Thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều

Hồ quang điện và đặc điểm: a Hồ quang hàn: Là một hiện tợng phóng điện trong không khí cũng nh mọi môi trờng khí khác ở một nhiệt độ thấp không khí hoàn toàn cách điện.. b Đặc điểm: -C

Nguồn hàn hồ quang 1 chiều

Các số liệu cho trớc:U0 = 60V;Imax = 240A

Mục lục

I.Hàn hồ quang điện

II.Các yêu cầu cơ bản đối với nguồn hàn

III.Các dạng nguồn hàn chính

I.Lựa chọn sơ đồ thiết kế

II.Sơ đồ chỉnh lu cầu ba pha

Lời nói đầu

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của các lĩnh vực khoa học ứng dụngcủa chúng vào công nghiệp nói chung và công nghiệp đIện tử nói riêng,các thiết bị đIện tử có công suất lớn đợc chế tạo ngày càng nhiều ,Đặc biệt là ứng dụng của nó vào các ngành kinh tế quôc dân và đời sống làm cho yêu cầuvề sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này là hết sức cần thiết đối các kỹ s đIện

Ngày nay không riêng gì các nớc phát triển ngay cả ở nớc ta các thiết bị bán dẫn đã và đang thâm nhập vào các ngành công nghiệp và các lĩnh vực khác với mục tiêu công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nớc ,ngày càng có nhiều xí nghiệp mới dây chuyền mới sử dụng kỹ thuật cao đòi hỏi các kỹ s đIện về

đIện tử công suất,vi đIện tử,thiết kế mạch

- 2 -

chơng I:PHân tích yêu cầu công nghệ

I.Hàn hồ quang điện:

1 Hồ quang điện và đặc điểm:

a) Hồ quang hàn:

Là một hiện tợng phóng điện trong không khí cũng nh mọi môi trờng khí khác ở một nhiệt độ thấp không khí hoàn toàn cách điện Nừu bị ion hoá thì không khí mới có khả năng dẫn điện Một trong những phơng pháp ion hóa đó là dùng nhiệt

b) Đặc điểm:

-Chế độ chảy của hồ quang hàn đặc trng bởi cờng độ dòng điện hàn (Ih)

điện áp Uh và chiều dài hồ quang hàn l hq và mối quan hệ giữa chúng

-Hồ quang là nơi tiêu thụ năng lợng và nguồn cấp điện tạo thành một hệ thống năng lợng liên quan đến nhau

2 Đặc tính tĩnh V-A của hàn hồ quang:

-Các hiện tợng vật lý liên quan đến hàn hồ quang đã cho thấy rằng điện

áp hồ quang khi dòng điện hàn không đổi phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực và có tính chất tuyến tính

Đặc tính V-A (1,2) của hồ quang khi tốc độ cấp dây

không đổi và đặc tính ngoài của nguồn cấp(3,4,5)

-Điện áp hồ quang cũng phụ thuộc vào đại lợng dòng điện hạn Ih Sự phụ thuộc này khi chiều dài hồ quang lhq không đổi gọi là đặc tính V-A

Đặc tính V-A

Phân tích:

+) Giai đoạn AB:

Ban đầu nhiệt độ môi trờng thấp nên muốn gây đợc hồ quang cần áp lớn Để giảm đợc U mà vẫn gây đợc hồ quang ngời ta cho hai điện cực (que hàn và vật hàn) tiếp xúc với nhau gây ra hiện tợng ngắn mạch Nếu Ingmạch đủ lớn thì tại những chỗ tiếp xúc không khí sẽ phát sinh nhiệt lợng lớn nung kim loại đó tới trạng thái chảy Khi tách đợc điện cực ra xa nhau (1-3mm) làm các cần nóng chảy bị kéo dài và thắt lại làm mật độ dòng qua cần tăng đến mức nhiệt phát sinh biến chúng thành hơi kim loại và tạo nên hiện tợng phát xạ nhiệt điện tử mạnh Các electron giải phóng khỏi Katốt (cực âm) Dới tác dụng của điện trờng A-K, của nhiệt độ cao, lại bị electron bắn phá, khoảng không khí giữa A-K bị ion hóa, các ion chuyển động định hớng tạo ra hồ quang tán hợp với electron để tạo ra thành phần phân tử khi giải phóng ra Trong giai đoạn AB cờng độ điện trờng dòng tăng

