thiết kế máy hàn một chiều

Tài liệu tham khảo thiết kế máy hàn một chiều

Ud = Udo Cosαo = Uho + ∆Uba + ∆Uv + ∆Udây

Trong đó: ∆Uv: sụt áp trên van = 1,5 V

∆Udây: sụt áp trên dây dẫn = 0

∆Uba=∆Ur + ∆Ux : sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp = 4% + 1,5% = 5,5%

αo: là góc mở của thyristor khi hở mạch, ta chọn αo= 60o

600 = 424 (A) XXX ( 240/1.41 =170)

- Trị hiệu dụng cực đại chảy qua sơ cấp MBA:

I1max= m.I2max = 0,38.424 = 161 (A) (0,38 170 = 65A)

III Chọn Thyristor :

Tính toán ở trên có : Ungmax= 407,3 (V)

Itbmax= 300 (A) 120A

- Chọn điều kiện làm việc của van là tốt với cánh toả nhiệt và quạt đối lu khôngkhí Trong điều kiện đó có :

- Tra bảng ta chọn đợc Thyristor SC150C80 với các thông số sau:

Điện áp ngợc cực đại của van : Ungmax = 800 V

Dòng điện định mức của van : Iđm = 150 A

Điện áp xung điều khiển : Ug= = 3 V

Dòng điện của xung đièu khiển : Ig = 0,1 A

Dòng điện rò : Irò = 15 mA

Sụt áp trên Thyristor : ∆UT = 1,6 V

Tốc độ biến thiên điện áp: 

dt

du

200 V/s Tốc độ biến thiên dòng điện: 

dt

di 180 A/às Thời gian chuyển mạch : tcm= 80 às

Nhiệt độ làm việc cực đại cho phép : Tcp =

IV Thiết kế máy biến áp:

Ta chọn MBA 1 pha, 1 trụ dạng Ш, І làm mát bằng không khí Đây là máy biến

áp có điểm giữa do vậy có 1 cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp

a) Tiết diện trụ của lõi thép MBA:

Tiết diện trụ đợc tính theo công thức kinh nghiệm:

QFe= k cf S [cm2]

Trong đó:

+) k = hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát, lấy k = 6

+) c : số trụ của MBA ( 3 pha: c=3; 1pha c = 1)

+) f = 50 Hz tần số nguồn điện xoay chiều

QFe=

50 61118

6 = 210 [cm2] 24590/50 căn 22,176

b) Tính toán dây quấn:

- Chọn vật liệu là các lá tôn Silic dày 0,5 mm , tổn thất 1,3 W/kg , trọng

U W

Fe 44 , 4

1 , 1 021 , 0 50 44 , 4

Số vòng dây thứ cấp ( hai cuộn ) : W2 = 0,195 144 2 = 56 = 518 vòng

- Tiết diện dây:

J

I

S Cu  (mm2) trong đó: I - dòng diện chạy qua cuộn dây

J - mật độ dòng điện 2-3 A/mm2, tuỳ theo chất lợng dây

3

424 2

d) Kết cấu dây quấn :

-Dây quấn đợc bố trí theo

chiều dọc trụ với mỗi cuộn dây đợc

cuốn thành nhiều lớp dây, mỗi lớp dây cách điện với nhau bằng bìa cách điện

- Tiết diện dây rất lớn, ta chọn tiết diện dây hình chữ nhật

- Số vòng trên mỗi lớp:

425 ,

U A

56 , 13 10

76 , 10 314 2

144 2 45 , 0 2

44 ,

Q B f m

U CK

= 117 vßng

- Dßng ®iÖn ch¹y qua cuén kh¸ng:

1 , 600 2

2 2

- chọn mật độ dòng điện J = 3 A/mm2

→ tiết diện dây : SCK = 200 mm2 → d = 15 mm

VI.Thiết kế các thiết bị bảo vệ:

1 Bảo vệ quá nhiệt độ cho van:

-Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp, do đó có tổn hao côngsuất sinh nhiệt đốt nóng van Mặt ghép là nơi bị đốt nóng nhiều nhất

