Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy hàn inverter một chiều điều khiển kỹ thuật số, đạt dòng hàn 160A

Nhóm thực hiện đề tài mong muốn qua đề tài: “ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy hàn Inverter một chiều điều khiển kỹ thuật số, đạt dòng hàn 160 A “ đóng góp được một số kinh nghiệm về v

Bộ Công thương Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp

Viện Công nghệ

Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN

M∙ số: 239.08RD/HĐ-KHCN

Tên đề tài:

Nghiên cứu thiết kế chế tạo

Bộ Công thương Tổng Công ty Máy động lực và máy nông nghiệp

Viện Công nghệ

Báo cáo tổng kết đề tài KH-CN

M∙ số: 239.08.rd/HĐ-KHCN

Tên đề tài:

máy hàn Inverter một chiều điều khiển kỹ

thuật số, đạt dòng hàn 160 A

Hà Nội, 2 – 2009 Cơ quan chủ trì

Viện Công nghệ

Mục lục

Lời mở đầu 2

1 Khái quát về máy hàn Inverter một chiều điều khiển kĩ thuật số 3

1.01 Máy hàn Inverter 1.02 ứng dụng kĩ thuật số vào điều khiển máy hàn 8

1.03 Sự phát triển của máy hàn Inverter 10

2 Thiết kế máy hàn Inverter một chiều điều khiển kĩ thuật số đạt dòng hàn 160 A 11

2.01 Sơ đồ mạch điện chung - sơ đồ khối 2.02 Bộ nguồn 13

2.03 Bộ nắn dòng và bộ lọc đầu vào 2.04 Bộ công suất cao tần 15

2.05 Biến áp fe-rit công suất 2.06 Bộ nắn cao tần và bộ lọc đầu ra

2.07 Bộ tạo xung 16

2.08 Điều khiển kỹ thuật số 17

2.09 Mạch xử lí tín hiệu đo 30

2.10 Màn hình hiển thị

2.11 Phần bảo vệ nhiệt 31

2.12 Phần giao tiếp máy tính 2.13 Mạch in 32

2.14 Phần vỏ máy và khung gá linh kiện 3 Khảo nghiệm máy hàn 33

3.01 Máy hàn Inverter được thiết kế, chế tạo 3.02 Hướng dẫn sử dụng máy hàn Inverter một chiều điều khiển kĩ thuật số, đạt dòng hàn 160 A 34

3.03 Các thông số cơ bản của máy hàn 38

4 Kết luận 39

5 Phụ lục 40

5.01 ảnh máy hàn và bố trí bên trong máy hàn 5.02 Các bản vẽ chính 42

5.03 Đánh giá máy hàn 47

5.03 Biên bản nghiệm thu sản phẩm đề tài 48

Tài liệu tham khảo 49

Lời mở đầu

Máy hàn được sản xuất theo công nghệ truyền thống thường có trọng lượng lớn, có thể đến vài trăm cân Phần nặng nhất trong các máy hàn loại này là biến áp hàn, nó chiếm khoảng 2/ 3 trọng lượng máy Máy hàn to nặng vừa gây tốn kém vật liệu khi chế tạo vừa gây khó khăn cho việc vận chuyển, di chuyển trong lưu thông phân phối và trong trong sản xuất Trong rất nhiều trường hợp công việc hàn phải di chuyển từ nơi này sang nơi khác thường xuyên, hay phải đưa lên các tầng cao, vì vậy có được thiết bị hàn mạnh mà lại gọn, nhẹ là ước muốn của nhiều nhà sản xuất máy hàn và thợ hàn

Trong những năm gần đây, trên thế giới xuất hiện loại máy hàn mới được

gọi là máy hàn Inverter Cùng cho một cường độ dòng điện hàn như máy hàn thông thường thì trọng lượng của máy Inverter có thể nhẹ hơn đến cả chục lần Máy hàn

Inverter là sản phẩm của công nghệ cao Các bộ phận của máy Inverter từ biến áp

hàn đến nhiều linh kiện điện tử, mạch điện đều là sản phẩm của công nghệ cao

Công nghệ Inverter trong chế tạo máy hàn hoạt động trên nguyên lí nâng

tần số của dòng điện bình thường ( 50 hoặc 60 Hz ) lên tần số hàng nghìn, thậm chí hàng chục nghìn Hz Dòng điện tần số cao này được đưa đến đầu vào của biến áp hàn Nhờ làm việc với tần số cao nên biến áp này có kích thước và trọng lượng nhỏ,

có thể nhỏ hơn biến áp thông thường đến vài chục lần Việc thiết kế mạch điện tần

số cao này đòi hỏi nhà thiết kế phải có kinh nghiệm, tính toán chính xác và phải qua nhiều bước thử nghiệm để cho ra đời một mạch điện làm việc ổn định

Sự ứng dụng công nghệ số vào các thiết bị công nghiệp giúp cho các thiết

bị này làm việc chính xác hơn, hiệu quả cao hơn, dễ điều khiển hơn Theo xu thế

chung của thời đại nhiều máy hàn Inverter cũng đã được số hoá

Máy hàn Inverter của nhiều nước được nhập vào nước ta, được sử dụng

rộng rãi và được ưa chuộng Một số công ty của nước ta cũng công bố đã sản xuất

được máy hàn Inverter, nhưng thực tế chưa thấy bán trên thị trường Nhóm thực hiện đề tài mong muốn qua đề tài: “ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy hàn Inverter

một chiều điều khiển kỹ thuật số, đạt dòng hàn 160 A “ đóng góp được một số kinh

nghiệm về việc chế tạo loại máy hàn mới này

1 Khái quát về máy hàn Inverter

một chiều điều khiển kĩ thuật số

1.01 Máy hàn Inverter

Máy hàn được chế tạo theo phương pháp thông thường nói chung có trọng lượng lớn Phần nặng nhất của máy hàn là biến áp hàn, biến áp hàn chiếm khoảng 2/ 3 trọng lượng máy Để hàn được dòng điện càng lớn với chu kỳ tải cao ( 100 % ) thì biến áp càng phải lớn Biến áp càng lớn thì càng nặng, biến áp lớn và nặng làm cho các bộ phận liên quan như đồ gá, vỏ, thân máy cũng phải to hơn dày hơn nên làm cho máy hàn nặng thêm Việc chế tạo máy hàn to, nặng tiêu tốn nhiều vật tư như: sắt thép để làm vỏ và đồ gá, tôn silic để làm lõi biến áp, đây đồng để quấn biến áp, mà các vật tư này có giá ngày càng tăng Do máy hàn cồng kềnh và nặng nên việc chuyên chở chúng trong lưu thông phân phối cũng tốn kém vì mỗi lần chỉ vận chuyển được số lượng ít mà giá xăng dầu ngày càng tăng Trong sản xuất, công việc hàn nhiều khi phải di chuyển từ nơi này sang nơi khác hoặc chuyển từ tầng cao này sang tầng cao khác, lúc này máy hàn nặng làm cho người thợ rất vất vả

