thiết kế nguồn hàn hồ quang 1 chiều

Các yêu cầu đối với nguồn điện hàn - Điện áp không tải đủ lớn để mồi đợc hồ quang.. - Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh dòng điện hà một cách vô cấp để phù hợp với quá trình hàn các

Chơng I: giới thiệu chung về nguồn hàn hồ quang

II Các yêu cầu đối với nguồn điện hàn

- Điện áp không tải đủ lớn để mồi đợc hồ quang Đối với nguồn một chiều U0=(4560V)

- Đảm bảo an toàn lúc làm việc ở chế độ làm việc cũng nh ở chế độ ngắn mạch làm việc.Bội số dòng điện ngắn mạch không đợc quá lớn

4 , 1 2 ,

- Nguồn hàn phải có công suất đủ lớn

- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh dòng điện hà một cách vô cấp để phù hợp với quá trình hàn các vật có kích thớc khác nhau

- Đặc tính ngoài (V-A) của nguồn hàn phải đáp ứng đợc theo từng loại phơng pháp hàn(Hàn hồ quang tay, hàn hồ quang tự động, hàn

hồ quang bán tự động)

III Các dạng đặc tính ngOàI CủA CáC NGUồN ĐIệN HàN

Đặc tính ngoài là đờng biểu diễn quan hệ áp trên 2 đầu đa ra của máyvới dòng tải.Đặc tính ngoài có nhiều dạng nh hình vẽ:

Đờng1:Đặc tính dốc(có ở các máy hàn hồ quang tay)

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

Khi hàn tự động và bán tự động, bằng que hàn nóng chảy trên máy,

có tốc độ đi xuống của dây hàn không đổi thì nên dùng đặc tính ngoàithoải để hồ quang đợc ổn định

IV CáC DạNG NGUồN ĐIệN HàN

Các nguồn hàn phổ biến chia ra 2 nhóm :

-Nguồn hàn hồ quang xoay chiều

-Nguồn hàn hồ quang một chiều

Trong đó nguồn hàn một chiều đợc chia làm 2 loại:

-Bộ biến đổi quay(máy phát một chiều)

-Bộ biến đổ tĩnh(bộ chỉnh lu)

Sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn đã đa ra nhiều ứngdụng có nó trong nguồn hàn một chiều Nguồn hàn một chiều dùng bộchỉnh lu có những u việt sau so với nguồn hàn là máy phát một chiều.+Chỉ tiêu năng lợng cao

+Không có phần quay(là bộ phận làm cho máy phát hàn một chiềucócấu tạo phức tạp, giá thành cao, tổn thất năng lợng lớn )

+Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bảo dỡng và sửa chữa thấp

V Giới hạn đề tài

Hiện nay trên thị trờng có rất nhiều chủng loại nguồn hàn với cácphơng pháp hàn khác nhau Trong phạm vi đồ án này em xin đợc thiết kếnguồn hàn hồ quang dùng cho phơng pháp hàn hồ quang tay

Thyristor

Mach

điềukhiển

Mạch

đo l ờng

2) Chức năng của từng khối

-MBA: máy biến áp dùng để phối hợp mức điện áp giữa lới điện và điện

áp đầu vào của chỉnh lu; cách ly giữa nguồn áp cao và nguồn áp thấp.-Bộ chỉnh lu Tiristor: biến đổi điện năng xoay chiều thành nguồn điện đậpmạch

-Bộ lọc: Trong đồ án này là cuộn kháng dùng để sna phẳng dòng điện.-Mạch đo lờng : Đo tín hiệu phản hồi(dòng, áp) phục vụ cho các chứcnăng điều chỉnh, các mạch bảo vệ của cả hệ thống

-Mạch điều khiển: Thực hiện chức năng tạo ra các xung điều khiển đồngpha với điện áp lới xoay chiều, để đa đến các cực điều khiển của cácTiristor tại đúng thời điểm yêu cầu Mạch điề khiển có khả năng thay đổgóc điều khiển trong toàn bộ giải điều chỉnh

