Thiết kế nguồn hàn hồ quang một chiều

Nó ngày càng thể hiện được nhiều ưu điểm nổi trội của mình so với các công nghệ khác như năng suất cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá… Việc thiết kế nguồn điện cho hàn hồ quang một chiều là

4.Gi¸o viªn hưíng dÉn : ThÇy §ç Träng TÝn

Môc lôc

Lêi giíi thiÖu ………

Chư¬ng 1 :Tæng quan vÒ c«ng nghÖ hµn ………

Chư¬ng 2: Lùa chän phư¬ng ¸n thiÕt kÕ ………

Chư¬ng 3 :ThiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n m¹ch lùc ………

Chư¬ng 4:ThiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n m¹ch ®iÒu khiÓn ………

Chư¬ng 5 M« pháng m¹ch ®iÒu khiÓn ………

KÕt luËn ………

Tµi liÖu tham kh¶o ………

Trang 3 4 8

18

30

49

52

53

Năm 1802, viện sĩ Nga V.V.Petrop phát minh ra hồ quang điện chính thức đánh dấu lịch sửphát triển của công nghệ hàn hồ quang Trong một số nghành công nghiệp hiện đại như công nghiệp đóng tàu, chế tạo máy … thì công nghệ hàn hồ quang chiếm một vị trí hết sức quan trọng

Nó ngày càng thể hiện được nhiều ưu điểm nổi trội của mình so với các công nghệ khác như năng suất cao, dễ cơ khí hoá, tự động hoá… Việc thiết kế nguồn điện cho hàn hồ quang một chiều

là một nhiệm vụ đầu tiên được đặt ra cho các kỹ sư khi muốn sử dụng công nghệ đó Trong đồ

án "Thiết kế nguồn hàn hồ quang điện một chiều " em xin phép được

trình bày cách thiết kế nguồn điện cho hàn hô quang Đồ án gồm các phần sau :

Chương 1 Giới thiệu chung về công nghệ hàn

Chương 2 Lựa chọn phương án thiết kế mạch lực

Chương 3 Tính toán mạch lực

Chương 4 Thiết kế và tính toán mạch điều khiển

Chương 5 Mô phỏng mạch điều khiển

Trong thời gian vừa qua em luôn cố gắng tìm tòi, học hỏi để đồ án của mình đạt được sự chính xác và hiệu quả nhất Tuy nhiên do trình độ bản thân còn có hạn, kinh nghiệm thực tế chưanhiều nên đồ án của em chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em mong nhận được sự chỉ bảo từ phía các thầy

Cuối cùng em xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy giáo Đỗ Trọng Tín, người đã hướng dẫn em trong suốt thời gian vừa qua Nếu không có sự hướng dẫn tận tình

của thầy thì chắc chắn em không thể hoàn thành đồ án này Em xin cám ơn !

Sinh viên Nguyễn Bá Long

- Hàn là quá trình kết nối hai vật bằng kim loại với nhau bằng cách dùng áp lực

hoặc bằng cách nung nóng chỗ nối đến nóng chảy Sau khi đã nối xong thì không thể tách rời kim loại ra được nữa

2 Các phương pháp hàn

Có hai phương pháp hàn là hàn áp lực và hàn nóng chảy:

a Phương pháp hàn bằng áp lực hay phương pháp hàn biến dạng dẻo

- Khi hàn bằng biến dạng dẻo phần mối hàn ở vị trí tiếp xúc bị co do ngoại lực

tác dụng lên ở phần đó kim loại được ép đồng thời và lớp oxit ở bề mặt kim loại bị

phá huỷ tạo khả năng cho bề mặt tiếp xúc đồng đều hơn, các nguyên tử dịch lại gần nhau hơn và khiếncho liên kết kim loại vững chắc hơn Đa số các trường hợp hàn áp lực kim loại ở trạng thái rắn

- Khi hàn bằng áp lực thì người ta không nung nóng sơ bộ hoặc nếu có thì chỉ nung nóng rất ít Do vậy cơ tính của kim loại thay đổi không đáng kể Ví dụ : hàn

nguội ,hàn siêu âm , hàn nổ …

Ngoài ra khi hàn còn có nung nóng trước Nung nóng trước làm cho kim loại giảm được tính chống biến dạng và tăng được tính linh động của các nguyên tử và lúc đó trên bề mặt tiếp xúc tạo thành một hệ thống mạng tinh thể chung

b Phương pháp hàn nóng chảy

- Khi hàn nóng chảy thì kim loại que hàn và vật hàn bị nóng chảy tạo thành một vùng hàn và không cần tác dụng ngoại lực vào mối hàn, cho nên hàn nóng chảy dễ làm cho các nguyên tử vật chất lại gần nhau đến khoảng cách liên kết kim loại tạo thành một lưới mạng tinh thể chung Khi nguội vùng hàn kết tinh tạo thành mối hàn và làm cho các chi tiết trở thành một thể thống nhất

- Nguồn nhiệt để sử dụng hàn hồ quang nóng chảy phải có nhiệt độ lớn hơn 2000 độ C Tuỳ theo tính chất của nguồn nhiệt mà người ta chia hàn nóng chảy ra một số

phương pháp sau:

+ Hàn hồ quang

+ Hàn đúc

+ Hàn xỉ điện …

Trong số này thì hàn hồ quang được sử dụng phổ biến nhất

1.Ưu điểm

So với công nghệ đúc, tán … thì hàn có nhiều ưu điểm nổi trội đó là :