Trong máy hàn bộ phận chuyển đổi năng lượng từ điện lưới thành dòng điện phù hợp cho công việc hàn là biến áp Công thức chung được dùng trong thiết kế biến áp là:

- Bmax là mật độ từ thông bão hoà của lõi

Qua công thức trên ta nhận thấy rằng: năng lượng được chuyển tải qua biến áp

tỉ lệ thuận với tần số làm việc, mật độ từ thông bão hoà và thông số kích thước lõi, dây quấn Trong đấy F.Bmax được coi là hệ số hiệu suất của biến áp; khi tăng tần số làm việc ( F ) hoặc tăng mật độ từ thông bão hoà ( Bmax ), hoặc cả hai thì khả năng chuyển tải của biến áp tăng lên Còn nếu như ta giữ nguyên khả năng chuyển tải của biến áp thì lúc này ta có thể giảm thông số vòng dây quấn ( W ) và thông số lõi biến áp ( A ), có nghĩa là giảm bớt vòng dây quấn và thu nhỏ lõi biến áp, cũng có nghĩa là kích thước của biến áp được thu lại nhỏ hơn

Tuy nhiên đầu vào của biến áp thông thường là điện lưới có tần số 50 Hz, nên biến áp cũng hoạt động với tần số 50 Hz Lõi biến áp thường được làm bằng tôn si-lic nên mật độ từ thông bão hoà của nó bị hạn chế ở giới hạn nhất định ít được cải thiện Vì vậy biến áp được chế tạo theo phương pháp truyền thống từ lâu đã không thể thu nhỏ kích thước hơn được nữa

Như vậy để có được loại biến áp mới có kích thước nhỏ ta phải nâng được tần

số dòng điện đầu vào của biến áp lên, đồng thời tìm ra loại vật liệu mới có thể làm

ra lõi biến áp có được mật độ từ thông bão hoà cao

Công nghệ Inverter áp dụng vào việc chế tạo máy hàn giúp giải quyết việc

nâng tần số dòng điện cho đầu vào của biến áp lên hàng trăm, hàng chục nghìn Hz, thậm chí đến cả trăm nghìn Hz

Trong bài “ Inverter Technology “ trên trang Web của công ty Damien và bài

“Compact Frequency Inverters “ trên trang Web của công ty T J Snow “ cho ta

biết công nghệ Inverter được áp dụng vào việc chế tạo máy hàn như thế nào Qua sơ đồ nguyên lí máy hàn Inverter ( hình 1 ) ta thấy đầu vào của máy hàn vẫn là

điện lưới bình thường có thể có điện áp 220 V hoặc 380 V xoay chiều, với tần số 50

Hz Dòng điện xoay chiều này được bộ nắn dòng biến đổi thành dòng 1 chiều

Dòng 1 chiều này là đầu vào của bộ Inverter, thực chất bộ Inverter là một cơ cấu

gồm 1 cụm đóng ngắt nhanh kết hợp với một biến áp Cụm đóng ngắt nhanh được mô tả cho dễ hiểu bằng 2 cặp tiếp điểm S1 và S2 Hai cặp tiếp điểm này hoạt động liên hoàn với nhau: khi cặp tiếp điểm S1 đóng thì cặp S2 mở và ngược lại Sự đóng ngắt liên hoàn này biến dòng điện 1 chiều trước đây, sau khi qua đấy trở thành dòng xoay chiều, nhưng dòng xoay chiều này có tần số khác với dòng xoay chiều của đầu vào máy hàn Tốc độ đóng ngắt của 2 cặp tiếp điểm tạo nên tần số cho dòng điện xoay chiều mới, tốc độ đóng ngắt càng cao thì tần số dòng điện càng cao Dòng điện xoay chiều mới này là đầu vào của biến áp Đầu ra của biến áp vẫn

là dòng xoay chiều có tần số tương tự như đầu vào với điện áp thấp hơn Dòng điện xoay chiều tần số cao, điện áp thấp này được nắn dòng trở thành dòng 1 chiều phục

vụ cho công việc hàn

dc80V

Lõi của biến áp thông thường được làm từ các tấm tôn si-lic mỏng, các tấm tôn này được phủ lớp cách điện để hạn chế sự phát sinh dòng điện cảm ứng xoáy trong lõi biến áp, vì nếu dòng này mạnh thì sẽ gây tổn thất trong việc truyền tải năng lượng của biến áp và làm biến áp nóng lên Khi nóng quá mức thì sẽ làm hỏng lớp cách điện của dây quấn dẫn đến hỏng biến áp, đồng thời sự phát sinh nhiệt càng lớn thì tổn thất truyền tải của biến áp cũng càng lớn hơn, vì vậy càng hạn chế được sự phát sinh nhiệt thì hiệu suất của biến áp càng cao Tấm tôn si-lic này càng mỏng thì tổn thất do nó gây ra càng nhỏ hơn Theo bài “ Transformer “ của trang thông tin

