Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế ĐỀ TÀI “ Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự dộng dùng thyristor đảm bảo được các yêu cầu công nghệ’’ SV:Đinh Trọng Thuận - 2 - Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm gần đây với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của nền kinh tế xã hội, các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật ứng dụng vào các ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp điện tử nói riêng, các thiết bị điện tử công suất được ứng dụng và được chế tạo ngày càng nhiều, đặc biệt là ứng dụng vào các ngành kinh tế quốc dân và đời sống, làm cho yêu cầu về sự hiểu biết và thiết kế các loại thiết bị này hết sức cần thiết đối với kỹ sư ngành điện Cùng với sự phát triển của ngành điện tử công suất thì việc ứng dụng rộng rãi các loại máy hàn vào công nghiệp là hết sức quan trọng nói một cách cụ thể hơn là đối với các ngành cơ khí chế tạo. Để hiểu rõ được vai trò của điện tử công suất và các loại máy hàn trong đó có hàn tự động. Trong bản đồ án môn học này được sự hướng dẫn của thầy Đỗ Mạnh Cường với đề tài : “ Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự dộng dùng thyristor đảm bảo được các yêu cầu công nghệ’’ Em có đưa ra một số phương án trình bày trong bản đồ án thiết kế. Tuy nhiên với sự hiểu biết và những kiến thức đã học còn hạn chế nên bản đồ án của em không tránh khỏi những thiếu sót nhất định.Em rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của các thầy cô giáo để bản đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên Đinh Trọng Thuận - 3 - Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế Chương 1 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 1.1.Nguyên lý của hàn một chiều a. Định nghĩa Hàn là quá trình nối hai vật liệu bằng kim loại vói nhau bằng cách nung nóng chỗ nối đến nóng chảy hoặc gần nóng chảy b. Nguyên lý của hàn một chiều Là một dạng phóng điện trong chất khí với mật độ dòng điện lớn (10 2 đến 10 3 A/mm 2 ) tạo hiện tượng hồ quang điện làm nóng chảy kim loại Ở điều kiện bình thường chất khí hầu như không dẫn điện. Nếu đặt lên hai điện cực trong môi trường không khí một điện trường có cường 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 trường, vật liệu làm điện cực, độ lớn của cường độ điện trường… Đặc tính V-A, đặc tính tĩnh của hồ quang: Để giảm được U mồi mà vẫn gây được hồ quang người ta cho hai điện cực tiếp xúc nhau gây ra I đoãn mạch. Nếu I đoản mạch đủ lớn sẻ nung kim loại chổ tiếp xúc nóng chảy. Thường sử dụng đoạn đặc tính CD để hàn . Hình 1.1 Đặc tính VA Trong tất cả các phương pháp ghép nối các chi tiết với nhau thì phương pháp hàn điện có nhiều ưu việt hơn tất cả.Chính vì vậy mà ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các ngành công nghiệp, xây dựng, chế tạo máy và hàn điện đã trở thành một phần tất yếu không thể thiếu. Phương pháp hàn điện có những ưu điểm nổi bật sau: + Khả năng ghép nối các chi tiết cao với chất lượng mối hàn tốt . + Chi phí sản xuất hạ , cho năng suất lao động cao . + Ít tiêu hao nguyên vật liệu . + Bảo vệ môi trường vệ sinh công nghiệp . + Công nghệ đơn giản, khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao - 4 - I h A B C D h U Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế 1.2. Cấu trúc máy hàn Tùy theo nhu cầu sử dụng và tiêu chuẩn của nhà sản xuất nên cấu tạo các loại máy hàn cũng khác biệt nhau.Tuy nhiên cấu tạo máy hàn có thể chia thành các phần chính sau: - Nguồn điện có thể là xoay chiều AC hoặc một chiều DC được tạo ra từ bộ biến đổi - Mỏ hàn và kẹp mass cùng cáp dẫn điện - Bình khí và van điều áp có thể là khí Argon tinh khiết, Heli tinh khiết, CO2 tinh khiết, Hỗn hợp Argon + heli, Hỗn hợp Argon + CO2 - Ngoài ra còn các bộ phận khác như vỏ, đồng hồ, làm mát, các nút điều khiển vv 1.3. Phân loại a. Theo chế độ hàn người ta chia làm 2 loại -Kiểu thường: dòng điện được khống chế theo dạng hình thang: có điểm tăng dòng, duy trì và giảm dần về không -Kiểu có xung: cũng như trên nhưng dòng khống chế được điều chế một tần số nào đó. Độ rộng và chu kỳ cũng có thể thay đổi cho phù hợp với vật b. Phân loại theo kiểu máy : có 3 loại -Máy dùng chỉnh lưu diode -Máy dùng chỉnh lưu bằng thyristor -Máy inveter c. Phân loại theo dòng hàn: có 2 loại -Máy hàn DC Inveter AC >DC >AC >DC Thyristor AC >DC +- Máy hàn AC >DC >AC 1.4. Các yêu cầu khi làm việc - Nguồn hàn phải đảm bảo dòng hồ quang cả ở chế độ mồi và chế độ hồ quang ổn định - Đảm bảo an toàn khi làm việc ở chế độ làm việc cũng như chế độ ngắn mạch làm việc - Nguồn hàn phải có công suất lớn - Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn - Đường đặc tính ngoài của nguồn hàn phải đáp ứng được từng phương pháp hàn cụ thể ở đây là hàn tự động thì đường đặc tính ngoài phải cứng - 5 - Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Để cấp nguồn cho tải một chiều, chúng ta cần thiết kế các bộ chỉnh lưu với mục đích biến đổi năng lượng điện xoay chiều thành năng lượng điện một chiều. Các loại bộ biến đổi này có thể sử dụng các sơ đồ chỉnh lưu sau đây: - Chỉnh lưu tia ba pha có điều khiển - Chỉnh lưu cầu ba pha điều khiển không đối xứng. - Chỉnh lưu cầu ba phan có điều khiển. 2.1. Nhận xét các sơ đồ a. Ưu và nhược điểm của chỉnh lưu tia 3 pha -ưu điểm : so với chỉnh lưu một pha thì chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp một chiều tốt hơn, biên độ điện áp đập mạch thấp hơn, thành phần sóng hài bậc cao bé hơn, việc điều khiển các van tương đối đơn giản -nhược điểm : sơ đồ chỉnh lưu tia 3 pha có chất lượng điện áp ra tải chưa thật tốt lắm, khi cần chất lượng điện áp ra tốt hơn thì dùng sơ đồ nhiều pha hơn. b.Ưu nhược điểm của sơ đồ cầu ba pha không đối xứng - Ưu điểm:sơ đồ có ít kênh điều khiển hơn so với sơ đồ cầu 3 pha đối xứng nên điều khiển dễ dàng hơn,đầu tư ít hơn - nhược điểm: điện áp ra không được tốt như sơ đồ cầu 3 pha đối xứng,dải điều chỉnh điện áp không lớn lắm c. Ưu và nhược điểm của chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng - ưu điểm : chất lượng điện áp tốt nhất, hệ số đập mạch thấp, thành phần sóng hài nhỏ, hiệu suất sử dụng biến áp tốt nhất - nhược điểm : cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha nên rất phức tạp, nó gây khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa Với đề bài cho : thiết kế bộ chỉnh lưu dùng cho máy hàn 1 chiều có các thông số : U vào (v) U d0 (v) I đm ( A ) 3x380 75 200 Sơ bộ ta có công suất một chiều P d = U d . I d =75 . 