Van bán dẫn chỉ đợc phép làm việc ở nhiệt độ cho phép nào đó tuỳ thuộc loại van Đốivới bán dẫn Ge: Tcp= 80 ữ 100 ; Si: Tcp= 150ữ200

- Việc làm mát có ảnh hởng lớn tới dòng làm việc cho phép của van Với dòng khálớn:

Không có toả nhiệt : Ilv < 10%Idm

Toả nhiệt bằng cánh toả nhiệt đồng, nhôm : Ilv < 40%Idm

Toả nhiệt bẳng cánh và quạt thổi gió : Ilv < 70%Idm

- Công suất toả nhiệt này lớn do vậy cần làm mát bằng cánh toả nhiệt và quạt gió

2 Bảo vệ quá điện áp cho van:

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng

cắt Thyistor đợc thực hiện bằng mạch RC

mắc song song với Thyristor tạo thành mạch

vòng phóng điện tích trong úa trình chuyển

mạch

Chọn R = 5 , C=25 F

Chơng 3 Thiết kế mạch điều khiển

Nội dung chính của chơng gồm các phần sau

1.Các nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển

2 Hệ thống điều khiển pha xung

3 Các sơ đồ mạch của mỗi khâu Chọn lựa mạch

4 Mạch điều khiển cụ thể

5 Tính chọn mạch điều khiển

I- Các nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển:

Trong thực tế thờng dùng 2 nguyên tắc thiết kế mạch điều khiển là nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính và thẳng đứng arccos để điều chỉnh thời gian phát xung vào cực

điều khiển của Thyristor

1 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính:

Nội dung của nguyên tắc này có thể mô tả theo sơ đồ:

Khi điện áp xoay chiều hình sin đặt vào anod của Thyristor, để có thể có điều chỉnh đợc góc điều khiển , trong vùng điện áp dơng của anod, ta tạo điện áp tựa dạngrăng ca Dùng điện áp một chiều Uđk so sánh với điện áp tựa Utựa Tại thời điểm cân

bằng của hai điện áp thì phát xung điều khiển Thyristor sẽ đợc mở từ thời điểm có xung điều khiển cho đến hết nửa cuối chu kì.

Góc điều khiển  đợc xác định theo biểu thức

Uđk từ 0 đến Utựa max sẽ thay đổi đợc góc , do đó thay đổi đợc Ud

2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos:

Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos đợc thể hiện trên hình vẽ:

Điện áp đặt vào anod – catod của Thyristor là uAK = Um.sint

Trong bản đồ án này sử dụng mạch lực là sơ đồ chỉnh lu 1 pha có điểm giữa không đòi hỏi chất lợng điện áp cao lắm nên ta sẽ thiết kế mạch điều khiển theo nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính.

II- Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển:

Ta biết trong các hệ thống chỉnh lu điện áp ra đợc xác định theo biểu thức :

Ud = Udo cos

trong đó  là thời điểm ta phát xung mở Thyristor

Nh vậy bằng cách thay đổi góc mở  ta sẽ thay đổi giá trị của điện áp ra và hệ thống cho phép ta điều chỉnh góc  gọi là hệ thống điều khiển pha xung

Sơ đồ cấu trúc của mạch điều khiển:

Nhiệm vụ của các khâu trong sơ đồ :

1) Khâu đồng pha ( khâu đồng bộ) : khâu này có nhiệm vụ xác định điểm gốc để tính góc điều khiển  Nó có góc pha liên hệ chặt chẽ với điện áp của mạch lực Khâu này thờng là máy biến áp xung hoặc các phần tử ôptô

2) Khâu tạo điện áp tựa: khâu này có nhiệm vụ tạo điện áp có dạng cố định theo nhịp của điện áp đồng pha, đồng thời nó cũng xác định phạm vi điều chỉnh của góc 