- Năng suất cao, thiết bị đơn giản, dễ sử dụng, giá thành hạ

- Tiết kiệm kim loại : So với tán rivê thì hàn tiết kiệm được 15-20% kim loại

So với đúc thì hàn giảm được 40-60% khối lượng của vật

- Dễ cơ khí hoá, tự động hoá nên sẽ tiết kiệm thời gian, sức lao động và cho chất lượng sản phẩm cao

2.Nh ư ợc điểm

- Hàn có ứng suất nên làm cho kim loại bị biến dạng, có lỗ khí (ở công nghệ

hàn xoay chiều ), tạp chất, tổ chức nội bộ kim loại thay đổi làm giảm tính chất cơ lý hoá của kim loại

3.ứng dụng

- Ngày nay, hàn đã trở thành công nghệ không thể thiếu được trong các nghành

công nghiệp đóng tàu, chế tạo máy công cụ, cần trục nồi hơi …Ngoài ra trong lĩnh vực xây dựng hàn cũng đóng một vai trò đáng kể

Từ khi công nghệ hàn được đưa vào ứng dụng trong công nghiệp , đến nay đã

có rất nhiều phương pháp hàn khác nhau Tuy nhiên, phổ biến nhất và có ứng dụng rộng rãi nhất vẫn là công nghệ hàn hồ quang điện Dưới đây, chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về công nghệ này

1.Các khái niệm chung

Hồ quang : là sự phóng điện qua môi trường không khí giữa hai điện cực

đồng thời phát sinh ra ánh sáng và nhiệt lượng rất cao Một điện cực là que hàn (nóng chảy hay không nóng chảy ) và một điện cực là vật hàn

Hàn hồ quang : là công nghệ dùng nhiệt lượng của hồ quang nung nóng chỗ hàn đến nóng chảy, làm cho kim loại vật hàn và kim loại nóng bổ xung chảy vào chỗ hàn để nối hai vật hàn

Kỹ thuật hàn hồ quang : bao gồm mồi hồ quang, duy trì hồ quang ngắn và ổn định, thực hiện chuyển động điện cực hàn theo yêu cầu với tốc độ hành trình hồ quang chính xác Hồ quang được mồi bằng cách gõ đầu điện cực trên bề mặt mối

ghép Điện cực được giữ với góc thích hợp theo bề mặt mối ghép và vị trí hàn ở

cuối đường hàn, hồ quang còn được duy trì trong khoảng thời gian ngắn để bù cho

vết lõm cuối đường hàn, sau đó phải lấy điện cực ra nhanh để dập tắt hồ quang

2.Sự hình th à nh hồ quang

- Sơ đồ mô hình hàn có thể mô tả bằng hình vẽ sau :

Trong đó : 1 là vật hàn

2 là que hàn

- Khi hàn ta nối đầu âm vào que hàn, đầu dương nối vào vật hàn

- Cho que hàn chạm vào vật hàn khoảng 1/10s, sau đó đưa que hàn lên độ cao 3- 4mm Do tác dụng của điện trở que hàn và vật hàn nên tại vị trí đầu rút que hàn và chỗ vật hàn tiếp xúc với que hàn bị nung nóng Khi nhấc que hàn khỏi vật hàn, que hàn bắn ra điện tử Các điện tử bắn xuống rất nhanh, đập vào vật hàn biến động năng thành nhiệt năng làm cho vật hàn bị chảy và tủa ra hai bên

Ngược lại, môi trường giữa vật hàn và que hàn chịu tác dụng của điện trường nên bị ion hoá Các ion ở dưới đi lên rất nhanh, biến động năng thành nhiệt năng làm cho que hàn nóng chảy và nhỏ giọt xuống khe hàn bù vào chỗ lõm và hình thành lên mối hàn

Hàn bằng ngọn lửa Plasma

- Hàn hồ quang tự động thích hợp cho những nợi cần mối hàn đẹp ,chất lượng cao,

tốc độ nhanh …

- Hàn hồ quang tay dùng trong những nơi sản xuất nhỏ hoặc những nơi khó đặt que hàn cho hàn tự

động (ví dụ như mối hàn trần…)

Để có được một mối hàn đẹp, chắc chắn, chất lượng cao, ngoài yếu tố về vật

liệu hàn ,tay nghề của thợ hàn ,vị trí mối hàn…thì nguồn điện hàn đóng một vai trò vô cùng quan trọng.Trong phần này chúng ta sẽ xem xét các dạng nguồn điện cho hàn hồ quang, đánh giá ưu nhược điểm của chúng và cuối cùng dựa vào các đặc điểm của hàn hồ quang để đưa ra các yêu cầu cho nguồn điện hàn Đó chính là nền tảng cho việc thiết kế sau này

b Các máy phát điện hàn một chiều

- Loại nguồn điện này dùng cho hàn hồ quang một chiều Nó gồm một động cơ không đồng

bộ ba pha và một máy phát hàn một chiều Trong thiết bị này ,năng lượng điện xoay chiều sẽ