+) Giai đoạn BC:

Khi hồ quang đã hình thành nhiệt độ điện cực cao, nhiệt độ môi trờng cao làm các electron dễ tách khỏi Katốt, khí dễ bị ion hóa nên chỉ cần điện thế nhỏ cũng đủ tạo ra điện trờng duy trì sự chảy của hồ quang Trong giai đoạn này mật độ dòng của một phần trên bề mặt Katốt tăng dần trong khi điện tích phát ra của Katốt giảm (tạo điều kiện để áp giảm mà vẫn gây đợc hồ quang) Cuối giai đoạn này hình thành điểm sáng Katốt Mật độ dòng điện một phần điện tích Katốt tăng Song trong giai đoạn này tính dẫn điện của khoảng trống giữa hai điện cực tăng mạnh hơn Kết quả I tăng nhng R giảm mạnh nên U giảm mà hồ quang vẫn tồn tại

+) Giai đoạn CD:

Nếu giữ nguyên chiều dài hồ quang (Khoảng cách giữa 2 điện cực) thì dòng tăng nhng áp hầu nh không tăng Đó là vì đến lúc này mật độ dòng đã đạt tới

- 4 -

trạng thái cực đại và bằng const, còn d điện tích phát xạ lúc này lại tăng dần Kết quả: I tăng, R giảm nhng U= I.R= const.

+) Giai đoạn sau D (giai đoạn phát triển)

Tới điểm D toàn bộ điện tích Katốt đã phát xạ với mật độ dòng max lúc này nều tăng I lên nữa (bằng cách tăng áp nguồn) thì mật độ dòng sẽ tăng dần lên, điện tích phát xạ const và do đó kết quả là cả U va I đều tăng

Nhận xét : Các đặc tính này chịu ảnh hởng của hình dáng và vật liệu của

điện cực, điều kiện nguội hàn hồ quang và đặc điểm của môi trờng trong đó

sự phóng điện của hàn hồ quang tồn tại

II.Các yêu cầu cơ bản đối với nguồn hàn:

1.Yêu cầu thứ nhất:

- Đặc tính ngoài của máy phát điện hàn hay tiếp tuyến của đặc tính ngoài tại điểm làm việc phải dốc hơn tiếp tuyến của đặc tính tĩnh của hồ quang tại điểm làm việc đó

Điểm làm việc là điểm giao giữa 2 đờng đặc tính tĩnh và ngoài

1-Đặc tính tinh của hồ quang

2-Đặc tính ngoàI của máy hàn

Tính ổn định của hồ quang và chế độ hàn phụ thuộc vào các điều kiện thực hiện sự phóng điện của hồ quang, các tính chất và thông số của các nguồn cấp và mạch điện Đặc tính ngoài của nguồn cấp là sự phụ thuộc của điện áp trên các giá kẹp của nó đối với cờng độ dòng tải Mỗi một đờng đặc tính ngoài hoàn toàn tơng ứng với một vị trí xác định các cơ cấu điều chỉnh của nguồn cấp Ngời ta phân biệt ra 4 đặc tính ngoài của nguồn cấp:dốc 1,thoải 3,cung 4,tăng trởng 5

+ Sự lựa chọn nguồn cấp theo kiểu đặc tuyến ngoài phụ thuộc vào phơng pháp hàn

+ Điều kiện ổn định của hệ thống (của hàn hồ quang bằng nguồn cấp điện

đ-ợc xác định bởi điểm giao nhau giữa đờng đặc tính ngoài của nguồn cấp và

đặc tính V-A của hồ quang)

