Nguồn xung công suất cho công nghệ mạ

NGUỒN XUNG CÔNG SUẤT CHO CÔNG NGHỆ MẠ Nguyễn Duy Cương1, Nguyễn Đăng Bình1*, Bùi Chính Minh1, Trương Đức Thiệp2 1Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – ĐH Thái Nguyên 2Trường Cao đẳng Cơ khí nông nghiệp - Bộ NN&PTNT TÓM TẮT Bài báo này trình bày về việc phân tích, thiết kế và chế tạo bộ nguồn công suất tạo ra xung lưỡng cực phục vụ cho công nghệ mạ mới. Trên cơ sở các thông số kỹ thuật đối với điện áp, dòng điện do công nghệ mạ mới yêu cầu ta tiến hành xây dựng sơ đồ khối bộ nguồn, sơ đồ chi tiết cho từng khối và tính chọn thiết bị. Mạch lực được xây dựng dựa trên sự phân tích chức năng, ưu nhược điểm của các sơ đồ cũng như các phần tử bán dẫn công suất. Mạch tạo xung điều khiển cho các phần tử bán dẫn công suất trong mạch nghịch lưu được thiết kế dựa trên việc phân tích giản đồ xung từ đó đưa ra các khối chức năng cũng như mối quan hệ giữa chúng. Với sự trợ giúp của vi điều khiển, bộ nguồn được chế tạo với các thông vận hành được cài đặt một cách dễ dàng và có thay đổi trong phạm vi rộng. Kết quả trên thiết bị thực cho thấy bộ nguồn được chế tạo làm việc ổn đình, đáp ứng được yêu cầu của công nghệ mạ. Từ khóa: Mạ dòng xung, chỉnh lưu, nghịch lưu, vi xử lý, kỹ thuật xung GIỚI THIỆU việc. Đây là các bộ nguồn đang được sử dụng Khái niệm cơ bản về mạ điện cho công nghệ mạ điện thông dụng hiện nay. Mạ điện là quá trình điện kết tủa kim loại lên Mạ điện bằng dòng xung bề mặt nền một lớp phủ có những tính chất cơ, Ý nghĩa của kỹ thuật mạ xung: Trong những lý, hóa,đáp ứng được các yêu cầu mong năm gần đây các nhà khoa học trên thế giới đã muốn [1]. Do vậy mạ điện đã được sử dụng để nghiên cứu và tìm ra công nghệ mạ tiên tiến phục vụ cho các mục đích khác nhau như phục hơn, đó là công nghệ mạ xung với các ưu điểm hồi kích thước, chống ăn mòn, trang sức, thấm nổi bật so với mạ điện truyền thống sử dụng dầu, dẫn điện,Về nguyên tắc, vật liệu nền có dòng một chiều, cụ thể là: có thể nhận được thể là kim loại, hợp kim, chất dẻo, gốm sứ, hay cấu trúc submicro và nano, tăng độ cứng, tăng composit. Lớp mạ cũng vậy có thể là kim loại, độ đồng đều và độ bóng của lớp mạ, cho phép hợp kim, hoặc có thể là composit của kim loại giảm chiều dầy lớp phủ, giảm yêu cầu đối với – chất dẻo hay kim loại – gốm, ... chất phụ gia...Ngoài ra kỹ thuật mạ xung rất Mạ điện bằng dòng một chiều thích hợp cho các vật cần mạ có cấu trúc cũng Theo trình tự của lịch sử, đầu tiên máy phát như hình dáng phức tạp [2]. điện một chiều được sử dụng cung cấp nguồn Mạ bằng dòng xung: Kỹ thuật mạ xung là kỹ cho bể mạ [1]. Với sự ra đời của điốt bán dẫn thuật tạo ra lớp phủ bằng cách dùng dòng điện bộ nguồn một chiều với cấu trúc là các bộ xung lưỡng cực. Dạng dòng xung được sử chỉnh lưu một pha, ba pha, ...dần thay thế các dụng nhiều nhất là dạng xung vuông. Dãy máy phát một chiều. Tiếp theo là sự ra đời của Thyristor, các bộ chỉnh lưu có điều khiển sử xung