được động cơ không đồng bộ ba pha biến thành cơ năng làm quay máy phát hàn một chiều Máy phát hàn một chiều sẽ phát ra dòng điện một chiều sử dụng cho quá trình hàn Có thể thấy ngay rằng ,hiệu suất của thiết bị này không cao vì năng lượng bị chuyển hoá nhiều lần gây nên tổn hao lớn hơn bình thường Hơn nữa, thiết bị này lại cồng kềng, đắt tiền cho nên ngày nay người ta không sử dụng loại thiết bị này nữa

c Các chỉnh lưu hàn

- Ngày nay ,với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn,

các chỉnh lưu hàn đang dần trở thành nguồn điện chủ đạo cho công nghệ hàn điện Các chỉnh lưu hàn có nhiều ưu điểm nổi trội như đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo,giá thành hạ chất lượng điện áp

và dòng điện cao sẽ thay thế toàn bộ các biến áp hàn và máy phát hàn ở trong tương lai không

xa Các chỉnh lưu hàn gồm biến áp ,van chỉnh lưu ,bộ lọc và mạch điều khiển Máy biến áp ở đâythường dùng là máy biến áp nhiều pha để cho lưới điện được phân phối tải một cách cân bằng Van chỉnh lưu là các Thyristor và diode công suất

2 Các dạng đặc tính ngo à i của nguồn điện h à n

- Đặc tính ngoài là đường biểu diễn quan hệ điện áp giữa hai đầu đưa ra của máy

với dòng điện tải

Hình vẽ bên biểu diễn các dạng đặc tính dòng-áp của nguồn điện Có

bốn dạng đặc tính

Đặc tính 1: Đặc tính dốc ,có ở các máy hàn hồ quang

tay Đây là đường đặc tính hay dùng trong công nghệ hàn

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

động

Đặc tính 3: Đặc tính cứng

Đặc tính 4: Đặc tính tăng có trong máy phát điện một

chiều kích thích hỗn hợp dây quấn nối tiếp Rất ít khi người ta dùng

máy có đặc tính này để hàn

Như vậy,trong công nghệ hàn hồ quang người ta có thể dùng máy có đặc tính dốc và đặc tính thoải để hàn

3.Các yêu cầu đối với nguồn điện h à n

- Điện áp không tải ( điện áp trên hai đầu ra của nguồn điện khi mạch hàn hở )

phải đủ lớn để gây hồ quang nhưng không được vượt quá giá trị an toàn với người thợ hàn ( không quá 90 V )

- Công suất của nguồn điện hàn phải đủ để cung cấp cho dòng điện hàn để duy trì hồ quang cháy ổn định

- Nguồn điện hàn phải có cơ cấu điều chỉnh vô cấp dòng điện hàn trong giới hạn cần thiết

- Nguồn điện hàn phải có điện áp thấp và dòng điện cao để tạo ra và duy trì hồ quang cháy ổn định cần thiết cho đường hàn chất lượng cao

- Dòng ngắn mạch không quá lớn ( I ng = (1,3 1,4) I h ) để máy không bị quá tải

- Nguồn hàn cần gọn nhẹ, giá rẻ và dễ sử dụng

Chương II Lựa chọn phương án thiết kế

Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu một số phương án thiết kế mạch lực,

từ đó chọn ra một phương án khả thi nhất cho việc thiết kế nguồn hàn hồ quang

2 Giải thích chức năng của từng khối

- Máy biến áp : Có hai nhiệm vụ.Thứ nhất là biến điện áp xoay chiều lấy từ lưới

về diện áp một chiều có độ lớn phù hợp vời yêu cầu của tải Thứ hai là làm nhiệm vụ cách ly giữamạch chỉnh lưu với lưới điện xoay chiều

- Khối chỉnh lưu có điều khiển: có nhiệm vụ biến dòng điện xoay chiều lấy từ máy biến áp thành dòng điện một chiều Sau khối này điện áp có dạng nhấp nhô và chất lượng điện áp chưa tốt nên ta phải dùng thêm một bộ lọc

- Bộ lọc : có thể gồm cuộn cảm L hoặc tụ C hoặc cả L và C Bộ lọc có tác dụng san phẳng các thành phần sóng hài bậc cao và làm cho điện áp có hệ số đập mạch phù hợp với yêu cầu của tải

- Mạch điều khiển có tác dụng tạo ra các xung điều khiển để đưa đến cực điều khiển của các Thyristor hay nói cách khác mạch điều khiển có nhiệm vụ là điều khiển quá trình mở van hoàn toàn tự động Mạch điều khiển còn phải có khả năng

thay đổi góc α trong toàn bộ dải điều chỉnh.Với máy hàn mạch điều khiển còn cần

phải có thêm chức năng bảo vệ khi xảy ra sự cố ngắn mạch tải

Ngày nay, do sự phát triển mạnh mẽ của lý thuyết điện tử công suất đã hình

thành nên rất nhiều loại mạch chỉnh lưu Mỗi loại đều có ưu nhược điểm và lĩnh vực ứng dụng riêng Trong khuôn khổ đồ án này, em chỉ xin được phép trình bày ba phương án khả thi nhất cho việc thiết kế nguồn hàn hồ quang điện một chiều

.Đó là:

- Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu một pha

- Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu ba pha

- Chỉnh lưu điều khiển tia ba pha

1 Ph ư ơng án chỉnh l ư u điều khiển không đối xứng cầu một pha

a Sơ đồ nguyên lý

b Nguyên lý hoạt động

- Mạch chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu một pha gồm một nhóm

Thyristor và một nhóm diode

+ Nhóm Thyristor T1 ,T2 đấu Katôt chung Nguyên tắc để mở một trong

hai van này là chỉ khi nào anot của van nào đó dương hơn van còn lại thì mới

được phép phát xung điều khiển để mở van đó

+ Nhóm Diode D1, D2 đấu Anôt chung Một trong hai van sẽ dần khi

Katôt của van đó âm hơn van còn lại

- Giả sử góc điều khiển là α thì tại thời điểm θ = α1 ta phát xung điều khiển vào

để mở T1 Van T1 sẽ thông để dẫn dòng tải Dòng điện sẽ đi qua T1, qua Rd , qua Ld đến Anôt Tại Anôt ,D1, D2 có thế Anôt như nhau nhưng thế Katôt của D2 âm hơn

thế Katôt của D1 nên D2 sẽ dẫn và hình thành nên cặp van dẫn T1 - D2

Khi U2 = 0 dòng tải i2 có xu hướng giảm nhưng do trong mạch có cuộn cảm

Ld= ∞ nên Ld sẽ phóng năng lượng đã tích luỹ trong nửa chu kỳ dương để chống lại

sự giảm của dòng điện và cặp T1 - D2 vẫn tiếp tục dẫn khi U2 <0

- Đến thời điểm θ = α1 + П= α + П ta phát xung điều khiển vào cực điều khiển

của T2 để mở T2 Lúc này nếu T1 đang dẫn thì từ đồ thị điện áp ta thấy Anôt của T2 có thế dương trong khi Katôt của nó có thế âm nên T2 sẽ dẫn

Mặt khác , khi T2 dẫn thì Katôt của T1 có thế dương trong khi Anôt của nó

lại mang thế âm nên nó sẽ tự động bị khoá lại

Khi T2 dÉn th× thÕ Kat«t cña D1 ©m h¬n thÕ Kat«t cña D2 nªn D1 sÏ dÉn vµ D2

c C¸c biÓu thøc liªn quan :

§iÖn ¸p ra sau chØnh lưu :

Dßng ®iÖn trung b×nh qua mçi Thyristor vµ Diode :

- Do trong mçi chu kú mçi Thyristor vµ Diode chØ dÉn trong mét nöa chu kú

nªn dßng ®iÖn trung b×nh qua mçi Thyristor vµ Diode lµ :

ITbvan = I2 d

Đồ thị chỉnh l ư u điều khiển không đối xứng cầu 1 pha với α = 60 0

2 Ph ư ơng án chỉnh l ư u điều khiển không đối xứng cầu ba pha

a Sơ đồ nguyên lý

b Nguyên lý hoạt động

- Mạch chỉnh lưu điều khiển đối xứng cầu ba pha gồm một nhóm Thyristor đấu Katot chung và một nhóm Diode đấu Anot chung

+ Nhóm Thyristor T1 ,T2,T 3 đấu Katôt chung Chỉ khi nào thế Anôt của một

trong các van này dương hơn các van còn lại thì mới được phép phát xung điều

khiển vào để mở van đó

+ Nhóm Diode D1 ,D2,D3 đấu Anôt chung Khi nào thế Katôt của một trong các

Diode này âm hơn các Diode còn lại thì Diode đó sẽ mở để dẫn dòng tải Tại một

thời điểm cũng chỉ có một Diode dẫn dòng

- Đặt vào mạch bộ nguồn cung cấp là Ua,,Ub, Uc lệch pha nhau một góc 1200 ,

trên đồ thị điện áp các pha ta xác định được điểm gốc để phát xung điều khiển theo

nguyên tắc đã trình bày ở trên Trên đồ thị O1 là điểm gốc để phát xung điều khiển

vào mở T1, O2 là điểm gốc để phát xung điều khiển vào mở T2, O3 là điểm gốc để

phát xung điều khiển vào mở T3

- Giả sử góc điều khiển là α thì tại thời điểm,ta phát xung điều khiển để

mở T1 , T1 sẽ thông dòng chảy qua T1 và điện áp nguồn được đặt lên tải

Khi Ua = 0 dòng điện tải có xu hướng giảm nhưng do trong mạch có điện cảm Ld nên Ld sẽ sinh ra sức điện động chống lại sự giảm của dòng điện tải Vì vậy , T1

vẫn tiếp tục thông khi Ua≤ 0

- Đến thời điểm 2α +π ta phát xung điều khiển vào để mở T

Đồ thị chỉnh l ư u điều khiển không đối xứng cầu 3 pha với α = 60 0

Quá trình đóng mở diễn ra tương tự với các van còn lại Tại cùng một thời điểm chỉ có duy nhất một cặp van mở để dẫn dòng tải Khi Thyristor này mở thì Thyristor đang dẫn trước đó

sẽ lập tức bị khoá lại

c Các biểu thức liên quan

Điện áp ra sau chỉnh lưu Ud

b Nguyên lý hoạt động

- Mạch chỉnh lưu ba pha hình tia bao gồm ba Thyristor T1, T2, T3 đấu Katốt

chung Anốt của T1, T2, T3 lần lượt được đấu với Ua , Ub ,Uc Chỉ khi nào

Anốt của một trong ba van dương hơn hai van còn lại thì mới được phép phát

xung điều khiển vào để mở van đó

- Trên đồ thị điện áp nguồn ta xác định điểm gốc để phát xung điều khiển để

mở van :

O1 là điểm gốc để phát xung điều khiển vào mở van T1

O2 là điểm gốc để phát xung điều khiển vào mở van T2 O3 là điểm gốc

để phát xung điều khiển vào mở van T3 Gọi α là góc điều khiển Tại thời điểm t = απ ta phát xung điều khiển vào