II.II Các chỉ tiêu kĩ thuật đối với từng khối

1) Máy biến áp

a phân loại:

-Theo số pha: Máy 1 pha;máy 3 pha

-Theo tổ nối dâyy:/Y;Y/Y;Y/Y0;/

b Chỉ tiêu kĩ thuật

-Phải cung cấp đủ công suất yêu cầu

-Độ sụt áp U của điện áp ra khi có tải và khi không tải phải nhỏ.-Tiết kiệm dây dẫn và vật liệu sắt từ

2) Bộ chỉnh lu Tiristor

a Phân loại

-Theo số pha: 1 pha;2 pha;3 pha

-Theo sơ đồ: tia, cầu, 1/2 chu kì, cả chu kì

-Theo phơng pháp điều khiển: Chỉnh lu điều khiển hoàn toàn, chỉnh

lu bán điều khiển, chỉnh lu Điode

-Hệ số đập mạch: Điện áp sau chỉnh lu có dạng chu kỳ, không sin,

1 chiều mấp mô Để đánh giá chất lợng điện áp sau khi chỉnh lu,ngời ta dùng hệ số gợn sóng điện áp

100 min 0 max 0

min 0 max 0

U U

U U

K gu





-Tần số gợn sóng fg: fg càng cao thì việc lọc phẳng điện áp và dòng

điện trên tải thực hiện càng dễ dàng

c Yêu cầu đối với bộ nguồn chỉnh lu

-Điện áp sau chỉnh lu và dòng điện hàn cực đại phải đảm bảo đúnggiá trị yêu cầu

-Có hiệu suất cao

-Kích thớc gọn, giá thành thấp

3) Bộ lọc phẳng

b Yêu cầu với bộ lọc phẳng

-Tổn hao trong bộ lọc phải nhỏ nhất, nghĩa là chúng cần có hiệusuất lọc cao, kích thớc , trọng lợng nhỏ, giá thành thấp

-Dòng điện phải đợc san phẳng để đảm bảo giảm thiểu sự bắn toé

hồ quang khi hàn

-Không có quá trình quá độ lâu dài và trong quá trình quá độ không

có hiện tợng quá áp, quá dòng quá mức cho phép

-Tấn số riêng của bộ lọc cần phải khác tần số của lới cấp cho bộchỉnh lu, để tránh phát sinh hiện tợng cộng hởng, gây tác dụng xấu

đến sự làm việc của bộ lọc

II.III Các phơng án thiết kế

1 Bộ chỉnh lu

Có nhiều phơng án lựa chọn bộ chỉnh lu Với mỗi phơng án là một sơ

đồ khác nhau nhng với đặc điểm, yêu cầu đặt ra đối với nguồn hàn hồquang một chiều về chất lợng điện áp, về thông số chọn van bán dẫn trong phạm vi đồ án này chỉ xin phép đa ra một số phơng án phù hợpnhất

a Sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng.(Tải trở cảm Ld )

a.1 Hoạt động của sơ đồ:

Giả thiết tại    

6 ( trong đó  :là góc mở van), ta phát xung mởT1 Trớc đó T6 đang dẫn T1 dẫn vì lúc đó Ua có trị số dơng nhất trongnhóm Catốt chung Sự mở của T1 làm cho T5 đang dẫn trớc đó khoá lại 1cách tự nhiên vì Ua>Uc Do đó, điện áp trên tải Ud=Ua-Ub=Uab

Khi     

6

3

ta phát xung mở T2, T2 mở vì khi T6 dẫn đặt Ub lênAnốt của T2 khi Uc<Ub và Uc<Ua thì T2 mở T6 khoá tự nhiên

Các xng điều khiển lệch nhau

3

 đợc lần lợt đua đến các cực điềukhiển của các van Tiristor theo thứ tự 1,2,3,4,5

Trong mỗi nhóm, Khi Tiristor này dẫn thì nó sẽ khoá ngay Tiristor

.

