Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu cho máy hàn một chiều

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MỘT CHIỀU. 1.1:Khái niệm về hàn điện. Hàn điện là một công nghệ phổ biến nhất trong kỹ thuật hiện đại.ở các ngành đóng tàu,ngành xây dựng,ngành chế tạo máy móc không thể thiếu máy hàn điện.Hàn điện củng được áp dụng ở những đơn vị sản xuất nhỏ và những công ty lớn trong các ngành công nghiệp khác. 1.2:Định nghĩa hàn. Hàn là quá trình nối hai vật liệu bằng kim loại với nhau bằng cách nung nóng chổ nối đến nóng chảy hoặc gần nóng chảy. 1.3:¬Hồ quang điện và hàn hồ quang điện. Hồ quang điện hàn là một dạng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn(102 đến 103A/mm2). Ở điều kiện bình thường chất khí hầu như không dẫn điện. Nếu đặt lên hai điện cực trong môi trường không khí một điện trường có cường độ đủ lớn thì có thể phá vỡ cách điện của chất khí và có khả năng dẫn dòng điện lớn, phụ thuộc vào tính chất chất khí, áp suất của nó, nhiệt độ môi trường, vật liệu làm điện cực, độ lớn của cường độ điện trường…

THIẾT KẾ MÔN HỌC

MÔN: ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề bài: Đề số 09:

Thiết kế bộ điều khiển chỉnh lưu cho máy hàn một chiều

Yêu cầu công nghệ Thông số thiết kế

Thiết kế bộ chỉnh lưu có điều khiển _Uvào=380V

_Iđm=250V _Umax=60V

Hải phòng 10/2012

1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN MỘT CHIỀU.

1.1:Khái niệm về hàn điện.

Hàn điện là một công nghệ phổ biến nhất trong kỹ thuật hiện đại.ở các ngànhđóng tàu,ngành xây dựng,ngành chế tạo máy móc không thể thiếu máy hàn điện.Hàn điện củng được áp dụng ở những đơn vị sản xuất nhỏ và những công ty lớn trong các ngành công nghiệp khác

1.2:Định nghĩa hàn.

Hàn là quá trình nối hai vật liệu bằng kim loại với nhau bằng cách nung nóng chổ nối đến nóng chảy hoặc gần nóng chảy

1.3:Hồ quang điện và hàn hồ quang điện.

Hồ quang điện hàn là một dạng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn(102 đến 103A/mm2) Ở điều kiện bình thường chất khí hầu nhưkhông dẫn điện Nếu đặt lên hai điện cực trong môi trường không khí một điện trường có cường độ đủ lớn thì có thể phá vỡ cách điện của chất khí và

có khả năng dẫn dòng điện lớn, phụ thuộc vào tính chất chất khí, áp suất của

nó, nhiệt độ môi trường, vật liệu làm điện cực, độ lớn của cường độ điện trường…

Đặc tính V-A, đặc tính tĩnh của hồ quang:

Để giảm được U mồi mà vẫn gây

Hàn điện hồ quang là dùng nhiệt lượng của hồ quang điện nung nóng chổhàn làm cho kim loại vật hàn chảy và kim loại bổ sung chảy để nối hai vật lại.

Khi hàn: cho que hàn chạm vào vật hàn 0.1 s xong đưa lên cao 3-4 mm

Do tác dụng của điện trở nên đầu nút que hàn và chổ vật hàn tiếp xúc với que hàn bị nung nóng Khi nhấc que hàn lên khỏi vật hàn que hàn bắn ra điện tử, các điện tử bắn nhanh đập vào vật hàn biến động năng thành nhiệt năng dẫn đến vật hàn bị chảy Môi trường giữa que hàn và vật hàn chịu tác dụng của điện trường bị ion hóa, các ion dười đi lên rất nhanh biến động năng thành nhiệt năng dẫn đến que hàn nóng chảy và nhỏ giọt xuống vật hàn

1.4: Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang.

Nguồn điện cung cấp cho hàn hồ quang có thể là xoay chiều hoặc một chiều

Trong đó nguồn hàn hồ quang một chiều có hai loại là :

- Bộ biến đổi quay(máy phát hàn một chiều)

- Bộ biến đổi tĩnh(bộ chỉnh lưu)

Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn đã đưa ra nhiều ứng dụng trong nguồn hàn một chiều Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu

có những ưu việt sau đây so với máy phát hàn một chiều:

+ Chỉ tiêu năng lượng cao

+ Không có phần quay

+ Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bão dưỡng và sữa chữa thấp

3

Tuy nhiên chúng đều có những yêu cầu chung sau:

- Điện áp không tải đủ lớn và lớn hơn áp khi có tải để mồi được hồ quang

và hàn được dễ dàng:

Nguồn hàn một chiều với điện cực là:

Kim loại : u0min = (30 - 40) v

- Nguồn hàn phải có công suất lớn

- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn; vì như ta đã biết dòng điện hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn Dòng điện hàn được tính theo biểu thức sau:

I h=(40÷60)D

Đặc tính ngoài là đường biểu diễn quan hệ giữa áp trên hai đưa ra của máy với dòng tải

Các đặc tính ngoài của nguồn điện

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH CÔNG SUẤT.