6

để mở T1 Khi T1 thông dòng qua T1-> Rd->Ld->A Khi Ua = 0 dòng điện tải có

xu hướng giảm tuy nhiên do trong mạch có chứa cuộn cảm Ld nên Ld sẽ sinh ra sức điện động chống lại sự giảm của dòng điện tải , vì vậy T1 vẫn tiếp tục thông khi Ua< 0

Khi t = 2 απ ta phát xung điều khiển vào để mở T2 Lúc này điện áp Anốt

3

của T2 là Ub ,điện áp Katốt của T2 là Ua ( vì lúc đó T1 vẫn đang dẫn) Mà Ub > Ua

hay Uba > 0 nên T2 sẽ dẫn Mặt khác, khi T2 dẫn thì điện áp đặt vào Katốt của T1 là Ub, lúc đó

điện áp Anốt của T1 là Ua mà Ub > Ua hay Uba > 0 nên T1 sẽ bị khoá.Trong mạch lúc này chỉ có duy nhất T2 thông để dẫn dòng tải

Quá trình cũng diễn ra tương tự đối với các van T2 và van T3 Các van sẽ luân

phiên thay nhau đóng mở để dẫn dòng tải

c Các biểu thức liên quan

Điện áp sau chỉnh lưu Ud

Dòng điện trung bình chảy qua van :

đậ

Kdm ≈ 0,25

SV thùc hiÖn : NguyÔn B¸ long

15

§å thÞ chØnh l ư u ®iÒu khiÓn 3 pha h×nh tia víi α = 90 0

III Đánh giá ư u nh ư ợc điểm của từng sơ đồ v à lựa chọn

1. Sơ đồ chỉnh l ư u điều khiển không đối xứng cầu một pha

a Ưu điểm

- Mạch có cấu tạo đơn giản , chỉ gồm có hai điode và hai Thyristor Điều này sẽ làm cho mach

dễ thiết kế ,điều khiển và có tính kinh tế cao

- Điện áp ra là 2U2 nhỏ hơn các sơ đồ khác lên ta dễ chọn van

- Rất có ứng dụng thực tiễn trong các nhà máy, phân xưởng nhỏ nơi mà chỉ dùng

đến mạng điện một pha

b Nhược điểm

- Số xung đập mạch trong một chu kỳ của sơ đồ bằng 2, thấp hơn tất cả các sơ đồ khác Điều này

sẽ làm cho chất lượng điện áp và dòng điện ra của mạch kém đi Mặt khác, nó cũng gây khó khăn cho chúng ta trong vấn đề thiết kế bộ lọc

- Mạch này chỉ dùng cho các tải có công suất nhỏ và vừa Nếu dùng cho các tải có công suất lớn

sẽ gây nên hiện tượng lệch công suất giữa các pha

2 Sơ đồ chỉnh l ư u điều khiển không đối xứng cầu ba pha

a Ưu điểm

- Số xung đập mạch trong một chu kỳ của sơ đồ bằng 6, nên chất lượng điện áp ra cao, cuộn kháng lọc sẽ nhỏ gọn hơn

- Mạch điều khiển đơn giản vì chỉ phải điều khiển đóng mở cho ba van

- Trong máy biến áp không có hiện tượng từ hoá cưỡng bức vì dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp máy biến áp là dòng xoay chiều nên tổng Ampe vòng của thành phần một chiều gây nên trên mỗi trụ biến áp bằng 0

- Hầu nhu không làm méo lưới điện Mạch có hệ số sử dụng máy biến áp cao

b Nhược điểm

- Điện áp ngược đặt lên van lớn ( Ung= 6U2 ) nên vấn đề chọn van sẽ gặp khó

khăn

- Sụt áp trong mạch van lớn gấp đôi sơ đồ hình tia nên không phù hợp với cấp điện áp dưới 10 V

- Mạch phức tạp hơn mạch của sơ đồ cầu không đối xứng một pha và sơ đồ tia ba pha

3 Sơ đồ chỉnh l ư u điều khiển không đối xứng cầu ba pha

a Ưu điểm

- Mạch chỉ gồm có ba diode nên rất đơn giản, dễ thiết kế chế tạo và điều khiển

- Sụt áp trong mạch van nhỏ nên phù hợp khi mạch phải làm việc dưới điện áp thấp

b Nhược điểm

- Giá trị dòng trung bình của van lực khi làm việc chỉ bằng 1/3 dòng điện một chiều ,trong khi nguồn hàn yêu cầu dòng điện một chiều lớn nên sẽ gâp khó khăn trong việc chế tạo mach đáp ứng

đầy đủ các yêu cầu của tải

4 Lựa chọn ph ư ơng án

- Qua phân tích ưu nhược điểm của các phương án ở trên ta thấy mỗi phương án

đều có những ưu nhược điểm và lĩnh vực ứng dụng riêng Tuy nhiên dựa vào yêu cầu của đề bài

là thiết kế bộ nguồn hàn có dòng hàn cực đại là 180 A và điện áp ngắn mạch là 60V, ta thấy

phương án : "chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu ba pha" là khả thi hơn cả Chất lượng

điện áp và dòng điện ra là rất tốt do đó sẽ giúp cho ta có nhiều mối hàn đẹp và chất lượng mối hàn cao Hơn nữa, mạch lực và mạch điều khiển cũng không quá phức tạp, cuộn kháng lọc dòng