“Wikipedia, the free enciclopedia “ thì một vài loại thật mỏng có khả năng hoạt

động đến tần số 10.000 Hz Như vậy nếu ta muốn biến áp hoạt động với tần số cao hơn 10.000 Hz thì phải tìm kiếm loại vật liệu mới cho lõi biến áp Qua nhiều quá trình nghiên cứu người ta đã tìm ra loại vật liệu này, loại vật liệu này có tên chung

là fe-rit, nó có độ thấm từ cao và điện trở suất rất lớn Trong bài “ What is ferrite “ trên trang Web Fair-rite.com cho ta biết nhiều về loại vật liệu này

Fe-rit có cấu trúc tinh thể với công thức hoá học chung là MO-Fe2O3, trong đó

Fe2O3 là ô-xit sắt, còn MO biểu thị cho hợp chất của hai hay nhiều ô-xit kim loại có hoá trị 2 khác ( ví dụ: kẽm, nic-ken, măng-gan, đồng ) Sự bổ sung các ô-xit nói trên vào thành phần cho phép tạo ra nhiều loại fe-rit khác nhau có tính chất phù hợp với từng loại mục đích sử dụng khác nhau Các thành phần của fe-rit được ép từ các bột ô-xit kim loại nói trên rồi được thiêu kết trong lò Cơ tính và điện từ tính của fe-rit chịu ảnh hưởng lớn của quá trình thiêu kết, quá trình này dựa trên các yếu tố: thời gian – nhiệt độ - áp suất Fe-rit co lại khi bị thiêu kết, kích thước co lại có thể

đến 10 – 17 % Với cách chế tạo như vậy fe-rit được coi như một loại gốm Fe-rit cứng và giòn, và cũng như các loại gốm khác fe-rit dễ bị sứt, vỡ Các loại fe-rit khác nhau có thể có màu sắc khác nhau, từ màu xám bạc đến màu đen Có 2 dạng fe-rit cơ bản là: “ fe-rit mềm “ và “ fe-rit cứng “ Sự khác nhau của 2 dạng fe-rit này không phải nhận biết từ xúc giác mà từ đặc tính về từ trường “ Fe-rit mềm “ không duy trì từ tính lâu dài, còn “ fe-rit cứng “ thì có tính nhiễm từ vĩnh cửu “ Fe-rit cứng “ thường được dùng làm nam châm, “ fe-rit mềm “ được sử dụng vào việc làm lõi biến áp, nhất là biến áp tần số cao

Nói chung vật liệu fe-rit được thiết kế cho các hệ thống truyền tải điện với mục đích là ít gây tổn thất và làm việc ở tần số cao với nhiệt độ làm việc đến 80 –

100o C Vật liệu fe-rit phải có mật độ từ thông bão hoà cao trong nhiệt độ làm việc

có thể lên đến 100o C, để phù hợp với cuộn cảm kháng cho ra dòng điện cao Việc lựa chọn loại chất liệu fe-rit và hình dáng lõi biến áp thích hợp giúp ta có được biến

áp nhỏ, nhẹ mà vẫn truyền tải được dòng điện lớn, đáp ứng mục đích sử dụng

ở nhiều nước trên thế giới, fe-ri dùng làm lõi biến áp đã được quy chuẩn hoá, chúng được chế tạo sẵn với các khối hình dạng và kích thước khác nhau, chúng

được phân nhóm theo các thông số kỹ riêng thuật của chúng Trên bảng “ lõi Fe-rit chữ E nhóm vật liệu 77 và 78 “ cho ta thấy loại fe-rit đã được chế tạo thành khối

MnZn 77 & 78 materials

F E A

Ie (cm)

Ae (cm 2 )

Ve (cm 3 )

Al (nH)

9477019002 12.70

0.25 0.500

05.80 - 0.25 0.224

03.45 - 0.50 0.125

04.10 0.15 0.161

09.30Min 0.365 Min

03.30 – 0.25 0.125

0.80 27.60 2.77 0.10100 0.27900 475

Min

9477016002 R 19.30

0.40 0.760

08.20 - 0.25 0.318

04.75 - 0.20 0.187

05.60 0.25 0.225

14.30Min 0.562 Min

04.95 – 0.35 0.187

2.40 17.90 4.00 0.22500 0.90000 825

Min

9477015002 R 25.40

0.50 1.000

09.80 - 0.30 0.380

06.60 - 0.50 0.250

06.35 0.25 0.225

18.80Min 0.740 Min

06.60 – 0.50 0.250

5.40 12.06 4.90 0.40000 1.95000 1300

Min

9477014002 25.40

0.50 1.000

09.80 - 0.30 0.380

12.70 - 0.25 0.500

06.35 0.25 0.225

18.80Min 0.740 Min

06.60 – 0.50 0.250

Min

9477034002 R 25.4

0.50 1.000

16.00 - 0.25 0.630

06.60 - 0.50 0.250

12.70 0.35 0.507

18.80Min 1.004 Min

06.60 – 0.50 0.250

09.25 - 0.25 0.365

09.50 0.25 0.380

25.50Min 1.044 Min

09.40 0.15 0.370

Min

9477500002 40.75

0.80 1.604

16.50 - 0.15 0.650

12.20 - 0.40 0.480

10.15 0.25 0.405

27.80Min 1.095 Min

12.20 0.35 0.480

Min

9478036002 42.85

0.75 1.687

21.15 - 0.25 0.828

15.85 - 0.75 0.609

14.95 0.25 0.593

30.40Min 1.197 Min

11.90 0.25 0.468

Min

9477625002 R 47.10

0.75 1.855

19.85 - 0.40 0.773

15.60 - 0.25 0.615

12.00 0.25 0.477

31.60Min 1.245 Min

15.60 0.25 0.615

Min

9478625002 R 47.10

0.75 1.855

19.85 - 0.40 0.773

15.60 - 0.25 0.615

12.00 0.25 0.477

31.60Min 1.245 Min

15.60 0.25 0.615

vật liệu 78 là loại fe-rit MnZn được thiết kế đặc biệt cho tần số làm việc đến 200 kHz

Theo tác giả F G Armao trong bài “ Inverter Based Welding Power Supplies for Welding Aluminium “ đăng trên trang Web của hãng Lincoln thì máy hàn

Inverter có một số ưu điểm nổi trội hơn so với máy hàn được chế tạo theo công

nghệ truyền thống:

