Báo cáo đồ án môn học điện tử công suất đề tài thiết kế nguồn hàn hồ quang điện một chiều

Nguồn điện cho hàn hồ quang Để có được một mối hàn đẹp, chắc chắn, chất lượng cao, ngoài yếu tố vềvật liệu hàn tay nghề của thợ hàn ,vị trí mối hàn...thì nguồn điện hàn đóng mộtvai trò v

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

KHOA ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

Đề tài:

Thiết kế nguồn hàn hồ quang điện một chiều

Giảng viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bắc Nam Ninh - 20810410040 Lớp: D15TDH&DKTBCN1

Hà Nội, 2023

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN

I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN

1.1 Khái niệm hàn và các phương pháp hàn

1.2 Ưu nhược điểm và ứng dụng của công nghệ hàn

1.3 Giới thiệu chung về công nghệ hàn hồ quang

1.4 Nguồn điện cho hàn hồ quang

II VAN ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR

2.1 Cấu tạo, ký hiệu Thyristor

2.2 Đặc tính Volt-Ampere của thyristor

2.3 Mở, khóa thyristor

2.4 Các thông số cơ bản của thyristor

III LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

3.1 Sơ đồ cấu trúc của nguồn hàn hồ quang điện một chiều

3.2 Đánh giá ưu nhược điểm của từng sơ đồ và lựa chọn phương án thiết kế

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

I Sơ đồ mạch lực tổng quát

II Tính toán các thông số của mạch lực

2.1 Tính chọn van động lực

2.2 Tính toán máy biến áp lực

III.Tính chọn các thiết bị bảo vệ

3.1 Bảo vệ quá nhiệt

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I Yêu cầu chung của mạch điều khiển

II Cấu trúc mạch điều khiển

2.1 Khâu đồng pha

3.2 Khâu tạo điện áp răng cưa

3.3 Khâu tạo điện áp điều khiển

3.4 Khâu so sánh

3.5 Khâu tạo xung chùm

3.6 Khâu khuếch đại và biến áp xung

III Đồ thị

IV Nguyên tắc hoạt động của mạch điều khiển

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ KIỂM CHỨNG

1 Điện áp ra sau biến áp đồng pha có điểm giữa nối đất

2 Điện áp ra sau khâu so sánh tạo xung vuông

3 Điện áp ra sau khâu tạo điện áp răng cưa

4 Điện áp ra sau khâu so sánh Udk và Ur

5 Điện áp ra sau khâu tạo xung chùm

6 Điện áp ra sau cổng AND

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

Năm 1802, viện sĩ Nga V.V.Petrop phát minh ra hồ quang điện chính thứcđánh dấu lịch sử phát triển của công nghệ hàn hồ quang Trong một số nghànhcông nghiệp hiện đại như công nghiệp đóng tàu, chế tạo máy thì công nghệhàn hồ quang chiếm một vị trí hết sức quan trọng Nó ngày càng thể hiện đượcnhiều ưu điểm nổi trội của mình so với các công nghệ khác như năng suất cao,

dễ cơ khí hoá, tự động hoá Việc thiết kế nguồn điện cho hàn hồ quang mộtchiều là một nhiệm vụ đầu tiên được đặt ra cho các kỹ sư khi muốn sử dụng côngnghệ đó

Trong đồ án "Thiết kế nguồn hàn hồ quang điện một chiều " em xin phépđược trình bày cách thiết kế nguồn điện cho hàn hồ quang

Trong thời gian vừa qua em luôn cố gắng tìm tòi, học hỏi để đồ án củamình đạt được sự chính xác và hiệu quả nhất Tuy nhiên do trình độ bản thân còn

có hạn, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên đồ án của em chắc chắn không tránhkhỏi những thiếu sót Em mong nhận được sự chỉ bảo từ phía các thầy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN

Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về công nghệ hàn kim loại, đặc biệt

đi sâu tìm hiểu về công nghệ hàn hồ quang để làm cơ sở cho việc thiết kế nguồnhàn

1.1.2 Các phương pháp hàn

Có hai phương pháp hàn là hàn áp lực và hàn nóng chảy:

a Phương pháp hàn bằng áp lực hay phương pháp hàn biến dạng dẻo

Khi hàn bằng biến dạng dẻo phần mối hàn ở vị trí tiếp xúc bị co do ngoại lựctác dụng lên Ở phần đó kim loại được ép đồng thời và lớp oxit ở bề mặt kim loại

bị phá huỷ tạo khả năng cho bề mặt tiếp xúc đồng đều hơn, các nguyên tử dịch lạigần nhau hơn và khiến cho liên kết kim loại vững chắc hơn Đa số các trường hợphàn áp lực kim loại ở trạng thái rắn

