điện áp ra tải. 1.2. Phân tích yêu cầu công nghệ đối với nguồn hàn hồ quang một chiều Hàn hồ quang là tên gọi chung các phương pháp hàn sử dụng nguồn nhiệt là hồ quang điện. Hàn hồ quang có nguồn nhiệt năng lượng cao và tập trung hơn các phương pháp hàn khí. Đối với hàn khí, nhiệt được phân bố trên một bề mặt rộng nên chúng làm nóng và biến dạng chi tiết. Nguồn nhiệt tập trung là đặc điểm của các phương pháp hàn hồ quang. Do tập trung nên vũng chảy hàn sâu hơn, có nghĩa là mối hàn có độ ngấu sâu hơn, thích hợp khi hàn các chi tiết dày. Các phương pháp hàn hồ quang được nghiên cứu trên các đặc điểm chung như: nguồn nhiệt, kim lọai đắp, và quá trình bảo vệ. Nguồn nhiệt vẫn là hồ quang điện, song nếu điện cực là kim lọai đồng thời đảm nhiệm vai trò của kim lọai đắp sẽ được gọi là hồ quang kim lọai. Nếu điện cực là không nóng chảy (ví dụ như Carbon, Tungsten) thì sẽ gọi là hồ quang carbon hoặc tungsten tương ứng. Quá trình bảo vệ có thể được thực hiện bằng thuốc hàn (flux) còn gọi là chất trợ dung, hoặc bằng khí trơ (Argon, helium) hoặc khí họat hóa (CO2, hỗn hợp khí Ar CO2/O2). Các nhóm hàn hồ quang thông dụng là hàn hồ quang bằng que có thuốc bọc (SMAW), hàn hồ quang kim lọai trong môi trường khí bảo vệ (GMAW), hàn hồ quang tungsten trong khí trơ (GTAW), hàn hồ quang dưới lớp thuốc (SAW), hàn hồ quang bằng dây có lõi thuốc (FCAW), hàn hồ quang plasma (PAW). Dưới đây chỉ khảo sát phương pháp hàn hồ quang thông dụng nhất là hàn hồ quang bằng que có thuốc bọc (SMAW). Với quá trình hàn tốt, các chi tiết gắn kết sẽ trở thành như một vật thể duy nhất. Quá trình hàn dược mô tả trên hình 1.5. Hình 1.5. Quá trình hàn hồ quang (SMAW). Như mô tả trên hình 1.5, que hàn gồm phần lõi bằng thép carbon thấp, còn gọi là sắt non, bao phủ bên ngoài bởi một lớp phủ. Dưới tác dụng của hồ quang với nhiệt độ cao, từ 3000 đến 6000C, phần lõi chảy xuống, tạo nên dòng kim loại nóng chảy, hợp với phần kim loại nóng chảy của chi tiết kim loại bên dưới, tạo nên vũng kim loại nóng chảy. Phần vỏ phủ bên ngoài que hàn khi bị hơi nóng đốt cháy, tạo nên một lớp khí, có tác dụng ngăn cách vũng kim loại nóng chảy với không khí bên ngoài, ngăn được tương tác giữa vũng kim loại nóng chảy nhiệt độ cao với ô-xy và nitơ ngoài không khí. Nhờ đó mối hàn không bị nổ, không tạo nên rỗ bên trong mối hàn. Khi que hàn di chuyển đi, kim loại sẽ đông cứng, tạo nên mối liên kết vững chắc. Bên trên mối hàn tạo thành một lớp xỉ dòn, dễ dàng gõ bỏ đi. Các phần cơ bản của thiết bị hàn được mô tả trên hình 1.6. Thiết bị chính bao gồm nguồn điện, có thể là xoay chiều AC hoặc một chiều DC, cáp dẫn điện, một đầu nối với chi tiết, một đầu nối với kìm hàn. Kìm hàn là bộ phận dùng để dẫn điện vào một đầu của que hàn, đầu kia của que hàn tạo với chi tiết dòng điện hồ quang, khép kín mạch điện. Hình 1.6. Các bộ phận cơ bản của thiết bị hàn