- Máy nhỏ, nhẹ và có thể xách tay dễ dàng khi di chuyển Máy hàn Inverter

có thể nhẹ hơn máy thông thường đến cả chục lần, thậm chí còn hơn Thí dụ một máy hàn của hãng Lincoln trước đây nặng hơn 400 pound, bây giờ loại cùng tính

năng làm theo công nghệ Inverter chỉ nặng 33 pound

- Máy cho phép hàn bằng que hàn đạt chất lượng hảo hạng với tất cả các loại que hàn Do cụm đóng ngắt nhanh làm việc với tốc độ cực kỳ nhanh ( hàng chục nghìn lần trong một giây đồng hồ ), nó “ băm “ một cách hết sức nhỏ, mịn dòng DC tạo nên dòng AC tần số cao để cấp cho biến áp, nên sau khi qua bộ nắn dòng ta nhận được dòng DC cực kỳ ổn định mà không hề có sự gợn sóng đặc trưng như khi nắn dòng từ dòng điện có tần số 50 Hz Kết quả là khi hàn ta có được hồ quang rất

êm và cực kỳ ổn định

- Máy sử dụng điện hiệu quả hơn Qua sự so sánh sau đây ta dễ dàng nhận

thấy tính hiệu quả cao của máy hàn Inverter, máy hàn Inverter có nhãn hiệu V205

của hãng Lincoln khi hàn lấy dòng điện ở đầu vào là 29 A, trong khi một máy hàn

cùng tính năng tương tự nhưng không phải loại Inverter thì lại lấy điện ở đầu vào

là 50 – 60 A khi hàn với cùng một dòng điện Nhờ sử dụng điện hiệu quả hơn nên

máy hàn Inverter giúp người sử dụng tiết kiệm được chi phí năng lượng, qua đánh

giá chung người ta có thể nói một cách khiêm tốn rằng khi sử dụng máy hàn

Inverter hàng năm có thể tiết kiệm một khoản chi phí bằng khoảng 10% giá tiền

của máy

1.02 ứng dụng kĩ thuật số vào điều khiển máy hàn

Công nghệ số ra đời tạo nên một cuộc cải tổ về mặt chất lượng cho các thiết

bị công nghiệp cũng như thiết bị phục vụ đời sống Nhờ công nghệ số mà các thiết

bị trở nên chính xác hơn, hiệu suất cao hơn, có nhiều tiện ích hơn, kích thước nhỏ gọn hơn so với các thiết bị kỹ thuật tương tự nhưng không có kỹ thuật số Xu thế chung ngày nay là đưa công nghệ số vào các thiết bị, và công nghệ số đóng vai trò

là bộ não điều khiển các quá trình hoạt động Các thiết bị hàn trên thế giới cũng từng bước được số hoá

Cụm đóng ngắt nhanh ( IGBT ) được thiết kế với tần số đóng ngắt hàng chục nghìn Hz nên chỉ một sai số nhỏ trong quá trình điều khiển xung đóng ngắt là có thể làm IGBT nổ tung, vì thế rất cần sự có mặt của bộ vi xử lí để tăng độ tin cậy của phần này, vì thế mạnh của bộ vi xử lí chính là tốc độ cao và độ chính xác cao

Khi hàn que một trong những yếu tố quan trọng nhất giữ cho hồ quang ổn

cách này luôn giao động, không ổn định Đối với máy hàn bình thường thì việc ổn

định hồ quang lúc này dựa vào sự biến thiên từ thông ở biến áp: khi chiều dài hồ quang thay đổi làm thay đổi điện trở cột hồ quang đẫn đến điện áp hồ quang thay

đổi, điện áp đầu ra cuộn thứ cấp thay đổi, điều này làm biến áp sẽ tăng hoặc giảm

từ thông một cách thích hợp để ngăn chặn sự thay đổi này Do biến áp làm việc với tần số thấp (50 Hz ), nên việc tự điều chỉnh tương đối chậm, vì vậy dù cho biến áp

được lựa chọn và thiết kế tốt thì sự ổn định của hồ quang cũng không cao Bộ vi xử

lí có thể điều chỉnh với tốc độ nhanh gấp hàng trăm thậm chí hàng nghìn lần, nên máy hàn có bộ vi xử lí thích hợp sẽ có hồ quang rất ổn định

Về nguyên lí, với máy hàn bình thường khi ta đã chọn loại biến áp cho dòng

điện không đổi, thì khi đã đặt dòng điện trước khi hàn, lúc hàn máy sẽ duy trì dòng

điện hàn đúng như vậy Nhưng thực tế là dòng điện hàn giao động quanh mức đã

đặt với sai số đến cả chục % Khi áp dụng bộ vi xử lí vào máy hàn thì sai số này

được rút xuống chỉ vài %

Việc cảnh báo và tự động dừng máy khi quá tải, quá nhiệt cũng đã được áp dụng cho các máy hàn thông thường Người ta lắp các bộ rơ-le để giúp thực hiện chế độ này Nhưng các rơ-le này có độ trễ tương đối lớn, nên để cho an toàn người

ta phải để chế độ dừng tương đối sớm, vì vậy khoảng hoạt động của máy bị giới hạn lớn hơn mức cần thiết Bộ vi xử lí có tốc độ xử lí nhanh hơn rất nhiều, nên ta có thể để chế độ dừng ngay ở mức giới hạn, vì vậy khoảng hoạt động của máy rộng hơn

Công nghệ số khi áp dụng vào máy hàn còn có thể cho ta nhiều tiện ích khác Như khi ta hàn một loại sản phẩm, sau khi đã chọn được chế độ hàn tốt, ta có thể lưu giữ các thông số này vào bộ nhớ của máy; lần khác khi gặp lại sản phẩm

