Đề tài thiết kế bộ chỉnh lưu máy hàn hồ quang một chiều

LờI NóI ĐầU Ngày nay,cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ và những ứng dụng của nó trong công nghiệp nói chung và trong công nghiệp điện tử nói riêng.Những thiết bị điện

LờI NóI ĐầU

Ngày nay,cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ và những ứng dụng của nó trong công nghiệp nói

chung và trong công nghiệp điện tử nói riêng.Những thiết bị

điện tử công suất lớn đã ra đời và đang trở nên thông

dụng,cần thiết đối với cuộc sống vì vậy việc nắm bắt,am hiểu rõ về thiết bị này đối với các kỹ s điện là ắt buộc

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 nh thúc đẫy mạnh mẽ sự phát triển các thiết bị, hệthống thiết bị điện- điện tử, các hệ thống điều khiển… Đối với sinh viên khoa điện nói chung và đặc biệt là sinh viên ngành tự động hóa của chúng em thì việc nắm vững líthuyết môn học Điện Tử Công Suất và biết cách ứng dụng chúng vào thực tế là điều rất quan trọng 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 ở học kỳ này em đợc các thầy cô giao cho đồ án môn học có

đề tài là: Thiết kế bộ chỉnh lu máy 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 T Duy ạ

Hà, emđã hoàn thành đồ án đúng thời gian quy định.

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

Em xin chân thành cảm ơn!

2

-ChơngI: khái niệm chung về công nghệ hàn một chiều 1.Khái niệm về hàn điện:

hàn điện là một công nghệ phổ biến nhất trong kỹ thuật hiện đại.ở các ngành đóng tàu,ngành xây dựng,ngành chế tạo máy móc không thể thiếu máy hàn điện.Hàn điện củng

đợc áp dụng ở những đơn vị sản xuất nhỏ và những công tylớn trong các ngành công nghiệp khác

2.Định nghĩa hàn:

Hàn là quá trình nối hai vật liệu bằng kim loại với nhau bằngcách nung nóng chổ nối đến nóng chảy hoặc gần nóng chảy

3 Hồ quang điện và hàn hồ quang điện:

Hồ quang điện hàn là một dạng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn(102 đến 103A/mm2) ở điều kiện bình thờng chất khí hầu nh không dẫn điện Nếu đặtlên hai điện cực trong môi trờng không khí một điện trờng

có cờng độ đủ lớn thì có thể phá vỡ cách điện của chất khí

và có khả năng dẫn dòng điện lớn, phụ thuộc vào tính chất

chất khí, áp suất của nó, nhiệt độ môi trờng, vật liệu làm

điện cực, 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 hàn làm 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 tác dụng của điện trở nên đầu nút que hàn

và chổ vật hàn tiếp xúc với que hàn bị nung nóng Khi nhấc que hàn lên khỏi vật hàn que hàn bắn ra điện tử, các điện

tử bắn nhanh 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 ion dời

đi lên rất nhanh biến động năng thành nhiệt năng dẫn đến que hàn nóng chảy và nhỏ 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 dụng trong nguồn hàn một chiều Nguồn hàn một chiều dùng bộ chỉnh lu có những u việt sau đây so với máy phát hàn một chiều:

+ Chỉ tiêu năng lợng cao

+ Không có phần quay

+ Hiệu suất cao, chi phí vận hành, bão dỡng và sữa chữa thấp

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

Than : U0min = (45 - 55) V

- Đảm bảo an toàn lúc làm việc ở chế độ làm việc cũng nh

ở chế độ ngắn mạch làm việc Bội số làm việc ngắn mạchkhông đợc quá lớn

- Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh đợc dòng hàn; vì nh ta đã biết dòng điện hàn phụ thuộc vào đờng kínhque hàn Dòng điện hàn đợc tính theo biểu thức sau:

I

- Chỉnh lu cầu 3 pha điều khiển không đối xứng.