vuông tuần hoàn lý tưởng với các thông dụng Thyristor với các mạch vòng phản hồi số kỹ thuật cơ bản như biên độ xung, độ rộng theo dòng điện và điện áp thể hiện các ưu việt phần xung dương, độ rộng phần xung âm, chu như dễ dàng tạo ra các giá trị điện áp một kỳ dãy xung. Tuy nhiên dãy vuông thực tế chiều theo ý muốn đưa ra tải đồng thời có khả luôn có sự sai khác với dãy xung lý tưởng, ta năng ổn định dòng điện mạ trong quá trình làm phải tính đến các thông số như độ rộng sườn trước, độ rộng sườn sau, độ sụt đỉnh xung. Nội dung bài báo không đề cập sâu đến ảnh hưởng của thông số dãy xung đến chất lượng  Tel: 0913286661 của lớp mạ, thay vào đó nội dung tập chung Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 78 Nguyễn Duy Cương và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 78 - 83 vào việc phân tích, thiết kế, chế tạo bộ nguồn điều khiển có giá trị lớn. Khi điện áp một tạo ra các dãy xung lưỡng cực đáp ứng được chiều đưa đến bộ nghịch lưu không được yêu cầu của công nghệ mạ mới yêu cầu. Cấu bằng phẳng, dạng xung ra bị méo nghiêm trúc của bài báo được trình bày như sau: Mục trọng, ảnh hưởng đến chất lượng của lớp mạ. II phân tích và đưa ra sơ đồ nguyên lý mạch Tóm lại là không nên sử dụng mạch chỉnh lưu lực. Cấu trúc mạch cứng cũng như cách thức có điều khiển sử dụng Thyristor trong kỹ tạo xung điều khiển cho các IGBT trong mạch thuật mạ điện mới này. nghịch lưu được đưa ra trong Mục III. Mục Khối nghịch lưu IV trình bày các kết quả trên thiết bị thực. Phần kết luận được trình bày tại mục V. Được xây dựng dựa trên cấu trúc sơ đồ cầu một pha sử dụng 04 phần tử bán dẫn công suất THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MẠCH LỰC làm việc như các chuyển mạch. Việc lựa chọn Cấu trúc chung tìm ra các phần tử bán tử bán dẫn công suất Có rất nhiều cấu trúc có thể áp dụng để xây dẫn thích hợp sử dụng trong mạch nghịch lưu dựng bộ nguồn xung lưỡng cực cho mạ điện. là rất quan trọng, cần có sự phân tích kỹ lưỡng. Trong thiết kế này với yêu cầu cung cấp công suất, dòng điện mạ lớn, mạch lực được đề Như đã biết các linh kiện điện tử công suất họ xuất gồm 03 khối chính (Hình 2): Chỉnh lưu, tranzitor có đặc tính mồi khác với thyristor. lọc và nghịch lưu. Điện áp xoay chiều từ lưới Đối với thyristor, một khi đã mở nó vẫn tiếp công nghiệp tần số 50 Hz trước hết thông qua tục mở và chỉ bị khóa khi dòng điện dưới mức máy biến áp lực được chuyển thành điện áp duy trì. Đối với tranzitor và các linh kiện xoay chiều cùng tần số có giá trị thích hợp cổng chuyển mạch, để duy trì trạng thái cần đưa tới đầu vào bộ chỉnh lưu, bộ lọc giúp cho tiếp tục đặt tín hiệu điều khiển lên cực bazơ điện áp một chiều sau chỉnh lưu được bằng hoặc cổng của chúng. Như vậy nếu sử dụng phẳng hơn trước khi đưa đến đầu vào bộ Thyristor trong mạch nghịch lưu cần thiết nghịch lưu, tại đầu ra bộ nghịch lưu ta nhận phải có các mạch phụ trợ đi kèm, điều này được dãy xung theo yêu