đấy ta không cần phải thử để tìm ra chế độ hàn, mà chỉ cần bấm vào bộ nhớ là máy

sẽ làm việc với đúng chế độ đấy Máy hàn thường được làm mát cưỡng bức bằng quạt thông gió Thông thường khi đóng điện vào máy là quạt làm việc luôn cho đến khi ngắt điện Nếu người thợ hàn que cố gắng làm việc thật liên tục thì chu kì tải của máy cũng chỉ đạt khoảng 40% ( vì còn thời gian phải thay que hàn, gõ xỉ mối hàn … ), nhưng nếu tính chung cho cả ca máy từ khi bật máy cho đến khi tắt máy thì tỉ lệ thời gian máy làm việc thực tế còn ít hơn nhiều Thực ra máy hàn chỉ cần làm mát khi nó nóng quá một nhiệt độ nhất định, có nghĩa là nếu máy làm việc ít, hay hàn với dòng nhỏ thì có thể không cần cho quạt làm mát hoạt động, hoặc chỉ cần làm mát với thời gian ngắn Công nghệ số có thể giúp ta tiết kiệm điện làm mát bằng cách đo chính xác nhiệt độ nóng lên của máy, khi đạt đến nhiệt độ cần thiết mới cho phép quạt chạy và khi nhiệt độ hạ xuống mức giới hạn thì lại ngắt quạt, ngoài ra nhờ thế ta còn hạn chế được lượng bụi vào máy và tăng tuổi thọ của quạt

Giá của các linh kiện điện tử bán dẫn theo xu thế chung là ngày càng hạ, trong khi chất lượng của chúng ngày càng tăng, vì vậy việc đưa kỹ thuật số vào máy hàn không làm tăng chi phí lên quá nhiều trong sản xuất hàng loạt, mà giá trị của máy hàn lại tăng lên nhiều Phần mềm để nạp vào bộ vi điều khiển có thể thay

đổi dễ dàng, vì vậy chỉ với việc thay đổi phần mềm ta có thể làm thay đổi các tính năng của máy mà không cần thay đổi các linh kiện, nhờ thế việc cải tiến tính năng các thiết bị sau này tương đối đơn giản, ít tốn kém

1.03 Sự phát triển của máy hàn Inverter

Ngoài tính chất nhỏ, nhẹ dễ di chuyển, máy hàn Inverter còn dễ tạo nên mối hàn chất lượng cao, tiết kiệm năng lượng vì vậy ngày nay máy hàn Inverter được sử

dụng nhiều để hàn thép cac-bon, thép hợp kim, hàn các mối hàn đòi hỏi chất lượng cao, như hàn các đường ống chịu áp lực lớn, các nồi hơi áp lực Các công trình quan trọng như nhà máy điện, nhà máy hoá dầu, nhà máy đóng tàu cũng ưa chuộng máy

hàn Inverter

Công nghệ Inverter còn được phát triển trong lĩnh vực chế tạo các máy hàn khác ngoài hàn que như: hàn MIG, MAG Inverter, hàn TIG Inverter, hàn điểm

Inverter… Do đặc tính của tần số cao không hàn trực tiếp được, nên các máy hàn

đều phải nắn dòng xoay chiều tần số cao ở đầu ra của biến áp fe-rit thành dòng 1 chiều để hàn Ta biết rằng máy hàn 1 chiều rất tốt trong công nghệ hàn que, hàn MIG, MAG và cả trong hàn TIG Nhưng để có thể hàn nhôm bằng công nghệ hàn TIG thì dòng một chiều không phù hợp mà phải là dòng xoay chiều Vì công nghệ

hàn TIG rất tốt cho việc hàn nhôm và do những đặc tính tốt của máy hàn Inverter

nên người ta đã tiếp tục nghiên cứu để có thể sử dụng vào việc hàn nhôm Gần đây

người ta đã cho ra đời máy hàn TIG Inverter xoay chiều để có thể hàn nhôm Đây

là một bước tiến lớn trong kĩ thuật chế tạo máy hàn, điều này cũng nói lên công

nghệ Inverter có ý nghĩa to lớn thế nào đối với kỹ thuật hàn

Theo thống kê thì trong 5 năm gần đây số lượng máy hàn Inverter được chế

tạo ở các nước tiên tiến hàng năm tăng lên khoảng 30% ở nước ta nhiều nơi cũng

đã từng bước khảo sát với mục đích chế tạo máy hàn Inverter, nhưng cho đến nay

vẫn chưa thấy bán trên thị trường, vì thế các máy hàn sử dụng ở nước ta đều là máy

nhập ngoại Trước đây máy hàn Inverter có chất lượng chưa ổn định và thợ sử dụng chưa quen công việc giữ gìn bảo dưỡng máy hàn Inverter, nên hay gây ra hỏng hóc

và các hỏng hóc rất khó khắc phục vì chúng ta chưa có đội ngũ thợ sửa chữa thích hợp và không có đủ linh kiện để thay thế Trong những năm gần đây chất lượng

máy hàn Inverter có sự tiến bộ rất nhiều nên ít có hỏng hóc, vì vậy các cơ sở sản xuất của ta cũng bắt đầu ưa chuộng các chủng loại máy hàn Inverter

Máy hàn que Inverter nói chung còn ít được áp dụng kỹ thuật số, cũng nhờ

thế mà kết cấu máy nhỏ gọn hơn, nhưng phần nào hạn chế đến sự điều khiển, khống chế dòng hàn Vỏ máy hàn loại nhỏ được chuyển từ vỏ thép thành vỏ nhựa nên góp phần làm cho máy nhẹ hơn

2 Thiết kế máy hàn Inverter một chiều

điều khiển kĩ thuật số, đạt dòng hàn 160 A

2.01 Sơ đồ mạch điện chung - sơ đồ khối

Dựa vào sơ đồ nguyên lí chung của máy hàn Inveter ( hình 1 ), qua tham khảo

các máy hàn có ở nước ta kết hợp với các tính toán về các giải pháp kỹ thuật thích hợp để tạo ra được dòng điện hàn một chiều ổn định nhất, nhóm đề tài đã lập ra sơ

đồ khối cho máy hàn của đề tài ( hình 3 )

Từ nguồn điện 220 V AC bộ nguồn làm nhiệm vụ tạo ra các mức nguồn cần thiết cho từng khối chức năng của máy, các nguồn được tạo ra có thể cách li hoàn

toàn với nhau hoặc chung mass với nhau Nguồn điện xoay chiều hình Shin 220V/

50 Hz được bộ nắn dòng biến đổi thành dạng xung hình quả chuông với tần số 100

Hz, bộ lọc biến đổi dạng xunh hình chuông thành dòng một chiều tương đối phẳng Sau khi được bộ lọc san phẳng, dòng điện lúc này ở vào khoảng 310 V DC

