đồ án thiết kế máy hàn

Trong những năm gần đây, công nghệ hàn đang có những bước phát triển mạnh mẽ. Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá thì vai trò của công nghệ hàn ngày càng quan trọng. Chúng ta có thể gặp công nghệ hàn từ những vật dụng đơn giản như khung cửa sổ, khung xe đạp, xe máy…đến những chi tiết lớn hơn, hiện đại hơn như tàu vận tải, máy bay, tàu vũ trụ…Để thiết kế được những vật dụng ấy, vai trò của kỹ sư hàn là rất lớn. Nhằm tổng kết những kiến thức đã học qua 5 năm, là sinh viên năm thứ 5 ngành công nghệ hàn, em được giao đồ án tốt nghiệp: “ Thiết kế máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2“. Đồ án không chỉ đòi hỏi những kiến thức chuyên ngành hàn mà còn yêu cầu các kiến thức cơ bản về điện. Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Trịnh Duy Long, em đã hoàn thành đồ án được giao. Trong đồ án, gồm các phần chính như sau:

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

Điểm đánh giá: Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008 Giáo viên hướng dẫn (Họ tên và chữ ký)

.

Điểm đánh giá: Hà Nội, ngày… tháng… năm 2008 (Họ tên và chữ ký) MỤC LỤC Sự đập mạch của điện áp chỉnh lưu làm cho dòng tải cũng đập mạch theo, làm xấu đi chất lượng dòng điện một chiều Do đó, sau bộ chỉnh lưu, người ta mắc thêm cuộn kháng để lọc dòng điện chập mạch, ảnh hưởng đến chất lượng mối hàn 57

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ hàn đang có những bước phát triển mạnh mẽ Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá thì vai trò của công nghệ hàn ngày càng quan trọng Chúng ta có thể gặp công nghệ hàn từ những vật dụng đơn giản như khung cửa sổ, khung xe đạp, xe máy…đến những chi tiết lớn hơn, hiện đại hơn như tàu vận tải, máy bay, tàu vũ trụ…Để thiết kế được những vật dụng ấy, vai trò của kỹ sư hàn là rất lớn Nhằm tổng kết những kiến thức

đã học qua 5 năm, là sinh viên năm thứ 5 ngành công nghệ hàn, em được giao đồ

án tốt nghiệp: “ Thiết kế máy hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2“

Đồ án không chỉ đòi hỏi những kiến thức chuyên ngành hàn mà còn yêu cầu các kiến thức cơ bản về điện Được sự hướng dẫn tận tình của thầy Trịnh Duy Long,

em đã hoàn thành đồ án được giao Trong đồ án, gồm các phần chính như sau: Chương 1: Tổng quan về sản xuất và sử dụng máy hàn trong môi trường khí bảo

vệ CO2

Chương 2: Cấu tạo và nguyên lý làm việc của biến áp và máy hàn

Chương 3: Thiết kế nguồn điện hàn với các thông số đã cho

Chương 4: Một số bộ chỉnh lưu

CO2

Chương 6: Các bộ phận khác của máy hàn trong khí bảo vệ CO2

Trong quá trình làm đồ án, chắc chắn em không tránh khỏi sơ sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn

Em xin cảm ơn sự hướng dẫn giúp đỡ của các thầy trong bộ môn, đặc biệt là thầy Trịnh Duy Long – người đã hướng dẫn em trong suốt quá trình thực tập và làm đồ án tốt nghiệp

Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2008 Sinh viên thực hiện:

Đào Văn Thái

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT VÀ SỬ DỤNG MÁY HÀN

TRONG MÔI TRƯỜNG KHÍ BẢO VỆ CO 2

Trong những năm gần đây, khi Việt Nam gia nhập tổ chức thương mại thế giới (WTO) nền kinh tế của nước ta đã có những bước phát triển rõ rệt Các ngành kinh

tế đều có những bước phát triển cả về số lượng và chất lượng Đặc biệt ở Việt Nam khi công nghiệp đang phát triển mạnh mẽ, đóng góp tỉ trọng ngày càng lớn vào nền kinh tế của nước nhà Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, công nghệ hàn cũng ngày càng phát triển như một tất yếu Công nghệ hàn ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như chế tạo máy, xây lắp công trình công nghiệp và dân dụng như nhà cửa, cầu đường…và trong giao thông vận tải…Có thể nói, vai trò của công nghệ hàn là rất quan trọng: từ các vật dụng đơn giản trong gia đình đến các chi tiết máy lớn, từ các phương tiện giao thông thô

sơ đến các tàu vũ trụ

Trong công nghệ hàn, công nghệ hàn nóng chảy chiếm một vị trí quan trọng và rất hay gặp trong thực tế Với ưu điểm là:

- Có thể hàn được nhiều kim loại khác nhau với nhau

- Hàn được nhiều tư thế hàn khác nhau

- Khả năng hợp kim hoá mối hàn tốt

trong đó đặc biệt là trang thiết bị đơn giản, dễ chế tạo Đối với các kết cấu thông thường hay gặp, người ta sử dụng chủ yếu là thiết bị hàn hồ quang, có thể là hàn hồ quang tay, hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ, hay hàn hồ quang dưới lớp thuốc.Trong phạm vi làm đồ án tốt nghiệp, tác giả được giao nhiệm vụ thiết kế máy hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2

sống Nhiều phương phỏp hàn khỏc nhau đó ra đời nhằm phục vụ những mục đớch khỏc nhau của con người Một số phương phỏp hàn phổ biến như: hàn hồ quang tay, hàn hồ quang dưới lớp thuốc, hàn hồ quang trong mụi trường khớ bảo vệ, hàn điện xỉ… Trong đú hàn hồ quang trong mụi trường khớ bảo vệ chiếm một vị trớ quan trọng Vỡ, so với cỏc phương phỏp hàn khỏc, hàn CO2 đỏp ứng được cỏc yờu cầu cơ bản của người sử dụng Khi hàn trong mụi trường khớ bảo vệ thỡ khớ bảo vệ

cú thể là khớ hoạt tớnh hoặc khớ trơ Nhờ ưu điểm là rẻ tiền nờn khớ hoạt tớnh (chủ yếu là khớ CO2) ngày càng được ứng dụng rộng rói hơn Đặc điểm khi hàn trong mụi trường khớ bảo vệ CO2 (cho hàn thộp):