- chỉnh lu cầu 3 pha có điều khiển

- Dòng điện tải trung bình:

- Dòng điện trung bình qua van:

- Dßng ®iÖn thø cÊp m¸y biÕn ¸p :

- Dßng ®iÖn t¶i trung b×nh:

- Dßng ®iÖn trung b×nh qua van:

- Dßng ®iÖn thø cÊp m¸y biÕn ¸p :

8

- Công suất máy biến áp :

- Điện áp chỉnh lu nhận

đ-ợc:

- Điện áp ngợc đặt lên van:

- Dòng điện tải trung bình:

- Dòng điện trung bình qua van:

- Dòng điện thứ cấp máy biến áp :

- Công suất máy biến áp :

4 Sơ đồ 3 pha có điều khiển:

a Sơ đồ và đồ thị:

10

Loại này cần có biến áp nguồn để có điểm trung tính đa

ra tải Công suất máy biến áp lớn hơn công suất một chiều 1,35 lần nhng sụt áp trên van nhỏ nên thích hợp với phạm vi

điện áp thấp Vì sử dụng nguồn 3 pha nên cho phép nâng

công suất tải lên nhiều, độ đập mạch điện áp sau chỉnh lu giảm cho nên giảm kích thớc cuộn kháng lọc.

Sơ đồ này có dòng chạy trong thứ cấp máy biến áp là dòngxoay chiều nên trong máy 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 phần sóng điều hoà bậc cao trong sơ đồ cầu là không đáng kể Chất lợng điện áp một chiều khá tốt

điều này làm giảm điện kháng bộ lọc dẫn đến giảm kích thớc bộ lọc.Mặt khác vì chỉ cần điều khiển 1 nhóm tiristo

T1,T3,T5 nên chỉnh lu cầu ba pha bán điều khiển đơn giản hơn điều khiển sơ đồ có điều khiển

3.Sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển:

Số xung đập mạch trong 1 chu kỳ lớn m = 6 ( làm giảm kích thớc cuộn kháng hạn chế dòng điện đập mạch ở sau khối chỉnh lu) nên chất lợng điện áp tốt hơn

Sơ đồ này có hệ số sử dụng biến áp rất cao,công suất MBA gần bằng công suất tải.Và trong MBA không có hiện tợng từ hoá cỡng bức vì dòng điện chạy trong cuộn dây thứ cấp là xoay chiều,nên tổng ampe vòng của thành phần 1 chiều gây nên trên mỗi trụ biến áp bằng không

Vì vậy ta chọn mạch chỉnh lu cầu ba pha có điều

khiển là thích hợp nhất.

12

-Ch¬ng III

ThiÕt kÕ tÝnh to¸n m¹ch lùc

I ThiÕt kÕ m¹ch lùc:

II ThiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p:

1 C¸c th«ng sè c¬ b¶n cña m¸y biÕn ¸p:

- §iÖn ¸p s¬ cÊp: U1 =3 x 380 (V)

- §iÖn ¸p pha thø cÊp:

Ph¬ng tr×nh c©n b»ng ®iÖn ¸p khi cã t¶i:

: HÖ sè phô thuéc ph¬ng thøc lµm m¸t, lÊy (m¸y biÕn ¸p kh«)

m: Sè trô cña m¸y biÕn ¸p

- TiÕt diÖn d©y dÉn s¬ cÊp:

- TiÕt diÖn d©y dÉn thø cÊp:

Van phải chịu đợc : Iv = kdtI Itbvan = 2.500 = 1000 (A)

b Chọn van:

- Tiristor: N520CH04GOO (tra ở phụ lục 2 trang 664 sách

điện tử công suất của thầy LÊ VĂN DOANH) với các thông số:

Vậy : Điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc :

Dòng định mức chạy qua cuộn kháng: Idm=1500 (A)

16

Biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I1m=10%Idm=150 (A)

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

ZL XL = wL = 2 .f.0,068.10-3 = 21,35.10-3

2,265 (V)

Chơng IV:

Tính toán mạch điều khiển

I-Nguyên tắc điều khiển:

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 hình sin) theo chu kỳ do nhịp đồng bộ của UĐB