Bộ vi điều khiển kết hợp với bộ tạo xung tạo ra tín hiệu điều khiển cho IGBT với tần số 40.000 Hz Bộ công suất IGBT làm nhiệm vụ cắt ( băm ) nhỏ nguồn điện 310V DC thành 80.000 mẩu trong mỗi giây đồng hồ và đảo chiều luân phiên các mẩu năng lượng này tạo thành dạng xung xoay chiều với tần số 40.000 Hz cấp vào cuộn sơ cấp của biến áp fe-rit công suất

Bộ biến áp fe-rit được thiết kế cho việc truyền tải điện xoay chiều có tần số 40.000 Hz với hiệu suất cao và giảm mức điện áp từ 310 V xuống 80 V AC dành cho phần mồi hồ quang và khoảng 30 V AC cho phần dòng hàn Do thiết kế của biến áp với mục tiêu tạo ra dòng lớn và điện áp phù hợp với tỉ lệ nhân dòng ngược với nhân áp, nên tại đầu ra của biến áp có dòng điện lớn gấp 10,3 lần so với dòng

điện ở đầu sơ cấp Dòng điện này được bộ nắn cao tần biến đổi thành dạng xung một chiều tần số 80.000 Hz, sau khi qua bộ lọc thành dòng một chiều rất phẳng và

được đưa tới 2 cực đấu lấy điện ra của máy hàn

Bộ vi điều khiển kết hợp với bàn phím và bộ hiển thị cho phép người sử dụng cài đặt các thông số cho công nghệ hàn một cách linh hoạt, thuận tiện, đồng thời theo dõi được các thông số và tình trạng hoạt động của máy rất chính xác và đầy

đủ

Mạch giao tiếp máy tính giúp cho người lập trình phần mềm cho chíp vi điều

khiển thử nghiệm, chỉnh sửa trong quá trình hoàn thiện phần mềm điều khiển Cũng nhờ cổng giao tiếp này mà sau này khi cần cải tiến thay đổi tính năng của

máy, người lập trình có thể dễ dàng thay đổi phần mềm cho chip

2.02 Bộ nguồn

Từ nguồn điện lưới dòng điện qua at-tô-mat rồi phân chia thành 3 đường:

đường thứ nhất là mạch động lực của máy hàn được đưa trực tiếp đến bộ nắn dòng

đầu vào, đường thứ 2 được đưa đến biến áp nuôi của bộ tạo xung, mạch thứ 3 được

đưa đến biến áp nuôi vỉ mạch vi điều khiển và mạch hiển thị

2.02.01 Mạch nguồn cho phần tạo xung ( Bản vẽ INV.160 – 02.03.0 )

Từ nguồn AC16 V bộ nắn cầu D1C biến đổi thành điện 1 chiều và được san phẳng nhờ tụ C1 U1 (7815) tạo điện áp 15 V cho phần tạo biên độ chuẩn cho xung

điều khiển IGBT, nguồn này được lọc qua tụ C2 và lọc thành phần cao tần nhờ C3,

C20, C21, U2 (7812) tạo ra nguồn 12 V cho toàn bộ phần tạo xung và kiểm soát quá tải IGBT gồm U3, U4, U5, U6, U7, U8 Nguồn này cũng được lọc thành phần tần số thấp nhờ tụ C4 và lọc thành phần tần số cao nhờ C22

2.02.02 Mạch nguồn cho vi điều khiển và hiển thị ( INV.160 – 02.03.0 )

Trên Board mạch vi xử lý nguồn AC 9V được đưa tới J1 nhờ bộ nắn cầu D1C biến đổi thành điện 1 chiều và được san phẳng nhờ C1 và C2 Do bộ nguồn này cấp cho vi xử lý nên đòi hỏi chất lượng phải rất cao nên chúng tôi thiết kế thêm cuộn cản L1 (100 mohm ) để lọc thành phần xoay chiều rồi lọc lại 2 lần nữa nhờ tụ C3 và

C4 rồi mới cho qua IC ổn áp U1 (7805)

Điện áp 5 V được tạo ra bởi U1 lại được lọc thành phần tần số thấp bởi tụ C5rồi lại tiếp tục được lọc thành phần tần số cao bởi tụ C6, tới đâynguồn 5 V có chất lượng rất cao được đưa đến để nuôi bộ vi xử lý

Cũng từ sau bộ nắn D1C và bộ lọc C1, C2 một bộ nguồn 5V khác được tạo ra cho phần hiển thị Khác với phần nguồn nuôi vi xử lý ở chỗ: nguồn nuôi vi xử lý cần 5V chất lượng rất cao nhưng dòng chỉ cần 500 mA, còn nguồn cho phần hiển thị cũng 5V nhưng cần dòng đến 3000mA và chất lượng không đòi hỏi quá cao Chúng tôi chọn vi mạch ML 2576 – 5 kết hợp với cuộn cản L2 (100 mohm) Diot

xung D3, tụ lọc C17 và C18 cho kết quả rất tốt, nhiệt độ trên U3 khi màn hình sáng100% chỉ dưới 50O C

2.03 Bộ nắn dòng và bộ lọc đầu vào

2.03.01 Bộ nắn dòng đầu vào

Bộ nắn đầu vào có tất cả 8 di-ôt 50A/400V được đấu thành 2 cụm nắn cầu Mỗi

cụm gồm 4 di-ôt tạo thành 1 modul nắn 2 modul này đấu song song với nhau, bảo

đảm dòng nguồn đủ khỏe để cấp cho mạch động lực Nguồn điện xoay chiều hình Shin 220V/ 50 Hz được bộ nắn dòng biến đổi thành dạng xung hình quả chuông với tần số 100 Hz

2.03.02 Bộ lọc đầu vào

Bộ lọc đầu vào gồm 4 tụ 1500 àF/ 450V được đấu song song để tăng dung lượng tương đương 1 tụ 6000 àF/ 450V Với dung lượng này bộ lọc biến đổi dạng xunh hình chuông của dòng điện lấy ra từ bộ nắn dòng thành dòng một chiều tương

Lõi fe-rit: 2 khối chữ E ghép lại.