- Hồ quang khụng ờm - bắn túe nhiều,

- Khụng thuận lợi cho dịch chuyển dạng tia

Vai trũ của của khớ bảo vệ CO2 trong mối hàn: khi chịu nhiệt của hồ quang, CO2 bị phõn ly thành ụxi nguyờn tử và khớ CO ở nhiệt độ cao:

nhiệt độ ca o

O 2 2CO 2CO 2

Khi đú, hồ quang sẽ bị bóo hoà ụxi (là chất cú điện thế ion hoỏ cao và ỏi lực mạnh với điện tử) Cỏc nguyờn tử ụxi cú thể kết hợp với điện tử để hỡnh thành ion õm;

điện tích dương gần catot, và các điện tử sẽ không có được sự gia tốc cần thiết tại cùng catot Một khi động năng yếu, các điện tử dễ bị kết hợp vào các nguyên tử ôxi

và các ion dương Kết quả là mức độ ion hoá giảm mạnh Điều này còn trầm trọng hơn khi sử dụng dòng hàn xoay chiều: một phần các ion âm tập trung gần anot sẽ làm tăng điện tích thể tích âm tại đó, và khi dòng điện đổi chiều, lúc các điện tích thể tích vùng catot và anot hướng vào nhau, sẽ sảy ra sự kết hợp ion thành nguyên

tử Do đó người ta không sử dụng dòng xoay chiều cho hàn trong CO2 mà sử dụng dòng một chiều cực nghịch [9]

Cấu tạo thông dụng của máy hàn bán tự động CO2 như hình vẽ 1.1:

Nguån ®iÖn hµn KhÝ b¶o vÖ

Cuén d©y hµn

Sóng hµn Chôp khÝ b¶o vÖ

Bé cÊp d©y hµn

C¸p hµn VËt hµn

§ång hå ®o khÝ

C¸p nguån

Hình 1.1.Thiết bị hàn hồ quang bán tự động bằng điện cực nóng chảy

trong môi trường khí bảo vệ.

1 Nguồn điện hàn

Nguồn hàn điện phổ biến là loại một chiều nối cực dương vào súng hàn và cực âm vào vật hàn (hồ quang ổn định, dịch chuyển kim loại êm, ít bắn tóe trên toàn bộ dải dòng điện hàn) Trong thực tế, trong các loại đặc tuyến, nguồn điện hàn có đặc tuyến thoải (dùng chung với bộ cấp dây hàn có tốc độ cấp dây cố định) cho chiều dài hồ quang tự điều chỉnh thuận tiện cho thao tác, đặc biệt với hàn thép Đặc tính

tự điều chỉnh của hồ quang khi sử dụng nguồn điện hàn với đặc tuyến thoải có tầm quan trọng đặc biệt trong việc tạo ra điều kiện hàn ổn định Nguồn một chiều cực thuận hầu như không dùng do hồ quang không ổn định và bắn toé nhiều Nguồn xoay chiều loại cũ ít dùng do hồ quang không ổn định Nguồn hàn xoay chiều loại mới có chế độ xung cho hồ quang ổn định, ít bắn toé [9]

Tuy nhiên, để tạo điều kiện hàn thuận lợi nhất, cần có thêm điều chỉnh cần thiết khác, đặc biệt cho hàn với chế độ ngắn mạch Đó là:

- Điện áp hồ quang: giá trị của nó không nên chỉ đọc trực tiếp từ bảng điều khiển của máy hàn vì còn có sự sụt giảm điện áp trong mạch điện hàn Điện áp hồ quang thay đổi theo tỉ lệ thuận với chiều dài hồ quang

- Độ dốc của đặc tuyến của máy hàn là tỷ số giữa thay đổi điện áp và thay đổi tương ứng của dòng điện hàn Độ dốc này thường là một giá trị không đổi cho nguồn điện hàn cụ thể Khi mạch điện hàn bị tăng điện trở (thông qua cáp hàn, chỗ nối cáp không hoàn thiện, mặt tiếp xúc bị bẩn) thì độ dốc của đặc tuyến sẽ tăng Dòng điện ngắn mạch là hàm số của độ dốc của đường đặc tuyến của nguồn điện hàn Độ dốc càng lớn thì dòng này càng nhỏ Khi dòng ngắn mạch tối đa có giá trị thích hợp, giọt kim loại nóng chảy sẽ dễ dàng tách ra khỏi điện cực và dịch chuyển vào vũng hàn mà không đi cùng hiện tượng bắn toé

- Độ tự cảm: khi thay đổi tải tức thời tại nguồn điện hàn, dòng điện hàn cần có một thời gian nhất định để đạt được giá trị mới của nó Độ tự cảm của mạch hàn là đại lượng ảnh hưởng chủ yếu đến sự trễ về thời gian này Với hàn hồ quang bằng

cực và dịch chuyển vào vũng hàn dưới tác động của hiệu ứng Pinch Hiệu ứng pinch tối đa do giá trị của dòng điện hàn quyết định Dòng điện hàn này lại phụ thuộc vào đặc điểm của nguồn điện hàn Tốc độ gia tăng hiệu ứng Pinch phụ thuộc vào tốc độ gia tăng dòng điện hàn Độ tự cảm của nguồn điện hàn quyết định sự tăng dòng điện hàn này (hình 1.2) [9]