200=15000w Theo các tài liệu cho thấy : - Công suất > 5 KW ta dùng sơ đồ chỉnh lưu ba pha - Đện áp một chiều ra tải cao > 30V nên dùng sơ đồ hình cầu - 6 - 3 T T 1 2 4 T 6 T T 5 T 11 RRLR Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế - Điện áp chỉnh lưu nhỏ hơn nhiều so với lưới nên phải sử dụng BA nguồn ==> Vì vậy ta chọn sơ đồ cầu ba pha có điều khiển là thích hợp nhất 2.2. SƠ ĐỒ CẦU 3 PHA CÓ ĐIỀU KHIỂN: a. Sơ đồ và đồ thị Hình 2.1 Sơ đồ b.Công thức tính toán: ( áp dụng giáo trình điện tử công suất của thầy Trần Trọng Minh – Võ Minh Chính - Phạm Quốc Hải ) 0 654321 30======= ααααααα Nếu 0 60≤ α αα α cos 34,2cos. 20 UUU dd == 3 d TBV I I = 2max .6UU ng = max .05,1 dba PS = ( khi góc mở = 0 ) Hình 2.2 Đồ thị điện áp - 7 - Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế 2.3. Tính toán các tham số của sơ đồ 2.3.1 Phía nguồn:MBA ( chọn MBA ba pha ba trụ ) - Điện áp sơ cấp MBA: U 1 =3 X 380 (V) - Công suất một chiều: 15000200.75. 0 === ddd IUP W - Công suất MBA: 1575015000.05,1.05,1 max === dba PS VA - Ta có phương trình cân bằng điện áp: ∑ +∆= dd UUU 0 Với BALV UUUU ∆+∆+∆=∆ ∑ VU L 5,3=∆ , VU V 2,36,1.2 ==∆ VUU dBA 75,375.05,0%5 0 ===∆ ∑ ++−=∆−=→ )75,35,32,3(75 0 UUU dd =64,5 (V) Với sơ đồ 3 pha có điều khiển ta có công thức sau: mà α cos 34,2 20 UU d = 0 . arccoscos d d dod U U UU α α αα =→= = 0 30 75 5,64 arccos =→ α )(33 3034,2 5.64 0 2 V Cos U ==⇒ - Điện áp pha thứ cấp MBA là :33 (V ) Dòng hiệu dụng thứ cấp là: )(2.163816,0.200816,0 2 AII d === - Dòng sơ cấp MBA: A B C R c T 4 R c T 6 R c 2 T l R c T 1 R T 3 R c T 5 Vât han R s u phd CD AT C Hình 2.3 : Sơ đồ mạch lực - 8 - Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế - 9 - Lời nói đầu I 1 = I 2 .K ba = 2 1 2 .I U U = 2,163. 380 33 = 14,1(A) - Số vòng / vôn: 36,110.48,61.50.1.44,4 BT 44,4 4 == − BQf ( vòng/ vôn ) - Số vòng dây sơ cấp: 280 36,1 380 36,1 1 1 === U W ( vòng / vôn ) - Số vòng dây thứ cấp: 28 36,1 34 36,1 2 2 === U W ( vòng / vôn ) 2.3.2.Phía mạch lực: tính toán chọn van - Điện áp chỉnh lưu không tải : )(75 0 VU d = -Điện áp ngược đặt lên van là: U ngmax = 6 U 2 = 6 .33 =80.5 ( v) - Điện áp ngược lớn nhất mà van phải chịu: ⇒ uk LVdtU Ungv .= =1,6 . 80.5 = 129 (V) với k dtU : hệ số dự trữ điện áp chọn k dtU = 1,6 - Dòng điện làm việc của van: : I TBVAN == 3 200 3 d I 66,6 (A) Chọn chế độ làm mát cho van là quạt thông gió và cánh tản nhiệt, chọn hệ số dự trữ dòng điện: K DTI = 2 vậy van phải chịu được dòng điện là: : I V = K DTI . I TBVAN = 2.66,6 = 133,2 (A) chọn thyristor T10-80 do nga chế tạo ( phụ lục 2trang 432 sách hướng dẫn thiết kế điện tử công suất của thầy Phạm Quốc Hải ) với các thông số sau: - U max = 1200V - I max = 1200A - ∆U =2.7V - I gm = 150 mA - U gm =4 V - dU/dt = 50 – 1000 V/µs - di/dt = 40 - 200 