Dây quấn: dây đồng bọc sợi thủy tinh cách điện.

Kích thứơc dây đồng và cách quấn dây theo sơ đồ dứơi đây.

Hình 4 Biến áp công suất fe-rit.

đối phẳng Sau khi được bộ lọc san phẳng, dòng điện lúc này ở vào khoảng 310 V

2.05 Biến áp fe-rit công suất

Kích thước lõi fe-rit, kích thước dây đồng và cách quấn dây được mô tả như trên hình 4 Bên sơ cấp gồm 20 vòng dây tiết diện 10 mm2, bên thứ cấp gồm 2 cuộn, mỗi cuộn có 6 vòng dây, cuộn thứ nhất có tiết diện dây là 20 mm2 được tách điểm

giữa để đấu mass, cuộn thứ 2 có tiết diện 10 mm2 Bằng cách quấn này, sau khi

được nắn dòng và đấu chung ở đầu ra, ta có được điện áp cao khoảng 80 V để mồi

hồ quang và điện áp thấp hơn khoảng 30 V trong khi hàn do cuộn dây có tiết diện

10 mm2 được đấu với 1 cuộn cảm nên khi có tải thì sụt áp ( hình 5 )

2.06 Bộ nắn cao tần và bộ lọc đầu ra

Hình 5 Nguyên lí mạch nắn cao tần

2.06 01 Bộ nắn cao tần ( Bản vẽ INV.160 – 02.02.0 )

Bộ nắn cao tần gồm 2 bộ nắn riêng cho 2 cuộn dây thứ cấp của biến áp fe-rit rồi

được đấu chung ở đường ra ( hình 5 ) Các di-ôt nắn ở đây là di-ôt cao tần MUR

3060 Trong quá trình làm việc các di-ôt này phát sinh ra nhiệt nên được lắp lên tấm tản nhiệt bằng nhôm để được làm mát

2.06.02 Bộ lọc đầu ra ( Bản vẽ INV.160 – 02.02.0 )

Dòng điện cao tần sau khi được bộ nắn cao tần nắn thành dòng một chiều đã có

độ phẳng tương đối tốt Để cho phẳng hơn, dòng điện được cho qua 4 tụ lọc 103/ 2KV, 10.000 PF/ 2.000V

2.07 Bộ tạo xung ( Bản vẽ INV.160 – 02.03.0 )

2.07.01 Phần điều khiển độ rộng xung

Chuỗi xung 2 kênh 40.000Hz có thể điều khiển được độ rộng xung từ 0 - 90%nhờ sự kết hợp giữa vi điều khiển U8 trong mạch vi xử lý và vi mạch U8 trong mạch tạo xung Tần số 40.000 Hz được xác lập cố định bởi RT (R29) = 12 KΩ và

CT (C13) =1000PF Hai kênh xung được xuất ra từ chân 9 và chân 10 của vi mạch U8với biên độ 12VPP, 2 kênh này có dạng xung giống nhau và lệch pha nhau 1800

Việc điều khiển độ rộng xung được bộ vi điều khiển chỉ đạo từ chân 17 của

vi xử lý U8, tín liệu này đưa về chân ( - ) của bộ khuếch đại thuật toán LM 358 để

so sánh với tín hiệu dòng phản hồi ở chân ⊕ của IC này Kết quả đưa ra ở chân số

1 của IC này được truyền qua D11 và R27 về chân 3 của vi mạch tạo xung U8 để xác lập lại độ rộng xung Nhờ tốc độ xử lý của vi xử lý là hàng chục triệu lệnh/s nên quá trình điều chỉnh, hiệu chỉnh độ rộng xung là rất nhanh và chính xác

2.07.02 Phần kiểm soát biên độ xung

Trong mạch tạo xung, nguồn 15 V để tạo xung với biên độ 15VPP cho IGBT được kiểm soát bởi tổ hợp mạch sau:

Nếu nguồn 15 V là đúng thì xuất hiện dòng điện thì nguồn qua R11 -> D23vào cực B của C828 làm cho C828 dẫn bão hoà và điện áp tại cực C = 0V Ngược lại nếu điện áp 10V không đủ ( dưới mức ngưỡng của D23 cộng ngưỡng của C828 ≈ 12.6V) thì không có dòng qua D23, C828 không dẫn, tại cực C của C828, có điện áp cao do R12 cấp đến, mức điện áp này được báo cho vi xử lý qua R10, hạn chế biên

độ bằng D22 rồi đến chân 15 của vi xử lý, nhận được tín hiệu này lập tức vi xử lý ra lệnh ngắt xung, và cảnh báo bằng còi liên tục, nếu sự cố này đã hết thì sau 5s máy lại tiếp tục làm việc được

2.07.03 Phần bảo vệ quá tải cho IGBT

Trong mạch tạo xung có cụm vi mạch CA3140 là loại IC khuếch đại thuật toán tốc độ cao, tốc độ chuyển mức ở đầu ra lên đến hàng triệu Hz Toàn bộ phần

của IC CA 3140 để so sánh với chân ( - ) của IC này Tại chân ( - ) nhờ bộ chia

R4/R5 đã tạo ra mức điện áp tương ứng với mức dòng tối đa mà IGBT có thể chịu

được Nếu chân ⊕ vượt mức này tức là dòng qua IGBT quá lớn do nguyên nhân nào đó thì tại đầu ra của CA3140 lên mức 1 và duy trì vĩnh viễn nhờ R7 mắc theo kiểu hồi tiếp ⊕ Tín hiệu này được cấp đến vi xử lý và R8 qua chân 4 của J3 đến chân 4 của J5 đến chân 9 của vi xử lý Nhận được tín hiệu này lập tức vi xử lý ra lệnh ngắt xung qua chân 10 và khởi động còi cảnh báo đồng thời gửi lên màn hình cảnh báo quá tải Người vận hành buộc phải dừng máy, ngắt nguồn khoảng 5s rồi khởi động lại máy