hồ quang. Nguồn hàn phải đảm bảo dòng hồ quang cả ở chế độ mồi và chế độ hồ quang ổn định. Hồ quang có thể phát sinh dưới điện áp thấp, cỡ 45 đến 100 V. Điện áp trên hồ quang thấp hơn nhiều, cỡ 18 V đối với hồ quang ngắn đến 36 V với hồ quang dài. Có thể tạo ra nguồn hàn từ các thiết bị sau đây: - Dùng máy biến áp hàn, đầu ra AC. - Máy biến áp và chỉnh lưu bán dẫn, đầu ra DC. - Máy phát DC hoặc AC. - Các bộ biến đổi bán dẫn tần số cao, đầu ra có thể là AC hoặc DC hoặc cả hai. Dù là loại nào thì đặc tính của nguồn hàn vẫn chỉ là một trong hai loại: - Nguồn dòng không đổi, hoặc nguồn có đặc tính dốc; - Nguồn áp không đổi, hoặc nguồn có đặc tính phẳng, như biểu diễn trên hình 1.7. Đặc tính của nguồn hàn là mối quan hệ giữa điện áp đầu ra với dòng điện, hay còn gọi là đặc tính vôn-ampe. Đặc tính vôn-ampe cho biết dòng hàn thay đổi thế nào khi điện áp trên hồ quang thay đổi. Trên cơ sở đặc tính này, máy hàn sẽ điều khiển được: - Lượng nhiệt phát ra và đảm bảo hồ quang ổn định, - Giá trị dòng điện cần thiết cho một quá trình hàn nhất định. Hình 1.7. Các đặc tính của nguồn hàn. Hình 1.8. Đặc tính dốc của nguồn hàn với dòng không đổi. Mỗi loại máy hàn yêu cầu nguồn hàn có đặc tính khác nhau. Ví dụ: - SMAW, GTAW yêu cầu đặc tính nguồn hàn dòng không đổi, - GMAW, FCAW yêu cầu nguồn hàn điện áp không đổi. Nguồn hàn có đặc tính dốc, cho trên hình 1.8, được sử dụng rộng rãi nhất, cho cả máy hàn bằng tay lẫn máy hàn tự động. Với đặc tính càng dốc thì dòng điện thay đổi càng ít khi tải thay đổi. Máy hàn loại này cho phép người dùng điều chỉnh dòng hàn trong một phạm vi nhất định bằng cách thay đổi chiều dài hồ quang. Ví dụ trên hình 1.8, dòng hàn thay đổi trong phạm vi 15 A đối với công việc A và 40 A đối với công việc B, tuỳ theo độ dài của hồ quang. Đặc tính nguồn hàn như trên hình 1.8 có thể được tạo ra dễ dàng bởi các chỉnh lưu tiristo với mạch vòng điều chỉnh dòng điện. Trên hình 1.9 thể hiện khả năng phối hợp đặc tính ra của một chỉnh lưu tiristo với đặc tính của một nguồn hàn hồ quang. dUhq dIhqdId dUd Id Ud 0dU  1dU  2dU  3dU  Đặc tính hồ quang yêu cầu Hình 1.9. Phối hợp đặc tính ra của chỉnh lưu và đặc tính nguồn hàn hồ quang. Đặc tính ra của các chỉnh lưu viết dưới dạng phương trình (1.6) sau: 0 cos 2 i a d d d k X IU U     (1.6) trong đó ki là hệ số phụ thuộc sơ đồ, đối với chỉnh lưu tia một pha ki = 1, cầu một pha ki = 2, tia ba pha ki = 3, cầu ba pha ki = 6. Trên hình 1.9 đặc tính ngoài thể hiện là các đường song song, với độ nghiêng xác định bởi kiXaId/2, xuất phát từ các giá trị Ud khác nhau khi Id = 0. Dưới đây trình bày phương pháp tạo nên nguồn dòng cho máy hàn sử dụng chỉnh lưu tiristo. Để đơn giản, giả thiết rằng hệ thống điều khiển chỉnh lưu sử dụng điện áp tựa dạng cosin, nghĩa là điện áp chỉnh lưu Ud tỷ lệ với điện áp điều khiển Uđk như (1.7). Ud = Ud0Uđk. (1.7) trong