Khâu so sánh SS xác định thời điểm cân bằng của 2 điện

áp UT và UĐK để phát động khâu tạo xung TX Nh vậy trong nguyên tắc này thời điểm phát xung mở van hay góc điều

khiển thay

đổi do

đổi trị số của UĐK, trên đồ thị đó là sự di chuyển theo chiềudọc của trục biên độ Đa số mạch điều khiển thực tế sử dụng nguyên tắc này

II Thiết kế mạch điều khiển:

OA1 do E1, VR1 và R2 tạo ra Kết quả ta đợc tín hiệu đầu ra U2

của OA1 có dạng xung vuông đồng bộ với lới

Điện áp dạng xung vuông sau khi đợc tạo ra ở khâu đồng

bộ trớc đó đợc đa vào khâu tạo điện áp răng ca Khi U2 có giá trị âm, diode D3 mở, tụ C1 đợc nạp theo chiều từ U3 qua tụ

C1 qua R3 qua diode D3 về U2.Khi U2 có giá trị dơng,transistor

18

-T mở diode D3 khoá lúc này tụ C1 phóng từ + C1 qua transistor

T về – C1 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 đợc khuyếch đại lên để có độ lớn thích hợp,

sau khi qua khâu khuyếch đại đảo và khâu PI lọc sai số

Điện áp răng ca U3 đợc đa vào cửa (-) của OA3 và so sánh

với điện áp điều khiển Uđk đợc đa vào cửa (+) Khi U3 > Uđk

thì điện áp đầu ra của OA3 là U4 có giá trị 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 C2 D9 có tác dụng loại bỏ xung âm Do đó

tín hiệu điện áp U6 có dạng xung chùm dơng

Điện áp U4 đợc chộn với xung chùm U6 bởi IC4081 rồi đợc

đa qua tầng khuyếch 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 vào biến 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

ng-ợc dấu lúc đó điốt D4 và D7 có tác dụng trả ngợc điện áp dập

tắt sức điện động để bảo vệ các transistor khỏi bị quá áp

III Tính toán các khâu trong mạch điều khiển:

1.Tính toán khâu đồng

bộ:

U 2

Tính toán:

Chọn góc duy trì và thoát năng lợng  =5 thì điện áp U 1

đặt vào cửa (+) của bộ so sánh là: U = Umaxsin 5 =

U 2

U 3 -

+ 1 2

R 4

C 1

D Z

- E

Trong đó : t p - thời gian phóng của tụ C 1

t n - thời gian nạp của tụ C 1

Nh trên ta đã chọn  = 5 tức là t n = 10  t p = 180 - 10

= 170

Tơng ứng với thời gian là: t p =

t n =

Chọn giá trị của tụ C 1 = 0,2 F

Gọi dòng địên trong quá trình nạp là I n Sau khoảng thời

gian t = t n = 0,6 (ms) thì điện áp trên tụ đạt giá trị U C0 vậy

ta có:

Chọn R 3 có giá trị là 3,5 k

Gọi dòng địên trong quá trình phóng là I p Sau khoảng

thời gian t = t p = 9,4 (ms) thì điện áp trên tụ về giá trị 0 vậy

Đ ể đảm bảo cho dòng điện đi vào các cửa của khuyếch đại

thuật toán nhỏ hơn 1mA ta chọn R 5 =R 6 =15 k

-1 2



Theo kinh nghiệm thờng chọn R 9 + R 10 cỡ 20 k, để giảm độ

chênh lệch giữa 2 cửa vào của OA chọn R 10 nhỏ hơn R 9.Vậy

Khâu trộn xung sử dụng IC các cổng AND có 3 đầu vào

315 (V), ta chọn: Vcc = 12 (V)

Nhiệt độ làm việc : - 40o C  80o C

Điện áp ứng với mức logic “1”: 2.54,5 (V)

Dòng điện nhỏ hơn: 1 mA Bảng chân lí của cổng AND:

+ 1 2

Nguyên lý hoạt động của khâu phản hồi :