điện nhỏ nên thuận tiện cho ta trong việc thiết kế và chế tạo

- Vì vậy trong đồ án này ta quyết định lựa chọn phương án "chỉnh lưu điều

khiển không đối xứng cầu ba pha" để thiết kế mạch lực

Chư¬ng 3 ThiÕt kÕ và tÝnh to¸n m¹ch lùc

II Tính toán các thông số của mạch lực

Theo yêu cầu của đề bài ta cần phải thiết kế nguồn hàn hồ quang điện

một chiều có các thông số sau :

Dòng hàn cực đại : 180 A Điện áp không tải : 60 V

- Trong mạch lực có hai loại van : Diode và Thyristor Để chọn được van, hai

thông số quan trọng nhất cần phải quan tâm đến là : điện áp ngược đặt lên van và dòng điện trung bình chạy qua van Các thông số còn lại là các thông số tham khảo khi lựa chọn

Tính điện áp ng ư ợc lớn nhất đặt lên van:

- Điện áp ngược của van :

Trong đó : Ud , U2 ,Ulv lần lượt là điện áp tải điện áp nguồn thứ cấp và điện áp

ngược của van

Ud = 60 V

U

knv = U n là hệ số điện áp ngược.ở sơ đồ cầu ba pha thì: knv= 6 = 2.45 2

ku = U d là hệ số điện áp tải ở sơ đồ cầu ba pha thì ku = 3π6 = 2,34 U

2

Thay các số liệu trên vào (2) ta được :

Ulv = 6 π 60 = 188,5 V

36

Điện áp ngược của van cần chọn phải lớn hơn điện áp làm việc của nó Điện áp

này được chọn thông qua một hệ số dự trữ kdự trữ U Thông thường kdự trữ U = 1,6 - 2

ở đây ta chọn kdự trữ U = 1,8

=> Unv = kdự trữ U Ulv = 1,8 188.5 = 340 V

Tính dòng điện trung bình chạy qua van

- Dòng điện làm việc của van được chọn thông qua dòng điện hiệu dụng chạy

qua van Ilv = Ihd Dòng điện hiệu dụng được tính bằng : Ihd = khd Id

Trong đó :

Id : Dòng điện tải hay dòng điện ở đầu ra của chỉnh lưu

Ihd : Dòng điện hiệu dụng chảy qua van

khd : hệ số xác định dòng điện hiệu dụng

khd = II hd = 1 với mạch chỉnh lưu cầu 3 pha 3d

Vậy :

Ilv = Ihd = khd Id = 180 = 104 (A)

3

Để van bán dẫn có thể làm việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt thì cần

phải có hệ thống toả nhiệt làm mát cho van ở đây, ta chọn phương thức làm mát là dùng cánh tản nhiệt với đủ diện tích bề mặt cho phép Với phương thức này dòng

điện làm việc của van :

Ilv = ( 20 - 30% ) Idm van Trong đó :

Idm van là dòng điện định mức của van

Ta tra bảng thông số các Diode và Thyristor để chọn ra van có Idm van và Unv lớn

hơn gần nhất với hai thông số ở trên, ta tìm được :

• Thyristor loại DCR645PR44DS có các thông số sau :

+ Điện áp ngược max : Un max= 400 V

+ Dòng điện định mức : Idm = 450 A

+ Dòng điều khiển : Idk = 150 mA

+ Điện áp điều khiển : Udk = 3V

+ Dòng điện rò : Ir = 35 mA

+ Độ sụt áp của van : ∆ U = 2 V

+ Thời gian chuyển mạch : tcm = 50à s

+ Nhiệt độ lớn nhất mà van chịu được : Tmax = 125 0C

• Diode loại SH04C500 có các thông số sau :

+ Điện áp ngược max : Un max= 400 V

+ Dòng điện định mức : Idm = 500 A

+ Dòng điện rò : Ir = 50 mA

+ Độ sụt áp của van : ∆ U = 0,85 V

+ Thời gian chuyển mạch : tcm = 50à s

+ Nhiệt độ lớn nhất mà van chịu được : Tmax = 180 0C

2 Tính toán máy biến áp lực

a Điện áp chỉnh lưu không tải :

- Phương trình cân bằng điện áp khi Thyristor và Diode dẫn:

Udo cosα = Ud + ∆ UVT+ ∆ UV D + ∆ Udn + ∆ Uba Trong đó :

Udo : Điện áp tải khi có tính đến sụt áp trên van và máy biến áp

α : góc điều khiển ở đây, ta chọn α = 35 0 để đảm bảo khi lưới điện

bị sụt áp thì mạch vẫn có thể duy trì điện áp định mức cho tải

d Tính dòng điện và điện áp của máy biến áp ở sơ cấp và phía thứ cấp

- Điện áp của cuộn thứ cấp là :

