Thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều, mạch điều khiển đảm bảo đặc tính nguồn hàn và các yêu cầu bảo vệ

Kết luận………..…...50 Tài liệu tham khảo………51 Lời nói đầu Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển mạnh mẻ của khoa học kỹthuật và những ứng dụng của chúng vào công nghiệp nói chu

Lêi nãi ®Çu……… ………3

Ch¬ng 1: Giíi thiÖu chung vÒ c«ng nghÖ hµn hå quang mét chiÒu…… 4 Ch¬ng 2: C¸c ph¬ng ¸n thiÕt kÕ………8

Ch¬ng 3: ThiÕt kÕ tÝnh to¸n m¹ch lùc ……….17

Ch¬ng 4: ThiÕt kÕ tÝnh to¸n m¹ch ®iÒu khiÓn……….… 27

Kết luận……… … 50

Tài liệu tham khảo………51

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây cùng với việc phát triển mạnh mẻ của khoa học kỹthuật và những ứng dụng của chúng vào công nghiệp nói chung và công nghiệp

điện điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử có công suất lớn đã đợc chế tạo ngàycàng nhiêù, đặc biệt là ứng dụng của nó vào các nghàng kinh tế quốc dân và đờisống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này là hết sức cầnthiết đối với các kỹ s ngành điện

Sự ra đời, phát triển nhanh chóng và ngày càng hoàn thiện của các linh kiện điện

tử, bán dẫn công suất lớn nh Diode, Thyristor, Triac, Tranzitor và đặc biệt là vi xử lí

đã tạo ra một bớc đột phá mới làm thay đổi một cách sâu sắc, toàn diện cũng nhthúc đẫy mạnh mẽ sự phát triển các thiết bị, hệ thống thiết bị điện- điện tử, các hệthống điều khiển…

Đối với sinh viên khoa điện nói chung và đặc biệt là sinh viên ngành tự độnghóa của chúng em thì việc nắm vững lí thuyết môn học Điện tử công suất và biếtcách ứng dụng chúng vào thực tế là điều rất quan trọng Hiện nay hàn điện là mộtcông nghệ đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trong xây dựng và trong côngnghiệp chế tạo máy ở học kỳ này em đợc các thầy cô giao cho đồ án môn học có

đề tài là: Thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều

Đợc sự hớng dẫn, chỉ bảo tận tình cuả các thầy cô trong bộ môn và đặc biệt

là sự hớng dẫn trực tiếp của thầy đỗ trọng tín, em đã hoàn thành đồ án đúng thờigian quy định

Mặc đù em đa cố gắng rất nhiều trong việc tìm hiểu cũng thiết kế đồ án nhng dotrình độ có hạn nên đồ án không thể tránh khỏi sai sót, rát mong sự đóng góp íkiến của các thầy cô và các bạn để đồ án đợc hoàn thiện hơn

1 Khái niệm chung:

Hiện nay hàn điện là một công nghệ đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp,trong xây dựng và trong công nghiệp chế tạo máy Bởi những u điểm nỗi bật sau:

- Tiết kiệm đợc nguyên vật liệu so với các phơng pháp gia công khác (so với tán

đinh 5-10%; so với phơng pháp đúc đến 40%)

- Có độ bền cơ học cao, chất lợng mối hàn tốt

- Giá thành hạ, năng suất cao

Hồ quang điện hàn là một dạng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điệnlớn(102 đến 103A/mm2) ở điều kiện bình thờng chất khí hầu nh không dẫn điện.Nếu đặt lên hai điện cực trong môi trờng không khí một điện trờng có cờng độ đủlớn thì có thể phá vỡ cách điện của chất khí và có khả năng dẫn dòng điện lớn, phụthuộc vào tính chất chất khí, áp suất của nó, nhiệt độ môi trờng, vật liệu làm điệncực, độ lớn của cờng độ điện trờng…

Đặc tính V-A, đặc tính tĩnh của hồ quang:

Để giảm đợc U mồi mà vẫn gây đợc hồ

quang ngời ta cho hai điện cực tiếp xúc nhau

gây ra I đoãn mạch Nếu I đoãn mạch đủ lớn

sẻ nung kim loại chổ tiếp xúc nóng chảy

Thờng sử dụng đoạn đặc tính CD đẻ hàn

Hàn điện hồ quang là dùng nhiệt lợng của hồ quang điện nung nóng chổ hànlàm cho kim loại vật hàn chảy và kim loại bổ sung chảy để nối hai vật lại