Cã c¶m kh¸ng Kh«ng cã c¶m kh¸ng

I(A)

t 0

Hình 1.2 Ảnh hưởng của cảm kháng đến mức độ tăng dòng điện

Nếu tạo nên hiệu ứng pinch một cách nhanh chóng, giọt kim loại nóng chảy sẽ bị dịch chuyển một cách cưỡng bức ra khỏi đầu điện cực và gây ra hiện tượng bắn toé Độ tự cảm càng lớn thì tần suất dịch chuyển ngắn mạch của các giọt kim loại vào vũng hàn sẽ càng nhỏ, làm cho thời gian có hồ quang tăng lên Sự gia tăng thời gian có hồ quang này sẽ làm cho vũng hàn có độ chảy loãng cao hơn, làm cho mối hàn có chiều sâu chảy nhỏ và chiều rộng mối hàn tăng lên Khi giảm độ tự cảm thì

sẽ xảy ra điều ngược lại Với dạng dịch chuyển tia, việc bổ xung cảm kháng vào nguồn điện hàn sẽ làm hồ quang êm hơn mà không làm giảm giá trị cuối cùng của dòng điện hàn Tuy nhiên độ tự cảm quá lớn sẽ làm cho đầu điện cực bị dính chặt vào vật hàn khi gây hồ quang Có thể giữ cho bắn toé ở mức tối thiểu khi có tốc độ tăng dòng điện hàn và có giá trị dòng điện hàn đủ lớn [9]

2 Bộ cấp dây hàn

Bộ cấp dây có tốc độ cấp dây cố định được điều khiển bằng điện tử và bảo đảm sự ổn định cần thiết cho các thông số của chế độ hàn Các bộ phận của nó

tác động của thời tiết và bụi Tốc độ cấp dây thường trong khoảng 1,9 ÷ 30,5 m/min [9].

3 Bộ phận điều khiển

Thông thường bộ phận điều khiển các thông số hàn thường đi kèm với nguồn điện hàn Chức năng chính của bộ phận điều khiển hàn là khống chế tốc độ cấp dây hàn Bộ phận điều khiển cũng khống chế việc bắt đầu và ngưng cấp dây hàn thông qua tín hiệu nhận được từ súng hàn Khí bảo vệ và dòng điện hàn thường được đưa vào súng hàn thông qua bộ phận điều khiển Các thiết bị hiện đại ngày nay dựa trên

cơ sở sử dụng kỹ thuật biến tần cho phép cải thiện đáng kể các đặc tính công nghệ của hồ quang, đặc biệt trong môi trường CO2 (gây hồ quang gần như tức thời, giảm hiện tượng bắn toé khi hàn, sử dụng điều khiển dạng sang xung của dòng điện hàn) [9]

4 Súng hàn và phụ kiện:

Theo cấu tạo, chụp khí bảo vệ có thể thẳng hoặc cong, được làm mát chủ yếu bằng không khí

Các phụ tùng cơ bản của súng hàn bao gồm:

- Bép hàn-ống tiếp điện nằm bên trong chụp khí bảo vệ, thường được chế tạo bằng đồng hoặc hợp kim đồng, dùng để dẫn dòng điện hàn vào dây hàn ống kẹp điện cực được nối với nguồn điện hàn thông qua cáp hàn Các ống kẹp có cỡ khác nhau, tuỳ thuộc vào kích thước và kim loại dây hàn

- Chụp khí bảo vệ có nhiệm vụ hướng cột khí bảo vệ vào vũng hàn Tuỳ theo loại khí và cường độ dòng điện hàn, cần chọn đúng cỡ chụp khí

- Ống dẫn dây hàn được nối với bộ cấp dây hàn và có tác dụng đỡ và dẫn hướng dây hàn tới ống kẹp điện cực Chi tiết này quan trọng vì nó quyết định việc cấp dây hàn không gián đoạn (không tắc) Bề mặt trong của ống dẫn điện cực có thể làm bằng các loại vật liệu khác nhau tuỳ theo kim loại cơ bản cần hàn ( thép cho hàn thép, hàn đồng; nylon cho hàn nhôm, hàn ma nhê) Ống dẫn điện cực có kích thước

- Ống dẫn khí bảo vệ

- Ống dẫn nước làm mát, để làm mát cho mỏ hàn có thể bằng khí CO2 thổi ra vũng hàn hoặc dùng nước lưu thông trong mỏ hàn, khi hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 nếu dòng điện hàn lớn hơn 500 A, thì sử dụng làm mát bằng nước

- Cáp hàn

- Công tắc điều khiển

5 Van giảm áp cho khí bảo vệ

Van giảm áp có nhiệm vụ cung cấp liên tục khí bảo vệ đã giảm áp cho súng hàn ở áp suất làm việc cố định Van giảm áp có thể là một hoặc hai cấp (áp suất khí

ổn định hơn) và có thể kèm lưu lượng kế Riêng với khí CO2, còn có bộ nung nóng chống đóng băng khí được cung cấp kèm theo van giảm áp [9]

Có thể thấy, so với các phương pháp hàn khác thì hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 có nhiều ưu điểm, do đó hàn trong môi trường khí CO2 ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong sản xuất Việc phát triển mạnh công nghệ hàn trong môi trường khí CO2 kéo theo sự phát triển của các thiết bị hàn đi kèm, trong đó có máy hàn CO2

1 Tình hình phát triển máy hàn CO 2 trên thế giới

Trên thế giới hiện nay, đã có rất nhiều phương pháp hàn đã được ứng dụng vào sản xuất Từ các phương pháp đã xuất hiện từ lâu đời như hàn hồ quang tay, hàn dưới lớp thuốc, hàn điện xỉ … cho đến các phương pháp hàn đặc biệt như hàn siêu