đó Uđk = Kr(Idr – Idp), (1.8) Kr là hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dòng điện. Từ (1.6), (1.7), (1.8) có thể xây dựng được sơ đồ cấu trúc của mạch vòng điều chỉnh dòng điện, thể hiện đối với các giá trị trung bình của dòng điện, điện áp, như trên hình 1.10. Sơ đồ 1.10 lại được biến đổi thành sơ đồ trên hình 1.11 với lưu ý ký hiệu sau: 12 cl i a t K k XR    , (1.9) trong đó Rt : điện trở tương đương của hồ quang, tính tại một điểm làm việc trên đặc tính vôn-ampe của hồ quang; Idr : lượng đặt dòng điện; Idp : giá trị dòng trung bình đưa về phản hồi; Kr : hệ số khuyếch đại của bộ điều chỉnh dòng điện; Kđ : hệ số của khâu đo lường dòng điện; Id : dòng trung bình trên tải. 2 i ak X  dI dU 1 tR Hình 1.10. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện. dI dU Hình 1.11. Sơ đồ cấu trúc biến đổi. Từ sơ đồ cấu trúc hình 1.11 ta có các mối quan hệ sau: 0 01 dp r d cld dr dp r d cl K K U KI I K K U K   (1.10) 0 1 1 d dr dp r d cl I I K K U K    (1.11) Từ (1.10), (1.11) có thể xác định được hệ số khuếch đại Kr của bộ điều chỉnh dòng điện để đảm bảo đặc tính ra của nguồn hàn có dạng dốc như biểu diễn bởi hình 1.8, 1.9. Ví dụ: Tính toán một nguồn hàn một chiều theo cấu trúc biến áp - chỉnh lưu tiristo đảm bảo các yêu cầu: Điện áp không tải Ud0 = 80 V; Dòng hàn trung bình Id = 300 A theo đặc tính nguồn dòng, độ chính xác ổn định dòng điện hàn Id = 10 % Id khi điện áp hồ quang dao động trong phạm vi 22 – 32 V. Đặc tính yêu cầu này được thể hiện trên đồ thị hình 1.12. Trên đồ thị cũng thể hiện công suất tính toán sơ bộ tại các điểm đã biết. Công suất lớn nhất yêu cầu là 9120 W. Với công suất lớn trên 5 kW nên sử dụng sơ đồ cầu ba pha. Công suất tính toán sơ bộ của máy biến áp theo sơ đồ cầu ba pha là: Sba = 1,05Pd = 1,05.9120 = 9576 (KVA). Trong dải công suất này, chọn sụt áp do điện kháng là eX = 8%. Chọn thiết bị đo dòng một chiều dùng shunt dòng 500 (A) / 75 (mV), sau đó khuếch đại 100 lần, lên đến điện áp 7,5 V, để phù hợp với các thiết bị điều khiển, ta có hệ số của khâu đo bằng: 37,5 15.10 500dp K   Để đảm bảo điện áp chỉnh lưu không tải Ud0 = 80 V, điện áp thứ cấp máy biến áp bằng: U2 = Ud0 / 2,34 = 80 /2,34 = 34,2 V. 2 2 32 34, 20,08 9,77.10 ( ) 9576a X ba UX e S     Điện trở tải hồ quang, tính tại điểm dòng 300 A, điện áp 27 V, bằng: Rt = 27 / 300 = 0,09 (). 3 1 1 10,07 6.9,77.100,092 2 cl i a t K k XR        (Trong sơ đồ cầu ki = 6). Id Ud 0dU 22 32 27 300285 315 A V 80 0 9120 W 8100 W 6930 W Hình 1.12. Đặc tính nguồn hàn trong ví dụ yêu cầu. Từ (1.11), để đảm bảo dòng điện thay đổi trong phạm vi 10 % của dòng hàn 300 A, ta phải có: 0 3 90,1 1 10 0,75 15.10 .80.10,07 d dp r d cl r dr I K K U K K I          Lưu ý rằng, để phù hợp với khâu đo lường thì lượng đặt cho dòng điện sẽ là 7,5 V ứng với dòng điện đặt Idr = 500 A. 1.3. Phân tích yêu cầu công nghệ đối với nguồn cho thiết bị điện phân, thiết bị mạ 1.3.1. Các quá trình điện hóa Quá trình điện phân, quá trình mạ hay acquy đều là các dạng khác nhau của quá trình điện hoá nói chung. Quá trình điện hoá là các phản ứng hoá học xảy ra giữa một vật dẫn điện bằng điện tử (gọi là điện cực, thường là kim loại hoặc chất bán dẫn, kể cả grafit) với một môi trường dẫn điện bằng iôn (dung dịch điện phân), trong đó có sự trao đổi điện tử giữa điện cực và chất điện phân. Một phản ứng hoá học xảy ra dưới tác dụng của một nguồn điện áp bên ngoài, như quá trình điện phân, hoặc là một điện áp được tạo ra bởi phản ứng hoá học, như trong acquy, thì gọi là các phản ứng điện hoá. Phản ứng hoá học, trong đó các điện tử trao đổi giữa các nguyên tử, gọi là phản ứng ô-xy hoá hay phản ứng khử. Nói chung, trong các quá trình điện hoá, các phản ứng ô-xy hoá và phản ứng khử xảy ra trong không gian riêng biệt, nối với nhau bởi một mạch điện bên ngoài. Sự mất đi các điện tử từ một nguyên tử hay một phân tử gọi là sự ô-xy hoá, còn sự nhận được các điện tử gọi là sự khử. Quá trình ô-xy hoá và khử luôn song hành với nhau, một chất ô-xy hoá thì một chất khác bị khử. Nguyên tử hay phân tử bị mất đi electron gọi là tác nhân khử và chất nhận được electron gọi là tác nhân ô-xy hoá. Một tác nhân ô-xy hoá thì luôn luôn bị khử trong một phản ứng, ngược lại tác nhân khử sẽ luôn bị ô-xy hoá. Ô-xy là một chất ô-xy hoá nhưng phản ứng ô-xy hoá khử không nhất thiết chỉ có sự tham gia của ô-xy. Ngăn điện hoá Một ngăn điện hoá gọi là một thiết bị có khả năng sinh ra dòng điện do năng lượng sinh ra bởi một phản ứng tự ô-xy hoá khử. Xét một điện cực riêng biệt, ví dụ là kim loại kẽm Zn, nhúng trong một dung dịch muối kẽm ZnSO4. Các electron hóa trị của kẽm khá tự do và do đó nguyên tử kẽm dễ mất đi các electron này để trở thành các ion dương: Zn – 2e  Zn2+ Khi nhúng trong dung dịch quá trình này xảy ra đối với các nguyên tử kẽm nằm trên bề mặt. Các ion Zn2+ được tạo thành khuếch tán vào trong dung dịch, còn các electron thì nằm lại trên thanh kim loại. Kết quả là dung dịch có nhiều điện tích dương, còn thanh kẽm thì chứa nhiều điện tích âm. Nói một cách khác là xuất hiện một chênh lệch điện thế giữa điện cực và dung dịch, gọi là điện thế điện cực. Đây là điện thế giữa một cặp oxy hóa/khử, có giá trị nhất định trong những điều kiện nhất định và được cho trong bảng trong các tài liệu về hóa học. Ví dụ, điện thế của cặp Zn2+/Zn có giá trị E = - 0,76 V. Nếu nhúng một thanh đồng vào dung dịch muối sunphat đồng CuSO4 cũng xảy ra quá trình tương tự. Điện thế của cặp Cu2+/Cu có giá trị E = 0,34 V. Nếu có hai điện cực với chênh lệch điện thế khác nhau, nối với nhau bằng dây dẫn ở mạch ngoài sẽ xảy ra quá trình cân bằng điện thế giữa hai điện cực, và do đó làm xuất hiện dòng điện trong mạch. Hiện tượng này là cơ sở để tạo nên nguồn