A/µs - T off =150 - 70µs a. Tính toán bảo vệ: * Bảo vệ dòng điện di/dt = 40 - 200 A/µs cho van: - 10 - Lời nói đầu +Aptomat dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động bảo vệ khi quá tải và ngắt mạch Thyristor, ngắn mạch đầu ra bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp, + Chọn Aptomat có: I đm = 1,1.I 1 = 1,1.14,1 = 15,51 (A) + Chỉnh định dòng ngắn mạch: I nm = 2,5.I 1 = 2,5.14,1 = 35,25(A) + Dòng quá tải: I qt = 1,5.I 1 = 1,5.14,1 = 21,15 (A) * Bảo vệ quá điện áp cho van: Người ta chia làm 2 loại nguyên nhân gây ra quá điện áp +Nguyên nhân bên trong: sự tích tụ điện tích trong các lớp bán dẫn. Khi khoá thyristor bằng điện áp ngược, các điện tích nói trên đổi ngược lại tạo ra dòng điện trong khoảng thời gian rất ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm. Do vậy giữa anot và catot của thyristor xuất hiện quá điện áp. +Nguyên nhân bên ngoài: Những nguyên nhân này thường xảy ra ngẫu nhiên như khi cắt không tải một máy biến áp trên đường dây, khi có sấm sét Để bảo vệ quá điện áp , người ta thường dùng mạch RC đấu song song với Thyristor nhằm bảo vệ quá điện áp do tích tụ điện tích khi chuyển mạch gây nên. Mạch RC đấu giữa các pha thứ cấp MBA là để bảo vệ quá điện áp do cắt không tải MBA gây nên. Trong mạch bảo vệ quá điện áp ta chọn R=80Ω , C=0,25µF 2.4.Tính toán cuộn kháng lọc: Với yêu cầu của điện áp hàn có K đmv = 23,0 30cos 1 . * = dm K , hệ số san bằng của mạch lọc : K sb = dmr dmv K K , với sơ đồ cầu 3 pha điều khiển đối xứng ta có: K đmr = 0,057 ⇒ K sb = 03,4 057,0 23,0 == dmr dmv K K tải có điện trở tương đương: )(32,0 200 5,64 Ω=== d d d I U R ⇒ ta có giá trị điện cảm: )(51,0)(10.12,5103,4. 50 2.6 32,0 . . 4 mHHK wm R L sb ldm d ==− Π == − vậy : điện cảm yêu cầu của cuộn kháng lọc : )(51,0 mHL = dòng định mức chạy qua cuộn kháng: I dm =200 (A) biên độ dòng xoay chiều bậc 1: I 1m =10%I dm =20 (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: Z l ≈ X l = wl = 2. π .f.5,12.10 -4 = 0,16 )(Ω điện áp rơi trên cuộn kháng lọc: 2 . 1m LL I ZU =∆ = 0,16. 2 20 = 2,2 (v ) - 11 - [...]... dụng trả ngược điện áp dập tắt sức điện động để bảo vệ các transistor khỏi bị quá áp Kết luận Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn đặc biệt là thầy Đỗ Mạnh Cường và sự giúp đỡ của các bạn cùng nhóm, em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao của bản đồ án : Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự động.Trong quá trình thực hiện do trình độ và... 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 được đưa vào bộ cộng (đảo) với điện áp mà ta đặt cho nguồn hàn làm - 16 - U ®k Lời nói đầu việc.Sau đó điện áp phản hồi được đưa qua khâu PI để loại bỏ các sóng nhiễu có tần số cao làm cho mạch tăng tính ổn định chọn điện áp... = 4272 w Ω vÀ Prs = 10 kw g.Khối nguồn: Hình 3.13 Sơ đồ mạch * Tính toán biến áp Công suất cấp cho các khối là rất nhỏ, thông thường ta chọn thông số của các biến áp của các khối như sau: o Khâu ổn áp: U 2 _ 1 =17 v; I 2 _ 1 =0,6 A công suất của khâu ổn áp là: P 2 _ 1 =U 2 _ 1 I 2 _ 1 =17.0,6=10,2 (w) o Khâu