+ Sự cân bằng theo cờng độ và điện áp có vị trí ở 2 điểm A và B Hồ quang cháy ổn định tại điểm ở đó hiện số của các phơng trình dẫn của các đặc tính

hồ quang và nguồn cấp có giá trị dơng

Hệ số ổn định của hồ quang (Khq)

=∂∂ −∂∂ >0

n

n h

hq

U I

U K

Nếu đặc tính của hồ quang là dốc ( <0

Vậy điểm A là điểm ổn định còn điểm B là điểm không ổn định

2.Yêu cầu thứ hai:

-Dòng ngắn mạch không quá lớn (Ingắn =(1,1 - 1,4) Iđm) để máy không

bị quá tải, mối hàn đẹp và đảm bảo chất lợng

3.Yêu cầu thứ ba:

- 6 -

- áp không tải lớn hơn áp khi có tải để thuận lợi cho việc gây hồ quang

và hàn đợc dễ dàng

4.Yêu cầu thứ t:

-Phải điều chỉnh đợc dòng hàn máy phải có một số đặc tính ngoài khác nhau Độ dốc đặc tính khi chuyển sang dòng nhỏ phải tăng

III.Các dạng nguồn điện hàn chính:

Các nguồn điện hàn hồ quang phổ biến chia ra làm 3 nhóm:

Các máy phát điện 1 chiều

Hiện nay còn đợc dùng nhiều cho hồ quang hàn 1 chiều Máy phát này gồm

có động cơ không đồng bộ 3 pha và 1 máy phát hàn 1 chiều

Trong thiết bị này năng lợng dòng điện xoay chiều sẽ biến thành cơ năng rồi từ cơ năng lại biến thành năng lợng điện 1 chiều Vì vậy mà hiệu suất của loại này thấp nhất

Phơng pháp chỉnh lu hàn

Cho đến nay do sự phát triển nh vũ bão của các linh kiện điện tử các van bán dẫn đã thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển của các nguồn năng lợng chính cung cấp cho hàn hồ quang

Mạch bao gồm có biến áp nhiều pha và các van chỉnh lu

Công suất của dạng năng lợng này khá cao, dòng ổn định

Chơng II :Lựa chọn Phơng án

I.Lựa chọn sơ đồ thiết kế

1.Phân tích u nhợc đIểm các phơng án

a/.Chỉnh lu tia ba pha

-Thờng đợc lựa chọn khi công suất tải không quá lớn so với biến áp nguồn cấp

(tránh gây mất đối xứng cho nguồn lới) và tải không có yêu cầu quá cao về chất lợng điện áp một chiều

-Loại này cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đa ra tải Công suất MBA lớn công suất một chiều 1,35 lần nhng sụt áp trong mạch van nhỏ nên thích hợp với phạm vi điện áp làm việc thấp Vì sử dụng nguồn ba pha nên cho phép nâng công suất tải lên nhiều Mặt khác độ đập mạch của điện áp ra sau mạch chỉnh lu giảm đáng kể nên kích thớc bộ lọc cũng nhỏ đi nhiều.b/.Chỉnh lu cầu ba pha đối xứng:

- Điện áp chỉnh lu đập mạch sáu lần trong một chu kỳ do đó vấn đề lọc rất

đơn giản Cho nên chất lợng điện áp ra rất tốt

-Điện áp ngợc đặt lên mỗi van nhỏ ,công suất MBA nhỏ nhng mạch phức tạp nhiều kênh điều khiển

c/.Chỉnh lu cầu ba pha không đối xứng:

-Số van điều khiển ít nên dễ dàng cho nên mạch điều khiển đơn giản, gọn nhẹ

-Sơ đồ này có u điểm là có thể điều khiển các thyistor một cách trực tiếp mà không cần cách ly bằng biến áp xung Điều đó có thể áp dụng nh sơ đồ làm việc với điện áp thấp