Điện áp tựa có dạng tam giác hoặc răng ca, thòng dùng là điện áp răng ca

3) Khâu so sánh : nhiệm vụ của khâu này là tiến hành so sánh điện áp tựa và điện

áp điều khiển Thông thờng thời điểm cân băng giữa hai điện áp này chính là thời

điểm phát xung mở van, tức là thời điểm xác định góc 

4) Khâu dạng xung: khâu này có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển có hình dạng phù hợp để mở chắc chắn mạch van chỉnh lu Xung điều khiển có 4 dạng chính là xung đơn, xung kép, xung rộng, xung chùm

5) Khâu khuếch đại xung: nhiệm vụ chính là khuếch đại công suất của xung ra từmạch điều khiển lên tới giá trị đủ mở chắc chắn van lực

6) Bộ điều chỉnh : có nhiệm vụ thực hiện một qui luật điều chỉnh nào đó (điều chỉnh bằng lợng đặt hoặc do công nghệ thiết bị chế tạo ) và đợc phản hồi để tạo ra Uđk

để điều chỉnh góc  nhằm khống chế năng lợng ra tải theo yêu cầu

III- Chọn các khâu của mạch điều khiển

Đồng

tựa

So sánh Dạng xung Khuếch đại

xung

Bộ

điều khiển

U

đặt

UphU

đk

1.Khâu đồng pha:

Khâu này thờng sử dụng biến áp đồng pha hoặc phần tử ghép quang

a)Sử dụng máy biến áp đồng pha:

Đặt điện áp u1= U1m sint vào cuộn dây sơ cấp thì bên phía thứ cấp xuất hiện

điện áp xoay chiều u2= U2m cost

b)Sử dụng phần tử ghép quang:

u

Trong nửa chu kì dơng của nguồn thì D0 dẫn phát ánh sáng mở T0 (T 0 là trandito quang) làm T0 dẫn dòng ic từ +E qua R2 ,T0 ,do đó Uđf =0.

Trong nửa chu kì âm của nguồn thì D0 khoá làm cho T0 khoá, do đó Uđf = ETrong đồ án này chọn khâu đồng pha là máy biến áp đồng pha

2 Khâu tạo điện áp tựa:

Nguyên tắc của việc tạo điện áp răng ca là dựa vào sự phóng nạp của tụ C qua một mạch nào đó Quan hệ dòng và áp trên tụ C có dạng:

Răng ca này có dạng phi tuyến làm cho sự thay đổi của góc  phụ thuộc vào Uđk

U

E

DZ R

C1.C( ). 1.C( ).  C(0)

Kết quả là ta thu đợc dạng răng ca tuyến tính nh hình vẽ

*Ngoài ra ta cũng có thể dùng mạch tạo xung sử dụng KĐTT nh hình vẽ,tuy nhiên sơ đồ này khá phức tạp so với sơ đồ trên

ở khâu này ta chọn sơ đồ b

3.Khâu so sánh:

Để xác định thời điểm mở Thyristor ta cần so sánh 2 tín hiệu là Uđk và Utựa Việc

so sánh 2 tín hiệu này thờng đợc thực hiện bằng khuếch đại thuật toán

U

tựa U

đk

+E

-E

U SS

U tựa U

đk

+E

-E

U SS

*So sánh 2 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc Utựa=Uđk

Lúc Utựa > Uđk thì U = Utựa – Uđk > 0  Uss = +Uramax (Uramax)

Lúc Utựa < Uđk thì U < 0  Uss = -Uramax

*So sánh 1 cửa: thời điểm lật trạng thái là lúc UN=UP =0

Ta có:

UN = UP = 0

tua dk

dk tua

U R

R U

R R R

U R U

1 2

0 2

1 1

Trong 2 sơ đồ trên thì sơ đồ so sánh một cửa dùng cho tín hiệu khác dấu còn sơ

đồ so sánh 2 cửa đợc dùng cho hai tín hiệu cùng dấu Do đó ta sẽ sử dụng sơ đồ 1 –

so sánh 2 cửa

4.Khâu dạng xung :

Khâu dạng xung tạo ra xung điều khiển có hình dạng phù hợp để mở chắc chắn mạch van chỉnh lu Xung điều khiển có 4 dạng cơ bản là xung đơn, xung kép, xung rộng, xung chùm