âm, hàn lade, hàn ma sát…Các phương pháp hàn mới tỏ rõ những ưu điểm nổi bật

và đang dần thay thế các phương pháp hàn cổ điển Tuy nhiên có một phương pháp hàn hồ quang mà vai trò của chúng vẫn rất quan trọng đó là hàn hồ quang trong môi trường khí bảo vệ Nó có ưu điểm hơn ở các phương pháp hàn cổ điển là tính

cơ động, chất lượng và năng suất cao Có thể hàn được nhiều vị trí khác nhau và nhiều kim loại khác nhau Chúng cũng thuận tiện cho hàn trong các nhà máy vì có khả năng tự động hoá cao Chúng có ưu điểm hơn ở các phương pháp hàn mới là thiết bị đơn giản và rẻ tiền hơn Chính vì thế mà hiện nay máy hàn trong môi trường khí bảo vệ vẫn được sản xuất và sử dụng rộng rãi

máy hàn được sản xuất Các máy hàn mới ra đời được sử dụng nhiều các công nghệ mới nên đáp ứng tốt hơn những yêu cầu của người tiêu dùng Một số tính năng của các máy hàn hiện nay đó là:

- Hồ quang cháy ổn định, rất ít bắn toé kim loại khi hàn

- Dòng điện hàn và điện áp hàn có thể thay đổi bằng bộ điều khiển từ xa đơn giản

- Để tiết kiệm điện năng, máy hàn có bộ tự động ngắt điện nguồn vào máy sau 7 phút không hàn ( không có tác động vào mỏ hàn) Khi hàn chỉ cần bấm công tắc mỏ hàn, máy hàn lại làm việc bình thường

- Có thể điều khiển dòng hàn, điện áp hàn và thời gian hàn cho phần cuối đường hàn để tránh tạo ra vết lõm mối hàn ở phần cuối của mỗi chu trình hàn như ở dưới đây:

- Máy hàn có thể dùng nhiều loại cỡ dây hàn

- Có chế độ chọn dây hàn hoặc dây hàn có lõi thuốc

Nhiều hãng sản xuất lớn như ESAB - Thuỵ Điển; SAF - Pháp; LINCONL - Mỹ; Panasonic - Nhật; Deawo - Hàn Quốc…Dưới đây là một số máy hàn của các hãng:

Hệ máy hàn do hãng Panasonic sản xuất được điều khiển bằng Tiristo, hệ thống máy hàn bán tự động với bộ điều khiển từ xa

Một số ưu điểm của hệ máy hàn trên là:

- Dễ dàng điều chỉnh bằng bộ điều khiển từ xa

- Hồ quang tự điều chỉnh khi thay đổi khoảng cách vùng nóng chảy

Hình 1.3 Máy hàn bán tự động của hãng Panasonic

- Sử dụng 3 loại dây hàn có đường kính khác nhau

- Bảo vệ ngắn mạch là chức năng có sẵn trên máy

- Dòng hàn và điện áp hàn khi kết thúc dễ dàng điều chỉnh được

- Làm sạch bép hàn và điều chỉnh thời gian cháy sau

- Bảng điều khiển tích hợp các tính năng dễ quan sát và dễ vận hành

- Nhờ công nghệ độc đáo mà giảm được bắn toé và ổn định hồ quang

Bảng thông số kỹ thuật (trang bên):

2 Tình hình phát triển máy hàn CO 2 tại Việt Nam

Ở Việt Nam, các máy hàn CO2 ngày càng được sản xuất và sử dụng rộng rãi Các công ty, nhà máy sản xuất lắp ráp máy hàn ngày càng nhiều Trong đó có các công ty như: Công ty TNHH Hoa Thịnh - đại lý phân phối độc quyền các sản phẩm hàn, cắt kim loại của tập đoàn ITW - Mỹ Công ty TNHH Nam Phát (Tp.HCM) - nơi sản xuất máy hàn STARMIG NWM 03 250 sau 4 năm nghiên cứu và đã đưa vào sản xuất Thiết bị hàn Phong Dủ là đại lý chính thức, đầu tiên phân phối các thiết bị hàn & cắt kỹ thuật cao của nhà sản xuất chuyên nghiệp và hàng đầu của Malaysia - WIM (Welding Industries Malaysia Sdn Bhd) & Đài Loan - HERO

khác như Kim Đại Hưng, Tân An Phát…cũng đã và đang phát triển máy hàn CO2 Một số máy hàn của các hãng được giới thiệu dưới đây (hình 1.4)

Nguồn hàn DC YD -200KR2 YD -350KR2 YD -500KR2

Phương pháp điều

khiển

Loại dây hàn sử dụng Đặc/ lõi thuốc Đặc/ lõi thuốc Đặc/ lõi thuốc

Hình 1.4 Máy hàn của công ty Tân Thành

Ngoài ra còn có nhiều loại máy hàn với các công suất khác nhau của nhiều hãng khác nhau để phục vụ rộng rãi cho người tiêu dùng

3 Lý do và xu hướng phát triển của máy hàn CO 2 tại Việt Nam

Ngay từ khi mới du nhập vào Việt Nam, hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2

đã được tiếp nhận rộng rãi vì nhiều lý do khác nhau:

- Nó đảm bảo tính kinh tế, nhất là khi nền kinh tế của Việt Nam còn đang trong quá trình tiến lên công nghiệp hoá, hiện đại hoá

- Đảm bảo tính linh động khi có thể hàn được nhiều tư thế khác nhau, nhiều kim loại khác nhau Thuận tiện cho các cơ sở sản xuất có quy mô vừa và nhỏ

- Đảm bảo được cơ tính đạt yêu cầu với người sử dụng

- Có khả năng tự động hoá cao, nhằm nâng cao năng suất và quy mô sản suất Chính vì nhiều lý do trên mà công nghệ hàn khí CO2 đang được phát triển rất rộng rãi ở nước ta Mặc dù hiện nay nhiều phương pháp hàn mới ra đời nhưng chắc chắn phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ CO2 vẫn sẽ chiếm một vị trí quan trọng trong các công nghệ hàn của nước ta Tuy nhiên để có được điều đó chắc chắn công nghệ hàn CO cần có nhiều thay đổi, đặc biệt là về máy hàn Máy

công nghệ để nâng cao chất lượng máy, cải thiện chất lượng mối hàn Trong thời gian gần đây, một thế hệ mới thiết bị hàn điều khiển bằng kỹ thuật số đã có mặt trên thị trường [9] Các nguồn điện hàn như vậy mở ra những cơ hội mới để tăng khả năng kết nối với một loại thiết bị ngoại vi (robot, bộ cấp dây hàn, bộ điều khiển từ xa…), cải thiện quá trình gây và cháy của hồ quang cũng như đem lại nhiều lợi thế về mặt tỷ lệ giá cả/tính năng.