Có rất nhiều phương án lựa chọn để thiết kế bộ chỉnh lưu cho nguồn hàn 3 pha.ở đây ta xét các phương án sau:

- Chỉnh lưu tia 3 pha có điều khiển

- Chỉnh lưu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng

- Chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển

1

2 3 4 U

I

5

2.1: Các phương án thiết kế.

2.1.1: Chỉnh lưu ti aba pha có điều khiển.

Sơ đồ đồ thị:

Công thức tính toán:

- Điện áp ngược đặt lên van:

2.1.2: Chỉnh lưu cầu bap ha có điều

khiển không đối xưng.

Sơ đồ và đồ thị:

7

Công thức tính toán.

- Điện áp chỉnh lưu nhận được:

U d=3√6

2 Π U2(1+Cosα )=1,17U2(1+Cos α )

- Điện áp ngược đặt lên van:

- Dòng điện tải trung bình:

2 Π U2(1+Cosα )=1,17U2(1+Cos α )

- Điện áp ngược đặt lên van:

2.1.3: Chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển.

Sơ đồ và đồ thị:

Sơ đồ hình tia 3 pha:

Thường được lựa chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp ( tránh gây mất đối xứng cho nguồn lưới) và tải không có yêu cầuquá cao về chất lượng điện áp một chiều

Loại này cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đưa ra tải Công suất máy biến áp lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần nhưng sụt áp trên van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp thấp Vì sử dụng nguồn 3 pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều, độ đập mạch điện áp sau chỉnh lưu giảm cho nên giảm kích thước cuộn kháng lọc

Sơ đồ cầu 3 pha điều kiển không đối xứng:

11

Sơ đồ này có dòng chạy trong thứ cấp máy biến áp là dòng xoay chiều nên trong máy biến áp không có hiện tượng từ hoá cưỡng bức.

Công suất tính toán máy biến áp xấp xỉ công suất trên tải chứng tỏ thành phần sóng điều hoà bậc cao trong sơ đồ cầu là không đáng kể Chất lượng điện áp một chiều khá tốt điều này làm giảm điện kháng bộ lọc dẫn đến giảmkích thước bộ lọc.mặt khác vì chỉ cần điều khiển 1 nhóm tiristo t1,t3,t5 nên chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển đơn giản hơn điều khiển sơ đồ có điều khiển

.Sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển:

Số xung đập mạch trong 1 chu kỳ lớn m = 6 ( làm giảm kích thước cuộn kháng hạn chế dòng điện đập mạch ở sau khối chỉnh lưu) nên chất lượng điện áp tốt hơn

Sơ đồ này có hệ số sử dụng biến áp rất cao,công suất mba gần bằng công suất tải.và trong mba không có hiện tượng từ hoá cưỡng bức vì dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp là xoay chiều,nên tổng ampe vòng của thành phần 1 chiều gây nên trên mỗi trụ biến áp bằng không

Vì vậy ta chọn mạch chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển là thích hợp nhất.

CD at

2.3: Thiết kế máy biến áp.

2.3.1: Các thông số cơ bản của máy biến áp.

- Điện áp sơ cấp: u1 =3 x 380 (V)

- Điện áp pha thứ cấp:

Phương trình cân bằng điện áp khi có tải:

U d 0=U d+∑ ΔUU

Trong đó : ∑ΔUU = ΔUU V+ΔUU L+ΔUU ba

Sụt áp trên van: ΔUU V=2 1,6=3,2 (V )

Sụt áp trên cuộn kháng lọc: ΔUU L=3,5 (V )

Sụt áp trên máy biến áp : ΔUU ba=5%Ud=0,05.60=3 (V )

⇒ U d 0=60+3,2+3,5+3=69 ,7 (V )

- Công suất máy biến áp:

S ba=k sd P d=1,23.69,7.250= 21,43 ( KVA)

(Với ksd:hệ số công suất theo sơ đồ mạch động lực.)

- Với sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển ta có:

- Tiết diện dây dẫn sơ cấp: Q1=

- Điện áp chỉnh lưu không tải : U d 0=69,7 (V )

- Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu:

Tải có điện trở tương đương: R d=

Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở cuộn kháng xấp xĩ điện kháng:

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

3.1.Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển.

Hình dưới là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ Ở đây khâu UT tạo ra điện áptựa có dạng cố định (thường có dạng răng cưa, đôi khi hình sin) theo chu kỳ

do nhịp đồng bộ của UĐB Khâu so sánh “SS” xác định thời điểm cân bằng của 2 điện áp UT và UĐK để phát động khâu tạo xung TX Như vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do

sự thay đổi trị số của UĐK, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ Đa số mạch điều khiển thực tế sử dụng nguyên tắc này

19

3.2.Thiết kế mạch điều khiển

 Thuyết minh:

Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến

áp được hạ áp Sau khi qua mạch chỉnh lưu có điểm trung tính điện áp U1 là điện áp một chiều nửa hình sin

Điện áp một chiều nửa hình sin tại U1 được đưa vào cực (+) của OA1 sosánh với điện áp phẳng U được đặt vào cực (-) của OA1 do E1, VR1 và R2 tạo

ra Kết quả ta được tín hiệu đầu ra U2 của OA1 có dạng xung vuông đồng bộ với lưới

Điện áp điều khiển được lấy từ điện áp phản hồi trên điện trở shunt được khuyếch đại lên để có độ lớn thích hợp, sau khi qua khâu khuyếch đại đảo và khâu PI lọc sai số động ta được UĐK có dạng đường thẳng.