6

) ( 2

0 2

2

3 2

6

0

3

sin 3

sin 2

nv

U

d u d

u U

f v

d

I I

d I I

3 2

.

1

2

6 5

6

2 2

.

3

2 cos

6 3

3

3 2 22

d d

d

d f

ba

I U

I

U I

U S

Giả sử trớc thời điểm    

2



  ) T5,T6 đang dẫn, phát xung

mở T1, làm T5 khoá lai một cách tự nhiên vì Ua>Uc; làm cho T1

và Đ6 cùng dẫn, nhng Đ6 chỉ dẫn đến khi điện áp UBC=0, sau đó,

do nhóm Điode có Ua là âm nhất nên Đ4 dẫn Nh vây, trong giai

đoạn dẫn của van T1 sẽ có 2 van Đ6 và Đ4 dẫn lần lợt cùng với nó.Khi T1 và Đ6 dẫn: Ud =Uab Khi T1 và Đ4 dẫn dòng điện chạyquẩn trong vòng kín giữa tải và T1 và Đ4 cho nên điện áp Ud=0 vàdòng điện giảm dần do tiêu tán trên điện trở tải Cứ nh vậy ở

điện áp pha với đập mạch bậc sáu Với dạng sóng điện áp nh trên, ta thấychất lợng điện áp một chiều đợc coi là tốt nhất

Theo dạng sóng điện áp ra (phần nét đậm trên giản đồ hình vẽ)chúng ta thấy rằng mỗi van bán dẫn dẫn thông trong khoảng 1/6 chu kỳ

A A?

B A?

C

t

So với các sơ đồ khác, thì ở chỉnh lu tia sáu pha dòng điện chạy qua vanbán dẫn bé nhất Do đó sơ đồ chỉnh lu tia sáu pha rất có ý nghĩa khi dòngtải lớn Trong trờng hợp đó chúng ta chỉ cần có van nhỏ có thể chế tạo bộnguồn với dòng tải lớn.

c.2 Điện áp và dòng điện sau chỉnh lu

+Sơ đồ này có hệ số sử dụng biến áp rất cao; công suấtMBA gần bằng công suất tải

+Trong MBA không có hiện tợng từ hoá cỡng bức vìdòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp MBA là xoay chiều, nêntổng ampe vòng của thành phần 1 chiều gây nên trên mỗi trụ biến

áp bằng không

b) nhợc điểm:

+Số lợng Tiristor lớn  giá thành cao

+Cơ cấu điều khiển phức tạp do trong 1 thời điểm phátxung mở van cấn cấp 2 xung để mở 2 nhóm van

+Nếu dòng điện taỉ quá lớn thì do dòng điện qua van

=1/3 dòng điện tải nên việc chọn van sẽ gặp nhiều khó khăn, việc bảo vệ quá áp, quá dòng, quá nhiệt phức tạp

2) Sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển không đối xứnga) u điểm

+Số van Tiristor ít, hệ số công suất cao hơn sơ đồchỉnh lu tia sáu pha, tại mỗi thời điểm phát xung chỉ cầp phát xungcho 1 van

+Cũng nh sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển hoàntoàn, sơ đồ này có dòng điện chạy trong thứ cấp MBA là xoay

chiều nên tổng Ampe vòng cuả thành phần 1 chiều gây ra trên mỗitrụ MBA bằng không

b) nhợc điểm

+Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lu phụ thuộc vàogóc điều khiển van Với góc  nhỏ dạng điện áp gần giống nh ởchỉnh lu cầu đối xứng ,  tăng thì m=3 kết cấu cuộn kháng hạnchế dòng điện đập mạch sẽ lớn

+Khi dòng tải lớn quá thì khó khăn cho việc chọn van,thiết kế bảo vệ quá áp, quá dòng