Khi hàn bằng áp lực thì người ta không nung nóng sơ bộ hoặc nếu có thì chỉnung nóng rất ít Do vậy cơ tính của kim loại thay đổi không đáng kể Ví dụ : hànnguội hàn siêu âm, hàn nổ

Ngoài ra khi hàn còn có nung nóng trước Nung nóng trước làm cho kim loạigiảm được tính chống biến dạng và tăng được tính linh động của các nguyên tử vàlúc đó trên bề mặt tiếp xúc tạo thành một hệ thống mạng tinh thể chung

b Phương pháp hàn nóng chảy

Khi hàn nóng chảy thì kim loại que hàn và vật hàn bị nóng chảy tạo thànhmột vùng hàn và không cần tác dụng ngoại lực vào mối hàn, cho nên hàn nóngchảy dễ làm cho các nguyên tử vật chất lại gần nhau đến khoảng cách liên kết kimloại tạo thành một lưới mạng tinh thể chung Khi nguội vùng hàn kết tinh tạo thànhmối hàn và làm cho các chi tiết trở thành một thể thống nhất

Nguồn nhiệt để sử dụng hàn hồ quang nóng chảy phải có nhiệt độ lớn hơn

2000 độ C.Tuỳ theo tính chất của nguồn nhiệt mà người ta chia hàn nóng chảy ramột số phương pháp sau:

+ Hàn hồ quang

+ Hàn đúc

+ Hàn xỉ điện

Trong số này thì hàn hồ quang được sử dụng phổ biến nhất

1.2 Ưu nhược điểm và ứng dụng của công nghệ hàn

1.2.1 Ưu điểm

 So với công nghệ đúc, tán thì hàn có nhiều ưu điểm nổi trội đó là :

- Năng suất cao, thiết bị đơn giản, dễ sử dụng, giá thành hạ

- Tiết kiệm kim loại : So với tán rivê thì hàn tiết kiệm được 15-20% kimloại

 So với đúc thì hàn giảm được 40-60% khối lượng của vật

- Dễ cơ khí hoá, tự động hoá nên sẽ tiết kiệm thời gian, sức lao động vàcho chất lượng sản phẩm cao

1.3 Giới thiệu chung về công nghệ hàn hồ quang

Từ khi công nghệ hàn được đưa vào ứng dụng trong công nghiệp, đến nay

đã có rất nhiều phương pháp hàn khác nhau Tuy nhiên, phổ biến nhất và có ứng dụng rộng rãi nhất vẫn là công nghệ hàn hồ quang điện

Dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về công nghệ này

1.3.1 Các khái niệm chung

Hổ quang : là sự phóng điện qua môi trường không khí giữa hai điện cực đồngthời phát sinh ra ánh sáng và nhiệt lượng rất cao Một điện cực là que hàn (nóng chảy hay không nóng chảy ) và một điện cực là vật hàn

 Hàn hồ quang : là công nghệ dùng nhiệt lượng của hổ quang nung nóng chỗ hàn đến nóng chảy, làm cho kim loại vật hàn và kim loại nóng bổ xung chảy vào chỗ hàn để nổi hai vật hàn

 Kỹ thuật hàn hồ quang : bao gồm mồi hồ quang, duy trì hồ quang ngắn và

ổn định, thực hiện chuyển động điện cực hàn theo yêu cầu với tốc độ hành trình hồ quang chính xác Hồ quang được mổi bằng cách gõ đầu điện cực trên bề mặt mỗi ghép Điện cực được giữ với góc thích hợp theo bề mặt mối ghép và vị trí hàn Ở cuối đường hàn, hồ quang còn được duy trì trong

Recommandé pour toi

A Handbook OF Present-DAY English

CH 2 - The Pronunciation of English - A Handbook of Present-Day English

khoảng thời gian ngắn để bù cho vết lõm cuối đường hàn, sau đó phải lấy điện cực ra nhanh đã dẫn tắt hồ quang

Khi hàn ta nổi đầu âm vào que hàn, đầu dương nổi vào vật hàn

Cho que hàn chạm vào vật hàn khoảng 1/10s, sau đó đưa que hàn lên độ cao 3– 4mm Do tác dụng của điện trở que hàn và vật hàn nên tại vị trí đầu rút que hàn và chỗ vật hàn tiếp xúc với que hàn bị nung nóng Khi nhấc que hàn khỏi vật hàn, que hàn bắn ra điện tử Các điện tử bắn xuống rất nhanh, đập vào vật hàn biến động năng thành nhiệt năng làm cho vật hàn bị chảy và tỏa ra hai bên

