Thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều

Thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN

BÁO CÁO ĐỒ ÁN 2

ĐỀ TÀI: Thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều

Giảng viên hướng dẫn : TS Đỗ Mạnh Cường

Hà Nội , 12/2015

LỜI MỞ ĐẦU

Sự phát triển nền kinh tế của mỗi quốc gia phụ thuộc rất nhiều vào mức độ cơgới hóa và tự động hóa trong các quá trình sản xuất Trong quá trình sản xuất côngnghiệp hiện đại sự cơ giới hóa và tự động hóa giúp nâng cao năng suất lao động vàchất lợng sản phẩm Một trong những vấn đề đang được các nhà sản xuất rất quantâm hiện nay là việc ghép nối các chi tiết với nhau để cấu thành sản phẩm Trong tất

cả các phơng pháp ghép nối các chi tiết với nhau thì phương pháp hàn điện có nhiều

ưu điểm hơn tất cả và đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của các nhà sản xuất Chính

vì vậy mà ngày nay các máy hàn điện đã xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi tronghầu hết các ngành công nghiệp, chế tạo máy , vận tải , xây dựng nông nghiệp và trởthành một phần tất yếu không thể thiếu

Một trong những phương pháp nâng cao chất lượng của các mối hàn là sửdụng máy hàn hồ quang một chiều để hàn

Đề tài tốt nghiệp trong cuốn đồ án này là tìm hiểu, thiết kế nguồn hàn mộtchiều ding bộ chỉnh lưu có : Ihmax= 200 A ; Udmmax= 60V

Cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo Đỗ Mạnh Cường em đã hoànthành nhiệm vụ được giao và rút ra những vấn đề cần thiết về hàn điện với cácphương pháp sử dụng hợp lí và kinh tế

Trong quá trình tìm hiểu ,nghiên cứu và thực hiện đồ án này em đã cố gắngtrình bày những vấn đề về hàn điện nói chung và máy hàn một chiều nói riêng.Nhưng vì thời gian nghiên cứu và thực hiện đề tài có hạn cùng với kinh nghiệm , kiếnthức của bản thân còn hạn chế nên đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót Kínhmong thầy giáo hướng dẫn cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện góp ý , giúp đở emcủng cố kiến thức của mình và rút ra những bài học kinh nghiệm quý báu để chonhững lần sau em thực hiện tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 22 thán 12 năm

2015 Sinh viên

Số liệu ban đầu Dòng hàn cực đại

( A ) Điện áp không tải( V )

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÀN ĐIỆN

I Khái niệm và phân loại hàn điện :

I.1 Khái niệm về hàn điện :

Hàn điện là một công nghệ phổ biến nhất trong kỹ thuật hiệnđại như nghành đóng tàu , xây dựng , chế tạo máy móc ,… Hànđiện cũng được áp dụng ở các đơn vị sản xuất nhỏ và công ty lớntrong ngành khác

Phương pháp hàn điện có những ưu điểm nổi bật sau :

• Tiết kiệm nguyên liệu so với các phương pháp gia công khác

• Có độ bền cơ học cao, chất lượng mối hàn tốt

• Năng suất cao, giá thanh hạ, dễ dàng tự động hoá

• Bảo vệ môi trường vệ sinh công nghiệp

I.2 Phân loại hàn điện :

Hình 1 : Phân loại các phương pháp hàn điện

II Giới thiệu chung về công nghệ hàn hồ quang :

II.1 Các khái niệm chung :

Hồ quang điện là một dang phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn( A/) Ở điều kiện bình thường chất khí hầu như không dẫn điện Nếu đặt lên haiđiện cực trong môi trường không khí một điện trường có cường độ đủ lớn thì có thểphá 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 củacường độ điện trường …

Hàn điện hồ quang là dùng nhiệt lượng của hồ quang điện nung nóng tại chổhàn làm cho kim loại vật hàn chảy và kim loại bổ sung chảy để nối 2 vật lại