nguồn công suất : U 2 _ 2 =10 v; I 2 _ 2 =1 A công suất của nguồn ổn áp là: P 2 _ 2 =U 2 _ 2... Giáo trình điện tử công suất – Trần Trọng Minh Nhà xuất bản giáo dục 4 Bài giảng hướng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất - Phạm Quốc Hải 5 Thiết kế máy biến áp – Phạm Văn Bình, Lê Văn Doanh Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật - 23 - Lời nói đầu MỤC LỤC Lời nói đầu 1 Chương 1 – Tìm hiểu công nghệ 2 1.1 Nguyên lý của hàn một chiều 2 1.2.Cấu trúc máy hàn ... máy hàn 3 1.4 .Các yêu cầu khi làm việc 3 Chương 2- Lựa chọn phương án thiết kế 2.1 Nhận xét các sơ đồ 4 2.2 Sơ đồ cầu 3 pha có điều khiển 5 2.3 Tính toán các tham số của sơ đồ 6 2.4 Tính toán cuộn kháng lọc 4 8 Chương 3- Tính toán mạch điều khiển 3.1 Nguyên tắc điều khiển 9 3.2 Thiết. .. 2 _ 3 =0,1 A công suất của nguồn đồng pha là: p 2 _ 3 =U 2 _ 3 I 2 _ 3 =24.0,1=2,4 (w) ==> Tổng công suất của cả ba khâu là: P= P 2 _ 1 +P 2 _ 2 + P 2 _ 3 =10,2 + 10 + 2,4 = 22,6 (w) dòng điện sơ cấp trong máy biến áp là: I1 = S 22,6 = = 0,102 U 1 220 ( A) * Tính toán khâu chỉnh lưu và ổn áp: Tạo nguồn nuôi e=12 V, ta dùng mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng diode, điện áp thứ cấp máy biến áp nguồn nuôi:... khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các bạn để bản đồ án này được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 3 tháng 9 năm 2012 Sinh viên: Đinh Trọng Thuận - 22 - Lời nói đầu Tài liệu tham khảo : 1 Điện tử công suất – Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật 2 Điện tử công suất – Nguyễn Bính Nhà xuất bản... minh: Khi cấp nguồn vào sơ cấp của biến áp đồng pha, phía thứ cấp của biến áp được hạ áp sau khi qua mạch chỉnh lưu có điểm trung tính điện áp U1 là điện áp một chiều nửa hình sin Điện áp một chiều nửa hình sin tại U1 được đưa vào cực (+) của OA1 so sánh với điện áp phẳng U được đặt vàocực (-) của OA1 do E1, VR1 và R2 tạo ra kết quả ta được tín hiệu đầu ra U2 của OA1 có dạng xung vuông đồng bộ với lưới... xung vuông sau khi được tạo ra ở khâu đồng bộ trước đó được đưa vào khâu tạo điện áp răng cưa Khi U2 có giá trị âm, diode D3 mở, tụ C1 được nạp theo chiều từ U3 qua tụ C1 qua R3 qua diode D3 về U2 Khi U2 có giá - 21 - Lời nói đầu trị dương,transistor T mở diode D3 khoá lúc này tụ C1 phóng từ + C1 qua transistor T về – C1 kết quả ta được U3 có dạng điện áp răng cưa Điện áp điều khiển được lấy từ điện... tăng áp lớn (như lF351) hoặc dùng comparator (như LM301, LM339…), các loại OA thông dụng như LM324, µa741 cho xung không thật dốc với khu vực tần số trấn 10 (khz) e Khâu trộn xung: Khâu trộn xung sử dụng IC các cổng AND có 3 đầu vào với các thông số: nguồn nuôi IC : Vcc = 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 . Chương 2: Lựa chọn phương án thiết kế ĐỀ TÀI “ Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự dộng dùng thyristor đảm bảo được các yêu cầu công nghệ’’ SV:Đinh Trọng Thuận -. dẫn của thầy Đỗ Mạnh Cường với đề tài : “ Thiết kế bộ nguồn cho máy hàn tự dộng dùng thyristor đảm bảo được các yêu cầu công nghệ’’ Em có đưa ra một số phương