Ngược lại, môi trường giữa vật hàn và que hàn chịu tác dụng của điện trường nên bị ion hoá Các ion ở dưới đi lên rất nhanh, biển động năng thành nhiệt năng làm cho que hàn nóng chảy và nhỏ giọt xuống khe hàn bù vào chỗ lõm

và hình thành lên mỗi hàn

1.3.3 Phân loại

 Hàn hồ quang có thể phân loại thành các dạng sau :

Hình 1.2: Sơ đồ phân loại hàn hồ quang

 Hàn hồ quang tự động thích hợp cho những nơi cần mỗi hàn đẹp chất lượng cao, tốc độ nhanh

 Hàn hồ quang tay dùng trong những nơi sản xuất nhỏ hoặc những nơi khó đặt que hàn cho hẳn tự động (ví dụ như mối hàn trần )

1.4 Nguồn điện cho hàn hồ quang

Để có được một mối hàn đẹp, chắc chắn, chất lượng cao, ngoài yếu tố vềvật liệu hàn tay nghề của thợ hàn ,vị trí mối hàn thì nguồn điện hàn đóng mộtvai trò vô cùng quan trọng.Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các dạng nguồnđiện cho hàn hổ quang, đánh giá ưu nhược điểm của chúng và cuối cùng dựa vàocác đặc điểm của hàn hồ quang để đưa ra các yêu cầu cho nguồn điện hàn Đóchính là nền tảng cho việc thiết kế sau này

b Các máy phát điện hàn một chiều

Loại nguồn điện này dùng cho hàn hồ quang một chiều Nó gồm một động

cơ không đồng bộ ba pha và một máy phát hàn một chiều Trong thiết bị này nănglượng điện xoay chiều sẽ được động cơ không đồng bộ ba pha biến thành cơ nănglàm quay máy phát hàn một chiều Máy phát hàn một chiều sẽ phát ra dòng điệnmột chiếu sử dụng cho quá trình hàn Có thể thấy ngay rằng hiệu suất của thiết bịnày không cao vì năng lượng bị chuyển hoá nhiều lần gây nên tổn hao lớn hơnbình thường Hơn nữa, thiết bị này lại cổng kéng, đắt tiền cho nên ngày nay người

ta không sử dụng loại thiết bị này nữa

c Các chỉnh lưu hàn

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo linh kiện bándẫn, các chỉnh lưu hàn đang dần trở thành nguồn điện chủ đạo cho công nghệ hànđiện Các chỉnh lưu hàn có nhiều ưu điểm nổi trội như đơn giản, gọn nhẹ, dễ chếtạo giá thành hạ chất lượng điện áp và dòng điện cao sẽ thay thế toàn bộ các biến

áp hàn và máy phát hàn ở trong tương lai không xa Các chính lưu hàn gồm biến ápvan chỉnh lưu bộ lọc và mạch điều khiển Máy biến áp ở đây thường dùng là máybiến áp nhiều pha để cho lưới điện được phân phối tải một cách cân bằng Vanchỉnh lưu là các Thyristor và diode công suất

1.4.2 Các dạng đặc tính ngoài của nguồn điẹn hàn

Đặc tính ngoài là đường biểu diễn quan hệ điện áp giữa hai đầu đưa ra củamáy với dòng điện tải

Hình 1.3: Các dạng đặc tính dòng-áp của nguồn điện

Hình vẽ trên biểu diễn các dạng đặc tính dòng-áp của nguồn điện Có bốndạng đặc tính

- Đặc tính 1: Đặc tính dốc có ở các máy hàn hồ quang tay Đây là đường đặc tínhhay dùng trong công nghệ hàn

- Đặc tính 2: Đặc tính thoải có trong máy hàn hồ quang tự động

1.4.3 Các yêu cầu đối với nguồn điện hàn

- Điện áp không tải ( điện áp trên hai đầu ra của nguồn điện khi mạch hàn hở ) phải

đủ lớn để gây hồ quang nhưng không được vượt quá giá trị an toàn với người thợhàn ( không quá 90 V)

- Công suất của nguồn điện hàn phải đủ để cung cấp cho dòng điện hàn để duytrì hổ quang cháy ổn định

- Nguồn điện hàn phải có cơ cấu điều chỉnh vô cấp dòng điện hàn trong giới hạncần thiết

- Nguồn điện hàn phải có điện áp thấp và dòng điện cao để tạo ra và duy trì hồquang cháy ổn định cần thiết cho đường hàn chất lượng cao

- Dòng ngắn mạch không quá lớn ( Ing = (1,3 - 1,4) Ih ) để máy không bị quá tải

- Nguồn hàn cần gọn nhẹ, giá rẻ và dễ sử dụng

II VAN ĐIỀU KHIỂN THYRISTOR

2.1 Cấu tạo, ký hiệu Thyristor

Hình1.4: Cấu trúc bán dẫn và ký hiệu của thyristor

Thyristor là phần tử bán dẫn cấu tạo từ bốn lớp bán dẫn p-n-p-n, tạo ra ba tiếp giáp p-n: J , J , J Thyristor có ba cực: anode A, katot K, cực điều khiển G 1 2 3được biểu diễn trên hình 1.2