*Xung đơn: là một xung ngắn, có độ rộng tx  100 ns, nó thờng đợc dùng cho các mạch chỉnh lu dạng hình tia, tải thuần trở, tải động cơ

*Xung kép: là 2 xung đơn, xung đầu tiên xác định góc , xung thứ 2 đảm bảo thông mạch van.Loại này hay dùng cho sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha

*Xung rộng : là xung có độ rộng phụ thuộc vào góc điều khiển , tx = - .Nó là xung vạn năng có thể dùng cho các loại mạch lực và các loại tải xong lại khó thực hiện việc cách ly

*Xung chùm : là một dạng xung rộng nhng trong độ rộng ( - ) có một chùm các xung tần số cao, khoảng 3  12 kHz Nó dễ thực hiện việc cách ly và đợc ứng dụng nhiều trong thực tế

Ta sẽ chọn xung điều khiển có dạng xung chùm

Để tạo đợc xung chùm, ta trộn xung rộng lấy ra từ mạch so sánh và khâu phát tần

f

).

2 2 1 (

443 1

1

R

R C

5.Khâu khuếch đại xung :

Khâu khuếch đại xung có nhiệm vụ tăng công suất xung để đảm bảo mở chắc chắn cho van và cách ly mạch lực với mạch điều khiển nếu Ud < 36V

- Đầu vào là xung rộng, cho nên khâu dạng xung cũng chính là khâu so sánh

- Có thể ghép trực tiếp với mạch lực,nếu điện áp dới 36V

Hoạt động:

+ Udx  0 (trớc thời điểm  ) : T1 khoá  T2 khoá  IG = 0

+ Udx > 0 (từ thời điểm  trở đi ): T1 mở  T2 mở, xuất hiện dòng IG ,dòng này tồn tại tới chừng nào mà UDX còn dơng

Với sơ đồ trên tụ C1 có vai trò giảm nhỏ công suất toả nhiệt của trandito và giảm kích thớc máy biến áp xung Trandito chỉ mở cho dòng qua trong thời gian tụ nạp Bíên áp xung có nhiệm vụ cách ly mạch lực với mạch điều khiển.

E

1

T

e R

Trong đồ án này do điện áp ra của mạch lực lúc không tải là Ud0 = 60V >

36V ,khi hoạt động thì điện áp hàn cỡ 40 V nên ta sử dụng sơ đồ khuếch đại xung dùng biến áp xung

6.Bộ điều chỉnh:

Nhiệm vụ của bộ điều khiển là tạo ra Uđk dựa vào lợng đặt Uđ và phản hồi Do đó

ta sẽ sử dụng mạch khuếch đại vi sai

Sơ đồ

Ta có : Uđk = k (Uđặt - Uph)

Chọn Ra = Rf ta có Uđk = Uđặt - Uph

IV- Sơ đồ mạch điều khiển:

Giải thích hoạt động của mạch:

Điện áp đồng pha vào tại A có dạng hình sin trùng pha với điện áp trên anod của Thyristor Trong thời gian Uđf > 0 thì T1 thông , Utựa = 0

Trong thời gian Uđf < 0 thì T1 khoá ,tại B có điện áp tựa Utựa có dạng răng ca

Điện áp đặt Uđặt+ và điện ấp phản hồi Uph đợc đa tới đầu vào của khuếch đại vi sai,kết quả là đầu ra của KĐTT A2 có điện áp điều khiển Uđk là điện áp một chiều

Điện áp tựa Utựa đợc so sánh với điện áp điều khiển Uđk tại 2 đầu vào của KĐTT A1 Thời điểm Utựa = Uđk thì đầu ra của A1 lật trạng thái Trong thời gian Uđk < Utựa

điện áp so sámh Uss có giá tri âm Trong thời gian Uđk > Utựa điện áp so sámh Uss có giátri dơng

Mạch tạo xung tần số cao 555 cho ta chuỗi xung có tần số từ 3 đến 12kHz (xung thu đợc sau mạch 555 chỉ có tính chất định tính)