cầu. làm cho bộ nguồn trở nên phức tạp hơn. BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET Khối chỉnh lưu (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Khối này được lựa chọn với cấu trúc hình cầu Transistor), và IGBT (Insulated Gate Bipolar ba pha không điều khiển với ưu điểm nổi bật Transistor) là các phần tử bán dẫn công suất là dạng điện áp sau chỉnh lưu tương đối bằng điển hình thường được lựa chọn trong các phẳng, điều này cho phép giảm nhẹ yêu cầu thiết kế ở đó chúng làm việc như các chuyển đối với bộ lọc đồng thời giúp cho dạng xung mạch. BJT là linh kiện điều khiển dòng, trong ra của bộ nghịch lưu có dạng gần như vuông. khi MOSFET và IGBT điều khiển áp. Trong Ta biết rằng nếu bỏ qua sụt áp của các van thiết kế này IGBT được lựa chọn sử dụng bởi trong bộ nghịch lưu, biên độ của xung ra lẽ nó kết hợp được điểm mạnh của MOSFET chính bằng biên độ điện áp một chiều sau bộ đó là khả năng đóng cắt nhanh (tới hàng trăm lọc. Như vậy với kết cấu này biên độ của kHz) và điều khiển bằng nguồn áp, đồng thời xung ra phụ thuộc vào điện áp thứ cấp của IGBT bao hàm ưu điểm của BJT đó là cho máy biến áp lực. Ta có thể giới thiệu một số phép đóng cắt dòng điện có trị số lớn (tới phương án khác làm cơ sở cho việc lựa chọn hàng ngàn ampe). Trên sơ đồ Hình 2, các van đó là sử dụng sơ đồ cầu ba pha hoặc tia sáu V1, V3 được cấp các tín hiệu xung điều khiển pha có điều khiển dùng Thyristor. Theo cách giống nhau và chúng sẽ thông khi có xung này ta có thể dề dàng điều chỉnh giá trị trung đưa tới, kết quả tạo nên phần dương của xung bình điện áp sau chỉnh lưu. Tuy nhiên dạng ra. Dễ dàng nhận thấy rằng độ rộng xung ra điện áp có độ đập mạch cao, đặc biệt khi góc được quyết định bởi độ rộng xung điều khiển, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 79 Nguyễn Duy Cương và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 78 - 83 biên độ xung ra được quyết định bởi giá trị thay đổi trong phạm vi rộng một cách dễ điện áp một chiều sau bộ lọc. Tương tự như dàng. Sự kết hợp giữa xung bao với các xung vậy, các van V2, V4 được cung cấp các xung điều chế thông qua các phép nhân logic sẽ tạo điều khiển giống nhau, khi chúng mở (lúc đó nên các xung điều khiển thích hợp đưa đến V1, V3 khóa do không có xung điều khiển các IGBT mạch lực bộ nghịch lưu một pha. đưa tới) sẽ tạo nên phần âm của xung ra. Kết quả dòng mạ xung có hình dạng Hình 1 – TẠO XUNG ĐIỀU KHIỂN CHO KHỐI dòng dưới cùng. NGHỊCH LƯU Phân tích các phương án thực hiện Cơ sở xây dựng cấu trúc bộ phát xung Trên giản đồ xung Hình 1 ta thấy chu kỳ của Một cách tổng quan kỹ thuật mạ xung yêu cầu xung dòng lưỡng cực chính bằng chu kỳ của dòng xung có hình dạng được chỉ ra trên dãy xung bao, nếu giữ các xung điều chế có Hình 1 – đường dưới cùng [2]. Dòng xung có chu kỳ không đổi và thực hiện thay đổi tần số tính tuần hoàn, trong một chu kỳ bao gồm hay độ rộng của dãy xung bao sẽ thay đổi một chuỗi các xung