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

2.1 Giới thiệu về biến áp một pha

2.1.1 Khái niệm

Máy biến áp là một thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lí cảm ứng điện từ, biến đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi[10]

Đầu vào của biến áp được nối với lưới điện, được gọi là sơ cấp Đầu ra của biến áp được nối với tải gọi là thứ cấp

Khi điện áp đầu ra thứ cấp lớn hơn điện áp vào sơ cấp ta có máy biến áp tăng áp

Khi điện áp đầu ra thứ cấp nhỏ hơn điện áp vào sơ cấp ta có máy biến áp hạ áp

Các đại lượng và thông số của máy biến áp

+ I2 : Dòng điện qua cuộn thứ cấp (A).

+ P2 : Công suất thứ cấp (W)

+ W2 : Số vòng dây cuộn thứ cấp (vòng)

2.1.2 Cấu tạo biến áp

Máy biến áp có 2 bộ phận chính đó là : Mạch từ và Dây quấn

Theo sự phân bố sắp xếp tương đối giữa trụ gông và dây quấn mà ta có các loại mạch từ như sau : mạch từ kiểu trụ và mạch từ kiểu bọc [12] Đối với máy hàn, chủ yếu là dùng mạch từ kiểu trụ

* Mạch từ kiểu trụ (hình 2.2):

Dây quấn ôm lấy trụ sắt, gông từ chỉ giáp phía trên và phía dưới dây quấn mà không bao lấy mặt ngoài của dây quấn, trụ sắt thường bố trí đứng, tiết diện trụ có dạng gần hình tròn, kết cấu này đơn giản, làm việc bảo đảm, dùng ít vật liệu, vì vậy hiện nay hầu hết các máy biến áp đều sử dụng kiểu mạch từ này [12]

Hình 2.2 Kết cấu mạch từ kiểu trụ.

2.1.2.2 Dây quấn máy biến áp

Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng, cũng có thể bằng nhôm ( ít phổ biến)

Dây quấn gồm nhiều vòng dây và được lồng vào trụ mạch từ giữa các vòng dây, dây quấn có cách điện với nhau và các cuộn dây được cách điện với lõi

Dây quấn máy biến áp gồm có 2 cuộn cuộn cao áp và cuộn hạ áp

Theo cách sắp xếp dây quấn cao áp và hạ áp, người ta chia ra hai loại dây quấn chính đó là : Dây quấn đồng tâm và dây quấn xen kẽ [12] Trong máy hàn người ta chủ yếu dùng phương pháp nối dây quấn đồng tâm

cuộn hạ áp đặt sát trụ còn cuộn cao áp đặt ngoài Bố trí cuộn cao áp đặt ngoài sẽ đơn giản đuợc việc rút đầu dây điều chỉnh điện áp cũng như giảm được kích thước rãnh cách điện giữa các cuộn dây và giữa cuộn dây với trụ [12].

Hình 2.3 Dây quấn đồng tâm

2.1.3 Làm mát máy biến áp

2.1.3.1 Sự lão hoá cách điện

Khi biến áp làm việc, dòng điện chạy trong dây quấn, từ trường trong lõi thép sinh các tổn hao công suất biến thành nhiệt làm nóng các chi tiết trong máy

Sự tăng nhiệt làm giảm khả năng sử dụng vật liệu tác dụng, khi tăng nhiệt độ thì vật liệu cách điện sẽ bị lão hoá [4]

Để vận hành hợp lý máy biến áp phải có quy định nhiệt độ cho phép lớn nhất Đối với các máy hàn nhiệt độ lớn nhất cho phép ≤ 850C

2.1.3.2.Các phương thức truyền nhiệt

Nhiệt được truyền từ máy hàn ra môi trường qua các vật liệu thể rắn, lỏng, khí Truyền nhiệt qua thể rắn dưới dạng dẫn nhiệt, qua thể lỏng và khí ở dạng đối lưu Ở vỏ máy biến áp còn được truyền ra môi trường xung quanh dưới dạng bức

Có hai biện pháp giải quyết sau:

- Dùng một vài quạt lớn thổi gió qua hệ thống ống tới cánh tản nhiệt Phương án này có ưu điểm là động cơ quạt lớn, có hiệu suất cao, nhưng có nhược điểm là phải thổi gió qua ống, gây tổn hao năng lượng

- Dùng nhiều quạt nhỏ, mỗi quạt thông gió cho 2-4 cánh tản nhiệt Phương pháp này có ưu điểm là có thể tuỳ thuộc vào điều kiện mang tải của biến áp để quyết định số lượng quạt làm việc

Ở các máy hàn, người ta thường sử dụng một quạt gió để thổi từ đầu này sang đầu kia để giảm nhiệt Các thiết bị làm mát chủ yếu để làm mát cho hệ thống các van bán dẫn

Máy hàn thiết kế ứng với làm mát bằng thổi gió nhân cưỡng bức, khi vận hành không thổi gió thì phải giảm công suất của máy theo điều kiện sau [4]:

1.Tỉ lệ tổn hao đồng và tổn hao sắt từ ứng với phụ tải định mức là:

d dm.

st

P a P

∆

=

∆ (2.1)

2.Tỷ lệ nhiệt năng tiêu tán (∆Pcb) có thổi gió ở công suất định mức và tiêu tán (∆

Ptn) khi không thổi gió mà vẫn đảm bảo không quá nhiệt là:

cb tn

P b P

quạt gió thì sẽ giảm 68% công suất định mức.