Khi hàn: Cho que hàn chạm vào vật hàn 0.1 s xong đa lên cao 3-4 mm Do tácdụng của điện trở nên đầu nút que hàn và chổ vật hàn tiếp xúc với que hàn bị nungnóng Khi nhấc que hàn lên khỏi vật hàn que hàn bắn ra điện tử, các điện tử bắnnhanh đập vào vật hàn biến động năng thành nhiệt năng dẫn đến vật hàn bị chảy.Môi trờng giữa que hàn và vật hàn chịu tác dụng của điện trờng bị ion hóa, các iondời đi lên rất nhanh biến động năng thành nhiệt năng dẫn đến que hàn nóng chảy vànhỏ giọt xuống vật hàn

4 Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang:

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

- Bộ biến đổi quay(máy phát hàn một chiều)

- Bộ biến đổi tĩnh(bộ chỉnh lu)

Với sự phát triển của kĩ thuật bán dẫn công suất lớn đã đa ra nhiều ứng dụngtrong nguồn hàn một chiều Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lu có những u việtsau đây so với máy phát hàn một chiều:

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 đợc hồ quang và hàn

đợc dễ dàng:

Nguồn hàn một chiều vói điện cực là:

Kim loại : U0min = (30 - 40) V

- Nguồn hàn phải có công suất lớn

- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh đợc dòng hàn; vì nh ta đã biết dòng

điện hàn phụ thuộc vào đờng kính que hàn Dòng điện hàn đợc tính theo biểuthức sau:

Các đặc tính ngoài của nguồn điện

I

U2 Dẫn đến ở thời điểm t=Π mặc dù nguồn bằng 0, song dòng id >0 vì vậy Tiristorcha khoá lại đợc.

- Tại thời điểm: t=t2 phát xung mở T2 và T3

Nếu lúc này id >0 thì khi mơ T2 và T3 dẫn đến T1 và T4 khoá lại Dòng điện sẻliên tục

Ud = UBA

Nếu lúc này id =0 (T1 và T4 đã khóa) nên khi mở T2 và T3 dòng sẻ gián đoạn

b Công thức tính toán:

- Điện áp chỉnh lu nhận đợc:

2 2

1

U2: Điện áp cấp cho bộ chỉnh lu

- Điện áp ngợc đặt lên van: U ngmax = 2U2

- Dòng điện tải trung bình:

d

d d

α

2 2

1 1

- Công suất máy biến áp :

Cos

I Cos

U I

- Tại thời điểm t= Π+ α

2

Π

= Π

Với 0 2 1,17 2

2

6 3

U U

Π

=

- Điện áp ngợc đặt lên van: U ngmax = 6U2 = 2 , 45U2

- Dòng điện tải trung bình:

d

d d

i

3 2

1 2

6

2 6

5

6

2 2

Π

= Π

+ Π + Π

α α

ữ +

5 Π α+ ữ Π T3 và D2 dẫn ⇒U d =U bc

Trong khoảng Π ữ Π + α

2

3 6

- Điện áp ngợc đặt lên van: U ngmax = 6U2 = 2 , 45U2

- Dòng điện tải trung bình:

d

d d

I

I =

- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :

I i

d i

3

2 2

2

2 2 2

6

2 2

Π

+ Π

Loại này cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đa ra tải công suất máybiến áp lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần nhng sụt áp trên van nhỏ nên thíchhợp với phạm vi điện áp thấp Vì sử dụng nguồn 3 pha nên cho phép nâng công suấttải lên nhiều, độ đập mạch điện áp sau chỉnh lu giảm cho nên giảm kích thớc cuộnkháng lọc

2 Sơ đồ cầu 3 pha điều kiển không đối xứng:

Sơ đồ này có dòng chạy trong thứ cấp máy biến áp là dòng xoay chiều nên trongmáy biến áp không có hiện tợng từ hoá cỡng bức