vuông cực tính dương rồi được số lượng xung dương cũng như số lượng đến một chuỗi các xung vuông cực tính âm. xung âm trong một chu kỳ của dòng điện trên Việc tìm ra cấu trúc của mạch phát xung dựa tải. Để thực hiện giản đồ xung Hình 1 ta có trên cơ sở phân tích các giản đồ xung ở Hình 1. thực hiện theo 02 cách cơ bản đó là sử dụng mạch cứng hoặc mạch nhúng. Mạch cứng Đối với một ứng dụng cụ thể, số lượng, độ được hiểu một cách đơn giản là chỉ dùng các rộng các xung vuông cực tính dương cũng linh kiện điện tử mà không có sự can thiệp như số lượng, độ rộng các xung vuông cực của phần mềm. Với giản đồ xung Hình 1 giải tính âm là các con số được lựa chon. Tuy pháp có thể là dùng ba IC 555 tạo ra ba mạch nhiên đối với ứng dụng khác các thông số này dao động độc lập phát ra các dãy xung tương cần thay đổi lại cho phù hợp. Để tạo ra nguồn ứng. Việc kết hợp các xung trên thông qua xung vạn năng có thể đáp ứng cho nhiều ứng các cổng logic cơ bản như mạch cộng, mạch dụng, các thông số đã nêu cần được điều nhân sẽ tạo nên các xung điều khiển đưa đến chỉnh một cách dề dàng. Điều này được thực các IGBT mạch nghịch lưu. Với phương án hiện bởi giản đồ xung được trình bày trên này mạch có ưu điểm là đơn giản, chỉ dùng các Hình 1. Cấu trúc bộ tạo xung điều khiển gồm linh kiện điện tử thông dụng, giá thành thấp. các khối cơ bản sau: Khối phát dãy xung bao Tuy nhiên nó tồn tại hạn chế đó là dải thông số (Hình 1 – dòng thứ nhất từ trên xuống); Khối điều chỉnh hẹp, việc điều chỉnh thông số mạch tạo dãy xung vuông điều chế dương (Hình 1 - không được mềm mại, hơn nữa nếu ta muốn dòng thứ 2); Khối tạo dãy xung vuông điều thay đổi phương thức điều khiển khi đó ta phải chế âm (Hình 1 – dòng thứ 3); Để tạo nên các thực hiện thiết kế lại mạch. bộ tham số một cách mềm mại thì tần số cũng như độ rộng xung của từng khối phải được Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 80 Mạch t Mạch kế phần trongchọnnàythiết lựa được pháp mềm. Giải trình chương như cũng toán thuật qua các hiện thực được khiển điều tưởng ý Các đó. trong hợp tích được khiển mềmđiều phần dụngsử kiện các linh điện tử với chương trình đ sử nhúng Mạch nhúng. ta mạch dụng khi phục khắc được này điểm Nhược Cương Duy Nguyễn lý xử việc hiện thực logic Khối định. cố đặt được âm và dương chế điều xung các của kỳ rộngchế.xungđộ điềunàykế Trong chu thiết són dương xung phần rộng độ đặt WR2 trở biến bao, sóng số tần chỉnh điều Bi âm. và dương chế bao xung dãy các ra tạo để trình chương viết được 18F452 PIC khiển điều Vi điềuvi khiển L1 L2 L3 Hình xung điều chế dương chế dương điều xung S hệ thống ố 1 3 5 hóa b hóa L N Mạch điều khiển 1. ạo xung điều khiển nghịch lưu dùng lưu nghịch khiển điều xung ạo 10 Q1 Q2 khiển điều bộ khối trong các của xungứng tương đồ Giản ở 15A/220V MVI4 i Trung tâm H tâm i Trung 2 4 6 +12V Vm1 thực. VR1 MVI3 RS485 12 01 00 Khuếch 10K (Hình 2) MVI2 VR2 G1 Vm2 Đại 13 10K E1 =/= Vcc MVI1 14 VR3 cs và G2 