Đồ án môn đtcs thiết kế nguồn hàn hồ quang điện một chiều

ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ HÀN I GIỚI THIỆU CHUNG Khái niệm Hàn trình kết nối chi tiết kim loại với thành liên kết không tháo rời phạm vi nguyên tử phân tử cách sử dụng hai yếu tố nhiệt áp lực, kết hợp hai yếu tố Phân loại Có hai phương pháp hàn hàn áp lực hàn nóng chảy: a Phương pháp hàn áp lực (phương pháp hàn biến dạng dẻo) Khi hàn biến dạng dẻo phần mối hàn vị trí tiếp xúc bị co ngoại lực tác dụng lên Ở phần kim loại ép đồng thời lớp oxit bề mặt kim loại bị phá huỷ tạo khả cho bề mặt tiếp xúc đồng hơn, nguyên tử dịch lại gần khiến cho liên kết kim loại vững Đa số trường hợp hàn áp lực kim loại trạng thái rắn Khi hàn áp lực người ta khơng nung nóng sơ có nung nóng Do tính kim loại thay đổi khơng đáng kể Ví dụ: hàn nguội, hàn siêu âm, hàn nổ… Ngoài hàn cịn có nung nóng trước Nung nóng trước làm cho kim loại giảm tính chống biến dạng tăng tính linh động nguyên tử lúc bề mặt tiếp xúc tạo thành hệ thống mạng tinh thể chung b Phương pháp hàn nóng chảy Khi hàn nóng chảy kim loại que hàn vật hàn bị nóng chảy tạo thành vùng hàn không cần tác dụng ngoại lực vào mối hàn, hàn nóng chảy dễ làm cho nguyên tử vật chất lại gần đến khoảng cách liên kết kim loại tạo thành lưới mạng tinh thể chung Khi nguội vùng hàn kết tinh tạo thành mối hàn làm cho chi tiết trở thành thể thống Nguồn nhiệt để sử dụng hàn hồ quang nóng chảy phải có nhiệt độ lớn 2000 độ C Tuỳ theo tính chất nguồn nhiệt mà người ta chia hàn nóng chảy số phương pháp sau: + Hàn hồ quang + Hàn đúc PHẠM NGỌC TUYỀN D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU + Hàn xỉ điện … Trong số hàn hồ quang sử dụng phổ biến II ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ HÀN 1.Ưu điểm So với cơng nghệ đúc, tán…thì hàn có nhiều ưu điểm trội là: + Năng suất cao, thiết bị đơn giản, dễ sử dụng, giá thành hạ + Tiết kiệm kim loại : So với tán rivê hàn tiết kiệm 15 - 20% kim loại So với đúc hàn giảm 40 - 60% khối lượng vật + Dễ khí hoá, tự động hoá nên tiết kiệm thời gian, sức lao động cho chất lượng sản phẩm cao Nhược 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 kim loại thay đổi làm giảm tính chất lý hoá kim loại Ứng dụng Ngày nay, hàn trở thành công nghệ thiếu nghành cơng nghiệp đóng tàu, chế tạo máy cơng cụ, cần trục nồi hơi…Ngồi lĩnh vực xây dựng hàn đóng vai trị đáng kể III.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ HÀN HỒ QUANG Các khái niệm chung - Hồ quang : Là phóng điện qua mơi trường khơng khí hai điện cực đồng thời phát sinh ánh sáng nhiệt lượng cao Một điện cực que hàn (nóng chảy hay khơng nóng chảy) điện cực vật hàn - Hàn hồ quang : Là công nghệ dùng nhiệt lượng hồ quang nung nóng chỗ hàn đến nóng chảy, làm cho kim loại vật hàn kim loại nóng bổ xung chảy vào chỗ hàn để nối hai vật hàn - Kỹ thuật hàn hồ quang : Bao gồm mồi hồ quang, trì hồ quang ngắn ổn định, thực chuyển động điện cực hàn theo yêu cầu với tốc độ hành trình hồ quang xác Hồ quang mồi cách gõ đầu điện cực bề mặt mối ghép Điện cực giữ với góc thích hợp theo bề mặt mối ghép vị trí PHẠM NGỌC TUYỀN D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU hàn cuối đường hàn, hồ quang cịn trì khoảng thời gian ngắn để bù cho vết lõm cuối đường hàn, sau phải lấy điện cực nhanh để dập tắt hồ quang Sự hình thành hồ quang Sơ đồ mơ hình hàn mơ tả hình vẽ sau : Trong : vật hàn que hàn Hình 1.1 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 đưa que hàn lên độ cao - 4mm Do tác dụng điện trở que hàn vật hàn nên vị trí đầu rút que hàn chỗ vật hàn tiếp xúc với que hàn bị nung nóng Khi nhấc que hàn khỏi vật hàn, que hàn bắn điện tử Các điện tử bắn xuống nhanh, đập vào vật hàn biến động thành nhiệt làm cho vật hàn bị chảy tủa hai bên Ngược lại môi trường vật hàn que hàn chịu tác dụng điện trường nên bị ion hoá Các ion lên nhanh, biến động thành nhiệt làm cho que hàn nóng chảy nhỏ giọt xuống khe hàn bù vào chỗ lõm hình thành lên mối hàn Phân loại Hàn hồ quang Hàn hồ quang tay Hàn hồ quang tự động Hàn hồ quang rung Hàn hồ quang bán tự động Hàn lửa Plasma Hình 1.2 PHẠM NGỌC TUYỀN D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU Hàn hồ quang phân loại thành dạng sau : + Hàn hồ quang tự động thích hợp cho nợi cần mối hàn đẹp, chất lượng cao, tốc độ nhanh… + Hàn hồ quang tay dùng nơi sản xuất nhỏ nơi khó đặt que hàn cho hàn tự động (ví dụ: Mối hàn trần…) IV NGUỒN ĐIÊN CHO HỒ QUANG Để có mối hàn đẹp, chắn, chất lượng cao, yếu tố vật liệu hàn, tay nghề thợ hàn, vị trí mối hàn…thì nguồn điện hàn đóng vai trị vơ quan trọng Trong phần xem xét dạng nguồn điện cho hàn hồ quang, đánh giá ưu nhược điểm chúng cuối dựa vào đặc điểm hàn hồ quang để đưa yêu cầu cho nguồn điện hàn Đó tảng cho việc thiết kế sau Các dạng nguồn điện Hiện có ba dạng nguồn điện dùng cho hàn hồ quang: a Các biến áp hàn Trước đây, máy biến áp hàn dùng phổ biến hàn hồ quang xoay chiều Khác với máy biến áp điện lực thông thường, biến áp hàn vừa máy biến áp vừa trở kháng điều chỉnh để tăng cường độ ổn định cho hồ quang Tuy nhiên, dòng điện hàn dòng xoay chiều nên chất lượng mối hàn không cao, mối hàn thường xuất lỗ khí Vì phương pháp sử dụng máy biến áp hàn thích hợp cho nơi khơng có u cầu q cao chất lượng mối hàn b Các máy phát điện hàn chiều Loại nguồn điện dùng cho hàn hồ quang chiều Nó gồm động khơng đồng ba pha máy phát hàn chiều Trong thiết bị này, lượng điện xoay chiều động không đồng ba pha biến thành làm quay máy phát hàn chiều Máy phát hàn chiều phát dòng điện chiều sử dụng cho q trình hàn Có thể thấy rằng, hiệu suất thiết bị khơng cao lượng bị chuyển hoá nhiều lần gây nên tổn hao lớn bình thường Hơn nữa, thiết bị lại cồng kềnh, đắt tiền ngày người ta không sử dụng loại thiết bị c Các chỉnh lưu hàn PHẠM NGỌC TUYỀN D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU Ngày với phát triển mạnh mẽ công nghệ chế tạo linh kiện bán dẫn, chỉnh lưu hàn dần trở thành nguồn điện chủ đạo cho công nghệ hàn điện Các chỉnh lưu hàn có nhiều ưu điểm trội đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo, giá thành hạ chất lượng điện áp dòng điện cao thay toàn biến áp hàn máy phát hàn tương lai không xa Các chỉnh lưu hàn gồm biến áp, van chỉnh lưu, lọc mạch điều khiển Máy biến áp thường dùng máy biến áp nhiều pha lưới điện phân