Trong đó : kQ là hệ số phụ thuộc phương thức làm mát

k Q = 4 5 nếu là máy biến áp dầu

m lµ sè trô cña m¸y biÕn ¸p ë ®©y, m= 3

f : lµ tÇn sè cña nguån ®iÖn xoay chiÒu f = 50 Hz

=> QFe = 6 14609 59, 2cm 2

3.50

g TÝnh to¸n d©y quÊn m¸y biÕn ¸p

* Hai th«ng sè cÇn tÝnh cña d©y quÊn m¸y biÕn ¸p lµ sè vßng d©y vµ kÝch thưíc d©y + Sè vßng d©y cña cuén s¬ cÊp m¸y biÕn ¸p lµ :

w1 = 4, 44.U.1Q B 4, 44.50.59, 2.10 ư4 1,0 289 vòng 380

f Fe T

Trong đó : BT là từ cảm của vật liệu

BT = 1,0 1,8 Ta chọn BT = 1,0 + Số vòng dây của cuộn thứ cấp máy biến áp là :

w1 = 4, 44.U.2Q B 4, 44.50.59, 2.10 ư4 1,0 25 vòng 33

f Fe T

* Tính tiết diện dây dẵn SCu = I

J

Trong đó : I là dòng điện chạy qua cuộn dây

J là mật độ dòng điện chạy trong cuộn dây máy biến áp Với máy biến áp khô, dây dẫn bằng đồng thì ta chọn J1 = J2 = J = 2,75 A/mm2

- Tiết diện dây dẵn sơ cấp máy biến áp là :

Dây dẫn được chọn ở đây là dây dẫn bằng đồng

- Đường kính của dây quấn sơ cấp là ;

- Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy , lõi thép được ghép từ các lá thép chữ I đã được sơn cách

điện Các lá thép được ghép xen kẽ nhau cũng nhằm mụch đích là giảm tổn hao do dòng điện xoáy và tăng độ bền về mặt cơ học của máy biến áp Cách ghép như hình bên

* Sơ đồ kết cấu lõi thép của máy biến áp :

- Diện tích của trụ là :

Mặt khác theo các công thức kinh nghiệm :

h 2,5

a e 0,5

i.Tính kết cấu dây quấn máy biến áp

- Dây quấn được bố trí theo chiều dọc trụ, mỗi cuộn dây( sơ cấp và thứ cấp ) được quấn thành nhiều lớp dây Mỗi lớp dây được quấn liên tục Các vòng dây sát nhau

Các lớp dây được cách điện với nhau bằng bìa cách điện ,

- Số vòng dây trên một lớp của cuộn sơ cấp :

w11 = h ư h g k e

d1

Trong đó : h : là chiều cao của trụ

hg: là khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp Ta chọn sơ bộ : hg = 2d1

d1 : là đường kính của cuộn dây sơ cấp kể cả cách điện ( 0,1 mm)

- Bề dày của cuộn dây sơ cấp bằng tổng bề dày các lớp dây cộng với cách điện giữa

các lớp dây Bề dày của bìa cách điện chọn sơ bộ bằng 0,1 mm

Bd1 = d1 Sld1+ cd Sld1 = 0,28 5,6+0,01.5,6 = 1,71 cm Tương tự ta có :

- Số vòng dây trên một lớp của cuộn thứ cấp :

j Tính tổng sụt áp bên trong máy biến áp

- Điện áp rơi trên điện trở :

ρ = 0,0000172 là điện trở suất của đồng

Id : dòng điện tải một chiều

R1 = ρ S1  0,32Ωl

1

R2 = ρ S2 0,004Ωl

2

mf : lµ sè pha cña m¸y biÕn ¸p ë ®©y mf = 3( m¸y biÕn ¸p ba pha )

Trong đó : Rbk là bán kính trong cuộn dây thứ cấp

cd là bề dày cách điện các cuộn dây với nhau

a Bảo vệ quá nhiệt

- Khi làm việc, trên van bán dẫn có sụt áp do đó có tổn hao công suất:

∆ P = ∆ U.Ilv Tổn hao này sinh ra dưới dạng nhiệt làm nóng van Diode và thyristor là hai

linh kiện rất nhạy cảm với nhiệt và dễ bị đánh thủng Mặt khác, hai loại diode và thyristor mà ta chọn chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là 125 và 180 0C nên ta phải tìm cách bảo vệ quá nhiệt cho van ,tránh hiện tượng van bị phá huỷ do nhiệt ở đây ta chọn phương phương thức làm mát là cánh tảnnhiệt( bằng đồng hoặc bằng nhôm ), nhiệt lượng của van sẽ truyền sang cánh tản nhiệt và toả ra môi truờng xung quanh

Stn = k∆Pτ 

m

Trong đó: ∆ P là tổn hao công suất của van

Với Diode : ∆ PD = 0,85.104 = 88,4 W Với Thyristor : ∆ PT = 2.104 = 208 W

τ : Độ chênh lệch nhiệt so với môi trường

τ = Tlv - Tmt Chọn Tlv = 800 C Tmt = 270C -> τ = 530C

km : là hệ số có xét tới điều kiện toả nhiệt Trong điều kiện làm mát

tự nhiên không quạt cưỡng bức ta thường chọn km = (6 10).10 ư4 W/cm2.0C

Vậy với Thyristor ta dùng loại cánh tản nhiệt có diện tích bề mặt lớn hơn hoặc

bằng StnT :

Chọn loại cánh tản nhiệt có kích thước 12x12 gồm 15 cánh

Diện tích bề mặt của cánh tản nhiệt :

- Khi Thyristor bắt đầu dẫn không cho phép dòng tăng quá giới hạn cho phép Để bảo vệ phải có

điện cảm phía xoay chiều nhằm hạn chế tốc độ tăng dòng Tuy nhiên do có điện cảm tản của các cuộn dây thứ cấp máy biến áp giữ vai trò bảo vệ nên ta có thể bỏ qua vấn đề này