Kích TX Vm3 10K E2 RX Gnd 15 – mở ế Gnd F1 F2 r R ưc dùng được WR1 trở n BAĐL 3A 3A chếâm 2;thứ điều xung ọ G3 Vm4 xung trên tải khi tha tải trên xung c li c E3 03 02 Chạy/Dừng ệ G4 5A u E4 AN0 +12V 16 NGH &CÔNG chí KHOAHỌC Tạp RC6, RC7 đặt WR3 bao, g – 3 A AN1 DMI1 17 Đ T1 T4 R . xn điều xung , . ạ ược hiểu là hiểu ược 2 PWM1 AN2 DMI2 18 i h 0 C A R Phục hồi Đệm , R ọ AN3 DMI3 1 5A c Thái Nguyên Nguyên Thái c PWM2 T3 T6 Logic C V1 R DMI4 DH3 1 6 y đổi thông số của dãy xung xung bao dãy của số thông y đổi T5 T2 3 2 8 B – R . . Ngưỡng PIC 18F452 thứ 3; dòng xung trên tải tải trên dòngxung thứ 3; 0 C B So sánh 1 6 R thực thực được trình bày dưới đây: nguồn bộ như của cũng thuật kỹ nhà số cấp thông học Các khoa nước. cứu việc nghiên công tài phần đề một thuộc là Đây nghiệp. thuật Công Kỹ học đại Trường nghiệm thí phòng tại đặt lắp tạo, kế, chế thiết được nguồnđã Bộ KẾT QUẢ TRÊN HỆ THỐNG THỰC dương x phần rộng độ và số tần lượng đại hai lượt lần cho toàn thị an hiển V1,V2 hồ đồngHai bị. thiết và người bảo đảm khiển, điều xung cắt hiện thực để logic khối sang hiệu tín đưa này khối đặt, trị giá hạn giới vượt mạ dòng Nếu sán so và mạ dòng sát giám việc hiện thực sánh so Khối hợp. thích khiển điều xung dãy ra tạo và xung dãy các VMO1 19 Din 2 8 2 E VMO2 20 1 A V2 R D/A 0 S . 0 . DH3 5 R 7 0 D ung bao. E VMO3 R R 11 MVI4 Aout . . Gnd 21 bị thiết trên được đo quả kết các (Xu 0 G1 Khuếch Ệ 72(10): D E1 Đại R Tr2 Tr3 bao ng 15 Gnd R1 500A/1200V 500A/1200V G2 5A/220V R1 G2 G3 E2 12V Y0 .. Y2 MDO1 22 22 04 G3 – – E3 đường dưới cùng; Dạng Dạng dưới cùng; đường Sự cố đặt. trị giá các với nó h thứ nhất từ trên xuống; xuống; từtrên nhất thứ 220V G4 Giải mã địa chỉ Đệm - Q-120D tnu.edu.vn E4 KĐ G1 G4 24V/14A cộng Y3 +12V +5V 23 VDC 4 1 +12V 24 Tr1 Tr4 Gnd 25 »/= 500A/1200V 500A/1200V | -12V 26 6 2 220VAC 81 78 - Xung mạ 83 Đầu ra Nguyễn Duy Cương và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 78 - 83 Hình 2. Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn xung Thông số kỹ thuật cơ bản mạch lực số, Kỹ thuật xung, Kỹ thuật vi điều khiển, bài a. Biến áp lực ba pha: 12 KVA; sao/sao báo đã đưa ra cấu trúc mạch lực, cấu trúc 380V/12V mạch điều khiển nghịch lưu cũng như tính b. Điốt mạch chỉnh lưu: 500A -1000V toán, lựa chọn các linh kiện, thiết bị phù hợp. Bộ nguồn được thiết kế sử dụng máy biến áp c. IGBT mạch nghịch lưu: 600A – 600V; cách ly 03 pha, sơ đồ chỉnh lưu cầu 03 dùng 100 kHz; Điện áp xung điều khiển 15V; điốt bán dẫn, điện dung được lựa chọn trong d. Điện áp một chiều sau lọc: 17 V khối lọc sau chỉnh lưu, các IGBT công suất e. Dòng điện một chiều sau chỉnh lưu: 500 A được sử dụng trong sơ đồ cầu nghịch lưu một Thông số kỹ thuật mạch điều khiển pha. Mạch điều khiển xung nghịch lưu sử a. Dãy xung bao: Tần số 0 – 200 Hz; độ rộng dụng vi điều khiển, xung bao là dãy xung phần xung dương: 0 – 100%; độ rộng phần vuông lưỡng cực với tần số và độ rộng xung xung âm: 