Công suất tính toán máy biến áp xấp xĩ công suất trên tải chứng tỏ thành phầnsóng điều hoà bậc cao trong sơ đồ cầu là không đáng kể Chất lợng điện áp mộtchiều khá tốt điều này làm giảm điện kháng bộ lọc dẫn đến giảm kích thớc bộ lọc Tuy nhiên sơ đồ này có nhợc điểm là điện áp ngợc đặt lên van lớn dẫn đến khókhăn cho việc bảo vệ quá áp

Chơng III

Thiết kế tính toán mạch lực

I Thiết kế mạch lực:

1 Sơ đồ:

- Mạch R-C đợc mắc song song với tải nhằm bảo vệ quá áp

- Bộ chỉnh lu: Biến nguồn xoay chiều thành nguồn một chiều đập mạch

- Cuộn kháng lọc L: Dùng để san phẳng dòng điện

- Điện trở Shun (Rs ) : Đợc dùng để lấy điện áp phản hồi

II Thiết kế máy biến áp:

1 Các thông số cơ bản của máy biến áp:

- Điện áp sơ cấp: U1 = 220 (V)

- Điện áp pha thứ cấp:

Phơng trình cân bằng điện áp khi có tải:

U d 0 =U d +∑∆U

2 0

α

Cos U

.(

2

5 , 69

2

35 1

2 2 5

,

69

0 2

0 2

V Cos

U

Cos U

= +

Π

=

⇒

+ Π

8 , 88

40,5 ( )

50 3

8 , 6838

⇒

Ta gọi : a là chiều rộng của trụ

b là chiều dày của trụ

⇒ab= 40 , 5

Ta chọn: b=1,2a

⇒a= 5 , 8 (cm),b= 6 , 97 (cm)

Chọn chiều cao của trụ theo tỷ lệ m=h/a= 2 , 5 ⇒h= 2 , 5a= 14 , 5 (cm)

Chọn loại thép ∃ 330 các lá thép có độ dày 0,5 mm, mật độ từ cảm trong trụ B=1 T

3 Tính toán dây quấn:

- Số vòng vôn: 4 , 44 f.Q.B= 4 , 44 50 40 , 5 10 − 4 = 0 , 9(vôn/vòng)

- Số vòng dây sơ cấp: 244

9 , 0

220 9 , 0

87 , 84 9 , 0

2 ,

8 ,

van

U max ≥ 1 , 5 max

Do đó phải chọn van có điện áp ngợc lớn nhất cho phép là:

U vanmaxchon 1 , 5 109 , 2 163 8 (V)

) ( 100

) ( 300

max

max

A I

0 A

I G =

) ( 5 ,

2 V

U G =

) ( 9 ,

) / ( 200

) ( 2000

s A dt

di

s V dt

a Bảo vệ quá nhiệt độ:

- Tổn thất công suất lớn nhất trên một van:

3

80 8 , 1

τ : Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trờng

Chọn nhiệt độ môi trờng t mt = 40 0C Nhiệt độ làm việc cho phép của van

Chọn tản nhiệt có 18 cánh, kích thớc mỗi cánh: a.b=6.8 (cm.cm)

Tổng diện tích tản nhiệt của cánh:

R C

S=18.2.6.8=1725 (cm2) =0,1725 (m2)

b Bảo vệ quá dòng điện :

Dùng Aptomat có 3 tiếp điểm chính

c Bảo vệ quá điện áp:

- Tiristor rất nhạy cảm với điện áp quá cao so với điện áp định mức (quá áp)

- Các nguyên nhân gây ra hiện tợng quá áp:

- Nguyên nhân nội tại: Là sự tích tụ điện tích trong các van bán dẫn, khikhoá tiristor bằng điện áp ngợc các điện tích trên đồi ngợc hành trình tạo nêndòng điện ngợc trong khoảng thời gian rất ngắn Sự biến thiên đột ngột nhanhchóng của dòng điện ngợc tạo ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điệncảm dẫn đến các tiristor xuất hiện quá áp

- Nguyên nhân bên ngoài: thờng xảy ra ngẫu nhiên nh khi cắt không tảimột máy biến áp trên đờng dây, khi cầu chì bảo vệ nhảy, khi có sấm sét

- Để bảo vệ quá áp do tích tụ điện tích gây ra ngời ta dùng mạch RC ghép songsong với van