Lấy điện áp phản hồi từ nguồn hàn thông qua điện trở Shunt,vì điện áp này nhỏ nên ta cho qua bộ khuếch đại để được điện áp thích hợp Tiếp theo điện áp phản hồi đợc đa vào bộ cộng (đảo) với điện áp mà ta đặt cho nguồn hàn làm việc

Sau đó điện áp phản hồi đợc đa qua khâu PI để loại bỏ các sóng nhiễu có tần số cao làm cho mạch tăng tính ổn định Chọn điện áp trên điện trở Shunt URS = 2,5 V

Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm Thiết

diện dây thứ cấp là:

Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm Thiết

diện dây thứ cấp là:

Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm Thiết

diện dây thứ cấp là:

Chọn dây chuẩn có thiết diện dây là: Q

=0,05726t-ơng ứng với đờng kính d =0,27mm

Dòng điện sơ cấp trong máy biến áp là:

Số vòng cuộn sơ cấp biến áp :

Chọn mật độ dòng điện thứ cấp là J=2A/mm Thiết

diện dây sơ cấp là:

t-ơng ứng với đờng kính

Tạo nguồn nuôi E=12 V

Ta dùng mạch chỉnh lu cầu 1 pha dùng diode, điện áp

thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi: U 2 =17 V

Để ổn định điện áp ra của nguồn nuôi ta dùng 2 IC ổn

áp 7812 và 7912, các thông số chung của vi mạch này:

Điện áp đầu vào : UV = 735 (V)

Điện áp đầu ra : Ura = 12(V) với IC 7812

Ura = -12(V) với IC 7912Dòng điện đầu ra: Ira = 01 (A)

Tụ điện C 4 , C 5 dùng để lọc thành phần sóng hài bậc

van thyristor N520CH04GOO

Giá trị này là giá trị dòng và áp ở thứ cấp

Tham khảo các tài liệu cho thấy tỷ số biến áp xung thờng áp dụng m =13 là tốt nhất.

ở đây ta chọn m = 2

Vậy giá trị dòng sơ cấp của BAX

Giá trị điện áp sơ cấp của BAX:

Công suất của BAX:

Chọn vật liệu lõi biến áp xung là Ferit làm việc trên một phầncủa đặc tính từ hóa: BS = 0,45 T, độ từ thẩm A = 6000 A/m, diện tích lõi 1cm2

Số vòng dây cuốn sơ cấp BAX:

Trong đó: tx là chiều dài xung truyền qua máy biến áp

thờng có giá trị từ 10 đến 600s ở đây ta chọn tx là 350 s

S là tiết diện lõi Ferit

Số vòng dây cuốn thứ cấp BAX:

(vòng)Giá trị trung bình ở sơ cấp và thứ cấp BAX

Đờng kính cuộn sơ cấp, thứ cấp BAX (khi ta chọn J = 2.35 (A/mm2)

Nh vậy ta chọn d 1 = 0,1 (mm), d 2 = 0,15 (mm)

b.Khuyếch đại xung: Chọn ECS = 10 V

-Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển :

Sơ đồ điện áp:

30

nhóm, em đã hoàn thành các nhiệm vụ đợc giao của bản

đồ án : Thiết kế bộ chỉnh lu hàn hồ quang một chiều.Trong quá trình thực hiện, do trình độ còn hạn chế nên chắc chắn em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận đợc những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này đợc hoàn thiện hơn

-1 §iÖn tö c«ng suÊt – Vâ Minh ChÝnh, Ph¹m Quèc H¶i, TrÇn Träng Minh.

Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt

2 §iÖn tö c«ng suÊt – NguyÔn BÝnh

Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt

3 Gi¸o tr×nh ®iÖn tö c«ng suÊt – TrÇn Träng Minh

Nhµ xuÊt b¶n gi¸o dôc

4 Bµi gi¶ng híng dÉn thiÕt kÕ m¹ch ®iÖn tö c«ng suÊt - Ph¹m Quèc H¶i

5 ThiÕt kÕ m¸y biÕn ¸p – Ph¹m V¨n B×nh, Lª V¨n Doanh

Nhµ xuÊt b¶n khoa häc kü thuËt