* Bảo vệ dòng điện dạng xung

- Khi trong mach xảy ra sự cố (ví dụ ngắn mạch ) thì dòng qua van tăng nhanh và kéo dài cỡ 5

10 ms Dòng quá lớn có thể dẫn đến đánh thủng van gây hỏng van Vì vậy ta cần phải có các phần tử để giảm dòng sự cố dưới mức cho phép Các

biện pháp có thể sử dụng là :

+ Tác động vào mạch điều khiển (sẽ trình bày trong phần mạch điều khiển)

+ Tác động vào mạch lực

- Dùng cầu chì tác động nhanh đặt trực tiếp cho van hay đặt ở đầu vào mạch

van, đầu ra phía một chiều

- Dùng Aptômat đặt ở đầu vào máy biến áp lực hay ở đầu ra của bộ chỉnh lưu

(Aptômat một chiều )

ở đây, ta sử dụng Aptômat một chiều vì nó có độ tác động nhanh hơn Aptômat xoay chiều

Ta chọn Aptômat BA- 20 có các thông số sau :

- Quá áp do đóng ngắt các khối chức năng của mạch chỉnh lưu :

+ Đóng máy biến áp vào lưới điện

+ Đóng mạch chỉnh lưu sau khi đóng biến áp có thể gây nên tốc độ tăng

+ Ngắt tải khỏi mạch chỉnh lưu gây quá áp do ảnh hưởng của điện cảm trong mạch

điện

- Quá áp do lưới điện : do đóng cắt các phụ tải chung nguồn với bộ chỉnh lưu hoặc do lưới

điện bị sét đánh

* Nguyên nhân bên trong của mạch :

- Quá áp do hiện tượng chuyển mạch giữa các van khi làm việc Loại quá áp này mang tính chu kỳ

+ Khi van chuyển từ khoá sang dẫn, điện áp trên van giảm từ một giá trị xác định xuống xấp xỉ 0 Đột biến này lan truyền lan truyền dưới dạng xung điện áp tới các van khác rất mạnh + Khi van chuyển từ dẫn sang khoá, do hiện tượng di tản điện tích khỏi van rất nhanh trong thời gian ngắn ( khoảng 15à s ), dòng qua van giảm rất nhanh gây

nên hiện tượng đột biến điện áp khi trong mạch có điện cảm

Mức quá áp loại này cũng lên đến 5 10 lần điện áp lưới và du cũng tới

dt

1000 V/à s

Do các nguyên nhân trên và các tác hại của việc van bị quá áp ta cần phải có một

bộ bảo vệ quá áp cho van ở đây ta sử dụng mạch R- C mắc song song với van

* Xác định các giá trị của R và C

Gọi Udmp ,Uimp : là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và điện áp

ngược đặt lên Thyristor một cách chu kỳ Các thông số này ta tra trong sổ tay tra

cứu

Udm np ,Uim np : là giá trị cực đại cho phép của điện áp thuận và điện áp ngược

đặt lên Thyristor một cách không chu kỳ Các thông số này ta tra trong sổ tay tra

Sau khi tính toán ta được giá trị R,C của mạch bảo vệ là :

- Từ đồ thị của chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu ba pha ta thấy trong một chu kỳ điện áp

đập mạch sáu lần, dòng diện đầu ra không bằng phẳng nên chất lương của dòng điện một chiều chưa cao Do vậy ta cần phải thiết kế một bộ lọc để

san phẳng các thành phần sóng hài bậc cao.Có bốn bộ lọc phổ biến là :

+ Bộ lọc điện cảm L + Bộ lọc

điện dung C

+ Bộ lọc LC

+ Bộ lọc hình π ( CLC)

ở đây ta sẽ thiết kế bộ lọc điện cảm

Dùng một điện cảm mắc nối tiếp với tải như hình vẽ

Điện áp ra của bộ chỉnh lưu có thể coi gồm hai

thành phần : thành phần một chiều U0 và thành phần

xoay chiều U~

+ Thành phần một chiều không bị điện cảm cản trở nên ta có U0t = U0

+ Thành phần xoay chiều sẽ bị sụt áp trên điện cảm L trước khi đi đến tải Do đó

nếu ZL càng lớn Rt thì điện áp đặp mạch qua Rt càng nhỏ Tuy nhiên, ZL cũng

không được phép lớn quá vì sẽ làm tăng kích thước của cuộn kháng

- Dây quấn của cuộn kháng lọc thường có tiết diện khá lớn nên điện trở thuần khá nhỏ nên có thể

bỏ qua Vì vậy, tổng trở của cuộn kháng xấp xỉ bằng điện kháng của cuộn kháng

Zck ≈ Xck = 2.π f.m.L = 2.π 50.6.0,01 = 18,84 Ω

m : Số lần đập mạch của điện áp chỉnh lưu

- Điện áp rơi trên cuộn kháng :

• Tính kích thước của lõi thép

- Diện tích của trụ là :

* Tính toán dây quấn cuộn kháng :

- Khi có thành phần dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng lọc, trong cuộn

kháng sẽ xuất hiện một suất điện động tự cảm E :

Eck = 4,44 w.f BT QFe kdq ≈  ∆ Uck Chọn mật độ từ cảm trong trụ là : BT = 1,1 T

w : Số vòng dây của cuộn kháng lọc