-Tuy nhiên nó có nhợc điểm là số lần đập mạch của điện áp chỉnh lu phụ thuộc vào góc mở α Điện áp chỉnh lu chứa nhiều thành phần sóng hài nên phải có bộ lọc tốt

Qua những phân tích trên ta thấy dùng mạch chỉnh lu cầu ba pha đối xứng

là thích hợp nhất

2.Đặc tính của tải- nguồn cấp

Các đặc tính của hệ thống hồ quang- nguồn cấp đợc quy định bởi cơ chế kích thích, ban đầu và tiếp theo, khi hồ quang cháy bởi tính chất di chuyển kim loại điện cực vào bể hàn

Các giọt kim loại nóng chảy làm ngắn mạch hồ quang theo chu kỳ làm thay

đổi cờng độ dòng điện và chiều dài hồ quang theo yêu cầu chu kỳ

Sơ đồ sự phụ thuộc của cờng độ dòng và điện áp hồ quang đối với thời gian

và giai đoạn di chuyển của giọt từ điện cực vào bể: T3 thời gian phục hồi

điện Sau khi cổ giọt bị phá hủy Ihq: đại lợng dòng trung bình (Ihq= Id) Uhq:

điện áp hồ quang

Điều kiện ổn đinh của quá trình có đợc khi tốc độ cấp và tốc độ nóng chảy của điện cực trong một chu kỳ bằng nhau

- 8 -

Do đó yêu cầu của nguồn cấp cần phải đảm bảo đợc các tính chất sau:

Theo yêu cầu của đặc tính tải và yêu cầu của đề tài ta chọn sơ đồ cầu 3 pha

điều khiển đối xứng

Sơ đồ và nguyên lý làm việc

Tải RL (L=∞)

Sơ đồ chỉnh lu cầu 3 pha gồm 6 Thyristor đợc chia thành 2 nhóm:

Nhóm đấu Catốt chung: T1, T3, T5

Nhóm đấu Anốt chung: T2, T4, T6

Điện áp phía thứ cấp của máy biến áp

)3.4sin(

.2

)3.2sin(

.2

sin.2

2 2 2

πθ

πθ

U U

U U

c KC

U

U

=

=ϕ

ϕ

a b

c

L R

Khi θ =θ =π +α

6

1 phát xung điều khiển mở T1, Thyristor này mở vì Ua>0 (>Uc) Do T1 mở do đó T5 bị khóa lại một cách tự nhiên (Ua>Uc) Khi đó T6 và T1 cho dòng chảy qua và điện áp ra tải: U d =ϕKC −ϕAC =U ab( dây)Khi θ =θ = π +α

6

3

2 phát xung điều khiển mở T2, Thyristor này mở vì khi T6 dẫn dòng nó đặt Ub lên lên anốt T2 mà Ub>Uc Do sự mở của T2 làm cho T6 bị khóa lại một cách tự nhiên (do Ub>Uc)

Khi đó U d =ϕKC −ϕAC =U ac

Hoàn toàn tơng tự cho các quá trình mở van T3 và T4 quá trình phát xung

điều khiển lệch nhau π /3 và đợc lần lợt đa đến các cực điều khiển của các Thyristor theo thứ tự 1-2-3-4-5-6-1

+) Tính Ud=? (Điện áp trung bình ra tải)

α π

π

θθπ

θθπ

6 5

6

2 2

0

.sin22

6)

(2

1

d U

d U

6

.5cos(

)6

cos(

2

.2

αππ

απ

U

)3sin(

)2sin(

2.2

Xét tại thời điểm θ =θ1 (có hiện tợng trùng dẫn)

Giả thiết T1 và T2 đang dẫn dòng Khi θ =θ1 cho xung điều khiển mở T3

do La≠0 nên dòng It3 không thể đột ngột tăng từ 0 đến Id và dòng It1 cũng

không thể đột ngột giảm từ Id xuống 0 Do đó cả 3 Thyristor T1,T2,T3 đều dẫn dòng Khi đó Ua, Ub đều ngắn mạch.