0 – 100%. phần dương cũng như phần âm có thể điều b. Dãy xung điều chế dương: Tần số 2.8 kz; chỉnh được. Xung điều chế dương và xung độ rộng xung: 0 – 100%. điều chế âm là các dãy xung vuông có tần số c. Dãy xung điều chế âm: Tần số 2.8 kz; độ cố định tuy nhiên độ rộng của các xung có thể rộng xung: 0 – 100% thay đổi được. Bộ nguồn đã được đưa vào d. Biên độ điện áp xung điều khiển: 15 V hoạt động và đáp ứng được yêu cầu của công nghệ mạ điện. Kết quả trên hệ thống thực Đã góp phần nâng cao chất lượng lớp mạ cho công nghệ mạ mới, có thể lựa chọn dãy xung TÀI LIỆU THAM KHẢO một cách vạn năng cho các ứng dụng khác nhau, đặc biệt thuận lợi cho các nghiên cứu [1].Trần Minh Hoàng (1988), Kỹ thuật mạ điện, với kỹ thuật mạ công nghệ cao. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, [2].Chuck VanHorn, Enthone-OMI, Inc, Pulsed- KẾT LUẬN CHUNG Curent Plating, Từ yêu cầu công nghệ của mạ đối với nguồn [3].Ch. J. Raub and A. Knodler, The điện, qua những phân tích dựa trên kiến thức Electrodeposition of Gold by Pulse Plating, chuyên ngành về Kỹ thuật biến đổi, Kỹ thuật Germany. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 82 Nguyễn Duy Cương và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 78 - 83 Hình 3. Mạch lực khối nghịch lưu Hình 4. Mạch điều khiển nghịch lưu Hình 5. Dòng điện mạ quan sát trên máy hiện sóng SUMMARY A PULSE POWER SUPPLY FOR PLATE TECHNOLOGY Nguyen Duy Cuong1, Nguyen Dang Binh1, Bui Chinh Minh1, Truong Duc Thiep2 1College of Technology- Thai Nguyen University 2College of Agricultural Mechanics – Ministry of Agriculture and Rural Development This paper talks about analysing, designing, and manufacturing a power supply that generates current patterns for periodic-reserse pulse plating. Based on the technical parameters for voltage and current that are required by new plate technology we carry out to design block diagrams of the supply, design detail diagrams for each block, and select suitable equipments. Power block is buit based on functions, good and bad points of rectifier and inverter schemes and also of power semi- conductor components.Control pulse circuit for power semi-conductor components in inverter block is designed based on analysing pulse diagrams, and then give functions of each block, and also relationships between them. With the hepl of micro-controller, the supply is buit with operation parameters that are easly set and the operation parameters can be changed in an large rank. Experimental results in real system show that the designed supply works stably and satisfies the requirements of plate technology. Key words: Pulsed-current Plating; Rectifier; Inverter; MicroProcessing; Pulse Technique  Tel: 0913286661 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 83 Nguyễn Duy Cương và cs Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 72(10): 78 - 83 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên | 84