3) Sơ đồ chỉnh lu tia 6 phaa) u điểm:

+dòng điện qua van nhỏ=1/6 Id nên có thể dễ dàngchọn van cho những thiết bị yêu cầu dòng lớn

b) nhợc điểm:

+điện áp ngợc đặt lên van lớn =2,82U2f

+sơ đồ chỉnh lu tia 6 pha có hiện tợng từ hoá cỡng bức

 làm nóng MBA( có thể dùng sơ đồ đấu Zik zac để hạn chế hiệntợng trên nhng tổn hao trong MBA tăng do có cách đấu phức tạp)

+MBA 6 cuộn dây và cuộn kháng kết cấu phức tạp

giá thành thiết bị cao

+Số lợng van điều khiển lớn, vấn đề điều khiển khókhăn

II.V lựa chọn phơng án

Trên cơ sở phân tích u nhợc điểm của các sơ đồ trên ta thấyrằng Sơ đồ chỉnh lu nào cũng có u nhợc điểm riêng của nó, để có thể ápdụng sơ đồ nào đó vào việc thiết kế thiết bị yêu cầu, ta phải tận dụng đợc -

u điểm của sơ đồ đó và có cách khắc phục tốt nhất những nhợc điểm củasơ đồ chọn Với đồ án này, ta thấy sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha điều khiểnkhông đối xứng là thích hợp (phơng án 2) Vì với yêu cầu dòng tải tối đa

360 A thì ta vẫn có thể chọn đợc các van bán dẫn trong sơ đồ, để chịu đợcdòng điện đó Số lần đập mạch m=3 làm tăng kích thớc cuộn kháng lọcnhng điều đó không ảnh hởng gì đến chỉ tiêu kĩ thuật đề ra Việc dòng

điện trung bình qua van phụ thuộc góc mở van , ta có thể thiết kế chọnvan ở chế độ làm việc nặng nề nhất tức Iv=0,33Id

chơng III: Hoạt động của toàn bộ sơ đồ nguyên lý

Khi tiến hành hàn một 2 vật nào đó ta nối vật hàn kim loại với một cựccủa mạch lực, còn cực kia nối với mỏ hàn.Máy biến áp chuyển cấp điện

áp lới sang điện áp đầu vào bộ chỉnh lu Bộ phận chỉnh lu sẽ tạo ra điện ápkhông tải Ud=Uđm.Khi que hàn và vật hàn chạm vào nhau thì dòng điệnhàn sẽ tăng lên, khâu phản hồi dòng sẽ tạo ra đợc đặc tính dốc phù hợpvới công nghệ hàn hồ quang tay Cuộn kháng lọc có chức năng làm phẳng

dòng điện đập mạch và làm hạn chế tốc độ tăng dòng, và giảm sự bắn toé

hồ quang khi hàn

chơng IV: Tính toán mạch lực

Nguồn hàn có các thông số cơ bản: Ud=60V(lúckhông tải)

Idmã=360AGóc  phải có khả năng thay đổi để đảm bảo để nguồn hàn vẫn có

điện áp không tải ổn định Uđ=60V khi điện áp lới biến động trong khoảng

Với U2min=-10%Uđm=198V chọn cos=1(hay   0 )

25,65(V) 2,34

65 , 25 242

min 1

min 2 max 1 max

U

U U

Với U2max góc 1 ) 50 , 5 

34 , 2

2 cos(

max 2

35 , 31 220

max 1

max 2 1

U

U U

60 2 arccos(

) 1

34 , 2

2 arccos(

IV.I tính toán máy biến áp

+) Chọn máy biến áp 3 pha 3 trụ sơ đồ đấu dây /Y làm mát bằng không khí tự nhiên

+)Yêu cầu: điện áp thứ cấp MBA: U2f = 4(V)

Công suất biểu kiến của máy biến áp là 100 (kW)

5 , 28

S ba

.