Xác định hệ số quá điện áp theo công thức

Uim b

( );

min

* max

* min k R k R k

Tính |max

dt

di khi chuyển mạchXác định các đại lợng tích tụ ( )

dt

di f

Q= sử dụng các đờng cong cho trong sổtay 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

) ( 5 , 0

- Để bảo vệ van khỏi đánh thủng do xung áp từ lới: Mắc song song với tải ở đầu

ra mạch RC Khi xuất hiện xung áp trên đờng dây, nhờ mạch này mà đỉnh xung gần

nh nằm lại trên điện trở đờng dây Trị số RC phụ thuộc nhiều vào tải

Thông thờng trị số C chọn trong khoảng 10ữ 100 àF

057 , 0

I

U R

⇒ta có giá trị điện cảm:

50 2 3

75 , 0 1

3 2

2

mH H

k w

Vậy : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : L= 2 , 12 (mH)

Dòng định mức chạy qua cuộn kháng: Idm=80 (A)

Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m=10%Idm=8 (A)

Do dòng điện cuộn kháng lớn và điện trở bé do đó ta có thể coi tổng trở cuộnkháng xấp xĩ điện kháng:

ZL ≈XL =wL=0,66 ( Ω )

Điện áp rơi trên cuộn kháng lọc:

2 I1 V

2 ) ( 2 2

a c a

c

a

• Khâu so sánh có nhiệm vụ so sánh giữa điện áp tựa với điện áp điều khiển

để phát xung ở đầu ra đa đến bộ khuếch đại

• Khâu khuếch đại có nhiệm vụ phân phối xung và tạo độ rộng xung nhất

định phù hợp để mở thyristor

II-Nguyên tắc điều khiển:

Có hai nguyên tắc điều khiển:

• Nguyên tắc điều khiển ngang: Hình dới là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ.

Khâu đồng bộ ĐB thờng tạo ra điện áp hình sin có góc lệch pha cố định so với điện

áp lực Khâu dịch pha DF có nhiệm vụ thay đổi góc pha của điện áp ra theo tác

động của điện áp điều khiển Uđk Xung điều khiển đợc tạo thành ở khâu tạo xung

TX vào thởi điểm khi điện áp dịch pha UDF qua điểm 0 Xung này nhờ khâukhuyếch đại xung KĐX đợc tăng đủ công suất đợc gửi tới cực điều khiển của van

Nh vậy góc điều khiển α hay thời điểm phát xung mở van thay đổi đợc nhờ sự tác

động của Uđk làm điện áp UDF di chuyển theo chiều ngang của trục thời gian

• Nguyên tắc điều khiển dọc: Hình dới là sơ đồ cấu trúc và đồ thị minh hoạ ở

đây khâu UT tạo ra điện áp tựa có dạng cố định (thờng có dạng răng ca, đôi khi hìnhsin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của UĐB Khâu so sánh SS xác định thời điểm cânbằng của 2 điện áp UT và UĐK để phát động khâu tạo xung TX Nh vậy trongnguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều khiển thay đổi do sự thay

đổi trị số của UĐK, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiều dọc của trục biên độ

Đa số mạch điều khiển thực tế sử dụng nguyên tắc này

ở đây trong đồ án này ta cũng dùng phơng pháp điều khiển dọc

• Đảm bảo tính đối xứng đối với các kênh điều khiển

• Đảm bảo cách ly giữa mạch lực và mạch điều khiển Ví dụ đối với MBAXthờng đợc sử dụng nh một khâu truyền xung cuối cùng ở tầng khuyếch

• Không gây nhiễu đối với các hệ thống điều khiển điện tử khác ở xungquanh.

• Có khả năng bảo vệ quá áp, quá dòng, mất pha và báo hiệu khi có sự cố

IV Các phần tử:

1 Khuyếch đại thuật toán :

KĐTT là phần tử cơ bản đợc sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử với chứcnăng xử lý các tín hiệu tơng tự

Khuyếch đại thuật toán có kí hiệu nh sau:

2 Một số ứng dụng của khuyếch đại thuật toán:

a Mạch khuyếch đại đảo:

Nếu: U1>U2 thì U3 = - Un

Nếu: U1<U2 thì U3 = + Un

c Mạch tạo tín hiệu răng ca dùng khuyếch đại thuật toán :