Kỹ thuật hàn hồ quang : bao gồm mồi hồ quang , duy trì hồ quang ngắn và ổnđịnh, thực hiện chuyển động điện cực hàn theo yêu cầu với tốc độ hành trình hồquang chính xác Hồ quang được mồi bằng cách gõ đầu điện cực trên bề mặt mốighép Điện cực được giữ thích hợp theo bề mặt mối ghép và vị trí hàn Ở cuối đườnghàn , hồ quang còn được duy trì trong khoảng thời gian ngắn để bù cho vết lỏm cuốiđường hàn , sau đó phải lấy điện cực ra ngay để dập tắt hồ quang

II.2 Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang :

Nguồn điện cung cấp cho hàn hồ quang có thể là một chiều hoặc xoay chiều.Trong đó nguồn hàn hồ quang một chiều có hai loại :

• Bộ biến đổi quay ( Máy phát hàn một chiều )

• Bộ biến đổi tĩnh ( Bộ chỉnh lưu )

Với sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn công suất lớn đã đưa ra nhiều ứng dụngtrong nguồn hàn một chiều Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lưu có những ưu việthơn 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

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 hànđược dễ dàng

 Nguồn hàn một chiều với điện cực :

• Kim loại : Uomin = ( 30 – 40 )V

• Than : Uomin = ( 45 – 55 ) V

 Đảm bảo an toàn lúc làm việc ở chế độ làm việc cũng như ở chế độ ngắn mạchlàm việc Bội số làm việc ngắn mạch không được quá lớn

= = 1,2 ÷ 1,4

Trong đó : - : Bội số dòng điện ngắn mạch

- Inm : Dòng điện ngắn mạch (A)

- Idm : Dòng điện hàn định mức (A)

 Nguồn hàn phải có công suất lớn

 Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được được dòng hàn ( dòng hàn phụthuộc vào đường kính que hàn ).Dòng điện hàn được tính theo biểu thức :

Ih = ( 40 ÷ 60 ) d Trong đó : + Ih : Dòng điện hàn (A)

+ d : Đường kính que hàn (mm)

 Đường đặc tính ngoài của nguồn hàn phải đáp ứng theo từng phương pháp hàn.Đường đặc tính ngoài là đường biểu diễn quan hệ giữa điện áp trên 2 đầu racủa máy với dòng tải

Cách đặc tính ngoài của nguồn điện hàn :

1 Đặc tính dốc

2 Đặc tính thoải

3 Đặc tính cứng

4 Đặc tính tăng

Hình 3 : Đồ thị đặc tính ngoài của nguồn điện hàn

Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang bằng tay phải có đường đặc tínhdốc

Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động phải có đường đặc tínhthoải

CHƯƠNG II : CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU

I – Tổng quan chung :

Ngày nay với trình độ khoa học ngày càng hiện đại , việc ứng dụng các thànhtựu khoa học kỹ thuật vào trong sản xuất ngày càng được mở rộng Trong đó các máyhàn điện dùng các bộ chỉnh lưu được ưu tiên sử dụng rộng rãi trong công nghiệp , và

đã đáp ứng được các sản xuất và đổi mới công nghệ Việc dùng các bộ chỉnh lưu cócác ưu điểm nổi bật sau :

• Có thể tạo ra bộ nguồn có công suất lớn

• Tổn thất điện áp bé : 1,5V

• Độ nhạy của hệ thống cao vì quán tính từ bé

• Độ ổn định dòng và áp cao

• Hiệu suất cao , không gây ồn ào, chi phí vận hành, bảo dưỡng và sữa chữathấp

• Kích thước bé nên thuận lợi khi làm việc ở những nơi cần di chuyển có chấnđộng

Tuy nhiên các bộ chỉnh lưu cũng có những hạn chế sau :

• Chi phí đầu tư ban đầu lớn

• Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ nhất định

Hệ thống chỉnh lưu được chia thành nhiều loại :

• Một pha hoặc ba pha

• Đối xứng hoặc không đối xứng

• Có điều chỉnh hoặc không điều chỉnh

Tuy nhiên trong phạm vi của đề tài này em xin trình bày ba phương án dùng bộ chỉnh lưu có thể dung khi thiết kế nguồn hàn một chiều sau :

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

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

• Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có điểu khiển đối xứng

II – Các phương án thiết kế :

II.1 Bộ chỉnh lưu cầu một pha có điều khiển không đối xứng :