Nếu chuyển gốc tọa độ từ 0 đến θ1 ta có:

)6sin(

.2

)6

5sin(

.2

2

2

α

πθ

α

πθ

++

=

++

=

U U

U U

U U

a a

b

∂

=+

6 2

αθ

Dòng điện chảy qua T1 là: IT1=Id-ic

Dòng điện chảy qua T2 là: IT3=ic

Giả thiết quá trình trùng dẫn kết thúc θ =θ2 đặt γ =θ2 −θ1

Góc trùng dẫn

Khi θ =θ1, iT1=0 ta có biểu thức:

2

.6

2)cos(

I I I

U t

i L U

U

U t

i L U

U

d T T T

d

T a c

b

d

T a c

a

=

=

=+

1

1

22

θ α θ π

θ π

γ

γ γ

d U

d U U U

b

) sin(

2 3

) 2

( 2 6

2

.6

3 U2

Tõ (1) vµ (2) cã

πγ

d

a I X

Hoạt động của sơ đồ đã đợc trình bày trong chơng II

B.Mạch đIều khiển

1.Các nguyên tắc điều khiển trong hệ thống đồng bộ

Hệ thống đồng bộ có 2 nguyên tắc điều khiển cơ bản

a.Nguyên tắc điều khiển ngang

- 14 -

Uđk

Khâu tạo xung (TX) có nhiệm vụ tạo ra xung điều khiển (tại thời điểm khi

điện áp dịch pha đi qua 0;

Khâu khuếch đại xung (KĐX) có nhiệm vụ khuếch đại công suất các xung

do khâu TX tạo ra để đa đến các van

Nguyên tắc điều khiển dọc gồm các khâu sau:

Khâu Utựa: tạo điện áp tựa có dạng cố định (thờng có dạng răng ca) theo chu

Cách ly hoàn toàn về điện giữa MĐK với điện áp thấp

Khi sử dụng MBA đồng bộ 3 pha thì cách mắc sẽ ảnh hởng trực tiếp đến phạm vi góc điều khiển

Nếu sơ đồ đấu dây là ∆/Y thì giới hạn của góc điều khiển là từ 0-1800 Nếu sơ đồ đấu dây là Y/Y thì giới hạn của góc điều khiển là từ 0-1500

b.Khâu tạo điện áp tựa

Thờng có 2 dạng cơ bản: tạo điện áp tựa hình sin và tạo điện áp tựa răng ca (tuyến tính và phi tuyến)

Mạch tạo điện áp tựa răng ca tuyến tính dùng khuếch đại thuật toán (OA) Hiện nay mạch tạo điện áp tựa răng ca dùng OA đợc sử dụng nhiều do khắc

- 16 -

phục đợc nhợc điểm của những loại mạch khác (transistor, v.v), ngoài ra giá thành của OA cũng khá rẻ.

Sơ đồ tạo điện áp răng ca đi xuống dùng 2 OA nh sau:

Nguyên lý hoạt động của mạch nh sau

+ Trong nửa chu kỳ khi điện áp U OA1 < 0 D1 dẫn

(1)

1

R

ra C

U U

U U

Thông thờng khi thiết kế mạch có R2 << R3 →i R3 <<i R2 Do đó khi phân

t CR

U dt

U c dt i c dt i c U

R c

c

2 2

1

R

11

+ Trong nửa chu kỳ sau khi điện áp U OA1 >0 D1 khoá nên dòng qua R2 →0, lúc này dòng qua tụ C: i c =−i R3(do ngợc chiều)

dt R

E C U

dt i C U

U

U ra = c = ng − ∫ R = ng − ∫

3

11

3

t CR

E U

U ra = ng − ⋅

3

Do đó điện áp trên tụ C cũng nh điện áp ra giảm tuyến tính Khi điện áp ra giảm đến 0 rồi giảm tiếp xuống giá trị âm thì D2 dẫn theo chiều thuận (giống

nh một đi ốt thờng) giữ cho điện áp ra 0V Do đó mạch trở lại trạng thái ban

đầu và điện áp nhận đợc trong một chu kỳ lới điện có dạng răng ca đi xuống

Tính toán: theo sơ đồ thì điện áp đồng pha Uđp đợc đa thẳng đến OA1 nên phải hạn chế biên độ theo khả năng của OA đã chọn (<±5V ) Nếu

T E T

CR

E U

U

ng ng

.R

2

d.Bộ tạo xung: sử dụng OA.