phối tải cách cân Van chỉnh lưu Thyristor Diode công suất Các dạng đặc tính ngồi nguồn điện hàn Đặc tính ngồi đường biểu diễn quan hệ điện áp hai đầu đưa máy với dòng điện tải Hình vẽ 1.3 biểu diễn dạng đặc tính dịng-áp nguồn điện Có bốn dạng đặc tính: Hình 1.3 + Đặc tính 1: Đặc tính dốc, có máy hàn hồ quang tay Đây đường đặc tính hay dùng cơng nghệ hàn + Đặc tính 2: Đặc tính thoải có máy hàn hồ quang tự động + Đặc tính 3: Đặc tính cứng + Đặc tính 4: Đặc tính tăng có máy phát điện chiều kích thích hỗn hợp dây quấn nối tiếp Rất người ta dùng máy có đặc tính để hàn Như công nghệ hàn hồ quang người ta dùng máy có đặc tính dốc đặc tính thoải để hàn Các yêu cầu nguồn điện hàn - Điện áp không tải (điện áp hai đầu nguồn điện mạch hàn hở) phải đủ lớn để gây hồ quang khơng vượt q giá trị an tồn với PHẠM NGỌC TUYỀN D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU người thợ hàn (không 90 V) - Công suất nguồn điện hàn phải đủ để cung cấp cho dịng điện hàn để trì hồ quang cháy ổn định - Nguồn điện hàn phải có cấu điều chỉnh vơ cấp dịng điện hàn giới hạn cần thiết - Nguồn điện hàn phải có điện áp thấp dòng điện cao để tạo trì hồ quang cháy ổn định cần thiết cho đường hàn chất lượng cao - Dịng ngắn mạch khơng q lớn ( Ing = (1,3 ÷ 1,4)*Ih) để máy khơng bị tải - Nguồn hàn cần gọn nhẹ, giá rẻ dễ sử dụng PHẠM NGỌC TUYỀN D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Trong chương nghiên cứu số phương án thiết kế mạch lực, từ chọn phương án khả thi cho việc thiết kế nguồn hàn hồ quang I SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN CHIỀU Sơ đồ Máy biến áp Chỉnh lưu có điều khiển Bộ lọc Que hàn Mạch điều khiển Hình 2.1 Giải thích chức khối - Máy biến áp : Có hai nhiệm vụ: + Biến điện áp xoay chiều lấy từ lưới điện áp xoay chiều có độ lớn phù hợp với yêu cầu tải + Cách ly mạch chỉnh lưu với lưới điện xoay chiều - Khối chỉnh lưu có điều khiển : Có nhiệm vụ biến dịng điện xoay chiều lấy từ máy biến áp thành dòng điện chiều Sau khối điện áp có dạng nhấp nhơ chất lượng điện áp chưa tốt nên phải dùng thêm lọc - Bộ lọc : Có thể gồm cuộn cảm L tụ C L C Bộ lọc có tác dụng san phẳng thành phần sóng hài bậc cao làm cho điện áp có hệ số đập mạch phù hợp với yêu cầu tải - Mạch điều khiển : có tác dụng tạo xung điều khiển để đưa đến cực điều khiển Thyristor hay nói cách khác mạch điều khiển có nhiệm vụ điều khiển q trình mở van hồn tồn tự động Mạch điều khiển cịn phải có khả thay đổi góc  tồn dải điều chỉnh Với máy hàn mạch điều khiển cần phải có thêm chức bảo vệ xảy cố ngắn mạch tải II CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ BỘ CHỈNH LƯU Ngày nay, phát triển mạnh mẽ lý thuyết điện tử công suất hình thành nên nhiều loại mạch chỉnh lưu Mỗi loại có ưu nhược điểm lĩnh vực ứng dụng riêng Sau em xin trình bày ba phương án khả thi cho việc thiết kế nguồn hàn hồ quang điện chiều: PHẠM NGỌC TUYỀN D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu pha - Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu ba pha - Chỉnh lưu điều khiển tia ba pha Chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu pha a Sơ đồ nguyên lý Hình 2.2 b Nguyên lý hoạt động - Mạch chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu pha gồm nhóm Thyristor nhóm diode + Nhóm Thyristor T1 ,T2 đấu Katơt chung Ngun tắc để mở hai van anơt van dương van cịn lại phép phát xung điều khiển để mở van + Nhóm Diode D1, D2 đấu Anôt chung Một hai van dần Katôt van âm van cịn lại - Giả sử góc điều khiển ỏ thời điểm  = 1 ta phát xung điều khiển vào để mở T1 Van T1 thơng để dẫn dịng tải Dòng điện qua T1, qua Rd , qua Ld đến Anơt Tại Anơt, D1, D2 Anơt Katôt D2 âm Katơt D1 nên D2 dẫn hình thành nên cặp van dẫn T1 – D2 - Khi U2 = dịng tải i2 có xu hướng giảm mạch có cuộn cảm Ld= ∞ nên Ld phóng lượng tích luỹ nửa chu kỳ dương để chống lại giảm dòng điện cặp T1 – D2 tiếp tục dẫn U2 t = Q cs /h = 178/15,7=35cm D = 2a + 2t = 6,28 + 2.11,2 = 35 cm H = 2e + h= 6,28 + 15,7 = 22 cm i.Tính kết cấu dây quấn máy biến áp - Dây quấn bố trí theo chiều dọc trụ, cuộn dây( sơ cấp thứ cấp ) quấn thành nhiều lớp dây Mỗi lớp dây quấn liên tục Các vòng dây sát Các lớp dây cách điện với bìa cách điện , - Số vịng dây lớp cuộn sơ cấp : w11 = Trong : h chiều cao trụ hg: khoảng cách từ gông đến cuộn sơ cấp Ta chọn sơ : hg = 2d1 d1 : đường kính cuộn dây sơ cấp kể cách điện ( 0,1 mm) d1 = 2,83 + 0,1 = 2,94 mm = 0,29 cm ke : hệ số ép chặt , chọn ke = 0,95 w11 = (15,7- 2.0,29) 0,95/0,28 = 52 vòng - Số lớp dây cuộn sơ cấp : Sld1= lớp - Bề dày cuộn dây sơ cấp tổng bề dày lớp dây cộng với cách điện lớp dây Bề dày bìa cách điện chọn sơ 0,1 mm Bd1 = d1 Sld1+ cd Sld1 = 0,28 3,4 + 0,01 3,4 = 0,986 cm Tương tự ta có : - Số vịng dây lớp cuộn thứ cấp : vòng w22 = - Số lớp dây cuộn thứ cấp : Sld2 = lớp - Bề dày cuộn dây thứ cấp tổng bề dày lớp dây cộng với cách điện lớp dây PHẠM NGỌC TUYỀN 24 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Bề dày bìa cách điện chọn sơ 0,1 mm Bd2 = d2 Sld2+ cd Sld2 = 0,83 + 0,01.1 = 0,84 cm - Tổng bề dày cuộn dây : Bd = Bd1 + Bd2 + cd + cdngoai = 0,986 + 0,84 + 0,1 + 0,02 = 1,93 cm Nhận thấy : Bd < t nên ta không cần phải thay đổi lại kích thước mạch từ j Tính tổng sụt áp bên máy biến áp - Điện áp rơi điện trở : ∆Ur = [ R2+ R1( )2] Id Trong : R1, R2 điện trở cuộn dây sơ cấp thứ cấp R= điện trở suất đồng Id : dòng tải chiều R1 = = 0,32 Ω R2 = = 0,004 Ω => ∆Ur = [0,004 + 0,32 ( )2] 180 = 1,18 V - Điện áp rơi cuộn dây : ∆Ux= mf : số pha máy biến áp, máy biến áp ba pha nên mf = X=8 Trong : Rbk = 0,004 Ω bán kính cuộn dây thứ cấp cd bề dày cách điện cuộn dây với => X = 0,015 H ∆Ux = (3 0,015 180)/ = 2,6 V k Tính điện trở ngắn mạch máy biến áp rnm = R2 + R1 = 0,004 + 0,32*( 16/178)2 = 0,007 Ω l Tổng trở ngắn mạch máy biến áp znm = m Điện áp ngắn mạch phần trăm máy biến áp Unm%= (Iđm.znm)/U2 đm 100 = (189.0,007)/91,07 100 = 1,54% 3.Tính chọn thiết bị bảo vệ a Bảo vệ nhiệt - Khi làm việc van bán dẫn có sụt áp nên có tổn hao cơng suất: ∆P= ∆U.Ilv PHẠM NGỌC TUYỀN 25 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Tổn hao sinh dạng nhiệt làm nóng van Diode thyristor hai linh kiện nhạy cảm với nhiệt dễ bị đánh thủng Mặt khác, hai loại diode thyristor mà ta chọn chịu nhiệt độ tối đa 125 0C 180 0C nên ta phải tìm cách bảo vệ nhiệt cho van, tránh tượng van bị