II.1.1 Sơ đồ nguyên lí :

Hình

đồ

nguyên lý và đồ thị chỉnh lưu cầu một pha

bán điều khiển với góc

α = 60 o

II.1.2 Các thông số của mạch :

 Điện áp ra sau chỉnh lưu :

• Điện áp ra là nhỏ hơn các sơ đồ khác nên ta dễ chọn van

• Rất có ứng dụng thực tiễn trong các nhà máy, phân xưởng nhỏ nơi màchỉ dùng mạng điện một pha

II.2 Bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển không đối xứng :

II.2.1 Sơ đồ nguyên lí :

Hình 5 : Sơ đồ nguyên lý và đồ thị

chỉnh lưu cầu ba pha bán điều khiển

với góc

α = 60 0

II.2.2 Các thông số của mạch :

 Điện áp ra sau chỉnh lưu :

• Mạch điều khiển đơn giản vì chỉ phải điều khiển đóng mở cho 3 van

• Trong máy biến áp không có hiện tượng từ hoá cưỡng bức vì dòng điệnchạy trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp là dòng xoay chiều nên tổngAmpe vòng của thành phần một chiều gây nên trên mỗi trụ biến áp bằng0

• Hầu như không làm méo lưới điện Mạch có hệ số sử dụng máy biến ápcao

II.3 Bộ chỉnh lưu càu ba pha có điều khiển đối xứng :

II.3.1 Sơ đồ nguyên lí :

Hình 6: sơ đồ nguyên lý và đồ thị chỉnh lưu cầu 3 pha có điều khiển với α = 45 0

II.3.2 Các thông số của mạch :

 Điện áp ra sau chỉnh lưu :

 Điện áp ngược lớn nhất đặt trên van :

• Số xung áp chỉnh lưu trong một chu kỳ lớn, vì vậy bộ đập mạch của điện

áp chỉnh lưu thấp, chất lượng điện áp cao

• Giá trị trung bình dòng điện chảy qua mỗi van trọng một chu kỳ thấp,chỉ bằng 1/3 dòng chỉnh lưu

• Do sơ đồ đối xứng nên không làm lệch pha lưới điện

 Nhược điểm:

• Giá thành cao do có nhiều van cần điều khiển

• Điều khiển phức tạp

III Lựa chọn phương pháp thiết kế mạch :

Với yêu cầu của đề tài là thiết kế nguồn hàn một chiều có :

• Điện áp không tải : Ud = 60V

• Dòng hàn cực đại : Ihmax = 200A

Qua phân tích ưu nhược điểm của ba phương án trên Để đảm bảo yêu cầu của

đề tài thì em quyết định chọn phương án : “ Bộ chỉnh lưu cầu ba pha có điều khiển

đối xứng ” Với chất lượng điện áp và dòng ra tốt giúp chúng ta có mối hàn đẹp và

chất lượng mối hàn cao

CHƯƠNG III : TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MẠCH LỰC

I Sơ đồ mạch lực tổng quát :

Hình 7 : Sơ đồ nguyên lí mạch lực.

Trong sơ đồ sử dụng :

• CD : (cầu dao) Dùng đóng cắt nguồn bằng tay

• AT : (áp tô mát) Dùng đóng cắt nguồn, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắnmạch đầu ra bộ biến đổi , ngắn mạch thứ cấp MBA

• L : ( Cuộn kháng ) Cuộn kháng có lõi thép dung để hạn chế dòng ngắn mạch

• Rs : (Shunt điện trở) thực hiện phản hồi âm điện áp để điều chỉnh dòng điện vabảo vệ quá tải

• BAH : (Biến áp hàn ) Máy biến áp bap ha có sơ đồ đấu dây /Y làm mát bằngkhông khí

• Bộ chỉnh lưu : Dùng chỉnh lưu cầu bap ha đối xứng

II Tính toán các thông số của mạch lực :

Theo yêu cầu của đề tài thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều có các thông sốsau :

II.1 Tính toán máy biến áp :

 Điện áp chỉnh lưu không tải :

Udo = Ud + Ud

Trong đó :