Thiết bị làm mát quyết định trị số b lớn hay nhỏ, nếu b lớn tức là bề mặt cánh tản nhiệt nhỏ, rẻ tiền hơn và thuận tiện trong khâu vận chuyển máy

2.1.4 Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Nguyên lý làm việc của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và sử dụng từ thông biến thiên của lõi thép sinh ra [10]

Các cuộn dấy sơ cấp và thứ cấp trong một máy biến áp không có liên hệ với nhau

về điện mà chỉ có liên hệ với nhau về từ

Xét sơ dồ nguyên lý của một máy biến áp 1 pha có 2 dây quấn w1 và w2 như hình

Hình 2.4 Nguyên lý làm việc của máy biến áp

Khi đặt một điện áp xoay chiều u1 vào dây cuốn sơ cấp, sẽ có dòng điện i1

chạy trong dây quấn w1 Dòng điện i1 sinh ra từ thông biến thiên chạy trong lõi thép, từ thông này móc vòng (xuyên qua ) đồng thời cả 2 dây quấn w1 và w2, được gọi là từ thông chính

Theo định luật cảm ứng điện từ, sự biến thiên của từ thông làm cảm ứng vào dây quấn sơ cấp sức điện động là:

Và cảm ứng vào dây quấn thứ cấp sức điện động là:

e2= - W2

dt

, (2.7)Trong đó: W1, W2 là số vòng của dây quấn sơ cấp và thứ cấp Khi máy biến áp không tải, dây quấn thứ cấp hở mạch, dòng điện thứ cấp I2 = 0, từ thông chính trong lõi thép chỉ do dòng sơ cấp I1 sinh ra

Khi máy biến áp có tải, dây quấn thứ cấp nối với tải có tổng trở Zt, dưới tác động của sức điện động e2, có dòng điện thứ cấp i2 cung cấp điện cho tải Khi ấy từ thông chính do đồng thời cả 2 dòng sơ cấp I1 và thứ cấp I2 sinh ra

Điện áp U1 hình sin nên từ thông cũng biến thiên hình sin, ta có:

Φ = Φmax sin ωt (2.8)

e1 = -W1 d( max sin t)

dt

ω Φ

E1, E2 là trị số hiệu dụng sức điện động sơ cấp, thứ cấp

Nhìn vào công thức (2.9) và (2.10) ta thấy: sức điện động thứ cấp và sơ cấp có cùng tần số, nhưng trị số hiệu dụng khác nhau

Nếu chia E1 cho E2, ta có:

1 1

2 2

W W

E k E

= = (2.13)

Nếu bỏ qua điện trở dây quấn và từ thông tản ra ngoài không khí, có thể coi gần đúng U1 ≈ U2, E1 ≈ E2 ta có:

1 1 1

2 2 2

W W

k

= = = (2.14)

Nghĩa là tỷ số điện áp sơ cấp và thứ cấp đúng bằng tỷ số vòng dây

Đối với máy biến áp tăng áp có : U2 > U1 ; W2 > W1;

Đối với máy biến áp hạ áp có : U2 < U1 ; W2 < W1,

Như vậy dây quấn sơ cấp và thứ cấp không có liên hệ với nhau về điện nhưng nhờ có từ thông chính, năng lượng đã được truyền từ dây quấn sơ cấp sang thứ cấp

Nếu bỏ qua tổn hao trong máy biến áp, có thể coi gần đúng, quan hệ giữa các đại lượng sơ cấp và thứ cấp như sau [10]:

2.2.1 Cấu tạo của biến áp ba pha

Biến áp ba pha có thể coi như là 3 máy biến áp một pha ghép lại với nhau được thể hiện như hình dưới :

MBA 3 MBA 2 MBA 1

c

b y zx

a

Z Y X

C B

A

H¹ ¸p Cao ¸p

Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo của máy biến áp 3 pha

2.2.2 Nối dây máy biến áp 3 pha

Có nhiều cách nối dây máy biến áp khác nhau được thể hiện qua hình dưới (hình 2.7)

Các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có thể nối theo hình sao hay tam giác Do vậy

có thể có các cách nối sao – sao, tam giác – tam giác, sao – tam giác, và tam giác – sao

Với cùng một cách nối, chẳng hạn nối sao – sao, có thể nối các đầu cuộn hay cuối cuộn sơ cấp hoặc hạ cấp khác nhau như hình trên Do đó, các góc lệch pha giữa các cuộn sơ cấp và hạ cấp của một pha có thể khác nhau: có thể trùng pha hay ngược pha (hình 2.7)[5]

h g

f e

d c

b a

z xy

x y z c

a b

y x z b a b a

c zy x

(y) (x) (z) c b a b

a xy X

Y

Z C

A B A B C

Z X

A B A C Z Y X

B A C Z Y X

x y c

a b

A B

C (Z)(X) (Y)

(y) (z) c b a

(Y) (X) (Z)

C B A

X Y

Z C

A B

(a) z (c)

y (b) x

b c

a xy B A C Z X A B C (Z) (X) a b c (z) (x) (Y) (Z)

C B A b a

c z y x X Y

Z C A B

x

z y

a c b y x z c b a X Y

Z C

A B A

B C

Z X Y

x y z c

a b a b c

z x y Y A B A C Z Y X

Hình 2.7 Các cách nối các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp biến áp ba pha và góc lệch

pha tương ứng giữa điện áp sơ cấp và thứ cấp

2.3 Biến áp trong máy hàn CO 2

Đối với nguồn điện hàn cần thiết kế, ta chọn biến áp hàn 3 pha hạ áp + bộ chỉnh lưu Đối với máy hàn đặc biệt chú ý đến yêu cầu về nguồn điện hàn