điện có bản chất hóa học như pin hay acquy. Pin Volta sử dụng hai điện cực kim loại khác nhau, nhúng trong dung dịch chất điện ly, trong đó các cation (iôn dương) chính là các phân tử bị ô-xy hoá của điện cực kim loại tạo ra. Xu hướng của các điện cực kim loại bị ô-xy hoá hay bị khử, trong một môi trường điện ly nhất định, được xác định bởi điện thế điện cực trong sự phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần cũng như nồng độ chất điện phân. Trong một ngăn điện hoá, một điện cực bị ô-xy hoá và điện cực kia bị khử, phụ thuộc vào chênh lệch điện thế giữa hai điện cực. Điện áp xuất hiện giữa hai điện cực của ngăn điện hoá cũng gọi là sức điện động của ngăn, s.đ.đ (electromotive force – emf). Trong pin Volta điện cực là kim loại nên cũng là vật để dẫn điện. Trong các quá trình điện phân thì điện cực được tạo ra bởi một cặp ô xy hóa – khử mà cả chất ô xy hóa lẫn chất khử đều là các ion trong dung dịch hay một trong các dạng đó ở thể khí hay thể lỏng (ví dụ: H+/H2, Cl2/Cl-, …) người ta phải dùng một kim loại trơ làm vật dẫn điện. Kim loại thường được dùng là platin Pt. Có thể dùng graphit cho mục địch này. Điện thế chuẩn của điện cực Điện thế chuẩn của điện cực cho trong bảng điện thế chuẩn. Đó là mức điện thế so với điện thế của điện cực chuẩn hiđrô H2 (Standard Hidrogen Electrode - SHE), xuất hiện trong phản ứng: 2H+(aq) + 2e- -> H2, là một phản ứng khử. Tuy nhiên điện cực hiđrô có thể là anôt cũng như là catôt, phụ thuộc vào điện thế tương đối trong tổ hợp điện cực/chất điện ly. Điện cực chuẩn hiđrô là một thanh platin Pt phủ bột muội Pt, nhúng trong một dung dịch axit H+ bằng 1 ([H+] = 1mol/lit), được làm bão hòa bởi khí hiđro ở áp suất 1 atm và nhiệt độ 298K. Với thế khử tiêu chuẩn 2 0 / 0,0 H H E V  . Điện thế chuẩn của điện cực được xác định tương đối so với điện cực chuẩn hiđrô. Nếu điện thế của điện cực dương hơn điện cực hiđrô nghĩa là điện cực có tính khử mạnh (có xu hướng lấy vào các điện tử), làm cho hiđrô trở thành anôt. Nếu điện thế là âm thì điện cực có tính ô-xy hoá mạnh hơn hiđrô (có xu hướng cho đi các điện tử), làm cho hiđrô trở thành catôt. Điện thế của một ngăn điện hoá được tính bằng tổng giữa điện thế khử của catôt và điện thế ô-xy hoá của anôt. Engăn = Ekhử(catôt) - Ekhử(anôt) = Ekhử(catôt) + Eô-xy hoá(anôt) 1.3.2. Điện phân dung dịch muối ăn (NaCl) Quá trình điện phân đòi hỏi phải có nguồn điện từ bên ngoài để tạo nên các phản ứng hoá học. Các quá trình xảy ra cũng tương tự như ở trong ngăn điện hoá, nghĩa là các phản ứng ô-xy hoá và khử xảy ra song hành nhau. Điện phân muối ăn được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp để sản xuất sút (NaOH) và clo (Cl2). Muối ăn được làm từ nước biển hoặc khai thác tại các mỏ muối trong tự nhiên. Trong dung dịch muối ngoài các ion do Na2+ và Cl- còn có các ion H+ và OH- do nước phân li ra.