Ud = Uba + Uv + Uck

Uv : Sụt áp trên van dẫn gồm 2 thyristo : Uv = 2.1,6 = 3.2V

Uck : Sụt áp trên điện kháng : Uck = 10%Ud = 10%.60 = 6V

Uba : Sụt áp bên trong máy biến áp : Uba = ( 5% 10%)Ud

II.2.1 Đặc điểm chung :

Việc tính chọn van cho mạch lực dựa vào các thông số: Điện áp làm việc, dòngđiện tải, dòng trung bình qua van hay dòng điện làm việc cực đại của van trong sơ đồ

đã chọn, điều kiện tản nhiệt

• Loại van nào có sụt áp U nhỏ hơn sẽ có tổn hao nhiệt ít hơn

• Dòng điện rò của loại van nào nhỏ hơn thì chất lượng tốt hơn

• Nhiệt độ cho phép của loại van nào cao hơn thì khả năng chịu nhiệt tốt hơn

• Điện áp và dòng điện điều khiển của loại van nào nhỏ hơn, công suất điềukhiển thấp hơn

• Loại van nào có thời gian chuyển mạch bé hơn sẽ nhạy hơn Tuy nhiên, trong

đa số các van bán dẫn thời gian chuyển mạch thường tỷ lệ nghịch với tổn haocông suất

Điều kiện làm mát van có vai trò quyết định đến hiệu suất sử dụng van:

• Làm mát tự nhiên bằng không khí : H = 25%

• Dùng cánh tản nhiệt được quạt mát với tốc độ gió 16 (m/s): H = 35%

• Cho dầu biến thế chảy qua cánh tản nhiệt : H= 95%

=> Chọn phương pháp làm mát với H = 25%

 Các thông số của thyristor :

• Điện áp ngược lớn nhất àm thyristo phải chịu :

Ung max = U2 = 35,64 = 87,3 V

• Điện áp ngược của van cần chọn :

Ungv = Kdtu Ung max = 1,4 87,3 = 122,2 V

Trong đó : Kdtu = 1,4 ( hệ số dự trữ điện áp )

• Dòng điện làm việc của van :

Ilv = = = 66,67 A

• Dòng điện định mức của van cần chọn :

Idmv = = = 373,4 A

II.2.2 Lựa chọn thyristor :

Từ các thông số đã tính ở trên ta lựa chon thyristor TB400 do nga chế tạo :

• Điện áp ngược cực đại : Ung max = 300 V

• Dòng điện định mức : Idmv = 400 A

• Dòng điện đỉnh cực đại : Idinh max = 7000 A

• Dòng điện rò khi van ở trạng thái khóa : I rò = 5 mA

• Tốc độ biến thiên điện áp : =500 (V/µs)

• Tốc độ biến thiên dòng điện : = 200(A/µs)

• Sụt áp thuận trên van ở dòng định mức : 2,1(V)

• Điện áp điều khiển nhỏ nhất đảm bảo dòng điều khiển mở van : Uđk = 5,5V

• Dòng điều khiển nhỏ nhất vẫn đảm bảo mở được van: Iđk = 400(mA)

• Thời gian phục hồi tính chất khóa của van :Tph = 50(µs)

II.3 Tính toán bảo vệ mạch lực :

II.3.1 Bảo vệ tốc độ tăng dòng cho thyristor :

Đặc điểm của Thyristor khi bắt đầu dẫn không cho phép dòngqua nó tăng nhanh vượt giới hạn cho phép, nếu không van sẽ bịthủng hỏng Để bảo vệ phải có điện cảm L ở phía xoay chiều nhằmhạn chế tốc độ tăng dòng này

Hình 8 : Sơ đồ bảo vệ tốc độ tăng dòng của thyristor

Tính toán cuộn cảm L: Tốc độ tăng dòng sẽ lớn nhất khi điện áp trước khi vandẫn là lớn nhất Giả định điện áp lưới biến động 5% Ta có:

=> chọn L = 1,5 µH

II.3.2 Bảo vệ quá dòng điện cho thyristor :

Để bảo vệ quá dòng điện cho Thyristor thì thường sử dụngAptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quátải và ngắn mạch Thyristor

Dòng điện làm việc chạy qua Aptomat:

Ilv = = = 23,09 A, chọn Ilv = 24(A)Như vậy Aptomat cần chọn có:

• Dòng điện định mức: Idm = 1,1Ilv = 1,1.24 = 26,4(A)

• Điện áp định mức: Udm = 380V

• Có ba tiếp điểm chính có thể đóng cắt bằng tay hoặc namchâm điện

• Dòng ngắn mạch: Inm = 1,5Ilv = 1,5.24 = 36 (A)

Mạch dùng thêm cầu dao dùng để tạo khe hở an toàn khi sửa chữa hệ thống.