2.3.1 Yêu cầu đối với nguồn điện hàn hồ quang

Đối với hàn hồ quang một chiều, yêu cầu quan trọng nhất là hồ quang sau khi được tạo ra phải cháy ổn định Vì sự ổn định của hồ quang hàn đảm bảo cho chất

lượng mối hàn tốt, hình dáng đẹp Để hồ quang hàn được ổn định thì cần có một số yêu cầu sau :

2.3.1 Yêu cầu về sự ổn định tĩnh của nguồn điện hàn hồ quang

Sự ổn định tĩnh của hồ quang chỉ xét sự tồn tại của hồ quang hàn mà không xét đến quá trình chuyển dịch của kim loại từ que hàn, dây hàn (điện cực) vào vũng hàn (vùng hồ quang)

Đường đặc tính tĩnh của hồ quang hàn được biểu thị trên hình 2.8:

U hq

D C

Hình 2.8 Đường đặc tính tĩnh của hồ quang

Đó là mối quan hệ giữa điện áp hồ quang Uhq và dòng điện hồ quang Ihq

Đường đặc tính tĩnh của hồ quang được chia ra làm 3 đoạn chính:

- Đoạn AB: đường đặc tính dốc, khi mật độ dòng điện hàn < 12 A/mm2

- Đoạn BC: đường đặc tính cứng, khi mật độ dòng điện:

12 A/mm2 < j ≤ 80-100 A/mm2

- Đoạn CD: đường đặc tính tăng, khi mật độ dòng điện: j ≤ 80-100 A/mm2

Khi chiều dài hồ quang thay đổi thì đường đặc tính tĩnh của hồ quang cũng thay đổi theo (lhq1 < lhq2) hoặc khi đường kính điện cực khác nhau thì hình dạng của đường đặc tính tĩnh của hồ quang cũng bị thay đổi (d1 < d2 <d3), được mô tả như trên hình 2.9

Hình 2.9 Sự thay đổi của đặc tính tĩnh khi hàn

Để hồ quang cháy ổn định thì hệ số ổn định hồ quang:

∂ - điện trở động của nguồn điện hàn

Ko - điện trở động của hệ thống nguồn điện - hồ quang hàn

2.3.2 Đặc tính ngoài của nguồn điện

Đường đặc tính ngoài là quan hệ giữa Unguồn và Ihq

Ung = f(Ihq)

Hiện nay các nguồn điện hàn được sản xuất trên thế giới có đường đặc tính ngoài ở

5 dạng cơ bản như trên hình 2.10

I hq

0

3 2 1

U ng

5 4

Hình 2.10 Đường đặc tính ngoài của nguồn điện

1- Đường đặc tính dốc : ng

hq

U I

chiều dài hồ quang thay đổi sẽ làm dòng hàn thay đổi ít hơn so với nguồn điện hàn

Hình 2.11 Ảnh hưởng của đường đặc tính ngoài

Tóm lại, đối với đặc tính ngoài của nguồn điện, khi đặc tính càng dốc thì sẽ cho hồ quang càng ổn định khi hàn Tuy nhiên giá thành của nguồn có đặc tính dốc

sẽ đắt hơn so với nguồn có đặc tính khác Vì vậy, tùy theo yêu cầu của từng phương pháp hàn mà ta nên chọn đường đặc tính ngoài sao cho hiệu quả nhất

Hình 4.12 Quan hệ giữa điện kháng X và đặc tính ngoài.

Sự ổn định của hồ quang hàn không chỉ phụ thuộc vào đặc tính ngoài của nguồn điện mà còn phụ thuộc vào đặc tính tĩnh của nguồn điện hàn Ta xét sự ốn định của

hồ quang hàn khi có cùng đường đặc tính ngoài như nhau nhưng đặc tính tĩnh khác nhau (hình 2.13):

2'3'

dòng điện hàn thay đổi ít hơn so với đặc tính tĩnh của hồ quang ở đoạn cứng và dốc (nghĩa là đường đặc tính tĩnh tăng sẽ cho hồ quang ổn định hơn đặc tính cứng và dốc) Khi hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2, dây hàn được đẩy vào vùng hồ quang nhờ cơ cấu động cơ đẩy dây tự động Do vậy, ta có thể chọn mật độ dòng điện cao j > 80-100 A/mm2 (tức là đường đặc tính tĩnh ở đoạn tăng-cho hồ quang ổn định) và đường kính dây hàn nhỏ Φdây hàn = 0,8-1,2 mm.

Khi chọn đường đặc tính tĩnh tăng hq 0

hq

U I

∂

>

ng hq

U I

2.3.3 Yêu cầu đối với điện áp không tải

Khi hàn hồ quang một chiều: U20 = 45 – 50 (V)

2.3.4 Yêu cầu với dòng ngắn mạch

Trong quá trình hàn thường xuyên xảy ra hiện tượng ngắn mạch do kim loại từ que hàn chuyển dịch vào mối hàn làm cho dòng ngắn mạch lớn, có thể gây hỏng Do vậy yêu cầu quy định :

Ingắn mạch = (1,4-2)Ihàn = (1,4 - 2)350 = (490 - 700) A

Tớnh chất động của nguồn điện hàn được đặc trưng bởi tải động của nguồn điện, tải này là một chu trỡnh tuần hoàn: ngắn mạch, gõy hồ quang, hồ quang chỏy

ổn định Cỏc quỏ trỡnh chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khỏc rất nhanh nhưng khụng phải tức thời, thời gian này được xỏc định bằng quỏn tớnh điện từ của nguồn điện Quỏn tớnh điện từ càng lớn thỡ quỏ trỡnh chuyển dịch từ giai đoạn này sang giai đoạn khỏc càng chậm Trong giai đoạn ấy, U và I cú trị số khỏc với chế