Trong đó :

kQ là hệ số phụ thuộc phơng thức làm mát ,lấy kQ = 6

m là số trụ của máy biến áp

f là tần số xoay chiều , ở đây f = 50 (Hz)

Thay số ta đợc :

QFe=6 73 , 78 ( )

50 3

cm

-Đòng kính trụ :

d =



e F Q

4

=



78 , 73

4 = 9,7 (cm)

Chuẩn đoán đờng kính trụ theo tiêu chuẩn d = 10 (cm)

Ta chọn chiều cao trụ là 25 cm

*)Tính toán dây quấn

- Số vòng dây mỗi pha sơ cấp máy biến áp

W1=

T

Fe B Q f

U

.

380

4

 = 232 (vòng)Lấy W1= 232 vòng

- Số vòng dây mỗi pha thứ cấp máy biến áp :

.232 = 18 (vòng)Lấy W2= 18 vòng

- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong máy biến áp

Với dây dẫn bằng đồng ,máy biến áp khô ,chọn J1= J2= 2,75 (A/mm2)

- Tiết diện dây dẫn sơ cấp máy biến áp

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật , cách điện cấp B

Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S1 = 8,27 (mm2)

Chọn dây dẫn tiết diện hình chữ nhật ,cách điện cấp B

Chuẩn hoá tiết diện theo tiêu chuẩn : S2= 108,3 (mm2)

Kích thớc dây dẫn có kể cách điện : S2cđ = a2.b2 = 6,5.16,8 (mm x mm)

- Tính lại mật độ dòng điện trong cuộn thứ cấp

*)Kết cấu dây dẫn sơ cấp :

Thực hiện dây quấn kiểu đồng tâm bố trí theo chiều dọc trục

- Tính sơ bộ số vòng dây tren một lớp của cuộn sơ cấp

kc= 0,95 là hệ số ép chặt

h là chiều cao trụ

hg là khoảng cách từ gông đến cuộn dây sơ cấp

- Chọn ống quấn dây làm bằng vật liệu cách điện có bề dầy : S01= 0,1 cm

- Khoảng cách từ trụ tới cuộn dây sơ cấp a01= 1,0 cm

- Đờng kính trong của ống cách điện

Dt= dFe + 2.a01- 2.S01 =10+ 2.1 – 2.0,1 = 11,8 (cm)

- Đờng kính trong của cuộn sơ cấp

Dt1= Dt + 2.S01=11,8 + 2.0,1= 12 (cm)

- Chọn bề dầy giữa hai lớp dây ở cuộn sơ cấp : cd11= 0,1 mm

- Bề dầy cuộn sơ cấp

12 

= 13,116 (cm)

- Chiều dài dây quấn sơ cấp

l1 = W1..Dtb= .232.13,116 = 95,6 (m)

- Chọn bề dày cách điện giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp :cd01= 1,0 cm

*) Kết cấu dây quấn thứ cấp

- Chọn sơ bộ chiều cao cuộn thứ cấp

= 19 (cm)

- §êng kÝnh trong cña cuén thø cÊp

Dt2 = Dn1+ 2.a12 = 14,232 + 2.1 = 16,232 (cm)

- Chän bÒ dÇy c¸ch ®iÖn gi÷a c¸c líp d©y ë cuén thø cÊp : cd22= 0,1 (mm)

- BÒ dÇy cuén s¬ cÊp

456

- Toµn bé tiÕt diÖn bËc thang cña trô

Qbt= 2.(1,4.9,6+0,97.8,8+0,82.7,7+0,69.6,3+0,53.4,7+0,38.2,8) = 72,38 (cm2)

14 = 56 lá

Bậc 2 n2= 2

5 , 0

7 , 9 = 39 lá

Bậc 3 n3= 2

5 , 0

2 , 8 = 32 lá

Bậc 4 n4= 2

5 , 0

9 , 6 = 27 lá

Bậc 5 n5= 2

5 , 0

3 , 5 = 21 lá

Bậc 6 n6= 2

5 , 0

8 , 3 = 15 lá

*)Để đơn giản trong việc chế tạo gông từ ,

ta chọn gông có tiết diện hình chữ nhật có các kích thớc sau

Chiều dày của gông bằng chiều dày của trụ : b = dt = 9,6 cm

Chiều cao của gông bằng chiều rộng tập lá thép thứ nhất của trụ : a = 9,6 cm

U

.