phá huỷ nhiệt Ở ta chọn phương phương thức làm mát cánh tản nhiệt( đồng nhôm ), nhiệt lượng van truyền sang cánh tản nhiệt toả môi truờng xung quanh - Diện tích bề mặt tỏa nhiệt tính gần theo công thức: Sm = /(Km.T) Với: tổn hao công suất van Diode: = 0,85 104 = 88,4W Với Thyristor : T = 2.104 = 208 W T : Độ chênh lệch nhiệt so với môi trường T = Tlv – Tm Chọn Tlv = 80 C 0 Tmt = 27 C => T = 53 C km : hệ số có xét tới điều kiện toả nhiệt Trong điều kiện làm mát 20 tự nhiên không quạt cưỡng ta thường chọn km = (6 ÷ 10).10-4 W/cm C Vậy với Thyristor ta dùng loại cánh tản nhiệt có diện tích bề mặt lớn StnT : 208 S tnT = PT = = 0,3925 m −4 k m T 10.10 53 Với Diode : P T = 88,4 = 0,1668 m −4 k m T 10.10 53 Chọn loại cánh tản nhiệt có kích thước 12x12 gồm 15 cánh - Diện tích bề mặt cánh tản nhiệt : S tnD = Stn = 12.12.15.2 = 4320 cm Ta thấy Stn > S tnT > S tnD Nên ta dùng loại cánh tản nhiệt cho Diode Thyristor b Bảo vệ dòng - Bảo vệ tốc độ tăng dòng di/dt cho Thyristor PHẠM NGỌC TUYỀN 26 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU + Khi Thyristor bắt đầu dẫn khơng cho phép dịng tăng q giới hạn cho phép Để bảo vệ phải có điện cảm phía xoay chiều nhằm hạn chế tốc độ tăng dòng Tuy nhiên có điện cảm tản cuộn dây thứ cấp máy biến áp giữ vai trò bảo vệ nên ta bỏ qua vấn đề - Bảo vệ dòng điện dạng xung + Khi mach xảy cố (ví dụ ngắn mạch ) dịng qua van tăng nhanh kéo dài cỡ 510 ms Dịng q lớn dẫn đến đánh thủng van gây hỏng van Vì ta cần phải có phần tử để giảm dịng cố mức cho phép Các biện pháp sử dụng : + Tác động vào mạch điều khiển (sẽ trình bày phần mạch điều khiển) + Tác động vào mạch lực - Dùng cầu chì tác động nhanh đặt trực tiếp cho van hay đặt đầu vào mạch van, đầu phía chiều - Dùng Aptômat đặt đầu vào máy biến áp lực hay đầu chỉnh lưu (Aptômat chiều ) - Ở đây, ta sử dụng Aptômat chiều có độ tác động nhanh Aptơmat xoay chiều Ta chọn Aptơmat BA - 20 có thơng số sau : Dịng điện định mức : 5000A Điện áp chiều định mức : 1000V c Bảo vệ áp - Đối với van công suất, nhiều nguyên nhân khác xảy điện áp van gây hỏng van Các nguyên nhân gây nên áp kể đến : * Nguyên nhân bên : - Quá áp đóng ngắt khối chức mạch chỉnh lưu : + Đóng máy biến áp vào lưới điện + Đóng mạch chỉnh lưu sau đóng biến áp gây nên tốc độ tăng áp lớn (1000V/us) + Ngắt máy biến áp khỏi nguồn không tải gây áp lên đến lần điện áp làm việc + Ngắt tải khỏi mạch chỉnh lưu gây áp ảnh hưởng điện cảm mạch điện - Quá áp lưới điện : đóng cắt phụ tải chung nguồn với chỉnh lưu lưới điện bị sét đánh * Nguyên nhân bên mạch : PHẠM NGỌC TUYỀN 27 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Quá áp tượng chuyển mạch van làm việc Loại áp mang tính chu kỳ + Khi van chuyển từ khoá sang dẫn, điện áp van giảm từ giá trị xác định xuống xấp xỉ Đột biến lan truyền lan truyền dạng xung điện áp tới van khác mạnh + Khi van chuyển từ dẫn sang khố, tượng di tản điện tích khỏi van nhanh thời gian ngắn ( khoảng 15 us ), dòng qua van giảm nhanh gây nên tượng đột biến điện áp mạch có điện cảm - Mức áp loại lên đến ÷ 10 lần điện áp lưới du/dt tới 1000 V/ us Do nguyên nhân tác hại việc van bị áp ta cần phải có bảo vệ áp