OA đợc sử dụng nh 1 bộ so sánh 2 cửa Tụ C liên tục phóng-nạp để OA đảo trạng thái, mỗi lần điện áp trên tụ C đạt trị số của bộ phân áp R1, R2

T = + Phạm vi các trị số R, C (C: à àF, R: KΩ)

Ω

=

R1 2 20 (thờng R2 <R1)

e.Mạch trộn xung

Thực hiện chức năng của mạch AND

Nguyên lý hoạt động của mạch nh sau:

+ Khi U SS >0, D1 có khả năng thông đồng thời T1 mở Khi D1 mở thì

R2 ≤ hệ số bão hoà và lấy bằng 1,2 - 1,5

Điện trở R1 tính chọn theo điều kiện khoá chắc chắn của T1, tức là lúc

0

≤

BE

U điện áp này chịu tác động đồng thời của U đang dơng qua điện SS

trở R2 và điện áp Udđ đang âm qua R1 Do đó ta có biểu thức:

2 1

2 1

1

2 1 0 R

R R

R

U R

U U

bh bh

+

−

=

f.Khuếch đại xung dùng biến áp xung

Sử dụng mạch này có u điểm:

+ Cách ly đợc mạch điều khiển và mạch lực;

+ Tầng khuếch đại phía sơ cấp thờng là mạch Darlington

Xung điều khiển dạng xung chùm có sơ đồ:

- 20 -

Do biến áp xung có tính vi phân nên phải có điện trở để kịp tiêu tán năng ợng tích luỹ ở các cuộn dây trong giai đoạn khoá của các đèn bán dẫn T1, T2, nếu không biên độ của các xung sẽ giảm đáng kể do điểm làm việc của lõi biến áp bị đẩy lên phía bão hoà (Điện trở R2 có nhiệm vụ này)

A I

I I

) 5 , 2 2 (

) 4 , 1 2 , 1 ( 0

) ( 429 , 171 4 , 1 / 0

max

V U

U

A I

Cần xác định điện áp thứ cấp U2 của máy biến áp.Biết lợng sụt áp do

điện trở(%) và điện cảm dây quấn(%) biến áp là: e r = 2%; e x = 8% và sụt

áp trên van ∆U v = 1,2V.

Để đảm bảo điện áp đa đến tảI là 30V với I = 171,429A ⇒ cần bù các

sụt áp do điện trở,điện cảm của dây quấn máy biến áp và sụt áp trên van bán dẫn, vì vậy điện áp U d thực tế cần có là:

U d =U dt + ∆U r + ∆U x + ∆U v

NgoàI ∆U v đã cho trớc,lợng ∆U rvà ∆U x cần tính nh sau:

a) Sụt áp trên điện trở dây quấn máy biến áp: ∆U r =I d.r ba Điện trở dây

quấn một pha máy biến áp xác định qua thông số e r từ biểu thức về máy biến áp:

r

ba

r ba pha

S

U e S

U

3 /

2 2 )

(

2

Đối với chỉnh lu cầu 3 pha ta có : U d = 2 , 34 U2 , S ba = 1 , 05 P d = 1 , 05 U d.I d

⇒ Do điện áp U dtạo thành nhờ điện áp hai pha của nguồn nên điện trở gây sụt áp là hai điện trở pha nên ta có:

d d

r d

d r ba d ba d

I U

e U

I e S

U I r

I

05 , 1

6 ) 34 , 2

( 3

/

2

d

S

U I x

I

05 , 1 34 , 2

9 3

/

3

- 22 -