-Khối lợng của sắt

MFe= MT+Mg = 48,21 + 93,752 = 141,962 (Kg)

- Thể tích đồng

VCu = 3.(S1.L1 + S2.L2) = 3.(12,3.10-4.86,02.10+ 23,6.10-4.55,5597.10) = 7,1077 (dm3)

- Khối lợng của đồng

MCu = VCu mCu = 7,1077.8,9 =63,26 (Kg)

*) Tính các thông số của máy biến áp

- Điện trở của cuộn sơ cấp máy biến áp ở 75 0 C

- Điện trở cuộn thứ cấp máy biến áp ở 750C

= 95 %IV.II chọn van động lực

 Điện áp ngợc lớn nhất đặt lên van:

) ( 8 , 76 35 , 31 6

Để có thể chọn van theo điện áp hợp lý thì điện áp ngợc cần phảichọn lớn hơn điện áp Unmax tính ở trên thông qua một hệ số dự trữ

Ku=1,6 

) ( 87 , 122 8 , 76 6 , 1

6 ,

Chọn hình thức toả nhiệt bằng cánh tản nhiệt và quạt thông gió

Dòng điện lớn nhất cho phép qua van Ivmax=Ki.Itb=1,6.120=192(A)Hai thông số cơ bản để chọn van là: Uvmax=122,87(V)

Ivmax=192(A)Chọn Tiristor SH200D21A với các thông số nh sau:

 Dòng điện trung bình qua van :

s

V dt

dU



 Nhiệt độ làm việc cực đại :

T0=1250C

điện áp cho van Nguyên nhân gây ra quá điện áp có hai loại:

+Nguyên nhân nội tại: là sự tích tụ điện tích trong các van bán dẫn,khi khoá tiristor bằng điện áp ngợc các điện tích trên đồi ngợc hành trìnhtạo nên dòng điện ngợc trong khoảng thời gian rất ngắn Sự biến thiên độtngột nhanh chóng của dòng điện ngợc tạo ra sức điện động cảm ứng rấtlớn trong các điện cảm dẫn đến các tiristor xuất hiện quá áp

+Nguyên nhân bên ngoài: thờng xảy ra ngẫu nhiên nh khi cắt khôngtải một máy biến áp trên đờng dây, khi cầu chì bảo vệ nhảy, khi có sấmsét

RC bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích gây nên

U dmp,U imp giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngợc đặtlên tiristor một cách chu kỳ cho trong sổ tay tra cứu

U dmnp,U imnp giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và ngợc

đặt lên điôt hoặc tiristor một cách không chu kỳ, cho trong sổ tay

U im giá trị cực đại của điện áp ngợc thực tế đặt lên Điôt hoặcTiristor

( );

min

* max

*

min k R k R k

_tính |max

dt

di

khi chuyển mạch_xác định các đại lợng tích tụ ( )

dt

di f

Q  sử dụng các đờng cong chotrong sổ tay tra cứu

_tính các thông số trung gian

Q

LU R

R Q

LU R

U

Q C C

im im

im

2 2

2

* max

* min

* min

Sự biến thiên của dòng điện và điện áp

* Bảo vệ quá dòng điện cho van:

+Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động đóng mạch khiquá tải và ngắn mạch tiristo, ngắn mạch đầu ra độ biến đổi, ngắn mạchthứ cấp máy biến áp ngắn mạch ở chế độ nghịch lu

t

UAC