II.3.3 Bảo vệ quá điện áp cho thyristor :

Các nguyên nhân gây ra hiện tượng quá áp:

• Quá áp từ lưới điện đưa tới Đây là các quá áp như: Do sét đánh vào đườngdây điện, do đóng ngắt các bộ phụ tải chung nguồn với chỉnh lưu

• Quá áp do đóng ngắt các khối chức năng của bản than bộ chỉnh lưu

• Quá áp do hiện tượng chuyển mạch của các van khi đang làm việc

Để bảo vệ Thyristor tránh hiên tượng quá điện áp thường dùng mạch R-C mắcsong song với Thyristor (Hình 9) Khi đó mạch R- C song song với Thyristor tạothành mạch vòng phóng điện tích quá độ R hạn chế dòng điện của tụ C khi phóngđiện (Thyristor chưa mở)

Hình 9 : Sơ đồ bảo vệ quá điện áp cho thyristor

Chọn R = (10 ÷ 100)Ω, C = (0,1 ÷ 2)µF

II.4 Thiết kế cuộn kháng lọc :

Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu cũng làm cho dòng điện tải cũng đập mạchtheo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều Với công nghệ mạ điện thì nó làmcho chất lượng của lớp mạ không cao: lớp mạ không đều, không đạt được các tiêuchuẩn đã đưa ra: bền - bóng - đẹp…

Để hạn chế sự đập mạch này ta phải mắc nối tiếp với tải một cuộn kháng lọc đủ

lớn để hệ số đập mạch sau mạch lọc đạt giá trị k dmr <0,1 Ngoài tác dụng hạn chế thành

phần sóng hài bậc cao, cuộn kháng lọc còn có tác dụng hạn chế vùng dòng điện giánđoạn

Ta có hệ số san bằng: Ksb =

Trong đó: Kdmv là hệ số đập mạch đầu vào

Kdmr là hệ số đập mạch ra

Vậy hệ số đập mạch đầu vào Kdmv = = = 6,33

Lại có theo bộ tham số của mạch chỉnh lưu cầu ba pha có cuộn kháng cân bằng thì:

Kdmr = 0,057

Từ đó ta có cuộn kháng lọc: L = ksb = = 2,35(mH)

Trong đó: mdm là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu trong một chu kì lưới xoaychiều

Rd : tổng tất cả các điện trở tải

W1: tần số góc của điện áp xoay chiều

II.5 Tính cuộn kháng cân bằng :

Dòng từ hóa cuộn kháng cân bằng:

iocb = = ISuy ra cảm kháng của cuộn kháng cân bằng:

Thay vào công thức tính Lcb ta có: Lcb = = 0,85 (µH)

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I Yêu cầu đối với mạch điều khiển :

Mạch điều khiển (MĐK) chỉnh lưu cần thực hiện các nhiệm vụ chính sau:

• Phát xung điều khiển (xung để mở van) đến các van lực theo đúng pha vàvới góc điều khiển cần thiết

• Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc αmin ÷ αmax tương ứn với phạm vi thay đổiđiện áp ra tỉa của các mạch lực

• Cho phép chỉnh lưu làm việc ở các chế độ khác nhau do tải yêu cầu

• Có độ đối xứng xung điều khiển tốt, không vượt quá 1 ÷ 3 điện, tức là gócđiều khiển với mọi van không được vượt quá giá trị trên

• Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi lưới điện xoay chiều daođộng cả về điện áp lẫn tần số

• Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt

• Độ tác động của mạch điều khiển nhanh, dưới 1ms

• Mạch điều khiển phải có chức năng bảo vệ khi xảy ra sự cố

• Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van lực phù hợp để mở chắc chắn