Hai tín hiệu Uss và Uchùm xung cùng đợc đa tới khâu AND 2 cổng vào Khi đồng thời có cả 2 tín hiệu dơng UCX và USS ta sẽ có xung ra UDX Các xung ra làm T3,T4 thông ,kết quả là ta nhận đợc chuỗi xung nhọn Xđk trên biến áp xung để đa tới

V- Tính toán mạch điều khiển

Việc tính toán mạch điều khiển tiến hành từ tầng khuếch đại ngợc lên Các thông số tính mạch điều khiển:

+) Điện áp điều khiển Thyristor: Ug = 3 V

+) Dòng điều khiển: Ig = 0,3 A

+) Thời gian mở: tm= 80às

+) Độ rộng xung điều khiển: tx= 167 às

+) Tần số xung điều khiển: fg = 3 kHz

+) Điện áp nuôi mạch điều khiển: E = ±12V

+) Mức sụt biên độ xung:

3 , 0

- Thể tích lõi thép cần dùng

V = . 0. .2 . 1. 1

B

I U S

10 167 9

125 1

1 , 0

2 Tính tầng khuếch đại cuối cùng:

Chọn Transistor công suất loại 2SC9111 làm việc ở chế độ xung có các thông

9 12

- Điện trở R4 dùng để hạn chế dòng điện đa vào Bazơ của T4

- R4 đợc chọn phải thoả mãn điều kiện :

R4 > 1 , 8

10 5 , 2

5 , 4

167

3 4

+) Tần số xung ra :

C R R

f

).

(

443 , 1

443 , 1

3

443 , 1

- Điện áp tựa đợc hình thành do sự nạp điện của tụ C1

- Ta chọn thời gian nạp của tụ là : t1= R3C1 = 0,005 s

- Chọn C1 = 20 àF → R3 = 25 kΩ

- Để thuận tiên cho việc điều chỉnh lắp ráp, chọn R3 là biến trở

- Chọn T2 là Transistor loại A564 có các thông số :

B

4 , 0

6 12

2

→ chọn R2 = 15 kΩ

- Chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA = 9 V

- Chọn R1 để hạn chế dòng vào Bazơ của T1 sao cho IV < IVmax

max 1

9 9

max 1

Tại thời điểm phát xung có: Uđk = Uđặt = Utựa (ωt = π/3)

- Dựa vào phơng trình trên ta tìm biên độ Uđặt:

Theo trên có :

Utựa= t t

R

U E C t I C dt t i C

DZ t

C

10 50

6 126 10 1 , 0

1 1

.

1 )

(

1

3 6

3 1

12

U V → chọn U2 = 15 V

- Để ổn áp nguồn nuôi ta chọn 2 vi mạch ổn áp LM7812 và LM7912 có các thông số:

11 Tính MBA nguồn nuôi và đồng pha:

Ta cần nguồn nuôi  12 V để cung cấp cho máy biến áp xung , IC và các KĐTT

- Chọn MBA 1 pha kiểu lõi, có 3 cuộn dây: 1cuộn sơ cấp + 2 cuộn thứ cấp

- Điện áp lấy ra ở thứ cấp MBA làm điện áp đồng pha và nguồn nuôi

U2 = U2đp = UN = 9 V

- Dòng thứ cấp BA đồng pha: I2đp = 1 mA

- Công suất nguồn nuôi cấp cho BAX

Pđp = 2.U2đp.I2đp = 2.9.10-3= 18 mW

- Công suất tiêu thụ ở 2 KĐTT TL084 để tạo hai cổng AND

356 , 3

2U2  S

- Dòng sơ cấp:

I1 =

380

356 , 3

356 , 3

Trong đó: kq= 6 hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát

m = 1 số trụ của MBA

356 , 3 1

1 1

J U

356 , 3

.

2 2 2

J U

186 , 0 2

I®m = ki.ID = 10.0,131 = 1,31 A

Ung= ku.Ungmax=2.12,7 = 25,4

→ ta chän Diode lo¹i cã I®m =

Ung =