3.2 Đặc tính Volt-Ampere của thyristor

Hình 1.5 Đặc tính volt-ampere của thyristor

Đặc tính volt-ampere của một thyristor gồm 2 phần (hình 1.3) Phần thứ nhất nằm trong góc phần tư thứ I là đặc tính thuận tương ứng với trường hợp điện

áp UAK > 0; phần thứ hai nằm trong góc phần tư thứ III, gọi là đặc tính ngược, tương ứng với trường hợp UAK < 0



 Trường hợp dòng điện vào cực điều khiển bằng 0 (I = 0) G

Khi dòng vào cực điều khiển của thyristor bằng 0 hay khi hở mạch cực điều khiển thyristor sẽ cản trở dòng điện ứng với cả hai trường hợp phân cực điện áp giữa anode - cathode Khi điện áp UAK < 0, theo cấu tạo bán dẫn của thyristor, haitiếp giáp J , J đều phân cực ngược, lớp J phân cực thuận, như vậy thytistor sẽ 1 3 2giống như 2 diode mắc nối tiếp bị phân cực ngược Qua thyristor sẽ chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Khi UAK tăng đạt đến một giá trị điện

áp lớn nhất Ung.max sẽ xảy ra hiện tượng thyristor bị đánh thủng, dòng điện có thểtăng lên rất lớn Giống như ở đoạn đặc tính ngược của diode, quá trình bị đánh thủng là quá trình không thể đảo ngược được, nghĩa là nếu có giảm điện áp UAKxuống dưới mức Ung.max thì dòng điện cũng không giảm được về mức dòng rò Thyristor đã bị hỏng

Khi tăng điện áp anode - cathode theo chiều thuận, UAK > 0, lúc đầu cũng chỉ có một dòng điện rất nhỏ chạy qua, gọi là dòng rò Điện trở tương đương mạch anode - cathode vẫn có giá trị rất lớn Khi đó tiếp giáp J , J phân cực thuận, J 1 3 2phân cực ngược Cho đến khi UAK tăng đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, sẽ xảy ra hiện tượng điện trở tương đương mạch anode - cathode đột ngột giảm, dòng điện chạy qua thyristor sẽ chỉ bị giới hạn bởi điện trở mạch ngoài

Nếu khi đó dòng qua thyristor lớn hơn một mức dòng tối thiểu, gọi là dòng duy trì Idt , thì khi đó thyristor sẽ dẫn dòng trên đường đặc tính thuận, giống như đường đặc tính thuận ở diode Đoạn đặc tính thuận được đặc trưng bởi tính chất dòng có thể có giá trị lớn nhưng điện áp rơi trên anode - cathode nhỏ và hầu như không phụthuộc vào giá trị của dòng điện.



 Trường hợp có dòng điện vào cực điều khiển (I > 0) G

Nếu có dòng điều khiển đưa vào giữa cực điều khiển và cathode, quá trình chuyển điểm làm việc trên đường đặc tính thuận sẽ xảy ra sớm hơn, trước khi điện

áp thuận đạt đến giá trị lớn nhất, Uth.max Điều này được mô tả trên hình 1.2 bằng những đường nét đứt, ứng với các giá trị dòng điều khiển khác nhau, IG1 G2, I , IG3, nói chung, nếu dòng điều khiển lớn hơn thì điểm chuyển đặc tính làm việc sẽxảy ra với UAK nhỏ hơn

Quá trình xảy ra trên đường đặc tính ngược sẽ không có gì khác so với trường hợp dòng điều khiển bằng 0

2.3 Mở, khóa thyristor

Thyristor có đặc tính giống như diode, nghĩa là chỉ cho phép dòng chạy qua theo một chiều, từ anode đến cathode, và cản trở dòng chạy theo chiều ngược lại Tuy nhiên khác với diode, để thyristor có thể dãn dòng, ngoài điều kiện phải có điện áp UAK > 0 còn cần thêm một số điều kiện khác Do đó thyristor được coi là phần tử bán dẫn có điều khiển để phân biệt với diode là phần tử không điều khiển được