Điện áp răng cưa U3 được đưa vào cửa (-) của OA3 và so sánh với điện

áp điều khiển UĐK được đưa vào cửa (+) Khi U3 > UĐK thì điện áp đầu ra củaOA3 là U4 có giá trị âm Ngược lại, khi U3 < UĐK thì điện áp đầu ra U4 có giá trị dương Kết quả ta được U4 có dạng xung vuông

Khâu phát xung chùm có tác dụng tạo ra chùm xung dưới sự phóng nạpcủa tụ C2 D9 có tác dụng loại bỏ xung âm Do đó tín hiệu điện áp U6 có dạngxung chùm dương

Điện áp U4 được chộn với xung chùm U6 bởi IC4081 rồi được đưa qua tầng khuyếch đại do tín hiệu xung vẫn chưa đủ lớn để kích mở thyristor.Tằng khuyếch đại gồm các transisto mắc theo kiểu Dalington Xung dương được đặt vào bazơ của TR1 làm TR1 mở đồng thời TR2 mở theo khi đó

có xung đi vào biến áp xung Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung đểkích mở Tiristo Khi điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức điện động cảm ứng ngược dấu lúc đó điốt D4 và D7 có tác dụng trả ngược điện áp dập tắt sức điện động để bảo vệ các

Transistor khỏi bị quá áp

3.1: Tính toán các khâu trong mạch điều khiển:

21

3.3.1.Tính toán khâu đồng bộ:

Tính toán:

Chọn góc duy trì và thoát năng lượng  =5 o thì điện áp U 1 đặt vào cửa

U 2

U ~

- E + E

+ E 1

R 1

+ -

3 2

Để điện trở đầu vào của OA1 là lớn ta chọn điện trở R có giá trị là 100(kΩ).

3.3.2: Khâu tạo điện áp răng cưa.

U 2

U 3

+

-1 2

Trong đó : T P - thời gian phóng của tụ C 1.

T N - thời gian nạp của tụ C 1.

Gọi dòng địên trong quá trình phóng là I P Sau khoảng thời gian T =

TP = 9,4 (ms) thì điện áp trên tụ về giá trị 0 vậy ta có:

-1 2

-1 2

10

2500 2.15

Nguyên lý hoạt động của khâu phản hồi :

Lấy điện áp phản hồi từ nguồn hàn thông qua điện trở SHUNT, vì điện

áp này nhỏ nên ta cho qua bộ khuếch đại để được điện áp thích hợp Tiếp theo điện áp phản hồi được đưa vào bộ cộng (đảo) với điện áp mà ta đặt cho nguồn hàn làm việc

+

-1 2

-1 2

-1 2

công suất của khâu ổn áp là:

P 2 1 =U2 1.I 2 1 =17.0,6=10,2 (W)

o Khâu nguồn công suất :

U 2 2 =10 V; i 2 2 =1 A công suất của nguồn ổn áp là:

Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: q 2 2 =0,05726tương ứng với

đường kính d 2 2 =0,27mm

 Tính toán phía sơ cấp biến áp

Dòng điện sơ cấp trong máy biến áp là:

Tính toán khâu chỉnh lưu và ổn áp:

Tạo nguồn nuôi E=12 v

Điện áp đầu vào : UV = 735 (V).

Điện áp đầu ra : URA = 12(V) với IC 7812

URA = -12(V) với IC 7912Dòng điện đầu ra: IRA = 01 (a)

Tụ điện C4 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc cao

3.3.8:Khuyếch đại xung & biến áp xung:

Trong đó: Tx là chiều dài xung truyền qua máy biến áp thường có giá

23 11,5 2

W W m

(vòng)Giá trị trung bình ở sơ cấp và thứ cấp BAX

2.10

x tb

x tb

t

T t

1

2 2

 = 120

Ở đây sử dụng  = 10

2 2

Ta có: IBT2 = IECT1 = 15 (ma)

Chọn Tr1 loại C828 với các thông số:

UEC = 35 (v)IEC = 150 (ma)

Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển :

37

r c

T 6

2c c

r c2c c T2

Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tậntình của các thầy cô giáo trong bộ môn đặc biệt là thầy Đoàn Văn Tuân

và sự giúp đỡ của các bạn cùng nhóm, em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án : Thiết kế bộ chỉnh lưu hàn hồ quang một chiều.Trong quá trình thực hiện, do trình độ còn hạn chế nên chắc chắn em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày tháng năm 2012

41