2.08 Điều khiển kỹ thuật số

Trung tâm của phần điều khiển kỹ thuật số là con chip vi điều khiển và phần mềm của con chip này

để đo và điều chỉnh dòng ra tự động

2.08.02 Nội dung điều khiển cho từng chân của chíp vi điều khiển

Chân 1 2 3 4 5 nhận tín hiệu bàn phím tác động mức 1

Chân 1 là phím (+); chân 2 là phím (-); chân 3 là phím ( UP ); chân 4 là phím ( DOWN ); chân 5 là phím ( Memory – Lưu )

Mỗi xung (+) hay (-) thì tăng hay giảm một giá trị ở góc phải trên màn hình

và các đầu ra tương ứng

Mỗi xung (UP) hay (DOWN) sẽ làm màn hình chuyển sang một chức năng khác theo chiều dịch lên hay dịch xuống Khi màn hình đang hiển thị chức năng nào thì xung (+) và (-) sẽ tác động vào chức năng đó (các chức năng cụ thể ở phần sau)

Tất cả các thay đổi giá trị được tác động từ bàn phím đều được lưu vào bộ nhớ, màn hình hiện tại đang ở bộ nhớ nào thì các thay đổi sẽ được lưu vào bộ nhớ đó khi không ấn phím (Nếu trong 10 giây không có phím nào được ấn để thay đổi thông

số của phần đấy thì coi là không ấn phím)

Chân 5 tác động sẽ chuyển lần lượt quay vòng từ bộ nhớ hiện tại đến bộ nhớ

kế tiếp

Chân 19 20 21 khi máy đang đọc và ghi ở bộ nhớ 1 thì chân 19 lên mức 1, ( hai

chân còn lại là mức 0 ); khi máy đang đọc và ghi ở bộ nhớ 2 thì chân 20 lên mức 1; khi máy đang đọc và ghi ở bộ nhớ 3 thì chân 21 lên mức 1

Chân 6 7 8 xuất dữ liệu hiển thị cho bộ Led 7 thanh Bộ Led này gồm 8 Led ghép

sát thành 1 hàng ngang tạo ra một màn hình thống nhất cho hiển thị cả chữ và số Chân 6 xuất xung nhịp, chân 7 xuất dữ liệu, chân 8 xuất xung chốt

Chân 9 là chân ra tương tự đưa ra các mức tương ứng giá trị hiển thị Led của dòng

điện từ 000 đến 255 Đây là giá trị dòng điện được cài đặt và điều chỉnh nên nó luôn được duy trì không bị ngắt khi màn hình chuyển chế độ hiển thị

Chân 11 Chân vào tương tự nhận tín hiệu trong khoảng 0 đến 5 V để đo điện áp

Chân 14 và 15 2 chân ra Logic điều khiển quạt làm mát tự động Khi dòng hàn

lớn hơn một giá trị đặt trước thì 2 chân này lên mức 1, các trường hợp khác thì 2 chân này xuống mức 0

Chân 16 Khi chân này lên mức 1 thì cảnh báo quá nhiệt và hạ 2 chân 9, 10 xuống

mức 0 V, bật 2 chân 14, 15 lên mức 1 và duy trì 120 giây rồi hạ xuống mức 0

Chân 17 Chân vào Logic cho việc kiểm soát lỗi quá tải IGBT, lỗi này được gửi đến

từ board mạch điều khiển

Chân 18 Chân ra Logic cho việc điều khiển ngắt xung, chân này chỉ cho phép

xung điều khiển IGBT xuất ra khi mạch đã được kiểm tra không có lỗi

Chân 22 Chân này lên mức 1 khi có dòng hàn, và xuống 0 khi dòng hàn về 0

Chân 23 Khi dòng hàn lên đến dòng đặt quá tải thì chân này lên mức 1, cảnh báo

quá tải và ngắt xung ra ở chân 14 và 15, buộc phải ngắt nguồn và khởi động lại

Chân 24 Chân vào Logic dự phòng

Chân 25 Chân vào Logic kiểm soát mức điện áp của xung điều khiển IGBT, nếu

điện áp của xung điều khiển sai thì chân này lên mức 1 và chân 18 sẽ ngắt xung

Chân 26 Chân ra Logic điều khiển còi, khi bấm phím và khi có sự cố còi sẽ phát

tín hiệu báo theo nhiều kiểu kêu tương ứng với mỗi trường hợp cụ thể

2.08.03 Các chế độ hiển thị màn hình

Màn hình của máy hàn có tất cả là 13 chế độ hiển thị lên màn hình, trong đấy

có 9 chế độ hiển thị các thông số, chức năng có thể cài đặt và 4 chế độ hiển thị sự cảnh báo

- Chế độ hiển thị dòng hàn đặt:

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3 Led cuối cùng sẽ nhấp nháy và cho

phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 000 đến 255

Hình 6 Màn hình dòng hàn đặt

- Chế độ nhiển thị dòng hàn thực:

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này, nếu dòng hàn đo đ−ợc > 0 thì máy tự

động hiển thị dòng hàn thực Tại chế độ này 3 Led cuối cùng sẽ hiển thị giá trị điện

Hình 8 Màn hình điện áp hàn đo đ−ợc

- Chế độ hiển thị chức năng cài đặt quạt làm mát tự động :

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3 Led cuối cùng sẽ hiển thị mức dòng

điện tối thiểu cần chạy quạt làm mát cho toàn máy

Hình 9 Màn hình dòng hàn khi quạt làm mát chạy

- Chế độ hiển thị điện áp nguồn:

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3 Led cuối cùng sẽ hiển thị giá trị

điện áp đo đ−ợc ở chân 10 trong khoảng từ 000 đến 511

Hình 10 Màn hình hiển thị điện áp nguồn

- Chế độ hiển thị điện áp đặt cắt quá áp:

Khi ta nhấn UP hoặc DOWN đến chế độ này 3 Led cuối cùng sẽ nhấp nháy và cho

phép thay đổi bằng các phím (+) hoặc (-) trong khoảng từ 000 đến 260