cho van ta sử dụng mạch R- C mắc song song với van hình 3.4 * Xác định giá trị R C Gọi Udmp ,Uimp : giá trị cực đại cho phép điện áp thuận điện áp ngược đặt lên Thyristor cách chu kỳ Các thông số ta tra sổ tay tra cứu Udm np ,Uim np : giá trị cực đại cho phép điện áp thuận điện áp ngược đặt lên Thyristor cách không chu kỳ Các thông số ta tra sổ tay tra cứu Uim : giá trị cực đại điện áp ngược thực tế đặt lên Thyristor b : hệ số dự trữ điện áp b = ÷ k : hệ số điện áp - Xác định thông số trung gian : , - Tính C * ( k) ; R * max (k ) ; R * (k ) chuyển mạch - Xác định đại lượng tích tụ Q = f ( ) sử dụng đường cong cho sổ tay tra cứu - Tính thơng số trung gian PHẠM NGỌC TUYỀN 28 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU C= * 2Q C U LU  R im * R im 2Q * R max L U im 2Q Sau tính tốn ta giá trị R,C mạch bảo vệ : R = 90  C = 0,3 uF * Bảo vệ xung điện áp từ lưới điện ta mắc sau : hình 3.5 Chọn R = 15  C = uF Tính toán cuộn kháng san phẳng a Khái quát lọc - Từ đồ thị chỉnh lưu điều khiển không đối xứng cầu ba pha ta thấy chu kỳ điện áp đập mạch sáu lần, dòng điện đầu khơng phẳng nên chất lượng dịng điện chiều chưa cao Do ta cần phải thiết kế lọc để san phẳng thành phân sóng hài bậc cao Có bốn lọc phổ biến là: + Bộ lọc điện cảm L + Bộ lọc điện dung C + Bộ lọc LC + Bộ lọc hình  (CLC) - Ở ta thiết kế lọc điện cảm: Dùng điện cảm mắc nối tiếp với tải hình vẽ Điện áp chỉnh lưu coi gồm hai thành phần: thành phần chiều U0 thành phần xoay chiều U~ PHẠM NGỌC TUY D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU hình 3.6 + Thành phần chiều khơng bị điện cảm cản trở nên ta có U0t = U0 + Thành phần xoay chiều bị sụt áp điện cảm L trước đến tải Nên ZL lớn điện áp đập mạch qua Rt nhỏ Tuy nhiên, ZL không phép lớn q làm tăng kích thước cuộn kháng b Tính tốn trị số điện cảm lọc - Trị số điện cảm lọc tính theo cơng thức sau: L= Rd k sb − mdm w1 Rd: Điện trở tải Ta tính gần Rd sau: Rd = Ud/Id = 60/180 0,33 mđm : Số lần đập mạch điện áp chỉnh lưu (mđm = 6) w1 : Tần số góc điện áp xoay chiều (w = 314 rad/s) ksb : Hệ số san Ta có : ksb = kdm/kdmr Với kdm = 0,057 hệ số đập mạch mạch chỉnh lưu ( lấy theo yêu cầu chất lượng điện áp) => ksb = 0,057/0,001 = 57 Vậy trị số điện cảm lọc là: L = Rd k sb − = mdm w1  0,01 H c Thiế kế cuộn kháng lọc - Dây quấn cuộn kháng lọc thường có tiết diện lớn nên điện trở nhỏ nên bỏ qua Vì vậy, tổng trở cuộn kháng xấp xỉ điện kháng cuộn kháng Zck  Xck = 2..f.m.L = .50.6.0,01 = 18,84  m số lần đập mạch điện áp chỉnh lưu - Điện áp rơi cuộn kháng U ck = Z I ck 1đm I1đm biên độ dòng điện xoay chiều bậc I1đm < 10% Iđm Chọn I1đm = 5% Iđm = 5.180/100= 9A => U ck = Z ck I 1đm = 18,84 = 169,56 V PHẠM NGỌC TUYỀN 30 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Công suất cuộn kháng lọc Pck = U ck I 1đm = 169,56 = 1,526 KW * Tính tốn lõi thép cuộn kháng lọc ( cm2 ) QFe = k k hệ số máy biến áp Với máy biến áp khơ k =  Chọn k=5 * Tính kích thước lõi thép hình 3.7 - Diện tích hình trụ là: QFe = a.b =16cm2 (1) Mặt khác theo công thức kinh nghiệm ; ; (2) Từ (1) (2) ta tính được: b= 4,9cm; e= 1,64cm; c= 1,64cm; h= 8,18cm t = 6,54cm D = 2a + 2t =19,62 cm * Tính tốn dây qn cuộn kháng - Khi có thành phần dịng điện xoay chiều chạy qua cuộn kháng lọc, cuộn kháng xuất suất điện động tự cảm Eck : Eck = 4,44 w.f BT QFe kdq  U ck Chọn mật độ từ cảm trụ : BT = 1,1 T w : Số vòng dây cuộn kháng lọc kdq : hệ số dây quấn , kdq = 1,1  1,3 Chọn kdq = 1,3 Do số vòng dây cuộn kháng lọc : w= U ck 4,44 k dp f B T QFe PHẠM NGỌC TUYỀN = 169 ,56 −4 4, 44.1,3 50 1,1.16 10 31 = 334 vòng D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Tiết diện dây quấn cuộn kháng : SCu = Idm/J =180/2,75=65mm2 - Đường kính dây quấn : S Cu d=  = 9mm - Số vòng dây lớp cuộn kháng : w1 = h− d h g k e = 8,18 − 2(0,9 + 0,01) 0,95 = vòng 0,9 + 0,01 - Số lớp dây cuộn kháng ( với ý dây quấn trụ): Sld = w/3w1 = 334/3.7 = 16 lớp - Bề dày cuộn dây tổng bề dày lớp dây cộng với cách điện lớp dây - Bề dày bìa cách điện chọn 0,1 mm Bd1 = (d +cd ) Sld = ( 0,9 + 0,01) 16 = 14,56 cm - Tổng bề dày cuộn dây : Bd = 2Bd1 + cd + cdngoai = 2.14,56 + 0,1 + 0,02 = 29,24 cm Nhận thấy Bd > D nên ta phải thay đổi lại kích th−ớc mạch từ Chọn t =12 cm Khi D = 12.2 + 3,27 = 30,54 cm PHẠM NGỌC TUYỀN 32 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I NHIỆM VỤ CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN - Để Thyristor dẫn : + Điện áp Anốt phải dương điện áp Katốt + Có xung điều khiển phát vào cực điều khiển Thyristor - Mạch điều khiển đảm nhận nhiệm vụ thứ hai Nó tạo xung điện áp dương đặt vào cực điều khiển Thyristor giúp thực trình mở van II YÊU CẦU CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN - Mạch điều khiển phải thiết kế cho đảm bảo yêu cầu mở chắn van : + Đủ độ rộng xung tx + Đủ biên độ Ux + Sườn xung ngắn ts = 0,5 – s + Cách ly tốt mạch lực mạch điều khiển để đảm bảo an toàn cho người vận hành mạch điều khiển + Không gây nhiễu cho thiết bị điện tử khác xung quanh + Đảm bảo thời điểm phát xung điều khiển + Có khả bảo vệ có cố ngắn mạch III CÁC NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN - Hiện người ta thiết kế mạch điều khiển dựa vào hai hai nguyên tắc sau : + Nguyên tắc thẳng đứng tuyến tính dùng cho mạch có u cầu khơng cao điện áp + Nguyên tắc thẳng đứng arccos dùng cho mạch yêu cầu điện áp có chất lượng cao Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính Điện áp sau khâu đồng pha điện áp hình sin đồng pha với điện áp nguồn Trong vùng điện áp dương ta tạo điện áp dạng cưa Đây điện áp tựa Điện áp tựa đưa vào so sánh với điện áp điều khiển tạo khâu tạo điện áp điều khiển Tại thời điểm hai điện áp ta phát xung điều khiển vào cực điều khiển Thyristor Thyristor dẫn PHẠM NGỌC TUYỀN 33 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU góc - Cơng thức xác định góc điều khiển  :  =  U dk U tua _ max Do ta thay đổi điện áp điều khiển từ đến Utua_max thay đổi góc điều khiển  từ đến 180 từ thay đổi Ud hình 4.1 PHẠM NGỌC TUYỀN 34 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng ARCCOS Ta có đồ thị sau: Theo nguyên tắc điện áp đồng sớm pha 900 so với điện áp A - K Thyristor Nếu UAK = Um sin t Udb =Umcos t - Điện áp điều khiển điều chỉnh theo hai phía âm dương - Điện áp Udb Udk đưa vào so sánh Khi Udb=Udk có xung đầu so