 Mở thyristor

Khi được phân cực thuận, UAK > 0, thyristor có thể mở bằng hai cách Thứ nhất, có thể tăng điện áp anode - cathode cho đến khi đạt đến giá trị điện áp thuận lớn nhất, Uth.max, điện trở tương đương trong mạch anode - cathode sẽ giảm đột ngột và dòng qua thyristor sẽ hoàn toàn do mạch ngoài xác định Phương pháp này trong thực tế không được áp dụng do nguyên nhân mở không mong muốn và không phải lúc nào cũng có thể tăng được điện áp đến giá trị Uth.max Vả lại như vậy sẽ xảy ra trường hợp thyristor tự mở ra dưới tác dụng của các xung điện áp tại một thời điểm ngẫu nhiên, không định trước

Phương pháp thứ hai, phương pháp được áp dụng thực tế, là đưa một xung dòng điện có giá trị nhất định vào giữa cực điều khiển và cathode Xung dòng điện điều khiển sẽ chuyển trạng thái của thyristor từ trở kháng cao sang trở kháng thấp

ở mức điện áp anode - cathode nhỏ Khi đó nếu dòng qua anode - cathode lớn hơn một giá trị nhất định, gọi là dòng duy trì (I ) thì thyristor sẽ tiếp tục ở trong trạng dtthái mở dẫn dòng mà không cần đến sự tồn tại của xung dòng điều khiển Điều nàynghĩa là có thể điều khiển mở các thyristor bằng các xung dòng có độ rộng xung

nhất định, do đó công suất của mạch điều khiển có thể là rất nhỏ, so với công suất của mạch lực mà thyristor là một phần tử đóng cắt, khống chế dòng điện.



 Khóa thyristor

Một thyristor đang dẫn dòng sẽ trở về trạng thái khóa (điện trở tương đương mạch anode - cathode tăng cao) nếu dòng điện giảm xuống, nhỏ hơn giá trị dòng duy trì, I Tuy nhiên để thyristor vẫn ở trạng thái khóa, với trở kháng cao, khi dtđiện áp anode - cathode lại dương (UAK > 0), cần phải có một thời gian nhất định

để các lớp tiếp giáp phục hồi hoàn toàn tính chất cản trở dòng điện của mình.Khi thyristor dẫn dòng theo chiều thuận, UAK > 0, hai lớp tiếp giáp J , J , 1 3phân cực thuận, các điện tích đi qua hai lớp này dễ dàng và lấp đầy tiếp giáp J 2đang bị phân cực ngược Vì vậy mà dòng điện có thể chảy qua ba lớp tiếp giáp J , 1J2, J Để khóa thyristor lại cần giảm dòng anode - cathode về dưới mức dòng duy 3trì (I ) bằng cách hoặc là đối chiếu dòng điện hoặc áp một điện áp ngược lên giữa dtanode và cathode của thyristor Sau khi dòng về bằng không phải đặt một điện áp ngược lên anode - cathode (UAK < 0) trong một khoảng thời gian tối thiểu, gọi là thời gian phục hồi, t , chỉ sau đó thyristor mới có thể cản trở dòng điện theo cả hair chiều Trong thời gian phục hồi có một dòng điện ngược chạy giữa anode và cathode Dòng điện ngược này di chuyển các điện tích ra khỏi tiếp giáp J và nạp 2điện cho tụ điện tương đương của hai tiếp giáp J , J được phục hồi Thời gian 1 3phục hồi phụ thuộc vào lượng điện tích cần được di chuyển ra ngoài cấu trúc bán dẫn của thyristor và nạp điện cho tiếp giáp J , J đến điện áp ngược tại thời điểm 1 3đó

Quá trình khóa một thyristor có dạng gần giống như khóa một diode.Thời gian phục hồi là một trong những thông số quan trọng của thyristor Thời gian phục hồi xác định dải tần số làm việc của thyristor Thời gian phục hồi tr

có giá trị cỡ 550 µs đối với các thyristor tần số cao và cỡ 50200 µs đối với các thyristor tần số thấp

2.4 Các thông số cơ bản của thyristor

Các thông số cơ bản là các thông số dựa vào đó ta có thể lựa chọn một thyristor cho một ứng dụng cụ thể nào đó



 Giá trị dòng trung bình cho phép chạy qua thyristor, Iv

Đây là giá trị trung bình cho phép chạy qua thyristor với điều kiện nhiệt độ của cấu trúc tinh thể bán dẫn của thyristor không vượt quá một giá trị cho phép Trong thực tế dòng điện cho phép chạy qua thyristor còn phụ thuộc vào các điều kiện làm mát và nhiệt độ môi trường Thyristor có thể được gắn lên các bộ tản nhiệt tiêu chuẩn và làm mát tự nhiên Ngoài ra thyristor có thể phải được làm mát cưỡng bức nhờ quạt gió hoặc dùng nước để tải nhiệt lượng tỏa ra nhanh hơn Có thể lựa chọn dòng điện theo các điều kiện làm mát theo kinh nghiệm như sau:

 Điện áp ngược cho phép lớn nhất, U ng.max

Đây là giá trị điện áp ngược lớn nhất cho phép đặt lên thyristor Trong các ứng dụng phải đảm bảo rằng, tại bất kỳ thời điểm nào điện áp giữa anode - cathodeUAK luôn nhỏ hơn hoặc bằng Ung.max Ngoài ra phải đảm bảo một độ dự trữ nhấtđịnh về điện áp, nghĩa là phải được chọn ít nhất là bằng 1,2 đến 1,5 lần giá trị biên

độ lớn nhất của điện áp trên sơ đồ đó



 Thời gian phục hồi tính chất khóa của thyristor, t (µs) r

Đây là thời gian tối thiểu phải đặt điện áp âm lên giữa anode - cathode của thyristor sau khi dòng anode - cathode đã về bằng không trước khi lại có thể có điện áp dương mà thyristor vẫn khóa Thời gian phục hồi t là một thông số rất rquan trọng của thyristor, nhất là trong các bộ nghịch lưu phụ thuộc hoặc nghịch lưuđộc lập, trong đó phải luôn đảm bảo rằng thời gian dành cho quá trình khóa phải bằng 1,5 đến 2 lần t r

 Tốc độ tăng điện áp cho phép, dU/dt (V/µs)

Thyristor được sử dụng như một phần tử có điều khiển, nghĩa là mặc

dù được phân cực thuận (UAK > 0) nhưng vẫn phải có tín hiệu điều khiển thì nó mới cho phép dòng điện chạy qua Khi thyristor được phân cực thuận, phần lớn điện áp rơi trên lớp tiếp giáp J như được chỉ ra trên hình 1.4.2

Hình 1.6 Hiệu ứng dU/dt tác dụng như dòng điều khiển

Lớp tiếp giáp J bị phân cực ngược nên độ dày của nó nở ra, tạo ra vùng 2không gian nghèo diện tích, cản trở dòng điện chạy qua Vùng không gian này có thể coi như một tụ điện có điện dung C Khi có điện áp biến thiên với tốc độ lớn,J2dòng điện của tụ có thể có giá trị đáng kể, đóng vai trò như dòng điều khiển Kết quả là thyristor có thể mở ra khi chưa có tín hiệu điều khiển vào cực điều khiển G

Tốc độ tăng điện áp là một thông số phân biệt thyristor tần số thấp với các thyristor tần số cao Ở thyristor tần số thấp, dU/dt vào khoảng 50 đến 200 (V/µs) với các thyristor tần số cao dU/dt có thể đạt 500 đến 2000 (V/µs).



 Tốc độ tăng dòng cho phép, dI/dt (A/µs)

Khi thyristor bắt đầu mở, không phải mọi điểm trên tiết diện tinh thể bán dẫn của nó đều dẫn dòng đồng đều dòng điện sẽ chạy qua bắt đầu ở một số điểm, gắn với cực điều khiển nhất, sau đó sẽ lan tỏa dần sang các điểm khác trên toàn bộ tiết diện Nếu tốc độ tăng dòng quá lớn có thể dẫn đến mật độ dòng điện ở các điểm dẫn ban đầu quá lớn, sự phát nhiệt cục bộ quá mãnh liệt có thể dẫn đến hỏng cục bộ, từ đó dẫn đến hỏng toàn bộ tiết diện tinh thể bán dẫn

Tốc độ tăng dòng cũng phân biệt thyristor tần số thấp, có dI/dt cỡ 50 – 100 (A/µs), với các thyristor tần số cao với dI/dt cỡ 500 – 2000 (A/µs) Trong các ứng dụng phải luôn đảm bảo tốc độ tăng dòng dưới mức cho phép Điều này đạt được nhờ mắc nối tiếp các van bán dẫn với các cuộn kháng trị số nhỏ Cuộn kháng có thể lõi không khí hoặc lõi ferit Có thể dùng những xuyến ferit lồng lên thanh dẫn

để tạo các điện kháng giá trị khác nhau tùy theo số lượng xuyến sử dụng xuyến ferit tạo nên các điện kháng có tính chất của cuộn kháng bão hòa Khi dòng qua thanh dẫn nhỏ, điện kháng sẽ có giá trị lớn để hạn chế tốc độ tăng dòng; khi dòng điện lớn, cuộn kháng bị bão hòa, điện cảm giảm gần như bằng không Như vậy cuộn kháng kiểu này không gây sụt áp trong chế độ dòng định mức qua thanh dẫn

III LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu một số phương án thiết kế mạch lực, từ đó chọn ra một phương án khả thi nhất cho việc thiết kế nguồn hàn hồ quang