V Thiết kế mạch điều khiển:

1 Thuyết minh:

Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến áp đợchạ áp Sau khi qua mạch chỉnh lu có điểm trung tính điện áp U1 là điện áp mộtchiều nửa hình sin

Điện áp một chiều nửa hình sin tại U1 đợc đa vào cực (+) của OA1 so sánh với

điện áp phẳng U đợc đặt vào cực (-) của OA1 do E1, VR1 và R2 tạo ra Kết quả ta

đ-ợc tín hiệu đầu ra U2 của OA1 có dạng xung vuông đồng bộ với lới

Điện áp dạng xung vuông sau khi đợc tao ra ở khâu đồng bộ trớc đó đợc đavào khâu tạo điện áp răng ca Khi U2 có giá trị dơng, diode D3 khoá, tụ C1 đợc nạptheo chiều từ E2 qua VR2, R4, C1 xuống dất Giá trị điện áp lớn nhất tụ C1 đạt đợc dodiode zener quyết định Khi U2 có giá trị âm, lúc này tụ C1 đợc nạp ngợc (tức là quátrình phóng) qua R3, D3 xuống đất Độ dốc của răng ca có thể thay đổi qua triết áp

VR2 Kết quả ta đợc U3 có dạng điện áp răng ca

Điện áp điều khiển đợc lấy từ điện áp phản hồi trên điện trở Shunt đợckhuyếch đại lên để có độ lớn thích hợp, sau khi qua khâu khuyếch đại đảo và khâu

PI lọc sai số động ta đợc Uđk có dạng đờng thẳng

Điện áp răng ca U3 đợc đa vào cửa (-) của OA3 và so sánh với điện áp điềukhiển Uđk đợc đa vào cửa (+) Khi U3 > Uđk thì điện áp đầu ra của OA3 là U4 có giátrị âm Ngợc lại, khi U3 < Uđk thì điện áp đầu ra U4 có giá trị dơng Kết quả ta đợc

U4 có dạng xung vuông

Khâu phát xung chùm có tác dụng tạo ra chùm xung dới sự phóng nạp của tụ

C3 D6 có tác dụng loại bỏ xung âm còn D5 có tác dụng loại bỏ phần nhiễu có thể có

do xung chùm đợc tạo ra có tần số lớn Do đó tín hiệu điện áp U6 có dạng xungchùm dơng

Điện áp U4 đợc chộn với xung chùm U6 bởi IC4081 rồi đợc đa qua tầngkhuyếch đại do tín hiệu xung vẫn cha đủ lớn để kích mở thyristor

Tằng khuyếch đại gồm các transisto mắc theo kiểu dalington Xung dơng đợc

đặt vào bazơ của TR1 làm TR1 mở đồng thời TR2 mở theo khi đó có xung đi vàobiến áp xung Trên cuộn thứ cấp của biến áp xung có xung để kích mở tiristo Khi

điện áp trên biến áp xung giảm đột ngột, cuộn dây của biến áp xung xuất hiện sức

điện động cảm ứng ngợc dấu lúc đó điốt D7 và D8 có tác dụng trả ngợc điện áp dậptắt sức điện động để bảo vệ các transistor khỏi bị quá áp

2 Sơ đồ nguyên lí (trang bên):

3 D¹ng ®iÖn ¸p:

V Tính toán các khâu trong mạch điều khiển:

1 Khâu đồng bộ:

Nguyên lý hoạt động của khâu đồng bộ:

Khi cấp nguồn 380V vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến

áp đợc hạ áp Giả sử tại thời điểm ban đầu t = 0, nửa chu kỳ đầu điện áp d ơng đặttrên D1, D1 sẽ thông và D2 sẽ bị khoá, nửa chu kỳ sau tại thời điểm t2= π điện áp

đảo dấu và thế dơng đợc đặt vào anốt D2, D2 sẽ thông và D1 bị khoá Vậy điện áp

U1 là điện áp xoay chiều đơc đa qua chỉnh lu thành điện áp một chiều nửa hình sin

Điện áp một chiều nửa hình sin liên tiếp đợc đa vào cửa thuận của khuyếch đạithuật toán OA Điện áp đợc đa vào cửa đảo của OA là điện áp một chiều phẳng