độ làm việc ổn định làm quỏ trỡnh hàn sẽ khụng ổn định Tốc độ thay đổi dũng điện

từ giai đoạn này sang giai đoạn khỏc biểu thị tớnh chất động của nguồn điện Tất cả cỏc mỏy hàn đều cú tớnh chất động sao cho thời gian phục hồi đến điện ỏp 25 (V) khụng lớn hơn 0,05 giõy

Nếu thời gian phục hồi điện ỏp tph quỏ nhanh thỡ I tăng nhanh→ sẽ ảnh hưởng đến bắn toộ kim loại trong quỏ trỡnh hàn Quan hệ giữa hệ số bắn toộ và điện cảm L như hỡnh vẽ dưới:

L (điện cảm)

hệ số bắn tóe K

K đ = 1,2-2,5

t ph < 0,05 s

U hq đến 25V

Hỡnh 2.14 Quan hệ giữa hệ số bắn toộ K và điện cảm L

Khi điện cảm L lớn, thỡ hệ số bắn toộ K giảm, nhưng khi đú sẽ xảy ra hiện tượng bún cục Do đú, khi chế tạo mỏy biến ỏp phải tớnh chế tạo L cho phự hợp.Người ta đưa ra hệ số ổn định động (KĐ ) để biểu thị quỏ trỡnh này:

KĐ = Ihq(pic)/ Ihqụ = 1 ữ 2,5

Trong đú: Ihq(pic) – dũng điện hàn cực đại

Kết luận: như vậy yêu cầu đối với nguồn điện hàn cho hàn bán tự động trong môi trường khí bảo vệ CO2:

1 Nguồn điện hàn có đặc tính ngoài cứng

2 Đặc tính tĩnh của hồ quang tăng (mật độ dòng điện j >80 ÷ 100 A/mm2)

3 Điện áp không tải U20 = 45 ÷ 50 V

Căn cứ vào điều kiện này,tác giả tiến hành thiết kế nguồn hàn CO2

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN HÀN VỚI

CÁC THÔNG SỐ ĐÃ CHO

- Nguồn vào ba pha: 380 V

- Công suất nguồn hàn: 18 KVA

- Khoảng điều chỉnh dòng hàn: 60 - 350 A

- Điện áp hàn: 16 - 36 V

- Điện áp tạo hồ quang: 16 - 36 V

- Chu kỳ làm việc: 60 %Với yêu cầu chất lượng dòng hàn một chiều tốt, nên cấu tạo của máy hàn gồm có các bộ phận sau :

- Biến áp ba pha

- Bộ chỉnh lưu biến dòng xoay chiều thành một chiều

- Bộ phận điều khiển dòng điệnTuân theo các bước thiết kế bộ chỉnh lưu công suất tác giả tiến hành theo các bước sau [1]:

1.Tìm hiểu yêu cầu công nghệ của tải mà bộ nguồn phải cấp

4.Tính toán các đặc tính vận hành cơ bản của bộ phận chỉnh lưu

5.Tính thiết kế mạch điều khiển

Sau khi định hướng các bước làm, tác giả đi vào từng vấn đề cụ thể

3.1 Yêu cầu đối với tải

Biến áp thiết kế phải thỏa mãn yêu cầu đối với nguồn điện hàn như trình bày ở mục 2.3 trong luận văn này

- Việc chọn sơ đồ chỉnh lưu cho tải hàn hồ quang điện một chiều được căn cứ vào đặc điểm vào yêu cầu về chất lượng điện áp và dòng điện một chiều mà tải hàn cần cung cấp :

+ Căn cứ vào yêu cầu của tải hàn hồ quang một chiều cần chất lượng điện áp

và dòng điện một chiều là liên tục, bằng phẳng, độ đập mạch của dòng điện và điện

áp là nhỏ nhất, giảm thiểu sóng hài bậc cao để cho hồ quang cháy ổn định và chất lượng mối hàn đáp ứng là tốt nhất

+ Ngoài ra tải hàn một chiều không có trả năng lượng về lưới

- Dựa vào những đặc điểm trên, em chọn sơ đồ chỉnh phù hợp cho tải là sơ

đồ chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng Sơ đồ cầu ba pha điều khiển không đối xứng có nhiều ưu điểm như:

+ Điều khiển đơn giản

+ Độ đập mạch của điện áp nhỏ

+ Mạch điều khiển không cần bộ tạo xung chùm

+ Số lượng kênh điều khiển ít

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực

3.3 : Tính toán máy biến áp

(Các công thức trong chương 3 lấy trong tài liệu [1])

Chọn máy biến áp hàn 3 pha 3 trụ có sơ đồ nối dây Y/Y, làm mát bằng quạt ∗ Tính các thông số cơ bản của máy biến áp:

1.Công suất biểu kiến của máy biến áp (S) (ghi trên máy)

S = 18 KVA = 18000 VA

2.Điện áp pha sơ cấp máy biến áp (U1)

1d 380

3 = (V) (do nối Y nên U1d = 3U1)

Trong đó: U1d , U1 - điện áp dây và điện áp pha sơ cấp biến áp (V)

3.Điện áp pha thứ cấp máy biến áp (U2)

Ta có: U2 =Ud0/KU

- Khi không có tải, U d0 = 50 V (thỏa mãn yêu cầu đối với nguồn điện hàn)

Với U - điện áp không tải của máy biến áp (V)

∗ Tính sơ bộ mạch từ ( Xác định kích thước cơ bản mạch từ )

6.Tiết diện sơ bộ trụ

.

k = 4 ÷ 5 nếu là máy biến áp khô

Ta chọn k Q = 6 ( máy biến áp khô làm mát bằng quạt )

m : số trụ của máy biến áp, với máy biến áp 3 pha, ta có m = 3

f : tần số nguồn điện xoay chiều; f = 50 Hz

Thay số : Q Fe = 6. 18000 = 65,73 cm2