3.1 Sơ đồ cấu trúc của nguồn hàn hồ quang điện một chiều

- Khối chỉnh lưu có điều khiển: có nhiệm vụ biến dòng điện xoay chiều lấy từ máybiến áp thành dòng điện một chiều Sau khối này điện áp có dạng nhấp nhô và chấtlượng điện áp chưa tốt nên ta phải dùng thêm một bộ lọc

- Bộ lọc : có thể gồm cuộn cảm L hoặc tụ C hoặc cả L và C Bộ lọc có tác dụng sanphẳng các thành phần sóng hài bậc cao và làm cho điện áp có hệ số đập mạch phùhợp với yêu cầu của tải

- Mạch điều khiển có tác dụng tạo ra các xung điều khiển để đưa đến cực điềukhiển của các Thyristor hay nói cách khác mạch điều khiển có nhiệm vụ là điềukhiển quá trình mở van hoàn toàn tự động Mạch điều khiển còn phải có khả năngthay đổi góc a trong toàn bộ dải điều chỉnh.Với máy hàn mạch điều khiển còn cầnphải có thêm chức năng bảo vệ khi xảy ra sự cố ngắn mạch tải

3.2 Đánh giá ưu nhược điểm của từng sơ đồ và lựa chọn phương án thiết kế

3.2.1 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu một pha

a Ưu điểm

- Mạch có cấu tạo đơn giản, chỉ gồm có hai điode và hai Thyristor Điều này sẽlàm cho mạch dễ thiết kế,điều khiển và có tính kinh tế cao

- Điện áp ra là V2U, nhỏ hơn các sơ đồ khác lên ta dễ chọn van

- Rất có ứng dụng thực tiễn trong các nhà máy, phân xưởng nhỏ nơi mà chỉ dùngđến mạng điện một pha

b Nhược điểm

- Số xung đập mạch trong một chu kỳ của sơ đồ bằng 2, thấp hơn tất cả các sơ đồkhác Điều này sẽ làm cho chất lượng điện áp và dòng điện ra của mạch kém đi.Mặt khác, nó cũng gây khó khăn cho chúng ta trong vấn đề thiết kế bộ lọc.

- Mạch này chỉ dùng cho các tải có công suất nhỏ và vừa Nếu dùng cho các tải

có công suất lớn sẽ gây nên hiện tượng lệch công suất giữa các pha

3.2.2 Sơ đồ chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu ba pha

a Ưu điểm

- Số xung đập mạch trong một chu kỳ của sơ đồ bằng 6, nên chất lượng điện áp

ra cao, cuộn kháng lọc sẽ nhỏ gọn hơn

- Mạch điều khiển đơn giản vì chỉ phải điều khiển đóng mở cho ba van

- Trong máy biến áp không có hiện tượng từ hoá cưỡng bức vì dòng điện chạytrong cuộn dây thứ cấp máy biến áp là dòng xoay chiều nên tổng Ampe vòng củathành phần một chiều gây nên trên mỗi trụ biến áp bằng 0

- Hầu nhu không làm méo lưới điện Mạch có hệ số sử dụng máy biến áp cao

Qua phân tích ưu nhược điểm của các phương án ở trên ta thấy mỗi phương

án đều có những ưu nhược điểm và lĩnh vực ứng dụng riêng Tuy nhiên dựa vào yêu cầu của đề bài là thiết kế bộ nguồn hàn có dòng hàn cực đại là 180 A và điện

áp ngắn mạch là 60V, ta thấy phương án : “Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu ba pha” là khả thi hơn cả Chất lượng điện áp và dòng điện ra là rất tốt do đó sẽgiúp cho ta có nhiều mối hàn đẹp và chất lượng mối hàn cao Hơn nữa, mạch lực

và mạch điều khiển cũng không quá phức tạp, cuộn kháng lọc dòng điện nhỏ nên thuận tiện cho ta trong việc thiết kế và chế tạo Vì vậy trong đồ án này ta quyết định lựa chọn phương án “CHỈNH LƯU ĐIỀU KHIỂN KHÔNG ĐỐI XỨNG CẦU BA PHA” để thiết kế mạch lực

+ Nhóm Diode D1, ,D2,D3 đấu Anôt chung Khi nào thế Katôt của một trong các Diode này âm hơn các Diode còn lại thì Diode đó sẽ mở để dẫn dòng tải Tại một thời điểm cũng chỉ có một Diode dẫn dòng

- Đặt vào mạch bộ nguồn cung cấp là Ua,Ub, Uc lệch pha nhau một góc 120°, trên

đồ thị điện áp các pha ta xác định được điểm gốc để phát xung điều khiển theo nguyên tắc đã trình bày ở trên Trên đồ thị O1 là điểm gốc để phát xung điều khiển vào mở T1, O2 là điểm gốc để phát xung điều khiển vào mở T2, O3 là điểm gốc đểphát xung điều khiển vào mở T3