sánh Nếu lúc có thêm điều kiện UAK > Thyristor mở dẫn góc Ta có : Umcos t = Udk nên  = arcos(U dk ) U m - Thay đổi Udk từ +Um đến – Um thay đổi góc điều khiển  từ đến 180 từ thay đổi Ud Trong đồ án ta sử dụng nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính để thiết kế mạch điều khiển PHẠM NGỌC TUYỀN 35 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU IV CẤU TRÚC CỦA MẠCH ĐIỀU KHIỂN Mạch điều khiển gồm sáu khâu Mỗi khâu có chức riêng biệt ghép lại với nhằm thực nhiệm vụ chung ❖ Sơ đồ tổng quát cho kênh điều khiển Khâu tạo Điện áp lưới điện áp đồng pha Khâu tạo điện áp tựa Khâu so sánh Khâu tạo dạng xung Khâu tạo khuếch đại xung Khâu tạo điện áp điều khiển ❖ Phân tích nhiệm vụ khối sơ đồ : Khâu tạo điện áp đồng ph - Có nhiệm vụ tạo điện áp đồng với điện áp lưới Từ điện áp đồng ta xác định điểm gốc để tính góc điều khiển  Ngồi nhiệm vụ khâu đồng cịn có hai chức sau: + Giảm áp: tức giảm điệm áp lực có giả trị lớn đầu vào lấy giá trị điện áp có giá trị phù hợp để điều khiển + Cách ly: cách ly mạch điều khiển mạch lực đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển lưới có cố Người ta thường thiết kế khâu đồng pha biến áp xung phần tử quang Opto Khâu tạo điện áp tựa - Điện áp đồng qua khâu tạo điện áp tựa điện áp có dạng cưa Đây dạng điện áp dùng để so sánh với điện áp điều khiển Khâu tạo điện áp điều khiển - Đây khâu quan trọng mạch điều khiển Nó tạo điện áp điều khiển để so sánh với điện áp tựa Khâu tạo điện áp điều khiển cịn có nhiệm vụ ngắt mạch mạch xảy cố ngắn mạch Khâu so sánh - Có nhiệm vụ so sánh điện áp tựa điện áp điều khiển Khi Utua = Uđk tiến hành phát xung điều khiển vào để mở van Khâu tạo dạng xung - Có dạng xung xung đơn, xung kép, xung rộng, xung chùm Khâu tạo dạng xung tạo dạng xung phù hợp để đảm bảo chắn cho việc mở van Khâu khuyếch đại xung PHẠM NGỌC TUYỀN 36 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU - Có nhiệm vụ khuyếch đại xung đưa từ khâu tạo dạng xung mặt biên độ độ rộng xung để đảm bảo chắn cho việc mở van đồng thời có nhiệm vụ cách ly mạch lực mạch điều khiển V Giới thiệu khâu sử dụng mạch điều khiển 1.Khâu đồng pha - Hiện người ta thường sử dụng hai loại mạch sau để tạo điện áp đồng pha : a Mạch tạo điện áp đồng pha sử dụng phần tử ghép quang Opto - Sơ đồ mạch đồ thị điên áp vào ❖ Công dụng mạch tạo điện áp dạng xung vuông đầu * Nguyên lý hoạt động : Khi Uv > ( nửa chu kỳ dương ), dòng điện chạy qua R1, D làm sáng Diode quang D, ánh sáng D phát nhận Photodiode Tr làm cho điện trở Tr giảm xuống Tr thơng Khi Tr thơng tụ C bị ngắn mạch nên Ura= Khi Uv < ( nửa chu kỳ âm ), D1 thơng, D bị khố dẫn đến Tr bị khoá theo Lúc tụ C nạp điện Ura = Uc Ưu điểm phương pháp không cần sử dụng biến áp đồng pha nên thuận tiện việc chế tạo lắp đặt Nhược điểm sơ đồ việc mở khoá Photodiode Tr vùng điện áp lân cận thiếu xác làm cho việc phóng nạp tụ điện vùng điện áp lưới gần thiếu xác theo b Mạch tạo điện áp đồng pha sử dụng máy biến áp đồng pha khuyếch đại thuật toán - Sơ đồ mạch đồ thị điên áp vào PHẠM NGỌC TUYỀN 37 D10 CNTĐ-CLC ĐỒ ÁN MÔN ĐTCS - THIẾT KẾ NGUỒN HÀN HỒ QUANG ĐIỆN MỘT CHIỀU PHẠM NGỌC TUYỀN 38 D10 CNTĐ-CLC