- Giả sử góc điều khiển là a thì tại thời điểm,ta phát xung điều khiển để mở T1, T1

sẽ thông dòng chảy qua T1, và điện áp nguồn được đặt lên tải

Khi U = 0 dòng điện tải có xu hướng giảm nhưng do trong mạch có điện cảm Ld nên Ld sẽ sinh ra sức điện động chống lại sự giảm của dòng điện tải Vì vậy , T1 vẫn tiếp tục thông khi Ua≤0

- Đến thời điểm 2a + pi/3 ta phát xung điều khiển vào để mở T3 Lúc này nếu T1 vẫn thông thì Katôt của T3 mang thế Ua, Anôt của T3 mang thế Ub mà Ua< Ub nên T3 sẽ thông để dẫn dòng tải

Mặt khác, khi T3 thông thì Katôt của T1, mang thế Ub, Anôt của T1 mang thế Ua

mà Ua<Ub nên T1 sẽ tự động khoá lại

Hình 1.9: Đồ thị CL điều khiển không đối xứng cầu 3 pha với

Quá trình đóng mở diễn ra tương tự với các van còn lại Tại cùng một thời điểm chỉ có duy nhất một cặp van mở để dẫn dòng tải Khi Thyristor này mở thì Thyristor đang dẫn trước đó sẽ lập tức bị khoá lại.



 Các biểu thức tính toán

 Điện áp ra sau chỉnh lưu: Ud

 Dòng điện trung bình qua van

 Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van:

 Công suất của máy biến áp ba pha trong sơ đồ điều chỉnh công suất:

 Công suất của máy biến áp ba pha trong sơ đồ làm chức năng ổn áp một chiều:

 Hệ số đập mạch của sơ đồ ứng với a = 0 thì kđmmin =5,7%

Khi a tăng lên thì kđm sẽ tăng theo

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH LỰC

I Sơ đồ mạch lực tổng quát

Hình 2.1: Sơ đồ mạch lực đầy đủ (bao gồm các bảo vệ)

II Tính toán các thông số của mạch lực

Theo yêu cầu của đề bài ta cần phải thiết kế nguồn hàn hồ quang điện một chiều có các thông số sau :



 Tính điện áp ngược lớn nhất đặt lên van:

= với =

Trong đó: lần lượt là điện áp tải điện áp nguồn thứ cấp và điện áp ngược của van

= 60 V

= là hệ số điện áp ngược, ở sơ đồ cầu 3 pha thì: k = = 2,45

= là hệ số điện áp tải, ở sơ đồ cầu 3 pha thì: k = = 2,34

Thay các số liệu trên vào (*), ta có:

= 60 = 188,5 V Điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc của nó Điện áp này được chọn thông qua một hệ số dự trữ Thông thường = 1,6 – 2 , ở đây ta chọn = 1,8

=> = = 1,8.188,5 = 340 V



 Tính dòng điện trung bình chạy qua van:

- Dòng điện làm việc của van được chọn thông qua dòng điện hiệu dụng chạy qua van: Dòng điện hiệu dụng được tính bằng :

Trong đó:

: Dòng điện tải hay dòng điện ở đầu ra của chỉnh lưu

: Dòng điện hiệu dụng chảy qua van

Trong đó:

: dòng điện định mức của van

ở đây ta chọn

Dựa vào hai thông số:

Ta tra bảng thông số các Diode và Thyristor để chọn ra van có lao vun và

Un lớn hơn gần nhất với hai thông số ở trên, ta tìm được:

 Thyristor loại DCR645PR44DS có các thông số sau:

+ Điện áp ngược max : = 400 V

+ Thời gian chuyển mạch : = 50 ms

+ Nhiệt độ lớn nhất mà van chịu được : Tmax = 125C

 Diode loại SH04C500 có các thông số sau :

+ Điện áp ngược max : U = 400 V

+ Dòng điện định mức : Idm = 500 A

+ Dòng điện rò : Ir = 50 mA

+ Độ sụt áp của van : DU = 0,85 V

+ Thời gian chuyển mạch : t = cm 50 ms

+ Nhiệt độ lớn nhất mà van c hịu được : Tmax = 180 C0

2.2 Tính toán máy biến áp lực

2.2.1 Điện áp chỉnh lưu không tải:

Phương t rình cân bằng điện áp khi Thyristor và Diode dẫn:

Udo cos = Ud + UVT+UV D + Udn +Uba

Trong đó:

Udo : Điện áp tải khi có tính đến sụt áp trên van và máy biến áp

: góc điều khiển ở đây, ta chọn = 35 để đảm bảo khi lưới điện bị sụt áp t hì mạc h vẫn có thể duy trì điện áp định mứ c cho tải